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.

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/.