Электроника:Постоянный ток/Измерения в электрических цепях постоянного тока/Как устроен амперметр

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Как устроен амперметр

Амперметры измеряют электрический ток

Прибор, предназначенный для измерения силы тока, обычно называют «амперметром», потому что единицей измерения силы тока является «ампер».

В конструкциях амперметров внешние резисторы, добавленные для расширения диапазона значений, подключаются параллельно с движителем, а не последовательно, как в случае с вольтметрами. Это связано с тем, что мы хотим разделить измеряемый ток, а не измеряемое напряжение, идущее на движитель, и потому, что цепь с делителем тока всегда образовывается с помощью параллельных сопротивлений.

Разработка амперметра

Взяв тот измерительный движитель, что и в примере с вольтметром , мы можем видеть, что он сам по себе будет очень ограниченным инструментом, полное отклонение шкалы происходит всего при 1 мА:

Как и в случае с расширением измерительных возможностей для напряжения, нам придётся соответственно изменить маркировку шкалы, чтобы она показывала другой (расширенный) диапазон силы тока. Например, если нам нужно спроектировать амперметр с диапазоном полной шкалы в 5 ампер с использованием того же самого измерительного движителя, что и раньше (с внутренним диапазоном полной шкалы всего в 1 мА), придётся перемаркировать шкалу таким образом, чтобы показывать 0 A в крайнем левом положении и 5 A в крайнем правом, а не от 0 мА до 1 мА, как раньше. Какой бы расширенный диапазон ни обеспечивали дополнительные параллельные резисторы, необходимо его отобразить на шкале счётчика.

Рис. 1. Измерительный движитель со скромным диапазоном из прошлых разделов.

Итак, если расширенный диапазон будет рассчитан уже на 5 ампер, давайте определим, сколько нужно параллельного сопротивления, необходимое для «шунтирования» или обхода большей части тока, чтобы только 1 мА из общих 5 А прошёл через движитель:

Рис. 2. Чтобы расширить измерительный диапазон слабого счётчика, нужен шунт – параллельный резистор.

Рис. 3. Таблица E/I/R для измерительного движителя и параллельного шунтирующего резистора.

По заданной полной силе тока движителя и его сопротивлению, мы можем определить напряжение для измерителя (закон Ома, применённый к левой колонке, E = IR):

Рис. 4. Таблица E/I/R, для измерительного движителя определили напряжение.

Зная, что цепь, образованная движителем и шунтом, имеет параллельную конфигурацию, определяем, что напряжение на движителе, шунте и испытательном проводах (т.е. общее) должно быть одинаковым:

Рис. 5. Таблица E/I/R, так как у нас параллельная цепь, проставляем одинаковое напряжение во всех колонках.

Мы также знаем, что сила тока, проходящего через шунт, должна быть разницей между общей силой тока (5 ампер) и силой тока, проходящего через движитель (1 мА), потому что в параллельной конфигурации силы тока отдельных веток складываются:

Рис. 6. Таблица E/I/R, сила тока для шунта – разность между общей силой тока и силой тока, проходящего через движитель.

Затем, используя закон Ома (R = E/I) в центральном столбце, определяем необходимое сопротивление шунта:

Рис. 7. Таблица E/I/R, с помощью закона Ома рассчитываем сопротивление для шунта.

Разумеется, значение, слегка превышающее 100 мОм, мы могли рассчитать и по-другому. Сначала, рассчитав по закону Ома в крайней правой колонке полное сопротивление (R = E/I = 0,5В/5А = 100 мОм), а затем использовав обратную формулу для параллельно сопротивления, но арифметика была бы более сложной:

Рис. 8. Обратная формула для параллельного сопротивления в нашем примере.

Реальные конструкции для амперметра

На практике шунтирующий резистор амперметра обычно заключён в защитный металлический корпус измерительного блока, скрытый от глаз. Обратите внимание на конструкцию амперметра на следующей фотографии:

Рис. 9. Конструкция амперметра.

Этот конкретный амперметр – автомобильный прибор, произведенный фирмой «Стюарт-Уорнер». Хотя используемый тут движитель конструкции д’Арсонваля, вероятно, имеет диапазон полной шкалы, измеряемый в миллиамперах, данный прибор в целом имеет диапазон ±60 ампер. Шунтирующий резистор, обеспечивающий данный диапазон высоких токов, заключен в металлический корпус устройства. Также обратите внимание на этот конкретный измеритель, в нём стрелка центрируется на нуле ампер и может указывать либо «положительный», либо «отрицательный» ток. Подключенный к цепи зарядки аккумулятора автомобиля, этот измеритель может указывать состояние зарядки (ток, протекающий от генератора к аккумулятору) или состояние разряда (ток, протекающий от аккумулятора к остальным нагрузкам автомобиля).

Увеличение полезного диапазона амперметра

Как и в случае с многодиапазонным вольтметром, в амперметр может быть встроено более одного рабочего диапазона за счет включения нескольких шунтирующих резисторов, переключаемых с помощью многополюсного переключателя:

Рис. 10. Многодиапазонный амперметр

Обратите внимание, что резисторы подключены через переключатель так, чтобы быть параллельными (а не последовательными, как в конструкции вольтметра) измерительному движителю. Разумеется, пятипозиционный переключатель одновременно контактирует только с одним резистором. Размер каждого резистора соответствует разному диапазону полной шкалы, в зависимости от конкретного номинала движителя (1 мА, 500 Ом).

В такой конструкции измерителя значение каждого резистора определяется одним и тем же методом с использованием известных общей силы тока, номинального отклонения и сопротивления движителя. Для амперметра с диапазонами 100 мА, 1 А, 10 А и 100 А сопротивление шунтов будут такими:

Рис. 11. Многодиапазонный амперметр с рассчитанными сопротивлениями для различных номинальных значений силы тока.

Обратите внимание, что значения сопротивлений этих шунтирующих резисторов очень низкие! 5,00005 мОм это всего лишь 0,00500005 Ом! Чтобы добиться такого низкого сопротивления, шунтирующие резисторы амперметра часто должны быть изготовлены на заказ из проволоки относительно большого диаметра или сплошных металлических частей.

При выборе размеров шунтирующих резисторов для амперметра следует учитывать фактор рассеиваемой мощности. В отличие от вольтметра, резисторы диапазона амперметра должны пропускать большой ток. Если эти шунтирующие резисторы не имеют соответствующего размера, они могут перегреться и получить повреждения или, по крайней мере, потерять точность из-за перегрева. Для приведенного выше примера счётчика рассеиваемая мощность при полномасштабных показаниях равны таким значениям (двойные волнистые линии обозначают «приблизительно равно» в математике):

Рис. 12. Рассеиваемая мощность при индикации полной шкалы.

Резистор на 1/8 Вт подойдет для R₄, резистора на 1/2 Вт будет достаточно для R₃ и 5 Вт для R₂. Хотя резисторы, как правило, лучше сохраняют свою долговременную точность, если не работают с крайними, т.е. номинальными значениями. Поэтому, с учётом рассеиваемой мощности стоит переоценить резисторы R₂ и R₃, хотя прецизионные резисторы на 50 Вт, вообще говоря, это редкие и дорогие компоненты. Для R₁ вообще может понадобится изготовить нестандартный резистор из металлической заготовки или толстой проволоки, чтобы удовлетворить требованиям как низкого сопротивления, так и высокой номинальной мощности.

Иногда шунтирующие резисторы используются вместе с вольтметрами с высоким входным сопротивлением для измерения силы тока. В этих случаях ток, проходящий через движитель вольтметра, достаточно мал, что им можно пренебречь, а сопротивление шунта может быть рассчитано в зависимости от того, сколько вольт или милливольт будет выпадать на один ампер тока:

Рис. 13. Необходимое сопротивление шунта рассчитывается, в зависимости от количества вольт на ампер.

Если, например, шунтирующий резистор в приведенной выше схеме имеет номинал точно 1 Ом, на каждый ампер тока через него будет приходиться 1 вольт. Тогда показания вольтметра можно рассматривать как прямое указание силы тока, проходящего через шунт с таким сопротивлением. Для измерения очень малых токов можно использовать более высокие значения сопротивления шунта, чтобы генерировать большее падение напряжения на данную единицу тока, тем самым расширяя полезный диапазон (вольтметра) до более низких значений силы тока. Использование вольтметров в сочетании с маломощными шунтирующими сопротивлениями для измерения тока обычно применяется в промышленности.

Использование шунтирующего резистора и вольтметра вместо амперметра

Использование шунтирующего резистора вместе с вольтметром для измерения силы тока может оказаться полезным приёмом для упрощения задачи частого измерения силы тока в цепи. Обычно, чтобы измерить в цепи силу тока с помощью амперметра, цепь нужно разомкнуть и вставить амперметр между разделёнными концами проводов, как-то вот так:

Рис. 14. Для подключения амперметра приходится размыкать цепь.

Если у нас есть цепь, в которой силу тока нужно измерять часто, или же мы просто хотим сделать процесс измерения более удобным, между этими точками можно на постоянной основе разместить шунтирующий резистор, а показания силы тока снимать с помощью вольтметра по мере необходимости. При этом целостность цепи нарушена не будет:

Рис. 15. Постоянный шунтирующий резистор и вольтметр (выполняющий роль амперметра) позволяют не нарушать целостность цепи при каждом подключении измерителя.

Конечно, необходимо соблюдать осторожность при выборе достаточно низкого номинала шунтирующего резистора, чтобы он отрицательно не повлиял на нормальную работу схемы, но, как правило, это затруднений не вызывает. Данный приём также может быть полезен в компьютерном анализе цепей, где нам может понадобиться, чтобы компьютер отображал силу тока в цепи с точки зрения напряжения (со SPICE это позволило бы избежать идиосинкразии при чтении отрицательных значений тока):

Рис. 16. Пример использования шунтирующего резистора в цепи.

Пример схемы с шунтом для расчёта в программе SPICE:

shunt resistor example circuit
v1 1 0 
rshunt 1 2 1 
rload 2 0 15k
.dc v1 12 12 1 
.print dc v (1,2) 
.end

Результат выполнения программы:

v1	v (1,2)
1.200E + 01	7.999E-04

Мы можем интерпретировать показания напряжения на шунтирующем резисторе (между узлами схемы 1 и 2 в моделировании SPICE) непосредственно как значение в амперах, при этом 7.999E-04 составляет 0,7999 мА или 799,9 мкА. В идеале, напряжение 12 В, приложенное непосредственно к 15 кОм, даст нам ровно 0,8 мА, но сопротивление шунта немного уменьшает этот ток (как это было бы в реальной жизни). Однако такое несущественное расхождение обычно находится в приемлемых пределах точности как для моделирования, так и для реальной схемы, и поэтому шунтирующие резисторы можно использовать во всех приложениях, кроме самых требовательных для точного измерения силы тока.

Итог

• Рабочий диапазон амперметра можно расширить путём добавления в цепь движителя параллельных «шунтирующих» резисторов, обеспечивающих точное деление тока.
• Шунтирующие резисторы могут иметь большую рассеиваемую мощность, поэтому следует быть осторожным при выборе деталей для таких измерителей!
• Шунтирующие резисторы могут использоваться в сочетании с вольтметром с высоким сопротивлением, а также с движителем амперметра с низким сопротивлением, обеспечивая точное падение напряжения для заданных величин тока. Шунтирующие резисторы следует выбирать с максимально низким значением сопротивления, чтобы минимизировать их влияние на измеряемую цепь.