Конструкция амперметра: шунтирующие резисторы для точного измерения тока

Понимание амперметров

Амперметры — специализированные приборы для измерения электрического тока в амперах. Они состоят из чувствительного измерительного механизма, отклоняющегося при прохождении через него тока.

Почему шунтирующие резисторы необходимы

В отличие от вольтметров, которые используют последовательные резисторы для ограничения напряжения, амперметры применяют шунтирующие резисторы, включенные параллельно механизму. Эта конфигурация отводит основную часть тока от механизма, пока небольшая, измеримая часть продолжает проходить через прибор.

Проектирование базового амперметра

Рассмотрим механизм, полностью отклоняющийся при 1 мА с сопротивлением 500 Ом. Чтобы превратить его в 5-анперный прибор, добавим шунтирующий резистор так, чтобы через механизм прошло только 1 мА, а оставшиеся 4,999 А обтекали его.

Напряжение на механизме: E = I × R = 0,001 А × 500 Ом = 0,5 В. Поскольку шунт включен параллельно, на нем то же напряжение. Ток через шунт: I_shunt = 5 А – 0,001 А = 4,999 А, дающее требуемое сопротивление R_shunt = E / I_shunt ≈ 0,5 В / 4,999 А ≈ 0,100 Ом (100 мОм).

Перемаркировка шкалы от 0 А до 5 А завершает преобразование. На следующем рисунке показан механический аспект регулировки:

Реальная конструкция амперметра

На практике шунтирующий резистор скрыт внутри металлического корпуса прибора. Например, автомобильный амперметр Stewart-Warner может отображать ±60 А, хотя его внутренний механизм обрабатывает только миллиамперы. Шунт точно спроектирован для переноса высокого тока, сохраняя падение напряжения на механизме пренебрежимо малым.

Многодиапазонное проектирование амперметра

Для предоставления нескольких измерительных диапазонов несколько шунтирующих резисторов соединяются параллельно и выбираются многошестковым переключателем. В каждый момент активен только один шунт, каждый откалиброван под конкретное полношкальное значение.

Для механизма с номиналом 1 мА и 500 Ом значения шунтов для диапазонов 100 мА, 1 А, 10 А и 100 А:

Эти сопротивления экстремально низки — порядка нескольких миллиом — требуя кастомного изготовления из толстого провода или цельного металла для обеспечения долговечности.

Рассеиваемая мощность в шунтирующих резисторах

Поскольку шунты переносят полный ток, они могут рассеивать значительную мощность. Для приведенного примера номинальные мощности примерно:

Выбор резисторов с адекватными мощностями (и часто с запасом) предотвращает перегрев и сохраняет точность во времени.

Использование шунтирующих резисторов с вольтметрическими показаниями

Когда вольтметр имеет высокое входное сопротивление, низкоомный шунт может быть размещен в цепи, а напряжение на нем считывается напрямую как ток. Например, шунт 1 Ом дает падение 1 В на ампер, поэтому показание вольтметра 3 В соответствует 3 А.

В симуляции или измерительных установках этот метод позволяет неинвазивный мониторинг тока без разрыва цепи:

Пример 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

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

Напряжение 0,7999 В на шунте соответствует 0,7999 мА, демонстрируя практичность метода для измерений малых токов.

Ключевые выводы

• Амперметры используют параллельные шунтирующие резисторы для деления тока и защиты механизма.
• Шунтирующие резисторы должны иметь низкое сопротивление, но быть достаточно робастными для переноса высокой рассеиваемой мощности.
• Многодиапазонные амперметры применяют селекторный переключатель для включения соответствующего шунта для желаемой шкалы.
• Высокоомные вольтметры в паре с низкоомными шунтами дают альтернативный неинвазивный подход к измерению тока.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Конструкция амперметра