ЯК СТВОРИТИ СВІЙ ВЛАСНИЙ ВИМІРЮВАЧ НИЗЬКОГО ОПОРУ

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Цей проект покаже вам, як створити пристрій, здатний виміряти опір до 0,1 Ом.

Дізнайтесь, як зробити свій власний вимірник низького опору!

У вас, ймовірно, вже є цифровий мультиметр для вимірювання опору, але чи можна використовувати його з опорами нижче 1 Ом? І якщо так, чи надійні ці свідчення низького опору?

Цей проект покаже вам, як зробити власний вимірник низького опору; він використовує лише кілька компонентів і може вимірювати опори до 0,1 Ом.

Cхема

Рисунок 1 – Схема.
* Натисніть на зображення для збільшення

Теорія

Вимір опорів можна виконувати різними методами (міст Уітстона, розрахунок RC-ланцюга), але в даному проекті обраний метод, що використовує фундаментальне рівняння в електроніці:

Джерело постійного струму встановить струм через опір, що тестується, і виміряє падіння напруги, яке створює опір. Потім це падіння напруги буде посилено та подано на стандартний мультиметр. Величина напруги дорівнюватиме опору в омах (наприклад, 1 В = 1 Ом). Нам потрібно буде вибрати струм, який створює розумну напругу для каскадів підсилювача, які йдуть за каскадом постійного струму, і ми можемо зробити це, використовуючи наведене вище рівняння і вставивши очікувані значення для R (тобто менше кількох Ом).

Однією з важливих міркувань є вхідна напруга зміщення операційного підсилювача, що моделюється як джерело напруги послідовно з вхідним інвертуючим або неінвертуючим вхідним висновком операційного підсилювача. Ця напруга множиться на неінвертуючий коефіцієнт посилення операційного підсилювача, і воно є джерелом помилки, оскільки воно може зробити вихідну напругу нижче або вище того, що ми очікували від ідеальної схеми. Тому ми хочемо спроектувати нашу схему таким чином, щоб вплив цієї напруги усунення був незначним. Якщо ваш операційний підсилювач має функцію усунення-нуля, ви можете використовувати її для зменшення амплітуди напруги усунення, але ми використовуємо LM358, який не включає контакти усунення-нуля. Замість цього ми можемо легко зменшити вплив напруги зміщення, гарантуючи, що сигнал, що цікавить, буде набагато більше напруги зміщення, яке становить ±2 мВ для LM358.

Наша мета - виміряти опір лише 0,1 Ом. Це означає, що нам потрібно вибрати джерело постійного струму, що створює напругу значно більше 2 мВ, коли струм проходить через опір 0,1 Ом. Це компроміс, оскільки вищі струми мають недоліки, а нижчі струми зменшують падіння напруги на тестованому опорі.

Проблеми з вищим струмом такі:

• Високе енергоспоживання, тоді як нижче енергоспоживання сприяє портативності.
• Нижчі струми призводять до меншого виділення тепла схемою джерела постійного струму.
• Нижчі струми зменшують розсіювання потужності і, отже, підвищення температури тестованого опору; при нижчому струмі ми можемо виміряти опір елементів схеми, які більш схильні до теплового пошкодження (наприклад, тонкі дроти).

Струм, вибраний для цієї схеми, становить 100 мА. Ця величина струму не надто велика, але вона генерує 10 мВ на резисторі 0,1 Ом, і 10 мВ достатньо, враховуючи нашу напругу усунення ±2 мВ.

Джерело постійного струму складається з:

• U1A – LM358
• Q1 – 2N3055 (корпус TO-3)
• RV1 – потенціометр для регулювання опорної напруги, що подається на виведення операційного підсилювача, що не інвертує
• R1 и R2 – дільник (1 В від RV1 відповідає постійному струму 100 мА)
• R3 – вимірювальний резистор (1 Ом, 1 Вт, металева плівка, допуск 1%)
• P2 – два висновки для підключення вимірюваного опору

При постійному струмі 100 мА через резистор датчика 1 Ом потужність, що розсіюється, становить 0,1 Вт (звідси і вибір 1 Вт). Q1 буде проводити 100 мА, поки опір підключений до P2, і я вибрав корпус TO-3, щоб гарантувати, що транзистор не перегріється. Конкретна частина, що використовується для Q1, не така важлива, поки транзистор може витримувати 100 мА струму колектора і є NPN.

Наступний етап після джерела постійного струму це диференціальний підсилювач з коефіцієнтом посилення 1 і регулюванням напруги зміщення. Ми використовуємо тут «диференціальний» підсилювач, тому що хочемо виявити падіння напруги на опір, що тестується, тобто різницю між напругою на одній стороні опору і напругою на іншій стороні опору.

Диференціальний підсилювач складається з:

• U1B – операційний підсилювач
• R4, R5, R6 и R7 – ці резистори налаштовують U1B як диференціальний підсилювач
• R8, R9 и RV2 – регулювання зміщення

Схема, що складається з R8, R9 і RV2 дозволяє нам додавати регульовану напругу зсуву до виходу диференціального підсилювача. Цю функцію можна використовувати для компенсації вхідної напруги усунення операційного підсилювача або інших джерел помилок. Подробиці реалізації цієї схеми компенсації див. у розділі калібрування (нижче).

Останній каскад - підсилювач з коефіцієнтом підсилення 10. Цей додатковий коефіцієнт підсилення встановлює загальне відношення вимірювань на зручне значення 1:1, тобто 1 Ом опору дає 1 В на виході. (RV3 встановлений на 90К)

U2B – вихідний буфер

Специфікація матеріалів

Створення

Як побудувати схему, вирішувати вам, але кілька ідей:

• Коробка для проекту — використовуйте внутрішню батарею 9 В та зовнішні роз'єми, щоб зберігати схему в одній невеликій коробці.
• Насадка для мультиметра — використовуючи кілька штекерів типу «банан», можна створити схему, яка підходить безпосередньо до мультиметра.
• Вимірювач — якщо ви піти до кінця, ви можете купити невеликий вольтметр і розмістити весь проект в окремому корпусі, щоб створити власний вимірювальний пристрій!

Рисунок 2 – Вимірювач низького опору як макетної плати.

На фотографії вище показано три потенціометри:

• той, що зліва, керує джерелом постійного струму
• той, що посередині, керує зміщенням диференціального підсилювача
• той, що праворуч, керує посиленням вихідного каскаду

Червоний, зелений і чорний дроти, що виходять з макетної плати, призначені для +5, 0 і -5 В відповідно. Коричневий і червоний дроти, які відходять до верхньої частини зображення, призначені для опору, що тестується, а зелений провід, що йде вправо, призначений для підключення виходу вимірювача низького опору до входу мультиметра.

Увага: Вам необхідно переконатися, що загальний вхід мультиметра підключений до заземлення вимірювача низького опору.

Потужність

Для повної функціональності цій схемі потрібне розділене джерело живлення. Однак слід зазначити, що негативна шина використовується тільки у схемі, яка додає регульовану напругу зсуву до виходу диференціального підсилювача. Якщо ви зможете отримати адекватну продуктивність без цієї схеми компенсації, негативна шина не потрібна. Якщо ви не використовуєте LM358, майте на увазі, що діапазон вхідної синфазної напруги вашого операційного підсилювача повинен сягати майже 0 В, оскільки ми маємо справу з вхідною напругою близько 100 мВ.

Вимоги до джерела живлення досить гнучкі (але не перевищуйте максимальної напруги живлення вашого операційного підсилювача). Вам необхідно переконатися, що джерело живлення може забезпечити достатній струм (не менше 200 мА з огляду на те, що джерело струму саме по собі вимагає 100 мА). Також слід пам'ятати, що потужність Q1, що розсіюється, пропорційна позитивному напрузі живлення, тому підтримка вхідної напруги якомога нижче знизить розсіювану потужність Q1.

Я рекомендую джерела живлення ±5 В; Для негативної шини можна використовувати генератор напруги.

Калібрівка

Перша частина схеми для калібрування – це джерело постійного струму. Найпростіший спосіб – використовувати мультиметр (підключений до P2) для вимірювання постійного струму.

Відрегулюйте значення RV1, доки вимірюваний струм не складе 100 мА. Почніть з RV1, налаштованого на мінімальний опір. Це мінімізує початкове налаштування постійного струму і, таким чином, запобігає потенційно небезпечним величинам струму через Q1 і R3; також результуюче розсіювання потужності призведе до підвищення температури компонентів, а гарячі транзистори можуть спричинити серйозні опіки контактів.

З постійним струмом нам потрібно компенсувати похибку на виході диференціального підсилювача. Ви можете зробити це, вимірявши відомий опір, а потім відрегулювавши RV2, поки вихід диференціального підсилювача не відповідатиме відомому опору (наприклад, опір 1 Ом повинен давати диференціальний вихід 100 мВ), або ви можете виміряти напругу на невеликому опорі за допомогою точного вольтметра а потім відрегулювати RV2 таким чином, щоб вихід диференціального підсилювача дорівнював виміряному напрузі.

Останній крок калібрування — налаштування RV3 таким чином, щоб коефіцієнт посилення підсилювача U2A дорівнював 10. Виміряйте вхідну напругу U2A, що не інвертує, і налаштуйте RV3 так, щоб вихідне значення в 10 разів перевищувало вхідне значення.

 Висновки

Після завершення схеми можна перевірити її, щоб переконатися, що вона працює правильно. Якщо все піде добре, у вас має бути вимірювач низького опору, який працює у поєднанні з точним мультиметром.

То де це можна використовувати? Особисто я побудував цю схему, щоб виміряти опір мережевих проводів (звичайно, знеструмлених!) для деякої практики електрика. Замість купувати дуже дорогий електричний комплект (вартістю не менше 500 доларів), ця схема дозволяє мені практикуватися за ціною в кілька доларів.

Цю схему можна використовувати з кількома маленькими штифтами pogo для перевірки невеликих доріжок друкованої плати. Її також можна використовувати для вимірювання контактного опору (який іноді може викликати проблеми у схемах, які покладаються на механічний контакт).

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry