Меню

Измерение тока осциллографом с помощью шунта

Измерение тока осциллографом с помощью шунта

Измерение больших токов

Автор: maksipus, maksipus@yandex.ru
Опубликовано 07.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2015!»

Измерить ток? Что может быть проще!

Но есть случаи, когда эти измерения простым тестером или осциллографом не провести. Например, измерение больших токов, да еще и гальванически связанных с сетью. Под «измерением» я подразумеваю вывод на экран осциллографа. В другом случае, визуализация стартерного тока автомобиля покажет вам состояние поршневой группы двигателя без выкручивания свечей (на многих моделях это уже проблема). Увидев ток бензонасоса или форсунок автомобиля, Вам лапшу на уши автомастер не навесит. При изготовлении ИБП, мощных 50Гц трансформаторов с ШИМ управлением желательно, а если конструкция не клон, а новодел, то в обязательном порядке надо видеть, что происходит на высокой стороне. При проектировании сварочных инверторов нужен рабочий сварочный ток и не на шунте, а в реалии. Иначе может получиться конструкция, которая работает только у автора, а повторяющий страстно мечтает плюнуть в фейс автору. Можно привести еще массу случаев, когда надо бы измерить ток, но сдерживает или отсутствие приборов или ТБ при измерении.

Цель этой статьи поделится практическим опытом измерения (визуализации) больших токов с гальванической развязкой от измерительных приборов. Именно практическим. То что проверено и используется.

1. Датчик тока на микросхеме ACS712

Прекраснейшая микросхема фирмы Allegro. Как называет её фирма «Линейный токовый датчи на эффекте Холла с ультра низким проходным сопротивлением» Существует 3 клона, на 5А, 20А и 30Ампер. Изготовляется в 8-лапковом SOIC корпусе, выдерживает при этом 30А ток в долговременном режиме, в импульсе до 100А! Неоднократно пропускал 50А 1-2сек. С полной документацией можно ознакомится на сайте производителя. https://www.allegromicro.com/

Коротко о хорошем:

— Возможность работы от постоянного до 80 кГц тока.

0,0012 Ом проходное сопротивление!

— все внутри (из обвязки: два конденсатора, по питанию и в фильтре.)

— хорошая линейность (1,5%)

— дополнительные очень интересные возможности, которые не приводятся в описании.

-шум. Для ACS712 30А клона это 7мВ или в рабочем пересчете на уровне 0,106А измеряемого тока. Но эта м/с не метрологическая и она не для мини токов. Она заточена для использования с микроконтроллером и нивелировать этот шум программно просто. Увеличение емкости конденсатора фильтра к уменьшению шума не приводит (должно бы, но у меня по непонятной причине не получилось).

Фирма Allegro выпускает широкую номенклатуру датчиков тока, с различными параметрами. Выбрать можно для любой поставленной задачи. От 5А до 200Ампер.

В данной статье пойдет разговор, как сделать ACS712 в применении более удобной для измерений в радио лаборатории. При проведении измерений у неё есть два неудобных параметра:

— коэффициент пересчета тока 66мВ/1А и при отсутствии проходного тока, выходное напряжение равно 1/2 питания. В классическом применении в связке с м/контроллером это правильно и логично. В лаборатории неудобно постоянно тыкать пальцем в калькулятор и совершенно невозможно смотреть переменный ток с небольшой постоянной составляющей. Вход осциллографа не закроеш, а 1/2 постоянки на выходе мешает.

Решение этой проблемы очень простое.

Операционным усилителем смещаем выходное напряжение прибора при отсутствии тока через м/с ACS712 на ноль и усиливаем выходное напряжение до коэффициента масштабирования = 0.1В/1А. Напряжение питания схемы (мах допустимое) выбрал 8В (рекомендованное 5В), и сделал его двуполярным для питания операционного усилителя с помощью м.с. ICL7660. Стало очень удобно и с осциллографом, и с выходом на тестер, в уме умножаем полученное напряжение на 10, получаем измеряемый ток.

У меня получилась вот такая миниатюрная коробочка.

На улицу вывел ручку переменного сопротивления (R7) подстройки ноля, подстроечником R6 подстраиваем масштабирование устройства 1А = 0,1В. Операционный усилитель можно поставить более современный и лучше Rail-to-Rail. Плату приводить нет смысла. Схема очень простая и делается по применяемой металлической коробочке. Именно металлической, м/схема подвержена воздействию внешних магнитных полей.

Но в этом недостатке и есть нестандартные дополнительные возможности. В формате этой статьи не получится рассказать о этих возможностях. Коротко напишу, что это возможность в реальном времени увидеть на экране осциллографа напряженность магнитного поля трансформатора, смотреть петлю Гистерезиса, дистанционно измерять ток. Очень неординарная функция — это измерять напряженность магнитного поля в реальном времени. Мне не встречались любительские приборы (да еще такой элементарной схемотехники) которые позволяют это делать.

2. Токовые клещи. АРРА-30Т.

Отличие от широко распространенных клещей — выход на осциллограф. Очень удобный и надежный инструмент, качество изготовления высокое, но для любительского применения получается относительно дороговато. Пользоваться удобно, измеряет как постоянный так и переменный ток на двух пределах 40А и 300А (смотрел сам 500А, но видимо на таких токах большая нелинейность). Очень хорошо смотреть стартерные токи автомобиля с пишущим осцилоскопом. И втягивающее видно и сам стартер и работу каждого цилиндра. Отсутствие цифрового дисплея не напрягает. В любом случае при измерениях тестер рядом. Можно включить паралельно осциллографу если уже приспичит. Дополнительные коннекторы приложены.

3. Пояс Роговского.

Рисунок из википедии:

Это самый казусный прибор в моей лаборатории. Появился для измерений токов в тысячи ампер. Прикинув, чем можно измерить такие токи остановился на Поясе (кольце) Роговского, так как сделать что то другое проблематично или дорого. Помыкался по инету. Описаний возможностей этого чуда много, готовые изделия в продаже есть. Реальных измерений ноль, не смотря на массу публикаций. Плюнул и за вечер сделал конструкцию.

Кольца из ламина для пола, кусочки канализационных труб диаметром 100мм и 50мм, ВЧ разьем вот и вся механика.

Кусок от фидера неизвестной породы.

На него плотно намотан провод D=0,22mm.

Витки не считал, пересчитал по длинне и плотности намотки. Получилось 1500витков. Терпеть не могу мотать катушки, но этот пояс намотал за 20мин. Начало провода припаял к центральной жиле кабеля. Центральная жила в конце намотки и сам конец провода катушки это два выхода катушки.

Пояс удобно встал в уплотняющий паз трубы. Длина пояса конечно была определена заранее.

Нагрузил пояс на сопротивление 220ом. Собрал, получил такую конструкцию.

Пропустив через экспериментальный проводник синусоидальный ток силой 400Ампер, замерил выходное напряжение поделки, одновременно сняты показания с клещей АРРА-30. Получилось, что ток силой 1000А создает в поясе Роговского ЭДС равную 0.22вольт. У Кита Сукера в книге «Силовая электроника» есть имперический расчет катушки Роговского. Посчитал, получил 0.23вольта. Остался доволен, витки я точно не считал, да и расчет у Кита имперический. Крутит прибор фазу? Ну и Бог с ней, пусть крутит.Поиметь за вечер такой нужный прибор, задаром, очень удачно. Все было хорошо до начала реальных замеров. Подключив мощный 50Гц трансформатор, к автоматике с ШИМ модуляцией тока и увидев на экране ужас электрика, поматерил Википедию, других авторов-теоретиков, себя и понял почему этот прибор так и не получил широкого распространения появившись аж в 1912г.

Все авторы публикаций характеризуют этот прибор (видимо переписывая друг у друга) как трансформатор тока (это меня и ввело в ступор, хотя формула наводимого ЭДС говорит другое). И бубнят о необходимости интегратора на выходе, для восстановления формы тока. Выходное напряжение пояса Роговского зависит не от силы исследуемого тока, а от скорости и вектора его изменения!

Это далеко не трансформатор тока и никаким интегратором реальную форму тока не восстановить. Прибор, конечно, используется, другим прибором я и не могу измерить 1000-5000Ампер в проводнике. Результат я получаю правильный, но только тогда, когда форма тока чистая синусоида, 50Гц и я в этом уверен на 100%. В энергетике он применяется видимо тоже с ограничениями. Мои знакомые энергетики о поясе Роговского ни гу-гу.

Устройство специфическое, с массой ограничений в применении итд. Но при необходимости можно работать, так как изготовление быстрое и ничего не стоит.

Выводы: Измерять большие токи сегодня для радиолюбителя не сложно и дешево. Мой любимый прибор это датчик тока на ACS715. Лет пятнадцаь назад делал автоматику на самодельных трансформаторах тока. Но сегодня во многих конструкциях не рационально их применять. По цене дороже получается, линейность хуже и удлиняется время наладки прибора. С интегральным датчиком, как на калькуляторе посчитал, так в реалии и получил. Хотя конечно трансформаторы тока имеют свою незаменимую нишу в конструкциях.

Скажу коротко, что эксперименты с датчиком тока на ACS715 в корень развенчали миф аудиофилов о насыщении трансформатора рабочим током. Привели к переосмысливанию и к совершенно новому алгоритму управления сварочным током аппарата контактной сварки. Доводится до ума автомат пуска (с системой защиты и рестартов) трехфазного двигателя в однофазной сети. На них сейчас оформляется патент на полезную модель. Итд Итп. И все это в направлении электрики и электроники, которая жевана-пережевана еще в прошлом веке. Появились новые компоненты и то что было невозможно совсем недавно, сегодня уже рутина. Но это будет уже другая история.

Источник

Измерение тока STM32 АЦП HAL (шунт, дифференциальный усилитель)

Принцип работы (измерения)

Последовательно с нагрузкой включаем сопротивление малой величины.

Таким образом протекающий ток через R load и R sense будет одинаковый (здесь 690 мА), при этом зная сопротивление резистора-шунта R sense = 0.1 Ом и измерив напряжение на нем (U sense = 0.069 В) можно легко вычислить протекающий через цепь ток:

А теперь испытания на макетной плате, лампа накала в качестве нагрузки R load ( ИСКРА 13,5 В) , низкоомный резистор R sense 3.3 Ом 10 Вт.

Берем вольтметр и измеряем напряжение на резисторе.

Итак, падение на нем U sense = 0.2757 В. Вычисляем ток

Учитывая неточность резистора, всё отлично, почти такой же, как показывает мультиметр ( ламповый блок питания показывает неправильно!).

Выбор шунта

  • малое сопротивление (чтобы уменьшить потери и вносимое влияние)
  • высокая точность сопротивления
  • малый ТКС (чтобы сопротивление мало изменялось при изменении температуры)

Схема

Понятно, что при маленьком значении сопротивления R sense будет падать и маленькое напряжение, а нам его еще и измерять, причем мы хотим получить диапазон от нуля то VCC (в данном случае от 0 В до 3.3 В), чтобы использовать все 12 разрядов внутреннего АЦП STM32.

В общем надо усилить сигнал в N раз. Применяем схему дифференциального (разностного, вычитающего) усилителя на операционном усилителе (питание однополярное).

Таким образом нам удастся усилить маленькое напряжение на R sense , а напряжение на выходе будет определятся соотношениями сопротивления резисторов, при R1 = R3, R2 = R4:

U1 — напряжение на инвертирующем входе;
U1 — напряжение на неинвертирующем входе;
R2=R4 — сопротивление резистора;
R1=R3 — сопротивление резистора;

Выбор операционного усилителя

Нам нужен ОУ с низким напряжением питания (т.к. он будет жить вместе с МК на стабилизаторе 3.3 В), маленьким входным напряжением смещения (input offset voltage) и маленьким (как можно ближе к нулю) выходным напряжением низкого уровня.

Читайте также:  Сложение нагрузки по току

LMV321

Смотрим на эту гадость, ну такое.

Проверим в бою. На входе U sense = 100 мВ (падение на шунте):

При R1 = R3 = 1 кОм, R2 = R4 = 10 кОм, допуск резисторов 1% (также отобрал вручную самые точные), таким образом на выходе должно быть Usense*10 = 100 мВ*10 = 1000 мВ = 1 В (выражение выше):

Хорошо, усиление в 10 раз сработало отлично!

Помня про высокое значение выходного напряжения низкого уровня замыкаем шунт (на входе ноль), а на выходе:

Ой, нифига себе, примерно 80 мВ (собственно как и написано в документации). Нам такого не нужно, ведь тогда не удастся измерять малые токи.

Но, выходное напряжение высокого уровня действительно почти равно питающему, то есть чуть ниже 3.3В и по сути будет отличаться на 100 мВ максимум.

LM358

Сравнивая с предыдущим у этого выходное напряжение низкого уровня будет около 5 мВ, вот это уже неплохо.

После замены ОУ на макетке измеряем напряжение на выходе при нуле на входах.

Неплохо, даже ниже обычного, то что нужно!

А теперь проверим выходное напряжение высокого уровня (питание 3.3 В):

И еще раз, но при питании 5 В:

Вот это печально. Выход ниже на более чем вольт по сравнению с напряжением питанием, то есть использовать этот ОУ в схемах с низким U пит не советую, ведь тогда будут полезными (использоваться) не 12 разрядов АЦП, а в данном случае всего чуть более 7-бит!

MCP6002

Приобрел ОУ MCP6002 в SOIC-8 от Micropchip.

Здесь выходное напряжение (Voltage Swing) мин 25 мВ, на деле оказалось около 7 мВ, вот эта микросхема и будет использована!

Не забудь добавить фильтр!

Настоятельно советую отфильтровать измеряемый сигнал перед подачей на АЦП простейший фильтр нижних частот (ФНЧ) в виде последовательно соединённых резистора и конденсатора ( как работает можно глянуть здесь). Также дополнительно советую использовать программный цифровой фильтр среднего скользящего.

Для использований общего назначения обычно ставят:

R = 10 — 100 Ом
C = 100 нФ — 1000 нФ

Сборка схемы на макетной плате

Создание проекта в STM32CubeIDE

Новый проект: New -> STM32 Project

Выбор МК: STM32F103C8T6

Имя проекта: Project Name: Current-Measeument-Shunt

Настройки тактирования по умолчанию (ничего не изменено):

Отладчик: SYS -> Debug: Serial Wire

Включение АЦП, Канал 0. Запуск от тригера Таймера 3:
ADC_Regular_ConversionMode: External Trigger Conversion Source

Во вкладке настройки ПДП (DMA):
Add: ADC1
Mode: Circular

Ну и Таймер 3:
TIM3 -> Internal Clock
Prescaler: 800-1
Counter Period: 1000-1
Trigger Event Selection: Update Event

Программирование

Массив из одного элемента для сырого значения с АЦП и вещественная переменная для напряжения, а также вспомогательная переменная:

/* USER CODE BEGIN PV */ /* adc variables */ uint16_t ADC_Raw[1]; float Current; uint8_t sch_adc = 0; /* USER CODE END PV */

Запуск АЦП с ПДП, ну и потом таймер, который будет производить запуск 10 раз/с:

/* USER CODE BEGIN 2 */ HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1); HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)ADC_Raw, 1); HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3); /* USER CODE END 2 */

В функции обратного вызова переменная устанавливается равной 255, то есть положительное значение:

/* USER CODE BEGIN 4 */ void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* AdcHandle) < sch_adc = 255; >/* USER CODE END 4 */

В главном цикле проверяется переменная sch_adc, если положительная, то рассчитывается значение тока (здесь в мА):

Испытание (отладка)

При отсутствии тока на выходе ненулевое значение. Его можно обнулять каждый раз при включении (учитывая что вначале нагрузка не должна быть подключена) или записать значение и потом вычитать из измеренного:

Точность неплохая и может быть лучше, потому что напряжение питание чуть ниже 3.3В и шунт-резистор использован неточный.

Особенности разводки платы

На рисунке ниже видно, что входы дифференциального усилителя хитро подключаются непосредственно к Rsense, ведь нам не нужны еще и падения на дорожках и соединениях.

Таким образом дорожки, идущие на вход по красоте ведем из середин, устраняя влияние сопротивлений дополнительных участков меди снимая падение именно с резистора-шунта.

Также здесь стоит обратить внимание на фильтрующий конденсатор 100 нФ, он подключен наиболее близко к ножкам GND-VCC и питание подведено сначала к нему.

Измерения без использования ОУ

В некоторых случаях для измерения малых токов, когда напряжение источника изменяется в широких пределах (и высокое падение на шунте не важно) можно оставить тупо резистор и измерять напряжение непосредственно на нем.

Примером может служить мой тестер проверяльщик светодиодов, здесь нужно было измерять ток (0-100) мА, сначала хотел ставить шунт+ОУ, но из-за ограниченного напряжения питания и ненулевого выхода при нулевом токе схема была оптимизирована и упрощена вместе с решением проблемы измерения малых токов.

Готовые токоизмерительные усилители

Конечно существуют усилители с уже встроенными резисторами R1-R4, причем они имеет почти одинаковые параметры. К тому же мы экономим место на плате. Коэффициент усиления как-правило 20, 30, 50, но есть и такие, где он настраивается.

Самым подходящим я считаю решение INA180 от TI единственный недостаток — это низкая распространенность, ну и цена будет чутка выше.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Как измерить ток с помощью осциллографа

Измерение тока является простой задачей – все, что вам нужно сделать, это подключить мультиметр к цепи, которую вы хотите измерить, и счетчик даст вам чистое значение тока для использования в дальнейшем. Но иногда нет возможности разорвать цепь, чтобы соединить мультиметр с тем, что вы хотите измерить. Это также решается довольно просто – вам просто нужно измерить напряжение на известном сопротивлении в цепи, тогда ток – это просто напряжение, деленное на сопротивление (из закона Ома).

Как измерить ток с помощью осциллографа

Все становится немного сложнее, когда вы хотите измерить изменяющиеся сигналы. Это зависит от частоты обновления (количества выборок в секунду) мультиметра, и обычный человек может воспринимать только небольшое изменений в отображении в секунду. Измерение переменного тока становится немного проще, если ваш мультиметр измеряет среднеквадратичное напряжение (среднеквадратичное напряжение – это напряжение сигнала переменного тока, который будет передавать то же количество энергии, что и источник постоянного тока этого напряжения). Это измерение строго ограничено периодическими сигналами (прямоугольные волны и тому подобное строго исключены, если только среднеквадратическое значение не является «истинным», даже в этом случае нет никаких гарантий точности измерения). Большинство мультиметров также имеют низкочастотную фильтрацию, что предотвращает измерение переменного тока выше нескольких сотен герц.

Осциллограф заполняет промежуток между человеческим восприятием и устойчивыми значениями мультиметра – он отображает своего рода график напряжения-времени сигнала, который позволяет лучше визуализировать изменяющиеся сигналы по сравнению с набором меняющихся чисел на мультиметре.

Измерение сигналов с частотой до нескольких гигагерц также возможно при наличии правильного оборудования. Однако осциллограф является прибором для измерения напряжения с высоким импедансом – он не может измерять токи как таковые. Использование осциллографа для измерения токов требует преобразования тока в напряжение, и это можно сделать несколькими способами.

Во-первых, это использование шунтового резистора. Это, пожалуй, самый простой способ измерения тока. Преобразователь тока в напряжение здесь представляет собой простой резистор. Базовые знания электротехники говорят нам, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через него. Это можно выразить по закону Ома: U = IR. Где U – напряжение на резисторе, I – ток через резистор, а R – сопротивление резистора, все в соответствующих единицах.

Хитрость заключается в том, чтобы использовать значение резистора, которое не влияет на общую измеряемую цепь, поскольку падение напряжения на шунтирующем резисторе приводит к уменьшению напряжения на цепи, в которой он находится. Общее практическое правило заключается в использовании резистора, который намного меньше, чем сопротивление или импеданс измеряемой цепи (в десять раз меньше в хорошей начальной точке), чтобы предотвратить влияние шунта на измеряемый ток в цепи.

Например, трансформатор и полевой МОП-транзистор в преобразователе постоянного тока могут иметь полное (постоянное) сопротивление в несколько десятков миллиом, а установка большого (скажем) резистора 1 Ом приведет к падению большей части напряжения на шунте (помните, что для для последовательных резисторов отношение падения напряжения на резисторах является отношением их сопротивлений) и, следовательно, к большей потере мощности. Резистор просто преобразует ток в напряжение для измерения. В то же время маленький резистор (1 мОм) будет пропускать через себя только небольшое (но измеримое) напряжение, оставляя остальное напряжение для выполнения полезной работы.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Как измерить ток с помощью осциллографа

Здесь вы можете использовать несколько изящных приемов. Предположим, что ваш шунт имеет сопротивление 100 мОм, тогда ток 1 А приведет к падению напряжения на 100 мВ, что даст нам «чувствительность» 100 мВ на усилитель. Это не должно вызывать проблем, если вы будете осторожны, но часто 100 мВ воспринимается буквально – другими словами, путается с 100 мА.

Эту проблему можно решить, установив настройку входа на 100X – датчик уже ослабляет в 10 раз, поэтому добавление еще 10X к сигналу возвращает его обратно к 1 В на усилитель, т.е. вход «умножается» на 10. Большинство осциллографов поставляются с этой возможностю выбора входной аттенюации. Однако существуют осциллографы, которые поддерживают только 1X и 10X. Еще одна полезная небольшая особенность – возможность установки вертикальных единиц, отображаемых на экране – U можно изменить на A, W и т.п.

Все усложняется, когда вы не можете разместить шунт на нижней стороне. Заземление осциллографа напрямую связано с заземлением, поэтому при условии, что ваш источник питания также заземлен, подключение зажима заземления датчика к любой случайной точке в цепи закорачивает эту точку на землю. Этого можно избежать, выполнив то, что называется дифференциальным измерением. Большинство осциллографов имеют математическую функцию, которую можно использовать для выполнения математических операций с отображаемым сигналом (формами). Обратите внимание, что это никак не меняет фактический сигнал!

Здесь мы будем использовать функцию вычитания, которая отображает разницу двух выбранных сигналов. Поскольку напряжение – это просто разность потенциалов в двух точках, мы можем подключить один датчик к каждой точке и подключить зажимы заземления к заземлению цепи, как показано на рисунке.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Получив разницу между двумя сигналами, мы можем определить ток. Та же самая уловка с аттенюацией, использованная выше, применима и здесь, просто не забудьте изменить оба канала.

Есть несколько недостатков в использовании шунтирующего резистора. Во-первых, это допуск, который может составлять 5%. Второе – это температурный коэффициент. Сопротивление резисторов увеличивается с ростом температуры, что приводит к большему падению напряжения для данного тока. Это особенно плохо с сильноточными шунтирующими резисторами.

Впрочем, вместо шунтов можно использовать специальные токоизмерительные щупы. Готовые токовые пробники (называемые также «токовые клещи»; они зажимаются на проводах без прерывания цепей) доступны на рынке, но вы не увидите, чтобы многие любители использовали их из-за их непомерной стоимости. Эти щупы используют один из двух методов.

Читайте также:  Таблица сечение ток мм2

Как измерить ток с помощью осциллографа

Первый метод – использование катушки, намотанной на полукруглый ферритовый сердечник. Ток в проводе, вокруг которого зажат щуп, генерирует магнитное поле в феррите. Это в свою очередь вызывает напряжение в катушке. Напряжение пропорционально скорости изменения тока. Интегратор «интегрирует» форму сигнала и выдает выходной сигнал, пропорциональный току. Выходная шкала обычно составляет от 1 мВ до 1 В на усилитель.

Второй метод использует датчик Холла, зажатый между двумя ферритовыми полукругами. Датчик Холла выдает напряжение, пропорциональное току.

Впрочем, есть еще один быстрый и «грязный» метод. Этот метод не требует никаких дополнительных компонентов, кроме осциллографа и щупа.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Этот метод очень похож на использование токового датчика. Обмотайте провод заземления датчика вокруг провода, несущего измеряемый ток, а затем подключите зажим заземления к наконечнику датчика. Произведенное напряжение также будет пропорционально скорости изменения тока, и вам необходимо выполнить некоторую математическую функцию для формы сигнала (а именно, интеграцию; большинство осциллографов имеют эту функцию в меню «математика»), чтобы интерпретировать сигнал как ток.

Говоря языком электриков, закороченный щуп образует проволочную петлю, которая действует как трансформатор тока, как показано на рисунке.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Вот такие несколько методов измерения изменения формы тока с помощью осциллографа. Самый простой из них – использование токового шунта и измерение напряжения на нем.

Источник

Проведение измерений с помощью осциллографа

Проведение измерений с помощью осциллографаЦифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, — это высокая цена.

Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.

На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в этой статье.

При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.

Осциллограф С1-73

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Что измеряет осциллограф

Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Осциллограф С1-101

Рисунок 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.

Здесь следует вспомнить, что существуют специальные высокочастотные осциллографы, входное сопротивление которых всего 50 Ом. В радиолюбительской практике такие приборы не находят применения. Поэтому далее речь пойдет об обычных универсальных осциллографах.

Полоса пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, — от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.

При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.

Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.

На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.

осциллограмма меандра

Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.

цифровой осциллограф U1610A

Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.

Виды исследуемых сигналов и их параметры

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.

Формы электрических колебаний

Рисунок 6. Формы электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.

Периодические колебания

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z – интенсивность, или попросту яркость (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.

Три компонента исследуемого сигнала

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Скважность и коэффициент заполнения

Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, — величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.

Осциллограмма меандра D=50%

Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»

Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.

Прямоугольный импульс D=10%

Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%

Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 – величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.

Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.

Читайте также:  Простейшие вольтметры постоянного тока

Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.

Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.

Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.

Реальный прямоугольный импульс

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.

Параметры прямоугольного импульса

Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса

На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.

По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.

Пример измерений

На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.

Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.

С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то — же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.

Параметры синусоиды

Рисунок 15. Параметры синусоиды

Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.

Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.

Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.

Как осциллографом измерить ток

В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.

Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.

Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.

Измерение тока через конденсатор

Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.

Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.

Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: катушка индуктивности, обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.

Источник



Измерение больших токов шунтом

Иногда, в радиолюбительской практике и не только, требуется измерить токи, величиной в несколько десятков ампер. Обычный мультиметр может измерять токи до 10 А, ито не всегда. Зачастую имеющийся под рукой прибор позволяет делать измерения до десятых долей ампера. Опытный радиолюбитель легко выйдет из положения, поэтому статья предназначена в первую очередь для новичков. Итак, будем разбираться, как измерить ток с помощью закона Ома.

Применение закона Ома

Основной закон электротехники, он же закон Ома, гласит: I=U/R где I-это ток в амперах, U-напряжение в вольтах, R-сопротивление в омах. Эта формула говорит нам, что если в разрыв измеряемой нагрузки (где нужно измерить ток) включить шунт (R) и измеренное на шунте напряжение (U) подставить в формулу, по двум величинам R и U мы узнаем нужную нам I — протекающий ток.

Измерение тока с помощью шунта

Пример: мы ожидаем ток 20-30 А, а может и больший от потребления двигателем шуруповерта. У нас имеется проволочный шунт, сопротивлением 0,035 Ом. Шунт подключается в разрыв плюса или минуса, это не важно — действующий ток одинаков на всех участках цепи. Так же параллельно шунту подключается вольтметр — по его показания можно судить о токе, потребляемом нагрузкой. У меня при почти полном торможении вала двигателя вольтметр показывал около 0,9 В. Подставив известные нам значения в формулу I=0,9/0,035=25,7А — такой ток потребляет мотор.

Обратите внимание:
При измерении пульсирующих и динамически меняющихся токов, цифровой вольтметр не очень подходит, так как его контроллер очень медленно снимает показания. Для данной цели больше подходит стрелочный вольтметр.

Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до 300 А и более. Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся. Обычные резисторы не подходят в роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния. Рассчитать примерную мощность рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах. Для выше приведенного примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.

Калькулятор расчета тока по сопротивлению и напряжению на шунте

Напряжение на шунте, В

Сопротивление шунта, Ом

Самодельный шунт

Не всегда под рукой имеются проволочные резисторы таких мизерных сопротивлений, я бы даже сказал чаще их нет. Из положения можно выйти при помощи нихромовой проволоки от вышедших из строя нагревателей, в крайнем случае можно использовать обычный медный провод. Для определения сопротивления куска проволоки понадобится амперметр (прям замкнутый круг) и источник питания с нагрузкой. Амперметр может конечно быть рассчитан на меньшие токи, чем предполагается измерять шунтом.

Измерение сопротивления шунта

Например, для измерения сопротивления своего шунта 0,035 Ом я использовал источник напряжения 12 В и галогеновую лампу 12 В 35 Вт. Предварительно оценив, что лампа потребляет 35Вт/12В=2,9А, я использовал амперметр на 5 А. Безусловно, когда мы знаем ток потребления нагрузкой, как в моем случае, амперметром можно и не пользоваться, однако будет большая погрешность в измерениях.

Измерение напряжения на шунтеДля измерительного шунта отлично подходит сборный шунт от советского измерительного прибора. Данный шунт имеет несколько отводов и обладает способностью держать большие токи.

Итак, подключаем шунт неизвестного сопротивления в разрыв между источником питания и нагрузкой (лампой). Аналогично, как при измерении тока, включаем параллельно шунту вольтметр. В ситуации с лампой вполне сойдет цифровой вольтметр. Закон Ома здесь применим с той лишь разницей, что теперь нам известен ток и напряжение, а сопротивление нет. Используя ту же формулу, подставляем известные значения: 2,9(ток потребления лампы)=0,1(напряжение на измеряемом шунте)/X(сопротивление неизвестно) — 2,9=0,1/X или данное уравнение можно записать иначе: X=0,1/2,9=0,034 Ома — сопротивление шунта.

Измерение переменного тока

Для измерения переменного тока так же применимы вышеописанные методы, с той лишь разницей, что нужно использовать вольтметр переменного напряжения, а в случае с измерением сопротивления шунта — амперметр переменного тока.

Для измерения в цепях с частотой 50 Гц вполне сойдут и цифровые вольтметры и амперметры (при наличии у них таких функций). При более высоких частотах цифровые приборы малопригодны, их показания могут сильно отличаться от реальности. Стрелочные измерительные приборы в этом случае куда более подходящие.

Однако самым лучшим вариантом измерения токов любой формы является осциллограф. Осциллограф подключается к шунту вместо вольтметра. Это позволит измерить размах тока или или среднее его значение. Другими словами — мы увидим ток «воочию». Основная сложность при таких замерах — согласовать значения напряжений на осциллографе с сопротивлением шунта по закону Ома. Здесь могу посоветовать одно — калькулятор в начале страницы вам в помощь.

Среднеквадратическое значение напряжения на осциллографе

Хочется обратить внимание: при измерении переменного тока следует производит расчеты не по амплитудным значениям напряжения, а по среднеквадратическим — именно так принято в электротехнике измерять переменные токи и напряжения. Величины указываются усредненные, эквивалентные постоянным. Собственно это и стоит учитывать при использовании осциллографа. У цифровых «ослов» среднеквадратическая величина напряжения может рассчитываться автоматически, называется она «Vrms».

Вышенаписанное справедливо при измерении так называемых «действующих» токов, с относительно стабильной формой. Когда же нужно узнать пиковые токи — здесь в формулу рассчета (или калькулятор в начале) нужно подставлять амплитудные значения напряжений на шунте. Как говорится «все хорошо к месту» — в радиолюбительской практике требуются различные варианты.

Источник