Главная » Разное » Шунтирующий резистор что это такое

Шунтирующий резистор что это такое


Шунт | Описание, предназначение, принцип работы.

Что такое шунт

В электронике и электротехнике часто можно услышать слово “шунт”, “шунтирование”, “прошунтировать”. Слово “шунт” к нам пришло с буржуйского языка: shunt –  в дословном переводе “ответвление”, “перевод на запасной путь”. Следовательно, шунт в электронике – это что-то такое, что “примыкает” к электрической цепи и “переводит” электрический ток по другому направлению. Ну вот, уже легче).

По сути дела шунт представляет из себя простой резист ор который имеет маленькое сопротивление, проще говоря, низкоомный резистор. И как бы это ни странно звучало: шунт является простейшим преобразователем силы тока в напряжение. Но как это возможно? Да оказывается все просто!

Как работает шунт

Итак, имеем простой шунт. Кстати, на схемах он обозначается как резистор. И это неудивительно, потому что это и есть низкоомный резистор.

Условимся считать, что ток у нас постоянный и течет из пункта А в пункт Б. На своем пути он встречает шунт и почти беспрепятственно течет через него, так как сопротивление шунта очень маленькое. Не забываем, что электрический ток характеризуется такими параметрами, как Сила тока и Напряжение. Через шунт электрический ток протекает с какой-то силой ( I ), в зависимости от нагрузки цепи.

Помните Закон Ома  для участка электрической цепи? Вот, собственно и он:

где

U – напряжение

I – сила тока

R – сопротивление

Сопротивление шунта у нас всегда постоянно и не меняется, попросту говоря “константа”. Падение напряжение на шунте мы можем узнать, замерив вольтметром как на рисунке:

Значит, исходя из формулы 

получаем формулу:

и делаем простой до ужаса вывод: показания на вольтметре будут тем больше, чем бОльшая сила тока будет протекать через шунт.

Так что же это значит? А это значит, что мы спокойно можем рассчитать силу тока, протекающую по проводу АБ ;-). Все гениальное – просто! И самое замечательное знаете что? Нам даже не надо использовать амперметр ;-).

Вот такой принцип действия шунта. И чаще всего этот принцип используется как раз для того, чтобы расширить пределы измерения измерительных приборов.

Виды шунтов

Промышленные амперметры выглядят вот так:

На самом же деле, как бы это странно ни звучало – это вольтметры. Просто их шкала нарисована (проградуирована) уже с  расчетом по закону Ома. Короче говоря, показывает напряжение, а счет идет в Амперах ;-).

На одном из них можно увидеть предел измерения даже до 100 Ампер. Как вы думаете, если поставить такой прибор в разрыв электрической цепи и пропустить силу тока, ну скажем, Ампер в 90, выдержит ли тоненький провод измерительной катушки внутри амперметра? Думаю, пойдет белый густой дым). Поэтому такие измерения проводят только через шунты.

А вот, собственно, и промышленные шунты:

Те, которые справа внизу  могут пропускать  через себя силу тока  до килоАмпера и больше.

К каждому промышленному амперметру в комплекте идет свой шунт. Для начала использования амперметра достаточно собрать  шунт с амперметром вот по такой схеме:

В некоторых амперметрах этот шунт  встраивается прямо в корпус самого прибора.

Работа шунта на практическом примере

В гостях у нас самый что ни на есть обыкновенный промышленный шунт для амперметра:

Сзади можно прочитать его маркировку:

Как же прочитать характеристику такой маркировки? Здесь все просто! Это означает, что если протекающая сила тока через шунт будет 20 Ампер, то падение напряжения на шунте будет 75 милливольт.

0,5  – это класс точности. То есть сколько мы замерили – это значение будет с погрешностью 0.5% от измеряемой величины. То есть допустим, мы замеряли падение напряжения 50 милливольт. Погрешность измерения составит 50 плюс-минус 0,25. Такой точности вполне хватит для промышленных и радиоэлектронных нужд ;-).

Итак, у нас имеется  простая автомобильная лампочка накаливания на 12 Вольт:

Выставляем на  Блоке питания напряжение в 12 Вольт, и цепляем нашу лампочку. Лампочка зажигается и мы сразу же видим, какую силу тока она потребляет, благодаря встроенному амперметру в блоке питания. Кушает наша лампа 1,7 Ампер.

Предположим, у нас нету встроенного амперметра в блоке питания, но нам надо знать, какая все-таки сила тока проходит через лампочку. Для этого собираем простенькую схемку:

И замеряем падение напряжения на самом шунте. Получилось 6,3 милливольта.

Так как мы знаем, что при 20 Амперах напряжение на шунте будет 75 милливольт, то какая сила тока будет проходить через шунт, если падение напряжения на нем составит 6,3 милливольта? Вспоминаем училку по математике Марьиванну и решаем простенькую пропорцию за 5-ый класс ;-)

Вспоминаем, что показывал наш блок питания?

Погрешность в 0,02 Ампера! Думаю, это можно списать на погрешность приборов).

Так как радиолюбители в основном используют малое напряжение и силу тока в своих электронных безделушках, то можно применить этот принцип и в своих разработках. Для этого достаточно будет взять низкоомный резистор и использовать его как датчик силы тока). Как говорится ” голь на выдумку хитра” ;-)

Где купить шунт

Почти такой же шунт, как у меня в статье, можно заказать на Али по этой ссылке:

Шунт — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 января 2015; проверки требуют 12 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 января 2015; проверки требуют 12 правок. Это статья об электрическом устройстве. О шунтировании в медицине см. Шунтирование

Шунт — устройство, которое позволяет электрическому току (либо магнитному потоку) протекать в обход какого-либо участка схемы, обычно представляет собой низкоомный резистор, катушку или проводник.

Шунтирование — процесс параллельного подсоединения электрического элемента к другому элементу, обычно с целью уменьшения итогового сопротивления цепи.

Впервые предложен американским изобретателем Эдвардом Вестоном в 1893 году[1].

Измерительный шунт[2] SMD-шунт резистивный

Например, шунты применяются для изменения верхнего предела измерения у амперметров магнитно-электрической системы. При этом необходимое сопротивление шунта рассчитывают по формуле:

R2=R1⋅I1I−I1,{\displaystyle R_{2}={\frac {R_{1}\cdot I_{1}}{I-I_{1}}},}

где:

  • R2{\displaystyle R_{2}}  — сопротивление шунта, Ом;
  • R1{\displaystyle R_{1}} — сопротивление амперметра, Ом;
  • I{\displaystyle I}  — максимальный ток, который будет соответствовать полному отклонению стрелки прибора, А;
  • I1{\displaystyle I_{1}}  — номинальный максимальный ток, измеряемый амперметром без шунта, А.

Если необходимый предел измерения значительно превосходит номинальный ток амперметра, то этим током в знаменателе можно пренебречь, и тогда формула принимает вид:

R2=R1⋅I1I{\displaystyle R_{2}={\frac {R_{1}\cdot I_{1}}{I}}}.

Например, для измерения токов до 10 А амперметром, имеющим сопротивление 2000 Ом и максимальный ток 50 мкА, понадобится шунт сопротивлением

R2≈2000⋅5⋅10−510=0,01{\displaystyle R_{2}\approx {\frac {2000\cdot 5\cdot 10^{-5}}{10}}=0,01} Ом.

Применение шунтов позволяет расширить пределы показаний амперметра (за счёт ухудшения разрешающей способности и чувствительности прибора).

Важные замечания:

1.Высокоомный проводник шунта припаивается к контактам.

2.Контакты шунта имеют раздельное подключение измерительной цепи и головки прибора.

Нормативные документы
  • ГОСТ 8042-93 (недоступная ссылка). Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 8. Особые требования к вспомогательным частям.
Книги
  • Арутюнов В. О. Электрические и магнитные измерения. Общий курс : учеб. пособие для втузов./В. О. Арутюнов [и др.]. — Л. ; М. : ОНТИ. Гл. ред. энерг. лит., 1937. — стр. 186‑194.

шунтирующий резистор - это... Что такое шунтирующий резистор?


шунтирующий резистор

 

шунтирующий резистор
Резистор, подключаемый параллельно разрыву (разрывам) дугогасительного устройства выключателя с целью:
    - облегчения условий гашения дуги за счет снижения скорости и пика восстанавливающегося напряжения;   
    - снижения коммутационных перенапряжений;   
    - обеспечения более равномерного распределения напряжения между разрывами.
[ГОСТ Р 52565-2006]

В некоторых конструкциях воздушных выключателей последовательно с дугогасительными устройствами включают отделитель. В этих случаях, кроме обычно выполняемых функций, отделители отключают ток, протекающий по резисторам, шунтирующим дугогасительные устройства.
[БСЭ]

Тематики

  • выключатель, переключатель
  • высоковольтный аппарат, оборудование ...

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

  • шунтирующий реактор с отбором мощности
  • шунтирующий резистор амперметра

Смотреть что такое "шунтирующий резистор" в других словарях:

  • шунтирующий резистор амперметра — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN instrument shunt resistor …   Справочник технического переводчика

  • резистор в мостовой схеме — параллельный резистор шунтирующий резистор шунт — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы параллельный …   Справочник технического переводчика

  • параллельный резистор — шунтирующий резистор шунт — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы шунтирующий резисторшунт EN bypass …   Справочник технического переводчика

  • дивертор — шунтирующий резистор — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы шунтирующий резистор EN diverter …   Справочник технического переводчика

  • Выключатели, их составные части — А.2 Выключатели, их составные части А.2.1 выключатель: Контактный коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного времени и отключать токи …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ГОСТ Р 52565-2006: Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия — Терминология ГОСТ Р 52565 2006: Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия оригинал документа: А.2 Выключатели, их составные части А.2.1 выключатель: Контактный коммутационный аппарат, способный включать …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Pin диод — Функциональная структура pin диода …   Википедия

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ — измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и… …   Энциклопедия Кольера

  • Гальванометр — Схема работы гальванометра …   Википедия

Выбор шунтирующих резисторов в цепях постоянного оперативного тока

В этой статье я хотел бы рассказать, какие нужно выбирать шунтирующие резисторы, что бы уберечься от ложных срабатываний промежуточных реле с высоким сопротивлением обмоток(например, промежуточных реле R2…R4 фирмы Relpol, где сопротивление обмоток около 16,1 кОм при напряжении 220 В) в схемах РЗА и противоаварийной автоматики.

Когда же может возникнуть ложное срабатывание? А происходит оно, при замыкании на землю в цепях постоянного оперативного тока:

  • между управляющим контактом этого реле и его обмоткой;
  • при большой протяженности кабельной линии между управляющим контактом и обмоткой реле в любой точке положительного и отрицательного полюса.

Для того чтобы повысить надежность работы устройств РЗА рекомендуется руководствоваться требованиями противоаварийного циркуляра №Ц-10-87(Э) от 02.10.1987, хоть он и был издан в 1987 году, но на сегодняшний день он актуальность все еще не потерял. В данном циркуляре приводиться перечень мер по повышению надежности работы устройств РЗА с использованием реле РП-16, где сопротивление обмоток составляет около 22 кОм при напряжении 220 В, и реле РП-18 — 7 кОм при напряжении 110 В.

И так, чтобы повысить надежность работы устройств РЗА, требуется принять вот такие меры:

  • Зашунтировать обмотки реле с высоким сопротивлением обмоток в схемах релейной защиты и автоматики резистором с такими параметрами:- для реле с номинальным напряжением 220 В, применить резистор с сопротивлением 5,1 кОм;
    — для реле с номинальным напряжением 110 В, применить резистор с сопротивлением 1,2 кОм;
  • При параллельном соединении двух и более реле, шунтирующий резистор должен обеспечивать результирующее сопротивление:- при напряжении 220 В – не более 4 кОм;
    — при напряжении 110 В – не более 1 кОм.
  • Шунтирование реле с высоким сопротивлением обмоток необходимо производить также в тех случаях, когда они используются как реле-повторители блок-контактов и как реле положения «включено» и «отключено», если управляющие блок-контакты или электромагниты включения и отключения выключателей и реле располагается на разных панелях в удаленных местах, что, как правило, имеет место на ОРУ и других объектах.

Рекомендуемые параметры шунтирующих резисторов для этих схем, приведены на Рис.1 и Рис.2.

Рис.1 — Схема шунтирования реле-повторителей

Рис.2 — Схема шунтирования реле положения «включено» и «отключено»

Таблица — Рекомендуемые параметры шунтирующих резисторов

Резисторы следует принимать типа ПЭВ или аналог с допустимым отклонением сопротивления ±5%.

При сопротивлении резисторов R10 и R11 1000 Ом, устанавливаемым по типовым решениям, для исключения ложных срабатываний электромагнитов выключателей при закорачивании обмоток реле положения, сопротивление дополнительного шунтирующего резистора Rш принимать 5100 Ом, мощность рассеивания 25 Вт.

Шунтирование реле РП-16 и РП-18 (или аналогичных реле с небольшим током срабатывания) рассмотрено также, в схемах вызывной сигнализации с использованием указательных реле серии РЭУ-11).

Поделиться в социальных сетях

Шунтирующие резисторы | Высоковольтные выключатели

Шунтирующие резисторы (ШР), подключаемые параллельно контактам ДУ выключателя, но назначению разделяются на три основные группы:
Резисторы (одноступенчатые или двухступенчатые), предназначенные для изменения параметров ПВН на контактах В к при отключении к. з. и для увеличения тока отключения. Сопротивление шунтирующих резисторов данной группы, приходящееся на один разрыв высоковольтного выключателя, может быть от долей ома до нескольких сотен ом. В этих шунтирующих резисторах применяются линейные металлические или керамические токоведущие элементы (ТЭ).
Резисторы, предназначенные для снижения коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении ненагруженных трансформаторов, реакторов и синхронных компенсаторов, а также при включении длинных линий (предвключаемые сопротивления). Сопротивление шунтирующих резисторов данной группы, приходящееся на один разрыв, может быть от десятков ом до нескольких тысяч ом. В этих шунтирующих резисторов применяются линейные металлические или нелинейные ТЭ.
Резисторы, предназначенные для равномерного распределения напряжения между отдельными разрывами ДУ. Сопротивление шунтирующих резисторов этой группы лежит в пределах от нескольких десятков ом до сотен тысяч ом на один разрыв. В них применяются металлические ТЭ (нихром и др.).
Шунтирующий резистор оказывает существенное влияние на процесс коммутации высоковольтного выключателя. Сопротивление ТЭ резистора зависит от расстояния между выключателем и местом к. з., от параметров системы, в которой установлен В к, и от отключаемого тока.
ДУ, в котором используется шунтирующий резистор, должно иметь два разрыва, соединенные последовательно.
Подключение Шунтирующего резистора (рис. 1) к контактам ДУ может быть постоянным (схемы 1—4) или через дугу после ее возникновения (схемы 5—8).
Контакты I у 2 являются главными. Они рассчитаны на номинальный ток, на отключение тока к. з. и имеют необходимую термическую и динамическую стойкость. ШР с сопротивлением rш постоянно подключено к этим контактам. При замкнутых контактах 1, 2 через шунтирующий резистор проходит небольшая часть общего тока.

Рис. 1. Схемы подключения шунтирующего резистора
Контакты 4 и 5, 6 (схемы 2—4) являются вспомогательными и обеспечивают отключение тока, проходящего через шунтирующий резистор. Их рассчитывают либо на номинальный ток и на термическую и динамическую стойкость, такую же, что и у главных контактов 1, 2 (схема 2), либо на существенно меньшую стойкость (схемы 3 и 4).
Отделитель Од служит либо только для создания необходимого изоляционного промежутка в отключенном положении выключателя (схемы 2, 3, 4 и 7) либо, кроме того, еще и для отключения тока, проходящего через шунтирующий резистор (схемы 1, 5, 6 и 8). В схемах 2—4 отделителя может и не быть при условии, что изоляционный промежуток создается контактами 5, 4. Главные контакты 1, 2 при наличии Од или соответствующих вспомогательных контактов могут после их размыкания либо замыкаться пружинами, либо оставаться разомкнутыми (схемы 1—4).
Во всех схемах главные контакты отключаются ранее вспомогательных или Од, а включаются позже (если, конечно, контакты 1 и 2 оставались разомкнутыми).
Размыкание вспомогательных контактов, разрывающих цепь шунтирующего резистора, должно происходить с запаздыванием по отношению к главным контактам 1, 2 на время, несколько большее максимальной длительности горения дуги на этих контактах. Время прохождения тока через шунтирующий резистор с учетом времени гашения дуги на вспомогательных контактах в большинстве выключателей составляет 0,03—0,08 с. Это время существенно влияет на конструкцию шунтирующего резистора.
Включение высоковольтного выключателя осуществляется сначала Од, а потом уже вспомогательными и главными контактами (если при отключенном положении высоковольтного выключателя они были разомкнуты) либо только Од (если при отключенном положении В к контакты 1, 2 к 3, 4 были замкнуты).
Схема 4 может иметь два исполнения! а) без сопротивления rш и контактов 5, 6 и б) с сопротивлением r’ш и контактами 5, 6. Главные контакты 1,2 и вспомогательные 3, 4 размыкаются одновременно.
В первом случае дуга, образовавшаяся на контактах 1, 2, шунтирована малоомным сопротивлением rш и гаснет при первом прохождении тока через нуль. Вспомогательные контакты 3, 4 уже подготовлены к прерыванию тока. Поэтому гашение дуги на них происходит при первом же прохождении тока через нуль после погасания дуги на главных контактах. Изоляционный промежуток в отключенном положении создается Од или контактами 3, 4. Время обтекания током сопротивления rш в рассмотренном случае составляет 0,005—0,008 с.
Во втором случае дуги, образовавшиеся на контактах 1, 2 и 3, 4, шунтированы соответственно сопротивлениями rш и г'т  и гаснут при первом прохождении тока через нуль. Ток, проходящий через сопротивления rш и r’ш, прерывается контактами 5, 6. Изоляционный промежуток создается Од. Во многих случаях отключения небольших токов к. з. или токов к. з. при неповышенной СВН гашение дуги происходит на контактах 3, 4 при первом переходе тока через нуль и сопротивление Гш вообще не обтекается током.
На основе этой схемы созданы выключатели для работы в особо тяжелых условиях по СВН. Особенностью таких выключателей является практически полная независимость ПВН на контактах высоковольтного выключателя при отключении к. з., в том числе и неудаленного к. з., от условий внешней цепи.

Конструкции ШР по роду установки разделяются на три группы: наружной установки, внутренней установки и для работы в средах с высокой электрической прочностью (масло, сжатый воздух, элегаз и т. п.).
По материалу ТЭ резистора ШР разделяются на две группы: линейные шунтирующие резисторы (с металлическими токоведущими элементами из проволоки или ленты) и объемные ШР (линейные или нелинейные), выполненные из специальной керамики или бетэла.

Изоляционные материалы, применяемые для шунтирующих резисторов


Материал

Плотность. кг/м3

Теплопроводность, Вт/(М. К)

Удельная теплоемкость, кДж/(кг- К)

Теплостойкость по Мар- тенсу, °С

Электрическая прочность кВ/мм

Фарфор

2400

1,04

1,09

450

22

Эпоксидный компаунд с кварцевым песком

1800

0,5—0,6

1,5

30—100

30-50

То же с отвердителем диангидридом пиромеллитовой
кислоты

1800

0,5—0,6

1.5

до 260

30—50

Амииопласты
(ВЭИ-11)

1400—1500

0,3

1,25—1,7

165—200

4,5—6,4

Фенопласт К-18

i400~1500

0,25

1,25—1,7

165—200

4,5—6,4

Фенопласт АГ-4

1700— 1800

0,16

1,25—1,42

280

13

Кремнийорганической пластмассы
(КМК-218)

1800—2000

—

—

350

4-5

Миканит ТПФ листовой

2500

0,32

0,8

1100

10

Слюдопласт ИФПТ

2900

0,53

0, 86

400

           

Стеклоткань без замасливания

1100

—

—

1000

3,9

Асбест листовой

550

0,117

0,815

600

3,9

Стеклотекстолит на
кремиийорганической основе

1800—1850

0,4—0,5

1,01

до 300

17,4

* При 20 °С С повышением температуры электрическая прочность уменьшается.

Сплавы, применяемые для шунтирующих резисторов


Сплав

Удельное сопротивление при 20 °С. мОм- м

Теплопроводность, Вт/(м. К)

Удельная теплоемкость, ДжДкг. К)

Плотность,
кг/м3

Рабочая температура в воздухе.
°С

Диаметр проволоки, мм

предельная

оптимальная

Константан

0,48—0,52

4,0

415

8800

700

400

0,1—3,0

Манганин

0,42—0,50

4,5

418

8300

300

250

0,1—2,0

Нихром Х15Н60

1,06—1,16

12,6

462

8200

1000

850

0,3—7,5

Нихром

1,07—1,17

12,6

462

8200

1000

950

0,1—7,5

Х15Н60-Н

 

 

 

 

 

 

Нихром

1,06-1,17

16,8

504

8400

1100

950

0,1—7,5

Х20Н80-Н

 

 

 

 

 

Фехраль Х15105

1,18—1,34

16,8

462

7280

900

900

0,2—7,5

Фехраль Х23105

1,30—1,40

16,8

462

7250

1100

950

0,3-7,5

Фехраль Х27105Т

1,37—1,47

16,8

462

7190

1200

1100

0,5-5,5

Фехраль ХН7010

1,25-1,35

12,6

462

7900

1100

950

1,0—7.0

В табл.  приведены характеристики отечественных металлических и изоляционных материалов, применяемых для шунтирующих резисторов.

Шунтирующие резисторы, применяемые в выключателях

Подробности
Категория: Выключатели

Шунтирующие резисторы, применяемые в выключателях, могут выполнять следующие функции:
ограничивать скорость восстановления напряжения на контактах выключателя при отключении коротких замыканий;
ограничивать коммутационные перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов, реакторов и линий;
ограничивать коммутационные перенапряжения при включении ненагруженных линий;
выравнивать распределения напряжения по разрывам многоразрывного выключателя.
Наиболее широко в воздушных выключателях применяются резисторы для выполнения функций первой группы. Сопротивление таких резисторов изменяется от десятых долей Ома для генераторных выключателей до сотен ом — для выключателей высокого напряжения.
Резисторы второй группы, а также резисторы из третьей группы применяются в основном для выключателей сверхвысокого напряжения. Сопротивление резисторов этих групп изменяется в пределах от десятков до нескольких тысяч ом.
Наиболее тяжелым режимом работы воздушного выключателя является отключение неудаленного КЗ. Поэтому в дальнейшем более подробно будет рассмотрено влияние ШР на ПВН при работе выключателя в этом режиме.
Упрощенная расчетная схема коммутации выключателя при отключении неудаленного КЗ приведена на рис 1, где Umt — линейно нарастающее напряжение на контактах выключателя для временного интервала с момента прерывания дуги до прихода отраженной от места КЗ волны напряжения; zB — волновое сопротивление линии; С — емкость присоединенного к шинам оборудования; Rw и Llu — сопротивление


Рис. 1. Схемы коммутации выключателя при неудаленном КЗ

Сравнивая (1) и (2) получаем, что применение ШР уменьшает du/dt в отношении

Применение низкоомных шунтирующих резисторов (Rlls < zB) позволяет существенно снизить du/dt. Заметим, что низкоомные ШР наряду со снижением du/dt значительно облегчают условия гашения дуги до перехода тока через нулевое значение в результате увеличения интервала времени между моментами перехода тока  и напряжения через нулевое значение.
Конструкции низкоомных шунтирующих резисторов могут быть подразделены на две группы:
ШР с металлическими токоведущими элементами (круглыми или плоскими). В качестве материала для шунтирующих резисторов применяется проволока или лента из сплавов, имеющих удельное сопротивление 1,1 — 1,4 мкОм-м. Конструктивно такие ШР выполняются со спиральными или ленточными токоведущими элементами в виде отдельного конструктивного узла. ШР наружной установки помещаются в герметизированную фарфоровую покрышку;
объемные ШР из специальной керамики. Такие резисторы могут быть как линейными, так и нелинейными. В России в качестве материала для ШР применяется бетэл (бетон электротехнический) с объемной теплоемкостью при адиабатном нагреве примерно 100 Дж/см3. Некоторые объемные резисторы меняют сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Такие нелинейные резисторы перспективны для снижения коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов.
Термическая стойкость ШР является одним из важнейших показателей, определяющих надежность работы выключателя в целом.

Следует учитывать, что выключатели должны выполнять и повторять определенные циклы операций. Этим в основном определяется надежность шунтирующих резисторов при многократном нагреве его до высокой температуры. Если принять за исходный цикл операций двойное АПВ (О - /бт - ВО — 180 - ВО) и учесть, что за время бестоковой паузы 0,2 — 0,3 с обычно не происходит теплообмена между токоведущими и изоляционными элементами ШР, то можно считать, что две операции отключения следуют одна за другой без выдержки времени.  
Для определения полного времени остывания ШР, по истечении которого выключатель может повторить заданный цикл операций, следует рассматривать не только стадию адиабатного нагрева токоведущего элемента без теплообмена с нетоковедущими элементами, но и стадии теплового процесса, связанные с теплообменом между токоведущими и изоляционными элементами шунтирующих резисторов.

Компоненты для измерения тока / Habr

Измерение тока используется для контроля над разными параметрами, один из которых — мощность на нагрузке. Существует немало считывающих элементов для измерения тока через нагрузку. Их выбор диктуется потребностями каждого конкретного устройства, а также величиной измеряемого тока. Мы обсудим в этой статье три разных типа считывающих компонентов для измерения тока.

1. Шунтовые резисторы
Шунты и шунтовые резисторы — про­стейший вариант токочувствительных элементов. Необходимо лишь помнить о температурном коэффициенте сопро­тивления (ТКС) резистора и избегать его нагрева. Напомним эмпирическое правило выбора токочувствительного резистора: его максимально допусти­мая мощность должна не менее чем в два раза превышать рабочую мощность рассеивания.

Изменение температуры резистора в зависимости от величины протекающего через него тока прямо пропорциональ­но отношению номинальной мощности к рассеиваемой.

При выборе токочувствительно­го резистора необходимо учитывать тепловое сопротивление его кор­пуса. Этот параметр, представляющий собой тепловое сопротивление между резистором и его внешней поверхно­стью, является основным показателем, который определяет повышение тем­пературы резистора. В таблице пере­числены тепловые сопротивления стандартных корпусов для поверхност­ного монтажа.

Ширина проводника
При проектировании печатной платы необходимо, чтобы ее медные проводники выдержали максимальный ток, необходимый для устройства.
Для каж­дого устройства необходимо найти разумный компромисс между толщи­ной, шириной проводников и стоимо­стью.

Топология
Длина проводников между токо­измерительным резистором и измери­тельной схемой должна быть как можно меньше, чтобы уменьшить не только сопротивление проводника, но и его паразитные емкость и индуктивность, которые могут внести погрешность в показания быстроменяющегося тока.

Подключение сигнальных проводни­ков к токочувствительному резистору
Рекомендуется использовать токо­чувствительный резистор с четырьмя
выводами. Если по какой-либо при­чине применяются резисторы с двумя выводами, то сигнальная шина должна находиться под токочувствительным резистором в том месте, где он соединя­ется с контактной площадкой печатной платы.

Во многих случаях ширина токо­чувствительных резисторов меньше ширины токонесущих шин. Проводники соединяются с этими шинами под углом 45°, чтобы обеспечить равномерное про­текание тока.

Магнитные помехи
Величина генерируемого проводни­ком магнитного поля прямо пропорцио­нальна току через проводник и обратно пропорциональна расстоянию до точки измерения. Необходимо помнить, что сигналь­ные проводники с высоким импе­дансом не должны располагаться параллельно проводникам с большим током. Следует избегать пересечения проводников с большими токами. Если это невозможно по какой-то причине, рекомендуется располагать эти про­водники перпендикулярно друг другу и пересекать тот слой, который наибо­лее удален от сигнального проводника, чтобы ограничить влияние помех.

2. Схемы с активными сопротивлениями

Рассмотрим проектирование токо­чувствительных схем с активными сопротивлениями (direct current resistance, DCR), которые не вызывают дополнительных потерь на измери­тельной цепочке.

Как правило, схемы с активными сопротивлениями используются в низ­ковольтных устройствах, в которых падение напряжения на токочувстви­тельном резисторе составляет значи­тельную долю от величины напряжения питания, подаваемого на нагрузку.
Схема измерения тока с активным сопротивлением представляет собой альтернативу токочувствительным резисторам. В ней используется пара­зитное сопротивление индуктора для измерения тока нагрузки. Эта схема дистанционно измеряет ток через дроссель импульсной цепи регулято­ра. Благодаря отсутствию компонентов, установленных последовательно регулятору на нагрузке, схема работа­ет без потерь.
У правильно согласованной DCR-схемы эффективный импеданс со стороны АЦП равен сопротивлению индуктора. На рисунке представлена простая схема с активным сопротив­лением для измерения тока нагрузки понижающего импульсного преобразо­вателя.

Проектирование DCR-схемы, не оснащенной функцией регулировки, увеличивает погрешность измерений до 35%, что связано с разбросом значений индуктивности и емкости в этой схеме. В некоторых случаях погрешность измерений может увеличиваться до 50%. Но использование простой выравни­вающей схемы с энергонезависимыми цифровыми потенциометрами (digital potentiometers, DCP) существенно повы­шает точность измерения тока.

Итак, DCR-схемы не вносят потерь и занимают мало места на печатной плате. Поскольку эти решения требуют настройки для правильного функционирования, необходимы дополнительные меры при изготовлении устройств на их основе. Большие допуски на отклонения значений реактивных компонентов могут привести к большому разбросу значений между эффективными сопротивлениями схем. Большие температурные коэффициенты индукторов и конденсаторов увеличивают погрешность схемы. В целом, архитектуру схемы с активным сопротивлением можно считать хорошей для измерения больших токов.

3. Датчики Холла
Рассмотрим датчики Холла. Как правило, эти датчики, предназна­ченные для сильноточных устройств, определяют ток через проводник путем измерения индукции его маг­нитного поля. Поскольку измерение тока осуществляется дистанционно, считается, что датчики Холла работают без потерь. Эти устройства предназначены для систем с током выше 200 А, т.к. мощность, рассеиваемая токочув­ствительным резистором, достаточно велика.

На рисунке иллюстрируется базовая концепция метода измерения тока на основе эффекта Холла. В этой схеме ток через проводник опреде­ляется путем измерения индукции генерируемого им магнитного поля В. Величина поля прямо пропорциональ­на протекающему току и определяется его направлением.
Линейные датчики Холла являются активными схемами, потребляющими ток 3-10 мА. Уровень шума этих датчиков составляет около 25 мВ, или 5 Гс. Данные устройства не годятся для устройств с малыми токами или большими расстояниями между проводником и датчиком из-за большого шума и потребляемого тока.

Условия, в которых эксплуатируются сигнальный проводник и датчик, следует учитывать при измерении слабых магнитных полей. Линейные датчики Холла измеряют суммарное магнитное поле в месте нахождения самого датчика. Проводники с током, расположенные рядом с датчиком, изменяют величину измеряемого магнитного поля, ухудшая точность показаний. Датчик также реагирует на другие внешние магнитные поля, возникающие при переключении двигателя или любого другого генерирующего энергию устройства.

Для ограничения влияния внешних магнитных полей на датчики используется магнитный экран, который окружает проводник с током. На рисунке показан пример использования металлического кожуха (клетки Фарадея), экранирующего проводник и датчик.

Недавно на рынке появились датчики Холла с интегрированным проводящим каналом, цепью компенсации и защитным экраном. Интеграция проводящего канала в датчик облегчает расчет выходного сигнала в функции тока через проводник. Однокристальное решение упрощает схему устройства и разработку приложения по измерению тока с помощью датчика Холла.

Несмотря на то, что за последнее время конструкция датчиков на эффекте Холла была усовершенствована, их точность и защита от помех увеличились, применение этой технологии ограничено сильноточными устройствами. Датчики Холла рассеивают меньшую мощность, чем шунтовые резисторы.

Выводы

Шунтовые резисторы — наиболее распространенные токочувствительные элементы благодаря простоте схемного решения и его стоимости, а также точности измерений. DCR-схемы предназначены для устройств с импульсными регуляторами и малыми регулируемыми выходными напряжениями благодаря дистанционному измерению тока. Наконец, датчики Холла предназначены для сильноточных устройств, поскольку рассеиваемая ими мощность меньше, чем у решений на основе шунтовых резисторов.

У каждого из трех рассмотренных решений имеются свои преимущества и недостатки. Из-за того, что шунтовые резисторы рассеивают мощность, энергоэффективность решений на основе этих компонентов сравнительно невелика. К тому же в устройствах с низким напряжением величина падения напряжения на токочувствительном резисторе может быть соизмерима с рабочим напряжением, что недопустимо. Работа схемы с использованием активного сопротивления (DCR) зависит от согласования конденсатора и индуктора. Оба компонента имеют большие допуски и высокие температурные коэффициенты. Датчик Холла восприимчив к окружающему шуму, и его применение осложняется недостатками схемы. Несмотря на усовершенствование этой технологии, до сих пор ограничивающим фактором на пути ее применения остается точность измерений.

Для чего нужен нагрузочный резистор (обманка). — ДиЛаС на DRIVE2

Многие автомобили контролируют исправность осветительных и сигнальных ламп. Часто электроника автомобиля измеряет ток через лампу и сравнивает его с неким эталонным значением, соответствующим исправной лампе. А поскольку светодиодные лампы имеют мощность значительно меньше, чем лампы накаливания, то автомобильные «мозги» малый ток принимают за обрыв лампы накаливания и показывают тем или иным способом, что лампа перегорела: ошибка на приборной доске, частое мигание (лампы указателей поворотов) и т.д. Чтобы этого избежать и продолжать использовать светодиодные лампы можно выполнить одно из следующих действий:
1. Самый предпочтительный способ, «софтовый» – сменить уставки тока в бортовом компьютере или на крайний случай отключить вообще проверку ламп. Первый вариант этого способа – идеальное решение, второй – хорош тем, что не нужно дополнительно вмешиваться в схему электропитания, недостаток в том, что если лампа перегорит, то водитель об этом оперативно не узнает. К сожалению, в большинстве автомобилей этот способ не применим. Сложно залезть в «мозги» автомобиля и сделать изменения.
2. Установка параллельно лампе нагрузочного резистора (обманки) – самый распространенный способ обхода ошибки. Большой недостаток данного способа – это сильный нагрев резисторов. Также нет никакой экономии в электропотреблении. И чем больше мощность заменяемой лампы, тем сильнее будет нагрев. Например, для ламп Н11 (55Вт) нужен резистор мощностью не менее 100Вт и греться он будет более 100 градусов. Обманки могут быть встроенными в лампу и внешними. Более подробно будет описано ниже.
3. Самый сложный способ, хардкорный – изменение схемы измерения тока ламп. Во многих автомобилях для управления лампами используются «умные» ключи, имеющие множество защит и функцию измерения тока. С этих ключей идут сигналы, как правило, тоже токовые на АЦП микроконтроллера через токосъемный шунт – резистор в несколько килоом. Вот этот резистор и нужно перепаять, изменив сопротивление обратно пропорционально изменению тока. Способ сложный. Кроме необходимости продвинутых навыков пайки нужно еще знать, какие элементы менять.

Пример изменения схемы блока ГЕМ ФФ2 в случае с лампами указателей поворотов. Взято с ffclub.ru

4. Для ламп указателей поворотов у некоторых автомобилей можно поменять реле на специальное для светодиодов, в котором уже занижена уставка тока. Чтобы понять, есть реле поворотов или нет, нужно включить поворот при расстегнутом ремне безопасности. Если реле нет, то имитация его щелчков динамиком будет прерываться на сигнал непристегнутого ремня.
Понятно, что самый распространенный способ второй. Его и рассмотрим подробнее. Очень много вопросов и непонимания по применению обманок.
Встроенные в лампу обманки имеют большой недостаток – они греют лампу и собственно светодиоды. Известно, что чем меньше температура светодиода, тем дольше он служит, да и светит ярче. Зато, конечно, проблем с установкой такой лампы меньше. Лампы ДиЛаС с обманками изготавливаются только малой мощности – W5W. Мощность обманки 1,2Вт при 12В и 1,6Вт при 14В. В совокупности с мощностью, потребляемой светодиодами, мощность лампы составляет 1,9-2,3Вт, в зависимости от типа лампы и напряжения. В большинстве случаев этого достаточно для «обмана» проверки ламп, поскольку уставки тока установлены примерно на 40% от номинала (5Вт). Однако, есть автомобили, у которых уставки несколько выше и встроенные обманки НЕ РАБОТАЮТ. Это нужно понимать при выборе ламп. Обманки с большей мощностью мы принципиально НЕ СТАВИМ, чтобы не уменьшать кардинально срок службы ламп с обманками. Если у Вас автомобиль концерна VAG (также замечены некоторые модели Volvo), то лучше взять лампу без обманки – она будет светить ярче и дольше – и внешнюю обманку для габаритов или подсветки номера. Впрочем, у некоторых «немцев» лампы со встроенной обманкой вполне работают.
Внешние обманки – это, как правило, мощные резисторы в алюминиевом корпусе. Для ламп малой мощности можно использовать проволочные в керамическом корпусе («цементные»). Номинальная мощность резистора должна превышать в несколько раз мощность, выделяемую на нем. Иначе резистор будет греться ОЧЕНЬ сильно. Например, для ламп 5Вт нужен резистор 39-47 Ом 20-25Вт. Для ламп 21Вт – 6-15 Ом 50-100Вт. Разброс сопротивлений дан в зависимости от мощности светодиодной лампы. Если есть возможность, лучше подобрать максимальное сопротивление, когда не возникает ошибка. Ведь, чем меньше сопротивление, тем больше резистор будет греться. Обычно для ламп указателей поворотов продаются обманки 50 Вт с сопротивлением 6 Ом. При напряжении 12В на них будет выделяться мощность 24 Вт, а при 14В – 32Вт! Так сказать, с запасом. С двумя лампами по 6Вт общая мощность 6+6+24(32)=36(44)Вт. Так что в большинстве случаев достаточно одного резистора на пару ламп.

Полный размер

Мощный резистор 50Вт 6 Ом.

Полный размер

Резистор 20Вт 47 Ом.

Понять, нужна ли обманка, просто. Достаточно убрать одну или две лампы в цепи и посмотреть, будет ли ошибка. На большинстве японских автомобилей проверка ламп не производится, не считая ламп указателей поворотов.

Резисторы в цепях управления силовых выключателей

Приветствую коллеги.

Как-то мы уже обсуждали  цепи привода выключателя в статье «Зачем нужны реле РПВ и РПО?». Сегодня рассмотрим применение, в этих схемах, такого элемента, как резистор.

Где применяются резисторы, какие задачи они выполняют и что это дает? Поехали!

Резисторы для реле РПВ, РПО в схемах с электромеханикой

В старых схемах катушки электромеханических реле РПВ и РПО включались в цепи управления последовательно с резисторами (см. Рис.1). Делалось это для того, чтобы, при пробое катушки, напряжение на электромагнитах выключателя было меньше напряжения их срабатывания. В этом случае резистор являлся плечом делителя напряжения, на котором создавалось требуемое падение.

Рис. 1. Подключение реле РПВ, РПО в схемах с электромеханикой

Такая схема позволяла предотвратить несанкционированное включение/ отключение силового выключателя, которое может привести к нехорошим последствиям (особенно включение)

Интересно, что в современных схемах с микропроцессорными терминалами эти резисторы не применяются (см. Рис. 2)

Рис. 2. Подключение входов РПВ, РПО в схемах с МП РЗА

Дискретные входы РПВ и РПО включены в цепи управления напрямую. В нормальном режиме сопротивление дискретного входа очень большое (даже больше, чем у реле с резистором) и поэтому на электромагните практически нет напряжения. Это круто.

Однако, при пробое дискретного входа на электромагнит выключателя прикладывается полное напряжение опер. тока, что приведет к самопроизвольной операции выключателя. Это не круто.

В принципе можно было поставить резистор и в цепи с дискретным входом, но тогда для РПВ, РПО придеться применять отдельные входы с другим порогом срабатывания, на что никто из производителей МП РЗА не идет.

 

Шунтрирующие резисторы для дискретных входов

Еще одно применение резисторов в цепях привода показано на Рис. 3 Это шунтирующие резисторы для дискретных входов РПВ и РПО в схемах с микропроцессорными терминалами РЗА.

Рис. 3. Шунтирующие резисторы для входов РПВ и РПО

Как видите, эти резисторы подключаются параллельно дискретным входам терминала и нужны для того, чтобы увеличить падение напряжения на внешнем контакте (в данном случае блок-контакте выключателя), при его срабатывании. Тот же делитель напряжения, только для обратной цели.

Зачем увеличивать напряжение на внешнем контакте?

Дело в том, что в такой схеме на контакте падает очень маленькое напряжение (из-за большого сопротивления дискретного входа) и существующая оксидная пленка, в месте контакта, может просто не пробиться. Контакт замкнулся, а сигнал не прошел.

Другими словами не все контакты способны коммутировать дискретный вход терминала. Для увеличения напряжения на контакте уменьшают входное сопротивление контакта, путем добавление параллельного резистора.

На самом деле такие резисторы используются не только в цепях РПВ, РПО, но   для шунтирования других дискретных входов. Иногда в шкафах РЗА устанавливаются целые сборки с резисторами (см. Рис. 4). Просто блок-контакты выключателя обычно находятся в наименее благоприятных условиях эксплуатации, что и проводит к образованию оксидной пленки.

Рис. 4. Шунтирующие резисторы для других входов терминала

Стоит отметить, что практически все современные терминалы имеют специальные дискретные входы с режекцией сигнала, которые изменяют свое сопротивление в ходе коммутации внешним контактам. Такие входы уже не нужно шунтировать и постепенно схемы с резисторами уходят в прошлое.

 

Шунты для контроля протекания тока

Еще одним способом применения резисторов/шунтов является контроль за протеканием тока через цепи управления приводом (см. Рис.5). Шунт с малым сопротивлением включается последовательно с электромагнитом и обтекается его током при каждой операции управления.

Рис. 5. Шунты для контроля тока через ЭМ

Падение напряжения на данном шунте (около 5 В) можно зафиксировать специальным входом терминала и использовать логический сигнал «Наличие тока в цепи управления» в логике. Например, в логике защиты от длительного протекания тока через ЭМ.

Контроль такого напряжения гораздо легче, чем прямой контроль протекающего тока из-за повышенного тепловыделения, при последнем способе.

Данный способ контроля тока применяется в некоторых терминалах НПП «ЭКРА» и НТЦ «Механотроника».

 

Вот такие есть примеры использования резисторов в цепях управления силовым выключателя. А какие еще примеры знаете вы? Пишите об этом в комментариях)

Удачи!

Основы измерения тока: Токоизмерительные резисторы. Часть 1

Начинаем публикацию статьи, состоящей из трех частей, в которой рассматриваются недооцениваемые особенности чувствительности при измерении тока. В первой части статьи обсуждаются общие настройки, выбор и реализация токоизмерительного резистора. Во второй части будут рассматриваться действующие совместно схемы, такие как необходимый аналоговый усилительный интерфейс (analog front-end (AFE)) и измерительный усилитель. В третьей части обсуждается использование усилителей при измерении тока в тех случаях, когда нагрузка находится под более высокими напряжениями.

Основы измерения тока

Сила тока является одним из наиболее распространенных параметров, используемых для оценки, контроля и диагностики эффективности работы электронных систем. Поскольку это широко распространенное измерение, разработчики часто сталкиваются с проблемами, если недооценивают особенности точного измерения силы тока.

Наиболее распространенным чувствительным элементом, используемым для регистрации тока, является прецизионный низкоомный резистор, устанавливаемый в разрыв цепи тока. На этом резисторе, обычно называемом шунтом, создается падение напряжения, пропорциональное проходящему через него току. Поскольку шунтовый резистор не должен оказывать существенного влияния на ток, он часто имеет довольно маленькое номинальное сопротивление, порядка нескольких миллиом или долей миллиом. В результате падающее на шунтовом резисторе напряжение также довольно маленькое и часто требует усиления перед преобразованием с помощью АЦП.

Таким образом, общая конфигурация сигнальной цепи для контроля тока включает аналоговый усилитель (AFE) падающего на шунтовом резисторе напряжения, АЦП для преобразования усиленного напряжения в цифровое представление и системный контроллер (рис. 1).

Рис. 1. Самый простой способ измерения протекающего тока связан с использованием шунтового резистора (крайний слева), на котором падает напряжение, пропорциональное протекающему через него току. Усилитель AFE усиливает низкое напряжение на шунтовом резисторе, чтобы использовать полный диапазон измерений АЦП. 

В качестве усилителя AFE обычно используется операционный усилитель или специализированный токовый усилитель, который преобразует небольшое, падающее на шунтовом резисторе дифференциальное напряжение, в повышенное выходное напряжение, которое использует в АЦП полный измерительный диапазон. АЦП, который может быть автономным устройством или встроенным блоком в микроконтроллере или системе на кристалле (SoC), оцифровывает сигнал напряжения и передает полученную информацию управляющему процессору. Системный контроллер использует оцифрованное измерение силы тока, чтобы оптимизировать характеристики системы или внедрить протоколы безопасности, чтобы предотвратить повреждение системы, если ток превышает заданный предел.

Поскольку для преобразования тока в напряжение использован сенсорный компонент в цепи, все физические характеристики резистора (сопротивление, допуск величины, мощность, тепловой коэффициент и тепловая ЭДС) влияют на точность. Следовательно, выбор подходящего шунтового резистора имеет решающее значение для оптимизации измерения тока.

Величина шунтового резистора и падающее на нем напряжение оказывают воздействие на систему. Например, шунтовый резистор со слишком большим сопротивлением может вызвать ненужные потери и понизить напряжение на нагрузке.

Например, при измерении тока, протекающего через обмотку двигателя, пониженное напряжение уменьшает доступную для двигателя электрическую мощность, влияет на его эффективность и/или крутящий момент. Кроме того, большие токи (десятки или сотни ампер), протекающие через шунтовый резистор, приводят к тому, что на резисторе рассеивается значительная энергия в виде выделяемого тепла, понижая точность и эффективность измерения. По этим причинам сопротивление шунта должно быть как можно меньше.

Выбор шунтового резистора для измерения тока

Тот факт, что на шунтовых резисторах рассеивается мощность при протекании через них тока нагрузки, требует минимального значения их сопротивления. Кроме того, для стабильности измерения токоизмерительные резисторы также должны иметь очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Малый ТКС приведет к высокой точности измерения при низкой зависимости от температуры.

Тепловая ЭДС токочувствительного резистора является еще одной важной характеристикой. Токовые шунтовые резисторы должны работать в широком диапазоне токов. Когда ток низкий, например, в приборе с батарейным питанием в режиме сна или ожидания, тепловая ЭДС шунта добавляет измерительную ошибку к напряжению, создаваемому протекающим через резистор током. Это напряжение ошибки должно быть значительно меньше, чем наименьшее ожидаемое напряжение, создаваемое протекающим через шунтовый резистор током, сводя к минимуму ошибку измерения.

Шунтовые резисторы для датчиков тока доступны с двумя или четырьмя контактами. Шунтовый резистор с двумя контактами является наиболее простым случаем для понимания, поскольку он работает так же, как и любой двухконтактный резистор. При протекании тока через двухконтактный шунтовый резистор на его контактах появляется напряжение, пропорциональное протекающему через него току.

Примерами двухконтактных шунтовых резисторов является серия шунтовых резисторов Bourns CSS2 и серия шунтовых резисторов Vishay WSLP. Серия Bourns CSS2 включает шунтовые резисторы с номинальной мощностью от 2 до 15 Вт, сопротивлением от 0,2 до 5 мОм и с максимальным диапазоном тока от 140 до 273 ампер. Типичный резистор из этих серий, CSS2H-2512R-L500F, поставляется в корпусе для поверхностного монтажа 2512, имеет сопротивление 0,5 мОм и номинальную мощность 6 Вт.

Семейство шунтовых резисторов Vishay WSLP включает устройства в нескольких типах корпусов для поверхностного монтажа в диапазоне размеров от 0603 до 2512, с допустимой мощностью от 0,4 до 3 Вт, с сопротивлениями от 0,5 мОм до 0,1 Ом, при допуске 0,5% или 1%. Типичным шунтовым токовым резистором Vishay является WSLP1206R0200FEA, который поставляется в корпусе 1206 с сопротивлением 20 мОм, допуском 1% и номинальной мощностью 1 Вт.

Обратите внимание, что эти токовые шунтовые резисторы для поверхностного монтажа (SMD) имеют незначительные размеры и занимают очень мало места на плате, но поскольку они могут рассеивать значительное количество тепла, их следует размещать достаточно далеко от чувствительных к нагреву компонентов.

Три сопротивления в одном шунтовом резисторе

Несмотря на их внешний вид, современные шунтовые резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление шунтового резистора фактически состоит из трех частей (рис. 2). Во-первых, есть сопротивление самого шунтового резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к шунтовому резистору. Обычно сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами шунтовые резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях шунтового резистора.

Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора  (Rshunt), сопротивление двух выводов резистора (Rlead) и сопротивление подводящих дорожек на плате, подключенных к резистору (не показано). Сопротивление выводов может вызвать ошибку измерений для большого тока. 

Одним из способов, позволяющих избежать ошибок измерения, вносимых внешними сопротивлениями выводов, является создание соединения Кельвина, выполнив раздельные токоизмерительные дорожки к двухконтактному шунтовому резистору (рис. 3).

Рис. 3. Соединение Кельвина с двухконтактным токочувствительным резистором уменьшает погрешность измерения, вызываемую сопротивлением выводов резистора и дорожек печатной платы. Пример изображения двухконтактных токовых шунтовых резисторов показан справа.

В этой конфигурации ток, протекающий через резистор токового шунта, проходит через широкие подводящие дорожки на печатной плате. Гораздо более узкие дорожки, которые  находятся не в основном канале протекающего тока, но расположены непосредственно рядом с резистивным элементом шунтового резистора, снимают падающее на нем напряжение и передают его на вход AFE. Разделение токоведущих и токочувствительных контактов характеризует соединение Кельвина.

Полученное в результате схематическое представление соединения Кельвина с использованием двухконтактного шунтирующего резистора показано на рис. 4.

Рис. 4. Использование соединения Кельвина с двухконтактным шунтовым резистором выводит линии измерения напряжения из основной цепи тока, что приводит к более точному измерению напряжения на шунтовом резисторе

Очень малый ток протекает через два токочувствительных резистора (Rsense), показанных на рис. 4, потому что они подключены к имеющим высокий импеданс входам усилителя либо АЦП, что делает их сопротивления намного менее критичными, чем значения сопротивления выводов, через которые протекает большой ток шунтового резистора. Следовательно, падение напряжения на резисторах Rsense довольно небольшое и не является значительным источником ошибки при измерении тока.

Что лучше, два вывода или четыре?

Как видно из монтажной схемы печатной платы на рис. 3, невозможно полностью исключить сопротивления выводов в двухконтактном шунтовом резисторе даже при использовании соединения Кельвина. Должен быть определен некоторый допуск для размещения печатной площадки, чтобы учесть ошибку позиционирования, когда шунтовый резистор устанавливается для впаивания на печатную плату.

Кроме того, ТКС медных дорожек печатной платы (3900 м.д. (миллионных долей)/ ?C) намного выше, чем ТКС резистивного элемента шунтового резистора (часто менее 50 м.д./ ?C).  Эти параметрические различия приводят к тому, что изменение сопротивления в дорожках печатной платы намного больше, чем в токочувствительном резисторе, что дает более высокую температурную зависимость токочувствительной цепи.

При использовании двухконтактного шунтового резистора с соединением Кельвина, часто уровень точности для чувствительности по току может оказаться недостаточным во многих случаях с очень высоким током. Для таких случаев производители предлагают шунтовые резисторы с четырьмя контактами, в которых соединение Кельвина реализовано внутри резистора. Таким образом, производитель может полностью контролировать все допуски и температурные коэффициенты, относящиеся к соединению Кельвина (рис. 5).

High Current Trace – Цепь для мощного тока
Current Sensing Trace – Токочувствительная цепь
Current Sensing Resistor – Токочувствительный резистор
Copper Trace – Медная дорожка
Рис. 5. Четырехконтактный шунтовый резистор обеспечивает высокоточное соединение Кельвина с токочувствительными соединениями, расположенными рядом с шунтовым резистором. Пример изображения токового четырех контактного шунтового резистора представлен справа.

Токочувствительный резистор с четырьмя контактами, использующий соединение Кельвина, имеет отдельные выводы для протекающего через резистор большого тока и для измерения напряжения, что помогает повысить точность измерений. Кроме того, использование четырехконтактного шунтового резистора с соответствующим соединением Кельвина снижает влияние ТКС, обеспечивая улучшенную температурную стабильность, по сравнению с двухконтактным шунтовым резистором, использующим компоновку печатной платы для реализации соединения Кельвина.

Bourns предлагает несколько четырехконтактных шунтовых резисторов из серии для поверхностного монтажа CSS4 (рис. 6).

Рис. 6. Шунтовые резисторы Bourns CSS4 для поверхностного монтажа используют четырехконтактное соединение Кельвина для максимальной точности измерения тока.

В состав серии Bourns CSS4 входят шунтовые резисторы CSS4J-4026R-L500F 0,5 мОм, 1%, 5 Вт, и  CSS4J-4026K-2L00F 2 мОм, 1%, 4 Вт. Оба эти шунта имеют низкий ТКС, низкую тепловую ЭДС и занимают на плате площадку не более 10 мм × 7 мм.

Заключение

Первым шагом в процессе измерения тока является преобразование электрического тока в более легко измеряемый параметр – напряжение. Токовые шунтовые резисторы являются недорогими компонентами, которые выполняют эту задачу. Однако, как показано в статье, номинальное значение шунтового резистора должно быть низким, чтобы минимизировать его влияние на цепь и рассеиваемую мощность на самом резисторе.

К другим важным параметрам для токовых шунтовых резисторов относятся ТКС и тепловая ЭДС, которые могут значительно повлиять на точность измерения тока.

Наконец, для того, чтобы максимизировать точность измерения, крайне важно не допустить ограничения силы тока, протекающего через шунт, минуя токочувствительный тракт либо с помощью специальной компоновки печатной платы, которая создает соединение Кельвина для двухконтактного шунта, либо с помощью четырехконтактного шунтового резистора.

Поскольку низкое значение сопротивления подразумевает, что падение напряжения на токочувствительном резисторе будет небольшим, во второй части этой статьи будут обсуждаться соображения по проектированию AFE, который усиливает низкое напряжение, упрощая процесс измерения с помощью АЦП.

Расчёт шунтирующего сопротивления амперметра. Супер онлайн калькулятор. :: АвтоМотоГараж

Для контроля величины тока применяется прибор называемый амперметром. Из практики могу сказать, что не всегда под рукой оказывается прибор с нужным диапазоном измерения. Как правило, диапазон либо мал, либо велик. Здесь мы разберем, как изменить рабочий диапазон амперметра.  Амперметры на большие токи от 20 ампер и выше имеют в своём составе внешний шунтирующий резистор. Он подключается параллельно амперметру. На рисунке 1 приведена схема включения амперметра с шунтирующем резистором.

 

В качестве примера в экспериментах будет использован амперметр M367 со шкалой до 150 ампер, соответственно при таком токе амперметр используется с внешним шунтирующим сопротивлением.

Если убрать шунтирующий резистор, то амперметр станет миллиамперметром с максимальным током отклонения стрелки 30 мА (далее будет пояснение, откуда это значение взялось). Таким образом, используя разные шунтирующие сопротивления можно сделать амперметр практически с любым диапазоном измерения.

Рассмотрим подробнее имеющийся измерительный прибор. Из его маркировок можно узнать следующее. Маркировка в верхнем правом углу (цифра 1 на изображении). Модель измерительной головки М367. Сделан на краснодарском заводе измерительных приборов (это можно определить по ромбику с буковками ЗИП). Год выпуска 1973. Серийный номер 165266.

Маркировка в нижнем левом углу (цифра 2 на изображении). Слева на право. Прибор предназначен для измерения постоянного тока. Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой. Напряжение между корпусом и мангнитоэлектрической системой не должно превышать 2 КВ. Рабочее положение шкалы прибора вертикальное. Класс точности прибора в процентах 1,5. ГОСТ8711-60. Измерительная головка рассчитана на измерения силы тока до 150 ампер с использованием внешнего шунтирующего сопротивления рассчитанного на падение на нём напряжения номиналом в 75 милливольт.

Итак, это максимум что удалось узнать из маркировки амперметра. Теперь перейдём к расчетам. Сопротивление шунта определяется по формуле:

где :
Rш - сопротивление шунтирующего резистора;
Rприб - внутреннее сопротивление амперметра;
Iприб - максимально измеримый ток амперметром без шунта;
Iраб - максимально измеримый ток с шунтом (требуемое значение)

Если все данные для расчёта имеются, то можно приступать к самому расчёту. Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором ниже:

 

В нашем случае из формулы видно, что данных не достаточно. Нам известен только максимальный измеряемый ток с шунтом. То есть, то, что мы хотим видеть в случае максимального отклонения стрелки амперметра.

Из маркировки прибора удалось узнать падение напряжения на шунтирующем сопротивлении. И это уже что-то. Из этого параметра ясно, что при подаче на прибор напряжения номиналом 0,075 вольт (75мВ) стрелка отклониться до крайнего значения на шкале 150 ампер. Таким образом, получается, что максимальное отклонение стрелки прибора достигается подачей напряжения 75 мВ. Вроде как данных для расчета по-прежнему не хватает. Необходимо узнать сопротивление прибора и ток, при котором стрелка откланяется до максимального значения без шунтирующего резистора. Далее предлагаю несколько способов для определения нужных параметров и решения задачи.

Способ первый. При помощи блока питания выясняем максимальное отклонение стрелки по току и напряжению без шунта. В нашем случае напряжение уже известно. Его замерять не будем. Измеряем ток и отклонение стрелки. Так как блока питания под рукой не оказалось, то пришлось воспользоваться очень разряженой батарейкой типа АА. Ток, который батарейка могла ещё отдать, составил 12 мА (по показаниям мультиметра). При этом токе стрелка прибора отклонилась до значения на циферблате 60А. Далее определяем цену деления и рассчитываем полное (максимальное) отклонение стрелки. Поскольку шкала циферблата амперметра размечена равномерно, то не составит труда узнать (рассчитать) ток максимального отклонения стрелки.

Цена деления прибора рассчитывается по формуле:

где:
х1 – меньшее значение,
х2 – большее значение,
n – количество промежутков (отрезков) между значениями

Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором ниже:

 

 

Расчёт показал, что цена деления прибора штатной шкалы составляет 5 ампер. При токе 12 мА стрелка отклонялась до показания 60А. Таким образом, цена одного деления без шунта составляет 1 мА. Всего делений 30, соответственно максимальное отклонение стрелки до значения 150А без шунта составляет 30 мА.

Далее при помощи закона Ома находим сопротивление прибора. 0,075/0,03=2,5 Ом

Расчёт:
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(10-0,03)=0,00752 Ом для шкалы 10А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(5-0,03)=0,01509 Ом для шкалы 5А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(3-0,03)=0,02525 Ом для шкалы 3А мах

Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором расчёта сопротивления шунтирующего сопротивления выше.

Второй вариант. При помощи прецизионного мультиметра замеряем сопротивление амперметра и далее при помощи закона Ома (зная напряжение максимального отклонения стрелки) находим ток максимального отклонения стрелки. Измерения выполнялись прецизионными мультиметрами Mastech MS8218 и Uni-t UT71E. При измерении сопротивления амперметра значение составило 2,50-2,52 Ом прибором UT71E и 2,52-2,53 прибором MS8218.

Формула для расчёта тока отклонения стрелки до максимального значения:

Расчёт: 0.075/2.52=0.02976А

Для упрощения вычислений максимального тока отклонения стрелки амперметра можно воспользоваться калькулятором ниже:

 

Далее, как и в первом варианте выполняем расчёт сопротивления шунтирующего резистора (калькулятор выше). Для расчёта было принято среднее показание измеренного сопротивления амперметра двумя мультиметрами Rприб = 2,52Ом

Расчёт:
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(10-0,02976)=0,00752 Ом для шкалы 10А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(5-0,02976)=0,01508 Ом для шкалы 5А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(3-0,02976)=0,02524 Ом для шкалы 3А мах

Если сравнить расчёты двух методик между собой, то получились совпадение данных до четвёртого знака после запятой, а в некоторых случаях даже до пяти знаков.

О тонкостях изготовления шунтирующего сопротивления расскажу в следующей статье: Как сделать шунт (шунтирующий резистор) для амперметра. Самый простой метод подбора.

И ещё одно продолжение этой тематики: Как изменить предел измерения амперметра. Как переделать амперметр постоянного тока на переменный.

Смотрите также