萬用電錶之小盒內的秘密（第一部份：電流錶的結構）－創科小淘氣 The Little Electronics Mischief

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上回介紹萬用電錶的基本操作方法，不知大家現在是否熟習呢？一般萬用電錶多用於量度電流、電壓和電阻值。指針式萬用電錶是較早期發展的電錶，由電流錶（亦稱安培計，Ammeter）、電壓錶（亦稱伏特計，Voltmeter）和電阻錶（亦稱歐姆計，Ohmmeter）組合而成。整個盒子拿起來一點也不重，你或會好奇到底內裡有什麼乾坤，這次讓我們逐一拆解，讓你有更進一步理解：

為何電流錶內阻值愈低量度效果愈好？
為何電壓錶內阻值愈高量度效果愈好？
為何用指針式電錶測電阻值時，黑色針接內部電源正極，紅針接內部電源負極？

指針式萬用電錶的結構並不複雜，機械部分主要由永久磁石、電線圈和指針組成。只要電流流過電線圈，電線圈因磁場作用產生指針轉動力矩，令指針偏轉，偏轉的角度受電流大小影響。事實上，萬用電錶可說是由一個高靈敏度的電流錶改裝而成（如圖一所示），最後讓它可量度不同範圍的參數（電流、電壓和電阻值）。

圖一：100 µA 電流錶

電流錶的原理

一般電流錶靈敏度的標稱值，部分採用多少 kΩ / V DC，意思就是用 1 伏特電壓令電錶錶針達至滿度，其中 kΩ 就是指電流錶內阻值，加上外接電阻值。舉例：電錶內阻 + 外接電阻值 = 20 kΩ，當 1 伏特電壓跨接於電錶及外接電阻兩端，令其達至滿度，亦即流過電錶的電流是 1 / 20 kΩ = 50 µA。所以另一靈敏度說法亦以電流相稱，如上述就是 50 µA 電流錶。高靈敏度的電流錶即是只需細電流通過便足以令錶針達至滿度。

現設定電流錶靈敏度為 20 kΩ / V DC（即 50 µA 電流錶），電流錶內阻 = 2 kΩ，我們嘗試把它改裝成測量範圍廣闊的電流錶，讓它能夠量得比原先最大測量範圍大 2,000 倍的電流，即可量電流最大是 100 mA（0.1 A）。

如果強行讓超過測量範圍的電流通過，必然燒毀電流錶，所以我們得另想辦法，讓指針在測量範圍偏轉，同時讓我們知道大電流量的多少。這個要求看似很矛盾，流過電流錶的電流是有限制的，「多餘」的電流要往哪裡走？其實它像過大的水流一樣，只要「疏導」就可以了。也就是說，我們要把電流分流。若你了解歐姆定律，便知道用電阻並接電流錶就能解決問題。

加入用作分流的電阻，稱為分流電阻（shunt resistor），它的阻值取決於電流的測量範圍。

圖二為經改裝後的電流錶基本電路圖，藍色框著的部分為整個電流錶結構。I 為待測電流，I_A 和 I_S 是分別流過 50 µA 電流錶（符號 A）和分流電阻的電流，R_A 則是電流錶的內阻，現特別繪在電流錶以外。試計算分流電阻阻值 R_S。

圖二：改裝後的電流錶基本電路圖

從以上電流錶參數得知，只要在電流錶兩端接上 0.1 V 即可有 50 µA 通過，亦即指針達至滿度，因為：

V_ab = I_A x R_A = 50 µA x 2 kΩ = 0.1 V

I = 100 mA = 0.1 A

a 和 b 兩點的電壓差 V_ab = 0.1 V

a 和 b 兩點的電阻值 = V_ab / I = 0.1 V / 0.1 A = 1 Ω（亦即 R_A 和 R_S 的並聯值 = 1 Ω）

R_A 值已知 = 2 kΩ ，求 R_S 值。

電阻並聯計算如下：

1 / R_A + 1 / R_S = 1 / 1 Ω

1 / 2 kΩ + 1 / R_S = 1 / 1 Ω

R_S ≈ 1.00050025 Ω

只要與電流錶並接約 1.00050025 Ω 的電阻，便可量出最大 100 mA 的電流。

若要測量最大達 10 A 的電流，我們可按同樣方法計算分流電阻值：

I = 10 A

a 和 b 兩點的電壓差 V_ab = 0.1 V

a 和 b 兩點的電阻值 = V_ab / I = 0.1 V / 10 A = 0.01 Ω（亦即 R_A 和 R_S 的並聯值 = 0.01 Ω）

R_A 值已知 = 2 kΩ，求 R_S 值。

電阻並聯計算如下：

1 / R_A + 1 / R_S = 1 / 0.01 Ω

1 / 2 kΩ + 1 / R_S = 1 / 0.01 Ω

R_S ≈ 0.01000005 Ω

只要與電流錶並接約 0.01000005 Ω 的電阻，便可量出最大 10 A 的電流。

但我們仍得留意選取此分流電阻時，其瓦數值必須 >= 1 W，因為電功率 P = I x I x R，P = 10 x 10 x 0.01000005 Ω

P = 1.000005 W

從以上兩個例子可得知，當量度電流愈大，分流電阻值愈小。使用萬用電錶量度電流，有不同檔位選擇，就是將電流錶並接不同阻值的分流電阻，制定不同電流檔次。

分流電阻與電流錶計內阻並接後，電阻值是非常小的。以 R_S = 0.01000005 Ω 為例，等效電阻值 R = (R_A x R_S) / (R_A + R_S) = (2 kΩ x 0.01000005 Ω) / (2 kΩ + 0.01000005 Ω) ≈ 0.01 Ω。而一個理想電流錶，內阻以小為佳，因此流過電流錶所產生電壓差趨近零（V = I x R）。

到此我們明白電流錶的大致結構，下次再談談如何將電流錶改裝成電壓錶，其原理與與改裝成電流錶大致相同，大家不妨先思考一下。