一種有自我保護(hù)功能的電流表設(shè)計

摘 要：在實驗室常見的電流表的基礎(chǔ)上，利用漆包線、干簧管、二極管和蜂鳴器等元件，對指針式電流表實現(xiàn)在超量程測量及極性反接時的電流表自我保護(hù)，同時還利用發(fā)光二極管和蜂鳴器在超量程自我保護(hù)時做發(fā)光及鳴響的提示，以此減輕學(xué)生錯誤操作對電流表的損壞，提高電流表的安全性和使用壽命.

關(guān)鍵詞：電流表;自制器材;過載保護(hù);反向保護(hù);超量程提醒

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0043-02

1 背景

電流表是物理教學(xué)中常見的演示和實驗儀器.但是在使用過程中存在以下問題：首先，學(xué)生在使用過程中，不注重原理分析，錯誤選擇量程，導(dǎo)致通電時電流過大，容易影響電流表的使用壽命或者被損壞;其次，有些同學(xué)誤將電流表正負(fù)極反接，也容易導(dǎo)致電流表損壞;最后，現(xiàn)在實驗所用的指針式電流表，均沒有過流保護(hù)裝置，而指針式電表具有性價比高、靈敏度高、原理清晰等優(yōu)勢.

2 設(shè)計思路

（1）利用干簧管，實現(xiàn)電流過大時保護(hù)電流表.

利用漆包線繞在干簧管上改裝干簧管，當(dāng)通過線圈的電流大于電流表量程時干簧管簧片閉合，干簧管短接表頭實現(xiàn)對表頭的保護(hù).

（2）利用二極管的單向?qū)щ娦?，將二極管串聯(lián)在電流表中以防止指針反向偏轉(zhuǎn).

將二極管串聯(lián)在電流表中，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，使得反向電流無法通過表頭.

（3）加設(shè)發(fā)光二極管和蜂鳴器，超量程時通過聲光提醒.

當(dāng)通過電路的電流超過量程時，發(fā)光二極管會亮起、蜂鳴器會響起，起到提醒操作者的作用.

3 制作過程

（1）利用漆包線改裝的干簧管.將兩個干簧管繞在同一個線圈上，根據(jù)電流表的量程不同，對應(yīng)的漆包線繞干簧管的匝數(shù)不同，本儀器中的兩組干簧管分別繞有4匝和20匝的漆包線，分別實現(xiàn)對0.6A和3A不同量程下的保護(hù)（如圖1）.

（2）設(shè)計電流表改裝原理圖（如圖2）.將兩組自制的漆包線繞干簧管的1、3端分別并聯(lián)在電流表0.6A和3A的電路上，并在量程為0.6A電流表上多串聯(lián)一個開關(guān)，將兩組干簧管中的干簧管2、4兩端并聯(lián)，同時再并聯(lián)上蜂鳴器和發(fā)光二極管，在干簧管2端串聯(lián)一個干簧管;最后將一個二極管串聯(lián)在電流表的負(fù)極（說明：原理圖中的蜂鳴器和發(fā)光二極管是兩個量程下共用的）.

未超過量程時，電流簡化如圖2的右圖，等效為電流表負(fù)極串聯(lián)了兩根導(dǎo)線和一個二極管，不會影響電流表的正常使用.

當(dāng)電流表測量電流超過量程時（以0.6A為例），線圈中磁場使得干簧管1、2閉合，干簧管1與電流表并聯(lián)，通過分流保護(hù)表頭，干簧管2啟動蜂鳴器和LED燈，提醒使用者斷開電流表.

（3）按照電路圖進(jìn)行實物連接，檢驗電路圖，并通過焊錫改裝電流表.

將兩組改裝過的漆包線繞干簧管中的干簧管1、3端，分別并聯(lián)在0.6A與3A之間，利用焊接的方式使其固定，并在0.6A處多串聯(lián)一個開關(guān)，再將兩組干簧管中的干簧管2、4兩端并聯(lián)，同時并聯(lián)上蜂鳴器和發(fā)光二極管，為了使3.0A量程正常使用下發(fā)光二極管和蜂鳴器不工作，在干簧管2處串聯(lián)了一個開關(guān);最后在電流表的負(fù)極接線柱處串聯(lián)一個二極管，如圖3所示.

4 檢測

使用一個新電路檢驗改裝好的電流表，通過滑動變阻器改變電路中的電流，再通過串聯(lián)在電路中的萬用表測電流，檢驗改裝完成的電流表測量的準(zhǔn)確性及是否達(dá)到設(shè)計要求.

（1）當(dāng)流過電路的電流未超過0.6A量程時，比對萬用表示數(shù)，電流表準(zhǔn)確測量電路電流（如圖4）.

（2）當(dāng)流過電路的電流超過0.6A時，電流表不會偏轉(zhuǎn)過大，實現(xiàn)對電表的自我保護(hù)功能，同時二極管會發(fā)光，蜂鳴器會響起（如圖5）.

（3）當(dāng)流過電路的電流未超過3.0A量程時，比對萬用表示數(shù)，電流表準(zhǔn)確測量電路電流（如圖6）.

（4）當(dāng)流過電路的電流超過3.0A時，電流表不會偏轉(zhuǎn)過大，實現(xiàn)對電表的自我保護(hù)功能，同時二極管會發(fā)光，蜂鳴器會響起（如圖7）.

電流超3.0A時電流表實現(xiàn)保護(hù)功能，此時實際電流為4.75A，流過電流表的電流保持在2.40A.

電表精準(zhǔn)度為2.5%在量程范圍內(nèi)，電流表正常使用.

5 結(jié)束語

設(shè)計改進(jìn)的電流表通過自制線圈繞干簧管實現(xiàn)電流過大時的保護(hù)，制作方便，成效明顯;利用簡單的元件實現(xiàn)超量程和極性反接時的保護(hù)，成本低.利用發(fā)光二極管和蜂鳴器實現(xiàn)在超量程時的提醒功能，全方位對電流表進(jìn)行保護(hù).

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-08-16）

基金項目：廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于多載體問題情境創(chuàng)設(shè)課程系列的研究”（項目編號：2020YQJK305）.

作者簡介：肖亮松（1988-），男，廣東汕頭人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：課程改革與教學(xué)資源開發(fā).