Измерения тока стали проще: токовый пробник для радиочастотных измерений

Dec 31, 2023

Во многих случаях полезны измерения тока без постоянной составляющей. Наиболее распространенным является случай ТТ (трансформаторов тока) для сетей переменного тока. Эта статья посвящена проектированию трансформаторов тока для средних и высоких частот, которые действительно легко изготовить. Представленные формулы действительны и для блоков питания переменного тока.

Зонд вФигура1 предназначен для измерения пикового тока до 50 А в диапазоне частот от 7 кГц до десятков МГц. Схема вФигура2довольно просто: провод, ток которого необходимо измерить, пропускают через тороид, представляющий собой обычный сердечник Amidon FT 82-43, хорошо работающий как минимум до 50 МГц.

Вторичная обмотка состоит из десяти витков провода, равномерно распределенных по сердечнику. Если есть возможность, используйте многожильный провод среднего сечения, но это не обязательно. Благодаря соотношению витков 1:10 максимальный ток во вторичной обмотке составляет 5 Ар. На вторичную сторону нагружено сопротивление 0,2 Ом, что реализовано путем параллельного включения пяти резисторов сопротивлением 1 Ом. При пиковом токе 5 Ар пиковое напряжение на этих резисторах составляет 1 Вп, что очень удобно для измерений осциллографом. Для синусоидального тока средняя мощность, рассеиваемая на резисторах, равна R·I2 = R·Ip2/2 = 2,5 Вт или 0,5 Вт на резистор. Непрерывный синусоидальный ток силой 50 Ар можно измерить только с помощью резисторов мощностью 0,5 Вт или более. Но если сигналы импульсные или проводятся очень короткие измерения, подойдут резисторы мощностью ¼ Вт. Это был мой выбор, потому что я хотел сохранить компактность конструкции для улучшения радиочастотных характеристик. Хорошо, я также должен признать, что именно эти резисторы у меня были под рукой.

Фигура3 показано типичное использование зонда с использованием адаптера BNC для осциллографов. Устройство также можно использовать с прямым подключением коаксиального кабеля ко входу осциллографа, поскольку напряжение 1 Вп идеально подходит для работы осциллографа 1×: В этом случае рекомендуется использовать короткий кабель, чтобы избежать отражений в интересующей полосе, поскольку коаксиальный будет несовпадать с обеих сторон. Более того, коаксиальный кабель может быть подключен к его характеристическому сопротивлению на стороне осциллографа: многие современные осциллографы имеют возможность установить входное сопротивление на уровне 50 Ом, так что это особенно просто. В этом конкретном случае следует помнить, что измерение будет слегка отклонено от масштаба из-за параллельного подключения нагрузки 50 Ом к 0,2 Ом, встроенному в пробник (общее сопротивление становится 0,1992 Ом, что дает коэффициент масштабирования 50,2 А). /В).

Чего следует избегать, так это присоединения щупа осциллографа непосредственно к резисторам с помощью зажимов и пропуска разъема BNC, поскольку при измерении высоких ВЧ токов даже минимальное неэкранированное кольцо в щупах будет добавлять артефакты к измерениям.

Конструкция трансформатора тока не сложна, но необходимы некоторые электромагнитные формулы. Во-первых, о нагрузочном резисторе RL, который должен быть как можно меньше практически возможного размера, чтобы минимизировать вносимые потери мощности, поскольку измеряемая схема «видит» не менее R·n2, где 1:n — коэффициент трансформации (1 :10), а R — сумма RL (0,2 Ом) и сопротивления вторичного провода (несколько мОм). Как уже было сказано, очень важно, чтобы вторичная обмотка была намотана равномерно, иначе в проверяемой цепи будет присутствовать некоторая паразитная индуктивность при последовательном соединении. С другой стороны, если мы выберем слишком низкое значение для RL, нам также придется измерять очень маленькое напряжение, что приведет к появлению шума на трассах. Наконец, RL должно быть больше, чем сопротивление вторичного провода. В моем случае я выбрал 0,2 Ом, чтобы получить 1 В при токе 5 А (50 А на первичной обмотке), что добавляет 2 мОм к тестируемой цепи. Количество вторичных витков n определяет коэффициент тока. В случае высокочастотного трансформатора тока это число должно быть низким, чтобы избежать собственного резонанса, вызванного паразитной емкостью вместе с высокой индуктивностью. В случае сетевых ТТ частота достаточно низкая (50 или 60 Гц), поэтому n = 1000 является общепринятым значением. Степени 10 являются обычными, поэтому коэффициент преобразования тока прост, но возможны и другие значения. Наивысшая полезная частота для тороидального ферритового трансформатора тока зависит от: