AC高頻柔性電流探頭 之第一篇

1.概述
電流探頭的應(yīng)用十分廣泛，其基本原理是流經(jīng)導(dǎo)線的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流探頭把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過和示波器配合，觀察對(duì)應(yīng)的電流波形。廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、電子整流計(jì)、LED照明、新能源等領(lǐng)域。本文將講述常見的電流探頭的分類、原理、重要技術(shù)指標(biāo)，并通過實(shí)例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠?qū)μ筋^有個(gè)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(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，低頻探頭常見的帶寬在幾百KHz以下，高頻探頭帶寬一般在幾MHz以上。
下面介紹AC探頭，重點(diǎn)介紹有源柔性電流探頭
AC電流探頭有無(wú)源的，也有有源的。
常見的無(wú)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(gè)磁環(huán)，磁環(huán)上繞有線圈，使用時(shí)這個(gè)磁環(huán)套在被測(cè)的供電線上。由于電流流過電線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就被這個(gè)磁環(huán)收集到，磁通量和電線上流過的電流成正比，磁環(huán)上的線圈產(chǎn)生相應(yīng)比例關(guān)系的電流，經(jīng)后級(jí)匹配電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例關(guān)系的電壓。無(wú)源AC探頭的缺點(diǎn)是不能測(cè)量直流型號(hào)，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(jù)嵌頭結(jié)構(gòu)可分為分芯和實(shí)芯的兩種。分芯的嵌口可手動(dòng)張開和關(guān)閉，優(yōu)點(diǎn)是探頭能夠方便地卡到測(cè)量電流的導(dǎo)線上，在測(cè)量完成時(shí)，鉗口可以打開，探頭可以移到其它導(dǎo)線上；缺點(diǎn)是高頻響應(yīng)速度比較慢。實(shí)芯AC無(wú)源探頭的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度比較快，高頻帶寬達(dá)到ns級(jí)別，甚至更高；缺點(diǎn)是被測(cè)電流一般比較小，通常在100A以下，測(cè)量時(shí)必須斷開被測(cè)導(dǎo)線，把導(dǎo)線穿過轉(zhuǎn)換器，然后重新把導(dǎo)線連接到電路上，才能進(jìn)行測(cè)量。

圖1常見的無(wú)源AC探頭測(cè)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(qiáng)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(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)量大電流，而且只能測(cè)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(wèi)：線圈長(zhǎng)度； S：線圈截面積；N：匝數(shù)；L：電感量；u：磁導(dǎo)率
實(shí)際的柔性探頭一般會(huì)配合運(yùn)放組成積分電路，達(dá)到更高的測(cè)量精度。
3.柔性電流探頭重要指標(biāo)：
{C}1.{C}帶寬

柔性探頭是交流探頭，只能測(cè)量交流，帶寬有低頻截止點(diǎn)(-3dB點(diǎn))fL和高頻截止點(diǎn)(-3dB點(diǎn))fH。如下圖：（-3dB點(diǎn)：是指實(shí)際幅度的70.7%位置）

選擇探頭時(shí)就要考慮探頭的高頻截止點(diǎn)fH和低頻截止點(diǎn)是否滿足要求fL。
要保證幅度滿足精度要求，選擇時(shí)一般要留有5倍余量。比如說探頭的低頻截止點(diǎn)是50Hz，表明實(shí)際如果測(cè)量50Hz，幅度大概是實(shí)際值的70.7%，誤差高達(dá)近30%。也就是測(cè)量50Hz的頻率波形，那么實(shí)際選擇探頭時(shí)要考慮截止點(diǎn)低于10Hz的型號(hào)探頭。高頻截止點(diǎn)也是同樣道理，比如說驅(qū)動(dòng)頻率是100KHz，要想準(zhǔn)確測(cè)量，必須選擇高頻帶寬大于500KHz的電流探頭，當(dāng)然如果考慮到上升沿的問題，帶寬就要綜合考慮了。有些電流波形，雖然頻率只有100KHz，但是上升沿可能只有幾十個(gè)ns，就需要帶寬高達(dá)幾十MHz的電流探頭了。
2.相位

柔性探頭一般在不同頻點(diǎn)相移不同，原理類似于RC的帶通過濾波器，這里簡(jiǎn)單的舉個(gè)RC高通濾波器，幫助了解（注：網(wǎng)上摘錄RC高通濾波器圖）。


有以上分析可知：在低頻截止點(diǎn)位置RC高通濾波器相移為45°，柔性探頭類似于這種原理，柔性探頭時(shí)有源積分放大器，相移會(huì)有所不同，可通過廠家實(shí)測(cè)獲得數(shù)據(jù)。
待續(xù)！