Szerokozakresowy omomierz, część 1

W ostatnim czasie miałem kilka okazji, w których musiałem dokładnie zmierzyć niskie rezystancje. Dotyczy to niektórych projektów głośników, w których musiałem dokładnie zmierzyć rezystancję DC cewki drgającej, aby oszacować parametry przetwornika Thiele-Small lub określić rezystancję cewki z rdzeniem powietrznym.

Inny projekt to Capacitor Discharge Welder (marzec i kwiecień 2022; siliconchip.com.au/Series/379 oraz EdW 12/2024 i 01/2025), w którym chciałem sprawdzić rezystancję przewodów. Teoria mówi, że powinny mieć 8 mΩ (uwaga spoiler – z kablami i zaciskami, nasze przewody spawalnicze miały 10 mΩ).

Zwykły multimetr nie zmierzy tak niskich wartości. Nawet mój fantastyczny, drogi miernik był daleki od ideału. Co więc robisz, gdy chcesz dokładnie zmierzyć naprawdę niską rezystancję? Sięgasz po swój stary, niezawodny miliomomierz.

Jak wiele życiowych podróży, ten projekt rozpoczął się w jednym punkcie, a skończył zupełnie gdzieś indziej. Początkowym planem było zaktualizowanie poprzedniego projektu miliomomierza, dodanie cyfrowego interfejsu i uproszczenie obsługi.

Ale w połowie drogi ktoś powiedział: dlaczego nie zmierzyć do 20 MΩ? Zmieniło to nieco projekt, ale uważamy, że w rezultacie powstało bardzo poręczne i wszechstronne urządzenie.

Mamy więc tutaj projekt miernika, który będzie mierzył rezystancje od kilku miliomów do 20 megaomów, z dokładnością znacznie lepszą niż 1% w całym zakresie. Używając rezystorów 0,1% do kalibracji (co zalecamy), uzyskaliśmy precyzję rzędu 0,1% w większej części zakresu.

Kłopoty z multimetrami

Problem ze standardowym multimetrem polega na tym, że rezystancja przewodu i gniazda bananowego zwykle mieści się w zakresie 0,2 Ω...0,5 Ω. Zmienność tych rezystancji jest zbyt duża, aby je wyzerować.

Prawo Ohma jest jednym z pierwszych poznawanych w elektronice. Nic więc dziwnego, że na nim opiera się zasada działania większości omomierzy, w których rezystancja jest mierzona za pomocą źródła prądu stałego i woltomierza. Typowy multimetr łączy je wewnątrz miernika i są nim zastosowane tylko dwa przewody.

Podczas pomiaru niskiej rezystancji w ten sposób, stały prąd musi przepływać przez wtyki bananowe, przewody i z końcówek przewodów do mierzonego urządzenia, a następnie z powrotem. Spadki napięcia spowodowane ich rezystancjami wewnętrznymi są traktowane przez multimetr jako część mierzonej rezystancji. Powoduje to znaczne błędy w pomiarach niskiej rezystancji.

Istnieją inne sposoby dokładnego pomiaru rezystancji, które nie stosują tej zasady. Na przykład mostek Wheatstone’a to bardzo eleganckie podejście, pozwalające na wykonywanie bardzo dokładnych pomiarów. Jednak zautomatyzowany miernik oparty na jednym z nich byłby bardzo skomplikowany. Jeśli jesteś zainteresowany tym zastosowaniem mostka Wheatstone’a, Wikipedia jest dobrym miejscem, aby dowiedzieć się więcej.

Połączenia Kelvina

Aby zminimalizować błędy spowodowane rezystancjami przewodów pomiarowych i styków, można zastosować technikę czteroprzewodową. Dwa przewody dostarczają znany prąd przez testowane urządzenie, natomiast druga para mierzy napięcie na testowanym urządzeniu (DUT, Device Under Test). Pozwala to uniknąć większości powyższych błędów.

Zastosowanie źródła o stałym natężeniu prądu sprawia, że jest ono zawsze zgodne z oczekiwaniami, nawet jeśli występują rezystancje przewodów i połączeń. O wyborze woltomierza decydowała jego wysoka rezystancja wejściowa, więc nawet wtedy, gdy połączenie przewodów napięciowych do DUT wygląda nieco podejrzanie, prawidłowy pomiar napięcia nadal jest możliwy. Obliczenia R=U/I pozwalają uniknąć większości błędów.

Zabieg polegający na dodaniu dwóch przewodów nie wystarczy do wykonywania dokładnych pomiarów rezystancji, ale jest niezbędny do pomiarów rezystancji znacznie poniżej 1 Ω.

Można się zastanawiać, dlaczego taka konfiguracja 4-przewodowa nie jest stosowana w zwykłych omomierzach, skoro jest tak skuteczna. Cóż, używanie czteroprzewodowego omomierza jest kłopotliwe. Nieco żartobliwie można powiedzieć, że mamy cztery przewody, a większość z nas ma tylko dwie ręce. Ponadto błędy spowodowane kablami i złączami stają się nieistotne dla rezystancji powyżej kilkuset omów. Dlatego prawie wszystkie mierniki opierają się na konwencjonalnym podejściu dwuprzewodowym.

Połączenie czteroprzewodowe nazywane jest „połączeniem Kelvina” od nazwiska Lorda Kelvina, który wynalazł je do pomiaru niskich rezystancji w 1861 roku.

Podczas pracy nad tym miernikiem znaleźliśmy kilka ładnych „klipsów Kelvina” dostępnych w rozsądnych cenach. Są to zasadniczo klipsy krokodylkowe z dwoma połączeniami, jednym dla źródła prądu, a drugim dla przewodu pomiarowego. Okazało się, że działają one poprawnie w całym zakresie naszego miernika, choć w przypadku naprawdę niskich rezystancji, cztery oddzielne przewody zapewnią lepszą dokładność.

Inne wyzwania

Musimy znać dokładny prąd przepływający przez DUT, a także występujące na nim napięcie. W przypadku DUT o niskiej rezystancji, oba parametry są łatwe do osiągnięcia. Używamy programowalnego źródła prądu LT3092, a jako woltomierz został zastosowany przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) ze starannie zaprojektowanym napięciem odniesienia. Zapewniają one dobrą długoterminową stabilność miernika i możliwość stosowania prądów polaryzacji równych 0,5 mA i 50 mA.

Prądy te gwarantują wykonywanie dokładnych pomiarów w zakresie niskich miliomów.

Pomiar do około 1 mΩ jest praktyczny przy użyciu dość prostego miernika. Jest to dolna granica, zanim inne czynniki staną się problematyczne. Nawet stosując wyższe prądy, przy pomiarach niskich rezystancji nie unikniemy mierzenia bardzo małych napięć. W naszym projekcie zostały zastosowane specjalne wzmacniacze operacyjne o bardzo niskim offsecie i bardzo niskim dryfcie.

Gdybyśmy wybrali, powiedzmy, zwykły TL074, to w najgorszym przypadku offset wejściowy wynoszący 4 mV wprowadziłby błędy do 80 mΩ na zakresie niskich rezystancji! Wybrany układ ma najgorszy offset 8 μV w całym zakresie temperatur pracy, co nadal może skutkować błędem offsetu do 1,6 mΩ (chociaż w naszych testach takich błędów nie widzieliśmy).

Pozwala to naszemu miernikowi na dokładny pomiar rezystancji bocznika 5 mΩ, co uważamy za całkiem dobry wynik. Aby mierzyć mniejsze rezystancje, wymagane są podejścia projektowe, które zerują ten offset – zwykle osiąga się to poprzez włączanie i wyłączanie źródła prądu, umożliwiając odjęcie zerowego przesunięcia prądu. Używając układu o niskim offsecie, możemy uniknąć konieczności wykonywania tej czynności w naszym projekcie.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz