Co je TCR (Temperature Coefficient of Resistance)? Jak se určuje TCR? Jak konstrukce ovlivňuje TCR? Jak se projevuje TCR v aplikacích? Jak porovnávat datové listy jednotlivých rezistorů? V článku naleznete na tyto otázky odpovědi.

Příčina a následek

Odpor je výsledkem kombinace faktorů, které způsobují, že se pohyb elektronu odchyluje od ideální dráhy v krystalické mřížce. Jakmile elektron narazí na defekty nebo nedokonalosti uvnitř mřížky, může způsobit difúzi. Tím se zvětší dráha elektronu, která má za následek zvýšený odpor materiálu. Tyto vady a nedokonalosti mohou být způsobeny:

• Pohybem v mřížce v důsledku tepelné energie
• Jiné atomy přítomné v mřížce, například nečistoty
• Částečná nebo úplná absence mřížky (amorfní struktura)
• Neuspořádané zóny na hranicích
• Krystalické a intersticiální defekty v mřížce

Teplotní koeficient odporu (TCR), někdy také označovaný jako odporový teplotní koeficient (RTC), je charakteristický pro tepelnou energetickou složku výše uvedených nedokonalostí. Účinek této změny odporu je vratný, protože teplota se vrací na referenční teplotu, za předpokladu, že struktura materiálu nebyla změněna vysokými teplotami. U produktů Power Metal Strip a Power Metal Plate by to byla teplota přes 350°C, která by způsobila trvalé změny.

Změna odporu v důsledku teploty se mezi různými materiály velmi liší a měří se v ppm/°C. Například slitina manganu a mědi má TCR <20 ppm/°C (pro 20 °C až 60 °C), zatímco měď použitá na koncíh rezistoru je přibližně 3900 ppm/°C. Další způsob, jak reprezentovat změnu odpory na teplotě je použití procent. 3900 ppm/°C je stejné jako 0,39 %/°C. Může se to zdát jako malé číslo, dokud neuvažujete změnu odporu v důsledku zvýšení teploty o 100 °C. U mědi by to způsobilo 39 % změnu odporu. Pro lepší znázornění TCR je možné použít dva pruhy, kde je ihned vidět zvětšení odporu při zvýšené teplotě (obrázek 1).

Mějme dva pruhy, A a B, každý o délce 100 m. Pruh A mění délku rychlostí +500 ppm/°C a pruh B mění délku rychlostí +20 ppm/°C. Změna teploty o 145 °C způsobí prodloužení pruhu A o 7,25 m, zatímco pruh B se prodlouží pouze o 0,29 m. Níže je znázorněna zmenšenina (1/20) výše uvedeného příkladu. Pruh A má velmi patrnou změnu délky, zatímco pruh B ne.

Obrázek 1: Jednou z metod vizualizace TCR je podívat se na něj z hlediska rychlosti expanze materiálu v závislosti na teplotě. (Zdroj obrázku: Vishay Dale )

Jak se měří TCR

Hodnota TCR podle MIL-STD-202 Metody 304 je změna odporu při referenční teplotě 25°C a teplotě provozní. U rezistoru Power Metal Strip WSL se TCR měří při nízké teplotě -65 °C a poté se měří při +170°C. Zvýšení odporu se zvýšením teploty vede k pozitivnímu TCR. Samoohřívání způsobuje změnu odporu díky TCR.

Odpor - teplotní koeficient (%):

Odpor - teplotní koeficient (ppm):

Provozní teplota (t2) často vychází z příslušné aplikace. Například teplotní rozsah pro přístrojové vybavení je typicky 0 °C až 60 °C. Pro vojenské aplikace to je rozsah -55 °C až 125 °C. Řada Power Metal Strip WSL uvádí TCR pro provozní rozsah -65 °C až +170 °C, zatímco řada WSLT má rozšířený teplotní rozsah až do 275 °C. Tabulka 1 uvádí TCR pro některé odporové materiály používané v řadě produktů spojených s tímto článkem.

Tabulka 1: Hodnoty TCR v ppm/°C pro různé materiály. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Obrázek 2 porovnává různé hladiny TCR jako procentuální změnu odporu proti rostoucí teplotě od 25°C.

Obrázek 2: Srovnání různých hodnot TCR jako procentuální změna odporu vůči teplotě. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Následující rovnice vypočítá maximální změnu odporu pro danou hodnotu TCR.

Vishay nabízí online kalkulačku TCR na https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/ .

Jak konstrukce ovlivňuje hodnotu TCR

Řady Power Metal Strip a Power Metal Plate nabízejí vynikající vlastnosti TCR ve srovnání s tradičními celokovovými silnovrstvými snímacími rezistory. Tyto snímací rezistory využívají primárně stříbro, s vývody ze stříbra a mědi. Stříbro a měď mají podobné hodnoty TCR.

Obrázek 3: Porovnání rezistorů Vishay Power Metal Strip s typickými rezistory z kovového pásu a silné odporové vrstvy. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Série rezistorů Power Metal Strip využívá pevný měděný terminál (položka 2 na obrázku 4), který je svařen se slitinou s nízkým odporem TCR (položka 1), přičemž dosahuje nízkých hodnot až 0,1 mΩ.

Obrázek 4: Typická konstrukce rezistoru Vishay Power Metal Strip. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Měděný terminál poskytuje přípojný bod k odporové slitině s nízkým odporem, a to umožňuje rovnoměrné rozložení toku proudu k odporovému prvku pro přesnější měření proudu. Měděný terminál má však vysokou hodnotu TCR (3900 ppm/°C) ve srovnání s odporovou slitinou (<20 ppm/°C), a to má významný vliv na celkovou hodnotu TCR. Obrázek 5 ukazuje, jak je celkový odpor ovlivněn kombinací měděného terminálu a slitiny s nízkým odporem TCR.

Obrázek 5: U nižších hodnot odporu konkrétní konstrukce rezistoru se měď stává významnějším prvkem, který má vliv na hodnotu TCR. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Například hodnota TCR u WSLP2512 je 275 ppm/°C při 1 mΩ, zatímco WSLF2512 je 170 ppm/°C při 1 mΩ. WSLF má nižší TCR, protože měděný terminál má nižší příspěvek odporu pro stejnou hodnotu odporu.

Čtyři zakončení vs. dvě zakončení

Konstrukce se čtyřmi zakončeními poskytuje dvě výhody: lepší opakovatelnost měření proudu a lepší hodnotu TCR. Konstrukce se zářezem snižuje množství mědi v obvodu z měření. Tabulka 2 znázorňuje výhody WSK2512 se 4 zakončeními ve srovnání WSLP2512 se 2 zakončeními.

Tabulka 2: Porovnání WSK2512 (4 zakončení) s WSLP2512 (2 zakončení). (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Proč nesmí být zářez až do slitiny?

Zářez až na odporovou slitinu by způsobil, že měření by bylo aplikováno přes část odporové slitiny, která má vyšší odpor. Výsledkem by bylo zvýšené měřené napětí. Zářez je kompromisem mezi TCR a přesností a opakovatelností měření. Přestože konstrukce se 4 zakončeními nabízí lepší opakovatelnost měření, neodstraňuje účinky mědi z měřicího obvodu. Rezistor bude stále fungovat se stejnou jmenovitou hodnotou TCR.

Obrázek 6: Konstrukce se zářezem (zde znázorněný Vishay Dale WSL3637) snižuje množství mědi v obvodu z měření snímání proudu. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Vícevrstvá konstrukce

Konstrukce se 4 zakončeními nejsou omezeny na jednovrstvou konstrukci. WSK1216 a WSLP2726 jsou příklady rezistorů, které používají více vrstev. Účelem je ušetřit místo na desce a současně zvýšit část odporu, ke které přispívá slitina s nízkým odporem TCR. Kombinace zvýšení množství odporového prvku a čtyř zakončení má za následek nízkou hodnotu TCR při velmi nízkých hodnotách odporu (až do 0,0002 Ω), malou stopu a vysoký výkon.

Plátovaná konstrukce vs. svařovaná

Svorky konstruované nanesením tenké měděné vrstvy na odporový prvek ovlivní také TCR a opakovatelnost měření. Tenké měděné vrstvy lze dosáhnout plátovanou konstrukcí nebo galvanickým pokovením. Plátovaná konstrukce je dosažena vzájemným válcováním plechů z mědi a odporové slitiny pod extrémním tlakem, aby se vytvořilo rovnoměrné mechanické spojení mezi těmito dvěma materiály. U obou konstrukčních metod je tloušťka měděné vrstvy obvykle několik tisícin palce. To snižuje vliv mědi a dosáhne se lepší hodnoty TCR. Hodnota odporu se mírně změní při montáži rezistoru na desku, protože tenká měděná vrstva neumožňuje rovnoměrné rozložení proudu skrz slitinu s vysokým odporem. V některých případech může tento posun mít mnohem větší efekt než TCR. Další informace o opláštěné konstrukci naleznete na https://www.vishay.com/doc?30333.

Obrázek 7: Svařovaná (weld) versus plátovaná(clad) konstrukce (Zdroj obrázku: https://www.vishay.com/doc?30333)

TCR v aplikaci

Zatímco TCR je obvykle zvažována z hlediska toho, jak se odpor mění na základě podmínek prostředí, je třeba vzít v úvahu další rozměr. Nárůst teploty v důsledku aplikovaného výkonu. Rezistor se zahřívá v důsledku přeměny elektrické energie na tepelnou energii. Toto zvýšení teploty v důsledku aplikovaného výkonu je také složkou související s TCR, někdy označovanou jako výkonový koeficient odporu (PCR).

PCR zavádí další parametr, který je závislý na konstrukci čili na vnitřním tepelném odporu R_thi. Rezistor, který má na desce s vysokou tepelnou vodivostí velmi nízký tepelný odpor, bude mít nižší teplotu odporu. Příkladem toho může být WSHP2818, kde velký měděný terminál a vnitřní konstrukce poskytují velmi tepelně efektivní konstrukci, a to znamená, že teplota ve srovnání s aplikovaným výkonem výrazně nestoupne.

Ne všechny technické listy jsou vytvořeny stejně

Porovnání specifikací (technických listů) od více výrobců může být obtížné, protože existuje mnoho způsobů, jak prezentovat parametr TCR. Někteří výrobci uvedou hodnotu TCR, která reprezentuje jen část celkového TCR, jelikož typ zakončení je ignorován. Nejdůležitějším parametrem je TCR, který obsahuje efekty zakončení, a to jakým bude rezistor v aplikaci fungovat. V jiných případech je TCR prezentován pro omezený teplotní rozsah, např. 20°C až 60°C, zatímco jinde je TCR prezentován v širším provozním rozsahu, např. -55°C až +155°C. Když tyto rezistory porovnáme, tak odpor, který je specifikován pro omezený teplotní rozsah, bude mít lepší vlastnosti než rezistor specifikovaný v širším rozsahu.  Hodnota TCR je typicky nelineární a její vliv na měření je dominantní v záporných hodnotách teplotního rozsahu. Pro dokonalý návrh je nutné mít podrobné křivky TCR pro konkrétní typ konstrukce rezistoru a jeho velikost odporu. Například Vishay poskytuje detailní informace na adrese www2bresistors@Vishay.com. Grafy na obrázku 7 znázorňují nelineární charakteristiku TCR a jak velký rozdíl může představovat stejný rezistor v různém teplotním rozsahu.

Obrázek 8: Příklad nelineární charakteristiky TCR a toho, jak rozdílný může být stejný rezistor v jiném teplotním rozsahu. (Zdroj obrázku: Vishay Dale)

Více informací o problematice TCR naleznete v dokumentu: Power Metal Strip® Surface-Mount Current Sensing Resistors

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Vishay Intertechnology, Inc.