Как измерить ток в цепи с любой точностью
В ряде случаев возникает необходимость в измерении тока. Например, при контроле тока отдаваемого источником питания в нагрузку или при измерениях. Конечно можно воспользоваться мультиметром, однако его точность не так велика. Рассмотрим, как измерить ток в любой цепи..
Содержание статьи
- Как измерить ток
- Резистор не должен ограничивать ток в цепи
- Выделяемая на резисторе мощность
- Точность снятие напряжения
- Высокоточные измерения
- Заключение
Измерить напрямую величину тока невозможно. Для измерения величины протекающего тока, в разрыв цепи устанавливается низкоомный резистор, на котором измеряется падение напряжения.
Аналогичным образом работает и обычный стрелочный амперметр, показанный в обложке статьи. Он представляет из себя вольтметр, шунтированный низкоомной проволочкой. Но сегодня стрелочные приборы уже не так актуальны.
Рассмотрим как измерить ток источника питания через нагрузку. Однако таким же образом можно мерить ток в любой цепи, в которую вы засунете резистор.
Обычно резистор для измерения тока устанавливается в разрыв между нагрузкой и землей. Падение напряжения снимается на выводах этого резистора, т.е. между точками A и B:
Зная сопротивление резистора и величину падения напряжения на нем, по закону дедушки Ома не составит труда посчитать ток в цепи:
Из закона Ома следует, что при токе величиной в 1 Ампер на резисторе, сопротивлением в 1 Ом будет падать 1 Вольт.
В качестве резистора можно использовать и отрезок проволоки из метала с высоким удельным сопротивлением. Например из константана. Добыть такую проволоку можно из проволочного переменного резистора.
На деле лучше использовать резисторы с сопротивлением меньше 1 Ома. При выборе конкретной величины сопротивления резистора следует учитывать несколько важных моментов, которые мы сейчас и рассмотрим.
Резистор не должен ограничивать ток в цепи
Допустим у нас имеется источник постоянного напряжения в 4 вольта, который может давать ток до 1 Ампера. В таком случае можно использовать резистор в 1 Ом.
Найти максимальный ток через резистор можно из того же закона Ома:
I = 4В / 1Ом = 4 A.
Максимальный ток источника ограничивается 1 Ампером, соответственно ограничение в 4 Ампера его в принципе не касается. Однако лучше взять резистор меньшего номинала. Почему? Вникаем дальше.
Выделяемая на резисторе мощностьЧем больше величина резистора, тем проще и точнее можно измерить падающее на нем напряжение, а следовательно и ток. Но обязательно стоит учитывать мощность, которая будет выделяться на резисторе в виде тепла. Мощность (P) находится из соотношения:
P = R*I2
Для примера, если предполагается измерять токи, величиной около 10 Ампер, то на резисторе сопротивлением всего 0.1 Ом будет может выделяться около 10 Ватт тепловой энергии.
Учитывая хотя бы двухкратный запас по мощности, для нормальной работы потребуется резистор мощностью в 20Ватт, а еще лучше на 50 Ватт. Проволочный резистор такой мощности выглядит например так:
Использовать кипятильник таких размеров, крайне нерезонно по двум причинам:
- Резистор будет сильно греться, а изменение температуры вызовет изменение сопротивления.
- Такой резистор создаст приличную дополнительную нагрузку для источника в те самые 10 ватт.
Логичнее использовать резистор сопротивлением 0.01 Ом и мощностью в 2 или 3 ватта. А еще лучше использовать маломощный прецизионный резистор сопротивлением 0.001 Ом.
Точность снятие напряженияИспользование резистора со столь малым сопротивлением вызывает некоторые трудности с измерениями. Величина падения напряжения на нем может лежать не намного выше уровня шумов.
По этой причине снимать падение напряжения необходимо не относительно земли, а непосредственно между выводами резистора (точки A и B), как это было показано выше.
Иначе сопротивление соединений и наводки на них могут дать ошибку измерений более 10%.
Наилучшим решением для снятия разности напряжений между двумя точками является дифференциальный усилитель. Он обладает симметричным входом, благодаря чему хорошо подавляет синфазные помехи.
Так же усилитель имеет огромное входное сопротивление, исключающее шунтирование измерительного резистора. При этом усилитель обладает низким выходным сопротивлением и к нему можно смело подключать любой вольтметр для зрительного контроля. Подробному рассмотрению схемы дифференциального усилителя посвящена отдельная статья.
Применительно к нашему случаю общая схема для измерения тока выглядит следующим образом:
Коэффициент усиления следует подбирать исходя из собственных нужд. Например, если необходимо измерять токи до 10 Ампер используя резистор 0.01 Ом, то максимальное падение напряжения на нем составит не более 0.1 вольта.
Установив коэффициент усиления равным 100, мы получим, что каждый вольт на выходе усилителя равен 1 амперу в измеряемой цепи.
Если вам требуется высокая точность измерений, то в описанной схеме необходимо применять прецизионные детали. В частности резисторы точностью не хуже 1% и операционный усилитель на подобии AD8066, AD8116, OPA2132 и тд. Но можно ограничиться и применением NE5532
Еще бОльшую точность при измерении тока даст применение инструментального усилителя:
Он является более совершенной версией описанного дифференциального усилителя. Это особенно актуально в случае использовании измерительного резистора сопротивлением 0.001 Ом.
Рассмотренный способ измерения тока является классическим и применяется повсеместно. Таким образом можно производить измерение тока практически в любой цепи и с любой точностью. В одной из следующих статей будет показано, как измерить ток если он переменный.
Не стесняйтесь делиться своим мнением в комментариях 🙂
Как измерить ток (практика на словах)
Теоретически с косвенным методом измерения электрического тока мы уже ознакомились.
Теперь немного скажем о том, как измерить ток с помощью амперметра практически.
Чаще на практике для измерений используются комбинированные приборы, которые народ окрестил тестерами. Наиболее распространённые модели в ходу среди начинающих радиолюбителей и молодых электриков мы как раз и рассмотрим. Все они похожи друг на друга, как близнецы, даже отечественные и китайские образцы. Один из представителей изображён на рисунке 1.
| Рисунок 1. Цифровой тестер и его основные элементы. |
Если Вам необходимо измерить ток в цепи и Вы решили воспользоваться прибором, подобным изображённому на рисунке 1, необходимо следующее:
1. Определить, в каких пределах будете измерять ток. Если не знаете, то нужно начинать с максимального предела. Данный прибор позволяет измерять постоянный ток от 0 в пределах от 2000 мкА до 10 А.
Переключатель пределов измерения (круглый в центре прибора) устанавливаете указателем на 10 в секторе пределов измерения постоянного тока.
2. Подключить щупы прибора. Что бы не путаться, старайтесь всегда пользоваться стандартными щупами маркированными цветом (обычно чёрный — общий, красный — измерительный), или какими то отличительными обозначениями. Тут нужно проявить особое внимание! Дело в том, что в таких типах приборов для измерения тока на пределе 10 А измерительный щуп прибора подключается к отдельной токоизмерительной клемме до 10А. При всех остальных режимах работы используется универсальная клемма. Общий щуп всегда подключается к общей клемме.
Если неверно оценить пределы величины измеряемого тока, например попытаться измерить ток 8А на пределе измерения 20m, то можно просто спалить прибор, и он либо перестанет работать, либо будет показывать “погоду”.
3. Определить схему включения прибора в цепь. Вам необходимо определиться, ток какого элемента цепи Вам нужно измерить.
| Рисунок 2. |
5. Теперь можно включить питание схемы и снять показание прибора.
Если прибор показал очень маленькую величину, и она вполне должна вписаться в предел измерения следующей низшей ступени пределов, то можно измерить ток при более низком пределе, но при этом, не забывайте, что если вы измеряли на пределе 10А, то для предела 200m необходимо переключить измерительный щуп с токоизмерительной клеммы на универсальную.
Например, если при измерении на пределе 10А прибор показал Вам значение 0.18, имеет смысл произвести измерение на пределе 200m.
При каждом переключении режимов измерения прибора не забывайте обесточивать (выключать) схему.
Примечание к схемам рис.2.
а). Простая цепь, содержащая всего один контур. Здесь может течь только один ток — через выключатель и лампу La1. Что бы измерить этот ток, достаточно включить в цепь амперметр последовательно лампе, как показано на рисунке 2. а-1).
б). Схема с параллельным включением 3-х потребителей. Для измерения тока любого элемента, например La2, амперметр включается в рассечку цепи последовательно этому элементу, как на схеме б-1). Аналогично и для элементов La1 и La3. По схеме б-2) амперметр покажет сумму токов, текущих через элементы La2 и La3. По схеме б-3) амперметр включен для измерения полного тока цепи, т.е. суммы токов всех трёх элементов La1, La2 и La3.
Через оба элемента будет течь один и тот же ток. Для измерения тока амперметр включается в рассечку цепи рис. в-1).г). Более сложная схема, но и в ней можно измерить ток любого элемента в отдельности, не зависимо от сложности схемы: г-1) ток La4; г-2) ток La3; г-3) ток La2, который по сути равен сумме токов La3 и La4; г-4) ток La1; г-5) полный ток всей цепи.
В качестве потребителей энергии может могут быть не только лампы, но и любые другие электротехнические устройства, на принцип измерений это не влияет.
Почему сгорают приборы?
Самая распространённая ошибка при измерении тока в цепи, это когда амперметр для измерения тока элемента по невнимательности или по незнанию горе-мастера подключают параллельно этому элементу. Рассмотрим рисунок 3.
Амперметр подключен параллельно нагрузке La1. Мы знаем, что амперметр имеет очень низкое сопротивление, т.е. практически является эквивалентом проводника электрического тока. Поэтому, при таком подключении прибора мы фактически шунтируем потребитель La1, и устраиваем устойчивое короткое замыкание.
— если схема обеспечена предохранителем или автоматическим выключателем, то в лучшем случае сгораем предохранитель или автоматический выключатель просто обесточивает схему;
— если в цепи элементы защиты от коротких замыканий (КЗ) отсутствуют, а) при недостаточной мощности и слабой нагрузочной характеристики источника питания выходит из строя источник питания, б) при достаточной мощности источника питания может сгореть обмотка измерительной головки амперметра, в виду слишком большого напряжения на шунте амперметра, либо сгорает сам шунт вместе с измерительной обмоткой.
Так что, основная причина порчи измерительных приборов, это невнимательность или неопытность их пользователей. Так что, прежде чем измерить что либо не совсем понятное, рекомендую хотя бы в теории разобраться в вопросе, и при первых попытках измерений не торопиться, продумывая и мысленно обосновывая каждый свой шаг. Когда всё начинает получаться, понимание приходит быстро, и в дальнейшем вопрос измерения тока любого элемента цепи больше не будет заставать Вас врасплох.
Хочу отметить, что данной моделью тестера можно измерить только величину постоянного тока. При измерении переменного тока прибор покажет Вам значение около 0.
При измерениях переменного тока методика остаётся той же. При этом стоит не забывать о включении прибора в нужный режим работы.
Удачных измерений.
Токовый пробник за 10 долларов. Как измерить ток с помощью осциллографа. Нейрохром
Как вы, наверное, заметили, статьи в моей базе знаний не содержат рекламы. Вместо того, чтобы отвлекать вас назойливой рекламой, прошу вашего пожертвования.
Измерение тока с помощью осциллографа: токовый пробник за 10 долларов
Возможность измерения тока с помощью осциллографа иногда может быть полезна, например, при характеристике неизвестного импеданса или при разработке ограничителей тока. Единственная загвоздка в том, что осциллограф измеряет напряжение во времени. Итак, чтобы измерить ток осциллографом, нужен какой-то токовый пробник. Такие датчики доступны в продаже, но их цены обычно начинаются с немного меньше 1000 долларов и достигают диапазона в несколько сотен долларов, что делает их недоступными для среднего любителя. К счастью, есть и другие варианты.
Резистор, чувствительный к току
Один из способов измерения тока — добавить небольшое сопротивление последовательно с измеряемым током. Использование резистора 0,1 Ом приведет к 0,1 В/А на резисторе.
Однако это работает лучше всего, если ток течет на землю. Если токоизмерительный резистор не может быть подключен к земле, необходимо выполнить дифференциальное измерение либо путем измерения разности напряжений на токоизмерительном резисторе с помощью двух щупов и вычисления разницы, либо с помощью дифференциального щупа. К сожалению, дифференциальные пробники также довольно дороги: цены начинаются примерно с 1 000 долларов и превышают 5 000 долларов.
Трансформаторы для измерения тока
Быстрый поиск на Mouser или Digikey позволяет найти сотни трансформаторов, предназначенных для измерения тока. Одним из привлекательных вариантов является Triad Magnetics CST-1030 (Mouser P/N: 553-CST-1030), который доступен менее чем за 10 долларов. Sparkfun предлагает еще один вариант: Sparkfun SEN-11005.
По данным Triad Magnetics, CST-1030 демонстрирует вторичное напряжение 0,0977 В/А при нагрузке резистором 100 Ом. Если вам нужен более удобный коэффициент преобразования 0,1 В/А, используйте 102 Ом.
Здесь хорошо подойдет металлопленочный резистор мощностью 250 мВт с допуском ±1%. Или, если у вас, как и у меня, есть полный набор резисторов EIA E-12 ±1%, вы обнаружите, что параллельное сочетание 120 Ом и 680 Ом также даст 102 Ом.
CST-1030 воспринимает токи до 30 A RMS. Я оснастил свой разъемом BNC для легкого подключения к тестовому оборудованию.
Трансформатор тока прост в использовании. Просто подайте провод с измеряемым током через отверстие в трансформаторе и измерьте выходную мощность трансформатора. Хотя этот трансформатор предназначен для использования на частоте сети (50-60 Гц), он на удивление широкополосный.
Полоса пропускания
Поскольку CST-1030 представляет собой трансформатор, а не датчик Холла, он, естественно, не может измерять постоянный ток. Однако, как показывает приведенное ниже измерение, он довольно близок.
Я провел это измерение, используя аудиоусилитель на базе LM3886 и Audio Precision APx525 для подачи синусоидального напряжения на резистивную нагрузку 4 Ом.
Для каждой точки измерения выходная амплитуда усилителя регулировалась таким образом, чтобы в нагрузке протекал желаемый испытательный ток. Ток нагрузки был измерен с помощью CST-1030 путем простой подачи выходного провода Speaker+ через трансформатор.
Полоса пропускания CST-1030 шире, чем измерительные возможности APx525, поэтому для нахождения точек -3 дБ я использовал генератор функций и мультиметр HP 34401A. При тестовом токе 250 мА CST-1030 показал полосу пропускания от 3,2 Гц до 330 кГц, что, безусловно, достаточно для измерений в звуковом диапазоне.
Повышение чувствительности
Единственным недостатком токоизмерительного трансформатора является то, что для его работы требуется довольно значительный ток. Как видно из измерения, полоса пропускания токового пробника начинает страдать, как только измеряемый ток уменьшается до 100 мА. Это можно в некоторой степени смягчить, увеличив количество витков первичной обмотки, как показано ниже.
При пяти витках на первичной обмотке (как показано выше) чувствительность трансформатора тока увеличивается в пять раз, таким образом, трансформатор выдает 0,5 В/А.
Как показано в измерении ниже, это увеличивает полосу пропускания трансформатора на более низких частотах при измерении более низких токов.
Измерение тока с помощью осциллографа
Я создал этот пробник для измерения пускового тока тороидального силового трансформатора. Я просто пропустил один из первичных проводов через отверстие в токоизмерительном трансформаторе и измерил напряжение на выходе трансформатора с помощью осциллографа. Результат виден ниже.
Поскольку датчик тока обеспечивает 0,1 В/А, вертикальная шкала в приведенном выше измерении составляет 50 А/деление.
Пожалуйста, пожертвуйте!
Был ли этот контент полезен для вас? Если да, рассмотрите возможность сделать пожертвование, нажав кнопку «Пожертвовать» ниже.
Как измерить потребление тока – stinkfoot.se
У вас есть педаль, которой нет в «Списке мощности», и вы хотите узнать, сколько энергии она потребляет? Предполагая, что это педаль с батарейным питанием, измерить ее легко — все, что вам нужно, это мультиметр, 9-вольтовая батарея и соединительный кабель.
Настройте мультиметр на измерение силы постоянного тока (<200 мА или любого другого подходящего «низкого» диапазона, который есть у вашего мультиметра). Не забывайте, что на большинстве мультиметров вам также необходимо переместить красный провод на другое соединение на мультиметре. Если вы забыли и удивляетесь, почему ничего не произошло, когда вы пытались измерить педаль, не расстраивайтесь — это происходит постоянно 😉
Затем отсоедините разъем аккумулятора и вставьте его сбоку, чтобы был подключен только отрицательный (-) полюс. Подключите кабель к входному разъему, чтобы убедиться, что педаль будет включена после того, как вы завершите цепь.
Измерьте расстояние между открытым полюсом аккумуляторной батареи и открытым приемником в разъеме. Используйте красный провод мультиметра на плюсе аккумулятора и черный провод на разъеме. Показания, которые вы получаете, представляют собой ток, потребляемый педалью в режиме покоя/байпаса. Если у него есть механический переключатель в стиле MXR, вы, конечно, можете нажать на педаль, чтобы получить потребляемый ток в «активном» режиме.
В большинстве случаев педаль будет тянуть немного больше, когда она активна, так что это значение, которое вы хотите использовать.
Если вы хотите получить «активные» показания педали с электронным байпасом типа Boss/Ibanez, все становится немного сложнее. Не снимая измерительные щупы с батареи/приемника, нажмите переключатель, чтобы перевести педаль в «активный» режим. Хитрость заключается в том, чтобы не позволить измерительным щупам потерять контакт — это приведет к отключению педали, и когда она снова получит питание, она снова вернется в режим «обхода». Конечно, использование зажимов типа «крокодил» или типа щупа, который может «захватывать» предметы и удерживать их, сделает вашу жизнь здесь немного проще…
Гигантская рука (она не такая уж большая в реале, обещаю!) слегка закрывает отрицательный/черный щуп, но он расположен на разъеме в зажиме аккумулятора. По сути, он зажат между моим большим и указательным пальцами. Мне приходилось держать оба зонда в одной руке, чтобы управлять камерой другой.
Обычно вы используете по одному датчику в каждой руке… Вам не нужно вводить какой-либо сигнал, так как большинство педалей потребляют полную мощность, как только включаются. Эта конкретная педаль потребляет 8,12 мА в активном состоянии и немного меньше (чуть меньше 7 мА) в обходном режиме. Таким образом, разница невелика, и я, вероятно, сообщу только более высокую цифру.
В любом случае, это все. Теперь приступайте к измерению и, пока вы это делаете, помогите заполнить список! Используйте контактную форму ниже или напишите мне напрямую, если хотите (адрес указан в нижнем колонтитуле).
Подождите, моя педаль не работает от батареи. Что делать?
Должен признать, здесь немного сложнее. Принцип тот же — мультиметр должен быть подключен к источнику питания, но взломать его гораздо сложнее. Если, конечно, вы не готовы разрезать кабель питания (пожалуйста, не делайте этого). Конечно, вы можете купить амперметры — Truetone делает их специально для этой цели. Он не будет работать с переменным током (например, 9vAC), но для DC работает просто отлично.
Лично я сделал для этой цели специальный кабель. По сути, у него есть разъем «мама», к которому подключается адаптер, и разъем «папа», который подключается к педали. Я оставил один из проводников открытым на гнездовом конце, а это значит, что у меня есть точка для вставки мультиметра. Я оставил положительное/гильзовое соединение открытым, то есть один щуп идет к гильзовому соединению (в данном случае к самому нижнему выступу для пайки, как показано на рисунке), а другой – к оголенному проводу. При такой настройке вы, конечно, можете просто прикоснуться первым щупом к втулке вилки от источника питания, если вам будет проще. Да, и не забудьте настроить счетчик на измерение тока/ампер — для большинства счетчиков вам нужно переместить красный провод в другую точку подключения, чтобы сделать это.
Вам потребуется:
- 1 гнездо 5,5×2,1 мм
- 1 штекер 5,5×2,1 мм или 5,5×2,5 мм (последний подходит для педалей с разъемом такого же размера)
- Кусок двухжильного кабеля (не обязательно коаксиального или экранированного)
Я бы посоветовал использовать 2,1-мм штекер/штекер для подключения источника питания и 2,5-мм штекер для педали.
Таким образом, кабель можно использовать с педалями, имеющими стандартный разъем (2,1 мм в стиле Boss), а также с педалями, имеющими разъем 2,5 мм (Whammy, серия Line 6 xx-4 и т. д.). Штекер блока питания 2,5 мм будет работать с гнездом 2,1 мм, хотя вам, возможно, придется немного пошевелить его, чтобы убедиться, что он правильно подключен. И то же самое, очевидно, относится к концу педали.
Хм, все. Следите за тем, какой провод куда идет (так что вы сохраняете конфигурацию центра/рукава одинаковой) и оставьте один провод открытым с одного конца. Я использовал гнездо для шасси, но вы также можете использовать кабельное гнездо, если убедитесь, что открытый провод достаточно длинный, чтобы его можно было вывести через пластиковую оболочку. Неважно, оставите ли вы центральный или гильзовый провод открытыми — если вы получите отрицательное значение мА, просто переверните черный и красный щупы мультиметра. Но если вы используете кабельный разъем, было бы неплохо оставить провод в рукаве открытым.
