Шунт (электрический)

Шунт — это устройство, предназначенное для обеспечения пути с низким сопротивлением для электрического тока в цепи . Обычно он используется для отвода тока от системы или компонента во избежание перегрузки по току . Электрические шунты обычно используются в различных приложениях, включая системы распределения электроэнергии, системы электрических измерений, автомобильную и морскую технику.

Неисправный обход устройства

Одним из примеров являются миниатюрные рождественские гирлянды , соединенные последовательно . Когда нить перегорает в одной из ламп накаливания полное линейное напряжение накаливания, на перегоревшей лампочке появляется . Шунтирующий резистор , который был подключен параллельно нити до того, как она перегорела, затем закоротится, чтобы обойти сгоревшую нить и позволить остальной части струны загореться. Однако если перегорит слишком много лампочек, перегорит и шунт, что потребует использования мультиметра, чтобы найти точку отказа.

Фотовольтаика

В фотоэлектрической технике этот термин широко используется для описания нежелательного короткого замыкания между контактами передней и задней поверхности солнечного элемента , обычно вызванного повреждением пластины .

Молниеотвод

трубка Газонаполненная также может использоваться в качестве шунта, особенно в грозозащитном разряднике . Неон и другие благородные газы имеют высокое напряжение пробоя , поэтому обычно через него не протекает ток. Однако прямой удар молнии (например, в радиовышки антенну ) вызовет искрение шунта и проведение огромного количества электричества на землю , защищая передатчики и другое оборудование.

В другом более старом виде грозозащитного разрядника используется простой узкий искровой промежуток, через который при наличии высокого напряжения возникает дуга. Хотя это недорогое решение, его высокое напряжение срабатывания практически не обеспечивает защиты современных полупроводниковых электронных устройств, питающихся от защищенной схемы.

Обход электрических помех

Конденсаторы используются в качестве шунтов для перенаправления высокочастотного шума на землю, прежде чем он сможет распространиться на нагрузку или другие компоненты схемы.

Использование в схемах электронных фильтров.

Термин «шунт» используется в фильтрах и подобных схемах с лестничной топологией для обозначения компонентов, подключенных между линией и общим проводом. Этот термин используется в этом контексте, чтобы отличить шунтирующие компоненты, подключенные между сигнальной и обратной линиями, от компонентов, подключенных последовательно вдоль сигнальной линии. В более общем смысле термин «шунт» можно использовать для обозначения компонента, подключенного параллельно другому. Например, полученная из шунта m, полусекция, представляет собой обычную секцию фильтра из метода проектирования фильтра по импедансу изображения . ^[1]

Диоды как шунты

Если устройства уязвимы к обратной полярности сигнала или источника питания, диод для защиты цепи можно использовать . При последовательном подключении к цепи он просто предотвращает обратный ток, но при параллельном подключении он может шунтировать обратный источник питания, вызывая размыкание предохранителя или другой цепи ограничения тока.

Все полупроводниковые диоды имеют пороговое напряжение – обычно от 0,5 до 1 вольт – которое необходимо превысить, прежде чем через диод потечет значительный ток в обычно допустимом направлении. Два встречно-параллельных шунтирующих диода (по одному для проведения тока в каждом направлении) можно использовать для ограничения проходящего мимо них сигнала до уровня, не превышающего их порогового напряжения, чтобы защитить последующие компоненты от перегрузки.

Шунты в качестве защиты цепи

Когда цепь должна быть защищена от перенапряжения и в источнике питания существуют режимы отказа, которые могут вызвать такие перенапряжения, цепь может быть защищена с помощью устройства, обычно называемого ломовой схемой . Когда это устройство обнаруживает перенапряжение, оно вызывает короткое замыкание между источником питания и его обраткой. Это вызовет как немедленное падение напряжения (защита устройства), так и мгновенный высокий ток, который, как ожидается, приведет к размыканию чувствительного к току устройства (например, предохранителя или автоматического выключателя ). Это устройство называется ломом , поскольку его действие можно сравнить с падением настоящего лома на набор шин (оголенных электрических проводников).

Короткометражка о битве

На военных кораблях перед входом в бой принято устанавливать боевые короткие шунты на предохранители основного оборудования. Это обходит защиту от перегрузки по току в тот момент, когда отключение питания оборудования не является подходящей реакцией. ^{[ нужна ссылка ]}

Шунтирование прибора, но последовательно включенного в цепь

В качестве введения к следующей главе на этом рисунке показано, что термин «шунтирующий резистор» следует понимать в контексте того, что он шунтирует.

В этом примере резистор RL _{следует} понимать как «шунтирующий резистор» (по отношению к нагрузке L), поскольку этот резистор будет пропускать ток вокруг нагрузки L. RL _{подключается} параллельно нагрузке L.

Однако последовательные резисторы R _M1 и R _M2 представляют собой низкоомные резисторы (как на фотографии), предназначенные для пропускания тока вокруг приборов M1 и M2 и функционирующие как шунтирующие резисторы для этих приборов. R _M1 и R _M2 подключены параллельно M1 и M2. Если рассматривать эти два резистора без приборов, в этой схеме они будут считаться последовательными резисторами .

Использование при измерении тока

Шунтирующий резистор 50 А с возможностью четырехконтактного измерения.

Шунт амперметра слишком позволяет измерять значения тока, большие, чтобы их можно было напрямую измерить конкретным амперметром. отдельный шунт — резистор очень малого, но точно известного сопротивления включается В этом случае параллельно вольтметру , так что практически весь измеряемый ток будет течь через шунт (при условии, что внутреннее сопротивление вольтметра принимает настолько малая часть тока, что ею можно пренебречь). Сопротивление выбирается таким образом, чтобы результирующее падение напряжения было измеримым, но достаточно низким, чтобы не нарушить работу цепи . Напряжение на шунте пропорционально току, протекающему через него, поэтому измеренное напряжение можно масштабировать для непосредственного отображения значения тока. ^[2]^[3]

Шунты рассчитаны на максимальный ток и падение напряжения при этом токе. Например, шунт на 500 А, 75 мВ будет иметь сопротивление 150 микроом , максимально допустимый ток 500 ампер и при этом токе падение напряжения составит 75 милливольт . По соглашению большинство шунтов рассчитаны на падение напряжения 50, 75 или 100 мВ при работе на полном номинальном токе, а большинство амперметров состоят из шунта и вольтметра с полномасштабными отклонениями 50, 75 или 100 мВ. Все шунты имеют коэффициент снижения характеристик при непрерывном (более 2 минут) использовании, наиболее распространенным является 66%, поэтому примерный шунт не следует эксплуатировать при токе выше 330 А (и падении напряжения 50 мВ) дольше этого значения.

Это ограничение связано с температурными ограничениями, при которых шунт перестает работать правильно. Для манганина , распространенного материала шунта, при 80 °С начинает возникать тепловой дрейф, при 120 °С термический дрейф представляет собой существенную проблему, где погрешность, в зависимости от конструкции шунта, может составлять несколько процентов, а при 140 °С манганин сплав становится необратимо поврежденным из-за отжига, что приводит к смещению значения сопротивления вверх или вниз. ^{[ нужна ссылка ]}

Если измеряемый ток также имеет потенциал высокого напряжения, это напряжение будет присутствовать и в соединительных проводах, и в самом считывающем приборе. ^[2] , шунт вставляют в ответную часть ( заземленную Иногда, чтобы избежать этой проблемы сторону). Некоторые альтернативы шунтам могут обеспечить изоляцию от высокого напряжения, не подключая счетчик напрямую к цепи высокого напряжения. Примерами устройств, которые могут обеспечить такую изоляцию, являются датчики тока на эффекте Холла и трансформаторы тока (см . клещи ). Современные шунты считаются более точными и дешевыми, чем устройства на эффекте Холла. Общие характеристики точности таких устройств составляют ±0,1%, ±0,25% или ±0,5%.

Шунт типа Томаса с двойными манганиновыми стенками и тип MI (улучшенная конструкция типа Томаса) использовались NIST и другими лабораториями по стандартизации в качестве юридического эталона сопротивления, пока в 1990 году его не заменил квантовый эффект Холла . Шунты типа Томаса до сих пор используются в качестве вторичных эталонов для очень точных измерений тока, поскольку использование квантового эффекта Холла — трудоемкий процесс. Точность шунтов этих типов измеряется в единицах на миллион и субчастях на миллион по шкале дрейфа за год установленного сопротивления. ^[4]

Если цепь заземлена (заземлена) с одной стороны, токоизмерительный шунт можно вставить либо в незаземленный провод, либо в заземленный провод. Шунт в незаземленном проводнике должен быть изолирован от напряжения всей цепи относительно земли; измерительный прибор должен быть изолирован от земли или должен включать в себя резистивный делитель напряжения или изолирующий усилитель между относительно высоким синфазным напряжением и более низкими напряжениями внутри прибора. Шунт в заземленном проводнике может не обнаруживать ток утечки, который обходит шунт, но он не будет испытывать высокого синфазного напряжения на землю. Нагрузка удаляется от прямого пути к земле, что может создать проблемы для схем управления, привести к нежелательным излучениям или к тому и другому.

Вставка нижнего плеча может устранить синфазное напряжение, но не без недостатков.
Вставка верхнего плеча устраняет недостатки нижнего плеча, но гарантирует синфазное напряжение.
Изолированные усилители устраняют все трудности и ограничения, связанные с измерениями токов высокого и низкого плеча с помощью шунта.

См. также

Ссылки

^ Маттеи, Янг, Джонс Микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи , стр. 66, McGraw-Hill 1964
^ Перейти обратно: ^а ^б Руководство по электроприборам , General Electric, 1949 г., страницы 8–9.
^ Террелл Крофт, Справочник американских электриков , McGraw-Hill, 1948, стр. 70
^ Р. Дзюба; Н. Б. Белецкий; Дж. Ф. Мэйо-Уэллс (2001). «Стабильность манганиновых резисторов с двойными стенками» (PDF) . В Давиде Р. Лиде (ред.). Век передового опыта в измерениях, стандартах и технологиях: хроника избранных публикаций NBS / NIST 1901–2000 гг . стр. 63–65. CiteSeerX 10.1.1.208.9878 . дои : 10.6028/NIST.SP.958 . NIST SP 958. Десять из них служили исключительно стандартом сопротивления США с 1939 года, пока их не вытеснил квантовый эффект Холла (QHE) в 1990 году.

Внешние ссылки

[1] Маттеи, Янг, Джонс Микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи , стр. 66, McGraw-Hill 1964

[GE49-2] Перейти обратно: ^а ^б Руководство по электроприборам , General Electric, 1949 г., страницы 8–9.

[Croft48-3] Террелл Крофт, Справочник американских электриков , McGraw-Hill, 1948, стр. 70

[4] Р. Дзюба; Н. Б. Белецкий; Дж. Ф. Мэйо-Уэллс (2001). «Стабильность манганиновых резисторов с двойными стенками» (PDF) . В Давиде Р. Лиде (ред.). Век передового опыта в измерениях, стандартах и технологиях: хроника избранных публикаций NBS / NIST 1901–2000 гг . стр. 63–65. CiteSeerX 10.1.1.208.9878 . дои : 10.6028/NIST.SP.958 . NIST SP 958. Десять из них служили исключительно стандартом сопротивления США с 1939 года, пока их не вытеснил квантовый эффект Холла (QHE) в 1990 году.

[1]

[2]

[3]

[4]