Зажимы (крокодилы) Кельвина. Делаем самодельный Миллиомметр...

Всем привет! Сегодня в обзоре Зажимы Кельвина с Ebay. В любительской радиотехнике, часто необходимо измерять маленькие сопротивления, потому мечтал купить для этой цели Миллиомметр. Периодически задаю на Али и Ebay в поиск фразу «milliohm metеr», читаю найденные варианты и со вздохом ухожу от компьютера, т.к. цены на эти приборы не радуют, тем более во время кризиса, где и так с деньгами не «густо». Собственно требования к измерению маленьких сопротивлений у меня не высокие, мне не нужно измерять микроомы, или что-то подобное с точностью до 6 знака после запятой. Но иногда бывает необходимость измерить сопротивление контактов выключателя, подобрать шунт к амперметру, да и часто просто необходимо подобрать наиболее подходящий резистор из кучки подобных… Потому появилась идея сделать самостоятельно бюджетный измерительный прибор, способный измерять, достаточно точно, сопротивления в диапазоне от 0.001 Ома и до 2 Ом. Всем, кому интересно, прошу под Кат… Внимание: Много фото (трафик)!!!

Все запчасти куплены за свои деньги, пунктом 18 тут даже не пахнет… Всем же «самоделкиным» и любителям читать обзоры в теме «Сделано руками», Добро пожаловать (Ласкаво просимо, қош келдіңіз)… Задавайте вопросы в комментариях, конструктивная критика приветствуется, орфографические ошибки указывайте в личку, постараюсь их исправить…

Так почему я купил именно Щупы Кельвина… Наверное, многие догадываются, что любой провод имеет собственное, пусть небольшое, сопротивление. Потому желательно измеряемый резистор подключать непосредственно к измеряемому модулю прибора. Но это условие не всегда достижимо, потому используют «удлинитель» в виде провода, со щупом (зажимом) на конце. Предположим, что мы захотели измерить сопротивление некоего компонента, расположенного на значительном расстоянии от омметра. Сделать это обычным способом весьма проблематично, так как омметр измерит все сопротивления цепи, включая сопротивления соединительных проводов (R провода) и сопротивление самого компонента (R компонента):

Сопротивление провода, как правило, очень мало (всего несколько Ом на сотни метров, в зависимости от сечения), но, если провода очень длинные, а тестируемый компонент имеет небольшое сопротивление, то ошибка измерения будет существенной.
Выход из сложившейся ситуации можно найти в использовании амперметра и вольтметра. Из закона Ома мы знаем, что сопротивление равно напряжению, поделенному на силу тока (R = U/I). Таким образом, мы сможем рассчитать сопротивление компонента, если измерим силу проходящего через него тока и напряжение на его выводах:

Так как наша цепь является последовательной, сила тока в любой ее точке будет одинаковой. В связи с этим место подключения амперметра принципиального значения не имеет. Напряжение же, в отличие от силы тока, на разных компонентах будет различным. Поскольку нам нужно рассчитать сопротивление определенного компонента, то и напряжение мы будем измерять именно на этом компоненте.
По условиям задачи, замер сопротивления необходимо произвести на некотором расстоянии от тестируемого компонента, а это значит, что вольтметр будет подключен к тестируемому компоненту посредством длинных проводов, обладающих некоторым сопротивлением. Поначалу может показаться, что мы потеряли все преимущества от измерения сопротивления таким способом, потому что длинные провода подключения вольтметра внесут в схему дополнительные паразитные сопротивления. Однако, при детальном рассмотрении ситуации можно прийти к выводу, что это не так. По проводам подключения вольтметра будет идти очень незначительный ток, а следовательно, падение напряжения на них будет таким маленьким, что его можно не принимать во внимание. Иными словами, вольтметр покажет такое же напряжение, какое он показал бы при непосредственном подключении к компоненту:

Любое падение напряжения на проводах цепи, по которым течет основной ток, не будет измерено нашим вольтметром, и никаким образом не повлияет на расчет сопротивления тестируемого компонента. Точность измерения можно повысить, если свести к минимуму поток электронов через вольтметр. Достигается это при помощи использования более чувствительного (рассчитанного на небольшой ток) индикатора, и/или потенциометрического инструмента (инструмента нулевого баланса).
Такой метод измерения сопротивления (позволяющий избежать ошибок, вызванных дополнительным сопротивлением провода) называется методом Кельвина. Специальные соединительные зажимы, облегчающие соединение с тестируемым компонентом, называются разъемами Кельвина.
Зажим разъема Кельвина в целом похож на зажим типа «крокодил», но между ними существуют небольшие различия. Если две половины зажима «крокодил» электрически связаны друг с другом посредством шарнира, то две половины зажима Кельвина такой связи не имеют (они изолированы друг от друга). Электрический контакт между ними возникает только в точке присоединения к проводу или выводу тестируемого компонента. Благодаря этому ток, проходящий через провод «Т» (ток), не попадает в провод «Н» (напряжение) и не создает ошибок, вызывающих падение напряжения в последнем:

Вооружившись знаниями, я заказал Щупы Кельвина на Ebay. Доставка заняла около месяца. Щупы были упакованы в стандартный китайский «пупырчатый» пакет. Вот что было в этом пакете:

Щупы выполнены из пластмассы, внутри имеются токопроводящие медные пластинки, выступающие в виде «пинцетного» зажима и имеющие насечки. Так же имеется металлическая пружина. Пружина изолирована от токопроводящих пластинок при помощи прямоугольных пластинок текстолита, приклеенных на металл, который не позволяет пружине соприкасаться с контактными пластинами… В общем, конструкция простая и сделано немного «по китайски», но тем не менее это все работает и пластины соприкасаются между собой, только в зоне щупов. Разобрать эту конструкцию без нарушения целостности у меня не получилось, да и разборка не нужна, так как все внутренности и так хорошо видно.
Я залудил контактные площадки при помощи активного флюса для меди и припаял по два толстых медных провода (что бы снизить внутреннее сопротивление) к каждому щупу. Паять надо быстро и тонким жалом паяльника, что бы не поплавить пластмассу. Для этих же целей использовался активный флюс, а не простая канифоль:

Диаметр проводов наверное избыточный, но пусть будет, «запас карман не тянет»)))

Теперь о самом Миллиомметре, я решил ничего не изобретать, а использовать готовые схемы и решения. Мне нужен стабилизатор тока, Милливольтметр 0-200мВ, источник питания и некоторые дополнительные компоненты. Конечно, самый простой способ использовать в качестве милливольтметра практически любой Мультиметр, т. к диапазон 0-200мА есть практически у всех. Но я хотел бы иметь автономный прибор, который будет полностью функциональным «сам по себе», а не приставку к мультиметру. Потому у китайцев был куплен цифровой милливольтметр с диапазоном 0-200мВ.

Милливольтметр имеет следующие характеристики:

На милливольтметре на боку имеется наклейка с характеристиками:

Приборчик имеет голубую подсветку и черные контрастные цифры:

Решил я так же проверить потребление милливольтметром тока при включенной подсветке:

Как видно ток небольшой, хоть подсветка всегда активна. (возможно её можно отключить, но пока я решил этого не делать)
Так же мне необходим источник тока. В качестве которого, была использована широко распространенная и всем известная микросхема LM317 (куплена за копейки в оффлайне). Для того, что бы рассчитать резистор-шунт R1, была использована программа калькулятор.
Вписываем нужный ток в поле ввода и нажимает кнопку «Calculate»…

Мы сразу видим и схему и номинал нужного резистора R1. Поскольку точно подобрать резистор довольно проблематично, а мне необходим ток, равный точно 100мА, я вместо одного постоянного резистора буду использовать два параллельно соединенных резистора: постоянный на 20 Ом и построечный многооборотный на 100 Ом. Изменяя сопротивление построечного резистора, я выведу ток на значение ровно 100мА. Почему был выбран ток именно 100мА, а не какой-то другой… Тут надо вспомнить закон дедушки Ома.

Немного изменим формулу: U=I*R Что мы имеем для расчета, у нас есть стабильный ток 0.1А, есть резистор, к примеру, 0.33 Ома. Таким образом падение напряжения на резисторе 0.33 Ома (а это 330мОм), составит 0.1А*0,33Ом= 0.033В или 33 мВ… Т.е будет легко считывать значения на экране Милливольтметра. Полученное значение на экране умножаем на 10 и получаем сопротивление в миллиомах. Максимальное сопротивление, что способен измерить мой самодельный миллиомметр, задан верхним пределом, измерения цифрового милливольтметра, 199мА… Соответственно это будет сопротивление 1,99 Ом.

Изначально планировалось, что питанием самодельного миллиомметра будет литиевый аккумулятор 18650, ну и соответственно кучка китайских плат, что не раз уже обозревались на нашем сайте: модуль зарядки, модуль защиты от переразряда и плата бустер (в народе «повышайка»), т.к милливольметр работает при напряжении от 8 и до 12В. Потому решил протестировать хватит ли напряжения литиевого аккумулятора, что бы стабилизатор тока на Lm317 гарантировано выдавал ток на уровне 100мА. Наскоро прикрутил на ножки LM317 резистор с сопротивление около 12Ом я собрал тестовую схему. Схема подключения очень простая, я приведу картинку, иллюстрирующую подключение радиодеталей, только вместо измеряемого резистора у нас будет подключен амперметр:

Как видно на серии фотографий (gif), стабилизация тока начинается примерно от 4В и ток стабильный в широком диапазоне напряжений. Таким образом мы видим, что стабилизатор тока работает.

В ходе первичных испытаний, на предмет возможности использования литиевого аккумулятора, меня постигло тяжкое разочарование… Стабилизатор тока устойчиво давал стабильный ток, начиная от 4-4.5В… Таким образом, при разряде аккумулятора до 3В, ток становился 80мА, а значит ни о какой точности измерений, при использовании питания от литиевого аккумулятора, говорить не приходится. Придется переходить к плану Б… Если не получается задумку реализовать на батарейном питании, будем делать на питании от сети.

На Banggood была заказан импульсный источник питания, с двумя независимыми каналами на 12 и 5 Вольт. Меня в этом блоке подкупили 2 вещи: независимые каналы 5 и 12 вольт, что при выбранной схемотехнике, очень важно, т.к. стабилизатор тока и милливольтметр должны быть запитаны от гальванически не связанных блоков питания. И наличие, хоть какого-то фильтра на входе ИИП, что для не дорогих китайских источников питания редкость. Благодаря скидке, о которой узнал на нашем сайте «Муське», волшебном слове «elec», мне эта плата обошлась в 4.81 USD, вместо изначальной цены 5.66 USD (надеюсь эта скидка не тянет на п.18)))) Плата уже едет в Казахстан, осталось только дождаться её… Заодно и протестируем этот импульсный источник питания.


Пока посылка едет из Китая, нарисуем структурную схему нашего самодельного Миллиомметра. Схема очень простая и её повторить может даже начинающий радиолюбитель или просто любой человек, у которого руки растут из нужного места, даже если он ничего не понимает в радиотехнике)))) Схему можно собрать, просто глядя на картинку и в качестве милливольтметра использовать любой мультиметр на диапазоне 200мВ.

Единственное, что нужно будет сделать, это найти плюсовой (+) вывод источника питания 5 Вольт самостоятельно и подключить его к 3 ножке микросхемы LM317. Я на схеме указал подключение к источнику питания чисто схематически, без указания полярности, т.к. заранее не известно где будет плюсовой вывод китайского ИИП. Если делать миллиомметр- приставку для мультиметра, то можно использовать любой блок питания на 5В от сотового телефона и т.п. Питание для милливольтметра тогда не нужно, т.к. у мультиметра свое собственное батарейное питание.

Собираем испытательный стенд, где мы проверим работоспособность нашего миллиомметра. Поскольку источник питания еще не приехал, вместо него используем 2 лабораторных блока питания. 5 вольт для питания LM317 и 12В для питания милливольтметра:

Собираем стабилизатор тока, я просто распаял 2 резистора (постоянный и подстроечный, включенный параллельно) на ножках Lm-ки. Получился вот такой «колхоз»:

Подключаем к резисторам мультиметр в режиме измерения сопротивлений и подстроечным резистором приблизительно выставляем сопротивление 12.5 Ом. Более точно подгоним сопротивление по амперметру:

Готовим испытательные резисторы… У нас это будет 3 китайских проволочных, у них стоит индекс «J», что указывает, что точность резистора ±5% и 2 советских резистора С5-16, с точностью ±1%. Точнее у меня нет, думаю, что этого будет вполне достаточно…

Подсоединяем к щупам Кельвина резистор 0.13 Ом ±1%, подключаем всю конструкцию к блокам питания, амперметр показал ток 98мА, первым делом подстроечным резистором выводим ток до 100мА:

Смотрим, значение напряжения падения на резисторе 0.13 Ом, я так же подключил мультиметр, чтобы проверить правильность показаний купленного в Китае милливольтметра. Как мы видим показания совпадают, никаких подстроек делать не нужно… Напряжение падения на резисторе 13мВ, что равняется сопротивлению 130мОм, или 0,13Ом. (по правилам миллиомы пишутся с маленькой буквы «м», а мегаомы с большой буквы «М»)

Как вы видите наш самодельный миллиомметр работает и имеет достаточную для радиолюбительства точность. Остальные измерения я спрячу под спойлер, кому интересно можете поглядеть, остальным же немного сэкономлю трафик))))

Как мы видим, все сопротивления резисторов уложились в нормы допусков, генератор стабильного тока работает нормально, ток примерно стабилен 100мА ±2% (я гонял подключенную микросхему в течении часа, тепловой дрейф незначительный)… Теперь нужно дождаться источник питания с Banggood и собирать все в корпус…
Я решил не ждать еще месяц доставки ИИП, и выложить обзор без фотографий готового прибора. Если Вас интересует тестировании двухканального независимого источника питания, то напишите в комментариях, я по приходу посылки протестирую и выложу отдельным обзором.

Выводы: Используя мультиметр (или милливольтметр), щупы Кельвина и маленькую кучку радиодеталей, можно за час «на коленке» собрать вполне приличный миллиомметр приставку, позволяющую достаточно точно для радиолюбительской практики измерять малые сопротивления. На этой оптимистичной ноте заканчиваю обзор. Всем мира, добра и весны в душе!!!


UPD: Из-за дебатов в комментариях, решил добавить эксперимент с заменой 4-х проводной схемы на 2-х проводную…
Вариант 1. Схема по Кельвину…


Вариант 2 Замыкаем проволочными перемычками контакты в щупах Кельвина (видно хорошо на фото проволочные перемычки. Сопротивление резистора увеличилось на 1мОм


А теперь меняем 4-х проводную схему на 2-х проводную… Провода толстые 1.5мм, зажимы припаяны… Смотрим на сопротивление 0.13 Ом резистора… Выводы делаем самостоятельно…

UPD2: Благодаря нашему камраду mikas перепаял перемычку десятичной точки на Милливольтметре. Теперь сопротивление показывает сразу в нужном формате. На снимке резистор 0.13Ом

А это резистор 1 Ом


UPD3: Я все-таки заставил работать самодельный миллиомметр от двух аккумуляторов 18650. (от одного не получилось, хоть стояло 2 преобразователя, но показания вольтметра сильно зависело от сопротивления тестируемого резистора. Потому с одним питанием ну никак не получится)
Вот что получилось… Это питание стабилизатора тока. Цепочка: Аккумулятор 18650- плата зарядки и защиты (два в одном)- бустер (повышайка с частотой 1мГц) до 5В.

Собираем в кучу:


Далее добавляем еще один аккумулятор 18650 — бустер (повышайка) до 10В для питания милливольтметра. Вот такая получается «ацкая» конструкция…


Без фото самого девайса, вроде как обзор не полный. Корпус сделал из подручных материалов (переходник для двух прямоугольных труб для кухонной вытяжки, куплен в хозяйственном магазине за 550 тенге), кривовато, но зато сам))) Начинка ещё не вставлена, до сих пор не приехал ИИП.



UPD4: Закончил я сборку прибора. Прибор работает от 2 аккумуляторов формата 18650 и 14500 (большой силовой токовый, малый питание милливольтметра) Стоит 2 платы зарядки с защитой АКБ, и 2 повышающих модуля: на 5В для источника тока и на 10В для питания милливольтметра. Дальше только фотографии, что получилось…




На последнем фото зарядка… Пока каналы отдельные, потом соединю 2 канала на один вход.


Вот теперь точно всё!!! Свою миссию по обзору самодельного миллиоммметра я выполнил до конца. Всем бобра!!! ))))