Для изменения предела измерения амперметра или вольтметра применяется метод шунтирования, то есть подключения измерительного прибора через шунт.
Шунт – это сопротивление, которе подключается последовательно с вольтметром или параллельно с амперметром для изменения величины тока, текущего через измерительный прибор.
Шунтирование амперметра
Добавление шунта параллельно амперметру вызывает разделение тока Iизм, который протекает через данную цепь и который необходимо измерить, на две составляющие – Iа и Iш.
Чем меньше сопротивление шунта Rш , тем ток Iш больше, а значит ток Iа, который протекает через амперметр – меньше. Зная, как соотносятся сопротивление амперметра Ra и шунта Rш, можно узнать величину измеряемого тока Iизм или напротив, зная ток Iизм, можно рассчитать необходимое сопротивление шунта Rш.
Измеряемый ток равен сумме токов на амперметре на шунте, а наяпряжения одинаковы:
Формула для расчета сопротивления шунта:
Для увеличения предела измерения амперметра в n раз необходимо подключить шунт с сопротивлением
Шунтирование вольтметра
Вольтметры предназначены для измерения разности потенциалов на участке цепи. Для однородного участка цепи разность потенциалов равна напряжению на участке. Для того чтобы при подключении вольтметра токи в схеме изменялись мало, необходимо, чтобы его внутреннее сопротивление RV было как можно большим. Поэтому к вольтметру последовательно включается добавочное сопротивление.
Пределу измерения вольтметра соответствует максимальный ток вольтметра, а напряжения складываются:
где Uизм/UV – коэффициент изменения предела измерения вольтметра.
РАСЧЁТ ШУНТА
Не знаю как вы, а я любому цифровому амперметру и вольтметру в лабораторном блоке питания предпочту старые добрые стрелочные индикаторы. Ведь при наличии каких либо коротких импульсов тока, на цифровом индикаторе будет абракадабра, а то и вообще показания останутся без изменений, если стоит в схеме небольшая задержка обновления показаний. Так же и короткое КЗ может остаться без внимания, а вот стрелка амперметра, дёрнувшись, сразу покажет что к чему.
В общем во многих аппаратах таки лучше ставить стрелочные головки. И блок питания – это тот случай, когда за модой на цифровые АЛС-ки лучше не гонятся, а сделать именно стрелочную индикацию вольт и ампер. Убедил? Тогда приступим к расчёту и изготовлению. Не буду грузить вас многострочными формулами, теориями и коэффициентами поправки на температуру воздуха и цены на нефть. Для этих целей подойдёт простая, годами проверенная технология практического расчёта шунта для любого, даже на неизвестный предел измерения, стрелочного индикатора.
Собираем вот эту простенькую экспериментальную схемку с участием контрольного цифрового амперметра (мультиметра), нагрузки (паруваттного резистора на несколько Ом или простой лампочки на 6,3В) и собственно самого неизвестного стрелочного индикатора. Всё это хозяйство соединяем последовательно – цепочкой, и подсоединяем к регулируемому (желательно) блоку питания. Выставляем, допустим 10 В и смотрим, что у нас показывает контрольный цифровой мультиметр – амперметр.
Теоретически он покажет предположим 0,5 А. В идеале, для нужного предела в 1 А и стрелочник должен показать отклонение на пол шкалы. Ах вам надо чтоб он стал амперметром не на 1 А, а на 2 А? Не проблема. Последовательно с головкой включаем подстроечный (для эксперимента, потом замеряем получившееся сопротивление и заменим на постоянный) резистор R3 на несколько килоом, и уменьшаем понемногу его сопротивление, чтоб полное отклонение стрелки индикатора соответствовало току 2 А. Он предварительно должен стоять на максимуме сопротивления. Само собой, что эти 2 А надо предварительно выставить напряжением с блока питания.
Вот, сделали. А если у нас стрелочник наоборот показывает при токе по мультиметру 0,5 А всего четверть шкалы, а по плану вы хотите чтоб полное отклонение стрелки было при 0,1 А? Тогда просто увеличьте сопротивление шунта где-то в два раза и посмотрите что получилось. А получится то, что стрелка отклонится уже дальше, может и на всю шкалу если угадали с номиналом резистора. Перебор? Зашкаливает уже? Тогда подкручиваем переменник пока не вернём стрелку куда надо.
Если теперь вы думаете как всё это добро встроить в блок питания на индикацию тока, вот схема подключения. Шунтируя стрелочный прибор двумя разными резисторами R1 или R1+R2, можно получить два диапазона измерения тока: в нашем случае 0,1 А или 1 А. Сопротивление резисторов этих указано ориентировочно – в процессе настройки и в зависимости от самого микроамперметра их сопротивление может отличаться.
С расчётом шунта для превращения стрелочного индикатора в вольтметр ещё проще. Последовательно включаем цифровой контрольный вольтметр (на схеме не указан), головку, подстроечный резистор R3 на максимальный предел 200 – 1000 килоом, на всякий пожарный защитный резистор R7 на 10-50 килоом и естественно блок питания. Выставляем на БП 10 вольт (по контрольному мультиметру) и вращая подстроечник R3, который предварительно выставлен на максимальное сопротивление (иначе стрелочный индикатор сгорит моментально, помним этот момент всегда!), добиваемся отклонения стрелки на максимум. Во что превратился наш микроамперметр? Правильно – в вольтметр на 10 вольт. По аналогичному принципу можно превратить стрелочный индикатор в вольтметр на любое напряжение. В конце эксперимента меряем сопротивление переменника и заменяем его таким же постоянным.
Ну и наконец вот полная схема вольтметра – амперметра на основе одного стрелочного индикатора. Переключение "вольты – амперы" производим тумблером. Обратите внимание: переключение режимов шунта (0,1-1 А) производится не переключателем, а включателем. Именно включателем, чтоб не возникло ситуации, при которой внутренний рычажок переключателя уже оторвался от одного контакта, а к другому ещё не подключился. Тогда весь ток к нагрузке пойдёт через стрелочник на 100 мкА – вылетит в момент. А нанести деления на шкалу можно так: ненужные циферки индикатора аккуратно зачищаем лезвием, а вместо них гелевой чёрной ручкой пишите свои значения.
Для контроля величины тока применяется прибор называемый амперметром. Из практики могу сказать, что не всегда под рукой оказывается прибор с нужным диапазоном измерения. Как правило, диапазон либо мал, либо велик. Здесь мы разберем, как изменить рабочий диапазон амперметра. Амперметры на большие токи от 20 ампер и выше имеют в своём составе внешний шунтирующий резистор. Он подключается параллельно амперметру. На рисунке 1 приведена схема включения амперметра с шунтирующем резистором.
В качестве примера в экспериментах будет использован амперметр M367 со шкалой до 150 ампер, соответственно при таком токе амперметр используется с внешним шунтирующим сопротивлением.
Если убрать шунтирующий резистор, то амперметр станет миллиамперметром с максимальным током отклонения стрелки 30 мА (далее будет пояснение, откуда это значение взялось). Таким образом, используя разные шунтирующие сопротивления можно сделать амперметр практически с любым диапазоном измерения.
Рассмотрим подробнее имеющийся измерительный прибор. Из его маркировок можно узнать следующее. Маркировка в верхнем правом углу (цифра 1 на изображении). Модель измерительной головки М367. Сделан на краснодарском заводе измерительных приборов (это можно определить по ромбику с буковками ЗИП). Год выпуска 1973. Серийный номер 165266.
Маркировка в нижнем левом углу (цифра 2 на изображении). Слева на право. Прибор предназначен для измерения постоянного тока. Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой. Напряжение между корпусом и мангнитоэлектрической системой не должно превышать 2 КВ. Рабочее положение шкалы прибора вертикальное. Класс точности прибора в процентах 1,5. ГОСТ8711-60. Измерительная головка рассчитана на измерения силы тока до 150 ампер с использованием внешнего шунтирующего сопротивления рассчитанного на падение на нём напряжения номиналом в 75 милливольт.
Итак, это максимум что удалось узнать из маркировки амперметра. Теперь перейдём к расчетам. Сопротивление шунта определяется по формуле:
где :
Rш – сопротивление шунтирующего резистора;
Rприб – внутреннее сопротивление амперметра;
Iприб – максимально измеримый ток амперметром без шунта;
Iраб – максимально измеримый ток с шунтом (требуемое значение)
Если все данные для расчёта имеются, то можно приступать к самому расчёту. Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором ниже:
В нашем случае из формулы видно, что данных не достаточно. Нам известен только максимальный измеряемый ток с шунтом. То есть, то, что мы хотим видеть в случае максимального отклонения стрелки амперметра.
Из маркировки прибора удалось узнать падение напряжения на шунтирующем сопротивлении. И это уже что-то. Из этого параметра ясно, что при подаче на прибор напряжения номиналом 0,075 вольт (75мВ) стрелка отклониться до крайнего значения на шкале 150 ампер. Таким образом, получается, что максимальное отклонение стрелки прибора достигается подачей напряжения 75 мВ. Вроде как данных для расчета по-прежнему не хватает. Необходимо узнать сопротивление прибора и ток, при котором стрелка откланяется до максимального значения без шунтирующего резистора. Далее предлагаю несколько способов для определения нужных параметров и решения задачи.
Способ первый. При помощи блока питания выясняем максимальное отклонение стрелки по току и напряжению без шунта. В нашем случае напряжение уже известно. Его замерять не будем. Измеряем ток и отклонение стрелки. Так как блока питания под рукой не оказалось, то пришлось воспользоваться очень разряженой батарейкой типа АА. Ток, который батарейка могла ещё отдать, составил 12 мА (по показаниям мультиметра). При этом токе стрелка прибора отклонилась до значения на циферблате 60А. Далее определяем цену деления и рассчитываем полное (максимальное) отклонение стрелки. Поскольку шкала циферблата амперметра размечена равномерно, то не составит труда узнать (рассчитать) ток максимального отклонения стрелки.
Цена деления прибора рассчитывается по формуле:
где:
х1 – меньшее значение,
х2 – большее значение,
n – количество промежутков (отрезков) между значениями
Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором ниже:
Расчёт показал, что цена деления прибора штатной шкалы составляет 5 ампер. При токе 12 мА стрелка отклонялась до показания 60А. Таким образом, цена одного деления без шунта составляет 1 мА. Всего делений 30, соответственно максимальное отклонение стрелки до значения 150А без шунта составляет 30 мА.
Далее при помощи закона Ома находим сопротивление прибора. 0,075/0,03=2,5 Ом
Расчёт:
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(10-0,03)=0,00752 Ом для шкалы 10А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(5-0,03)=0,01509 Ом для шкалы 5А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(3-0,03)=0,02525 Ом для шкалы 3А мах
Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором расчёта сопротивления шунтирующего сопротивления выше.
Второй вариант. При помощи прецизионного мультиметра замеряем сопротивление амперметра и далее при помощи закона Ома (зная напряжение максимального отклонения стрелки) находим ток максимального отклонения стрелки. Измерения выполнялись прецизионными мультиметрами Mastech MS8218 и Uni-t UT71E. При измерении сопротивления амперметра значение составило 2,50-2,52 Ом прибором UT71E и 2,52-2,53 прибором MS8218.
Формула для расчёта тока отклонения стрелки до максимального значения:
Для упрощения вычислений максимального тока отклонения стрелки амперметра можно воспользоваться калькулятором ниже:
Далее, как и в первом варианте выполняем расчёт сопротивления шунтирующего резистора (калькулятор выше). Для расчёта было принято среднее показание измеренного сопротивления амперметра двумя мультиметрами Rприб = 2,52Ом
Расчёт:
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(10-0,02976)=0,00752 Ом для шкалы 10А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(5-0,02976)=0,01508 Ом для шкалы 5А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(3-0,02976)=0,02524 Ом для шкалы 3А мах
Если сравнить расчёты двух методик между собой, то получились совпадение данных до четвёртого знака после запятой, а в некоторых случаях даже до пяти знаков.
О тонкостях изготовления шунтирующего сопротивления расскажу в следующей статье.
