Миллиомметр-приставка (по мотивам Raptor 4K)

Как-то попалась мне в сети информация о миллиомметре «Raptor 4K», авторы Быканов Андрей и Бучнев Андрей. Отложил схему в так называемое "избранное", подумал, надо бы сделать такую приставку и заказал на Али усилитель считывания тока и зажимы Кельвина, остальные детали были в наличии. Прошли годы... И вот на днях обнаружил у себя корпус о сгоревшего сетевого адаптера и вспомнил об этой схеме.

Повторять в точности конструкцию авторов не стал. Если уж подключается это дело к мультиметру, а мультиметры у нас, как правило, с автономным питанием, решил и измеритель сделать с питанием от батарей. Для этого пришлось внести некоторые изменения. Схема приставки с автономным питанием представлена на рисунке 1.

С целью перехода на более распространённые компоненты, изменена схема источника опорного напряжения 2,5 В. В качестве U1 можно использовать шунтирующие источники опорного напряжения TL431 или LM4040-2.5. На схеме указана LM4040, которую я использовал, но печатная плата представлена в двух вариантах. На сдвоенном ОУ выполнен стабилизатор тока измерения 50 мА (U2.1, Q1) и детектор напряжения батареи (U2.2, D1). Светодиод D1 показывает, что устройство включено, но он перестаёт светиться, если напряжение батареек ниже ~ 3,9 В. Таким образом, отсутствии свечения D1 при включенной приставке сообщает о необходимости заменить элементы питания. Усилитель считывания тока (U3) не изменялся, повторяет авторский вариант схемы, он усиливает падение напряжения на измеряемом резисторе в 20 раз. Таким образом на выходе приставки получаем напряжение, равное сопротивлению резистора в омах, что избавляет от какого-либо пересчёта: 50 мА * 1 Ом * 20 = 1 В. При отображение мультиметром результата в милливольтах получаем значение измерения в миллиомах. Пользоваться приставкой желательно следующим образом: подключить измеряемое сопротивление к зажимам, включить питание, считать показания мультиметра, выключить приставку. Почему именно так, см. Примечание в конце статьи.
Основные параметры измерителя остались прежними: диапазон измерений от 1 мОм до 3 Ом, ток измерения 50 мА. Напряжение питания 4,5 В, три батарейки типоразмера AAA. Почему не аккумуляторы? Для меня этот прибор отнюдь не каждодневного использования, а по личному опыту знаю, что алкалиновые элементы питания сохраняют свои свойства более 10 лет. В моём случае батарейки обеспечат наиболее удобное пользование: включил, измерил, выключил и убрал в тумбочку, не надо ничего заряжать. Если планируется использовать прибор интенсивно и регулярно, то целесообразнее повторить авторский вариант с питанием от USB.

Печатная плата размерами 41 x 57 мм сделана из двустороннего фольгированного стеклотекстолита по ЛУТ технологии. Как не устаёт повторять один почётный форумчанин, плата  делается под корпус, а не наоборот. Верхний слой фольги оставлен полностью и является "земляным" полигоном. Отверстия под выводные компоненты в этом слое фольги необходимо раззенковать. Переходные отверстия пропаять медным проводом.

В крышке корпуса приклеен держатель для трёх батареек типоразмера AAA и установлен выключатель питания. Пластиковая стяжка на фото - это временное крепление проводов от входных зажимов, пока корпус не закрыт крышкой.

Несколько слов о сборке настройке. Конструкция не сложная, радиолюбитель с опытом справится без труда. Из настроек необходимо выставить ток 50 мА на измерительных клеммах резистором R7. Для начинающих я бы посоветовал поэтапную сборку в следующем порядке:

1. Установить все конденсаторы, резисторы R1 .. R7, микросхему U1, подключить плату к источнику питания 4,5 В и проверить напряжение 2,5 В на верхнем (по схеме) выводе резистора R6, подстроечным резистором R7 установить на его движке напряжение 2 В, проверить наличие напряжения питания микросхем U2 и U3.
2. Далее установить все остальные компоненты, кроме U3, удостовериться, что светодиод светится при напряжении питания 4,5 В и отключается при снижении приблизительно до 3,9 В, в режиме измерения тока подключить мультиметр к контактам J3, J6 и резистором R7 установить как можно точнее ток 50 мА. Питать прибор во время настройки стабилизатора тока настоятельно рекомендую от источника напряжением не ниже 4,5 В, в крайнем случае от свежих батарей. Дело в том, что встречаются мультиметры с высоким сопротивлением шунта для измерения тока на малых пределах (десятки, сотни миллиампер), что может исказить показание тока при низком напряжении питания.
3. Установить U3, подключить зажимы для измерения и проверить работу схемы полностью, измеряя различные сопротивления <= 3 Ом.

Каждый из зажимов Кельвина подключается двумя экранированными проводами. Экранирующие оплётки припаиваются к "земляному" полигону платы, со стороны зажимов экраны никуда не подключаются. Можно использовать для каждого зажима по два провода МГТФЭ. Я нашёл в радиомагазине двухжильный кабель в изоляции (каждая жила в своём экране).

Несколько слов о замене деталей. Для формирования опорного напряжения, как было указано выше, можно использовать популярную м/с TL431. К операционному усилителю U2 особых требований нет, можно использовать практически любой с выходом типа RailToRail. Скажу больше, измеритель прекрасно работает на "народном" ОУ LM358. Но поскольку он не R2R, для сохранения работоспособности схемы на этом операционном усилителе необходимо не допускать снижения питания ниже ~ 4,1 В. Номиналы резисторов делителя R4,R6,R7 можно изменять в широких пределах, главное обеспечить на движке R7 регулировку напряжения в диапазоне ~ 1,9 - 2,1 В. Указанные на схеме значения выбраны исходя из имеющегося в наличии подстроечника на 100 Ом. Единственной уникальной деталью является усилитель напряжения шунта MAX4372TEUK. Но его нетрудно найти на известной китайской торговой площадке, на момент написания статьи пара этих микросхем стоит около 120 руб.
Точность показаний миллиомметра мне оценить не чем, прецизионных резисторов в наличии нет, как и приборов для измерения низких сопротивлений с заявленной точностью. Теоретически можно посчитать погрешность как сумму трёх величин: погрешность установки тока измерения при настройке приставки, погрешность усилителя напряжения MAX4372TEUK, погрешность мультиметра в режиме измерения напряжения при отображении результата. Для мультиметра UT890D+, которым пользовался при сборке приставки, получим следующие значения:

• погрешность установки тока измерения ( предел 60 мА, +-(0,8%+8) )  +-1%
• погрешность м/с MAX4372TEUK (Total OUT Voltage Error) макс. +-6%
• погрешность измерения напряжения на выходе приставки ( предел 6 В, +-(0,7%+3) ) +-0,8%

Суммарная максимальная погрешность приставки при разрешении 1 мОм получается около 8%. Таким образом, измерениям с точностью до сотых долей ома вполне можно доверять. Я решил измерить сопротивление резистора 0,1 Ом путём замера падения напряжения при фиксированном токе 1 А и сравнить результат с показаниями приставки. На первом фото измерение при помощи двух мультиметров, на втором тот же резистор подключен к приставке.

Разница между этими двумя замерами 2 миллиома.
На следующих фото измерение резисторов 2 Ом и 3 Ом.

Вот такой компактный и удобный измеритель получился.

Примечание

Важно упомянуть вот какой момент. Для используемой микросхемы MAX4372 в документации указано ограничение на максимальное напряжение между входами RS+ и RS-:
"Differential Input Voltage (VRS+ - VRS-).............................±0.3V"
При измерении это условие выполняется. Но если приставка включена, а зажимы никуда не подключены, то напряжение между RS+ и RS- достигает примерно двух вольт. По всей видимости, м/с MAX4372 входит в насыщение, её потребляемый ток возрастает приблизительно до 30 мА, а общий, потребляемый приставкой ток увеличивается до 70 мА. Возможно, этот не штатный режим работы усилителя и не оказывает на него негативного влияния, но с другой стороны хорошо бы эксплуатировать м/с в определённых производителем границах. Поэтому, выше по тексту я описывал правильный алгоритм работы с измерителем: подключаем измеряемое сопротивление, включаем приставку, считываем показания, выключаем приставку. Ещё один способ избежать повышенного напряжения на входах RS+ и RS- не выключая приставку, это размыкать измерительную цепь при отсутствии резистора в клеммах, по принципиальной схеме разомкнуты J3-J4 и J5-J6. Т. е. обеспечить зазор между губками зажимов Кельвина, если к ним нет подключения. Я это сделал при помощи отрезков кембрика на одной из губок каждого зажима.

Ток, потребляемой приставкой, при разомкнутых зажимах порядка 5-6 мА.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Миллиомметр
• Приставка
• DipTrace