电阻的四线制接法(开尔文四线检测)

       开尔文四线检测(Kelvin Four-terminal sensing)也被称之为四端子检测(4T检测, 4T sensing)、四线检测或4点探针法,它是一种电阻抗测量技术,使用单独的对载电流和电压检测电极,相比传统的两个终端( 2T)传感能够进行更精确的测量。开尔文四线检测被用于一些欧姆表和阻抗分析仪,并在精密应变计和电阻温度计的接线配置。也可用于测量薄膜的薄层电阻。四线检测的关键优点是分离的电流和电压的电极,消除了布线和接触电阻的阻抗。

        四线检测感应也被称为开尔文(Kelvin)检测,威廉·汤姆森·开尔文勋爵( William Thomson, Lord Kelvin)在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻。每两线连接,可以称得上是Kelvin连接。

                                               

原理

        假设我们希望一些组件位于一个显着的距离从我们的欧姆表测量电阻。这种情况下会产生问题,因为欧姆表测量所有的电路回路中的电阻,它包括导线的电阻(Rwire)连接的欧姆表被测量组件(Rsubject):

                                                  开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 1

        通常情况下,导线的电阻是非常小的(仅几欧姆的导线上的压力表(大小),主要取决于每数百英尺),但如果连接线很长,和/或待测组分有一个非常反正低电阻,引入线电阻测量误差将是巨大的。

        在这样的情况下的电阻测量主体的一个巧妙的方法,涉及的电流表和电压表的使用。我们知道,从欧姆定律,电阻等于电压除以电流(R = E / I)。因此,我们应该能够确定电阻的主体成分,如果我们测量的电流通过,并且两端的电压下降

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 2

        电流在电路中的所有点相同,因为它是一个串联回路。因为我们只测量电压下降的整个主体电阻(而不是导线的电阻)。

不过,我们的目标,是从远处来衡量这个主题性,所以我们必须位于电压某处附近电流表,由另一对含有电阻的导线跨接受阻力:

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 3

        起初,我们似乎已经失去了任何电阻测量这种方式的优点,因为现在电压表测量电压通过长着一双引入杂散电阻(电阻)线,再次进入测量电路。然而,经仔细检查可以看出,没有什么损失,因为电流几乎是微乎其微的。因此,那些长导线连接两端的电压表的(Rsubject)电阻将下降较小的电压,这是非常几乎相同的,就好像它是受电阻直接跨接在电压表指示:

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 4

        将无法测得的电压表主要载流导线之间的任何电压下​​降,这样做没有考虑到在所有的阻力计算。可能会进一步提高测量精度,如果电压表的电流保持在最低限度,或者通过使用一个高品质(由低满量程电流)的动作和/或空电位(均衡)系统。

        这种测量方法,避免了导线的电阻所引起的误差,被称之为开尔文四线检测( Kelvin Four-terminal sensing)电阻方法。特殊的连接称为开尔文夹子(下图)

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 5

        一般来说,“鳄鱼”式夹子,通常在铰链点连接,半“下巴”电是彼此共用的。开尔文夹子,半部分钳口彼此绝缘,只有被测定的导线与夹子的尖端处接触。因此, 目前通过“C(”当前)的半“下巴”不通过“P”(电压)的半“下巴”,而不会产生任何沿其长度的错误诱导压降。

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 6

相同的原理,使用不同的接触点的传导电流和电压测量是用在精密分流电阻器,用于测量大量的电流。精密分流电阻器“转换”一个当前值成比例的电压值。因此,电流可以通过测量分流器两端的电压下降被精确地测量。

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 7

        使用分流电阻和电压电流测量,特别适合涉及幅度特别大电流的应用。在这种应用中,分流电阻器的电阻可能会毫欧或微欧的顺序,在满电流的情况下,以便只有适量 的电压将被丢弃。这种低电阻线的连接电阻,表示这样的分流上测量的电压必须这样做,在这样一种方式,以避免检测电压降载电流导线连接,以免引起巨大的测量 误差。为了使由分流电阻本身的电压表的测量电压下降,没有任何杂散电压源自电线或连接电阻,分流器通常配有四个连接端子:

开尔文四线检测 Kelvin Four-terminal sensing 8

应用

        开尔文测量可以发现接触不良或意外性电路中的实用工具。直流电源连接到电路,并调整电源,从而提供一个恒定的电流。用数字万用表设置为测量直流电压,测量 在电路中的各个点上的电压降。如果你知道的导线尺寸,可以估算你应该看到的电压降和比较这你测量的电压降。这可以是一个快速和有效的方法,发现接触到的元素,如在照明电路的拖车在布线的连接不良。未通电的的AC导体(确保交流电源不能打开),它也可以很好的工作。例如,你可以在一个光开关测量电压降,并确 定如果接线连接到开关。

<think>我们正在讨论开尔文连接(Kelvin Connection)的定义及其在电子工程中的应用。开尔文连接也称为四线测量,是一种用于精确测量电阻的方法,能够消除导线电阻和接触电阻的影响。 ### 开尔文连接定义 开尔文连接是一种四线测量技术,通过分离电流施加和电压测量的路径,实现高精度电阻测量。其核心原理是: - 使用两条导线(称为电流线)向被测电阻施加测试电流。 - 另外两条导线(称为电压线)连接到被测电阻两端,用于测量电压降。 由于电压测量线中几乎没有电流流过(因为连接到高阻抗的电压测量设备),因此导线电阻和接触电阻不会影响电压测量结果。根据欧姆定律$R = V/I$,通过精确测量电压和电流即可得到准确的电阻值。 ### 在电路设计中的作用 1. **高精度测量** 在需要精确测量低电阻值(如毫欧级别)的应用中,开尔文连接至关重要。例如: - 电流检测电阻(Shunt Resistor)的测量[^4] - 精密电阻的出厂测试 - PCB走线电阻的测量 2. **消除寄生电阻影响** 传统两线测量法会将导线电阻$R_{wire}$和接触电阻$R_{contact}$叠加到测量结果中: $$R_{measured} = R_{actual} + 2R_{wire} + 2R_{contact}$$ 而开尔文连接通过隔离电流和电压路径,使测量结果近似等于实际电阻值: $$R_{measured} \approx R_{actual}$$ 3. **电路设计中的应用** - **电流检测电路**:在电源管理系统中,开尔文连接用于精确测量负载电流(图1)。 ``` [电源] → [电流检测电阻 R_shunt] → [负载] | (电流路径) | └───[电压测量电路] (开尔文连接点) ``` - **精密仪器**:数字万用表(DMM)的电阻测量档位采用开尔文连接。 - **PCB布局优化**:对电流检测电阻使用独立的电压检测走线(图2),避免大电流路径压降影响[^4]。 ### 实现要点 - **物理结构**:电流端子与电压端子物理分离(如四端子电阻器件)。 - **PCB布局**: - 电压检测走线应直接从电阻焊盘引出(开尔文布线),避免与电流路径重叠。 - 电压检测走线需对称且长度匹配,减少热电动势误差。 - **信号处理**:电压检测线连接至高输入阻抗放大器(如仪表放大器),确保测量线电流趋近于零。 ### 示例:电流检测电路设计 ```plaintext 电流路径 电压检测路径 ┌─────────┐ ┌─────┐ Vin────►│R_shunt ├─────►负载 V+ ────┤ 放大器 ├───►ADC │ │ │ │ └┬───────┬┘ └──┬──┘ │ │ │ GND GND (开尔文接地点) V- ────┘ ``` ### 相关问题 1. 如何设计开尔文连接的PCB布局? 2. 开尔文连接在电源管理芯片中的应用有哪些? 3. 四线测量能否用于交流阻抗测量? [^1]: PECL信号接口设计中的直流偏置问题可通过交流耦合解决,但需注意ESD防护[^1]。 [^4]: 高精密电阻测试需采用开尔文四线测量法,并通过专业软件实现自动化选针[^4]。</think>### 开尔文连接的定义及其在电路设计中的作用 #### 一、开尔文连接定义 **开尔文连接(Kelvin Connection)** 是一种四线测量技术,通过**分离电流激励和电压测量路径**来消除导线电阻和接触电阻的影响。其核心原理是: $$R_{measure} = \frac{V_{sense}}{I_{source}}$$ 其中: - $I_{source}$ 通过专用电流路径施加 - $V_{sense}$ 通过独立电压路径测量 - 电压测量端采用**高阻抗输入**(通常>10MΩ),使测量回路电流趋近于零[^4] #### 二、核心作用与优势 1. **消除导线电阻误差** 传统两线测量中,导线电阻$R_{wire}$会引入误差: $$R_{measured} = R_{actual} + 2R_{wire}$$ 开尔文连接通过分离路径,使$R_{wire}$不影响电压测量精度[^3]。 2. **消除接触电阻影响** 接触电阻$R_{contact}$在毫欧级测量中可能达数倍误差。开尔文连接通过独立的电压感应点避开接触点(示意图): ``` [电流源+]───▶[R_contact1]───▶[被测电阻]───▶[R_contact2]───[电流源-] │ │ [电压表+] [电压表-] ``` 3. **提高小电阻测量精度** 在毫欧级电阻测量中,开尔文连接可将精度提升10-100倍,例如: | 测量方式 | 1mΩ电阻测量误差 | |--------------|----------------| | 两线 | ±20% | | 开尔文四线 | ±0.1% | #### 三、关键应用场景 1. **电流检测电路** 在电源管理IC(如SY7208)中,对检测电阻$R_{shunt}$采用开尔文布线: ```plaintext ┌───────────────┐ │ 电源芯片 │ │ FB引脚──────┼───▶[电压检测点A] │ │ │ SW引脚───▶[电感]───▶[R_shunt]───▶输出 │ │ │ │ GND────────┼───▶[电压检测点B] └───────────────┘ ``` 确保FB引脚直接连接电阻两端,避免PCB走线压降影响[^1]。 2. **精密电阻测试** 自动测试设备(ATE)通过开尔文探针实现: - 每个电阻分配4个测试点(2个电流+2个电压) - 软件自动识别低阻元件(如0Ω<R≤10Ω)并配置四线测试[^4] 3. **高精度ADC采样** 参考电压源采用开尔文连接消除路径损耗: $$V_{ADC} = V_{ref} \cdot \frac{R_1}{R_1+R_2}$$ 通过独立感应线直接测量$R_1$两端电压。 #### 四、PCB布局实施要点 1. **物理隔离原则** - 电流路径与电压感应路径**禁止重叠** - 感应线走线间距≥2倍线宽(减少串扰) 2. **开尔文焊盘设计** ```plaintext ┌───────────────────┐ │ 电阻焊盘 │ │ ┌─┬─┐ │ │ │ │ │◀─电压感应线 │ │ └─┴─┘ │ │ ▲ │ │ └───电流注入线 │ └───────────────────┘ ``` 3. **接地策略** 电压感应回路需采用**独立干净地平面**,并通过单点连接功率地[^1]。 #### 五、典型问题解决方案 **问题:** FB反馈网络受开关噪声干扰 **开尔文优化方案:** 1. FB分压电阻采用0402小封装,缩短走线 2. 在电阻焊盘处直接引出电压感应线 3. 感应线包地处理,末端接100pF滤波电容 ### 相关问题 1. 如何计算开尔文连接的走线最大允许长度? 2. 开尔文连接在高速ADC采样电路中有哪些特殊设计要点? 3. 四线测量能否用于交流阻抗测量? [^1]: 开尔文连接通过分离电流/电压路径消除接触电阻影响,尤其适用于精密测量[^4]。 [^3]: 在电路稳定状态分析中,开尔文连接可避免导线电阻导致的电压测量误差[^3]。
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