Panoramica delle connessioni Kelvin
Descrizione dei metodi e delle tecniche per ottenere letture ad alta precisione di basse resistenze
AGGIORNATO 29 AGOSTO 2024
Collegamenti Kelvin e misure di prova
I collegamenti Kelvin, noti anche come "rilevamento a quattro terminali" o "rilevamento Kelvin", sono una tecnica fondamentale nelle misurazioni elettriche ed elettroniche di precisione.
È progettato per migliorare la precisione delle misurazioni della resistenza, soprattutto quando si hanno a che fare con valori di bassa resistenza.
L'articolo esplora le connessioni Kelvin, i vantaggi e le altre utili applicazioni.
Questa tecnica è essenziale per ridurre al minimo gli errori associati alle resistenze di contatto e dei conduttori nelle configurazioni di misurazione.
1. Collegamenti a due fili
In un sistema di misurazione a due fili, la corrente di prova scorrerà attraverso gli stessi cavi utilizzati per misurare la caduta di tensione. La resistenza dei cavi di prova e le resistenze di contatto in questa configurazione causano imprecisioni.
In qualsiasi misurazione reale, il valore della resistenza è soggetto alla resistenza dei cavi di prova e alla resistenza di contatto di tutte le connessioni utilizzate.
La resistenza del conduttore e la resistenza del contatto causano una piccola caduta di tensione, che di solito può essere considerata trascurabile se la resistenza dell'UUT è molto più alta di queste resistenze di "errore".
Il problema con il metodo a due fili è che, quando si misurano piccoli valori di resistenza, in genere 1Ω o meno, la resistenza dei puntali di prova provoca una caduta di tensione relativamente significativa oltre alla caduta di tensione attraverso il componente (vedere a destra).
La tensione misurata dal misuratore non sarà quindi il valore reale della tensione ai capi del componente che si sta cercando di misurare.
Consideriamo il circuito equivalente che misura un resistore R(uut)
- La sorgente è impostata a 1 Ampere costante
- Supponiamo che la resistenza combinata del contatto e del conduttore sia di 0,1 ohm
- Quando si misura R(uut) = resistenza da 0,1 ohm
V=IR, quindi
L'UUT ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
La resistenza di contatto + resistenza del conduttore ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
Il voltmetro DMM rileva questo valore come un calo di 0,2 Volt .
- Il DMM calcola la resistenza da R=V/I = 0,2 OHM!
Vale a dire il doppio del valore effettivo che stiamo cercando di misurare.
Ripetendo la stessa cosa, ma quando si misura una resistenza da 10 ohm
V=IR, quindi
L'UUT ha una caduta di tensione di 10 Volt
La resistenza di contatto + resistenza del conduttore ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
Il voltmetro DMM rileva questo valore come un calo di 10,1 Volt.
- Il DMM calcola la resistenza da R=V/I = 10,1 OHM!
Vale a dire l'1% in più rispetto al valore effettivo che stiamo cercando di misurare.
Man mano che la resistenza dell'UUT che si sta cercando di misurare aumenta nel suo valore reale, le perdite di contatto e di piombo diventano meno significative, ma sono sempre presenti.
2. Collegamenti a quattro fili
Il metodo a quattro fili (o collegamento Kelvin) supera i limiti della tecnica a due fili. Con questa configurazione:
I cavi di corrente sono collegati a un lato di ogni coppia di terminali, forzando una corrente costante attraverso l'UUT.
I cavi di rilevamento sono collegati all'altro lato della stessa coppia di terminali per misurare la caduta di tensione direttamente attraverso l'UUT.
Poiché i cavi di rilevamento trasportano una corrente trascurabile, la resistenza di questi cavi e le loro resistenze di contatto hanno un impatto minimo sulle misurazioni della tensione; ciò ci garantirà che la tensione misurata sarà quasi uguale alla caduta di tensione attraverso l'UUT e si otterrà una misurazione della resistenza estremamente accurata.
La corrente è la stessa lungo tutto il percorso, anche se si verifica una caduta di tensione causata dalle resistenze dei fili e dei contatti.
Sebbene una piccola corrente possa fluire attraverso la coppia di rilevamento, essa è solitamente trascurabile (pA o meno) perché l'impedenza del dispositivo di misurazione della tensione utilizzato è molto elevata.
La caduta di tensione misurata dal voltmetro è quindi sostanzialmente la stessa della tensione ai capi della resistenza di prova.
Di conseguenza, il valore della resistenza può essere determinato con molta più precisione rispetto al metodo a due fili.
Ora consideriamo questo nuovo circuito per un circuito Kelvin a 4 fili che misura una resistenza R(uut)
- La sorgente è impostata a 1 Ampere costante
- Supponiamo che la resistenza combinata del contatto e del conduttore sia ancora di 0,1 ohm
- Quando si misura R(uut) = resistenza da 0,1 ohm
V=IR, quindi
L'UUT ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
La resistenza di contatto + la resistenza del conduttore non presentano cadute di tensione poiché in questo percorso di rilevamento non scorre corrente.
Il voltmetro DMM rileva solo la caduta di tensione su R(uut) come una caduta di 0,1 Volt .
- Il DMM calcola la resistenza da R=V/I = 0,1 OHM.
Questa volta non c'è praticamente alcun errore dovuto alla resistenza del conduttore e del contatto.
3. Collegamenti semi-Kelvin.
In pratica, molte configurazioni di prova sono connessioni semi-Kelvin, in cui la configurazione Kelvin viene approssimata utilizzando sonde a molla più semplici o metodi simili.
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.
Altri fattori, quali il posizionamento fisico, la separazione dei pin e la topologia, possono rendere accettabile l'uso di una soluzione semi-kelvin.
Per essere un "vero" Kelvin, ogni cavo di "alimentazione" e di "senso" deve essere collegato direttamente al cavo del componente di prova e il più vicino possibile al componente di prova stesso.
4. Vere connessioni Kelvin
Quando si ha a che fare con resistenze tipicamente inferiori a 1Ω, la connessione Kelvin offre le misurazioni più precise. In questa configurazione, ogni cavo di rilevamento e alimentazione sono collegati direttamente al componente in prova, in quanto ciò riduce al minimo gli errori derivanti sia dalle resistenze del cavo che da quelle di contatto.
Tuttavia, quando si progetta un dispositivo di prova, è necessario considerare l'aspetto meccanico del metodo di connessione.
In questo caso, le sonde a molla possono rappresentare un'alternativa alle lame Kelvin.
Tuttavia, la corrente che attraversa il componente in prova deve passare anche attraverso la sonda a molla stessa, introducendo un'ulteriore e indesiderata caduta di tensione.
I dispositivi realizzati con sonde a molla hanno il vantaggio di essere più facili da costruire e da manutenere e hanno una durata maggiore rispetto alle lame Kelvin, soggette a usura durante l'inserimento e la rimozione del componente di prova.
Tuttavia, poiché le sonde a molla possono offrire solo connessioni semi-Kelvin, non devono essere utilizzate per misurare una resistenza inferiore a 1Ω.
5 misuratori LCR / tester AT e compensazione.
La maggior parte dei misuratori LCR (e i tester AT Voltech) consentono di eseguire la compensazione di cortocircuito e di apertura per rimuovere ulteriormente l'effetto dei cavi su una misurazione. A prima vista sembrerebbe che tali compensazioni eliminerebbero l'effetto della resistenza dei cavi e dei contatti.
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 adattamento separato 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.
6 Conclusion
Vantaggi delle connessioni Kelvin
Elevata precisione: eliminando l'influenza delle resistenze dei cavi e dei contatti, i collegamenti Kelvin forniscono misurazioni della resistenza estremamente precise.
Misurazione di bassa resistenza: essenziale per le applicazioni che richiedono la misurazione di resistenze molto basse, cosa difficile con i metodi a due fili.
Ripetibilità: garantisce misurazioni coerenti e ripetibili, il che è fondamentale nei processi di controllo qualità e di produzione.
Le connessioni Kelvin sono un metodo fondamentale nelle misurazioni elettriche poiché offrono vantaggi nei test a bassa resistenza.
Che si utilizzi il vero metodo Kelvin o i metodi semi-Kelvin, comprendere e applicare questa tecnica è importante per la precisione nell'ingegneria elettrica e nelle procedure di controllo qualità.