常見的無源AC探頭,比如說電流環,其基本原理如圖1,電流探頭前端有一個磁環,磁環上繞有線圈,使用時這個磁環套在被測的供電線上。由于電流流過電線所產生的磁場就被這個磁環收集到,磁通量和電線上流過的電流成正比,磁環上的線圈產生相應比例關系的電流,經后級匹配電路轉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,優點是成本低。無源AC探頭根據嵌頭結構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探頭根據鉗口常見形式分為兩種: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,這種流過很大的一次電流,鐵心很容易產生磁飽和,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;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。
3.柔性電流探頭重要指標:
{C}1. {C}帶寬
柔性探頭是交流探頭,只能測量交流,帶寬有低頻截止點(-3dB點)fL和高頻截止點(-3dB點)fH。如下圖:(-3dB點:是指實際幅度的70.7%位置)
選擇探頭時就要考慮探頭的高頻截止點fH和低頻截止點 是否滿足要求fL。
要保證幅度滿足精度要求,選擇時一般要留有5倍余量。比如說探頭的低頻截止點是50Hz,表明實際如果測量50Hz,幅度大概是實際值的70.7%,誤差高達近30%。也就是測量50Hz的頻率波形,那么實際選擇探頭時要考慮截止點低于10Hz的型號探頭。高頻截止點也是同樣道理,比如說驅動頻率是100KHz,要想準確測量,必須選擇高頻帶寬大于500KHz的電流探頭,當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ns,就需要帶寬高達幾十MHz的電流探頭了。
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