示波器电流探头的原理与简单介绍

1. 概述

电流探头的应用十分广泛，其基本原理是流经导线的电流会在周围产生磁场，电流探头把磁场转化成相应的电压信号，通过和示波器配合，观察对应的电流波形。广泛应用于开关电源、马达驱动器、电子整流计、LED照明、新能源等领域。本文将讲述常见的电流探头的分类、原理、重要技术指标，并通过实例分析了解探头之间的差别，让大家能够对探头有个基本的了解。

2. 电流探头的分类和原理

目前示波器上的电流探头基本分成两类：即AC电流探头和AC/DC电流探头，AC电流探头常见的是无源探头，成本低，但不能处理直流分量；AC/DC电流探头通常是有源探头，分为低频探头和高频探头，低频探头常见的带宽在几百KHz以下，高频探头带宽一般在几MHz以上。

2.1 AC电流探头

AC电流探头有无源的，也有有源的。

常见的无源AC探头，比如说电流环，其基本原理如图1，电流探头前端有一个磁环，磁环上绕有线圈，使用时这个磁环套在被测的供电线上。由于电流流过电线所产生的磁场就被这个磁环收集到，磁通量和电线上流过的电流成正比，磁环上的线圈产生相应比例关系的电流，经后级匹配电路转换成相应比例关系的电压。无源AC探头的缺点是不能测量直流型号，且低频截止点通常在100Hz以上，优点是成本低。无源AC探头根据嵌头结构可分为分芯和实芯的两种。分芯的嵌口可手动张开和关闭，优点是探头能够方便地卡到测量电流的导线上，在测量完成时，钳口可以打开，探头可以移到其它导线上；缺点是高频响应速度比较慢。实芯AC无源探头的优点是响应速度比较快，高频带宽达到ns级别，甚至更高；缺点是被测电流一般比较小，通常在100A以下，测量时必须断开被测导线，把导线穿过转换器，然后重新把导线连接到电路上，才能进行测量。

图1 常见的无源AC探头测量原理示意图

有源的AC探头根据钳口常见形式分为两种：一种是普通的嵌式结构，另一种是柔性结构。普通的嵌式结构电流探头一般都使用强磁性材料制作的铁心，这种流过很大的一次电流，铁心很容易产生磁饱和，因此使得无法进行准确的测量；而柔性探头使用的是空芯型交流电流传感器，因此在大电流的情况下也不饱和，所以柔性探头一般用来测量大电流，而且只能测交流。柔性探头的基本原理（如2）如下：

图2 空芯交流电流传感器

Vout=(u*S*N*I)/(R*C*l) 其中R>>2fL

式中 l：线圈长度； S：线圈截面积；N：匝数；L：电感量；u：磁导率实际的柔性探头一般会配合运放组成积分电路，达到更高的测量精度。