Как измерить ток с помощью осциллографа: выбираем оптимальный метод

Материал обновлен 10.05.2023
Время чтения: 12 минут

Распространение импульсных схем привело к тому, что форма протекающего тока, часто не совпадает с формой напряжения. Искажения оказывают значительное влияние как на элементы схемы источника питания, так и потребителя. Поэтому достоверная информация о форме сигнала, в первую очередь, необходима для:

Осциллограф широко применяется для регистрации периодических и быстроменяющихся импульсов напряжения. А что ток? Как дело обстоит с ним? Взглянем, какие используются способы регистрации сигналов электрического тока при помощи осциллографа.

Измерение на токоизмерительном шунте – один из наиболее часто применяемых методов измерения больших токов. Суть метода основана на том, что исследуется не сам ток, протекающий по проводнику, а создаваемое на нем падение напряжения. Так как сам шунт является чисто активным элементом, то форма напряжения, регистрируемого на нем, будет полностью идентична форме действующего тока. Обычно, в качестве шунтов, используются резисторы не большого сопротивления (менее 0,5 Ом).

Регистрируемое на шунте падение напряжения так же называют дифференциальным, а сам шунт - токоизмерительным или токочувствительным резистором.

В ряд устройств уже могут быть встроены токочувствительные шунты. Так в конструкции большинства блоков питания такие резисторы используют для получения сигнала обратной связи. Если в исследуемую электрическую схему уже встроен резистор обратной связи или иной шунт, то проводить измерения следует именно на нем.

Чтобы улучшить получаемые результаты измерения падения напряжения на шунте, можно воспользоваться дифференциальным пробником. Но следует учитывать, что синфазный сигнал присутствующий на резисторе, не должен быть выше допустимого к измерению значения. При этом напряжение на резисторе должно быть достаточно велико.

При исследовании слабых сигналов необходимо обеспечить минимальный уровень шума в измерительной системе. Дифференциальные пробники должны выбираться с минимальным затуханием сигнала, а также иметь минимально необходимую для измерения полосу пропускания. Сами измерения следует проводить используя на щупах минимальный коэффициент усиления. Чтобы уменьшить шум измерительной системы, также необходимо ограничить, до допустимых пределов, полосу пропускания осциллографа.

Также необходимо учитывать наличие у щупа емкости, а также собственного сопротивления. Они оказывают значительное влияние на работу измерительной системы осциллографа. В первую очередь это связано с тем, что сопротивление измерительного резистора очень мало.

При отсутствии встроенного шунта, последовательно нагрузке, необходимо самостоятельно установить резистор. К выбору токоизмерительного шунта необходимо подходить тщательно.

Причина этого в том, что слишком низкое сопротивление резистора даст малое значение падения напряжения, которое сложно будет зарегистрировать. Слишком большое сопротивление даст хорошее качество сигнала, но на шунте будет слишком большая рассеиваемая мощность, что окажет значительное влияние на работу самой схемы.

Также необходимо помнить, что существует ряд факторов, значительно влияющих на форму получаемого с шунта сигнала. И это:

При самостоятельном добавлении измерительного резистора постарайтесь включить его в цепь как можно ближе к земле, чтобы свести к минимуму синфазные сигналы, возникающие на резисторе. В первую очередь из-за того, что они способны привнести дополнительные помехи в измерительную систему.

Учитывайте также, что с повышением исследуемой частоты характеристика подавления синфазных сигналов ослабевает. Это также ведет к снижению точности измерений при регистрации высокочастотных токов. В такой ситуации необходимо использовать активные пробники.

Протекающий по проводнику электрический ток создает вокруг него электромагнитное поле. Чтобы измерить его силу и в последующем зарегистрировать полученный сигнал при помощи осциллографа, необходимо преобразовать энергию электромагнитного поля в электрический ток и напряжение. Для осуществления этого используют специальные датчики – токоизмерительные пробники.

Использование токоизмерительных пробников позволяет не только визуализировать сигнал, но также выполнить анализ его текущей формы. А при наличии функции математических вычислений, встроенной в осциллограф, можно определять у регистрируемого сигнала: мгновенные значения, полную и активную составляющие, смещение фазы, а также некоторые другие характеристики.

В настоящее время в осциллографии применяют два вида дифференциальных пробников:

Для измерения переменного тока в обоих видах устройств используют принцип работы трансформатора. Где основным условием для его реализации является протекание переменного сигнала по проводнику. Изменение импульса сопровождается колебанием с определенной частотой амплитуды напряжения, а также сменой полярности. Эти изменения вызывают появление, исчезновение, а также смену направления вектора электромагнитного поля, образующегося вокруг проводника.

При размещении чувствительной электромагнитной катушки в этом переменном электромагнитном поле, в ней появляется электрический ток. Данное явление называется электромагнитной индукцией, а сам ток считается наведенным или индуцированным.

Индуцированный в катушке сигнал имеет ту же форму и характеристики, что и исходный, протекающий в проводнике. Отличается он только меньшей амплитудой. Подученный таким образом сигнал, можно визуализировать, а также подвергнуть необходимому анализу на осциллографе.

Самые простые AC пробники – это пассивные катушки, намотанные на сердечник из ферромагнитного материала. Сами катушки изготавливают с высокой точностью, с выверенными размерами и характеристиками.

Ряд устройств выполняются на сердечниках тороидальной формы. При их использовании нужно продеть проводник с исследуемым сигналом через катушку. Однако чаще, токоизмерительные пробники, конструируются разъемными. Их конструкция позволяет свободно открывать и закрывать замкнутый сердечник для свободного размещения внутрь проводника. Такая конструкция позволяет проводить измерения без необходимости разрыва тестируемой цепи.

Токовые пробники с разъемным сердечником обладают хорошей чувствительностью и работают без внешнего источника питания. К их недостаткам можно отнести высокую механическую жесткость, а также часто небольшую апертуру. Эти факторы ограничивают их применимость.

Для исследования переменного тока могут использоваться устройства, основанные на конструкции катушки (петли) Роговского. Устройства такого типа считаются альтернативой классическим токоизмерительным пробникам имеющих разъемный магнитопровод. Конструктивно они имеют высокую механическую гибкость за счет отсутствия твердого магнитопровода, коим выступает воздух. Это свойство позволяет раскрыть катушку на необходимую ширину и намотать ее на вывод исследуемого компонента или сигнальный провод.

У катушек, имеющих ферромагнитный сердечник, при работе возникает магнитное насыщение. Значительно это проявляется при высоких уровнях тока, что приводит к искажению индуцированного сигнала. Однако, поскольку сердечник у петли Роговского не обладает магнитными свойствами, то это явление у него отсутствует. Следовательно, катушки Роговского обладают высокой достоверностью принимаемого сигнала независимо от уровня протекающего тока.

Однако отсутствие ферромагнитного сердечника и общая пассивная конструкция катушки дают невысокую чувствительность. Поэтому для усиления принимаемого с катушки сигнала им необходимы активные усилители, требующие дополнительный источник питания.

Для исследования большинства преобразователей энергии требуются универсальные устройства, способные зарегистрировать переменный, а также постоянный импульсы.

Универсальные AC/DC пробники, для измерения переменного тока, используют встроенный воздушный трансформатор. Для измерения же постоянного тока задействован специальный датчик, работающий на эффекте Холла. Для обеспечения работы датчика Холла требуется электронная схема, а также дополнительный источник электропитания. Из-за этой особенности такие пробники называют активными.

В качестве питания может использоваться источник, интегрированный в конструкцию осциллографа или другой, внешний. Это может быть батарея, аккумулятор или блок питания. Также существуют модели, использующие питание от USB.

Активные пробники более требовательны к настройке. Плохая калибровка или же её отсутствие – ведет к появлению значительных временных и амплитудных расхождений регистрируемых сигналов.