Temperaturkoefficient för resistans för strömavkänning

Följande ämnen kommer att diskuteras i artikeln.

1. Vad är TCR?
2. Hur bestäms TCR?
3. Hur påverkar konstruktionen TCR:s prestanda?
4. TCR i tillämpningar
5. Hur man jämför datablad

Orsak och verkan

Resistans är resultatet av en kombination av faktorer som gör att en elektrons rörelse avviker från en idealisk väg genom ett kristallint gitter i en metall eller metallegering. När en elektron stöter på defekter eller brister i gittret kan det orsaka diffusion. Detta ökar färdvägens längd, vilket resulterar i en ökad resistans. Dessa fel och brister kan bero på:

• Rörelse i gittret på grund av värmeenergi
• Olika atomer som finns i gittret, t.ex. föroreningar
• Partiell eller fullständig avsaknad av ett gitter (amorfisk struktur)
• Oorganiserade områden vid korngränserna
• Kristallina och interstitiella defekter i gittret

Temperaturkoefficienten för resistans (TCR), kallas ibland för resistansens temperaturkoefficient (RTC), och är en egenskap för den termiska energikomponenten i de ovanstående bristerna. Effekten av denna resistansförändring är reversibel när temperaturen återgår till referenstemperaturen, förutsatt att kornstrukturen inte förändrades av höga temperaturer till följd av en extrem puls/överbelastning. För produkterna Power Metal Strip® och Power Metal Plate™ är detta en temperatur som får motståndslegeringen att överstiga 350 °C.

Denna temperaturrelaterade resistansförändring mäts i ppm/°C, och varierar kraftigt mellan olika material. Till exempel har en mangan-kopparlegering en TCR på < 20 ppm/°C (för 20 °C till 60 °C), medan koppar som används i anslutningar har en TCR på cirka 3900 ppm/°C. Ett annat sätt att representera ppm/°C som kan vara lättare att överväga är att 3900 ppm/°C är detsamma som 0,39 %/°C. Detta kan tyckas vara små siffror tills du tänker på ändringen i resistans på grund av en temperaturökning på 100 °C. För koppar skulle detta leda till en resistansförändring på 39 %.

En alternativ metod för att visualisera effekten av TCR är att betrakta den i termer av ett materials expansionshastighet med temperaturen (figur 1). Vi betraktar två olika stänger, A och B, som vardera är 100 meter långa. Stav A ändrar längd med en hastighet av +500 ppm/°C och stav B ändrar längd med en hastighet av +20 ppm/°C. En temperaturförändring på 145 °C gör att längden på stång A ökar med 7,25 m, medan längden på stång B bara ökar med 0,29 m. Nedan visas en skalenlig (1/20) representation för att visa skillnaden visuellt. Stång A har en mycket märkbar längdförändring, medan stång B inte har någon märkbar längdförändring.

En alternativ metod för att visualisera effekten av TCR är att betrakta den i termer av ett materials expansionsgrad vid temperaturökning. (Bildkälla: Vishay Dale)

Detta gäller även för ett motstånd, eftersom en lägre TCR ger en stabilare mätning i olika temperaturer, vilket kan orsakas av tillförd effekt (vilket gör att motståndselementets temperatur ökar) eller den omgivande miljön.

Hur TCR mäts

TCR-prestanda enligt MIL-STD-202 metod 304 är resistansförändring baserat på en referenstemperatur på 25 °C. Temperaturen ändras och den testade anordningen får stabilisera sig innan motståndsvärdet mäts. Skillnaden används för att bestämma TCR. För Power Metal Strip WSL-modellen mäts TCR vid den låga temperaturen -65 °C och sedan vid +170 °C. Ekvationen följer nedan. I normalfallet ger en ökning av motståndet med ökad temperatur en positiv TCR. Lägg även märke till att självuppvärmningen orsakar en resistansförändring på grund av TCR.

Resistans - temperaturkoefficient (%):

Resistans - temperaturkoefficient (ppm):

Där:

R1 = resistans vid referenstemperatur

R2 = resistans vid driftstemperatur

t1 = referenstemperatur (25 °C)

t2 = driftstemperatur

Driftstemperaturen (t2) baseras ofta på tillämpningen. Temperaturområdet för instrumentering är exempelvis, 0 °C till 60 °C, och -55 °C till 125 °C för det typiska området för militära tillämpningar. Power Metal Strip WSL-serien ger TCR för sitt driftsområde från -65 °C till +170 °C, medan WSLT-serien har ett utökat temperaturområde till 275 °C.

I tabell 1 nedan anges TCR för några motståndsmaterial som används i de produkter som ingår i denna artikel.

Tabell 1: Olika motståndsmaterials TCR i ppm/°C. (Bildkälla: Vishay Dale)

I figur 2 jämförs olika TCR-nivåer som en procentuell förändring av motståndet i förhållande till ökande temperatur från 25 °C.

Diagram över jämförelsen av olika TCR-nivåer som procentuell förändring av motståndet över temperaturen. (Bildkälla: Vishay Dale)

Följande ekvation beräknar den maximala ändringen av motståndsvärdet för en given TCR.

Där:

R = slutresistans

R0 = initial resistans

α = TCR

T = sluttemperatur

T0 = initial temperatur

Vishay har en online-kalkylator för TCR på https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Hur konstruktion påverkar TCR

Serierna Power Metal Strip och Power Metal Plate har en överlägsen TCR-prestanda jämfört med traditionella strömavkänningsmotstånd av tjockfilm som är helt av metall. Ett tjockfilmsmotstånd för strömavkänning använder ett material som huvudsakligen består av silver, med anslutningar av silver och koppar. Silver och koppar har lika stora TCR-prestandavärden.

Figur 3: en jämförelse mellan motstånden Power Metal Strip från Vishay och typiska metallbands- och tjockfilmsmotstånd. (Bildkälla: Vishay Dale)

Motståndsserien Power Metal Strip använder en solid kopparanslutning (punkt 2 i figur 4) som svetsas med en elektronstråle mot en låg TCR-motståndslegering (punkt 1), vilket ger låga värden ner till 0,1 mΩ med låg TCR. Kopparanslutningen har dock en hög TCR (3900 ppm/°C) jämfört med motståndslegeringen (< 20 ppm/°C), vilket fortfarande spelar en roll för den totala TCR-prestandan eftersom lägre motståndsvärden krävs.

Figur 4: en typisk konstruktion av ett Power Metal Strip-motstånd från Vishay. (Bildkälla: Vishay Dale)

Kopparanslutningen ger en anslutning med låg resistans till motståndslegeringen, vilket möjliggör en jämn fördelning av strömflödet till motståndselementet för en mer exakt strömmätning vid tillämpningar med höga strömmar. Kopparanslutningen har dock en hög TCR (3900 ppm/°C) jämfört med motståndslegeringen (< 20 ppm/°C), vilket fortfarande har en betydande inverkan på den totala TCR-prestandan eftersom lägre motståndsvärden krävs. Detta visas i figur 5 som visar hur det totala motståndet påverkas av kombinationen av kopparanslutningen och legeringen med låg TCR-resistens. För lägre motståndsvärden i en viss motståndskonstruktion får kopparen större betydelse för TCR-värdet och prestanda.

För lägre motståndsvärden i en viss motståndskonstruktion får kopparen större betydelse för TCR-värdet och prestanda. (Bildkälla: Vishay Dale)

Denna påverkan kan uppstå vid olika motståndsvärden för olika delar. Till exempel är TCR-värdet för WSLP2512 275 ppm/°C vid 1 mΩ, medan WSLF2512 är 170 ppm/°C vid 1 mΩ. WSLF har en lägre TCR eftersom kopparanslutningen bidrar med en lägre resistans för samma resistansvärde.

Kelvin-anslutning vs. två anslutningar

Kelvin-konstruktionen (fyra anslutningar) har två fördelar: förbättrad repeterbarhet för strömmen och förbättrad TCR-prestanda. Den skårade konstruktionen minskar mängden koppar i kretsen från mätningen. Tabell 2 visar fördelarna med en Kelvin-ansluten WSK2512 jämfört med WSLP2512, med två anslutningar.

Tabell 2: Jämförelse med en Kelvin-ansluten WSK2512 jämfört med WSLP2512, med två anslutningar. (Bildkälla: Vishay Dale)

Det finns två viktiga frågor (exemplet i figur 6 gäller WSL3637)

• Varför inte ha en skåra hela vägen till motståndslegeringen för bästa TCR?

  Detta skulle innebära ett nytt problem, eftersom kopparen möjliggör en anslutning med låg resistivitet till det område där strömflödet ska mätas. Att göra en skåra hela vägen till motståndslegeringen skulle leda till att mätningen utförs genom en del av motståndslegeringen där det inte finns något strömflöde. Detta skulle resultera i en ökad uppmätt spänning. Det är en kompromiss mellan kopparens TCR-effekter, mätnoggrannhet och repeterbarhet

• Kan jag använda en konstruktion med fyra anslutningar för att få samma resultat?

Nej. Även om konstruktionen med fyra anslutningar ger en bättre repeterbarhet vid mätning, tar den inte bort kopparens effekter från mätkretsen. Motståndet kommer fortfarande att agera enligt samma nominella TCR-värde

Figur 6: Konstruktionen med en skåra (WSL3637 från Vishay Dale visas här) minskar mängden koppar i kretsen från den strömavkännande mätningen. (Bildkälla: Vishay Dale)

Förhöjd konstruktion

Delar för Kelvin-anslutning är inte begränsade till en plan (eller platt) konstruktion. WSK1216 och WSLP2726 är exempel på motstånd som har en förhöjd konstruktion. Syftet är att spara plats på kretskortet och samtidigt maximera den del av resistansen som legeringen med låg TCR bidrar med. Kombinationen av maximering av motståndselementet och Kelvin-anslutning ger ett motstånd med låg TCR vid mycket låga motståndsvärden (ner till 0,0002 Ω), ett litet format och en hög effektklass.

Pläterad konstruktion jämfört med en svetsad

Anslutningar som konstruerats genom att applicera ett tunt kopparskikt på det resistiva elementet kommer också att påverka TCR och mätningens repeterbarhet. Det tunna kopparskiktet går att åstadkomma genom en pläterad konstruktion eller genom elektroplätering. En pläterad konstruktion uppnås genom att man rullar ihop plåtar av koppar och motståndslegering under extremt tryck för att skapa en enhetlig mekanisk bindning mellan de två materialen. I båda konstruktionsmetoderna är kopparskiktets tjocklek vanligtvis några tusendelar av en tum, vilket minimerar effekten av koppar och ger en förbättrad TCR. Nackdelen är att motståndet kommer att variera en aning i värde när det monteras på kretskortet eftersom det tunna kopparskiktet inte tillåter en jämn fördelning av strömmen genom legeringen med hög resistans. I vissa fall kan variationen i det monterade motståndet vara mycket större än effekterna av TCR mellan de motståndstyper som jämförs. För mer information om pläterad konstruktion, se https://www.vishay.com/doc?30333.

En annan konstruktionsfaktor kan spela en liten roll för ett motstånds TCR-egenskaper, eftersom kopparegenskaperna och egenskaperna hos motståndslegeringen kan väga upp varandra och ge en mycket låg TCR-egenskap. En detaljerad TCR-testning för ett specifikt motstånd kan vara nödvändigt för att förstå prestandans alla egenskaper.

TCR i en tillämpning (omgivande och tillförd effekt)

Medan TCR vanligtvis betraktas i termer av hur motståndet förändras baserat på miljön eller omgivande förhållanden, finns det ytterligare en dimension att ta hänsyn till, nämligen temperaturhöjning på grund av tillförd effekt. När ström tillförs värms motståndet upp på grund av att elektrisk energi omvandlas till termisk energi. Denna temperaturökning på grund av tillförd effekt är också en komponent som är relaterad till TCR, som ibland kallas resistansens effektkoefficient (PCR).

PCR introducerar ytterligare ett lager som styrs av konstruktionen, som baseras på värmeledning genom delen eller inre värmemotstånd, R_thi. Ett motstånd som har ett mycket lågt värmemotstånd på ett kort med hög värmeledningsförmåga kommer att hålla en lägre motståndstemperatur. Ett exempel på detta är WSHP2818, där den stora kopparanslutningen och den interna konstruktionen ger en konstruktion som är mycket termiskt effektiv och innebär att temperaturen inte kommer att stiga avsevärt jämfört med den tillförda effekten.

Alla datablad är inte likadana

Det kan vara svårt att jämföra specifikationer från flera tillverkare, eftersom det finns många olika sätt att presentera TCR. Vissa tillverkare anger TCR-värdet, som bara är en del av produktens totala prestanda eftersom man inte tar hänsyn till anslutningseffekterna. Den viktigaste parametern är komponentens TCR som inkluderar anslutningseffekter, vilket talar om hur motståndet kommer att fungera i tillämpningen.

I andra fall presenteras TCR-egenskaperna för ett begränsat temperaturområde, t.ex. 20 °C till 60 °C, medan andra kan presentera TCR-egenskaperna för ett större driftsområde, t.ex. -55 °C till +155 °C. När dessa motstånd jämförs kommer det motstånd som är specificerat för ett begränsat temperaturområde att ge bättre prestanda än det motstånd som är specificerat för ett större område. TCR-prestanda är vanligtvis icke-linjär och sämre i det negativa temperaturområdet. Detaljerade TCR-kurvor som är specifika för motståndets konstruktion och motståndsvärde kan finnas tillgängliga för att stödja din konstruktion. Kontakta DigiKey eller Vishay Dale på www2bresistors@Vishay.com.

Se diagrammen i figur 7 som visar den icke-linjära TCR-karakteristiken och hur stor skillnad samma motstånd kan ge i olika temperaturområden.

Figur 7: Ett exempel på icke-linjär TCR-karakteristik och hur stor skillnad samma motstånd kan ge i olika temperaturområden. (Bildkälla: Vishay Dale)

Om ett datablad anger TCR för ett antal olika motståndsvärden kan det finnas bättre prestanda tillgänglig. Det lägsta motståndsvärdet i området kommer att fastställa gränsen för området på grund av anslutningseffekter. Ett motstånd med det högsta motståndsvärdet inom samma område kan ha en TCR som ligger närmare noll eftersom en större del av motståndsvärdet härrör från en legering med låg TCR. För tjockfilm är det en kombination av silverinnehållet i den resistiva filmen och anslutningseffekten. En annan sak som bör klargöras när det gäller jämförelsen av diagram är att motstånd inte alltid har samma lutning, eftersom vissa kan vara flackare, vilket beror på interaktionen mellan de båda materialens TCR för motståndsvärdet.

CHECKLISTA FÖR JÄMFÖRELSER

Syftet med det här avsnittet är att erbjuda en vägledning för att jämföra TCR i ett datablad med ett annat datablad, baserat på de uppgifter som erbjuds i den här tillämpningsnoteringen.

1. Är motståndens konstruktion likartade?
   1. Är konstruktionen av anslutningen pläterad, elektropläterad anslutning eller en anslutning av solid koppar?
   2. Listar databladet motståndslegeringens TCR eller en komponents (totals) parameter för TCR-prestanda? Detta är inte alltid lätt att avgöra
2. Temperaturområde
   1. Är temperaturområdet för den specificerade TCR:en detsamma, t.ex. 20 °C till 60 °C eller större?
   2. Är det presenterade TCR-värdet jämförbart för alla motståndsvärden?
3. Skulle konstruktionen gynnas av en Kelvin-anslutning för att förbättra TCR-prestanda?
4. Behöver du mer specifika uppgifter för dina konstruktionsbehov? www2bresistors@Vishay.com

Referens:

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

Ytterligare resurser

1. Översikt: Power Metal Strip® ytmonterade strömavkännande motstånd