電流探頭的使用方法及選型指南

2023-03-24 11:35:08

次

利用示波器測(cè)試信號(hào)，經(jīng)常會(huì)用到探頭探測(cè)信號(hào)，工程師經(jīng)常使用電壓探頭和電流探頭探測(cè)信號(hào)，如果要測(cè)電源、三相電機(jī)、功率、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等，都會(huì)用到電流探頭。實(shí)時(shí)示波器配合電流探頭進(jìn)行電流測(cè)試，并可觀測(cè)和分析電流波形。如果示波器的電壓探頭和電流探頭同時(shí)配合使用，可完成進(jìn)行各種功率測(cè)量，并可以利用示波器的Math數(shù)學(xué)運(yùn)算功能來測(cè)量瞬時(shí)功率、視在功率、有效功率等功率參數(shù)，也可以利用示波器的功率分析軟件來完成功率的自動(dòng)測(cè)量。

1.電流探頭工作原理

要知道電流探頭的工作原理，我們先來了解一下霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是由美國物理學(xué)家霍爾在1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這個(gè)現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，就像一條路，本來大家是均勻的分布在路面上并往前移動(dòng)，當(dāng)有磁場時(shí)，大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走，因此在路(導(dǎo)體)的兩側(cè)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差，叫“霍爾效應(yīng)”。利用示波器測(cè)電流需要用到電流探頭，常用的電流探頭是利用霍爾效應(yīng)測(cè)磁場，通過測(cè)量電路周圍磁場的變化來得到電流信號(hào)。

電流探頭工作原理：流經(jīng)導(dǎo)線的電流會(huì)在導(dǎo)線周圍形成電磁通量場，電流探頭測(cè)量電子在導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)生成的磁場，通過檢測(cè)磁場的變化，把磁場轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過和實(shí)時(shí)示波器配合，得到對(duì)應(yīng)的電流波形。電流探頭在測(cè)試直流和低頻交流時(shí)，利用霍爾器件來檢測(cè)，利用霍爾效應(yīng)來測(cè)量交直流混合的電流，隨著被測(cè)電流信號(hào)的頻率越來越高，霍爾效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，測(cè)量高頻的交流電流時(shí)，利用電流變壓器感應(yīng)交流電流?；魻柶骷z測(cè)低頻成分，電流變壓器線圈檢測(cè)高頻成分，兩者合二為一，滿足不同的應(yīng)用場合。AC/DC電流探頭是利用霍爾器件來感應(yīng)直流電流和利用電流變壓器線圈感應(yīng)交流電流，從而完成AC和DC電流的探測(cè)。

2.電流探頭的分類

目前用于示波器上的電流探頭基本分成兩類：AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，成本低，但無法測(cè)量DC分量，AC電流探頭有一個(gè)低頻截止帶寬。AC/DC電流探頭通常是有源探頭，AC/DC電流探頭既可以測(cè)量直流也可以測(cè)交流電流信號(hào)，AC/DC電流探頭利用霍爾器件感應(yīng)直流和低頻交流信號(hào)，高頻電流信號(hào)利用變壓器工作原理，感應(yīng)導(dǎo)線中的交流(AC)。電流探頭的帶寬大高達(dá)幾GHz，一般常用的電流探頭帶寬低于120MHz。

3.電流探頭的應(yīng)用場合

電流探頭廣泛應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、電源、半導(dǎo)體設(shè)備、功率逆變器、電子鎮(zhèn)流器、消費(fèi)電子產(chǎn)品、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等。

電流探頭配合電壓探頭同時(shí)測(cè)試，利用示波器的Math波形數(shù)學(xué)處理能力，可用于各種功率的測(cè)量。

瞬時(shí)功率=電壓x電流

有效功率=電壓(有效值)x電流(有效值)x相角

視在功率=電壓(有效值)x電流(有效值)

電壓角度(相位)

電流角度(相位)

電流探頭電流探測(cè)范圍可以從幾毫安到幾千安培、AC/DC電流探頭頻率從DC 到120MHz以上，AC電流探頭可達(dá)GHz，廣泛用于各種電流測(cè)量需求，電流探頭根據(jù)測(cè)試需求可供選擇型號(hào)也非常廣泛。為某個(gè)特定的應(yīng)用選擇電流探頭在很多方面與選擇電壓探頭類似。靈敏度、電流范圍、頻率范圍、帶寬、上升時(shí)間、交流和直流電流能力等某些關(guān)鍵指標(biāo)。

4.電流探頭的主要指標(biāo)

4.1 電流探頭的帶寬

電流探頭也有帶寬，電流探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)幅度下降到-3dB對(duì)應(yīng)的截止頻率。AC電流探頭還有低頻帶寬限制，AC電流探頭無法測(cè)試DC電流和低頻電流信號(hào)，因此AC電流探頭有工作頻率范圍。電流探頭配合示波器一起使用，還需要考慮示波器的帶寬，這種系統(tǒng)帶寬決定著整體測(cè)量帶寬。

4.2 電流探頭上升時(shí)間

上升時(shí)間通常利用10% 至 90% 階躍響應(yīng)時(shí)間，表征探頭從前端到后端測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)間。要精測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，需要示波器和電流探頭組合的測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間比被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間快3至5倍。

4.3 安培秒乘積

對(duì)于電流探頭，安培秒乘積規(guī)定了電流探頭線性操作的大極限。對(duì)電流脈沖，這一乘積定義為平均電流幅度乘以脈寬。如果超過安培秒乘積，電流變壓器磁芯會(huì)飽和。由于飽和的磁芯不能處理更多的電流感應(yīng)的通量，因此在電流輸入和電壓輸出之間不再成恒定的比例，在超過安培秒乘積的區(qū)域中波形部分被削掉；如果沒有超過安培秒乘積，探頭的信號(hào)電壓輸出將呈線性，并保證測(cè)量精度。

4.4 大額定輸入電流

電流探頭可接受的大額定輸入電流，同時(shí)仍能正常工作的總電流(DC+峰值A(chǔ)C)，在AC電流測(cè)量中，必須根據(jù)頻率降低峰值額定值。

4.5 大額定峰值脈沖電流

探測(cè)電流不超過這一額定值，考慮了磁芯飽和可能損壞設(shè)備的次級(jí)電壓積累，大額定峰值脈沖電流通常規(guī)定為安培秒乘積。

5.電流探頭的使用步驟

為了進(jìn)行正確電流測(cè)試，工程師需要在使用前對(duì)電流探頭進(jìn)行消磁和校零調(diào)節(jié)，消磁可以消除電流探頭的寄生磁場，否則會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)的漂移和測(cè)量誤差。每次進(jìn)行消磁后，都需要調(diào)節(jié)探頭的零點(diǎn)，消除存在的偏移。電流探頭接到示波器的通道后，一般在示波器界面上會(huì)自動(dòng)顯示安培單位，還需在示波器上菜單AutoZero 功能單擊操作可完成消磁和自動(dòng)校零，有些電流探頭在探頭上就有Degauss/AutoZero按鈕，按一下AutoZero按鈕，會(huì)消除測(cè)量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差。

5.1 如何使用TCPA300電流放大器和電流探頭進(jìn)行電流測(cè)試

下圖是泰克TCPA300/TCPA400電流探頭系統(tǒng)。

0 (7).png