اتصال کوتاه

.

.

هنگام اندازه‌گیری مقاومت‌های اهمی کوچک خیلی زود با مشکل روبرو می‌شویم و آن عبارت است از این که هیچ یک از مولتی‌مترهای معمولی اصولاً قادر به سنجش و نمایش مقاومت‌های اهمیِ اندک نیستند.

می‌توان ادعا کرد که مولتی‌مترهای معمولی، عملاً در مقادیر زیر 1 اهم غیر قابل استفاده بوده و آن چه را که نشان می‌دهند قابل اعتماد نیست و دقت اندازه‌گیری آن‌ها در این گامِ اندازه‌گیری بسیار بد است.

البته دستگاه‌های ویژه‌ای برای اندازه‌گیری مقاومت‌های الکتریکی ناچیز وجود دارند که در آن‌ها از روش «اندازه‌گیری 4‌سیمه» بهره‌گیری می‌شود، اما چنین تجهیزاتی گران‌قیمت هستند، به نحوی که ساده‌ترین آن‌ها، که از کیفیت مطلوبی نیز برخوردار نیست، کم‌تر از چند صد هزار تومان قیمت ندارد و انواع پرکیفیت‌تر به بهایی بالاتر از یک میلیون تومان به فروش می‌رسند.

در این‌جا، اما، ما مدار آداپتور ساده‌ای را به شما معرفی می‌کنیم که در ساختن آن از افزاره‌های موجود در کشوی میز کارتان استفاده خواهید کرد و یا تهیه‌ی آن‌ها از بازار برای شما بیش از چند هزار تومانی آب نخواهد خورد. البته فرض بر این است که شما از پیش یک مولتی‌متر دیجیتالی و ابزار و وسایل یک لحیم‌کاری ساده را در اختیار دارید.

.

در چه شرایطی به یک اندازه‌گیری 4 سیمه نیاز داریم؟

.

.

«مقاومت‌سنجیِ 4 سیمه» هنگامی ضرورت پیدا می‌کند که اندازه‌گیری مقاومتی با مقدار اهمیِ زیر یک اهم در دستور کار قرار داشته باشد. مثلاً، وقتی که شما می‌خواهید:

• مقاومتِ حالتِ بسته‌ی یک کنتاکت رله یا کنتاکتور را اندازه‌گیری کنید،
• مقدار افزایش دما در کابل یا سیمی را که جریان زیادی از آن می‌گذرد تخمین بزنید،
• مقدار مقاومت اهمی یک شنت ناشناس را بسنجید یا خودتان یک مقاومت شنت بسازید،
• اندازه‌گیری افت‌ولتاژ و به تبع آن، سنجش جریان عبوری از مدار،

به یک فرآیند «مقاومت‌سنجیِ 4 سیمه» نیاز خواهید داشت.

اطلاعات به دست آمده از این سنجش برای تنظیم فشار مکانیکی روی کنتاکت‌ها، انتخاب قطر سیم‌های ارتباطی، تعیین طول و قطر لازم از یک قطعه سیم مقاومت (سیم المنت)، و بالاخره ساخت پل وتستون برای کنترل مقدار جریان بسیار ارزش‌مند می‌باشد.

.

«مقاومت‌سنجی 4 سیمه» بر چه اساسی کار می‌کند؟

نکته‌ای که باید همواره در اندازه‎گیری مقاومت‎های کوچک مد نظر باشد این است که سیم‌ها و اتصالاتی که برای اندازه‎گیری مقاومت یک افزاره مورد استفاده قرار می‎گیرند، خود دارای مقاومت اهمی کوچکی هستند که با مقاومت اهمیِ افزاره‎ی مورد آزمایش هم‌تراز و قابل مقایسه است و می‎تواند موجب بروز خطای فاحش در نتیجه‌ی کارِ اندازه‎گیری شود.

برای چیره شدن بر این چالش، هنگام اندازه‌گیری مقاومت‎های کوچک، به جای دو پایانه، چهار پایانه پیش‌بینی می‌شود: دو پایانه برای سنجش جریان و دو پایانه برای اندازه‌گیری ولتاژ.

.

.

یک جریان معلوم از طریق پایانه‎های جریان I₁ و I₂ (پایانه‌های صورتی رنگ در تصویر بالا) از مقاومتِ زیر آزمایش گذرانده می‎شود و سبب بروز افت ولتاژ بین پایانه‎های ولتاژ V₁ و V₂ (پایانه‎های قهوه‌ای رنگ) می‎شود. بنابراین، با اندازه‎گیری مقدار ولتاژ دو سر مقاومت توسط ولت‎متر و مقدار جریان گذرنده از آن توسط آمپرمتر و به کمک قانون اهم می‎توانیم مقدار مقاومت اهمی افزاره را به دست آوریم. با این روش دیگر مقاومت سیم‎ها تأثیری در اندازه‎گیری نخواهد داشت. با وجود این که همچنان مقاومت اتصال در پایانه‎های ولتاژ می‎تواند موجب بروز خطا شود، اما چون این خطا بسیار کوچک است، می‎توان از آن صرف نظر کرد.

برای اندازه‌گیری مقاومت باید در گام نخست مقداری به تئوری بپردازیم. برای مقاومت‌سنجی از قانون اهم استفاده می‌شود:

.

.

فرمول بالا به ما می‌گوید که برای سنجش مقاومت الکتریکی، باید اصولاً ولتاژی به دو سر مقاومت اِعمال کرد تا جریانی در آن برقرار گردد. اما چرا مولتی‌مترها نمی‌توانند کارِ اندازه‌گیری مقدار مقاومت‌های کوچک را به خوبی انجام دهند؟ این موضوع دو علت دارد:

• مقدار جریانی که یک مولتی‌متر به داخل مقاومت میفرستد، خیلی کم‌تر از آن است که بتواند افتِ ولتاژ قابل اندازه‌گیری ایجاد کند،
• مقاومت اهمی سیم‌های مولتی‌متر هم، هر چند خیلی کم است، اما همزمان به مقدار مقاومت تحت آزمایش افزوده می‌شود.

در چنین شرایطی است که «اندازه‌گیری 4‌سیمه» پا به میدان می‌گذارد. با استفاده از این مدار، مقدار مقاومت سیم‌های دستگاه سنجنده حذف می‌گردد.

.

طرز ساختن مدار

.

مداری که ما را به هدف خود می‌رساند از دو بخش تشکیل یافته است:

• یک اندازه‌گیرِ دقیق ولتاژ، و
• یک منبع جریان ثابت به همراه یک جریان‌سنج.

همه‌ی مولتی‌مترهای متوسط دیجیتالی واقعاً اندازه‌گیرهای خوبی برای سنجش ولتاژهای پایین (در گام میلی‌ولت) هستند و به همین دلیل برای کاربرد در مدار مورد نظر ما مناسب می‌باشند.

ما برای ساخت منبع جریان ثابت از یک آی.سی. تثبیت‌کننده‌ی ولتاژ (رگولاتور ولتاژ)  و یک مقاومت معلوم بهره‌گیری کردیم. از آی.سی. تثبیت‌کننده‌ی ولتاژ یک اختلاف پتانسیل پایدار و مقدار ولتاژ نسبتاً کمی دریافت می‌کنیم. کم بودن ولتاژ از این نظر اهمیت دارد که گرمای کمتری در حین آزمایش تولید می‌کند. کم‌ترین ولتاژ ثابتی که یک LM317 تولید می‌کند، 1/25 ولت است، در حالی که خروجی یک رگولاتور 7805 پنج ولت دارد. به این خاطر، من آی.سی. 317 را برای این مدار انتخاب کردم.

.

.

مقدار جریان گذرنده از مقاومت مورد اندازه‌گیری را در محدوده‌ی 1 آمپر در نظر گرفتم که آن‌قدر کم هست که به مقاومت آسیب نزند و همزمان آن‌قدر زیاد هم هست که یک سنجش قابل طمینان را مقدور سازد. در تئوری چیزی آسان‌تر از این نیست که جریان دقیق 1 آمپری به دست بیاوریم، اما موضوع به این سادگی‌ها نیست و در عمل، کیفیت و دقت افزاره‌های به کار رفته در مدار و میزان حساسیت آن‌ها به عوامل محیطی (مانند تغییر دما) نقش مهمی در رسیدن به مقصود دارند. قاعده این است که در دستگاه‌های اندازه‌گیری از افزاره‌های پردقت و پرکیفیت استفاده به عمل آید. البته این امکان هم قابل تصور است که پیش از هر بار آزمایش و سنجش، یک بار دقت عملکرد مدار بررسی شود و دقت جریان «بازتنظیم» گردد.

با فرض ولتاژ 1/25 ولت و جریان 1 آمپر، مطابق قانون اهم خواهیم داشت: اهم 1/25 = آمپر 1 ÷ ولت 1/25

توجه شود که هنگام انجام اندازه‌گیری، این مقاومت داغ خواهد شد، چرا که باری که در آن تلف می‌شود، برابر 1/25 وات خواهد بود. بنابراین، فرآیند اندازه‌گیری را باید تا جای ممکن سریع به انجام رساند.

همچنین، آی.سی. نیز گرم می‌شود. حتی اگر ولتاژ ورودی به آن را 4 ولت بگیریم، 2/75 وات در داخل آن به صورت گرما تلف خواهد شد. بنابراین، برای دفع این گرما باید آن را محکم به یک «گرماگیر» (رادیاتور) آلومینیومی پیچ کرد.

.

ساختن مدار

همان طور که دیده می‌شود، مدار فقط از دو افزاره تشکیل شده است: یک آی.سی و یک مقاومت که از موازی بستن 8 عدد مقاومت 10 اهمی شکل می‌گیرد. بنابراین، نیازی به ساختن فیبر مدار چاپی وجود ندارد.

.

.

من سیم روکش‌دار را داشتم ولی آی.سی. و مقاومت‌ها را خریدم. گرماگیر آلومینیومی را از مدار یک منبع تغذیه‌ی کهنه‌ی کامپیوتر بازیابی کردم. ابتدا مطابق تصویر بالا 8 عدد مقاومت 10 اهمی یک چهارم وات را با هم به صورتی که دیده می‌شود موازی کردم تا یک مقاومت 1/25 اهمی با توان مجاز 1/5 وات به دست آید.

آی.سی. را با استفاده از پیچ و مهره‌ای که ترانزیستور اولیه روی آن بسته شده بود، محکم به گرماگیر وصل کردم. توجه شود که این پیچ باید خیلی سفت بسته شود. پیش از این کار، ابتدا باقی‌مانده‌ی خمیر سیلیکون روی گرماگیر را خوب پاک کنید و بعد مقدار کمی خمیر سیلیکون تازه در محل نصب آی.سی. روی گرماگیر بمالید. خمیر سیلیکون ویژگی انتقال گرمایی خوبی دارد و در واقع یک اتصال گرمایی (پل حرارتی) خیلی خوب بین زبانه‌ی فلزی آی.سی. و گرماگیر ایجاد می‌کند. حرارت تلف شده در آی.سی. از طریق این پل حرارتی به راحتی به گرماگیر و از آن به هوای پیرامون انتشار می‌یابد. ناگفته نماند که زدن خمیر سیلیکون برای این مدار خیلی مهم نیست، اما تجربه‌ای عملی برای پروژه‌های جدی‌تر خواهد بود.

.

.

سپس، مراحل مونتاژ را با بریدن سیم به تکه‌هایی به طول تقریباً 10 و 15 سانتی متر و لخت کردن سرِ آن‌ها ادامه دادم. پس از آن، مطابق شکل بالا سمت چپ، این اجزا را به هم لحیم کردم. برای این که سیم‌ها آسان و مطمئن لحیم شوند، باید پیشاپیش سرسیم‌ها را به خوبی قلع‌اندود کرد. مراقب باشید بین پایه‌های آی.سی. اتصالی پیش نیاید، آن‌ها را از هم باز کنید.

.

کالیبره‌کردن منبع جریان

پیش از این که دست به کار اندازه‌گیری مقاومت‌های کم‌اُهمِ نامشخص خود شوید، باید به طور دقیق وضعیت منبع جریان خود را بدانید. برای این کار به یک منبع تغذیه، یک مولتی‌متر و مقداری سیم احتیاج دارید. من برای تغذیه‌ی مدار از یک منبع تغذیه‌ی آزمایشگاهی استفاده کردم که ولتاژ خروجی آن بین صفر تا 30 ولت  قابل تنظیم بود. ولتاژ خروجی آن را روی 4 ولت تنظیم کردم تا تلفات داخل آی.سی. را به مقدار کمی محدود کنم. شما اگر چنین منبع تغذیه‌ای در اختیار نداشتید، سعی کنید ولتاژی در حدود 5 تا 6 ولت به ورودی مدار بدهید و از این مقدار تجاوز نکنید. هر ولتاژی بیش از این مقدار در داخل آی.سی. به صورت گرما تلف خواهد شد.

.

.

مدار و منبع تغذیه و مولتی‌متر (در حالت جریان‌سنجی) را مطابق تصویر بالا می‌بندیم. در واقع، در این ترتیبِ مداربندی، مانند آن است که مدار در حال سنجش یک مقاومت صفر اهم است. پس از وصل کردن منبع تغذیه به مدار، نخست چند دقیقه (دقیقه، نه چند ثانیه) صبر کنید تا آی.سی. گرم شود. این زمان ممکن است بین 5 تا 10 دقیقه باشد. پس از گذشت این زمان، مدار به «تعادل گرمایی» خواهد رسید. ملاحظه خواهد شد که آی.سی. و گرماگیر خوب گرم، یا بهتر بگوییم "داغ" شده‌اند. گرمای تا 70 درجه‌ی سانتی‌گراد اشکالی نخواهد داشت. در طول این مدت، مقدار جریانی که توسط مولتی‌متر خوانده می‌شود در حال تغییر خواهد بود. این تغییرات ادامه خواهد داشت تا جایی که مدار به تعادل گرمایی برسد. از آن به بعد دیگر مقدار قرائت شده تغییر نخواهد کرد و ثابت باقی می‌ماند. در مدار من، همان طور که در تصویر دیده می‌شود، مقدار «جریان تثبیت شده» 1/015 آمپر است، این مقدار جریان بسیار رضایت‌بخش است و من آن را با استفاده از مقاومت‌های خوب با خطای 1% به دست آوردم.

.

بهره‌برداری از مدار

حالا هنگام به کارگیریِ عملیِ مدار و استفاده از آن است. مانند تصویر زیر مداربندی برای اندازه‌گیری را ترتیب می‌دهیم.

.

.

گام نخست این است که یک «مقاومت شنت» با مقدار اهمیِ معلوم را مورد سنجش قرار دهیم. در این مورد هم پس از روشن کردن منبع تغذیه چند دقیقه صبر می‌کنیم تا مدار منبع جریان به تعادل پایدارِ حرارتی برسد. در این حال ولتاژ روی شنت از روی صفحه نمایش مولتی‌متر خوانده می شود.

برای به دست آوردن مقدار مقاومت به یک محاسبه‌ی کوچک نیاز داریم. بر اساس قانون اهم که در بالا به آن اشاره کردیم، داریم:

.

.

که در آن:

U = ولتاژ اندازه‌گیری شده بر حسب ولت،

I = مقدار جریانی که برای مدار خود پیش از این اندازه گرفته بودیم ( 1/015 آمپر)،

R = مقدار مقاومت بر حسب اهم.

مقدار ولتاژی که بر روی شنت در مرحله‌ی پیش اندازه گیری شد 3/8 میلی‌ولت بود. با داشتن جریان ثابت 1/015 آمپری مقدار مقاومت به آسانی حساب می‌شود:

.

.

دقت این اندازه‌گیری چقدر است؟

مقاومت شنت مورد استفاده در این آزمایش دارای مشخصه‌ی: 75 میلی‌ولت روی 20 آمپر بود. بر این اساس، «مقاومت اسمی» این شنت 3/75 میلی‌ولت است. مقایسه‌ی این عدد با مقداری که ما در آزمایش خود به دست آوردیم نشان می‌دهد که مدار (و البته مولتی‌متر) ما بسیار دقیق هستند.

کار ما یک موفقیت کامل بود! ما توانستیم مقاومت‌های خیلی کوچک در بازه‌ی میلی‌اهم را با مولتی‌متری که در برابر مقادیر کم‌تر از یک اهم درمانده می‌شد، با دقت زیاد انداره‌گیری کنیم.

پس از این پیروزی علمی حالا آماده‌ایم که دنیا را فتح کنیم! یا حداقل مقاومت‌های کوچک آن را زیر نظر خود بگیریم.

.

.

مطالب مرتبط:

.

.

.