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如何建立自己的低电阻表?

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本文将介绍如何构建自己的低电阻表!

您可能已经有一个用于测量电阻的数字万用表,但它可以用于低于1Ω的电阻吗?如果是这样,这些低欧姆读数是否可靠?

该项目将向您展示如何制作自己的低电阻表; 它只使用少量元件,可以测量低至0.1Ω的电阻。

 

概要

 

理论

可以使用多种方法(惠斯通电桥,RC计算)来测量电阻,但在本项目中,所选方法是使用电子学中最基本的方程:

 


V=IRV=IR


 

恒流源将通过被测电阻建立电流并测量电阻产生的电压降。然后将该电压降放大并馈入标准万用表。电压的大小将等于以欧姆为单位的电阻(例如,1V =1Ω)。我们需要选择一个为恒流阶段的放大器级产生合理电压的电流,我们可以通过使用上面的公式并插入R的预期值(即小于几欧姆)来实现。

一个重要的考虑因素是运算放大器的输入失调电压,它被建模为与运算放大器的反相或同相输入端子串联的电压源。该电压乘以运算放大器的同相增益,它是一个误差源,因为它可以使输出电压低于或高于我们对理想电路的预期。所以我们想要设计我们的电路,使这个偏移电压的影响很小。如果您的运算放大器具有偏移零功能,您可以使用它来降低偏移电压的幅度,但我们使用的是LM358,它不包括偏移零引脚。相反,我们可以通过确保感兴趣的信号远大于偏移电压(LM358的±2mV)来轻松降低偏移电压的影响。

我们的目标是测量低至0.1Ω的电阻。这意味着我们必须选择一个恒流源,当电流通过0.1Ω的电阻时,该源产生的电压远大于2mV。这是一种权衡,因为较高的电流具有缺点,较低的电流会降低被测电阻上的电压降。更高电流的问题如下:

  • 更高的功耗,而更低的功耗有助于提高便携性。

  • 较低的电流导致恒流源电路产生的热量较少。

  • 较低的电流会降低功耗,从而降低被测电阻的温度升高; 在电流较低的情况下,我们可以测量更易受热损伤的电路元件的电阻(例如,细线)。

为该电路选择的电流为100 mA。这个电流量不是太高,但它在0.1Ω电阻上产生10mV,考虑到我们的±2mV偏移电压,10mV就足够了。

恒流源包括

  • U1A - LM358

  • Q1 - 2N3055(TO-3封装)

  • RV1 - 用于调节施加到运算放大器同相端子的参考电压的电位器

  • R1和R2 - 分压器(RV1的1V对应100mA的恒定电流)

  • R3 - 检测电阻(1Ω,1W,金属膜,1%容差)

  • P2 - 两个用于连接待测电阻的端子

通过1Ω检测电阻的恒定电流为100mA,功耗为0.1W(因此可选择1W)。只要电阻连接到P2,Q1就会导通100mA,我选择TO-3封装以确保晶体管不会过热。用于Q1的特定部分并不重要,只要晶体管可以处理100mA的集电极电流并且是NPN。

恒流源之后的下一阶段是增益为1且偏移电压调整的差分放大器。我们在这里使用“差”放大器,因为我们要检测被测电阻两端的电压降,即的电阻一侧的电压和电阻的另一端的电压之间。

差分放大器由

  • U1B - 运算放大器

  • R4,R5,R6和R7 - 这些电阻将U1B配置为差分放大器

  • R8,R9和RV2 - 偏移调整

由R8,R9和RV2组成的电路允许我们在差分放大器的输出端增加一个可调节的偏移电压。此功能可用于补偿运算放大器的输入失调电压或其他误差源。有关如何实现此补偿电路的详细信息,请参阅校准部分(如下)。

最后一级是增益为10的放大器。这个额外增益将总测量比设置为方便的1:1值,即1Ω电阻在输出端产生1V电压。

  • U2A,RV3和R10 - 增益为10的同相放大器(RV3设置为90K)

  • U2B - 输出缓冲区

 

BOM(物料清单)

image.png 

施工

如何构建电路取决于您,但这里有一些想法:

  • 项目盒 - 使用内部9V电池和外部连接器将电路保持在一个小盒子中。

  • 万用表附件 - 使用一些香蕉插头,您可以创建一个直接适合万用表的电路。

  • 一个仪表 - 一路走来,您可以购买一个小型电压表,并将整个项目放在自己的包装中,以制作您自己的测量设备!

 

低电阻表作为面包板电路。

 

上面的照片显示了三个电位器:

  • 左边的那个控制着恒流源

  • 中间的那个控制差分放大器偏移

  • 右边的那个控制输出级的增益

离开面包板的红色,绿色和黑色线分别为+ 5V,0V和-5V。朝向图像顶部的棕色和红色线是用于测试的电阻,而向右边的绿色线是用于将低电阻表的输出连接到万用表的输入。

注意:您需要确保万用表的公共输入连接到低电阻表的接地。

 

功率

该电路需要分离式电源才能实现全部功能。但请注意,负轨仅用于为差分放大器的输出增加可调偏移电压的电路中。如果在没有这种补偿电路的情况下可以获得足够的性能,则不需要负轨。如果您不使用LM358,请记住运算放大器的输入共模电压范围必须几乎一直延伸到0V,因为我们处理的输入电压接近100 mV。

电源要求相当灵活(但不要超过运算放大器的最大电源电压ICfans)。您需要确保电源可以提供足够的电流(至少200mA,考虑到仅电流源需要100mA)。另外,请注意Q1的功耗与正电源电压成正比,因此保持输入电压尽可能低会降低Q1的功耗。

我推荐±5V电源; 对于负轨,您可以使用负电压发生器。

 

校准

要校准的电路的第一部分是恒流源。最简单的方法是使用万用表(连接到P2)来测量恒定电流。

调节RV1的值,直到测得的电流为100mA。从RV1调整到最小阻力开始。这最小化了初始恒定电流设置,从而防止了通过Q1和R3的潜在有害量的电流; 此外,由此产生的功耗会导致元件温度升高,而热晶体管会导致严重的接触烧伤。

在设定恒定电流的情况下,我们需要补偿差分放大器输出的误差。您可以通过测量已知电阻然后调节RV2直到差分放大器的输出对应于已知电阻(例如,1Ω的电阻应产生100mV的差分输出),或者您可以测量电压来测量电压。使用精确电压表测量小电阻,然后调节RV2,使差分放大器的输出等于测量电压。

最后的校准步骤是调整RV3,使U2A放大器的增益等于10.测量U2A的同相输入电压并调节RV3,直到输出为输入值的10倍。

 

总结

电路完成后,您现在可以测试电路,看它是否正常工作。如果一切顺利,您现在应该拥有一个与精确万用表配合使用的低电阻表。

那么它可以在哪里使用?就我个人而言,我建造了这个电路,这样我就可以测量电源线的电阻(当然,当它死了!)进行电工练习。这个电路不是购买非常昂贵的电器套件(成本至少500美元),而是让我以几块钱的价格练习。

该电路可与一对小型弹簧针一起使用,以探测小型PCB走线。它还可用于测量接触电阻(有时可能会导致依赖机械接触的电路出现问题)。