Panoramica delle connessioni Kelvin
Cenni su metodi e tecniche per ottenere letture ad alta precisione di basse resistenze
Connessioni Kelvin e misurazioni di prova
Effettuare misurazioni a bassa resistenza, inferiore a 1Ω, è soggetto a fonti di errore, tra cui la resistenza dei conduttori e la resistenza dei contatti.
Questa nota tecnica descrive questi problemi e come risolverli.
1. Collegamenti a due fili
Per misurare la resistenza di un componente, una corrente di prova viene forzata attraverso il componente tramite una serie di puntali.
Lo strumento misura quindi la tensione ai suoi terminali per fornire il valore di resistenza del componente. Questa è nota come misurazione a due fili.
In una misurazione a due fili, il valore della resistenza è soggetto alla resistenza dei puntali.
La resistenza del cavo provoca una piccola caduta di tensione, che solitamente può essere considerata trascurabile.
Il problema con il metodo a due fili è che, quando si misurano piccoli valori di resistenza, tipicamente 1Ω o meno, la resistenza dei puntali provoca una caduta di tensione relativamente significativa oltre alla caduta di tensione attraverso il componente (Figura 1).
La tensione misurata dal misuratore non sarà quindi il vero valore della tensione ai capi del componente.
Figura 1. Connessione di prova a due fili che mostra la resistenza del cavo che influisce sulla precisione della misurazione
2. Connessioni a quattro fili
Date le limitazioni del metodo a due fili, il metodo a quattro fili (Kelvin) è generalmente preferito per le misurazioni a bassa resistenza.
Queste misurazioni possono essere effettuate utilizzando una sorgente di corrente e un voltmetro separati (Figura 2).
Figura 2. Diagramma che mostra la connessione Kelvin a 4 fili
Con questa configurazione, la corrente di prova viene forzata attraverso la resistenza di prova tramite un set di puntali (cavi di alimentazione), mentre la tensione ai capi del componente in prova viene misurata attraverso un secondo set di puntali (cavi di rilevamento).
Sebbene una piccola corrente possa fluire attraverso la coppia di rilevamento, solitamente è trascurabile (pA o inferiore) perché l'impedenza dei terminali di rilevamento è elevata.
La caduta di tensione misurata dal misuratore è quindi essenzialmente uguale alla tensione ai capi della resistenza di prova.
Di conseguenza il valore della resistenza può essere determinato in modo molto più accurato rispetto al metodo a due fili.
3. Gradi Kelvin
Molti produttori di apparecchiature e test utilizzano connessioni al dispositivo in prova che in realtà non sono Kelvin "veri", ma "semi" Kelvin.
Ciò può essere meglio illustrato nella Figura 3a, dove vengono utilizzate le sonde "a molla".
Si può vedere che la sonda a molla non fornisce una vera connessione Kelvin, poiché i quattro fili terminano sulla presa della sonda.
Per essere "vero" Kelvin, ciascun cavo "di alimentazione" e "rilevamento" deve essere collegato direttamente al cavo del componente di test e il più vicino possibile al componente di test stesso.
4. Semi Kelvin contro vero Kelvin
Quando si utilizza un dispositivo, il metodo più veloce per connettere e disconnettere il componente sotto test, pur mantenendo una vera connessione Kelvin a quattro fili al componente, consiste nell'utilizzare le lame Kelvin.
Le lame Kelvin sono costituite da due lame a molla contenute in un corpo isolante (Figura 3b).
Figura 3a. Connessione Semi Kelvin Figura 3b. La vera connessione Kelvin
Come spiegato in precedenza, il vero Kelvin fornisce il metodo di connessione più ideale quando si misurano resistenze <1Ω.
Tuttavia, quando si progetta un dispositivo di prova, è necessario considerare l'aspetto meccanico del metodo di connessione.
In questo caso, le sonde a molla possono rappresentare un'alternativa alle lame Kelvin.
Tuttavia, la corrente che attraversa il componente in prova deve poi passare anche attraverso la sonda a molla stessa, introducendo un'ulteriore caduta di tensione indesiderata.
I dispositivi realizzati utilizzando sonde a molla hanno il vantaggio di essere più facili da costruire, più facili da manutenere e hanno una durata maggiore rispetto alle lame Kelvin, che sono soggette a usura a causa dell'inserimento e della rimozione del componente da testare.
Tuttavia, poiché le sonde a molla possono offrire solo una connessione semi-Kelvin, non dovrebbero essere utilizzate quando si misura una resistenza inferiore a 1Ω.