如何測量低阻值器件

在博文 Measuring Resistances Less Than 1Ohm[1] 中介紹了一種簡便精確測量低阻器件的方法。通常情況下，一些器件的導(dǎo)通電阻非常小，比如低阻值的測電流電阻、導(dǎo)線電阻、開關(guān)電阻、保險絲、繼電器以及點火器等等。下面給出了一些這樣低阻值器件示例。

通常使用的萬用表（無論是指針式還是數(shù)字式）當(dāng)測量低于一歐姆電阻的時候就不準(zhǔn)確了，甚至有的萬用表對于小于 10 歐姆的電阻讀數(shù)都有很大的跳動。這種情況，需要借助于四線低阻值歐姆表來精確測量。實際上，只要你的萬用表可以精確測量到毫伏直流電壓，便可以相當(dāng)準(zhǔn)確的測量低阻值電阻了。

▲ 一些低阻值的器件

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01 測量方案

測量低阻器件所需要的設(shè)備：

• 可以測量 V,mV 和電阻的數(shù)字萬用表；220 歐姆的電阻，或者其它阻值相近的電阻；5V 穩(wěn)壓電源（交流適配器，臺式電源，或者 7805 穩(wěn)壓電路）0.1uF, 10uF 電容，以及面包板。

5V 電源需要在測量過程中保持恒定，否則就會影響測量的精度。實際上，大部分帶有穩(wěn)壓功能的電源都可以滿足要求。

• 測量時，電路需要保持穩(wěn)定，沒有開關(guān)打開和閉合的動作；使用不同尺寸和容量的電容來平滑工作電壓；選擇 22mA 左右的工作電流，不要超過 100mA，也不要小于 5mA。

至于工作電壓本身的準(zhǔn)確性倒是不影響測量精度，任何在 4.5V~5.5V 范圍內(nèi)，只要保持恒定都能夠得到不錯的測量結(jié)果。

▲ 測量低阻值器件電路示意圖

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• 電源的+5V 和 GND 連接到面板包的頂部和底部的雙槽內(nèi)；上下各使用 C1(0.1uF), C2(10uF)來對工作電源濾波；R1（220 歐姆）是已知的電阻，連接在+5V 和 R2 上；R2 是被測低阻值電阻，連接 R1 至 GND；

實際上上面的電路是一個簡單的電壓分壓電路，流經(jīng) R1，R2 的電流相同。當(dāng)測量 R1，R2 兩端電壓之后，便可以知道 R2 與 R1 的比值，進而可以計算出 R2 的阻值了。

上面是將被測電阻 R2 直接插在面包板上進行測量?？梢允褂明{魚嘴夾將 R2 引出面包板，并且可以測量其他器件（引線、表貼器件、點火器等）。

02 已知電阻

在前面測量方案中，R1 是已知電阻。最好選用大功率、低溫漂系數(shù)的電阻。通常情況下 5%精度的電阻就可以滿足要求。

根據(jù)歐姆定律，5V 電壓施加在 220 歐姆的電阻上，會產(chǎn)生 0.114W（1/10W）的功率，形成熱量消耗在 R1 上。當(dāng) R1 溫度升高后，對于低溫度系數(shù)（小于±50ppm）的阻值變化小于普通電阻（溫度系數(shù)大于±100ppm）。所以，使用大功率（保證其溫度變化小），低溫度系數(shù)的穩(wěn)定電阻 R1 是提高測量精度的關(guān)鍵。

選用 1/2W 的金屬膜 1%精度的 220 歐姆，溫度系數(shù)為 50ppm，或者 3W,20ppm,220 歐姆的繞線電阻都可以滿足測量的需求。下面的測量實驗中，采用了及其普通的 5% 1/4W，350ppm，220Ω的碳膜電阻。

在將 R1 插入面包板之前，使用萬用表測量它的阻值。不要在 R1 插到面包板之后再測量，這樣會使得讀數(shù)不準(zhǔn)。

▲ 使用萬用表讀出 R1 的阻值

實際上，只要讀數(shù)穩(wěn)定，至于具體電阻的數(shù)值是多少并不會影響最終的測量結(jié)果。通常保證該阻值在 200~240 之間即可。

將測量的結(jié)果記錄下來之后，再把 R1 接入面包板。

03 測量樣品

為了驗證測量電路的原理和測量過程的正確性，可以先從能夠被萬用表電阻精確測量的電阻測試起。比如可以先使用一個 10 歐姆的電阻作為 R2 進行測量。

打開 5V 電源，測量 R1 兩端電壓，比如在這里它的讀數(shù)為 4.7696V。

▲ 測量 R1 兩端電壓：4.7696V

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由于 R1 比 R2 的阻值（10 歐姆）大得多，所以在 R1 上的電壓比較大，應(yīng)該大于 4.5V。

接著，測量 R2 兩端電壓，這個電壓通常小于 0.5V。所示選擇萬用表直流電壓的毫伏檔來測量。如果使用普通的伏特檔位來測量，可能所獲得電壓數(shù)值精度會降低。大多數(shù)數(shù)字萬用表都會包含有毫伏和伏特兩個檔位。

比如在下面的測量中，R2 上的電壓為 216.64mV。

▲ 使用毫伏檔位測量未知電阻 R2 上的直流電壓

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根據(jù)上面測量結(jié)果可以計算出 R2 的阻值。

這個結(jié)果符合實際情況。剛才測量的 R2 是一個 5%精度的電阻，也就是說它的阻值應(yīng)該在 9.5~10.5 歐姆之間。

▲ 直接使用萬用表測量 R2 的阻值

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如果直接使用萬用表的電阻檔，可以測量 R2 的阻值為 9.9Ω，這與前面測量的結(jié)果相當(dāng)?shù)姆稀?/p>

04 測量一些常見的低阻值器件

使用上述方法對本文一開始圖中的低阻值器件進行測量。這些低阻值器件中有些已經(jīng)是毫歐級別的電阻，使用萬用表根本無法讀出有效的阻值。

在測量的時候，測量 R2 電壓的時候盡可能靠近器件管腳的根部，否則就會使得測量得到的電阻包含了器件引腳的電阻了。下面是測量的一些結(jié)果：

可以看到所有測量結(jié)果都在實際期望阻值范圍內(nèi)。

05 改進

將 R1 更換成更大功率更加穩(wěn)定的繞線電阻，可以大大提高測量阻值的數(shù)量。在測量過程中，保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定性也很重要。比如在白天高溫下，和晚上低溫下測量器件的阻值會相差 1%左右。

對于碳膜電阻，具有較大的溫度系數(shù)。在不同的溫度下阻值相差較大。

為了提高測量精度，最好：

• 使用更高功率，低溫度系數(shù)的電阻作為 R1；在測量前，最好等待兩分鐘使得測量器件達到熱平衡，組織穩(wěn)定后在進行測量。

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▲ 大功率低溫度系數(shù)的繞線電阻

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對于大功率、低溫度系數(shù)的電阻在通常室溫范圍內(nèi)，220 歐姆的阻值通常變化不超過十分之一歐姆。

參考資料

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

這學(xué)期的教學(xué)工作即將結(jié)束了：今天是系里所有的本科畢業(yè)設(shè)計答辯結(jié)束了。明天將是所帶的信號與系統(tǒng)課程期末考試。過了明天，他們將會解放了。