Amperemeter-Design

Amperemeter messen elektrischen Strom

Ein Messgerät zum Messen von elektrischem Strom wird im Volksmund „Amperemeter“ genannt, da die Maßeinheit „Ampere“ ist.

In Amperemeter-Designs werden externe Widerstände hinzugefügt, um den nutzbaren Bereich des Uhrwerks zu erweitern, parallel mit dem Uhrwerk und nicht in Reihe, wie dies bei Voltmetern der Fall ist. Dies liegt daran, dass wir den gemessenen Strom, nicht die gemessene Spannung, auf das Uhrwerk aufteilen möchten, und weil Stromteilerschaltungen immer durch Parallelwiderstände gebildet werden.

Ein Amperemeter entwerfen

Wenn wir die gleiche Bewegung des Messgeräts wie das Voltmeter-Beispiel nehmen, können wir sehen, dass es ein sehr begrenztes Instrument sein würde, bei dem die volle Auslenkung bei nur 1 mA auftritt:

Wie bei der Erweiterung der Spannungsmessfähigkeit eines Zählerwerks müssten wir die Skala des Uhrwerks entsprechend neu beschriften, damit sie für einen erweiterten Strombereich anders angezeigt wird. Wenn wir zum Beispiel ein Amperemeter mit einem Skalenendwert von 5 Ampere unter Verwendung des gleichen Messwerks wie zuvor entwerfen wollten (mit einem intrinsischen Skalenendwert von nur 1 mA), müssten wir die Bewegung des Uhrwerks neu beschriften Skala, um 0 A ganz links und 5 A ganz rechts abzulesen, anstatt wie zuvor 0 mA bis 1 mA.

Welchen erweiterten Bereich auch immer die parallel geschalteten Widerstände bieten, müssen wir grafisch auf der Messfläche des Messgeräts darstellen.

Unter Verwendung von 5 Ampere als erweiterten Bereich für unsere Beispielbewegung bestimmen wir den Betrag des Parallelwiderstands, der erforderlich ist, um den Großteil des Stroms zu „shunten“ oder zu umgehen, sodass nur 1 mA bei einem Gesamtstrom von 5 A durch die Bewegung fließt:

Aus unseren gegebenen Werten für Bewegungsstrom, Bewegungswiderstand und Gesamtstromkreis (gemessen) können wir die Spannung über der Zählerbewegung bestimmen (Ohmsches Gesetz, angewendet auf die Mittelsäule, E=IR):

Da wir wissen, dass der durch das Uhrwerk und den Shunt gebildete Stromkreis eine parallele Konfiguration hat, wissen wir, dass die Spannung über dem Uhrwerk, dem Shunt und den Messleitungen (insgesamt) gleich sein muss:

Wir wissen auch, dass der Strom durch den Shunt die Differenz zwischen dem Gesamtstrom (5 Ampere) und dem Strom durch das Uhrwerk (1 mA) sein muss, da sich Zweigströme in einer parallelen Konfiguration addieren:

Dann können wir mit dem Ohmschen Gesetz (R=E/I) in der rechten Spalte den erforderlichen Shunt-Widerstand bestimmen:

Natürlich hätten wir den gleichen Wert von etwas mehr als 100 Milli-Ohm (100 mΩ) für den Shunt berechnen können, indem wir den Gesamtwiderstand (R=E/I; 0,5 Volt/5 Ampere =100 mΩ genau) berechnet und dann die Parallele bearbeitet haben Widerstandsformel rückwärts, aber die Arithmetik wäre schwieriger gewesen:

Ein Amperemeter in realen Designs

Im wirklichen Leben ist der Shunt-Widerstand eines Amperemeters normalerweise unsichtbar im schützenden Metallgehäuse der Zählereinheit untergebracht. Beachten Sie den Aufbau des Amperemeters auf dem folgenden Foto:

Dieses spezielle Amperemeter ist ein von Stewart-Warner hergestelltes Automobilgerät. Obwohl das D'Arsonval-Meterwerk selbst wahrscheinlich einen Skalenendwert im Bereich von Milliampere hat, hat das Messgerät als Ganzes einen Bereich von +/- 60 Ampere. Der Shunt-Widerstand, der diesen Hochstrombereich bereitstellt, befindet sich im Metallgehäuse des Messgeräts.

Beachten Sie auch bei diesem speziellen Messgerät, dass die Nadel bei Null Ampere zentriert und entweder einen „positiven“ Strom oder einen „negativen“ Strom anzeigen kann. An den Batterieladestromkreis eines Autos angeschlossen, kann dieses Messgerät einen Ladezustand (Strom fließt vom Generator zur Batterie) oder einen Entladezustand (Strom fließt von der Batterie zu den restlichen Lasten des Autos) anzeigen.

Vergrößerung des nutzbaren Bereichs eines Amperemeters

Wie bei Mehrbereichsvoltmetern können Amperemeter mehr als einen nutzbaren Bereich erhalten, indem mehrere Shunt-Widerstände eingebaut werden, die mit einem mehrpoligen Schalter geschaltet werden:

Beachten Sie, dass die Bereichswiderstände über den Schalter parallel zur Bewegung des Messgeräts und nicht in Reihe geschaltet sind, wie es beim Voltmeter-Design der Fall war. Der 5-Stufen-Schalter kontaktiert natürlich immer nur einen Widerstand. Jeder Widerstand ist entsprechend für einen anderen Skalenendwert dimensioniert, basierend auf der jeweiligen Nennleistung des Messwerks (1 mA, 500 Ω).

Bei einem derartigen Messgerätdesign wird jeder Widerstandswert durch dieselbe Technik bestimmt, wobei ein bekannter Gesamtstrom, ein bekannter Auslenkungs-Nennwert der Bewegung und ein Bewegungswiderstand verwendet werden. Für ein Amperemeter mit Messbereichen von 100 mA, 1 A, 10 A und 100 A wären die Shunt-Widerstände wie folgt:

Beachten Sie, dass diese Shunt-Widerstandswerte sehr niedrig sind! 5.00005 mΩ sind 5.00005 Milli-Ohm oder 0.00500005 Ohm! Um diese niedrigen Widerstände zu erreichen, müssen Amperemeter-Shunt-Widerstände oft aus Drähten mit relativ großem Durchmesser oder massiven Metallstücken maßgefertigt werden.

Bei der Dimensionierung von Amperemeter-Shunt-Widerständen ist der Faktor der Verlustleistung zu beachten. Im Gegensatz zum Voltmeter müssen die Messwiderstände eines Amperemeters große Strommengen führen. Wenn diese Shunt-Widerstände nicht entsprechend dimensioniert sind, können sie überhitzen und beschädigt werden oder zumindest aufgrund von Überhitzung an Genauigkeit verlieren. Für das obige Beispielmessgerät beträgt die Verlustleistung bei voller Anzeige (die doppelten Wellenlinien stellen in der Mathematik „ungefähr gleich“ dar):

Ein 1/8-Watt-Widerstand würde für R₄ . gut funktionieren , ein 1/2-Watt-Widerstand würde für R₃ . ausreichen und 5 Watt für R₂ (Obwohl Widerstände dazu neigen, ihre Langzeitgenauigkeit besser beizubehalten, wenn sie nicht in der Nähe ihrer Nennverlustleistung betrieben werden, sollten Sie die Widerstände R₂ überbewerten und R₃ ), aber präzise 50-Watt-Widerstände sind in der Tat seltene und teure Komponenten. Für R₁ . muss möglicherweise ein kundenspezifischer Widerstand aus Metallmaterial oder dickem Draht konstruiert werden um sowohl die Anforderungen eines niedrigen Widerstands als auch einer hohen Nennleistung zu erfüllen.

Manchmal werden Shunt-Widerstände in Verbindung mit Voltmetern mit hohem Eingangswiderstand verwendet, um den Strom zu messen. In diesen Fällen ist der Strom durch die Voltmeterbewegung klein genug, um als vernachlässigbar angesehen zu werden, und der Shunt-Widerstand kann entsprechend der Volt- oder Millivolt-Abnahme pro Ampere Strom bemessen werden:

Wenn beispielsweise der Shunt-Widerstand in der obigen Schaltung genau 1 betragen würde, würde 1 Volt für jedes Ampere Strom durch ihn fallen. Die Voltmeteranzeige könnte dann als direkte Anzeige des Stroms durch den Shunt verwendet werden.

Um sehr kleine Ströme zu messen, könnten höhere Werte des Shunt-Widerstands verwendet werden, um mehr Spannungsabfall pro gegebener Stromeinheit zu erzeugen, wodurch der nutzbare Bereich des (Volt-)Meters auf niedrigere Strommengen erweitert wird. Der Einsatz von Voltmetern in Verbindung mit niederohmigen Shunt-Widerständen zur Strommessung ist in industriellen Anwendungen weit verbreitet.

Verwendung eines Shunt-Widerstands und eines Voltmeters anstelle eines Amperemeters

Die Verwendung eines Shunt-Widerstands zusammen mit einem Voltmeter zur Strommessung kann ein nützlicher Trick sein, um die Aufgabe häufiger Strommessungen in einer Schaltung zu vereinfachen. Um den Strom durch einen Stromkreis mit einem Amperemeter zu messen, müsste normalerweise der Stromkreis unterbrochen (unterbrochen) und das Amperemeter wie folgt zwischen die getrennten Drahtenden eingefügt werden:

Wenn wir eine Schaltung haben, in der der Strom oft gemessen werden muss, oder wir den Prozess der Strommessung einfach einfacher machen möchten, könnte ein Shunt-Widerstand zwischen diesen Punkten platziert und dort dauerhaft belassen werden, Strommessungen nach Bedarf mit einem Voltmeter ohne den Durchgang im Stromkreis zu unterbrechen:

Natürlich muss der Shunt-Widerstand klein genug dimensioniert werden, damit er den normalen Betrieb der Schaltung nicht beeinträchtigt, aber dies ist im Allgemeinen nicht schwierig. Diese Technik könnte auch bei der Analyse von Computerschaltungen nützlich sein, wo der Computer den Strom durch eine Schaltung in Form einer Spannung anzeigen soll (mit SPICE würde dies es uns ermöglichen, die Eigenart des Lesens negativer Stromwerte zu vermeiden):

Shunt-Widerstand Beispielschaltung 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 

Wir würden den Spannungswert am Shunt-Widerstand (zwischen den Schaltungsknoten 1 und 2 in der SPICE-Simulation) direkt als Ampere interpretieren, wobei 7,999E-04 0,7999 mA oder 799,9 µA entspricht. Im Idealfall würden uns 12 Volt, die direkt über 15 kΩ angelegt werden, genau 0,8 mA ergeben, aber der Widerstand des Shunts verringert diesen Strom nur ein kleines bisschen (wie im wirklichen Leben).

Ein solch winziger Fehler liegt jedoch im Allgemeinen innerhalb der akzeptablen Genauigkeitsgrenzen für eine Simulation oder eine reale Schaltung, sodass Shunt-Widerstände in allen Anwendungen mit Ausnahme der anspruchsvollsten Anwendungen für genaue Strommessungen verwendet werden können.

RÜCKBLICK:

• Amperemeterbereiche werden durch Hinzufügen von parallelen „Shunt“-Widerständen zum Bewegungskreis erzeugt, die eine präzise Stromteilung ermöglichen.
• Shunt-Widerstände können eine hohe Verlustleistung haben, seien Sie also vorsichtig, wenn Sie Teile für solche Messgeräte auswählen!
• Shunt-Widerstände können in Verbindung mit hochohmigen Voltmetern sowie niederohmigen Amperemeter-Bewegungen verwendet werden und erzeugen genaue Spannungsabfälle bei gegebenen Stromstärken. Shunt-Widerstände sollten mit einem möglichst niedrigen Widerstandswert ausgewählt werden, um ihre Auswirkungen auf den zu testenden Schaltkreis zu minimieren.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Amperemeter-Design