COS'È LA CONNESSIONE DI KELVIN?
Guida completa alle connessioni Kelvin: misurazioni di bassa resistenza ad alta precisione
Introduzione alle connessioni Kelvin e alle misure di precisione
Le connessioni Kelvin, note anche come "rilevamento a quattro terminali" o "Kelvin Sensing", sono tecniche essenziali nelle misurazioni elettriche ed elettroniche di precisione. Questo metodo è specificamente progettato per migliorare l'accuratezza delle misurazioni di resistenza, in particolare quando si tratta di valori di bassa resistenza .
In questo articolo esploreremo i principi fondamentali delle connessioni Kelvin, i loro vantaggi e le applicazioni pratiche in varie configurazioni di misurazione.
Questa tecnica svolge un ruolo cruciale nel ridurre al minimo gli errori associati alle resistenze dei cavi e dei contatti, garantendo misurazioni ad alta precisione .
Comprensione delle connessioni a due fili
In una configurazione di misurazione tradizionale a due fili, la corrente di prova scorre attraverso gli stessi cavi utilizzati per misurare la caduta di tensione. Questa configurazione introduce imprecisioni dovute alla resistenza dei cavi di prova e alle resistenze di contatto.
Limitazioni del metodo a due fili : quando si misurano valori di bassa resistenza (in genere 1Ω o inferiori), la resistenza del conduttore provoca una caduta di tensione significativa oltre alla caduta di tensione del componente, con conseguenti letture imprecise.
Esempio : Misurazione di un resistore da 0,1Ω con una sorgente di corrente da 1A:
- Caduta di tensione UUT = 0,1 V
- Caduta di resistenza combinata piombo + contatto = 0,1 V
- Il DMM rileva una caduta di tensione totale di 0,2 V
- Resistenza calcolata = 0,2Ω (il doppio del valore effettivo)
Man mano che la resistenza dell'Unità sottoposta a test (UUT) aumenta, l'impatto delle resistenze dei cavi e dei contatti diminuisce. Tuttavia, queste fonti di errore sono sempre presenti e possono influire sulla precisione.
Vantaggi delle connessioni a quattro fili (Kelvin)
Il metodo a quattro fili, o collegamento Kelvin, supera i limiti dell'approccio a due fili utilizzando cavi separati per le misurazioni di corrente e tensione.
Come funziona:
- I cavi di corrente impongono una corrente costante attraverso l'UUT.
- I cavi di rilevamento misurano la caduta di tensione direttamente attraverso l'UUT, eliminando l'effetto delle resistenze dei cavi sulla misurazione della tensione.
- Attraverso i cavi di rilevamento scorre una corrente minima, pertanto la loro resistenza e la resistenza di contatto non influiscono sulla precisione.
Esempio : Misurazione di un resistore da 0,1Ω con una sorgente di corrente da 1A:
- Caduta di tensione UUT = 0,1 V
- Il percorso di rilevamento ha una corrente trascurabile; quindi, non si verifica alcuna caduta di tensione aggiuntiva.
- Il DMM rileva solo la caduta di tensione attraverso l'UUT, ottenendo una lettura accurata di 0,1Ω.
Questo metodo è altamente efficace per le misurazioni a bassa resistenza , garantendo una precisione ineguagliata dalla tecnica a due fili.
Connessioni semi-Kelvin
In pratica, molte configurazioni di test sono connessioni semi-Kelvin, in cui la configurazione Kelvin è approssimata utilizzando sonde a molla più semplici o metodi simili. Molte configurazioni di test utilizzano connessioni semi-Kelvin , che approssimano il vero metodo Kelvin utilizzando sonde a molla o altre configurazioni semplificate.
Queste sonde possono apportare qualche miglioramento rispetto al metodo tradizionale a due fili riducendo gli effetti della resistenza del conduttore, tuttavia non eliminano completamente la resistenza di contatto. Le connessioni Semi-Kelvin sono spesso accettabili se la resistenza di contatto è sufficientemente bassa e non influisce in modo significativo sulla precisione della misurazione.
Si può notare che la sonda a molla non fornisce una vera connessione Kelvin, poiché i quattro fili terminano nel ricettacolo della sonda e non nel punto di contatto con l'UUT. Ciò eliminerà l'effetto della resistenza del filo, ma non eliminerà alcuna resistenza di contatto.
Se la resistenza di contatto è sufficientemente bassa, questo potrebbe essere un compromesso accettabile.
Fattori aggiuntivi come il posizionamento fisico, la separazione dei pin e la topologia possono rendere accettabile una soluzione semi kelvin per l'uso. Per essere un Kelvin "vero", ogni conduttore "di potenza" e "di rilevamento" deve effettuare la connessione direttamente al conduttore del componente di prova e il più vicino possibile al componente di prova stesso.
Vantaggi : le configurazioni Semi-Kelvin possono ridurre gli effetti della resistenza del conduttore ma possono comunque soffrire di problemi di resistenza di contatto. Sono adatte quando la resistenza di contatto è sufficientemente bassa da non influenzare significativamente la precisione della misurazione.
Limitazioni : i quattro fili terminano nel ricettacolo della sonda anziché direttamente nell'UUT, il che significa che la resistenza di contatto non viene eliminata del tutto.
Vere connessioni Kelvin per misurazioni ad alta precisione
Per resistenze tipicamente inferiori a 1Ω, le vere connessioni Kelvin offrono le misurazioni più precise. Ogni cavo di alimentazione e di rilevamento deve essere collegato direttamente al componente in prova per ridurre al minimo gli errori derivanti sia dalle resistenze del cavo che da quelle dei contatti.
Considerazioni pratiche :
- Le sonde a molla possono essere più semplici da realizzare e avere una durata maggiore, ma comportano cadute di tensione dovute al flusso di corrente attraverso la sonda.
- Le connessioni Kelvin reali sono preferite per applicazioni ad alta precisione, ma potrebbero richiedere una progettazione attenta per garantire l'affidabilità meccanica.
Migliorare la precisione con misuratori LCR e tester AT
La maggior parte dei misuratori LCR (e i tester AT Voltech) consentono di eseguire la compensazione Short e Open per rimuovere ulteriormente l'effetto dei lead su una misurazione. Sembrerebbe a prima vista che tali compensazioni eliminerebbero l'effetto della resistenza Lead e Contact per te.
Tuttavia, è importante rendersi conto che la resistenza di contatto può variare notevolmente tra CIASCUNA connessione dell'unità di prova.
Ciò sarebbe in realtà diverso e irripetibile, e dell'ordine di 20 mOhm a 150 mOhm tra ogni singolo adattamento di un componente anche con contatti apparentemente "buoni"
4 fili / semi Kelvin
Il problema con qualsiasi compensazione fissa "una tantum" Short è che rimuoverà solo le resistenze di contatto/cavo viste al momento della compensazione. Poiché ciò cambierà con ogni successivo inserimento UUT, rimuoverà solo un offset fisso dalle tue misurazioni reali.
4 fili / vero Kelvin
Come spiegato sopra, la resistenza di contatto nella linea di rilevamento cambia a ogni inserimento
In True Kelvin, tuttavia, il flusso di corrente zero nel percorso di rilevamento significa che, indipendentemente dal livello istantaneo di resistenza costante, la caduta di tensione della resistenza di contatto associata non verrà mai rilevata dal voltmetro ad alta impedenza.
Conclusione: perché le connessioni Kelvin sono importanti
Principali vantaggi delle connessioni Kelvin:
Elevata precisione : elimina le resistenze di contatto e di conduttore, garantendo misurazioni precise a bassa resistenza.
Essenziale per test a bassa resistenza : fondamentale per applicazioni in cui è richiesta la misurazione di resistenze inferiori a 1Ω.
Ripetibilità migliorata : fornisce risultati coerenti, fondamentali nei processi di controllo qualità e di produzione.
Che si utilizzino connessioni Kelvin reali o metodi semi-Kelvin, la comprensione di questa tecnica è fondamentale per ottenere precisione nell'ingegneria elettrica e nei test di controllo qualità.
Sfruttando le connessioni Kelvin, soprattutto con apparecchiature avanzate come l'AT5600, è possibile migliorare significativamente la precisione delle misurazioni elettriche, rendendola una tecnica indispensabile per i professionisti nel campo dell'elettronica di precisione e dei test elettrici.
Collegamenti Kelvin nell'AT5600: miglioramento della precisione di misurazione
Il Voltech AT5600 è un tester di trasformatori automatizzato altamente versatile, progettato per fornire misurazioni elettriche precise, in particolare per applicazioni che richiedono test a bassa resistenza . Una delle caratteristiche principali che contraddistingue l'AT5600 è il suo supporto per connessioni Kelvin , che garantisce risultati di alta precisione in scenari di test critici.
Come le connessioni Kelvin migliorano i test AT5600
L'AT5600 utilizza connessioni Kelvin a quattro fili per misurare le caratteristiche elettriche dei componenti, in particolare quelli con basse resistenze. Separando i cavi che trasportano corrente dai cavi di rilevamento della tensione, l'AT5600 può misurare con precisione resistenze basse fino a pochi milliohm, il che è essenziale per il controllo di qualità negli ambienti di produzione e R&S.
- Elimina la resistenza di contatto e di piombo : il metodo a quattro fili elimina l'influenza delle resistenze di contatto e di piombo sulla misurazione, consentendo all'AT5600 di catturare la vera resistenza dell'unità sottoposta a test (UUT). Ciò è particolarmente cruciale quando si testano trasformatori, induttori e altri componenti in cui sono richiesti valori di resistenza precisi.
- Precisione migliorata per componenti a bassa resistenza : l'AT5600 è specificamente progettato per gestire con precisione le misurazioni a bassa resistenza, rendendolo ideale per applicazioni come i test di resistenza degli avvolgimenti dei trasformatori, in cui i valori possono essere bassi quanto pochi milliohm. Utilizzando connessioni Kelvin, l'AT5600 ottiene risultati altamente accurati e ripetibili, garantendo la conformità agli standard del settore.