CHƯƠNG 2: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 2.1 Cơ cấu thị kim 2.1.1 Cơ cấu đo từ điện: Cấu tạo: Cơ cấu đo từ điện gồm có phần: phần tĩnh phần động, xem hình 2.1 - Phần tĩnh gồm nam châm vĩnh cửu,mạch từ,cực từ lõi hình thành mạch từ khép kín Giữa cực từ lõi có khe hở gọi khe hở làm việc, khung quay chuyển động Hình 2.1: Cấu tạo cấu đo từ điện - Phần động gồm khung quay làm vật liệu nhôm hình chữ nhật, quấn dây đồng bọc lớp cách điện nhỏ Khối lượng khung quay nhỏ tốt moment quán tính nhỏ Khung quay gắn trục quay, trục quay có lò xo phản kéo kim thị vị trí ban đầu hết thao tác đo, kim thị, phận cản dịu, đối trọng phía sau kim thị giúp cho trọng tâm kim thị nằm trục quay Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng điện chạy qua khung quay (phần động) tác dụng nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí ban đầu góc   KI đó: K: hệ số tỷ lệ; I: dòng điện qua khung quay Ta thấy góc quay tỷ lệ tuyến tính với dòng điện Khi dòng điện qua khung quay đổi chiều, moment quay đổi dấu, kim quay theo chiều ngược lại Ưu điểm:  Từ trường cấu nam châm vĩnh cửu tạo mạnh, bị ảnh hưởng từ trường bên  Công suất tiêu thụ nhỏ: 25µW đến 200µW phụ thuộc dòng điện Imax  Độ xác cao với cấp xác 0.5%  Vì góc quay tuyến tính nên thang chia có khoảng chia Khuyết điểm:  Cuộn dây khung quay thường chịu đựng tải nhỏ nên tránh dùng cho dòng điện mức qua  Chỉ sử dụng dòng điện DC  Đối với khung dây xoắn dễ hư hỏng bị chấn động mạnh di chuyển mức giới hạn Ứng dụng: Cơ cấu đo từ điện sử dụng máy đo dòng điện, điện áp vạn năng, lĩnh vực đo lường cấu thị kim 2.1.2 Cơ cấu đo điện từ: Cấu tạo: Gồm có phần tĩnh động, xem hình 2.2 Hình 2.2: Cấu tạo cấu đo điện từ - Phần tĩnh gồm cuộn dây cho dòng điện cần đo chạy qua tạo từ trường Trong lòng cuộn dây khe hẹp hình chữ nhật - Phần động gồm kim loại hình cánh quạt làm vật liệu sắt từ mềm gắn trục quay chuyển động khe hở cuộn dây tĩnh Trên trục quay có lò xo phản, kim thị, phận cản dịu kiểu không khí Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng điện xoay chiều hay chiều chạy qua cuộn dây (phần tĩnh) làm xuất lực từ hút kim loại Kết làm xuất moment quay tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện:   KI Trong đó: K: hệ số tỷ lệ; I: dòng điện DC AC (trị hiệu dụng – RMS) Như thang đo cấu điện từ không tuyến tính thang đo cấu từ điện Ứng dụng: Vì moment quay tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện cấu đo điện từ sử dụng để đo mạch điện chiều hay xoay chiều Chế tạo đơn giản, giá thành rẻ Sử dụng công nghiệp Ampe met, Volt met, cosmet 2.1.3 Cơ cấu đo điện động: Cấu tạo: Gồm hai phần tĩnh động, xem hình 2.3 Hình 2.3: Cấu tạo cấu điện động - Phần tĩnh gồm cuộn dây tĩnh để tạo từ trường có dòng điện chạy qua Cuộn dây tĩnh thường gồm cuộn ghép lại có khe hở cho trục quay qua - Phần động gồm cuộn dây động đặt lòng cuộn dây tĩnh Cuộn dây gắn với trục quay, trục quay có lò xo phản, phận cản dịu kim thị Nguyên lý hoạt động: Cơ cấu đo điện động hoạt động dựa nguyên lý tác động tương hỗ lực điện từ cuộn dây tĩnh (1) động (2) Khi dòng điện chạy vào cuộn dây tĩnh, lòng cuộn dây xuất từ trường Từ trường tác động với dòng điện chạy cuộn dây động tạo nên moment quay phần động làm phần động quay góc:   KI I Ưu điểm: Đo điện AC, DC với cấp xác cao Ứng dụng: Cơ cấu đo điện động sử dụng để chế tạo ampe kế, volt kế, watt kế chiều xoay chiều tần số công nghiệp, pha kế đo góc lệch pha hay hệ số công suất cos sử dụng mạch xoay chiều có tần số cao phải có mạch bù tần số để đo với dãi tần đến 20KHz 2.1.4 Bảng kí hiệu: Các đơn vị đại lượng đo lường điện: + Ampe kế: [A] 1A = 1000mA = 10 µA [V] 1V = 1000mV = 106 µV + Volt kế: + Ohm kế: [] 1K = 1000 = 10 µ + Watt kế: [W] 1W = 1000mW = 10 µW 2.2 Đo dòng chiều (DC) xoay chiều (AC) 2.2.1 Đo dòng điện DC: Nguyên lý đo: Các cấu đo điện từ, từ điện điện động hoạt động với dòng điện DC chúng dùng làm thị cho ampe kế DC Muốn đo giá trị đo khác ta cần phải mở rộng tầm đo cho thích hợp Mở rộng tầm đo cho cấu đo từ điện  Cách mở rộng tầm đo điện trở Shunt Rs: Hình 2.4: Cách mở rộng tầm đo cấu đo từ điện RS điện trở shunt Rm điện trở nội cấu đo Dòng điện đo: I = Im + IS Trong đó: Im dòng điện qua cấu đo IS dòng điện qua điện trở shunt Imax dòng điện tối đa cấu đo Ic dòng điện tối đa tầm đo Cách tính điện trở shunt RS RS  I max Rm I c  I max Ví dụ: Cho sơ đồ mạch hình 2.4, biết Imax = 50µA Rm = 1k Ic =1mA, tính RS Giải Ap dụng công thức, ta có: RS  50.10 6.10  52.6 10 3  50.10 6 Đối với ampe kế có nhiều tầm đo dùng nhiều điện trở shunt để mở rộng tầm đo chuyển tầm đo chuyển điện trở shunt hình 2.5 Hình 2.5: Cách mở tầm rộng tầm đo dùng nhiều điện trở shunt  Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton: Hình 2.6: Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton Điện trở shunt B: RSB = R1 + R2 + R3 Điện trở shunt C: RSC = R1 + R2 điện trở R3 nối tiếp với cấu thị Điện trở shunt D: RSD = R1 điện trở R2 R3 nối tiếp với cấu thị Ví dụ: Cho sơ đồ mạch Ayrton, Rm = 1k Imax = 50µA Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo B dòng điện tối đa qua cấu đo 1mA, tầm đo C dòng điện tối đa qua cấu đo 10mA tầm đo D dòng điện tối đa qua cấu đo 100mA Giải Ở vị trí B: Ic =1mA: RSB  R1  R2  R3  0.05mA.1k  52.6 (a) 1mA  0.05mA Ở vị trí C: , Ic =10mA: RSC  R1  R  0.05mA.(1k  R3 ) 1k  R3  (b) 10mA  0.05mA 199 Ở vị trí D: , ID =100mA: RSD  R1  0.05mA.(1k  R  R3 ) 1k  R  R3 (c)  100mA  0.05mA 1999 Giải hệ phương trình (a), (b), (c) ta được: R1 = 0.526Ω, R2 = 4.737Ω, R3 = 47.237Ω 2.2.2 Đo dòng điện AC: Nguyên lý đo: Đối với cấu đo từ điện cần phải biến đổi dòng điện AC thành dòng điện DC trước sử dụng Mạch chỉnh lưu Diode: Hình 2.7: Mạch chỉnh lưu diode dùng cấu đo từ điện Dòng điện qua diode mắc nối tiếp với cấu đo từ điện có giá trị trung bình (giá trị tác động làm lệch cấu đo) xác định bởi: T 1 icl   icl dt  T T T /2 0 I A simtdt  2 T /2 I A simtdt  IA  cos t T0 /  I A  0.318 I hd 2  đó: IA, Ihd biên độ dòng AC qua cấu giá trị hiệu dụng Chú ý: giá trị hiển thị cấu đo giá trị hiệu dụng, liên hệ với giá trị trung bình suy từ công thức trên: I hd  icl 0.318 Mạch chỉnh lưu cầu diode: Hình 2.8: Mạch chỉnh lưu cầu diode dùng cấu đo từ điện Khi dùng cầu diode dòng điện AC chỉnh lưu hai chu kỳ giá trị trung bình xác định: icl  T 2I icl dt  A  0.636 I hd  T  Cách mở rộng tầm đo:  Dùng điện trở shunt: Hình 2.9: Mở rộng tầm đo cho cấu đo từ điện Diode mắc nối tiếp với cấu đo từ điện, dòng điện chỉnh lưu qua cấu đo, dòng điện qua RS dòng AC Im dòng điện qua cấu đo Imax dòng điện cực đại cho phép qua cấu đo ( icl  0.318 I hd  I max ) Giá trị hiệu dụng dòng điện AC qua RS: I S  I c  U Điện trở RS xác định: RS  S  IS U D  Rm Ic  I max 0.318 Ic dòng điện tầm đo I max 0.318 I max 0.318 Hình 2.10: Mở rộng tầm đo dòng điện AC ba tầm đo dùng điện trở mắc song song Ví dụ: Cho sơ đồ mạch hình 2.10, Rm = 1k Imax = 100µA Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo A dòng điện tối đa qua cấu đo 1mA, tầm đo B dòng điện tối đa qua cấu đo 5mA tầm đo C dòng điện tối đa qua cấu đo 10mA Biết UD = 0.6V Giải Áp dụng công thức cho tầm đo: Tại tầm đo A, IcA = 250mA U D  Rm RSA  I cA  I max 0.318  I max 0.1mA 0.6  1k 1mA  0.318 0.318  1.06k 0.1mA 0.318 Tại tầm đo B, ISB = 500mA U D  Rm RSB  I cB  I max 0.318  I max 0.1mA 0.6  1k 5mA  0.318 0.318  172.3 0.1mA 0.318 Tại tầm đo C, ISC = 750mA U D  Rm RSC  I cC  I max 0.318  I max 0.318 0.6  1k 10mA  0.1mA 0.318  84.2 0.1mA 0.318  Dùng mạch Ayrton: Hình 2.11: Mở rộng tầm đo mạch Ayrton Tương tự: Điện trở shunt A: RSA = R1 + R2 + R3 Điện trở shunt B: RSB = R1 + R2 điện trở R3 nối tiếp với cấu thị Điện trở shunt C: RSC = R1 điện trở R2 R3 nối tiếp với cấu thị Ví dụ: Cho sơ đồ mạch hình 2.11, Rm = 1k Imax = 100µA Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo A dòng điện tối đa qua cấu đo 1mA, tầm đo B dòng điện tối đa qua cấu đo 5mA tầm đo C dòng điện tối đa qua cấu đo 10mA Biết UD = 0.6V 2.2.3 Ảnh hưởng ampe-kế mạch đo: Mỗi ampe-kế có nội trở riêng thay đổi theo tầm đo Việc mắc nối tiếp với điện trở tải cần đo dòng điện ảnh hưởng đến mạch đo Nếu nội trở ampe-kế nhỏ so với điện trở tải sai số ảnh hưởng ampe-kế trở nên không đáng kể Ví dụ: Giả sử ta có tải RL = 1k mắc vào nguồn 5V Khi ampe-kế, dòng điện qua tải RL là: IL = 5V/1k = 5mA Khi có ampe-kế với nội trở RA = 5.17Ω: IL = 5V/(1k +5.17) = 4.975mA Sai số ảnh hưởng ampe-kế: – 4.975/5 = 0.5% 2.3 Đo điện áp AC DC 2.3.1 Đo điện áp DC Nguyên lý đo Hình 2.12: Mạch đo điện áp DC Các cấu thị có tác dụng với dòng điện đo Muốn đo điện áp cần chuyển dòng điện đo sang điện áp cần đo Vđo  RS  Rm I đo  I đo  Vđo  I max R S  Rm đó: Rm nội trở cấu thị; RS điện trở hạn dòng mở rộng tầm đo Mở rộng tầm đo Đối với cấu đo từ điện người ta mắc nối tiếp thêm điện trở RS để mở rộng tầm đo Nghĩa là, thay đổi tổng trở vào lớn tầm đo điện áp cao Người ta thường dùng trị số độ nhạy để xác định tổng trở vào tầm đo Độ nhạy định nghĩa tỷ số tổng trở vào vôn-kế điện áp tầm đo Ví dụ: Volt kế có độ nhạy 20kΩ/VDC tầm đo 2.5V có tổng trở vào bao nhiêu? Giải Tổng trở vào Volt kế ZV = 2.5V*20k/V = 50k Lưu ý: nội trở Volt kế cao giá trị đo xác  Mạch mở rộng tầm đo điện áp dạng Shunt Hình 2.13: Mạch đo điện áp DC nhiều tầm đo Ví dụ: Cho sơ đồ mạch hình 2.13, biết Volt kế dùng cấu từ điện có Rm = 10k Imax = 100µA Ở tầm đo V1 = 2.5V, V2 = 20V V3 = 50V Hãy tính điện trở R1, R2, R3 Giải Ở V1 = 2.5V, ta có: R1  Rm  V1 2.5   25k  R1  14k I max 100 Ở V2 = 20V, ta có: R2  Rm  V1 20   200k  R2  190k I max 100 Tương tự V3 = 50V, ta có R3 = 490k  Mạch mở rộng tầm đo điện áp dạng Ayrton: Hình 2.14: Mạch mở rộng tầm đo kiểu Ayrton Ví dụ: Cho sơ đồ mạch hình 2.14, biết Volt kế dùng cấu từ điện có Rm = 10k Imax = 100µA Ở tầm đo V1 = 2.5V, V2 = 20V V3 = 50V Hãy tính điện trở R1, R2, R3 2.3.2 Đo điện áp AC: Nguyên lý đo: Tương tự đo dòng điện AC phải dùng mạch chỉnh lưu diode để biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều Mạch chỉnh lưu bán kì: Hình 2.16: Mạch đo điện áp AC cấu đo từ điện D1 chỉnh lưu dòng điện AC nửa chu kỳ dương D2 cho dòng điện nửa chu kỳ âm qua (không qua cấu đo) điện áp nghịch không rơi D1 cấu đo, tránh điện áp nghịch lớn đo điện áp AC có giá trị lớn Dòng điện tác dụng lên cấu đo icl quan hệ với giá trị hiệu dụng theo công thức: icl  0.318 I hd  I max  I hd  I max 0.318 I max  I hd max  0.318 Ở giá trị tầm đo: U tamdo  RS  Rm   RS  I max 0.318  U D1  Rm U tamdo I max 0.318  U D1 Mạch chỉnh lưu toàn kì: Tương tự Ví dụ: Cho mạch vôn-kế hình 2.17, Rm = 1k Imax = 50µA Hãy xác định giá trị điện trở R1, R2, R3 biết tầm đo C điện áp tối đa 5VAC (hiệu dụng), tầm đo B điện áp tối đa 10VAC tầm đo A điện áp tối đa 20VAC Biết VD = 0.6V Hình 2.17: Mở rộng tầm đo điện áp AC dùng kiểu mắc Ayrton Giải Tại tầm đo C, UAC = 5V: R3  Rm  U AC  U D U AC  U D  0.6    39.5k Im I max / 0.318 50  / 0.318  R3  39.5  Rm  39.5   38.5k Tại tầm đo B, UAC = 10V: R2  R3  Rm  U AC  U D U AC  U D 10  0.6    84.5k Im I max / 0.318 50 / 0.318  R2  84.5  Rm  R3  84.5   38.5  45k Tại tầm đo A, UAC = 20V R1  R2  R3  Rm  U AC  U D U AC  U D 20  0.6    174.5k Im I max / 0.318 50  / 0.318  R1  174.5  Rm  R3  R2  174.5   38.5  45  90k 2.3.3 Ảnh hưởng vôn-kế mạch đo: Khi vôn-kế mắc vào phần tử cần đo điện áp xem tổng trở vào vôn-kế mắc song song với phần tử Ví dụ: cho mạch điện hình R1 V R2 V2 Hình 2.18: Ảnh hưởng Vôn-kế lên mạch đo R2 V R1  R2 R2 // RV Khi có vôn kế điện áp điện trở R2 là: V2'  V R1  R2 // RV Khi chưa có vôn-kế điện áp điện trở R2 V2  Nếu R2 nhỏ so với RV R2//RV ≈ R2 Do đó, V2’ ≈ V2 tức ảnh hưởng vônkế không đáng kể mạch đo Bài tập: Cho mạch đo hình sau Khi mắc vôn kế có độ nhạy 50kΩ/V tầm đo 20V vào hai đầu A, B vôn kế 15.873V Biết R2 = 10k xác định giá trị điện trở R1 R2 A 20V R1 B