探頭講解第二篇：AC/DC電流探頭
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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(guò)和示波器配合，觀察對(duì)應(yīng)的電流波形。廣泛應(yīng)用于開(kāi)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(jiàn)的電流探頭的分類、原理、重要技術(shù)指標(biāo)，并通過(guò)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(jiàn)的是無(wú)源探頭，成本低，但不能處理直流分量，也有有源的AC探頭，比如說(shuō)柔性電流探頭，相對(duì)來(lái)說(shuō)，成本高很多；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。下面主要講AC/DC電流探頭：
DC/AC電流探頭既可以測(cè)量直流也可以測(cè)量交流信號(hào)，根據(jù)測(cè)量帶寬可以分為低頻嵌和高頻嵌兩種。低頻嵌的電路原理一般采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)測(cè)量，其精度低，帶寬低，典型值為100KHz；高頻嵌一般采用閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)量，其精度高，帶寬高，響應(yīng)時(shí)間都在ns級(jí)別以上。下面將分別介紹：
市場(chǎng)上常見(jiàn)的DC/AC低頻嵌,如CYBERTEK的CP8100L，泰克的A622帶寬都在100KHz，其測(cè)量原理就是典型的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)測(cè)量，嵌頭示意圖如圖3，霍爾器件感應(yīng)DC和AC信號(hào)，由于霍爾器件的帶寬有限，典型帶寬值在100KHz左右，所以這類電流嵌的特點(diǎn)是帶寬比較窄，響應(yīng)時(shí)間在us級(jí)別，成本相對(duì)比較低，應(yīng)用在要求不高的場(chǎng)合。
圖3 低頻嵌測(cè)量原理示意圖
另一類是市場(chǎng)上常見(jiàn)的高頻DC/AC嵌，如CYBERTEK公司的CP3000,4000,8000A系列， 泰克的 TCP202 ,TCP312，TCP303等都屬于這一類型。其特點(diǎn)是精度高，頻帶寬。原理如圖4，該電路是典型的閉環(huán)系統(tǒng)，零磁通型電路，即原邊電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償．使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。霍爾元件檢測(cè)低頻成分，線圈檢測(cè)高頻成分，兩者合二為一，達(dá)到高帶寬，高精度，滿足應(yīng)用要求比較高的場(chǎng)合。
圖4 高頻DC/AC嵌典型原理框圖
3.電流探頭重要指標(biāo)
3.1精度
精度：是指電流到電壓轉(zhuǎn)換的精度。拿AC/DC電流嵌為例，一般開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度比較差一點(diǎn)，典型值在3%左右；閉環(huán)系統(tǒng)的精度比較高，典型值在1%左右。
3.2帶寬
帶寬：所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%
(-3 dB)的頻率，如圖5所示。在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7%進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)最大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為精確地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。最常見(jiàn)的情況下，使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快4-5倍。在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，一般幾十MHz的帶寬就基本夠用了。
圖5帶寬是正弦波的幅度下降70.7% (-3 dB)的響應(yīng)曲線中的頻率
3.3插入損耗
插入損耗：插入阻抗是從電流探頭的線圈(二級(jí))轉(zhuǎn)換到被測(cè)的攜帶電流的導(dǎo)線中的阻抗。
一般來(lái)說(shuō)，電流探頭反射的阻抗值可以位于毫歐范圍內(nèi)，對(duì)阻抗為25歐姆及以上的電路影
響不大。
3.4電流額定值VS頻率指標(biāo)
電流探頭指標(biāo)應(yīng)包括幅度與頻率額定值下降關(guān)系曲線，這一曲線把磁芯飽和與提高的頻率關(guān)聯(lián)起來(lái)。頻率增加對(duì)磁芯飽和的影響在于，當(dāng)波形頻率或幅度增加時(shí)，平均電流為零安培的波形幅度峰值會(huì)被削掉。
3.5最大額定輸入電流
最大額定輸入電流：是指電流探頭可以接受、同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)規(guī)定性能的總電流(DC加峰值A(chǔ)C)。在AC電流測(cè)量中，必須根據(jù)頻率降低峰到峰額定值，以計(jì)算最大總輸入電流。
3.6額定最大峰值脈沖電流
額定最大峰值脈沖電流：被測(cè)電流不應(yīng)超過(guò)這一額定值，它考慮了磁芯飽和及可能損壞設(shè)備的次級(jí)電壓積累。最大額定峰值脈沖電流通常規(guī)定為安培秒乘積。
4.電流探頭實(shí)例分析
4.1DC～低頻和DC～高頻電流探頭實(shí)測(cè)對(duì)比
上面講了低頻嵌和高頻嵌的原理區(qū)別，現(xiàn)在來(lái)對(duì)比一下實(shí)測(cè)效果，低頻嵌選擇CP8100L（100A/100KHz），高頻嵌選擇CP8030A（30A/40MHz）。
4.1.1實(shí)測(cè)低頻信號(hào)（50Hz電源線波形）對(duì)比(示波器為力科waveSurfer 62Xs)
圖6電流嵌測(cè)量電源線上電流波形系統(tǒng) 1通道為CP8030A,2通道為CP8100L
圖7高低頻捕捉電源線上的電流波形圖片分析，電流大小為1.95A左右（因?yàn)樘筋^所在量程的電流傳輸比為0.1V/A，由于實(shí)測(cè)值為195mV，經(jīng)計(jì)算為1.95A），頻率為50Hz，兩款探頭實(shí)測(cè)非常接近，也就是在測(cè)低頻信號(hào)時(shí)，看不出差別，都能夠準(zhǔn)確的捕捉到電流波形。
評(píng)論