Керівництво з розмітки друкованої плати з'єднання Кельвіна

З'єднання Кельвіна, яке також називають чотирипровідним або чотирививідним з'єднанням, відокремлює шлях, який переносить струм через елемент, від шляху, який вимірює напругу на ньому, щоб опір проводів та паяних з'єднань не спотворював вимірювання. Це стандартний метод вимірювання малих опорів та вимірювання струму через шунт з низьким значенням. У цьому посібнику пояснюється, що таке... Зв'язок Кельвіна чому звичайне двопровідне вимірювання не працює, і як саме розмістити контактний майданчик чутливого резистора, прокласти лінії чутливих елементів та виготовити плату, щоб точність збереглася у виробництві.

Що таке з'єднання Кельвіна (4-провідне)

Ідея полягає в тому, щоб надати вимірюваному елементу дві незалежні пари з'єднань, а не одну спільну пару.

Шляхи сили та відчуття

• Команда змусити Шлях передає вимірювальний (або навантажувальний) струм в елемент і з нього. Будь-який опір у цьому шляху викликає падіння напруги, але це падіння відбувається поза точкою вимірювання.
• Команда сенс Шлях підключається до елемента для вимірювання напруги на ньому. Він підводиться до високоомного входу, тому струм майже не протікає через нього, а це означає, що опір вимірювальної проводки практично не викликає похибки.

Оскільки датчик підключається безпосередньо до елемента та не передає значущого струму, вимірювання відображає сам елемент, а не проводку та з'єднання, що ведуть до нього. У цьому вся перевага цього методу.

трохи історії

Метод названо на честь лорда Кельвіна, чий міст Кельвіна 19-го століття був розроблений саме для точного вимірювання дуже низьких опорів. Той самий принцип, розділення сили та чутливості, лежить в основі сучасних схем вимірювання струму та високоточних вимірювань.

Чому двопровідне вимірювання не працює

Щоб зрозуміти, навіщо потрібні чотири дроти, розглянемо, що не так з двома. При двопровідному вимірюванні та сама пара з'єднань проводить струм і вимірює напругу, тому виміряна напруга включає падіння на проводах і паяних з'єднаннях, а не лише на елементі.

Працюючий приклад

Припустимо, що ви пропускаєте 50 А через шунт 0.5 мОм для вимірювання струму. Корисний сигнал має вигляд:

50 А × 0.0005 Ом = 25 мВ

Тепер розглянемо паразитні фактори. Паяне з'єднання може легко додати 0.1–0.2 мОм, а з'єднувальні доріжки – ще більше. У двопровідній схемі ці опори з'єднані послідовно з шунтом і вимірюються разом з ним. Навіть кілька десятих міліома опору з'єднання та доріжки порівняно з шунтом 0.5 мОм вносять похибку 20% або більше, і вона змінюється з температурою, коли з'єднання та мідь нагріваються. Таблиця чітко показує контраст.

Чотирипровідне з'єднання усуває цю похибку, оскільки шлях вимірювання приймає напругу на самому шунті та не пропускає струм. Ось чому для точного вимірювання струму по суті завжди використовується з'єднання Кельвіна.

Де використовуються з'єднання Кельвіна

Скрізь, де потрібно точно виміряти невеликий опір або силу струму, з'являється зв'язок Кельвіна.

• Струмові шунти, класичний випадок, вимірювання струму навантаження за допомогою низькоомного резистора.
• Системи керування акумулятором, де точне відстеження струму та стану заряду залежить від чистоти вимірювань.
• Моторні приводи та інвертори, вимірювання фазного або шинського струму для керування та захисту.
• джерела живлення, для обмеження струму, регулювання та моніторингу.
• Вимірювання низького опору загалом, наприклад, для характеристики роз'ємів, обмоток або контактів.

Ці застосування часто пов'язані з високими струмами та значним нагріванням, тому так важливо як компонування, так і виготовлення, і чому вимірювання струму є постійною темою в... виробництво силової електроніки.

Вибір шунтуючого резистора

Перш ніж розміщувати з'єднання Кельвіна, необхідно вибрати сам шунт. Це рішення визначається чотирма параметрами.

Це значення є балансуванням. Наведений раніше приклад, 50 А через 0.5 мОм, що дає 25 мВ, є комфортним для підсилювача струмочутливості без значних втрат потужності. Виберіть найнижче значення, яке все ще дає чистий сигнал, перевірте номінальну потужність з запасом по піковому струму та віддайте перевагу деталі з низьким TCR для точності. У конструкціях з високим струмом тепло, яке розсіює шунт, може бути значним, тому це пов'язано з тим самим тепловим плануванням, яке визначає рішення щодо виробництва силової електроніки.

Розміщення місця розташування сенсорного резистора

З'єднання Кельвіна створюється або втрачається в макеті. Важливо дотримуватися кількох певних правил.

Використовуйте спеціальний 4-контактний майданчик

Замість простого двоконтактного резисторного контакту, використовуйте чотириконтактну схему: дві великі контактні площадки, що несуть струм, і дві маленькі чутливі площадки, що відводять напругу. Багато прецизійних шунтів мають саме цей контактний майданчик Кельвіна, і відправною точкою є дотримання рекомендованої виробником схеми.

Торкніться сенсорного з'єднання на краю елемента

Підключіть сенсорні контакти прямо до корпусу резистора, всередині силові з'єднання, тому виміряна напруга знаходиться лише на елементі та не враховує опір силової площадки та з'єднання. Найважливіша деталь — це місце, де вимірюється напруга: використовуйте її поза траєкторією сили, і ви знову вводите ту саму похибку, яку усуває ця методика.

Тримайте сильні площадки симетричними

Зробіть дві сильні площадки симетричними за розміром та мідним з'єднанням. Асиметрія — це не лише електрична проблема, а й виробнича: нерівномірно розподілена мідь нерівномірно відводить тепло під час оплавлення, тому один кінець деталі нагрівається та змочується раніше за інший. Цей дисбаланс може підняти або змістити компонент, що є класичним явищем, що призводить до утворення надгробків. Симетричні, збалансовані сильні площадки забезпечують рівномірний нагрів обох кінців та правильне розташування деталі, саме тут досвід складання виправдовується. Складання друкованої плати.

Маршрутизація ліній вимірювання

З правильним розташуванням контактної поверхні, сенсорні доріжки потребують ретельного прокладання для збереження точності.

Короткий, узгоджений та відірваний від течії

• Прокладіть дві лінії зчитування як пару близько розташованих ліній з однаковою довжиною, розглядаючи їх як диференціальний сигнал, щоб шум порівну з'єднувався в обидва та компенсувався.
• Робіть їх короткими та спрямуйте їх подалі від шляху дії високострумової сили та від комутаційних вузлів.
• Подати їх на високоімпедансний вхід, підсилювач струмочутливості або АЦП, тому струм протікає незначно, а опір дроту зчитування не викликає падіння напруги.

Вимірювальний фронт

Пара вимірювань зазвичай підключається до спеціалізованого підсилювача вимірювання струму (такі пристрої, як INA219 або INA240, є поширеними прикладами) або безпосередньо до входу прецизійного АЦП. Додавання невеликих, узгоджених послідовних резисторів (порядку від кількох до десяти Ом) до кожної лінії вимірювання забезпечує фільтрацію та захист входу без розбалансування пари. Оскільки це прецизійна аналогова трасування поблизу високих струмів, та сама дисципліна, що використовується в високошвидкісна робота з контрольованим імпедансом, ретельні шляхи повернення та контроль трасування також застосовуються тут.

Ефекти другого порядку

Як тільки основи встановлені правильно, кілька тонких ефектів встановлюють межу точності.

Термо-ЕРС (термоелектричні напруги)

З'єднання між різнорідними металами, припоєм, міддю, резисторним елементом, генерують малі напруги, коли між ними є градієнт температури. На мікровольтовому рівні ці термоелектричні електрорушійні сили важливі для найточніших вимірювань. Підтримка симетричних контактів вимірювачів та їхньої подібної температури, а також уникнення гарячих точок поблизу контактів вимірювачів мінімізує цей ефект.

Калібрування та дрейф

Для найвищої точності відкалібруйте готову збірку та врахуйте температурний коефіцієнт шунта. Гарне компонування усуває грубі похибки; калібрування обробляє залишки, а управління теплом підтримує стабільність власного опору шунта, що іноді вимагає використання підкладки, придатної для... збірка з металевим сердечником у конструкціях високої потужності.

Виробничі міркування

Дизайн Кельвіна, який виглядає ідеально в САПР, все ще залежить від того, як він побудований. На результат безпосередньо впливають кілька виробничих факторів.

• Стійкість та консистенція паяних з'єднань. Хоча шлях сприйняття обходить силові з'єднання, стабільні силові з'єднання з низьким опором підтримують стабільність шляху струму; контрольоване складання забезпечує цю стабільність.
• Симетрія сліду на практиці. Симетричні силові контактні площадки повинні бути виготовлені та припаяні симетрично, щоб уникнути утворення надгробків та зміщення розташування, що залежить від конструкції трафарету та профілю оплавлення.
• Контроль слідів та міді. Точна, повторювана геометрія міді забезпечує належну роботу траєкторії сили та узгодженої пари датчиків, що залежить від основи. Виробництво друкованих плат якість.
• Тестування та перевірка. Перевірка вимірювання з відомим еталоном підтверджує як проектування, так і конструювання, а стабільні результати у великих масштабах отримуються завдяки контролю процесу в велика кількість друкованих плат.

Раннє виявлення проблем макетування та виробництва – це саме те, що Огляд DFM для цього, переконавшись, що розташування шунта, балансування контактних площадок та трасування датчиків можна налаштувати, перш ніж вирішувати.

З'єднання Кельвіна концептуально просте, воно окремо від сили та вимірювання, але воно забезпечує свою точність лише тоді, коли розмір, вимірювальний відвід, прокладання та виготовлення взаємодіють. Зробіть їх правильно, і ви зможете впевнено вимірювати міліоми та високі струми. Ви можете прочитати більше про Highleap Electronics та наші можливості точного та потужного складання.

Поширені запитання

Що таке зв'язок Кельвіна?

Чотирипровідне (чотирививідне) з'єднання, яке розділяє шлях струмопостачання (силовий) від шляху вимірювання напруги (вимірювання). Оскільки шлях вимірювання приймає напругу на елементі та не проводить струм, опір проводки та паяного з'єднання не спотворює вимірювання, що дозволяє точно вимірювати низький опір та струм.

Чому я не можу просто використовувати звичайне двопровідне з'єднання?

У двопровідній схемі ті самі з'єднання несуть струм і вимірюють напругу, тому показники включають падіння на доріжках і паяних з'єднаннях. При шунтуванні на рівні міліома, кілька десятих міліома опору з'єднання можуть спричинити похибку 20% або більше, і це значення дрейфує з температурою.

Де підключати сенсорні лінії до шунта?

Прямо на корпусі резистора, всередині силових з'єднань, тому виміряна напруга знаходиться лише на елементі. Відведення поза межами силового шляху знову вводить опір з'єднання та доріжки, який ви намагаєтеся виключити, що зводить нанівець мету з'єднання Кельвіна.

Чому контактні площадки шунта повинні бути симетричними?

Нерівномірне нанесення міді на дві силові площадки нерівномірно відводить тепло під час оплавлення, тому один кінець змочується раніше за інший, і деталь може піднятися або зміститися, що призведе до утворення надгробків. Симетричні, збалансовані силові площадки рівномірно нагрівають обидва кінці, забезпечуючи правильне розташування та надійне з'єднання.

Як мені спрямувати дві сенсорні траєкторії?

Як коротка, близько розташована, узгоджена за довжиною диференціальна пара, що знаходиться подалі від шляху сильного струму та комутаційних вузлів, що закінчується на високоомному вході, такому як підсилювач струму або АЦП. Малі узгоджені послідовні резистори додають фільтрацію та захист без розбалансування пари.

Які виробничі фактори впливають на точність вимірювання шкали Кельвіна?

Стабільні силові з'єднання з низьким опором; симетричне паяння силових контактних площадок для уникнення утворення надгробків; точна, повторювана геометрія міді для шляху силового з'єднання та пари датчиків; та перевірка на відповідність еталону. Перевірка DFM перед виробництвом підтверджує придатність для будівництва посадкового місця та траси.

Як вибрати значення опору шунта?

Виберіть найнижче значення, яке все ще дає сигнал, який ваш підсилювач або АЦП може зчитувати чітко, що мінімізує втрату енергії та навантаження на напругу. Переконайтеся, що номінальна потужність обробляє I²R при піковому струмі з запасом, і віддайте перевагу деталі з низьким температурним коефіцієнтом (TCR), щоб показники залишалися точними під час нагрівання шунта.