瞭解、選擇以及有效率地使用電流探針

編者按：本文章探討電流量測和電流探針，是說明探針及其適當用法的三篇文章之第三篇。第一篇講述高阻抗被動式探針。第二篇討論單端、差動以及高電壓差動主動式探針。第三篇討論電流測量與電流探針。

使用示波器量測電流有三種常用的技術。第一種是將單一電阻 (有時稱為分流器) 與被測電流串聯。第二種是使用比流器。第三種則是使用電流探針。由於這三種方法都要求被測電流通過量測感測器，因此都具有一定的侵入性。

電流探針讓使用者在測量導線的電流時不用解焊，因此是最不具侵入性的方法。但是，使用者需要瞭解電流探針的某些基本原理，以便充分運用最新的探針設計。

本文在介紹電流探針以及如何有效率地使用探針前，將先說明不同的電流測量方法。

分流器

分流器一般會設計在電路或相關的測試裝置中。藉由測量分流器中已知電阻的壓降即可測得電流。在工程上，必須針對分流器串聯電阻與電流測量所需的靈敏度之間進行取捨。

既要取得合理的壓降，同時又不能影響電路的效能。而且分流器的額定功率必須夠高以測量電流。Riedon 的 RSA-10-100 即為分流器電阻之一例。此電阻為底盤安裝式，電阻值為 0.01 Ω，容差為 ±0.25%，額定功率為 1 Ｗ。電阻的額定功率將最大電流設定為 10 A，產生 100 mV 的輸出電壓。使用示波器來測量跨分流器的電壓。大部份的示波器都可以將該電壓轉換為等效電流 (圖 1)。

圖 1：Teledyne LeCroy 的 HDO4104 示波器，顯示已調整尺度的設定，讓縱軸讀數根據分流器電阻的值，以安培顯示。(圖片來源：DigiKey)。

Teledyne LeCroy 的 HDO4104 示波器的輸入通道設定可調整縱軸數據的尺度，對許多儀器來說相當常見。「Rescale」 (調整數據尺度) 控制項讓使用者能夠指定單位 (此例中為安培)，並以「單位／伏特」格式指定數據尺度係數。就 RSA-10-100 的例子而言，「每伏特單位數」設定即為電阻值的倒數，即 1/0.01 = 100。還可以加上或減去偏移電流，這在主動式感測器中可能需要用到。輸入「調整數據尺度」設定後，示波器輸入通道的縱向尺度將會直接以安培值讀出，包含測量參數與指標讀數。

分流器電阻對 AC 與 DC 電流皆有反應，頻寬受到電阻內部的電感與電容量所限制。

同軸或脈衝電流分流器可補足標準扁平電流分流器電阻。這些元件將分流器電阻配置成圓柱形幾何，以將其電感降至最低。電壓觸點連至具有適當頻寬的同軸連接器。

依據電阻值和最大額定電流，提供高達 100 MHz 的同軸電流分流器。

同軸分流器的尺寸與最大額定電流成比例，並且比傳統扁平電流分流器大得多。

比流器

電流在導線中的磁感應，是另一種可用來進行測量的方法。最簡單的磁力式感測器即為比流器 (圖 2)。

圖 2：比流器透過多匝二次繞組，感測通過鐵氧體磁芯開口導線的電流。(圖片來源：DigiKey)

載有待測量電流 (I_Meas) 的導線會通過比流器一次繞組的鐵氧體磁芯中央。電流會在磁芯內感應與電流成比例的磁通量。N 匝感測繞組用來感測磁通量。二次繞組感應的電流會與匝數成比例，即一次繞組匝數與二次繞組匝數的比率，在這個例子中為 1/N。

二次繞組的電流會通過電阻而轉換為電壓，通常為示波器的 50 W 端子。若使用 50 W 端子，輸入通道「調整數據尺度」設定會設為 N/50 A/V。比流器僅對 AC 訊號有用。無法用於測量 DC 電流。

請注意，要測量的導線必須通過磁芯。這麼做可能需要將引線解焊，以便將其插入磁芯。某些比流器能夠使用拆分式磁芯，以便插入待測量的導線。

電流探針

電流探針可提供便利的電流測量方式。可為 AC 耦合、使用比流器技術或 AC/DC 耦合。在任何一種情況下，探針都包含拆分式磁芯幾何結構，可輕鬆包住載流導線，而不用進行解焊。

Teledyne LeCroy 的 CP030 是 AC/DC 電流探針的絕佳範例，能夠測量高達 30 A 的電流，頻寬為 50 MHz (圖 3)。

圖 3：Teledyne LeCroy 的 CP030 是 30 A、DC 至 50 MHz 的電流探針。該元件使用 ProBus 介面，與 Teledyne LeCroy 的示波器完全整合。(圖片來源：Teledyne LeCroy)。

CP030 使用混合技術，對 DC 與低頻率 AC 訊號採用霍爾效應元件，對高頻率 AC 訊號則是採用比流器 (圖 4)。

圖 4：CP030 AC/DC 電流探針的功能方塊圖。(圖片來源：DigiKey)

CP030 以拆分式鐵氧體磁芯為基礎，能快速插入載有待測量電流的導線。

其磁芯間隙中納入霍爾效應感測器，並加入回授繞組。若是具有適當偏壓，霍爾效應感測器便會產生與磁芯中磁通量成比例的輸出電流。此輸出電流會放大並驅動回授繞組，讓磁芯變為零通量狀態。此時，通過回授繞組的電流與載流導線產生的磁通量成比例。

輸出端子會將這個電流轉換為電壓。由於霍爾效應感測器的輸出會隨著頻率增加而減少，因此回授繞組便會作為比流器，以準確測量待測量訊號的高頻率部分。

CP030 的靈敏度為 1 V/A。探針使用 ProBus 介面，將這項資訊傳送到示波器。示波器會自動調整插入探針的通道數據尺度，以安培值顯示 (圖 5)。

圖 5：連接 CP030 的 Teledyne LeCroy HDO 4104 示波器之通道設定。示波器會自動辨識探針，如「探針」條目框所指示。正確的數據尺度會自動輸入「單位／伏特」條目中，且縱軸單位會設為安培 (A)。(圖片來源：DigiKey)

除了感測探針輸出與調整其數據尺度之外，示波器還包含一個內有探針所有相關控制項的對話方塊 (圖 6)。

圖 6：CP030 探針的設定對話方塊，顯示探針的消磁與自動歸零控制項。(圖片來源：DigiKey)

對話方塊包含消磁與自動歸零控制項。消磁流程會透過施加消磁訊號，消除探針磁芯中任何殘存的磁通量。在進行任何關鍵測量前都應使用消磁，以確保最佳的準確度。自動歸零控制項會在無電流時，將探針輸出的任何偏移設為 0 V。在示波器上提供這些控制項，表示在探針機身或介面盒上不會佔用任何空間，探針會更小巧。對話方塊也會辨識探針，並提供其主要規格參數。

提升電流探針實用性的常見方法

在測量小電流時，可透過在一次繞組上多繞幾匝，來提升電流探針的靈敏度 (圖 7A)。

圖 7：透過在探針磁芯上多繞幾匝，提升電流探針的靈敏度 (A)。讓多條導線穿過探針磁心，藉此進行差動測量 (B)。(圖片來源：Teledyne LeCroy)

在任何比流器中，探針的靈敏度會依照通過探針磁芯的匝數而增加。在圖中，繞過探針磁芯的匝數為四匝，靈敏度可增加四倍。這個倍數必須手動輸入到探針的「調整數據尺度」設定中。此外請注意，插入阻抗值將按匝數的平方增加。在這個例子中，阻抗值將增加 16 倍。由於測量是針對低電流，此阻抗造成的壓降通常會相當低，且對測量造成的影響極小。

若有多條導線通過探針，示波器會讀出淨電流 (圖 7B)。這個方法能夠用來測量兩條導線的差動電流，並且能夠透過讓載有等效 DC 電流的導線以反向通過，來消除較大偏移電流。這麼做可以擴充電流探針的範圍。

使用第三方電流探針

許多製造商都會為不使用專屬介面的通用示波器市場提供電流探針。這些探針包含電源以及用來消磁和調整探針 DC 偏移的控制組件。Cal Test Electronics 的 CP6990O-N AC/DC 40 A 1.5 MHz 獨立式電流探針即為一例 (圖 8)。

圖 8：Cal Test Electronics CP6990-NA 獨立式電流探針與相關的配件 (圖片來源：Cal Test Electronics)

這款電流探針係以電池供電，並且以隨附的 BNC 纜線直接連接到示波器。探針具有雙重靈敏度範圍，即 1 V/A 或 100 mV/A。Teledyne LeCroy 的 HDO4104 的「調整數據尺度」欄位則要分別輸入 1 或 10 單位／伏特。單位欄位應選擇「A」。選定通道的縱軸尺度會以安培進行校正。

結論

示波器可以使用分流器、比流器或電流探針來測量電流。無論使用的感測器為何，示波器通道都能夠調整數據尺度，直接以電流單位讀數。

電流探針容易連接，因此是最簡易的裝置。示波器製造商所提供的電流探針會感測探針，並自動調整電流數據尺度。