Спросите десять инженеров, как они измеряют ток, и вы получите как минимум три ответа, обычно произнесенных с достаточной уверенностью. Сторонники шунтирующих методов отдают предпочтение простоте. Сторонники метода Роговского в восторге от возможности намотать катушку на толстую шину, не отключая ничего. А пользователи измерительных щупов просто хотят зажать контакты, включить автоматическое масштабирование и увидеть на одной и той же кривой как постоянное смещение, так и пульсации переключения.
В целом, все они неплохи, в некотором смысле. Честный ответ таков: ни один метод не является универсальным решением для всех испытаний. Важно подобрать датчик к сигналу, который вы пытаетесь получить, и оценить риск, на который вы готовы пойти при работе со своей схемой. Ниже приведено сравнение этих трех методов по четырем факторам, которые фактически определяют результат — полоса пропускания, размер, вносимые потери и стоимость — а затем следует четкая рекомендация о том, когда каждый из них заслуживает своего места.
Каждый из трех претендентов представлен в отдельном абзаце.
Шунтирующий резистор. Вы подключаете последовательно с нагрузкой резистор с известным малым сопротивлением и измеряете напряжение на нём. Закон Ома делает всё остальное. Это самый старый из проверенных методов, и не зря он до сих пор широко используется.
Катушка Роговского. Катушка с воздушным сердечником обматывается вокруг проводника и регистрирует скорость изменения тока (di/dt). Интегратор преобразует это значение обратно в форму тока. Отсутствие железного сердечника означает отсутствие насыщения, а петля получается тонкой и гибкой.
Измерительный щуп переменного/постоянного тока. Головка зажимного типа сочетает в себе датчик Холла (или магнитометр) для измерения постоянного и низкочастотного тока с обмоткой трансформатора тока для измерения высокочастотного тока. Два пути смешиваются внутри, поэтому вы получаете одно непрерывное измерение от постоянного тока до высоких частот. Цепь никогда не разрывается — вы зажимаете головку вокруг неё.
Пропускная способность: что вы можете увидеть на самом деле?
Именно здесь наблюдается наиболее резкое разделение между участниками.
А шунт На бумаге он обладает самым широким теоретическим диапазоном — хорошо спроектированный коаксиальный токовый шунт может работать в диапазоне сотен МГц и выше, при этом он измеряет истинное постоянное напряжение без дрейфа. Это действительно огромный диапазон. Однако загвоздка в слове «хорошо спроектированный». Как только вы используете обычный микросхемный или печатный шунт, паразитная индуктивность в корпусе резистора и компоновке начинает добавлять неприятный нарастающий отклик и резонанс задолго до достижения этих значений. Получение чистого широкополосного сигнала от шунта — это проблема дисциплины компоновки, а не проблема покупки и использования.
А катушка Роговского По сути, это устройство работает только с переменным током. Поскольку оно реагирует на di/dt, стабильный постоянный ток вообще не выдает никакого выходного сигнала — просто ничего не меняется, что устройство могло бы обнаружить. Поэтому, если ваш сигнал имеет постоянную составляющую (а в силовой электронике она почти всегда присутствует), Rogowski просто не может ее обнаружить. Его сильные стороны — это переменный ток: высокочастотный диапазон может достигать десятков МГц, чего более чем достаточно для обнаружения быстрых фронтов переключения IGBT и SiC. Но в низкочастотном диапазоне происходит проседание — очень медленный переменный ток ослабляется, и дрейф интегратора становится ограничивающим фактором в этом диапазоне.
Ан Измеритель тока переменного/постоянного тока Он разработан специально для устранения пробела, который мешает работе двух других. Траектория Холла/магнитного датчика обрабатывает постоянный ток и медленные потоки; трансформаторная траектория обрабатывает быстрые потоки; кроссовер объединен таким образом, чтобы вы могли считывать одну непрерывную форму сигнала. Хорошие гибридные пробники обычно охватывают постоянный ток до десятков МГц, а высококачественные головки достигают гораздо больших частот. Практическая выгода: когда вы смотрите на узел импульсного преобразователя с постоянным током нагрузки. и Мегагерцовые пульсации накладываются сверху, зонд показывает вам и то, и другое одновременно. Схема Роговского опустила бы уровень постоянного тока; для обеспечения чистоты шунта потребовались бы героические усилия.
Итог по пропускной способности: Шунт имеет самый высокий потолок. если Вы идеально его проектируете, и изоляция не требуется. Прибор Роговского работает быстро, но не распознает постоянный ток. Из трех измерительных щупов только один обеспечивает точное измерение тока от постоянного до быстрого переменного тока сразу после распаковки.
Размер и механическая посадка: сможет ли он вообще попасть туда, куда вам нужно?
Технические характеристики стенда ничего не значат, если датчик не подходит к проводу.
Он катушка Роговского Это безусловный лидер по сложности механического доступа. Он тонкий, гибкий и часто открывается с помощью защелок, поэтому его можно обхватить вокруг массивной шины, клубка кабелей или контакта устройства, расположенного внутри переполненного инвертора — нет необходимости бороться с сердечником, нет фиксированного размера зажима. Для очень высоких токов и неудобных геометрических форм ничто другое не может сравниться с ним. Он также легкий, что важно, когда он свисает с вывода устройства, который вы не хотите перенапрягать.
Ан Измеритель тока переменного/постоянного тока Она оснащена физической зажимной головкой, и эта головка довольно громоздкая. Губки регулируют максимальный диаметр проводника, который она может захватить, и на сильноточных головках эти губки становятся тяжелыми. На плотной плате с компонентами, расположенными вплотную друг к другу, поиск свободного отрезка проводника для зажима может стать настоящей проблемой. Тем не менее, головка остается неинвазивной — вы зажимаете, а не паяете.
А шунт При низком токе он крошечный — это компонент поверхностного монтажа, который вы едва заметите. Но размер резко возрастает с увеличением мощности. Если через него проходит серьезный ток, вы имеете дело с большим металлическим элементом, прикрепленным к радиатору, потому что ему приходится рассеивать выделяемое тепло. Поэтому «маленький» размер верен только в нижнем диапазоне токов.
Вносимые потери: как датчик влияет на вашу схему?
Этот аргумент недооценивают, пока он не начнет действовать, и это самый весомый аргумент во всем сравнении.
А Шунтирование по определению является инвазивным вмешательством. Необходимо разорвать цепь и установить резистор в цепь тока. Это приводит к трём последствиям, которых лучше избегать. Во-первых, это добавляет последовательное сопротивление — «напряжение нагрузки», — которое снижает напряжение, воспринимаемое вашей фактической нагрузкой, и может существенно изменить поведение цепи, особенно в низковольтных или сильноточных системах. Во-вторых, это рассеивает мощность в виде I²R, что является потерянной энергией и, что ещё хуже, источником тепла. В-третьих, это тепло изменяет значение резистора и генерирует тепловую ЭДС в местах соединений, незаметно искажая само измерение, которое вы пытаетесь выполнить. Со всем этим можно бороться с помощью измерения Кельвина, сплавов с низким температурным коэффициентом сопротивления и тщательного проектирования тепловых характеристик — но это всё равно борьба.
Ах да, и шунт — это... не изолирован гальванически. Он находится на потенциальном уровне цепи. Чтобы безопасно подать этот сигнал на осциллограф, откалиброванный относительно земли, необходим изолированный усилитель или дифференциальный входной каскад — дополнительные затраты, дополнительное ограничение полосы пропускания, дополнительные варианты отказов.
А катушка Роговского По сути, он не требует вставки. В нем нет сердечника, поэтому он практически не создает нагрузки на проводник и практически не потребляет от него энергию. Кроме того, по своей природе он полностью изолирован — это просто катушка в магнитном поле. Именно поэтому он пользуется популярностью для крепления к мощным высоковольтным системам, которые ни при каких обстоятельствах нельзя прерывать или напрямую контактировать с ними.
Ан Измеритель тока переменного/постоянного тока Аналогично, он неинвазивный и изолированный. Вы закрепляете его вокруг проводника, и схема практически не замечает его присутствия — нагрузка незначительна для подавляющего большинства измерений. Вы получаете безопасность изоляции и удобство, заключающееся в том, что вам никогда не придется перерезать дорожку, изменять номинал резистора или беспокоиться о перегорании измерительного элемента. В работающей системе это не роскошь; это то, как вы сохраняете целостность как тестируемого устройства, так и прибора.
Итог по потерям на входе: Шунт — единственный из трёх, который физически воздействует на цепь и не имеет собственной изоляции. И шунт Роговского, и токовый пробник практически не затрагивают цепь — и оба обеспечивают гальваническую изоляцию от любых опасных потенциалов, которые могут возникать в силовом каскаде.
Стоимость: дешево купить — это не то же самое, что дешево использовать.
Именно здесь многие решения принимаются неправильно, потому что люди сравнивают наклейку и на этом останавливаются.
Он Шунтирование выигрывает по стоимости исходных компонентов. — Обычный измерительный резистор — это, пожалуй, самое дешевое из всего тестового оборудования. Но общая стоимость обманчива. Добавьте изолированный усилитель, прецизионный сплав для стабильности, тепловую схему и радиатор для любых токов выше умеренных, а также инженерное время на разработку конструкции, чтобы она не звенела на высоких частотах, и «дешевый» вариант перестает казаться таким уж дешевым. Он дешев, когда задача небольшая и постоянная; он становится дорогим, когда задача сложная.
А катушка Роговского Занимает промежуточное положение. Сама катушка имеет разумную цену даже в больших размерах, а тот факт, что один гибкий контур может охватывать огромный диапазон токов без замены оборудования, делает её действительно ценной при работе с высокими токами. Однако за электронику интегратора приходится платить, а точное измерение только переменного тока требует дополнительных затрат на калибровку.
Ан Измеритель тока переменного/постоянного тока Это самая большая первоначальная затрата из трех — тут уж ничего не поделаешь. Вы платите за датчик Холла/магнитометр, трансформаторный тракт, электронику смешивания, калибровку и механический зажим. Но посмотрите, что заменяет эта одна покупка: она выполняет функцию постоянного тока шунта. и Быстродействующий измерительный прибор Rogowski для переменного тока, со встроенной изоляцией и без необходимости модификации цепей. Один прибор, зажимной, для измерения постоянного и переменного тока, без нагрузки напряжения, без обрывов дорожек, без радиатора. Для лаборатории, измеряющей различные цепи, стоимость измерения за весь срок службы этого прибора часто оказывается самой низкой из трех, даже несмотря на то, что чек самый большой. Вы покупаете его один раз и перестаете импровизировать.
Рядом друг с другом
| Шунтирующий резистор | Катушка Роговского | Измерительный зонд переменного/постоянного тока | |
|---|---|---|---|
| измерение постоянного тока | Да | Нет (Только для кондиционеров) | Да |
| Пропускная способность | Очень высокий если Идеально спроектировано; в противном случае паразиты кусают сильнее. | Высокий диапазон высоких частот; отсутствие низкого/постоянного уровня сигнала. | Преобразование постоянного тока в быстродействующий переменный ток, непрерывный режим работы, готово к использованию сразу после распаковки. |
| Изоляция | Нет (требуется изолированный усилитель) | Врождённый | Врождённый |
| Потеря/нагрузка при введении | Значительные факторы — напряжение нагрузки, тепловыделение I²R, тепловой дрейф. | Незначительный | Незначительный |
| Механическая посадка | При низком токе — крошечный размер; при высоком токе — громоздкий корпус с радиатором. | Тонкий, гибкий, идеально подходит для шин и труднодоступных мест. | Головка зажима имеет большие габариты; зажим ограничивает размер проводника. |
| Необходима операция по ремонту цепей. | Да — разорвать цепь | Нет — петля вокруг | Нет — зажимать |
| Первоначальные затраты | Самый низкий | Середина | Высший |
| Реальная стоимость использования | Быстро растут потребности в электропитании и изоляции. | Умеренный | Зачастую имеет самую низкую стоимость измерения за весь срок службы. |
Так какой же из них вам действительно нужен?
Отбросив племенные предрассудки, все сводится к качеству вашего сигнала и вашей готовности вмешиваться в работу схемы.
Обратитесь к специалисту по шунтированию. Когда измерение является постоянным и встроенным — например, фиксированная точка измерения тока внутри изделия, шина управления батареей или контур обратной связи управления двигателем, где резистор остается на плате навсегда, а стоимость единицы продукции имеет первостепенное значение. Это правильное решение, когда вы владеете компоновкой, можете заложить в бюджет необходимое напряжение нагрузки и вам не нужна изоляция. Это неправильное решение в тот момент, когда вам нужно быстро, безопасно и без прикосновения к схеме что-либо проверить — а это относится к большинству лабораторных работ.
Возьмите катушку Роговского. Когда ток велик, проводник неудобен, и сигнал представляет собой чистый переменный ток. Мощные инверторы, большие шины, кабели, которые нельзя отключить — гибкая петля и полное отсутствие потерь на входе трудно превзойти. Просто помните о его слепом пятне: отсутствие постоянного тока и слабый низкочастотный фон. Если в вашей форме сигнала присутствует постоянная составляющая, схема Роговского обманет вас, умолчав о ней.
Возьмите измеритель переменного/постоянного тока. Когда вам нужен один инструмент, который справляется с самым широким спектром реальных ситуаций, не заставляя вас делать предварительный выбор. Это решение, когда вам нужно одновременно видеть постоянный и переменный ток — а это практически каждый импульсный преобразователь, привод двигателя, зарядное устройство для аккумуляторов и источник питания на планете. Это решение, когда схема должна оставаться целой и изолированной. И это решение, когда вы цените возможность фиксировать, измерять и переходить к следующему узлу без повреждения дорожек или подбора резистора.
Последний пункт — это негласная причина, по которой токовый пробник оказывается на большинстве серьезных стендов силовой электроники. Шунт заставляет вас вносить изменения в схему и жертвует изоляцией. Пробник Роговского заставляет вас работать только с переменным током и надеяться, что в вашем сигнале не будет скрытого постоянного тока. Токовый пробник переменного/постоянного тока не требует никаких дополнительных условий — он считывает то, что действительно есть, как постоянный, так и переменный ток, без нагрузки на схему и без электрического контакта с ней.
Если ваша работа охватывает более одного типа измерений — а у кого их нет — то измерительный щуп должен быть тем датчиком, который вы будете использовать по мере необходимости. Купите шунт для конкретного изделия. Оставьте датчик Роговского для шины. Но если вы оснащаете стенд, который должен давать вам истинные данные о постоянном смещении, то это не так. и Переключение режимов работы на действующих цепях без каких-либо проблем. Измерительный щуп переменного/постоянного тока — это то, что оправдывает себя каждый день.