Ampe kế

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn cuối cùng của mình rằng điện kế cuộn dây chuyển động nam châm vĩnh cửu (PMMC) là một loại dụng cụ trong đó cuộn dây mang dòng điện được đặt trong từ trường vĩnh cửu. Khi có dòng điện ( I ) chạy qua cuộn dây, trường điện từ tạo ra xung quanh nó sẽ phản ứng với từ trường vĩnh cửu tạo ra mômen lệch làm cho nó chuyển động. Một con trỏ hoặc kim được gắn vào cuộn dây cho biết mức độ lệch, ( Φ ).

Chúng tôi cũng đã biết rằng máy đo cuộn dây chuyển động nam châm vĩnh cửu có thể được chuyển đổi thành Vôn kế một chiều hiệu dụng với sự hỗ trợ của điện trở nhân nối tiếp. Nhưng chúng ta cũng có thể sử dụng đồng hồ PMMC để đo dòng điện bằng cách kết nối các điện trở song song với đồng hồ thay vì mắc nối tiếp và điều này tạo thành cơ sở của ampe kế . Như vậy ampe kế là gì?

Như tên gọi của nó, Ampe kế là một công cụ được sử dụng để đo dòng điện (I) và được đặt tên từ thực tế là đơn vị đo lường là “ampe”, hay chính xác hơn là Ampe . Nhưng để đo được cường độ dòng điện thì phải mắc một ampe kế sao cho dòng điện toàn phần quan tâm có thể chạy qua nó. Nói cách khác, ampe kế phải luôn được mắc nối tiếp với mạch hoặc linh kiện được đo.

Nhưng vấn đề nằm ở đây. Như chúng ta đã thấy trong hướng dẫn trước về vôn kế, độ lệch quy mô đầy đủ (FSD) của đồng hồ đo PMMC tiêu chuẩn là rất nhỏ nên chúng chỉ có thể mang dòng điện nhỏ, 0 đến I _FSD , tính bằng micro-ampe (uA) hoặc mili -ampe (mA) chủ yếu do kích thước dây nhỏ được sử dụng trong các cuộn dây của cuộn dây chuyển động PMMC.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta muốn đo dòng điện mạch lớn hơn mức này hoặc lên đến 10 của ampe vì dòng điện cao hơn nhiều sẽ buộc con trỏ đồng hồ vượt quá độ lệch FSD tối đa của nó, điều này có thể có khả năng quá nóng hoặc làm hỏng cuộn dây cuộn dây, đừng bao giờ để ý đến việc uốn cong con trỏ . Vì vậy, làm thế nào chúng ta có thể sử dụng một máy đo PMMC tiêu chuẩn để đo dòng điện lớn hơn dòng điện được đánh giá cho FSD.

Để đo dòng điện trong mạch, điện kế phải được mắc nối tiếp và vì nó có điện trở cuộn dây khá lớn nên R _G điều này sẽ ảnh hưởng đến giá trị của dòng điện đang đo. Khi sử dụng đồng hồ đo PMMC làm ampe kế, phạm vi đo của nó có thể được mở rộng hơn nữa với sự trợ giúp của “Điện trở Shunt” được kết nối song song, do đó cho phép nó đo dòng điện một chiều lớn hơn nhiều lần so với đánh giá dòng điện lệch toàn thang bình thường chỉ là một phần của tổng dòng điện sẽ đi qua đồng hồ.

Ampe kế Điện trở Shunt

Độ nhạy dòng điện của ampe kế được xác định bằng lượng dòng điện cần thiết của cuộn dây đồng hồ để tạo ra chuyển động FSD cần thiết của con trỏ. Lượng mà cuộn dây chuyển động, được gọi là “độ lệch”, ( Φ ) tỷ lệ với cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây cần thiết để tạo ra từ trường cần thiết để làm lệch kim một lượng, tính bằng độ (hoặc radian) trên ampe, ^o / A (hoặc rad / A).

Do đó lượng dòng điện cần thiết để tạo ra độ lệch yêu cầu càng nhỏ thì độ nhạy của đồng hồ càng lớn. Khi đó kim chỉ của ampe kế di chuyển theo dòng điện, vì vậy nếu chuyển động của đồng hồ chỉ yêu cầu 100uA cho độ lệch toàn thang, nó sẽ có độ nhạy lớn hơn chuyển động đồng hồ yêu cầu 1mA cho FSD của nó.

Bằng cách kết nối một điện trở shunt bên ngoài song song với đồng hồ, thay vì mắc nối tiếp như trường hợp của vôn kế, chúng ta có thể mở rộng phạm vi di chuyển có thể sử dụng của nó. Điều này là do các điện trở được kết nối song song tạo thành các mạng phân chia dòng điện , như tên gọi của chúng, chia dòng điện đo được bằng một lượng được xác định bởi giá trị điện trở của chúng như được hiển thị.

Mạch ampe kế

Ở đây, shunt điện trở thấp được kết nối song song (shunted) với các đầu cực của đồng hồ PMMC và được thiết kế để mang phần lớn dòng điện mạch sao cho chỉ một phần nhỏ của nó chạy qua cuộn dây của đồng hồ. Do đó, một điện trở shunt làm tăng phạm vi của ampe kế với dòng điện của đồng hồ, I _G tỷ lệ với tổng dòng điện mạch I _T tạo ra điện áp giảm yêu cầu trên đồng hồ để có độ lệch hoàn toàn.

Giả sử rằng chúng ta muốn sử dụng một điện kế 100uA, 200Ω để đo dòng điện mạch lên đến 1,0 ampe. Rõ ràng là chúng ta không thể chỉ kết nối đồng hồ trực tiếp để đo một ampe nhưng bằng cách sử dụng Định luật Ohm, chúng ta có thể tính toán giá trị của điện trở shunt, R _S yêu cầu sẽ tạo ra chuyển động của đồng hồ toàn quy mô và điện áp I _G x R _G tương ứng trên nó khi dùng để đo cường độ dòng điện trong mạch đến một ampe.

Vì vậy, nếu dòng điện mà điện kế cho độ lệch toàn thang được cho là 100uA, thì điện trở shunt R _S yêu cầu được tính là 0,02Ω. Đối với sụt điện áp 20mV (V = I * R = 100µA x 200Ω), 100uA sẽ chạy qua đồng hồ PMMC và 999,9mA qua điện trở shunt có điện trở thấp. Do đó, gần như tất cả dòng điện trong mạch (I _T ) đi qua điện trở shunt chỉ với một phần rất nhỏ dòng điện cần thiết để FSD đi qua cuộn dây chuyển động, do đó biến đổi điện kế thành một ampe kế bằng cách chỉ cần nối song song một điện trở đủ nhỏ với nó như được hiển thị.

Điện trở Shunt của Ampe kế

Lưu ý rằng điện trở shunt này, R _S sẽ luôn thấp hơn điện trở bên trong của cuộn dây, R _G để chuyển hướng dòng điện khỏi các cuộn dây của cuộn dây. Sau đó, sự kết hợp giữa chuyển động của đồng hồ với điện trở shunt bên ngoài này tạo thành cơ sở của một ampe kế tương tự đơn giản bất kể FSD là gì cho một đồng hồ cụ thể. Ví dụ, cùng một điện kế có thể được sử dụng để đo dòng điện từ 0 đến 1 ampe, 0 đến 5 ampe, hoặc 0 đến 10 ampe, v.v. chỉ bằng cách sử dụng các giá trị khác nhau của điện trở shunt với cùng một chuyển động của đồng hồ và sửa đổi thang đo cho phù hợp. .

Ví dụ về ampe kế No1

Một điện kế có điện trở cuộn dây chuyển động bên trong là 100Ω và cho độ lệch toàn thang là 3mA. Tính giá trị của điện trở shunt cần thiết để biến đồng hồ PMMC thành ampe kế DC có dải từ 0 đến 5 ampe.

Dữ liệu đã cho: R _G  = 100Ω , I _G  = 3mA và I _{T (max)}  = 5 Ampe

Do đó, cần có điện trở 0,06Ω hoặc 60 mili-ohm (60mΩ) để đo cường độ dòng điện tối đa là 5 ampe.

Ví dụ về ampe kế số 2

Một máy đo PMMC có điện trở cuộn dây là 200Ω và thang đo con trỏ tuyến tính được đánh dấu bằng 25 vạch chia. Nếu đồng hồ có độ nhạy 4mA trên mỗi vạch chia, hãy tính điện trở shunt cần thiết để đo dòng điện tối đa là 20 ampe.

Nếu 4mA = 1 vạch chia, thì 25 vạch chia = 25 * 4mA = 100mA, hoặc 0,1 ampe. Do đó đồng hồ PMMC có FSD là 100mA.

Sau đó, hy vọng chúng ta có thể thấy rằng tổng điện trở do ampe kế đưa ra xấp xỉ bằng giá trị của điện trở shunt được kết nối R _S và rõ ràng trở nên nhỏ hơn khi dòng điện đo được tăng lên. Như vậy tác dụng tải của ampe kế khi mắc nối tiếp với thành phần mạch có cường độ dòng điện cần đo giảm đi rất nhiều. Lý tưởng nhất, tổng trở của ampe kế sẽ bằng không. Vì điện trở shunt được sử dụng cho ampe kế có giá trị điện trở rất thấp, thường chúng phải được làm từ dây có đường kính tương đối lớn, hoặc các mảnh đồng đặc. Các shunts dòng điện cao thường được bán dưới dạng các thanh đồng đã được hiệu chuẩn để tạo ra một điện áp giảm cụ thể tính bằng mil-volt (mV).

Đo dòng điện

Như chúng ta đã thấy trước đó trong hướng dẫn về vôn kế, các tài liệu đo sử dụng điện kế có thể được chuyển đổi thành đồng hồ đo nhiều dải bằng cách bổ sung dải điện trở phù hợp và một công tắc chọn. Ampe kế DC đơn giản của chúng tôi có thể được mở rộng thêm bằng cách có một số điện trở shunt, mỗi điện trở có kích thước cho một phạm vi dòng điện cụ thể có thể được chọn từng cái một bằng một công tắc đa cực 4 hoặc 5 vị trí cho phép ampe kế của chúng tôi đo một loạt các dòng điện với một chuyển động duy nhất. Loại cấu hình ampe kế này được gọi là ampe kế đa dải.

Cấu hình ampe kế đa dải trực tiếp

Trong cấu hình ampe kế này, mỗi điện trở shunt, R _S của ampe kế đa dải được nối song song (shunted) với đồng hồ như trước để tạo ra dải ampe mong muốn. Vì vậy, nếu chúng ta giả sử đồng hồ FSD 100uA của chúng ta được yêu cầu để đo các dải dòng điện sau đây là 1mA, 10mA, 100mA và 1A, thì các điện trở shunt yêu cầu được tính giống như trước đây:

Cho một mạch ampe kế nhiều dãy trực tiếp gồm:

Trong khi cấu hình vôn kế trực tiếp này sẽ hoạt động, một trong những vấn đề lớn với thiết kế của nó là với loại công tắc chọn nhiều vị trí được sử dụng. Hầu hết các công tắc đều có hành động “ngắt trước khi thực hiện” (BM), có nghĩa là khi công tắc được xoay từ vị trí này sang vị trí khác để đọc một dòng điện khác, tại một thời điểm nhỏ điện trở shunt thực sự bị ngắt khỏi đồng hồ vì vậy tất cả dòng điện mạch đang được đo được chuyển hướng qua cuộn dây chuyển động của đồng hồ, điều này có thể làm hỏng hoặc không.

Một cách để khắc phục sự cố này là sử dụng công tắc hành động “make-before-break” (MB) đắt tiền hơn hoặc định cấu hình kết nối của các điện trở shunt theo cách mà khi công tắc bộ chọn được xoay, chúng vẫn được kết nối trong mạch, do đó bảo vệ chuyển động của đồng hồ mỏng manh. Một cách để đạt được điều này là sử dụng phương pháp ampe kế DC gián tiếp.

Cấu hình ampe kế đa dải gián tiếp

Một thiết kế thực tế hơn là cấu hình ampe kế gián tiếp trong đó một hoặc nhiều điện trở shunt được kết nối với nhau nối tiếp trên đồng hồ để tạo ra dải dòng mong muốn. Ưu điểm ở đây là cũng như việc sử dụng các giá trị ưu tiên tiêu chuẩn cho các điện trở shunt, tại bất kỳ thời điểm nào, chuyển động của đồng hồ mỏng manh sẽ bị ngắt bởi một giá trị điện trở. Vì vậy, nếu chúng tôi giả định lại đồng hồ FSD 50mV của chúng tôi và các phạm vi hiện tại là 1mA, 10mA, 100mA và 1A như trước, thì các giá trị điện trở yêu cầu được tính toán lại như sau:

Cho một mạch ampe kế nhiều dãy gián tiếp gồm:

Sau đó, chúng ta đã thấy ở đây trong cấu hình ampe kế tương tự 5 vị trí gián tiếp này rằng dòng điện được đo càng cao, giá trị của điện trở shunt được chọn bởi công tắc càng thấp. Tổng điện trở được kết nối song song với đồng hồ PMMC sẽ là tổng của các điện trở, như R _{TỔNG CỘNG} = R _S1 + R _S2 + R _S3 + R _S4 . Rõ ràng khi đó trong khi hai mạch, cấu hình ampe kế trực tiếp và gián tiếp đều có thể đọc cường độ dòng điện như nhau, thì cấu hình ampe kế gián tiếp được ưu tiên hơn vì nó bảo vệ đồng hồ đo PMMC khỏi tình trạng quá dòng khi công tắc bộ chọn đang được xoay.

Các ampe kế tương tự giúp đọc nhanh chóng và chính xác các ampe chạy quanh mạch và chuyển động của điện kế tương tự có thể được sử dụng để hiển thị một loạt cường độ dòng điện chỉ đơn giản bằng cách thay đổi giá trị điện trở của shunt. Ampe kế không tâm có sẵn và hữu ích để hiển thị hướng của dòng điện, tức là chúng có thể chỉ ra dòng điện “dương” hoặc dòng “âm”.

Việc lựa chọn giá trị điện trở shunt cuối cùng sẽ phụ thuộc vào FSD của điện kế đang được sử dụng làm ampe kế cũng như các mức dòng điện được đo cho dù thang đo của đồng hồ được hiệu chuẩn bằng ampe, miliampe hay microampe. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta muốn đo ampe 10 hoặc thậm chí 100. Các nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng ngoại trừ việc shunt hiện tại sẽ cần phải là một điện trở có giá trị cực thấp, thường ở giá trị milli-ohm (mΩ) hoặc nhỏ hơn.

Các ampe kế DC hiện tại có sẵn hoàn chỉnh với các shunt đã được hiệu chỉnh để cung cấp điện áp giảm cần thiết qua shunt để cấp nguồn cho đồng hồ PMMC. Điện áp giảm xuống thấp đến 10mV hoặc 20mV có sẵn để cung cấp sự chuyển đổi chính xác của dòng điện một chiều chính để đồng hồ hiển thị với các số đọc toàn thang thành hàng trăm ampe. Cũng nên nhớ rằng khi định cỡ điện trở shunt của ampe kế để mang dòng điện lớn, cần phải tính đến sự tiêu tán công suất I ² R của nó nếu không chúng có thể quá nóng và bị hỏng.

Việc đo dòng điện xoay chiều lớn cần sử dụng máy biến dòng. Như chúng ta đã thảo luận trong hướng dẫn về Máy biến dòng , một ampe kế toàn thang 5A có thể được sử dụng với máy biến dòng thích hợp và được hiệu chuẩn với máy biến áp đã chọn.