Desain Ammeter

Ammeter Mengukur Arus Listrik

Meteran yang dirancang untuk mengukur arus listrik secara populer disebut “amperemeter” karena satuan pengukurannya adalah “amp”.

Dalam desain ammeter, resistor eksternal yang ditambahkan untuk memperluas jangkauan gerakan yang dapat digunakan dihubungkan secara paralel dengan gerakan daripada secara seri seperti halnya voltmeter. Ini karena kita ingin membagi arus terukur, bukan tegangan terukur, yang bergerak, dan karena rangkaian pembagi arus selalu dibentuk oleh resistansi paralel.

Merancang Ammeter

Mengambil gerakan meter yang sama seperti contoh voltmeter, kita dapat melihat bahwa itu akan membuat instrumen yang sangat terbatas dengan sendirinya, defleksi skala penuh terjadi hanya pada 1 mA:

Seperti halnya dengan memperluas kemampuan pengukuran tegangan gerakan meter, kita harus memberi label ulang skala gerakan sehingga membaca secara berbeda untuk rentang arus yang diperpanjang. Misalnya, jika kita ingin merancang ammeter agar memiliki jangkauan skala penuh 5 amp menggunakan gerakan meteran yang sama seperti sebelumnya (memiliki jangkauan skala penuh intrinsik hanya 1 mA), kita harus memberi label ulang pada gerakannya. skala untuk membaca 0 A di paling kiri dan 5 A di paling kanan, daripada 0 mA hingga 1 mA seperti sebelumnya.

Apa pun jangkauan yang diperluas yang disediakan oleh resistor yang terhubung paralel, kita harus merepresentasikan secara grafis pada permukaan gerakan meteran.

Menggunakan 5 amp sebagai rentang tambahan untuk gerakan sampel kami, mari tentukan jumlah resistansi paralel yang diperlukan untuk "shunt," atau memotong, sebagian besar arus sehingga hanya 1 mA yang akan melalui gerakan dengan total arus 5 A:

Dari nilai arus gerakan, hambatan gerakan, dan arus rangkaian total (terukur) yang diberikan, kita dapat menentukan tegangan melintasi gerakan meteran (Hukum Ohm diterapkan pada kolom tengah, E=IR):

Mengetahui bahwa rangkaian yang dibentuk oleh gerakan dan shunt adalah konfigurasi paralel, kita tahu bahwa tegangan melintasi gerakan, shunt, dan kabel uji (total) harus sama:

Kita juga mengetahui bahwa arus yang melalui shunt harus merupakan selisih antara arus total (5 amp) dan arus yang melalui gerakan (1 mA), karena arus cabang ditambahkan dalam konfigurasi paralel:

Kemudian, dengan menggunakan Hukum Ohm (R=E/I) di kolom kanan, kita dapat menentukan hambatan shunt yang diperlukan:

Tentu saja, kita dapat menghitung nilai yang sama lebih dari 100 mili-ohm (100 mΩ) untuk shunt dengan menghitung hambatan total (R=E/I; 0,5 volt/5 amp =100 mΩ tepatnya), kemudian bekerja paralel rumus resistensi mundur, tetapi aritmatika akan lebih menantang:

Amperemeter dalam Desain Kehidupan Nyata

Dalam kehidupan nyata, resistor shunt dari ammeter biasanya akan terbungkus dalam rumah logam pelindung dari unit meteran, tersembunyi dari pandangan. Perhatikan konstruksi amperemeter pada foto berikut:

Ammeter khusus ini adalah unit otomotif yang diproduksi oleh Stewart-Warner. Meskipun gerakan meteran D'Arsonval itu sendiri mungkin memiliki peringkat skala penuh dalam kisaran miliampere, meteran secara keseluruhan memiliki kisaran +/- 60 amp. Resistor shunt yang menyediakan rentang arus tinggi ini berada di dalam rumah logam meteran.

Perhatikan juga dengan meter khusus ini bahwa pusat jarum pada nol amp dan dapat menunjukkan arus "positif" atau arus "negatif". Terhubung ke sirkuit pengisian baterai mobil, meteran ini dapat menunjukkan kondisi pengisian (arus yang mengalir dari generator ke baterai) atau kondisi pengosongan (arus yang mengalir dari baterai ke beban mobil lainnya).

Meningkatkan Jangkauan Ammeter yang Dapat Digunakan

Seperti halnya voltmeter rentang ganda, amperemeter dapat diberikan lebih dari satu rentang yang dapat digunakan dengan menggabungkan beberapa resistor shunt yang diaktifkan dengan sakelar multi-kutub:

Perhatikan bahwa resistor rentang dihubungkan melalui sakelar sehingga menjadi paralel dengan gerakan meter, bukan seri seperti pada desain voltmeter. Sakelar lima posisi membuat kontak hanya dengan satu resistor pada satu waktu, tentu saja. Setiap resistor berukuran sesuai untuk rentang skala penuh yang berbeda, berdasarkan peringkat tertentu dari gerakan meteran (1 mA, 500 ).

Dengan desain meteran seperti itu, setiap nilai resistor ditentukan dengan teknik yang sama, menggunakan arus total yang diketahui, peringkat defleksi skala penuh gerakan, dan resistansi gerakan. Untuk ammeter dengan rentang 100 mA, 1 A, 10 A, dan 100 A, hambatan shunt adalah sebagai berikut:

Perhatikan bahwa nilai resistor shunt ini sangat rendah! 5.00005 mΩ adalah 5.00005 mili-ohm, atau 0.00500005 ohm! Untuk mencapai resistansi rendah ini, resistor shunt ammeter sering kali harus dibuat khusus dari kawat berdiameter relatif besar atau potongan logam padat.

Satu hal yang harus diperhatikan ketika mengukur resistor shunt ammeter adalah faktor disipasi daya. Berbeda dengan voltmeter, resistor rentang ammeter harus membawa arus dalam jumlah besar. Jika resistor shunt tersebut tidak berukuran sesuai, mereka mungkin terlalu panas dan mengalami kerusakan, atau setidaknya kehilangan akurasi karena terlalu panas. Untuk meter contoh di atas, disipasi daya pada indikasi skala penuh adalah (garis berlekuk ganda mewakili "kira-kira sama dengan" dalam matematika):

Resistor 1/8 watt akan berfungsi dengan baik untuk R₄ , resistor 1/2 watt cukup untuk R₃ dan 5 watt untuk R₂ (walaupun resistor cenderung mempertahankan akurasi jangka panjangnya lebih baik jika tidak dioperasikan di dekat disipasi daya pengenalnya, jadi Anda mungkin ingin memberi nilai lebih resistor R₂ dan R₃ ), tetapi resistor presisi 50 watt memang merupakan komponen yang langka dan mahal. Resistor khusus yang terbuat dari stok logam atau kawat tebal mungkin harus dibuat untuk R₁ untuk memenuhi persyaratan resistansi rendah dan peringkat daya tinggi.

Kadang-kadang, resistor shunt digunakan bersama dengan voltmeter dengan resistansi input tinggi untuk mengukur arus. Dalam kasus ini, arus yang melalui gerakan voltmeter cukup kecil untuk dianggap dapat diabaikan, dan hambatan shunt dapat diukur sesuai dengan berapa volt atau milivolt penurunan yang akan dihasilkan per amp arus:

Jika, misalnya, resistor shunt dalam rangkaian di atas berukuran tepat 1 , akan ada 1 volt yang dijatuhkan di atasnya untuk setiap amp arus yang melaluinya. Indikasi voltmeter kemudian dapat diambil sebagai indikasi langsung arus yang melalui shunt.

Untuk mengukur arus yang sangat kecil, nilai resistansi shunt yang lebih tinggi dapat digunakan untuk menghasilkan lebih banyak penurunan tegangan per unit arus tertentu, sehingga memperluas jangkauan meteran (volt) yang dapat digunakan ke jumlah arus yang lebih rendah. Penggunaan voltmeter dalam hubungannya dengan resistansi shunt bernilai rendah untuk pengukuran arus adalah sesuatu yang biasa terlihat dalam aplikasi industri.

Menggunakan Resistor Shunt dan Voltmeter Sebagai Pengganti Ammeter

Penggunaan resistor shunt bersama dengan voltmeter untuk mengukur arus dapat menjadi trik yang berguna untuk menyederhanakan tugas pengukuran arus yang sering terjadi dalam suatu rangkaian. Biasanya, untuk mengukur arus yang melalui rangkaian dengan ammeter, rangkaian harus diputus (terputus) dan ammeter dimasukkan di antara ujung kabel yang terpisah, seperti ini:

Jika kita memiliki rangkaian di mana arus perlu sering diukur, atau kita hanya ingin membuat proses pengukuran arus lebih nyaman, resistor shunt dapat ditempatkan di antara titik-titik tersebut dan dibiarkan di sana secara permanen, pembacaan arus diambil dengan voltmeter sesuai kebutuhan tanpa mengganggu kontinuitas di sirkuit:

Tentu saja, kehati-hatian harus dilakukan dalam menentukan ukuran resistor shunt yang cukup rendah sehingga tidak mempengaruhi operasi normal rangkaian, tetapi ini umumnya tidak sulit dilakukan. Teknik ini mungkin juga berguna dalam analisis rangkaian komputer, di mana kita mungkin ingin komputer menampilkan arus melalui rangkaian dalam bentuk tegangan (dengan SPICE, ini akan memungkinkan kita untuk menghindari keanehan dalam membaca nilai arus negatif):

contoh rangkaian resistor shunt 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 

Kami akan menafsirkan pembacaan tegangan melintasi resistor shunt (antara node sirkuit 1 dan 2 dalam simulasi SPICE) secara langsung sebagai amp, dengan 7.999E-04 menjadi 0,7999 mA, atau 799,9 A. Idealnya, 12 volt yang diterapkan langsung pada 15 kΩ akan memberi kita tepat 0,8 mA, tetapi hambatan shunt mengurangi arus itu hanya sedikit (seperti yang terjadi di kehidupan nyata).

Namun, kesalahan kecil seperti itu umumnya baik dalam batas akurasi yang dapat diterima baik untuk simulasi atau rangkaian nyata, sehingga resistor shunt dapat digunakan di semua aplikasi kecuali yang paling menuntut untuk pengukuran arus yang akurat.

TINJAUAN:

• Rentang amperemeter dibuat dengan menambahkan resistor "shunt" paralel ke sirkuit gerakan, memberikan pembagian arus yang tepat.
• Resistor shunt mungkin memiliki disipasi daya yang tinggi, jadi berhati-hatilah saat memilih suku cadang untuk meter tersebut!
• Resistor shunt dapat digunakan bersama voltmeter resistansi tinggi serta gerakan ammeter resistansi rendah, menghasilkan penurunan voltase yang akurat untuk jumlah arus tertentu. Resistor shunt harus dipilih dengan nilai resistansi serendah mungkin untuk meminimalkan dampaknya pada rangkaian yang diuji.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Desain Amperemeter