Elektrische Widerstände Hohe Leistung auf kleinem Raum

Wie in allen Bereichen der Elektronik müssen auch elektrische Widerstände immer mehr leisten und bei größerem Funktionsumfang immer kompakter werden. Anhand von vier unterschiedlich konstruierten Bau-reihen in SMD-Montage soll aufgezeigt werden, welcher Widerstandstyp sich für welche Anwendung eignet.

Viele Anwender geben sich bei Widerständen mit einer Lebensdauer von 2000 Betriebsstunden, zum Beispiel im erweiterten Temperaturbereich, nicht mehr zufrieden. Hier sind die Entwickler gefragt: Sind die verbauten Komponenten und Prozesse geeignet, um beispielsweise 5000 Betriebsstunden gewährleisten zu können?

Neben der Lebensdauer zählt die Leistung: Wer den Output von 10 A auf 15 A erhöhen will, braucht breitere Leiterbahnen, andere Transistoren und einen angepassten Widerstandswert. Hier spielt der Bauraum eine wichtige Rolle: Wie kann das Bauteil verkleinert werden, ohne die technische Performance zu beeinträchtigen?

Vor allem die Automobil-Industrie fragt bei Widerständen zudem nach der Second-Source-Fähigkeit: Man will nur noch Bauteile einsetzen, die von mindestens zwei potenziellen Lieferanten bereitgestellt werden können. So bleiben die Produzenten von den Lieferanten unabhängig.

Die Anforderungen an elektrische Widerstände sind also vielfältig und hoch. Die vier Baureihen »BVx«, »SMx«, »VMx« und »VLx « (Bild 1) aus dem Hause Isabellenhütte verwenden »Isaohm«, Manganin und Zeranin als Widerstandsmaterialien. Die Vorteile: kleinste Thermospannungen von weniger als 1 μV gegen Kupfer und sehr gute Langzeitstabilitäten (deutlich unter 0,5% auch bei Volllast).

Darüber hinaus ermöglichen diese Präzisions-Widerstandslegierungen eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit im Bereich von -40 °C bis +170 °C. Die Baureihe BVx besteht zum Beispiel aus einem Kupfer-Manganin-Kupfer-Verbund und wird häufig bei der Strommessung in Automobilapplikationen eingesetzt, so zum Beispiel bei Antrieben mit 300 W für die Innenraum-Klimatisierung, bei Antrieben mit 600 W für den Motor-Kühlkreislauf sowie bei hochdynamischen Antrieben für die elektromechanische Servolenkung.

Im Jahr 2005 war die BVx-Serie Teil eines bedeutenden Projektes im Bereich der Antriebstechnik. Damals hatte Siemens Drive Technologies den ersten Großumrichter unter Verwendung von Shunts zur Phasenstrommessung in Serie gebracht. Die damalige Gemeinschaftsentwicklung von Siemens, Semikron und Isabellenhütte ermöglichte es, Ströme bis 800 A zu messen.

Praxistest in der Raumfahrt

Die Präzisions- und Leistungswiderstände der SMx-Baureihe (Bild 2) sind Stromsensoren mit großen Lötflächen für eine optimierte Wärmeabfuhr. Eingesetzt werden sie in vielen Steuergeräten für Powertrain-Anwendungen sowie für hohe Ströme auf DCB-Substraten.

Die SMx-Widerstände arbeiten auch im europäischen Weltraumlabor Colum-bus. Dank ihrer hohen Belastbarkeit hielten sie den Vibrationen beim Start des Shuttles stand und trotzen den Vakuumbedingungen sowie der hohen Strahlenbelastung. Auch bei einer Temperatur von -50 °C ist ihre Performance einwandfrei. Bei gängigen Widerständen entstehen über Temperaturzyklen mechanische Spannungen im Bauteil, was zu Rissen führen und das Bauteile zerstören kann.

Die Isabellenhütte wählte bei den Baureihen VMx und VLx (Bild 1) bewusst einen anderen Aufbau, um solche Probleme von vornherein zu vermeiden: Dank des Einsatzes von Zeranin und Manganin mit einem Kupferanteil größer 86 Prozent und der hohen Scherfestigkeit des internen Aufbaus trotzen beide Baureihen den bei Keramiksubstraten üblichen Problemen.

Die VMx-Bauteilfamilie ist in vielen Industrie- und Automobilapplikationen universell einsetzbar: Bei Messwiderständen für Leistungshybride, in Steuergeräten und Leistungsmodulen, bei Frequenzumrichtern und in Schaltnetzteilen. Standardbauteile lassen sich bei Redesigns oder Leistungssteigerungen mit diesen Widerständen einfach und kompatibel ersetzen. Weiterhin bietet die VMx-Baureihe dank Baugrößenreduzierung ein optimiertes Preis-/Leistungsverhältnis für den Einsatz in der Weißen Ware (zum Beispiel bei Frequenzumrichtern in Waschmaschinen).

VMx-Widerstände besitzen einen Temperaturkoeffizienten von unter 20 ppm/K, Toleranzen in den Bereichen 0,5%, 1% und 5% sowie eine kleine Bauform (2512, 2010, 1206, 0805). Dank ihres Aufbaus ist die VMx-Bauteilfamilie Second-Source-fähig.

Kontakte über quer

Die querkontaktierten VLx-Präzisionswiderstände (Bild 2) besitzen größere Lötflächen gegenüber längskontaktierten Bauformen. Das ermöglicht eine verbesserte mechanische Festigkeit der Lötstelle und macht die Widerstände resistenter gegenüber Temperaturzyklen und Lastwechseln. Weitere Produktvorteile der VLx-Serie sind eine verbesserte Wärmeabfuhr über die Lötstelle in die Leiterplatte sowie eine hohe mechanische Stabilität.

Derzeit sind die VLx-Widerstände in den Bauformen 0612 und 1020 erhältlich. Der thermische Innenwiderstand beträgt weniger als 30 K/W (Bauform 0612), der Temperaturkoeffizient liegt bei weniger als 50 ppm/K. VLx-Widerstände eignen sich für den Einsatz in DC/DC-Wandlern mit Taktfrequenzen von mehreren hundert Kilohertz sowie in Hochstromanwendungen wie Motor- und Pumpenantrieben.

Die Widerstände sind auch in kleinsten Bauformen hochstromfähig. Weitere Einsatzgebiete sind Messwiderstände für Leistungshybride (DCB), Steuergeräte in der Automobiltechnik, Leistungsmodule, Frequenzumrichter und Schaltnetzteile. Die Folienwiderstände der VLx-Reihe sind darüber hinaus eine hochwertige Alternative zu gängigen Dickschichtwiderständen. Die bekannten Nachteile der Dickschichtwiderstände - hoher Temperaturkoeffizient, kleine Pulsbelastbarkeit und Anfälligkeit für mechanische Spannungen - bestehen bei diesen Bauteilen nicht.

Testen nach AEC Q200

Anwender wünschen sich aussagekräftige Tests, die die im Datenblatt spezifizierte Leistung der Widerstände eindeutig belegen. Produktverantwortliche in Unternehmen wollen sich absichern, wenn sie sich für neue Lieferanten und Technologien entscheiden.

Grundlage aller Tests, die Isabellenhütte Heusler durchführt, ist die Norm AEC Q200. Diese ist ein einheitliches Prüf- und Testverfahren für Bauelemente, das die mechanische Stabilität, thermische Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der passiven Bauelemente im Automobilbereich beschreibt. Bei Langzeittests über 10 000 Stunden und einer dauerhaften Temperaturbelastung von +170 °C konnten Widerstände der SMx-Baureihe beispielsweise minimale Driften von -0,3% vorweisen.

Über den Autor:

Marcus Escher ist in der Entwicklung bei Isabellenhütte Heusler tätig.