Делаем приставку для измерения малых сопротивлений

в 9:00, , рубрики: diy или сделай сам, jscircuit, ruvds_статьи, Блог компании RUVDS.com, напряжение, операционный усилитель, опыты, Производство и разработка электроники, симулятор, сопротивление, электрический ток, электроника, Электроника для начинающих
На новогодних каникулах решил порукодельничать и попаять. Предлагаю к повторению несложную конструкцию. Попутно разберёмся в принципе её работы.

image

Но вначале поговорим о косвенном способе измерения сопротивления. Представьте, стоит задача измерить сопротивление резистора без использования омметра.

Взгляните на простую схему: слева батарейка, вверху исследуемый резистор Rx, последовательно включённый амперметр и переменный резистор на один килоом.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 2

Вращая ручку резистора, добиваемся тока в цепи, равного 10 мA. Обратите внимание, что напряжение батареи (или блока питания) не играет принципиальной роли и может быть около 5-9 вольт, главное — точно отрегулировать ток в цепи.

Внимание! Если вы хотите повторить цепь в реальности, то возьмите резистор с сопротивлением порядка нескольких сотен Ом (150-300 идеально), и обязательно включайте амперметр начиная с самого большого предела измерений (например, 2 ампера). До первого включения установите положение ручки потенциометра примерно посередине. Если вы что-то напутаете, есть риск необратимо повредить прибор большим током! Я в юности сжёг катушку измерительного прибора за мгновение ока и это было очень обидно.
Хотя некоторые современные цифровые приборы имеют в своём составе плавкий предохранитель, не стоит рисковать. Перепроверьте схему добросовестно.

Если у вас нет приборов, не беда. Можете открыть эту схему в симуляторе.

Теперь, не размыкая цепь, измерим вольтметром напряжение, которое создаётся протекающим током на исследуемом резисторе. Вот так:

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 3

Прибор показывает значение 3,266 Вольт. Вспомним закон Ома из школьного курса физики и применим его.

R=U/I U=3,266 I=0.01 (так как 10 мA = 0.01 A) Подставляем и получаем: R=326,6 Ом

Если подсоединить щупы вольтметра к клеммам реального амперметра, то узнаем какое напряжение падает на нём и его внутреннее сопротивление. Проделайте этот опыт и узнаете R внут. своего прибора на разных пределах. (Помните о риске порчи прибора на малых пределах измерения!) Учтите, в симуляторе амперметр имеет нулевое внутренне сопротивление.

Такие простые и примитивные опыты многими начинающими радиолюбителями незаслуженно обесцениваются. Я и сам так считал поначалу, за что поплатился серьёзными пробелами в знаниях, которые в итоге привели к многолетним заблуждениям.

Этот опыт продемонстрировал принцип работы приставки для измерения малых сопротивлений. Если есть источник тока с внутренней автоматической регулировкой, то мы получаем возможность измерять сопротивление по напряжению участка цепи.

Если вы поймали дискомфорт от фразы «ток создаёт напряжение на резисторе» не спешите негодовать, т.к. этот контринтуитивный момент я постараюсь подробнейшим образом осветить в другой статье, пока просто примите это как данность :)

▍ Схема и работа приставки

Схему, которую предлагаю повторить нашёл в журнале «Радио» №2 1998 год. Автор S.Owsiak

Я немного её переделал под имеющиеся в наличии детали, заменил микросхему операционного усилителя на LM358 и транзистор КТ817 или КТ815 (можете использовать любой мощный n-p-n транзистор с цоколёвкой эмиттер, коллектор, база в корпусе ТО220). А еще убрал переключатель и предел измерения в 20 Ом. Чтобы упростить.

Но прежде давайте разберёмся как схема работает. Я перерисовал её для симулятора, упростив, но сохранив принципиальную суть:

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 4

Сначала посмотрите на левую часть, которая представляет собой резистивный делитель напряжения. Он питается стабилизированным напряжением +5V, которое даёт микросхема 78L05. Суть её работы можно грубо описать так. На вход подаётся напряжение, которое выше напряжения стабилизации, на входе получаем стабилизированные пять вольт. Всё что выше порога стабилизации микросхема как бы «обрезает», рассеивает в виде тепла в окружающее пространство.

Стабилизированное напряжение делителем «разделяется» на две части, из которых используется малая в один вольт. Это напряжение можно считать опорным, не зависящим от внешних условий. Микросхема 78L05 питает и операционный усилитель.

Важно понять, что точность работы схемы задаётся линейным стабилизатором. Благодаря обратной связи, ток через измеряемое сопротивление Rx не зависит от напряжения источника питания всей схемы, которое может быть 8-24 вольт.

▍ Обратная связь

Теперь рассмотрим цепь «источник питания – Rx – силовой транзистор – резистор на 10 Ом». Ток, протекающий по этому пути, создаёт напряжение на всех элементах цепи. Но нас интересует напряжение на резисторе 10 ом, который в схеме выполняет роль датчика тока.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 5

Предположим, что Rx изменил сопротивление и возросший ток через датчик создал на нём напряжение выше чем 1 вольт. Это приведёт к тому, что напряжение на инвертирующем входе (тот, что со знаком минус) станет выше чем опорное (на неинвертирующем входе, тот что со знаком плюс) это вызовет снижение сигнала на выходе ОУ. Что повлечёт уменьшение тока втекающего в базу транзистора, до того как напряжение на обоих входах ОУ сравняется.

Работа этой цепи похожа на работу механического устройства под названием центробежный регулятор.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 6
Фото: Mirko Junge, Science Museum London, источник фонд Wikimedia

Суть его работы. На вращающейся оси имеются грузы, которые насажены на рычаги. При увеличении количества оборотов грузы под действием центробежной силы расходятся и через шарниры усилие передаётся на дроссельную заслонку двигателя, сбавляя обороты.

Видеофрагмент работы центробежных регуляторов, там английский закадровый голос, но есть русские субтитры.

Система охвачена обратной связью таким образом, чтобы стабилизировать параметры на некотором уровне, заданном разработчиком конструкции.

▍ Операционный усилитель

Тут важно в общих чертах рассказать принцип работы ОУ. Надеюсь, что у меня получится сделать это корректно и без ошибок, так как я сам любитель.

Операционный усилитель это особое устройство, оформленное в виде микросхемы, характеризуется высоким коэффициентом усиления и наличием дифференциального входа.

Размышлял как наглядно представить дифференциальный вход ОУ. И кажется нашёл хорошую аналогию. Представьте прямой велосипедный руль. Воображаемая модель от реального руля отличается тем, что малейшее отклонение в сторону от прямого положения мгновенно поворачивает колесо на максимальный угол.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 7

Наверняка вы катались на настоящем велосипеде, и знаете, что если тянуть за оба конца руля с одинаковой силой, то колесо не будет поворачивать. То же верно, если изо всех сил толкать обе ручки от себя. Но, если толкающие и тянущие силы будут отличаться, руль повернётся.

Повернуть колесо можно используя только давление на руль, либо, наоборот только притяжение к себе. При должной сноровке можно рулить, держась через два отрезка верёвки. Либо толкая его двумя палочками (я пробовал оба варианта :)

Руль велосипеда является чем-то вроде механического аналога дифференциального входа ОУ и позволяет понять принцип работы в общих чертах. Но пожалуйста, не останавливайтесь на этой примитивной аналогии, я призываю вас самостоятельно углубиться в изучение этого замечательного класса устройств.

Хорошее мнемоническое правило: ОУ устанавливает на выходе сигнал «+» (плюсовой уровень питания схемы, он же VCC) если на его входе со знаком «+» напряжение выше, чем на входе со знаком «-». Верно и обратное. Если на инвертирующем входе сигнал выше, чем на противоположном, то выход становится с потенциалом «минус питания».

Схема имеет цепочку обратной связи, которая позволяет ОУ выравнивать напряжения на своих входах, действуя через выход и цепочку ОС. То есть ОУ «рулит» транзистором таким образом, чтобы результирующий ток создавал на десятиомном резисторе напряжение в 1 вольт. По закону Ома легко посчитать, что этот ток будет равен 100 mA. За эталон ОУ берёт сигнал со своего прямого входа, куда подключен выход делителя.

Реальные радиодетали имеют разброс параметров. Усиливающие свойства транзисторов могут «плавать» из-за температуры. Но благодаря схемотехнике ОУ как бы постоянно мониторит напряжение на входах и «поддаёт газку» когда ток через нагрузку недостаточный или наоборот «прикрывает» транзистор, когда ток слишком большой. Да простят меня настоящие инженеры за столь вольное изложение. Статья рассчитана на тех, кто только начал свой путь в электронику или не собирается заниматься ей профессионально, получая удовольствие от неё как от хобби (как я).

Так как резистор, что использован в схеме, будет слегка отличаться от ровных 10 ом. К тому же ток, выходящий с эмиттера транзистора, будет складываться из двух токов. Коллекторного (что прошёл через Rx) и слабого базового. Для компенсации устройство требует калибровки.

Для этого вместо Rx устанавливается амперметр и подстроечным многооборотным резистором устанавливается значение протекающего тока ровно в 100 mA. Как и описано в статье в журнале «Радио».

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 8

Я использовал сразу два прибора, включённые последовательно: огромный лабораторный стрелочный М2018 (купленный на «авито» за 600 р. :) и советский В7-41 который мне подарил отец.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 9

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 10

Показания различаются незначительно, но я решил довериться электронному прибору, т. к. стрелочный давал слегка разные (буквально на толщину стрелки) на различных пределах. При неизменных показаниях цифрового. Считаю что точность для радиолюбительского применения достаточная.

Если у вас нет приборов и возможности собрать схему, то предлагаю её модель в симуляторе.

▍ Сборка и пайка

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 11

Я перерисовал схему в китайском браузерном инструменте для разводки плат EasyEDA и в ней же создал плату, адаптированную для сборки на макетке.

Обратите внимание, что в данной микросхеме два ОУ, у второго оба входа «посажены» на землю, чтобы он не ловил наводки и не переключался хаотично.

Предложите, пожалуйста, как применить второй ОУ. Я хочу использовать его и расширить функции прибора, а также сделать схему на два предела измерений, как в оригинальной. Может быть сделать из него регулируемый источник тока, чтобы можно было питать и проверять светодиоды и лазерные диоды? Что думаете?

Для удобства сборки отразил плату зеркально, так она будет видна со стороны выводов. Синие дорожки паяются из зачищенного одножильного медного провода, а красные из изолированного. Я люблю МГТФ (с тефлоновой изоляцией) он отлично лудится прекрасно изгибается и имеет тонкую изоляцию, которая не оплавляется при пайке.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 12

При установке транзистора ориентируйтесь на контактную площадку квадратной формы, так обозначается первый вывод. Если держать транзистор маркировкой к себе, то первый вывод (эмиттера) будет слева. У трехногой микросхемы стабилизатора так же. У микросхемы LM358 первый вывод отмечен точкой на корпусе. При взгляде сверху выводы отсчитываются против часовой стрелки. Если кому-то нужен *.gerber платы — сообщите.

Кстати, вы можете не ставить конденсаторы, светодиод и его токоограничивающий резистор. На работу схемы эти детали не влияют. Диод служит для защиты прибора от перенапряжения в моменты, когда отключена нагрузка Rx. Принцип работы защиты в том, что малоомная нагрузка шунтирует диод, который перестаёт проводить ток при напряжении на нём меньше чем 0,6-0,8 вольт.

Если вы не понимаете как это, я подготовил небольшую схему для симулятора, попробуйте позамыкать переключатель и посмотреть на график вольт-амперной характеристики диода в эти моменты.

Измерение сопротивления приставкой нужно производить на пределе измерения прибора равном 200 милливольт (mV). Один милливольт будет равняться одному миллиому или одной тысячной доле ома.

Щупы вольтметра нужно подключать непосредственно к точке подключения «крокодилов» прибора, чтобы в измеряемую цепь не входило сопротивление проводов, по которым от приставки подключается Rx.

К слову сказать, именно по этой причине некоторые высокоточные измерительные резисторы имеют четыре вывода. Казалось бы, абсурд. Но нет, по двум противоположным выводам подаётся ток, а с двух других снимается напряжение, чтобы в измерительный отрезок цепи не включалось сопротивление выводов. Также существуют и SMD аналоги подобного четырехпроводного подключения.

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 13

Смотрите какой красавец. Из коллекции автора.

▍ Советы по сборке

Если вы только начинаете свой, путь я хочу дать вам немного советов, как избежать негативных эмоций и ошибок при сборке и наладке схем.

  1. При подборе деталей проверяйте каждую на работоспособность и на соответствие номиналу. Лучший прибор помощник радиолюбителя это «транзистор-тестер», который недорог и заменяет сразу несколько приборов. Рекомендую брать GM328A. Он может измерять сопротивление, ёмкость, индуктивность, напряжение до 50V, частоту. Может работать как сигнал-генератор и генератор ШИМ сигнала. Он сам определит цоколёвку и параметры диода, транзисторов (полевых, биполярных), некоторых стабилитронов, тиристоров.
  2. Собирайте детали проекта по мере их появления у вас в отдельную ёмкость с крышкой.
  3. Перед впаиванием деталей в плату проверяйте их номинал. Я целый день провозился с данной схемой прежде чем обнаружил ошибку — перепутанные резисторы делителя.
  4. Старайтесь искать ошибки в схеме утром, отдохнувшим. Порой, они очень простые, но в истощённом состоянии мозг их не замечает. Так вы будете испытывать меньше негативных эмоций при работе и отладке.
  5. Монтажный провод для макетирования легко добыть из ненужных кусков витой пары, главное, чтобы он был медным, а не обмеднёеным алюминиевым. Его очень удобно очищать от окислов абразивной губкой для маникюра, которая продаётся в косметических магазинах. Свежезачищенный идеально лудится и легко паяется.
  6. Берегите пальцы от ожогов. Они не должны страдать! Там, где хроническая травматизация и воспаление, там онкологические заболевания. Используйте пинцет.

Вот что получилось у меня. Пайка не идеальная, но я планирую разобрать эту плату и сделать заводскую печатную плату и корпус. Я поделюсь всеми наработками, как доделаю и решу, как поступить со вторым ОУ в микросхеме. Чего добру пропадать, верно?

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 14

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 15

Делаем приставку для измерения малых сопротивлений - 16

Буду рад, если вдохновлю вас энтузиазмом и вы проведёте выходные с удовольствием, а так же узнаете что-то новое.

Автор: Андрей Ларин

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js