Có thể bạn đã có DMM để đo điện trở, nhưng liệu nó có thể sử dụng với điện trở dưới 1Ω không? Và nếu có, thì những số đọc ohm thấp đó có đáng tin cậy không?

Dự án này sẽ chỉ cho bạn cách tự chế tạo máy đo điện trở thấp; máy này chỉ sử dụng một số ít linh kiện và có thể đo điện trở thấp tới 0,1Ω.

Sơ đồ

Lý thuyết

Đo điện trở có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau (cầu Wheatstone, tính toán RC), nhưng trong dự án này, phương pháp được chọn là sử dụng phương trình cơ bản nhất trong điện tử:

V

=

I

R

V=IR

Nguồn dòng điện không đổi sẽ thiết lập dòng điện qua điện trở đang được thử nghiệm và đo độ sụt điện áp mà điện trở tạo ra. Độ sụt điện áp này sau đó sẽ được khuếch đại và đưa vào một vạn năng kế tiêu chuẩn. Độ lớn của điện áp sẽ bằng với điện trở tính bằng ohm (ví dụ: 1V = 1Ω). Chúng ta sẽ cần chọn một dòng điện tạo ra điện áp hợp lý cho các tầng khuếch đại theo sau tầng dòng điện không đổi và chúng ta có thể thực hiện điều này bằng cách sử dụng phương trình trên và chèn các giá trị mong đợi cho R (tức là nhỏ hơn một vài ohm).

Một cân nhắc quan trọng là điện áp bù đầu vào của op-amp, được mô hình hóa như một nguồn điện áp nối tiếp với đầu vào đảo ngược hoặc không đảo ngược của op-amp. Điện áp này được nhân với độ lợi không đảo ngược của op-amp và nó là một nguồn lỗi vì nó có thể làm cho điện áp đầu ra thấp hơn hoặc cao hơn mức chúng ta mong đợi từ một mạch lý tưởng. Vì vậy, chúng ta muốn thiết kế mạch của mình sao cho hiệu ứng của điện áp bù này sẽ không đáng kể. Nếu op-amp của bạn có chức năng bù trừ null, bạn có thể sử dụng chức năng đó để giảm biên độ của điện áp bù, nhưng chúng ta đang sử dụng LM358, không bao gồm các chân bù trừ null. Thay vào đó, chúng ta có thể dễ dàng giảm ảnh hưởng của điện áp bù bằng cách đảm bảo rằng tín hiệu quan tâm lớn hơn nhiều so với điện áp bù, là ±2mV đối với LM358.

Mục tiêu của chúng tôi là đo điện trở thấp tới 0,1Ω. Điều này có nghĩa là chúng tôi phải chọn một nguồn dòng điện không đổi tạo ra điện áp lớn hơn đáng kể so với 2mV khi dòng điện chạy qua điện trở 0,1Ω. Đây là một sự đánh đổi, vì dòng điện cao hơn có nhược điểm và dòng điện thấp hơn làm giảm sự sụt áp trên điện trở đang được thử nghiệm. Các vấn đề với dòng điện cao hơn là:

• Tiêu thụ điện năng cao hơn trong khi tiêu thụ điện năng thấp hơn giúp tăng tính di động.
• Dòng điện thấp hơn làm giảm lượng nhiệt tỏa ra từ mạch nguồn dòng điện không đổi.
• Dòng điện thấp hơn làm giảm sự tiêu tán công suất và do đó làm tăng nhiệt độ của điện trở đang được thử nghiệm; với dòng điện thấp hơn, chúng ta có thể đo điện trở của các thành phần mạch dễ bị hư hỏng do nhiệt hơn (ví dụ như dây mỏng).

Dòng điện được chọn cho mạch này là 100 mA. Lượng dòng điện này không quá cao nhưng nó tạo ra 10mV trên điện trở 0,1Ω và 10 mV là đủ khi xét đến điện áp bù ±2mV của chúng ta.

Nguồn dòng điện không đổi bao gồm

• U1A – LM358
• Q1 – 2N3055 (gói TO-3)
• RV1 – biến trở để điều chỉnh điện áp tham chiếu được áp dụng cho cực không đảo của bộ khuếch đại hoạt động
• R1 & R2 – bộ chia (1V từ RV1 tương ứng với dòng điện không đổi 100mA)
• R3 – điện trở cảm biến (1Ω, 1W, màng kim loại, dung sai 1%)
• P2 – hai đầu nối để kết nối điện trở cần đo

Với dòng điện không đổi 100mA qua điện trở cảm biến 1Ω, công suất tiêu tán là 0,1W (do đó lựa chọn 1W). Q1 sẽ dẫn 100mA miễn là điện trở được kết nối với P2 và tôi đã chọn gói TO-3 để đảm bảo bóng bán dẫn không bị quá nhiệt. Phần cụ thể được sử dụng cho Q1 không quá quan trọng miễn là bóng bán dẫn có thể xử lý 100mA dòng điện cực thu và là NPN.

Giai đoạn tiếp theo sau nguồn dòng điện không đổi là bộ khuếch đại vi sai có độ lợi là 1 và điều chỉnh điện áp bù. Chúng tôi sử dụng bộ khuếch đại "vi sai" ở đây vì chúng tôi muốn phát hiện sự sụt giảm điện áp trên điện trở đang được thử nghiệm, tức là sự khác biệt giữa điện áp ở một bên điện trở và điện áp ở bên kia điện trở.

Bộ khuếch đại vi sai bao gồm

• U1B – bộ khuếch đại hoạt động
• R4, R5, R6 và R7 – các điện trở này cấu hình U1B như một bộ khuếch đại vi sai
• R8, R9 và RV2 – điều chỉnh bù trừ

Mạch gồm R8, R9 và RV2 cho phép chúng ta thêm điện áp bù có thể điều chỉnh vào đầu ra của bộ khuếch đại vi sai. Tính năng này có thể được sử dụng để bù cho điện áp bù đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động hoặc các nguồn lỗi khác. Vui lòng tham khảo phần hiệu chuẩn (bên dưới) để biết chi tiết về cách triển khai mạch bù này.

Giai đoạn cuối cùng là bộ khuếch đại có độ khuếch đại là 10. Độ khuếch đại bổ sung này đặt tỷ lệ đo lường tổng thể thành giá trị thuận tiện là 1:1, tức là điện trở 1Ω tạo ra 1V ở đầu ra.

• U2A, RV3 và R10 – bộ khuếch đại không đảo ngược với độ khuếch đại 10 (RV3 được đặt thành 90K)
• U2B – bộ đệm đầu ra

Danh mục vật liệu

Sự thi công

Cách xây dựng mạch điện tùy thuộc vào bạn nhưng sau đây là một vài ý tưởng:

• Hộp dự án – Sử dụng pin 9V bên trong và các đầu nối bên ngoài để giữ mạch điện trong một hộp nhỏ.
• Đầu nối vạn năng – Sử dụng một vài phích cắm chuối, bạn có thể tạo ra một mạch điện lắp trực tiếp vào vạn năng.
• Một đồng hồ đo – Bạn có thể mua một đồng hồ đo điện áp nhỏ và đóng gói toàn bộ dự án vào một gói riêng để tạo thành thiết bị đo lường của riêng bạn!

Đồng hồ đo điện trở thấp như một mạch điện lắp ghép.

Bức ảnh trên cho thấy ba biến trở:

• cái bên trái điều khiển nguồn dòng điện không đổi
• cái ở giữa điều khiển bộ khuếch đại vi sai bù trừ
• cái bên phải điều khiển mức tăng của tầng đầu ra

Các dây màu đỏ, xanh lá cây và đen rời khỏi bảng mạch lần lượt là +5V, 0V và -5V. Các dây màu nâu và đỏ đi về phía trên cùng của hình ảnh là dành cho điện trở đang được kiểm tra và dây màu xanh lá cây đi về bên phải là để kết nối đầu ra của đồng hồ đo điện trở thấp với đầu vào của đồng hồ vạn năng.

Lưu ý: Bạn cần đảm bảo rằng đầu vào chung của đồng hồ vạn năng được kết nối với mặt đất của đồng hồ đo điện trở thấp.

Quyền lực

Mạch này yêu cầu nguồn điện chia đôi để có đầy đủ chức năng. Tuy nhiên, lưu ý rằng đường ray âm chỉ được sử dụng trong mạch bổ sung điện áp bù có thể điều chỉnh vào đầu ra của bộ khuếch đại vi sai. Nếu bạn có thể đạt được hiệu suất đầy đủ mà không cần mạch bù này, thì không cần đường ray âm. Nếu bạn không sử dụng LM358, hãy nhớ rằng phạm vi điện áp chế độ chung đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động của bạn phải mở rộng gần như hoàn toàn đến 0V, vì chúng ta đang xử lý điện áp đầu vào gần 100 mV.

Yêu cầu về nguồn điện khá linh hoạt (nhưng không vượt quá điện áp cung cấp tối đa của op-amp). Bạn cần đảm bảo rằng nguồn điện có thể cung cấp đủ dòng điện (ít nhất là 200mA, vì riêng nguồn điện yêu cầu 100mA). Ngoài ra, hãy lưu ý rằng công suất tiêu tán của Q1 tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp dương, do đó, giữ điện áp đầu vào ở mức thấp nhất có thể sẽ làm giảm công suất tiêu tán của Q1.

Tôi khuyên dùng nguồn điện ±5V; đối với đường ray âm, bạn có thể sử dụng Máy phát điện áp âm .

Sự định cỡ

Phần đầu tiên của mạch cần hiệu chuẩn là nguồn dòng điện không đổi. Phương pháp dễ nhất là sử dụng đồng hồ vạn năng (kết nối với P2) để đo dòng điện không đổi.

Điều chỉnh giá trị của RV1 cho đến khi dòng điện đo được là 100mA. Bắt đầu với RV1 được điều chỉnh đến điện trở tối thiểu của nó. Điều này giảm thiểu cài đặt dòng điện không đổi ban đầu và do đó ngăn ngừa lượng dòng điện có khả năng gây hại qua Q1 và R3; ngoài ra, sự tiêu tán công suất kết quả sẽ dẫn đến tăng nhiệt độ linh kiện và các bóng bán dẫn nóng có thể gây bỏng tiếp xúc nghiêm trọng.

Với bộ dòng điện không đổi, chúng ta cần bù lỗi ở đầu ra của bộ khuếch đại vi sai. Bạn có thể thực hiện việc này bằng cách đo điện trở đã biết rồi điều chỉnh RV2 cho đến khi đầu ra của bộ khuếch đại vi sai tương ứng với điện trở đã biết (ví dụ, điện trở 1Ω sẽ tạo ra đầu ra vi sai là 100mV) hoặc bạn có thể đo điện áp trên một điện trở nhỏ bằng vôn kế chính xác rồi điều chỉnh RV2 sao cho đầu ra của bộ khuếch đại vi sai bằng với điện áp đã đo.

Bước hiệu chuẩn cuối cùng là điều chỉnh RV3 sao cho độ khuếch đại của bộ khuếch đại U2A bằng 10. Đo điện áp đầu vào không đảo của U2A và điều chỉnh RV3 cho đến khi giá trị đầu ra gấp 10 lần giá trị đầu vào.

Bản tóm tắt

Khi mạch đã hoàn tất, giờ bạn có thể kiểm tra mạch để xem nó có hoạt động bình thường không. Nếu mọi việc diễn ra tốt đẹp, giờ bạn sẽ có một đồng hồ đo điện trở thấp hoạt động cùng với một đồng hồ vạn năng chính xác.

Vậy thì có thể sử dụng nó ở đâu? Cá nhân tôi đã xây dựng mạch này để có thể đo điện trở của dây điện chính (tất nhiên là khi đã chết!) để thực hành với thợ điện. Thay vì mua một bộ dụng cụ điện rất đắt tiền (ít nhất là 500 đô la), mạch này cho phép tôi thực hành với mức giá chỉ vài đô la.

Mạch này có thể được sử dụng với một cặp chân pogo nhỏ để thăm dò các dấu vết PCB nhỏ. Nó cũng có thể được sử dụng để đo điện trở tiếp xúc (đôi khi có thể gây ra sự cố trong các mạch dựa vào tiếp xúc cơ học).

‍