Coeficientul de temperatură al rezistenței pentru detectarea curentului

În articol vor fi discutate următoarele subiecte.

1. Ce este TCR?
2. Cum se determină TCR?
3. Cum este performanța TCR afectată de construcție?
4. TCR în aplicații
5. Cum se compară fișele tehnice

Cauză și efect

Rezistența este rezultatul unei combinații de factori care fac ca mișcarea unui electron să se abată de la o traiectorie ideală în cadrul unei rețele cristaline a unui metal sau aliaj metalic. Atunci când un electron întâlnește defecte sau imperfecțiuni în rețea, poate apărea difuzia. Acest lucru mărește calea parcursă, ceea ce duce la o rezistență sporită. Aceste defecte și imperfecțiuni pot fi cauzate de:

• Mișcare în rețeaua cristalină datorită energiei termice
• Diferiți atomi prezenți în rețea, cum ar fi impuritățile
• Absența parțială sau totală a unei rețele cristaline (structură amorfă)
• Zone dezordonate la limitele de granulație
• Defecte cristaline și interstițiale în rețea

Coeficientul de temperatură al rezistenței (TCR), denumit uneori coeficientul de temperatură rezistiv (RTC), este o caracteristică a componentei de energie termică pentru imperfecțiunile de mai sus. Efectul acestei modificări a rezistenței este reversibil odată cu revenirea temperaturii la valoarea de referință, presupunând că structura granulară nu a fost modificată de temperaturile ridicate rezultate în urma unui eveniment de impuls/suprasacină extremă. Pentru produsele Power Metal Strip® și Power Metal Plate™, aceasta ar fi o temperatură care ar face ca aliajul de rezistență să depășească 350 °C.

Această modificare a rezistenței datorată temperaturii se măsoară în ppm/°C, care variază foarte mult între diferite materiale. De exemplu, aliajul mangan-cupru are un TCR de < 20 ppm/°C (între 20 °C și 60 °C), în timp ce cuprul utilizat în terminații are un TCR de aproximativ 3900 ppm/°C. Un alt mod de reprezentare a măsurii ppm/°C care poate fi mai ușor de înțeles implică mențiunea că 3900 ppm/°C este egal cu 0,39 %/°C. Acestea pot părea numere mici până când se ia în considerare modificarea rezistenței datorată unei creșteri de temperatură de 100 °C. În cazul cuprului, acest lucru ar determina o modificare de 39% a rezistenței.

O metodă alternativă de vizualizare a efectului TCR este de a-l percepe în termeni de rată de expansiune a unui material în funcție de temperatură (Figura 1). Se consideră două bare diferite, A și B, care au fiecare 100 m lungime. Bara A își modifică lungimea cu o rată de +500 ppm/°C, iar bara B își modifică lungimea cu o rată de +20 ppm/°C. O modificare a temperaturii de 145 °C va determina creșterea lungimii barei A cu 7,25 m, în timp ce lungimea barei B va crește doar cu 0,29 m. Mai jos puteți vedea o reprezentare la scară (1/20) care demonstrează vizual diferența. Bara A prezintă o schimbare foarte vizibilă a lungimii, în timp ce bara B nu are nicio schimbare vizibilă a lungimii.

Figura 1: o metodă de vizualizare a efectului TCR este de a o privi în termeni de rată de expansiune a unui material odată cu creșterea temperaturii. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Acest lucru se aplică și în cazul unui rezistor, în sensul că un TCR mai mic va avea ca rezultat o măsurare mai stabilă în funcție de temperatură, care poate fi cauzată de puterea aplicată (ce determină creșterea temperaturii elementului de rezistență) sau de mediul ambiant.

Cum se măsoară TCR

Performanța TCR conform metodei 304 MIL-STD-202 este modificarea rezistenței în funcție de o temperatură de referință de 25 °C. Temperatura se modifică, iar dispozitivul supus testării este lăsat să ajungă la echilibru înainte de a se măsura valoarea rezistenței. Diferența este utilizată pentru a determina TCR. Pentru modelul Power Metal Strip WSL, TCR este măsurat la o temperatură scăzută de -65 °C, iar apoi la +170 °C. Ecuația este prezentată mai jos. În mod obișnuit, o creștere a rezistenței odată cu creșterea temperaturii are ca rezultat un TCR pozitiv. De asemenea, rețineți că autoîncălzirea determină o modificare a rezistenței datorită TCR.

Coeficientul de rezistență - temperatură (%):

Coeficientul de rezistență - temperatură (ppm):

Unde:

R1 = rezistența la temperatura de referință

R2 = rezistența la temperatura de funcționare

t1 = temperatura de referință (25 °C)

t2 = temperatura de funcționare

Temperatura de funcționare (t2) depinde adesea de aplicație. De exemplu, intervalul de temperatură pentru instrumentație este, de obicei, cuprins între 0 °C și 60 °C, iar intervalul tipic pentru aplicațiile militare este de la -55 °C la 125 °C. Seria Power Metal Strip WSL oferă TCR pentru intervalul său de funcționare de la -65 °C la +170 °C, în timp ce seria WSLT are un interval de temperatură extins până la 275 °C.

Tabelul 1 de mai jos prezintă TCR pentru unele materiale de rezistență utilizate în gama de produse asociate cu acest articol.

Tabelul 1: TCR-uri pentru diverse materiale ale elementelor rezistoarelor în ppm/°C. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Figura 2 compară diferite niveluri TCR ca variație procentuală a rezistenței în funcție de creșterea temperaturii de la 25 °C.

Figura 2: o comparație a diferitelor niveluri TCR ca variație procentuală a rezistenței în funcție de temperatură. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Următoarea ecuație calculează modificarea maximă a valorii rezistenței pentru un anumit TCR.

Unde:

R = rezistența finală

R0 = rezistența inițială

α = TCR

T = temperatura finală

T0 = temperatura inițială

Vishay oferă un calculator TCR online la https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Cum este TCR afectat de construcție

Seriile Power Metal Strip și Power Metal Plate oferă performanțe TCR superioare în comparație cu rezistoarele tradiționale de detectare a curentului cu peliculă groasă, complet din metal. Un rezistor de detectare a curentului cu peliculă groasă utilizează un material care este în principal argint, cu terminale din argint și cupru. Argintul și cuprul au valori de performanță TCR la fel de mari.

Figura 3: comparație între rezistoarele Vishay Power Metal Strip și rezistoarele tipice cu bandă metalică și peliculă groasă. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Seria de rezistoare Power Metal Strip utilizează un terminal de cupru solid (elementul 2 din Figura 4) care este sudat cu fascicul de electroni pe un aliaj de rezistență cu TCR scăzut (elementul 1), obținând valori scăzute de până la 0,1 mΩ cu TCR scăzut. Cu toate acestea, terminalul de cupru are un TCR ridicat (3900 ppm/°C) în comparație cu aliajul de rezistență (< 20 ppm/°C), care joacă totuși un rol în performanța generală a TCR, deoarece sunt necesare valori mai mici ale rezistenței.

Figura 4: construcția tipică a unui rezistor Vishay Power Metal Strip. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Terminalul de cupru asigură o conexiune cu rezistență scăzută la aliajul de rezistență, ceea ce permite distribuirea uniformă a fluxului de curent către elementul de rezistență pentru o măsurare mai precisă a curentului pentru aplicații de curent ridicat. Cu toate acestea, terminalul de cupru are un TCR ridicat (3900 ppm/°C) în comparație cu aliajul de rezistență (< 20 ppm/°C), ceea ce are un impact semnificativ asupra performanței TCR globale la valori foarte mici ale rezistenței. Acest lucru este ilustrat în Figura 5, care demonstrează modul în care rezistența totală este influențată de combinația dintre terminalul de cupru și aliajul de rezistență TCR scăzută. Pentru cele mai mici valori de rezistență ale unei construcții specifice de rezistor, cuprul devine mai semnificativ în ceea ce privește evaluarea și performanța TCR.

Figura 5: pentru valori mai mici ale rezistenței unei anumite construcții de rezistor, cuprul devine mai semnificativ în ceea ce privește evaluarea și performanța TCR. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Această influență poate apărea la diferite intervale de valori ale rezistenței pentru diferite părți. De exemplu, evaluarea TCR a WSLP2512 este de 275 ppm/°C la 1 mΩ, în timp ce pentru WSLF2512 este de 170 ppm/°C la 1 mΩ. WSLF are un TCR mai mic, deoarece terminalul de cupru are o contribuție de rezistență mai mică la aceeași valoare a rezistenței.

Terminal Kelvin vs. 2 terminale

Construcția Kelvin (4 terminale) oferă două avantaje: o repetabilitate îmbunătățită a măsurătorilor de curent și o performanță îmbunătățită a TCR. Construcția zimțată reduce cantitatea de cupru în circuit din măsurare. Tabelul 2 ilustrează avantajele unui WSK2512 cu terminație Kelvin în comparație cu WSLP2512 cu 2 terminale.

Tabelul 2: comparație între WSK2512 cu terminație Kelvin și WSLP2512 cu 2 terminale. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Există două întrebări cheie (exemplul din Figura 6 este WSL3637)

• De ce să nu zimțați până la aliajul de rezistență pentru cel mai bun TCR?

  Acest lucru ar introduce o nouă problemă, deoarece cuprul permite o conexiune cu rezistivitate scăzută la regiunea în care trebuie măsurat fluxul de curent. Zimțarea până la aliajul de rezistență ar face ca măsurarea să fie aplicată printr-o porțiune a aliajului de rezistență unde nu există flux de curent. Acest lucru ar avea ca rezultat o tensiune măsurată mai mare. Este un compromis între efectele TCR ale cuprului și precizia și repetabilitatea măsurătorilor

• Pot folosi un design de plăcuță cu 4 terminale pentru a obține aceleași rezultate?

Nu. În timp ce designul cu 4 terminale oferă o repetabilitate mai bună a măsurătorilor, acesta nu elimină efectele cuprului din circuitul de măsurare. Rezistorul va funcționa în continuare la aceeași valoare nominală TCR

Figura 6: construcția zimțată (aici este prezentat WSL3637 de la Vishay Dale) reduce cantitatea de cupru în circuit din măsurarea de detectare a curentului. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Construcție înălțată

Piesele terminale Kelvin nu se limitează la o construcție de tip planar (sau plat). WSK1216 și WSLP2726 sunt exemple de rezistoare care utilizează o construcție înălțată. Scopul este de a economisi spațiu pe placă, maximizând în același timp porțiunea de rezistență la care contribuie aliajul cu rezistență TCR scăzută. Combinația dintre maximizarea elementului de rezistență și terminația Kelvin oferă un rezistor cu TCR scăzut la valori foarte mici ale rezistenței (până la 0,0002 Ω), o amprentă mică și o putere nominală ridicată.

Construcție placată vs. sudată

Terminalele construite prin aplicarea unui strat subțire de cupru pe elementul rezistiv vor afecta, de asemenea, TCR și repetabilitatea măsurătorilor. Stratul subțire de cupru poate fi obținut printr-o construcție placată sau prin galvanizare. O construcție placată se realizează prin laminarea împreună a foilor de cupru și a aliajelor de rezistență sub presiune extremă pentru a crea o legătură mecanică uniformă între cele două materiale. În ambele metode de construcție, grosimea stratului de cupru este, de obicei, de câteva miimi de inch, ceea ce minimizează efectul cuprului și asigură un TCR îmbunătățit. Compromisul este că rezistorul va avea o valoare ușor schimbată atunci când este montat pe placă, deoarece stratul subțire de cupru nu permite o distribuție uniformă a curentului prin aliajul de înaltă rezistență. În unele cazuri, devierea rezistenței montate pe placă poate fi mult mai mare decât efectele TCR între tipurile de rezistențe comparate. Pentru mai multe informații privind construcțiile placate, consultați https://www.vishay.com/doc?30333.

Un alt factor de construcție poate avea un rol mic în caracteristica TCR a unui rezistor, în sensul că proprietățile aliajului de cupru și ale aliajului de rezistență se pot compensa, oferind o caracteristică TCR foarte scăzută. Este posibil să fie necesară o testare detaliată a TCR pentru un anumit rezistor pentru a înțelege întreaga caracteristică de performanță.

TCR într-o aplicație (putere ambiantă și aplicată)

În timp ce TCR este considerat în mod obișnuit prin prisma modului în care rezistorul se modifică în funcție de condițiile de mediu sau de mediu ambiant, există o altă dimensiune care trebuie luată în considerare; creșterea temperaturii datorată puterii aplicate. Atunci când se aplică energie electrică, rezistorul se încălzește datorită conversiei energiei electrice în energie termică. Această creștere a temperaturii datorată energiei aplicate este, de asemenea, o componentă legată de TCR, denumită uneori coeficient de rezistență de putere (PCR).

PCR introduce un alt strat determinat de construcție, care se bazează pe conducția termică prin piesă sau pe rezistența termică internă, R_thi. Un rezistor care are o rezistență termică foarte scăzută pe o placă de conductivitate termică ridicată va menține o temperatură mai scăzută a rezistorului. Un exemplu în acest sens ar fi WSHP2818, unde terminalul mare de cupru și construcția internă oferă o construcție foarte eficientă din punct de vedere termic, ceea ce înseamnă că temperatura nu va crește semnificativ în comparație cu energia aplicată.

Nu toate fișele de date sunt create în mod egal

Compararea specificațiilor de la mai mulți producători poate fi dificilă, deoarece există mai multe moduri de a prezenta TCR. Unii producători vor enumera elementul TCR, care reprezintă doar o parte din performanța generală a produsului, în timp ce efectele asupra terminațiilor sunt ignorate. Cel mai important parametru este componenta TCR, care include efectele asupra terminațiilor, adică modul în care rezistorul va funcționa în aplicație.

În alte cazuri, caracteristica TCR va fi prezentată pentru o gamă limitată de temperaturi, de exemplu, de la 20 °C la 60 °C, în timp ce o alta poate prezenta caracteristicile TCR pe o gamă de funcționare mai largă, de exemplu, de la -55 °C la +155 °C. Atunci când se compară aceste rezistoare, rezistorul care este specificat pentru o gamă limitată de temperaturi va prezenta performanțe mai bune decât rezistorul specificat pentru o gamă mai largă. De obicei, performanța TCR este neliniară și se înrăutățește în intervalul negativ de temperatură. Pentru a vă ajuta în ceea ce privește proiectarea, vă putem pune la dispoziție curbe TCR detaliate specifice construcției rezistorului și valorii rezistenței. Contactați DigiKey sau Vishay Dale la www2bresistors@Vishay.com.

Consultați graficele din Figura 7 care arată caracteristica TCR neliniară și câtă diferență poate prezenta același rezistor într-un interval de temperatură diferit.

Figura 7: un exemplu de caracteristică TCR neliniară și cât de mult poate diferi același rezistor într-un interval de temperatură diferit. (Sursa imaginii: Vishay Dale)

Dacă o fișă tehnică prezintă TCR pentru o gamă de valori de rezistență, este posibil să fie disponibile performanțe mai bune. Cea mai mică valoare a rezistenței din interval va stabili limita intervalului din cauza efectelor asupra terminațiilor. Un rezistor cu cea mai mare valoare de rezistență din aceeași gamă poate avea un TCR mai aproape de zero, deoarece o parte mai mare din valoarea rezistenței este derivată din aliajul de rezistență cu TCR scăzut. În cazul peliculei groase, este o combinație între conținutul de argint din pelicula rezistivă și efectul asupra terminațiilor. Un alt aspect care trebuie clarificat cu privire la această comparație a diagramelor este faptul că rezistoarele nu au întotdeauna această magnitudine a pantei, deoarece unele pot fi mai plate, ceea ce depinde de interacțiunile TCR pentru ambele materiale pentru valoarea rezistenței.

LISTA DE VERIFICARE A COMPARAȚIEI

Scopul acestei secțiuni este de a oferi un ghid pentru compararea valorilor TCR dintr-o fișă tehnică cu alta pe baza detaliilor oferite în această notă de aplicații.

1. Sunt construcțiile rezistoarelor similare?
   1. Construcția implică un terminal placat, un terminal galvanizat sau un terminal de cupru solid?
   2. Fișa tehnică enumeră parametrul de performanță TCR al aliajului de rezistență sau un parametru de performanță TCR al componentei (total)? Acest lucru nu este întotdeauna ușor de determinat
2. Intervalul de temperatură
   1. Intervalul de temperatură pentru TCR specificat este același, cum ar fi de la 20 °C la 60 °C sau mai mare?
   2. Este valoarea TCR prezentată comparabilă pentru toate valorile rezistenței?
3. Ar beneficia proiectul de o terminație Kelvin pentru îmbunătățirea performanței TCR?
4. Aveți nevoie de date mai specifice pentru cerințele dvs. de proiectare? www2bresistors@Vishay.com

Referință:

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

Resurse suplimentare

1. Prezentare generală: Rezistoare de detectare a curentului Power Metal Strip® cu montare pe suprafață