高靈敏度交/直流電流探棒之研製 – 可以清晰觀測最小電流1uA

SMH0219

隨著電池供電設備和積體電路變得愈來愈環保且高效能，工程師迫切需要高靈敏度的微安培電流量測功能，以確保電流消耗處於可接受範圍內。Keysight N2820A 交流/直流電流探棒靈敏度超高，可在示波器上實現 50 uA 至 5 A 的量測範圍，能夠滿足當前嚴苛的電流量測需求, 不過...價格就是貴啊！



另外, 還有一款是EEVBlog的 µCurrent™ GOLD, 是用於萬用電錶納安級電流測量,唯缺點是只能適用於萬用電錶, 而不能接在示波器, 原因是 µCurrent的負端不能接至示波器的接地端, 這對使用者來說是一大限制.

於是, 動起念來想要改善它, 估計有人對它有興趣, 其原理本身就是一個簡單的電路，是利用了“歐姆定律”，可以說是電子電路的基礎。串聯插入一個用於電流檢測的電阻，利用歐姆定律將電阻的壓降轉換成電流值，進行電流檢測。

     分流電阻器是用於測量和檢測電流的電子元件。電阻值範圍從100μΩ到幾百mΩ，最常用的電阻值是幾mΩ到幾百mΩ。理想情況下，應該使用盡可能低阻值的分流電阻，但實際上，需根據運算放大器的放大倍率和要檢測的電流值來選擇它。尤其是低電阻，壓降量小，單晶片很難偵測到電壓，因此需要使用輸入失調電壓較小的高精度運算放大器來偵測電流。

將分流電阻連接到差動放大器電路

原則上，使用分流電阻的電流檢測電路是僅測量電壓的簡單電路。然而，由於分流電阻的壓降很小，因此需要製作能夠高精度放大電壓的電路。因此，使用運算放大器的差動放大器電路。

對於用於電流檢測的運算放大器，請使用具有低輸入失調電壓的高精度運算放大器。由於在檢測小電壓時失調電壓會導致測量誤差，因此請使用具有盡可能低的失調電壓的“高精度運算放大器”，或自動調整輸入失調電壓的“零漂移放大器”。

啟動高靈敏度電流探棒之研發專案

繼上回完成了20A電流探棒, 其最小可量測電流僅達10mA, 有需要再接再勵接著開發uA微安培等級的電流探棒,

下圖為此探棒的方塊圖

PCB

PCB

面板



成品



以下是對電流探棒進行驗證測試:
使用設備: 電流基準產生器, Fluke DMM, 示波器
測試方法: 電流基準產生器輸出5uA~100mA, 將DMM與電流探棒串接, 示波器觀察輸出的電壓.

1. 100mA實測:

     設定電流檔: 10mA/V,  輸入電流100mA, 示波器顯示應為10V → PASS

2. 10mA實測:

     設定電流檔: 1mA/V,  輸入電流10mA, 示波器顯示應為10V → PASS

3. 1mA實測:

     設定電流檔: 100uA/V,  輸入電流1mA, 示波器顯示應為10V → PASS

4. 100UA實測:

     設定電流檔: 10uA/V,  輸入電流100uA, 示波器顯示應為10V → PASS

5. 10UA實測:

     設定電流檔: 1uA/V,  輸入電流10uA, 示波器顯示應為10V → PASS

6. 5uA實測:

     設定電流檔: 1uA/V,  輸入電流5uA, 示波器顯示應為5V → PASS

總結:

因電流基準產生器最小輸出5uA, 故更小的電流無法再測得, 初估此電流探棒應能測量1uA以下之微小電流.

後記: 當在試作多片PCBA時, 利用曲線追蹤器來Debug PCB是最佳利器, 因手焊容易造成空焊或是二極體接反, 從曲線的對比能夠快速找出問題點, 請參見Youtube影片