Meranie prúdu za pomoci osciloskopu

Meranie prúdu za pomoci osciloskopu
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  1133 zobrazení
14
 0
Rádioamatérov almanach

Meranie prúdu za bežných okolností je pomerne jednoduchá úloha - všetko, čo musíte urobiť, je pripojiť multimeter k obvodu, ktorý chcete merať, a merač vám ukáže presnú hodnotu, ktorú budete môcť ďalej použiť. Niekedy však môže nastať situácia, že nemôžete fyzicky "otvoriť" zariadenie, aby ste vložili multimetr do série s tým, čo chcete merať. Ale nič nie je nemožné a dá sa to vyriešiť pomerne jednoducho - stačí iba zmerať napätie na známom odpore v obvode - prúd potom predstavuje napätie delené odporom, podľa Ohmovho zákona.

Veci sa však trochu skomplikujú, keď chcete merať meniace sa signály. Toto je na milosť a nemilosť obnovovacej frekvencie (počet vzoriek za sekundu) multimetra a priemerný človek dokáže zachytiť iba niekoľko zmien na displeji za sekundu. Bežný digitálny multimeter dnešnej doby má frekvenciu merania cca 3x za sekundu. Meranie striedavého prúdu je o niečo jednoduchšie, ak váš multimeter poskytuje meranie napätia pomocou RMS. To sa striktne obmedzuje na periodické signály (obdĺžikové a podobné signály sú striktne vylúčené, pokiaľ nie je meranie RMS naozaj RMS", aj keď neexistujú žiadne záruky presnosti takéhoto merania). Väčšina multimetrov je tiež vybavená Low Pass filtrom, čo znemožňuje meranie striedavého prúdu nad niekoľko stoviek Hz.

Ako používať osciloskop na meranie prúdu

Osciloskop vypĺňa medzeru medzi nedokonalým ľudským vnímaním a ustálenými hodnotami multimetra - zobrazuje akýsi napäťovo-časový "graf" meraného signálu, ktorý umožňuje lepšiu vizualizáciu meniacich sa signálov v porovnaní s množstvom niekedy chaoticky sa meniacich čísel na multimetri.

Pri správnom vybavení je možné merať signály s frekvenciami až do niekoľkých gigahertzov. Osciloskop je však zariadenie primárne určené na merania relatívne známeho napätia s vysokou impedanciou - nedokáže teda merať prúdy ako také. Použitie osciloskopu na meranie prúdov si preto vyžaduje "premenu" prúdu na napätie, čo je možné vykonať niekoľkými spôsobmi.

1. Použitie predradného odporu - bočníka

Toto je možno najjednoduchší spôsob merania prúdu osciloskopom a preto si o ňom niečo povieme. Prevodníkom prúdu na napätie je v našom prípade v podstate bežný rezistor. Základné elektrotechnické vedomosti nám hovoria, že napätie na rezistore je úmerné prúdu, ktorý ním preteká. A toto je predsa možné určiť pomocou Ohmovho zákona:

U = I x R

Kde v tomto prípade U je napätie na rezistore, I je prúd cez rezistor a R je odpor samotného rezistora, a to všetko v ich príslušných jednotkách (V, A, Ω)

Trik spočíva v použití hodnoty rezistora, ktorá zásadne neovplyvňuje celkový meraný obvod, pretože pokles napätia v predradnom rezistore spôsobí, že v obvode, do ktorého je umiestnený, poklesne napätie. Všeobecným pravidlom by bolo používať rezistor, ktorý je oveľa menší ako odpor / impedancia meraného obvodu (v dobrom východiskovom bode desaťkrát menší), aby sa zabránilo ovplyvneniu prúdu bpredradným rezistorom v meranom obvode.

Napríklad transformátor a MOSFET v prevodníku DC-DC môžu mať celkový (DC) odpor desiatky miliohmov a umiestnenie veľkého (povedzme) 1Ω rezistora by viedlo k tomu, že väčšina napätia poklesne cez bočník (nezabudnite, že pre rezistory zapojené do série, je pomer poklesu napätia naprieč rezistormi pomerom ich odporov) a tým by nastala aj vyššia strata výkonu. Rezistor iba prevádza prúd na napätie pre meranie, takže parameter výkonu nie je pri meraní nijako užitočný. Malým rezistorom (1 mΩ) by viedol iba malý pokles napätia, ktoré by ale bolo merateľným napätím, s ponechaním dostatočného výkonu.

Teraz, keď ste vybrali hodnotu rezistora, môžete pripojiť uzemnenie sondy k zemi meraného obvodu a hrot sondy k bočníku (predradnému rezistoru), ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Principiálne meranie prúdu osciloskopom.

Niekoľko šikovných trikov.

Predpokladajme, že váš predradný rezistor / bočník má odpor 100 mΩ, potom by prúd 1 A viedol  k poklesu napätia o 100 mV, čo by nám dalo "citlivosť" 100 mV na vstupe. To by nemalo spôsobiť žiadne problémy, ale buďte opatrní, pretože mnohokrát sa 100 mV neberie doslovne - inými slovami, zamieňa sa so 100 mA.

Tento problém je možné prekonať nastavením vášho vstupu na útlm  100X - sonda je už 10X útlmená, takže pridaním ďalších 10X k signálu sa signál vráti späť na 1V na vstup, tj. vstup sa "vynásobí" 10. Väčšina osciloskopov sa dodáva s touto vlastnosťou a je schopná zvoliť si vstupný útlm. Ale niekedy to nemusí byť váš prípad, ak zistíte, že váš osciloskopo podporuje atenuáciu iba 1X a 10X.

Veci sa komplikujú, keď nemôžete umiestniť predradný rezistor čo najbližšie k meranému miestu. Uzemnenie osciloskopu je priamo spojené so zemou, takže za predpokladu, že je uzemnený aj váš napájací zdroj, pripojenie uzemňovacej svorky sondy k ľubovoľnému náhodnému bodu v obvode skratuje tento bod voči zemi.

Tomu sa dá zabrániť vykonaním niečoho, čo sa nazýva diferenciálne meranie.

Väčšina dnešných moderných osciloskopov má integrované matematické funkcie, pomocou ktorých je možné vykonávať matematické operácie so zobrazenými priebehmi signálov. Upozorňujem, že tieto funkcie nijako nezmenia skutočný signál!

Funkciou, ktorú tu použijeme, je funkcia odčítania, ktorá zobrazuje rozdiel dvoch vybraných tvarov vĺn.

Pretože napätie je jednoducho rozdiel potenciálov medzi dvoma bodmi, môžeme do každého vstupu zapojiť jednu sondu a pripojiť uzemňovacie svorky k zemi obvodu, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Diferenciálna metóda merania prúdu osciloskopom.

Zobrazením rozdielu medzi týmito dvoma signálmi môžeme určiť prúd. Rovnaký trik "zoslabenia", aký sa použil vyššie, platí aj tu, nezabudnite však zmeniť oba kanály.

Nevýhody použitia bočníka:

Existuje niekoľko nevýhod použitia bočníkového rezistora.

  1. Prvým je tolerancia, ktorá môže byť až 5%. To je niečo, s čím je potrebné počítať s určitými ťažkosťami.
  2. Druhým je teplotný koeficient. Odpor rezistora sa zvyšuje s teplotou, čo má za následok väčší pokles napätia pre daný prúd. To je obzvlášť zlé pri vysokoprúdových bočníkových rezistoroch.

2. Použitie prúdovej sondy

Prúdová sonda Hantek CC650 20KHz 650A - môžte si ju zakúpiť na tomto odkaze - klikni

Na trhu sú dostupné hotové prúdové sondy (nazývané aj "Current clamps"; upínajú sa na vodiče bez priameho prerušenia meraného obvodu), ale nie sú až tak veľmi rozšírené, nakoľko ich cena pri niektorých typoch a výrobcoch je pomerne značne vysoká a teda pre občasné použitie nerentabilná. Tieto sondy používajú jednu z dvoch meracích metód:

  1. Prvou metódou je použitie cievky navinutej okolo polkruhového feritového jadra. Prúd vo vodiči, ktorý je upnutý, vytvára magnetické pole vo ferite. To zase indukuje napätie v cievke. Napätie je úmerné rýchlosti zmeny prúdu. Integrátor "integruje" tvar vlny a vytvára výstup, ktorý je priamo úmerný veľkosti meraného prúdu. Výstupná veľkosť je zvyčajne medzi 1 mV a 1 V na dielik.
  2. Druhá metóda využíva Hallov senzor vložený medzi dva feritové polkruhy. Hallov snímač produkuje napätie, ktoré je priamo úmerné meranému prúdu.

Vľavo: prúdový transformátor pre meranie striedavého prúdu. Vpravo: Hallov senzor umiestnený vo vzduchovej medzere na meranie jednosmerného prúdu.

3. Rýchla a "nepriama" metóda

Táto metóda nevyžaduje žiadne dodatočné komponenty pre meranie okrem samotného osciloskopu a jeho sondy. Táto metóda je veľmi podobná použitiu prúdovej sondy. Ubtočte vodič uzemnenia sondy okolo meraného vodiča prenášajúceho prúd, ktorý sa má merať, a potom pripojte uzemňovaciu svorku k hrotu sondy. "Vytvorené" napätie je opäť úmerné rýchlosti zmeny prúdu a musíte interpretovať matematiku priebehu (menovite integráciu; väčšina osciloskopov ju dostupnú v menu "MATH"), aby ste ju mohli interpretovať ako prúd. Elektricky povedané, skratovaná sonda v podstate tvorí drôtovú slučku, ktorá v princípe funguje ako prúdový transformátor tak, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Osciloskopická sonda zapojená ako "prúdový transformátor" pre meranie prúdu.

Záver

Existuje niekoľko metód na meranie prúdu pomocou osciloskopu. Najjednoduchšie je však použiť predradný rezistor "bočník", ako bolo opísané v článku vyššie a vykonať merania priamo na ňom. Vyobrazenú prúdovú sondu Hantek si môžte kúpiť za zaujímavú cenu prostredníctvom priloženého odkazu. Pokiaľ sa vám článok páčil - nezabudnite ho ohodnotiť hviezdičkami, poprípade podporiť autora - Ďakujeme.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button