【實作實驗室】0.15Ω 低電阻要怎麼測量?用 LCR 四線式測試儀一次搞定

作者:實作派

如果你拿到一個超小阻值的小電阻,該怎麼測量它的電阻呢?由於使用三用電表測量的下場只能得到 0,這時就需要用到 LCR 測試儀(LCR Meter),它沒有中文名稱,硬要翻譯的話我會稱它被動元件測試儀,因為它不只能測試電阻,其它如電容、電感都能夠測量,而這些元件都屬於被動元件的範疇。

如下圖我手上有一顆 0.15 Ω 的小電阻,形狀完全不是傳統葫蘆狀的炭膜電阻,有點像斷了一隻腳的電晶體;不要懷疑,它其實就是一顆扎扎實實的電阻,只是因為它阻值小所以使用上可預期的電流會很大,做大顆一些比較好散熱。

0.15 Ω 的小電阻(圖片來源:實作派提供)

小電阻可以偵測電流

到底是什麼應用需要用到這麼小的電阻呢?答案是電源的電流偵測,大家都知道 V=IR,電流越大電壓差就越大。為了偵測電流,我在電流路徑上安插一個電阻,刻意造成壓差,好讓偵測電路判斷電流大小;若電源電壓是 12 V,安全電流設定為 2 A,那我會設計從 12 V 偷個 0.3 V 來用,利用 0.3 V 來偵測電流,這理論上不會影響 12 V 的負載,所以這時需要串接多大的電阻呢?就是  ,如果要偵測的電流越大,你需要的電阻就會越小,不然電壓都被吃光了。

LCR Meter 測量小電阻

我拿了三用電表來測量這顆 0.15 Ω 的電阻,結果只看到一個數字,那就是 0 Ω,所以我連圖也都懶得放了。一般的三用電表採用的是二線式的測量方式,且裡面的線路並非針對精密的電壓電流設計,因此電阻值越低,電表讀值的準度就越差,通常在 30 Ω 以下就會嗶嗶叫。

這時候就需要用到 LCR Meter,它採用的是四線式的測量方式,且測試用的電壓電流有精密的控制迴路,因此可以輕易的去得正確的阻值。有關四線式測量會較精準的原因,請參考這篇低電阻測量-四線式精準測量 0.01 Ω 的原理,這裡我只說明 LCR Meter 的使用方式。

HIOKI 3522-50 LCR Tester(圖片來源:實作派提供)

四線式接線

四線式的四個接頭,分別敘述如下:

  • H cur
    High Current 電流輸出端
  • H pot
    High Potential 高電位測量端
  • L pot
    Low Potential 低電位測量端
  • L cur
    Low Current 電流回流端

最外面兩個 H cur 與 L cur 用來提供電流迴路,裡面兩個 H pot 與 L pot 用來測量電壓,電流迴路流經的電流會遠大於電壓迴路,因此 LCR Meter 才能精準得到電阻值。

LCR Meter 的四個接頭(圖片來源:實作派提供)

原本應該要有一種稱為 Kelvin Clip 的夾子來作為待測物的夾具,但目前我手邊沒有,所以我拿了一對兩頭都是 RCA的音源線來 DIY。把線材切成一半之後,就有了四個 RCA 接頭,只要抽出其中的訊號線兩兩相接,就不用隔離層了,於是一組稱為 H(High),另一組稱為 L(Low),這兩組線的接點即是用來接待測電阻的點,最後再拿四個轉接頭將四個 RCA 插上 LCR Meter 的 BNC 接頭,就完成接線了。

 

準備拿來當四線式測量的 RCA 線材(圖片來源:實作派提供)

Open/Short 補償校正 Calibration

各位用三用電表有每年做校正嗎?我自己沒有,因為通常都只拿它來量個大概嘛,但是 LCR Meter 這種精密儀器,除了每年要拿回原廠校正外,使用之前絕對要做 Open/Short 的補償校正,因為導線本身就含有阻抗,電流路徑中各種金屬接頭的介面也存在接觸阻抗,所以在測量低電阻時,一定要做 Short 測試,把電流路徑上的阻抗測量出來,將來才可以減掉降低誤差。

所以我先將兩組線的測試點接在一起,做 Short Calibration,其實就是四條線全接在一起,下圖我是用 OK 線將兩組線先纏在一起,接觸面積越多越好。

Shorted cable for short calibration(圖片來源:實作派提供)

我這樣做看起來很醜,因為手邊沒有夾子只好土法煉鋼,正規的做法是需要使用夾子夾住又粗又短的導線來做 short calibration。

Short calibration by Kelvin clip(quote from Hioki 3522-50 manual)

我在這裡沒有做 Open Calibration,因為待測物的電阻很小,而且我沒有要測量 L 或 C,開路電阻無論如何都遠大於待測物,因此可以不用做,但如果你的測量對象是電容電感等儲能元件,你還是要做 Open Calibration,因為兩組線之間的距離會影響 C,導線長度與布線形狀會影響 L。

以下是 Short 校正選單。它有分全頻與單頻,由於全頻要 scan 很久,我就任意選了單頻設定為 60 Hz 就 RUN 了,如果你的電路工作頻率是非常要求的,那麼對於頻率的選擇就要考究了。

Short 校正選單(圖片來源:實作派提供)

比起之前短路時螢幕上出現 10 mΩ 的阻值,做完 Short 之後果然電阻變得非常小,0.08 mΩ 真的很不可置信的小,但不可否認要讓它變為 0 是有點困難的,儀器畢竟有它的極限。

做完短路校正後,短路時電阻果然小很多(圖片來源:實作派提供)

超大的電容怎麼回事?

除了電阻之外,你是否也注意到了螢幕中出現了超大的電容 28 F,這是怎麼一回事?我沒有接電容啊?回想一下電容的阻抗公式:

當待測物是短路時 Z 很小,等效的 C 就會非常大,有回想起來了嗎?

小電阻 150 mΩ 測量

終於要正式來測量了,所以把剛才短路的接點拆開,把兩組線分別接上 150 mΩ 電阻的腳位上,我手邊沒有夾子,所以仍然只用 OK 線繞一繞,越多圈越好,這樣才能增加接觸面積,雖然有點慢有點醜,只要結果是正確的,一切就都值得了。

將 H 與 L 兩組線分別接上電阻做測量(圖片來源:實作派提供)

接好後畫面的讀值如下,我們得到 150.30 mΩ,算是預期中的結果,我同時也試過電容/電感,基本上讀值都與標示是相符的。

小電阻的讀值(圖片來源:實作派提供)

Serial 與 Parallel 等效電路

你一定有發現 LCR Meter 的螢幕上出現的電容/電感值,都帶了 s 或 p 的下標,這是因為 LCR 將待測元件以下列兩種方式來等效,要選哪種模型就看你的需求,至於 LCR 是如何將串聯或並聯的電抗算出來的,我沒有去深究,這應該算它的營業祕密吧。

LCR待測物的等效模型(圖片來源:實作派提供)

通常電抗高會適合 Parallel 等效模型,而電抗低會適合 Serial 等效模型,如果畫成趨勢圖就會是這樣。這只是建議沒有一定要如何,完全看自身的需求而定。

LCR equivalent model guide line(quote from Techni-Tool doc)(圖片來源:實作派提供)

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

StrongPiLab

Author: StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。

Share This Post On

發表

跳至工具列