Übersicht über Kelvin-Verbindungen
Umrisse von Methoden und Techniken zur Erzielung hochgenauer Messwerte bei niedrigen Widerständen
Kelvin-Verbindungen und Testmessungen
Die Durchführung von Niederwiderstandsmessungen unter 1 Ω unterliegt Fehlerquellen wie Leitungswiderstand und Kontaktwiderstand.
Dieser technische Hinweis beschreibt diese Probleme und wie sie überwunden werden können.
1. Zweidrahtverbindungen
Um den Widerstand einer Komponente zu messen, wird über einen Satz Messleitungen ein Prüfstrom durch die Komponente geleitet.
Das Messgerät misst dann die Spannung an seinen Anschlüssen, um den Widerstandswert der Komponente zu ermitteln. Dies wird als Zweileitermessung bezeichnet.
Bei einer Zweileitermessung hängt der Widerstandswert vom Widerstand der Messleitungen ab.
Der Leitungswiderstand verursacht einen kleinen Spannungsabfall, der normalerweise als vernachlässigbar angesehen werden kann.
Das Problem bei der Zweidrahtmethode besteht darin, dass bei der Messung kleiner Widerstandswerte, typischerweise 1 Ω oder weniger, der Widerstand der Messleitungen zusätzlich zum Spannungsabfall an der Komponente einen relativ erheblichen Spannungsabfall verursacht (Abbildung 1).
Die vom Messgerät gemessene Spannung entspricht daher nicht dem wahren Wert der Spannung an der Komponente.
Abbildung 1. Zweidraht-Testverbindung, die zeigt, dass der Leitungswiderstand die Messgenauigkeit beeinflusst
2. Vierleiteranschlüsse
Angesichts der Einschränkungen der Zweileitermethode wird für Niederwiderstandsmessungen im Allgemeinen die Vierleitermethode (Kelvin) bevorzugt.
Diese Messungen können mit einer separaten Stromquelle und einem Voltmeter durchgeführt werden (Abbildung 2).
Abbildung 2. Diagramm, das den 4-Draht-Kelvin-Anschluss zeigt
Bei dieser Konfiguration wird der Prüfstrom über einen Satz Prüfleitungen (Stromleitungen) durch den Prüfwiderstand geleitet, während die Spannung an der zu prüfenden Komponente über einen zweiten Leitungssatz (Messleitungen) gemessen wird.
Obwohl ein geringer Strom durch das Sensorpaar fließen kann, ist dieser normalerweise vernachlässigbar (pA oder weniger), da die Impedanz der Sensoranschlüsse hoch ist.
Der vom Messgerät gemessene Spannungsabfall entspricht daher im Wesentlichen der Spannung am Prüfwiderstand.
Dadurch kann der Widerstandswert wesentlich genauer bestimmt werden als mit der Zweileitermethode.
3. Grad Kelvin
Viele Test- und Gerätehersteller verwenden Verbindungen zum zu testenden Gerät, die tatsächlich nicht „echtes“ Kelvin, sondern „halbes“ Kelvin sind.
Dies lässt sich am besten in Abbildung 3a veranschaulichen, wo „Feder“-Sonden verwendet werden.
Es ist ersichtlich, dass die Federsonde keine echte Kelvin-Verbindung bietet, da die vier Drähte an der Sondenaufnahme angeschlossen sind.
Um den „echten“ Kelvin-Wert zu erreichen, muss jede „Stromversorgung“- und „Sensor“-Leitung direkt mit der Leitung der Testkomponente und so nah wie möglich an der Testkomponente selbst verbunden sein.
4. Halbkelvin versus echtes Kelvin
Bei Verwendung einer Vorrichtung ist die Verwendung von Kelvin-Blades die schnellste Methode, die zu prüfende Komponente anzuschließen und zu trennen und gleichzeitig eine echte Vierdraht-Kelvin-Verbindung zur Komponente aufrechtzuerhalten.
Kelvin-Blätter bestehen aus zwei Federblättern, die in einem Isolierkörper gehalten werden (Abbildung 3b).
Abbildung 3a. Semi-Kelvin-Verbindung Abbildung 3b. Echte Kelvin-Verbindung
Wie bereits erläutert, bietet echtes Kelvin die idealste Verbindungsmethode bei der Messung von Widerständen <1 Ω.
Bei der Konstruktion einer Prüfvorrichtung muss jedoch der mechanische Aspekt der Verbindungsmethode berücksichtigt werden.
In diesem Fall können Federsonden eine Alternative zu Kelvin-Messern darstellen.
Allerdings muss der Strom durch die zu prüfende Komponente dann auch durch die Federsonde selbst fließen, was zu einem zusätzlichen, unerwünschten Spannungsabfall führt.
Mit Federsonden hergestellte Vorrichtungen haben den Vorteil, dass sie einfacher zu konstruieren und zu warten sind und eine längere Lebensdauer haben als Kelvin-Klingen, die durch das Einsetzen und Entfernen der Prüfkomponente einem Verschleiß unterliegen.
Da Federtastköpfe jedoch nur eine Semi-Kelvin-Verbindung bieten können, sollten sie nicht verwendet werden, wenn ein Widerstand von weniger als 1 Ω gemessen wird.