Постоянный ток не меняет направления во времени. Примером может служить батарейка в фонарике или радиоприемнике, аккумулятор в автомобиле. Мы всегда знаем, где положительная клейма источника питания, а где отрицательная.
Переменный ток — это ток, который с определенной периодичностью меняет направление движения. Такой ток протекает в нашей розетке, когда мы к ней подключаем нагрузку. Тут нет положительного и отрицательного полюса, а есть только фаза и ноль. Напряжение на нуле близко по потенциалу с потенциалом земли. Потенциал же на фазовом выводе меняется с положительного до отрицательного с частотой 50 Гц, го есть ток под нагрузкой будет менять свое направление 50 раз в секунду.
В течение одного периода колебания величина тока повышается от нуля до максимума, затем уменьшается и проходит через ноль, а потом совершается обратный процесс, но уже с другим знаком.
Получение и передача переменного тока намного проще, чем постоянного: меньше потерь энергии, С помощью трансформаторов мы можем легко менять напряжение переменного тока.
При передаче большого напряжения требуется меньший ток для той же мощности. Это позволяет использовать более тонкие довода. В сварочных трансформаторах используется обратный процесс — понижают напряжение для повышения сварочного тока.
Измерение постоянного тока
Чтобы в электрической цепи измерить ток, необходимо последовательно с приемником электроэнергии включить амперметр или миллиамперметр. При этом, чтобы исключить влияние измерительного прибора на работу потребителя, амперметр должен обладать очень малым внутренним сопротивлением, чтобы практически его можно было бы принять равным нулю, чтобы падением напряжения на приборе можно было бы просто пренебречь.
Включение амперметра в цепь — всегда последовательно с нагрузкой. Если подключить амперметр параллельно нагрузке, параллельно источнику питания, то амперметр просто сгорит или сгорит источник, поскольку весь ток потечет через мизерное сопротивление измерительного прибора.
Шунт
Пределы измерения амперметров, предназначенных для проведения измерений в цепях постоянного тока, расширяемы, путем подключения амперметра не напрямую измерительной катушкой последовательно нагрузке, а путем подключения измерительной катушки амперметра параллельно шунту.
Так через катушку прибора пройдет всегда лишь малая часть измеряемого тока, основная часть которого потечет через шунт, включенный в цепь последовательно. То есть прибор фактически измерит падение напряжения на шунте известного сопротивления, и ток будет прямо пропорционален этому напряжению.
Практически амперметр сработает в роли милливольтметра. Тем не менее, поскольку шкала прибора градуирована в амперах, пользователь получит информацию о величине измеряемого тока. Коэффициент шунтирования выбирают обычно кратным 10.
Шунты, рассчитанные на токи до 50 ампер монтируют непосредственно в корпуса приборов, а шунты для измерения больших токов делают выносными, и тогда прибор соединяют с шунтом щупами. У приборов, предназначенных для постоянной работы с шунтом, шкалы сразу градуированы в конкретных значениях тока с учетом коэффициента шунтирования, и пользователю уже не нужно ничего вычислять.
Если шунт наружный, то в случае с калиброванным шунтом — на нем указывается номинальный ток и номинальное напряжение: 45 мВ, 75 мВ, 100 мВ, 150 мВ. Для текущих измерений выбирают такой шунт, чтобы стрелка отклонялась бы максимум – на всю шкалу, то есть номинальные напряжения шунта и измерительного прибора должны быть одинаковыми.
Если речь идет об индивидуальном шунте для конкретного прибора, то все, конечно, проще. По классам точности шунты делятся на: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2 и 0,5 — это допустимая погрешность в долях процента.
Шунты изготавливают из металлов с малым температурным коэффициентом сопротивления, и обладающих значительным удельным сопротивлением: константан, никелин, манганин, – чтобы когда протекающий через шунт ток нагревает его, это не отражалось бы на показаниях прибора. Еще для снижения температурного фактора при измерениях, последовательно с катушкой амперметра включают добавочный резистор из материла такого же рода.
Измерение постоянного напряжения
Чтобы измерить постоянное напряжение между двумя точками цепи, параллельно цепи, между этими двумя точками, подключают вольтметр. Вольтметр включается всегда параллельно приемнику или источнику. А чтобы подключенный вольтметр не оказывал влияния на работу цепи, не вызывал бы снижения напряжения, не вызывал потерь, – он должен обладать достаточно высоким внутренним сопротивлением, чтобы током через вольтметр можно было бы пренебречь.
Добавочный резистор
И чтобы расширить пределы измерения вольтметра, последовательно с его рабочей обмоткой включается добавочный резистор, чтобы только часть измеряемого напряжения приходилась бы непосредственно на измерительную обмотку прибора, пропорционально ее сопротивлению. А при известном значении сопротивления добавочного резистора, по зафиксированному на нем напряжению легко определяется полное измеряемое напряжение, действующее в данной цепи. Так работают все классические вольтметры.
Коэффициент, появляющийся в результате добавления добавочного резистора, покажет, во сколько раз измеряемое напряжение больше напряжения, приходящегося на измерительную катушку прибора. То есть пределы измерения прибора зависят от величины добавочного резистора.
Добавочный резистор встраивается в прибор. Для снижения влияния температуры окружающей среды на измерения, добавочный резистор изготавливают из материала обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления. Поскольку сопротивление добавочного резистора во много раз больше сопротивления прибора, то и сопротивление измерительного механизма прибора в итоге не зависит от температуры. Классы точности добавочных резисторов выражаются аналогично классам точности шунтов — в долях процентов обозначают величину погрешности.
Чтобы еще больше расширить пределы измерения вольтметров, применяют делители напряжения. Это делается для того, чтобы при измерении на прибор приходилось напряжение, соответствующее номиналу прибора, то есть не превышало бы предел на его шкале. Коэффициентом деления делителя напряжения называется отношение входного напряжения делителя к выходному, измеряемому напряжению. Коэффициент деления берут равным 10, 100, 500 и более, в зависимости от возможностей применяемого вольтметра. Делитель не вносит большой погрешности, если сопротивление вольтметра также высоко, а внутреннее сопротивление источника мало.
Измерение переменного тока
Чтобы точно измерить прибором параметры переменного тока, необходим измерительный трансформатор. Измерительный трансформатор, применяемый в целях измерений, к тому же дает персоналу безопасность, поскольку благодаря трансформатору достигается гальваническая развязка от цепи высокого напряжения. Вообще, техника безопасности запрещает подключать электроизмерительные приборы без таких трансформаторов.
Применение измерительных трансформаторов позволяет расширить пределы измерения приборов, то есть появляется возможность измерять большие напряжения и токи при помощи низковольтных и слаботочных приборов. Так, измерительные трансформаторы бывают двух типов: трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.
Измерительный трансформатор напряжения
Чтобы измерить переменное напряжение применяют трансформатор напряжения. Это понижающий трансформатор с двумя обмотками, первичная обмотка которого присоединяется к двум точкам цепи, между которыми нужно измерить напряжение, а вторичная — непосредственно к вольтметру. Измерительные трансформаторы на схемах изображают как обычные трансформаторы.
Трансформатор без нагруженной вторичной обмотки работает в режиме холостого хода, и при подключенном вольтметре, сопротивление которого велико, трансформатор остается практически в этом режиме, и поэтому можно считать измеренное напряжение пропорциональным напряжению, приложенному к первичной обмотке, с учетом коэффициента трансформации, равного соотношению количеств витков во вторичной и первичной его обмотках.
Таким образом можно измерять высокое напряжение, при этом на прибор будет подаваться небольшое безопасное напряжение. Останется умножить измеренное напряжение на коэффициент трансформации измерительного трансформатора напряжения.
Те вольтметры, которые изначально предназначены для работы с трансформаторами напряжения, имеют градуировку шкалы с учетом коэффициента трансформации, тогда по шкале без дополнительных вычислений сразу видно значение измененного напряжения.
В целях повышения безопасности при работе с прибором, на случай повреждения изоляции измерительного трансформатора, один из выводов вторичной обмотки трансформатора и его каркас сначала заземляются.
Измерительные трансформаторы тока
Для подключения амперметров к цепям переменного тока служат измерительные трансформаторы тока. Это двухобмоточные повышающие трансформаторы. Первичная обмотка включается последовательно в измеряемую цепь, а вторичная — к амперметру. Сопротивление в цепи амперметра мало, и получается, что трансформатор тока работает практически в режиме короткого замыкания, при этом можно считать, что токи в первичной и вторичной обмотках относятся друг к другу как количества витков во вторичной и первичной обмотках.
Подобрав подходящее соотношение витков, можно измерять значительные токи, при этом через прибор всегда будут протекать токи достаточно малые. Останется умножить измеренный во вторичной обмотке ток на коэффициент трансформации. Те амперметры, которые предназначены для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, имеют градуировку шкал с учетом коэффициента трансформации, и по шкале прибора без вычислений можно легко считать значение измеряемого тока. С целью повышения безопасности персонала, один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока и его каркас сначала заземляются.
Во многих применениях удобны проходные измерительные трансформаторы тока, у которых магнитопровод и вторичная обмотка изолированы и расположены внутри проходного корпуса, через окно которого проходит медная шина с измеряемым током.
Вторичная обмотка такого трансформатора никогда не оставляется разомкнутой, ибо сильное увеличение магнитного потока в магнитопроводе может не только привести к его разрушению, но и навести на вторичной обмотке опасную для персонала ЭДС. Чтобы провести безопасное измерение, вторичную обмотку шунтируют резистором известного номинала, напряжение на котором будет пропорционально измеряемому току.
Для измерительных трансформаторов характерны погрешности двух видов: угловая и коэффициента трансформации. Первая связана с отклонением угла сдвига фаз первичной и вторичной обмоток от 180°, что приводит к неточным показаниям ваттметров. Что касается погрешности связанной с коэффициентом трансформации, то это отклонение показывает класс точности: 0,2, 0,5, 1 и т. д. – в процентах от номинального значения.
Подключение измерительных приборов к точке, в которой проводится измерение, в машинах небольшого объема осуществляется вручную, путем вставления штеккера с входным проводом измерительного прибора в соответствующее гнездо наборного поля.
Подключение измерительного прибора к отрезку линии практически создает короткое замыкание. Входное сопротивление линейного вольтметра оказывается очень большим, и он не оказывает заметного влияния на цепь, в которой измеряется напряжение.
Подключение измерительных приборов к точке, в которой производится измерение, в машинах небольшого объема осуществляется вручную включением штеккера с входным проводом-измерительного прибора в соответствующее гнездо наборного поля.
Подключение измерительного прибора к электронной цепи может нарушить процессы, происходящие в измеряемой цепи, а неправильный выбор прибора может быть причиной ошибочных измерений. Степень вносимых измерительными приборами искажений надо оценивать; для этого нужно знать параметры входных цепей используемых приборов.
| Расчет к. п. д. двухтактного оконечного каскада УНЧ. |
Подключение измерительного прибора к электронной цепи может нарушить процессы, происходящие в измеряемой цепи, а неправильный выбор прибора может быть причиной ошибочных измерений. Степень вносимых измерительными приборами искажений надо оценивать, поэтому нужно знать параметры входных цепей используемых приборов.
Подключение измерительного прибора к электронной цепи может нарушить происходящие в ней процессы, а неправильный выбор прибора стать причиной ошибочных результатов измерений. Степень вносимых измерительными приборами искажений необходимо оценивать, поэтому следует знать параметры входных цепей используемых приборов. Так, влияние входной цепи прибора уменьшается с уменьшением его входной емкости и увеличением входного активного сопротивления. При каждом измерении появляется некоторая ошибка – погрешность, определяемая как отклонение измеренного значения от истинного.
При выполнении электротехнических работ, монтаже электрических цепей, ремонте электротехнических устройств возникает необходимость использовать электроизмерительные приборы .
Самый простой из таких приборов — электрический пробник для проверки целостности электрических проводников, участков электрических цепей.
Простейший пробник состоит из источника питания постоянного тока G — гальванического элемента или батареи гальванических элементов, светового индикатора HL — лампочки накаливания для карманного фонаря или светодиода, соединительных проводов со щупами-контактами (Х1 и Х2) на концах. Из этих элементов собирают цепь (рис. 20).
Необходимо учесть, что напряжение гальванического элемента должно соответствовать рабочему напряжению лампочки или светодиода. Причем светодиод всегда подключают с соблюдением полярности, которую определяют по справочнику или опытным путем. Также по справочнику можно определить напряжение питания светодиода.
Рис. 20. Электрические схемы пробников для проверки целостности проводников: а — с лампой накаливания; б — со светодиодом
Последовательно с ним обязательно включают резистор R с сопротивлением 150-300 Ом (Ом — единица сопротивления), который ограничивает ток в светодиоде, предотвращая его выход из строя.
Когда щупами-контактами касаются концов исследуемого провода, через него проходит небольшой ток от гальванического элемента пробника. Если в проводе нет обрыва, лампочка (или светодиод) пробника загорится. Таким образом, чтобы проверить исправность проводов питающего шнура лампы с помощью пробника, необходимо отключить лампу от сети и проверить целостность каждой жилы шнура. На рисунке 21 показана схема подключения пробника к проверяемым участкам.
Рис. 21. Схема подключения электрического пробника при проверке питающего шнура
Для проверки выключателя щупами пробника касаются его контактов или концов провода, подключенного к выключателю. При включении исправного выключателя лампочка пробника должна гореть, а при выключении — гаснуть. Если этого не происходит, то выключатель неисправен.
Принцип действия омметра как простейшего пробника основан на пропускании небольшого тока от источника питания омметра через исследуемый проводник. Но вместо лампочки в цепь омметра включен измеритель тока (амперметр), шкала которого проградуирована в омах. В случае проверки целостности проводников значение их сопротивления не играет никакой роли, — любое отклонение стрелки омметра будет говорить об отсутствии обрыва в проводнике, о его исправности. При исследованиях омметр подключается к проверяемым участкам так же, как и простейший пробник.
Обычно электромонтеры-ремонтники, как и другие специалисты в области электротехники и электроники, используют в своей практике комбинированный электроизмерительный прибор — авометр (ампервольтомметр), который позволяет измерять три параметра: силу тока (А), напряжение (В), сопротивление (Ом). В зависимости от положения ручек управления и подключения проводов прибора он может использоваться соответственно как амперметр, вольтметр и омметр.
Используя электроизмерительные приборы – амперметр, вольтметр, авометр, необходимо знать: на измерение каких предельных значений силы тока или напряжения рассчитан прибор.
Внимание! При измерениях электроизмерительными приборами электрических величин нельзя прикасаться к оголенным участкам проводников, иначе может быть поражение электрическим током!
Чтобы проводить измерения c амперметрами и вольтметрами (рис. 22), необходимо знать правила их включения в электрическую цепь.
Электроизмерительные приборы включают в цепь следующим образом :
1. Амперметр А подключают последовательно с тем потребителем R, в котором измеряют силу тока / (рис. 23, а).
2. Вольтметр V подключают параллельно с тем потребителем R, на участке которого измеряют напряжение (рис. 23, б).
3. Авометр подключают так же, как амперметр, если измеряют силу тока, и как вольтметр — если измеряют напряжение.
Рис. 22. Электроизмерительные приборы: а — авометр; б — амперметр; в — вольтметр
Рис. 23. Схемы подключения электроизмерительных приборов: а — амперметра; б — вольтметра
При эксплуатации электроизмерительных приборов следует обращать внимание на то, для какого тока (переменного или постоянного) они предназначены. Это можно узнать по символам, изображенным на шкалах приборов. Если возле шкалы стоит знак «-», это означает, что прибор предназначен для измерения в цепях постоянного тока, а если знак «
», — то в цепях переменного тока. Кроме того, при всех измерениях необходимо знать цену деления шкалы прибора.
При измерениях силы тока амперметром следует быть особенно осторожным, так как этот прибор обладает малым внутренним электрическим сопротивлением, поэтому при неправильном подключении он может стать причиной короткого замыкания. Вольтметр в этом отношении не опасен — он обладает большим внутренним сопротивлением.
В электротехнике много внимания уделяется вопросам безопасности использования электроэнергии, автоматизации процессов управления электрическими цепями. Для этого разрабатываются различные чувствительные элементы — датчики, которые способны реагировать на изменения в электрических цепях. Одним из таких замечательных элементов является биметаллическая пластина. Ее изготовляют из тонких (толщиной несколько десятых долей миллиметра) и узких (шириной несколько миллиметров) полосок двух разных металлов — например, стали и меди, стали и алюминия, стали и латуни, склепанных или сваренных между собой. Если один конец такой пластины жестко закрепить, а второй оставить свободным, то при нагревании пластина изгибается. Это объясняется просто. При нагревании разные металлы расширяются неодинаково — сталь расширяется меньше, чем, скажем, медь или другие металлы. Поэтому медная полоска будет удлиняться больше, чем стальная. А так как полоски скреплены, то произойдет изгиб биметаллической пластины в сторону стальной полоски. Этот изгиб используют для замыкания и размыкания контактов в электрических цепях.
Нагревание биметаллической пластины может осуществляться электрическим током, проходящим через нее, или специальным электронагревательным элементом, расположенным рядом с пластиной.
Такие биметаллические пластины применяют в автоматических выключателях для разрыва электрических цепей при недопустимо больших токах в них. В электронагревательных приборах (например, электроутюгах, электрорадиаторах, чайниках) биметаллические пластины используют для автоматического отключения или регулирования температуры. При достижении определенной температуры пластина изгибается и отключает электропитание нагревательного элемента, находящегося в управляемой цепи. После остывания пластина возвращается в первоначальное положение и вновь включает его (рис. 24).
Рис. 24. Устройство терморегулятора (термореле) на биметаллической пластине: 1 — биметаллическая пластина; 2 — неподвижный контакт; 3 — нагревательный элемент
Тема: ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
1. Общие сведения об электроизмерительных приборах
Электроизмерительные приборы предназначены для измерения различных величин и параметров электрической цепи: напряжения, силы тока, мощности, частоты, сопротивления, индуктивности, емкости и других.
На схемах электроизмерительные приборы изображаются условными графическими обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.729-68. На рис.1.1 приведены общие обозначения показывающих и регистрирующих приборов.
Рис. 1.1 Условные графические обозначения электроизмерительных приборов.
Для указания назначения электроизмерительного прибора в его общее обозначение вписывают конкретизирующее условное обозначение, установленное в стандартах, или буквенное обозначение единиц измерения прибора согласно ГОСТ в соответствии с табл.1.1.
Амперметр – это электроизмерительный прибор, предназначенный для фиксации силы постоянного либо переменного тока, протекающего в цепи — то есть устройство для измерения тока. Амперметр подключается последовательно, с тем участком электроцепи, где предполагается измерять ток. Так как ток, который он измеряет зависит от сопротивления элементов цепи, то сопротивление амперметра должно быть максимально низким (очень маленьким). Это позволяет уменьшить влияние устройства для измерения тока на измеряемую цепь и повысить их точность.
Шкалу прибора градуируют в мкА, мА, А и кА, и в зависимости от требуемой точности и пределов измерения выбирают подходящий прибор. Увеличение измеряемой силы тока добиваются путем включения в цепь шунтов, трансформаторов тока, магнитных усилителей. Это позволяет увеличить предел измеряемой величины тока.
Схемы подключения амперметра
Рисунок — Схема прямого включения амперметра
Рисунок — Схема косвенного включения амперметра через шунт и трансформатор тока
Сфера применения амперметров
Приборы для измерения тока нашли применение в различных сферах. Их активно используют на крупных предприятиях, связанных с генерацией и распределением электрической, тепловой энергии. Также их используют в:
Но не только средние и крупные предприятия используют этот прибор: они востребованы и среди обычных людей. Практически любой опытный автоэлектрик имеет в арсенале подобное устройство, позволяющее проводить замеры показателей электропотребления приборов, узлов автомобилей и пр.
Типы амперметров
Исходя из вида отсчетного устройства амперметры делятся на приборы с:
— со стрелочным указателем;
— со световым указателем;
— с пишущим устройством;
По принципу действия амперметры разделяются на:
1. Электромагнитные – предназначены для использования в цепях постоянного, переменного тока. Обычно используются в привычных электроустановках переменного тока с частотой 50 Гц.
2. Магнитоэлектрические — предназначены для фиксации силы тока малых значений постоянного тока. Они имеют магнитоэлектрическое измерительное устройство и шкалу с проградуированными делениями.
3. Термоэлектрические приборы предназначены для измерения силы тока в цепях высоких частот. В состав таких приборов входят магнитоэлектрический механизм, выполненный в виде проводника, к которому приваривается термопара. Протекающий по проводку ток вызывает его нагрев, который фиксируется термопарой. Формирующееся излучение своим влиянием вызывает отклонение рамки на угол, который пропорционален силе тока.
4. Ферродинамические приборы — состоят из замкнутого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, сердечника и неподвижной катушки. Характеризуются высокой точностью измерения, надёжностью конструкции и низкой чувствительностью к воздействию электромагнитных полей.
5. Электродинамические устройства предназначены для замеров величины силы тока в цепях постоянного / переменного токов повышенных частот (до 200 Гц). Они чувствительны к перегрузкам и внешним электромагнитным полям. Но из-за высокой точности замеров их используют в роли контрольных приборов для поверки действующих амперметров.
6. Цифровые амперметры – современная модель приборов, сочетающая преимущества аналоговых приборов. На сегодня такие устройства завоевывали лидирующие позиции. Это объясняется удобством в работе, легкостью использования, небольшими размерами и высокой точностью получаемых результатов измерений. Кроме того, цифровые приборы можно использовать в разнообразных условиях: он не боится тряски, вибрации и пр. воздействий.
Рассмотрим несколько амперметров разных производителей и разных типов:
1. Амперметры Ам-2 DigiTOP
— Количество входов 1
— Измеряемый переменный ток 1 …50 А
— Погрешность измерения 1%
— Дискретность индикации 0,1 А
— напряжение питания -100…-400 В, 50 (+1) Гц Габаритные размеры 90x51x64 мм
Работоспособность и долговечность бытовой электротехники зависят от качества получаемой электроэнергии. Как правило, к выходу из строя электронной техники, будь то холодильники, телевизоры или стиральные машины, приводит повышение напряжения выше допустимых пределов. Наиболее опасно длительное повышение напряжения выше допустимой отметки. При этом выходят из строя блоки питания электронной техники, перегреваются обмотки электродвигателей, нередко происходит возгорание.
2. Амперметр лабораторный Э537
Данный прибор (амперметр Э537) предназначается для точного измерения силы тока в цепях переменного и постоянного тока.
Класс точности 0,5.
Диапазоны измерения 0,5 / 1 A;
Технические характеристики амперметра Э537:
Конечное значение диапазона измерений 0,5 А/1 А
Класс точности 0,5
Область нормальных частот (Гц) 45 — 100 Гц
Область рабочих частот (Гц) 100 — 1500 Гц
Габаритные размеры 140 х 195 х 105 мм
3. Амперметр СА3020
Цифровое устройство амперметр базовой модели выпускается в нескольких типовых модификациях в зависимости от базового значения параметров замеряемого тока. При заказе данной модели цифрового амперметра, требуется заявить, с каким базовым параметром силы тока Вам придётся работать: 1 А, 2 А или 5 А.
Базовые параметры замеряемого тока, Iн-1 Ампер (СА3020-1), 2 Ампер (СА3020-2) или 5 Ампер (СА3020-5);
Границы замеряемых токов от 0,01 Iн до 1,5 Iн;
Диапазон частот по замеряемым токам от 45 до 850 Герц;
Границы базовой допускаемой существующей погрешности ±0,2% к оптимальному значению параметров замеряемой силы тока;
напряжение по питанию — сеть переменного тока напряжением (85-260) Вольт и частотой (47-65) Герц или постоянное напряжение (120 — 300) Вольт;
Потребляемая устройством мощность не больше чем 4 ВА;
Размерные габариты 144x72x190 мм;
Масса не больше чем 0,55 кг;
Мощность, потребляемая измерительной цепью амперметров серии 3020, не превышает: для СА3020-1 – 0,12 ВA; для СА3020-2 – 0,25 ВA; для СА3020-5 – 0,6 ВA.