Sondy prądowe.

W wielu zastosowaniach praktycznych zachodzi potrzeba pomiaru wartości chwilowej prądu. Można tego dokonać, mierząc napięcie na szeregowo włączonym w układ pomiarowy rezystorze. Metoda ta ma tę wadę, że wymaga rozłączenia układu pomiarowego i włączenia odpowiedniego rezystora. Rezystancja szeregowego rezystora powinna być możliwie mała, aby nie naruszać warunków pracy badanego układu. Im mniejsza jednakże jest wartość rezystancji szeregowej, tym mniejszy jest spadek napięcia, co wymaga czułego oscyloskopu. Przy wartościach rezystancji mniejszych od kilku omów należy liczyć się z indukcyjnością rezystora szeregowego. W wielu układach włączenie rezystora szeregowego o rezystancji kilku omów może być niemożliwe ze względu na prawidłową pracę układu i dostęp fizyczny, tzn. możliwość rozłączenia połączeń. Jeżeli rezystor szeregowy nie może być włączony od strony masy lub zasilania, to do pomiaru spadku napięcia na nim stosuje się sondę różnicową lub dwie sondy napięciowe i oscyloskop z wejściem różnicowym.

Aby uniknąć tych niewygód została skonstruowana specjalna sonda prądowa, pracująca na zasadzie transformatora. Uzwojenie pierwotne transformatora stanowi jeden zwój przewodu lub element, przez który płynie badany prąd. Otwierany rdzeń transformatora umożliwia objęcie sondą przewodu z prądem bez potrzeby przerywania go. Wtrącona przez sondę w badany obwód impedancja jest niewielka (poniżej 0,1W) i zazwyczaj może być pominięta. Układ badany nie ma galwanicznego połączenia z sondą, a sprzężenie pojemnościowe jest bardzo małe. Przewód, w którym mierzymy prąd, może być zatem na potencjałach stałym i zmiennym w stosunku do masy.

Pasmo przenoszone przez sondę zależy w zakresie m.cz. od wartości indukcyjności uzwojenia wtórnego, a w zakresie w.cz. - od indukcyjności rozproszenia i pojemności transformatora. Konstrukcja sondy jest pokazana na rysunku poniżej.

Ferrytowy rdzeń transformatora w kształcie litery U ma przesuwaną jedną kolumnę, aby umożliwić założenie sondy na przewód. Na nieruchomej części rdzenia jest nawinięte uzwojenie wtórne. Transformator jest zaekranowany przed wpływem obcych pól elektrycznych i magnetycznych obudową wykonaną z permaloju. Dokładność pomiaru prądu i jego powtarzalność zależy w dużej mierze od precyzji wykonania ruchomej części rdzenia. Szczelina w obwodzie magnetycznym rdzenia powinna być możliwie mała, a położenie części ruchomej po jej zamknięciu - stałe. Ruchome powierzchnie rdzenia są szlifowane i docierane z dokładnością optyczną. Płaskość powierzchni musi być zachowana z błędem mniejszym niż 1mm. Kurz, brud lub smar zwiększają szczelinę w drodze magnetycznej co powoduje pogorszenie parametrów sondy. Na przykład szczelina o szerokości 8mm powoduje trzydziestoprocentowy spadek amplitudy sygnału i poważne pogorszenie parametrów przenoszenia sygnałów małej częstotliwości. Uzwojenie wtórne jest połączone z kablem współosiowym, który na końcu jest zamknięty swoją rezystancją charakterystyczną. Między rezystancją zamykającą a wejściem oscyloskopu znajduje się układ korekcyjny, który poprawia charakterystykę częstotliwościową tak, aby uzyskać impuls wyjściowy wolny od przerostów i innych zniekształceń w.cz. Czułość sondy prądowej w połączeniu z oscyloskopem zależy od jego czułości. Jeżeli np. czułość samej sondy wynosi 2 mA/mV, to przy współczynniku odchylania oscyloskopu 5 mV/cm otrzymuje się wynikowy współczynnik 10 mA/cm. Oznacza to, że prąd zmienny o natężeniu mię-dzyszczytowym 10 mA da na ekranie obraz o wysokości 1cm.

Powiększenie czułości można uzyskać przez zastosowanie czulszego oscyloskopu lub przez włączenie miedzy oscyloskop a sondę dodatkowego wzmacniacza.

Niektórzy producenci sond prądowych załączają jako stałe jej wyposażenie dodatkowy wzmacniacz. Zaletą wzmacniacza jest zwiększona czułość sondy i możliwość korekcji pasma w zakresie m.cz. Wprowadzenie wzmacniacza powoduje jednak wzrost szumów i zmniejszenie przenoszonego pasma w zakresie w.cz.

Maksymalna amplituda prądu w uzwojeniu pierwotnym jest ograniczona w zakresie m.cz. nasycaniem się rdzenia, a przy w.cz. - stratami, które powodują rozgrzanie transformatora. Obecność składowej stałej w przewodzie pierwotnym przesuwa punkt pracy na krzywej magnesowania w kierunku zmniejszenia indukcyjności uzwojenia wtórnego, co powoduje pogorszenie przenoszenia w zakresie m.cz. Przenoszenie w zakresie w.cz. nie ulega wtedy większym zmianom.

Firma Tektronix wprowadziła na rynek sondy prądowe A6302 i A6303 współpracujące ze wzmacniaczem AM 5903 o rewelacyjnych parametrach: pasmo przenoszonych częstotliwości od O (mimo braku sprzężenia galwanicznego!) do 50 MHz i od O do 15 MHz. Czułość: l mA/dz do 5 A/dz i 10 mA/dz do 50 A/dz.

Zasadę działania sondy wyjaśniono na rysunku powyżej. Obwód magnetyczny transformatora prądowego został rozcięty, a w szczelinę wstawiono hallotron. Jest on wykonany w postaci prostokątnej płytki półprzewodnikowej, do której doprowadzono cztery elektrody: dwie prądowe i dwie napięciowe. Działanie hallotronu jest oparte na zjawisku odkrytym przez E.H.Halla w 1879r.