如何选择正确的电流探头

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如何选择正确的电流探头

应用指南

概述

示波器电流探头让示波器能够测量电流，扩展了测量电压以外的用途。基本上而言，电流探头通过导体感应电流流动，并将电流转化为探头可以在示波器上查看并测量的电压。最常用的电流测量方式是对带电导体的磁场感应。然而，还有多种可以选择的电流探头类型，且每种探头都有最佳应用领域。当正确用于设计的应用情况时，可以获得最佳的结果。

本应用指南介绍常见的电流探头解决方案类型、基本原理、每种电流探头类型的优势和局限性，以及将电流探头用于示波器应用时的实际考虑因素，从而充分利用这些探头。

电流探头类型

电流探头广泛用于功率设备或电源电流测量，它们已经成为使用示波器进行精确的电流测量不可或缺的工具。为了满足电流测量需求，有很多不同的技术可用来测量电流，但最常见的配合示波器使用的方法有：

1. 检测电阻或分流器：基于欧姆定律

2. 夹合式电流探头 - 交流电流互感器或混合霍尔效应传感器/交流电流互感器

3. 罗氏线圈：用于大交流电流测量的便捷探头

检测电阻或分流器

测量 DUT 电流的一种直接方式是在电流中使用分流电阻，测量电阻两端的压降，并使用欧姆定律方程式（即，I = V/R）将电压转换为电流。此方法是有创测定法，其中检测/分流电阻和电压测量电路或探头通过电气连接，并且是待测设备的一部分。因此，有很多因素需要考虑。

选择检测电阻

电阻值、精度、温度系数和物理尺寸的选择均取决于待测量的电流量及其特征。电阻值越大，SNR 越大，测量精度也越高。但是，较大的电阻值将导致电阻上功耗的增加，从而产生不需要的电压骤降，其也被称为负担电压。在负担电压损失以外，还存在检测电阻值和测量噪声、灵敏度和带宽之间的权衡。为了降低负担电压的影响，用户可能需要尽可能使用最小的检测电阻值，但较低的检测电阻会对测量产生不利影响。较大的检测电阻值意味着检测电阻上压力骤降的增加，以及负载的低电压，从而引起系统性能和效率问题。这是一项需要平衡的操作。

图 1. 在检测电阻值和测量噪声、灵敏度和带宽之间进行权衡。

输入共模电压

其定义了探头或感应设备（放大器）相对于接地时的输入共模电压。

高侧/低侧监控

测量负载电流时，可选择将检测电阻放在供电电压和负载（高侧）之间，或者放在负载和接地（低侧）之间。通常更倾向于使用低侧感应，且其更简单，因为共模电压靠近接地端。高侧感应的优点在于其可以直接监控电源的电流，从而方便检测负载短路。

4 端点开尔文测量配置

此方法可以有效消除电线电阻和负载温度系数的影响。开尔文连接是精确电流感应的关键，尤其适用于高电压的应用情况。

优点

–根据系统执行方式，可实现极高的灵敏度并进行高带宽测量。 –小巧、经济。

限制

–在负担电压和测量精度（噪声、灵敏度和带宽）之间存在权衡。

–高精度测量的较大检测电阻值意味着检测电阻上压力骤降的增加，以及负载的低电压，从而引起系统性能和效率问题。 –此方法是有创测定法，其中检测/分流电阻和电压测量电路或探头通过电气连接，并且

是待测设备的一部分。

图 2. 是德科技的 N2820A/21A 高灵敏度电流探头

采用检测电阻技术，结合示波器使用，可测量低至 500nA 的电流

夹合式电流探头

另一种常见电流探头类型是磁芯电流探头，或夹合式电流探头。这是一种间接电流检测技术，探头夹住带电流的电线或导体周围，以实现非接触性电流测量。探头的输出端会产生与测量的电流振幅成正比的电压信号。从而实现无创测定或隔离测量，过程中探头不会与待测设备进行电气连接。夹合式电流探头有交流和交流/直流版，并且有各种电流转换换算系数可用。电流探头被设计用于感应导体周围电磁场强度，并将其转为对应的电压以供示波器测量。在最常见的夹合式电流探头内采用了两种传感器技术。一种是测量直流或低频信号的霍尔效应传感器。霍尔效应传感器是一种根据磁场变化输出电压的换能器。另一项常见技术是使用电流互感器。互感器核心内的交流电流在核心内产生磁场，然后在第二绕组电路中引出电流，并被馈送至测量仪。第二绕组将带有与通过主要绕组电流成正比的感应电压。此

技术仅可用于测量交流电流。

图 3. 夹合式电流探头是一种间接电流检测技术，探头夹住带电流的电线或导体周围，以实现非接触性电流测量。

图 4. 一种混合的交流/直流电流探头，

整合了霍尔效应传感器和测量交流直流电流的电流互感器。

V H ∝ B

霍尔效应

传感器 — 直流/低频

变压器 — 交流

交流/直流混合

= N s / N p = I p / I s

f(d Φ/dt)

另一种常见的技术是混合交流/直流电流探头，在一个探头内整合了用于测量直流和低频内容的霍尔效应传感器元件以及测量交流的电流互感器。

霍尔元件

图 5. 是德科技大多数夹合式电流探头常用的一种技术是交流/直流混合电流探头，它集成了霍尔效应传感器和电流互感器。

优点

–探头和待测设备之间的电流隔离。

–它们可以放置在电流路径上的任意位置，而不会切断电路。

–插入阻抗较低。

限制

–消磁和偏移误差消除 - 为了进行精确测量，需要偶尔对探头进行消磁，并在消磁后补偿探头上保留的任何直流偏移。

–高价格：霍尔效应传感器是最贵的电流传感器之一

罗氏线圈

如果您处理的是几十安培的交流电流并且希望进行灵活的电流测量，可以考虑使用罗氏电流探头。

罗氏线圈是用于测量交流电流的电子式互感器，比如高速瞬变、功率器件的脉冲电流，或 50 或 60 Hz 下的电源线正弦电流。罗氏线圈是一个灵活的夹合式传感器线圈，能够被轻松缠绕在电流导体上进行测量，可以测量几千安培的大电流，而无需增大互感器的尺寸。

罗氏线圈的工作原理是什么？

罗氏线圈的工作原理基于法拉第定律，讲述的是闭合电路中感应的总电动势与连接电路的总磁通量时间变化率的正比关系。

罗科夫斯基线圈与交流电电流互感器类似，其中电压被导向第二线圈，并在该处与经过绝缘导体的电流成正比关系。关键区别在于罗科夫斯基线圈带有空心磁芯，这一点与电流互感器刚好相反，后者依靠高导磁率钢芯与第二绕线实现磁耦合。而空心磁芯则采用较低插入抗阻的设计，实现更快的信号响应和线性的信号电压。空心磁芯线圈以环形方式被置于带电流的导体周围，且交流电电流产生的磁场会在线圈中感应电压。罗科夫斯基线圈生成与线圈环路中电流变化率（导数）成正比的电压。之后，该线圈电压被整合，以便探头提供与输入电流信号成正比的输出电压。

图 6. 是德科技提供三个罗氏线圈电流探头，能够测

量高达 3,000Apk

的大电流。

图 7. 罗科夫斯基线圈生成与线圈环路中电流变化率（导数）

成正比的电压。