Hoe stroom te meten met een oscilloscoop

Het meten van stroom is een eenvoudige taak - het enige dat u hoeft te doen, is een multimeter aansluiten op het circuit dat u wilt meten en de meter geeft u een zuivere waarde om te gebruiken. Soms kun je de schakeling niet echt 'openen' om een ​​multimeter in serie te zetten met wat je wilt meten. Dit is ook heel eenvoudig opgelost - je hoeft alleen maar de spanning te meten over een bekende weerstand in het circuit - de stroom is dan gewoon de spanning gedeeld door de weerstand (volgens de wet van Ohm).

Het wordt een beetje ingewikkeld als u veranderende signalen wilt meten. Dit is overgeleverd aan de verversingssnelheid (aantal samples per seconde) van de multimeter, en de gemiddelde mens kan maar een beperkt aantal veranderingen in een weergave per seconde begrijpen. Het meten van AC wordt een beetje eenvoudiger als uw multimeter een RMS-spanningsmeting heeft (RMS-spanning is de spanning van een AC-signaal dat dezelfde hoeveelheid stroom zou verzenden als een DC-voeding van die spanning zou produceren). Dit is strikt beperkt tot periodieke signalen (blokgolven en dergelijke zijn strikt uitgesloten, tenzij de RMS-meting 'waar' is, zelfs dan zijn er geen garanties over de nauwkeurigheid van de meting). De meeste multimeters zijn ook laagdoorlaatfilter, waardoor AC-meting boven een paar honderd Hertz wordt voorkomen.

Hoe oscilloscoop te gebruiken om stroom te meten

De oscilloscoop vult de kloof tussen menselijke waarneming en de stabiele waarden van een multimeter - hij toont een soort spanning-tijd 'grafiek' van een signaal, wat een betere visualisatie van veranderende signalen mogelijk maakt in vergelijking met een reeks veranderende getallen op een multimeter.

Het meten van signalen met frequenties tot enkele gigahertz behoort ook tot de mogelijkheden, mits de juiste apparatuur. De oscilloscoop is echter een spanningsmeetapparaat met hoge impedantie - hij kan als zodanig geen stromen meten. Het gebruik van een oscilloscoop om stromen te meten, vereist het omzetten van een stroom naar een spanning, en dit kan op een aantal manieren worden gedaan.

1. Een shuntweerstand gebruiken

Dit is misschien wel de eenvoudigste manier om stroom te meten, en zal hier in detail worden besproken.

De stroom-naar-spanning-omzetter hier is de bescheiden weerstand.

Basiskennis leert ons dat de spanning over een weerstand evenredig is met de stroom die er doorheen vloeit. Dit kan worden samengevat door de wet van Ohm:

V = IR

Waar V is de spanning over de weerstand, I is de stroom door de weerstand en R is de weerstand van de weerstand, allemaal in hun respectievelijke eenheden.

De truc hier is om een ​​weerstandswaarde te gebruiken die geen invloed heeft op het algehele circuit dat wordt gemeten, aangezien de spanningsval over de shuntweerstand ervoor zorgt dat er minder spanning valt over het circuit waarin het is geplaatst. Een algemene vuistregel zou zijn om te gebruiken een weerstand die veel kleiner is dan de weerstand / impedantie van het circuit dat wordt gemeten (tien keer minder in een goed startpunt) om te voorkomen dat de stroom in het circuit dat wordt gemeten, wordt beïnvloed door de shunt.

De transformator en MOSFET in een DC-DC-omzetter kunnen bijvoorbeeld een totale (DC) weerstand hebben van tientallen milliohm, het plaatsen van een grote (zeg maar) 1Ω-weerstand zou ertoe leiden dat het grootste deel van de spanning over de shunt valt (onthoud dat voor weerstanden in serie, de verhouding van de spanning die over de weerstanden valt, is de verhouding van hun weerstanden) en dus een groter vermogensverlies. De weerstand zet de stroom gewoon om in een spanning om te meten, dus het vermogen doet geen nuttig werk. Tegelijkertijd zou een kleine weerstand (1mΩ) slechts een kleine (maar meetbare) spanning erover laten vallen, waardoor de rest van de spanning nuttig werk zou doen.

Nadat u een weerstandswaarde hebt geselecteerd, kunt u de sonde-aarde aansluiten op de circuitaarde en de sondetip op de shuntweerstand aansluiten, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Er zijn een paar handige trucs die je hier kunt gebruiken.

Stel dat uw shunt een weerstand heeft van 100mΩ, dan zou een stroom van 1A resulteren in een spanningsval van 100mV, wat ons een 'gevoeligheid' geeft van 100mV per ampère. Dit zou geen problemen moeten opleveren als je voorzichtig bent, maar vaak wordt de 100mV letterlijk genomen - met andere woorden, verward met 100mA.

Dit probleem kan worden verholpen door uw invoerinstelling in te stellen op 100X - de sonde is al 10X verzwakt, dus als u nog eens 10X aan het signaal toevoegt, wordt het teruggebracht naar 1V per amp, dwz de invoer wordt 'vermenigvuldigd' met 10. De meeste oscilloscopen worden geleverd met dit kenmerk van het kunnen selecteren van de ingangsverzwakking. Er kunnen echter bereiken zijn die alleen 1X en 10X ondersteunen.

Een andere handige kleine functie is het kunnen instellen van de verticale eenheden die op het scherm worden weergegeven - de V kan onder andere worden gewijzigd in A, W en U.

Het wordt ingewikkeld als u de shunt niet aan de lage kant kunt plaatsen. De aarde van de scope is direct verbonden met aarde, dus ervan uitgaande dat uw voeding ook geaard is, zal het aansluiten van de aardklem van de sonde op een willekeurig punt in het circuit dat punt kortsluiten naar aarde.

Dit kan worden voorkomen door iets te doen dat een differentiële meting wordt genoemd.

De meeste oscilloscopen hebben een wiskundige functie die kan worden gebruikt om wiskundige bewerkingen uit te voeren op de weergegeven golfvorm (en). Merk op dat dit het daadwerkelijke signaal op geen enkele manier verandert!

De functie die we hier zullen gebruiken, is de aftrekfunctie, die het verschil tussen twee geselecteerde golfvormen weergeeft.

Omdat spanning eenvoudigweg het potentiaalverschil tussen twee punten is, kunnen we een sonde aan elk punt haken en de aardklemmen op de circuitaarde aansluiten, zoals weergegeven in de afbeelding.

Door het verschil tussen de twee signalen weer te geven, kunnen we de stroom bepalen.

Dezelfde 'verzwakking' truc die hierboven is gebruikt, is ook hier van toepassing, vergeet niet om beide kanalen te wijzigen.

Nadelen van het gebruik van een shuntweerstand:

Er zijn een paar nadelen aan het gebruik van een shuntweerstand. De eerste is de tolerantie, die misschien wel 5% is. Dit is iets dat met enige moeite moet worden verantwoord.

De tweede is de temperatuurcoëfficiënt. De weerstand van weerstanden neemt toe met de temperatuur, wat resulteert in een grotere spanningsval bij een gegeven stroom. Dit is vooral slecht bij shuntweerstanden met hoge stroomsterkte.

2. Met behulp van een stroomtang

Kant-en-klare stroomtangen ('stroomtangen' genoemd; ze klemmen zich vast aan draden zonder circuits te onderbreken) zijn verkrijgbaar op de markt, maar je ziet niet veel hobbyisten die ze gebruiken vanwege hun onbetaalbare kosten.

Deze sondes gebruiken een van de twee methoden.

De eerste methode is het gebruik van een spoel gewikkeld rond een halfronde ferrietkern. De stroom in de draad, waar de sonde omheen is geklemd, wekt een magnetisch veld op in het ferriet. Dit induceert op zijn beurt een spanning in de spoel. De spanning is evenredig met de snelheid waarmee de stroom verandert. Een integrator 'integreert' de golfvorm en produceert een output die evenredig is met de stroom. De outputschaal is typisch tussen 1mV en 1V per ampère.

De tweede methode maakt gebruik van een Hall-sensor die is ingeklemd tussen twee ferriet halve cirkels. De Hall-sensor produceert een spanning die evenredig is met de stroom.

3. Een snelle en vuile methode

Deze methode vereist geen extra componenten behalve een scoop en een sonde.

Deze methode lijkt veel op het gebruik van een stroomtang. Maak een lus van de aardingsdraad van de sonde rond de draad met de te meten stroom en sluit vervolgens de aardklem aan op de sondetip.

De geproduceerde spanning is weer evenredig met de snelheid waarmee de stroom verandert, en je moet wat wiskunde aan de golfvorm uitvoeren (namelijk integratie; de ​​meeste scopes hebben dit onder het menu 'wiskunde') om het als stroom te interpreteren.

Elektrisch gezien vormt de kortgesloten sonde in feite een draadlus die enigszins werkt als een stroomtransformator, zoals weergegeven in de afbeelding.

Conclusie

Er zijn verschillende methoden om veranderende stroomgolfvormen te meten met een oscilloscoop. De eenvoudigste is het gebruik van een stroomshunt en het meten van de spanning erover.