คุณอาจมี DMM เพื่อวัดความต้านทาน แต่สามารถใช้กับความต้านทานต่ำกว่า 1Ω ได้หรือไม่? และถ้าเป็นเช่นนั้น การอ่านค่าโอห์มต่ำเหล่านั้นเชื่อถือได้หรือไม่?

โครงการนี้จะแสดงวิธีการสร้างโอห์มมิเตอร์ความต้านทานต่ำของคุณเอง มิเตอร์นี้ใช้เพียงไม่กี่ชิ้นส่วนและสามารถวัดความต้านทานได้ต่ำถึง 0.1Ω

แผนภาพ

ทฤษฎี

การวัดความต้านทานสามารถทำได้หลายวิธี (สะพานวีตสโตน การคำนวณ RC) แต่ในโครงการนี้ วิธีที่เลือกใช้คือสมการพื้นฐานที่สุดในระบบอิเล็กทรอนิกส์:

V

=

I

R

V=IR

แหล่งจ่ายกระแสคงที่จะสร้างกระแสผ่านตัวต้านทานที่ทดสอบ และวัดแรงดันตกที่ตัวต้านทานสร้างขึ้น จากนั้นแรงดันตกนี้จะถูกขยายและป้อนเข้าสู่มัลติมิเตอร์มาตรฐาน ขนาดของแรงดันไฟฟ้าจะเท่ากับความต้านทานเป็นหน่วยโอห์ม (เช่น 1V = 1Ω) เราจะต้องเลือกกระแสไฟที่สร้างแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับขั้นตอนขยายเสียงตามขั้นตอนกระแสคงที่ และเราสามารถทำได้โดยใช้สมการข้างต้นและแทรกค่าที่คาดหวังสำหรับ R (นั่นคือ น้อยกว่าไม่กี่โอห์ม)

สิ่งที่สำคัญที่ต้องพิจารณาคือแรงดันออฟเซ็ตอินพุตของออปแอมป์ ซึ่งจำลองเป็นแหล่งแรงดันที่ต่ออนุกรมกับอินพุตแบบกลับด้านหรือไม่กลับด้านของออปแอมป์ แรงดันไฟฟ้านี้คูณด้วยค่าเกนที่ไม่กลับด้านของออปแอมป์ และถือเป็นแหล่งที่มาของข้อผิดพลาด เนื่องจากอาจทำให้แรงดันไฟฟ้าขาออกต่ำลงหรือสูงกว่าที่เราคาดหวังจากวงจรในอุดมคติได้ ดังนั้นเราจึงต้องการออกแบบวงจรของเราเพื่อให้ผลของแรงดันออฟเซ็ตนี้มีน้อยมาก หาก op-amp ของคุณมีฟังก์ชั่นออฟเซ็ตค่าว่าง คุณจะใช้ฟังก์ชั่นนั้นเพื่อลดแอมพลิจูดของแรงดันออฟเซ็ตได้ แต่เราจะใช้ LM358 ซึ่งไม่มีพินออฟเซ็ตค่าว่าง แทนที่จะทำอย่างนั้น เราสามารถลดผลของแรงดันออฟเซ็ตได้อย่างง่ายดายด้วยการให้แน่ใจว่าสัญญาณที่สนใจจะมีค่ามากกว่าแรงดันออฟเซ็ตมาก ซึ่งอยู่ที่ ±2mV สำหรับ LM358

เป้าหมายของเราคือการวัดค่าความต้านทานที่ต่ำถึง 0.1Ω ซึ่งหมายความว่าเราจะต้องเลือกแหล่งจ่ายกระแสคงที่ที่สร้างแรงดันไฟฟ้าได้มากกว่า 2mV อย่างมีนัยสำคัญเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทาน 0.1Ω นี่ถือเป็นการแลกเปลี่ยน เพราะกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่ามีข้อเสีย ในขณะที่กระแสไฟฟ้าที่ต่ำลงจะช่วยลดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานที่กำลังทดสอบ ปัญหาที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าสูงมีดังนี้:

• การใช้พลังงานที่สูงขึ้นขณะที่การใช้พลังงานที่ต่ำลงช่วยเพิ่มความคล่องตัว
• กระแสไฟที่ต่ำลงจะลดปริมาณความร้อนที่กระจายจากวงจรแหล่งจ่ายกระแสคงที่
• กระแสไฟที่ต่ำลงจะลดการสูญเสียพลังงาน และเพิ่มอุณหภูมิของตัวต้านทานที่ทดสอบด้วย ด้วยกระแสไฟฟ้าที่ต่ำลง เราจึงสามารถวัดความต้านทานของส่วนประกอบวงจรที่ไวต่อความเสียหายจากความร้อนได้มากขึ้น (เช่น สายไฟบางๆ)

กระแสที่เลือกสำหรับวงจรนี้คือ 100 mA กระแสนี้ไม่สูงมาก แต่สร้างกระแส 10mV ทั่วตัวต้านทาน 0.1Ω และ 10 mV นั้นเพียงพอเมื่อพิจารณาถึงแรงดันออฟเซ็ต ±2mV ของเรา

แหล่งจ่ายกระแสคงที่ได้แก่

• U1A – LM358
• Q1 – 2N3055 (แพ็คเกจ TO-3)
• RV1 – โพเทนชิออมิเตอร์สำหรับปรับแรงดันไฟอ้างอิงที่ใช้กับขั้วต่อที่ไม่กลับขั้วของเครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ
• R1 และ R2 – ตัวแบ่ง (1V จาก RV1 สอดคล้องกับกระแสคงที่ 100mA)
• R3 – ตัวต้านทานเซ็นเซอร์ (1Ω, 1W, ฟิล์มโลหะ, ความคลาดเคลื่อน 1%)
• P2 – ขั้วต่อ 2 ตัวสำหรับเชื่อมต่อความต้านทานที่ต้องการวัด

ด้วยกระแสคงที่ 100mA ผ่านตัวต้านทานการตรวจจับ 1Ω การสูญเสียพลังงานคือ 0.1W (จึงเลือก 1W ได้) Q1 จะนำไฟฟ้า 100mA ตราบใดที่ตัวต้านทานเชื่อมต่อกับ P2 และฉันเลือกแพ็กเกจ TO-3 เพื่อให้แน่ใจว่าทรานซิสเตอร์จะไม่ร้อนเกินไป ส่วนเฉพาะที่ใช้สำหรับ Q1 นั้นไม่สำคัญมากตราบใดที่ทรานซิสเตอร์สามารถรองรับกระแสคอลเลกเตอร์ 100mA และเป็น NPN

ขั้นตอนถัดไปหลังจากแหล่งจ่ายกระแสคงที่คือเครื่องขยายสัญญาณเชิงอนุพันธ์ที่มีอัตราขยาย 1 และตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ต เราใช้เครื่องขยายสัญญาณ "แบบดิฟเฟอเรนเชียล" ที่นี่เพราะเราต้องการตรวจจับแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานที่ทดสอบ นั่นคือ ความต่างระหว่างแรงดันไฟที่ด้านหนึ่งของตัวต้านทานและแรงดันไฟที่ด้านอื่นของตัวต้านทาน

เครื่องขยายเสียงแบบดิฟเฟอเรนเชียลประกอบด้วย

• U1B – เครื่องขยายสัญญาณการทำงาน
• R4, R5, R6 และ R7 – ตัวต้านทานเหล่านี้กำหนดค่า U1B ให้เป็นเครื่องขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล
• R8, R9 และ RV2 – การปรับค่าชดเชย

วงจรที่ประกอบด้วย R8, R9 และ RV2 ช่วยให้เราเพิ่มแรงดันออฟเซ็ตที่ปรับได้ให้กับเอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณเชิงอนุพันธ์ได้ คุณสมบัตินี้ใช้ชดเชยแรงดันออฟเซ็ตอินพุตของเครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการหรือแหล่งกำเนิดข้อผิดพลาดอื่นๆ โปรดดูส่วนการสอบเทียบ (ด้านล่าง) เพื่อดูรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการนำวงจรชดเชยนี้ไปใช้

ขั้นตอนสุดท้ายคือเครื่องขยายสัญญาณที่มีค่าเกน 10 ค่าเกนเพิ่มเติมนี้จะกำหนดอัตราส่วนการวัดโดยรวมให้มีค่าที่สะดวกคือ 1:1 นั่นคือตัวต้านทาน 1Ω จะสร้างแรงดันไฟฟ้า 1V ที่เอาต์พุต

• U2A, RV3 และ R10 – เครื่องขยายสัญญาณแบบไม่กลับขั้วพร้อมค่าเกน 10 (RV3 ตั้งเป็น 90K)
• U2B – บัฟเฟอร์เอาท์พุต

รายการวัสดุ

การก่อสร้าง

คุณจะสร้างวงจรอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับคุณ แต่มีแนวคิดบางประการดังต่อไปนี้:

• กล่องโครงการ – ใช้แบตเตอรี่ภายใน 9V และขั้วต่อภายนอกเพื่อเก็บวงจรในกล่องขนาดเล็ก
• ขั้วต่อมัลติมิเตอร์ – คุณสามารถสร้างวงจรที่เสียบเข้ากับมัลติมิเตอร์โดยตรงได้โดยใช้ปลั๊กกล้วยเพียงไม่กี่อัน
• มิเตอร์ – คุณสามารถซื้อมิเตอร์วัดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กและรวบรวมโครงการทั้งหมดไว้ในแพ็คเกจแยกต่างหากเพื่อสร้างอุปกรณ์วัดของคุณเองได้!

มิเตอร์วัดความต้านทานต่ำเป็นเบรกเกอร์วงจร

ภาพด้านบนแสดงตัวต้านทานสามตัว:

• ตัวซ้ายควบคุมแหล่งจ่ายกระแสคงที่
• ตัวตรงกลางควบคุมเครื่องขยายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลออฟเซ็ต
• ตัวขวามือจะทำหน้าที่ควบคุมค่าเกนของสเตจเอาท์พุต

สายสีแดง เขียว และดำที่ออกจากบอร์ดคือ +5V, 0V และ -5V ตามลำดับ สายสีน้ำตาลและสีแดงที่ไปทางด้านบนของภาพคือสายสำหรับตัวต้านทานที่กำลังทดสอบ และสายสีเขียวที่ไปทางขวาคือสายสำหรับเชื่อมต่อเอาต์พุตของมิเตอร์ความต้านทานต่ำกับอินพุตของมัลติมิเตอร์

หมายเหตุ: คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอินพุตทั่วไปของมัลติมิเตอร์เชื่อมต่อกับกราวด์ของมิเตอร์ความต้านทานต่ำ

พลัง

วงจรนี้ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟแบบแยกส่วนเพื่อให้ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่ารางเชิงลบจะใช้เฉพาะในวงจรที่เพิ่มแรงดันออฟเซ็ตที่ปรับได้ให้กับเอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณเชิงอนุพันธ์เท่านั้น หากคุณสามารถบรรลุประสิทธิภาพเต็มรูปแบบโดยไม่ต้องใช้วงจรชดเชยนี้ ก็ไม่จำเป็นต้องใช้รางเชิงลบ หากคุณไม่ได้ใช้ LM358 โปรดจำไว้ว่าช่วงแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปอินพุตของเครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการของคุณจะต้องขยายออกไปเกือบถึง 0V เนื่องจากเรากำลังจัดการกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ใกล้เคียง 100 mV

ความต้องการด้านพลังงานนั้นมีความยืดหยุ่นพอสมควร (แต่ไม่เกินแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของอ็อปแอมป์) คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟสามารถจ่ายกระแสไฟได้เพียงพอ (อย่างน้อย 200mA เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟเพียงอย่างเดียวต้องการกระแสไฟ 100mA) โปรดทราบด้วยว่าการกระจายพลังงานของ Q1 นั้นเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าบวก ดังนั้น การรักษาแรงดันไฟฟ้าขาเข้าให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จะช่วยลดการกระจายพลังงานของ Q1

ฉันขอแนะนำแหล่งจ่ายไฟ ±5V; สำหรับรางเชิงลบ คุณสามารถใช้เครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเชิงลบได้

การกำหนดขนาด

ส่วนแรกของวงจรที่ต้องได้รับการสอบเทียบคือแหล่งจ่ายกระแสคงที่ วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้มัลติมิเตอร์ (เชื่อมต่อกับ P2) เพื่อวัดกระแสคงที่

ปรับค่า RV1 จนกระทั่งกระแสที่วัดได้เท่ากับ 100mA เริ่มต้นด้วยการปรับ RV1 ให้มีความต้านทานขั้นต่ำที่สุด การดำเนินการนี้ช่วยลดการตั้งค่ากระแสคงที่เริ่มต้นให้น้อยที่สุด และป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าที่อาจเป็นอันตรายผ่าน Q1 และ R3 นอกจากนี้ การสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นยังทำให้ส่วนประกอบมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นและทรานซิสเตอร์ร้อนขึ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดการไหม้จากการสัมผัสอย่างรุนแรงได้

ด้วยเครื่องขยายสัญญาณกระแสคงที่ เราจำเป็นต้องชดเชยข้อผิดพลาดที่เอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณเชิงอนุพันธ์ คุณสามารถทำได้โดยการวัดค่าความต้านทานที่ทราบแล้วปรับ RV2 จนกว่าเอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะตรงกับค่าความต้านทานที่ทราบ (เช่น ตัวต้านทาน 1Ω จะสร้างเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่ 100mV) หรือคุณสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทานขนาดเล็กด้วยโวลต์มิเตอร์แบบแม่นยำแล้วปรับ RV2 เพื่อให้เอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้

ขั้นตอนการสอบเทียบขั้นสุดท้ายคือการปรับ RV3 เพื่อให้ค่าเกนของเครื่องขยายสัญญาณ U2A เท่ากับ 10 วัดแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ไม่กลับด้านของ U2A และปรับ RV3 จนกระทั่งค่าเอาต์พุตเท่ากับ 10 เท่าของค่าอินพุต

สรุป

เมื่อวงจรเสร็จสมบูรณ์แล้ว คุณสามารถทดสอบวงจรเพื่อดูว่าทำงานถูกต้องหรือไม่ หากทุกอย่างเป็นไปด้วยดี ตอนนี้คุณควรมีโอห์มมิเตอร์ความต้านทานต่ำที่ทำงานร่วมกับมัลติมิเตอร์ที่แม่นยำ

แล้วจะนำไปใช้งานที่ไหนได้บ้าง? ฉันสร้างวงจรนี้ขึ้นมาด้วยตัวเองเพื่อให้สามารถวัดความต้านทานของสายหลักได้ (เมื่อไม่มีไฟแน่นอน!) เพื่อฝึกฝนกับช่างไฟฟ้า แทนที่จะซื้อชุดไฟฟ้าราคาแพงมาก (อย่างน้อย 500 ดอลลาร์) วงจรนี้ช่วยให้ฉันสามารถฝึกฝนได้ในราคาเพียงไม่กี่ดอลลาร์

วงจรนี้สามารถใช้กับพิน pogo คู่เล็กเพื่อทดสอบรอยวงจร PCB ขนาดเล็กได้ นอกจากนี้ยังใช้วัด ความต้านทานการสัมผัส (ซึ่งบางครั้งอาจทำให้เกิดปัญหาในวงจรที่ต้องอาศัยการสัมผัสทางกลได้) ได้อีกด้วย

‍

‍