Chương 3: ĐO DỊNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP
3.1.1 Đo dịng điện một chiều (DC):
Cơ cấu đo từ điện thường chỉ được dùng đo dịng điện từ vài chục đến vài trăm µA (50 ÷ 500µA). Nhưng trong thực tế ta cần đo những dịng điện cĩ các trị số lớn hơn
nhiều, muốn vậy cần phải mở rộng thang đo dịng điện bằng cách dùng các điện trở shunt.
Điện trở shunt là điện trở mắc song song với cơ cấu đo được dùng để bảo vệ cơ cấu
khi mở rộng phạm vi đo. Nhờ cĩ điện trở shunt mà dịng điện cần đo chạy qua cơ cấu
đo một phần nhỏ, cịn hầu hết sẽ rẽ mạch qua điện trở shunt. Do vậy, mặc dù dịng điện cho phép qua cơ cấu là nhỏ nhưng ta vẫn cĩ thể dùng cơ cấu đo cĩ mắc thêm điện
trở shunt để đo dịng điện lớn tới vài chục Ampe. I: Dịng điện cần đo [A]
Im: Dịng điện chạy qua cơ cấu [A] IS: Dịng điện chạy qua điện trở shunt [A]
Chú ý:
Ta thường gọi dịng điện chạy qua cơ cấu là Im, giá trị lớn nhất của dịng điện này là dịng điện cực đại Imax cũng là dịng điện làm kim lệch hết thang đo IFS (FS: Full Scale)
Ta cĩ: I = IS + Im
Im.Rm = IS.RS = I. Rm + RSRm.RS
Gọi n là hệ số hiệu chỉnh dịng điện: n = ImaxI = Rm.(RRm.RSm + RS) = 1 + RRSm RS = n - 1 Rm
Do vậy để mở rộng các thang đo dịng điện ra n lần thì điện trở shunt cần cĩ trị số nhỏ hơn điện trở mạch cơ cấu đo (n – 1) lần.
Mạch đo dịng điện trong đồng hồ đo điện vạn năng:
Để đo các dịng điện cĩ trị số khác nhau, trong đồng hồ đo điện vạn năng người ta
sử dụng hai loại điện trở shunt chủ yếu là điện trở shunt riêng biệt và điện trở shunt vạn năng.
Mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt riêng biệt:
Ứng với mỗi thang đo dịng đều cĩ một điện trở shunt riêng biệt khơng liên quan
với nhau. RS = n - 1 Rm
n = II
Do các điện trở shunt tách biệt nhau nên kiểu mạch này thuận lợi cho việc sửa chữa, hiệu chỉnh giá trị các điện trở shunt. Nhưng số điện trở dây quấn sẽ tăng lên, khơng cĩ lợi về kinh tế. Mặt khác khi chuyển mạch tiếp xúc xấu hoặc khơng tiếp xúc thì coi như
điện trở shunt bị loại khỏi mạch điện. Lúc đĩ dịng điện cần đo chạy thẳng qua cơ cấu đo gây sự quá tải và đứt khung dây.
Vì những khuyết điểm trên mà kiểu mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt riêng
biệt ít được sử dụng trong đồng hồ đo điện vạn năng.
Mạch đo dịng điện dùng điện trở shunt vạn năng (shunt Ayrton):
Shunt vạn năng cĩ đặc điểm là bao gồm tất cả các shunt riêng rẽ của của các thang
đo khác nhau, nghĩa là shunt của thang đo trước là một phần của shunt trong thang đo
sau, nhờ vậy tiết kiệm điện trở dây hơn. Đặc biệt khi chuyển mạch thay đổi tầm đo thì dù cho tiếp xúc xấu hoặc khơng tiếp xúc thì cơ cấu đo cũng khơng bị quá tải vì hai đầu shunt vạn năng đã được hàn cố định với hai đầu cơ cấu đo.
Do đĩ các đồng hồ đo điện vạn năng hiện nay phổ biến dùng shunt vạn năng để đo
dịng điện. Tuy nhiên việc sửa chữa, hiệu chỉnh mạch đo dùng shunt vạn năng gặp
phức tạp hơn và phải theo đúng thứ tự các thang đo.
Các đặc tính của điện trở shunt:
Điện trở shunt được chia làm hai loại: điện trở shunt trong và điện trở shunt ngồi Đặc điểm chung:
• Phân dịng để mở rộng thang đo dịng điện cho cơ cấu khi dịng cần đo lớn hơn
dịng giới hạn của cơ cấu.
• Được mắc song song với cơ cấu đo.
• Được chế tạo bằng vật liệu ổn định với nhiệt độ, cĩ hệ số nhiệt điện trở thấp
như: Manganin (Cu 85%, Mn 12%, Ni 3%) hoặc Conxtan để đảm bảo độ chính xác
cao.
Ví dụ: Manganin cĩ hệ số nhiệt điện trở α = (1 ÷ 3) .10-5 [Ω/oC]
Cu cĩ hệ số nhiệt điện trở α = 4.10-3 [Ω/oC] gấp ≈ 100 lần α của Manganin.
• Điện trở shunt được chế tạo với độ chính xác cao cĩ thể từ 1% đến 0,1%.
• Điện trở shunt phải chính xác, nên khi tính tốn thường phải lấy 3 ÷ 4 số lẻ. Đặc điểm riêng:
• Điện trở shunt cĩ hình dạng giống như điện trở thường, hoặc cĩ dạng lị xo.
Nĩ cĩ hai cực và thường được nối sẵn bên trong cơ cấu đo.
• Điện trở shunt ngồi cĩ bốn cực, trong đĩ cĩ hai cực để nối với cơ cấu đo,
hai cực để nối với mạch đo.
• Điện trở shunt ngồi thường cĩ giá trị nhỏ hơn điện trở shunt trong để cĩ khả
năng phân dịng lớn hơn. Các shunt trong cho dịng qua lớn nhất khơng quá vài chục Ampe, cịn shunt ngồi cĩ thể cho qua dịng hàng trăm thậm chí đến hàng nghìn
Phương pháp giải bài tập thiết kế mạch đo dịng điện sử dụng điện trở shunt vạn
năng gồm các bước sau:
a. Đổi tất cả các đơn vị trong bài tập về đơn vị chuẩn
b. Đối với từng tầm đo, ta viết phương trình cân bằng điện áp trên hai nhánh mắc
song song. Điện áp trên mỗi nhánh bằng dịng điện chạy trên nhánh nhân với điện trở của nhánh.
c. Giải phương trình chứa điện trở shunt lớn nhất.
d. Thay kết quả vừa tìm được vào các phương trình cịn lại, khi cần cĩ thể kết hợp thêm một phương trình nữa để tìm ra giá trị các điện trở shunt thành phần.
Ví dụ 1:
Cho cơ cấu đo cĩ Rm = 3 [kΩ], Imax = 50 [µA]. Tầm đo 3: đo dịng 100 [µA]
Tầm đo 2: đo dịng 1 [mA] Tầm đo 1: đo dịng 10 [mA] a. Tính giá trị điện trở R1, R2, R3?
b. Tính giá trị điện trở shunt của ba tầm đo?
Đáp số:
a. R1 = 30[Ω]; R2 = 270 [Ω]; R3 = 2,7.103 [Ω] b. RS1 = 30[Ω]; RS2 = 300[Ω]; RS3 = 3.103[Ω]