Hoe de DCR van een spoel nauwkeurig te meten

Aangezien de eisen voor DCR in hoogwaardige DC-DC-converters en AI-voedingsmodules blijven dalen tot het milliohm- of zelfs microohm-niveau, introduceert de traditionele tweedraadsmethode te grote meetfouten, waardoor het noodzakelijk wordt om een vierdraads (Kelvin) aansluitmethode te gebruiken voor meting. Veel ingenieurs zijn van mening dat DCR-meting eenvoudig is en denken dat deze kan worden uitgevoerd door het component gewoon vast te klemmen met de testleids van een multimeter of een LCR-meter. In de praktijk ontstaan er echter vaak problemen, zoals: inconsistente meetwaarden op meerdere instrumenten voor dezelfde spoel, schommelingen in de meetdata als gevolg van wisselende druk op de testleids en sterk opgeblazen meetgegevens voor spoelen met lage inductantie. Laten we hieronder de onderliggende oorzaken onderzoeken.

1- Inzicht in de essentie van de DC-weerstand van een spoel en de meting daarvan

De gelijkstroomweerstand (DCR) van een spoel verwijst naar de zuiver resistieve component die door de spoelwikkeling wordt vertoond onder gelijkstroomexcitatie, en die voortkomt uit de intrinsieke weerstand van de koperdraad waarmee de spoel is gewikkeld. Deze parameter bepaalt direct de efficiëntie van de vermogensomzetting, de warmteafvoer en de langetermijnbetrouwbaarheid van het energiesysteem.

De kern-technische moeilijkheid bij het nauwkeurig meten van de DCR ligt in het feit dat de DCR van gangbare spoelwikkelingen doorgaans varieert tussen enkele milliohm en enkele honderd milliohm. Wanneer de weerstand die moet worden gemeten daalt tot het milliohm-niveau, zijn de weerstand van de meetleidingen zelf (meestal 0,1 Ω tot 0,5 Ω) en de contactweerstand van de meetsondes (enkele milliohm tot tientallen milliohm) bij de traditionele tweedraadsmeetmethode al van dezelfde orde van grootte als de te meten weerstand. Daardoor wijkt de gemeten waarde sterk af van de werkelijke waarde.

2- Kelvin-vierdraadsmethode — de fundamentele oplossing om leidingfouten te elimineren

De standaardoplossing voor metingen van lage weerstanden is de Kelvin-vierdraadsverbinding. Deze techniek werd in 1861 uitgevonden door Lord William Thomson Kelvin en blijft vandaag de dag de referentiemethode voor nauwkeurige metingen van lage weerstanden.

2.1 Waarom de tweedraadsmethode onbruikbaar is

Bij een gewone tweedraadsmeting delen de stroomexcitatiekring en de spanningsdetectiekring hetzelfde paar draden. De door de meter gemeten weerstandswaarde is:

R_gemeten = R_OnderzochteEenheid + 2 × (R_leiding + R_contact)

Waarbij R_leiding de weerstand is van één meetdraad (meestal in de orde van milliohms tot honderden milliohms) en R_contact de contactweerstand is tussen de meetpuntsonde en het meetpunt (in de orde van milliohms). Wanneer R_OnderzochteEenheid slechts enkele milliohms bedraagt, kan de fout die wordt veroorzaakt door de leidings- en contactweerstanden tot tientallen malen de werkelijke waarde bedragen.

2.2 Kernprincipe van de Kelvin-vierdraadsmethode

De Kelvin-vierdraadsmethode lost dit probleem op door het stroompad fysiek te scheiden van het spanningsdetectiepad. De vier draden zijn verdeeld in twee paren, elk met een afzonderlijke functie:

◾ Aandrijflijnen (stroomexcitatielijnen, 2 draden): Pas een bekende, constante gelijkstroom toe op de te testen spoel. Er kunnen spanningsdalingen optreden in deze stroomlus, maar de weerstand van de aansluitdraden en de contactweerstand hebben geen invloed op de nauwkeurigheid van de meetresultaten.

◾ Meetlijnen (spanningsdetectielijnen, 2 draden): Meet onafhankelijk de werkelijke spanningsdaling over beide uiteinden van de spoel (in plaats van op de aansluitklemmen van de testopstelling). Aangezien de ingangsimpedantie van de spanningsmeetlus extreem hoog is (moderne meetinstrumenten zijn meestal >1 GΩ), nadert de stroom door de meetlijnen nul. Daardoor veroorzaken de weerstand van de aansluitdraden en de contactweerstand geen significante spanningsdaling op de meetlijnen.

Volgens de wet van Ohm kan de DCR van de spoel worden berekend met behulp van de volgende formule:

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense is de spanning over de spoel die direct wordt gemeten door de Sense-lijnen, zonder dat hierin de spanningsval over de aansluitdraden is opgenomen, en I_Force is een bekende constante stroom; het quotiënt van deze twee geeft de werkelijke gelijkstroomweerstandswaarde, die volledig onafhankelijk is van alle contactweerstanden en aansluitdraadweerstanden in de externe lus.

2.3 Vierdraadsmeetmethode – Voorzorgsmaatregelen

◾ Onafhankelijk CONTACT : De vier draden moeten afzonderlijk contact maken met vier verschillende punten op de twee elektroden van de spoel. In praktische meetopstellingen wordt elke elektrode tegelijkertijd door twee meetpennen geraakt (Force + Sense), maar deze twee zijn niet onderling verbonden binnen de opstelling; ze komen pas samen op het contactpad.

◾ Schoonheid van de meetpennen: Oxidatie van de pads of resterend flux kan leiden tot instabiele contactweerstand. Hoewel dit geen invloed heeft op de Sense-lijnen, kan het wel instabiliteit in de stroomlus veroorzaken of de constante-stroombron verzadigen. Reinig de pads vóór de meting met watervrij alcohol of veeg ze zachtjes af met een gum.

3- Vergelijkende verificatie van testgegevens

Als voorbeeld wordt de geïntegreerde voedingsspoel voor AI-toepassingen van de officiële website van CODACA gebruikt; het model CSHN100760-56NN werd geselecteerd voor een vergelijkende test met behulp van drie veelgebruikte instrumenten op de markt: een DC-weerstandstester, een multimeter en een LCR-brug.

Figuur 1. Elektrische kenmerken van de geïntegreerde voedingsspoel CSHN100760-56NN

Figuur 2. DC-weerstandstester (Kelvin-vierdraadsmethode): DCR-testgebied

Figuur 3. Multimeter (tweedraadsmethode)

Figuur 4. LCR-brug (fixture-test): LCR-testgebied

Zoals in figuur 1 wordt weergegeven, definieert het specificatieblad voor CSHN100760-56NN de DCR als maximaal 0,22 mΩ. De testresultaten met behulp van de DC-weerstandstester (Kelvin-vierdraadmethode) bedragen 0,196 mΩ, wat voldoet aan de vereisten van het specificatieblad; het werkelijke meetresultaat is weergegeven in figuur 2. Bij gebruik van een gewone multimeter (tweedraadmethode) met het bereik ingesteld op het basisbereik voor weerstandsmeting van 200 Ω, dat een resolutie biedt van 0,1 Ω, bedraagt het testresultaat 600 mΩ, wat niet voldoet aan de specificatievereisten, zoals weergegeven in figuur 3. Bij gebruik van de LCR-brug (fixture-test) ingesteld op het DCR-bereik en gevolgd door nulcorrectie, bedraagt het testresultaat 0,387 mΩ, wat dichter bij de doelwaarde ligt, maar toch niet voldoet aan de specificatievereisten.

Bijgevolg is, om de nauwkeurigheid van de testresultaten te waarborgen, een speciale DC-weerstandstester (Kelvin-vierdraadmethode) de voorkeursmethode bij het uitvoeren van DCR-tests op magnetische componenten zoals spoelen.