如何选择电流探头？

概述

示波器电流探头让示波器不仅能测量电压，还能测量电流，拓展了其应用范围。说白了，电流探头通过感应导体中的电流，并将其转换为可在示波器上观测和测量的电压信号。目前最常用的电流测量技术是通过磁场感应来检测载流导体。不过市面上有多种类型的电流探头可供选择，每种探头都有其最佳适用场景。只要根据设计用途正确使用，就能获得最佳测量效果。

本应用说明将为您介绍电流探头的常见类型、基本原理、每种电流探头类型之间的优势和局限性，以及在示波器应用中使用电流探头的实用注意事项，以充分发挥其作用。

电流探头类型

目前，探针被广泛应用于功率器件或电源的电流测量，已成为使用示波器进行精确电流测量不可或缺的工具。为满足这些电流测量需求，虽然存在多种电流测量技术，但示波器最常用的技术包括：

1. 电阻式或电流分流式：基于欧姆定律

2. 钳形电流探头：交流变压器或混合式霍尔效应传感器/交流变压器

3. 罗氏线圈：一种方便的大电流交流测量探头

感测电阻或分流电阻

直接测量被测设备（DUT）电流的常用方法是：在电流路径中接入分流电阻，测量电阻两端的电压降，再通过欧姆定律公式（即I=V/R）将电压转换为电流。这种方法属于侵入式测量，因为电流探头/分流电阻与电压测量电路或探头在电气上直接连接，且都是被测设备的组成部分。因此需要特别注意多个关键因素。

选择感测电阻

选择电阻值、精度、温度系数和物理尺寸时，需综合考虑被测电流的量值和特性。电阻值越大，测量精度越高，信噪比（SNR）也越优。但电阻值增大会导致功率损耗增加，从而产生被称为“负载电压”的不必要压降。此外，感测电阻值的选择还需权衡测量噪声、灵敏度和带宽等指标。为降低负载电压影响，用户可能倾向于选用最小的感测电阻值，但过小的电阻值会带来测量上的负面影响——电阻值越大，感测电阻上的压降就越大，导致负载电压不足，进而影响系统性能和效率。这就像一场需要精准平衡的博弈。

输入共模电压

该参数定义了探头或传感装置（放大器）相对于接地的共模输入电压。

上管/下管测试

在测量负载电流时，可选择将检测电阻置于电源电压与负载之间（上管）或负载与地之间（下管）。下管检测更为理想且操作简便，因为共模电压几乎接地。上管检测的优势在于能直接监测电源输出电流，从而有效检测负载短路。

四端开尔文测量配置

这有效消除了负载的导线电阻和温度系数。开尔文连接对于精确的电流传感是必不可少的，而且特别适合于高电流的应用。

优势

• 根据系统实现方式的不同，可实现高灵敏度和高带宽测量。

• 小巧便宜。

局限性

• 负载电压与测量精度（噪声、灵敏度和带宽）之间存在权衡关系。

• 为实现更精确的测量，增大感测电阻值会导致感测电阻上的电压降增大，而负载电压降低，从而影响系统性能和效率。

• 该方法属于侵入式测量，因为感测/分流电阻与电压测量电路或探头在电气上相互连接，并且是被测设备（DUT）的一部分。

钳形电流探头

另一种常见的电流探头是磁芯电流探头（又称钳形电流探头）。这种间接式电流检测技术通过将探头夹持在载流导线或导体上实现非接触式电流测量。探头输出的电压信号与所测电流的幅值成正比，因此能进行非侵入式或隔离式测量——此时探头无需与被测设备（DUT）进行电气连接。

钳形电流探头有交流和交流/直流两种版本，且提供多种电流转换系数。这类探头通过检测导体周围的电磁场强度，并将其转换为示波器可测量的电压值。

夹式电流探头主要采用两种传感器技术。第一种是霍尔效应传感器，用于测量直流或低频信号。这种传感器通过改变输出电压来响应磁场变化，属于典型的磁致变阻器。第二种常用技术是电流互感器法。当交流电流流经变压器铁芯时，会在铁芯中产生磁场，进而使次级绕组电路感应出电流并输入示波器。次级绕组产生的感应电压与初级绕组的电流成正比，该技术仅适用于交流电流的测量。

另一种常用技术是混合式交流/直流电流探头，它将用于测量直流和低频成分的霍尔效应传感器元件与用于测量交流的电流互感器集成到一个探头中。

优势

• 探头与被测设备之间的电隔离

• 无需破坏电路，可将它们安装在电流路径的任何位置

• 低插入阻抗

局限性

• 去磁与偏移校正——为确保测量精度，需定期对探头进行去磁处理，并补偿去磁后仍残留的直流偏移

• 价格较高：霍尔效应传感器属于电流传感器中价格较高的类型

罗氏线圈

若需测量数十安培以上的交流电流，并要求具备灵活的电流测量能力，推荐使用罗氏电流探头。

罗氏线圈是一种用于测量交流电流的电子传感器，可检测高速瞬变电流、电力设备的脉冲电流，以及50或60赫兹的电力线路正弦电流。该传感器采用柔性夹绕式线圈设计，能轻松缠绕在载流导体上进行测量，即使电流强度高达数千安培，也能保持传感器体积不变。

罗氏线圈是如何工作的？

罗氏线圈的工作原理基于法拉第定律，该定律指出闭合回路中感应的总电动势与回路磁通量总变化率成正比。

罗氏线圈与交流电流互感器的原理相似，都是通过次级线圈感应出与流经隔离导体的电流成正比的电压。关键区别在于：罗氏线圈采用空气芯结构，而电流互感器则依赖高磁导率钢芯与次级绕组实现磁耦合。这种空气芯设计具有更低的插入阻抗，因此能实现更快的信号响应速度，并且电压信号保持高度线性。

      将空气芯线圈以环形方式套在载流导体周围，交流电流产生的磁场会在线圈中感应出电压。罗氏线圈产生的电压与线圈回路中电流的变化率（导数）成正比。通过积分处理线圈电压，探头就能输出与输入电流信号成正比的电压信号。

图 1 罗氏线圈产生的电压与线圈回路中电流的变化率（导数）成正比

优势

罗氏线圈电流探头相比其他电流传感器或检测技术具有显著优势。

• 测量大电流时，磁芯不会饱和

罗氏线圈凭借其独特的非磁性“空气”铁芯设计，能够测量从毫安到数千安培的宽幅电流，且不会导致铁芯饱和。其电流测量上限主要受测量仪器最大输入电压、线圈或积分器电路元件的击穿电压限制。与其他电流互感器不同——其他产品在测量范围扩大时体积和重量都会增加——罗氏线圈无论测量电流大小如何，始终保持紧凑的线圈尺寸。这种设计使其成为测量数百甚至数千安培交流大电流的首选工具。

• 使用非常灵活

这款轻量化夹绕式传感器线圈柔韧易缠绕，能轻松套在带电导体上，可轻松插入电路中难以触及的元件。罗氏线圈大多纤薄到足以安装在T0-220或TO-247功率半导体封装的引脚间隙，无需额外绕线即可连接电流探头。这种设计在实现高信号完整性测量时更具优势。

• 宽带可达30MHz以上

该设计使罗氏线圈能精准捕捉瞬息万变的电流信号（例如数千安培/微秒级）。凭借高带宽特性，它既能解析高频开关系统中的高次谐波，又可实时监测具有极短上升/下降时间的开关波形，从而显著提升信号完整性检测的精准度。

• 非侵入式或无损测量

由于插入阻抗极低，Rogowski线圈从被测设备（DUT）中汲取的电流极小。探头注入被测设备的阻抗仅为几皮亨利，这使得信号响应更快，且信号电压保持高度线性。

• 低成本

与霍尔效应传感器/电流探头相比，罗氏线圈通常价格更低。

局限性

仅交流

• 罗氏线圈无法处理直流电，仅支持交流电

灵敏度

• 由于没有高磁导率的磁芯，罗氏线圈的灵敏度比电流互感器低

选择电流探头时需要询问的关键问题

•  确定您测量的是交流电、直流电，还是交流电叠加在直流电上的情况。

•  您需要测量的最大电流是多少？

•  您需要测量的最小电流是多少？

•  您所测量的电流信号共模电压是多少？

•  目标电流信号的频率是多少？

•  DUT的尺寸是多少？

•  同时使用多少个电流探头或电压探头？

•  被测导体的最大电压是多少？

•  您打算将哪种类型的范围用于？

•  您有多少预算？

对比

下图对比了传感器电阻、钳形电流探头和罗氏线圈电流探头的主要特性。在为应用选择电流探头时，请参考此图。

结论

测量电流的方法多种多样，每种方法都有其优势和局限，不同电流探头也各有最佳适用场景。只要按照设计初衷正确使用，就能获得理想效果。现在您应该对各类电流探头有了更深入的了解，掌握了它们的基本原理，以及不同探头类型之间的优缺点对比。

转载于是德科技