Présentation des connexions Kelvin
Aperçu des méthodes et techniques permettant d'obtenir des mesures de haute précision de faibles résistances
MIS À JOUR LE 29 AOÛT 2024
Connexions Kelvin et mesures de test
Les connexions Kelvin, également appelées « détection à quatre bornes » ou « détection Kelvin », sont une technique cruciale dans les mesures électriques et électroniques de précision.
Il est conçu pour améliorer la précision des mesures de résistance, en particulier lorsque vous avez affaire à des valeurs de faible résistance.
L'article explore les connexions Kelvin, ses avantages et ses autres applications utiles.
Cette technique est essentielle pour minimiser les erreurs associées aux résistances de contact et de plomb dans les configurations de mesure.
1. Connexions à deux fils
Dans un système de mesure à deux fils, le courant de test circule dans les mêmes câbles que ceux utilisés pour mesurer la chute de tension. La résistance des câbles de test et des contacts dans cette configuration entraîne des imprécisions.
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 une valeur constante de 1 A
- Supposons que la résistance combinée du contact et du fil soit de 0,1 ohm
- Lors de la mesure de la résistance R(uut) = 0,1 ohm
V=IR, donc
L'UUT a une chute de tension de 0,1 Volts
La résistance de contact + la résistance du fil ont une chute de tension de 0,1 Volt
Le voltmètre DMM voit cela combiné comme une chute de 0,2 V.
- Le DMM calcule la résistance à partir de R=V/I = 0,2 OHMS !
C'est-à-dire deux fois 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 Volt
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 sa valeur réelle, les pertes de contact et de plomb deviennent moins importantes, mais elles sont toujours là.
2. Connexions à quatre fils
La méthode à quatre fils (ou connexion Kelvin) permet de surmonter les limites de la technique à deux fils. Grâce à cette configuration :
Les fils de courant sont connectés à un côté de chaque paire de bornes, forçant un courant constant à travers l'UUT.
Les fils de détection sont connectés à l’autre côté de la même paire de bornes pour mesurer la chute de tension directement sur l’UUT.
Étant donné que les fils de détection transportent un courant négligeable, la résistance de ces fils et leurs résistances de contact ont un impact minimal sur les mesures de tension, ce qui nous garantira que la tension mesurée est presque égale à la chute de tension aux bornes de l'UUT et donnera lieu à une mesure de résistance très précise.
Le courant est le même sur tout le trajet du courant, même s'il y a une chute de tension causée par les résistances des fils et des contacts.
Bien qu'un faible courant puisse circuler à travers la paire de détection, il est généralement négligeable (pA ou moins) car l'impédance du dispositif de mesure de tension utilisé est très élevée.
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 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 une valeur constante de 1 A
- Supposons que la résistance combinée du contact et du fil soit toujours de 0,1 ohm
- Lors de la mesure de la résistance R(uut) = 0,1 ohm
V=IR, donc
L'UUT a une chute de tension de 0,1 Volts
La résistance de contact + la résistance du fil n'ont pas de chute de tension car aucun courant ne circule dans ce chemin de sens.
Le voltmètre DMM ne voit que la chute de tension sur R(uut) comme une chute de 0,1 V.
- 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 plomb et du contact.
3. Connexions semi-Kelvin.
En pratique, de nombreuses configurations de test sont des connexions semi-Kelvin, où la configuration Kelvin est approximée à l'aide de sondes à ressort plus simples ou de méthodes similaires.
Ces sondes peuvent apporter une amélioration par rapport à la méthode traditionnelle à deux fils en réduisant les effets de résistance des conducteurs, mais elles n'éliminent pas complètement la résistance de contact. Les connexions semi-Kelvin sont souvent acceptables si la résistance de contact est suffisamment faible et n'a pas d'impact significatif sur la précision de la mesure.
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 être un compromis acceptable.
Des facteurs supplémentaires tels que l'emplacement physique, la séparation des broches et la topologie peuvent rendre une solution semi-kelvin acceptable à l'utilisation.
Pour être un « vrai » Kelvin, chaque câble « d'alimentation » et « de détection » doit être connecté directement au câble du composant de test et aussi près que possible du composant de test lui-même.
4. Connexions Kelvin réelles
Lorsqu'il s'agit de résistances généralement inférieures à 1 Ω, la connexion Kelvin offre les mesures les plus précises. Dans cette configuration, chaque câble de détection et chaque alimentation sont directement connectés au composant testé, ce qui minimise les erreurs dues aux résistances des câbles et des contacts.
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 ainsi une chute de tension supplémentaire indésirable.
Les montages réalisés à l'aide de sondes à ressort présentent l'avantage d'être plus faciles à construire, plus faciles à entretenir et d'avoir une durée de vie plus longue que les lames Kelvin, qui sont sujettes à l'usure due à l'insertion et au retrait du composant à tester.
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 fils sur une mesure. Il semblerait à première vue que de telles compensations supprimeraient l'effet de la résistance des fils et des contacts pour vous.
Cependant, il est important de comprendre que la résistance de contact peut varier considérablement entre CHAQUE connexion d'unité de test.
Cela serait en réalité différent et non reproductible, 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 fixe « ponctuelle » de court-circuit est qu'elle ne supprime que les résistances de contact/fil observées au moment de la compensation. Comme cela changera à chaque insertion ultérieure de l'UUT, cela ne supprimera qu'un décalage fixe de vos mesures réelles.
4 fils / Véritable Kelvin
Comme expliqué ci-dessus, la résistance de contact dans la ligne Sense change à chaque insertion
Cependant, en True Kelvin, 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 à haute impédance.
6 Conclusion
Avantages des connexions Kelvin
Haute précision : en éliminant l'influence des résistances de plomb et de contact, les connexions Kelvin fournissent des mesures de résistance très précises.
Mesure de faible résistance : essentielle 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 répétables, ce qui est essentiel dans le contrôle qualité et les processus de fabrication.
Les connexions Kelvin sont une méthode clé dans la mesure électrique car elles offrent des avantages pour les tests de faible résistance.
Que l'on utilise la véritable méthode Kelvin ou les méthodes semi-Kelvin, la compréhension et l'application de cette technique sont importantes pour la précision des procédures d'ingénierie électrique et de contrôle qualité.