Coeficiente de temperatura da resistência para detecção de corrente

Os tópicos a seguir serão discutidos no artigo.

1. O que é TCR?
2. Como é determinado o TCR?
3. Como a construção afeta o desempenho do TCR?
4. TCR em aplicações
5. Como comparar as fichas técnicas

Causa e efeito

A resistência é o resultado de uma combinação de fatores que fazem com que o movimento de um elétron se desvie de um caminho ideal dentro de uma rede cristalina de um metal ou liga metálica. Conforme um elétron encontra defeitos ou imperfeições dentro da rede, ele pode causar difusão. Isto aumenta o caminho percorrido, resultando em maior resistência. Estes defeitos e imperfeições podem resultar de:

• Movimento na rede devido à energia térmica
• Diferentes átomos presentes na rede, tais como impurezas
• Ausência parcial ou total de uma rede (estrutura amorfa)
• Zonas desordenadas nos contornos de grãos
• Defeitos cristalinos e intersticiais na rede

O coeficiente de temperatura de resistência (TCR), às vezes referido como RTC, é uma característica do componente de energia térmica das imperfeições acima. O efeito desta mudança de resistência é reversível à medida que a temperatura retorna à temperatura de referência, assumindo que a estrutura do grão não foi alterada por altas temperaturas resultantes de um evento de pulso/sobrecarga extremo. Para os produtos Power Metal Strip® e Power Metal Plate™, esta seria uma temperatura que faria com que a liga de resistência ultrapassasse 350 °C.

Esta mudança de resistência devido à temperatura é medida em ppm/°C, que varia muito entre diferentes materiais. Por exemplo, a liga de manganês-cobre tem um TCR de < 20 ppm/°C (para 20 °C a 60 °C), enquanto o cobre utilizado em terminações é de aproximadamente 3900 ppm/°C. Outra forma de representar ppm/°C que pode ser mais fácil de considerar é que 3900 ppm/°C é o mesmo que 0,39 %/°C. Estes podem parecer números pequenos até que você considere a mudança na resistência devido a um aumento de temperatura de 100 °C. Para o cobre, isso causaria uma mudança de 39 % na resistência.

Um método alternativo para visualizar o efeito do TCR é considerá-lo em termos da taxa de expansão de um material com a temperatura (Figura 1). Considere duas barras diferentes, A e B, que têm cada uma 100 m de comprimento. A barra A muda de comprimento a uma taxa de +500 ppm/°C e a barra B muda de comprimento a uma taxa de +20 ppm/°C. Uma mudança de temperatura de 145°C fará com que o comprimento da barra A aumente 7,25 m, enquanto a barra B só aumentará o comprimento em 0,29 m. Abaixo está uma representação em escala (1 / 20) para demonstrar visualmente a diferença. A barra A tem uma mudança muito perceptível no comprimento, enquanto a barra B não tem nenhuma mudança visível no comprimento.

Figura 1: Um método de visualização do efeito do TCR é observar os termos da taxa de expansão de um material com aumento de temperatura. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

Isto também se aplica a um resistor na medida em que o menor TCR resultará em uma medição mais estável através da temperatura, que pode ser causada pela potência aplicada (fazendo com que a temperatura do elemento de resistência aumente) ou do ambiente.

Como o TCR é medido

O desempenho do TCR pelo método 304 MIL-STD-202 é a mudança de resistência baseada em uma temperatura de referência de 25°C. A temperatura é alterada e o dispositivo em teste é permitido alcançar o equilíbrio antes que o valor da resistência seja medido. A diferença é usada para determinar o TCR. Para o modelo Power Metal Strip WSL, o TCR é medido à baixa temperatura de -65 °C e depois medido a +170 °C. A equação segue abaixo. Normalmente, um aumento na resistência com um aumento na temperatura resulta em um TCR positivo. Observe também que o auto-aquecimento provoca uma mudança de resistência devido ao TCR.

Resistência - coeficiente de temperatura (%):

Resistência - coeficiente de temperatura (ppm):

Onde:

R1 = resistência à temperatura de referência

R2 = resistência à temperatura de operação

t1 = temperatura de referência (25 °C)

t2 = temperatura de operação

A temperatura de operação (t2) é frequentemente baseada na aplicação. Por exemplo, a faixa de temperatura para instrumentação é tipicamente de 0 °C a 60 °C, e -55 °C a 125 °C é a faixa típica para aplicações militares. A série Power Metal Strip WSLT fornece TCR para sua faixa de operação de -65 °C a +170 °C, enquanto a série WSLT tem uma faixa de temperatura estendida até 275 °C.

A tabela 1 abaixo fornece o TCR para alguns materiais de resistência utilizados na gama de produtos associados a este artigo.

Tabela 1: TCRs de vários materiais de elementos resistores em ppm/°C. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

A figura 2 compara diferentes níveis de TCR como uma mudança percentual na resistência versus o aumento da temperatura a partir de 25 °C.

Figura 2: Uma comparação de diferentes níveis de TCR como uma mudança percentual na resistência sobre a temperatura. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

A seguinte equação calcula a mudança máxima no valor de resistência para um determinado TCR.

Onde:

R = resistência final

R0 = resistência inicial

α = TCR

T = temperatura final

T0 = temperatura inicial

A Vishay oferece uma calculadora de TCR online em https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Como a construção afeta o TCR

As séries Power Metal Strip e Power Metal Plate oferecem um desempenho superior de TCR quando comparadas com os tradicionais resistores sensores de corrente de filme espesso totalmente de metal. Um resistor sensor de corrente de filme espesso utiliza um material que é principalmente prata, com terminais de prata e cobre. A prata e o cobre têm valores de desempenho de TCR igualmente grandes.

Figura 3: Comparação dos resistores Vishay Power Strip com os típicos resistores de tiras metálica e de filme espesso. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

A série de resistores Power Metal Strip utiliza um terminal de cobre rígido (item 2 na Figura 4) que é soldado por feixe de elétrons a uma liga de baixa resistência TCR (item 1), atingindo valores baixos de até 0,1 mΩ com baixo TCR. Entretanto, o terminal de cobre tem um TCR elevado (3900 ppm/°C) comparado à liga de resistência (< 20 ppm/°C), que ainda desempenha um papel no desempenho geral do TCR, uma vez que são necessários valores de resistência mais baixos.

Figura 4: Construção típica de um resistor Vishay Power Metal Strip. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

O terminal de cobre proporciona uma conexão de baixa resistência à liga de resistência, o que permite uma distribuição uniforme do fluxo de corrente ao elemento de resistência para uma medição de corrente mais precisa em aplicações de alta corrente. Entretanto, o terminal de cobre tem um TCR elevado (3900 ppm/°C) em comparação com a liga de resistência (< 20 ppm/°C), o que tem um impacto significativo no desempenho geral do TCR com valores de resistência muito baixos. Isto é retratado na Figura 5 demonstrando como a resistência total é influenciada pela combinação do terminal de cobre e a liga de baixa resistência TCR. Para os valores mais baixos de resistência de uma construção específica do resistor, o cobre torna-se mais significativo no dimensionamento e desempenho do TCR.

Figura 5: Para valores de resistência mais baixos de uma construção específica do resistor, o cobre torna-se mais significativo no dimensionamento e desempenho do TCR. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

Esta influência pode ocorrer em diferentes faixas de valores de resistência para diferentes partes. Por exemplo, o dimensionamento do TCR do WSLP2512 é de 275 ppm/°C a 1 mΩ, enquanto do WSLF2512 é de 170 ppm/°C a 1 mΩ. O WSLF tem um TCR mais baixo porque o terminal de cobre tem uma contribuição de resistência menor para o mesmo valor de resistência.

Terminal Kelvin vs. 2 terminais

A construção Kelvin (4 terminais) oferece dois benefícios: melhor repetibilidade da medição de corrente e melhor desempenho do TCR. A construção entalhada reduz a quantidade de cobre em circuito a partir da medição. A tabela 2 ilustra os benefícios de um WSK2512 com terminação Kelvin em comparação com o WSLP2512 com 2 terminais.

Tabela 2: Comparação do WSK2512 com terminação Kelvin com o WSLP2512 de 2-terminais. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

Há duas questões principais (o exemplo na Figura 6 é do WSL3637)

• Por que não cortar todo o caminho até a liga de resistência para o melhor TCR?

  Isto introduziria um novo problema porque o cobre permite uma conexão de baixa resistividade à região do fluxo de corrente a ser medido. O entalhe até a liga de resistência faria com que a medida fosse aplicada através de uma porção da liga de resistência onde não houvesse fluxo de corrente. Isto resultaria em um aumento da tensão medida. É um compromisso entre os efeitos do cobre ao TCR e a precisão e repetibilidade da medição

• Posso usar um design de 4 terminais para obter os mesmos resultados?

Não. Embora o design de 4 terminais ofereça uma melhor repetibilidade de medição, ele não remove os efeitos do cobre do circuito de medição. O resistor ainda terá o mesmo desempenho do TCR dimensionado

Figura 6: A construção entalhada (WSL3637 da Vishay Dale mostrada aqui) reduz a quantidade de cobre no circuito a partir da medição da detecção de corrente. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

Construção elevada

As peças de terminais Kelvin não estão limitadas a um tipo de construção planar (ou plana). O WSK1216 e o WSLP2726 são exemplos de resistores que utilizam uma construção elevada. O objetivo é economizar espaço na placa enquanto ainda maximiza a porção de resistência que é contribuída pela liga de baixa resistência TCR. A combinação de maximização do elemento de resistência e terminação Kelvin fornece um resistor com baixo TCR a valores de resistência muito baixos (até 0,0002 Ω), uma pegada pequena, e alta potência nominal.

Construção revestida vs. soldada

Os terminais construídos através da aplicação de uma fina camada de cobre ao elemento resistivo também afetarão o TCR e a repetibilidade das medições. A fina camada de cobre pode ser obtida através de uma construção revestida ou por eletrodeposição. Uma construção revestida é obtida pela união da laminação de chapas de cobre e liga de resistência sob pressão extrema para criar uma ligação mecânica uniforme entre os dois materiais. Em ambos os métodos de construção, a espessura da camada de cobre é normalmente de alguns milésimos de polegada, o que minimiza o efeito do cobre e fornece um TCR melhorado. A desvantagem é que o resistor mudará ligeiramente de valor quando montado na placa, pois a fina camada de cobre não permite uma distribuição uniforme da corrente através da liga de alta resistência. Em alguns casos, a mudança da resistência quando montada na placa pode ser muito maior do que os efeitos do TCR entre os tipos de resistores que estão sendo comparados. Para mais informações sobre a construção revestida, consulte https://www.vishay.com/doc?30333.

Outro fator de construção pode desempenhar um pequeno papel na característica do TCR de um resistor, pois as propriedades do cobre e da liga de resistência podem compensar, fornecendo uma característica de TCR muito baixa. Testes detalhados de TCR para um resistor específico podem ser necessários para entender a característica de desempenho total.

TCR em uma aplicação (ambiente e potência aplicada)

Enquanto o TCR é tipicamente considerado em termos de como o resistor muda com base nas condições ambientais, há outra dimensão a considerar; aumento de temperatura devido à potência aplicada. Quando a energia é aplicada, o resistor aquece devido à conversão de energia elétrica em energia térmica. Este aumento de temperatura devido à potência aplicada é também um componente relacionado ao TCR, às vezes referido como coeficiente de potência de resistência (PCR).

O PCR introduz outra camada que é conduzida pela construção, que se baseia na condução térmica através da peça ou resistência térmica interna, R_thi. Um resistor que tem uma resistência térmica muito baixa em uma placa de alta condutividade térmica manterá uma temperatura mais baixa do resistor. Um exemplo disso seria o WSHP2818, onde o grande terminal de cobre e a construção interna proporcionam uma construção muito eficiente do ponto de vista térmico, o que significa que a temperatura não aumentará substancialmente em comparação com a potência aplicada.

Nem todas as fichas técnicas são criadas igualmente

A comparação das especificações de vários fabricantes pode ser difícil, pois há muitas maneiras de apresentar o TCR. Alguns fabricantes listarão o elemento TCR, que é apenas parte do desempenho geral do produto, uma vez que os efeitos de terminação são ignorados. O parâmetro mais importante é o componente TCR que inclui os efeitos de terminação, que é como o resistor atuará na aplicação.

Em outros casos, a característica de TCR será apresentada para uma faixa limitada de temperatura, por exemplo, 20 °C a 60 °C, enquanto outra pode apresentar características de TCR em uma faixa operacional mais ampla, por exemplo, de -55 °C a +155 °C. Quando estes resistores são comparados, o resistor especificado para uma faixa limitada de temperatura apresentará melhor desempenho do que o especificado para uma faixa mais ampla. Normalmente, o desempenho do TCR não é linear e pior na faixa de temperatura negativa. Curvas detalhadas de TCR específicas para a construção do resistor e valor de resistência podem estar disponíveis para dar suporte ao seu projeto. Entre em contato com a DigiKey ou Vishay Dale em www2bresistors@Vishay.com.

Consulte os gráficos da Figura 7 que mostram a característica não-linear do TCR e quanta diferença o mesmo resistor pode apresentar em uma faixa de temperatura diferente.

Figura 7: Um exemplo da característica não-linear do TCR e o quanto diferente o mesmo resistor pode apresentar em uma faixa de temperatura diferente. (Fonte da imagem: Vishay Dale)

Se uma ficha técnica listar TCR para uma gama de valores de resistência, pode haver um melhor desempenho disponível. O menor valor de resistência na faixa estabelecerá o limite para a faixa devido aos efeitos de terminação. Um resistor com o maior valor de resistência na mesma faixa pode ter um TCR mais próximo de zero porque mais do valor de resistência é derivado da liga de baixa resistência TCR. Para filme espesso, é uma combinação do conteúdo de prata no filme resistivo e o efeito de terminação. Um outro ponto para esclarecer a respeito desta comparação de gráficos é que os resistores nem sempre têm esta magnitude de inclinação, já que alguns podem ser mais planos, o que depende das interações do TCR para ambos os materiais para o valor da resistência.

LISTA DE VERIFICAÇÃO COMPARATIVA

O objetivo desta seção é oferecer um guia para comparar o TCR de uma ficha técnica com outra, com base nos detalhes oferecidos nesta nota de aplicação.

1. As construções dos resistores são similares?
   1. É uma construção de terminal revestido, terminal eletrodepositado ou um terminal de cobre rígido?
   2. A ficha técnica lista o TCR da liga de resistência ou um parâmetro de desempenho (total) do TCR de um componente? Isto nem sempre é fácil de determinar
2. Faixa de temperatura
   1. A faixa de temperatura para o TCR especificado é a mesma, tal como 20 °C a 60 °C ou mais ampla?
   2. O valor do TCR apresentado é comparável para todos os valores de resistência?
3. O design se beneficiaria de uma terminação Kelvin para melhorar o desempenho do TCR?
4. Você precisa de dados mais específicos para suas necessidades de projeto? www2bresistors@Vishay.com

Referência:

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

Recursos adicionais

1. Visão geral: Resistores de detecção de corrente Power Metal Strip® para montagem em superfície