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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Feuchtigkeitsbeständigkeit

Last but not least gibt es in der Industrie eine Faustregel, die besagt, dass der absolute TCR eines jeden Widerstandes nicht mehr als das Dreifache des TCR-Trackings zwischen den Widerständen der Gruppe sein sollte.

Feuchtigkeitsbeständigkeit

Sowohl die militärische Widerstandsspezifikation MIL-PRF-55182 als auch MIL-PRF-55342 beinhalten Beständigkeitstests. Bei MIL-PRF-55342 wird während des Feuchtigkeitstests keine Leistung angelegt, während bei MIL-PRF-55182 100 Prozent der Nennleistung angelegt werden. Das sagt aber noch nicht alles aus. Jedes Epoxid und jedes Kunststoffmaterial absorbiert Feuchtigkeit. Widerstände sind Temperaturschwankungen, Feuchtigkeitsschwankungen und Druckschwankungen ausgesetzt. Dadurch wird Feuchtigkeit in den Widerstand gezogen. Zwar reicht die Feuchtigkeit vielleicht nicht aus, um bei statischen Messungen eine signifikante Widerstandsänderung zu bewirken, aber die Anwendung kann unter verschiedenen Umweltbedingungen ernsthafte Folgen haben.

Wenn der Widerstand sehr heiß läuft, wird die Feuchtigkeit herausgetrieben; läuft der Widerstand jedoch bei niedriger Gleichstromleistung in Gegenwart von Feuchtigkeit, sind die Bedingungen reif für Ätzungen und katastrophale Ausfälle. Es ist nicht genug Strom vorhanden (der sich in Wärme umsetzt), um die Feuchtigkeit zu verdrängen, aber es wird immer noch ein elektrisches Feld über dem Widerstandselement aufgebaut. Es gibt auch Verunreinigungen, die von den Verkapselungsmaterialien in den Widerstand gezogen werden können, und möglicherweise einige Restverunreinigungen aus der Produktion. In Gegenwart von Feuchtigkeit können sich diese Verunreinigungen auf dem Widerstandselement ablagern und Teile davon anätzen. Dieses Phänomen kann dazu führen, dass Dünnschichtwiderstände bereits nach wenigen Betriebsstunden aufbrechen.

Die Gefahr des Ätzens ist nicht unerheblich, da die Entwickler stets versuchen, Präzisionswiderstände mit der geringstmöglichen Leistung zu betreiben, um die kleinstmögliche langfristige Widerstandsänderung zu erzielen. So sind die besten Leistungsbedingungen für die Lebensdauerstabilität gleichzeitig die schlechtesten Leistungsbedingungen für Gleichstromanwendungen in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Bulk-Metallfolienwiderstände unterliegen demselben Phänomen wie Dünnschichtwiderstände, aber ihre Widerstandselemente sind hunderte Male dicker als Dünnschichtwiderstände und erfordern daher hunderte Male mehr Chemie, um den gleichen Schaden zu verursachen.

In diesem Fall ist zu beachten, dass die in den Datenblättern angegebenen Feuchtigkeitsbeständigkeitstests möglicherweise nicht tatsächlichen Betriebsbedingungen entsprechen und möglicherweise keine ausreichende Warnung vor katastrophalem Versagen geben.

Verlässlichkeit und Stabilität

Jede Widerstandstechnologie hat einen Bereich, in dem sie ihre beste Leistung und Zuverlässigkeit bietet. Aufgrund des Wettbewerbsdrucks erweitern die Hersteller ihr Angebot jedoch auf den höchsten Wert, den sie produzieren und verkaufen können. Bei jeder Technologie weisen diese Produkte mit erweitertem Bereich nicht die gleiche Stabilität und Zuverlässigkeit auf wie ihre niedrigeren optimalen Widerstandsbereiche. Um eine optimale Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist es ratsam, nicht das oberste Drittel der Widerstandswerte zu verwenden, die von einem Hersteller für ein bestimmtes Modell und eine bestimmte Größe angeboten werden.

Ein Hersteller kann Angaben zur Lebensdauer oder andere Daten für sein Produkt machen und behaupten, dass diese repräsentativ für sein Produkt oder seine Technologie sind. Der Benutzer muss diese Daten jedoch sorgfältig auswerten, um sicher zu sein, dass sie die gesamte Bandbreite der vom Hersteller angegebenen Werte repräsentieren. Andernfalls könnte er feststellen, dass seine Schaltung nicht wie geplant funktioniert, weil die tatsächlich verwendeten Werte nicht annähernd so gut sind wie die Werte, die der Hersteller mit seinen sorgfältig ausgewählten Beispielen angegeben hat. Außerdem muss man sich vor den Daten hüten, die auf der Grundlage einiger weniger Stichproben von nur zehn oder zwanzig Einheiten vorgelegt werden. Solche »repräsentativen« Daten sind statistisch unbedeutend. Um wirklich aussagekräftig zu sein, müssen die Daten von vielen großen Losen mit fortlaufenden Tests über lange Zeiträume hinweg und von vielen Fertigungslosen stammen und die gesamte Bandbreite der angebotenen Werte umfassen.

Induktivität und Rauschen

Drahtgewickelte Präzisionswiderstände haben sowohl eine Induktivität als auch eine Kapazität. Der isolierte Draht ist mit vielen Windungen in Lagen um einen Kunststoff- oder Keramikspulenkörper gewickelt. Der Spulenkörper hat mehrere einzelne Abschnitte, die als »Pi«-Abschnitte bezeichnet werden. Normalerweise wird der Draht im ersten Pi-Abschnitt in eine Richtung gewickelt, dann über eine Kerbe in den nächsten Abschnitt geführt und in die entgegengesetzte Richtung gewickelt. Diese »Reverse Pi«-Wicklung soll die Induktivität verringern.

In einigen Fällen wird der Draht in der Mitte des ersten Pi-Abschnitts mit Klebeband abgeklebt, umgekehrt gewickelt und dann im nächsten Pi-Abschnitt verdoppelt, um die Induktivität weiter zu verringern. Der Hersteller bezeichnet diese Widerstände dann als »niederinduktiv«, macht aber keine Angaben zu einem bestimmten Induktivitätswert, da für verschiedene Widerstandskonfigurationen, Größen und Widerstandswerte unterschiedliche Drahtdurchmesser mit unterschiedlichem Widerstand und unterschiedlicher Länge verwendet werden.

Diese ungenaue Klassifizierung der Induktivität ist kaum eine angemessene Grundlage, auf die man sich bei Hochfrequenzanwendungen verlassen kann. Außerdem sind drahtgewickelte Widerstände nur bei sehr niedrigen Werten, etwa 100 Ω und darunter, in erster Linie induktiv. Darüber hinaus sind drahtgewickelte Widerstände in erster Linie kapazitiv. Indem sie sich auf ihre »nichtinduktiven« Wickeltechniken konzentrieren, lenken die Hersteller die Entwickler von der Tatsache ab, dass der Blindwiderstand in Widerständen mit höheren Werten in erster Linie kapazitiv ist. Hersteller, die den genauen Kapazitätswert oder auch nur einen ungefähren Wert angeben, sind extrem selten, ja fast nicht vorhanden. Metallfolienwiderstände mit gleicher oder besserer Präzision haben eine maximale Induktivität von 0,1 μH und eine maximale Kapazität von 0,5 pF wie in ihren Datenblättern eindeutig angegeben.

ESD

Jedes Datenblatt für Präzisionswiderstände sollte eine ESD-Warnung (elektrostatische Entladung) enthalten. Ignorieren Sie diese Warnung niemals, denn ESD ist immer vorhanden und, wie Murphys Gesetz besagt, wartet sie nur darauf, im unpassendsten Moment zuzuschlagen. Einige Benutzer sagen, dass sie sich keine Sorgen über ESD machen, weil sie bipolare Halbleiter oder andere Schutzschaltungen verwenden. Das ist leichtsinnig, denn 1500 V ESD können die Dünnfilm-Widerstandsschicht beschädigen, aber statische Ladungen können sogar noch viel höher sein als dieser Wert. Es kann nur dazu geraten werden, stets die ESD-geprüften Handhabungs- und Installationsverfahren zu befolgen.