ככל שדרישות DCR בממירי DC-DC בעלי ביצועים גבוהים ומודולי כוח ל-AI ממשיכים לרדת לרמה של מיליאום או אפילו מיקרואום, השיטה הקלאסית של שני חוטים יוצרת שגיאות גדולות מדי, מה שמחייב את אימוץ שיטת החיבור הארבעה חוטים (קלון) למדידה. רבים מהמהנדסים סבורים שמדידת DCR היא פשוטה, וסוברים שניתן לבצע אותה על ידי קיבוע הרכיב באמצעות רגלי המדידה של מד רב-펑ציות או מד LCR. עם זאת, בייצור המוני נוצרים לעיתים קרובות בעיות כגון: קריאות לא עקביות בין מספר מכשירים עבור אותו סליל, תנודות בנתונים עקב לחץ משתנה על רגלי המדידה, וערכי מדידה מעוצבים באופן קיצוני עבור סלילים בעלי השראות נמוכה. נחקור להלן את הסיבות העמוקות לבעיות אלו.
1- הבנת מהות ההתנגדות לזרם ישר של הסליל והקושי במדידה
התנגדות DC (DCR) של אינדוקטור מתייחסת לרכיב התנגדות טהור המוצג על ידי התגובה של האינדוקטור תחת התרגשות DC, אשר נובעת מהתנגדות פנימית של חוט הנחושת המשמש לקיבולת האינדוקטור. פרמטר זה קובע ישירות את יעילות ההמרה של הכוח, פיזור החום, ואת אמינות מערכת הכוח לטווח ארוך.
הקושי הטכני העיקרי במדידת DCR מדויקת טמון בעובדה כי DCR של סלילי אינדוקטור נפוצים הוא בדרך כלל בין כמה מיליומטרים למאות מיליומטרים. כאשר ההתנגדות הנמדדת נופלת לרמה של מיליומטרים, ההתנגדות של מולי הבדיקה עצמה (בדרך כלל 0.1Ω0.5Ω) והתנגדות מגע הסנדה (כמה מיליומטרים עד עשרות מיליומטרים) במדידה המסורתית של שני חוטים כבר באותה סדרת ג כתוצאה מכך, הערך המודד יהיה סוטה משמעותית מהערך האמיתי.
2- שיטת קלווין בארבעה חוטים – הפתרון היסודי להסרת שגיאות החוטים
הפתרון הסטנדרטי למדידת התנגדות נמוכה הוא חיבור קלווין בארבעה חוטים. טכניקה זו została המצאה על ידי הלורד ויליאם תומסון קלווין בשנת 1861 ונותרה עד היום השיטה המובילה למדידות מדויקות של התנגדות נמוכה.
2.1 מדוע שיטת שני החוטים אינה מתאימה
במדידה נפוצה בשני חוטים, לולאת עירור הזרם ולולאת זיהוי המתח משתפות את אותו זוג חוטים. ערך ההתנגדות שנמדד על ידי מד ההספק הוא:
R_נמדד = R_הרכיב_הנתון_לבדיקה + 2 × (R_חוט + R_הקשר)
כאשר R_חוט היא ההתנגדות של חוט בדיקה בודד (בדרך כלל בטווח של מספר אום עד מאות אום), ו-R_הקשר היא התנגדות הקשר בין המחט לנקודת הבדיקה (בטווח של מספר אום). כאשר R_הרכיב_הנתון_לבדיקה הוא רק כמה מילי-אום, השגיאה שנגרמת על ידי התנגדויות החוטים והתנגדות הקשר יכולה להיות גדולה פי עשרות מהערך האמיתי.
2.2 עקרון היסוד של שיטת קלווין בארבעה חוטים
שיטת קלווין בארבעה חוטים פותרת בעיה זו על ידי הפרדה פיזית בין נתיב הזרם לנתיב זיהוי המתח. ארבעת החוטים מחולקים לשני זוגות, כאשר כל זוג משרת מטרה שונה:
◾ קווי כוח (קווי עירור זרם, 2 חוטים): להפעיל זרם ישר קבוע וידוע על הסליל הנבדק. עלולות להופיע נפילות מתח בענף הזרם הזה, אך התנגדות החוטים והתנגדות המגע אינן משפיעות על דיוק תוצאות המדידה.
◾ קווי מדידה (קווי זיהוי מתח, 2 חוטים): למדוד באופן עצמאי את נפילת המתח האמיתית בשני קצות הסליל (ולא בטרמינלים של ציוד הבדיקה). מכיוון שהשיכבון הקלט של מעגל זיהוי המתח גבוה מאוד (במכשירי מדידה מודרניים בדרך כלל מעל 1 ג'יגה-אוהם), הזרם הזורם בקווי המדידה שואף לאפס. לפיכך, התנגדות החוטים והתנגדות המגע אינן יוצרות נפילה משמעותית במתח על קווי המדידה.
לפי חוק אוהם, ניתן לחשב את התנגדות ה-DCR של הסליל באמצעות הנוסחה הבאה:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense הוא המתח על הסליל שנמדד ישירות על ידי קווי ה- Sense ללא כל נפילה במתח בחלק הנותר של החוטים, ו-I_Force הוא זרם קבוע ידוע; חלוקת שני הערכים נותנת את ערך ההתנגדות לזרם ישר האמיתי, אשר אינו תלוי כלל בהתנגדויות ההיצמדות והחוטים במעגל החיצוני.
2.3 אזהרות לגבי מדידה בארבעה חוטים
◾ עצמאי יצירת קשר : ארבעת החוטים חייבים לגעת בארבע נקודות נפרדות על שני האלקטרודות של הסליל. בתכונות מעשיות, כל אלקטרודה נוגעת בשני מחטים בו זמנית (Force + Sense), אך שני החוטים אינם מחוברים זה לזה בתוך התכונה; הם מתאחדים רק בלוחית ההיצמדות.
◾ ניקיון המחט: חמצון של הדיסקית או שאריות פלקס עלולים ליצור התנגדות מגע לא יציבה. אף שהדבר אינו משפיע על קווי ה- Sense, הוא עלול לגרום לאי-יציבות במעגל הזרם או להפר saturation של מקור הזרם הקבוע. לפני המדידה, נקו את הדיסקיות באלכוהול אן-הידרי או מישכו בעדינות בעזרת מחק.
3- אימות השוואתי של נתוני הבדיקה
כדוגמה, נלקח מחסום כוח דק (Molding Power Choke) ליישומי AI מהאתר הרשמי של CODACA, והמודל CSHN100760-56NN נבחר לבדיקה השוואתית באמצעות שלושה מכשירי מדידה נפוצים בשוק: מדידת התנגדות ישרה (DC resistance tester), רב-מד (multimeter) וגשר LCR.
תמונה 1. מאפייני החשמל של מחסום כוח דק CSHN100760-56NN
תמונה 2. מדידת התנגדות ישרה (שיטת ארבע התרמיות של קלווין): אזור מדידת DCR
תמונה 3. רב-מד (שיטת שתי התרמיות)
תמונה 4. גשר LCR (בדיקת ערכת מדידה): אזור מדידת LCR
כמתואר באיור 1, גליון المواصفות עבור CSHN100760-56NN מגדיר את התנגדות ה-DCR כ-0.22 מיליאום אוקם (מקסימום). התוצאה המתקבלת באמצעות מד התנגדות ישר (שיטה של ארבעה חוטים לפי קלווין) היא 0.196 מיליאום אוקם, אשר עומדת בדרישות גליון المواصفות, והתוצאה המדויקת נראית באיור 2. כאשר משתמשים ברובוט רגיל (שיטה של שני חוטים) עם טווח שהותאם לטווח הבסיסי למדידת התנגדות של 200 אוקם, שנותן רזולוציה של 0.1 אוקם, התוצאה המתקבלת היא 600 מיליאום אוקם, אשר אינה עומדת בדרישות גליון المواصفות, כפי שמוצג באיור 3. כאשר משתמשים במתחם LCR (בדיקה באמצעות תקע) שהותאם לטווח DCR ולאחר ביצוע תיקון לאפס, התוצאה המתקבלת היא 0.387 מיליאום אוקם, אשר קרובה יותר לערך היעד אך עדיין אינה עומדת בדרישות גליון المواصفות.
לפיכך, כדי להבטיח את דיוק תוצאות הבדיקה, מומלץ להשתמש במד התנגדות ישר מיוחד (שיטה של ארבעה חוטים לפי קלווין) בעת ביצוע בדיקות DCR על רכיבים מגנטיים כגון סלילים.
EN