Técnicas precisas de medición de resistencia

Esta pregunta está inspirada en algunas preguntas básicas sobre resistencias que he leído aquí últimamente.

¿Cuál es la técnica más precisa/precisa para medir el valor de una resistencia que se te ocurra? ¿Qué nivel de precisión se puede lograr en la práctica? ¿Puedes medir repetidamente una resistencia de +/- 1 micro-ohmio? +/- miliohmios? ¿Puedes distinguir de alguna manera entre una resistencia de un valor dado y resistencias en serie equivalentes? resistencias paralelas equivalentes?

Para no limitar demasiado las respuestas, pero me interesaría usar un microcontrolador más un circuito externo para tomar las medidas. Lo siento si esta es una pregunta demasiado vaga, luché para reducir el alcance. Estoy pensando en técnicas que incorporan pines GPIO y periféricos integrados como ADC y comparadores analógicos.

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Respuestas (4)

Un método común y preciso para la resistencia es la sonda de 4 puntos . El problema con una medición de resistencia estándar, usando 2 sondas, es que usa los mismos contactos para entregar corriente y medir voltaje. Esto significa que hay una caída de voltaje en las sondas mismas (así como resistencia de contacto, pero eso no se supera con un 4 puntos). Para evitar esto, se utilizan 4 sondas: 2 de ellas entregan corriente, las otras dos miden voltaje.

Esto se hace comúnmente usando costosos multímetros de banco, pero también se puede realizar con 2 multímetros decentes, una fuente de corriente y una calculadora de bolsillo. Use la fuente de corriente para dejar caer un voltaje a través de la resistencia en cuestión y mida esta corriente con un metro. Tenga en cuenta que los medidores tienen un voltaje de carga y, a menudo, no pueden medir las corrientes bajas con precisión (Dave Jones fabrica uCurrent para combatir esto). Con el otro medidor, mida la caída de voltaje en la resistencia. Calcula la resistencia con tu calculadora con la Ley de Ohm: R = V/I. Este método estará limitado por el voltaje de carga de su medidor de corriente. Descubrirá que le dará mediciones de resistencia ligeramente más bajas que si simplemente mide con 1 metro solo.

La técnica de sonda de 4 puntos se utiliza a menudo para caracterizar las obleas de Si, cuya resistividad oscila entre 10^12 y 10^18 Ωm.

@tyblu, buena respuesta, en realidad he usado un medidor de 4 hilos... ¿está sugiriendo que esta técnica puede proporcionar de 12 a 18 dígitos significativos de precisión (es decir, detectar variaciones en exceso de pico-ohmios para resistencias pequeñas)?
@vicatu, Desafortunadamente, incluso el ruido térmico supera las mediciones en ese rango. Los dispositivos usados ​​en las casas fabulosas no tienen cables, pero toman las medidas justo en las 'puntas'. También están bien protegidos contra EMI. Este es el que usé.
@tyblu fascinante, el medidor se ve bastante grande (similar a lo que he usado), ¿alguna vez ha oído hablar de implementaciones de los componentes involucrados en una medición de 4 hilos directamente 'en circuito' para evitar todos los problemas asociados con las sondas?
@tyblu sí, estoy de acuerdo en que a nadie probablemente le importaría ese tipo de precisión, solo preguntaba por curiosidad qué nivel de precisión es prácticamente posible.
@vicatu, ¿te refieres a implementar una medición de 4 puntos usando algunas de las capas de metal en el silicio? No lo he hecho, pero tampoco lo habría hecho, ya que soy joven en la industria.
He visto la caracterización de resistencias sobre configuraciones de temperatura donde se usaron conexiones Kelvin (4 hilos) porque la longitud del cable dentro y fuera de la cámara térmica era significativa.
@tyblu, por cierto, acabo de leer sobre el dispositivo uCurrent; gracias por la referencia, una lectura realmente interesante; podría tener que comprarme uno de esos :)
Ni siquiera necesita una fuente actual; solo funcionará una fuente de voltaje con una resistencia limitadora en serie.
@vicatcu: No hay un entorno en el que pueda medir 18 dígitos significativos donde el último dígito es realmente significativo. Solo piense en mantener la temperatura constante dentro de 1/1000 de grado. Simplemente no es posible. Tampoco veo ninguna razón por la que alguien quiera medir con tanta precisión. Nunca necesita más de 4 dígitos significativos.

Además de la respuesta de tyblu con respecto a la medición de 4 derivaciones, para obtener una buena precisión necesitará una excelente estabilidad/reproducción de temperatura, ya que los coeficientes pueden oscilar entre 5 y 250 ppm/K [1] , según la composición.

Además, en cuanto a:

¿Puedes distinguir de alguna manera entre una resistencia de un valor dado y resistencias en serie equivalentes? resistencias paralelas equivalentes?

Se podría considerar que las resistencias tienen millones (miles de millones, etc.) de pequeñas resistencias en ellas, en una combinación de serie y paralelo. Definir una "resistencia discreta" es bastante arbitrario, basado en propiedades mecánicas , no eléctricas.

cierto, no estaba hablando de distinguirlos física/visualmente, quería decir que de alguna manera podrías notar la diferencia indirectamente a través de la medición.
@vicatcu: Ese es mi punto, no puede determinarlo a partir de una medición de dos terminales de una "caja negra". Claro, podría escanearlo con CAT ...
El voltio se define hasta alrededor de 1nV. La precisión de la medición actual depende de la resistencia de derivación; digamos que es un medidor de "6,5 dígitos" que da una precisión de 0,5 nA. Esto proporciona una precisión de resistencia máxima de 1,5 nΩ. Parece un poco bajo. El ruido térmico es de 1 nV/50 Ω sobre un ancho de banda de 1 Hz , que dominará las mediciones.

El uso de un puente de Wheatstone podrá brindarle una precisión mucho mayor que las sondas de cuatro puntos. Es lo que se utiliza para instrumentar medidores de deformación donde el cambio mecánico en la tensión y la deformación da como resultado un cambio muy bajo en la resistencia. La única manera de medir estos pequeños cambios en la resistencia es usar un puente de piedra de trigo.

@shashtastic interesante, ¿puede dar más detalles sobre su afirmación de que es más precisa que una medición de 4 hilos?
-1: los puentes de Wheatstone brindan una precisión relativa muy buena (y en los medidores de tensión pueden multiplicar la señal x 4 si todas las resistencias dependen de la tensión), pero no brindan ninguna ventaja en la precisión absoluta a menos que conozca las resistencias de referencia en el puente. Tampoco brindan ayuda con las mediciones de resistencia de bajo ohmio, donde la resistencia de conexión puede ser significativa.
  • La precisión máxima de la medición de resistencia está limitada por el estándar de resistencia basado en Quantum Hall (ahora aceptado internacionalmente), que ahora es de aproximadamente 0,02 ppm (parte por millón) = 2/100 000 000; = 0,000002%.
  • Los buenos laboratorios nacionales, por ejemplo, NIST, miden las resistencias especiales (de estabilidad) de 1 ohmio y 10 kOhm del cliente a 0,05 ppm (tengo una, calibrada a 0,05 ppm :-)). La estabilidad de las mejores resistencias estándar primarias es de 0,05 a 0,2 ppm/año, cuando se manipulan correctamente (no se exponen a temperaturas elevadas ni a choques térmicos/mecánicos). El precio de la resistencia/medida es del orden de 1,5k$. Para evitar la influencia de la temperatura, las resistencias de manganina se mantienen en un baño de temperatura de 25,00 °C durante la medición.
  • Los puentes de buena calidad y los multímetros de 8,5 dígitos permiten medir con una precisión de 3 a 15 ppm (limitada por la deriva con el tiempo de 3 a 10 ppm/año). Pero permiten la comparación de resistencias con una incertidumbre de 0,1 ..0,5 ppm. Por lo tanto, tener un buen estándar de resistencia permite una mejor precisión. Las resistencias estándar secundarias (por ejemplo, tipo Rosa (hechas de manganina), las antiguas se venden por alrededor de 80 $) tienen una deriva anual de 0,3 ... 3 ppm/año, TC -20 ... +20 ppm/grado (dependiendo de la temperatura). Las resistencias hechas de Evanohm tienen un coeficiente de temperatura más bajo <3 ppm, pero tienen un EMF más alto que el cobre.
  • Los principales límites de precisión en las mediciones de resistencia se deben a la deriva de las resistencias con el tiempo, la temperatura y la humedad. Para resistencias de bajo valor <10 kOhm) se deben usar conexiones de cuatro cables y métodos para evitar caídas de voltaje en los cables de conexión. La medición de precisión de resistencias de alto valor (>1 MOhm) requiere circuitos de protección especiales para evitar fugas.
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