Возможно, наиболее распространенными приложениями для очень низкоомных резисторов (например, миллиомы и меньше) являются схемы контроля тока, где их низкое сопротивление снижает потери мощности. Для этих приложений вполне достаточно допусков порядка 10%-20%. Но даже при таких допусках точное измерение очень малых значений сопротивлений может быть довольно сложной задачей, особенно при больших токах.
Схема, показанная на Рисунке 1, обеспечивает решение этой проблемы путем подачи импульсов с малым коэффициентом заполнения на неизвестный резистор и на эталонный резистор известного сопротивления. Для сравнения отклика двух компонентов и определения сопротивления тестируемого резистора используется логометрический метод.
 |
|
| Рисунок 1. | Эта схема позволяет точно измерять очень низкие значения сопротивлений путем подачи импульсов с малым коэффициентом заполнения на неизвестный резистор и на эталонный резистор с известным сопротивлением. |
Для измерений сигналов на выходах V1 и V2, необходимых для расчета точных значений сопротивления, можно использовать обычный осциллограф или же импульсный вольтметр, который может обеспечить более высокую точность.
В схеме используется почтенный таймер 555, работающий в автоколебательном режиме для генерации импульсов, которые используются для заряда и разряда малоиндуктивного конденсатора C2. Во время цикла разряда ток проходит через прецизионный стандартный резистор R6 и измеряемое сопротивление RX. Значение сопротивления можно рассчитать из соотношения соответствующих напряжений:
где V1 и V2 – пиковые значения напряжений.
Отсюда неизвестное значение равно:
Полоса пропускания осциллографа или вольтметра должна быть достаточно большой, чтобы улавливать короткие импульсы, создаваемые схемой. Некоторые осциллографы не обеспечивают достаточной яркости из-за очень большого отношения длительности периода генератора на микросхеме 555 к длительности импульса.
Схема также может использоваться для управления другими низкоомными нагрузками, требующими импульсов тока большой амплитуды и малой длительности, таких, например, как полупроводниковые лазеры.
Компоненты, использованные в измерительной схеме
Импульс Sync (вывод 3 микросхемы U1) облегчает более раннюю синхронизацию осциллографа. Задержка между импульсом синхронизации и выходным импульсом может позволить осциллографу захватить фронт импульса, поскольку у некоторых осциллографов может не быть линии задержки в канале Y, что делает очень крутые фронты неотображаемыми. Эта задержка определяется постоянной времени R3•C3. Емкость C3 может находиться в диапазоне 20-500 пФ (или даже больше), в зависимости от используемой скорости развертки и самого осциллографа.
Для обеспечения большого тока заряда емкости затвора транзистора Q1 и быстрого включения, что необходимо для точных измерений, используется драйвер MOSFET U2 (TC4422A).
MOSFET Q1 имеет очень низкое сопротивление открытого канала (менее 3 Ом), обеспечивающий чистый импульс большой амплитуды. Быстродействующий диод D2 ограничивает выбросы напряжения на стоке Q1. Примечание: большие токи, возникающие в этой части схемы, требуют особого внимания, как к выбору компонентов, так и к разводке печатной платы. Подробности см. ниже в разделах Выбор компонентов и Конструкция.
Короткие и мощные импульсы тока в схеме также порождают широкий спектральный отклик в частотной области. Поэтому необходимо уделять особое внимание минимизации паразитных индуктивных и емкостных нагрузок, иначе большие уровни реактивных сопротивлений будут приводить к возникновению колебаний в различных частях схемы. Практические рекомендации, которые необходимо знать, чтобы свести к минимуму эти нежелательные паразитные параметры, описаны в разделе Конструкция этой статьи.
Выбор компонентов
Настоятельно рекомендуется использовать в схеме компоненты для поверхностного монтажа. В некоторых конденсаторах, даже пленочных, может происходить пьезоэлектрическое смещение диэлектрических слоев при воздействии на них резких сильных импульсов тока, подобных тем, которые воздействуют на C2. Иногда от таких конденсаторов даже слышно вполне различимое «тиканье», что говорит о высоком уровне потерь из-за пьезоэффекта. В этом случае можно считать лучшим компонент с более низким уровнем «тиков».
В качестве эталонного сопротивления (R6) использовался 1-процентный резистор LOB-3 сопротивлением 5 мОм.
Благодаря логометрическому методу измерения, используемому в схеме, допуски номиналов большинства компонентов не очень критичны, но особое внимание следует уделять их стабильности и конструкции. Например, емкость конденсатора С2 не критична, но она должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить относительно длинный импульс тока, хорошо наблюдаемым с помощью осциллографа или вольтметра.
Этот конденсатор должен быть многослойным фольговым или керамическим с низкими значениями паразитного сопротивления и индуктивности. Следует избегать использования многих типов конденсаторов, особенно керамических, если их емкость зависит от приложенного напряжения. При необходимости для получения желаемой емкости несколько конденсаторов могут быть соединены параллельно.
Подходящими MOSFET с низкими сопротивлениями открытых каналов могут быть CSD16321Q5 или IRLx8743. Однако такие устройства часто имеют сравнительно низкое пробивное напряжение сток-исток и затвор-исток (всего 8 В для CSD16321Q5) – потенциально слабое место, которое следует учитывать при любых вносимых изменениях.
Другим потенциальным ограничением является максимальный ток стока MOSFET. Оба эти параметра влияют на нижний предел измерений схемы.
Для снижения уровня паразитных колебаний резистор R6 и конденсатор С4 должны иметь очень малые индуктивности – как самих компонентов, так и дорожек платы, к которым они подключены.
Конструкция
Проводники печатной платы, идущие к резистору R6 и конденсатору C4, должны быть короткими и разведены так, чтобы свести к минимуму паразитные реактивные сопротивления, которые могут привести к локальным резонансам, вызванным импульсами тока. Если разводка схемы не соответствует этому требованию, максимально допустимое напряжение MOSFET Q1 может быть легко превышено. Например при емкостной нагрузке 6 нФ (емкость затвора) время нарастания/спада на выходе драйвера TC4422A может быть меньше 25 нс; что в сочетании с большим током через индуктивности (порядка 100 А) может приводить к возникновению напряжений, способных повредить практически любой MOSFET.
Обратите внимание на проводники, выделенные на схеме жирными линиями – они должны быть достаточно широкими, чтобы пропускать большие токи, и как можно более короткими, чтобы свести к минимуму паразитные индуктивности. Это особенно важно для дорожки, соединяющей затвор Q1 с драйвером (U2, вывод 6), которая должна быть меньше одного дюйма. Ферритовая шайба на этой дорожке (B) может помочь подавить нежелательные колебания.
По той же причине длины соединений обоих резисторов RX и R6 должны быть сделаны по возможности одинаковыми. Они также должны быть максимально короткими, чтобы свести к минимуму индуктивности и падения напряжений.
Все внешние подключения к схеме должны выполняться с учетом основных требований проектирования высокочастотных устройств. Например, необходимо использовать 50-омные коаксиальные кабели с хорошим согласованием импедансов на обоих концах.
