Ammeterontwerp

Ammeters meten elektrische stroom

Een meter die is ontworpen om elektrische stroom te meten, wordt in de volksmond een "ampèremeter" genoemd omdat de meeteenheid "ampère" is.

In ampèremeterontwerpen zijn externe weerstanden toegevoegd om het bruikbare bereik van de beweging te vergroten parallel met het uurwerk in plaats van in serie zoals bij voltmeters het geval is. Dit komt omdat we de gemeten stroom willen delen, niet de gemeten spanning, naar de beweging gaan, en omdat stroomdelercircuits altijd worden gevormd door parallelle weerstanden.

Een ampèremeter ontwerpen

Als we dezelfde beweging van de meter nemen als het voorbeeld van de voltmeter, kunnen we zien dat het op zichzelf een zeer beperkt instrument zou zijn, waarbij volledige afbuiging optreedt bij slechts 1 mA:

Zoals het geval is bij het uitbreiden van het spanningsmeetvermogen van een meterbeweging, zouden we de schaal van de beweging dienovereenkomstig opnieuw moeten labelen, zodat deze anders leest voor een groter stroombereik. Als we bijvoorbeeld een ampèremeter willen ontwerpen met een volledig bereik van 5 ampère met dezelfde beweging van de meter als voorheen (met een intrinsiek volledig bereik van slechts 1 mA), zouden we de bewegingswaarden opnieuw moeten labelen schaal om 0 A helemaal links en 5 A helemaal rechts af te lezen, in plaats van 0 mA tot 1 mA zoals voorheen.

Welk uitgebreid bereik ook wordt geboden door de parallel geschakelde weerstanden, we zouden grafisch moeten weergeven op het bewegingsvlak van de meter.

Laten we, gebruikmakend van 5 ampère als een groter bereik voor onze monsterbeweging, de hoeveelheid parallelle weerstand bepalen die nodig is om het grootste deel van de stroom te "shunten" of te omzeilen, zodat slechts 1 mA door de beweging gaat met een totale stroom van 5 A:

Uit onze gegeven waarden van bewegingsstroom, bewegingsweerstand en totale circuit (gemeten) stroom, kunnen we de spanning over de meterbeweging bepalen (de wet van Ohm toegepast op de middelste kolom, E =IR):

Wetende dat het circuit gevormd door de beweging en de shunt een parallelle configuratie heeft, weten we dat de spanning over de beweging, shunt en meetsnoeren (totaal) hetzelfde moet zijn:

We weten ook dat de stroom door de shunt het verschil moet zijn tussen de totale stroom (5 ampère) en de stroom door de beweging (1 mA), omdat takstromen een parallelle configuratie toevoegen:

Vervolgens kunnen we met behulp van de wet van Ohm (R=E/I) in de rechterkolom de benodigde shuntweerstand bepalen:

Natuurlijk hadden we dezelfde waarde van iets meer dan 100 milli-ohm (100 mΩ) voor de shunt kunnen berekenen door de totale weerstand (R=E/I; 0,5 volt/5 ampère =100 mΩ exact) te berekenen, en dan de parallel te werken. weerstandsformule achteruit, maar de rekenkunde zou uitdagender zijn geweest:

Een ampèremeter in levensechte ontwerpen

In het echte leven zit de shuntweerstand van een ampèremeter meestal verborgen in de beschermende metalen behuizing van de metereenheid, aan het zicht onttrokken. Let op de constructie van de ampèremeter op de volgende foto:

Deze specifieke ampèremeter is een auto-eenheid vervaardigd door Stewart-Warner. Hoewel het D'Arsonval-meteruurwerk zelf waarschijnlijk een volledige schaalclassificatie heeft in het bereik van milliampère, heeft de meter als geheel een bereik van +/- 60 ampère. De shuntweerstand die dit hoge stroombereik levert, is ingesloten in de metalen behuizing van de meter.

Merk ook op dat bij deze specifieke meter de naald centreert op nul ampère en een "positieve" stroom of een "negatieve" stroom kan aangeven. Deze meter is aangesloten op het acculaadcircuit van een auto en kan een laadtoestand (stroom die van de generator naar de batterij vloeit) of een ontlaadtoestand (stroom die van de batterij naar de rest van de ladingen van de auto vloeit) aangeven.

Het bruikbare bereik van een ampèremeter vergroten

Zoals het geval is met voltmeters met meerdere bereiken, kunnen ampèremeters meer dan één bruikbaar bereik krijgen door meerdere shuntweerstanden op te nemen die geschakeld zijn met een meerpolige schakelaar:

Merk op dat de bereikweerstanden via de schakelaar zijn aangesloten om parallel te zijn met de beweging van de meter, in plaats van in serie zoals bij het ontwerp van de voltmeter. De vijfstandenschakelaar maakt natuurlijk maar met één weerstand tegelijk contact. Elke weerstand is dienovereenkomstig gedimensioneerd voor een ander volledig bereik, gebaseerd op de specifieke classificatie van de meterbeweging (1 mA, 500 Ω).

Met een dergelijk meterontwerp wordt elke weerstandswaarde bepaald met dezelfde techniek, met behulp van een bekende totale stroom, volledige doorbuiging van de beweging en bewegingsweerstand. Voor een ampèremeter met een bereik van 100 mA, 1 A, 10 A en 100 A zouden de shuntweerstanden als volgt zijn:

Merk op dat deze shuntweerstandswaarden erg laag zijn! 5.00005 mΩ is 5.00005 milli-ohm of 0.0050005 ohm! Om deze lage weerstanden te bereiken, moeten shuntweerstanden voor ampèremeters vaak op maat worden gemaakt van draad met een relatief grote diameter of massieve stukken metaal.

Een ding om op te letten bij het dimensioneren van ampèremeter-shuntweerstanden is de factor vermogensdissipatie. In tegenstelling tot de voltmeter moeten de bereikweerstanden van een ampèremeter grote hoeveelheden stroom dragen. Als die shuntweerstanden niet dienovereenkomstig gedimensioneerd zijn, kunnen ze oververhit raken en schade oplopen, of op zijn minst nauwkeurigheid verliezen door oververhitting. Voor de voorbeeldmeter hierboven zijn de vermogensdissipaties bij volledige schaalaanduiding (de dubbele kronkelende lijnen vertegenwoordigen "ongeveer gelijk aan" in de wiskunde):

Een weerstand van 1/8 watt zou prima werken voor R₄ , zou een weerstand van 1/2 watt voldoende zijn voor R₃ en een 5 watt voor R₂ (hoewel weerstanden de neiging hebben hun nauwkeurigheid op lange termijn beter te behouden als ze niet in de buurt van hun nominale vermogensdissipatie worden gebruikt, dus misschien wilt u weerstanden R₂ overschatten en R₃ ), maar precisieweerstanden van 50 watt zijn inderdaad zeldzame en dure componenten. Een aangepaste weerstand gemaakt van metalen voorraad of dikke draad moet mogelijk worden geconstrueerd voor R₁ om te voldoen aan zowel de vereisten van lage weerstand als een hoog vermogen.

Soms worden shuntweerstanden gebruikt in combinatie met voltmeters met een hoge ingangsweerstand om de stroom te meten. In deze gevallen is de stroom door de voltmeterbeweging klein genoeg om als verwaarloosbaar te worden beschouwd, en de shuntweerstand kan worden aangepast aan het aantal volt of millivolt druppel dat wordt geproduceerd per ampère stroom:

Als de shuntweerstand in het bovenstaande circuit bijvoorbeeld precies 1 zou hebben, zou er 1 volt over vallen voor elke ampère stroom erdoorheen. De indicatie van de voltmeter kan dan worden opgevat als een directe indicatie van de stroom door de shunt.

Voor het meten van zeer kleine stromen kunnen hogere waarden van de shuntweerstand worden gebruikt om meer spanningsval per gegeven stroomeenheid te genereren, waardoor het bruikbare bereik van de (volt)meter wordt uitgebreid tot lagere stroomhoeveelheden. Het gebruik van voltmeters in combinatie met laagwaardige shuntweerstanden voor het meten van stroom komt vaak voor in industriële toepassingen.

Een shuntweerstand en een voltmeter gebruiken in plaats van een ampèremeter

Het gebruik van een shuntweerstand samen met een voltmeter om stroom te meten kan een handige truc zijn om de taak van frequente stroommetingen in een circuit te vereenvoudigen. Normaal gesproken, om stroom door een circuit te meten met een ampèremeter, zou het circuit moeten worden verbroken (onderbroken) en de ampèremeter tussen de gescheiden draaduiteinden moeten worden geplaatst, zoals dit:

Als we een circuit hebben waar de stroom vaak moet worden gemeten, of als we het proces van stroommeting gewoon gemakkelijker willen maken, kan een shuntweerstand tussen die punten worden geplaatst en daar permanent worden gelaten, stroommetingen worden indien nodig met een voltmeter gedaan zonder de continuïteit in het circuit te onderbreken:

Natuurlijk moet er op worden gelet dat de shuntweerstand laag genoeg is, zodat deze de normale werking van het circuit niet nadelig beïnvloedt, maar dit is over het algemeen niet moeilijk om te doen. Deze techniek kan ook nuttig zijn bij de analyse van computercircuits, waarbij we misschien willen dat de computer de stroom door een circuit weergeeft in termen van een spanning (met SPICE zou dit ons in staat stellen de eigenaardigheid van het lezen van negatieve stroomwaarden te vermijden):

shuntweerstand voorbeeld 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 

We zouden de spanningswaarde over de shuntweerstand (tussen circuitknooppunten 1 en 2 in de SPICE-simulatie) direct interpreteren als ampère, waarbij 7.999E-04 0.7999 mA of 799,9 A is. In het ideale geval zou 12 volt direct over 15 kΩ ons precies 0,8 mA geven, maar de weerstand van de shunt vermindert die stroom maar een heel klein beetje (zoals in het echte leven).

Een dergelijke kleine fout valt echter over het algemeen ruim binnen de acceptabele nauwkeurigheidsgrenzen voor een simulatie of een echt circuit, en daarom kunnen shuntweerstanden worden gebruikt in alle behalve de meest veeleisende toepassingen voor nauwkeurige stroommeting.

BEOORDELING:

• Ammeterbereiken worden gecreëerd door parallelle "shunt"-weerstanden aan het bewegingscircuit toe te voegen, waardoor een nauwkeurige stroomverdeling wordt verkregen.
• Shuntweerstanden kunnen hoge vermogensdissipaties hebben, dus wees voorzichtig bij het kiezen van onderdelen voor dergelijke meters!
• Shuntweerstanden kunnen worden gebruikt in combinatie met voltmeters met hoge weerstand en bewegingen van ampèremeters met lage weerstand, waardoor nauwkeurige spanningsdalingen voor bepaalde stroomhoeveelheden worden geproduceerd. Shuntweerstanden moeten worden gekozen voor een zo laag mogelijke weerstandswaarde om hun impact op het te testen circuit te minimaliseren.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Ampèremeterontwerp