Измерительные шунты 1А/100мВ и 5А/200мВ с AliExpress

Китайская торговая площадка предлагает широкий ассортимент измерительных шунтов на токи от единиц до сотен ампер, обещая достаточно неплохую точность и вполне демократичную цену. Я приобрел для своих нужд два шунта с параметрами 1А/100мВ и 5А/200мВ, короткий отчет о покупке предлагаю вниманию читателей сайта.


Поиском по сайту нашлось по меньшей мере два обзора очень похожих изделий, только рассчитанных на бОльшие токи — обзор и обзор. Но их авторы посвятили свои материалы в основном вопросам применения шунтов. Меня же в первую очередь интересовали характеристики приборов — точность, температурная стабильность и способность выдерживать ток больше номинального. Все измерения проводил для себя лично, в пределах имеющегося оборудования и знаний, на высокую достоверность полученных данных не претендую. Опубликовать результаты в виде обзора решил по двум причинам. Первая достаточно корыстна :). Чаще всего из комментариев к обзорам удается извлечь немало полезной информации, так что буду рад любым конструктивным замечаниям и предложениям. Во-вторых, вполне возможно, что кому то еще это также может оказаться полезным.

Пришли шунты в обычном пакете, внутри каждый завернут в пупырку. Посылка дошла очень быстро, доставка бесплатная, при пересылке ничего не повредилось.

Далее я буду говорить подробно только об одном из них — на 1 ампер и 100 мВ.

Конструктивно шунт состоит из пластикового основания размерами 120х25 мм, двух металлических пятаков размерами 20х25х5 мм, в каждом из которых вкручены по два винта с резьбой М5 и М4, и нескольких витков провода, концы которого закреплены пайкой в торцах пятаков.

Устройство весьма увесисто — масса почти 80 грамм.

Поскольку я не планирую установку этих шунтов в какое то конкретное устройство, а собираюсь использовать в качестве датчиков тока для осциллографа в ходе экспериментов, то такое исполнение подходит как нельзя лучше — шунт очень устойчив, а винтовые клеммы позволяют легко подключать любые разъемы. Например, под винты силовых контактов зажать переходник на стандартные бананы, а под винты измерительных контактов — короткие отрезки провода подходящего диаметра для удобного крепления крючка осциллографического пробника или разъема Du Pont.


На боковых торцах пятаков нанесена маркировка — FL-2 0,5 и 1А 100 мВ. Как я понимаю, FL-2 — это название изделия, 0,5 в кружке — точность, а 1А 100 мВ — номинальный ток и падение напряжения при номинальном токе.

Если с классом точности все понятно — он заявлен как 0,5, то про температурный коэффициент сопротивления никаких конкретных значений на странице продавца я не нашел. Только общие фразы про высокую температурную стабильность и способность выдерживать ток 120% в течение двух часов. Так что с этим придется разбираться самостоятельно.

Первое, что пришло в голову — оценить удельное сопротивление материала, из которого выполнена спираль. Она состоит из 6 полных витков с небольшими отводами, диаметр спирали 21 мм, диаметр провода — 1.51-1.53 мм. Несложный расчет дает приблизительное значение 0.45 Ом*мм2/м. Несмотря на то, что внешне провод выглядит как медь, это явно какой-то сплав. Близкие значения имеют манганин и константан.

Далее я измерил сопротивление шунта при помощи мультиметра Keithley DMM6500. Полученное значение с запасом укладывается в заявленную продавцом точность.

Сопротивление шунта должно лежать в диапазоне от 0.0995 до 0.1005 Ом, прибор показывает 0.100179 Ом. Однако максимальная погрешность измерения у мультиметра на этом диапазоне составляет 0.2 мОм, что не так уж мало — 0.2% от 100 мОм. И хотя даже в самом худшем случае шунт все равно соответствует заявленному классу точности, хотелось бы большей определенности. Поэтому в качестве следующей проверки решил одновременно измерять падение напряжения и величину протекающего тока. При этом можно несколько улучшить точность измерений и проверить шунт в реальных условиях эксплуатации. Для измерения тока использовал все тот же Keithley DMM6500, напряжениея — Fluke 289.

При токе в 1 ампер расчетное значение сопротивления составляет всё те же 100.17 мОм.

Максимальная погрешность Флюка на этом пределе составляет 0.04 мВ, так что к последней цифре стоит относиться с большой осторожностью, но почти полное совпадение с предыдущим измерением по четырехпроводной схеме не может не радовать.

Далее повысим ток до 2 и 3 ампер. При токе 3 ампера (а это 300% от номинала) на шунте рассеивается 0.9 Вт. Немного, но небольшой нагрев уже должен быть. Если ТКС материала шунта велик, изменение сопротивления должно быть заметно.
Ток 2 ампера.

И 3 ампера

Шунт ведет себя отлично, зафиксировать заметного изменения сопротивления даже при трехкратном превышении номинального тока не получается. Но и нагрев шунта при 3 амперах совсем незначителен, и на ощупь практически не ощущается.
Поэтому решил погреть шунт строительным феном. В наличии есть фен с электронной регулировкой температуры, он достаточно неплохо удерживает заданное значение. Вот график показаний с термопары, расположенной близко к соплу, установленное значение 100°С.

При нагреве шунта феном падение напряжения на нем (при токе, близком к 1 амперу) уменьшается. Максимум, что у меня получилось добиться — уменьшение примерно на 80 микровольт (0.08 мВ).

Это соответствует уменьшению сопротивления шунта на 0.08 мОм. Если предположить, что разница температур составила 75°С, то ТКС шунта получается -0.08 мОм/(100.18 мОм*75°С) = -10 миллионных долей на градус, или -10 ppm/°С. Понятно, что оценка достаточно грубая, но ошибки в несколько раз быть не должно. Манганин имеет положительный ТКС, а вот константан как раз отрицательный. Чаще всего указывается значение -5 ppm/°С, хотя иногда указывается и куда более широкий диапазон — от -20 до +60 ppm/°С. В любом случае с достаточно высокой степенью вероятности можно говорить, что данный шунт изготовлен из константана.
Совсем недавно один из форумчан оставлял комментарий, касавшийся температурной стабильности шунтов.

Данный ГОСТ нормирует изменение сопротивления не более 0.1% на каждые 10°С изменения температуры для шунтов классов точности 0.2 и 0.5. Китайский шунт демонстрирует на порядок лучшую стабильность — 0.08% на 70°С!

Уже после публикации обзора один из пользователей сайта обратил внимание, что при такой форме (катушка) шунт должен иметь ненулевую индуктивность. Расчет по формуле

дает значение 0.7 мкГн. При измерении прибором получаем близкую величину 0.5 мкГн.

Это немного, но на больших частотах будет иметь значение, нельзя об этом забывать.



Шунт на 5 ампер выполнен из более толстого провода — его диаметр 2.1 мм, и на нём видны следы подгонки сопротивления: в нескольких местах видно, что провод немного сточен.

Зато и сопротивление еще меньше отличается от нужных 40 мОм.


В завершение пара осциллограмм. Сигнал первого канала взят с обозреваемого шунта, второго — с дешевых токовых клещей Hantek CC-65.
На постоянном токе идеальное совпадение.

На сигнале сложной формы (частота 5 кГц) сигнал с клещей заметно запаздывает, пики сглаживаются.


Выводы.

На мой взгляд, шунты отличные. Аккуратное исполнение, хорошая точность, прекрасная температурная стабильность и работоспособность на токе, значительно превышающем номинальный.