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Widerstandstemperaturkoeffizient

Temperatur und Konstruktion beeinflussen Widerstandsstabilität

24. Januar 2022, 11:39 Uhr | Von Rolf Horn, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Kelvin-Konstruktion

Durch die Kelvin-Konstruktion (vier Anschlüsse) bieten sich zwei Vorteile: verbesserte Wiederholgenauigkeit der Strommessung und verbesserte TCR-Performance. Durch die gekerbte Konstruktion (Bild 6) wird die Menge an Kupfer im Stromkreis bei der Messung reduziert. Damit stellen sich zwei Fragen:

1. Warum nicht den ganzen Weg bis zur Widerstandslegierung einkerben, um den besten TCR zu erreichen?
Dies würde ein neues Problem mit sich bringen, da das Kupfer eine Verbindung mit geringem Widerstand zu dem Bereich des zu messenden Stromflusses ermöglicht. Eine Kerbe bis zur Widerstandslegierung würde dazu führen, dass die Messung durch einen Teil der Widerstandslegierung erfolgt, in dem kein Strom fließt. Dies würde zu einer erhöhten gemessenen Spannung führen. Es handelt sich um einen Kompromiss zwischen Kupfer-TCR-Effekten und Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit

2. Kann ich mit einem Pad mit vier Anschlüssen die gleichen Ergebnisse erzielen?
Nein. Das Design mit vier Anschlüssen bietet zwar eine bessere Wiederholbarkeit der Messungen, beseitigt aber nicht die Auswirkungen von Kupfer im Messkreis. Der Widerstand hat immer noch den gleichen TCR-Wert.

Erhöhte Konstruktion

Komponenten mit Kelvin-Klemmen sind nicht auf eine ebene (oder flache) Bauart beschränkt. So sind der WSK1216 und der WSLP2726 Beispiele für Widerstände, die einen erhöhten Aufbau haben. Der Zweck besteht darin, Platz auf der Leiterplatte zu sparen und gleichzeitig den Anteil des Widerstands zu maximieren, der von der Legierung mit niedrigem TCR-Widerstand stammt. Durch die Kombination aus der Maximierung des Widerstandselements und der Kelvin-Terminierung ergibt sich ein Widerstand mit niedrigem TCR bei sehr niedrigen Widerstandswerten (bis zu 0,0002 Ω), einer kleinen Grundfläche und einer hohen Nennleistung.

Plattierte vs. geschweißte Konstruktion

Klemmen, die durch Aufbringen einer dünnen Kupferschicht auf das Widerstandselement hergestellt werden, beeinflussen ebenfalls den TCR und die Wiederholbarkeit der Messung. Die dünne Kupferschicht kann durch eine plattierte Konstruktion oder durch Galvanisierung erreicht werden. Eine plattierte Konstruktion wird erreicht, indem Bleche aus Kupfer und einer Widerstandslegierung unter extremem Druck zusammengewalzt werden, um eine gleichmäßige mechanische Verbindung zwischen den beiden Materialien herzustellen. Bei beiden Konstruktionsmethoden beträgt die Kupferschichtdicke in der Regel etwa 100 nm, wodurch die Wirkung von Kupfer minimiert und ein verbesserter TCR erzielt wird. Der Nachteil ist, dass sich der Wert des Widerstands bei der Montage auf der Platine leicht verschiebt, da die dünne Kupferschicht keine gleichmäßige Stromverteilung durch die hochohmige Legierung zulässt. In einigen Fällen kann die Widerstandsverschiebung auf der Platine viel größer sein als die Auswirkungen des TCR zwischen den zu vergleichenden Widerstandstypen. Weitere Informationen über plattierte Konstruktionen finden sich im Internet unter www.vishay.com/doc?30333.

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Ein weiterer Konstruktionsfaktor kann bei der TCR-Charakteristik eines Widerstands eine kleine Rolle spielen, da sich die Eigenschaften von Kupfer und Widerstandslegierung ausgleichen können, was eine sehr niedrige TCR-Charakteristik ergibt. Eine detaillierte TCR-Prüfung für einen bestimmten Widerstand kann erforderlich sein, um die gesamte Leistungscharakteristik zu verstehen.

Umgebung und angelegte Leistung

Während der TCR in der Regel unter dem Aspekt betrachtet wird, wie sich der Widerstand in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen verändert, gibt es noch eine weitere Dimension zu berücksichtigen: den Temperaturanstieg aufgrund der angelegten Leistung. Wenn Strom angelegt wird, erwärmt sich der Widerstand durch die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Dieser Temperaturanstieg aufgrund der angelegten Leistung ist auch eine Komponente, die mit dem TCR zusammenhängt und manchmal als Leistungskoeffizient des Widerstands (PCR) bezeichnet wird.

Der PCR führt eine weitere konstruktionsbedingte Schicht ein, die auf der Wärmeleitung durch das Teil oder dem inneren Wärmewiderstand Rthi basiert. Ein Widerstand mit einem sehr niedrigen Wärmewiderstand auf einer Platine mit hoher Wärmeleitfähigkeit hält die Temperatur des Widerstands niedriger. Ein Beispiel hierfür ist der WSHP2818, bei dem die großen Kupferanschlüsse und die interne Konstruktion eine thermisch sehr effiziente Konstruktion darstellen, was bedeutet, dass die Temperatur im Vergleich zur angelegten Leistung nicht wesentlich ansteigt.