一种有自我保护功能的电流表设计

2021-12-12肖亮松

中学物理·高中 2021年12期

摘要：在实验室常见的电流表的基础上，利用漆包线、干簧管、二极管和蜂鸣器等元件，对指针式电流表实现在超量程测量及极性反接时的电流表自我保护，同时还利用发光二极管和蜂鸣器在超量程自我保护时做发光及鸣响的提示，以此减轻学生错误操作对电流表的损坏，提高电流表的安全性和使用寿命.

关键词：电流表;自制器材;过载保护;反向保护;超量程提醒

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0043-02

1 背景

电流表是物理教学中常见的演示和实验仪器.但是在使用过程中存在以下问题：首先，学生在使用过程中，不注重原理分析，错误选择量程，导致通电时电流过大，容易影响电流表的使用寿命或者被损坏;其次，有些同学误将电流表正负极反接，也容易导致电流表损坏;最后，现在实验所用的指针式电流表，均没有过流保护装置，而指针式电表具有性价比高、灵敏度高、原理清晰等优势.

2 设计思路

（1）利用干簧管，实现电流过大时保护电流表.

利用漆包线绕在干簧管上改装干簧管，当通过线圈的电流大于电流表量程时干簧管簧片闭合，干簧管短接表头实现对表头的保护.

（2）利用二极管的单向导电性，将二极管串联在电流表中以防止指针反向偏转.

将二极管串联在电流表中，由于二极管具有单向导电性，使得反向电流无法通过表头.

（3）加设发光二极管和蜂鸣器，超量程时通过声光提醒.

当通过电路的电流超过量程时，发光二极管会亮起、蜂鸣器会响起，起到提醒操作者的作用.

3 制作过程

（1）利用漆包线改装的干簧管.将两个干簧管绕在同一个线圈上，根据电流表的量程不同，对应的漆包线绕干簧管的匝数不同，本仪器中的两组干簧管分别绕有4匝和20匝的漆包线，分别实现对0.6A和3A不同量程下的保护（如图1）.

（2）设计电流表改装原理图（如图2）.将两组自制的漆包线绕干簧管的1、3端分别并联在电流表0.6A和3A的电路上，并在量程为0.6A电流表上多串联一个开关，将两组干簧管中的干簧管2、4两端并联，同时再并联上蜂鸣器和发光二极管，在干簧管2端串联一个干簧管;最后将一个二极管串联在电流表的负极（说明：原理图中的蜂鸣器和发光二极管是两个量程下共用的）.

未超过量程时，电流简化如图2的右图，等效为电流表负极串联了两根导线和一个二极管，不会影响电流表的正常使用.

当电流表测量电流超过量程时（以0.6A为例），线圈中磁场使得干簧管1、2闭合，干簧管1与电流表并联，通过分流保护表头，干簧管2启动蜂鸣器和LED灯，提醒使用者断开电流表.

（3）按照电路图进行实物连接，检验电路图，并通过焊锡改装电流表.

将两组改装过的漆包线绕干簧管中的干簧管1、3端，分别并联在0.6A与3A之间，利用焊接的方式使其固定，并在0.6A处多串联一个开关，再将两组干簧管中的干簧管2、4两端并联，同时并联上蜂鸣器和发光二极管，为了使3.0A量程正常使用下发光二极管和蜂鸣器不工作，在干簧管2处串联了一个开关;最后在电流表的负极接线柱处串联一个二极管，如图3所示.

4 检测

使用一个新电路检验改装好的电流表，通过滑动变阻器改變电路中的电流，再通过串联在电路中的万用表测电流，检验改装完成的电流表测量的准确性及是否达到设计要求.

（1）当流过电路的电流未超过0.6A量程时，比对万用表示数，电流表准确测量电路电流（如图4）.

（2）当流过电路的电流超过0.6A时，电流表不会偏转过大，实现对电表的自我保护功能，同时二极管会发光，蜂鸣器会响起（如图5）.

（3）当流过电路的电流未超过3.0A量程时，比对万用表示数，电流表准确测量电路电流（如图6）.

（4）当流过电路的电流超过3.0A时，电流表不会偏转过大，实现对电表的自我保护功能，同时二极管会发光，蜂鸣器会响起（如图7）.

电流超3.0A时电流表实现保护功能，此时实际电流为4.75A，流过电流表的电流保持在2.40A.

电表精准度为2.5%在量程范围内，电流表正常使用.

5 结束语

设计改进的电流表通过自制线圈绕干簧管实现电流过大时的保护，制作方便，成效明显;利用简单的元件实现超量程和极性反接时的保护，成本低.利用发光二极管和蜂鸣器实现在超量程时的提醒功能，全方位对电流表进行保护.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.