Panoramica delle connessioni Kelvin
Cenni su metodi e tecniche per ottenere letture ad alta precisione di basse resistenze
Aggiornato luglio 2024
Connessioni Kelvin e misurazioni di prova
Le connessioni Kelvin, note anche come rilevamento a quattro terminali o rilevamento Kelvin, sono un metodo utilizzato per misurare la resistenza elettrica con elevata precisione, in particolare in scenari a bassa resistenza.
Questa tecnica comune è essenziale per ridurre al minimo gli errori associati alle resistenze di contatto e dei conduttori nelle configurazioni di misurazione.
Ecco una panoramica del principio, dell'applicazione e dei vantaggi delle connessioni Kelvin.
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.
1. Collegamenti a due fili
Tuttavia, in qualsiasi misurazione nel mondo reale, il valore della resistenza è soggetto alla resistenza dei puntali e alla resistenza di contatto di qualsiasi connessione utilizzata.
La resistenza del cavo e della resistenza di contatto provoca una piccola caduta di tensione, che solitamente può essere considerata trascurabile se la resistenza dell'UUT è molto superiore a queste resistenze di "errore".
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 (vedi a destra).
La tensione misurata dal misuratore quindi non sarà il valore reale della tensione ai capi del componente che stai cercando di misurare.
Consideriamo il circuito equivalente che misura un resistore R(uut)
- La sorgente è impostata su 1 Amp costante
- Supponiamo che la resistenza combinata di contatto e cavo sia di 0,1 ohm
- Quando si misura R(uut) = resistenza da 0,1 ohm
V=IR, quindi
L'UUT ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
La resistenza di contatto + resistenza del cavo ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
Il voltmetro DMM vede questo combinato come una caduta di 0,2 Volt .
- Il DMM calcola la resistenza da R=V/I = 0,2 OHMS!
Cioè il doppio del valore effettivo che stiamo cercando di misurare.
Ripetendo lo stesso, ma quando si misura un resistore da 10 ohm
V=IR, quindi
L'UUT ha una caduta di tensione di 10 Volt
La resistenza di contatto + resistenza del cavo ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
Il voltmetro DMM vede questo combinato come una caduta di 10,1 Volt.
- Il DMM calcola la resistenza da R=V/I = 10,1 OHMS!
Cioè, l'1% in più rispetto al valore reale che stiamo cercando di misurare.
Man mano che la resistenza dell'UUT che si sta tentando di misurare aumenta nel suo valore reale, le perdite di contatto e di piombo diventano meno significative, ma sono sempre presenti.
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.
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).
La corrente è la stessa in tutto il percorso, anche se si verifica una caduta di tensione causata dalle resistenze del filo e dei contatti.
Sebbene una piccola corrente possa fluire attraverso la coppia di rilevamento, solitamente è trascurabile (pA o inferiore) perché l'impedenza del dispositivo di misurazione della tensione utilizzato è molto elevata.
Poiché la corrente è prossima allo zero nel percorso del conduttore di rilevamento, la resistenza del filo e la resistenza del contatto non causano alcuna caduta di tensione nel percorso di misurazione della tensione.
La caduta di tensione misurata dal voltmetro 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.
Consideriamo ora questo nuovo circuito per un circuito Kelvin a 4 fili che misura un resistore R(uut)
- La sorgente è impostata su 1 Amp costante
- Supponiamo che la resistenza combinata di contatto e cavo sia ancora 0,1 ohm
- Quando si misura R(uut) = resistenza da 0,1 ohm
V=IR, quindi
L'UUT ha una caduta di tensione di 0,1 Volt
La resistenza di contatto + resistenza del conduttore non presenta alcuna caduta di tensione poiché in questo percorso di senso non scorre corrente.
Il voltmetro DMM rileva solo la caduta di tensione su R(uut) come caduta di 0,1 Volt .
- Il multimetro calcola la resistenza da R=V/I = 0,1 OHMS.
Questa volta non vi è praticamente alcun errore dovuto alla resistenza del cavo e del contatto.
3.Connessioni semi-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 qui 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, non sul punto di contatto con l'UUT.
Ciò eliminerà l'effetto della resistenza del filo, ma non rimuoverà alcuna resistenza di contatto.
Se la resistenza di contatto è sufficientemente bassa, questo potrebbe essere un compromesso accettabile.
Ulteriori fattori come il posizionamento fisico, la separazione dei pin e la topologia possono rendere accettabile l'uso di una soluzione semi Kelvin.
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. Vere connessioni 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 mantenere 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 connessioni semi-Kelvin, non dovrebbero essere utilizzate quando si misura una resistenza inferiore a 1Ω.
5 misuratori LCR/tester AT e compensazione.
La maggior parte dei misuratori LCR (e i tester AT Voltech) consentono di eseguire la compensazione Corto e Aperto per rimuovere ulteriormente l'effetto dei cavi su una misurazione. A prima vista sembrerebbe che tali compensazioni eliminerebbero l'effetto del cavo e della resistenza di contatto.
Tuttavia, è importante comprendere che la resistenza di contatto può variare ampiamente tra OGNI connessione di unità di test.
Ciò sarebbe in realtà diverso e irripetibile, e dell'ordine da 20 mohm a 150 mohm tra ogni adattamento separato di un componente anche con contatti apparentemente "buoni"
4 fili/Semi Kelvin
Il problema con qualsiasi compensazione breve fissa "una tantum" è che rimuoverà solo le resistenze di contatto/conduttore viste al momento della compensazione. Poiché questo cambierà ad ogni successivo inserimento dell'UUT, rimuoverà sempre e solo un offset fisso dalle misurazioni reali.
4 fili/vero Kelvin
Come spiegato sopra, la resistenza di contatto nella linea Sense cambia ad ogni inserimento
In True Kelvin, tuttavia, il flusso di corrente pari a zero nel percorso di rilevamento significa che, indipendentemente dal livello istantaneo di resistenza costante, la caduta di tensione della resistenza di contatto associata non sarà mai vista dal voltmetro ad alta impedenza.
6. Conclusione
Vantaggi delle connessioni Kelvin
Elevata precisione: eliminando l'influenza delle resistenze dei conduttori e dei contatti, le connessioni Kelvin forniscono misurazioni della resistenza estremamente accurate.
Misurazione di bassa resistenza: essenziale per applicazioni che richiedono la misurazione di resistenze molto basse, cosa difficile con i metodi a due fili.
Ripetibilità: garantisce misurazioni coerenti e ripetibili, il che è fondamentale nel controllo qualità e nei processi di produzione.
In conclusione, le connessioni Kelvin rappresentano una tecnica preziosa nella misurazione elettrica di precisione, in particolare per applicazioni a bassa resistenza. Utilizzando quattro terminali per separare l'alimentazione di corrente dalla misurazione della tensione, eliminano gli errori dovuti alle resistenze dei conduttori e dei contatti, fornendo così risultati più accurati e affidabili. Questo metodo è indispensabile nei campi che richiedono misurazioni ad alta precisione e continua ad essere una pratica fondamentale nell'ingegneria elettrica.