15.3. ШУНТЫ И ДОБАВОЧНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Рамка магнитоэлектрического прибора имеет катушку, выполненную из тонкого провода, рассчитанного на очень маленький ток. Поэтому магнитоэлектрические амперметры могут измерять ток величиной несколько десятков миллиампер.

Как же быть, если нужно измерить значительно больший ток, например, несколько десятков ампер? Может быть, перемотать обмотку прибора более толстым проводом? Нет, такое решение будет неудачным. Рамка прибора станет очень тяжелой, возрастут трение в опорах и погрешность прибора. Кроме того, придется поставить спиральные пружинки из более толстой проволоки. Они будут иметь большую жесткость, и силы электромагнитного взаимодействия не смогут повернуть стрелку прибора.

Рис. 15.3. Схема включения шунта для расширения пределов измерения амперметра

Пойдем по другому пути. Как в реке делают отводной канал, так и в электрической цепи можно отвести часть тока в боковую связь, в которую и включить амперметр магнитоэлектрической системы.

Для этого применяют шунт — резистор с очень малым сопротивлением, который включают параллельно прибору (рис. 15.3).

Распределение токов в рамке амперметра и в шунте обратно пропорционально их сопротивлениям:

Измеряемый ток равен сумме токов:

Выразим ток в шунте из первой формулы и подставим это значение во вторую.

Получим

Коэффициент К называют коэффициентом шунтирования. Он показывает, во сколько раз нужно увеличить показания амперметра с шунтом, чтобы получить измеряемый ток. Коэффициент шунтирования равен

Если известны коэффициент шунтирования и сопротивление амперметра, легко найти сопротивление шунта:

Пример 1. Определить сопротивление шунта, который необходим, чтобы амперметром на 1 А с сопротивлением 0,075 Ом измерить ток величиной 25 А.

Прежде всего определим коэффициент шунтирования:

Теперь можно найти сопротивление шунта:

Заметим, что это сопротивление должно быть выдержано очень точно, иначе при измерении возникает большая ошибка.

Мы видим, что шунт представляет собой резистор с очень маленьким сопротивлением. Поэтому шунт делают в виде короткой пластинки довольно большого сечения (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Конструкция шунта. Манганиновая пластинка довольно большого сечения имеет четыре зажима. Силовые зажимы служат для подключения измеряемого тока, к потенциальным зажимам подключают измерительный прибор. Такая конструкция уменьшает влияние переходного сопротивления контактов на точность измерения

Из какого материала изготовить шунт? Очевидно, что медь не подходит. Медный шунт будет изменять сопротивление при нагревании, и появится большая ошибка. Нужен материал, который имеет постоянное сопротивление при любой температуре. Таким материалом является манганин (сплав меди, марганца и никеля). Его температурный коэффициент в 100 раз меньше, чем меди.

На рис. 15.4 Вы видите, что шунт имеет не два зажима, а четыре. Два больших зажима служат для подключения шунта в цепь измеряемого тока. К двум маленьким зажимам подключают магнитоэлектрический прибор.

Это сделано для того, чтобы исключить влияние переходного сопротивления контактов.

Приборостроительные заводы выпускают стандартные шунты на различные токи. При этом желательно, чтобы шунт подходил к каждому амперметру.

Для этого шунт и амперметр должны иметь одинаковое падение напряжения при номинальном токе:

Пусть, например, при полном отклонении стрелки амперметра на 1 А падение напряжения на его сопротивлении составляет 75 мВ (это наиболее распространенное значение). Все шунты, у которых падение напряжения также равно 75 мВ, могут работать с этим прибором и с любыми другими приборами на 75 мВ. Это могут быть шунты на 10, 15, 25, 100 А.

На шунте указываются только падение напряжения и номинальный ток. Сопротивление шунта в наших рассуждениях не участвует. Конечно, задать напряжение и ток — то же самое, что задать сопротивление, однако на практике это гораздо удобнее.

Мы видели, что использование закона Ома помогает подобрать шунт к амперметру. Этот замечательный закон позволяет также при помощи амперметра измерять напряжение в цепи. Действительно, если измерить ток в цепи, сопротивление которой известно, то по закону Ома

Конечно, нет необходимости каждый раз производить умножение. Достаточно сделать это один раз и на шкале прибора проставить не амперы, а вольты.

Рис. 35.5. Добавочное сопротивление в цепи амперметра превращает его в вольтметр

Практически для того чтобы амперметр превратить в вольтметр, последовательно с рамкой магнитоэлектрического прибора подключают резистор с большим сопротивлением (рис. 15,5).

Это добавочное сопротивление нужно прибавить к сопротивлению рамки прибора, чтобы получить полное сопротивление цепи:

Пример 2. Определить величину добавочного сопротивления в цепи магнитоэлектрического прибора, - сопротивление которого 100 Ом, а номинальный ток 5 мА, если необходимо измерить напряжение 150 В.

Определим полное сопротивление цепи вольтметра:

Из этого значения нужно вычесть сопротивление прибора:

Для добавочных резисторов используют манганиновую проволоку, поэтому величина добавочного сопротивления при нагреве не изменяется.

Иногда используют набор добавочных резисторов с переключателем. Тогда получают универсальный прибор на несколько пределов измерения.

Теперь мы можем поговорить еще об одной важной характеристике прибора о мощности, которая выделяется в самом приборе, шунте или добавочном резисторе. Электрики называют эту мощность собственным потреблением прибора.

Собственное потребление прибора должно быть по возможности малым. Иногда говорят по-другому: прибор, включенный в электрическую цепь, не должен изменять режим ее работы.

Собственное потребление магнитоэлектрических приборов очень мало, это — сотые и тысячные доли ватта. Поэтому в электротехнических установках это правило всегда выполняется. Но в электронных устройствах подключение электроизмерительного прибора может существенно изменить распределение токов и напряжений. Тогда используют электронные вольтметры, собственное потребление которых чрезвычайно мало.

В самом начале этой книги мы говорили о правилах подключения амперметра и вольтметра. Амперметр измеряет ток и включается в цепь последовательно. В нем выделяется мощность

Для уменьшения собственного потребления сопротивление амперметра должно быть как можно меньше. На первый взгляд кажется, что проще уменьшить ток, который к тому же входит в формулу в квадрате. Тут следует вспомнить, что ток — измеряемая величина и от амперметра зависеть не может.

Для собственного потребления вольтметра удобнее использовать другую формулу:

Мы видим, что для уменьшения АР следует увеличивать сопротивление вольтметра. Чем оно больше, тем лучше прибор. Очень часто указывают сопротивление прибора в расчете на один вольт. В примере 2 мы получили вольтметр с сопротивлением 200 Ом/В. Это прибор низкого качества. Его собственное потребление составляет