概述
电流探头使示波器用途不仅限于测量电压，还能够测量电流。电流探头感测流过导体的电流，并将其转换成可在示波器上观察和测量的电压。测量电流常用的方法是对载流导体进行磁场传感，目前有许多不同类型的探头可供选择，每个探头都有一个表现的区域，当它们被正确地用于它们被设计用于工作的应用场景时，将获得最佳结果。
本文将介绍电流探头解决方案的常见类型、基本原理、每种电流探头类型之间的优势和局限性，以及在示波器使用电流探头应用以充分利用它们的实际考虑事项。
电流探头的类型
电流探头广泛应用于电力设备或电源的电流测量，成为示波器进行精确电流测量的工具。为了满足当前的测量需求，有多种不同的技术来测量电流，示波器使用的最常见的技术是：
1、探测电阻或分流电阻：基于欧姆定律；
2、钳式电流探头：交流变压器或混合式霍尔效应传感器/交流变压器；
3、Rogowski线圈：一种方便的交流大电流测量探头；
一、探测电阻或分流电阻法
测量DUT上的电流的一种直接方法是在电路中使用分流电阻，测量电阻两端的电压降，并使用欧姆定律公式(即I=V/R)将电压转换为电流。这种方法是一种侵入性测量，因为传感/分流电阻和电压测量电路是电气连接的，并且是DUT的一部分，因此，需要考虑的因素有很多。
探测电阻的选择
选择电阻值、精度、温度系数和物理尺寸都取决于被测电流的大小和特性，电阻值越大，信噪比越大，测量就越准确，然而，较大的电阻值将导致电阻器上的功率消耗增加，从而导致不必要的电压降，称为负载电压。除了负载电压损失之外，探测电阻值与测量噪声、灵敏度和带宽之间也需要权衡。为了降低负载电压影响，用户可能希望使用尽可能小的探测电阻，但从测量角度来看，较低的电阻会产生更多的负面影响。探测电阻值越大，意味着检测电阻上的压降越大，负载的电压越小，从而导致系统性能和效率问题，这是一种平衡的行为。
输入共模电压
这定义了探头或传感设备(放大器)相对于地的输入共模电压。
高测/低测监测
在测量负载电流时，可以选择将探测电阻放置在电源电压和负载之间(高侧)或负载和地之间(低侧)。由于共模电压几乎接地，因此低端检测更可取、更容易。检测的好处在于，它可以直接监控电源提供的电流，从而允许检测负载短路。
端子开尔文测量配置
这有效地消除了负载的导线电阻和温度系数，开尔文连接对于精确的电流检测是必须的，特别适合大电流应用。
优势
1，根据系统的实现方式，可以实现非常高的灵敏 度和高带宽测量。
2，小巧又便宜。
局限性
1，需要在负载电压和测量精度(噪声、灵敏度和带宽)之间进行权衡。
2，更准确测量的感测电阻值越大，意味着感测电阻上的电压降越大，负载的电压越小，从而导致系统性能和效率问题。
3，这是一种侵入性测量，因为传感/分流电阻和电压测量电路或探头是电气连接的，是DUT的一部分。
Keysight的N2820A/21A高灵敏度电流探头采用感测电阻技术，可通过示波器测量低至500nA的电流
二、钳式电流探头
另一种常见类型的电流探头是磁芯电流探头，或钳式电流探头。这是一种间接类型的电流传感技术，探头夹在载流线或导体周围进行非接触式电流测量，探头的输出产生与被测电流的幅度成比例的电压信号，这允许在探头未电连接到DUT的情况下进行非侵入性或隔离测量。
钳式电流探头有AC和AC/DC两种版本，且有各种电流转换系数可供选择，电流探头的设计目的是检测导体周围的电磁场强度，并将其转换为相应的电压，以便通过示波器进行测量。
钳式电流探头中常用的传感器技术有两种，一种是霍尔效应传感器，用于测量直流或低频信号，霍尔效应传感器是一种根据磁场改变其输出电压的传感器。另一种常见的技术是使用电流互感器，在变压器铁心中流动的交流电流在铁心中产生磁场，然后在二次绕组电路中感应电流，该电流被馈入到示波器，二次绕组的感应电压与通过一次绕组的电流成正比，该技术仅用于测量交流电流。
另一种流行的技术是AC/DC混合式电流探头，它将测量直流和低频成分的霍尔效应传感器元件和测量交流电流的电流互感器集成到一个探头中。
优势
1，探头和DUT之间的电隔离。
2，它们可以放置在电流路径上的任何位置，而不会中断电路。
3，低插入阻抗。
局限性
1，消磁和偏置误差消除，为了准确测量，需要偶尔对探头进行消磁，并补偿消磁后留在探头上的任何直流偏置。
2，价格高：霍尔效应传感器是最昂贵的电流传感器类型之一。
钳式电流探头是一种间接的电流传感技术，它将探头夹在载流线或导线周围，进行非接触式电流测量。
三、罗氏线圈
如果要测量的交流电流超过几十安培，并且想要进行灵活的电流测量，可以考虑使用Rogowski电流探头。
罗氏线圈是一种用于测量交流电流的电子换能器，例如高速瞬变、功率设备的脉冲电流或50、60赫兹的电力线正弦电流。罗氏线圈有一个灵活的夹式传感器线圈，可以很容易地缠绕在载流导体上进行测量，并且可以测量高达数千安培的非常大的电流，也不会增加传感器的尺寸。
罗氏线圈是如何工作的？
罗氏线圈背后的工作原理是基于法拉第定律的，闭合电路中感应的总电动势与连接该电路的总磁通量的时间变化率成正比。
罗氏线圈类似于交流电流互感器，因为电压被感应到二次线圈中，该二次线圈与流经隔离导体的电流成正比。关键的区别在于，罗氏线圈有一个空气芯，而不是电流互感器，电流互感器依靠高磁导率的钢芯与二次绕组进行磁性耦合。空芯设计具有较低的插入阻抗，从而实现了更快的信号响应和非常线性的信号电压。
在载流导线周围环形放置一个空芯线圈，交流电流产生的磁场在线圈中感应电压。罗氏线圈产生的电压与线圈回路封闭的电流的变化率(导数)成正比。然后对线圈电压进行积分，以便探头提供与输入电流信号成比例的输出电压。
优势
与不同类型的电流传感器或传感技术相比，罗柯夫斯基线圈电流探头具有许多优势。
1、无铁心饱和的大电流测量
罗氏线圈能够测量大电流(范围非常宽，从几毫安到几毫安以上)，也不会使磁芯饱和，因为探头采用了非磁性的“空气”磁芯。与其他电流传感器不同的是，随着可测量电流范围的扩大，它们会变得越来越大，而Rogowski线圈保持相同的小尺寸线圈，而不受被测量电流幅度的影响。这使得罗氏线圈成为进行数百甚至数千安培大电流测量的有效的测量工具。
2、使用非常灵活
轻巧的夹式传感器线圈很灵活，很容易缠绕在载流导体上，可以很容易地插入电路中难以触及的部件中。大多数罗氏线圈足够薄，可以安装在T0-220或T0-247功率半导体封装的支腿之间，且不需要额外的导线回路来连接电流探头，这在实现高信号完整性测量方面也具有优势。
3、带宽高达30MHz以上
这使得罗氏线圈能够测量变化非常迅速的电流信号，例如，几千A/μ秒。高带宽特性允许分析在高开关频率下运行的系统中的高次谐波，或准确监控具有快速上升或下降时间的开关波形，在实现高信号完整性测量方面的优势。
4、非侵入式或无损测量
由于插入阻抗低，罗氏线圈从DUT汲取的电流极少，由于探头注入DUT的阻抗只有几个皮亨利，从而实现了更快的信号响应和非常线性的信号电压。
5、低成本
与霍尔效应传感器/变压器电流探头相比，罗柯夫斯基线圈的价格通常较低。
局限性
1、仅交流
罗戈夫斯基不能处理直流电流。仅限交流电源。
2、敏感性
由于没有高磁导率的磁芯，罗柯夫斯基线圈的灵敏度比电流互感器低。
Keysight提供三个Rogowski线圈电流探头，可测量高达3,000 A的大电流
选择探头时要问的关键问题：
-- 确定测量的是交流电、直流电还是叠加在直流电上的交流电。
-- 测量的最大电流是多少？
-- 测量的最小电流是多少？
-- 正在测量的电流信号的共模电压是多少？
-- 目标电流信号有多快？
-- DUT的尺寸是多大？
-- 会同时使用多少个电流探头或电压探头？
-- 被测导体的最大电压是多少？
-- 使用哪种类型的示波器？
-- 多少预算？
总结
测量电流有多种不同的方法，每种方法都有各自的优点和局限性，每个探头都有一个表现好的区域，当它们按设计方式被正确使用时，会得到好的结果。
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