Ювелирное обозрение

Понятия и формулы

Шунтом называется сопротивление, которое присоединяется параллельно зажимам амперметра (параллельно внутреннему сопротивлению прибора), чтобы увеличить диапазон измерений. Измеряемый ток I разделяется между измерительным шунтом (rш, Iш) и амперметром (rа, Iа) обратно пропорционально их сопротивлениям.

Сопротивление шунта rш=rа х Iа/(I-Iа ).

Для увеличения диапазона измерений в n раз шунт должен иметь сопротивление rш=(n-1)/rа

1. Электромагнитный амперметр имеет внутреннее сопротивление rа=10 Ом, а диапазон измерений до 1 А. Рассчитайте сопротивление rш шунта так, чтобы амперметр мог измерять ток до 20 А (рис. 1).

Измеряемый ток 20 А разветвится на ток Iа=1 А, который потечет через амперметр, и ток Iш, который потечет через шунт:

Отсюда ток, протекающий через шунт, Iш=I-Iа=20-1=19 А.

Измеряемый ток I=20 А должен разделиться в отношении Iа:Iш=1:19.

Отсюда вытекает, что сопротивления ветвей должны быть обратно пропорциональны токам: Iа:Iш=1/rа : 1/rш;

Сопротивление шунта rш=10/19=0,526 Ом.

Сопротивление шунта должно быть в 19 раз меньше, чем сопротивление амперметра rа, чтобы через него проходил ток Iш, в 19 раз больший тока Iа=1 А, который проходит через амперметр.

2. Магнитоэлектрический миллиамперметр имеет диапазон измерений без шунта 10 мА и внутреннее сопротивление 100 Ом. Какое сопротивление должен иметь шунт, если прибор должен измерять ток до 1 А (рис. 2)?

При полном отклонении стрелки через катушку миллиамперметра будет проходить ток Iа=0,01 А, а через шунт Iш:

откуда Iш=I-Iа=1-0,99 A=990 мА.

Ток 1 А разделится обратно пропорционально сопротивлениям: Iа:Iш=rш:rа.

Из этого соотношения найдем сопротивление шунта:

10:990=rш:100; rш=(10х100)/990=1000/990=1,010 Ом.

При полном отклонении стрелки через прибор пройдет ток Iа=0,01 А, через шунт – ток Iш=0,99 А, а по общей цепи – ток I=1 А.

При измерении тока I=0,5 А через шунт пройдет ток Iш=0,492 А, а через амперметр – ток Iа=0,05 А. Стрелка при этом отклоняется до половины шкалы.

При любом токе от 0 до 1 А (при выбранном шунте) токи в ветвях разделятся в отношении rа:rш, т. е. 100:1,01.

3. Амперметр (рис. 3) имеет внутреннее сопротивление rа=9,9 Ом, а сопротивление его шунта 0,1 Ом. В каком отношении разделится измеряемый ток 300 А в приборе и шунте?

Задачу решим при помощи первого закона Кирхгофа: I=Iа+Iш.

Кроме того, Iа:Iш=rш:rа.

Из второго уравнения получим ток Iа и подставим его в первое уравнение:

Ток в приборе Iа=I-Iш=300-297=3 А.

Из всего измеряемого тока через амперметр пройдет ток Iа=3 А, а через шунт Iш=297 А.

Шунт для амперметра

4. Амперметр, внутреннее сопротивление которого 1,98 Ом, дает полное отклонение стрелки при токе 2 А. Необходимо измерить ток до 200 А. Какое сопротивление должен иметь шунт, подключаемый параллельно зажимам прибора?

В данной задаче диапазон измерений увеличивается в 100 раз: n=200/2=100.

Искомое сопротивление шунта rш=rа/(n-1).

В нашем случае сопротивление шунта будет: rш=1,98/(100-1)=1,98/99=0,02 Ом.

Измерение силы тока – достаточно важная процедура для расчета и проверки электрических схем. Если вы создаете прибор с потребляемой мощностью на уровне зарядки для мобильного телефона – для измерения достаточно обычного мультиметра.

Типичный недорогой бытовой тестер имеет предел измерения силы тока 10 А.

На большинстве подобных приборов имеется дополнительный разъем для измерения больших величин. Переставляя измерительный кабель, вы, наверное не задумывались, по какой причине надо организовывать дополнительную цепь, и почему нельзя просто воспользоваться переключателем режимов?

Почему одним прибором нельзя измерять широкий диапазон величин?

Принцип работы любого амперметра (стрелочного или катушечного) основан на переводе измеряемой величины в визуальное ее отображение. Стрелочные системы работают по механическому принципу.

Через обмотку протекает ток определенной величины, заставляя ее отклоняться в поле постоянного магнита. На катушке закреплена стрелка. Остальное – дело техники. Шкала, разметка и прочее.

Зависимость угла отклонения от силы тока на катушке не всегда линейная, это часто компенсируется пружиной особой формы.

Для обеспечения точности измерения, шкала делается по возможности с большим количеством промежуточных делений. В таком случае, для обеспечения широкого предела измерений шкала должна быть огромного размера.

Или же надо иметь в арсенале несколько прибором: амперметр на десятки и сотни ампер, обычный амперметр, миллиамперметр.

В цифровых мультиметрах картина схожая. Чем точнее шкала – тем ниже предел измерения. И наоборот – завышенная величина предела, дает большую погрешность.

Слишком загруженной шкалой пользоваться неудобно. Большое количество положений усложняют конструкцию прибора, и увеличивают вероятность потери контакта.

Применив закон Ома для участка цепи, можно изменить чувствительность прибора, установив шунт для амперметра.

Справка: Шунтом называется обходное сопротивление, проводник, подключенный параллельно измеряемому участку цепи. Часть тока устремляется в обход основного участка, и на подключенный прибор приходится меньшая нагрузка.

Изучение начнем с теории:

Как рассчитать шунт для амперметра?

1. Расчет шунта для незначительного расширения верхнего предела шкалы амперметра.Сопротивление шунта вычисляется по формуле. Rш = (Rа * Iа)/(I — Iа)Rш – сопротивление, которым должен обладать шунт.Rа – внутреннее сопротивление амперметра без нагрузки. I – предполагаемый ток, при котором стрелка прибора займет максимальное положение в конце шкалы.Iа – ток, при котором стрелка прибора занимает крайнее положение в конце шкалы без применения шунта.Величина сопротивления рассчитывается по формуле в Омах, сила тока в Амперах.
2. Расчет шунта для амперметра при существенном превышении предела измерений.Сопротивление шунта вычисляется по формуле. Rш = (Rа * Iа)/I

Как сделать шунт для амперметра, какие материалы при этом используются

Фабрично изготовленные шунты рассчитываются под готовые приборы, их параметры учитываются еще при вытягивании проволоки.

При создании учитывается даже расстояние от центра проволоки до мест подключения контактов. Несмотря на массивность конструкции, шунт достаточно точный и чувствительный прибор. На погрешность влияет даже разнесение контактов для прибора и контактов для измеряемой цепи.

Это низкоомные приборы. Сопротивление измеряется единицами Ом. Поэтому на рабочую величину влияет даже сечение проводника. При точной подгонке свойств шунта, можно делать на шине пропилы, для изменения удельного сопротивления.

Еще один вариант юстировки фабричного шунта – подбор дополнительных сопротивлений. Такой способ часто практикуют доморощенные «Кулибины».

Шунт для амперметра своими руками можно изготовить из любого материала, обладающего низким сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Если измеряемые токи не более 10 ампер – воспользуйтесь обычной стальной скрепкой большого размера.

Сталь противостоит влиянию высоких температур, и неплохо паяется (при необходимости стационарного монтажа). Если у вас есть медь – тоже хороший выбор. Только не переусердствуйте при калибровке. Случайно отпиленный для изменения сечения кусок нет смысла паять обратно.

Внимание! Если вы делаете проволочный шунт, не следует мотать из нее спираль.

Индуктивность при протекании больших токов может исказить результат. Лучше применить иной материал, или уложить шунт волнами.

Как подобрать шунт для амперметра максимально точно?

Для стенда по подбору сопротивления нам понадобятся:

• блок питания;
• образцовый прибор;
• качественные провода (медные);
• переменное сопротивление;
• собственно шунт и амперметр, для которого он готовится.

Схема нужна для точного подбора сопротивления шунта и калибровки прибора с установленной накладкой.

Установив под нагрузкой (заряд аккумулятора) минимальное и максимальное значение – приступаем к ступенчатому изменению силы тока переменным сопротивлением. Полученные на контрольном приборе значения наносим на шкалу.

Вспоминаем физику. Видео урок по расчету шунта для амперметра.

Амперметр – прибор, замеряющий силу проходящего в электрической цепи тока, который часто бывает немалым. По закону Ома, чтобы пропустить больший ток, амперметр должен иметь как можно меньшее сопротивление. Решение – включение параллельно прибору шунта, обеспечивающего такое низкое значение сопротивления.

Зачем нужен шунт?

Шунт – это полосковая линия (усиленная дорожка на плате) или отрезок провода с достаточно толстым сечением, низкоомная (менее 1 Ом) катушка или резистор с мощностью от 10 Вт. Он используется, когда, например, амперметр, рассчитанный на ток в 10 А, не может замерить, скажем, 50-амперный ток, потребляемый включёнными в электроцепь источника питания устройствами. На жаргоне электриков это явление называется «на шкале не хватает ампер». А точнее – диапазон замеров по току на этом же амперметре не охватывает такие высокие токи.

Расчёт сопротивления шунта

Кроме закона Ома для участка цепи – её разрыва, в который включён амперметр, – в расчёт берётся и формула Кирхгофа. Общий ток, протекающий в месте включения прибора, равен сумме токов, проходящих через сам амперметр и его шунт.

Сопротивление амперметра в разы больше внешнего шунта. Ток, проходящий по внешнему шунту, в эти же несколько раз больше, чем на самом амперметре.

В случае с цифровым прибором, где вместо измерительной головки используется датчик тока и аналого-цифровой преобразователь, распределение токов, составляющих общий ток цепи, не меняется.

Схема включения устройства

Амперметр включается последовательно в разрыв цепи. Последний может находиться в любом её месте. Сам прибор показывает, сколько ампер в час потребляет эта цепь. Внешний шунт также включается последовательно в цепь, но в тот же самый разрыв, получается, параллельно самому амперметру.

Что можно использовать?

В идеале используют отрезок провода или проволоки из металла или сплава, незначительно меняющего своё электрическое сопротивление при нагреве. А нагреваться шунт будет обязательно – хотя бы до нескольких десятков градусов, так как по нему протекает ток в единицы и десятки ампер. Специалисты рекомендуют использовать сплав манганина. Манганиновая проволока (или лента) считается наиболее устойчивым электротехническим элементом: её температурный коэффициент сопротивления в 200 раз меньше, чем у меди, и в 300 раз ниже по сравнению с железом. Использование медных и стальных шунтов способно нести ощутимую погрешность при значительных токах, вызывающих их нагрев.

Но для приблизительной оценки иногда используют распрямлённую канцелярскую скрепку или отрезок провода.

Если речь идёт о внушительной силе тока от сотен до тысяч ампер – например, при старте двигателя «КамАЗа», где создаётся пусковой ток в 500 и более ампер для раскручивания стартером вала двигателя, – простой шунт здесь попросту расплавится. Необходимо использовать токовые клещи – они являются более мощной версией шунта. Аналогично поступают в электроустановках и распределителях с высоким напряжением, где общий ток потребителей довольно высок.

Что требуется?

Для изготовления шунта, кроме проволоки, проводов, диэлектрика и крепежа, потребуются следующие приборы.

• Готовый миллиамперметр. Можно использовать и гальванометр – измерительную головку без внутренних шунтов, резисторов и так далее.
• Лабораторный блок питания, выдающий требуемый ампераж. Можно воспользоваться и автомобильным аккумулятором, в цепь с которым последовательно включена, например, фара на 100/90 Вт на основе лампы накаливания. Если такой фары нет, можно подключить отрезок нихромовой электроспирали или мощный керамический резистор на десятки ватт. Ни в коем случае не подключайте шунт с прибором «накоротко», без нагрузки.
• При работе с бытовой осветительной сетью – выпрямительный диодный мост (или одиночные высоковольтные диоды) и дополнительный защитный автомат на 16 А, плавкие предохранители на несколько ампер.

Напряжение подаётся только после правильной сборки цепи.

Шунт своими руками

Спирально сматывать проволоку (или эмальпровод) не рекомендуется – индуктивность получившейся катушки уменьшит точность амперметра. Катушечное шунтирование имеет недостаток – гашение скачков тока, особенно в случае дросселированной (с сердечником) катушки. Если отрезок проволоки слишком длинный, расположите его в виде волнистой «змейки».

В качестве диэлектрика подойдёт любой изолятор – от керамического до текстолитового. К тому же скрученный в виде катушки провод может перегреть диэлектрик, не выдерживающий повышенной – более 150 градусов – температуры. А к перегреву устойчивы лишь керамика и закалённое стекло.

• Сначала вырезается диэлектрическая пластина, в которой сверлятся отверстия под болты с шайбами и гайками. Материал – текстолит, гетинакс, дерево или композитные материалы.
• Для существенной изоляции тепла проволоки от несущей пластины на болты устанавливаются керамические колечки. После них ставятся шайбы, зажимающие проволоку.
• Для предотвращения самопроизвольного раскручивания и выпадения проволоки и проводов перед гайками проставляются гроверные шайбы.
• Наконец, вставляются провода и концы проволоки между шайбами, а гайки затягиваются.

Полученная деталь подключается параллельно амперметру или гальванометру.

Переградуировка прибора

Новую градуировку обновлённого стрелочного амперметра под новый шунт нужно произвести следующим образом.

1. Снимите переднюю часть корпуса (смотровое окно прибора) вместе со стеклом.
2. Подключите одну из лампочек известного номинала последовательно с амперметром к батарее или сетевому адаптеру питания. Так, на лампочках накаливания указывается ток в амперах и напряжение в вольтах. Если вы подключаете светодиодную панель или фару, на которой, например, указано напряжение 12 В и мощность в 24 Вт – вашим рабочим током будет 2 А (мощность, делённая на напряжение источника питания).
3. Отметьте, на какой угол отклонилась стрелка прибора, точкой с числом (в данном случае это 2).
4. Идеальный вариант – включите параллельно друг с другом одинаковые лампочки или фары, увеличивая их число каждый раз на одну. Так можно «прометить» всю шкалу амперметра. Этот способ хорош для переменного тока – шкала амперметра получается нелинейной за счёт влияния частоты тока и падения части напряжения на диодах. Разметка «на глаз» или с использованием транспортира (или по уже имеющейся «линейке» прибора), как часто делают при постоянном токе, не подойдёт. Лучше перестраховаться и сделать точнее.
5. Закончив разметку, соберите прибор и проверьте, надёжно ли держится крепление шунта, хорош ли электрический контакт между ним и амперметром. Если габариты амперметра позволяют, шунт часто заливают эпоксидным клеем, а затем получившийся элемент (в виде бруска) приклеивают к задней стенке измерительной головки.

Амперметр с новым шунтом готов к работе. Можно подключить щупы или токовые клещи.

С несколькими шунтами

Из амперметра получится и самодельный килоамперметр. Так, из 100-амперного прибора легко сделать амперметр на 2 кА. Более высокие значения на практике вряд ли понадобятся. Если у вас в наличии имеется прибор с одноамперным диапазоном измерений, сделайте несколько коммутируемых шунтов. Незачем переразмечать шкалу – достаточно подобрать шунты на 5, 10, 50, 100 и более ампер. Они помещаются в один внешний корпус вместе с выходными клеммами (для щупов) и многопозиционным переключателем, рассчитанным на такие значения тока.

Режимы помечаются маркером «x5», «x10» и так далее. Когда режим один, а амперметр переделан из одно- в десятиамперный, то слева от буквы «А» надпишите «x10» меньшим шрифтом.

При изготовлении многорежимного амперметра провода, соединяющие переключатель с шунтами и прибором, должны быть максимально короткими. Излишне длинные провода, подключённые к готовому шунту, имеющему точное сопротивление, и уже проградуированному прибору, приведут к заметной погрешности измерений – они включаются последовательно с шунтом и прибором, имеют своё, пусть и очень малое, сопротивление. Переключатель низкого качества со значительно окисленными контактами приведёт к тому, что прибор попросту начнёт «врать» – его токоведущие части и замыкающий подпружиненный шарик также вносят паразитное сопротивление.

Заводские амперметры проходят тщательную поверку, едва сойдя с конвейера. Недочёты учитываются при выпуске приборостроительным заводом следующей партии амперметров. Амперметры, имеющие значительную погрешность, бракуются и направляются на переработку.

О том, как произвести расчет шунта для амперметра, смотрите далее.