Шунт (токовый шунт измерительный), в соответствии с ГОСТ 30012.1-2002 — это устройство, представляющее собой сопротивление, включаемое параллельно измерительной цепи измерительного прибора. Шунт обычно служит для получения напряжения, пропорционального измеряемому току. В данном контексте речь идёт о шунтах, которые предназначены для измерительных приборов, например, стрелочные амперметры.
С другой стороны, если рассматривать токовый шунт именно как первичный измерительный преобразователь (преобразователь первичной величины (тока) к удобно измеряемой величине (напряжение)), то он может работать в связке не только со стрелочными приборами, но и с другими измерительными устройствами, а также как элемент схемы, где нужно контролировать величину тока.
Как работает токовый измерительный шунт
В простейшем виде токовый измерительный шунт представляет собой резистор, как правило — низкоомный. Он включается в разрыв цепи, где необходимо контролировать ток. Ярким примером является токовый шунт в составе мультиметра. У большинства бюджетных мультиметров есть два диапазона измерения тока: до 400 мА и до 10 (20) А. Если вскрыть корпус мультиметра, то можно увидеть шунт, который используется на диапазоне измеряемых токов до 10 (20) А. На рисунке 1 представлен шунт на 20 А из бюджетного мультиметра M890G.
Как правило, шунт в мультиметре для измерения больших токов представляет собой проводник с относительно большой площадью сечения. Для защиты измерительного прибора последовательно с шунтом ставят плавкий предохранитель. Но, зачастую, в бюджетных мультиметрах предохранители ставятся только для канала тока до 400 мА. В моделях подороже предохранители также ставятся на диапазон больших токов. На рисунке 2 представлены «внутренности» мультиметра UT61C. В правой части фото видно, что имеется два установленных предохранителя, один из которых рассчитан на максимальный ток 10 ампер. Данный предохранитель установлен в цепь с мощным шунтом (на рисунке 3 обозначен как R28), который расположен чуть правее.
На рисунке 4 представлена упрощённая схема измерения тока посредством мультиметра. Батарея GB1 питает нагрузку в виде лампочки накаливания EL1. Шунт включается последовательно с нагрузкой, то есть устанавливается в разрыв токовой цепи. Таком образом, через шунт течёт такой же ток, что и через лампочку. При протекании тока через шунт с заранее известным сопротивлением, на нём падает некоторое напряжение, и всё это взаимосвязано между собой законом Ома:
Посредством встроенного в мультиметр аналого-цифрового преобразователя (на схеме обозначен как вольтметр) осуществляется измерение падения напряжения на шунте, а контроллер производит расчёт тока, используя заранее известное значение сопротивление шунта. Таким образом, чем больше напряжение падает на шунте, тем выше значение протекаемого через него тока.
Виды токовых измерительных шунтов
В зависимости от величины измеряемого тока, шунты изготавливаются разных размеров: чем больше измеряемый ток, тем крупнее шунт. Это связано с тем, что при протекании тока шунт нагревается (на шунте падает напряжение, которое рассеивается в виде тепла). А это, в свою очередь, влияет на величину сопротивления шунта, что крайне нежелательно, поскольку закономерно влияет на точность измерений. В таблице 1 представлено соответствие сопротивление шунта номинальному току, а также указана масса шунта, что говорит о его габаритах.
Таблица 1 — Соответствие сопротивления шунта номинальному току
На рисунке 5 представлено несколько моделей промышленных токовых шунтов, рассчитанных на различные токи.
Как правило, все шунты имеют примерно одинаковую конструкцию:
— основой шунта является пластина (или набор пластин), которая изготовленная из манганина. Манганин — это прецизионный сплав, состоящий из меди (примерно 85 %) с добавлением марганца (11,5…13,5 %) и никеля (2,5…3,5 %). Этот материал используется для изготовления высокоточных измерительных приборов, поскольку обладает очень малым температурным коэффициентом сопротивления. Благодаря этому сопротивление очень слабо зависит от изменения температуры. Пластины являются основным резистивным элементом шунта, и в процессе изготовления для подгонки номинала сопротивления на пластинах делают технологические насечки;
— манганиновые пластины устанавливаются между двумя медными шинами (соединение пластины с шиной осуществляется пайкой), к которым подключаются токовые цепи посредством резьбового соединения;
— для снятия потенциала (измерения падения напряжения) с шунта на медных шинах также присутствуют отдельные места под резьбовое соединение.
Зачастую, промышленные шунты изготавливаются так, что определённому диапазону тока соответствует своё номинальное сопротивление шунта. То есть, к примеру, токовый шунт, рассчитанный на измерение токов до 75 А, имеет номинальное сопротивление 1000 микроом (мкОм). Таким образом, при протекании через такой шунт тока величиной 75 А, на нём будет падать напряжение 75 милливольт (мВ). Причём это значение падения напряжения является одним из стандартов при изготовлении токовых шунтов.
Рассмотрим на конкретном примере. На рисунке 7 представлен промышленный токовый шунт 75ШСМ.М3-75-0,5.
На одной из граней шунта есть соответствующая заводская надпись:
Расшифровка маркировки данного измерительного шунта следующая:
75ШСМ.М3-75-0,5
75 — число, определяющее номинальное падение напряжения в милливольтах;
ШСМ — шунт измерительный стационарный модернизированный;
М3 — климатическое исполнение «М» категории размещения «3» для макроклиматических районов с умеренно-холодным морским климатом;
75 — число, указывающее на номинальное значение тока в амперах;
0,5 — класс точности шунта.
Таблица 2 — Основные технические и эксплуатационные характеристики токового измерительного шунта 75ШСМ.М3-75-0,5
Как измерить ток шунтом на практике
Рассмотрим работу с токовым шунтом на конкретном практическом примере. Предположим, необходимо контролировать ток заряда аккумулятора. Для этой цели воспользуемся измерительным шунтом с номинальным током 5 А:
Расшифровка маркировки данного измерительного шунта следующая:
75ШСТ2-5-0,5
75 — число, определяющее номинальное падение напряжения в милливольтах;
ШС — шунт измерительный стационарный;
Т2 — климатическое исполнение «Т» категории размещения «2» для макроклиматических районов с тропическим климатом;
5 — число, указывающее на номинальное значение тока в амперах;
0,5 — класс точности шунта.
Данный шунт имеет сопротивление 0,015 Ом, и при протекании через него тока величиной 5 А на нём будет падать напряжение 75 мВ.
На рисунке 10 представлена принципиальная схема для нашего эксперимента:
На рисунке 11 представлена фотография собранной схемы. Зарядное устройство E1 подключено к свинцовому аккумулятору через мультиметр PA1 (в режиме амперметра, расположен справа на фото) и измерительный шунт, которые включены последовательно друг за другом в одну цепь. Таким образом, через них течёт один ток. Мультиметр PV1 в режиме вольтметра (на фото расположен слева) подключён к потенциальным зажимам шунта, измеряя падение напряжения на нём.
Зарядное устройство настроено на ток заряда величиной 0,9 А. Показания амперметра соответствующие. На токовом шунте падает напряжение величиной 13,65 мВ:
Вычислим значение тока через шунт, воспользовавшись либо законом Ома, либо пропорцией:
Расчётные значения тока достаточно близки к показаниям амперметра.
Применение токового шунта в широком смысле
В целом, любой резистор можно применить как токовый измерительный шунт, учитывая род задачи, для которой нужен шунт, а также то, с какой точностью нужно измерять ток.
Например, часто применяется резистор для организации защиты по току для блоков питания. На рисунке 13 представлена теоретическая схема защиты блока питания от перегрузки по току с использованием компаратора и реле:
Данная схема представляет собой приставку к выходу однополярного источника питания постоянного тока с выходным напряжением 5 В, способный выдавать ток до 2 А.
Токовый шунт R3 представлен резистором с номинальным сопротивлением 1 Ом и мощностью рассеивания 5 Вт (чтобы нагрев не влиял на величину сопротивления резистора).
При протекании тока через шунт на нём падает напряжение, которое прикладывается к неинвертирующему входу компаратора DA1 LM311 относительно общего провода питания. На инвертирующий вход компаратор подаётся напряжение с регулируемого делителя напряжения, построенного на резисторах R1 и R2. Делитель формирует опорное напряжение (на схеме указано 2 В рядом с инвертирующим входом компаратора DA1), относительного которого сравнивается напряжение с шунта.
После включения источника питания схема защиты отключена: на выходе компаратора установлен низкий логический уровень, транзистор VT1 закрыт, ток через катушку электромагнитного реле не протекает (то есть реле отключено). Контакты реле K1.1 и K1.2 на схеме представлены в исходном состоянии, когда токовая защита отключена. Поэтому видно, что в нормальном режиме работы блока питания ток течёт через нагрузку Rн.
Если через шунт будет протекать ток больше, чем 2 А, то на нём будет падать напряжение более 2 В. Как только напряжение на неинвертирующем входе компаратора превысит опорное напряжение, то выход компаратора тут же переходит в состояние высокого логического уровня (на выходе появляется сигнал с уровнем напряжения питания +Uпит). Транзистор VT1 открывается, и через обмотку электромагнитного реле начинает протекать ток. Контакты реле замыкаются.
После того, как контакты реле замкнулись, ток через нагрузку Rн перестаёт течь (переключены контакты K1.1). При этом посредством второго набора контактов реле K1.2 производится закорачивание транзистора (иногда говорят — шунтирование). Это сделано для того, чтобы схема токовой защиты зафиксировала своё состояние, поскольку иначе реле будет постоянно переключаться. Как только причины перегрузки будут устранены, схему токовой защиты можно вернуть в исходное состояние, сбросив питание реле посредством нажатия нормально-замкнутой кнопки S1.