HIOKI3276 Oscyloskopowa sonda cęgowa (prądowa)

Sonda jest przeznaczona do obserwacji szybkich przebiegów na ekranach oscyloskopów i rejestratorów, a spełniających ostre wymagania co do szerokości pasma pomiaru i wierności przenoszenia sygnałów. Sonda 3276 jest montowana niewielkiej obudowie podobnej do obudowy sondy 3273, lecz w porównaniu z nią charakteryzuje się lepszymi parametrami elektrycznymi tj. większym maksymalnym, ciągłym prądem mierzonym równym 30 A i szerszym pasmem przenoszonych częstotliwości od DC do 100 MHz. Dla porównania w przypadku sondy 3273 parametry te wynoszą odpowiednio 15 A i DC – 50 MHz. Z innych własności sondy 3276 na uwagę zasługuje krótki czas narastania mniejszy od 3,5 ns (dwukrotnie mniejszy w porównaniu z sondą 3273) oraz doskonała odporność na zakłócenia. Gdy mierzony prąd ma maksymalną wartość z dopuszczalnego zakresu, to skuteczna wartość prądu szumów nie przekracza 2,5 mA. Tak dobre właściwości szumowe uzyskano dzięki zastosowaniu specjalnego, opracowanego przez HIOKI cienkowarstwowego czujnika Halla zbudowanego z antymonku indu (InSb). Sonda 3276 przekształca mierzony prąd na napięcie, przy czym tzw. przekładnia sondy wynosi 0,1 V/A. Cęgi sondy 3276 mogą objąć izolowany przewód z mierzonym prądem o średnicy nie przekraczającej 5 mm. Maksymalne napięcie w stosunku ziemi wynosi 300 V, co odpowiada pierwszej kategorii przepięciowej. Do połączenia sondy z oscyloskopem lub rejestratorem służy przewód długości 1,5 m zakończony wtykiem BNC. Sonda jest zasilana z zewnętrznego zasilacza sieciowego o napięciu wyjściowym stałym ±12 V. Producent oferuje do tego zasilacz 3272 przystosowany do jednoczesnego zasilania dwóch sond, co jest przydatne np. przy równoczesnej obserwacji prądów w dwóch kanałach oscyloskopowych.
Wraz z sondą producent dostarcza futerał. Zasilacz 3272 trzeba zamówić dodatkowo

Dane techniczne:

Cęgowe sondy prądowe 3273-3276
Cęgowe sondy i przystawki umożliwiające bezpieczny, wygodny, a przede wszystkim nieinwazyjny pomiar prądu stały się bardzo popularne. O ile jednak skonstruowanie urządzenie tego typu mierzącego dokładnie prąd stały i przemienny o częstotliwości niewiele przekraczającej 50 Hz nie stanowi już problemu, to projektując sondę mierzącą prąd przemienny o częstotliwości większej np. od 1 MHz trzeba pokonać wiele trudności. Japońska firma HIOKI jest znana od lat jako wiodący producent różnego typu sond i przystawek cęgowych wykorzystywanych nie tylko do współpracy z rejestratorami tej firmy, lecz szeroko w wielu dziedzinach techniki pomiarowej np. przy monitorowaniu i pomiarach oscyloskopowych. Z szerokiej oferty sond cęgowych tej firmy przedstawiamy prądowe sondy cęgowe 3273, 3274, 3275 i 3276 umożliwiające szerokopasmowy pomiar prądów przemiennych w również szerokim zakresie ich amplitud.
Wszystkie sondy cęgowe 3273, 3274, 3275 i 3276 mierzą prąd stały, różnią się natomiast górną częstotliwością graniczną i maksymalną wartością mierzonego prądu przemiennego.
Pasmo pomiaru sondy 3275 wynosi „zaledwie” 2 MHz, a sondy 3274 – 10 MHz. W szerszym zakresie częstotliwości bo do 50 MHz mierzy sonda 3273, a sonda 3276 będąca nowością w ofercie HIOKI aż do 100 MHz. Sonda 3273 mierzy prąd, którego wartość skuteczna nie przekracza 15 A, a sonda 3276 prąd nieco większy – 50 A. Sondy 3274 i 3275 są przeznaczone do pomiaru dużych prądów nie przekraczających odpowiednio 150 i 500 A. Wartości szczytowe mierzonych prądów (nieciągłych) są w przypadku sond 3273 i 3274 nawet dwukrotnie większe. Sonda 3273 charakteryzuje się bardzo dużą wartością stosunku sygnał-szum, stąd też nadaje się doskonale do dokładnego pomiaru małych prądów rzędu nawet miliamperów. Z kolei sonda 3274 jest przeznaczona do monitorowania w szerokim paśmie częstotliwości i wartości prądów. Podobne predyspozycje ma sonda 3275. Zadaniem sondy jest przede wszystkim monitorowanie prądów o dużych częstotliwościach.
W konstrukcji sond zastosowano rdzeń ferrytowy oraz czujnik Halla umieszczony w szczelinie rdzenia. Sygnał z czujnika jest wzmacniany przez elektroniczny układ wzmacniający, w którego gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego znajduje się obwód magnetyczny, który przedstawia cewka nawinięta na rdzeniu ferrytowym. Dzięki takiej konstrukcji (sprzężenie zwrotne) wykorzystywany strumień magnetyczny ma małą wartość i nieliniowość charakterystyki magnesowania rdzenia ma niewielki wpływ na parametry sondy tj. na pasmo częstotliwości, zakres amplitud mierzonych prądów oraz dokładność pomiaru.
Wszystkie elementy sondy: uzwojenie cewki, rdzeń ferrytowy i hallotron są dokładnie dopasowane do siebie nie tylko pod względem elektrycznym, lecz również pod względem mechanicznym – powierzchnie styku rdzenia i hallotronu są dokładnie szlifowane (zmniejsza się w ten sposób szczelinę powietrzną w obwodzie magnetycznym), a cała konstrukcja zamknięta w ekranowanej obudowie. Sam hallotron jest wykonany techniką cienkowarstwową z antymonku indu metodą opracowaną przez HIOKI i charakteryzuje się doskonałymi parametrami w szerokim zakresie mierzonych prądów, w tym też przy prądach bardzo małych.
Sonda o takiej konstrukcji wykorzystuje dwie metody pomiaru. Pierwsza z nich jest stosowana przy pomiarze prądów od stałego do o częstotliwości 100 Hz. Pracuje wtedy, czujnik Halla, wzmacniacz i cewka ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przy pomiarze zaś prądów większych od 100 Hz wykorzystuje się wyłącznie układ sprzężenia zwrotnego cewki pracującej wtedy jako transformator prądowy. Przy pomiarze prądu znaczny, niekorzystny wpływ na parametry pomiaru ma ciepło wydzielane w układzie pomiarowym, a w szczególności: ciepło wydzielane w cewce sprzężenia zwrotnego przez płynący przez nią prąd, ciepło generowane w rdzeniu ferrytowym w wyniku powstających w nim strat magnesowania, ciepło w obudowie ekranującej wytwarzane przy przekroczeniu wartości granicznych prądów oraz ciepło własne układu (np. wzmacniacza). Jeśli sonda nie ma zabezpieczenia przed negatywnym wpływem powstającego ciepła, to w najgorszym wypadku może nastąpić trwałe uszkodzenie głowicy pomiarowej (rdzeń, hallotron, cewka). Wszystkie sondy HIOKI są wyposażone w element zabezpieczający przed przekroczeniem dopuszczalnej wartości temperatury. W takiej sytuacji element ten rozłącza obwód pomiarowy i sonda przestaje pracować. Podstawowe parametry sond cęgowych  Charakterystyka częstotliwościowa sondy Aby przebieg obserwowany na ekranie oscyloskopu lub rejestratora był dokładnym odwzorowaniem przebiegu rzeczywistego, charakterystyka sondy powinna być płaska w jak najszerszym zakresie częstotliwości, a opadająca część tej charakterystyki (w pobliżu częstotliwości granicznej) powinna być możliwie gładka.
Maksymalny prąd znamionowy sondy
Przy pomiarze prądów w.cz. należy zachować szczególną uwagę, ze względu na ciepło wydzielane wtedy w sondzie, a związane z magnesowaniem się rdzenia (straty) oraz prądami indukowanymi obudowie sondy, dobierając typ sondy tak aby nie przekroczyć jej maksymalnego prądu znamionowego. Przy przekroczeniu częstotliwości granicznej dopuszczalny prąd maksymalny gwałtownie maleje.
Impedancja wejściowa sondy
Dzięki zastosowanej metodzie pomiarowej ujemnego sprzężenia zwrotnego impedancja wejściowa głowicy sondy jest niewielka, jednak wzrasta wraz z częstotliwością pomiaru. Przy łączeniu sondy z układami pomiarowymi o małej impedancji należy zwracać uwagę aby impedancja sondy była odpowiednio mniejsza.
Z kolei rezystancja wyjściowa modułu głównego sondy wynosi 50 Ω. Pozwala to na dołączenie do niej dowolnego urządzenia monitorującego przy spełnieniu warunku, że jego rezystancja wejściowa będzie większa od 1 MΩ, co się już spotyka powszechnie.
Dokładność amplitudy
Ze względu na zastosowaną technikę ujemnego sprzężenia zwrotnego, wartość użytecznego strumienia magnetycznego jest bardzo mała, a nieliniowość obwodu magnetycznego nie ma wpływu na liniowość sondy. Stąd też charakterystyka amplitudowa sondy jest bardzo liniowa w szerokim zakresie mierzonych prądów. Dokładność amplitudy nie maleje nawet przy dużych prądach.
Charakterystyka temperaturowa czułości sondy (stabilność)
Ujemne sprzężenie zwrotne ma też pozytywny wpływ na ten parametr. Fluktuacje błędu pomiaru związane z zmianami temperatury otoczenia są niewielkie w zakresie do 40 st.C.
Wpływ zjawiska magnesowania przy dużych prądach
Zwykle ujemne sprzężenie zwrotne utrzymujące wartość strumienia magnetycznego na niezmiennie niewielkim poziomie powoduje, że zjawisko magnesowania nie ma wpływu na pracę sondy. Jednak przy pomiarze dużych prądów lub przy włączaniu i wyłączaniu zasilania sondy rdzeń jej może się namagnesować. W takiej sytuacji na wyjściu sondy pojawia się sygnał mimo, że prąd mierzony jest równy zero. W takich przypadkach jest konieczne rozmagnesowanie sondy za pomocą specjalnego przycisku.
Temperaturowa charakterystyka napięcia offsetu Napięcie offsetu związane z zmianami temperatury otoczenia sondy jest różne dla każdego typu sondy. Napięcie to zeruje się przez regulację napięcia szczątkowego hallotronu. Zaleca się operację zerowania przeprowadzać przed każdym pomiarem.
Wpływ zewnętrznych pól magnetycznych
Ze względu na to, że sondy cęgowe zawierają obwody magnetyczne, są one w znacznym stopniu nieodporne na wpływ zewnętrznych pól magnetycznych. Wpływ ten odzwierciedla kierunkowa charakterystyka sondy, która zależy też od jej budowy i kształtu. Aby zmniejszyć wpływ zewnętrznych pól magnetycznych, w konstrukcji sondy 3273 zastosowano podwójne ekranowanie oraz poprawiono gładkość przylegających do siebie powierzchni elementów rdzenia ferrytowego (zmniejszając szczeliny powietrzne).
Odwzorowywanie sygnałów prostokątnych
Wierne odwzorowywanie kształtu sygnału prostokątnego na ekranie połączonego z sondą oscyloskopu to jeden z najważniejszych wskaźników świadczących o jakości sondy. Aby to zapewnić muszą być spełnione następujące warunki:
– pasmo przenoszenia sondy musi być odpowiednio większe od składowych częstotliwościowych mierzonego sygnału,
– charakterystyka sondy musi być płaska, – opadająca część charakterystyki musi być gładka.
Pomiar małych prądów
Przy pomiarze szerokopasmowym zakłócenia zewnętrzne oraz szumy szerokopasmowe generowane przez sprzęt elektroniczny służący do obserwacji mogą mieć niekorzystny wpływ na obserwowany przebieg. Stąd też w razie potrzeby pasmo przenoszenia takiego sprzętu powinno być odpowiednio ograniczone. Przy obserwacji małych prądów np. o wartości międzyszczytowej 10 mA i częstotliwości 1 kHz lepsze efekty (mniej rozmyty przebieg) może dać oscyloskop o paśmie 20 MHz niż o paśmie np. 400 MHz.
Czas narastania
Im wyższa częstotliwość graniczna sondy, tym krótszy czas narastania odwzorowywanego sygnału schodkowego. Zwykle wymaga się aby czas narastania sondy przy pomiarze szybkich przebiegów był możliwie krótki, a charakterystyka przenoszenia sondy płaska. Jednak gdy charakterystyka sondy dla górnych częstotliwości nie jest płaska lub gdy jej część opadająca nie jest gładka, krótki czas narastania nie zapewni dobrego odwzorowywania sygnału. Stąd też czasu narastania nie należy brać pod uwagę jako podstawowego czynnika przy porównywaniu lub dobieraniu sond.
Wpływ napięcia sygnału wspólnego
Na dokładność odwzorowywania na ekranie oscyloskopu kształtu sygnału prostokątnego tj. mniejszą lub większą obecność charakterystycznych zniekształceń zbocza narastającego i opadającego ma duży wpływ potencjał miejsca dołączenia sondy w obwodzie z mierzonym prądem. Zjawisko to jest powszechnie znane jako efekt napięcia sygnału wspólnego (commom mode). Wpływ ten będzie najmniejszy gdy sondę umieścimy w miejscu o potencjale zerowym.
Sposób dołączenia sondy
Sondy 3273, 3274, 3275 i 3276 łączy się bezpośrednio z oscyloskopem lub rejestratorem przewodem zakończonym typowym wtykiem BNC. Drugi przewód sondy służy natomiast do dołączenia zasilania ±12 V. Jeśli oscyloskop nie ma osobnego wyjścia służącego zwykle do zasilania sond oscyloskopowych typu FET, to do zasilania sondy należy użyć specjalny zasilacz 3270 oferowany przez HIOKI jako wyposażenie dodatkowe. Zasilacz ten spełnia ponadto funkcje: zerowania szczątkowego wskazania sondy, rozmagnesowywania sondy, filtrowania (tętnień i zakłóceń) oraz sygnalizacji przeciążenia sondy.
Mechanizm zaciskania cęgów
Wszystkie sondy są wyposażone w wygodny, przesuwny mechanizm pozwalający na szybkie zaciśnięcie cęgów sondy na przewodzie z mierzonym prądem. Maksymalna średnica przewodu zależy od maksymalnej wartości prądu mierzonego przez daną sondę. Stąd też sondy 3273 i 3276 przeznaczone do pomiaru prądów małych (odpowiednio do 15 i 30 A) mogą objąć przewód o średnicy nie przekraczającej zaledwie 5 mm, a sondy 3274 i 3275 służące do pomiaru prądów dużych (odpowiednio do 150 i 500 A) – przewód o średnicy nie większej niż 20 mm.
Podsumowanie
Jak widać skonstruowanie dobrej sondy cęgowej mierzącej poprawnie w szerokim zakresie prądów i częstotliwości nie jest zadaniem prostym i wymaga przełamania wielu barier technologicznych oraz dużych nakładów finansowych. Efekty prowadzonych w tej dziedzinie prac są chronione później patentami. Stąd też i wysokie ceny takich sond przekraczające często 10000 zł. Należy też pamiętać, że jak dotąd nie skonstruowano jeszcze sondy mierzącej równie dobrze małe i duże prądy i charakteryzującej się tak samo dobrymi właściwościami przy częstotliwościach małych i dużych. Stąd też duża różnorodność ich typów. Cęgowe sondy oscyloskopowe wymagają od ich użytkowników pewnej wiedzy na temat sposobu prowadzenia pomiarów i interpretacji otrzymywanych wyników, a także szczególnie delikatnego obchodzenia się z nimi. Polerowane powierzchnie cęgów sondy są bardzo wrażliwe na zarysowania i wymagają zachowania szczególnej ostrożności i delikatnych środków nawet podczas czyszczenia.