Omówię bardzo praktyczny sposób wykonywania pomiarów małych rezystancji i pomiarów natężenia prądu przy pomocy metody technicznej, czteropunktowej.
Jest to metoda pośrednia pomiaru rezystancji polegająca na użyciu przyrządów
pomiarowych: woltomierza i amperomierza, oraz wykorzystaniu prawa Ohma. Zmierzona rezystancja jest równa ilorazowi zmierzonego napięcia i natężenia.
Mierniki, źródło zasilania i badany element zestawia się w układzie poprawnego pomiaru napięcia. Dlatego amperomierz musi być umieszczony pomiedzy źródłem prądu, a woltomierzem - na filmie zawracam uwagę na poprawne umieszczenie sond napięciowych "wewnątrz" sond prądowych.
Użyte przyrządy pomiarowe wpływają oczywiście na pomiar. Amperomierz pokazuje również prąd przepływający przez woltomierz. Jest to błąd metody, czyli błąd systematyczny. Dlatego zaleca się użycie woltomierza o jak największej rezystancji wewnętrznej, dzięki czemu naśladuje on woltomierz idealny (jak np. Meratronik 542.1 o rezystancji 10 GΩ na zakresie do 10 V).
Niepewność takiego pomiaru wyznaczamy z wykorzystaniem prawa propagacji, a wyznaczenie błędu systematycznego i względnego jest przeprowadzone w powszechnie dostępnej literaturze szkolnej. Tu skupiam się na opisaniu samej metody pomiarowej, na wskazaniu jej mocnych i słabych stron.
Można też dokonać pomiaru rezystancji, tak jak to sie dzieje w miernikach dostosowanych do pomiaru czteropolowego (np. miliomomierz). Wtedy zamiast pomiaru natężenia prądu stosuje się precyzyjne źródło prądowe, a mierzy się tylko napięcie.
Do powyższego filmu podczas montażu wstawiłem wyniki następujących pomiarów:
0.085019 V / 0.5757 A = 0.14768 Ω
0,084321 V / 0,5703 A = 0.14785 Ω
0,085532 V / 0,5784 A = 0,14788 Ω
0,085525 V / 0,5784 A = 0,14787 Ω
0,085051 V / 0,5752 A = 0,14786 Ω
Podczas kolejnych pomiarów zmieniałem tylko tylko położenie sond napięciowych. Należało by policzyć błędy pomiarowe, ale przy tak niestabilnym źródle zasilania i relatywnie niewielkiej szybkości dokonywanych pomiarów przez mierniki i tak mam identyczne pomiary do 1/1000 części Ω.
***
Dlaczego wyniki są tak powtarzalne, pomimo zwiększania rezystancji sond napieciowych?
Dodając rezystory w szereg z woltomierzem tak na prawdę zwiększam jego rezystancję wewnętrzną i zmieniam zakres pomiarowy:
Dodana rezystancja, w porównaniu z 10 MΩ, lub jak w przypadku Metrahit 29S z 11 MΩ, rezystancji wewnętrznej miernika na zakresie woltomierza napięcia stałego nie ma żadnego realnego wpływu na pomiar.
Pokazałem praktycznie, że rezystancja (w granicach rozsądku) sond pomiarowych (napięciowych) w metodzie technicznej nie wpływa na wynik pomiaru. Wniosek ten jest oczywisty, gdy porównujemy rezystancje wewnętrzna przyrządu, z rezystancją sond pomiarowych, ale praktyczne zaprezentowanie takiego pomiaru powinno rozwiać wszelkie wątpliwości.
Przy pomiarze czteropunktowym i prawidłowo podłączonych sondach prądowych i napieciowych nie ma znaczenia rezystancja sond napieciowych - oczywiście rozsądna rezystancja takich sond. Szczególnie, że nawet wprowadzenie dodatkowej rezystancji sond napieciowych (powtórzę: w rozsądnych granicach!) nie powinno mieć wpływu na pomiar napięcia, gdyż rezystancja woltomierza powinna być znacząco, o rzędy wielkości, większa.
I to jest dowód fizyczny - porównanie wielkości rezystancji wewnętrznej woltomierza z rezystancją sond napieciowych - niewielka rezystancji toru pomiarowego napięcia nie ma znaczenia.
Gdy do pomiaru napięcia użyje się dobranego wzmacniacza operacyjnego (uwaga na napiecie niezrównoważenia przy pomiarze DC), to rezystancja wejściowa może być rzędu 10E9 lub nawet 10E12 (giga i tera Ω).
***
Proszę zwrócić uwagę na użycie Kelvin clips - czyli specjalnych sond dostosowanych do prowadzenia pomiarów czteropunktowych. Nie zawsze użycie narzędzi, bez zrozumienia zasady jego działania przyniesie oczekiwane rezultaty.
Uzyskałem następujący rezultat, co wg. mnie, nawet bez liczenia błędów pomiarowych, potwierdza prawidłowość metody, samego badania i poprawność wskazań użytych przyrządów pomiarowych:
0,000568 V / 0,5633 A = 0,001008 Ω
***
Podobne pomiary przeprowadzałem już wcześniej, również przy użyciu prądu przemiennego:
Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest wielkością stałą, niezależną od napięcia i natężenia prądu.
I / U = const
R = U / I
Wiele materiałów nie zachowuje proporcjonalności napięcia i prądu - prawo Ohma nie jest spełnione. Mówimy wtedy o materiałach (i podzespołach elektronicznych) nieliniowych.
Prawo Ohma dla prądu przemiennego:
W obwodach prądu zmiennego przebiegi prądu i napięcia mogą być przesunięte w fazie. Wtedy odpowiednikiem oporu jest zespolona impedancja. Rezystancją nazywa się wtedy część rzeczywistą impedancji, a konduktancją część rzeczywistą odwrotności impedancji (nazywanej admitancją).
W obwodach spełniających prawo Ohma impedancja nie zależy od amplitudy napięcia ani prądu, a amplituda prądu jest wtedy proporcjonalna do amplitudy napięcia.
Możemy pomiar wielkiego oporu elektrycznego przeprowadzić za pomocą posiadanego woltomierza. Wystarczy zwykły multimetr. By pokazać, jak to się robi i by udowodnić, że temu zadaniu podoła najprostszy miernik przygotowałem poniższy film, w którym użyłem popularnych modeli multimetrów:
Prosty pomiar dużej rezystancji (rezystancja wewnętrzna V640) i rezystor 100 GΩ
Przykład - mierzymy 100 GΩ:
Natężenie prądu ogranicza nam duża rezystancja, przykładowo 100 GΩ. W takim przypadku włączenie w szereg nawet rezystancji multimetru wynoszącej 10 MΩ stanowi tylko 0.01% rezystancji głównej.
Przy mierzonych dużych rezystancjach przydatne jest użycie woltomierza o jak największej rezystancji wewnętrznej, jak Meratronik V640, ewentualnie:
Mając woltomierz (multimetr) o rezystancji wewnętrznej wynoszącej 10 MΩ i pokazujący napięcie 1,1 mV, wiemy, że pewne natężenie prądu przepływającgo przez 10 MΩ spowodowało te wskazanie napięcia:
I = U / R
I = 0,0011 V / 10000000 Ω
I = 0,000 000 000 110 A (110 pA)
Wiemy, że napięcie akumulatora wynosiło około 10,5 V.
R = U / I
R = 10,5 V / 0,000 000 000 110 A
R = 95 454 545 454,5455 Ω (95.5 GΩ)
Jak widać uzyskaliśmy bardzo dobry wynik, z tolerancją lepszą niż 5%. Otrzymany rezultat jest zbliżony do wartości mierzonego rezystora - przy czym sam rezystor też ma jakąś tolerancję.
Warto sobie uświadomić, co to znaczy 100 GΩ. Wg. Wikipedii:
Zgodnie z danymi izolatory zaczynają się już od oporu 10 MΩ, a my właśnie zmierzyliśmy 10 tysięcy razy większą rezystancję.
***
Oczywiście, czym użyty miernik jest prostszy, tym uzyskany rezultat będzie obarczony większym błędem. Jednak ta metoda ma tą zaletę, że jest bardzo tania w realizacji - właściwie to bezkosztowa, gdyż każdy elektronik woltomierz posiada. Wracając do dokładności. Mierząc rezystancje typu 100 GΩ to zazwyczaj nie ma praktycznego znaczenia, czy pomylimy się nawet o 10%. Sama metoda zapewnia dużą dokładność, wymaga tylko dobrej znajomości faktycznej rezystancji wewnętrznej woltomierza, oraz jego dokładności przy pomiarze napięcia plus stabilne źródło napięcia.
Na YouTube są filmy, w których widać zmiany rezystancji ścieżek miedzianych na PCB (printed circuit board) gdy są pocynowane, lub też nie są. Na końcu tego wpisu umieściłem najważniejsze filmy pokazujące jak zmienia się opór elektryczny ścieżki miedzianej przy przepływie prądu stałego (DC, direct current).
Rozwinąłem testy rezystancji o pomiar prądów przemiennych (AC, alternating current). We wszystkich moich filmach użyłem technicznej metody pomiaru rezystancji:
Oczywiście wszędzie, gdzie piszę o cynowaniu i cynie mam na myśli stop cyny z ołowiem używany do lutowania. W moich filmach użyłem "cyny lutowniczej" Sn60Pb40 (LC60).
Przeprowadziłem kilka testów przy użyciu sygnałów o różnym kształcie i o różnych częstotliwościach. Do testów wybrałem trzy rodzaje przebiegów: sinusoidalny, prostokątny i szum różowy.
Sygnał sinusoidalnyjest najbardziej pierwotnym przebiegiem i najbardziej powtarzalnym dla różnych częstotliwości. Ułatwia wnioskowanie z uzyskanych wyników.
W opozycji do sinusoidy jest przebieg o kształcie prostokątnym. Tu zaczynają się problemy z czasem narastania sygnału, a przez to występują problemy z interpretacją wyników w zależności od częstotliwości i możliwości generatora.
Szum różowy zastosowałem na potrzeby testu audio. Pozwala odejść od szczegółowego badania sygnałów o różnych częstotliwościach (aż do częstotliwości ponadakustycznych, co pozwala wnioskować np. o wzmacniaczu). Wg. mnie jest to metoda lepsza z jeszcze jednego powodu. Dane pomiarowe są uśredniane (co wynika z metody pomiarowej i możliwości urządzeń pomiarowych) i przez to bardziej oddane są rzeczywiste warunki pracy urządzeń audio.
Tak więc użyty sygnał sinusoidalny pozwala łatwiej porównywać wyniki, a analiza sygnału prostokątnego ma znaczenie dla np. przetwornic.
I tu dochodzimy do użytych częstotliwości.
Pierwszym ograniczeniem jest baza urządzeń pomiarowych. Potrzebne były mierniki zdolne do pomiarów małych napięć w szerokim zakresie. Drugim wymogiem był cel badania. Nie chciałem wchodzić w np. zakres KF (i wyższe). Interesowały mnie częstotliwości:
Z zakresu audio.
Przetwornic pracujących w okolicach częstotliwości 30 kHz - 100 kHz. W tym zastosowaniu jest to zakres częstotliwości najczęściej spotykany.
Przetwornic działających w okolicach 150 kHz, często znacznych mocy, pracujące np. z własnym rezonansem.
Przetwornice o wyższych częstotliwościach, często ponad 1 MHz.
Celowo używałem do testów krótkich odcinków ścieżek. Po pierwsze testy mają służyć też nauce i zabawie - więc dlaczego mam sobie ułatwiać zadanie stosując długie odcinki? Gdy jest łatwo to raczej niczego się nie nauczymy. Przypomnę, że długi odcinek ścieżki ma większą rezystancję, przez co następuje większy spadek napięcia na tej rezystancji, a to z kolei znacząco ułatwia pomiar.
Przy długich odcinkach odchodzimy jednak od rzeczywistych przypadków użycia. Co prawda, przy użytych częstotliwościach, nadal nawet nie zbliżamy się do wymiarów linii długiej, ale pozbawiamy się konkretnych informacji o rezystancji krótkich odcinków ścieżek (stosowanych w praktyce).
Czemu mają służyć te testy?
Najlepiej od razu zaprojektować na PCB ścieżki miedziane o odpowiedniej grubości i szerokości. Zdarzają się jednak sytuacje gdy:
- Naprawiamy źle zaprojektowany sprzęt. Próbujemy więc poprawić już istniejące obwody.
- Odtwarzamy uszkodzone ścieżki.
- Nie mamy możliwości przeprowadzenia odpowiednio szerokiej ścieżki, lub użyty laminat pokryty jest zbyt cienką warstwą miedzi.
- Chcemy (potrzebnie lub nie) poprawić parametry w jakimś urządzeniu, np. wzmacniaczu audio.
Chciałem uzyskać odpowiedź, w jakim zakresie częstotliwości cynowanie jest właściwe, pomocne, a może szkodliwe i nie należy tej metody stosować.
W internecie panuje wiele mitów, mających rangę prawdy objawionej, a żyjących tylko dzięki ciągłemu powtarzaniu przez wiele osób. Dlatego warto osobiście zmierzyć się z niektórymi problemami, szczególnie, ze mają bardzo praktyczne zastosowania.
Dlaczego badałem rezystancję przy różnych częstotliwościach?
Związane jest to z występowaniem efektu naskórkowości (ang. skin effect). Powoduje on, że wraz ze wzrostem częstotliwości prąd nie płynie całym przekrojem ścieżki (lub drutu), ale tylko w warstwie zewnętrznej, powierzchniowej. Grubość tej warstwy, w której płynie prąd, zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości.
Efekt naskórkowości zwiększa rezystancję przewodnika i powoduje wzrost jego temperatury. Związane jest to ze zwiększeniem gęstości prądu płynącego tylko przy powierzchni.
***
Ze względu na opór właściwy materiały można podzielić na trzy następujące grupy:
Drut o przekroju 2,5 mm2 i długości 1 m ma rezystancję (DC): - srebro 0.00636 Ω - miedź 0.00672 Ω - złoto 0.00976 Ω - aluminium 0.01128 Ω - żelazo 0.04 Ω - cyna 0.0436 Ω - ołów 0.088 Ω
Przyjmuje się, że stop lutowniczy ma od siedmiu dziesięciu razy gorszą przewodność od miedzi.
***
Tam, gdzie jest taka możliwość, a występuje efekt naskórkowości, aby ograniczyć straty mocy w przewodniku, tworzy się np. wiązkę z drutów emaliowanych (odizolowanych od siebie). Średnica pojedynczego drutu w wiązce zależy od głębokości wnikania prądu w przewodnik - średnica drutu powinna być mniejsza od głębokości wnikania. Głębokość ta, w pojedynczym drucie, zależy od częstotliwości zmiany prądu, przenikalności oraz konduktywności przewodnika. Przewód miedziany o średnicy 1 mm przy częstotliwości 100 MHz ma około 40-krotnie większą rezystancję, niż przy prądzie stałym.
W układach, gdzie występują prądy o wysokiej częstotliwości opór pochodzi od cienkiej warstwy powierzchniowej przewodnika. Niestety, również utlenianie przewodnika następuje na jego powierzchni. Ma to podwójne znaczenie: tlenki mogą mieć większą rezystancję, niż sam przewodnik i mogą prostować sygnał przemienny. Dlatego srebrzenie (nie cynowanie!) ma znaczenie ochronne, a nie ma służyć polepszeniu przewodności, ponieważ jak widać w powyższym zestawieniu, przewodność srebra przewyższa jedynie symbolicznie przewodność miedzi (rzędu 3%).
Przy wyższych częstotliwościach, gdy nie uwzględnimy prądu przesunięcia, to moc bierna w przewodzie (ścieżce) związana jest z energią pola magnetycznego - dlatego impedancja przewodu ma charakter indukcyjny (jej część urojona jest > 0). Dla bardzo wysokich częstotliwości prąd przesunięcia nie jest już do pominięcia. Impedancja przewodu określana jest wtedy przez emisję fali elektromagnetycznej, a przewód zachowuje się jak antena.
Nie będę jednak drążyć tych rozważań. Wstęp teoretyczny jest potrzebny, ale głównym celem moich testów jest przeprowadzenie praktycznego sprawdzianu w jak najbardziej przystępny sposób. Nie chcę podawać samego wyniku w postaci syntetycznej - liczę na odbiorców myślących, ciekawych i zaangażowanych.
Tak więc praktyczne testy mają zweryfikować, czy nieduże przecież zwiększenie powierzchni przewodnika, do tego materiałem o większej rezystancji niż miedź, ma praktyczne znaczenie.
***
Cynowanie ścieżek na PCB - częstotliwość 10 kHz (audio)
Do pierwszego testu częstotliwość wybrałem jako kompromisową dla zakresu audio. Może nie środkową, ale słyszalną przez "wszystkich" i znacząco odbiegającą od prądu stałego. Co prawda efekt naskórkowości prądu występuje nawet przy 50 Hz (proszę zwrócić uwagę na konstrukcję kabli energetyki zawodowej, czy okablowanie niektórych silników), ale nie chciałem teraz wnikać dokładnie w testy okablowania na potrzeby systemów audio.
Na początku porównuję rezystancje sygnału sinusoidalnego o częstotliwościach 1 kHz i 10 kHz. Następnie to samo dla sygnału prostokątnego. Od razu widać, dlaczego użyłem sygnałów o różnym kształcie.
Ten test pokazuje również, jak łatwo o pomyłkę, gdy przyjmie się złe założenia. Wystarczyło by przyjąć do testów tylko prąd sinusoidalny i interpretacja wyniku zmieniła by się o 100%.
W tym filmie ważne są trzy porównania rezystancji:
- Pomiędzy sinus 1 kHz i 10 kHz.
- Pomiędzy sinus 1 kHz i prostokątnym 1 kHz.
- Pomiędzy prostokątnym 10 kHz przed i po cynowaniu.
***
Rozważałem, czy przedstawić gotowe wnioski. I tak nie uczynię. Będę wskazywać tylko ciekawe kierunki, w których wnioskowanie z testów może podążać.
Dlatego tak zrobię, czyli nie podam na tacy gotowych wniosków? Ponieważ moje pomiary nie zamykają różnych wariantów występujących w rzeczywistych układach. Dlatego najlepiej samemu obejrzeć filmy i wyciągnąć wnioski z moich pomiarów, oraz błędów. Liczę zresztą, na osoby mądre, ciekawe świata, a nie roszczeniowo oczekujące darmowych materiałów.
***
Cynowanie ścieżek na PCB - częstotliwość 75 kHz (przetwornice)
Ponownie częstotliwość kompromisowa, tym razem dla przetwornic. Wybrałem jednak górny zakres częstotliwości występujący w pewnych typach przetwornic. To dlatego, że oczekujemy wystąpienia silniejszego efektu naskórkowości prądu przy wyższej częstotliwości. Jednocześnie nie chciałem wybierać częstotliwości 100 kHz, ponieważ za bardzo oddala się od przetwornic pracujących w okolicach 40 kHz.
Tym razem głównym badanym sygnałem jest prostokąt o wypełnieniu 10% - czyli taki przykładowy sygnał PWM nieobciążonej przetwornicy.
Na końcu filmu sprawdziłem rezystancję pocynowanej ścieżki przy użyciu napięcia stałego, co pozwala porównać różnice w oporności pomiędzy AC i DC.
Jak widać tor generatora i wzmacniacza jest kiepski. Sam generator dla tej częstotliwości daje prawidłowy kształt sygnału, ale o zbyt małej amplitudzie. Dlatego musiałem użyć wzmacniacza, który zmniejszył stromość sygnału prostokątnego. Dopiero po tych testach kupiłem specjalistyczny generator fali prostokątnej i wyczekany generator uniwersalny .
***
Cynowanie ścieżek na PCB - częstotliwość 75 kHz - multimetry analogowe GI83 i V640
Chcąc uzyskać bardziej stromy sygnał prostokątny, niż w poprzednim teście, wyeliminowałem więc wzmacniacz. Bezpośrednio do generatora DDS podłączyłem rezystory obciążenia o wartości 50 Ω. Użyty generator posiada jednak małą moc i uzyskałem bardzo mały spadek napięcia na badanej ścieżce.
Ten film jest właśnie o problemach wynikłych przy pomiarach tak małych napięć. Mało wnosi do głównego tematu tego wpisu, ale pokazuje użycie różnych przyrządów, ich wady, działanie na skrajach zakresów pomiarowych, oraz poza zakresami pomiarowymi. Nie mogłem się powstrzymać od przetestowania multimetrów V640 i GI83. Tak więc to jest nie tyle test rezystancji ścieżki, co ciekawostka pomiarowa.
To co jest ciekawe w tym filmie, to zmiana rezystancji ścieżki pobielonej cyną, gdy nałożymy na nią grubszą warstwę cyny. Trzeba oglądać na pełnym ekranie i najlepiej zaznaczyć sobie (palcem?) wskazania przed i po.
Do dalszych testów zwykłe multimetry nie wystarczą. Dlatego przeprowadziłem krótką prezentację i nanowoltomierza selektywnego i woltomierza fazoczułego.
Dodatkowo do korelacji wyników użyłem nieprodukowanego już polskiego multimetru stacjonarnego Meratronik V545.
***
Test pomiaru miliwoltów: Meratronik V545, Metrahit 29S, Philips 2534
Film pokazujący rzeczywisty (a nie deklarowany w instrukcjach) pomiar małych napięć kilkoma przyrządami, których możliwości wykraczają poza standard popularnych przyrządów.
Na filmie omówiłem również ogólnie stanowisko pomiarowe. Dokładnie widać, jakie problemy sprawiają napięcia poniżej kilku mV. Do tak małych napięć przemiennych należało by użyć bardziej specjalistycznych, dokładniejszych przyrządów.
Bardzo precyzyjnie wykonany test, przy użyciu specjalistycznych mierników. Przypomnę tylko, że miernik RMS dla przebiegu prostokątnego o wypełnieniu 50% zawyży wskazanie o około 10% - ale nadal można posługiwać się zmianą procentową wskazania.
Ponownie polecam oglądać na pełnym ekranie, oraz zaznaczyć położenie wskazówek (palcami?) przed rozpoczęciem cynowania.
***
Cynowanie ścieżek na PCB - szum różowy (audio, pink noise)
Ten film uważam za najciekawszy.
Co prawda na poprzednich filmach uzyskałem zaskakująco dobre i zachęcające wyniki cynowania ścieżek, ale ten test ma największe zastosowanie praktyczne. Wiele osób zajmuje się budową i naprawami wzmacniaczy - jest to bardzo popularny sprzęt.
Użyty rodzaj sygnału pozwala, bez wykonywania dziesiątek testów przy użyciu różnych częstotliwości i kształtów sygnału uzyskać uśrednione wyniki.
Użyta została wbudowana karta dźwiękowa 24 bity, 192 kHz, oraz wzmacniacz tranzystorowy pracujący w klasie A.
***
Cynowanie ścieżek na PCB - 150 kHz
Ponieważ możliwości pomiarowe poprzednio użytych przyrządów przy tej częstotliwości skończyły się, w roli miernika wykorzystam oscyloskop. Zwykły oscyloskop w tym pomiarze raczej się nie sprawdzi, dlatego zastosowałem oscyloskop z dobrym torem pomiarowym, rozdzielczością 12 bitów i wejściem różnicowym.
Niestety powoduje to problem z bezpośrednim odczytaniem różnicy przed i po cynowaniu. Niestety nie wpadłem na pomysł pomiaru wartości TRMS przed i po cynowaniu. Zachęcony wynikami poprzednich testów, uważałem, że różnica będzie od razu widoczna.
Podsumuję wszystkie trzy filmy, na których użyłem oscyloskop na samym końcu.
***
Cynowanie ścieżek na PCB - miedziana plecionka, 150 kHz
Tym razem zmierzyłem wartość (T)RMS. Jednak to był ostatni film, który na potrzeby tego wpisu wykonałem, dlatego na filmie "1 MHZ" również nie ma zmierzonej wartości TRMS.
***
Cynowanie ścieżek na PCB - 1 MHz
Zastanawiam się nad przeprowadzeniem testów dla częstotliwości 1 MHz i wyższych powtórnie. Teraz mam np.: specjalizowany generator przebiegu prostokątnego. Nie uczynię tego jednak w najbliższym czasie, ponieważ nie widzę takiej palącej potrzeby.
Cynowanie na trzech ostatnich filmach nie poprawiło w widoczny sposób sytuacji, ale i jej nie pogorszyło. Można więc, w newralgicznych miejscach, użyć tej metody by poprawić bilans cieplny ścieżki, lub zabezpieczyć ja przed przepaleniem w sytuacji awaryjnej (nim zadziałają odpowiednie zabezpieczenia).
***
Wspomniane na początku filmy z testami przy użyciu prądu stałego:
EEVblog #317 - PCB Tinning Myth Busting
Does putting solder on high current PCB tracks help?
W samochodzie wożę multimetr. Musi mień następujące cechy:
- Ma by tani, by nie było go żal. W razie wypadku, czy kradzieży, oraz ze względu na temperatury i wstrząsy szkoda w samochodzie wozić bardzo porządny miernik.
- Musi wytrzymać zarówno minus 30 stopni Celsjusza jaki plus siedemdziesiąt. Ma swoje miejsce w bagażniku i musi tam wytrzymać zimę i upalne lato.
- Musi być włączany pokrętłem, a nie przyciskiem, by przypadkowo sie nie włączył.
- Musi mieć akustyczny tester ciągłości.
- Powinien mieć podświetlenie wyświetlacza. Przydatne nocą, gdy coś się stanie z samochodem, lub na nurkowisku.
Multimetr w samochodzie przydaje się zarówno przy jego kontroli, czy naprawie, ale też gdy gdzieś jesteśmy i trzeba wtedy coś sprawdzić. Tak więc nie tylko potrzebny jest do zabaw przy samochodzie, ale też do sprzętu RTV/AGD - tam gdzie w warunkach polowych niespodziewanie trzeba coś sprawdzić.
Do tej pory woziłem inne multimetry, ale o tym za chwilę. Teraz zaprezentuję mój nowy nabytek:
Całkiem przyzwoita jakość wykonania, przynajmniej zewnętrzna. Środek nie odstaje od innych produktów za kilka złotych. Ja jestem zadowolony, dobrze leży w reku i jest "sympatyczny" w obsłudze. Sięgałem do niego przez kilka dni testów z przyjemnością (nim trafił do bagażnika).
Poniżej zaprezentuję jeszcze dwa inne mierniki, których używałem w samochodzie. Pierwszy był DT838, a następnie UT33B. Pierwszy nie ma podświetlenia, a drugi akustycznego testu ciągłości.
Multimetr w samochodzie wożę w etui po Czechosłowackim (był kiedyś taki kraj) mierniku PU185. Dlaczego teraz nie sprzedają multimetrów w takich gustownych etui?
Podświetlenie A830L jest spektakularne.
Najważniejsze informacje z instrukcji obsługi A830L:
***
Filmy z testów:
Wstęp i zakończenie w jednym:
Rezystancja Ω:
Amper A DC:
Napięcie V DC:
Napięcie V AC:
UNI-T UT33B, A830L, DT838 - Test buzzera i podświetlenia:
Przy tworzeniu obrazu przebiegu przez oscyloskop cyfrowy, lub oscyloskop próbkujący, obrazowane są dane pobrane z pewną częstotliwością. Może to przyczynić się do odwzorowania na ekranie przebiegu o błędnym kształcie. Taki błąd, powstanie obrazy fałszywego, nazywamy przeinaczeniem (aliasing). Możemy wyróżnić dwie przyczyny powstawia aliasingu:
Pierwsza przyczyna:
Błąd może powstać na skutek błędu percepcji (przeinaczenie percepcyjne) i jest to iluzja optyczna. Proszę przyjrzeć się poniższym zdjęciom:
Przebieg właściwy:
Oscylogramy przekłamane:
Oko ludzkie łączy najbliższe punkty otrzymując nieprawidłowy obraz. Łatwo temu zapobiec ustawiając w oscyloskopie łączenia liniami sąsiednich punktów. Proszę zobaczyć poniższy film, jakie to może mieć implikacje, gdyż zazwyczaj mamy dwie możliwości łączenia punktów przez oscyloskop, co da odmienny oscylogram.
Druga przyczyna:
Drugą przyczyną powstania aliasingu może być niespełnienie warunku Nyquista twierdzenia Kotielnikowa-Shannona. Gdy liczba próbek jest mniejsza, niż dwie na okres, mamy do czynienia wtedy z przeinaczeniem właściwym.
Łatwo o taki błąd, gdy wykonamy pomiar oscyloskopem ze zbyt małą częstotliwością próbkowania i zapamiętamy przebieg, a następnie będziemy go powiększać (rozciągać) w poziomie:
Mój analogowy miernik na działkę lub dla preppersa! Mam wymarzony miernik w metalowym pudełku. Rosyjski, oczywiście. Jest idealny, dokładnie taki szukałem.
Jakie ma zalety? Poniżej przedstawię moją listę, związaną z używaniem go na działce:
- Multimetr analogowy pozwala lepiej zdiagnozować sygnały wolnozmienne. Razem z multimetrem cyfrowym świetnie się uzupełniają.
- Metalowa obudowa zabezpiecza przez jego zjedzeniem. W końcu to działka, może sie trafić jakaś myszka. Okoliczne i zaprzyjaźnione koty w każdym bądź razie chude nie są i ciągle sie skradają.
- Pozwala na pomiar do 25 A (AcAi DC)!
- Razem z multimetrem cyfrowym mam na działce dwa mierniki, co bywa użyteczne.
- Nie wymaga zasilania bateriami (oprócz omomierza i bezpiecznika automatycznego), ale i w takim przypadku baterie wystarczają na bardzo długo.
Rezystancja wewnętrzna:
20 kV/Ω dla DC
2 kV/Ω dla AC
Napięcie AC
Zakresy 2,5 V do 1000 V.
Napięcie DC:
Zakresy 0,5 V do 1000 C
Natężenie DC:
Zakresy od 50 mA do 25 A.
Natężenie AC:
Zakresy od 250 mA do 25 A.
Rezystancja:
Do 30 MΩ
Wytrzymuje trzydziestokrotność przeciążenia danego zakresu pomiarowego, ale nie więcej niż 2 kV i 50 A.
Oscyloskopy próbkujące pozwalają na pomiary sygnałów szybkozmiennych w abstrakcyjnie szerokim paśmie częstotliwości. Okupione jest to jednak możliwością obserwacji jedynie przebiegów sygnałów powtarzalnych. Przyrządy te pobierają próbki napięcia sygnału wejściowego i zapamiętują je. Przy każdym następnym sygnale na bardzo krótki czas otwierana jest bramka wejściowa - odbywa się to z przesunięciem w czasie. Złożenie wszystkich pobranych próbek pozwala na odtworzenie sygnału wejściowego, czy to bezpośrednio za pomocą lampy oscyloskopowej, czy poprzez układy cyfrowe.
***
Oscyloskopy pracujące w czasie rzeczywistym generalnie osiągają pasmo do 20 GHz, przy próbkowaniu 100 GS/s. Dostępne są też modele o paśmie 100 GHz i próbkowani 240 GS/s - czyli mają parametry oscyloskopu próbkującego. Dlaczego więc oscyloskopy próbkujące są produkowane? Oczywiście chodzi o pieniądze. Oscyloskop próbkujący może być nawet dziesięć razy rańszy od oscyloskopu pracującego w czasie rzeczywistym. Skąd taka różnica w cenie? Porównajmy parametry: Oscyloskop czasu rzeczywistego: 20 -100 GHz, 240 GS/s, 8 bit Oscyloskop próbkujący I: 20 GHz - 100 GHz, 10 MS/s, rozdzielczość 14 bit Oscyloskop próbkujący II: 80 GHz, 300 kS/s, rozdzielczość 16 bit Oscyloskop próbkujący musi zebrać i przetworzyć znacząco mniej danych. Ponieważ ma na to mniej czasu jego przetworniki mogą mieć wyższe rozdzielczości.
***
Generalnie oscyloskop próbkujący jest wyposażony w przetworniki o maksymalnej częstotliwości próbkowania mniejszej niż pasmo przyrządu. Choć wydaje sie to złamaniem warunku Nyquista twierdzenia Kotielnikowa-Shannona to dzięki badaniu sygnałów powtarzalnych możemy wykonać próbkowanie w czasie ekwiwalentnym. Przetworniki (przetwornik) oscyloskopu pobierze w pierwszym przebiegu sygnału tyle próbek ile umożliwiają jego podzespoły, a kolejne próbki będzie gromadzić przy kolejnych badanych przebiegach. Oscylogram, który zobaczymy na ekranie będzie złożeniem wielu przebiegów zarejestrowanych przy wielu wyzwoleniach.
Przykłądowo PicoScope 9211A 12GHz 16bit oscyloskop próbkujący za 45000 zł pobiera próbki częstotliwością do 200 kHz, ponieważ w oscyloskopie próbkującym (samplingowym) najważniejsza nie jest jak dużo próbek na sekundę pobiera, tylko na jak krótki okres czasu potrafi otworzyć bramkę pobierającą próbkę. Oscyloskopy pracujące w trybie czasu ekwiwalentnego zazwyczaj mają rozdzielczość 12-14 bitów.
Próbki można pobierać na trzy sposoby:
Próbkowanie sekwencyjne
Wyzwalanie następuje w tym samym miejscu doprowadzonego sygnału, ale otwarcie bramki odbywa się z przesunięciem w stosunku do wyzwolenia. Za każdym razem czas przesunięcia wzrasta o stałą wartość.
Czasami oscyloskop pobiera próbki co kilka okresów, w zależności od parametrów przyrządu. Po prostu tańsze urządzenie nie są w stanie pobierać próbek z dużą częstotliwością. Tak często pracują rejestratory (przystawki) podłączane do komputera.
By zobrazować cały przebieg impulsu, włącznie z kompletnym zboczem wyzwalającym, należy manipulować czasem przesunięcia, odpowiednio go wydłużając. Można oczywiście skorzystać z wyzwalania zewnętrznego, jeżeli mamy dostęp do odpowiedniego sygnału wyprzedzającego.
Próbkowanie przypadkowe
Jak nazwa wskazuje próbki pobierane są losowo. Powoduje to że:
- Możemy obserwować kompletny impuls.
- Pobrane próbki mają różną gęstość.
Pobieraniu każdej próbki musi towarzyszyć zapamiętanie informacji o czasie jej pobrania, a konkretnie o odstępie czasu pomiędzy wyzwoleniem akwizycji, a pobraniem próbki.
Próbkowanie w czasie rzeczywistym
W czasie jednego przebiegu pobieranych jest wiele próbek, a każda z nich jest obrazowana na ekranie. Ten sposób akwizycji wymaga najlepszych parametrów urządzenia, ponieważ szybkość pobierania próbek musi być co najmniej dwukrotnie większa od największej częstotliwości występującej w sygnale. Dla sygnałów niepowtarzalnych ten współczynnik przyjmuje się uznaniowo od 5 do 20. Jedną z reguł dobierania oscyloskopu do potrzeb jest zasada piątej harmonicznej, lub w wariancie bardziej ekonomiczniej trzeciej harmonicznej: widoczność piątej (trzeciej) harmonicznej badanego sygnału wyznacza potrzebne pasmo przenoszenia oscyloskopu. Ilość harmonicznych, które przyrząd może zarejestrować wpływa bezpośrednio na jakość zobrazowania (i odwzorowania) sygnału badanego.
Należy pamiętać, że podstawa czasu musi odpowiadać badanemu sygnałowi. Jeżeli przyrząd nie będzie posiadać odpowiednich parametrów, to np. w oscyloskopie cyfrowym zawężone pasmo skutkuje aliasingiem.
W praktyce ten tryb nie jest często używany, głównie z powodu ograniczonej dynamiki. Praca oscyloskopu w trybie real time zazwyczaj pozwala maksymalnie zobaczyć trzecia harmoniczną - oczywiście zależnie od pasma oscyloskopu i częstotliwości badanego sygnału.
***
Oscyloskopy próbkujące, ze względu na duże pasmo, posiadają wejścia niskoomowe, najczęściej 50 Ω. Oznacza to, że najczęściej akceptowany sygnał doprowadzony do wejścia oscyloskopu zawiera sie w granicach od 1 V do 5 V.
Oscyloskopu próbkujące stosuje się w telekomunikacji, technice mikrofalowej i refraktometrii obiciowej:
- Torów przewodów metalowych (TDR, skrót od ang.: Time-Domain Reflectometer)
- Torów światłowodowych (OTDR, skrót od ang.: Optical Time-Domain Reflectometer)
Czyli wszędzie tam, gdzie bada się powtarzalne i stabilne sygnały.
Ten multimetr kupiłem tylko do kolekcji. Nie mam dla niego zastosowania w moich pracach. Nie wyróżniają go zakresy pomiarowe mierzonego należenia prądu, ani minimalne lub maksymalne mierzone napięcia. Również rezystancja wewnętrzna jest raczej standardowa i np. dla zakresów:
- 10 mV wynosi około 10 kΩ (1 MΩ/V).
- 30 mV wynosi około 30 kΩ (1 MΩ/V).
- Od 10 V wynosi około 10 MΩ.
Zakres użytkowych częstotliwości jest za to raczej skromny, jak na miernik tej klasy.
Jest to po prostu solidna polska konstrukcja o przyzwoitych parametrach, którą chce trzymać dla potomnych - w odróżnieniu od V-640 multimetr UM-110 jest polską konstrukcją.
Dwie baterie 9 V wystarczają na około 200 godzin pracy. Szkoda, że nie wykonali zasilania na bateriach AA, tak jak w GI83 lub V-640. Do tego nie lubię baterii 6F22 (6LR61)- staram się mieć mierniki zasilane LR6, co usprawnia logistykę.
Miernik posiada oryginalne plomby, więc nie chcę ich naruszyć. Sprawdzając jednak wszystkie zakresy nie zauważyłem potrzeby wprowadzania poprawek. Dlatego też nie zamieszczę zdjęć wnętrza UM-110.
Myślę, że ten multimetr został wyprodukowany w 1985 roku.
