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Widerstandsstabilität

Datenblatt ist nicht gleich Datenblatt

28. September 2020, 08:24 Uhr   |  Von Bryan Yarborough, Product Marketing Engineer, Vishay Dale Resistors

Datenblatt ist nicht gleich Datenblatt
© Vishay Intertechnology

Temperatur und Bauform wirken sich in vielfältiger Form auf die Widerstandsstabilität aus.

Bei extrem niederohmigen Widerständen hängt der Widerstands-Temperaturkoeffizient (Temperature Coefficient of Resistance TCR bzw. Temperaturkoeffizient TK) stark von deren Bauform ab. Dieser Artikel untersucht die Auswirkungen der Bauform und diverser Spezifikationen auf den TCR.

Ursache und Wirkung : Das Phänomen Widerstand an sich resultiert aus einer Kombination mehrerer Faktoren, aufgrund derer Elektronen sich in einem Metall oder einer Metalllegierung auf einem Pfad bewegen, der von dem idealen Pfad durch ein ideales Kristallgitter hindurch abweicht. Trifft ein Elektron auf Defekte oder Ungenauigkeiten innerhalb des Gitters, muss es einen Umweg nehmen. Diese längere Wegstrecke resultiert in einem höheren Widerstand. Mögliche Ursachen für Defekte und Ungenauigkeiten sind dabei

  • Wärmebewegung innerhalb des Gitters,
  • Anwesenheit verschiedener Atome im Gitter, beispielsweise durch Verunreinigungen,
  • teilweises oder vollständiges Fehlen eines Gitters (amorphe Struktur),
  • ungeordnete Zonen an den Korngrenzen,
  • kristalline und interstitielle Gitterdefekte.

In ppm/°C gemessen, ist der TCR ein Merkmal der Wärmeenergiekomponente der oben genannten Unregelmäßigkeiten und variiert stark zwischen verschiedenen Materialien. Dieser Effekt der Widerstandsänderung ist reversibel, wenn die Temperatur auf die Referenztemperatur zurückkehrt. Eine alternative Visualisierung für den TCR-Effekt ist die Ausdehnungsrate eines Materials mit der Temperatur. Als Beispiel dienen hier zwei verschiedene Balken, A und B, die jeweils 100 m lang sind: Balken A ändert seine Länge um je 500 ppm/°C und Balken B wird um 20 ppm/°C länger. Eine Temperaturänderung von 145 °C führt dazu, dass die Länge von A um 7,25 m zunimmt, während B nur um 0,29 m länger wird. Die graphische Skala in Bild 1 stellt den Unterschied visuell dar. Balken A weist eine merkliche Längenänderung auf, während es bei Balken B keinen sichtbaren Unterschied gibt.

Dies gilt für Widerstände, da ein niedriger TCR zu einer stabileren Messung über die Temperatur führt, die durch die angelegte Leistung (wodurch die Temperatur des Widerstandselements ansteigt) oder die Umgebungsumgebung verursacht wird.

Vishay
© Vishay

Bild 1: Zwei Balken haben eine unterschiedliche Ausdehnungsrate mit der Temperatur: Während die Länge von Balken A bei einer Temperaturänderung von 145 °C um 7,25 m zunimmt, verändert sich die Länge von Balken B nur um 0,29 m.

Wie misst man den TCR?

Bei der TCR-Leistung nach MIL-STD-202 Methode 304 handelt es sich um die Widerstandsänderung basierend auf einer Referenztemperatur von +25 °C. Die Temperatur wird geändert, und sobald das Gerät im Gleichgewicht ist, entspricht TCR der Differenz der Widerstandswerte. Eine Widerstandserhöhung bei einer Temperaturerhöhung ist ein positiver TCR. Auch die Eigenerwärmung des Widerstands durch den Stromfluss ruft eine TCR-bedingte Widerstandsänderung hervor.

Widerstands-Temperaturkoeffizient (%/°C): (R2 – R1) / (R1 ∙ (T2 – T1)) ∙ 100

Widerstands-Temperaturkoeffizient (ppm/°C): (R2 – R1) / (R1 ∙ (T2 – T1)) ∙ 106

mit R1 = Widerstand bei der Referenztemperatur
R2 = Widerstand bei der Betriebstemperatur
T1 = Referenztemperatur (25 °C)
T2 = Betriebstemperatur

Häufig ist die zur Bestimmung des TCR anzuwendende Betriebstemperatur (T2) von der jeweiligen Anwendung abhängig. Typischerweise wird für Messgeräte ein Betriebstemperaturbereich von –10 °C bis +60 ≈°C zugrunde gelegt und für militärische Anwendungen ein solcher von –55 °C bis +125 °C. Berechnen lässt sich die maximale Widerstandsänderung bei gegebenem TCR nach dieser Gleichung:

R = R0∙ [1 + α (T – T0)]

wobei R = Widerstand bei Betriebstemperatur
R0 = Widerstand bei Referenztemperatur
α = TCR
T = Betriebstemperatur
T0 = Referenztemperatur

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2. Einfluss der Bauform auf den TCR
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