示波器電流探頭的原理與簡單介紹

1. 概述

電流探頭的應用十分廣泛，其基本原理是流經(jīng)導線的電流會在周圍產(chǎn)生磁場，電流探頭把磁場轉(zhuǎn)化成相應的電壓信號，通過和示波器配合，觀察對應的電流波形。廣泛應用于開關電源、馬達驅(qū)動器、電子整流計、LED照明、新能源等領域。本文將講述常見的電流探頭的分類、原理、重要技術指標，并通過實例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠?qū)μ筋^有個基本的了解。

2. 電流探頭的分類和原理

目前示波器上的電流探頭基本分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭常見的是無源探頭，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電流探頭有無源的，也有有源的。

常見的無源AC探頭，比如說電流環(huán)，其基本原理如圖1，電流探頭前端有一個磁環(huán)，磁環(huán)上繞有線圈，使用時這個磁環(huán)套在被測的供電線上。由于電流流過電線所產(chǎn)生的磁場就被這個磁環(huán)收集到，磁通量和電線上流過的電流成正比，磁環(huán)上的線圈產(chǎn)生相應比例關系的電流，經(jīng)后級匹配電路轉(zhuǎn)換成相應比例關系的電壓。無源AC探頭的缺點是不能測量直流型號，且低頻截止點通常在100Hz以上，優(yōu)點是成本低。無源AC探頭根據(jù)嵌頭結(jié)構(gòu)可分為分芯和實芯的兩種。分芯的嵌口可手動張開和關閉，優(yōu)點是探頭能夠方便地卡到測量電流的導線上，在測量完成時，鉗口可以打開，探頭可以移到其它導線上；缺點是高頻響應速度比較慢。實芯AC無源探頭的優(yōu)點是響應速度比較快，高頻帶寬達到ns級別，甚至更高；缺點是被測電流一般比較小，通常在100A以下，測量時必須斷開被測導線，把導線穿過轉(zhuǎn)換器，然后重新把導線連接到電路上，才能進行測量。

圖1 常見的無源AC探頭測量原理示意圖

有源的AC探頭根據(jù)鉗口常見形式分為兩種：一種是普通的嵌式結(jié)構(gòu)，另一種是柔性結(jié)構(gòu)。普通的嵌式結(jié)構(gòu)電流探頭一般都使用強磁性材料制作的鐵心，這種流過很大的一次電流，鐵心很容易產(chǎn)生磁飽和，因此使得無法進行準確的測量；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：線圈長度； S：線圈截面積；N：匝數(shù)；L：電感量；u：磁導率實際的柔性探頭一般會配合運放組成積分電路，達到更高的測量精度。