Измерение тока

Измерение постоянных токов

В электронной технике чаще всего приходится измерять постоянные токи. Видимо, по этой причине многие мультиметры, большей частью дешевые, могут измерять только постоянный ток. Диапазон измерения переменного тока есть у некоторых моделей мультиметров, которые подороже, но верить этим показаниям можно лишь в случае, когда ток имеет синусоидальную форму и частота не превышает 50 Гц.

Требования к амперметру

Любой измерительный прибор считается хорошим, если он не вносит искажений в измеряемую величину, вернее говоря, вносит, но как можно меньше. Для вольтметра это высокое входное сопротивление, поскольку он включается параллельно участку цепи. Здесь уместно вспомнить, что при параллельном соединении общее сопротивление участка уменьшается.

Амперметр включается в разрыв участка цепи, поэтому для него положительным качеством считается, в отличие от вольтметра, как раз низкое внутреннее сопротивление. При этом, чем меньше, тем лучше, особенно при измерении малых токов, столь присущих электронным схемам. Процесс измерения тока показан на рисунке 1.

На схеме показана простая электрическая цепь, состоящая из гальванической батареи и двух резисторов, пригодная только для проведения опытов по измерению токов. Прежде всего, следует обратить внимание на полярность включения прибора, она должна совпадать с направлением тока, которое обозначено стрелками.

На рисунке показан стрелочный прибор, который в обратную сторону показывать не будет. Для цифрового мультиметра направление тока безразлично. При неправильном подключении он просто покажет знак «минус», и на этом конфликт будет исчерпан. Математики бы сказали, что измерен модуль числа, кажется, так называется число без знака.

Рисунок 1. Процесс измерения тока

Что покажет амперметр

Для такой простейшей цепи подсчитать ток совсем несложно, он составит 0,018А или 18мА. Вместе с этим на рисунке показано, что миллиамперметр в одну и ту же цепь включен в трех различных точках. Согласно законам физики его показания будут совершенно одинаковы, ведь, сколько электронов «вытекает» из плюса батареи столько же возвращается обратно, но уже через «минус». А дорога у всех этих электронов одна: это соединительные провода, резисторы, а если подключены, то и миллиамперметры.

На рисунке 2 показана схема двухтранзисторного приемника из книги М.М. Румянцева «50 схем транзисторных приемников» (1966).

Рисунок 2. Схема двухтранзисторного приемника

В те далекие времена схемы в книгах сопровождались подробными описаниями и методикой их наладки. Часто рекомендовалось измерить токи на определенных участках схемы, обычно коллекторные токи транзисторов. Места измерения токов показывались на схеме крестиком. В этом месте, естественно в разрыв проводника, подключался миллиамперметр и с помощью подбора номинала резистора, отмеченного звездочкой, подбирался ток, указанный тут же на схеме.

Подводные камни при измерении токов

На рисунках 3 и 4 показана простейшая цепь, – батарейка, резистор и мультиметр. По закону Ома нетрудно подсчитать, что ток в этой цепи будет

I = U/R = 1,5 / 10 = 0,15А или 150мА.

Если приглядеться к обоим рисункам, то выяснится, что показания приборов разные, хотя в самих схемах, если их так можно назвать, ничего не изменилось. На рисунке 3 показания полностью соответствуют расчету по закону Ома.

Рисунок 3. Измерения тока в программе симуляторе Multisim

А вот на рисунке 4 они стали несколько ниже, а именно 148,515mA. Спрашивается, почему? Ведь на схеме ничего не изменилось, источник тот же и резистор не стал больше или меньше.

Рисунок 4. Измерения тока в программе симуляторе Multisim

Дело в том, что любые свойства мультиметра можно изменять, что делается с помощью нажатия на кнопку «Параметры». В данном случае изменено входное сопротивление амперметра: на рисунке 3 оно было 1nΩ, а на рисунке 4 увеличено до 100mΩ, или всего 0,1Ω. Этот пример приведен для того, чтобы продемонстрировать, как влияют на результат свойства измерительного прибора. В данном случае амперметра.

Попробуем в этой схеме увеличить ток в 10 раз. Для этого достаточно уменьшить номинал резистора также в 10 раз, тогда нетрудно подсчитать, что амперметр покажет полтора ампера. Если входное сопротивление принять равным 1nΩ, как на рисунке 3, то результат будет 1,5A, что полностью соответствует расчету по закону Ома.

Если с помощью упомянутой кнопки «Параметры» сделать сопротивление амперметра 0,1Ω, то на шкале прибора можно будет увидеть 1,364А. Конечно, 0,1Ω несколько великовато для реального амперметра, а 1nΩ, наверно, бывает только в программе – симуляторе все равно можно увидеть, как внутреннее сопротивление прибора влияет на результат измерений. Вообще, проводя подобные измерения, надо сразу прикидывать «в уме» хотя бы порядок результата. Но начинать следует с заведомо большего диапазона на приборе.

Так дело обстоит при измерении токов в программе симуляторе, где все заведомо настроено на достижение лучших результатов. Все детали с минимальными допусками, входные сопротивления приборов тоже идеальны, температура окружающей среды 25 градусов. Но, как было только что показано, параметры приборов, деталей и даже температуры можно задавать по желанию пользователя.

Измерения настоящим прибором

В реальной жизни все совсем не так гладко. Резисторы для широкого применения могут иметь допуски, как правило, ± 5, 10 и 20 процентов. Конечно, есть и резисторы с допусками в десятые доли процента, но они применяются лишь там, где это действительно необходимо, а вовсе не в аппаратуре широкого применения около каждого транзистора и возле каждой микросхемы.

Предполагается, что опыты по измерению токов проводятся с резисторами с 5% допуском. Тогда при номинальном значении (то, что написано на корпусе резистора), например, 10КОм под руку может попасться резистор с сопротивлением в пределах 9,5…10,5КОм. Если такой резистор подключить к источнику напряжения, например 10В, то при измерении токов можно получить значения в диапазоне 1,053…0,952мА, вместо ожидаемого 1мА. Еще больший разброс получится при использовании резисторов с допуском 10 или 20 процентов.

И совсем удивительные результаты можно получить в том случае, если эти опыты проводятся от батарейки. Схема совершенно та же, как на рисунках 3 и 4. Она настолько проста, что можно вполне обойтись без пайки и печатных плат, все элементарно сделать на скрутках или просто подержать в руках.

Прикинем, что же должно получиться, что должен показать прибор. Известно, что напряжение батарейки 1,5В, сопротивление 10Ω. Тогда по закону Ома I = U/R = 1,5/10 = 0,15А или 150мА.

При реальных измерениях вместо ожидаемых 150мА прибор показал 98,3мА. Даже если принять, что резистор попался с 20 процентным допуском I = U/R = 1,5/12 = 0,125А или 125мА.

Маловато будет! Куда же все пропало? В нашем случае оказалась виноватой «подсевшая» батарейка. В процессе эксплуатации она потеряла часть заряда, а ее внутреннее сопротивление увеличилось. Сложившись с сопротивлением внешнего резистора, внутреннее сопротивление внесло свой «посильный вклад» в искажение результата измерений. Именно эти обстоятельства и привели к тому, что показания прибора оказались, мягко говоря, очень далеко от ожидаемых.

Поэтому при проведении измерений в электронных схемах надо быть предельно внимательным, аккуратность тоже не будет лишней. Качества, прямо противоположные только что упомянутым, приводят к плачевным результатам. Измерительные приборы можно спалить, разрабатываемые или ремонтируемые устройства тоже, а в некоторых случаях даже получить электротравму. Чтобы избежать огорчений от таких случаев, можно лишний раз рекомендовать вспомнить правила техники безопасности.

Борис Аладышкин