켈빈 커넥션 개요
낮은 저항의 고정확도 판독값을 얻기 위한 방법 및 기술 개요
2024년 8월 29일 업데이트됨
켈빈 연결 및 테스트 측정
켈빈 연결은 "4단자 감지" 또는 "켈빈 감지"로도 알려져 있으며, 정밀 전기 및 전자 측정에 중요한 기술입니다.
이 제품은 특히 낮은 저항값을 다룰 때 저항 측정의 정확도를 높이기 위해 설계되었습니다.
이 기사에서는 켈빈 연결, 이점 및 기타 유용한 응용 분야에 대해 살펴봅니다.
이 기술은 측정 설정에서 접촉 및 리드 저항과 관련된 오류를 최소화하는 데 필수적입니다.
1. 2선 연결
2선 측정 시스템에서 테스트 전류는 전압 강하를 측정하는 데 사용된 동일한 리드를 통해 흐릅니다. 이 설정에서 테스트 리드의 저항과 접촉 저항은 부정확성을 발생시킵니다.
실제 측정에서는 저항 값이 테스트 리드의 저항과 사용된 모든 연결부의 접촉 저항에 따라 달라집니다.
리드 저항과 접촉 저항은 작은 전압 강하를 발생시키는데, UUT 저항이 이러한 "오류" 저항보다 훨씬 높으면 일반적으로 무시할 수 있는 수준이라고 볼 수 있습니다.
2선식 방법의 문제점은 일반적으로 1Ω 이하의 작은 저항 값을 측정할 때 테스트 리드의 저항으로 인해 구성 요소 전체의 전압 강하 외에도 상대적으로 상당한 전압 강하가 발생한다는 것입니다(오른쪽 참조).
따라서 계측기로 측정한 전압은 측정하려는 부품의 실제 전압 값이 아닙니다.
저항기 R(uut)를 측정하는 등가 회로를 고려하십시오.
- 소스는 1 Amp 로 일정하게 설정됩니다.
- 결합된 접촉 및 리드 저항은 0.1옴 이라고 가정합니다.
- R(uut) = 0.1 ohm 저항을 측정할 때
V=IR이므로
UUT의 전압 강하는 0.1볼트 입니다.
접촉 저항 + 리드 저항은 0.1볼트 의 전압 강하를 갖습니다.
DMM 전압계는 이를 0.2V 강하로 결합해서 인식합니다.
- DMM은 R=V/I = 0.2 Ω으로부터 저항을 계산합니다!
즉, 우리가 측정하려는 실제 값의 두 배입니다.
동일한 내용을 반복하지만 10옴 저항을 측정할 때
V=IR이므로
UUT의 전압 강하는 10볼트 입니다.
접촉 저항 + 리드 저항은 0.1볼트 의 전압 강하를 갖습니다.
DMM 전압계는 이를 결합해서 10.1V 강하로 간주합니다.
- DMM은 R=V/I = 10.1 Ω으로 저항을 계산합니다!
즉, 우리가 측정하려는 실제 값보다 1% 더 높은 값입니다.
측정하려는 UUT의 저항이 실제 값에서 증가함에 따라 접촉 및 리드 손실은 덜 중요하지만 이러한 손실은 항상 존재합니다.
2. 4선 연결
4선(또는 켈빈 연결) 방식은 2선 기술의 한계를 극복합니다. 이 설정으로:
전류 리드는 각 단자 쌍의 한쪽에 연결되어 UUT를 통해 일정한 전류를 흐르게 합니다.
감지 리드는 동일한 단자 쌍의 반대쪽에 연결되어 UUT 전체에서 직접 전압 강하를 측정합니다.
감지 리드는 무시할 만한 전류를 흐르게 하므로 리드의 저항과 접촉 저항은 전압 측정에 최소한의 영향을 미칩니다. 이를 통해 측정된 전압이 UUT의 전압 강하와 거의 같게 되고, 매우 정확한 저항 측정이 가능합니다.
전선과 접촉 저항으로 인해 전압 강하가 발생하더라도 모든 전류 경로에서 전류는 동일합니다.
약간의 작은 전류가 감지 쌍을 통해 흐를 수 있지만, 전압 측정 장치의 임피던스가 매우 높기 때문에 일반적으로 무시할 수 있습니다(pA 이하).
따라서 전압계로 측정한 전압 강하는 본질적으로 테스트 저항의 전압과 동일합니다.
결과적으로 2선식 방법보다 저항 값을 훨씬 더 정확하게 결정할 수 있습니다.
이제 저항기 R(uut) 를 측정하는 4선 켈빈 회로에 대한 이 새로운 회로를 고려하십시오.
- 소스는 1 Amp 로 일정하게 설정됩니다.
- 결합된 접촉 및 리드 저항이 여전히 0.1옴 이라고 가정합니다.
- R(uut) = 0.1 ohm 저항을 측정할 때
V=IR이므로
UUT의 전압 강하는 0.1볼트 입니다.
접촉 저항 + 리드 저항은 이 감지 경로에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없습니다.
DMM 전압계는 R(uut) 에서의 전압 강하만을 0.1V 강하로 봅니다.
- DMM은 R=V/I = 0.1 OHMS로부터 저항을 계산합니다.
이번에는 리드와 접촉 저항으로 인한 오류가 사실상 전혀 발생하지 않았습니다.
3. 세미 켈빈 연결.
실제로 많은 테스트 설정은 반-켈빈 연결이며, 여기서 켈빈 구성은 더 간단한 스프링 프로브나 비슷한 방법을 사용하여 근사화됩니다.
이러한 프로브는 리드 저항 효과를 줄임으로써 기존의 2선 방식보다 약간의 개선을 제공할 수 있지만, 접촉 저항을 완전히 제거하지는 못합니다. 접촉 저항이 충분히 낮고 측정 정확도에 큰 영향을 미치지 않는 경우 반켈빈 연결이 종종 허용됩니다.
스프링 프로브는 4개의 와이어가 UUT와의 접촉 지점이 아닌 프로브 수용부에서 종료되므로 진정한 켈빈 연결을 제공하지 않는다는 것을 알 수 있습니다.
이렇게 하면 와이어 저항의 영향은 제거되지만, 접촉 저항은 제거되지 않습니다.
접촉 저항이 충분히 낮다면 이는 허용 가능한 타협안이 될 수 있습니다.
물리적 배치, 핀 분리, 토폴로지와 같은 추가적인 요소로 인해 반 켈빈 솔루션이 사용에 적합할 수 있습니다.
'진정한' 켈빈을 얻으려면 각 '전력' 및 '감지' 리드가 테스트 구성 요소 리드에 직접 연결되어야 하며 테스트 구성 요소 자체에 가능한 한 가깝게 연결되어야 합니다.
4. 진정한 켈빈 연결
일반적으로 1Ω 미만의 저항을 다룰 때 켈빈 연결은 가장 정확한 측정을 제공합니다. 이 구성에서 각 감지 리드와 전원은 리드와 접촉 저항 모두의 오류를 최소화하기 때문에 테스트 중인 구성 요소에 직접 연결됩니다.
그러나 테스트 픽스처를 설계할 때는 연결 방법의 기계적 측면을 고려해야 합니다.
이 경우, 스프링 프로브는 켈빈 블레이드에 대한 대안을 제공할 수 있습니다.
그러나 테스트 중인 부품을 통과하는 전류는 스프링 프로브 자체를 통과해야 하므로 바람직하지 않은 추가적인 전압 강하가 발생합니다.
스프링 프로브를 사용하여 만든 고정 장치는 제작 및 유지 관리가 더 쉽고 테스트 구성 요소를 삽입하고 제거하는 동작으로 인해 마모될 수 있는 켈빈 블레이드보다 수명이 더 길다는 장점이 있습니다.
그러나 스프링 프로브는 반 켈빈 연결만 제공하므로 1Ω 미만의 저항을 측정할 때는 사용하면 안 됩니다.
5개의 LCR 미터/AT 테스터 및 보상.
대부분의 LCR 미터(및 Voltech AT 테스터)는 리드가 측정에 미치는 영향을 제거하기 위해 단락 및 개방 보상을 수행할 수 있도록 합니다. 처음에는 이러한 보상이 리드 및 접촉 저항의 영향을 제거하는 것처럼 보일 수 있습니다.
그러나 각 테스트 장치 연결 간의 접촉 저항은 크게 다를 수 있다는 점을 알아두는 것이 중요합니다.
실제로 이것은 다르고 반복할 수 없으며 겉보기에 "좋은" 접촉이 있는 구성 요소의 각 개별 맞춤 사이에 20mohms에서 150mohms 정도가 됩니다.
4 와이어 / 세미 켈빈
고정된 "한 번" 쇼트 보상의 문제점은 보상 시에 보이는 접촉/리드 저항만 제거한다는 것입니다. 이는 이후의 모든 UUT 삽입 시에 변경되므로 실제 측정에서 고정된 오프셋만 제거됩니다.
4선 / 트루 켈빈
위에서 설명한 바와 같이 Sense 라인의 접촉 저항은 삽입할 때마다 변경됩니다.
그러나 트루 켈빈에서는 감지 경로의 전류 흐름이 0이므로 순간적인 일정 저항 수준에 관계없이 관련된 접촉 저항 전압 강하가 고임피던스 전압계에서 결코 나타나지 않습니다.
6 결론
켈빈 커넥션의 장점
높은 정확도: 켈빈 연결은 리드 및 접촉 저항의 영향을 제거하여 매우 정확한 저항 측정을 제공합니다.
낮은 저항 측정: 2선식 방법으로는 측정하기 어려운 매우 낮은 저항을 측정해야 하는 응용 분야에 필수적입니다.
반복성: 일관되고 반복 가능한 측정을 보장하는데, 이는 품질 관리 및 제조 공정에 매우 중요합니다.
켈빈 연결은 낮은 저항 테스트에 유리하므로 전기 측정의 핵심 방법입니다.
진짜 켈빈 방법을 사용하든 반 켈빈 방법을 사용하든, 이 기술을 이해하고 적용하는 것은 전기 공학 및 품질 관리 절차의 정밀성을 위해 중요합니다.