Чувствительность амперметра (миллиамперметра, микроамперметра) всегда можно уменьшить, подключив к прибору шунт, в этом случае через прибор пойдет лишь часть общего тока, или, иными словами, можно будет измерить большой ток в цепи, пропустив через сам измерительный прибор сравнительно небольшой ток (Р-173;3). Используя несколько шунтов, можно создать многопредельный амперметр, то есть такой прибор, у которого в зависимости от подключенного шунта будут разные предельные измеряемые токи (Р-173;4).
Здесь необходимо сделать два важных примечания, одно общее, оно касается всех измерительных приборов вообще, и одно частное, оно относится только к амперметрам. Начнем с общего.
На первый взгляд может показаться, что в многопредельных приборах нет никакой необходимости. Действительно, зачем нужны шунты и переключатель на предельные токи 5 А, 50 А и 500 А, когда прибор с одним шунтом, измеряющий 500 А, может измерить любой меньший ток. Но попробуйте представить себе, как отклонится стрелка при измерении тока в 1 А прибором с пределом измерений 500 А: если вся шкала разбита на 100 делений, то цена одного деления 5 А и при токе 1 А отклонение составит всего 0,2 деления. Заметить такое отклонение практически невозможно. Но даже при измерении значительно больших токов, скажем 10 А или 15 А, стрелка отклонится всего на 2–3 деления и точность отсчета окажется не очень высокой. Точно так же на магазинных весах с пределом 1 килограмм не отвесишь не то что миллиграммы, но даже несколько граммов. В то же время при измерении тока 1 А прибором с пределом измерения 5 А и со шкалой, разбитой опять-таки на 100 делений (цена деления теперь уже 0,005 А, а не 5 А), стрелка отклонится на 20 делений. Словом, если хочешь одним амперметром измерять и большие и малые токи, нужно, чтобы это был многопредельный прибор с переключателем шунтов. И вольтметр должен быть многопредельным, если им нужно измерять и доли вольта, и сотни вольт.
Теперь частное примечание: схема многопредельного амперметра (Р-173;4) не просто неверна, она недопустима, в ней скрыта смертельная опасность для самого стрелочного прибора. По поводу этой опасности существует даже энергичная предостерегающая поговорка — «Не оставляй прибор без шунта!», из которой следует спокойная рекомендация: «Подключай прибор к шунту, а не шунт к прибору». Понять сущность рекомендации нетрудно: если на какой-то момент прибор останется в цепи без шунта, то по прибору пойдет весь измеряемый ток (представьте себе — по прибору, рассчитанному на 1 А, идет ток 500 А), прибор выйдет из строя, скорее всего, «сгорит» рамка. Вот почему даже на короткое время переключения шунтов прибор нельзя оставлять включенным в цепь, прибор должен появляться в цепи только после того, как там уже есть шунт. Это правило проще всего реализуется в схеме Р-173;5, которая называется универсальным шунтом — этот шунт всегда подключен к прибору и при некоторых переключениях часть шунта добавляется к Rпр, в чем, кстати, нет особой беды.
Тот, кто помнит закон Ома, легко поймет, что амперметр может измерять и напряжение, если подключить его параллельно участку цепи: ток через амперметр пропорционален напряжению (Т-37), и это напряжение легко подсчитать, зная сопротивление рамки амперметра. А можно и не подсчитывать, можно шкалу амперметра сразу разметить в вольтах, превратив его тем самым в вольтметр.
Есть, правда, одно препятствие в использовании одного и того же стрелочного прибора и для измерения тока, и для измерения напряжения. Дело в том, что сопротивление амперметра должно быть малым, а сопротивление вольтметра — большим (Р-24;2,4). Только в этом случае приборы сами не будут менять режим той цепи, в которую их включают (точнее, будут менять его незначительно). К счастью, есть выход из этого безвыходного, казалось бы, положения. В комбинированном амперметре-вольтметре используют очень чувствительный гальванометр, у которого стрелка отклоняется при токе менее одного миллиампера. Причем сопротивление рамки такое, что этот ток появляется при напряжении менее вольта. Диапазон измеряемых токов у такого прибора расширяют с помощью шунтов, а диапазон измеряемых напряжений — с помощью добавочных гасящих сопротивлений (Р-174;1). Шунты уменьшают общее сопротивление амперметра.
Теперь о добавочных резисторах. Они прежде всего увеличивают предельное измеряемое напряжение. Если стрелка гальванометра отклоняется при напряжении 1 В, а резистор подобран так, что на нем теряется еще 99 В, то прибором можно измерять напряжение 100 В. При этом гальванометру достанется 1 В, стрелка отклонится до конца, и это как раз будет означать, что к прибору (включая гасящее сопротивление) подводится 100 В. И именно эту цифру можно будет поставить возле последнего деления шкалы. Кроме своей основной работы, гасящие резисторы увеличивают общее входное сопротивление вольтметра, что как раз и требовалось сделать.
Закон Ома подсказывает, как нужно оценивать тот или иной гальванометр для его использования в вольтметре. Оценка простая: чем выше чувствительность гальванометра, тем больше будет его входное сопротивление. Понять это нетрудно: чем выше чувствительность, то есть чем меньше ток, отклоняющий стрелку до конца, тем больше должно быть сопротивление резистора, который поглощает избыток напряжения (Р-174;1,2,3). Скажем, для того чтобы погасить 99 В при токе 1 А, понадобится резистор с сопротивлением 99 Ом, а при токе 1 мА сопротивление должно быть уже в 1000 раз больше, то есть 99 кОм. Переключая гасящие резисторы, получаем многопредельный вольтметр (Р-174;2), входное сопротивление которого будет различным на разных шкалах. Сопротивление это легко подсчитать, зная чувствительность гальванометра вместе с универсальным шунтом (Р-174;3). Так, при чувствительности 1 мА на каждый вольт будет приходиться 1 кОм добавочных резисторов и на шкале 20 В входное сопротивление прибора 20 кОм. При чувствительности 0,2 мА (200 мкА) сопротивление уже 5 кОм на вольт, при чувствительности 100 мкА — 10 кОм на вольт и т. д.
Имея стрелочный гальванометр и источник питания, например гальванический элемент, легко создать комбинированный прибор, в котором, помимо амперметра и вольтметра, будет еще и омметр. В самой простой схеме омметра резистор с неизвестным сопротивлением Rx включается последовательно в цепь гальванометра и гальванического элемента. Чем больше измеряемое сопротивление Rx, тем меньше ток, меньше отклонение стрелки и шкалу легко проградуировать в омах, пользуясь резисторами, сопротивление которых известно (Р-174;4). Переключая шунты, добавочные резисторы и источники тока, можно создать многопредельный (многошкальный) омметр (Р-174;5). Чтобы компенсировать возможное изменение напряжения источника тока, например из-за старения элементов, в схему вводят переменный резистор — «установку нуля». С его помощью перед измерением устанавливают стрелку на нулевое деление, замыкая накоротко вход прибора, — это соответствует нулевому измеряемому сопротивлению, при котором, естественно, стрелка должна быть на «нуле» шкалы омметра.
Р-174
Наконец, еще один элемент комбинированного измерительного прибора — вольтметр переменного напряжения. В нем используется все тот же гальванометр постоянного тока, но уже с полупроводниковым выпрямителем — мостовым (Р-174;7, Т-265), либо однополупериодным (Р-174;6) с основным Досн и защитным Дзащ диодами. Защитный диод нужен для того, чтобы при измерении больших напряжений на основном диоде не оказалось слишком большое обратное напряжение, которое может вывести его из строя. В те полупериоды, когда основной диод не пропускает ток, защитный просто шунтирует его, резко снижая сопротивление всего участка «основной диод — гальванометр». Комплект гасящих резисторов делает вольтметр многопредельным. Такой вольтметр измеряет постоянную составляющую выпрямленного тока, но шкалу его, конечно, градуируют (с помощью эталонного вольтметра) в эффективных значениях переменного напряжения.
Авометр легко изготовить своими силами, если есть достаточно чувствительный гальванометр и какое-либо переключающее устройство, в простейшем случае панелька от лампы (К-16), а еще лучше от кинескопа — в ней больше гнезд. Резисторы можно рассчитать (Р-173;3, Р-174;1), а затем точно подобрать, пользуясь эталонным прибором, например другим авометром. Начинать нужно с универсального шунта, его можно намотать тонким высокоомным проводом или собрать из нескольких непроволочных резисторов. Градуировку амперметра (то есть подбор точки отвода у шунта) и разметку шкалы выполняют, включив оба прибора — эталонный и налаживаемый — по схеме Р-173;2. А для градуировки вольтметра его подключают (вместе с эталонным прибором) к переменному резистору, включенному делителем напряжения. Установив с помощью этого делителя нужное напряжение на шкале эталонного вольтметра, подбирают Rдоб с таким расчетом, чтобы стрелка налаживаемого установилась на последнее деление. Добавочные сопротивления обычно составляют из двух резисторов с большим и с малым сопротивлением. Вот этим малым сопротивлением можно очень точно подогнать величину Rдоб (Р-174;2).
Т-291. Милливольтметр позволяет измерять уровень слабых сигналов. Вольтметр переменного напряжения чаще всего используется для того, чтобы измерять напряжение в сети или на обмотках трансформатора. Этим прибором можно измерить и достаточно сильный низкочастотный сигнал, например, напряжение на выходе усилителя низкой частоты. Но если нужно измерить сигналы напряжением в десятые доли вольта или даже несколько десятков милливольт (сотые доли вольта), то здесь простейший вольтметр с выпрямителем уже помочь не может, здесь нужен прибор с предварительным усилителем — милливольтметр (Р-175;1). Милливольтметр, как правило, рассчитан на низкие частоты: его длинные выходные провода имеют значительную емкость, их подключение к высокочастотной цепи может сильно изменить ее собственные параметры (Р-175;2).