Am văzut în ultimul nostru tutorial că un galvanometru cu bobină-mobilă și magnet permanent (PMMC) este un tip de instrument în care o bobină de transport a curentului este plasată într-un câmp magnetic permanent. Când un curent electric (I) trece prin bobină, câmpul electromagnetic creat în jurul său reacționează împotriva câmpului magnetic permanent producând un cuplu deviant care o determină să se miște. Un indicator sau ac atașat la bobină indică valoarea devierii (Φ).

Am aflat, de asemenea, că aparatele cu bobină mobilă și magnet permanent pot fi transformate într-un voltmetru DC efectiv cu ajutorul rezistoarelor multiplicatoare conectate în serie. Dar putem folosi și aparate PMMC pentru a măsura curentul electric prin conectarea rezistoarelor în paralel cu aparatul, mai degrabă decât în ​​serie, iar aceasta constituie baza ampermetrelor.

După cum sugerează și numele său, un ampermetru este un instrument utilizat pentru măsurarea curentului electric (I) și își ia numele din faptul că unitatea de măsură este „amperi”. Dar, pentru a măsura un curent electric, un ampermetru trebuie să fie conectat astfel încât curentul total de interes să poată trece prin el. Cu alte cuvinte, ampermetrul trebuie întotdeauna conectat în serie cu circuitul sau componenta măsurată.

Ce s-ar întâmpla dacă am dori să măsurăm un curent din circuit mai mare decât acesta sau până în zeci de amperi, deoarece un curent mult mai mare ar forța indicatorul aparatului dincolo de deviația sa maximă FSD, care ar putea supraîncălzi sau deteriora înfășurările bobinei, sau îndoi indicatorul. Deci, cum putem folosi un contor PMMC standard pentru a măsura curenți mai mari decât cei nominali pentru FSD.

Pentru a măsura un curent din circuit, galvanometrul trebuie conectat în serie și, deoarece are o rezistență destul de mare a bobinei RG acest lucru va avea un efect asupra valorii curentului măsurat. Atunci când utilizați un contor PMMC ca ampermetru, gama sa de măsurare poate fi extinsă și mai mult cu ajutorul „rezistoarelor de șunt” conectate în paralel, permițându-i astfel să măsoare curenți DC de multe ori mai mari decât curentul nominal normal de deviere maximă (full-scale), întrucât doar o fracțiune din curentul total va trece prin contor.

Rezistoare șunt din ampermetru

Sensibilitatea curentului unui ampermetru este determinată de cantitatea de curent electric necesară bobinei contorului pentru a produce mișcarea FSD necesară a indicatorului. Cantitatea cu care se mișcă bobina, numită „deviere”, (Φ) este proporțională cu intensitatea curentului care curge prin bobină necesară pentru a produce câmpul magnetic necesar pentru a devia acul cu o cantitate, dată în grade (sau radiani) pe amperi, ^o/A (sau rad/A).

Prin urmare, cu cât este mai mică cantitatea de curent necesară pentru a produce devierea necesară, cu atât este mai mare sensibilitatea contorului. Atunci, indicatorul unui ampermetru se mișcă ca răspuns la un curent, deci dacă mișcarea contorului necesită doar 100 µA pentru devierea la scală completă, va avea o sensibilitate mai mare decât o mișcare a contorului care necesită 1mA pentru FSD-ul său.

Prin conectarea unui rezistor de șunt extern în paralel cu contorul, mai degrabă decât în ​​serie, așa cum a fost cazul pentru voltmetru, putem extinde gama sa de mișcare utilizabilă. Acest lucru se datorează faptului că rezistențele conectate în paralel formează rețele de divizare a curentului care, după cum sugerează și numele lor, împart curentul măsurat la o cantitate determinată de valoarea lor rezistivă așa cum se arată.

Circuitul ampermetrului

Aici șuntul cu rezistență-redusă este conectat în paralel (șuntat) cu bornele contorului PMMC și este conceput pentru a transporta majoritatea curentului circuitului, astfel încât doar o mică parte din acesta să curgă prin bobina contorului. Astfel, o rezistență de șunt crește gama ampermetrului cu curentul contorului IG fiind proporțional cu curentul total al circuitului IT producând căderea de tensiune necesară pe contor pentru devierea la scală completă.

Să presupunem că dorim să folosim un galvanometru 100 µA, 200 Ω pentru a măsura un curent de circuit de până la 1,0 amper. În mod clar, nu putem conecta contorul direct pentru a măsura un amper, dar folosind legea lui Ohm putem calcula valoarea necesară a rezistorului de șunt RS, care va produce o mișcare a contorului la scală completă și căderea de tensiune IG x RG corespunzătoare pe el atunci când este utilizat pentru a măsura un curent de circuit de până la un amper.

Deci, dacă curentul pentru care galvanometrul dă deviație la scală completă este dat ca 100 µA, atunci rezistența de șunt RS necesară este calculată la 0,02 Ω. Pentru o cădere de tensiune de 20 mV (V = I*R = 100 µA x 200 Ω), 100 µA va curge prin contorul PMMC și 999,9 mA prin rezistorul de șunt cu rezistență redusă. Prin urmare, aproape tot curentul circuitului (IT) trece prin rezistența de șunt cu o fracțiune foarte mică de curent necesară pentru FSD care trece prin bobina în mișcare, transformând astfel galvanometrul într-un ampermetru prin simpla conectare a unei rezistențe suficient de mici în paralel cu el, așa cum se arată.

Rezistența șunt din ampermetru

Rețineți că această rezistență de șunt RS va fi întotdeauna mai mică decât rezistența internă a bobinei RG, pentru a devia curentul circuitului de la înfășurările bobinei. Atunci, combinația mișcării contorului cu această rezistență de șunt externă formează baza unui ampermetru analogic simplu, indiferent de ce este FSD pentru un anumit contor. De exemplu, același galvanometru poate fi utilizat pentru a măsura curenți de la 0 la 1 amperi, de la 0 la 5 amperi sau de la 0 la 10 amperi, etc. doar prin utilizarea diferitelor valori ale rezistenței de șunt cu aceeași mișcare a contorului și modificarea scalei contoarelor în consecință.

Exemplul nr. 1 de ampermetru

Un galvanometru are o rezistență internă a bobinei mobile de 100 Ω și oferă o deviere la scală completă pentru 3mA. Calculați valoarea rezistenței de șunt necesare pentru a converti contorul PMMC într-un ampermetru DC cu o gamă de la 0 la 5 amperi.

Date: RG = 100 Ω, IG = 3 mA și IT (max) = 5 Amperi

Astfel, este necesară o rezistență de 0,06 Ω sau 60 de miliohmi (60 mΩ) pentru a măsura intensitatea maximă a curentului de 5 amperi.

Exemplul nr. 2 de ampermetru

Un contor PMMC are o rezistență a bobinei de 200 Ω și o scală liniară a indicatorului marcată cu 25 de diviziuni. Dacă contorul are o sensibilitate de 4 mA pe diviziune, calculați rezistența de șunt necesară pentru a măsura un curent maxim de 20 amperi.

Dacă 4 mA = 1 diviziune, atunci 25 diviziuni = 25*4 mA = 100 mA sau 0,1 amperi. Astfel, contorul PMMC are un FSD de 100mA.

Atunci, sperăm că putem vedea că rezistența totală dată de ampermetru este aproximativ egală cu valoarea rezistenței de șunt conectate RS și clar devine mai mică pe măsură ce curentul de măsurat al circuitului crește. Astfel, efectul de încărcare al ampermetrului atunci când este conectat în serie cu componenta circuitului al cărui curent urmează să fie măsurat este mult redus. În mod ideal, rezistența totală a ampermetrului ar fi zero. Deoarece rezistoarele de șunt utilizate pentru ampermetre au valori rezistive care sunt foarte scăzute, de obicei trebuie să fie realizate din sârmă cu diametru relativ mare sau bucăți solide de bare de cupru. Șunturile de curent mare sunt de obicei vândute ca bare de cupru calibrate pentru a produce o anumită cădere de tensiune în milivolți (mV).

Măsurarea curentului

Așa cum am văzut anterior în tutorialul despre voltmetre, instrumentele de măsurare care utilizează galvanometre pot fi convertite în contoare multi-gamă prin adăugarea unei game adecvate de rezistoare și a unui comutator selector. Amperimetrul nostru simplu DC poate fi extins și mai mult având o serie de rezistențe de șunt, fiecare dimensionată pentru o anumită gamă de curent, care poate fi selectată una câte una printr-un singur comutator multipolar cu 4 sau 5 poziții, care permite ampermetrului nostru să măsoare o gamă mai largă de curenți cu o singură mișcare. Acest tip de configurație a ampermetrului se numește ampermetru multi-gamă.

Configurare directă a ampermetrului multi-gamă

În această configurație a ampermetrului, fiecare rezistor de șunt RS al ampermetrului multi-gamă este conectat în paralel (șuntat) cu contorul, ca mai înainte, pentru a da gama de amperi dorită. Deci, dacă presupunem că contorul nostru de 100 µA FSD de mai sus este necesar pentru a măsura următoarele game de curent de 1mA, 10mA, 100mA și 1A, atunci rezistoarele de șunt necesare sunt calculate la fel ca înainte ca:

Oferind un circuit de ampermetru direct multi-gamă:

În timp ce această configurație directă a ampermetrului ar funcționa, una dintre problemele majore cu modelul său este cu tipul de comutator selector multi-poziții utilizat. Majoritatea comutatoarelor au o acțiune „break-before-make” (B-M), ceea ce înseamnă că întrucât comutatorul este rotit de la o poziție la alta pentru a citi un curent diferit, la un moment mic de timp rezistorul de șunt este de fapt deconectat de la contor, deci tot curentul circuitului de măsurat este deviat prin bobina mobilă a contorului care poate sau nu să o deterioreze.

O modalitate de a depăși această problemă este fie să folosiți un comutator cu acțiune „make-before-break” (M-B) mai scump, fie să configurați conexiunea rezistoarelor de șuntare în așa fel încât atunci când comutatorul selector este rotit, ele rămân conectate în circuit, protejând astfel mișcarea delicată a contorului. O modalitate de a realiza acest lucru este prin utilizarea metodei ampermetrului DC indirect.

Configurare indirectă a ampermetrului multi-gamă

Un model mai practic este configurația indirectă a ampermetrului în care una sau mai multe dintre rezistențele de șunt sunt conectate împreună în serie de-a lungul contorului pentru a da gama de curent dorită. Avantajul este că, pe lângă utilizarea valorilor standard preferate pentru rezistoarele de șunt, în orice moment mișcarea delicată a contorului este șuntată de o valoare rezistivă. Deci, dacă presupunem din nou contorul nostru de 50 mV FSD și gamele de curent de 1 mA, 10 mA, 100 mA și 1 A ca înainte, valorile rezistorului necesare sunt recalculate ca:

Oferind un circuit de ampermetru multi-gamă indirect:

Atunci, am văzut aici, în această configurație indirectă a ampermetrului analogic cu 5 poziții, că cu cât este mai mare curentul care trebuie măsurat, cu atât valoarea rezistenței de șunt este mai mică, fiind selectată de comutator. Rezistența totală conectată în paralel cu contorul PMMC va fi suma rezistențelor, ca RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 + RS4. În mod clar, în timp ce cele două circuite, configurația ampermetrului direct și indirect sunt capabile să citească aceleași intensități de curent, configurația ampermetrului indirect este preferată, deoarece protejează contorul PMMC de o stare de supracurent atunci când selectorul este rotit.

Ampermetrele analogice oferă o citire rapidă și exactă a amperilor care curg în circuit și aceeași mișcare a galvanometrului poate fi utilizată pentru a afișa o gamă de intensități de curent pur și simplu prin schimbarea valorii rezistive a șuntului. Ampermetrele cu centru-zero sunt disponibile și utile pentru a arăta direcția fluxului de curent, adică pot indica fie un curent „pozitiv”, fie un curent „negativ”.

Alegerea valorilor rezistoarelor de șunt va depinde în cele din urmă de FSD-ul galvanometrului utilizat ca ampermetru, precum și de nivelele de curent măsurate dacă scala contorului este calibrată în amperi, miliamperi sau microamperi. Dar dacă am fi vrut să măsurăm 10 sau chiar 100 de amperi? Ei bine, se aplică aceleași principii, cu excepția faptului că șuntul de curent ar trebui să fie un rezistor de valoare extrem de scăzută, de obicei în miliohmi (mΩ) sau o valoare mai mică.

Ampermetrele DC de curent mare sunt disponibile complet cu șunturi calibrate pentru a asigura căderea de tensiune necesară pe șunt pentru alimentarea contorului PMMC. Sunt disponibile căderi de tensiune de până la 10 mV sau 20 mV pentru a asigura o conversie exactă a curentului DC primar pentru contor pentru afișare cu citiri la scală completă în sute de amperi. Amintiți-vă, de asemenea, că, atunci când dimensionați un rezistor de șunt ampermetru pentru a transporta cantități mari de curent, disiparea acestuia de putere I²R trebuie luată în considerare, altfel ar putea să se supra-încălzească și să sufere daune.

Măsurarea curenților AC mari necesită utilizarea unui transformator de curent. Așa cum am discutat în tutorialul nostru despre transformatoarele de curent, un ampermetru de 5A poate fi utilizat cu transformatorul de curent adecvat și este calibrat cu transformatorul selectat.