켈빈 연결 개요
낮은 저항의 높은 정확도 판독값을 얻기 위한 방법 및 기술 개요
2024년 7월 업데이트됨
켈빈 연결 및 테스트 측정
4단자 감지 또는 켈빈 감지라고도 알려진 켈빈 연결은 특히 낮은 저항 시나리오에서 높은 정밀도로 전기 저항을 측정하는 데 사용되는 방법입니다.
이 일반적인 기술은 측정 설정에서 접촉 및 리드 저항과 관련된 오류를 최소화하는 데 필수적입니다.
다음은 켈빈 연결의 원리, 적용 및 장점에 대한 개요입니다.
부품의 저항을 측정하기 위해 테스트 전류는 테스트 리드 세트를 통해 부품에 강제로 가해집니다.
그런 다음 미터는 단자의 전압을 측정하여 구성 요소의 저항 값을 제공합니다.
1. 2선 연결
그러나 실제 측정에서 저항 값은 테스트 리드의 저항과 사용된 연결의 접촉 저항에 따라 달라집니다.
리드 저항과 접촉 저항은 작은 전압 강하를 유발하는데, 이는 UUT 저항이 이러한 "오류" 저항보다 훨씬 높으면 일반적으로 무시할 수 있는 것으로 간주될 수 있습니다.
2와이어 방법의 문제점은 일반적으로 1Ω 이하의 작은 저항 값을 측정할 때 테스트 리드의 저항으로 인해 구성 요소 전체의 전압 강하 외에 상대적으로 상당한 전압 강하가 발생한다는 것입니다(오른쪽 참조).
따라서 미터로 측정된 전압은 측정하려는 구성 요소 전체의 실제 전압 값이 아닙니다.
저항 R(uut) 을 측정하는 등가 회로를 고려하십시오.
- 소스는 일정한 1Amp 로 설정됩니다.
- 결합된 접점 저항과 리드 저항이 0.1Ω 이라고 가정합니다.
- R(uut) = 0.1Ω 저항 측정 시
V=IR이므로
UUT의 전압 강하는 0.1V 입니다.
접촉 저항 + 리드 저항의 전압 강하는 0.1V 입니다.
DMM 전압계는 이를 결합하여 0.2V 강하로 간주합니다.
- DMM은 R=V/I = 0.2 OHMS에서 저항을 계산합니다!
즉, 측정하려는 실제 값의 두 배입니다.
동일하게 반복하되 10Ω 저항을 측정할 때
V=IR이므로
UUT의 전압 강하는 10V 입니다.
접촉 저항 + 리드 저항의 전압 강하는 0.1V 입니다.
DMM 전압계는 이를 결합하여 10.1V 전압 강하로 간주합니다.
- DMM은 R=V/I = 10.1 OHMS에서 저항을 계산합니다!
즉, 측정하려는 실제 값보다 1% 더 높습니다.
측정하려는 UUT의 저항이 실제 값에서 증가함에 따라 접촉 및 리드 손실은 덜 중요해지지만 항상 존재합니다.
2. 4선 연결
2와이어 방법의 한계를 고려하면 일반적으로 낮은 저항 측정에는 4와이어(Kelvin) 방법이 선호됩니다.
이러한 측정은 별도의 전류 소스와 전압계를 사용하여 수행할 수 있습니다.
이 구성을 사용하면 테스트 전류가 한 세트의 테스트 리드(전원 리드)를 통해 테스트 저항을 통과하는 반면, 테스트 중인 구성 요소의 전압은 두 번째 리드 세트(감지 리드)를 통해 측정됩니다.
와이어 및 접촉 저항으로 인해 약간의 전압 강하가 발생하더라도 모든 전류 경로에서 전류는 동일합니다.
일부 작은 전류가 감지 쌍을 통해 흐를 수 있지만 사용되는 전압 측정 장치의 임피던스가 매우 높기 때문에 일반적으로 무시할 수 있습니다(pA 이하).
감지 리드 경로에서 전류가 0에 가깝기 때문에 와이어 저항과 접촉 저항으로 인해 전압 측정 경로에서 전압 강하가 발생하지 않습니다.
따라서 전압계로 측정된 전압 강하는 본질적으로 테스트 저항의 전압과 동일합니다.
결과적으로 저항값은 2선 방법보다 훨씬 더 정확하게 결정될 수 있습니다.
이제 저항 R(uut) 를 측정하는 4선 Kelvin 회로에 대한 이 새로운 회로를 고려해 보십시오.
- 소스는 일정한 1Amp 로 설정됩니다.
- 결합된 접점 저항과 리드 저항이 여전히 0.1Ω 이라고 가정합니다.
- R(uut) = 0.1Ω 저항 측정 시
V=IR이므로
UUT의 전압 강하는 0.1V 입니다.
이 감지 경로에는 전류가 흐르지 않으므로 접촉 저항 + 리드 저항에는 전압 강하가 없습니다.
DMM 전압계는 R(uut) 전체의 전압 강하만 0.1V 강하로 간주합니다.
- DMM은 R=V/I = 0.1 OHMS에서 저항을 계산합니다.
이번에는 리드와 접촉 저항으로 인한 오류가 거의 없습니다.
3. 반켈빈 연결.
많은 테스트 및 장비 제조업체는 실제로 '진짜' 켈빈이 아닌 '반' 켈빈인 테스트 대상 장치에 대한 연결을 사용합니다.
이는 '스프링' 프로브가 사용되는 경우에 가장 잘 설명됩니다.
4개의 와이어가 UUT와의 접촉 지점이 아닌 프로브 리셉터클에서 종단되므로 스프링 프로브가 진정한 켈빈 연결을 제공하지 않는다는 것을 알 수 있습니다.
이렇게 하면 와이어 저항의 효과가 제거되지만 접촉 저항은 제거되지 않습니다.
접촉 저항이 충분히 낮다면 이는 허용 가능한 절충안일 수 있습니다.
물리적 배치, 핀 분리 및 토폴로지와 같은 추가 요소로 인해 세미 켈빈 솔루션을 사용하기에 적합할 수 있습니다.
'진정한' 켈빈이 되려면 각 '전력' 및 '감지' 리드를 테스트 구성 요소 리드에 직접 연결하고 테스트 구성 요소 자체에 최대한 가깝게 연결해야 합니다.
4. 진정한 켈빈 연결
앞서 설명했듯이 True Kelvin은 1Ω 미만의 저항을 측정할 때 가장 이상적인 연결 방법을 제공합니다.
그러나 테스트 픽스처를 설계할 때는 연결 방법의 기계적 측면을 고려해야 합니다.
이 경우 스프링 프로브가 켈빈 블레이드의 대안이 될 수 있습니다.
그러나 테스트 중인 구성 요소를 통과하는 전류는 스프링 프로브 자체도 통과해야 하므로 바람직하지 않은 추가 전압 강하가 발생합니다.
스프링 프로브를 사용하여 만든 고정 장치는 구성과 유지 관리가 더 쉽다는 장점이 있으며, 테스트 구성 요소를 삽입하고 제거할 때 마모되기 쉬운 Kelvin 블레이드보다 수명이 더 깁니다.
그러나 스프링 프로브는 반켈빈 연결만 제공할 수 있으므로 1Ω 미만의 저항을 측정하는 경우에는 사용하면 안 됩니다.
5 LCR 미터 / AT 테스터 및 보상.
대부분의 LCR 미터(및 Voltech AT 테스터)를 사용하면 단락 및 개방 보상을 수행하여 측정에 대한 리드의 영향을 추가로 제거할 수 있습니다. 처음에는 이러한 보상이 리드 및 접촉 저항의 영향을 제거하는 것처럼 보입니다.
그러나 각 테스트 장치 연결마다 접촉 저항이 크게 달라질 수 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다.
이는 실제로는 다르며 반복할 수 없으며 겉보기에 "양호한" 접점이 있는 경우에도 구성 요소의 각 개별 맞춤 사이에 20mohm ~ 150mohm 정도가 됩니다.
4선 / 세미 켈빈
고정된 "일회성" 단락 보상의 문제점은 보상 시 나타나는 접촉/리드 저항만 제거한다는 것입니다. 이는 후속 UUT 삽입마다 변경되므로 실제 측정에서 고정된 오프셋만 제거됩니다.
4선 / 트루켈빈
위에서 설명한 것처럼 Sense 라인의 접촉 저항은 삽입할 때마다 변경됩니다.
그러나 True Kelvin에서 감지 경로의 전류 흐름이 0이라는 것은 순간적인 일정한 저항 수준에 관계없이 관련 접촉 저항 전압 강하가 고임피던스 전압계에 표시되지 않음을 의미합니다.
6 결론
켈빈 연결의 장점
높은 정확도: 리드 및 접촉 저항의 영향을 제거함으로써 켈빈 연결은 매우 정확한 저항 측정을 제공합니다.
낮은 저항 측정: 2선 방법으로는 어려운 매우 낮은 저항 측정이 필요한 응용 분야에 필수적입니다.
반복성: 품질 관리 및 제조 공정에 중요한 일관되고 반복 가능한 측정을 보장합니다.
결론적으로, 켈빈 연결은 정밀 전기 측정, 특히 저저항 응용 분야에서 매우 귀중한 기술입니다. 4개의 단자를 사용하여 전압 측정에서 전류 공급을 분리함으로써 리드 및 접촉 저항으로 인한 오류를 제거하여 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다. 이 방법은 고정밀 측정이 필요한 분야에서 없어서는 안 될 요소이며, 전기 공학의 기본 관행으로 계속 사용되고 있습니다.