Praktická pomôcka - miliohmeter
Je pravda, že sa v praxi často nestretnete (určite) s potrebou merania nízkej rezistivity rezistorov. Ale občas budete musieť presne zmerať aj malé odpory. Potom vás multimeter určite sklame a vy zistíte, že je k meraniu nevhodný, ale nevešajte hlavu, pretože sa to dá a to s pomocou tohoto meracieho mostíka.
Meracie Kelvinove sondy si môžte zakúpiť prostredníctvom tohoto odkazu - klikni
Meranie nízkych hodnôt rezistorov
Rezistory v rozsahu Mili-Ohm
Rezistory pod 1 Ω sa používajú vo všetkých druhoch obvodov, ako sú zosilňovače výkonu a stabilizované napájacie zdroje. Ich úlohou je obmedziť prúd tečúci cez výkonové tranzistory. Zvyčajne musia byť tieto rezistory celkom presné. Drátové rezistory sa predávajú iba v obmedzenom počte hodnôt, takže často musíte zostaviť potrebnú hodnotu kombináciou viacerích rezistorov sami. Takže sa meraniu aj tak nevyhnete.
Používate digitálny multimeter?
Samozrejme, že máte digitálny multimeter, pomocou ktorého môžete merať aj rezistory. A práve tu narazíte na problém. Tieto multimetre ako také sú síce mimoriadne spoľahlivé a presné meracie prístroje, ale majú svoje obmedzenia. Presné meranie veľmi malých rezistorov je totižto mierne nad ich možnosti.
Prvým problémom je obmedzené rozlíšenie vášho multimetra. Pripojte napríklad rezistor o veľkosti 1 Ω a na displeji sa zobrazí napríklad "001.1". Váš multimeter má teda rozlíšenie iba 0,1 Ω, čo je príliš nízka hodnota na presné meranie takýchto malých rezistorov. Na zmeranie rezistora s presnosťou na 1% musíte mať rozlíšenie najmenej 0,01 Ω čo väčšina lacných multimetrov bohužiaľ nemá, ale nájdu sa aj výnimky.
A je tu druhý problém ...
Štandardné dvojvodičové meranie
Keď meriate odpor rezistora digitálnym multimetrom, tak v skutočnosti meriate napätie. Konkrétne pokles napätia, ktoré generuje veľmi presný referenčný prúd pri prechode cez neznámy odpor. Multimeter má veľmi dobrý zdroj prúdu, ktorý generuje merací prúd napríklad 100 mA, 1 mA a 100 μA. Tento prúd preteká cez meraný rezistor a z Ohmovho zákona vyplýva, že napätie prechádzajúce cez rezistor sa rovná súčinu odporu a prúdu.
Predpokladajme teda, že chcete zmerať odpor 1 235 kΩ a že merací prúd Imeet pre tento merací rozsah sa rovná 1 000 mA.
Napätie:
UR = R x Imeet
UR = 1 235 kΩ x 1 000 mA
UR = 1 235 Ω x 0.001 A.
UR = 1 235 V.
Aj keď sa meria napätie, vďaka hodnote prechádzajúceho prúdu, tak hodnota presne udáva hodnotu odporu.
Tento "dvojvodičový" princíp merania v tomto prípade funguje skvele, ak sa obmedzíte na odpory väčšie ako 10 Ω. Pod touto hodnotou sa však chyba merania významne zvýši a dokonca sa stane neprijateľne veľkou, ak musíte merať pod 1 Ω. Napokon, odpor, ktorý sa má zmerať pomocou testovacích káblov, pripojíte k digitálnemu multimetru a značný merací prúd v týchto oblastiach tiež spôsobí pokles napätia cez vnútorný odpor týchto káblov. Pod 1 Ω sa odpor káblov stáva porovnateľným s meraným odporom, takže je zrejmé, že výsledok merania nebude presný.
Meranie odporov štvorvodičovým alebo Kelvin zapojením
Malé odpory sa dajú presne zmerať iba pomocou takzvaného "štvorvodičového zapojenia" uvedeného na obrázku nižšie. Táto metóda merania sa tiež nazýva "Kelvinovo zapojenie". V tomto meracom zapojení sú obvody, ktoré dodávajú merací prúd do meraného odporu, a obvody, ktoré merajú pokles napätia cez merací odpor, úplne oddelene. Preto sú potrebné štyri prepojovacie káble: dva pre prúd a dva pre napätie.
Bude zrejmé, že uvedené chyby, spomenté pri dvojvodičovom zapoojení merania teraz nemôžu vzniknúť. Pripojením pripojovacích káblov digitálneho voltmetra čo najbližšie k telu meraného odporu sa zrušia všetky možné neviditeľné odpory v sérii, ktoré môžu ovplivňovať výsledok merania, preto by mali byť meracie vodiče čo najkratšie.
Teraz je dôležité iba navrhnúť vysoko presný zdroj prúdu, ktorý vytvára jednosmerný prúd, ktorý je možné prepínať napríklad medzi 1 A a 100,0 mA.
Princíp štvorvodičového zapjenia pre meranie odporu.
Špeciálne sondy typu Kelvin
Na meranie veľmi nízkych hodnôt rezistencie pomocou Kelvinovej techniky merania sú na predaj špeciálne sondy Kelvin, pozri fotografiu nižšie. Každý terminál má dva prepojovacie káble, jeden na napájanie meracích prúdov, jeden na vybíjanie meracích napätí. Upozorňujeme, že niektorí dodávatelia za takéto sondy účtujú neuveriteľne vysoké ceny. Ceny aj viac ako sto eur preto nie sú žiadnou výnimkou. Na stránkach Banggood si však môžete kúpiť súpravu prezentovanú na fotografii nižšie do 14 €. Mám ju a som s ňou spokojný, nakoľko navzdory relatívne nízkej cene poskytuje veľmi dobrú presnosť merania, jednoducho povedané - za málo peňazí, veľa muziky. Odkaz na jej kúpu je v hornej a dolnej časti tohoto článku.
Schéma prúdového zdroja
Obvod pracuje s prúdom 100,0 mA a 10,00 mA
Zostavenie veľmi presného a stabilného zdroja prúdu je v dnešnej dobe veľmi ľahké a to aj vďaka moderných a dostupným komponentom. Stačí sa pozrieť na obrázok nižšie, kde je nakreslená celá schéma zdroja meracieho prúdu s prepínateľným výstupným prúdom.
Činnosť tohto obvodu je v podstate jednoduchá. Prúd, ktorý sa má stabilizovať prechádza cez tranzistor a veľmi presný rezistor na porovnanie poklesu napätia cez tento rezistor a komparátorom s veľmi presným referenčným napätím. Ak bude pokles napätia väčší alebo menší ako referenčná hodnota, tak sa aktivuje komparátor, ktorý dorovná rozdiel. Tento obvod riadi zosilnenie sériového tranzistora, takže v prúdovom reťazci je zahrnutý väčší alebo menší odpor. Hodnota prúdu sa automaticky nastavuje, až kým sa úbytok napätia opäť presne nezhoduje s referenčným napätím.
V ideálnom prípade by mal byť zdroj prúdu navrhnutý pre prúdy 1 A a 100,0 mA. Dve odporové rozsahy 1,999 Ω a 19,99 Ω by potom vygenerovali presne 1,999 V, čo je merací rozsah, ktorý je štandardom každého digitálneho multimetra.
Ovšem je tu zopár zádrheľov. Po prvé, konštantný prúd 1 A nemôže byť generovaný jednoduchými prostriedkami. Po druhé, vznikajú veľké problémy s rozptylom tepla, teda stratami. Prúd 1 A generuje 1,5 W v odpore 1,5 Ω, takže meraný odpor je potom príliš horúci a tým pádom aj značne zbytočne namáhaný. Preto praktický obvod predpokladá meracie prúdy 100,0 mA a 10,00 mA. Meracie napätie je potom pre stanovené meracie oblasti maximálne 199,9 mV, čo je napätie, ktoré je stále možné presne merať pomocou väčšiny digitálnych multimetrov.
Meracie Kelvinove sondy si môžte zakúpiť prostredníctvom tohoto odkazu - klikni
Aby som bol konštruktívny,
(1) Nesedia mi hodnota deliča R1,R2,R3=10k,1k,10k:
"Konštantné referenčné napätie je odvodené od stabilizátora napätia IC1 7805. Výstupné napätie 5 V následne je toto napätie privedené k deliču napätia zloženému z R1, R2 a R3. Bežec potenciometra R2 s 10 otáčkmi, ktorý je nastaviteľný medzi 0,7 V a 1,1 V. Práve na ňom je možné nastaviť referenčné napätie presne na 0,9 V."
(2) Myslím, že netreba trvať na hodnotách rezistorov R7,R8 9Ω a 90Ω. Kľudne by to mohli byť aj hodnoty 10Ω a 100Ω, ktoré sú dostupnejšie. Radšej by som odporúčal presnosť 0,1% miesto 1%, nakoľko nastavovací trimer je len jeden pre oba rozsahy.