آمپرمتر یک ابزار اندازه‌گیری است که در هنگام اتصال سری به مدار، برای یافتن مقدار جریان در مدار الکتریکی، استفاده میشود.
در مقاله قبلی دیدیم که گالوانومتر سیم پیچ متحرک آهنربای دائم (PMMC) نوعی ابزار است که در آن یک سیم پیچ حامل جریان در یک میدان مغناطیسی دائمی قرار می‌گیرد.
هنگامی که یک جریان الکتریکی (I) از سیم‌پیچ عبور می‌کند، میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده در اطراف آن در برابر میدان مغناطیسی دائمی واکنش نشان داده و گشتاور انحرافی تولید می‌کند که باعث حرکت آن میشود. عقربه یا سوزن متصل به سیم‌پیچ، میزان انحراف (Φ) را نشان می‌دهد.
علاوه بر این یاد گرفتیم که سنجشگرهای سیم پیچ متحرک آهنربای دائم را می‌توان به یک ولت متر DC با کمک مقاومت‌های ضرب‌کننده متصل سری تبدیل کرد. همچنین می‌توانیم از سنجشگرهای PMMC برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی با اتصال مقاومتها به صورت موازی و نه سری با سنجشگر، استفاده کنیم و این اساس آمپرمترها را تشکیل می‌دهد.
همانطور که از نام آن پیداست، آمپرمتر ابزاری است که برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی (I) استفاده میشود و نام خود را از این واقعیت گرفته است که واحد اندازه‌گیری آمپر است.
اما برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی باید آمپرمتر به گونه‌ای وصل شود تا کل جریان مورد نظر بتواند از آن عبور کند. به عبارت دیگر:
آمپرمتر باید همیشه به صورت سری به مدار یا قطعه مورد اندازه‌گیری متصل شود.
اما مشکل اینجاست. همانطور که در مقاله ولتمترها دیدیم، انحراف در مقیاس کامل (FSD) یک سنجشگر PMMC استاندارد، بسیار کوچک است، بنابراین می‌توانند تنها جریانهای کوچکی از 0 تا IFSD را که بر حسب میکروآمپر (uA) یا میلی‌آمپر (mA) داده شده است، حمل کنند که عمدتاً به دلیل اندازه سیم کوچک مورد استفاده در سیم‌پیچ متحرک PMMC است.
اگر بخواهیم یک جریان مدار بزرگتر از این مقدار، تا ده ها آمپر، را اندازه‌گیری کنیم، همانطور که یک جریان بسیار بیشتر عقربه سنجشگر را به فراتر از حداکثر انحراف FSD آن هل می‌دهد، به طور بالقوه میتواند بیش از حد گرم شده، به سیم پیچ‌ها آسیب رسانده یا عقربه را خم کند. بنابراین چگونه می‌توانیم از یک سنجشگر استاندارد PMMC برای اندازه‌گیری جریانهای بزرگتر از جریانهای درجه‌بندی شده برای FSD استفاده کنیم؟
برای اندازه‌گیری جریان مدار، گالوانومتر باید به صورت سری وصل شود و از آنجایی که مقاومت سیم‌پیچ RG نسبتاً زیادی دارد، بر مقدار جریان اندازه‌گیری شده تأثیر می‌گذارد.
هنگام استفاده از سنجشگر PMMC به عنوان آمپرمتر، دامنه اندازه‌گیری آن را می‌توان با کمک “مقاومت های شنت” متصل موازی، افزایش داد، بنابراین به آن اجازه می‌دهد تا جریانهای DC را چندین برابر بیشتر از جریان انحراف در مقیاس کامل نامی اندازه‌گیری کند زیرا تنها کسری از جریان کل از سنجشگر عبور می‌کند.
مقاومت های شنت آمپرمتر
حساسیت جریان آمپرمتر با مقدار جریان الکتریکی مورد نیاز سیم پیچ سنجشگر برای ایجاد حرکت FSD مورد نیاز عقربه، تعیین میشود. مقدار حرکت سیم پیچ که به آن “انحراف” (Φ) می‌گویند، متناسب با قدرت جریانی است که از سیم پیچ عبور می‌کند و لازم است تا میدان مغناطیسی مورد نیاز برای انحراف سوزن را به میزانی که بر حسب درجه (یا رادیان) بر آمپر o/A (یا rad/A) داده میشود، ایجاد کند.
بنابراین هر چه مقدار جریان مورد نیاز برای ایجاد انحراف کمتر باشد، حساسیت سنجشگر بیشتر است. عقربه آمپرمتر در پاسخ به جریان حرکت می‌کند و اگر سنجشگر برای انحراف در مقیاس کامل فقط به 100uA نیاز داشته باشد، حساسیت بیشتری نسبت به سنجشگری خواهد داشت که برای FSD آن 1 میلی‌آمپر نیاز دارد.
با اتصال مقاومت‌های شنت خارجی به صورت موازی با سنجشگر، به جای سری که در مورد ولت متر اتفاق افتاد، می‌توانیم محدوده حرکت قابل استفاده آن را افزایش دهیم. این به این دلیل است که مقاومت‌های موازی، شبکه‌های تقسیم‌کننده جریان را تشکیل می‌دهند که همانطور که از نامشان پیداست، جریان اندازه‌گیری شده را بر مقداری که توسط مقدار مقاومتی آنها تعیین میشود، تقسیم می‌کنند.
مدار آمپرمتر
در اینجا مقاومت کم شنت به صورت موازی (شنت) با پایانه‌های سنجشگر PMMC متصل میشود و برای حمل بیشتر جریان مدار طراحی شده است به طوری که تنها بخش کوچکی از آن در سیم پیچ سنجشگر جریان می‌یابد.
بنابراین، مقاومت شنت دامنه آمپرمتر را با جریان سنجشگر IG افزایش می‌دهد که متناسب با کل جریان مدار IT است و افت ولتاژ مورد نیاز را در سنجشگر برای انحراف در مقیاس کامل ایجاد می‌کند.
فرض کنید میخواهیم از یک گالوانومتر 100uA و 200Ω برای اندازه‌گیری جریان مدار تا 1.0 آمپر استفاده کنیم. واضح است که نمی‌توانیم سنجشگر را مستقیماً به مدار برای اندازه‌گیری یک آمپر، متصل کنیم.
اما با استفاده از قانون اهم می‌توانیم مقدار مقاومت شنت، RS مورد نیاز برای ایجاد یک سنجشگر در مقیاس کامل و افت ولتاژ متناظر IG × RG در آن را هنگام استفاده برای اندازه‌گیری جریان مدار تا یک آمپر، محاسبه کنیم.
اگر جریانی که گالوانومتر برای آن انحراف در مقیاس کامل ایجاد می‌کند، 100uA داده شود، مقاومت شنت RS مورد نیاز 0.02Ω محاسبه میشود. برای افت ولتاژ 20mV (V = I×R = 100µA × 200Ω)، 100uA از طریق سنجشگر PMMC و 999.9mA از طریق مقاومت شنت با مقدار کم، جریان می‌یابد.
بنابراین، تقریباً تمام جریان مدار (IT) از مقاومت شنت می‌گذرد و تنها کسر بسیار کمی از جریان مورد نیاز برای FSD از سیم‌پیچ متحرک عبور می‌کند و در نتیجه گالوانومتر را با اتصال یک مقاومت به اندازه کافی کوچک به صورت موازی، به آمپرمتر تبدیل می‌کند که در زیر نشان داده شده است:
توجه داشته باشید که این مقاومت شنت، RS همیشه کمتر از مقاومت داخلی سیم پیچ، RG برای منحرف کردن جریان مدار از سیم پیچ‌ها خواهد بود. بنابراین ترکیب سنجشگر با این مقاومت شنت خارجی، اساس یک آمپرمتر آنالوگ ساده را بدون توجه به FSD برای یک سنجشگر خاص، تشکیل می‌دهد.
به عنوان مثال، می‌توان از همین گالوانومتر برای اندازه‌گیری جریانهای 0 تا 1 آمپر، 0 تا 5 آمپر یا 0 تا 10 آمپر و غیره، فقط با استفاده از مقادیر مختلف مقاومت شنت با سنجشگر یکسان و تغییر مقیاس سنجشگر بر اساس آن، استفاده کرد.
مثال 1- آمپرمتر
یک گالوانومتر دارای مقاومت داخلی سیم پیچ متحرک 100Ω است و انحراف کامل را برای 3 میلی آمپر می‌دهد. مقدار مقاومت شنت مورد نیاز برای تبدیل سنجشگر PMMC به آمپرمتر DC با محدوده 0 تا 5 آمپر را محاسبه کنید.
داده‌ها: RG = 100Ω، IG = 3mA و IT(max) = 5 A
بنابراین مقاومت 0.06Ω یا 60 میلی اهم (60mΩ) برای اندازه‌گیری حداکثر شدت جریان 5 آمپر مورد نیاز است.
مثال 2- آمپرمتر
یک سنجشگر PMMC دارای مقاومت سیم پیچ 200Ω و یک مقیاس عقربه خطی است که با 25 قسمت مشخص شده است. اگر سنجشگر دارای حساسیت 4 میلی آمپر در هر قسمت باشد، مقاومت شنت مورد نیاز برای اندازه‌گیری حداکثر جریان 20 آمپر را محاسبه کنید.
اگر 1 قسمت = 4 mA، در نتیجه 25 قسمت = 25*4mA = 100mA یا 0.1 آمپر. بنابراین سنجشگر PMMC دارایFSD برابر 100mA است.
می‌توان دید که مقاومت کل داده شده توسط آمپرمتر تقریباً برابر با مقدار مقاومت شنت متصل RS است و به وضوح با افزایش جریان مدار اندازه‌گیری شده، کوچکتر میشود.
بنابراین اثر بارگذاری آمپرمتر هنگام اتصال سری به قطعه مداری که جریان آن باید اندازه‌گیری شود، به شدت کاهش می‌یابد. در حالت ایده‌آل، مقاومت کل آمپرمتر صفر خواهد بود.
از آنجایی که مقاومت‌های شنت مورد استفاده برای آمپرمترها مقادیر مقاومتی بسیار پایینی دارند، معمولاً باید از سیم با قطر نسبتاً بزرگ یا قطعات جامد میله مسی ساخته شوند. شنتهای جریان بالا، معمولاً به عنوان میله‌های مسی کالیبره‌شده فروخته می‌شوند تا افت ولتاژ مشخصی در حد میلیولت (mV) ایجاد کنند.
اندازه‌گیری جریان
همانطور که قبلا در مقاله ولت متر دیدیم، ابزارهای اندازه‌گیری که از گالوانومتر استفاده می‌کنند را می‌توان با افزودن محدوده مناسبی از مقاومت ها و یک کلید انتخابگر، به سنجشگرهای چند دامنهای یا مولتی رنج تبدیل کرد. آمپرمتر DC ساده را می‌توان با داشتن تعدادی مقاومت شنت، با اندازه هر مقاومت برای محدوده جریان خاص، گسترش داد.
با انتخاب هر مقاومت، یک به یک، با استفاده از یک کلید چند قطبی 4 یا 5 موقعیتی، آمپرمتر این امکان را می‌دهد که طیف وسیعتری از جریانها را با یک سنجشگر اندازه‌گیری کرد. این نوع پیکربندی آمپرمتر، آمپرمتر چند دامنهای نامیده میشود.
پیکربندی آمپرمتر مولتی رنج مستقیم
در این پیکربندی آمپرمتر، هر مقاومت شنت، RS آمپرمتر چند دامنهای به طور موازی (شنت) با سنجشگر مانند قبل وصل میشود تا محدوده آمپر مورد نظر را ارائه دهد.
بنابراین اگر فرض کنیم که سنجشگر 100uA FSD بالا برای اندازه‌گیری محدوده جریان 1mA، 10mA، 100mA و 1A مورد نیاز است، آنگاه مقاومت‌های شنت مورد نیاز مانند قبل محاسبه می‌شوند:
که منجر به مدار آمپرمتر چند دامنهای مستقیم زیر میشود:
در حالی که این پیکربندی مستقیم آمپرمتر کار می‌کند، یکی از مشکلات عمده در طراحی آن نوع کلید انتخاب کننده چند موقعیتی است که استفاده میشود. اکثر سوئیچ‌ها عملکرد «قطع قبل از وصل» (B-M) دارند، به این معنی که با چرخش کلید از یک موقعیت به موقعیت دیگر برای خواندن جریانی متفاوت، در یک لحظه کوچک، مقاومت شنت در واقع از سنجشگر جدا میشود. بنابراین، تمام جریان مدار اندازه‌گیری شده از طریق سیم پیچ متحرک سنجشگر منحرف میشود که ممکن است به آن آسیب برساند.
یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل این است که یا از یک سوئیچ «وصل قبل از قطع» (M-B) گران‌تر استفاده کنید، یا اتصال مقاومت‌های شنت را به گونه‌ای پیکربندی کنید که وقتی کلید انتخابگر چرخانده میشود همچنان در مدار متصل بمانند، در نتیجه از سنجشگر محافظت می‌کنند. یکی از راه‌های دستیابی به این امر، استفاده از روش آمپرمتر DC غیرمستقیم است.
پیکربندی آمپرمتر چند دامنه ای غیرمستقیم
یک طراحی کاربردی‌تر، پیکربندی آمپرمتر غیرمستقیم است که در آن یک یا چند مقاومت شنت به صورت سری در راستای سنجشگر به هم متصل می‌شوند تا محدوده جریان مورد نظر را ارائه دهند. مزیت در اینجا این است که علاوه بر استفاده از مقادیر ترجیحی استاندارد برای مقاومت‌های شنت، در هر زمان سنجشگر توسط یک مقدار مقاومتی شنت میشود.
بنابراین اگر دوباره سنجشگر 50mV FSD و محدوده جریان 1 میلی‌آمپر، 10 میلی‌آمپر، 100 میلی‌آمپر و 1 آمپر را مانند قبل فرض کنیم، مقادیر مقاومت مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می‌شوند:
که منجر به مدار آمپرمتر مولتی رنج یا چند دامنهای غیرمستقیم زیر میشود:
بنابراین در این پیکربندی آمپرمتر آنالوگ 4 حالته غیرمستقیم دیدیم که هر چه جریانی که باید اندازه‌گیری شود بیشتر میشود، مقدار مقاومت شنت انتخاب شده توسط سوئیچ کمتر میشود. مقاومت کل متصل به موازات با سنجشگر PMMC، مجموع مقاومتها به صورت RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 + RS4 خواهد بود.
واضح است که در حالی که دو مدار، پیکربندی آمپرمتر مستقیم و غیرمستقیم، هر دو قادر به خواندن قدرت جریان یکسان هستند، پیکربندی آمپرمتر غیرمستقیم ترجیح داده میشود زیرا هنگام چرخاندن سوئیچ انتخابگر، از سنجشگر PMMC در برابر اضافه جریان، محافظت می‌کند.
آمپرمترهای آنالوگ، خوانش سریع و دقیق آمپرهای عبوری در مدار را ارائه می‌دهند و از همان حرکت گالوانومتر می‌توان به سادگی با تغییر مقدار مقاومت شنت برای نمایش طیفی از جریانها استفاده کرد. آمپرمترهای با صفر در مرکز نیز در دسترس بوده که برای نشان دادن جهت جریان عیوری مفید هستند، یعنی می‌توانند جریان “مثبت” یا جریان “منفی” را نشان دهند.
انتخاب مقادیر مقاومت شنت در نهایت به FSD گالوانومتری که به‌عنوان آمپرمتر استفاده میشود و همچنین سطوح جریانی که اندازه‌گیری می‌شوند، بستگی دارد که مقیاس سنجشگر بر حسب آمپر، میلی‌آمپر یا میکروآمپر کالیبره شود.
اما اگر بخواهیم دهها یا حتی صدها آمپر را اندازه‌گیری کنیم، چه؟ همان اصول اعمال میشود با این تفاوت که مقاومت شنت جریان باید یک مقاومت با مقدار بسیار کم، معمولاً در میلی‌اهم (mΩ) یا مقدار کمتر، باشد.
آمپرمترهای DC جریان بالا به همراه شنتهای کالیبره شده در دسترس هستند تا افت ولتاژ لازم را در شنت برای تغذیه سنجشگر PMMC فراهم کنند. افت ولتاژ کمتر از 10 میلیولت یا 20 میلیولت در دسترس هستند که تبدیل دقیق جریان DC اولیه برای نمایش در مقیاس کامل تا صدها آمپر را فراهم می‌کنند.
اما به یاد داشته باشید که هنگام انتخاب مقاومت شنت آمپرمتر برای حمل مقدار زیادی جریان، باید اتلاف توان I2R آن را در نظر گرفت؛ در غیر این صورت مقاومت ممکن است بیش از حد گرم شود و آسیب ببیند.
اندازه‌گیری جریانهای متناوب زیاد مستلزم استفاده از ترانسفورماتور جریان است. همانطور که در آموزش خود در مورد ترانسفورماتورهای جریان بحث کردیم، یک آمپرمتر در مقیاس کامل 5A را می‌توان با ترانسفورماتور جریان مناسب استفاده کرد که با ترانسفورماتور انتخاب شده کالیبره میشود.
