Что такое шунт в электричестве

Шунт

Что такое шунт в электричестве

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 практике

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:

Режимы работы электрических цепей. Шунт

Что такое шунт в электричестве

1.1. Электрическая цепь. Основные понятия и определения13

Если цепь содержит не менее двух узлов и контуров и не менее трёх ветвей, то такая цепь является разветвлённой, в противном случае –– неразветвлённой.

Смешанным соединением участков электрической цепи называется сочетание последовательных и параллельных соединений.

Взависимости от соотношения сопротивления источника и нагрузки различают четыре режима электрической цепи:

1. Рабочие ––

•номинальный (Rн = Rнн, все параметры цепи соответствуют расчётным);

•согласованный (Rн = Rвн, обеспечивает передачу максимальной мощности от источника к нагрузке при КПД 50 %).

2.Предельные ––

•холостого хода (Rн Rвн, разрыв электрической цепи, напряжение на выходных разъёмах равно ЭДС);

•короткого замыкания (Rн Rвн, характеризуется высоким значением силы тока, которая ограничена только внутренним сопротивлением источника, обычно является аварийным режимом).

1.1.4.1. Номинальный режим
Номинальный режим –– режим электри-
ческой цепи, в котором сопротивление нагруз-i
ки соответствует паспортному или расчётному
(Rн = Rнн, рис. 1.3).Rвн
Номинальный режим является основнымuRнн
рабочим режимом любой электрической цепи.
e
Номинальному режиму соответствует но-
минальные или расчётные значения напряже-
ния (u = uн) и тока (i = iн).
Параметры номинального режима приво-Рис. 1.3.
дятся в паспорте устройства а также на пас-

Номинальный режим

портной табличке (шильдике), расположенном на корпусе устройства.

141. Основные положения
1.1.4.2. Согласованный режим
iтрической цепи, в котором сопротивление
нагрузки равно внутреннему сопротивле-
Rвннию источника (Rн = Rвн, рис. 1.4).
Rн = RвнuХарактернойособенностью согла-
eсованного режимаявляется максимум
передаваемой мощности от источника к
нагрузке. Основным недостатком этого ре-
жима является низкий КПД (50 %).
Рис. 1.4. СогласованныйРассмотрим согласованный режим по-
дробнее.
режимТок в цепи и мощность в цепи, при-
ведённой на рис. 1.4 определяются следую-
щими выражениями:e
i =
Rвн + Rн
p = Rнi2 = Rнe2
(Rвн + Rн)2
Найдём максимум мощности приёмника, приравняв к нулю про-
изводную мощности по сопротивлению нагрузки:
dp= e2(Rвн + Rн)2 − 2(Rвн + Rн)Rн= 0.
dRн(Rвн + Rн)4

Полученное равенство будет выполняться при условии равенства нулю делителя (при e = 0 наступит режим холостого хода и передача энергии осуществляться не будет):

(Rвн + Rн)2 − 2(Rвн + Rн)Rн = 0.

И окончательно:

Rвн = Rн.

Следствием равенства сопротивлений нагрузки и источника является низкое значение КПД:

1.1. Электрическая цепь. Основные понятия и определения15
μ =Rнi2==1.
(Rн + Rвн)i22Rн2

В связи с низким КПД, согласованный режим применяется главным образом в маломощных (в первую очередь электронных) цепях.

1.1.4.3. Режим холостого хода

Режим холостого хода –– режим электрической цепи, в котором сопротивление нагрузки значительно превышает внутренне сопротивление источника (Rxx Rвн, рис. 1.5).

Говоря о режиме холостого хода, обычно, подразумевают работу без нагрузке, что, в случае электрических цепей, соответствует бесконечно большому сопротивлению или разрыву цепи.

Режиму холостого хода соответствует максимум напряжения (будет равно ЭДС: uхх = e) и равенство нулю тока (iхх = 0).

iхх = 0

Rвн

uхх = e

e

Рис. 1.5. Режим холостого хода

1.1.4.4. Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания –– режим электрической цепи, в котором сопротивление нагрузки значительно ниже внутреннего сопротивления источника (Rкз Rвн, рис. 1.6).

Говоря о режиме короткого замыкания, обычно, подразумевают аварийный режим вызванный разрушением изоляции или попаданием в цепь постороннего предмета.

Важно отметить, что в ряде случаев (например при исследовании трансформатора), для получения характеристик электрического устройства, проводят опыт короткого замыкания. В этом случае режим короткого замыкания не является

i e

u

e

Рис. 1.6. Режим короткого замыкания

аварийным, т. к. токи и напряжения в электрической цепи не превышают номинальных.

Режиму короткого замыкания соответствует минимум напряжения (uкз = 0) и большое значение тока (фактически ток ограничен внутренним сопротивлением источника, iкз → ∞).

1.1.4.5.Сводная таблица параметров основных режимов электрической цепи

Наименование режимаСопротивлениеНапряжениеСила тока
НоминальныйRн = Rннuн = uннiн = iнн
СогласованныйRн = Rвн––––
Холостого ходаRн Rвнuн = eiн → 0
Короткого замыканияRн Rвнuн → 0iн → ∞

Rн –– сопротивление нагрузки;

Rнн –– номинальное сопротивление нагрузки; Rвн –– внутреннее сопротивление источника; uн –– напряжение на нагрузке;

uнн –– номинальное напряжение на нагрузке; e –– ЭДС;

iн –– сила тока в нагрузке;

iнн –– номинальная сила тока в нагрузке;

1.1.4.6. Шунт

Рис. 1.7. Шунт

Rш –– шунт,

R –– шунтируемый элемент

Шунт (от англ. shunt –– ответвление) –– элемент электрической цепи, сопротивление которого, в заданном диапазоне частот, значительно меньше сопротивления шунтируемого элемента, к которому шунт включается параллельно (рис. 1.7).

Шунтирование, в основном, применяется в измерительной технике для расширения пределов измерения амперметров.

Подключение амперметра через шунт. Подбор и расчет устройства

Что такое шунт в электричестве

Что же такое шунт? Это слово заимствовано из английского языка («shunt», и дословно означает «ответвление»). Физически это сопоставимо, так как через этот элемент, подключенный параллельно к измерительному прибору, проходит большая часть тока, а меньшая – ответвляется в сам прибор. В этом его принцип действия аналогичен байпасу, установленному в системах отопления.

Устройство амперметра

Чтобы осознать необходимость включения амперметра через шунт, напомним вкратце его устройство.

Внутри поля постоянного магнита находится катушка – рамка. По ее виткам протекает измеряемый ток. В зависимости от величины измеряемого параметра положение катушки относительно постоянного магнитного поля изменяется. На ее оси жестко закреплена стрелка прибора. Чем больше измеряемый ток, тем больше отклоняется стрелка.

Чтобы рамка могла поворачиваться, ее ось крепят в подпятниках, либо вывешивают на растяжках. При использовании подпятников ток рамки проходит по спиральным пружинам, если же подвижная часть прибора подвешена на растяжках, то они являются проводниками тока.

Из этой конструкции следует, что величина тока в рамке конструктивно ограничена. Пружины и растяжки не могут одновременно быть достаточно упругими и иметь большое сечение.

Подключение амперметра через трансформатор тока

Расширение пределов измерения амперметра возможно, если использовать дополнительно устройство, называемое трансформатор тока. Работает оно по принципу обычного трансформатора, но первичная обмотка содержит всего несколько витков. При прохождении по ней измеряемого тока его величина во вторичной обмотке будет меньше в несколько раз.

Но такие трансформаторы имеют соответствующие габариты и применяются только в промышленных сетях. В малогабаритных же устройствах их использование нецелесообразно.

Подключение амперметра через шунт

Если прибор включается в измерительную цепь напрямую, без трансформатора тока, его называют амперметром прямого включения.

Без шунта можно использовать приборы, рассчитанные на небольшую силу тока, порядка миллиампер. За счет шунтирования измерительной обмотки сопротивлением, большим, чем ее собственное, мы можем изменить предел измерения. Схема включения сложностью не отличается: через шунт проходит измеряемый ток, а параллельно ему подключается амперметр.

В дело здесь вступает первый закон Кирхгофа. Измеряемый ток делится на два: один протекает через рамку, второй – через шунт.

Соотноситься между собой они будут так:

Расчет сопротивления шунта

Отсюда следует, что, зная ток полного отклонения измерительной системы (Iпр) и внутреннее сопротивление рамки (Rпр), можно вычислить требуемое сопротивление шунта (Rш). И тем самым изменить предел измерения амперметра.

Но, перед тем как переделать миллиамперметр в амперметр, нужно решить две непростых задачи: узнать ток полного отклонения измерительной системы и ее сопротивление. Можно найти эти данные, зная тип миллиамперметра, который переделывается.

Если это невозможно, придется провести ряд измерений. Сопротивление можно измерить мультиметром. А вот для второго параметра потребуется подать на прибор ток от постороннего источника, измеряя его величину с помощью цифрового амперметра.

Но такой расчет шунта для амперметра не будет точным. Невозможно с помощью подручных средств обеспечить требуемую точность измерений. Система измерения с шунтом имеет большую чувствительность к погрешности при определении исходных данных. Поэтому на практике проводится точная подгонка сопротивления шунта и калибровка амперметра.

Подгонка измерительной системы

Для изготовления заводских изделий используются материалы, не изменяющие своих характеристик в широком диапазоне температур.

Поэтому лучший вариант – подбор готового шунта и подгонка для своих целей уменьшением сечения и длины его проводника до соответствия рассчитанному значению.

Но для изготовления шунта для амперметра можно использовать и подручные материалы: медную или стальную проволоку, даже скрепки подойдут.

Теперь потребуется блок питания с регулятором напряжения, чтобы выдать требуемый ток. Для нагрузки можно использовать резистор соответствующей мощности или лампы накаливания.

Сначала добиваемся соответствия полного отклонения стрелки прибора при максимальном значении измеряемой величины. На этом этапе подбираем сопротивление нашей самоделки до максимально возможного совпадения с конечной риской на шкале.

Затем проверяем, совпадают ли промежуточные риски с соответствующими им значениями. Если нет – разбираем амперметр и перерисовываем шкалу.

И когда все получилось – устанавливаем готовый прибор на свое место.

Измерение больших токов шунтом

Что такое шунт в электричестве

Иногда, в радиолюбительской практике и не только, требуется измерить токи, величиной в несколько десятков ампер. Обычный мультиметр может измерять токи до 10 А, ито не всегда.

Зачастую имеющийся под рукой прибор позволяет делать измерения до десятых долей ампера. Опытный радиолюбитель легко выйдет из положения, поэтому статья предназначена в первую очередь для новичков.

Итак, будем разбираться, как измерить ток с помощью закона Ома.

Применение закона Ома

Основной закон электротехники, он же закон Ома, гласит: I=U/R где I-это ток в амперах, U-напряжение в вольтах, R-сопротивление в омах. Эта формула говорит нам, что если в разрыв измеряемой нагрузки (где нужно измерить ток) включить шунт (R) и измеренное на шунте напряжение (U) подставить в формулу, по двум величинам R и U мы узнаем нужную нам I – протекающий ток.

Пример: мы ожидаем ток 20-30 А, а может и больший от потребления двигателем шуруповерта. У нас имеется проволочный шунт, сопротивлением 0,035 Ом. Шунт подключается в разрыв плюса или минуса, это не важно – действующий ток одинаков на всех участках цепи.

Так же параллельно шунту подключается вольтметр – по его показания можно судить о токе, потребляемом нагрузкой. У меня при почти полном торможении вала двигателя вольтметр показывал около 0,9 В.

Подставив известные нам значения в формулу I=0,9/0,035=25,7А – такой ток потребляет мотор.

Обратите внимание:
При измерении пульсирующих и динамически меняющихся токов, цифровой вольтметр не очень подходит, так как его контроллер очень медленно снимает показания. Для данной цели больше подходит стрелочный вольтметр.

Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до 300 А и более. Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся.

Обычные резисторы не подходят в роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния. Рассчитать примерную мощность рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах.

Для выше приведенного примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.

Самодельный шунт

Не всегда под рукой имеются проволочные резисторы таких мизерных сопротивлений, я бы даже сказал чаще их нет.

Из положения можно выйти при помощи нихромовой проволоки от вышедших из строя нагревателей, в крайнем случае можно использовать обычный медный провод.

Для определения сопротивления куска проволоки понадобится амперметр (прям замкнутый круг) и источник питания с нагрузкой. Амперметр может конечно быть рассчитан на меньшие токи, чем предполагается измерять шунтом.

Например, для измерения сопротивления своего шунта 0,035 Ом я использовал источник напряжения 12 В и галогеновую лампу 12 В 35 Вт. Предварительно оценив, что лампа потребляет 35Вт/12В=2,9А, я использовал амперметр на 5 А. Безусловно, когда мы знаем ток потребления нагрузкой, как в моем случае, амперметром можно и не пользоваться, однако будет большая погрешность в измерениях.

Для измерительного шунта отлично подходит сборный шунт от советского измерительного прибора. Данный шунт имеет несколько отводов и обладает способностью держать большие токи.

Итак, подключаем шунт неизвестного сопротивления в разрыв между источником питания и нагрузкой (лампой). Аналогично, как при измерении тока, включаем параллельно шунту вольтметр. В ситуации с лампой вполне сойдет цифровой вольтметр.

Закон Ома здесь применим с той лишь разницей, что теперь нам известен ток и напряжение, а сопротивление нет.

Используя ту же формулу, подставляем известные значения: 2,9(ток потребления лампы)=0,1(напряжение на измеряемом шунте)/X(сопротивление неизвестно) – 2,9=0,1/X или данное уравнение можно записать иначе: X=0,1/2,9=0,034 Ома – сопротивление шунта.

Измерение переменного тока

Для измерения переменного тока так же применимы вышеописанные методы, с той лишь разницей, что нужно использовать вольтметр переменного напряжения, а в случае с измерением сопротивления шунта – амперметр переменного тока.

Для измерения в цепях с частотой 50 Гц вполне сойдут и цифровые вольтметры и амперметры (при наличии у них таких функций). При более высоких частотах цифровые приборы малопригодны, их показания могут сильно отличаться от реальности. Стрелочные измерительные приборы в этом случае куда более подходящие.

Однако самым лучшим вариантом измерения токов любой формы является осциллограф. Осциллограф подключается к шунту вместо вольтметра. Это позволит измерить размах тока или или среднее его значение.

Другими словами – мы увидим ток “воочию”. Основная сложность при таких замерах – согласовать значения напряжений на осциллографе с сопротивлением шунта по закону Ома.

Здесь могу посоветовать одно – калькулятор в начале страницы вам в помощь.

Хочется обратить внимание: при измерении переменного тока следует производит расчеты не по амплитудным значениям напряжения, а по среднеквадратическим – именно так принято в электротехнике измерять переменные токи и напряжения.

Величины указываются усредненные, эквивалентные постоянным. Собственно это и стоит учитывать при использовании осциллографа.

У цифровых “ослов” среднеквадратическая величина напряжения может рассчитываться автоматически, называется она “Vrms”.

Вышенаписанное справедливо при измерении так называемых “действующих” токов, с относительно стабильной формой. Когда же нужно узнать пиковые токи – здесь в формулу рассчета (или калькулятор в начале) нужно подставлять амплитудные значения напряжений на шунте. Как говорится “все хорошо к месту” – в радиолюбительской практике требуются различные варианты.

Оцените публикацию:

3.9 (11 )

Как подобрать шунт для амперметра

Что такое шунт в электричестве

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!

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.