Skrzynka pytań i odpowiedzi. Pomiary prądu, co to jest bocznik i jak go zrobić?

W tej rubryce przedstawiane są odpowiedzi na wybrane pytania dotyczące elektroniki, zawarte w komentarzach do postów i filmów, nadsyłane przez Patronów i Mecenasów oraz innych Czytelników za pomocą kanałów podanych na stronie: Zapytaj, odpowiedz.

Dzień dobry, [w filmie] (…) wspomniał Pan o boczniku. (…) jak dobiera się boczniki? Jaka jest zasada stosowania bocznika? W prostowniku na wyjściu jest zastosowany bocznik – jak on wpływa na napięcie na wyjściu?
Czy obniża napięcie? Czy bocznik jest rezystorem? (…) Dziękuję.  Stefan

Po pierwsze trzeba przypomnieć, że bocznik to po prostu rezystor. Ale rezystor o małej, a często o bardzo małej, rezystancji. W każdym razie rezystor.

Jeżeli w jakimś obwodzie chcemy zmierzyć wartość prądu, włączamy w ten obwód właśnie rezystor o jakiejś małej rezystancji R i mierzymy na nim spadek napięcia U według rysunku 1. Napięcie mierzymy bezpośrednio, bo mamy do dyspozycji różne woltomierze, natomiast prąd mierzymy najczęściej pośrednio, w tym przypadku jako spadek napięcia na niewielkiej rezystancji. Wartość płynącego tam prądu obliczamy z oczywistej zależności: I = U_B / R_B.

Co ważne, w roli boczników można wykorzystywać najróżniejsze rezystory, byle miały odpowiednie parametry. O parametrach za chwilę, ale najpierw ważna uwaga. Otóż w wielu źródłach, w tym w polskiej Wikipedii, znajdziemy sugestie – patrz poniższy rysunek 2 – że bocznik to rezystor o specjalnej konstrukcji. Owszem, niektóre boczniki rzeczywiście mają specjalną konstrukcję. Na przykład są boczniki do pracy przy bardzo dużych prądach, rzędu setek, a nawet tysięcy amperów – omówię je w dalszej części artykułu. Są też boczniki przeznaczone do pomiaru prądów o wysokiej częstotliwości – takie boczniki z konieczności muszą mieć specjalną konstrukcję!

Ale boczniki najczęściej wykorzystywane są do pomiaru niezbyt dużych prądów stałych i prądów przemiennych o częstotliwości sieci 50 Hz. Wtedy specjalna konstrukcja nie jest potrzebna!

Bardzo dobra wiadomość jest taka, że do takich „łatwych” pomiarów można wykorzystać niemal dowolne rezystory o małej rezystancji.

Podstawowa zasada jest oczywista: czym mniejsza wartość rezystancji RB bocznika, tym lepiej. Lepiej, bo włączenie w obwód małej, albo wręcz znikomo małej rezystancji praktycznie nic nie zmienia – układ „nie widzi” dodanej bardzo małej rezystancji.

I tu jest odpowiedź na pytanie, czy bocznik obniża napięcie na wyjściu? Otóż w zasadzie tak, bo na boczniku występuje spadek napięcia U_B, o wielkości U_B = I_X × R_B

Dlatego, jak pokazuje rysunek 3, napięcie U_L na obciążeniu jest mniejsze od napięcia zasilania U_Z właśnie o spadek napięcia U_B. Tak, ale jeżeli rezystancja R_B jest bardzo mała, to i spadek napięcia U_B jest bardzo mały, nieznaczący. Tak, tylko po pierwsze muszą one mieć odpowiednio małą rezystancję, często poniżej 0,1 oma.

Po drugie, muszą mieć odpowiednio dużą obciążalność, czyli potocznie mówiąc – moc.

Praktyczny problem w tym, że wśród elektroników najpopularniejsze są rezystory o rezystancjach w zakresie od 1 oma do 10 megaomów, a do roli boczników zwykle potrzebne są rezystory o wartościach poniżej 0,1 oma. Takie rezystory były i są mało popularne.

A jeżeli chodzi o obciążalność, czyli moc strat, to w układzie z rysunków 1 i 3 prąd I_X płynąc przez rezystancję bocznika R_B powoduje nie tylko powstanie spadku napięcia U_B, ale też wydzielenie w rezystorze R_B mocy strat w postaci ciepła. Jak przypomina rysunek 4, tę moc liczymy według szkolnych wzorów:
P = I × U = I² × R

Najpopularniejsze miniaturowe rezystory mają obciążalność, czyli dopuszczalną moc strat, ćwierć wata (fotografia 5) lub jeszcze mniej.

Taki mały rezystor mógłby służyć jako bocznik, ale jest problem z mocą strat. Przykładowo rezystor 0,1 Ω, o obciążalności 0,25 wata, zgodnie z (przekształconym) wzorem P = I² × R, może służyć jako bocznik do pomiaru prądu o maksymalnej wartości 1,58 A, bo przy takim prądzie napięcie U_B wyniesie 0,158 wolta i wydzieli się w nim 0,25 wata mocy strat. Przy większym prądzie przeciążymy rezystor, co oczywiście grozi jego spaleniem.

Natomiast rezystor 0,1 Ω o obciążalności 5 W (fotografia 6) bez ryzyka przegrzania może mierzyć prąd do 7,07 ampera. Przy takim prądzie spadek napięcia U_B wyniesie 0,707 V. Tu dość duży jest i spadek – strata napięcia – ponad pół wolta, i moc strat pięć watów. Rezystor będzie się mocno grzał!

Dobrym rozwiązaniem jest wykorzystanie bocznika o znacznie mniejszej rezystancji. 5-watowy rezystor MPC75 z fotografii 7 ma rezystancję 0,01 oma (10 mΩ) i może być bocznikiem do pomiaru prądów do 22 amperów. Wtedy wystąpi na nim spadek napięcia 0,22 V i oczywiście też mocno będzie się grzał.

Przykładowo jeżeli zastosujemy rezystor 0,01 Ω o obciążalności 1 W, to może on posłużyć do pomiaru prądów do 10 amperów! Właśnie przy prądzie 10 A na takim rezystorze wystąpi spadek napięcia 0,1 V i wydzieli się moc strat 1 W.

Jeżeli natomiast analogicznie w roli bocznika wykorzystalibyśmy rezystor o wartości 1 milioma (0,001 Ω) o obciążalności 1 wata, to mógłby on służyć do pomiaru prądów do 31,6 A!

Czym mniejsza rezystancja R_B, tym mniejsza moc strat (P = I² × R) i tym mniej taki bocznik zmienia sytuację w układzie. Tym bardziej, że przecież przewody połączeniowe też mają jakąś rezystancję, zwykle od jednego do nawet kilkunastu miliomów, co pokazane jest w filmie Q026, będącym uzupełnieniem tego artykułu. Przy wyborze rezystancji bocznika R_B warto trzymać się „okrągłych” wartości rezystancji, bo wtedy odczyt woltomierza mierzącego U_B bardzo łatwo przeliczyć na wartość prądu – wystarczy „przesunąć przecinek”.

Mniejsza rezystancja R_B bocznika jest korzystna, ale wtedy mniejszy jest spadek napięcia U_B. Przykładowo prąd 30 amperów płynąc przez rezystor 1-miliomowy wywoła spadek napięcia U_B tylko 0,03 V. Niby to niewiele, ale całkowicie, a nawet z zapasem wystarczy dla współczesnych multimetrów cyfrowych.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze lipcowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 7/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 7/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 7/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.