Токовые пробники

Часто возникает необходимость в осциллографировании не напряжений, а токов. Для этого часто используется включение в разрыв цепи низкоомного шунта и преобразование тока в напряжение в соответствии с формулой U=RI. Например, если чувствительность осциллографа равна 5 мВ/дел, то при сопротивлении шунта R=1 Ом получаем чувствительность по току 5 мА/дел. Этот метод имеет целый ряд недостатков:

• шунт включается в разрыв цепи, что требует отключения устройства и проведения монтажных работ;
• прецизионный шунт является дорогим и редким изделием;
• при измерении больших токов шунт надо делать очень низкоомным;
• возможен разогрев шунта;
• даже малая индуктивность шунта создает большую постоянную времени L/R, что удлиняет фронты наблюдаемых импульсов тока и ограничивает полосу наблюдаемых частот.

В связи с этим были созданы бесконтактные токовые пробники, принцип действия которых основан на регистрации магнитного поля, появляющегося вокруг проводника при пропускании через него тока I (рис. 5.16). Для повышения чувствительности головка пробника выполняется в виде токового трансформатора, принцип действия которого хорошо известен.

Рис. 5.16. Принцип контроля тока в проводнике по его магнитному полю

На рис. 5.17 показан внешний вид токового пробника TCP202 с интерфейсом TekProbe с максимальным измеряемым током (постоянным и переменным) до 15 А. Измерительная головка пробника построена по аналогии с токовыми клещами, давно применяемыми в мультиметрах с бесконтактным измерением тока с помощью токового трансформатора. Но она более миниатюрна и предназначена для измерения умеренных токов.

Рис.5.17. Токовый пробник Tektronix TCP202 с интерфейсом TekProbe

С помощью отжима «токовых ключей» их можно разомкнуть и вставить в отверстие провод, ток в котором измеряется и наблюдается. Для увеличения чувствительности и измерения малых токов можно создать обмотку из провода, содержащую несколько витков – рис. 5.18. Для измерения суммарных и разностных токов возможна вставка в отверстие измерительной головки двух проводников. Значения чувствительности для того или иного способа измерений можно найти в описании пробника. При использовании специального калибратора тока погрешность измерения тока после калибровки составляет ±1% для токов от 0,05 до 5 А и ±2% для токов от 5 до 15 А.

Рис. 5.18. Измерительная головка пробника Tektronix TCP202

При отказе от измерения постоянного тока можно существенно расширить диапазон измеряемых токов. Tektronix, к примеру, выпускает токовые пробники A621 с диапазоном токов от 0,1 до 2000 А в диапазоне частот от 5 Гц до 50 кГц с диаметром токовых клещей 54 мм. Такие пробники используются для контроля за мощными энергетическими установками, например подстанциями и силовыми трансформаторами.

При измерениях средних и больших токов (от единиц мА до тысяч А) разумно применять специальные бесконтактные токовые пробники на основе датчиков магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током. Повышение чувствительности достигается созданием обмотки датчика из одного или нескольких витков. Обращайте внимание на такие важные параметры токовых датчиков, как диапазон измеряемых токов, погрешность измерений и частотный диапазон (он обычно уже, чем у пробников напряжения).