Przegląd połączeń Kelvina

Połączenia Kelvina i pomiary testowe

Wykonywanie pomiarów o niskiej rezystancji, poniżej 1 Ω, obarczone jest źródłami błędów, takimi jak rezystancja przewodu i rezystancja styku.

Niniejsza notatka techniczna opisuje te problemy i sposoby ich przezwyciężenia.

1. Połączenia dwuprzewodowe

Aby zmierzyć rezystancję elementu, przez element przepuszcza się prąd pomiarowy za pośrednictwem zestawu przewodów pomiarowych.
Następnie miernik mierzy napięcie na zaciskach, aby określić wartość rezystancji elementu. Nazywa się to pomiarem dwuprzewodowym.

W przypadku pomiaru dwuprzewodowego wartość rezystancji zależy od rezystancji przewodów pomiarowych.
Rezystancja przewodu powoduje niewielki spadek napięcia, który zwykle można uznać za nieistotny.

Problem z metodą dwuprzewodową polega na tym, że podczas pomiaru małych wartości rezystancji, zwykle 1 Ω lub mniej, rezystancja przewodów pomiarowych powoduje stosunkowo znaczny spadek napięcia oprócz spadku napięcia na elemencie (rysunek 1).
Napięcie zmierzone przez miernik nie będzie zatem prawdziwą wartością napięcia na komponencie.

Rysunek 1. Dwuprzewodowe połączenie testowe pokazujące rezystancję przewodu wpływającą na dokładność pomiaru

2. Połączenia czteroprzewodowe

Biorąc pod uwagę ograniczenia metody dwuprzewodowej, w przypadku pomiarów niskich rezystancji ogólnie preferowana jest metoda czteroprzewodowa (Kelvina).
Pomiarów tych można dokonać przy użyciu oddzielnego źródła prądu i woltomierza (rysunek 2).

Rysunek 2. Schemat przedstawiający 4-przewodowe połączenie Kelvina

W tej konfiguracji prąd testowy przepływa przez rezystancję testową przez jeden zestaw przewodów pomiarowych (przewody zasilające), podczas gdy napięcie na testowanym elemencie jest mierzone przez drugi zestaw przewodów (przewody czujnikowe).

Chociaż przez parę czujnikową może przepływać niewielki prąd, jest on zwykle nieistotny (pA lub mniej), ponieważ impedancja zacisków zwrotnych jest wysoka.
Spadek napięcia zmierzony przez miernik jest zatem zasadniczo taki sam jak napięcie na rezystancji testowej.
Dzięki temu wartość rezystancji można wyznaczyć znacznie dokładniej niż metodą dwuprzewodową.

3. Stopnie Kelvina

Wielu producentów testów i sprzętu stosuje połączenia z testowanym urządzeniem, które w rzeczywistości nie są „prawdziwymi” Kelvinami, ale „pół” Kelvinami.
Najlepiej można to zilustrować na rysunku 3a, na którym zastosowano sondy „sprężynowe”.

Można zauważyć, że sonda sprężynowa nie zapewnia prawdziwego połączenia Kelvina, ponieważ cztery przewody są zakończone w gnieździe sondy.
Aby wartość Kelvina była „prawdziwa”, każdy przewód „zasilania” i „czucia” musi być podłączony bezpośrednio do przewodu elementu testowego i jak najbliżej samego elementu testowego.

4. Półkelwin kontra prawdziwy Kelvin

W przypadku korzystania z uchwytu najszybszą metodą podłączania i odłączania testowanego komponentu, przy jednoczesnym zachowaniu prawdziwego, czteroprzewodowego połączenia Kelvina z komponentem, jest użycie ostrzy Kelvina.
Łopatki Kelvina składają się z dwóch łopatek sprężynowych umieszczonych w korpusie izolacyjnym (rysunek 3b).

Rysunek 3a. Połączenie półkelwinowskie Rysunek 3b. Prawdziwe połączenie Kelvina

Jak wyjaśniono wcześniej, prawdziwy Kelvin zapewnia najbardziej idealną metodę połączenia przy pomiarze rezystancji <1 Ω.

Jednakże przy projektowaniu uchwytu testowego należy wziąć pod uwagę mechaniczny aspekt metody połączenia.
W takim przypadku sondy sprężynowe mogą stanowić alternatywę dla ostrzy Kelvina.
Jednakże prąd płynący przez badany element musi następnie przejść również przez samą sondę sprężynową, powodując dodatkowy, niepożądany spadek napięcia.

Oprawy wykonane przy użyciu sond sprężynowych mają tę zaletę, że są łatwiejsze w konstrukcji, łatwiejsze w utrzymaniu i mają dłuższą żywotność niż ostrza Kelvina, które są podatne na zużycie w wyniku wkładania i wyjmowania elementu testowego.

Ponieważ jednak sondy sprężynowe mogą oferować jedynie połączenie półkelwinowskie, nie należy ich używać do pomiaru rezystancji mniejszej niż 1 Ω.

5. Zobacz także