Przystawka do pomiaru małych rezystancji (LM1117)

---

Jest to prosta przystawka pasująca do większości multimetrów cyfrowych, która pozwala mierzyć małe
rezystancje (<100 omów) z rozdzielczością 0.01 oma. Zasila się ją stabilizowanym napięciem Vcc=4-9V,
pochodzącym z zasilacza lub baterii. Zakres możliwej do zmierzenia rezystancji, zależy tylko od zakresu
pomiarowego i rozdzielczości miliwoltomierza napięcia stałego w danym multimetrze. Obecnie produko-
wane multimetry najczęściej mają zakresy pomiarowe 200/400/600 mV z rozdzielczością 0.1 mV, które
pozwalają mierzyć rezystancję do 20/40/60 omów z rozdzielczością 0.01 oma.
Większość multimetrów do pomiaru rezystancji na zakresie 200/400/600 omów używa prądu stałego Ix
o wartości 1 mA, który przepływa przez badaną rezystancję Rx. Podczas przepływu tego prądu na rezy-
stancji Rx występuje napięcie Vx, które jest wprost proporcjonalne do wartości tej rezystancji, co wynika
z prawa Ohma: Vx=Rx*Ix [V], Rx=Vx/Ix [Ohm]. Następnie napięcie Vx jest mierzone przez miliwoltomierz
w gniazdach "V/Ohm" i "COM" multimetru. Ponieważ napięcie Vx jest mierzone właśnie w tych punktach,
a prąd pomiarowy Ix płynie również przez przewody pomiarowe multimetru, to ich rezystancja Rp też jest
mierzona (Rm=Rp+Rx).
Zwiększenie rozdzielczości pomiaru rezystancji na najniższym zakresie można uzyskać w multimetrze
dwoma sposobami. Pierwszy to użycie miliwoltomierza ze zwiększoną do 0.01 mV rozdzielczością po-
miarową, co niestety nie jest łatwe i rzadko stosowane w praktyce. Drugi sposób to zwiększenie prądu
pomiarowego Ix i takie rozwiązanie wykorzystuje ta przystawka. Nie jest on stosowany w fabrycznych
multimetrach uniwersalnych, ponieważ w większości zastosowań nie jest konieczny tak dokładny pomiar
rezystancji z rozdzielczością 0.01 oma, a poza tym prąd pomiarowy Ix=10 mA znacznie skracałby czas
pracy multimetru na baterii.
Na przykład: przy miliwoltomierzu mierzącym napięcie Vx do 200.0 mV i prądzie pomiarowym Ix=1 mA,
maksymalna możliwa do zmierzenia rezystancja Rx wynosi: Rx=Vx/Ix, Rx=0.2V/0.001A, Rx=200 omów
z rozdzielczością 0.1 oma. Po zwiększeniu 10x prądu Ix do 10 mA, maksymalna wartość mierzonej rezy-
stancji Rx zmniejszy się 10x do 20 omów, ale zwiększy się 10x rozdzielczość pomiaru do 0.01 oma. Ana-
logicznie przy prądzie Ix=100 mA można mierzyć rezystancję Rx do 2 omów z rozdzielczością 0.001 oma,
ale w praktyce taka dokładność rzadko kiedy jest potrzebna.
Sercem przystawki jest popularny stabilizator napięcia LM1117, który pracuje jako źródło prądowe.
Stała wartość prądu wyjściowego Iout, zależy od napięcia referencyjnego Vref układu LM1117 oraz od
rezystancji Rz, włączonej między jego wyprowadzenia ADJ i OUT. Wartość tego prądu można obliczyć
ze wzoru: Iout=Vref/Rz [A].
Napięcie referencyjne Vref, zależy od egzemplarza układu LM1117 i wynosi 1.225-1.27V, zwykle jest to
1.25V. Rezystor R1 wraz z połączonymi równolegle rezystorami R2-R5, tworzą rezystancję zastępczą
Rz=124-126.25 omów (uwzględniając 1% tolerancję rezystorów), zwykle jest to 125 omów. Dzięki temu
prąd wyjściowy Iout wynosi 9.7-10.24 mA (uwzględniając zakres Vref i 1% tolerancję rezystorów), zwykle
jest to wartość bardzo zbliżona do 10 mA. Dokładność pomiarów badanej rezystancji Rx, zależy głównie
od wartości tego prądu (idealna to Iout=10.00 mA), ale także od dokładności pomiarowej samego mili-
woltomierza w multimetrze.
Prąd wyjściowy Iout przystawki można zmierzyć, ustawiając multimetr na zakres miliamperomierza prądu
stałego 20/40/60 mA (w multimetrze automatycznym wystarczy tylko wybrać taki tryb pracy, a on sam
ustawi odpowiedni zakres pomiarowy). Następnie wkładamy przystawkę do gniazd pomiarowych mili-
amperomierza w multimetrze (wtyczkę CON1/VOLT do gniazda "mA", a CON2/COM do gniazda "COM")
i włączamy napięcie zasilania Vcc.
W przystawce zastosowałem dwie wtyczki i dwa gniazda typu banan. Wtyczki bananowe CON1 i CON2
(z odkręconą rozetką) łączą przystawkę z gniazdami pomiarowymi multimetru. Wkłada się je od strony
druku tak, aby wystawały ponad warstwę miedzi i lutuje do niej. Gniazda bananowe CON3 i CON4 (mo-
ntażowe bez obudowy, o długości 17 mm), służą do podłączenia przewodów pomiarowych multimetru
lub bezpośrednio badanej rezystancji Rx. Wkłada się je od strony druku tak, aby wystawały gwintem
ponad górną warstwę płytki i lutuje do warstwy miedzi. Przed lutowaniem gniazd i wtyczek w miejscach,
które będą cynowane trzeba usunąć (np. nożykiem) cienką warstwę metalu, aby cyna łatwiej do nich
przywierała.
Płytka drukowana posiada dwa otwory montażowe do przylutowania wtyczki CON1/VOLT, którą umie-
szcza się tylko w jednym z nich. Jest to spowodowane tym, że najprostsze multimetry (np. UNIT M830B)
mają inny rozstaw gniazd pomiarowych wynoszący 12 mm, niż bardziej rozbudowane multimetry (np.
UNIT M890G lub UT70B), w których rozstaw tych gniazd jest większy i wynosi 19 mm. W zależności od
używanego multimetru wtyczkę CON1/VOLT, należy umieścić w odpowiednim otworze montażowym.
Po zmontowaniu układu w typowej kolejności (najpierw elementy SMD) i upewnieniu się o braku zwarć,
przystawkę można podłączyć do multimetru. Najpierw ustawiamy go na zakres miliwoltomierza napięcia
stałego 200/400/600 mV (w multimetrze automatycznym tylko wybieramy taki tryb pracy, a on sam ustawi
odpowiedni zakres pomiarowy). Następnie wkładamy przystawkę do gniazd pomiarowych woltomierza
w multimetrze (wtyczkę CON1/VOLT do gniazda "V/Ohm", a CON2/COM do gniazda "COM") i włączamy
napięcie zasilania Vcc.
Przy rozwartych gniazdach pomiarowych Rx, napięcie wyjściowe Vout z przystawki wynosi w przybliże-
niu Vout=Vcc-0.5 [V], a prąd Icc pobierany przez przystawkę jest bardzo mały i ma wartość poniżej 1 uA.
Ponieważ minimalne napięcie zasilania Vcc=4V, to minimalne napięcie wyjściowe Vout będzie wynosić
ok. 3.5V. Dzięki temu zwykły multimetr pokaże przepełnienie zakresu pomiarowego "mV", a multimetr
automatyczny przełączy się na wyższy zakres.
Po dołączeniu do gniazd pomiarowych Rx badanej rezystancji (<100 omów), napięcie wyjściowe Vout
z przystawki jest wprost proporcjonalne do wartości tej rezystancji (0.1 mV = 0.01 oma), a prąd Icc po-
bierany przez przystawkę wynosi ok. 10 mA.
Układ zmontowałem na płytce jednostronnej o wymiarach 29x29 mm. Jako małą ciekawostkę dodam,
że płytkę prototypową wykonałem bez trawienia (mini wiertarką z małym frezem).

---

SPIS ELEMENTÓW:

Rezystory: R1-R5 - 100/1%

Układy scalone: U1 - LM1117 (SOT-223)

Złącza: CON1, CON2 - wtyczka typu BANAN z odkręcaną rozetką CON3, CON4 - gniazdo typu BANAN montażowe, o długości 17 mm CON5 - goldpin 2x1 (męskie)