Az ellenállás hőmérsékleti együtthatója és az áramérzékelés

A cikk a következő témákat tárgyalja.

1. Mi az a TCR?
2. Hogyan határozzák meg a TCR-t?
3. Hogyan befolyásolja a felépítés a TCR viselkedését?
4. TCR az alkalmazásokban
5. Mire ügyeljünk az adatlapok összehasonlításakor

Ok és okozat

Az ellenállás olyan tényezők kombinációjának eredménye, amelyek miatt az elektron mozgása eltér az ideális útvonaltól egy fém vagy fémötvözet kristályrácsán belül. Ha egy elektron hibákkal vagy hiányosságokkal találkozik a rácson belül, az diffúziót okozhat. Ez növeli a megtett utat, ami megnövekedett ellenállást eredményez. A hibákat és hiányosságokat a következők okozhatják:

• mozgás a rácsban a hőenergia hatására;
• a rács különböző atom-összetétele, például szennyeződések jelenléte;
• a rács részleges vagy teljes hiánya (amorf szerkezet);
• rendezetlen zónák a szemcsehatárokon;
• kristályos és térközi hibák a rácsban.

Az ellenállás hőmérsékleti együtthatója (TCR, de néha RTC-nek is nevezik), a fenti hibák hőenergiával kapcsolatos összetevőjének jellemzője. Az ellenállás ezen elváltozása visszaáll a referencia-hőmérsékletre való visszatéréssel, feltéve, hogy a szemcseszerkezet nem változott meg szélsőséges impulzusszerű vagy túlterhelési eseményből eredő magas hőmérséklet miatt. A Power Metal Strip® és Power Metal Plate™ termékek esetében ez egy olyan hőmérséklet, amikor az ellenállás-ötvözet hőfoka meghaladja a 350°C-t.

Ezt a hőmérséklet miatti ellenállás-változást ppm/°C-ban mérik, ami nagymértékben eltérő a különböző anyagokat illetően. A mangán-réz ötvözet TCR értéke például 20 ppm/°C alatti (20°C és 60°C között), míg a kivezetésekhez használt rézé körülbelül 3900 ppm/°C. A ppm/°C ábrázolásának egy másik, talán könnyebben érthető módja az, hogy 3900 ppm/°C egyenlő 0,39 %/°C-vel. Ezek mindaddig kis számoknak tűnhetnek, amíg figyelembe nem vesszük, hogy az ellenállás értéke milyen mértékben változik meg 100°C-os hőmérséklet-emelkedés esetén. A réz esetében ez 39%-os ellenállás-változást okoz.

A TCR hatásának szemléltetésének egy alternatív módszere, ha megnézzük az anyag hőmérsékletfüggő tágulásának mértékét (1. ábra). Vegyünk két különböző rudat, A-t és B-t, amelyek mindegyike 100 m hosszú. Az A rúd hossza +500 ppm/°C mértékkel, a B rúd hossza pedig +20 ppm/°C mértékkel változik. Egy 145°C-os hőmérséklet-változás hatására az A rúd hossza 7,25 m-rel, míg a B rúd hossza csak 0,29 m-rel nő. Az alábbiakban egy méretarányos (1:20) ábrán szemléltetjük a különbséget. Az A rúd esetében jól látható a hossz változása, míg a B rúd nem mutat látható változást.

1. ábra: A TCR hatásak szemléltethető, ha megnézzük az anyag hőmérsékletől függő tágulását. (Kép: Vishay Dale)

Ez egy diszkrét ellenállásra is vonatkozik, ugyanis alacsonyabb TCR esetén a mért érték stabilabb marad különböző hőmérsékleteken, amit az ellenálláson keletkező (az ellenálláselem hőmérsékletének növekedését okozó) teljesítmény vagy környezeti hatások okozhatnak.

Hogyan mérik a TCR-t

A MIL-STD-202 jelű szabvány 304-es jelű módszere szerint a TCR a 25°C referencia-hőmérséklethez viszonyított ellenállás-változás. A hőmérsékletet megváltoztatják és az ellenállás értékének megmérésével megvárják, amíg a vizsgált eszköz eléri az egyensúlyi állapotot. A különbség alapján határozzák meg a TCR értékét. A Power Metal Strip WSL modellnél a TCR-t -65°C-os alacsony hőmérsékleten, majd +170°C-on mérik. Az egyenlet alább látható. Jellemzően az ellenállás növekedése a hőmérséklet növekedésével pozitív TCR-t eredményez. Ne feledjük azt sem, hogy az önmelegedés a TCR miatt ellenállás-változást okoz.

Ellenállás - hőmérséklet együttható (%):

Ellenállás - hőmérséklet együttható (ppm):

Ahol:

R1 = ellenállás referencia hőmérsékleten

R2 = ellenállás üzemi hőmérsékleten

t1 = referencia hőmérséklet (25°C)

t2 = üzemi hőmérséklet

Az üzemi hőmérséklet (t2) gyakran az alkalmazástól függ. Például a műszerezés hőmérséklet-tartománya jellemzően 0°C és 60°C közötti, míg katonai alkalmazásoknál a hőmérséklet-tartomány jellemzően -55°C és 125°C között van. A Power Metal Strip WSL sorozat tagjainál a gyártó a -65°C-tól +170°C-ig terjedő működési tartományra tünteti fel a TCR értéket, míg a WSLT sorozatnál a 275°C-ig terjedő kiterjesztett hőmérséklet-tartományra.

Az alábbi 1. táblázat az e cikkhez kapcsolódó termékcsaládban használt néhány különböző ellenállású anyag TCR értékét tartalmazza.

1. táblázat: Különböző ellenálláselemek TCR értékei ppm/°C-ban. (Kép: Vishay Dale)

A 2. ábra különböző TCR szinteket hasonlít össze az ellenállás százalékos változásaként a 25°C-tól növekvő hőmérséklet függvényében.

2. ábra: Különböző TCR szintek összehasonlítása az ellenállás százalékos változásaként a hőmérséklet függvényében. (Kép: Vishay Dale)

A következő egyenlet az ellenállás értékének maximális változását számítja ki adott TCR esetén.

Ahol:

R = végső ellenállás

R0 = kezdeti ellenállás

α = TCR

T = végső hőmérséklet

T0 = kezdeti hőmérséklet

A Vishay online TCR kalkulátort kínál a https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/ oldalon.

Hogyan befolyásolja a felépítés a TCR-t

A Power Metal Strip és Power Metal Plate sorozat kiváló TCR jellemzőket nyújt a hagyományos, teljesen fémből készült vastagréteg áramérzékelő ellenállásokhoz képest. A vastagréteg áramérzékelő ellenállás anyaga elsősorban ezüst, ezüstből és rézből készült kivezetésekkel. Az ezüst és a réz egymáshoz hasonló, nagy TCR értékekkel rendelkezik.

3. ábra: A Vishay Power Metal Strip ellenállások összehasonlítása a tipikus fémlemez és vastagréteg ellenállásokkal. (Kép: Vishay Dale)

A Power Metal Strip ellenállás-sorozat tömör réz kivezetéssel (2. elem a 4. ábrán) rendelkezik, amelyet elektronsugárral hegesztenek az alacsony TCR értékel rendelkező ellenállás-ötvözetre (1. elem), így alacsony ellenállásértékeket érnek el egészen 0,1 mΩ-ig, alacsony TCR mellett. A réz kivezetésnek azonban magas a TCR értéke (3900 ppm/°C) az ellenállás-ötvözethez képest (< 20 ppm/°C), ami még mindig befolyásolja az eredő TCR értéket, mivel alacsonyabb ellenállásértékekre van szükség.

4. ábra: Egy Vishay Power Metal Strip ellenállás tipikus felépítése. (Kép: Vishay Dale)

A réz kivezetés kis ellenállású kapcsolatot biztosít az ellenállás-ötvözethez, ami a nagyáramú alkalmazásoknál egyenletes áramelosztást biztosít az ellenálláselemhez az áram pontosabb mérése érdekében. A réz kivezetésnek azonban magas a TCR értéke (3900 ppm/°C) az ellenállás-ötvözethez képest (< 20 ppm/°C), ami jelentősen befolyásolja az eredő TCR értéket az igen kicsi ellenállásértékek esetében. Ez látható az 5. ábrán, amely megmutatja, hogy az eredő ellenállást hogyan befolyásolja a réz kivezetés és az alacsony TCR értékkel rendelkező ellenállás-ötvözet kombinációja. Egy adott ellenállás-konstrukció legalacsonyabb ellenállásértékei esetében a réznek nagyobb jelentősége van a TCR érték és a viselkedés szempontjából.

5. ábra: Egy adott ellenállás-konstrukciónál az alacsonyabb ellenállásértéknél a réz befolyása jelentősebb a TCR érték és a viselkedés szempontjából. (Kép: Vishay Dale)

Ez a befolyás különböző alkatrészeknél különböző ellenállásérték-tartományokban jelentkezhet. A WSLP2512 TCR értéke például 275 ppm/°C 1 mΩ-on, míg a WSLF2512-é 170 ppm/°C 1 mΩ-on. A WSLF alacsonyabb TCR értékkel rendelkezik, mivel a réz kivezetés kisebb mértékben járul hozzá ugyanahhoz az ellenállásértékhez.

Kelvin kialakítás vagy 2 kivezetés

A Kelvin (4 kivezetéses) kialakítás két előnyt biztosít: jobb ismételhetőséget áramméréskor és jobb TCR viselkedést. A rovátkolt kialakítás csökkenti a méréshez szükséges, áramkörön belüli réz mennyiségét. A 2. táblázat szemlélteti a Kelvin kivezetéses WSK2512 előnyeit a 2 kivezetéses WSLP2512-vel szemben.

2. táblázat: A Kelvin kivezetéses WSK2512 és a 2 kivezetéses WSLP2512 összehasonlítása. (Kép: Vishay Dale)

Két kulcskérdés merül fel (a 6. ábrán példaként a WSL3637 látható).

• Miért nem mehet a bevágás az ellenállás-ötvözetig a legjobb TCR érdekében?

  Ez új problémát okozna, mivel a réz biztosítja az alacsony ellenállású kapcsolatot a mérendő áram folyásának helyével. Az ellenállás-ötvözetig történő bevágás azt eredményezné, hogy a mérést az ellenállás-ötvözet olyan részén keresztül kellene elvégezni, ahol nincs áramfolyás. Eredményként megnövekedett mért feszültséget kapnánk. Ez egy kompromisszum a réz TCR viselkedése, valamint a mérési pontosság és megismételhetőség között.

• Használhatok-e 4 kivezetéses kontaktuskialakítást, hogy ugyanazt az eredményt érjem el?

Nem. Bár a 4 kivezetéses kontaktuskialakítás jobb mérési ismételhetőséget biztosít, nem küszöböli ki a réz mérőáramkörre gyakorolt hatását. Az ellenállás névleges TCR értéke továbbra is ugyanaz marad.

6. ábra: A rovátkolt kialakítás (itt a Vishay Dale WSL3637 jelű terméke látható) csökkenti a réz mennyiségét az áramérzékelő mérésben. (Kép: Vishay Dale)

Magas felépítés

A Kelvin kivezetéses alkatrészek nem csak sík (vagy lapos) felépítésűek. A WSK1216 és a WSLP2726 példák a magasított felépítésű ellenállásokra. A cél az áramköri kártyán lévő hely megtakarítása, ugyanakkor az ellenállás azon részének maximalizálása, amelyet alacsony TCR értékű ellenállásötvözet alkot. Az ellenálláselem maximalizálásának a Kelvin kivezetéssel való kombinálása alacsony TCR értékű ellenállást eredményez nagyon alacsony ellenállásértékeken (0,0002 Ω-ig), kis helyigény és nagy teljesítmény mellett.

Bevonatos vagy hegesztett felépítés

Az ellenálláselemre vékony rézréteg felhordásával kialakított kivezetések szintén befolyásolják a TCR-t és a mérés megismételhetőségét. A vékony rézréteg bevonatolással vagy galvanizálással alakítható ki. A bevonatos felépítést úgy hozzák létre, hogy a réz és az ellenállás-ötvözet rétegeit extrém nyomás alatt összehengerlik, hogy a két anyag között egyenletes mechanikai kötés jöjjön létre. A rézréteg vastagsága mindkét módszer esetében jellemzően néhány ezred hüvelyk, ami minimalizálja a réz hatását és jobb TCR értéket biztosít. Ennek hátránya az, hogy az ellenállás értéke a kártyára szereléskor kissé eltolódik, mivel a vékony rézréteg nem teszi lehetővé az áram egyenletes eloszlását a nagy ellenállású ötvözeten keresztül. Bizonyos esetekben a kártyára szerelt ellenállás eltolódása sokkal nagyobb lehet, mint az összehasonlításban szereplő ellenállástípusok TCR-jeinek hatása. A bevonatos felépítéssel kapcsolatos további információk a https://www.vishay.com/doc?30333 oldalon találhatók.

Egy másik, a felépítéssel kapcsolatos tényező is játszhat némi szerepet az ellenállás TCR jellemzőjében, mivel a réz és az ellenállás-ötvözet tulajdonságai kiegyenlíthetik egymást, és így nagyon alacsony TCR érték jöhet létre. A komplett működési jellemző megértéséhez egy adott ellenállás részletes TCR tesztjére is szükség lehet.

A TCR egy adott alkalmazásban (a környezetből származó és az ellenálláson keletkező teljesítmény)

Míg a TCR-t általában úgy tekintik, hogy az ellenállás hogyan változik a környezet vagy a környezeti feltételek változásainak függvényében, egy másik tényezőt is figyelembe kell venni, nevezetesen a hőmérsékletnek az ellenállásra vezetett áram miatti növekedését. Ha áramot adunk rá, az ellenállás felmelegszik, mivel az elektromos energiát hőenergiává alakítja. Ez a ráadott áram okozta hőmérséklet-emelkedés szintén a TCR-hez kapcsolódó komponens, amelyet néha az ellenállás teljesítmény-együtthatójának (PCR) is neveznek.

A PCR bevezet egy másik tényezőt, amely a felépítéstől függ és az alkatrészen keresztüli hővezetésen vagyis az R_thi belső hőellenálláson alapul. Egy nagyon alacsony hőellenállású, jó hővezető-képességű lapon levő ellenállás hőmérséklete alacsonyabb lesz. Erre példa a WSHP2818, ahol a nagyméretű réz kivezetés és a belső szerkezet hő szempontjából nagyon hatékony felépítést biztosít, ami azt jelenti, hogy a hőmérséklet nem emelkedik jelentősen az ellenálláson keletkező teljesítményhez képest.

Nem minden adatlap egyforma

A különböző gyártók specifikációinak összehasonlítása nehéz lehet, mivel a TCR többféleképpen is értelmezhető. Egyes gyártók az ellenállás-elem TCR értékét tüntetik fel, amely csak egy része a termék teljes viselkedésének, mivel a kivezetések hatásait figyelmen kívül hagyják. A legfontosabb paraméter az alkatrész TCR-je, amely magában foglalja a kivezetések hatásait, vagyis azt, hogy az ellenállás hogyan fog viselkedni az alkalmazásban.

Más esetekben a TCR jelleggörbét egy korlátozott hőmérséklet-tartományra, pl. 20°C és 60°C között, míg egyéb esetekben a szélesebb működési tartományra, pl. -55°C és +155°C között adják meg. Ezeket az ellenállásokat összehasonlítva a korlátozott hőmérséklet-tartományra specifikált ellenállás jobb viselkedést mutat, mint a szélesebb tartományra specifikált ellenállás. A TCR viselkedés jellemzően nem lineáris és a negatív hőmérséklet-tartományban rosszabb. A tervezés támogatására részletes görbék állnak rendelkezésre, amelyeken az ellenállás felépítésére és ellenállásértékére jellemző TCR értékek láthatók. Vegye fel a kapcsolatot a DigiKey vagy a Vishay Dale vállalattal a www2bresistors@Vishay.com címen.

Tekintse meg a 7. ábrán látható grafikonokat, amelyek a nemlineáris TCR jelleggörbéket mutatják, illetve azt, hogy ugyanaz az ellenállás mekkora különbséget mutathat különböző hőmérséklet-tartományokban.

7. ábra: Példa a nemlineáris TCR jelleggörbére és arra, hogy ugyanaz az ellenállás eltérő hőmérséklet-tartományban mekkora különbséget mutathat. (Kép: Vishay Dale)

Ha az adatlapon a TCR egy ellenállásérték-tartományra vonatkozóan szerepel, akkor jobb működés érhető el. A tartomány legalacsonyabb ellenállásértéke határozza meg a tartomány kivezetések hatása miatti határát. Az ugyanabban a tartományban a legnagyobb ellenállásértékkel rendelkező ellenállás TCR értéke közelebb lehet a nullához, mivel az ellenállásérték nagyobb részét az alacsony TCR-rel rendelkező ellenállás-ötvözet adja. Vastagréteg esetén ez az ellenállásréteg ezüsttartalmának és a kivezetések hatásának a kombinációja. Egy másik pont, amelyet tisztázni kell a görbék összehasonlításával kapcsolatban, hogy az ellenállások nem mindig rendelkeznek ilyen mértékű meredekséggel, mivel a görbék egyes esetekben laposabbak lehetnek, ami a két anyag TCR-jének az ellenállásértékre gyakorolt kölcsönhatásaitól függ.

ÖSSZEHASONLÍTÓ ELLENŐRZŐ LISTA

Ennek a résznek az a célja, hogy útmutatót adjon az egyik adatlap TCR-jének egy másik adatlappal történő összehasonlításához az ebben az alkalmazási jegyzetben bemutatott részletek alapján.

1. Hasonló-e az ellenállások felépítése?
   1. A kivezetések bevonatos, galvanizált vagy tömör réz kialakításúak?
   2. Az adatlap az ellenállás-ötvözet TCR-jét vagy az alkatrész (teljes) TCR-jét tartalmazza-e? Ezt nem mindig könnyű megállapítani.
2. Hőmérséklettartomány
   1. A megadott TCR hőmérséklet-tartomány azonos-e, például 20°C és 60°C közötti vagy szélesebb?
   2. A megadott TCR-érték minden ellenállásértékre összehasonlítható?
3. Jót tenne-e a felépítésnek egy Kelvin kivezetés a TCR jellemző javítása érdekében?
4. Pontosabb adatokra van-e szükség a tervezési igények miatt? www2bresistors@Vishay.com

Felhasznált forrásanyag:

(1) forrás: Zandman, Simon, & Szwarc Resistor theory and technology 2002 p. 23 - p.24

További források

1. Áttekintés: Power Metal Strip® Surface-Mount Current Sensing Resistors