Vzhledem k tomu, že požadavky na DCR ve vysokovýkonných DC-DC měničích a modulích napájení pro umělou inteligenci stále klesají na úroveň miliohmů nebo dokonce mikroohmů, zavádí tradiční dvouvodičová metoda příliš velké chyby, čímž se stává nutné použít čtyřvodičovou (Kelvinovu) metodu měření. Mnoho inženýrů se domnívá, že měření DCR je jednoduché, a předpokládá, že stačí součástku připojit k měřicím hrotům multimetru nebo LCR měřiče. Ve skutečné výrobě se však často vyskytují problémy, jako například: nestejné výsledky měření stejného induktoru na různých přístrojích, kolísání naměřených hodnot způsobené různým tlakem na měřicí hroty a výrazně nadhodnocené naměřené hodnoty u induktorů s nízkou indukčností. Níže se podíváme na základní příčiny těchto jevů.
1 – Porozumění podstatě vnitřního odporu (DCR) induktoru a obtížím měření
Stejnosměrný odpor (DCR) induktoru označuje čistou rezistivní složku, kterou představuje vinutí induktoru při stejnosměrném buzení; tato složka vzniká vnitřním odporem měděného drátu, ze kterého je induktor navinut. Tento parametr přímo určuje účinnost přeměny energie, odvod tepla a dlouhodobou spolehlivost napájecího systému.
Hlavní technickou obtíží při přesném měření DCR je skutečnost, že DCR běžných induktorových vinutí se obvykle pohybuje v rozmezí několika miliohmů až několika set miliohmů. Pokud klesne měřený odpor na úroveň miliohmů, je odpor měřicích vodičů samotných (obvykle 0,1 Ω až 0,5 Ω) a odpor kontaktu sondy (několik miliohmů až desítky miliohmů) při tradičním dvouvodičovém měření již stejného řádu velikosti jako měřený odpor. V důsledku toho se naměřená hodnota výrazně odchýlí od skutečné hodnoty.
2 – Kelvinova čtyřvodičová metoda – základní řešení pro eliminaci chyb způsobených vodiči
Standardním řešením pro měření nízkých odporů je Kelvina čtyřvodičové zapojení. Tuto techniku vynalezl lord William Thomson Kelvin v roce 1861 a dodnes zůstává referenční metodou pro přesné měření nízkých odporů.
2.1 Proč je dvouvodičová metoda nepoužitelná
Při běžném dvouvodičovém měření sdílí proudová budicí smyčka a napěťová detekční smyčka stejnou dvojici vodičů. Odpor, který měřící přístroj naměří, je:
R_měřený = R_ZP + 2 × (R_vodič + R_kontakt)
Kde R_vodič je odpor jednoho měřicího vodiče (obvykle v rozmezí několika miliohmů až stovek miliohmů) a R_kontakt je kontaktní odpor mezi sondou a měřeným bodem (v rozmezí několika miliohmů). Pokud je R_ZP pouze několik miliohmů, může chyba způsobená odporem vodičů a kontaktním odporem dosahovat až desítky násobku skutečné hodnoty.
2.2 Základní princip Kelvina čtyřvodičové metody
Metoda Kelvina se čtyřmi vodiči tento problém řeší fyzickým oddělením dráhy proudu od dráhy detekce napětí. Čtyři vodiče jsou rozděleny do dvou párů, z nichž každý plní jiný účel:
◾ Silové vodiče (vodiče pro budicí proud, 2 vodiče): Na testovaný induktor se aplikuje známý, stálý stejnosměrný proud. Napěťový úbytek může v tomto proudovém okruhu existovat, avšak odpor vodičů a přechodový odpor neovlivňují přesnost výsledků měření.
◾ Senzorové vodiče (vodiče pro měření napětí, 2 vodiče): Napěťový úbytek mezi oběma konci induktoru se měří nezávisle (nikoli na svorkách testovacího přípravku). Protože vstupní impedance napěťového měřicího okruhu je extrémně vysoká (u moderních měřicích přístrojů obvykle > 1 GΩ), proud protékající senzorovými vodiči se blíží nule. Odpor vodičů a přechodový odpor proto na senzorových vodičích nezpůsobují žádný významný napěťový úbytek.
Podle Ohmova zákona lze DC odpor induktoru vypočítat pomocí následujícího vzorce:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense je napětí na induktoru přímo měřené pomocí měřicích vodičů (Sense), které nezahrnuje žádný úbytek napětí na přívodních vodičích, a I_Force je známý konstantní proud; dělením těchto dvou hodnot získáme skutečnou hodnotu stejnosměrného odporu, která je zcela nezávislá na všech kontaktních a přívodních odporech ve vnějším obvodu.
2.3 Upozornění k měření čtyřvodičovou metodou
◾ Nezávislé KONTAKT : Čtyři vodiče se musí dotýkat čtyř různých bodů na dvou elektrodách induktoru. Ve skutečných držácích se každá elektroda dotýká současně dvou sond (Force + Sense), avšak tyto sondy nejsou uvnitř držáku propojeny; spojují se pouze na kontaktovém poli.
◾ Čistota sondy: Oxidace podložky nebo zbytky pájky mohou způsobit nestabilní kontaktní odpor. Ačkoli to nemá vliv na měřicí vodiče (Sense), může to vést k nestabilitě proudové smyčky nebo přetížení zdroje konstantního proudu. Před měřením vyčistěte podložky bezvodným alkoholem nebo je jemně otřete gumou.
3 – Porovnávací ověření měřených dat
Jako příklad byl vybrán model CSHN100760-56NN vysokofrekvenčního tlumivku pro aplikace umělé inteligence z oficiální webové stránky společnosti CODACA a provedeno porovnávací měření pomocí tří běžně dostupných přístrojů na trhu: testeru stejnosměrného odporu, multimetru a LCR můstku.
Obrázek 1. Elektrické charakteristiky tlumivky CSHN100760-56NN
Obrázek 2. Tester stejnosměrného odporu (metoda čtyřvodičového připojení podle Kelvina): Oblast měření DCR
Obrázek 3. Multimetr (dvouvodičová metoda)
Obrázek 4. LCR můstek (měření ve speciální držákové soupravě): Oblast měření LCR
Jak je znázorněno na obrázku 1, v technické specifikaci součástky CSHN100760-56NN je definován hodnotou DCR maximální odpor 0,22 mΩ. Výsledek měření pomocí testeru stejnosměrného odporu (metoda čtyřvodičového připojení podle Kelvina) činil 0,196 mΩ, což vyhovuje požadavkům uvedeným v technické specifikaci; skutečný naměřený výsledek je znázorněn na obrázku 2. Při použití běžného multimetru (dvouvodičová metoda) s rozsahem nastaveným na základní rozsah měření odporu 200 Ω, který poskytuje rozlišení 0,1 Ω, byl naměřený výsledek 600 mΩ, což nesplňuje požadavky technické specifikace, jak je znázorněno na obrázku 3. Při použití mostu LCR (měření v držáku) nastaveného na rozsah DCR a následné nulové korekce byl naměřený výsledek 0,387 mΩ, což je blíže požadované hodnotě, ale stále nesplňuje požadavky technické specifikace.
Proto pro zajištění přesnosti měření při testování DCR u magnetických součástek, jako jsou induktory, je doporučeno používat specializovaný tester stejnosměrného odporu (metoda čtyřvodičového připojení podle Kelvina).
EN