Współczynnik temperaturowy rezystancji w pomiarze prądu

W artykule zostaną omówione poniższe tematy.

1. Czym jest współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)?
2. Jak ustala się współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)?
3. Jak konstrukcja wpływa na współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)?
4. Współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) w zastosowaniach
5. Porównywanie arkuszy danych

Przyczyna i skutek

Rezystancja jest łącznym skutkiem czynników, które powodują, że ruch elektronów odbiega od idealnej ścieżki w sieci krystalicznej metalu lub stopu metali. Gdy elektron napotyka wady lub niedoskonałości w sieci, może pojawić się dyfuzja. Wydłuża to przebytą ścieżkę, co skutkuje zwiększoną rezystancją. Wspomniane wady i niedoskonałości mogą wynikać z:

• ruchu w sieci pod wpływem energii cieplnej
• występowania różnych atomów w sieci, takich jak zanieczyszczenia
• częściowego lub całkowitego braku sieci (struktura amorficzna)
• nieuporządkowanych stref na granicach ziaren
• wad krystalicznych i międzywęzłowych w sieci

Współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR), czasami określany jako rezystancyjny współczynnik temperaturowy (RTC), jest cechą składowej energii cieplnej powyższych niedoskonałości. Efekt tej zmiany rezystancji jest odwracalny, gdyż poziom temperatury powraca do wartości temperatury odniesienia, przy założeniu, że struktura ziaren nie została zmieniona pod wpływem wysokich temperatur wynikających z ekstremalnego impulsu lub przeciążenia. W przypadku produktów Power Metal Strip® i Power Metal Plate™ taką temperaturą byłaby temperatura stopu oporowego przekraczająca 350°C .

Wspomniana zmiana rezystancji spowodowana temperaturą jest mierzona w częściach na milion na stopień Celsjusza (ppm/°C) i jest bardzo zróżnicowana dla różnych materiałów. Na przykład stop manganowo-miedziowy ma współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) < 20ppm/°C (dla temp. od 20°C do 60°C), podczas gdy miedź stosowana w zakończeniach ma około 3900ppm/°C. Wartości ppm/°C można także przedstawić w inny sposób, być może łatwiejszy do analizy, mianowicie zwracając uwagę na fakt, że wartość 3900ppm/°C odpowiada wartości 0,39%/°C. Przedstawione liczby mogą wydawać się małe, dopóki nie weźmie się pod uwagę zmiany rezystancji spowodowanej wzrostem temperatury o 100°C. W przypadku miedzi spowodowałoby to 39% zmianę rezystancji.

Alternatywną metodą wizualizacji efektu współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) jest rozważenie go w kategoriach szybkości rozszerzania się materiału pod wpływem temperatury (ilustracja 1). Weźmy pod lupę dwa różne pręty A i B, z których każdy ma 100m długości. Zmiana rezystancji dla pręta A wynosi +500ppm/°C, a dla pręta B -+20ppm/°C. Zmiana temperatury o 145°C spowoduje wydłużenie pręta A o 7,25m, podczas gdy pręt B wydłuży się tylko o 0,29m. Poniżej znajduje się ilustracja w skali 1/20 ukazująca tę różnicę wizualnie. Zmiana długości pręta A jest bardzo zauważalna, natomiast pręta B nie.

Ilustracja 1: jedną z metod wizualizacji efektu współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) jest rozważenie go w kategoriach rozszerzalności materiału pod wpływem temperatury. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Dotyczy to również rezystora, ponieważ niższy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) spowoduje bardziej stabilny pomiar ze zmianą temperatury, która może być spowodowana przyłożoną mocą (powodującą wzrost temperatury elementu oporowego) lub środowiskiem zewnętrznym.

Sposób pomiaru współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR)

Współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) mierzony metodą 304 według normy MIL-STD-202 to zmiana rezystancji w oparciu o temperaturę odniesienia 25°C. Temperatura jest zmieniana, a badane urządzenie osiąga równowagę przed każdym pomiarem wartości rezystancji. Różnica służy do określenia współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR). W przypadku modelu Power Metal Strip WSL, współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) jest mierzony w niskiej temperaturze -65°C, a następnie w +170°C. Poniżej przedstawiamy równanie. Zazwyczaj wzrost rezystancji skorelowany ze wzrostem temperatury skutkuje dodatnią wartością współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR). Należy również pamiętać, że z uwagi na współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) samonagrzewanie zmienia rezystancję.

Rezystancja - współczynnik temperaturowy (%):

Rezystancja - współczynnik temperaturowy (ppm):

Gdzie:

R1 = rezystancja w temperaturze odniesienia

R2 = rezystancja w temperaturze roboczej

t1 = temperatura odniesienia (25°C)

t2 = temperatura robocza

Temperatura robocza (t2) często zależy od zastosowania. Na przykład zakres temperatur dla oprzyrządowania wynosi zwykle od 0°C do 60°C, a typowym zakresem dla zastosowań wojskowych jest od -55°C do 125°C. Seria produktów Power Metal Strip WSL charakteryzuje się współczynnik\iem temperaturowym rezystancji (TCR) w zakresie roboczym od -65°C do +170°C, podczas gdy seria WSLT ma rozszerzony zakres temperatur do 275°C.

W poniższej tabeli 1 podano współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) dla niektórych materiałów rezystancyjnych stosowanych w asortymencie produktów powiązanych z tym artykułem.

Tabela 1: współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) różnych materiałów rezystorów w ppm/°C. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Ilustracja 2 porównuje różne poziomy współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) jako procentową zmianę rezystancji w porównaniu ze wzrostem temperatury od 25°C.

Ilustracja 2: porównanie różnych poziomów współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) jako procentowej zmiany rezystancji w funkcji temperatury. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Poniższe równanie służy do obliczania maksymalnej zmiany wartości rezystancji dla danego współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR).

Gdzie:

R = rezystancja końcowa

R0 = rezystancja początkowa

α = współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)

T = temperatura końcowa

T0 = temperatura początkowa

Firma Vishay oferuje internetowy kalkulator współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) pod adresem https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Wpływ konstrukcji na współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)

Serie Power Metal Strip i Power Metal Plate oferują doskonały współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) w porównaniu z tradycyjnymi, całkowicie metalowymi, grubowarstwowymi rezystorami do pomiaru prądu. Rezystor grubowarstwowy do pomiaru prądu wykorzystuje materiał, który zawiera głównie srebro, z końcówkami ze srebra i miedzi. Srebro i miedź mają podobnie duże wartości współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR).

Ilustracja 3: porównanie rezystorów Power Metal Strip firmy Vishay z typowymi rezystorami metalowymi i grubowarstwowymi. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Seria rezystorów Power Metal Strip wykorzystuje lite zaciski miedziane (pozycja 2 na ilustracji 4), które są przyspawane wiązką elektronów do stopu oporowego o niskim współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR) (pozycja 1), osiągając niskie wartości zaledwie 0,1mΩ przy niskim współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR). Jednak końcówka miedziana w porównaniu ze stopem oporowym (<20ppm/°C) ma wysoki współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) (3900ppm/°C), co nadal odgrywa rolę w ogólnej analizie współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR), gdy wymagane są niższe wartości rezystancji.

Ilustracja 4: typowa konstrukcja rezystora Power Metal Strip firmy Vishay. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Miedziany zacisk zapewnia połączenie o niskiej rezystancji ze stopem oporowym, co umożliwia równomierny rozkład przepływu prądu do elementu rezystancyjnego w celu dokładniejszego pomiaru prądu w zastosowaniach wysokoprądowych. Jednak współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) zacisku miedzianego jest wysoki (3900ppm/°C) w porównaniu ze stopem oporowym (<20ppm/°C), co ma istotny wpływ na współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) przy bardzo niskich wartościach rezystancji. Przedstawiono to na ilustracji 5, ukazującej, wpływ połączenia miedzianego zacisku i stopu oporowego o niskim współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR) na rezystancję całkowitą. W przypadku najniższych wartości rezystancji określonej konstrukcji rezystora miedź staje się bardziej istotna w ocenie współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) i efektów.

Ilustracja 5: w przypadku niższych wartości rezystancji dla określonej konstrukcji rezystora, miedź staje się bardziej istotna w ocenie współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) i efektów. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Wpływ ten może wystąpić przy różnych zakresach wartości rezystancji dla różnych części. Na przykład współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) dla komponentów WSLP2512 wynosi 275ppm/°C przy 1mΩ, podczas gdy dla WSLF2512 wynosi 170ppm/°C przy 1mΩ. WSLF ma niższy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR), ponieważ miedziany zacisk ma mniejszy udział rezystancji dla tej samej wartości rezystancji.

Zacisk Kelvina kontra 2 zaciski

Konstrukcja Kelvina (4 zaciski) zapewnia dwie korzyści: lepszą powtarzalność pomiaru prądu i lepszy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR). Konstrukcja z nacięciem zmniejsza ilość miedzi w obwodzie z pomiaru. Tabela 2 ilustruje korzyści płynące z zacisku Kelvina w komponentach WSK2512 w porównaniu z 2 zaciskami komponentu WSLP2512.

Tabela 2: porównanie komponentu WSK2512 z zaciskiem Kelvina z komponentem 2-zaciskowym WSLP2512. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Pojawiają się dwa kluczowe pytania (przykład na ilustracji 6 dotyczy komponentu WSL3637)

• Dlaczego nie zrobić nacięcia aż do stopu oporowego, aby uzyskać najlepszy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)?

  Zrodziłoby to nowy problem, ponieważ miedź pozwala na połączenie o niskiej rezystywności z obszarem przepływu prądu, który ma być mierzony. Nacięcie aż do stopu oporowego spowodowałoby, że pomiar odbywałby się przez część stopu oporowego, w której nie ma przepływu prądu. Spowodowałoby to wzrost mierzonego napięcia. Mamy tutaj kompromis pomiędzy efektami współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) w odniesieniu do miedzi a dokładnością i powtarzalnością pomiaru

• Czy można użyć 4-końcówkowej wkładki, aby uzyskać te same wyniki?

Nie. Chociaż 4-zaciskowa konstrukcja wkładki zapewnia lepszą powtarzalność pomiaru, nie eliminuje wpływu miedzi z obwodu pomiarowego. Rezystor będzie nadal działał z tym samym znamionowym współczynnikiem temperaturowym rezystancji (TCR)

Ilustracja 6: konstrukcja z nacięciem (pokazano tutaj rezystor WSL3637 firmy Vishay Dale) zmniejsza ilość miedzi w obwodzie pomiaru prądu. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Podwyższona konstrukcja

Części zacisków Kelvina nie ograniczają się do płaskiej konstrukcji. Komponenty WSK1216 i WSLP2726 są przykładami rezystorów, w których zastosowano podwyższoną konstrukcję. Celem jest zaoszczędzenie miejsca na płytce, przy jednoczesnej maksymalizacji części rezystancji, którą zapewnia stop oporowy o niskim współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR). Kombinacja maksymalizacji elementu rezystancyjnego i zakończenia Kelvina pozwala uzyskać rezystor o niskim współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR) przy bardzo niskich wartościach rezystancji (zaledwie 0,0002Ω), małej powierzchni i wysokiej mocy znamionowej.

Konstrukcja platerowana a spawana

Zaciski skonstruowane przez nałożenie cienkiej warstwy miedzi na element rezystancyjny również wpłyną na współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) i powtarzalność pomiaru. Cienką warstwę miedzi można uzyskać poprzez konstrukcję platerowaną lub galwanizację. Platerowaną konstrukcję uzyskuje się poprzez walcowanie razem arkuszy miedzi i stopu oporowego pod ekstremalnym ciśnieniem w celu utworzenia jednolitego połączenia mechanicznego między tymi dwoma materiałami. W obu metodach konstrukcyjnych grubość warstwy miedzi wynosi zwykle kilka tysięcznych cala, co minimalizuje wpływ miedzi i zapewnia lepszy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR). Kompromis polega na tym, że wartość rezystora zmieni się nieznacznie po zamontowaniu na płytce, ponieważ cienka warstwa miedzi nie pozwala na równomierny rozkład przepływu prądu przez stop o wysokiej rezystancji. W niektórych przypadkach zmiana rezystancji po zamontowaniu na płytce może być znacznie większa niż wpływ współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) pomiędzy porównywanymi typami rezystorów. Więcej informacji na temat konstrukcji platerowanych można znaleźć pod adresem https://www.vishay.com/doc?30333.

Kolejny czynnik konstrukcyjny może odgrywać niewielką rolę w charakterystyce współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) rezystora, ponieważ właściwości miedzi i stopu oporowego mogą się kompensować, zapewniając bardzo niską charakterystykę współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR). Aby zrozumieć pełną charakterystykę działania, konieczne mogą być szczegółowe badania współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) dla konkretnego rezystora.

Współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) w zastosowaniach (otoczenie i przyłożona moc)

Chociaż współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) zwykle rozpatruje się pod kątem tego, jak rezystor zmienia się w zależności od warunków środowiskowych lub otoczenia, należy wziąć pod uwagę inny wymiar - wzrost temperatury spowodowany przepływającą mocą. W wyniku przepływającej mocy rezystor nagrzewa się ze względu na zamianę energii elektrycznej na cieplną. Ten wzrost temperatury spowodowany przepływającą mocą jest również składnikiem związanym ze współczynnikiem temperaturowym rezystancji (TCR), czasami określanym jako współczynnik mocy rezystancji (PCR).

Współczynnik mocy rezystancji (PCR) stanowi kolejny aspekt zależny od konstrukcji, która opiera się na przewodzeniu ciepła przez element lub na wewnętrznym oporze cieplnym, R_thi. Rezystor, który ma bardzo niską rezystancję termiczną na płytce o wysokiej przewodności cieplnej pozwoli utrzymać niższą temperaturę rezystora. Przykładem może być rezystor WSHP2818, w którym duży miedziany zacisk i wewnętrzna konstrukcja zapewniają bardzo wydajną termicznie konstrukcję, co oznacza, że temperatura nie wzrośnie znacząco w stosunku do przyłożonej mocy.

Nie wszystkie arkusze danych są tworzone jednakowo

Porównywanie specyfikacji wielu producentów może być trudne, ponieważ istnieje wiele sposobów prezentowania współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR). Niektórzy producenci wymieniają współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) elementu, który jest tylko częścią ogólnej charakterystyki produktu, ponieważ wpływ zakończeń jest ignorowany. Najważniejszym parametrem jest współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) komponentu, który uwzględnia wpływ zakończeń, czyli to jak rezystor będzie działał w konkretnym zastosowaniu.

W innych przypadkach charakterystyka współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) będzie prezentowana dla ograniczonego zakresu temperatur, np. od 20°C do 60°C, podczas gdy inne mogą przedstawiać te charakterystykę w szerszym zakresie roboczym, np. -55°C do +155°C. Kiedy porówna się takie rezystory, rezystor z parametrami określonymi dla ograniczonego zakresu temperatur będzie się wykazywał lepszymi parametrami niż rezystor z szerszym zakresem. Współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) jest zwykle nieliniowy i gorszy w zakresie temperatur ujemnych. Dostępne mogą być szczegółowe krzywe współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) specyficzne dla określonej konstrukcji rezystora i wartości rezystancji, ułatwiające projektowanie. Skontaktuj się z firmą DigiKey lub Vishay Dale pod adresem www2bresistors@Vishay.com.

Wykresy na ilustracji 7, ukazują nieliniową charakterystykę współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) i ilustrują, jak dużą różnicę może wykazywać ten sam rezystor w innym zakresie temperatur.

Ilustracja 7: przykład nieliniowej charakterystyki współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) i prezentacja różnicy charakterystyk rezystora w różnych zakresach temperatur. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Jeśli w arkuszu danych podano współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) dla zakresu wartości rezystancji, mogą być dostępne lepsze parametry. Najniższa wartość rezystancji w danym zakresie wyznacza granicę zakresu ze względu na wpływ zakończeń. Rezystor o najwyższej wartości rezystancji w tym samym zakresie może mieć współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) bliższy zeru, ponieważ większa wartość rezystancji pochodzi ze stopu oporowego o niskim współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR). W przypadku grubej warstwy jest to kombinacja zawartości srebra w warstwie oporowej i wpływu zakończenia. Inną kwestią wymagającą wyjaśnienia w odniesieniu do tego porównania wykresów jest to, że rezystory nie zawsze charakteryzują się takim kątem nachylenia, ponieważ niektóre charakterystyki mogą być bardziej płaskie, co zależy od interakcji współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) dla obu materiałów dla wartości rezystancji.

PORÓWNAWCZA LISTA KONTROLNA

Ta sekcja z założenia ma stanowić przewodnik porównawczy jednego współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) z jednego arkusza danych z innym w oparciu o szczegóły przedstawione w niniejszych uwagach dotyczących zastosowania.

1. Czy konstrukcje rezystorów są podobne?
   1. Czy zacisk ma konstrukcję platerowaną, galwanizowaną czy jest z litej miedzi?
   2. Czy w arkuszu danych podano współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) stopu oporowego czy parametr wydajności współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) komponentu (całkowity)? Nie zawsze jest to łatwe do ustalenia
2. Zakres temperatur
   1. Czy zakres temperatur dla określonego współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) jest taki sam, na przykład od 20°C do 60°C, czy szerszy?
   2. Czy podana wartość współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR) jest porównywalna dla wszystkich wartości rezystancji?
3. Czy zastosowanie w projekcie zacisku Kelvina przyniosłoby korzyść i pozwoliło osiągnąć lepszy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR)?
4. Czy potrzebujesz bardziej szczegółowych danych do swoich projektów? www2bresistors@Vishay.com

Literatura:

(1) Źródło: Zandman, Simon, & Szwarc Resistor theory and technology 2002 str. 23-24

Dodatkowe zasoby

1. Omówienie: Rezystory do pomiaru prądu Power Metal Strip® przeznaczone do montażu powierzchniowego