Descripción general de las conexiones Kelvin
Esquemas de métodos y técnicas para obtener lecturas de alta precisión de bajas resistencias.
Actualizado en julio de 2024
Conexiones Kelvin y medidas de prueba
Las conexiones Kelvin, también conocidas como detección de cuatro terminales o detección Kelvin, son un método utilizado para medir la resistencia eléctrica con alta precisión, particularmente en escenarios de baja resistencia.
Esta técnica común es esencial para minimizar los errores asociados con las resistencias de contacto y de los cables en las configuraciones de medición.
A continuación se ofrece una descripción general del principio, la aplicación y las ventajas de las conexiones Kelvin.
Para medir la resistencia de un componente, se fuerza una corriente de prueba a través del componente a través de un conjunto de cables de prueba.
Luego, el medidor mide el voltaje a través de sus terminales para dar el valor de resistencia del componente.
1. Conexiones de dos cables
Sin embargo, en cualquier medición del mundo real, el valor de la resistencia está sujeto a la resistencia de los cables de prueba y a la resistencia de contacto de las conexiones utilizadas.
La resistencia del cable y la resistencia del contacto provocan una pequeña caída de voltaje, que generalmente puede considerarse insignificante si la resistencia del UUT es mucho mayor que estas resistencias de "error".
El problema con el método de dos cables es que, cuando se miden valores pequeños de resistencia, típicamente 1Ω o menos, la resistencia de los cables de prueba provoca una caída de voltaje relativamente significativa además de la caída de voltaje en todo el componente (ver a la derecha).
Por lo tanto, el voltaje medido por el medidor no será el valor real del voltaje en el componente que está intentando medir.
Considere el circuito equivalente que mide una resistencia R(uut)
- La fuente está configurada a 1 amperio constante.
- Suponga que la resistencia combinada del contacto y del cable es de 0,1 ohmios.
- Al medir R(uut) = resistencia de 0,1 ohmios
V=IR, entonces
El UUT tiene una caída de voltaje de 0,1 voltios.
La resistencia de contacto + resistencia del cable tiene una caída de voltaje de 0,1 Voltios.
El voltímetro DMM ve esto combinado como una caída de 0,2 voltios .
- ¡El DMM calcula la resistencia a partir de R=V/I = 0,2 OHMIOS!
Es decir, el doble del valor real que intentamos medir.
Repitiendo lo mismo, pero al medir una resistencia de 10 ohmios
V=IR, entonces
El UUT tiene una caída de voltaje de 10 Voltios.
La resistencia de contacto + resistencia del cable tiene una caída de voltaje de 0,1 Voltios.
El voltímetro DMM ve esto combinado como una caída de 10,1 voltios.
- ¡El DMM calcula la resistencia a partir de R=V/I = 10,1 OHMIOS!
Es decir, un 1% por encima del valor real que intentamos medir.
A medida que la resistencia del UUT que intenta medir aumenta en su valor real, las pérdidas de contacto y de plomo se vuelven menos significativas, pero siempre están ahí.
2. Conexiones de cuatro cables
Dadas las limitaciones del método de dos hilos, generalmente se prefiere el método de cuatro hilos (Kelvin) para mediciones de baja resistencia.
Estas mediciones se pueden realizar utilizando una fuente de corriente y un voltímetro separados.
Con esta configuración, la corriente de prueba se fuerza a través de la resistencia de prueba a través de un conjunto de cables de prueba (cables de alimentación), mientras que el voltaje en el componente bajo prueba se mide a través de un segundo conjunto de cables (cables de detección).
La corriente es la misma en todo el recorrido de la corriente, incluso si hay alguna caída de voltaje causada por las resistencias del cable y los contactos.
Aunque puede fluir una pequeña corriente a través del par de sensores, normalmente es insignificante (pA o menos) porque la impedancia del dispositivo de medición de voltaje utilizado es muy alta.
Como la corriente es cercana a cero en la ruta del cable de detección, la resistencia del cable y la resistencia de contacto no causan ninguna caída de voltaje en la ruta de medición de voltaje.
Por lo tanto, la caída de voltaje medida por el voltímetro es esencialmente la misma que el voltaje a través de la resistencia de prueba.
Por lo tanto, el valor de la resistencia se puede determinar con mucha más precisión que con el método de dos hilos.
Ahora considere este nuevo circuito para un circuito Kelvin de 4 hilos que mide una resistencia R(uut)
- La fuente está configurada a 1 amperio constante.
- Suponga que la resistencia combinada del contacto y del cable sigue siendo de 0,1 ohmios.
- Al medir R(uut) = resistencia de 0,1 ohmios
V=IR, entonces
El UUT tiene una caída de voltaje de 0,1 voltios.
La resistencia de contacto + la resistencia del cable no tiene caída de voltaje ya que no fluye corriente en esta ruta de detección.
El voltímetro DMM solo ve la caída de voltaje en R(uut) como una caída de 0,1 voltios .
- El DMM calcula la resistencia a partir de R=V/I = 0,1 OHMIOS.
Esta vez prácticamente no hay error debido a la resistencia del cable y del contacto.
3.Conexiones Semi-Kelvin.
Muchos fabricantes de equipos y pruebas utilizan conexiones al dispositivo bajo prueba que en realidad no son Kelvin "verdaderos", sino Kelvin "semi".
Esto se puede ilustrar mejor aquí donde se utilizan sondas de "resorte".
Se puede ver que la sonda de resorte no proporciona una verdadera conexión Kelvin, ya que los cuatro cables terminan en el receptáculo de la sonda, no en el punto de contacto con la UUT.
Esto eliminará el efecto de la resistencia del cable, pero no eliminará ninguna resistencia de contacto.
Si la resistencia de contacto es lo suficientemente baja, este puede ser un compromiso aceptable.
Factores adicionales como la ubicación física, la separación de pines y la topología pueden hacer que una solución semi Kelvin sea aceptable para su uso.
Para ser Kelvin "verdadero", cada cable de "alimentación" y "detección" debe conectarse directamente al cable del componente de prueba y lo más cerca posible del componente de prueba.
4. Verdaderas conexiones Kelvin
Como se explicó anteriormente, el verdadero Kelvin proporciona el método de conexión más ideal para medir resistencias <1Ω.
Sin embargo, al diseñar un dispositivo de prueba, se debe considerar el aspecto mecánico del método de conexión.
En este caso, las sondas de resorte pueden proporcionar una alternativa a las hojas Kelvin.
Sin embargo, la corriente a través del componente bajo prueba también debe pasar a través de la propia sonda de resorte, introduciendo una caída de voltaje adicional no deseada.
Los accesorios fabricados con sondas de resorte tienen la ventaja de ser más fáciles de construir, más fáciles de mantener y tienen una vida útil más larga que las hojas Kelvin, que están sujetas a desgaste por la acción de insertar y retirar el componente de prueba.
Sin embargo, debido a que las sondas de resorte solo pueden ofrecer conexiones semi-Kelvin, no deben usarse cuando miden una resistencia inferior a 1Ω.
5 medidores LCR / AT tester y Compensación.
La mayoría de los medidores LCR (y los probadores AT de Voltech) le permiten realizar una compensación de cortocircuito y apertura para eliminar aún más el efecto de los cables en una medición. Al principio, parecería que dichas compensaciones eliminarían el efecto de los cables y la resistencia de contacto.
Sin embargo, es importante darse cuenta de que la resistencia de contacto puede variar ampliamente entre CADA conexión de unidad de prueba.
En realidad, esto sería diferente e irrepetible, y del orden de 20 mohm a 150 mohm entre cada ajuste por separado de un componente, incluso con contactos aparentemente "buenos".
4 hilos/Semi Kelvin
El problema con cualquier compensación corta fija “única” es que solo eliminará las resistencias de contacto/cable vistas en el momento de la compensación. Como esto cambiará con cada inserción posterior de UUT, solo eliminará un desplazamiento fijo de sus medidas reales.
4 hilos/Kelvin verdadero
Como se explicó anteriormente, la resistencia de contacto en la línea Sense cambia en cada inserción.
Sin embargo, en True Kelvin, el flujo de corriente cero en la ruta de detección significa que, independientemente del nivel instantáneo de resistencia constante, el voltímetro de alta impedancia nunca detectará la caída de voltaje de la resistencia de contacto asociada.
6. Conclusión
Ventajas de las conexiones Kelvin
Alta precisión: al eliminar la influencia de las resistencias de los cables y los contactos, las conexiones Kelvin proporcionan mediciones de resistencia altamente precisas.
Medición de baja resistencia: Esencial para aplicaciones que requieren la medición de resistencias muy bajas, lo cual es difícil con los métodos de dos cables.
Repetibilidad: Garantiza mediciones consistentes y repetibles, lo cual es fundamental en el control de calidad y los procesos de fabricación.
En conclusión, las conexiones Kelvin son una técnica invaluable en mediciones eléctricas de precisión, particularmente para aplicaciones de baja resistencia. Al utilizar cuatro terminales para separar el suministro de corriente de la medición de voltaje, eliminan errores debidos a resistencias de cables y contactos, proporcionando así resultados más precisos y confiables. Este método es indispensable en campos que requieren mediciones de alta precisión y sigue siendo una práctica fundamental en ingeniería eléctrica.