Projeto do amperímetro

Amperímetros medem corrente elétrica

Um medidor projetado para medir a corrente elétrica é popularmente chamado de "amperímetro" porque a unidade de medida é "amperes".

Em projetos de amperímetro, resistores externos adicionados para estender a faixa utilizável do movimento são conectados em paralelo com o movimento, e não em série, como é o caso dos voltímetros. Isso ocorre porque queremos dividir a corrente medida, não a tensão medida, que vai para o movimento, e porque os circuitos divisores de corrente são sempre formados por resistências paralelas.

Projetando um amperímetro

Tomando o mesmo movimento do medidor como o exemplo do voltímetro, podemos ver que ele seria um instrumento muito limitado por si só, a deflexão em escala real ocorrendo a apenas 1 mA:

Como é o caso de estender a capacidade de medição de tensão de um movimento do medidor, teríamos que re-rotular correspondentemente a escala do movimento para que seja diferente para uma faixa de corrente estendida. Por exemplo, se quiséssemos projetar um amperímetro para ter uma faixa de escala completa de 5 amperes usando o mesmo movimento do medidor de antes (tendo uma faixa de escala total intrínseca de apenas 1 mA), teríamos que rotular novamente o movimento escala para ler 0 A na extrema esquerda e 5 A na extrema direita, em vez de 0 mA a 1 mA como antes.

Qualquer que seja a faixa estendida fornecida pelos resistores conectados em paralelo, teríamos que representar graficamente na face de movimento do medidor.



Usando 5 amperes como uma faixa estendida para nosso movimento de amostra, vamos determinar a quantidade de resistência paralela necessária para "desviar" ou desviar a maioria da corrente de modo que apenas 1 mA passe pelo movimento com uma corrente total de 5 A:





A partir de nossos valores dados de corrente de movimento, resistência de movimento e corrente de circuito total (medida), podemos determinar a tensão em todo o movimento do medidor (Lei de Ohm aplicada à coluna central, E =IR):



Sabendo que o circuito formado pelo movimento e o shunt tem uma configuração paralela, sabemos que a voltagem através do movimento, do shunt e dos cabos de teste (total) deve ser a mesma:



Também sabemos que a corrente através do shunt deve ser a diferença entre a corrente total (5 amperes) e a corrente através do movimento (1 mA), porque as correntes do ramal se somam em uma configuração paralela:



Então, usando a Lei de Ohm (R =E / I) na coluna da direita, podemos determinar a resistência shunt necessária:



Claro, poderíamos ter calculado o mesmo valor de pouco mais de 100 mili-ohms (100 mΩ) para o shunt calculando a resistência total (R =E / I; 0,5 volts / 5 amperes =100 mΩ exatamente), então trabalhando em paralelo fórmula de resistência ao contrário, mas a aritmética teria sido mais desafiadora:

Um amperímetro em designs da vida real

Na vida real, o resistor de shunt de um amperímetro geralmente fica dentro do invólucro metálico de proteção da unidade do medidor, escondido da vista. Observe a construção do amperímetro na seguinte fotografia:



Este amperímetro específico é uma unidade automotiva fabricada pela Stewart-Warner. Embora o movimento do medidor D'Arsonval em si provavelmente tenha uma classificação de escala completa na faixa de miliamperes, o medidor como um todo tem uma faixa de +/- 60 amperes. O resistor de derivação que fornece essa faixa de alta corrente está contido no invólucro de metal do medidor.

Observe também com este medidor em particular que a agulha está centrada em zero amperes e pode indicar uma corrente “positiva” ou uma corrente “negativa”. Conectado ao circuito de carga da bateria de um automóvel, este medidor é capaz de indicar uma condição de carga (corrente fluindo do gerador para a bateria) ou uma condição de descarga (corrente fluindo da bateria para o resto das cargas do carro).

Aumentando o intervalo utilizável de um amperímetro

Como é o caso com voltímetros de faixa múltipla, os amperímetros podem receber mais de uma faixa utilizável, incorporando vários resistores de derivação comutados com uma chave multipolar:



Observe que os resistores de faixa são conectados por meio do interruptor de modo a estarem em paralelo com o movimento do medidor, ao invés de em série como era no projeto do voltímetro. A chave de cinco posições faz contato com apenas um resistor por vez, é claro. Cada resistor é dimensionado de acordo para uma faixa de escala completa diferente, com base na classificação particular do movimento do medidor (1 mA, 500 Ω).

Com esse design de medidor, cada valor de resistor é determinado pela mesma técnica, usando uma corrente total conhecida, taxa de deflexão de movimento em escala real e resistência de movimento. Para um amperímetro com faixas de 100 mA, 1 A, 10 A e 100 A, as resistências de derivação seriam as seguintes:



Observe que esses valores do resistor de derivação são muito baixos! 5,00005 mΩ é 5,00005 mili-ohms ou 0,00500005 ohms! Para atingir essas resistências baixas, os resistores shunt do amperímetro geralmente precisam ser feitos sob medida com fio de diâmetro relativamente grande ou pedaços sólidos de metal.

Uma coisa a se estar ciente ao dimensionar os resistores shunt do amperímetro é o fator de dissipação de energia. Ao contrário do voltímetro, os resistores de alcance de um amperímetro precisam transportar grandes quantidades de corrente. Se esses resistores de derivação não forem dimensionados de acordo, eles podem superaquecer e sofrer danos ou, pelo menos, perder a precisão devido ao superaquecimento. Para o medidor de exemplo acima, as dissipações de potência na indicação de escala total são (as linhas duplas representam "aproximadamente igual a" em matemática):



Um resistor de 1/8 watt funcionaria bem para R ₄ , um resistor de 1/2 watt seria suficiente para R ₃ e 5 watts para R ₂ (embora os resistores tendam a manter sua precisão de longo prazo melhor se não operados perto de sua dissipação de potência nominal, então você pode querer superestimar os resistores R ₂ e R ₃ ), mas resistores de precisão de 50 watts são componentes raros e caros. Um resistor personalizado feito de estoque de metal ou fio grosso pode ter que ser construído para R ₁ para atender aos requisitos de baixa resistência e classificação de alta potência.

Às vezes, resistores de derivação são usados ​​em conjunto com voltímetros de alta resistência de entrada para medir a corrente. Nestes casos, a corrente através do movimento do voltímetro é pequena o suficiente para ser considerada desprezível, e a resistência do shunt pode ser dimensionada de acordo com quantos volts ou milivolts de queda serão produzidos por ampere de corrente:



Se, por exemplo, o resistor de derivação no circuito acima fosse dimensionado precisamente em 1 Ω, haveria 1 volt caído nele para cada amp de corrente nele. A indicação do voltímetro pode então ser tomada como uma indicação direta da corrente através do shunt.

Para medir correntes muito pequenas, valores mais altos de resistência de shunt podem ser usados ​​para gerar mais queda de tensão por unidade de corrente dada, estendendo assim a faixa utilizável do (volt) medidor para valores mais baixos de corrente. O uso de voltímetros em conjunto com resistências shunt de baixo valor para a medição de corrente é algo comumente visto em aplicações industriais.

Usando um resistor Shunt e um voltímetro em vez de um amperímetro

O uso de um resistor shunt junto com um voltímetro para medir a corrente pode ser um truque útil para simplificar a tarefa de medições frequentes de corrente em um circuito. Normalmente, para medir a corrente através de um circuito com um amperímetro, o circuito teria que ser quebrado (interrompido) e o amperímetro inserido entre as extremidades do fio separadas, como este:



Se tivermos um circuito onde a corrente precisa ser medida com frequência, ou se quisermos apenas tornar o processo de medição de corrente mais conveniente, um resistor de derivação pode ser colocado entre esses pontos e deixado lá permanentemente, as leituras de corrente feitas com um voltímetro conforme necessário sem interromper a continuidade no circuito:



Claro, deve-se tomar cuidado ao dimensionar o resistor de derivação baixo o suficiente para que não afete adversamente a operação normal do circuito, mas isso geralmente não é difícil de fazer. Essa técnica também pode ser útil na análise de circuitos de computador, onde podemos querer que a corrente do computador exiba através de um circuito em termos de voltagem (com o SPICE, isso nos permitiria evitar a idiossincrasia de ler valores de corrente negativos):

 resistor de derivação de exemplo de circuito 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 

Iríamos interpretar a leitura da tensão através do resistor shunt (entre os nós do circuito 1 e 2 na simulação SPICE) diretamente como amperes, com 7,999E-04 sendo 0,7999 mA, ou 799,9 µA. Idealmente, 12 volts aplicados diretamente em 15 kΩ nos dariam exatamente 0,8 mA, mas a resistência do shunt diminui essa corrente apenas um pouquinho (como faria na vida real).

No entanto, esse erro minúsculo está geralmente bem dentro dos limites aceitáveis ​​de precisão para uma simulação ou um circuito real e, portanto, resistores de derivação podem ser usados ​​em todas as aplicações, exceto nas mais exigentes para medição precisa de corrente.

REVER:

• As faixas do amperímetro são criadas adicionando resistores “shunt” paralelos ao circuito de movimento, fornecendo uma divisão de corrente precisa.
• Os resistores de derivação podem ter dissipações de alta potência, portanto, tome cuidado ao escolher as peças para esses medidores!
• Os resistores de derivação podem ser usados ​​em conjunto com voltímetros de alta resistência, bem como movimentos de amperímetro de baixa resistência, produzindo quedas de tensão precisas para determinadas quantidades de corrente. Os resistores de derivação devem ser selecionados para um valor de resistência o mais baixo possível para minimizar seu impacto sobre o circuito em teste.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de projeto do amperímetro