КАК СОЗДАТЬ СВОЙ СОБСТВЕННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НИЗКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Этот проект покажет вам, как создать устройство, способное измерять сопротивление до 0,1 Ом.

Узнайте, как сделать свой собственный измеритель низкого сопротивления!

У вас, вероятно, уже есть цифровой мультиметр для измерения сопротивления, но можно ли его использовать с сопротивлениями ниже 1 Ом? И если да, надежны ли эти показания низкого сопротивления?

Этот проект покажет вам, как сделать свой собственный измеритель низкого сопротивления; он использует всего несколько компонентов и может измерять сопротивления вплоть до 0,1 Ом.

Cхема

Рисунок 1 – Схема.
* Нажмите на изображение для увеличения

Теория

Измерение сопротивлений можно выполнять различными методами (мост Уитстона, расчет RC-цепи), но в данном проекте выбран метод, использующий самое фундаментальное уравнение в электронике:

Источник постоянного тока установит ток через тестируемое сопротивление и измерит падение напряжения, которое создает сопротивление. Затем это падение напряжения будет усилено и подано на стандартный мультиметр. Величина напряжения будет равна сопротивлению в омах (например, 1 В = 1 Ом). Нам нужно будет выбрать ток, который создает разумные напряжения для каскадов усилителя, которые следуют за каскадом постоянного тока, и мы можем сделать это, используя приведенное выше уравнение и вставив ожидаемые значения для R (т. е. менее нескольких Ом).

Одним из важных соображений является входное напряжение смещения операционного усилителя, которое моделируется как источник напряжения последовательно с инвертирующим или неинвертирующим входным выводом операционного усилителя. Это напряжение умножается на неинвертирующий коэффициент усиления операционного усилителя, и оно является источником ошибки, поскольку оно может сделать выходное напряжение ниже или выше того, что мы ожидали бы от идеальной схемы. Поэтому мы хотим спроектировать нашу схему таким образом, чтобы влияние этого напряжения смещения было незначительным. Если ваш операционный усилитель имеет функцию смещения-нуля, вы можете использовать ее для уменьшения амплитуды напряжения смещения, но мы используем LM358, который не включает контакты смещения-нуля. Вместо этого мы можем легко уменьшить влияние напряжения смещения, гарантируя, что интересующий сигнал будет намного больше напряжения смещения, которое составляет ±2 мВ для LM358.

Наша цель — измерить сопротивление всего лишь 0,1 Ом. Это означает, что нам нужно выбрать источник постоянного тока, который создает напряжение значительно больше 2 мВ, когда ток проходит через сопротивление 0,1 Ом. Это компромисс, поскольку более высокие токи имеют недостатки, а более низкие токи уменьшают падение напряжения на тестируемом сопротивлении.

Проблемы с более высоким током следующие:

• Более высокое энергопотребление, тогда как более низкое энергопотребление способствует портативности.
• Более низкие токи приводят к меньшему выделению тепла схемой источника постоянного тока.
• Более низкие токи уменьшают рассеивание мощности и, следовательно, повышение температуры тестируемого сопротивления; при более низком токе мы можем измерить сопротивление элементов схемы, которые более подвержены тепловому повреждению (например, тонкие провода).

Ток, выбранный для этой схемы, составляет 100 мА. Эта величина тока не слишком велика, но она генерирует 10 мВ на резисторе 0,1 Ом, и 10 мВ достаточно, учитывая наше напряжение смещения ±2 мВ.

Источник постоянного тока состоит из:

• U1A – LM358
• Q1 – 2N3055 (корпус TO-3)
• RV1 – потенциометр для регулировки опорного напряжения, подаваемого на не инвертирующий вывод операционного усилителя
• R1 и R2 – делитель (1 В от RV1 соответствует постоянному току 100 мА)
• R3 – измерительный резистор (1 Ом, 1 Вт, металлическая пленка, допуск 1%)
• P2 – два вывода для подключения измеряемого сопротивления

При постоянном токе 100 мА через резистор датчика 1 Ом рассеиваемая мощность составляет 0,1 Вт (отсюда и выбор 1 Вт). Q1 будет проводить 100 мА, пока сопротивление подключено к P2, и я выбрал корпус TO-3, чтобы гарантировать, что транзистор не перегреется. Конкретная часть, используемая для Q1, не так важна, пока транзистор может выдерживать 100 мА тока коллектора и является NPN.

Следующий этап после источника постоянного тока — это дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления 1 и регулировкой напряжения смещения. Мы используем здесь «дифференциальный» усилитель, потому что хотим обнаружить падение напряжения на тестируемом сопротивлении, т. е. разницу между напряжением на одной стороне сопротивления и напряжением на другой стороне сопротивления.

Дифференциальный усилитель состоит из:

• U1B – операционный усилитель
• R4, R5, R6 и R7 – эти резисторы настраивают U1B как дифференциальный усилитель
• R8, R9 и RV2 – регулировка смещения

Схема, состоящая из R8, R9 и RV2, позволяет нам добавлять регулируемое напряжение смещения к выходу дифференциального усилителя. Эту функцию можно использовать для компенсации входного напряжения смещения операционного усилителя или других источников ошибок. Подробности реализации этой схемы компенсации см. в разделе калибровки (ниже).

Последний каскад — усилитель с коэффициентом усиления 10. Этот дополнительный коэффициент усиления устанавливает общее отношение измерений на удобное значение 1:1, т. е. 1 Ом сопротивления дает 1 В на выходе.U2A, RV3, и R10 – неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10 (RV3 установлен на 90К)

U2B – выходной буфер

Спецификация материалов

Создание

Как построить схему, решать вам, но вот несколько идей:

• Коробка для проекта — используйте внутреннюю батарею 9 В и внешние разъемы, чтобы хранить схему в одной небольшой коробке.
• Насадка для мультиметра — используя несколько штекеров типа «банан», вы можете создать схему, которая подходит непосредственно к мультиметру.
• Измеритель — если пойти до конца, вы можете купить небольшой вольтметр и разместить весь проект в отдельном корпусе, чтобы создать собственное измерительное устройство!

Рисунок 2 – Измеритель низкого сопротивления в виде макетной платы.

На фотографии выше показаны три потенциометра:

• тот, что слева, управляет источником постоянного тока
• тот, что посередине, управляет смещением дифференциального усилителя
• тот, что справа, управляет усилением выходного каскада

Красный, зеленый и черный провода, выходящие из макетной платы, предназначены для +5 В, 0 В и -5 В соответственно. Коричневый и красный провода, которые отходят к верхней части изображения, предназначены для тестируемого сопротивления, а зеленый провод, идущий вправо, предназначен для подключения выхода измерителя низкого сопротивления к входу мультиметра.

Примечание: Вам необходимо убедиться, что общий вход мультиметра подключен к заземлению измерителя низкого сопротивления.

Мощность

Для полной функциональности этой схеме требуется разделенный источник питания. Однако следует отметить, что отрицательная шина используется только в схеме, которая добавляет регулируемое напряжение смещения к выходу дифференциального усилителя. Если вы можете получить адекватную производительность без этой схемы компенсации, отрицательная шина не нужна. Если вы не используете LM358, имейте в виду, что диапазон входного синфазного напряжения вашего операционного усилителя должен простираться почти до 0 В, поскольку мы имеем дело с входными напряжениями около 100 мВ.

Требования к источнику питания довольно гибкие (но не превышайте максимальное напряжение питания вашего операционного усилителя). Вам необходимо убедиться, что источник питания может обеспечить достаточный ток (не менее 200 мА, учитывая, что источник тока сам по себе требует 100 мА). Также следует помнить, что рассеиваемая мощность Q1 пропорциональна положительному напряжению питания, поэтому поддержание входного напряжения как можно ниже снизит рассеиваемую мощность Q1.

Я рекомендую источники питания ±5 В; Для отрицательной шины можно использовать генератор отрицательного напряжения.

Калибровка

Первая часть схемы для калибровки — это источник постоянного тока. Самый простой способ — использовать мультиметр (подключенный к P2) для измерения постоянного тока.

Отрегулируйте значение RV1, пока измеренный ток не составит 100 мА. Начните с RV1, настроенного на минимальное сопротивление. Это минимизирует начальную настройку постоянного тока и, таким образом, предотвращает потенциально опасные величины тока через Q1 и R3; также результирующее рассеивание мощности приведет к повышению температуры компонентов, а горячие транзисторы могут вызвать серьезные ожоги контактов.

С установленным постоянным током нам нужно компенсировать погрешность на выходе дифференциального усилителя. Вы можете сделать это, измерив известное сопротивление, а затем отрегулировав RV2, пока выход дифференциального усилителя не будет соответствовать известному сопротивлению (например, сопротивление 1 Ом должно давать дифференциальный выход 100 мВ), или вы можете измерить напряжение на небольшом сопротивлении с помощью точного вольтметра, а затем отрегулировать RV2 таким образом, чтобы выход дифференциального усилителя был равен измеренному напряжению.

Последний шаг калибровки — настройка RV3 таким образом, чтобы коэффициент усиления усилителя U2A был равен 10. Измерьте не инвертирующее входное напряжение U2A и настройте RV3 так, чтобы выходное значение в 10 раз превышало входное значение.

Выводы

После завершения схемы вы можете проверить ее, чтобы убедиться, что она работает правильно. Если все пойдет хорошо, у вас должен быть измеритель низкого сопротивления, который работает в сочетании с точным мультиметром.

Так где это можно использовать? Лично я построил эту схему, чтобы измерять сопротивление сетевых проводов (конечно, обесточенных!) для некоторой практики электрика. Вместо того, чтобы покупать очень дорогой электрический комплект (стоимостью не менее 500 долларов), эта схема позволяет мне практиковаться по цене в несколько долларов.

Эту схему можно использовать с парой маленьких штифтов pogo для проверки небольших дорожек печатной платы. Ее также можно использовать для измерения контактного сопротивления (которое иногда может вызывать проблемы в схемах, которые полагаются на механический контакт).

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry