5. Захист електровимірювальних приладів від короткочасних перевантажень

Значні струмові перенавантаження електровимірювального приладу можуть привести до порушення його нормальної роботи. Тому на практиці часто застосовують захист вимірювальних приладів від струмових перенавантажень. Одним з ефективних способів такого захисту є підключення паралельно приладу напівпровідникового діода в прямому направленні – шунтування приладу (рис. 4.3.). Ступінь шунтування приладу діодом залежить від величини його прямого опору, обумовленого величиною напруги, прикладеної до переходу.

Рис. 4.3. Схема захисту приладу одним діодом

На рис.4.4, зображена початкова ділянка характеристики діода, на якій показані три зони 1, 2, 3. У зоні 1 прямий струм через діод І_Д дуже малий у порівнянні з загальним струмом, і діод не робить шунтуючих дій на прилад. Ця зона є робочою зоною вимірювання. У зоні 2 діод починає шунтувати прилад. У зоні 3 прямий опір діода різко падає і тому подальше збільшення напруги приводить тільки до збільшення струму І_Д, чим виключаються перенавантаження приладу. До діода пред’являються наступні основні вимоги:

1) повинна виконуватися умова U₁U_Н, де U_Н – номінальна напруга, при якій стрілка приладу відхиляється на всю шкалу;

2) крутість характеристики повинна бути найбільш можлива;

3) діод повинен витримувати струм, що відповідає максимально можливому струму перенавантаження.

Рис. 4.4. Початкова ділянка вольт-амперної характеристики діода

Рис. 4.5. Залежність прямого опору діода Д226Д від напруги

Для захисту від перенавантажень високочутливих приладів, наприклад мікроамперметрів, застосовують кремнієві діоди, прямий опір яких при невеликих прикладних напругах (у зоні 1), зазвичай, більше внутрішнього опору приладу, а зі збільшенням напруги різко падає (рис.4.5).

Для приладів з великою напругою повного відхилення, коли захист не може бути забезпечений одним діодом, послідовно включають два діоди чи більше. Якщо необхідно захистити від перенавантажень електро-вимірювальний прилад, струм через який протікає у двох напрямках (наприклад, прилад, що має шкалу з нулем посередині), то паралельно приладу підключаються два діоди зустрічно (рис.4.6).

Рис. 4.6. Схема захисту приладу двома діодами

У результаті шунтуючої дії діода додаткова похибка вимірювання, зазвичай, не перевищує (0,1–0,2)%.

Як приклад, що характеризує ефективність цього методу, розглянемо випадок захисту електровимірювального приладу, у якого струм повного відхилення І_н=200 мкА, внутрішній опір приладу R_вн=900 Ом, а падіння напруги на приладі U_н=І_нR_вн=180мВ. Прилад шунтується діодом Д226Д. З рис.11.5. випливає, що в межах від 0 до 0,18 В прямий опір діода перевищує 1 мОм, і, отже, його шунтуючою дією на прилад можна знехтувати. При збільшенні напруги до 1 В опір діода зменшується до 4,3 Ом і прилад виявляється надійно захищеним. Максимально електричне перенавантаження, яке він може витримувати, складе, 1÷0,18=5,5 разів, у той час як струм, що відгалужується через діод, перевищить струм приладу в 900÷4,3=209 разів.

Якщо в результаті перевищення струму через діод він буде пробитий, то в цьому випадку прилад буде захищений пробитим діодом, який необхідно потім замінити новим.

6. Шунти

Шунт застосовується для розширення межі вимірювання за струмом вимірювального приладу і являє собою резистор, що включається в ланцюг вимірювального струму, паралельно якому приєднується сам прилад. При цьому через прилад протікає лише частина вимірювального струму і тим менша, чим менший опір шунта R_Ш у порівнянні з внутрішнім опором приладу R_ВН. Для усунення впливу опорів контактних з’єднань шунти забезпечуються струмовими і потенційними затискачами (рис.4.7). Шунти можуть монтуватися в середині приладу й окремо від нього. З’єднують прилад, з виносним шунтом, короткими проводами з досить великим січенням, щоб їхній опір був значно менший опору шунта. Проводи ланцюга повинні підводитися до шунта, а не до приладу (рис.4.8). Якщо проводи ланцюга приєднати до приладу, то при випадковому від’єднанні шунта весь струм ланцюга піде через прилад, що викличе вихід його з ладу.

Якщо граничне значення вимірювального струму дорівнює І_п, а струм повного відхилення приладу І_н, то опір шунта R_Ш визначають виходячи з того, що І_нR_вн=(І_п-І_н)R_Ш, звідки:

(4.3)

Наприклад, при необхідності розширення межі вимірювання мікроамперметра М260М (І_н=100 мкА і R_вн=2000 Ом) до значення І_п=10 мА необхідно застосувати шунт з опором:

У результаті розширення межі вимірювання приладу за рахунок шунта змінюється його стала, що варто враховувати при відліку за шкалою приладу значень вимірювального струму. Так, наприклад, у приведеному прикладі мікроамперметр М260М має 20 поділок, отже, його постійна складає: 5 мкА/поділ – при відсутності шунта (межа вимірювання – 100 мкА) і 0,5мА/поділ – при включенні шунта (межа вимірювання – 10 мА).

Рис. 4.7. Схема з’єднання вимірювального механізму з шунтом

Рис. 4.8. Включення в ланцюг пристрою з шунтом

Переносні прилади часто забезпечуються багатограничними шунтами, що складаються з декількох резисторів, що переключаються у визначеній послідовності в залежності від межі вимірювання. В якості багатограничних, часто застосовують так звані універсальні шунти. Схема такого шунта на п'ять меж вимірювання зображена на рис.11.9.

Порядок його розрахунку ілюструється наступним прикладом. Маємо мікроамперметр, у якого І_н=200 мкА і R_вн=800 Ом. Необхідно розширити його межі вимірювання до 1, 3; 10; 30 і 100 мА.

Для цього спочатку визначаємо опір всього шунта:

Рис. 4.9. Схема універсального шунта на п'ять меж вимірювання

Потім розраховуємо опір окремих резисторів, починаючи з R₅:

Шунти виготовляють з манганіну та інших матеріалів з високим питомим опором і постачають двома парами затисків. Індивідуальний шунт застосовують тільки з тим приладом, що градуювався з даним шунтом. Комбінований шунт можна застосовувати з приладом, номінальна напруга якого відповідає зазначеній на шунті напрузі (45, 75, 100 чи 150 мВ). За точністю шунти поділяються на класи 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 і 1,0. Клас точності означає у відсотках допустиме відхилення опору від його номінального значення.

Шунти переважно застосовують в ланцюгах постійного струму, тому що на змінному струмі на розподіл струмів впливають частота й індуктивність елементів. Шунти широко застосовують разом із приладами магнітоелектричної системи.