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如何测量低阻值器件

【导读】在博文Measuring Resistances Less Than 1Ohm[1] 中介绍了一种简便精确测量低阻器件的方法。通常情况下,一些器件的导通电阻非常小,比如低阻值的测电流电阻、导线电阻、开关电阻、保险丝、继电器以及点火器等等。下面给出了一些这样低阻值器件示例。

通常使用的万用表(无论是指针式还是数字式)当测量低于一欧姆电阻的时候就不准确了,甚至有的万用表对于小于10欧姆的电阻读数都有很大的跳动。这种情况,需要借助于四线低阻值欧姆表来精确测量。实际上,只要你的万用表可以精确测量到毫伏直流电压,便可以相当准确的测量低阻值电阻了。

如何测量低阻值器件

▲ 一些低阻值的器件

01 测量方案

测量低阻器件所需要的设备:

● 可以测量V,mV和电阻的数字万用表;

● 220欧姆的电阻,或者其它阻值相近的电阻;

● 5V稳压电源(交流适配器,台式电源,或者7805稳压电路)

● 0.1uF, 10uF电容,以及面包板。

5V电源需要在测量过程中保持恒定,否则就会影响测量的精度。实际上,大部分带有稳压功能的电源都可以满足要求。

● 测量时,电路需要保持稳定,没有开关打开和闭合的动作;

● 使用不同尺寸和容量的电容来平滑工作电压;

● 选择22mA左右的工作电流,不要超过100mA,也不要小于5mA。

至于工作电压本身的准确性倒是不影响测量精度,任何在4.5V~5.5V范围内,只要保持恒定都能够得到不错的测量结果。

如何测量低阻值器件

▲ 测量低阻值器件电路示意图

● 电源的+5V和GND连接到面板包的顶部和底部的双槽内;

● 上下各使用C1(0.1uF), C2(10uF)来对工作电源滤波;

● R1(220欧姆)是已知的电阻,连接在+5V和R2上;

● R2是被测低阻值电阻,连接R1至GND;

实际上上面的电路是一个简单的电压分压电路,流经R1,R2的电流相同。当测量R1,R2两端电压之后,便可以知道R2与R1的比值,进而可以计算出R2的阻值了。

上面是将被测电阻R2直接插在面包板上进行测量。可以使用鳄鱼嘴夹将R2引出面包板,并且可以测量其他器件(引线、表贴器件、点火器等)。

02 已知电阻

在前面测量方案中,R1是已知电阻。最好选用大功率、低温漂系数的电阻。通常情况下5%精度的电阻就可以满足要求。

根据欧姆定律,5V电压施加在220欧姆的电阻上,会产生0.114W(1/10W)的功率,形成热量消耗在R1上。当R1温度升高后,对于低温度系数(小于±50ppm)的阻值变化小于普通电阻(温度系数大于±100ppm)。所以,使用大功率(保证其温度变化小),低温度系数的稳定电阻R1是提高测量精度的关键。

选用1/2W的金属膜1%精度的220欧姆,温度系数为50ppm,或者3W,20ppm,220欧姆的绕线电阻都可以满足测量的需求。下面的测量实验中,采用了及其普通的5% 1/4W,350ppm,220Ω的碳膜电阻。

在将R1插入面包板之前,使用万用表测量它的阻值。不要在R1插到面包板之后再测量,这样会使得读数不准。

如何测量低阻值器件

▲ 使用万用表读出R1的阻值

实际上,只要读数稳定,至于具体电阻的数值是多少并不会影响最终的测量结果。通常保证该阻值在200~240之间即可。

将测量的结果记录下来之后,再把R1接入面包板。

03 测量样品

为了验证测量电路的原理和测量过程的正确性,可以先从能够被万用表电阻精确测量的电阻测试起。比如可以先使用一个10欧姆的电阻作为R2进行测量。

打开5V电源,测量R1两端电压,比如在这里它的读数为4.7696V。

如何测量低阻值器件

▲ 测量R1两端电压:4.7696V

由于R1比R2的阻值(10欧姆)大得多,所以在R1上的电压比较大,应该大于4.5V。

接着,测量R2两端电压,这个电压通常小于0.5V。所示选择万用表直流电压的毫伏档来测量。如果使用普通的伏特档位来测量,可能所获得电压数值精度会降低。大多数数字万用表都会包含有毫伏和伏特两个档位。

比如在下面的测量中,R2上的电压为216.64mV。

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▲ 使用毫伏档位测量未知电阻R2上的直流电压

根据上面测量结果可以计算出R2的阻值。

如何测量低阻值器件

这个结果符合实际情况。刚才测量的R2是一个5%精度的电阻,也就是说它的阻值应该在9.5~10.5欧姆之间。

如何测量低阻值器件

▲ 直接使用万用表测量R2的阻值

如果直接使用万用表的电阻档,可以测量R2的阻值为9.9Ω,这与前面测量的结果相当的符合。

04 测量一些常见的低阻值器件

使用上述方法对本文一开始图中的低阻值器件进行测量。这些低阻值器件中有些已经是毫欧级别的电阻,使用万用表根本无法读出有效的阻值。

在测量的时候,测量R2电压的时候尽可能靠近器件管脚的根部,否则就会使得测量得到的电阻包含了器件引脚的电阻了。下面是测量的一些结果:

如何测量低阻值器件

可以看到所有测量结果都在实际期望阻值范围内。

05 改进

将R1更换成更大功率更加稳定的绕线电阻,可以大大提高测量阻值的数量。在测量过程中,保持环境温度的稳定性也很重要。比如在白天高温下,和晚上低温下测量器件的阻值会相差1%左右。

对于碳膜电阻,具有较大的温度系数。在不同的温度下阻值相差较大。

为了提高测量精度,最好:

● 使用更高功率,低温度系数的电阻作为R1;

● 在测量前,最好等待两分钟使得测量器件达到热平衡,组织稳定后在进行测量。

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▲ 大功率低温度系数的绕线电阻

对于大功率、低温度系数的电阻在通常室温范围内,220欧姆的阻值通常变化不超过十分之一欧姆。

参考资料

[1] Measuring Resistances Less Than 1Ohm: https://www.robotroom.com/Measuring-Low-Resistances.html

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