Übersicht über Kelvin-Verbindungen
Übersicht über Methoden und Techniken zur Erzielung hochgenauer Messwerte bei niedrigen Widerständen
Aktualisiert im Juli 2024
Kelvin-Verbindungen und Testmessungen
Kelvin-Verbindungen, auch als Vierpol-Messungen oder Kelvin-Messungen bezeichnet, sind eine Methode zur hochpräzisen Messung des elektrischen Widerstands, insbesondere in Szenarien mit geringem Widerstand.
Diese gängige Technik ist wichtig, um die mit Kontakt- und Leitungswiderständen in Messaufbauten verbundenen Fehler zu minimieren.
Hier ein Überblick über Prinzip, Anwendung und Vorteile von Kelvin-Schaltungen.
Um den Widerstand einer Komponente zu messen, wird über einen Satz Prüfleitungen ein Prüfstrom durch die Komponente geleitet.
Anschließend misst das Messgerät die Spannung an seinen Anschlüssen, um den Widerstandswert der Komponente zu ermitteln.
1. Zweidrahtverbindungen
Bei jeder Messung in der Praxis hängt der Widerstandswert jedoch vom Widerstand der Prüfleitungen und dem Kontaktwiderstand aller verwendeten Verbindungen ab.
Der Leitungswiderstand und der Kontaktwiderstand verursachen einen kleinen Spannungsabfall, der normalerweise als vernachlässigbar angesehen werden kann, wenn der UUT-Widerstand viel höher als diese „Fehler“-Widerstände ist.
Das Problem bei der Zweileitermethode besteht darin, dass beim Messen kleiner Widerstandswerte, typischerweise 1Ω oder weniger, der Widerstand der Prüfleitungen zusätzlich zum Spannungsabfall über dem Bauteil einen relativ großen Spannungsabfall verursacht (siehe rechts).
Die vom Messgerät gemessene Spannung entspricht daher nicht dem tatsächlichen Wert der Spannung über der Komponente, die Sie messen möchten.
Betrachten Sie den Ersatzschaltkreis zur Messung eines Widerstandes R(uut)
- Die Quelle ist auf konstant 1 Ampere eingestellt
- Nehmen Sie an, dass der kombinierte Kontakt- und Leitungswiderstand 0,1 Ohm beträgt
- Bei der Messung von R(uut) = 0,1 Ohm Widerstand
V = IR, also
Der Prüfling hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Der Kontaktwiderstand + Leitungswiderstand hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Das DMM-Voltmeter erkennt dies insgesamt als einen Abfall von 0,2 Volt .
- Das DMM berechnet den Widerstand aus R=V/I = 0,2 OHMS!
Also das Doppelte des tatsächlichen Werts, den wir messen möchten.
Wiederholen Sie das Gleiche, aber bei der Messung eines 10-Ohm-Widerstands
V = IR, also
Der Prüfling hat einen Spannungsabfall von 10 Volt
Der Kontaktwiderstand + Leitungswiderstand hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Das DMM-Voltmeter erkennt dies insgesamt als einen Abfall von 10,1 Volt.
- Das DMM berechnet den Widerstand aus R=V/I = 10,1 OHMS!
Also 1 % über dem tatsächlichen Wert, den wir messen möchten.
Wenn der tatsächliche Widerstand des zu messenden Prüflings steigt, werden die Kontakt- und Leitungsverluste weniger signifikant, sind aber immer noch vorhanden.
2. Vierleiterverbindungen
Aufgrund der Einschränkungen der Zweileitermethode wird für Messungen mit geringem Widerstand im Allgemeinen die Vierleitermethode (Kelvin) bevorzugt.
Diese Messungen können mit einer separaten Stromquelle und einem Voltmeter durchgeführt werden.
Bei dieser Konfiguration wird der Prüfstrom über einen Satz Prüfleitungen (Stromleitungen) durch den Prüfwiderstand geleitet, während die Spannung über der zu prüfenden Komponente über einen zweiten Satz Leitungen (Messleitungen) gemessen wird.
Der Strom ist im gesamten Strompfad gleich, auch wenn aufgrund der Leitungs- und Übergangswiderstände ein gewisser Spannungsabfall auftritt.
Obwohl möglicherweise ein geringer Strom durch das Sensorpaar fließt, ist dieser normalerweise vernachlässigbar (pA oder weniger), da die Impedanz des verwendeten Spannungsmessgeräts sehr hoch ist.
Da der Strom im Sensorleitungspfad nahe Null liegt, verursachen der Drahtwiderstand und der Kontaktwiderstand keinen Spannungsabfall im Spannungsmesspfad.
Der vom Voltmeter gemessene Spannungsabfall entspricht daher im Wesentlichen der Spannung über dem Prüfwiderstand.
Der Widerstandswert lässt sich somit wesentlich genauer ermitteln als mit der Zweileitermethode.
Betrachten Sie nun diese neue Schaltung für eine 4-Leiter-Kelvin-Schaltung zur Messung eines Widerstandes R(uut)
- Die Quelle ist auf konstant 1 Ampere eingestellt
- Nehmen Sie an, dass der kombinierte Kontakt- und Leitungswiderstand immer noch 0,1 Ohm beträgt
- Bei der Messung von R(uut) = 0,1 Ohm Widerstand
V = IR, also
Der Prüfling hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Der Kontaktwiderstand + Leitungswiderstand weist keinen Spannungsabfall auf, da in diesem Messpfad kein Strom fließt.
Das DMM-Voltmeter erkennt den Spannungsabfall über R(uut) nur als 0,1-Volt- Abfall.
- Das DMM berechnet den Widerstand aus R=V/I = 0,1 OHM.
Diesmal treten praktisch keine Fehler durch Leitungs- und Übergangswiderstände auf.
3. Halbkelvin-Verbindungen.
Viele Test- und Gerätehersteller verwenden Verbindungen zum zu testenden Gerät, bei denen es sich nicht um „echte“ Kelvin, sondern um „Halb“-Kelvin handelt.
Dies lässt sich am besten hier anhand der Verwendung von Federsonden veranschaulichen.
Es ist ersichtlich, dass die Federsonde keine echte Kelvin-Verbindung herstellt, da die vier Drähte an der Sondenbuchse enden und nicht am Kontaktpunkt mit der UUT.
Dadurch wird der Effekt des Drahtwiderstands eliminiert, jedoch nicht der Kontaktwiderstand.
Wenn der Kontaktwiderstand niedrig genug ist, kann dies ein akzeptabler Kompromiss sein.
Zusätzliche Faktoren wie physische Platzierung, Pin-Abstand und Topologie können eine Halbkelvin-Lösung für den Einsatz akzeptabel machen.
Um „echte“ Kelvinwerte zu erreichen, muss jede Strom- und Sensorleitung direkt mit der Leitung der Testkomponente und so nah wie möglich an der Testkomponente selbst verbunden werden.
4. Echte Kelvin-Verbindungen
Wie bereits erläutert, stellt echte Kelvin-Einheiten die ideale Verbindungsmethode zum Messen von Widerständen <1 Ω dar.
Beim Entwurf einer Prüfvorrichtung muss jedoch der mechanische Aspekt der Verbindungsmethode berücksichtigt werden.
In diesem Fall können Federsonden eine Alternative zu Kelvinblättern darstellen.
Allerdings muss der Strom durch die zu prüfende Komponente dann auch durch die Federsonde selbst fließen, was zu einem zusätzlichen, unerwünschten Spannungsabfall führt.
Vorrichtungen mit Federsonden haben den Vorteil, dass sie einfacher zu konstruieren und zu warten sind und eine längere Lebensdauer als Kelvin-Blätter haben, die durch das Einsetzen und Entfernen der Testkomponente einem Verschleiß unterliegen.
Da Federsonden jedoch nur Halbkelvin-Anschlüsse bieten, sollten sie nicht zum Messen eines Widerstands von weniger als 1 Ω verwendet werden.
5 LCR-Meter/AT-Tester und Kompensation.
Die meisten LCR-Messgeräte (und die Voltech AT-Tester) ermöglichen die Durchführung einer Kurzschluss- und Leerlaufkompensation, um den Einfluss von Leitungen auf eine Messung weiter zu eliminieren. Auf den ersten Blick scheint es, als würden derartige Kompensationen den Einfluss von Leitungs- und Kontaktwiderstand für Sie eliminieren.
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Kontaktwiderstand zwischen JEDER Testeinheitsverbindung stark variieren kann.
Dies wäre in der Realität unterschiedlich und nicht wiederholbar und würde in der Größenordnung von 20 mOhm bis 150 mOhm zwischen jeder einzelnen Passung einer Komponente liegen, selbst bei scheinbar „guten“ Kontakten.
4-Leiter / Halbkelvin
Das Problem bei jeder festen „einmaligen“ Kurzschlusskompensation besteht darin, dass sie nur die zum Zeitpunkt der Kompensation vorhandenen Kontakt-/Leitungswiderstände entfernt. Da sich diese bei jedem nachfolgenden Einsetzen des Prüflings ändern, wird immer nur ein fester Offset von Ihren tatsächlichen Messungen entfernt.
4-Leiter / Echtes Kelvin
Wie oben erläutert, ändert sich der Kontaktwiderstand in der Sense-Leitung bei jedem Einstecken
Bei True Kelvin bedeutet der Nullstromfluss im Sense-Pfad jedoch, dass der damit verbundene Spannungsabfall im Kontaktwiderstand vom hochohmigen Voltmeter nie erkannt wird, unabhängig vom momentanen Niveau des konstanten Widerstands.
6 Fazit
Vorteile von Kelvin-Verbindungen
Hohe Genauigkeit: Durch die Beseitigung des Einflusses von Leitungs- und Kontaktwiderständen ermöglichen Kelvin-Verbindungen hochgenaue Widerstandsmessungen.
Messung niedriger Widerstände: Unverzichtbar für Anwendungen, bei denen sehr niedrige Widerstände gemessen werden müssen, was mit Zweileitermethoden schwierig ist.
Wiederholbarkeit: Gewährleistet konsistente und wiederholbare Messungen, was bei der Qualitätskontrolle und bei Herstellungsprozessen von entscheidender Bedeutung ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kelvin-Verbindungen eine unschätzbar wertvolle Technik für präzise elektrische Messungen sind, insbesondere für Anwendungen mit geringem Widerstand. Durch die Verwendung von vier Anschlüssen zur Trennung der Stromversorgung von der Spannungsmessung werden Fehler aufgrund von Leitungs- und Kontaktwiderständen vermieden und so genauere und zuverlässigere Ergebnisse erzielt. Diese Methode ist in Bereichen, in denen hochpräzise Messungen erforderlich sind, unverzichtbar und nach wie vor eine grundlegende Praxis in der Elektrotechnik.