Temperaturmodstandskoefficient for strømføling

Følgende emner vil blive behandlet i artiklen.

1. Hvad er TCR?
2. Hvordan bestemmes TCR?
3. Hvordan påvirker konstruktionen TCR's ydeevne?
4. TCR i applikationer
5. Sådan sammenligner du datablade

Årsag og virkning

Modstand er et resultat af en kombination af faktorer, der får en elektrons bevægelse til at afvige fra den ideelle vej i et krystalgitter i et metal eller en metallegering. Når en elektron støder på defekter eller ufuldkommenheder i gitteret, kan det forårsage diffusion. Dette øger den tilbagelagte vej, hvilket resulterer i øget modstand. Disse fejl og mangler kan skyldes:

• Bevægelse i gitteret på grund af termisk energi
• Forskellige atomer i gitteret, f.eks. urenheder
• Delvis eller fuldstændig fravær af gitter (amorf struktur)
• Uordnede zoner ved korngrænserne
• Krystallinske og interstitielle defekter i gitteret

Temperaturmodstandskoefficienten (TCR), undertiden kaldet modstandstemperaturkoefficient (RTC), er en karakteristik af den termiske energikomponent af ovennævnte ufuldkommenheder. Effekten af denne modstandsændring er reversibel, når temperaturen vender tilbage til referencetemperaturen, forudsat at kornstrukturen ikke blev ændret af høje temperaturer som følge af en ekstrem puls/overbelastning. For Power Metal Strip®- og Power Metal Plate™-produkter vil dette være en temperatur, der får modstandslegeringen til at overstige 350 °C.

Denne modstandsændring som følge af temperatur måles i ppm/°C, som varierer meget mellem forskellige materialer. For eksempel har mangan-kobberlegering en TCR på < 20 ppm/°C (for 20°C til 60°C), mens kobber, der anvendes i termineringer, har en TCR på ca. 3900 ppm/°C. En anden måde at repræsentere ppm/°C på, som måske er nemmere at overveje, er, at 3900 ppm/°C er det samme som 0,39 %/°C. Det kan virke som små tal, indtil du tænker på ændringen i modstanden som følge af en temperaturstigning på 100 °C. For kobber ville det medføre en ændring i modstanden på 39 %.

En alternativ metode til at visualisere virkningen af TCR er at betragte den som et materiales ekspansionshastighed med temperaturen (figur 1). Vi kan overveje to forskellige stænger, A og B, der hver er 100 m lange. Bar A ændrer længde med en hastighed på +500 ppm/°C og Bar B ændrer længde med en hastighed på +20 ppm/°C. En temperaturændring på 145 °C vil medføre, at længden af bar A øges med 7,25 m, mens bar B kun vil blive 0,29 m længere. Nedenfor er en skaleret (1 / 20) repræsentation for at vise forskellen visuelt. Bar A har en meget mærkbar længdeændring, mens bar B ikke har nogen synlig længdeændring.

Figur 1: En metode til at visualisere virkningen af TCR er at se på den i form af et materiales ekspansionshastighed ved temperaturstigning. (Billedkilde: Vishay Dale)

Dette gælder også for en modstand, idet den lavere TCR vil resultere i en mere stabil måling på tværs af temperaturen, hvilket kan skyldes påført strøm (hvilket får modstandselementets temperatur til at stige) eller det omgivende miljø.

Hvordan TCR måles

TCR-ydelse i henhold til MIL-STD-202 metode 304 er modstandsændring baseret på en referencetemperatur på 25 °C. Temperaturen ændres, og den afprøvede anordning får lov til at nå ligevægt, før modstandsværdien måles. Forskellen bruges til at bestemme TCR. For Power Metal Strip WSL-modellen er TCR målt ved den lave temperatur på -65 °C og derefter målt ved +170 °C. Ligningen følger nedenfor. Typisk resulterer en stigning i modstanden med en temperaturstigning i en positiv TCR. Bemærk også, at selvopvarmning forårsager en modstandsændring på grund af TCR.

Modstand - temperaturkoefficient (%):

Modstand - temperaturkoefficient (ppm):

Hvor:

R1 = modstand ved referencetemperatur

R2 = modstand ved driftstemperatur

t1 = referencetemperatur (25 °C)

t2 = driftstemperatur

Driftstemperaturen (t2) er ofte baseret på anvendelsen. F.eks. er temperaturområdet for instrumentering typisk 0 °C til 60 °C, og -55 °C til 125 °C er det typiske område for militære applikationer. Power Metal Strip WSL-serien giver TCR for sit driftsområde fra -65 °C til +170 °C, mens WSLT-serien har et udvidet temperaturområde til 275 °C.

Tabel 1 nedenfor viser TCR for nogle af de modstandsdygtige materialer, der anvendes i de produkter, der er omfattet af denne artikel.

Tabel 1: Forskellige modstandselementers TCR'er i ppm/°C. (Billedkilde: Vishay Dale)

Figur 2 sammenligner forskellige TCR-niveauer som en procentvis ændring i modstand i forhold til stigende temperatur fra 25 °C.

Figur 2: En sammenligning af forskellige TCR-niveauer som en procentvis ændring af modstanden over temperaturen. (Billedkilde: Vishay Dale)

Følgende ligning beregner den maksimale ændring i modstandsværdien for en given TCR.

Hvor:

R = endelig modstand

R0 = begyndelsesmodstand

α = TCR

T = sluttemperatur

T0 = udgangstemperatur

Vishay tilbyder en online TCR-beregner på https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Hvordan opbygning påvirker TCR

Power Metal Strip- og Power Metal Plate-serierne tilbyder en overlegen TCR-ydelse sammenlignet med traditionelle tykfilmstrømsfølere med tykfilm-modstande af metal. En tykfilmstrømafspændingsmodstand anvender et materiale, der primært består af sølv, med terminaler af sølv og kobber. Sølv og kobber har tilsvarende store TCR-præstationsværdier.

Figur 3: Sammenligning af Vishay Power Metal Strip-modstande med typiske metalstrimler og tykfilm-modstande. (Billedkilde: Vishay Dale)

Power Metal Strip-modstandsserien anvender en massiv kobberterminal (punkt 2 i figur 4), der er svejset med elektronstråle til en legering med lav TCR-modstand (punkt 1), hvilket giver lave værdier ned til 0,1 mΩ med lav TCR. Kobberterminalen har imidlertid en høj TCR (3900 ppm/°C) sammenlignet med modstandslegeringen (< 20 ppm/°C), hvilket stadig spiller en rolle for den samlede TCR-ydelse, da der kræves lavere modstandsværdier.

Figur 4: Typisk opbygning af en Vishay Power Metal Strip-modstand. (Billedkilde: Vishay Dale)

Kobberterminalen giver en lavmodstandsforbindelse til modstandslegeringen, hvilket muliggør en ensartet fordeling af strømmen til modstandselementet for at opnå en mere præcis strømmåling ved højstrømsanvendelser. Kobberterminalen har imidlertid en høj TCR (3900 ppm/°C) sammenlignet med modstandslegeringen (< 20 ppm/°C), hvilket har en betydelig indvirkning på den samlede TCR-ydelse ved meget lave modstandsværdier. Dette er vist i figur 5, som viser, hvordan den samlede modstand påvirkes af kombinationen af kobberterminalen og legeringen med lav TCR-modstand. For de laveste modstandsværdier i en specifik modstandskonstruktion får kobberet større betydning for TCR-værdien og ydeevnen.

Figur 5: For lavere modstandsværdier for en specifik modstandskonstruktion får kobberet større betydning for TCR-værdien og ydeevnen. (Billedkilde: Vishay Dale)

Denne påvirkning kan forekomme ved forskellige modstandsværdiområder for forskellige dele. F.eks. er TCR-værdien for WSLP2512 275 ppm/°C ved 1 mΩ, mens WSLF2512 er 170 ppm/°C ved 1 mΩ. WSLF har en lavere TCR, fordi kobberterminalen har et lavere modstandsbidrag for den samme modstandsværdi.

Kelvin terminal vs. 2 terminal

Kelvin-konstruktionen (4 terminaler) giver to fordele: forbedret repeterbarhed af strømmåling og forbedret TCR-ydelse. Den indskårne konstruktion reducerer mængden af kobber i kredsløbet fra målingen. Tabel 2 illustrerer fordelene ved en Kelvin-termineret WSK2512 sammenlignet med den 2-terminerede WSLP2512.

Tabel 2: Sammenligning af den Kelvin-terminerede WSK2512 med den 2-terminerede WSLP2512. (Billedkilde: Vishay Dale)

Der er to vigtige spørgsmål (eksemplet i figur 6 er WSL3637)

• Hvorfor ikke skære hele vejen til modstandslegeringen for at opnå den bedste TCR?

  Dette ville medføre et nyt problem, fordi kobberet giver mulighed for en forbindelse med lav resistivitet til det område, hvor strømgennemstrømningen skal måles. Ved at skære hele vejen til modstandslegeringen vil målingerne blive foretaget gennem en del af modstandslegeringen, hvor der ikke er nogen strøm. Dette ville resultere i en øget målt spænding. Det er et kompromis mellem kobber-TCR-effekter og målingens nøjagtighed og repeterbarhed

• Kan jeg bruge et 4-terminal pad-design for at opnå de samme resultater?

Nej. Mens 4-terminal pad-designet giver en bedre gentagelighed af målingerne, fjerner det ikke virkningerne af kobber fra målekredsløbet. Modstanden vil stadig yde den samme nominelle TCR

Figur 6: Den indskårne konstruktion (Vishay Dales WSL3637 vist her) reducerer mængden af kobber i kredsløbet fra den strømaftagende måling. (Billedkilde: Vishay Dale)

Forhøjet konstruktion

Kelvin-terminaldele er ikke begrænset til en plan (eller flad) type konstruktion. WSK1216 og WSLP2726 er eksempler på modstande, der anvender en forhøjet konstruktion. Formålet er at spare plads på printpladen og samtidig maksimere den del af modstanden, som leveres af legeringen med lav TCR-modstand. Kombinationen af maksimering af modstandselementet og Kelvin-terminering giver en modstand med lav TCR ved meget lave modstandsværdier (ned til 0,0002 Ω), et lille fodaftryk og en høj effekt.

Pladeret konstruktion vs. svejset

Terminaler, der er konstrueret ved at påføre et tyndt kobberlag på det resistive element, vil også påvirke TCR og måleres repeterbarhed. Det tynde kobberlag kan opnås ved en beklædt konstruktion eller ved galvanisering. En pletteret konstruktion opnås ved at rulle plader af kobber og modstandslegering sammen under ekstremt tryk for at skabe en ensartet mekanisk binding mellem de to materialer. I begge konstruktionsmetoder er kobberlagets tykkelse typisk et par tusindedele af en tomme, hvilket minimerer effekten af kobber og giver en forbedret TCR. Kompromiset er, at modstanden vil skifte en smule i værdi, når den monteres på printpladen, fordi det tynde kobberlag ikke tillader en ensartet fordeling af strømmen gennem den højmodstands-legering. I nogle tilfælde kan det printmonterede modstandsskift være meget større end virkningerne af TCR mellem de modstandstyper, der sammenlignes. For yderligere oplysninger om beklædt konstruktion henvises til https://www.vishay.com/doc?30333.

En anden konstruktionsfaktor kan spille en lille rolle for en modstands TCR-karakteristik, idet kobber- og modstandslegeringsegenskaberne kan opveje hinanden, hvilket giver en meget lav TCR-karakteristik. Det kan være nødvendigt at foretage en detaljeret TCR-test for en specifik modstand for at forstå den fulde ydeevnekarakteristik.

TCR i en applikation (omgivende og anvendt effekt)

Mens TCR typisk betragtes i forhold til, hvordan modstanden ændrer sig på grund af miljø- eller omgivelsesforhold, er der en anden dimension at tage hensyn til; temperaturstigning som følge af anvendt effekt. Når der tilføres strøm, opvarmes modstanden som følge af omdannelsen af elektrisk energi til termisk energi. Denne temperaturstigning som følge af den anvendte effekt er også en komponent, der er relateret til TCR, undertiden kaldet effektmodstandskoefficient (PCR).

PCR introducerer et andet lag, der er drevet af konstruktionen, som er baseret på varmeledning gennem emnet eller intern termisk modstand, R_thi. En modstand med en meget lav termisk modstand på et printkort med høj varmeledningsevne vil opretholde en lavere modstandstemperatur. Et eksempel på dette er WSHP2818, hvor den store kobberterminal og den interne konstruktion giver en meget termisk effektiv konstruktion, hvilket betyder, at temperaturen ikke stiger væsentligt i forhold til den anvendte effekt.

Ikke alle datablade er lige gode

Det kan være vanskeligt at sammenligne specifikationer fra flere producenter, da der er mange måder at præsentere TCR på. Nogle producenter angiver elementets TCR, som kun er en del af produktets samlede ydeevne, da der ikke tages hensyn til termineringseffekterne. Den vigtigste parameter er komponentens TCR, som omfatter termineringseffekterne, hvilket er den måde, modstanden vil fungere på i applikationen.

I andre tilfælde vil TCR-karakteristikken blive præsenteret for et begrænset temperaturområde, f.eks. 20 °C til 60 °C, mens en anden kan præsentere TCR-karakteristikken for et bredere driftsområde, f.eks. -55 °C til +155 °C. Når disse modstande sammenlignes, vil den modstand, der er specificeret til et begrænset temperaturområde, yde bedre end den modstand, der er specificeret til et større temperaturområde. TCR-ydelsen er typisk ikke-lineær og værre i det negative temperaturområde. Detaljerede TCR-kurver, der er specifikke for modstandskonstruktionen og modstandsværdien, kan være tilgængelige til støtte for dit design. Kontakt DigiKey eller Vishay Dale på www2bresistors@Vishay.com.

Se graferne i figur 7, der viser den ikke-lineære TCR-karakteristik, og hvor stor forskel den samme modstand kan udgøre i et andet temperaturområde.

Figur 7: Et eksempel på den ikke-lineære TCR-karakteristik, og hvor stor forskel den samme modstand kan udgøre i et forskelligt temperaturområde. (Billedkilde: Vishay Dale)

Hvis et datablad angiver TCR for en række modstandsværdier, kan der være en bedre ydeevne. Den laveste modstandsværdi i området sætter grænsen for området på grund af termineringseffekter. En modstand med den højeste modstandsværdi i det samme område kan have en TCR tættere på nul, fordi en større del af modstandsværdien stammer fra legeringen med lav TCR-modstand. For tykke film er det en kombination af sølvindholdet i den resistive film og termineringseffekten. Et andet punkt, der skal præciseres i forbindelse med denne sammenligning af diagrammer, er, at modstande ikke altid har denne hældning, da nogle kan være fladere, hvilket afhænger af samspillet mellem TCR'en for begge materialer for modstandsværdien.

TJEKLISTE TIL SAMMENLIGNING

Formålet med dette afsnit er at give en vejledning til sammenligning af TCR i et datablad med et andet baseret på de oplysninger, der gives i denne applikationsnote.

1. Er modstandskonstruktionerne ens?
   1. Er terminalkonstruktionen beklædt, galvaniseret terminal eller en massiv kobberterminal?
   2. Angiver databladet TCR for modstandslegeringen eller en komponent (samlet) TCR-præstationsparameter? Dette er ikke altid let at afgøre
2. Temperaturområde
   1. Er temperaturområdet for den specificerede TCR det samme, f.eks. 20 °C til 60 °C eller bredere?
   2. Er den præsenterede TCR-værdi sammenlignelig for alle modstandsværdier?
3. Ville designet have gavn af en Kelvin-terminering for at forbedre TCR-ydelsen?
4. Har du brug for mere specifikke data til dine designbehov? www2bresistors@Vishay.com

Reference:

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

Yderligere ressourcer

1. Oversigt: Power Metal Strip® overflademonterede strømfølsomme modstande