Меню

Как измерить пусковой ток с помощью осциллографа



Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

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).

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.

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.

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:  Для измерения сезонных колебаний используют

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.

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.

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

Цифровой 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.

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.

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.

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.

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.

Читайте также:  Чем измерить сопротивление металлосвязи

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.

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.

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.

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.

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.

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%.

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.

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

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

Читайте также:  Единицами измерения плотности являются

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.

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

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

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.

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.

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.

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.

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.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник