电流表设计

电流表测量电流

用于测量电流的仪表通常称为“电流表”，因为测量单位是“安培”。

在电流表设计中，为了扩大机芯的可用范围而添加的外部电阻器并联 与运动而不是串联，就像电压表的情况一样。这是因为我们要分流的是测得的电流，而不是测得的电压，去运动，而且分流电路总是由并联电阻组成。

设计一个电流表

以与电压表相同的仪表运动为例，我们可以看到它本身会成为一个非常有限的仪器，仅在 1 mA 时发生满量程偏转：

与扩展仪表机芯的电压测量能力的情况一样，我们必须相应地重新标记机芯的刻度，以便它在扩展的电流范围内具有不同的读数。例如，如果我们想设计一个电流表，使其满量程范围为 5 安培，使用与以前相同的仪表运动（固有的满量程范围仅为 1 mA），我们将不得不重新标记机芯的缩放以读取最左侧的 0 A 和最右侧的 5 A，而不是像以前那样从 0 mA 到 1 mA。

无论并联电阻提供什么样的扩展范围，我们都必须在仪表移动面上以图形方式表示。

使用 5 安培作为我们样品运动的扩展范围，让我们确定“分流”或绕过大部分电流所需的并联电阻量，以便只有 1 mA 将通过运动，总电流为 5 A：

根据我们给定的运动电流、运动阻力和总电路（测量）电流值，我们可以确定仪表运动两端的电压（适用于中心列的欧姆定律，E=IR）：

知道由机芯和分流器组成的电路是并联配置，我们知道机芯、分流器和测试引线（总）两端的电压必须相同：

我们还知道，通过分流器的电流必须是总电流（5 安培）与通过运动的电流（1 毫安）之差，因为支路电流以并联配置相加：

然后，使用右栏中的欧姆定律 (R=E/I)，我们可以确定必要的分流电阻：

当然，我们可以通过计算总电阻（R=E/I；0.5 伏特/5 安培 =100 毫欧），然后并行工作，为分流器计算出略高于 100 毫欧 (100 毫欧)阻力公式倒退，但算术会更具挑战性：

现实生活中的电流表

在现实生活中，电流表的分流电阻通常被包裹在仪表单元的保护金属外壳内，隐藏在视线之外。请注意以下照片中电流表的构造：

这种特殊的电流表是由 Stewart-Warner 制造的汽车单元。尽管 D’Arsonval 仪表机芯本身可能具有毫安范围内的满量程额定值，但仪表作为一个整体具有 +/- 60 安培的范围。提供这种高电流范围的分流电阻器封装在仪表的金属外壳内。

还要注意这个特殊的仪表，指针以零安培为中心，可以指示“正”电流或“负”电流。该仪表连接到汽车的电池充电电路，可以指示充电状态（电流从发电机流向电池）或放电状态（电流从电池流向汽车的其余负载）。

增加电流表的可用范围

与多量程电压表的情况一样，通过将多个分流电阻器与多极开关进行切换，可以为电流表提供多个可用量程：

请注意，量程电阻通过开关连接，以便与仪表运动并联，而不是像在电压表设计中那样串联。当然，五位开关一次只接触一个电阻。根据仪表移动的特定额定值（1 mA，500 Ω），每个电阻器的尺寸都相应地针对不同的满量程范围。

对于这种仪表设计，每个电阻值都由相同的技术确定，使用已知的总电流、运动满量程偏转额定值和运动阻力。对于量程为 100 mA、1 A、10 A 和 100 A 的电流表，分流电阻如下：

请注意，这些分流电阻值非常低！ 5.00005 mΩ 是 5.00005 毫欧，或 0.00500005 欧姆！为了实现这些低电阻，电流表分流电阻器通常必须由直径相对较大的导线或实心金属片定制。

确定电流表分流电阻器大小时需要注意的一件事是功耗因素。与电压表不同，电流表的量程电阻必须承载大量电流。如果这些分流电阻器的尺寸不相应，它们可能会过热并受到损坏，或者至少会因过热而失去精度。对于上面的示例仪表，满量程指示下的功耗为（双波浪线在数学上表示“大约等于”）：

一个 1/8 瓦的电阻器对于 R4 就可以正常工作，一个 1/2 瓦的电阻器对于 R3 就足够了，而一个 5 瓦的电阻器对于 R2 来说就足够了（尽管如果不在额定功耗附近工作，电阻器往往会更好地保持其长期精度，所以你可能想高估电阻器 R2 和 R3），但精密的 50 瓦电阻器确实是稀有且昂贵的组件。可能必须为 R1 构建由金属原料或粗线制成的定制电阻器，以满足低电阻和高额定功率的要求。

有时，分流电阻器与高输入电阻的电压表结合使用来测量电流。在这些情况下，通过电压表运动的电流小到可以忽略不计，并且可以根据每安培电流产生多少伏或毫伏的压降来确定分流电阻的大小：

例如，如果上述电路中的分流电阻器的大小正好为 1 Ω，那么每通过它的电流安培就会有 1 伏的电压降在它的两端。然后可以将电压表指示作为通过分流器的电流的直接指示。

为了测量非常小的电流，可以使用更高的分流电阻值来产生更大的每给定单位电流的电压降，从而将（伏特）表的可用范围扩展到更低的电流量。使用电压表和低值分流电阻测量电流在工业应用中很常见。

使用分流电阻器和电压表代替电流表

使用分流电阻器和电压表来测量电流可能是简化电路中频繁电流测量任务的有用技巧。通常，要使用电流表测量通过电路的电流，必须将电路断开（中断）并将电流表插入分离的电线末端之间，如下所示：

如果我们有一个需要经常测量电流的电路，或者我们只是想让电流测量过程更方便，可以在这些点之间放置一个分流电阻并永久留在那里，根据需要用电压表读取电流读数不中断电路的连续性：

当然，分流电阻的尺寸必须足够小，以免对电路的正常工作产生不利影响，但这通常不难做到。这种技术在计算机电路分析中也可能很有用，我们可能希望计算机以电压形式显示通过电路的电流（使用 SPICE，这将允许我们避免读取负电流值的特性）：

分流电阻示例电路 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 

我们会将分流电阻器上的电压读数（SPICE 仿真中的电路节点 1 和 2 之间）直接解释为安培，7.999E-04 为 0.7999 mA 或 799.9 µA。理想情况下，直接在 15 kΩ 上施加 12 伏电压将为我们提供恰好 0.8 mA，但分流器的电阻会稍微降低该电流（就像在现实生活中一样）。

然而，对于模拟电路或实际电路而言，如此微小的误差通常都在可接受的精度范围内，因此分流电阻器可用于除最苛刻的精确电流测量应用之外的所有应用。

评论：

• 电流表范围是通过向运动电路添加并联“分流”电阻器来创建的，从而提供精确的电流分配。
• 分流电阻器可能具有高功耗，因此在为此类仪表选择部件时要小心！
• 分流电阻器可与高电阻电压表以及低电阻电流表运动结合使用，从而针对给定的电流量产生准确的电压降。分流电阻应选择尽可能低的电阻值，以尽量减少它们对被测电路的影响。

相关工作表：

• 电流表设计工作表