一種有自我保護功能的電流表設計

摘 要：在實驗室常見的電流表的基礎上，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在超量程測量及極性反接時的電流表自我保護，同時還利用發光二極管和蜂鳴器在超量程自我保護時做發光及鳴響的提示，以此減輕學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.

關鍵詞：電流表;自制器材;過載保護;反向保護;超量程提醒

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

1 背景

電流表是物理教學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，學生在使用過程中，不注重原理分析，錯誤選擇量程，導致通電時電流過大，容易影響電流表的使用壽命或者被損壞;其次，有些同學誤將電流表正負極反接，也容易導致電流表損壞;最后，現在實驗所用的指針式電流表，均沒有過流保護裝置，而指針式電表具有性價比高、靈敏度高、原理清晰等優勢.

2 設計思路

（1）利用干簧管，實現電流過大時保護電流表.

利用漆包線繞在干簧管上改裝干簧管，當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對表頭的保護.

（2）利用二極管的單向導電性，將二極管串聯在電流表中以防止指針反向偏轉.

將二極管串聯在電流表中，由于二極管具有單向導電性，使得反向電流無法通過表頭.

（3）加設發光二極管和蜂鳴器，超量程時通過聲光提醒.

當通過電路的電流超過量程時，發光二極管會亮起、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，根據電流表的量程不同，對應的漆包線繞干簧管的匝數不同，本儀器中的兩組干簧管分別繞有4匝和20匝的漆包線，分別實現對0.6A和3A不同量程下的保護（如圖1）.

（2）設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電流表上多串聯一個開關，將兩組干簧管中的干簧管2、4兩端并聯，同時再并聯上蜂鳴器和發光二極管，在干簧管2端串聯一個干簧管;最后將一個二極管串聯在電流表的負極（說明：原理圖中的蜂鳴器和發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，等效為電流表負極串聯了兩根導線和一個二極管，不會影響電流表的正常使用.

當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，通過分流保護表頭，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處多串聯一個開關，再將兩組干簧管中的干簧管2、4兩端并聯，同時并聯上蜂鳴器和發光二極管，為了使3.0A量程正常使用下發光二極管和蜂鳴器不工作，在干簧管2處串聯了一個開關;最后在電流表的負極接線柱處串聯一個二極管，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確性及是否達到設計要求.

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

（2）當流過電路的電流超過0.6A時，電流表不會偏轉過大，實現對電表的自我保護功能，同時二極管會發光，蜂鳴器會響起（如圖5）.

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

（4）當流過電路的電流超過3.0A時，電流表不會偏轉過大，實現對電表的自我保護功能，同時二極管會發光，蜂鳴器會響起（如圖7）.

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

電表精準度為2.5%在量程范圍內，電流表正常使用.

5 結束語

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

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（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：廣東省教育科學規劃課題“基于多載體問題情境創設課程系列的研究”（項目編號：2020YQJK305）.

作者簡介：肖亮松（1988-），男，廣東汕頭人，本科，中學一級教師，研究方向：課程改革與教學資源開發.