Temperaturmotstandskoeffisient for strømføling

Vi tar for oss følgende emner i artikkelen.

1. Hva er TCR?
2. Hvordan bestemmes TCR?
3. Hvordan påvirker konstruksjonen TCR-ytelsen?
4. TCR i enheter
5. Hvordan sammenligne datablad

Årsak og påvirkning

Motstand er et resultat av en kombinasjon av faktorer som forårsaker at en elektronbevegelse avviker fra en ideell bane innenfor et krystallinsk gitter av et metall eller en metallegering. Når et elektron støter på defekter eller urenheter i gitteret, kan det forårsake diffusjon. Dette øker banen som kjøres, noe som resulterer i økt motstand. Disse defektene og urenhetene kan skyldes:

• Bevegelse i gitteret på grunn av varmeenergi
• Ulike atomer er til stede i gitteret, for eksempel urenheter
• Delvis eller fullstendig fravær av gitter (amorf struktur)
• Forstyrrede soner ved korngrensene
• Krystallinske og interstitielle defekter i gitteret

Temperaturkoeffisienten for motstand (temperature coefficient of resistance –TCR), noen ganger kalt motstandstemperaturkoeffisient (resistance temperature coefficient – RTC), er en egenskap ved varmeenergikomponenten i ovennevnte urenheter. Virkningen fra denne motstandsendringen er reversibel når temperaturen går tilbake til referansetemperaturen, forutsatt at kornstrukturen ikke ble endret fra høye temperaturer som følge av en ekstrem puls-/overbelastningshendelse. For Power Metal Strip®- og Power Metal Plate™-produkter vil dette være en temperatur som forårsaket at motstandslegeringen overskrider 350 °C.

Denne motstandsendringen på grunn av temperatur måles i ppm/°C, som varierer mye mellom ulike materialer. Mangan-kobberlegering har for eksempel en TCR på < 20 ppm/°C (for 20 °C til 60 °C), mens kobber som brukes i termineringer er omtrent 3900 ppm/°C. En annen måte å representere ppm/°C på som kan være lettere å vurdere, er at 3900 ppm/°C er det samme som 0,39 %/°C. Dette kan virke som små tall inntil du vurderer endringen i motstand på grunn av en temperaturøkning på 100 °C. For kobber som vil forårsake en 39 % endring i motstand.

En alternativ metode for å visualisere virkningen av TCR er å vurdere den i forhold til ekspansjonshastigheten til et materiale med temperatur (figur 1). Tenk på to forskjellige stenger, A og B, som hver er 100 m lange. Bar A endrer lengden med en hastighet på +500 ppm/°C og bar B endrer lengden med en hastighet på +20 ppm/°C. En temperaturendring på 145 °C vil føre til at lengden på bar A øker med 7,25 m, mens bar B bare vil øke i lengde med 0,29 m. Nedenfor er en skalert (1/20) representasjon for visuelt å demonstrere forskjellen. Stolpe A har en svært merkbar endring i lengde, mens stolpe B ikke har noen synlig endring i lengde.

Figur 1: En metode for å visualisere virkningen av TCR er å se på det vilkårene for ekspansjonshastighet for et materiale med temperaturøkning. (Bildekilde: Vishay Dale)

Dette gjelder også for en motstand ved at den nedre TCR-en vil resultere i en mer stabil måling på tvers av temperaturen, som kan forårsakes av påført effekt (forårsaker at motstandselementets temperatur øker) eller omgivelsene.

Slik måles TCR

TCR-ytelse i henhold til MIL-STD-202 metode 304 er motstandsendring basert på en referansetemperatur på 25 °C. Temperaturen endres og enheten som prøves, tillates å oppnå likevekt før motstandsverdien måles. Forskjellen brukes til å bestemme TCR. For Power Metal Strip WSL-modellen måles TCR ved den lave temperaturen på -65 °C og måles deretter ved +170 °C. Formelen nedenfor følger. Vanligvis fører en økning i motstand med en økning i temperatur til en positiv TCR. Vær også oppmerksom på at selvoppvarming forårsaker en motstandsendring på grunn av TCR.

Motstand – temperaturskoeffisient (%):

Motstand – temperaturskoeffisient (ppm):

Der:

R1 = motstand ved referansetemperatur

R2 = motstand ved driftstemperatur

t1 = referansetemperatur (25 °C)

t2 = driftstemperatur

Driftstemperaturen (t2) er ofte basert på bruksområdet. For eksempel er temperaturområdet for instrumentering vanligvis 0 °C til 60 °C, og -55 °C til 125 °C er det typiske området for militære bruksområder. Power Metal Strip WSL-serien gir TCR for driftsområdet fra -65 °C til +170 °C, mens WSLT-serien har et utvidet temperaturområde til 275 °C.

Tabell 1 nedenfor gir TCR for noen resistensmaterialer som brukes i produktspekteret som er knyttet til denne artikkelen.

Tabell 1: Ulike TCR-verdier for motstandselementer i ppm/°C. (Bildekilde: Vishay Dale)

Figur 2 sammenligner ulike TCR-nivåer som en prosentvis endring i motstand versus økende temperatur fra 25 °C.

Figur 2: En sammenligning av forskjellige TCR-nivåer som en prosentvis endring i motstand over temperatur. (Bildekilde: Vishay Dale)

Følgende formel beregner den maksimale endringen i motstandsverdien for en gitt TCR.

Der:

R = endelig motstand

R0 = innledende motstand

α = TCR

T = sluttemperatur

T0 = innledende temperatur

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

Slik påvirker konstruksjon TCR

Power Metal Strip- og Power Metal Plate-serien tilbyr overlegen TCR-ytelse sammenlignet med tradisjonelle strømfølende motstander av tykkfilm av hel-metall. En strømfølende motstande av tykkfilm benytter et materiale som hovedsakelig er sølv, med terminaler av sølv og kobber. Sølv og kobber har tilsvarende store TCR-ytelsesverdier.

Figur 3: Sammenligning av Vishay Power Metal Strip-motstander med typiske metallbånd og tykkfilmmotstander. (Bildekilde: Vishay Dale)

Power Metal Strip-serien motstander bruker en solid kobberterminal (punkt 2 i figur 4) som er elektronstråle sveiset til en legering med lav TCR-motstand (punkt 1), og oppnår lave verdier ned til 0,1 mΩ med lav TCR. Kobberterminalen har imidlertid en høy TCR (3900 ppm/°C) sammenlignet med motstandslegeringen (< 20 ppm/°C), som fortsatt spiller en rolle for den generelle TCR-ytelsen, da lavere motstandsverdier er påkrevd.

Figur 4: Typisk konstruksjon av en Vishay Power Metal Strip-motstand. (Bildekilde: Vishay Dale)

Kobberterminalen gir en lav motstandsforbindelse til motstandslegeringen, som muliggjør jevn fordeling av strømstrøm til motstandselementet for en mer nøyaktig strømmåling for bruk med høy strøm. Kobberterminalen har imidlertid en høy TCR (3900 ppm/°C) sammenlignet med motstandslegeringen (< 20 ppm/°C), noe som har en betydelig innvirkning på den generelle TCR-ytelsen ved svært lave motstandsverdier. Dette er beskrevet i figur 5 som viser hvordan den totale motstanden påvirkes av kombinasjonen av kobberterminalen og legeringen med lav TCR-motstand. For de laveste motstandsverdiene for en spesifikk motstandskonstruksjon, blir kobberet mer betydningsfullt i TCR-klassifiseringen og ytelsen.

Figur 5:  For lavere motstandsverdier for en bestemt motstandskonstruksjon blir kobberet mer betydningsfullt i TCR-klassifiseringen og ytelsen. (Bildekilde: Vishay Dale)

Denne innflytelsen kan oppstå ved forskjellige motstandsverdier for forskjellige deler. For eksempel er TCR-verdien til WSLP2512 275 ppm/°C ved 1 mΩ, mens WSLF2512 er 170 ppm/°C ved 1 mΩ. WSLF har lavere TCR fordi kobberterminalen har lavere motstandsbidrag for samme motstandsverdi.

Kelvin-terminal vs. 2-terminal

Kelvin-konstruksjonen (4-terminal) gir to fordeler: forbedret gjentakelsesmulighet for strømmåling og forbedret TCR-ytelse. Konstruksjonen med hakk reduserer mengden kobber i kretsen fra målingen. Tabell 2 illustrerer fordelene med en Kelvin-terminert WSK2512 sammenlignet med 2-terminal WSLP2512.

Tabell 2 illustrerer fordelene med en Kelvin-terminert WSK2512 sammenlignet med 2-terminal WSLP2512. (Bildekilde: Vishay Dale)

Det er to viktige spørsmål (Eksemplet i figur 6 er av WSL3637)

• Hvorfor ikke lage ett hakk hele veien til motstandslegeringen for å oppnå den beste TCR-en?

  Dette ville introdusere et nytt problem fordi kobberet tillater en tilkobling med lav ledningsmotstand til området for strømmen som skal måles. Å lage ett hakk hele veien til motstandslegeringen vil føre til at målingen påføres gjennom en del av motstandslegeringen der det ikke er strømflyt. Dette vil resultere i en økt målt spenning. Det er et kompromiss mellom kobber-TCR-virkning og målenøyaktighet og repeterbarhet

• Kan jeg bruke en konstruksjon med fire tilkoblinger for å oppnå de samme resultatene?

Nei. Selv om konstruksjonen med fire tilkoblinger gir bedre målerepeterbarhet, fjerner den ikke virkningen av kobber fra målekretsen. Motstanden vil fortsatt yte til den samme klassifiserte TCR

Figur 6: Konstruksjonen med hakk (Vishay Dales WSL3637 vist her) reduserer mengden kobber i kretsen fra strømfølingen. (Bildekilde: Vishay Dale)

Forhøyet konstruksjon

Kelvin-terminaldeler er ikke begrenset til en plan (eller flat) type konstruksjon. WSK1216 og WSLP2726 er eksempler på motstander som bruker en forhøyet konstruksjon. Hensikten er å spare plass om bord samtidig som du maksimerer den delen av motstanden som den lave TCR-motstandslegeringen bidrar med. Kombinasjonen av å maksimere motstandselementet og Kelvin-avslutningen gir en motstand med lav TCR ved svært lave motstandsverdier (ned til 0,0002 Ω), liten monteringsflate (fotavtrykk) og høy effekt.

Plettert konstruksjon kontra sveiset

Terminaler som er konstruert ved å påføre et tynt kobberlag på det resistive elementet, vil også påvirke TCR og målingens repeterbarhet. Det tynne kobberlaget kan oppnås ved en plettert konstruksjon eller ved galvanisering. En plettert konstruksjon oppnås ved å rulle plater av kobber og motstandslegering sammen under ekstremt trykk for å skape en ensartet mekanisk binding mellom de to materialene. I begge konstruksjonsmetodene er kobberlagtykkelsen vanligvis noen tusendels tomme, noe som minimerer påvirkningen av kobber og gir en forbedret TCR. Avveiningen er at motstanden vil endre seg noe i verdi når den monteres på brettet fordi det tynne kobberlaget ikke tillater en jevn fordeling av strøm gjennom høymotstandslegeringen. I noen tilfeller kan den kortmonterte motstandsforskyvningen være mye større enn virkningene fra TCR mellom motstandstypene som sammenlignes. For mer informasjon om plettert konstruksjon, se https://www.vishay.com/doc?30333.

En annen konstruksjonsfaktor kan spille en liten rolle i en motstands TCR-egenskap ved at kobber- og motstandslegeringsegenskapene kan forskyves, noe som gir en svært lav TCR-egenskap. Detaljert TCR-prøving for en spesifikk motstand kan være nødvendig for å forstå den fullstendige ytelseskarakteristikken.

TCR i en enhet (omgivelse og påført effekt)

Mens TCR vanligvis vurderes med hensyn til hvordan motstanden endres basert på omgivelses- eller omgivelsesforhold, er det en annen dimensjon å vurdere; temperaturstigning på grunn av påført effekt. Når det brukes strøm, varmes motstanden opp på grunn av konvertering av elektrisk energi til varmeenergi. Denne temperaturøkningen på grunn av påført effekt er også en komponent relatert til TCR, noen ganger kalt PCR – (power coefficient of resistance).

PCR introduserer et annet lag som drives av konstruksjon, som er basert på varmeledning gjennom delen eller indre varmemotstand, R_thi. En motstand som har en svært lav varmemotstand på et brett med høy varmeledningsevne vil opprettholde en lavere motstandstemperatur. Et eksempel på dette ville være WSHP2818, der den store kobberterminalen og den innvendige konstruksjonen gir en svært termisk virkningsfull konstruksjon som betyr at temperaturen ikke vil stige vesentlig i forhold til den påførte effekten.

Ikke alle datablad er like

Det kan være vanskelig å sammenligne spesifikasjoner fra flere produsenter, da det er mange forskjellige måter å presentere TCR på. Noen produsenter vil føre opp elementet-TCR, som bare er en del av den samlede produktytelsen ettersom avslutningsvirkningene ignoreres. Den viktigste parameteren er komponenten TCR som inkluderer termineringsvirkningene, som er hvordan motstanden vil fungere i bruksområdet.

I andre tilfeller vil TCR-egenskapen bli presentert for et begrenset temperaturområde, f.eks. 20 °C til 60 °C, mens en annen kan presentere TCR-egenskaper over et bredere driftsområde, f.eks. -55 °C til +155 °C. Når disse motstandene sammenlignes, vil motstanden som er spesifisert for et begrenset temperaturområde, gi bedre ytelse enn motstanden som er spesifisert over et bredere område. TCR-ytelsen er vanligvis ikke-lineær og dårligere i det negative temperaturområdet. Detaljerte TCR-kurver som er spesifikke for motstandskonstruksjonen og motstandsverdien kan være tilgjengelige for å støtte din design. Kontakt DigiKey eller Vishay Dale på www2bresistors@Vishay.com.

Se grafene i figur 7 som viser den ikke-lineære TCR-karakteristikken og hvor stor forskjell den samme motstanden kan ha på tvers av et annet temperaturområde.

Figur 7: Et eksempel på den ikke-lineære TCR-egenskapen og hvor mye forskjellig den samme motstanden kan være i et annet temperaturområde. (Bildekilde: Vishay Dale)

Hvis et datablad viser TCR for et område med motstandsverdier, kan bedre ytelse være tilgjengelig. Den laveste motstandsverdien i området vil sette grensen for området på grunn av avslutningsvirkninger. En motstand med den høyeste motstandsverdien i samme område kan ha en TCR nærmere null fordi mer av motstandsverdien er avledet fra den lave TCR-motstandslegeringen. For tykkfilm er det en kombinasjon av sølvinnholdet i den resistive filmen og avslutningsvirkningen. Et annet poeng for å avklare om denne sammenligningen av diagrammer er at motstander ikke alltid har denne størrelsen på hellingen, da noen kan være flatere, som er avhengig av vekselvirkningene av TCR for begge materialene for motstandsverdien.

SJEKKLISTE VED SAMMENLIGNING

Formålet med dette avsnittet er å gi en veiledning for å sammenligne TCR for ett datablad med et annet basert på detaljene som er gitt i dette merknaden for bruksområdet.

1. Er konstruksjonene for motstandene like?
   1. Er terminalkonstruksjonen plettert, elektroplatert terminal eller en solid kobberterminal?
   2. Lister databladet opp TCR for motstandslegering eller en komponent (total) TCR-ytelsesparameter? Dette er ikke alltid lett å avgjøre
2. Temperaturområde
   1. Er temperaturområdet for den spesifiserte TCR-en det samme, for eksempel 20 °C til 60 °C eller bredere?
   2. Er den presenterte TCR-verdien sammenlignbar for alle motstandsverdier?
3. Vil designet dra nytte av en Kelvin-terminering for forbedret TCR-ytelse?
4. Trenger du mer spesifikke data for dine designbehov? www2bresistors@Vishay.com

Referanser:

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

Ytterligere resurser

1. Oversikt: Power Metal Strip®-overflatemonterte strømfølende motstander