Dokładny pomiar bardzo małej rezystancji jest trudny, ponieważ na wynik wpływają przewody i styki. Problem ten rozwiązuje połączenie Kelvina, znane także jako pomiar czteroprzewodowy.
Metoda rozdziela tor prądowy od toru pomiaru napięcia. Dzięki temu spadki napięcia na przewodach i stykach nie zniekształcają wyniku, co ma szczególne znaczenie przy precyzyjnym pomiarze prądu za pomocą rezystora bocznikowego.
Choć w opisach tej techniki występuje sporo specjalistycznych pojęć, sama zasada działania jest prosta.
W artykule wyjaśniamy, jak działa połączenie Kelvina, czym różnią się poszczególne warianty pomiaru oraz gdzie warto je stosować.
Zacznijmy od podstaw.
Co to jest połączenie Kelvina?
Układ połączenia Kelvina
Połączenie Kelvina wykorzystuje osobne styki do doprowadzenia prądu oraz do pomiaru potencjału bezpośrednio na badanym elemencie. Taki układ ogranicza lub eliminuje wpływ rezystancji kontaktowej na wynik.
Ma to znaczenie zwłaszcza przy pomiarze napięć rzędu miliwoltów, na przykład na rezystorze bocznikowym. Rezystancja styków jest wtedy trudną do przewidzenia, a jednocześnie istotną składową błędu.
Rezystor bocznikowy
Rozwiązaniem jest element czterozaciskowy. Dwa zaciski przewodzą prąd obciążenia, a dwa pozostałe służą wyłącznie do pomiaru napięcia.
W przypadku elementów dwuzaciskowych można użyć specjalnych zacisków podłączanych możliwie blisko części rezystancyjnej. Są to tak zwane zaciski Kelvina, które osobno doprowadzają prąd i mierzą potencjał.
Zaciski dobrze sprawdzają się w pomiarach tymczasowych. W instalacji stałej podobny efekt można uzyskać, doprowadzając do elementu dwuzaciskowego osobne, lutowane przewody prądowe i napięciowe.
Najważniejszą zaletą pomiaru czteroprzewodowego jest oddzielenie toru napięciowego od prądowego, co usuwa z wyniku wpływ rezystancji przewodów i połączeń.
Metodę tę nazywa się również pomiarem czterozaciskowym. Można ją zastosować także do elementu z dwoma wyprowadzeniami, o ile przewody prądowe i pomiarowe łączą się z każdym zaciskiem w odpowiednio zaprojektowanym punkcie. Tak utworzoną parę styków określa się jako styki Kelvina.
Jak działa połączenie Kelvina?
Prąd testowy płynie przez parę przewodów prądowych. Powoduje spadek napięcia zarówno na badanej impedancji, jak i na rezystancji tych przewodów, zgodnie z prawem Ohma.
Prawo Ohma
Druga para, czyli przewody pomiarowe, jest podłączona bezpośrednio przy badanej impedancji. Nie obejmuje więc spadków napięcia występujących w torze prądowym. Ponieważ wejście woltomierza ma bardzo dużą impedancję, przez przewody pomiarowe płynie znikomy prąd, a powstający na nich spadek napięcia można pominąć.
Istotne jest również rozmieszczenie obu par przewodów.
Przewody prądowe powinny tworzyć parę zewnętrzną, a przewody pomiarowe — parę wewnętrzną, podłączoną bliżej badanego elementu. Zamiana ich miejsc może wyraźnie pogorszyć dokładność, ponieważ do wyniku zostanie doliczona dodatkowa rezystancja połączenia.
Przewody prądowe muszą mieć przekrój odpowiedni do płynącego przez nie prądu. Przewody pomiarowe mogą być cieńsze, ponieważ przenoszą jedynie znikomy prąd wejściowy miernika.
Rodzaje połączeń Kelvina i pomiarów
W praktyce spotyka się pomiar dwuprzewodowy i czteroprzewodowy, a także połączenia półkelwinowskie oraz pełne połączenia Kelvina. Poniżej omawiamy różnice między nimi.
Pomiar rezystancji metodą Kelvina
Połączenia dwuprzewodowe
W pomiarze dwuprzewodowym ta sama para przewodów doprowadza prąd testowy i mierzy napięcie na zaciskach. Miernik oblicza na tej podstawie rezystancję elementu.
Wynik obejmuje jednak rezystancję przewodów i styków. Przy dużej rezystancji obciążenia wywołany przez nie błąd jest zwykle niewielki.
Problem pojawia się przy rezystancjach 1Ω lub mniejszych. Spadek napięcia na przewodach może być wtedy porównywalny ze spadkiem na badanym elemencie, dlatego miernik nie pokazuje jego rzeczywistej rezystancji.
Połączenia 4-przewodowe
Przy małych rezystancjach znacznie dokładniejszy jest pomiar czteroprzewodowy. Można go wykonać jednym odpowiednim miernikiem albo osobnym źródłem prądu i woltomierzem.
Pomiar czteropunktowy
W konfiguracji czteroprzewodowej jedna para przewodów wymusza przepływ prądu przez badaną rezystancję, a druga mierzy napięcie bezpośrednio na jej zaciskach.
Przez przewody pomiarowe płynie niewielki prąd, lecz dzięki wysokiej impedancji wejściowej miernika jego wpływ można pominąć.
Miernik odczytuje więc spadek napięcia wyłącznie na badanej rezystancji, co zapewnia znacznie dokładniejszy wynik.
Połączenie półkelwinowskie
Wiele przyrządów testowych wykorzystuje połączenie półkelwinowskie. Przykładem są sondy sprężynowe, w których cztery przewody kończą się w gnieździe sondy, a nie bezpośrednio na wyprowadzeniu badanego elementu. Nie jest to zatem pełne połączenie Kelvina.
Sondy sprężynowe
Aby uzyskać pełne połączenie Kelvina, przewody prądowe i pomiarowe muszą mieć osobne styki bezpośrednio na wyprowadzeniu badanego elementu.
Połączenie półkelwinowskie a pełne połączenie Kelvina
Pełne połączenie czteroprzewodowe można zachować także w oprzyrządowaniu umożliwiającym szybkie wkładanie i wyjmowanie elementu. Służą do tego między innymi ostrza Kelvina: dwa odizolowane od siebie styki sprężynowe.
Pełne połączenie Kelvina jest szczególnie istotne przy pomiarze rezystancji 1Ω i mniejszych. Projektując oprzyrządowanie testowe, trzeba jednak uwzględnić również trwałość i powtarzalność styku mechanicznego.
Sondy sprężynowe są łatwiejsze w budowie i konserwacji, a często także trwalsze od ostrzy Kelvina. Zapewniają jednak jedynie połączenie półkelwinowskie, dlatego nie powinny być stosowane do precyzyjnych pomiarów rezystancji mniejszej niż 1Ω.
Zastosowania połączenia Kelvina
Połączenie Kelvina wykorzystuje się między innymi w następujących zastosowaniach:
Obwody elektryczne
Miliamperomierz
Testowanie torów zasilania
Zarządzanie zasilaniem akumulatorowym
Regulator napięcia
Jak test czteroprzewodowy wykrywa ukryte wady PCB
Czteroprzewodowy test Kelvina wykrywa zmiany rezystancji rzędu miliomów między przelotkami. Pozwala dzięki temu odróżnić prawidłowe połączenie od potencjalnej wady. Aby ustalić typowy zakres wyników, zwykle mierzy się kilka płytek drukowanych lub całych paneli.
Jeśli zmierzona rezystancja przekracza ustalony próg, połączenie nie przechodzi testu. Ostateczne potwierdzenie wady metalizacji otworu może jednak wymagać niszczącego badania przekroju przelotki.
Przekrój metalizowanego otworu PCB
Ta metoda ma również szersze zastosowanie pomiarowe.
Pomiar Kelvina, nazywany też pomiarem czteroprzewodowym lub metodą czterech sond, wykorzystuje oddzielne elektrody do doprowadzania prądu i pomiaru napięcia. Dzięki dwóm niezależnym parom przewodów zapewnia większą dokładność niż metoda dwuprzewodowa.
Pomiar czteropunktowy
Rozdzielenie toru prądowego i napięciowego eliminuje z wyniku rezystancję styków oraz przewodów pomiarowych. Metoda znakomicie nadaje się więc do dokładnego wyznaczania małych rezystancji.
Technikę czterozaciskową stosuje się w wybranych analizatorach impedancji i omomierzach, a także w pomiarach tensometrów, termometrów rezystancyjnych oraz rezystancji cienkich warstw.
Podsumowanie
Jeśli zależy Ci na wiarygodnym pomiarze małej rezystancji, prawidłowo wykonane połączenie Kelvina jest jednym z najskuteczniejszych rozwiązań.
Dobór pełnego lub półkelwinowskiego wariantu zależy od wymaganej dokładności, wartości mierzonej rezystancji oraz konstrukcji oprzyrządowania testowego.
Jeśli potrzebujesz pomocy w zaprojektowaniu toru pomiarowego lub punktów Kelvina na płytce PCB, zapraszamy do kontaktu.