Milliohmmeter-Adapter: Nutzen Sie die Präzision Ihres Multimeters

Manchmal müssen Sie niedrige Widerstandswerte bis hinab in den Milliohm-Bereich messen. Ein Beispiel dafür ist das Auffinden eines Kurzschlusses auf einer Platine, aber auch das Prüfen von elektrischen Kontakten, Kabeln und Widerständen von Spulenwicklungen ist nützlich. Mit dem unten vorgestellten Adapter können Sie dies zusammen mit dem Multimeter tun, das Sie bereits besitzen.   

Herangehensweise

Multimeter sind handliche Geräte, die grundlegende elektrische Größen wie Spannung, Strom und Widerstand messen. Eine detaillierte Beschreibung dürfte hier überflüssig sein, da Sie bestimmt ein solches Gerät in Ihrem Labor haben und es anwenden. Normalerweise können damit Spannungen und Ströme bis aufs Millivolt und Mikroampere genau gemessen werden, aber Widerstandsmessungen enden oft bei 1 Ω.

Es gibt jedoch Situationen, in denen Sie niedrigere Widerstandswerte bis hinunter in den Milliohm-Bereich messen müssen. Ein Beispiel ist das Auffinden eines Kurzschlusses auf einer Platine, aber auch das Prüfen von elektrischen Kontakten, Kabeln und Wicklungswiderständen. Aus diesem Grund habe ich beschlossen, mein eigenes Milliohmmeter zu bauen.

Zunächst stellte ich mir ein Alleskönner-Messgerät mit einem Display und erweiterten Funktionen vor, aber bei meinen Recherchen zu diesem Thema stieß ich auf eine Applikationsschrift von Analog Devices. Diese einfache Schaltung verwendet ein Multimeter als Anzeige, was den Entwurf erheblich vereinfacht. Bei weiteren Nachforschungen fand ich schließlich auch ein Elektor-Projekt aus dem Jahr 1992, das möglicherweise oder augenscheinlich die Hauptinspiration für die Applikationsschrift von Dallas Semiconductor (2001 von Maxim und später von Analog Devices im Jahr 2021 übernommen) aus dem Jahr 1998 war. Damit war die Sache klar. Anstatt etwas völlig Neues zu entwerfen, und in dem Wissen, auf den Schultern von Giganten zu stehen, sollte lediglich die Schaltung der Applikationsschrift modernisiert werden.

Die Schaltung

Der daraus resultierende Schaltplan ist in Bild 1 dargestellt. Wie Sie sehen können, ist er recht einfach und nicht besonders kreativ, da es sich nur um eine aktualisierte Kopie des Originals handelt. Im Wesentlichen handelt es sich um eine einstellbare Stromquelle mit drei wählbaren Einstellungen: 1 A, 100 mA und 10 mA. Daraus ergeben sich die drei entsprechenden Messbereiche 1 mΩ/mV, 10 mΩ/mV und 100 mΩ/mV.

Der Schalter S2 ist der Bereichswahlschalter. Dieser Schiebeschalter (2P3T oder DP3T) ist im Internet als Ersatzteil für Haartrockner erhältlich. Überprüfen Sie die Abmessungen, bevor Sie ihn bestellen, da es anscheinend mehrere Varianten mit der gleichen Bezeichnung gibt. Eine Alternative ist der L203011MS02 von C&K, der ebenfalls auf die Platine passt.

Der Strom wird über K1 zu dem zu prüfenden Widerstand geführt, zum Beispiel an ein Kabel, einen Schaltkontakt, eine Leiterbahn oder (sic!) einen Widerstand. Dieser Strom erzeugt einen Spannungsabfall über dem Widerstand, der mit einem Multimeter im Millivoltbereich gemessen werden kann. In gewisser Weise dient dies als praktische Demonstration des Ohmschen Gesetzes.

Beachten Sie, dass der Milliohmmeter-Adapter nur für die gelegentliche Anwendung gedacht ist. Wenn Sie häufig solche Messungen vornehmen wollen oder müssen, ist es wahrscheinlich besser, in ein spezielles Milliohmmeter zu investieren.

Programmierbare Stromquelle

Die Stromquelle ist eine klassische Schaltung, die mit IC2 und T1 aufgebaut ist. Der Widerstand zwischen der Source von T1 und GND bestimmt die Höhe des Stroms. Die Spannung an der Source von T1 sollte auf 100 mV eingestellt werden, um eine Skalierung von 10^x mΩ/mV zu erhalten (wobei x eine ganze Zahl ist). IC1 liefert die Referenzspannung, die mit P1 eingestellt werden kann.

IC2 sollte eine niedrige Eingangsoffsetspannung haben. Der Schaltplan zeigt einen MCP6401, der eine spezifizierte Eingangsoffsetspannung von 0,8 mV besitzt. Ich habe auch den MAX4238 (0,1 µV) und den LTC2054 (0,5 µV) ausprobiert, konnte aber keinen Unterschied in der Leistung feststellen, nur im Preis. Diese Operationsverstärker werden alle in pinkompatiblen SOT-23-Gehäusen geliefert (6-polig der MAX4238, 5-polig die anderen) und können daher ohne Änderung der Platine montiert werden.

Batteriebetrieb

Der Milliohmmeter-Adapter wird von zwei 1,5-V-AA-Zellen versorgt (Bild 2). Da die Stromversorgung nur dann erfolgt, wenn eine der Testtasten gedrückt wird, werden sie ein langes und glückliches Leben haben. BAT2 hat es etwas schwerer, vor allem in der 1 mΩ/mV-Stellung, wenn die Batterie einen Strom von 1 A liefern muss. In den meisten Fällen dauert ein Test jedoch nie länger als ein paar Sekunden, so dass sich ihr Leiden in Grenzen hält. Ich habe sie während meiner zahlreichen Versuche nicht ein einziges Mal austauschen müssen. Eine Monozelle böte zwar eine längere Lebensdauer, aber sie passt nicht auf die Platine.

Aus rein ergonomischen Gründen gibt es zwei Test-Tasten, S1 und S101, die an entgegengesetzten Enden der Platine angebracht sind. Es bleibt Ihnen überlassen, welche Position Sie bevorzugen.

Zusammenbau des Adapters

Wie bereits mehrfach erwähnt, wurde eine Platine entwickelt, die allen Bauteilen einschließlich der Batterien Platz bietet. Sie passt in eine Schale eines preisgünstigen Hammond-Kunststoffgehäuses vom Typ 1593N. Diese Anordnung schützt die unten auf der Platine montierten Bauteile (Bild 3), während die Batterien, der Bereichsschiebeschalter und die Testanschlüsse zugänglich bleiben.

Auf der Platine befinden sich mehrere Löcher zur Befestigung des BAT1-Halters mit einer Schraubverbindung. Es wird dringend empfohlen, die Verschraubung fest anzuziehen oder besser noch mit einem Schraubenkleber wie Loctite zu fixieren, da jede Bewegung des Adapters mit der Zeit unweigerlich zu einer wackelnden Halterung führt.

Kalibrierung

Auf der Platine ist Platz für die drei Kalibrierwiderstände R14, R15 und R16, einen für jeden Bereich. Für diese Widerstände sollten 0,1-%-Typen verwendet werden, was eine präzise Kalibrierung des Adapters ermöglicht. Der erste Teil des Kalibrierungsverfahrens ist einfach: Schieben Sie den Schalter S2 in die Position 1 mΩ/mV (1 A, am nächsten zu K1), verbinden Sie den 0,1-Ω-Kalibrierwiderstand R14 mit kurzen Messleitungen mit den Kontakten in A und in B und schließen Sie ein Multimeter an den Kontakten out A und out B an, um den Spannungsabfall über dem Widerstand zu messen. Drücken Sie auf eine Test-Taste und stellen Sie P1 so ein, dass Sie einen Wert von 100 mV ablesen.

Die Kalibrierung der beiden anderen Bereiche ist etwas komplizierter. Es empfiehlt sich, zunächst nur R8 und R11 einzulöten. Schließen Sie eine Widerstandsdekade oder ein Trimmpoti parallel zu R8 an und stellen Sie S2 auf die 100-mA-Position (Mitte). Verbinden Sie die Messleitungen mit dem Kalibrierwiderstand R15 und schließen Sie wie beschrieben ein Multimeter an. Drücken Sie die Test-Taste und stellen Sie die Widerstandsdekade oder das Trimmpoti so ein, dass Sie einen Wert von 100 mV ablesen. Messen Sie jetzt den Widerstand des Potis oder der Widerstandsdekade und bestücken Sie die freien Plätze für R9 und R10 mit passenden Parallelkombinationen von jeweils zwei Festwiderständen. Der 10-mA-Bereich wird auf die gleiche Weise kalibriert, aber jetzt mit R16, R12 und R13.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur den 1-A-Bereich zu kalibrieren. Dann misst man für die beiden anderen Bereiche zunächst einen bekannten Widerstand und dividiert den tatsächlichen Wert durch den gemessenen Wert. Dies ist der Korrekturfaktor. Anschließend messen Sie den unbekannten Widerstand und multiplizieren ihn mit dem Korrekturfaktor. Schließlich wird der Bereichsmultiplikator angewendet.

Beispiel: Angenommen, Sie haben einen Referenzwiderstand mit einem bekannten Wert von 18 Ω. Bei der Messung in der Position 100 mΩ/mV ergeben sich jedoch 169,8 mV, was 16,98 Ω entspricht. Der Korrekturfaktor beträgt also 18/16,98 = 1,06. Als nächstes messen Sie einen unbekannten Widerstand und finden einen Wert von 258,58 mV. Multipliziert mit dem Korrekturfaktor ergibt dies 274,09 mV, und nach Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor erhalten Sie 27,41 Ω.

Verwirrt? Die gute Nachricht ist, dass Sie den Adapter nur dann vollständig kalibrieren müssen, wenn Sie hochgenaue Widerstandsmessungen vornehmen wollen. Aber dann müssen Sie auch ein ebenso genaues Multimeter verwenden. Bei der Suche nach Kurzschlüssen oder der Prüfung von Schaltkontakten und vielen anderen Anwendungen ist der absolute Wert weniger wichtig als der relative. Bei der Suche nach einem Kurzschluss brauchen Sie einfach nur den niedrigsten Wert zu finden, egal wie hoch er ist. Eine Anleitung zum Auffinden von Kurzschlüssen auf einer Platine finden Sie unter.

Verwendung des Milliohmmeter-Adapters

Der Milliohmmeter-Adapter verwendet eine als Kelvin- oder Thomson-Schaltung bekannte 4-Draht-Brücke zur Widerstandsmessung. Das Gerät speist den Strom in den zu prüfenden Widerstand ein, und dann wird der Spannungsabfall über dem Widerstand mit einem Multimeter gemessen. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass der Widerstand der Multimeterleitungen und deren Anschlüsse kaum eine Rolle spielt, was zu genaueren Messwerten führt.

Die Leitungen des Multimeters müssen so nahe wie möglich an den Kontakten des zu prüfenden Widerstands liegen, um auch den Leitungswiderstand der Bauteile zu eliminieren. Die Platzierung der Adapterkabel ist nicht wichtig (Bild 4). Allerdings sollten die Leitungen vom Adapter zum zu prüfenden Widerstand so kurz wie möglich sein. Lange Messleitungen mit Bananensteckern bringen den Adapter sehr wahrscheinlich zum Oszillieren und die erhaltenen Messwerte sind dann unbrauchbar. Wenn Sie unerwartete Werte feststellen, überprüfen Sie deshalb die Messleitungen.

Stellen Sie das Multimeter auf den Millivoltbereich ein, damit der Widerstandswert in Millivolt angezeigt wird. Multiplizieren Sie die Messwerte je nach Stellung des Schiebeschalters mit 1, 10 oder 100, um die Werte in Milliohm umzurechnen. Wird beispielsweise ein Wert von 123 mV mit dem Schalter in der Stellung 10 mΩ/mV angezeigt, beträgt der Widerstand 1.230 mΩ oder 1,23 Ω. Befindet sich der Schalter dagegen in Stellung 100 mΩ/mV, beträgt der Widerstand 12.300 mΩ, also 12,3 Ω.

Offen für Experimente

Für diejenigen, die mit der Schaltung experimentieren möchten, wurden an strategischen Positionen Testpunkte vorgesehen. TP4 ist für den 1-mΩ-Bereich (1m) und TP5 ist für den 10-mΩ-Bereich (10m) zuständig. Die Widerstände R5 und R6 ermöglichen es, die Leistungsstufe vom Ausgang des Operationsverstärkers zu trennen. Mit R5 und C2 können Sie einen Tiefpass als Rauschfilter aufbauen, falls Sie eines benötigen (was recht unwahrscheinlich sein dürfte). C1 ist ein optionaler Entkopplungskondensator. Er wird nicht benötigt, wenn die Stromversorgung über Batterien erfolgt. Weitere Testpunkte auf dem Board finden Sie an strategisch wichtigen Positionen, einschließlich Masse. Das KiCad-Projekt ist verfügbar unter.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel (240340-02) erscheint in Elektor Mai/Juni 2025.

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