AC高频柔性电流探头 之第一篇

2015-05-14 10:04:39来源: ednchina
1. 概述
电流探头的应用十分广泛,其基本原理是流经导线的电流会在周围产生磁场,电流探头把磁场转化成相应的电压信号,通过和示波器配合,观察对应的电流波形。广泛应用于开关电源、马达驱动器、电子整流计、LED照明、新能源等领域。本文将讲述常见的电流探头的分类、原理、重要技术指标,并通过实例分析了解探头之间的差别,让大家能够对探头有个基本的了解。
 
2. 电流探头的分类和原理
目前示波器上的电流探头基本分成两类:即AC电流探头和AC/DC电流探头,AC电流探头常见的是无源探头,成本低,但不能处理直流分量;AC/DC电流探头通常是有源探头,分为低频探头和高频探头,低频探头常见的带宽在几百KHz以下,高频探头带宽一般在几MHz以上。
下面介绍AC探头,重点介绍有源柔性电流探头
    AC电流探头有无源的,也有有源的。
常见的无源AC探头,比如说电流环,其基本原理如图1,电流探头前端有一个磁环,磁环上绕有线圈,使用时这个磁环套在被测的供电线上。由于电流流过电线所产生的磁场就被这个磁环收集到,磁通量和电线上流过的电流成正比,磁环上的线圈产生相应比例关系的电流,经后级匹配电路转换成相应比例关系的电压。无源AC探头的缺点是不能测量直流型号,且低频截止点通常在100Hz以上,优点是成本低。无源AC探头根据嵌头结构可分为分芯和实芯的两种。分芯的嵌口可手动张开和关闭,优点是探头能够方便地卡到测量电流的导线上,在测量完成时,钳口可以打开,探头可以移到其它导线上;缺点是高频响应速度比较慢。实芯AC无源探头的优点是响应速度比较快,高频带宽达到ns级别,甚至更高;缺点是被测电流一般比较小,通常在100A以下,测量时必须断开被测导线,把导线穿过转换器,然后重新把导线连接到电路上,才能进行测量。
    
                     图1 常见的无源AC探头测量原理示意图
有源的AC探头根据钳口常见形式分为两种:一种是普通的嵌式结构,另一种是柔性结构。     普通的嵌式结构电流探头一般都使用强磁性材料制作的铁心,这种流过很大的一次电流,铁心很容易产生磁饱和,因此使得无法进行准确的测量;而柔性探头使用的是空芯型交流电流传感器,因此在大电流的情况下也不饱和,所以柔性探头一般用来测量大电流,而且只能测交流。柔性探头的基本原理(如2)如下

                  图2 空芯交流电流传感器
Vout=(u*S*N*I)/(R*C*l)   其中R>>2fL
式中 l:线圈长度;  S:线圈截面积;N:匝数;L:电感量;u:磁导率
实际的柔性探头一般会配合运放组成积分电路,达到更高的测量精度。
3.柔性电流探头重要指标:
{C}1.      {C}带宽
 
 柔性探头是交流探头,只能测量交流,带宽有低频截止点(-3dB点)fL和高频截止点(-3dB点)fH。如下图:(-3dB点:是指实际幅度的70.7%位置)

选择探头时就要考虑探头的高频截止点fH和低频截止点 是否满足要求fL。
要保证幅度满足精度要求,选择时一般要留有5倍余量。比如说探头的低频截止点是50Hz,表明实际如果测量50Hz,幅度大概是实际值的70.7%,误差高达近30%。也就是测量50Hz的频率波形,那么实际选择探头时要考虑截止点低于10Hz的型号探头。高频截止点也是同样道理,比如说驱动频率是100KHz,要想准确测量,必须选择高频带宽大于500KHz的电流探头,当然如果考虑到上升沿的问题,带宽就要综合考虑了。有些电流波形,虽然频率只有100KHz,但是上升沿可能只有几十个ns,就需要带宽高达几十MHz的电流探头了。
   2.相位
 
柔性探头一般在不同频点相移不同,原理类似于RC的带通过滤波器,这里简单的举个RC高通滤波器,帮助了解(注:网上摘录RC高通滤波器图)。


有以上分析可知:在低频截止点位置RC高通滤波器相移为45°,柔性探头类似于这种原理,柔性探头时有源积分放大器,相移会有所不同,可通过厂家实测获得数据。
待续!

关键字:AC  高频柔性  电流探头

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0514/article_11775.html
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