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Die Wahrheit liegt zwischen den Zeilen

Datenblätter von Widerständen richtig lesen

25. März 2022, 14:09 Uhr | Von Falko Ladiges, Leitung Produktmarketing PEMCO bei WDI, und Yuval Hernik, Bereich Digital Communications bei der Vishay Precision Group

Datenblätter von Widerständen

Datenblätter von Widerständen enthalten eine Fülle von Informationen, die nicht immer vollständig sind. Auch wenn die Daten auf der ersten Seite absichtlich sehr ansprechend gestaltet sind, sollten Sie sich nicht darauf verlassen, ohne den Rest des Datenblatts zu lesen und zu verstehen.

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Worauf Entwickler achten sollten

Eigentlich sollten viele Datenblätter mit einem Warnhinweis versehen sein: Achtung, Begriffe wie »Toleranz« und »TCR« werden hier unpräzise verwendet! Ingenieure brauchen eine gesunde Skepsis, die es ihnen ermöglicht, unvollständige und irreführende Spezifikationen zu entschlüsseln. Eine Skepsis, die etwa vor allem dann wichtig ist, wenn man sich bewusst ist, dass es immer mehr gefälschte »Präzisions«-Widerstände gibt, die von skrupellosen Anbietern auf dem Papier mit überflüssigen Angaben getarnt werden. Auf diese Weise entstehen etwa Datenblätter mit überflüssigem Text, Zahlen, Marketingfloskeln und Halbwahrheiten in Bezug auf die Spezifikationen. Das Problem ist nicht unbedingt, dass die Daten zurückgehalten werden, sondern dass sie auf verwirrende Weise vermischt werden – wie überall im Leben steckt auch hier der Teufel im Detail.

Entwicklungsingenieure stehen unter großem Druck, die Informationen in Datenblättern schnell zu verarbeiten. Dieser Artikel bietet daher eine Strategie an, mit der Entwickler innerhalb weniger Minuten die Grundlagen in einem Datenblatt für Präzisionswiderstände finden. Zu dieser Strategie gehören Schlüsselbegriffe, die in diesen Dokumenten auftauchen, und ihre Bedeutung.

Toleranz

Toleranz hat viele Bedeutungen, die von der Einkaufstoleranz (Anfangstoleranz) bis zur Endtoleranz (Gesamtfehlerbudget) reichen. Das Letzte, das Sie bei der Auswahl von Komponenten wissen müssen, ist die Anfangstoleranz des Teils. Am wichtigsten ist vielmehr die erforderliche End-of-Life-Toleranz der Konstruktion. Alle Komponenten sollten im Hinblick auf die zu erwartenden Veränderungen nach allen Belastungen und Beanspruchungen, denen sie während der geplanten Lebensdauer der Anlage ausgesetzt sein könnten, bewertet werden.

Jeder Komponente ist ein Fehlerbudget zuzuweisen, bei dessen Überschreitung das Gerät aus seiner Spezifikation herausfällt oder möglicherweise komplett ausfällt. Neben der Anfangstoleranz umfasst das Fehlerbudget auch die zulässigen Verschiebungen durch Haltbarkeit, Montage, TCR, Stöße, Vibrationen, Feuchtigkeit, Temperaturschock, thermische EMF, Last-Lebensdauer-Drift, ESD, Strahlung und harmonische Verzerrung (die harmonische Verzerrung ist ein Maß für die Konformität eines Bauteils mit dem ohmschen Gesetz als Vorhersage für die Zuverlässigkeit).
Ein Ansatz könnte dann sein, eine bestimmte Widerstandstechnologie mit der geringsten Veränderung durch alle Belastungen auszuwählen, alle erwarteten ∆Rs zu addieren und diese von der Toleranzgrenze am Ende der Lebensdauer abziehen, um die Einkaufstoleranz zu erhalten. Die Stückliste spezifiziert dann das Widerstandsmodell nach Widerstand, Toleranz und möglicherweise nach TCR (normalerweise typisch oder auf einen engen Temperaturbereich beschränkt). Obwohl in der Stückliste nicht angegeben, ist jeder Delta-R-Grenzwert für die angegebene Widerstandstechnologie für die Anwendung entscheidend.

Aus diesem Grund sind Präzisionswiderstände mit demselben Widerstand, derselben Toleranz und demselben TCR, aber mit unterschiedlichen Technologien nicht austauschbar, weil ihre Veränderungen während der Lebensdauer nicht gleich sind. Eine Substitution allein auf der Grundlage dieser Faktoren könnte die Eigenschaften und den Erfolg der gesamten Anwendung gefährden. Nur der OEM-Ingenieur, der die Fehlerbudgetanalyse durchgeführt hat, kann einen geeigneten Ersatz bestimmen. Manche Elektronikhersteller ersetzen Präzisionswiderstände durch billigere Produkte und gefährden damit die Systemleistung erheblich.

Um als Ersatzstoff überhaupt infrage zu kommen, sind alle Leistungsmerkmale bei allen Beanspruchungen und Belastungen vollständig und genau zu definieren, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen erfüllt werden.

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Insbesondere bei hochpräzisen Schaltungen, die Widerstände mit hoher Zuverlässigkeit und engen Toleranzen verwenden, reicht es nicht aus, wenn der Hersteller die Widerstände vor der Auslieferung misst. Seine Geräte müssen kalibriert und z. B. auf das National Institute of Standards and Technology (NIST) rückführbar sein. Außerdem müssen die Messungen ein Schutzband aufweisen, das den Messfehler auf die angegebene Toleranz begrenzt und auf 100 Prozent der Widerstände anwendbar ist.

Außerdem muss der Gerätehersteller die Gewissheit haben, dass die Widerstände beim Empfang innerhalb der Toleranz liegen – und nicht nur so lange in eine gemessene Toleranz »hineingeschliffen« werden, bis sie als versandfähig eingestuft werden (aber nicht lange danach). Leider sind die Eingangsprüfungen vieler OEMs nicht ausreichend kalibriert, um Widerstände mit engen Toleranzen zu messen, sodass sie sich auf die Ehrlichkeit der Lieferanten verlassen müssen. Darüber hinaus haben einige Unternehmen Komponenten gekauft, die direkt an die Produktion geliefert wurden, sodass die Eingangskontrolle vollständig umgangen wurde. Wenn die Anwendung wichtig ist, muss der Lieferant deshalb für Qualifikationsprüfungen und regelmäßige Q.A.-Audits zugänglich sein.

Auch muss der Endkunde beurteilen, ob eine von einem Hersteller angebotene Toleranz wirklich praktikabel ist. Beispielsweise werden einige oberflächenmontierte Dünnfilm-Chipwiderstände mit sehr engen Toleranzen für sehr niedrige Widerstandswerte angeboten. Auf dem Datenblatt mag das beeindruckend erscheinen, es ist aber nicht mit den Montageprozessen kompatibel. Wenn diese Widerstände auf der Platine montiert werden, kommt es durch die Lötwärme häufig zu einer Widerstandsänderung. So schmelzen die Lötanschlüsse, fließen und verfestigen sich wieder mit veränderten Widerstandswerten. Bei Widerständen mit niedrigem Wert ist die Widerstandsänderung viel größer als die angegebene Toleranz. Nachdem der Kunde einen hohen Preis für eine unpraktisch enge Toleranz bezahlt hat, hat er am Ende Widerstände mit einer geringeren Toleranz, wenn sie auf der Leiterplatte montiert sind.