Présentation des connexions Kelvin
Aperçu des méthodes et techniques permettant d'obtenir des lectures de haute précision de faibles résistances
Mis à jour en juillet 2024
Connexions Kelvin et mesures de test
Les connexions Kelvin, également connues sous le nom de détection à quatre bornes ou détection Kelvin, sont une méthode utilisée pour mesurer la résistance électrique avec une grande précision, en particulier dans les scénarios de faible résistance.
Cette technique courante est essentielle pour minimiser les erreurs associées aux résistances de contact et de fil dans les configurations de mesure.
Voici un aperçu du principe, de l'application et des avantages des connexions Kelvin.
Pour mesurer la résistance d'un composant, un courant de test est forcé à travers le composant via un ensemble de cordons de test.
Le compteur mesure ensuite la tension à ses bornes pour donner la valeur de résistance du composant.
1. Connexions à deux fils
Cependant, dans toute mesure réelle, la valeur de la résistance dépend de la résistance des cordons de test et de la résistance de contact de toutes les connexions utilisées.
La résistance du fil et la résistance de contact provoquent une petite chute de tension, qui peut généralement être considérée comme négligeable si la résistance de l'UUT est bien supérieure à ces résistances « d'erreur ».
Le problème avec la méthode à deux fils est que, lors de la mesure de petites valeurs de résistance, généralement 1 Ω ou moins, la résistance des cordons de test provoque une chute de tension relativement importante en plus de la chute de tension aux bornes du composant (voir à droite).
La tension mesurée par le compteur ne sera donc pas la vraie valeur de la tension aux bornes du composant que vous essayez de mesurer.
Considérons le circuit équivalent mesurant une résistance R(uut)
- La source est réglée à 1 Ampère constant
- Supposons que la résistance combinée du contact et du fil est de 0,1 ohms
- Lors de la mesure de R(uut) = résistance de 0,1 ohm
V=IR, donc
L'UUT a une chute de tension de 0,1 Volt
La résistance de contact + la résistance du fil ont une chute de tension de 0,1 Volts
Le voltmètre DMM voit cela combiné comme une chute de 0,2 Volt .
- Le multimètre numérique calcule la Résistance à partir de R=V/I = 0,2 OHMS !
C'est-à-dire le double de la valeur réelle que nous essayons de mesurer.
Répéter la même chose, mais lors de la mesure d'une résistance de 10 ohms
V=IR, donc
L'UUT a une chute de tension de 10 Volts
La résistance de contact + la résistance du fil ont une chute de tension de 0,1 Volts
Le voltmètre DMM voit cela combiné comme une chute de 10,1 volts.
- Le DMM calcule la Résistance à partir de R=V/I = 10,1 OHMS !
C'est-à-dire 1 % au-dessus de la valeur réelle que nous essayons de mesurer.
À mesure que la résistance de l'UUT que vous essayez de mesurer augmente dans sa valeur réelle, les pertes de contact et de plomb deviennent moins importantes, mais elles sont toujours là.
2. Connexions à quatre fils
Compte tenu des limites de la méthode à deux fils, la méthode à quatre fils (Kelvin) est généralement préférée pour les mesures à faible résistance.
Ces mesures peuvent être effectuées à l'aide d'une source de courant et d'un voltmètre séparés.
Avec cette configuration, le courant de test est forcé à travers la résistance de test via un jeu de fils de test (fils d'alimentation), tandis que la tension aux bornes du composant testé est mesurée via un deuxième jeu de fils (fils de détection).
Le courant est le même sur tout le trajet du courant, même s'il y a une certaine chute de tension causée par les résistances des fils et des contacts.
Bien qu'un petit courant puisse circuler à travers la paire de capteurs, il est généralement négligeable (pA ou moins) car l'impédance du dispositif de mesure de tension utilisé est très élevée.
Comme le courant est proche de zéro dans le trajet du fil de détection, la résistance du fil et la résistance de contact ne provoquent aucune chute de tension dans le trajet de mesure de tension.
La chute de tension mesurée par le voltmètre est donc essentiellement la même que la tension aux bornes de la résistance de test.
Par conséquent, la valeur de la résistance peut être déterminée avec beaucoup plus de précision qu'avec la méthode à deux fils.
Considérons maintenant ce nouveau circuit pour un circuit Kelvin à 4 fils mesurant une résistance R(uut)
- La source est réglée à 1 Ampère constant
- Supposons que la résistance combinée du contact et du fil soit toujours de 0,1 ohms
- Lors de la mesure de R(uut) = résistance de 0,1 ohm
V=IR, donc
L'UUT a une chute de tension de 0,1 Volt
La résistance de contact + la résistance du fil ne présentent aucune chute de tension car aucun courant ne circule dans ce chemin de détection.
Le voltmètre DMM ne voit que la chute de tension aux bornes de R(uut) comme une chute de 0,1 Volt .
- Le DMM calcule la Résistance à partir de R=V/I = 0,1 OHMS.
Cette fois, il n'y a pratiquement aucune erreur due à la résistance du fil et du contact.
3. Connexions semi-Kelvin.
De nombreux fabricants de tests et d'équipements utilisent des connexions à l'appareil testé qui ne sont pas en fait du « vrai » Kelvin, mais du « semi » Kelvin.
Cela peut être mieux illustré ici lorsque des sondes à « ressort » sont utilisées.
On peut voir que la sonde à ressort ne fournit pas une véritable connexion Kelvin, car les quatre fils se terminent au niveau de la prise de la sonde, et non au point de contact avec l'UUT.
Cela supprimera l’effet de la résistance du fil, mais ne supprimera aucune résistance de contact.
Si la résistance de contact est suffisamment faible, cela peut constituer un compromis acceptable.
Des facteurs supplémentaires tels que l'emplacement physique, la séparation des broches et la topologie peuvent rendre l'utilisation d'une solution semi-kelvin acceptable.
Afin d'être un « vrai » Kelvin, chaque fil « d'alimentation » et « de détection » doit établir la connexion directement au fil du composant de test et aussi près que possible du composant de test lui-même.
4. Véritables connexions Kelvin
Comme expliqué précédemment, le vrai Kelvin constitue la méthode de connexion la plus idéale pour mesurer des résistances <1Ω.
Cependant, lors de la conception d'un montage d'essai, l'aspect mécanique de la méthode de connexion doit être pris en compte.
Dans ce cas, les sondes à ressort peuvent constituer une alternative aux lames Kelvin.
Cependant, le courant traversant le composant testé doit alors également traverser la sonde à ressort elle-même, introduisant une chute de tension supplémentaire indésirable.
Les montages fabriqués à l'aide de sondes à ressort ont l'avantage d'être plus faciles à construire, plus faciles à entretenir et ont une durée de vie plus longue que les lames Kelvin, qui sont sujettes à l'usure due à l'action d'insertion et de retrait du composant de test.
Cependant, comme les sondes à ressort ne peuvent offrir que des connexions semi-Kelvin, elles ne doivent pas être utilisées pour mesurer une résistance inférieure à 1 Ω.
5 compteurs LCR/testeur AT et compensation.
La plupart des compteurs LCR (et les testeurs Voltech AT) vous permettent d'effectuer une compensation de court-circuit et d'ouverture pour supprimer davantage l'effet des cordons sur une mesure. Il semblerait au premier abord que de telles compensations supprimeraient pour vous l'effet du cordon et de la résistance de contact.
Cependant, il est important de réaliser que la résistance de contact peut varier considérablement entre CHAQUE connexion d'unité de test.
Ce serait en réalité différent et irremplaçable, et de l'ordre de 20 mohms à 150 mohms entre chaque ajustement séparé d'un composant, même avec des contacts apparemment « bons »
4 fils/semi Kelvin
Le problème avec toute compensation de court-circuit fixe « unique » est qu'elle ne supprimera que les résistances de contact/fil vues au moment de la compensation. Comme cela changera à chaque insertion ultérieure d'UUT, cela ne supprimera qu'un décalage fixe de vos mesures réelles.
4 fils / True Kelvin
Comme expliqué ci-dessus, la résistance de contact dans la ligne Sense change à chaque insertion
En True Kelvin, cependant, le flux de courant nul dans le chemin de détection signifie que, quel que soit le niveau instantané de résistance constante, la chute de tension de résistance de contact associée ne sera jamais vue par le voltmètre haute impédance.
6. Conclusion
Avantages des connexions Kelvin
Haute précision : en éliminant l'influence des résistances de fil et de contact, les connexions Kelvin fournissent des mesures de résistance très précises.
Mesure de faible résistance : Indispensable pour les applications nécessitant la mesure de très faibles résistances, ce qui est difficile avec les méthodes à deux fils.
Répétabilité : garantit des mesures cohérentes et reproductibles, ce qui est essentiel dans les processus de contrôle qualité et de fabrication.
En conclusion, les connexions Kelvin constituent une technique inestimable pour les mesures électriques de précision, en particulier pour les applications à faible résistance. En utilisant quatre bornes pour séparer l'alimentation en courant de la mesure de tension, ils éliminent les erreurs dues aux résistances des câbles et des contacts, fournissant ainsi des résultats plus précis et plus fiables. Cette méthode est indispensable dans les domaines nécessitant des mesures de haute précision et continue d’être une pratique fondamentale en génie électrique.