第4节 电流表设计(修订中)
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# 1. 电流表测量电流
用于测量电流 (opens new window)的仪表通常被称为“电流表 (opens new window)”，因为测量单位是“安培”。
在电流表设计中，为扩展机芯的可用范围而添加的外部[电阻器]与机芯(https://www.allaboutcircuits.com/video-lectures/electronic-components-resistors/)并联 (opens new window)，而不是像电压表那样串联 (opens new window)。这是因为我们想要将测量的电流（而不是测量的电压）分流到机芯，并且因为分流器电路总是由并联电阻形成。
# 2. 设计电流表
以与电压表 (opens new window)相同的仪表运动为例，我们可以看到它本身会成为一个非常有限的仪器，满量程偏转仅发生 1 mA：
与扩展仪表机芯的电压测量能力一样，我们必须相应地重新标记机芯的刻度，以便在扩展的电流范围内读取不同的读数。例如，如果我们想设计一个电流表，使其满量程范围为 5 安培，使用与以前相同的仪表机芯（固有满量程范围仅为 1 mA），我们将不得不重新标记机芯的刻度为最左边的 0 A 和最右边的 5 A，而不是之前的 0 mA 到 1 mA。
无论并联电阻提供何种扩展范围，我们都必须在仪表移动面上以图形方式表示。
使用 5 安培作为示例运动的扩展范围，让我们确定“分流”或旁路大部分电流所需的并联电阻量，以便只有 1 mA 将通过运动，总电流为 5 A：
根据我们给定的运动电流、运动电阻和总电路（测量）电流值，我们可以确定仪表运动两端的电压（欧姆定律 (opens new window)应用于中心柱，E=IR）：
知道机芯和分流器形成的电路是并联配置的，我们知道机芯、分流器和测试引线（总）两端的电压必须相同：
我们还知道，通过分流器的电流必须是总电流 (5 安培) 和通过机芯的电流 (1 mA) 之间的差值，因为在并联配置中添加了支路电流：
然后，使用右栏中的欧姆定律 (R=E/I)，我们可以确定必要的分流电阻：
当然，我们可以通过计算总电阻（R=E/I；0.5 伏特/5 安培 = 100 mΩ 精确），然后并联阻力公式倒退，但算术将更具挑战性：
# 3. 实际设计中的电流表
在现实生活中，电流表的分流电阻器通常封装在仪表单元的保护金属外壳内，隐藏在视线之外。请注意下图中电流表的结构：
这种特殊的电流表是由 Stewart-Warner 制造的汽车单元。尽管 D'Arsonval 仪表机芯本身可能具有毫安范围内的满量程额定值，但仪表作为一个整体具有 +/- 60 安培的范围。提供这种高电流范围的分流电阻器封装在仪表的金属外壳内。
还要注意这个特殊的仪表，指针以零安培为中心，可以指示“正”电流或“负”电流。该仪表连接到汽车的电池充电电路，能够指示充电状态（电流从发电机流向电池）或放电状态（电流从电池流向汽车的其余负载）。
# 4. 增加电流表的可用范围
与多量程电压表的情况一样，通过将多个分流电阻与多极开关切换，可以为电流表提供一个以上的可用量程：
请注意，量程电阻器通过开关连接，以便与仪表运动并联，而不是像电压表设计中那样串联。当然，五位开关一次只接触一个电阻。根据仪表移动的特定额定值（1 mA，500 Ω），每个电阻器的大小都针对不同的满量程范围进行了相应调整。
使用这种仪表设计，每个电阻值都由相同的技术确定，使用已知的总电流、运动满量程偏转额定值和运动电阻。对于量程为 100 mA、1 A、10 A 和 100 A 的电流表，分流电阻如下：
请注意，这些分流电阻值非常低！5.00005 mΩ 是 5.00005 毫欧，或 0.00500005 欧姆！为了实现这些低电阻，电流表分流电阻器通常必须由直径相对较大的导线或实心金属片定制。
确定电流表分流电阻器尺寸时需要注意的一件事是功耗因素。与电压表不同，电流表的量程电阻器必须承载大量电流。如果这些分流电阻器的尺寸不相应，它们可能会过热并遭受损坏，或者至少会因过热而失去精度。对于上面的示例仪表，满量程指示的功耗为（双波浪线在数学中表示“大约等于”）：
一个 1/8 瓦的电阻器对于 R 4就可以正常工作，一个 1/2 瓦的电阻器对于 R 3就足够了，一个 5 瓦的电阻器对于 R 2就足够了（尽管如果不在其额定值附近工作，电阻器往往会更好地保持其长期精度功率耗散，因此您可能想要高估电阻器 R 2和 R 3），但精密 50 瓦电阻器确实是稀有且昂贵的组件。可能必须为 R 1构建由金属原料或粗线制成的定制电阻器，以满足低电阻和高额定功率的要求。
有时，分流电阻器与高输入电阻的电压表一起使用来测量电流。在这些情况下，通过电压表运动的电流小到可以忽略不计，分流电阻的大小可以根据每安培电流产生多少伏或毫伏的压降来确定：
例如，如果上述电路中的分流电阻器的尺寸精确为 1 Ω，则每安培电流通过它就会有 1 伏的电压压降。然后可以将电压表指示作为通过分流器的电流的直接指示。
为了测量非常小的电流，较高的分流电阻值可用于在给定的电流单位产生更多的电压降，从而将（伏特）表的可用范围向下扩展到较低的电流量。将电压表与低值分流电阻结合使用来测量电流在工业应用中很常见。
# 5. 使用分流电阻器和电压表代替电流表
使用分流电阻器和电压表来测量电流可能是简化电路中频繁电流测量任务的有用技巧。通常，要使用电流表测量通过电路的电流，必须断开（中断）电路并将电流表插入分开的导线末端之间，如下所示：
如果我们有一个需要经常测量电流的电路，或者我们只是想让电流测量过程更方便，可以在这些点之间放置一个分流电阻器并永久留在那里，根据需要用电压表读取电流读数在不中断电路连续性的情况下：
当然，必须注意将分流电阻的尺寸设置得足够低，以免对电路的正常工作产生不利影响，但这通常并不难做到。这种技术在计算机电路分析中也很有用，我们可能希望计算机根据电压显示通过电路的电流（使用 SPICE，这将允许我们避免读取负电流值的特性）：
分流电阻示例电路 v1 1 0 rshunt 1 2 1 rload 2 0 15k .dc v1 12 12 1 .print dc v(1,2) .end
v1 v(1,2) 1.200E+01 7.999E-04
我们将分流电阻上的电压读数（SPICE 仿真 (opens new window)中电路节点 1 和 2 之间）直接解释为安培，其中 7.999E-04 为 0.7999 mA 或 799.9 µA。理想情况下，直接施加在 15 kΩ 上的 12 伏电压将给我们正好 0.8 mA，但分流器的电阻会稍微减少该电流（就像在现实生活中一样）。
然而，对于模拟或实际电路而言，如此微小的误差通常在可接受的精度范围内，因此分流电阻器可用于除最苛刻的电流测量应用之外的所有应用。
# 6. 原文链接
Lessons in Electric Circuits (opens new window)
# 7. 总结
- 电流表范围是通过在运动电路中添加并联“分流”电阻来创建的，从而提供精确的电流分配。
- 分流电阻器可能具有很高的功耗，因此在为此类仪表选择部件时要小心！
- 分流电阻器可以与高电阻电压表以及低电阻电流表一起使用，从而在给定电流量下产生准确的电压降。应选择尽可能低的电阻值的分流电阻器，以尽量减少它们对被测电路的影响。
相关练习：
# 8. 总目录
一次校对：向导协作团队 --- 李坤 (opens new window)