Come misurare la corrente con un oscilloscopio

Misurare la corrente è un compito semplice: tutto ciò che devi fare è collegare un multimetro al circuito che desideri misurare e il misuratore ti darà un valore pulito da usare. A volte non è possibile "aprire" il circuito per mettere un multimetro in serie con ciò che si desidera misurare. Anche questo è risolto in modo abbastanza semplice - devi solo misurare la tensione attraverso una resistenza nota nel circuito - la corrente quindi è semplicemente la tensione divisa per la resistenza (dalla legge di Ohm).

Le cose diventano un po 'complicate quando vuoi misurare i segnali che cambiano. Questo è in balia della frequenza di aggiornamento (numero di campioni al secondo) del multimetro, e l'essere umano medio può comprendere solo così tante modifiche a un display al secondo. La misurazione AC diventa un po 'più semplice se il multimetro ha una misurazione della tensione RMS (la tensione RMS è la tensione di un segnale AC che trasmetterebbe la stessa quantità di potenza che un alimentatore DC di quella tensione produrrebbe). Questo è strettamente limitato ai segnali periodici (onde quadre e simili sono assolutamente fuori questione a meno che la misura RMS non sia "vera", anche in questo caso non ci sono garanzie sulla precisione della misura). La maggior parte dei multimetri sono anche filtrati passa-basso, il che impedisce misurazioni AC superiori a poche centinaia di Hertz.

Come utilizzare l'oscilloscopio per misurare la corrente

L'oscilloscopio colma il divario tra la percezione umana ei valori stazionari di un multimetro: visualizza una sorta di "grafico" tensione-tempo di un segnale, che consente una migliore visualizzazione dei segnali che cambiano rispetto a un insieme di numeri che cambiano su un multimetro.

È anche possibile misurare segnali con frequenze fino a diversi gigahertz, con l'attrezzatura giusta. Tuttavia, l'oscilloscopio è un dispositivo di misurazione della tensione ad alta impedenza: non può misurare le correnti in quanto tale. L'uso di un oscilloscopio per misurare le correnti richiede la conversione di una corrente in una tensione e questo può essere fatto in diversi modi.

1. Utilizzo di una resistenza shunt

Questo è forse il modo più semplice per misurare la corrente e verrà discusso qui in dettaglio.

Il convertitore corrente-tensione qui è l'umile resistore.

Le conoscenze di base ci dicono che la tensione attraverso un resistore è proporzionale alla corrente che lo attraversa. Questo può essere riassunto dalla legge di Ohm:

V = IR

Dove V è la tensione attraverso il resistore, I è la corrente attraverso il resistore e R è la resistenza del resistore, tutti nelle rispettive unità.

Il trucco qui è usare un valore di resistenza che non influisca sul circuito complessivo misurato, poiché la caduta di tensione attraverso il resistore di shunt causa una caduta di tensione inferiore sul circuito in cui è posizionato. Una regola generale sarebbe quella di utilizzare un resistore molto più piccolo della resistenza / impedenza del circuito misurato (dieci volte inferiore in un buon punto di partenza) per evitare che la corrente nel circuito misurato sia influenzata dallo shunt.

Ad esempio, il trasformatore e il MOSFET in un convertitore CC-CC potrebbero avere una resistenza totale (CC) di decine di milliohm, l'inserimento di un grande resistore (diciamo) da 1Ω comporterebbe la caduta della maggior parte della tensione attraverso lo shunt (ricorda che per resistori in serie, il rapporto tra la tensione caduta sui resistori è il rapporto tra le loro resistenze) e quindi una maggiore perdita di potenza. Il resistore converte semplicemente la corrente in una tensione per la misurazione, quindi la potenza non funziona. Allo stesso tempo, un piccolo resistore (1 mΩ) farebbe cadere solo una piccola (ma misurabile) tensione attraverso di essa, lasciando che il resto della tensione svolgesse un lavoro utile.

Ora, dopo aver selezionato un valore di resistenza, è possibile collegare la terra della sonda alla massa del circuito e la punta della sonda alla resistenza di shunt, come mostrato nella figura sotto.

Ci sono alcuni trucchi che puoi usare qui.

Supponendo che il tuo shunt abbia una resistenza di 100 mΩ, una corrente di 1 A provocherebbe una caduta di tensione di 100 mV, dandoci una "sensibilità" di 100 mV per amp. Questo non dovrebbe causare problemi se stai attento, ma molte volte i 100mV vengono presi alla lettera, in altre parole, confusi con 100mA.

Questo problema può essere superato impostando l'ingresso su 100X: la sonda si sta già attenuando 10X, quindi l'aggiunta di altre 10X al segnale lo riporta a 1V per amp, ovvero l'ingresso viene 'moltiplicato' per 10. La maggior parte degli oscilloscopi viene fornita con questa caratteristica di poter selezionare l'attenuazione dell'ingresso. Tuttavia, potrebbero esserci ambiti che supportano solo 1X e 10X.

Un'altra piccola caratteristica utile è la possibilità di impostare le unità verticali visualizzate sullo schermo: la V può essere modificata in A, W e U, tra gli altri.

Le cose si complicano quando non puoi posizionare lo shunt sul lato basso. La messa a terra dell'oscilloscopio è direttamente collegata alla messa a terra, quindi supponendo che anche l'alimentatore sia collegato a terra, il collegamento della clip di terra della sonda a qualsiasi punto casuale del circuito metterà in corto quel punto a terra.

Ciò può essere evitato eseguendo qualcosa chiamato misurazione differenziale.

La maggior parte degli oscilloscopi dispone di una funzione matematica, che può essere utilizzata per eseguire operazioni matematiche sulle forme d'onda visualizzate. Notare che ciò non modifica in alcun modo il segnale effettivo!

La funzione che useremo qui è la funzione di sottrazione, che mostra la differenza di due forme d'onda selezionate.

Poiché la tensione è semplicemente la differenza di potenziale tra due punti, possiamo collegare una sonda a ciascun punto e collegare le clip di terra alla massa del circuito come mostrato nella figura.

Visualizzando la differenza tra i due segnali possiamo determinare la corrente.

Lo stesso trucco di "attenuazione" usato sopra si applica anche qui, ricorda solo di cambiare entrambi i canali.

Svantaggi dell'utilizzo del resistore shunt:

Ci sono alcuni svantaggi nell'usare un resistore shunt. Il primo è la tolleranza, che può arrivare al 5%. Questo è qualcosa di cui bisogna tener conto con qualche difficoltà.

Il secondo è il coefficiente di temperatura. La resistenza dei resistori aumenta con la temperatura, il che si traduce in una maggiore caduta di tensione per una data corrente. Ciò è particolarmente negativo con resistori shunt ad alta corrente.

2. Utilizzo di una sonda di corrente

Sul mercato sono disponibili sonde di corrente già pronte (chiamate "pinze di corrente"; si fissano ai fili senza interrompere i circuiti), ma non si vedono molti hobbisti che le utilizzano a causa del loro costo proibitivo.

Queste sonde utilizzano uno dei due metodi.

Il primo metodo è l'uso di una bobina avvolta attorno a un nucleo di ferrite semicircolare. La corrente nel filo, intorno alla quale è stata fissata la sonda, genera un campo magnetico nella ferrite. Questo a sua volta induce una tensione nella bobina. La tensione è proporzionale alla velocità di variazione della corrente. Un integratore "integra" la forma d'onda e produce un'uscita proporzionale alla corrente. La scala di uscita è in genere compresa tra 1 mV e 1 V per amp.

Il secondo metodo utilizza un sensore Hall inserito tra due semicerchi di ferrite. Il sensore di Hall produce una tensione proporzionale alla corrente.

3. Un metodo veloce e sporco

Questo metodo non richiede componenti aggiuntivi oltre a un oscilloscopio e una sonda.

Questo metodo è molto simile all'uso di una sonda di corrente. Avvolgere il filo di terra della sonda attorno al filo che trasporta la corrente da misurare, quindi collegare la clip di terra alla punta della sonda.

La tensione prodotta è di nuovo proporzionale alla velocità di variazione della corrente, ed è necessario eseguire alcuni calcoli sulla forma d'onda (vale a dire l'integrazione; la maggior parte degli oscilloscopi ha questa opzione nel menu "matematica") per interpretarla come corrente.

Elettricamente parlando, la sonda in cortocircuito forma fondamentalmente un anello di filo che agisce in qualche modo come un trasformatore di corrente, come mostrato nella figura.

Conclusione

Esistono diversi metodi per misurare le mutevoli forme d'onda della corrente utilizzando un oscilloscopio. Il più semplice è usare uno shunt di corrente e misurare la tensione attraverso di esso.