Hur man mäter ström med ett oscilloskop

Att mäta ström är en enkel uppgift - allt du behöver göra är att ansluta en multimeter till kretsen du vill mäta och mätaren ger dig ett rent värde att använda. Ibland kan du inte riktigt 'öppna' kretsen för att sätta en multimeter i serie med vad du vill mäta. Detta löses helt enkelt också - du behöver bara mäta spänningen över ett känt motstånd i kretsen - strömmen är då helt enkelt spänningen dividerad med motståndet (från Ohms lag).

Saker blir lite komplicerade när du vill mäta förändrade signaler. Detta beror på multimeterns uppdateringshastighet (antal prover per sekund) och den genomsnittliga människan kan bara förstå så många ändringar i en skärm per sekund. Att mäta växelström blir lite enklare om din multimeter har en RMS-spänningsmätning (RMS-spänning är spänningen i en växelströmssignal som skulle överföra samma mängd effekt som en likströmskälla av den spänningen skulle producera). Detta är strikt begränsat till periodiska signaler (fyrkantiga vågor och liknande är strängt ifrågasatta såvida inte RMS-mätningen är 'sann', även då finns det inga garantier för mätningens noggrannhet). De flesta multimetrar är också lågpassfiltrerade, vilket förhindrar AC-mätning över några hundra Hertz.

Hur man använder Oscilloskop för att mäta ström

Oscilloskopet fyller i klyftan mellan mänsklig uppfattning och en multimeters stabila värden - den visar ett slags spännings-tid 'diagram' för en signal, vilket möjliggör en bättre visualisering av förändrade signaler jämfört med en uppsättning ändringsnummer på en multimeter.

Det är också möjligt att mäta signaler med frekvenser upp till flera gigahertz, med tanke på rätt utrustning. Oscilloskopet är dock en mätanordning med hög impedans - det kan inte mäta strömmar som sådana. Att använda ett oscilloskop för att mäta strömmar kräver omvandling av en ström till en spänning, och detta kan göras på några sätt.

1. Använda en Shunt Resistor

Detta är kanske det enklaste sättet att mäta ström och kommer att diskuteras här i detalj.

Den ström-till-spänningsomvandlare här är den enkelt motstånd.

Grundläggande kunskap berättar att spänningen över ett motstånd är proportionell mot strömmen som strömmar genom den. Detta kan sammanfattas av Ohms lag:

V = IR

Där V är spänningen över motståndet är jag strömmen genom motståndet och R är motståndet hos motståndet, allt i deras respektive enheter.

Tricket här är att använda ett motståndsvärde som inte påverkar den totala kretsen som mäts, eftersom spänningsfallet över shuntmotståndet orsakar att mindre spänning tappas över den krets den är placerad i. En allmän tumregel skulle vara att använda ett motstånd som är mycket mindre än motståndet / impedansen hos kretsen som mäts (tio gånger mindre i en bra startpunkt) för att förhindra att strömmen i kretsen mäts påverkas av shunten.

Till exempel kan transformatorn och MOSFET i en DC-DC-omvandlare ha ett totalt (DC) motstånd på tiotals milliohm, om ett stort (säg) 1Ω-motstånd placeras skulle det mesta av spänningen tappas över shunten (kom ihåg motstånd i serie är förhållandet mellan spänning som tappas över motstånden förhållandet mellan deras motstånd) och därmed en större effektförlust. Motståndet omvandlar bara strömmen till en spänning för mätning, så effekten gör inget användbart arbete. Samtidigt skulle ett litet motstånd (1mΩ) bara tappa en liten (men mätbar) spänning över den och lämna resten av spänningen för att göra användbart arbete.

Nu, efter att ha valt ett motståndsvärde, kan du ansluta sondmarken till kretsjord och sondspetsen till shuntmotståndet, som visas i figuren nedan.

Det finns några snygga knep du kan använda här.

Om du antar att din shunt har ett motstånd på 100mΩ, då skulle en ström på 1A resultera i ett spänningsfall på 100mV, vilket ger oss en "känslighet" på 100mV per amp. Detta bör inte orsaka några problem om du är försiktig, men många gånger tas 100mV bokstavligen - med andra ord förväxlas med 100mA.

Detta problem kan övervinnas genom att ställa in din ingångsinställning till 100X - sonden är redan 10X dämpande, så om du lägger till ytterligare 10X i signalen återgår den direkt till 1V per amp, dvs ingången "multipliceras" med 10. De flesta oscilloskop kommer med denna funktion att kunna välja ingångsdämpning. Det kan dock finnas omfattningar som endast stöder 1X och 10X.

En annan användbar liten funktion är att kunna ställa in de vertikala enheterna som visas på skärmen - V kan bland annat ändras till A, W och U.

Saker blir komplicerade när du inte kan placera shunt låg sida. Omfångets mark är direkt ansluten till jord, så förutsatt att din strömförsörjning också är jordad, kommer anslutning av sondens jordklämma till en slumpmässig punkt i kretsen att kortsluta den punkten till jord.

Detta kan förhindras genom att göra något som kallas en differentiell mätning.

De flesta oscilloskop har en matematisk funktion som kan användas för att utföra matematiska operationer på de visade vågformerna. Observera att detta inte förändrar den faktiska signalen på något sätt!

Funktionen vi kommer att använda här är subtraheringsfunktionen, som visar skillnaden mellan två valda vågformer.

Eftersom spänning helt enkelt är potentialskillnaden över två punkter, kan vi ansluta en sond till varje punkt och ansluta jordklämmorna till kretsjord som visas i figuren.

Genom att visa skillnaden mellan de två signalerna kan vi bestämma strömmen.

Samma "dämpningstrick" som används ovan gäller också här, kom bara ihåg att byta båda kanalerna.

Nackdelar med att använda shuntmotstånd:

Det finns några nackdelar med att använda shuntmotstånd. Den första är toleransen, som kan vara så dålig som 5%. Detta är något som måste redovisas med viss svårighet.

Den andra är temperaturkoefficienten. Motståndet hos motstånd ökar med temperaturen, vilket resulterar i ett större spänningsfall för en given ström. Detta är särskilt dåligt med högströms shuntmotstånd.

2. Använda en aktuell sond

Färdiga strömprober (kallade "nuvarande klämmor"; de klämmer fast på ledningar utan att bryta kretsar) finns på marknaden, men du ser inte många hobbyister som använder dem på grund av deras oöverkomliga kostnad.

Dessa sonder använder en av två metoder.

Den första metoden är användningen av en spole som lindas runt en halvrund ferritkärna. Strömmen i tråden, sonden har klämts fast, genererar ett magnetfält i ferrit. Detta inducerar i sin tur en spänning i spolen. Spänningen är proportionell mot strömförändringshastigheten. En integrator 'integrerar' vågformen och producerar en utgång som är proportionell mot strömmen. Utgångsskalan ligger vanligtvis mellan 1mV och 1V per ampere.

Den andra metoden använder en Hall-sensor inklämd mellan två ferrithalvcirklar. Hall-sensorn producerar en spänning som är proportionell mot strömmen.

3. En snabb och smutsig metod

Denna metod kräver inga extra komponenter förutom en scope och en sond.

Denna metod är ungefär som att använda en aktuell sond. Slinga sondens jordkabel runt ledningen som bär strömmen som ska mätas och anslut sedan jordklämman till sondens spets.

Spänningen som produceras är återigen proportionell mot strömförändringshastigheten, och du måste utföra lite matematik på vågformen (nämligen integration; de flesta omfattningar har detta under 'matematikmenyn) för att tolka det som en ström.

Elektriskt bildar den kortslutna sonden i princip en trådslinga som fungerar ungefär som en strömtransformator, som visas i figuren.

Slutsats

Det finns flera metoder för att mäta förändrade strömvågformer med hjälp av ett oscilloskop. Den enklaste är att använda en ström shunt och mäta spänningen över den.