電流測定が簡単に: RF 用電流プローブ

多くの場合、DC 成分を含まない電流測定が役立ちます。 最も一般的なのは、AC 主電源用の CT (変流器) の場合です。 この記事は中高周波用の変流器の設計に関するもので、非常に簡単に構築できます。 示されている式は、AC 主電源ユニットにも当てはまります。

のプローブ形1 7 kHz ～ 数十 MHz の周波数範囲で最大 50 A のピークを測定するように設計されています。 の回路図形2非常に単純です。電流を測定する必要があるワイヤは、少なくとも 50 MHz まで良好に動作する通常の Amidon FT 82-43 コアであるトロイドを通過します。

二次巻線は、コア上に均等に配置された 10 回のワイヤで構成されています。 利用可能な場合は、中程度のゲージのより線を使用しますが、これは必須ではありません。 巻数比が 1:10 であるため、二次側の最大電流は 5 Ap です。二次側には 0.2 Ω の負荷がかかりますが、これは 5 つの 1 Ω 抵抗の並列接続によって実現されています。 ピーク電流が 5 Ap の場合、これらの抵抗の両端のピーク電圧は 1 Vp となり、オシロスコープでの測定に非常に便利です。 正弦波電流の場合、抵抗器での平均消費電力は R・I2 = R・Ip2 / 2 = 2.5 W、または抵抗器あたり 0.5 W です。 50 Ap の連続正弦波電流は、0.5 W 以上の抵抗でのみ測定できます。 ただし、波形がパルス状である場合、または非常に短い測定が行われる場合は、1/4 W の抵抗で十分です。 RF パフォーマンスを向上させるために設計をコンパクトに保ちたかったので、これを選択しました。 OK、これらは私が手元にあった抵抗器であることも認めなければなりません。

形3に、スコープ用の BNC アダプタを使用したスコープ プローブの一般的な使用法を示します。 スコープ 1x の動作には 1 Vp が理想的であるため、このデバイスはスコープ入力に同軸ケーブルで直接接続して使用することもできます。この場合、同軸ケーブルは同軸ケーブルであるため、対象の帯域での反射を避けるために短いケーブルを使用することをお勧めします。両側で不一致になります。 さらに良いことに、同軸ケーブルはスコープ側の特性インピーダンスで終端できます。最近のスコープの多くは入力インピーダンスを 50 Ω に設定できる機能を備えているため、これは特に簡単です。 この特定のケースでは、プローブに組み込まれた 50 Ω 負荷と 0.2 Ω の並列により、測定値がわずかにスケールからずれるということを覚えておく必要があります (合計抵抗は 0.1992 Ω となり、スケール係数は 50.2 A となります) /V)。

避けなければならないのは、クリップを使用してスコープ プローブを抵抗器に直接接続し、BNC コネクタを省略することです。これは、高 RF 電流を測定する場合、プローブ内の最小限の非シールド ループでも測定にアーティファクトが追加されるためです。

変流器の設計は複雑ではありませんが、いくつかの電磁式が必要です。 まず、負荷抵抗 RL についてですが、電力損失を最小限に抑えるために、負荷抵抗 RL は実際には可能な限り小さくする必要があります。これは、測定対象の回路が少なくとも R・n2 を「認識」するためです。ここで、1:n は巻線比 (1) :10)、R は RL (0.2 Ω) と二次線抵抗 (数 mΩ) の合計です。 すでに述べたように、二次側が均一に巻かれていることが非常に重要です。そうしないと、テスト対象の回路に直列の浮遊インダクタンスが生じることになります。 逆に、RL に低すぎる値を選択すると、測定する電圧も非常に小さくなり、トレースにノイズが発生します。 最後に、RL は二次線抵抗より大きくなければなりません。私の場合、5 A (一次側で 50 A) で 1 V が得られるように 0.2 Ω を選択しました。これにより、テスト対象の回路に 2 mΩ が追加されます。 二次巻線の数 n によって電流比が決まります。 高周波 CT の場合、浮遊容量と高インダクタンスによって引き起こされる自己共振を避けるために、この数値を低く保つ必要があります。 商用電源 CT の場合、周波数は非常に低い (50 または 60 Hz) ため、n = 1000 が一般的な値です。 電流変換比が単純になるように 10 の累乗が一般的ですが、他の値も可能です。トロイダル フェライト CT で使用可能な最高周波数は、次の条件によって決まります。

私のような設計は、Amidon/Fair-Rite の材料 43 などの適切なフェライトを使用すれば、数十 MHz まで簡単に動作します。 EMI抑制に使用される高透磁率コアも同様に使用できますが、使用できるのははるかに低い周波数までです。 パワーチョークや高 Q インダクタに使用される低透磁率コアは、1 ターンあたりのインダクタンスが低すぎるため推奨されません。これは次の点に影響します。フェライト コアの選択は、次の 2 つの理由により、使用可能な最低周波数にも影響します。

一次巻線と二次巻線の間の容量結合は、使用可能な最高周波数での測定を妨害する可能性があります。また、一次導体が高い RF 電圧にさらされている場合は、中程度の周波数でも測定に影響を与える可能性があります。この容量結合を回避する静電シールドを追加することで設計を改善できます。実際には、図に示すように、一次ワイヤは二次の出力 GND に接続された小さな金属チューブ (通常は銅または真鍮) の中に通されます。形4 。 これは磁気結合を変更しませんが、電界ブロッカーとして機能します。

この RF 変流器の例と最も重要な設計基準は、この問題が当初考えられていたほど複雑ではないことを証明しています。 ここで紹介した考慮事項と公式が、トロイダル コアの取り扱いを簡素化するのに役立つだけでなく、独自の開発の基礎としても役立つことを願っています。

Roberto Visentin は、最近退職した電子エンジニアで、海洋アプリケーションや水中ロボット工学のための電子機器と制御システムに取り組んでいました。 現在もフリーランスのコンサルタントとして働いている彼は、時間を見つけて自宅の電子実験室で趣味のプロジェクトを開発することを楽しんでいます。

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この記事はもともと Elektor 2023 年 5 月と 6 月に掲載されたものです。今すぐ Elektor メンバーになりましょう!