Kelvin-kytkentäpiirilevyn asetteluopas

Kelvin-liitäntä, jota kutsutaan myös nelijohtimiseksi tai nelinapaiseksi liitännäksi, erottaa elementin läpi kulkevan virran reitin elementin yli kulkevasta jännitteen mittaavasta reitistä, jotta johdotuksen ja juotosliitosten resistanssi ei vääristä mittausta. Se on standarditekniikka pienten vastusten mittaamiseen ja virran mittaamiseen matalan arvon shuntin yli. Tässä oppaassa selitetään, mikä Kelvin-liitäntä on, miksi tavallinen kaksijohtiminen mittaus epäonnistuu ja miten tunnistusvastus sijoitetaan, tunnistuslinjat reititetään ja piirilevy valmistetaan niin, että tarkkuus säilyy tuotannossa.

Mikä on Kelvin-kytkentä (4-johtiminen)

Ajatuksena on antaa mitattavalle elementille kaksi toisistaan ​​riippumatonta yhteysparia yhden jaetun parin sijaan.

Voima- ja aistipolut

• pakottavat Tämä reitti kuljettaa mittausvirran (tai kuormitusvirran) elementtiin ja elementistä pois. Mikä tahansa vastus tällä reitillä aiheuttaa jännitehäviön, mutta tämä lasku tapahtuu mittauspisteen ulkopuolella.
• tunne reitti kytketään elementtiin jännitteen mittaamiseksi sen yli. Se on reititetty suuriimpedanssiseen tuloon, joten siinä ei kulje juurikaan virtaa, mikä tarkoittaa, että tunnistusjohdotuksen resistanssi ei aiheuta käytännössä virhettä.

Koska aistikytkentä ottaa jännitteen suoraan elementistä eikä kuljeta merkittävää virtaa, mittaustulos heijastaa itse elementtiä, ei siihen johtavia johdotuksia ja liitoksia. Tämä on tekniikan koko etu.

Hieman historiaa

Menetelmä on nimetty lordi Kelvinin mukaan, jonka 19-luvulla kehittämä Kelvin-silta kehitettiin mittaamaan tarkasti erittäin pieniä vastuksia. Sama periaate, voiman ja tunteen erottaminen, on nykyaikaisten virranmittaus- ja tarkkuusmittauspiirien perustana.

Miksi 2-johtiminen mittaus epäonnistuu

Ymmärtääksesi, miksi neljä johdinta tarvitaan, katso, mikä menee pieleen kahden johdinmallin kanssa. Kahden johtimen mittauksessa sama liitinpari kuljettaa virtaa ja mittaa jännitteen, joten mitattu jännite sisältää johdotuksen ja juotosliitosten yli tapahtuvat jännitehäviöt, ei pelkästään elementin yli.

Toimiva esimerkki

Oletetaan, että johdat 50 A virtaa 0.5 mΩ:n shuntin läpi virran mittaamiseksi. Hyödyllinen signaali on:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Tarkastellaan nyt loisvastusta. Juotosliitos voi helposti lisätä 0.1–0.2 mΩ, ja kytkentäjohtimet lisäävät sitä entisestään. Kaksijohdinkytkentässä nämä resistanssit ovat sarjassa shuntin kanssa ja ne mitataan sen mukana. Jopa muutaman milliohmin kymmenesosan liitoksen ja johtimen resistanssi verrattuna 0.5 mΩ:n shunttiin aiheuttaa 20 %:n tai suuremman virheen, ja se muuttuu lämpötilan mukana liitosten ja kuparin lämmetessä. Taulukko tekee eron selväksi.

Nelijohdinkytkentä poistaa tämän virheen, koska mittausreitti ottaa jännitteen itse shuntista eikä kuljeta virtaa. Siksi tarkkuusvirran mittauksessa käytetään pohjimmiltaan aina Kelvin-kytkentää.

Missä Kelvin-yhteyksiä käytetään

Kelvin-kytkentä esiintyy kaikkialla, missä pieni vastus tai virta on mitattava tarkasti.

• Virta-aisti-shuntit, klassinen tapaus, jossa kuormitusvirta mitataan pienvastusta käyttäen.
• Akunhallintajärjestelmät, jossa tarkka virran ja varaustilan seuranta riippuu puhtaasta tunnistuksesta.
• Moottorikäytöt ja invertterit, vaiheen tai väylävirran tunnistus ohjausta ja suojausta varten.
• Virtalähteet, virran rajoittamiseen, säätöön ja valvontaan.
• Matalan resistanssin mittaus yleisesti, kuten liittimien, käämien tai koskettimien karakterisointi.

Näissä sovelluksissa esiintyy usein suuria virtoja ja merkittävää lämmöntuotantoa, minkä vuoksi sekä asettelulla että valmistuksella on niin suuri merkitys ja siksi virranmittaus on toistuva teema tehoelektroniikan valmistuksessa.

Shunttivastuksen valitseminen

Ennen Kelvin-liitännän suunnittelua on valittava itse shuntti. Neljä parametria hallitsee tätä päätöstä.

Arvo on tasapainoilua. Aiempi esimerkki, 50 A 0.5 mΩ:n virralla, joka antaa 25 mV, on mukava virranmittausvahvistimelle ilman, että tehoa kuluu paljon. Valitse pienin arvo, joka antaa silti puhtaan signaalin, varmista teholuokitus huippuvirralla ja tarkkuuden vuoksi suosi matalan läpivirtaussuhteen omaavaa osaa. Suurivirtaisissa malleissa shuntin tuottama lämpö voi olla merkittävää, joten se liittyy samaan lämpösuunnitteluun, joka ohjaa tehoelektroniikan valmistuspäätöksiä.

Sense-Resistor-jalanjäljen asettelu

Kelvin-yhteys syntyy tai katoaa asettelussa. Muutamia erityiskäytäntöjä on olennaisia.

Käytä erillistä neljän näppäimistön jalanjälkeä

Tavallisen kaksijohtimisen vastuksen sijaan käytä nelijohtimista kytkentää: kaksi suurta voimajohdinta virran johtamiseen ja kaksi pientä jännitteen mittauskytkentää. Monet tarkkuusshuntit on suunniteltu juuri tällä Kelvin-jalanjäljellä, ja lähtökohtana on noudattaa valmistajan suosittelemaa kytkentää.

Napauta elementin reunassa olevaa tunnistusliitäntää

Kytke aistimisliitännät suoraan vastuksen runkoon, voimaliitäntöjen sisäpuolelle , jotta mitattu jännite on vain elementin yli eikä sisällä voimaliitännän ja nivelen resistanssia. Aistimisliitännät ovat tärkein yksityiskohta: jos ne kytketään voimareitin ulkopuolelle, tekniikka poistaa juuri sen virheen, jonka tekniikka poistaa.

Pidä voimatyynyt symmetrisinä

Tee kahdesta voimatyynystä kooltaan ja kupariliitännältään symmetriset. Epäsymmetria ei ole pelkästään sähköinen ongelma, vaan se on valmistukseen liittyvä: epätasainen kupari vetää lämpöä epätasaisesti sulatuksen aikana, joten osan toinen pää lämpenee ja kastuu ennen toista. Tämä epätasapaino voi nostaa tai siirtää komponenttia, mikä on klassinen "tombstone-virhe". Symmetriset, tasapainotetut voimatyynyt pitävät molemmat päät lämpenemässä tasaisesti ja osan oikeassa paikassa, ja tässä kokoonpanokokemus kannattaa piirilevyjen kokoonpanossa.

Tuntojohtojen reititys

Kun jalanjälki on oikea, aistijälkien reititys on tehtävä huolellisesti tarkkuuden säilyttämiseksi.

Lyhyt, sovitettu ja pois nykyisestä

• Reititä kaksi tunnistuslinjaa lähekkäin olevana, pituudeltaan vastaavana parina, käsittelemällä niitä differentiaalisignaalina, joten kohina kytkeytyy molempiin yhtä paljon ja kumoaa toisensa.
• Pidä ne lyhyinä ja reititä ne pois suuren virran voimareitiltä ja kytkentäsolmuista.
• Lähetä ne korkeaimpedanssiseen tuloon, virrantunnistusvahvistin tai AD-muunnin, joten virta kulkee merkityksettömän vähän eikä tunnistusjohtimen resistanssi aiheuta jännitehäviötä.

Mittauksen etupää

Tunnistinpari kytketään tyypillisesti erilliseen virrantunnistusvahvistimeen (yleisiä esimerkkejä ovat INA219 tai INA240) tai suoraan tarkkuus-AD-muuntimen tuloon. Pienten, sovitettujen sarjavastusten (muutamasta kymmeneen ohmiin) lisääminen kumpaankin tunnistuslinjaan tarjoaa tulosuodatuksen ja -suojauksen ilman parin epätasapainottamista. Koska kyseessä on tarkka analoginen reititys suurten virtojen lähellä, sama periaate kuin suurnopeus- ja kontrolloidun impedanssin työssä – huolelliset paluureitit ja juovien ohjaus – pätee myös tässä.

Toisen asteen vaikutukset

Kun perusasiat ovat kunnossa, muutamat hienovaraisemmat vaikutukset asettavat rajat tarkkuudelle.

Terminen EMF (termoelektriset jännitteet)

Erilaisten metallien, kuten juotoksen ja kuparin, väliset liitokset, kuten vastuselementti, tuottavat pieniä jännitteitä, kun niiden yli on lämpötilagradientti. Mikrovolttitasolla nämä termoelektriset sähkömagneettiset kentät ovat tärkeitä tarkimpien mittausten kannalta. Tunnistinliitosten pitäminen symmetrisinä ja samanlaisissa lämpötiloissa sekä kuumien pisteiden välttäminen tuntopisteiden lähellä minimoi vaikutuksen.

Kalibrointi ja ajautuminen

Parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi kalibroi valmis kokoonpano ja ota huomioon shuntin lämpötilakerroin. Hyvä asettelu poistaa karkeat virheet; kalibrointi käsittelee jäännösvirheet ja lämmön hallinta pitää shuntin oman resistanssin vakaana, mikä joskus vaatii metalliytimiselle kokoonpanolle sopivan alustan suuritehoisissa malleissa.

Valmistusnäkökohdat

Kelvin-mallin täydellinen ulkonäkö CAD-ohjelmassa riippuu edelleen siitä, miten se on rakennettu. Useat valmistukseen liittyvät tekijät vaikuttavat suoraan lopputulokseen.

• Juotosliitoksen kestävyys ja johdonmukaisuus. Vaikka aistireitti ohittaa voimanivelet, yhdenmukaiset, pieniresistanssiset voimanivelet pitävät virtareitin vakaana; hallittu kokoonpano takaa tämän yhdenmukaisuuden.
• Jalanjäljen symmetria käytännössä. Symmetriset voimatyynyt on rakennettava ja juotettava symmetrisesti, jotta vältetään hautakivimäinen kuviointi ja sijoittelun siirtymä, mikä riippuu sapluunan suunnittelusta ja reflow-profiilista.
• Jälkien ja kuparin hallinta. Tarkka ja toistettava kuparigeometria pitää voimareitin ja sovitetun aistiparin toiminnassa suunnitellulla tavalla, mikä riippuu alla olevasta materiaalista Piirilevyjen valmistus laatua.
• Testaus ja varmennus. Mittauksen varmentaminen tunnettua referenssiä vasten vahvistaa sekä suunnittelun että rakenteen, ja prosessinohjaus takaa yhdenmukaiset tulokset skaalautuvasti. suuren volyymin piirilevykokoonpano.

DFM-tarkastus on tarkoitettu juuri asettelun ja valmistuksen välisten ongelmien havaitsemiseen varhaisessa vaiheessa. Tarkoituksena on varmistaa, että shuntin jalanjälki, pad-tasapaino ja anturin reititys ovat rakennettavissa ennen sitoutumista.

Kelvin-liitäntä on käsitteellisesti yksinkertainen ja erillinen voimasta aistimisesta, mutta se on tarkka vain, kun jalanjälki, aistimisliitäntä, reititys ja valmistus tekevät yhteistyötä. Jos ne on tehty oikein, voit mitata milliohmeja ja suuria virtoja luottavaisin mielin. Voit lukea lisää Highleap Electronicsista ja tarkkuus- ja tehokokoonpanokyvyistämme.

Usein Kysytyt Kysymykset

Mikä on Kelvin-yhteys?

Nelijohtiminen (neljänapainen) liitäntä, joka erottaa virtaa kuljettavan (voima) reitin jännitteen mittausreitistä (tunnistusreitistä). Koska mittausreitti ottaa jännitteen elementistä eikä kuljeta virtaa, johdotus ja juotosliitoksen resistanssi eivät vääristä mittausta, mikä mahdollistaa tarkan matalaresistanssisen ja virran mittauksen.

Miksi en voi käyttää tavallista kaksijohtimista liitäntää?

Kaksijohdinkytkentäkaaviossa samat liitokset kuljettavat virtaa ja mittausjännitettä, joten lukema sisältää jännitteenlaskun juotosjohtimien ja juotosliitosten yli. Milliohmitason shunttia vastaan ​​muutaman milliohmin kymmenesosan liitosvastus voi aiheuttaa 20 %:n tai suuremman virheen, ja lukema vaihtelee lämpötilan mukaan.

Mistä liitän shuntin tunnistuslinjat?

Suoraan vastuksen rungossa, voimaliitäntöjen sisällä, joten havaittu jännite on vain elementin yli. Voimareitin ulkopuolella tapahtuva koskettaminen palauttaa pois suljettavan liitos- ja johdinvastuksen, mikä tekee Kelvin-liitoksen tarkoituksen tyhjäksi.

Miksi shuntin voimatyynyjen on oltava symmetriset?

Kahden puristustyynyn epätasainen kupari vetää lämpöä epätasaisesti sulatuksen aikana, joten toinen pää kastuu ennen toista ja osa voi nousta tai siirtyä, aiheuttaen painautumisen. Symmetriset, tasapainotetut puristustyynyt lämmittävät molempia päitä tasaisesti, mikä pitää sijoituksen oikeana ja liitoksen luotettavana.

Miten minun pitäisi reitittää kaksi aistijälkää?

Lyhyenä, lähellä toisiaan sijaitsevana, pituudeltaan sovitettuna differentiaalivastusparina, joka pidetään erillään suuren virran voimareitistä ja kytkentäsolmuista ja päättyy korkeaimpedanssiseen tuloon, kuten virranmittausvahvistimeen tai AD-muuntimeen. Pienet sovitetut sarjavastukset lisäävät suodatusta ja suojausta ilman parin epätasapainottamista.

Mitkä valmistustekijät vaikuttavat Kelvin-mittaustarkkuuteen?

Yhdenmukaiset, pieniresistanssiset voimaliitokset; voimatyynyjen symmetrinen juotos "touchstone"-kuvioiden välttämiseksi; tarkka ja toistettava kuparigeometria voimareitille ja tunnistusparille; ja varmennus referenssiä vasten. DFM-tarkastus ennen tuotantoa vahvistaa, että jalanjälki ja reititys ovat rakennettavissa.

Miten valitsen shunttivastuksen arvon?

Valitse pienin arvo, joka edelleen antaa signaalin, jonka vahvistimesi tai AD-muuntimesi pystyy lukemaan selkeästi. Tämä minimoi hukkavirran ja jänniterasian. Varmista, että teholuokitus kestää I²R:n huippuvirralla marginaalilla, ja suosi matalan lämpötilakertoimen (TCR) omaavaa osaa, jotta lukema pysyy tarkkana shuntin lämmetessä.