- Sådan bruges oscilloskop til at måle strøm
- 1. Brug af en shuntmodstand
- 2. Brug af en aktuel sonde
- 3. En hurtig og beskidt metode
- Konklusion
Måling af strøm er en simpel opgave - alt hvad du skal gøre er at tilslutte et multimeter til det kredsløb, du vil måle, og måleren giver dig en ren værdi at bruge. Nogle gange kan du ikke rigtig 'åbne' kredsløbet for at sætte et multimeter i serie med det, du vil måle. Dette løses også ganske enkelt - du skal bare måle spændingen over en kendt modstand i kredsløbet - strømmen er så simpelthen spændingen divideret med modstanden (fra Ohms lov).
Ting bliver lidt komplicerede, når du vil måle skiftende signaler. Dette er underlagt multimeterets opdateringshastighed (antal prøver pr. Sekund), og det gennemsnitlige menneske kan kun forstå så mange ændringer til et display pr. Sekund. Måling af vekselstrøm bliver lidt enklere, hvis dit multimeter har en RMS-spændingsmåling (RMS-spænding er spændingen i et vekselstrømsignal, der ville transmittere den samme mængde strøm, som en jævnstrømsforsyning af den spænding ville producere). Dette er strengt begrænset til periodiske signaler (firkantede bølger og lignende er strengt ude af tvivl, medmindre RMS-målingen er 'sand', selv da er der ingen garantier for målingens nøjagtighed). De fleste multimetre er også lavpasfiltreret, hvilket forhindrer AC-måling over et par hundrede Hertz.
Sådan bruges oscilloskop til at måle strøm
Oscilloskopet udfylder kløften mellem menneskelig opfattelse og de stabile værdier for et multimeter - det viser en slags spændingstids 'graf' af et signal, der giver en bedre visualisering af skiftende signaler sammenlignet med et sæt skiftende tal på et multimeter.
Måling af signaler med frekvenser op til flere gigahertz er også mulig, givet det rigtige udstyr. Dog er oscilloskopet en måleenhed med høj impedansspænding - den kan ikke måle strømme som sådan. Brug af et oscilloskop til at måle strømme kræver konvertering af en strøm til en spænding, og dette kan gøres på nogle få måder.
1. Brug af en shuntmodstand
Dette er måske den enkleste måde at måle strøm på og vil blive diskuteret her detaljeret.
Den nuværende-til-spænding konverter her er den ydmyge modstand.
Grundlæggende viden fortæller os, at spændingen over en modstand er proportional med strømmen, der strømmer gennem den. Dette kan sammenfattes ved Ohms lov:
V = IR
Hvor V er spændingen over modstanden, er jeg strømmen gennem modstanden, og R er modstanden af modstanden, alt sammen i deres respektive enheder.
Tricket her er at bruge en modstandsværdi, der ikke påvirker det samlede kredsløb, der måles, da spændingsfaldet over shuntmodstanden får mindre spænding til at falde over det kredsløb, det er placeret i. En generel tommelfingerregel ville være at bruge en modstand, der er meget mindre end modstanden / impedansen for det kredsløb, der måles (ti gange mindre i et godt udgangspunkt) for at forhindre, at strømmen i kredsløbet måles, påvirkes af shunten.
For eksempel kan transformeren og MOSFET i en DC-DC-konverter have en total (DC) modstand på titusindvis af milliohms, hvis en stor (sige) 1Ω modstand placeres, vil det meste af spændingen falde over shunten (husk modstande i serie, er forholdet mellem spænding faldet over modstandene forholdet mellem deres modstande) og dermed et større effekttab. Modstanden konverterer bare strømmen til en spænding til måling, så strømmen gør ikke nyttigt arbejde. På samme tid vil en lille modstand (1mΩ) kun falde en lille (men målbar) spænding over den og lade resten af spændingen udføre nyttigt arbejde.
Efter at have valgt en modstandsværdi, kan du forbinde sondens jord til kredsløbsjord og sondens spids til shuntmodstanden, som vist i nedenstående figur.
Der er et par pæne tricks, du kan bruge her.
Hvis du antager, at din shunt har en modstand på 100mΩ, så vil en strøm på 1A resultere i et spændingsfald på 100mV, hvilket giver os en 'følsomhed' på 100mV pr. Amp. Dette bør ikke medføre problemer, hvis du er forsigtig, men mange gange tages 100mV bogstaveligt - med andre ord forvekslet med 100mA.
Dette problem kan løses ved at indstille din inputindstilling til 100X - sonden er allerede 10X dæmpende, så hvis du tilføjer endnu en 10X til signalet, bringes den lige tilbage til 1V pr. Amp, dvs. input er "ganget" med 10. De fleste oscilloskoper kommer denne funktion af at være i stand til at vælge input dæmpning. Der kan dog være rækkevidde, der kun understøtter 1X og 10X.
En anden nyttig lille funktion er at kunne indstille de lodrette enheder, der vises på skærmen - V kan blandt andet ændres til A, W og U.
Ting bliver komplicerede, når du ikke kan placere shuntets lave side. Omfangets jord er direkte forbundet med jordjord, så forudsat at din strømforsyning også er jordforbundet, vil tilslutning af sondejordklemmen til et vilkårligt punkt i kredsløbet forkorte dette punkt til jord.
Dette kan forhindres ved at udføre noget, der kaldes en differentiel måling.
De fleste oscilloskoper har en matematisk funktion, som kan bruges til at udføre matematiske operationer på de viste kurver. Bemærk, at dette ikke ændrer det aktuelle signal på nogen måde!
Den funktion, vi bruger her, er fratrækningsfunktionen, som viser forskellen på to valgte bølgeformer.
Da spænding simpelthen er den potentielle forskel over to punkter, kan vi tilslutte en sonde til hvert punkt og forbinde jordklemmerne til kredsløbsjord som vist i figuren.
Ved at vise forskellen mellem de to signaler kan vi bestemme strømmen.
Det samme 'dæmpning'-trick, der er brugt ovenfor, gælder også her, bare husk at skifte begge kanaler.
Ulemper ved at bruge shuntmodstand:
Der er et par ulemper ved at bruge shuntmodstand. Den første er tolerancen, som kan være så dårlig som 5%. Dette er noget, der skal redegøres for med nogle vanskeligheder.
Det andet er temperaturkoefficienten. Modstanden af modstande øges med temperaturen, hvilket resulterer i et større spændingsfald for en given strøm. Dette er især dårligt med shunt-modstande med høj strøm.
2. Brug af en aktuel sonde
Færdige strømprober (kaldet 'nuværende klemmer'; de klæber fast på ledninger uden at afbryde kredsløb) er tilgængelige på markedet, men du kan ikke se mange hobbyfolk bruge dem på grund af deres uoverkommelige omkostninger.
Disse sonder bruger en af to metoder.
Den første metode er brugen af en spole viklet omkring en halvcirkulær ferritkerne. Strømmen i ledningen, sonden er fastspændt, genererer et magnetfelt i ferrit. Dette inducerer igen en spænding i spolen. Spændingen er proportional med strømskiftehastigheden. En integrator 'integrerer' bølgeformen og producerer et output, der er proportionalt med strømmen. Udgangsskalaen er typisk mellem 1mV og 1V pr. Amp.
Den anden metode bruger en Hall-sensor, der er klemt mellem to ferrit-halvcirkler. Hall-sensoren producerer en spænding, der er proportional med strømmen.
3. En hurtig og beskidt metode
Denne metode kræver ingen andre ekstra komponenter end et omfang og en sonde.
Denne metode er meget som at bruge en nuværende sonde. Løft sondens jordledning rundt om den ledning, der bærer den strøm, der skal måles, og tilslut derefter jordklemmen til sondespidsen.
Den producerede spænding er igen proportional med strømens ændringshastighed, og du skal udføre noget matematik på bølgeformen (nemlig integration; de fleste rækkevidder har dette under menuen 'matematik') for at fortolke det som en strøm.
Elektrisk set danner den kortsluttede sonde grundlæggende en trådsløjfe, der fungerer lidt som en strømtransformator, som vist i figuren.
Konklusion
Der er flere metoder til at måle skiftende strømbølgeformer ved hjælp af et oscilloskop. Den enkleste bruger en strømforsyning og måler spændingen over den.