示波器電流探頭的原理與簡(jiǎn)單介紹

1. 概述

電流探頭的應用十分廣泛，其基本原理是流經(jīng)導線(xiàn)的電流會(huì )在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，電流探頭把磁場(chǎng)轉化成相應的電壓信號，通過(guò)和示波器配合，觀(guān)察對應的電流波形。廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源、馬達驅動(dòng)器、電子整流計、LED照明、新能源等領(lǐng)域。本文將講述常見(jiàn)的電流探頭的分類(lèi)、原理、重要技術(shù)指標，并通過(guò)實(shí)例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠對探頭有個(gè)基本的了解。

2. 電流探頭的分類(lèi)和原理

目前示波器上的電流探頭基本分成兩類(lèi)：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭常見(jiàn)的是無(wú)源探頭，成本低，但不能處理直流分量；AC/DC電流探頭通常是有源探頭，分為低頻探頭和高頻探頭，低頻探頭常見(jiàn)的帶寬在幾百KHz以下，高頻探頭帶寬一般在幾MHz以上。

2.1 AC電流探頭

AC電流探頭有無(wú)源的，也有有源的。

常見(jiàn)的無(wú)源AC探頭，比如說(shuō)電流環(huán)，其基本原理如圖1，電流探頭前端有一個(gè)磁環(huán)，磁環(huán)上繞有線(xiàn)圈，使用時(shí)這個(gè)磁環(huán)套在被測的供電線(xiàn)上。由于電流流過(guò)電線(xiàn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就被這個(gè)磁環(huán)收集到，磁通量和電線(xiàn)上流過(guò)的電流成正比，磁環(huán)上的線(xiàn)圈產(chǎn)生相應比例關(guān)系的電流，經(jīng)后級匹配電路轉換成相應比例關(guān)系的電壓。無(wú)源AC探頭的缺點(diǎn)是不能測量直流型號，且低頻截止點(diǎn)通常在100Hz以上，優(yōu)點(diǎn)是成本低。無(wú)源AC探頭根據嵌頭結構可分為分芯和實(shí)芯的兩種。分芯的嵌口可手動(dòng)張開(kāi)和關(guān)閉，優(yōu)點(diǎn)是探頭能夠方便地卡到測量電流的導線(xiàn)上，在測量完成時(shí)，鉗口可以打開(kāi)，探頭可以移到其它導線(xiàn)上；缺點(diǎn)是高頻響應速度比較慢。實(shí)芯AC無(wú)源探頭的優(yōu)點(diǎn)是響應速度比較快，高頻帶寬達到ns級別，甚至更高；缺點(diǎn)是被測電流一般比較小，通常在100A以下，測量時(shí)必須斷開(kāi)被測導線(xiàn)，把導線(xiàn)穿過(guò)轉換器，然后重新把導線(xiàn)連接到電路上，才能進(jìn)行測量。

圖1 常見(jiàn)的無(wú)源AC探頭測量原理示意圖

有源的AC探頭根據鉗口常見(jiàn)形式分為兩種：一種是普通的嵌式結構，另一種是柔性結構。普通的嵌式結構電流探頭一般都使用強磁性材料制作的鐵心，這種流過(guò)很大的一次電流，鐵心很容易產(chǎn)生磁飽和，因此使得無(wú)法進(jìn)行準確的測量；而柔性探頭使用的是空芯型交流電流傳感器，因此在大電流的情況下也不飽和，所以柔性探頭一般用來(lái)測量大電流，而且只能測交流。柔性探頭的基本原理（如2）如下：

圖2 空芯交流電流傳感器

Vout=(u*S*N*I)/(R*C*l) 其中R>>2fL

式中 l：線(xiàn)圈長(cháng)度； S：線(xiàn)圈截面積；N：匝數；L：電感量；u：磁導率實(shí)際的柔性探頭一般會(huì )配合運放組成積分電路，達到更高的測量精度。