EN
Gyorslinkek
Ahogy a nagy teljesítményű DC-DC átalakítók és az AI tápegységmodulok DCR-igénye tovább csökken a milli- vagy akár mikroohmos szintre, a hagyományos kétvezetékes módszer túl nagy hibákat eredményez, így szükségessé válik a négyvezetékes (Kelvin-) kapcsolódási módszer alkalmazása a méréshez. Sok mérnök úgy gondolja, hogy a DCR-mérés egyszerű feladat, és azt hiszi, hogy elegendő az alkatrészt egy multiméter vagy LCR-mérő tesztkábeleivel összekapcsolni. A gyakorlatban azonban gyakran merülnek fel problémák, például: ugyanazon tekercs esetén több műszer eltérő értékeket mutat, a mérési adatok ingadoznak a tesztkábelek nyomásának változásától, illetve alacsony induktivitású tekercsek esetén a mért értékek jelentősen túlzottak. Nézzük meg az alábbiakban az ezek mögött álló okokat.
1– Az induktor DCR-jének lényegének megértése és a mérési nehézségek
Egy tekercs egyenáramú ellenállása (DCR) a tekercs tekercselésének tiszta ohmos összetevőjét jelöli egyenáramú gerjesztés mellett, amely a tekercs kialakításához használt rézvezeték belső ellenállásából származik. Ez a paraméter közvetlenül meghatározza a teljesítményátalakítás hatékonyságát, a hőelvezetést és a tápegyszerű rendszer hosszú távú megbízhatóságát.
A DCR pontos mérésének fő technikai nehézsége abban rejlik, hogy a gyakori tekercsek tekercselésének DCR-értéke általában néhány milliohm és néhányszáz milliohm között mozog. Amikor a mérendő ellenállás milliohm szintre csökken, akkor a hagyományos kétvezetékes mérési módszernél a mérővezetékek saját ellenállása (általában 0,1–0,5 Ω) és a mérőcsatlakozók érintkezési ellenállása (néhány–több tíz milliohm) már azonos nagyságrendbe esik a mérendő ellenállással. Ennek következtében a mért érték súlyosan eltér a valódi értéktől.
2– A Kelvin-féle négyvezetékes módszer – az alapvető megoldás a vezetékhibák kiküszöbölésére
Az alacsony ellenállás mérésének szokásos megoldása a Kelvin-féle négyvezetékes kapcsolás. Ezt a módszert 1861-ben Lord William Thomson Kelvin találta fel, és ma is a pontossági alacsony ellenállásmérések aranystandardja maradt.
2.1 Miért nem alkalmazható a kétkábeles módszer
Egy gyakori kétkapcsolatos mérésnél a gerjesztő áramkör és a feszültségmérő áramkör ugyanazt a vezetékpárt használja. A mérőműszer által mért ellenállás értéke:
R_mért = R_VIZSGÁLT + 2 × (R_vezeték + R_érintkezés)
Ahol R_vezeték egyetlen mérővezeték ellenállása (általában több tized- vagy több száz ohm tartományban), és R_érintkezés az érintkező és a mérési pont közötti érintkezési ellenállás (tartomány). Amikor az R_VIZSGÁLT értéke csak néhány milliohm, a vezeték- és érintkezési ellenállások által okozott hiba akár tízszeresére is növelheti a tényleges értéket.
2.2 A Kelvin-féle négyvezetékes módszer alapelve
A Kelvin-féle négyvezetékes módszer ezt a problémát úgy oldja meg, hogy fizikailag elkülöníti az áramkört a feszültségmérési köröktől. A négy vezetéket két párba osztják, amelyek mindegyike külön célra szolgál:
◾ Erővonalak (áramgerjesztési vonalak, 2 vezeték): Ismert, állandó egyenáramot juttatunk az ellenőrizendő induktorra. Feszültségesés keletkezhet ebben az áramkörben, de a vezeték- és érintkezési ellenállás nem befolyásolja a mérési eredmények pontosságát.
◾ Érzékelővonalak (feszültségmérési vonalak, 2 vezeték): Függetlenül mérjük meg a tényleges feszültségesést az induktor két végpontja között (nem a vizsgálóberendezés csatlakozóinál). Mivel a feszültségmérési kör bemeneti impedanciája rendkívül magas (a modern mérőeszközök esetében általában >1 GΩ), az érzékelővezetékekben folyó áram közelítőleg zérus. Így a vezeték- és érintkezési ellenállás nem okoz számottevő feszültségesést az érzékelővezetékeken.
Az Ohm-törvény szerint az induktor egyenáramú ellenállása (DCR) a következő képlettel számítható ki:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense az induktoron mérhető feszültség, amelyet közvetlenül a Sense vezetékekkel mérünk anélkül, hogy bármilyen vezeték-ellenállásból származó feszültségesés lenne benne, míg I_Force egy ismert állandó áram; a két érték hányadosa adja meg a tényleges egyenáramú ellenállást, amely teljesen független az összes külső körben lévő érintkezési és vezeték-ellenállástól.
2.3 Négyvezetékes mérési óvintézkedések
◾ Független Kapcsolat : A négy vezetéknek külön-külön kell érintkeznie az induktor két elektródájának négy különböző pontjával. A gyakorlatban a rögzítőberendezésben minden elektródát két mérőcsúcson keresztül érintenek egyszerre (Force + Sense), de a két csatlakozás nem kapcsolódik össze a rögzítőberendezésen belül; csak az érintkezési padnál találkoznak.
◾ A mérőcsúcs tisztasága: A padok oxidációja vagy a maradék forrasztópaszta instabil érintkezési ellenállást eredményezhet. Bár ez nem befolyásolja a mérővezetékeket (Sense lines), instabilitást okozhat az áramkörben, illetve túlterhelheti az állandó áramforrást. A mérés előtt tisztítsa meg a padokat vízmentes alkohollal, vagy óvatosan törölje őket radírral.
3– Összehasonlító ellenőrzés a tesztadatokkal
Példaként a CODACA hivatalos weboldalán szereplő, mesterséges intelligencia-alkalmazásokhoz kifejlesztett műanyag burkolatú teljesítmény-induktor (Molding Power Choke) szolgál, amelynek CSHN100760-56NN típusú modelljét három gyakori, piacon kapható műszerrel vizsgáltuk összehasonlító teszt céljából: egy egyenáramú ellenállásmérővel, egy multiméterrel és egy LCR-híddal.
1. ábra. A műanyag burkolatú teljesítmény-induktor (CSHN100760-56NN) elektromos jellemzői
2. ábra. Egyenáramú ellenállásmérő (Kelvin-féle négyvezetékes módszer): DCR-mérési tartomány
3. ábra. Multiméter (kétvezetékes módszer)
4. ábra. LCR-híd (rögzítőfogóval végzett mérés): LCR-mérési tartomány
Az 1. ábrán látható módon a CSHN100760-56NN műszaki leírásában a DCR érték legfeljebb 0,22 mΩ-ra van meghatározva. A DC ellenállásmérő (Kelvin-féle négyvezetékes módszer) használatával kapott mérési eredmény 0,196 mΩ, ami megfelel a műszaki leírás követelményeinek; a tényleges mérési eredményt a 2. ábra mutatja. Amikor egy általános multimétert (kétvezetékes módszer) használunk, és a mérési tartományt a 200 Ω-os alap ellenállásmérési tartományra állítjuk be – amely 0,1 Ω-os felbontást biztosít –, a mérési eredmény 600 mΩ, ami nem felel meg a műszaki leírás követelményeinek, ahogy azt a 3. ábra szemlélteti. Amikor az LCR-híd (rögzítőkészülékkel végzett mérés) használatával a DCR-tartományra állítjuk be, majd nullpont-korrekción (nullázáson) is átesik, a mérési eredmény 0,387 mΩ, ami közelebb van a céltól, de továbbra sem felel meg a műszaki leírás követelményeinek.
Ennek megfelelően a mérési eredmények pontosságának biztosítása érdekében a DCR-mérésekhez – például induktorokhoz – ajánlott a speciális DC ellenállásmérő (Kelvin-féle négyvezetékes módszer) használata.