Hvordan måle strøm med et oscilloskop

Å måle strøm er en enkel oppgave - alt du trenger å gjøre er å koble et multimeter til kretsen du vil måle, og måleren gir deg en ren verdi å bruke. Noen ganger kan du ikke virkelig 'åpne' kretsen for å sette et multimeter i serie med det du vil måle. Dette løses ganske enkelt også - du trenger bare å måle spenningen over en kjent motstand i kretsen - strømmen er da bare spenningen delt på motstanden (fra Ohms lov).

Ting blir litt kompliserte når du vil måle skiftende signaler. Dette er underlagt multimeterets oppdateringsfrekvens (antall prøver per sekund), og det gjennomsnittlige mennesket kan bare forstå så mange endringer i en skjerm per sekund. Å måle vekselstrøm blir litt enklere hvis multimeteret ditt har en RMS-spenningsmåling (RMS-spenning er spenningen til et vekselstrømssignal som vil overføre samme mengde strøm som en likestrømforsyning av den spenningen ville produsere). Dette er strengt tatt begrenset til periodiske signaler (firkantbølger og lignende er strengt utelukket med mindre RMS-tiltaket er 'sant', selv da er det ingen garantier for målingens nøyaktighet). De fleste multimeter er også lavpasfiltrert, noe som forhindrer AC-måling over noen få hundre Hertz.

Hvordan bruke oscilloskop for å måle strøm

Oscilloskopet fyller gapet mellom menneskelig oppfatning og de stabile verdiene til et multimeter - det viser en slags spenningstid 'graf' av et signal, som gir en bedre visualisering av skiftende signaler sammenlignet med et sett med skiftende tall på et multimeter.

Målesignaler med frekvenser opptil flere gigahertz er også mulig, gitt riktig utstyr. Imidlertid er oscilloskopet en måleinnretning med høy impedans - det kan ikke måle strømmer som sådan. Å bruke et oscilloskop for å måle strømmer krever å konvertere en strøm til en spenning, og dette kan gjøres på noen måter.

1. Bruke en shuntmotstand

Dette er kanskje den enkleste måten å måle strøm på, og vil bli diskutert her i detalj.

Den nåværende-til-spenningsomformer her er ydmyke motstand.

Grunnleggende kunnskap forteller oss at spenningen over en motstand er proporsjonal med strømmen som strømmer gjennom den. Dette kan oppsummeres av Ohms lov:

V = IR

Der V er spenningen over motstanden, er jeg strømmen gjennom motstanden, og R er motstanden til motstanden, alt i deres respektive enheter.

Trikset her er å bruke en motstandsverdi som ikke påvirker den totale kretsen som måles, siden spenningsfallet over shuntmotstanden fører til at mindre spenning faller over kretsen den er plassert i. En generell tommelfingerregel ville være å bruke en motstand som er mye mindre enn motstanden / impedansen til kretsen som måles (ti ganger mindre i et godt utgangspunkt) for å forhindre at strømmen i kretsen som måles påvirkes av shunten.

For eksempel kan transformatoren og MOSFET i en DC-DC-omformer ha en total (DC) motstand på titalls milliohm, og plassering av en stor (si) 1Ω motstand vil føre til at det meste av spenningen faller over shunten (husk at for motstander i serie, er forholdet mellom spenning som faller over motstandene forholdet mellom deres motstand) og dermed et større effekttap. Motstanden konverterer bare strømmen til en spenning for måling, så kraften gjør ikke noe nyttig arbeid. På samme tid vil en liten motstand (1mΩ) bare slippe en liten (men målbar) spenning over den, og la resten av spenningen gjøre nyttig arbeid.

Nå, etter å ha valgt en motstandsverdi, kan du koble sonden bakken til kretsjord og sondespissen til shuntmotstanden, som vist i figuren nedenfor.

Det er noen fine triks du kan bruke her.

Anta at shunten din har en motstand på 100mΩ, da vil en strøm på 1A resultere i et spenningsfall på 100mV, noe som gir oss en 'følsomhet' på 100mV per amp. Dette bør ikke forårsake problemer hvis du er forsiktig, men mange ganger blir 100mV tatt bokstavelig - med andre ord forvekslet med 100mA.

Dette problemet kan løses ved å sette inngangsinnstillingen til 100X - sonden er allerede 10X dempende, så å legge til en annen 10X til signalet bringer den rett tilbake til 1V per amp, dvs. inngangen er "multiplisert" med 10. De fleste oscilloskoper kommer med denne funksjonen for å kunne velge inngangsdemping. Imidlertid kan det være omfang som bare støtter 1X og 10X.

En annen nyttig liten funksjon er å kunne stille de vertikale enhetene som vises på skjermen - V kan blant annet endres til A, W og U.

Ting blir kompliserte når du ikke kan plassere shunt-lavsiden. Scope-bakken er direkte koblet til jordjord, så forutsatt at strømforsyningen din også er jordet, vil koble sondens jordklips til et vilkårlig punkt i kretsen kortslutte det punktet til bakken.

Dette kan forhindres ved å gjøre noe som kalles differensialmåling.

De fleste oscilloskoper har en matematisk funksjon, som kan brukes til å utføre matematiske operasjoner på den eller de viste bølgeformene. Merk at dette ikke endrer det faktiske signalet på noen måte!

Funksjonen vi skal bruke her er trekkfunksjonen, som viser forskjellen mellom to valgte bølgeformer.

Siden spenning ganske enkelt er potensialforskjellen over to punkter, kan vi koble en sonde til hvert punkt og koble jordklemmene til kretsjord som vist på figuren.

Ved å vise forskjellen mellom de to signalene kan vi bestemme strømmen.

Det samme 'dempnings-trikset' som brukes ovenfor gjelder også her, bare husk å endre begge kanaler.

Ulemper ved bruk av shuntmotstand:

Det er noen ulemper ved å bruke shuntmotstand. Den første er toleransen, som kan være så dårlig som 5%. Dette er noe som må redegjøres for med noen vanskeligheter.

Den andre er temperaturkoeffisienten. Motstanden til motstandene øker med temperaturen, noe som resulterer i et større spenningsfall for en gitt strøm. Dette er spesielt ille med shunt-motstander med høy strøm.

2. Bruke en gjeldende sonde

Færdiggjorte strømprober (kalt 'nåværende klemmer'; de klemmer seg fast på ledninger uten å avbryte kretser) er tilgjengelige i markedet, men du ser ikke mange hobbyfolk som bruker dem på grunn av deres uoverkommelige kostnad.

Disse sonder bruker en av to metoder.

Den første metoden er bruk av en spole viklet rundt en halvsirkulær ferrittkjerne. Strømmen i ledningen, sonden er klemt rundt, genererer et magnetfelt i ferritten. Dette induserer igjen en spenning i spolen. Spenningen er proporsjonal med strømendringshastigheten. En integrator 'integrerer' bølgeformen og produserer en utgang som er proporsjonal med strømmen. Utgangsskalaen er vanligvis mellom 1mV og 1V per amp.

Den andre metoden bruker en Hall-sensor som er klemt mellom to ferrit-halvsirkler. Hall-sensoren produserer en spenning som er proporsjonal med strømmen.

3. En rask og skitten metode

Denne metoden krever ingen ekstra komponenter enn et omfang og en sonde.

Denne metoden er omtrent som å bruke en nåværende sonde. Snu jordens ledning rundt ledningen som bærer strømmen som skal måles, og koble deretter jordklemmen til sondespissen.

Den produserte spenningen er igjen proporsjonal med strømendringshastigheten, og du må utføre litt matematikk på bølgeformen (nemlig integrasjon; de fleste omfang har dette under 'matematikmenyen') for å tolke den som en strøm.

Elektrisk sett danner den kortsluttede sonden i utgangspunktet en ledningssløyfe som fungerer litt som en strømtransformator, som vist på figuren.

Konklusjon

Det er flere metoder for å måle skiftende strømbølgeformer ved hjelp av et oscilloskop. Den enkleste er å bruke en strømforsyning og måle spenningen over den.