歐姆定律對電流精確測量造成缺憾的解決方案

　　導讀：在眾多測量工作中，需要對電壓和電流進(jìn)行精確測量，并根據測量結果來(lái)計算器件功率及其它電氣參數，例如功率效率測試和電池功耗分析等。

　　這些測量往往需要總誤差達到甚至低于0.1%的測量精度。但實(shí)際過(guò)程中，總測量精度會(huì )受限于測量過(guò)程中的若干個(gè)因素的制約，包括分流器、引線(xiàn)、測量環(huán)境、以及數字萬(wàn)用表本身。

　　數字萬(wàn)用表可對電流進(jìn)行非常精確的測量，但是當電流超過(guò)10A時(shí)，許多數字萬(wàn)用表內置電流表的量程可能就不夠用了。這時(shí)人們可能會(huì )采用卡鉗式電流探頭測量電流。這個(gè)方法的使用方便，但精度有限，大約0.5%~1%，而且短時(shí)間內就會(huì )產(chǎn)生漂移，必須經(jīng)常進(jìn)行手動(dòng)歸零。因此，要測量幾十至上百安培的電流，工程師通常使用分流電阻，構建定制解決方案，利用歐姆定律，通過(guò)分流電阻值和測量的壓降，計算出電流值。但是這種方法會(huì )引入許多誤差，必須花費大量精力使用外部手段驗證測試結果，但即使這樣，也很難確定最終的精度。因此，大電流和動(dòng)態(tài)電流的精確測量，是非常具有挑戰性的。

　　缺陷原因

　　市場(chǎng)上常見(jiàn)的高精度電阻分流器的標稱(chēng)技術(shù)指標可以達到0.5%，甚至有些可低至0.1%的誤差。但即便只有0.1%誤差的分流器，在未考慮其它可能引入的誤差之前，就會(huì )讓我們難以實(shí)現0.1%總測量誤差的目標。更為嚴重的是，由于分流器的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度發(fā)生變化，而我們無(wú)法調整它的絕對電阻值來(lái)校準它，而必須進(jìn)行更多的表征。同時(shí)，必須用高精度的萬(wàn)用表來(lái)測量電壓和電阻的變化。普通的數字萬(wàn)用表由于分辨率的限制，不能直接用于精確表征毫歐級的分流器。

　　那么，如何來(lái)精確表征一個(gè)分流器呢?一種方法是將其與預先表征過(guò)的分流器串聯(lián)，使用程控電源為該串聯(lián)電路施加電流。使用串聯(lián)電路中已知特性的分流器來(lái)測量電流，再測量需要表征的分流器上的電壓，便可計算出這個(gè)分流器的電阻。在表征過(guò)程中，您必須等待分流器達到熱平衡，以獲取這個(gè)分流器受溫度影響而發(fā)生的變化值。在一個(gè)電流值完成表征后，隨即需要按一定的步進(jìn)提高電流值，再重復這個(gè)過(guò)程，直到最大的預期電流值，以表征分流器逐漸增加的自熱效應。這個(gè)過(guò)程極其耗時(shí)耗力。

　　有一點(diǎn)必須考慮的是，鑒于分流器的電阻值僅為毫歐級，所以電路引線(xiàn)中的電阻也不容忽視。在使用10m?分流器時(shí)，即使引線(xiàn)額外增加僅僅10??電阻，也會(huì )導致誤差增加0.1%.為了預防引線(xiàn)電阻值加到被表征的分流器電阻值上，從而影響測量結果，應該使用4線(xiàn)Kelvin連接方法。

　　圖1：利用Kelvin 4線(xiàn)連接的分流電阻器。

　　溫度變化引入的誤差：

　　當溫度變化時(shí)，所有電阻器的值都會(huì )發(fā)生或多或少的漂移(圖2)。這種效應被量化為電阻溫度系數(TCR)，單位通常為ppm/℃(見(jiàn)公式1)。普通銅線(xiàn)的TCR大約為4000ppm/℃。精密型分流器使用特殊合金進(jìn)行補償，將TCR降低到最低水平，可以實(shí)現10ppm或更出色的性能。然而，TCR絕不會(huì )減小到0，所以您必須計算其效應，特別是在電阻器功耗達到數瓦的時(shí)候，以確保環(huán)境溫度變化或自熱導致的溫度上升不會(huì )損害測量精度。對于25ppm電阻器，溫度每上升40℃，誤差將增加0.1%.此外，由于電阻隨溫度而改變，在電流發(fā)生變化之后，分流器兩端電壓的顯示值需要很長(cháng)的時(shí)間才能穩定下來(lái)，直到分流器達到熱平衡。熱穩定時(shí)間取決于分流器材料的形狀、質(zhì)量和熱導率。對于物理尺寸較大的器件，它們可能長(cháng)達幾分鐘。由于等待分流器溫度穩定需要時(shí)間，這將會(huì )嚴重影響測試速度。

　　圖2：分流電阻的熱漂移。