مع استمرار انخفاض متطلبات مقاومة التيار المستمر (DCR) في محولات التيار المستمر-التيار المستمر عالية الأداء ووحدات الطاقة الخاصة بالذكاء الاصطناعي إلى مستوى المللي أوم أو حتى الميكرو أوم، فإن الطريقة التقليدية ذات السلكين تُدخل أخطاءً كبيرة جدًّا، ما يجعل من الضروري اعتماد طريقة الاتصال رباعية الأسلاك (كيلفن) للقياس. ويظن العديد من المهندسين أن قياس مقاومة التيار المستمر (DCR) عملية بسيطة، ويعتقدون أنه يمكن إنجازها ببساطة عبر تثبيت المكوِّن بين أسلاك الاختبار الخاصة بمقياس متعدد أو مقياس LCR. ومع ذلك، تظهر في الإنتاج الفعلي مشكلاتٌ متكررة، مثل: اختلاف القراءات بين عدة أجهزة لمحثٍ واحد، وتقلبات البيانات الناجمة عن اختلاف الضغط المُطبَّق على أسلاك الاختبار، وزيادة كبيرة جدًّا في بيانات القياس للمحاثات ذات الحث المنخفض. ولنتناول أدناه الأسباب الجذرية لهذه المشكلات.
1- فهم جوهر مقاومة التيار المستمر للمحث والصعوبات المرتبطة بقياسها
يشير مقاومة التيار المستمر (DCR) للمحث إلى المكوّن المقاوم النقي الذي يقدّمه لف المحث تحت تأثير التيار المستمر، وهي ناتجة عن المقاومة الذاتية للسلك النحاسي المستخدم في لف المحث. ويُحدِّد هذا المعلَّام بشكل مباشر كفاءة تحويل الطاقة، وتبديد الحرارة، والموثوقية طويلة الأمد للنظام الكهربائي.
تكمُن الصعوبة التقنية الأساسية في قياس مقاومة التيار المستمر بدقة في حقيقة أن مقاومة التيار المستمر للفائف المحث الشائعة تتراوح عادةً بين بضعة مللي أوم وعدة مئات من المللي أوم. وعندما تنخفض المقاومة المراد قياسها إلى مستوى المللي أوم، فإن مقاومة أسلاك الاختبار نفسها (التي تتراوح عادةً بين ٠٫١ أوم و٠٫٥ أوم) ومقاومة التماس بين المسبار والدائرة (بضعة مللي أوم إلى عشرات المللي أوم) في طريقة القياس ثنائية السلك التقليدية تصبح في نفس الرتبة العددية للمقاومة المراد قياسها. ونتيجةً لذلك، سيختلف القيمة المقاسة اختلافًا كبيرًا عن القيمة الحقيقية.
2- طريقة كيلفن الأربعة الأسلاك — الحل الجذري لإزالة أخطاء الأسلاك الواصلة
الحل القياسي لقياس المقاومات المنخفضة هو وصلية كلفن الأربعة الأسلاك. وقد ابتكر هذه الطريقة اللورد ويليام تومسون كلفن عام ١٨٦١، وما زالت حتى اليوم المعيار المرجعي لقياس المقاومات المنخفضة بدقة.
2.1 لماذا تُعد طريقة السلكين غير قابلة للتطبيق
في قياس شائع باستخدام سلكين، يتشارك حلقة إدخال التيار وحلقة كشف الجهد في نفس الزوج من الأسلاك. وبالتالي فإن قيمة المقاومة التي يقيسها العداد هي:
R_measured = R_DUT + 2 × (R_lead + R_contact)
حيث تمثّل R_lead مقاومة سلك الاختبار الواحد (عادةً ما تكون في مدى الملي أوم إلى مئات الملي أوم)، وR_contact هي مقاومة التماس بين المسبار ونقطة الاختبار (المدى). وعندما تكون R_DUT بضعة ملي أوم فقط، فقد تصل الأخطاء الناجمة عن مقاومات الأسلاك ومقاومات التماس إلى عشرات المرات من القيمة الفعلية.
2.2 المبدأ الأساسي لطريقة كلفن الأربعة الأسلاك
يُعالَج منهج كلفن ذا الأربعة أسلاك هذه المسألة عبر فصل المسار الكهربائي للتيار عن مسار كشف الجهد جسديًّا. ويُقسَّم الأسلاك الأربعة إلى زوجين، لكلٍّ منهما وظيفة مُميَّزة:
◾ خطوط الإجبار (خطوط توليد التيار، سلكان): توصيل تيار تيار مستمر معروف وثابت إلى المحث قيد الاختبار. قد تظهر فروق جهد عبر حلقة التيار هذه، لكن مقاومة الأسلاك الواصلة ومقاومة التماس لا تؤثر على دقة نتائج القياس.
◾ خطوط الاستشعار (خطوط كشف الجهد، سلكان): قياس فرق الجهد الفعلي عبر طرفي المحث بشكل مستقل (وليس عند طرفي مُثبت الاختبار). وبما أن المقاومة الداخلة لدائرة كشف الجهد عالية للغاية (عادةً ما تتجاوز ١ جيجا أوم في أجهزة الاختبار الحديثة)، فإن التيار المار عبر خطوط الاستشعار يقترب من الصفر. وبالتالي، لا تُنتج مقاومة الأسلاك الواصلة ومقاومة التماس أي فرق جهد ملحوظ على خطوط الكشف.
وفقًا لقانون أوم، يمكن حساب مقاومة التيار المستمر (DCR) للمحث باستخدام الصيغة التالية:
DCR = V_Sense ÷ I_Force
V_Sense هي الجهد الواصل عبر المحث، الذي يُقاس مباشرةً عبر خطوط القياس (Sense lines) دون أن يشمل أي هبوط جهدي ناتج عن الأسلاك الواصلة، أما I_Force فهو تيار ثابت معروف؛ وبقسمة هاتين القيمتين نحصل على قيمة المقاومة الكهربائية الحقيقية للتيار المستمر، وهي مستقلة تمامًا عن جميع مقاومات التوصيل ومقاومات الأسلاك الواصلة في الحلقة الخارجية.
2.3 احتياطات القياس بأربعة أسلاك
◾ مستقل اتصل بنا يجب أن تتصل الأسلاك الأربعة بأربع نقاط منفصلة distinct على قطبي المحث. وفي الواقع، في الثوابت المستخدمة فعليًّا، يتصل كل قطب بمحثين في آنٍ واحد (Force + Sense)، لكن هذين المحثين غير متصلين داخليًّا داخل الثابت؛ بل يلتقيان فقط عند لوحة التوصيل.
◾ نظافة المسبار: قد تؤدي أكسدة الوسادة أو بقايا التدفق إلى إحداث مقاومة تلامس غير مستقرة. وعلى الرغم من أن هذا لا يؤثر على خطوط الاستشعار (Sense lines)، فإنه قد يتسبب في عدم استقرار الحلقة الكهربائية أو تشبع مصدر التيار الثابت. وقبل القياس، نظّف الوسادات باستخدام كحول خالٍ من الماء أو امسحها بلطف باستخدام ممحاة.
٣- التحقق المقارن لبيانات الاختبار
وباعتبار مثلاً محث الطاقة المُغلف المستخدم في تطبيقات الذكاء الاصطناعي، المذكور في الموقع الرسمي لشركة CODACA، فقد تم اختيار الموديل CSHN100760-56NN لاختبار مقارن باستخدام ثلاثة أجهزة شائعة في السوق: جهاز قياس المقاومة المباشرة، وجهاز متعدد القياسات (المultimeter)، وجسر LCR.
الشكل ١: الخصائص الكهربائية لمحث الطاقة المُغلف CSHN100760-56NN
الشكل ٢: جهاز قياس المقاومة المباشرة (الطريقة الأربعة الأسلاكية لـ Kelvin): منطقة اختبار المقاومة المباشرة (DCR)
الشكل ٣: جهاز متعدد القياسات (الطريقة ذات السلكين)
الشكل ٤: جسر LCR (الاختبار باستخدام الحامل الخاص): منطقة اختبار LCR
كما هو موضح في الشكل ١، تحدد ورقة المواصفات الخاصة بالنموذج CSHN100760-56NN مقاومة التيار المستمر (DCR) بحد أقصى قدره ٠٫٢٢ ملي أوم. أما النتيجة التي تم الحصول عليها باستخدام جهاز قياس مقاومة التيار المستمر (بطريقة كلفن ذات الأربعة أسلاك) فهي ٠٫١٩٦ ملي أوم، وهي تتوافق مع متطلبات ورقة المواصفات، ويُظهر الشكل ٢ النتيجة الفعلية للقياس. وعند استخدام جهاز متعدد القياسات العادي (بطريقة السلكين) مع ضبط المدى على نطاق قياس المقاومة الأساسي البالغ ٢٠٠ أوم، والذي يوفّر دقة قراءة تبلغ ٠٫١ أوم، تكون النتيجة ٦٠٠ ملي أوم، وهي لا تفي بمتطلبات المواصفات، كما هو موضح في الشكل ٣. أما عند استخدام جسر LCR (مع التوصيل عبر الحامل الخاص) بعد ضبطه على نطاق مقاومة التيار المستمر (DCR) ثم إجراء تصحيح القيمة الصفرية، فإن النتيجة تصبح ٠٫٣٨٧ ملي أوم، وهي أقرب إلى القيمة المستهدفة لكنها لا تزال لا تحقق متطلبات المواصفات.
وبالتالي، ولضمان دقة نتائج الاختبار، يُفضَّل استخدام جهاز متخصص لقياس مقاومة التيار المستمر (بطريقة كلفن ذات الأربعة أسلاك) عند إجراء اختبارات مقاومة التيار المستمر (DCR) على المكونات المغناطيسية مثل المحاثات.
EN