Übersicht über Kelvin-Verbindungen
Übersicht über Methoden und Techniken zur Erzielung hochgenauer Messwerte bei niedrigen Widerständen
AKTUALISIERT 29. AUGUST 2024
Kelvin-Verbindungen und Testmessungen
Kelvin-Verbindungen, auch als „Vierpolmessung“ oder „Kelvin-Messung“ bezeichnet, sind eine entscheidende Technik bei präzisen elektrischen und elektronischen Messungen.
Es wurde entwickelt, um die Genauigkeit von Widerstandsmessungen zu verbessern, insbesondere bei niedrigen Widerstandswerten.
Der Artikel untersucht die Zusammenhänge und Vorteile von Kelvin sowie weitere nützliche Anwendungen.
Diese Technik ist wichtig, um die mit Kontakt- und Leitungswiderständen in Messaufbauten verbundenen Fehler zu minimieren.
1. Zweidrahtverbindungen
In einem Zweileiter-Messsystem fließt der Prüfstrom durch dieselben Leitungen, die auch zur Messung des Spannungsabfalls verwendet werden. Der Widerstand der Prüfleitungen und die Kontaktwiderstände führen bei diesem Aufbau zu Ungenauigkeiten.
Bei jeder realen Messung hängt der Widerstandswert vom Widerstand der Prüfleitungen und dem Kontaktwiderstand aller verwendeten Verbindungen ab.
Der Leitungswiderstand und der Kontaktwiderstand verursachen einen kleinen Spannungsabfall, der normalerweise als vernachlässigbar angesehen werden kann, wenn der UUT-Widerstand viel höher als diese „Fehler“-Widerstände ist.
Das Problem bei der Zweileitermethode besteht darin, dass beim Messen kleiner Widerstandswerte, typischerweise 1Ω oder weniger, der Widerstand der Prüfleitungen zusätzlich zum Spannungsabfall über dem Bauteil einen relativ großen Spannungsabfall verursacht (siehe rechts).
Die vom Messgerät gemessene Spannung entspricht daher nicht dem tatsächlichen Wert der Spannung über der Komponente, die Sie messen möchten.
Betrachten Sie den Ersatzschaltkreis zur Messung eines Widerstandes R(uut)
- Die Quelle ist auf konstant 1 Ampere eingestellt
- Nehmen Sie an, dass der kombinierte Kontakt- und Leitungswiderstand 0,1 Ohm beträgt
- Bei der Messung von R(uut) = 0,1 Ohm Widerstand
V = IR, also
Der Prüfling hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Der Kontaktwiderstand + Leitungswiderstand hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Das DMM-Voltmeter erkennt dies insgesamt als einen Abfall von 0,2 Volt .
- Das DMM berechnet den Widerstand aus R=V/I = 0,2 OHMS!
Also das Doppelte des tatsächlichen Werts, den wir messen möchten.
Wiederholen Sie das Gleiche, aber bei der Messung eines 10-Ohm-Widerstands
V = IR, also
Der Prüfling hat einen Spannungsabfall von 10 Volt
Der Kontaktwiderstand + Leitungswiderstand hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Das DMM-Voltmeter erkennt dies insgesamt als einen Abfall von 10,1 Volt.
- Das DMM berechnet den Widerstand aus R=V/I = 10,1 OHMS!
Also 1 % über dem tatsächlichen Wert, den wir messen möchten.
Wenn der tatsächliche Widerstand des zu messenden Prüflings steigt, werden die Kontakt- und Leitungsverluste weniger signifikant, sind aber immer noch vorhanden.
2. Vierleiterverbindungen
Die Vierleitermethode (oder Kelvin-Verbindung) überwindet die Einschränkungen der Zweileitertechnik. Durch diesen Aufbau:
An einer Seite jedes Klemmenpaars sind Stromleitungen angeschlossen, die einen konstanten Strom durch die UUT leiten.
Um den Spannungsabfall direkt über der UUT zu messen, werden Messleitungen an die andere Seite desselben Klemmenpaars angeschlossen.
Da die Messleitungen nur einen vernachlässigbaren Strom führen, wirken sich der Widerstand dieser Leitungen und ihre Kontaktwiderstände nur minimal auf die Spannungsmessungen aus. Dadurch wird sichergestellt, dass die gemessene Spannung nahezu dem Spannungsabfall über der UUT entspricht, was zu einer äußerst genauen Widerstandsmessung führt.
Der Strom ist im gesamten Strompfad gleich, auch wenn aufgrund der Leitungs- und Übergangswiderstände ein gewisser Spannungsabfall auftritt.
Obwohl möglicherweise ein geringer Strom durch das Sensorpaar fließt, ist dieser normalerweise vernachlässigbar (pA oder weniger), da die Impedanz des verwendeten Spannungsmessgeräts sehr hoch ist.
Der vom Voltmeter gemessene Spannungsabfall entspricht daher im Wesentlichen der Spannung über dem Prüfwiderstand.
Der Widerstandswert lässt sich somit wesentlich genauer ermitteln als mit der Zweileitermethode.
Betrachten Sie nun diese neue Schaltung für eine 4-Leiter-Kelvin-Schaltung zur Messung eines Widerstandes R(uut)
- Die Quelle ist auf konstant 1 Ampere eingestellt
- Nehmen Sie an, dass der kombinierte Kontakt- und Leitungswiderstand immer noch 0,1 Ohm beträgt
- Bei der Messung von R(uut) = 0,1 Ohm Widerstand
V = IR, also
Der Prüfling hat einen Spannungsabfall von 0,1 Volt
Der Kontaktwiderstand + Leitungswiderstand weist keinen Spannungsabfall auf, da in diesem Messpfad kein Strom fließt.
Das DMM-Voltmeter erkennt den Spannungsabfall über R(uut) nur als 0,1-Volt- Abfall.
- Das DMM berechnet den Widerstand aus R=V/I = 0,1 OHM.
Diesmal treten praktisch keine Fehler durch Leitungs- und Übergangswiderstände auf.
3. Halbkelvin-Verbindungen.
In der Praxis handelt es sich bei vielen Testaufbauten um Halbkelvin-Verbindungen, bei denen die Kelvin-Konfiguration mithilfe einfacherer Federsonden oder ähnlicher Methoden angenähert wird.
Diese Sonden bieten gegenüber der herkömmlichen Zweileitermethode möglicherweise eine gewisse Verbesserung, indem sie die Auswirkungen des Leitungswiderstands verringern, den Kontaktwiderstand können sie jedoch nicht vollständig beseitigen. Halbkelvin-Verbindungen sind oft akzeptabel, wenn der Kontaktwiderstand niedrig genug ist und die Messgenauigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt.
Es ist ersichtlich, dass die Federsonde keine echte Kelvin-Verbindung herstellt, da die vier Drähte an der Sondenbuchse enden und nicht am Kontaktpunkt mit der UUT.
Dadurch wird der Effekt des Drahtwiderstands eliminiert, jedoch nicht der Kontaktwiderstand.
Wenn der Kontaktwiderstand niedrig genug ist, kann dies ein akzeptabler Kompromiss sein.
Zusätzliche Faktoren wie physische Platzierung, Pin-Abstand und Topologie können eine Halbkelvin-Lösung für den Einsatz akzeptabel machen.
Um „echte“ Kelvinwerte zu erreichen, muss jede Strom- und Sensorleitung direkt mit der Leitung der Testkomponente und so nah wie möglich an der Testkomponente selbst verbunden werden.
4. Echte Kelvin-Verbindungen
Bei Widerständen von typischerweise weniger als 1 Ω bietet die Kelvin-Verbindung die genauesten Messungen. In dieser Konfiguration sind alle Sensorleitungen und Stromleitungen direkt mit der zu testenden Komponente verbunden, da dies Fehler durch Leitungs- und Kontaktwiderstände minimiert.
Beim Entwurf einer Prüfvorrichtung muss jedoch der mechanische Aspekt der Verbindungsmethode berücksichtigt werden.
In diesem Fall können Federsonden eine Alternative zu Kelvinblättern darstellen.
Allerdings muss der Strom durch die zu prüfende Komponente dann auch durch die Federsonde selbst fließen, was zu einem zusätzlichen, unerwünschten Spannungsabfall führt.
Vorrichtungen mit Federsonden haben den Vorteil, dass sie einfacher zu konstruieren und zu warten sind und eine längere Lebensdauer als Kelvin-Blätter haben, die durch das Einsetzen und Entfernen der Testkomponente einem Verschleiß unterliegen.
Da Federsonden jedoch nur Halbkelvin-Anschlüsse bieten, sollten sie nicht zum Messen eines Widerstands von weniger als 1 Ω verwendet werden.
5 LCR-Meter/AT-Tester und Kompensation.
Die meisten LCR-Messgeräte (und die Voltech AT-Tester) ermöglichen die Durchführung einer Kurzschluss- und Leerlaufkompensation, um den Einfluss von Leitungen auf eine Messung weiter zu eliminieren. Auf den ersten Blick scheint es, als würden derartige Kompensationen den Einfluss von Leitungs- und Kontaktwiderstand für Sie eliminieren.
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Kontaktwiderstand zwischen JEDER Testeinheitsverbindung stark variieren kann.
Dies wäre in der Realität unterschiedlich und nicht wiederholbar und würde in der Größenordnung von 20 mOhm bis 150 mOhm zwischen jeder einzelnen Passung einer Komponente liegen, selbst bei scheinbar „guten“ Kontakten.
4-Leiter / Halbkelvin
Das Problem bei jeder festen „einmaligen“ Kurzschlusskompensation besteht darin, dass sie nur die zum Zeitpunkt der Kompensation vorhandenen Kontakt-/Leitungswiderstände entfernt. Da sich diese bei jedem nachfolgenden Einsetzen des Prüflings ändern, wird immer nur ein fester Offset von Ihren tatsächlichen Messungen entfernt.
4-Leiter / Echtes Kelvin
Wie oben erläutert, ändert sich der Kontaktwiderstand in der Sense-Leitung bei jedem Einstecken
Bei True Kelvin bedeutet der Nullstromfluss im Sense-Pfad jedoch, dass der damit verbundene Spannungsabfall im Kontaktwiderstand vom hochohmigen Voltmeter nie erkannt wird, unabhängig vom momentanen Niveau des konstanten Widerstands.
6 Fazit
Vorteile von Kelvin-Verbindungen
Hohe Genauigkeit: Durch die Beseitigung des Einflusses von Leitungs- und Kontaktwiderständen ermöglichen Kelvin-Verbindungen hochgenaue Widerstandsmessungen.
Messung niedriger Widerstände: Unverzichtbar für Anwendungen, bei denen sehr niedrige Widerstände gemessen werden müssen, was mit Zweileitermethoden schwierig ist.
Wiederholbarkeit: Gewährleistet konsistente und wiederholbare Messungen, was bei der Qualitätskontrolle und bei Herstellungsprozessen von entscheidender Bedeutung ist.
Kelvin-Verbindungen sind eine wichtige Methode bei elektrischen Messungen, da sie Vorteile bei Tests mit geringem Widerstand bieten.
Unabhängig davon, ob Sie die echte Kelvin-Methode oder die Halbkelvin-Methode verwenden, ist das Verständnis und die Anwendung dieser Technik wichtig für die Präzision in der Elektrotechnik und bei Qualitätskontrollverfahren.