Coeficiente de temperatura de la resistencia para la detección de corriente

En el artículo se tratarán los siguientes temas.

1. ¿Qué es el TCR?
2. ¿Cómo se determina el TCR?
3. ¿Cómo afecta la construcción al rendimiento del TCR?
4. TCR en las aplicaciones
5. Cómo comparar las fichas técnicas

Causa y efecto

La resistencia es el resultado de una combinación de factores que hacen que el movimiento de un electrón se desvíe de una trayectoria ideal dentro de una red cristalina de un metal o aleación metálica. Cuando un electrón encuentra defectos o imperfecciones en la red, puede provocar una difusión. Esto aumenta el camino recorrido, lo que se traduce en una mayor resistencia. Estos defectos e imperfecciones pueden ser el resultado de:

• Movimiento en la red debido a la energía térmica
• Los diferentes átomos presentes en la red, como las impurezas
• Ausencia parcial o total de red (estructura amorfa)
• Zonas desordenadas en los límites de los granos
• Defectos cristalinos e intersticiales en la red

El coeficiente de temperatura de la resistencia (TCR), a veces denominado coeficiente de temperatura de la resistencia (RTC), es una característica del componente de energía térmica de las imperfecciones mencionadas. El efecto de este cambio de resistencia es reversible a medida que la temperatura vuelve a la temperatura de referencia, suponiendo que la estructura del grano no haya sido alterada por las altas temperaturas resultantes de un evento extremo de pulso/sobrecarga. En el caso de los productos Power Metal Strip® y Power Metal Plate™, se trataría de una temperatura que hiciera que la aleación de resistencia superara los 350 °C.

Este cambio de resistencia debido a la temperatura se mide en ppm/°C, que varía mucho entre los distintos materiales. Por ejemplo, la aleación de manganeso-cobre tiene un TCR de < 20 ppm/°C (para 20 °C a 60 °C), mientras que el cobre utilizado en las terminaciones es de aproximadamente 3900 ppm/°C. Otra forma de representar ppm/°C que puede ser más fácil de considerar es que 3900 ppm/°C es lo mismo que 0.39 %/°C. Estas cifras pueden parecer pequeñas hasta que se considera el cambio de resistencia debido a un aumento de temperatura de 100 °C. En el caso del cobre, esto provocaría un cambio de resistencia del 39%.

Un método alternativo para visualizar el efecto del TCR es considerarlo en términos de la tasa de expansión de un material con la temperatura (Figura 1). Consideremos dos barras diferentes, A y B, de 100 m de longitud cada una. La barra A cambia de longitud a una velocidad de +500 ppm/°C y la barra B cambia de longitud a una velocidad de +20 ppm/°C. Un cambio de temperatura de 145 °C hará que la longitud de la barra A aumente 7.25 m, mientras que la barra B solo aumentará su longitud en 0.29 m. A continuación, se muestra una representación a escala (1/20) para demostrar visualmente la diferencia. El compás A tiene un cambio de longitud muy notable, mientras que el compás B no tiene ningún cambio de longitud visible.

Figura 1: Un método para visualizar el efecto del TCR es verlo en términos de la tasa de expansión de un material con el aumento de la temperatura. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

Esto también se aplica a una resistencia en el sentido de que el TCR más bajo dará lugar a una medición más estable a través de la temperatura, que puede ser causada por la potencia aplicada (haciendo que la temperatura del elemento de resistencia aumente) o el medio ambiente.

Cómo se mide el TCR

El rendimiento TCR según el método 304 de MIL-STD-202 es el cambio de resistencia basado en una temperatura de referencia de 25 °C. Se cambia la temperatura y se deja que el dispositivo bajo prueba alcance el equilibrio antes de medir el valor de la resistencia. La diferencia se utiliza para determinar el TCR. Para el modelo Power Metal Strip WSL, el TCR se mide a la baja temperatura de -65 °C y luego se mide a +170 °C. La ecuación es la siguiente. Normalmente, un aumento de la resistencia con un aumento de la temperatura da lugar a un TCR positivo. Además, hay que tener en cuenta que el autocalentamiento provoca un cambio de resistencia debido al TCR.

Resistencia - coeficiente de temperatura (%):

Resistencia - coeficiente de temperatura (ppm):

Donde:

R1 = resistencia a la temperatura de referencia

R2 = resistencia a la temperatura de funcionamiento

t1 = temperatura de referencia (25 °C)

t2 = temperatura de funcionamiento

La temperatura de funcionamiento (t2) suele depender de la aplicación. Por ejemplo, el rango de temperatura para la instrumentación suele ser de 0 °C a 60 °C, y de -55 °C a 125 °C es el rango típico para las aplicaciones militares. La tira metálica de potencia de la serie WSL proporciona TCR para su rango de funcionamiento de -65 °C a +170 °C, mientras que la serie WSLT tiene un rango de temperatura ampliado hasta 275 °C.

En la tabla 1 se indica el TCR de algunos materiales de resistencia utilizados en la gama de productos asociados a este artículo.

Tabla 1: TCR de distintos materiales de resistencias en ppm/°C. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

En la figura 2 se comparan diferentes niveles de TCR como porcentaje de cambio en la resistencia frente al aumento de la temperatura a partir de 25 °C.

Figura 2: Comparación de los diferentes niveles de TCR como porcentaje de cambio de resistencia en función de la temperatura. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

La siguiente ecuación calcula el cambio máximo del valor de la resistencia para un TCR determinado.

Donde:

R = resistencia final

R0 = resistencia inicial

α = TCR

T = temperatura final

T0 = temperatura inicial

Vishay ofrece una calculadora de TCR en línea en https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Cómo afecta la construcción al TCR

Las series Power Metal Strip y Power Metal Plate ofrecen un rendimiento TCR superior en comparación con las resistencias tradicionales de película gruesa para detección de corriente. Una resistencia sensora de corriente de película gruesa utiliza un material que es principalmente plata, con terminales de plata y cobre. La plata y el cobre tienen unos valores de rendimiento TCR igualmente elevados.

Figura 3: Comparación de las resistencias Vishay Power Metal Strip con las típicas resistencias de banda metálica y de película gruesa. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

La serie de resistencias Power Metal Strip utiliza un terminal de cobre sólido (elemento 2 de la figura 4) que se suelda por haz de electrones a una aleación de baja resistencia TCR (elemento 1), consiguiendo valores bajos de hasta 0.1 mΩ con un TCR bajo. Sin embargo, el terminal de cobre tiene un TCR elevado (3900 ppm/°C) en comparación con la aleación de resistencia (< 20 ppm/°C), lo que sigue influyendo en el rendimiento general del TCR, ya que se requieren valores de resistencia más bajos.

Figura 4: Construcción típica de una resistencia Vishay Power Metal Strip. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

El terminal de cobre proporciona una conexión de baja resistencia a la aleación de resistencia, lo que permite una distribución uniforme del flujo de corriente al elemento de resistencia para una medición de corriente más precisa para aplicaciones de alta corriente. Sin embargo, el terminal de cobre tiene un TCR elevado (3900 ppm/°C) en comparación con la aleación de resistencia (< 20 ppm/°C), lo que tiene un impacto significativo en el rendimiento general del TCR en valores de resistencia muy bajos. Esto se representa en la Figura 5 demostrando cómo la resistencia total está influenciada por la combinación del terminal de cobre y la aleación de baja resistencia TCR. Para los valores de resistencia más bajos de una construcción de resistencia específica, el cobre adquiere mayor importancia en el índice TCR y el rendimiento.

Figura 5: Para valores de resistencia más bajos de una construcción de resistencia específica, el cobre se vuelve más significativo en la clasificación y el rendimiento del TCR. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

Esta influencia puede producirse en diferentes rangos de valores de resistencia para diferentes partes. Por ejemplo, la clasificación TCR del WSLP2512 es de 275 ppm/°C a 1 mΩ, mientras que el WSLF2512 es de 170 ppm/°C a 1 mΩ. El WSLF tiene un TCR más bajo porque el terminal de cobre tiene una contribución de resistencia menor para el mismo valor de resistencia.

Terminal Kelvin vs. 2 terminales

La construcción Kelvin (4 terminales) proporciona dos ventajas: una mejor repetibilidad de la medición de la corriente y un mejor rendimiento del TCR. La construcción con muescas reduce la cantidad de cobre en el circuito de la medición. La tabla 2 ilustra las ventajas de un WSK2512 con terminación Kelvin en comparación con el WSLP2512 de 2 terminales.

Tabla 2: Comparación del WSK2512 con terminación Kelvin con el WSLP2512 de 2 terminales. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

Hay dos cuestiones clave (el ejemplo de la figura 6 es del WSL3637)

• ¿Por qué no hacer una muesca hasta la aleación de resistencia para obtener el mejor TCR?

  Esto introduciría un nuevo problema, ya que el cobre permite una conexión de baja resistividad con la región de flujo de corriente a medir. Si se hace una muesca hasta la aleación de resistencia, la medición se aplicaría a través de una parte de la aleación de resistencia en la que no hay flujo de corriente. Esto daría lugar a un aumento de la tensión medida. Es un compromiso entre los efectos del TCR del cobre y la precisión y repetibilidad de las mediciones.

• ¿Puedo utilizar un diseño de almohadilla de 4 terminales para obtener los mismos resultados?

No. Aunque el diseño de la almohadilla de 4 terminales ofrece una mejor repetibilidad de la medición, no elimina los efectos del cobre del circuito de medición. La resistencia seguirá funcionando con el mismo TCR nominal

Figura 6: La construcción con muescas (aquí se muestra el WSL3637 de Vishay Dale) reduce la cantidad de cobre en el circuito de la medición de detección de corriente. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

Construcción elevada

Las piezas de los terminales Kelvin no se limitan a una construcción de tipo planar (o plana). La WSK1216 y la WSLP2726 son ejemplos de resistencias que utilizan una construcción elevada. El propósito es ahorrar espacio en la placa y al mismo tiempo maximizar la porción de resistencia que aporta la aleación de baja resistencia TCR. La combinación de maximizar el elemento de resistencia y la terminación Kelvin proporciona una resistencia con un bajo TCR a valores de resistencia muy bajos (hasta 0.0002 Ω), un tamaño reducido y una alta potencia nominal.

Construcción revestida vs. soldada

Los terminales construidos aplicando una fina capa de cobre al elemento resistivo también afectarán al TCR y a la repetibilidad de la medición. La fina capa de cobre puede conseguirse mediante una construcción revestida o por galvanoplastia. Una construcción revestida se consigue laminando láminas de cobre y aleación de resistencia bajo una presión extrema para crear una unión mecánica uniforme entre los dos materiales. En ambos métodos de construcción, el espesor de la capa de cobre suele ser de unas milésimas de pulgada, lo que minimiza el efecto del cobre y proporciona un TCR mejorado. La contrapartida es que la resistencia cambiará ligeramente de valor cuando se monte en la placa porque la fina capa de cobre no permite una distribución uniforme de la corriente a través de la aleación de alta resistencia. En algunos casos, el desplazamiento de la resistencia montada en la placa puede ser mucho mayor que los efectos del TCR entre los tipos de resistencias que se comparan. Para más información sobre la construcción revestida, consulte https://www.vishay.com/doc?30333.

Otro factor de construcción puede desempeñar un pequeño papel en la característica TCR de una resistencia, ya que las propiedades del cobre y de la aleación de la resistencia pueden compensarse, proporcionando una característica TCR muy baja. Puede ser necesario realizar pruebas detalladas de TCR para una resistencia específica a fin de comprender la característica de rendimiento completa.

TCR en una aplicación (potencia ambiental y aplicada)

Mientras que el TCR se considera típicamente en términos de cómo cambia la resistencia en función de las condiciones ambientales o del entorno, hay otra dimensión a considerar: el aumento de la temperatura debido a la potencia aplicada. Cuando se aplica energía, la resistencia se calienta debido a la conversión de energía eléctrica en energía térmica. Este aumento de temperatura debido a la potencia aplicada es también un componente relacionado con el TCR, a veces denominado coeficiente de resistencia de potencia (PCR).

La PCR introduce otra capa que es impulsada por la construcción, que se basa en la conducción térmica a través de la pieza o resistencia térmica interna, R_thi. Una resistencia que tiene una resistencia térmica muy baja en una placa de alta conductividad térmica mantendrá una temperatura de resistencia más baja. Un ejemplo de esto sería el WSHP2818, donde el gran terminal de cobre y la construcción interna proporcionan una construcción muy eficiente desde el punto de vista térmico que significa que la temperatura no aumentará significativamente en comparación con la potencia aplicada.

No todas las hojas de datos son iguales

Comparar las especificaciones de varios fabricantes puede ser difícil, ya que hay muchas formas de presentar el TCR. Algunos fabricantes indican el TCR del elemento, que es solo una parte del rendimiento global del producto, ya que se ignoran los efectos de la terminación. El parámetro más importante es el TCR del componente que incluye los efectos de la terminación, que es el comportamiento de la resistencia en la aplicación.

En otros casos, la característica TCR se presentará para un rango de temperatura limitado, por ejemplo, de 20 °C a 60 °C, mientras que otro puede presentar características TCR en un rango de funcionamiento más amplio, por ejemplo, de -55 °C a +155 °C. Cuando se comparan estas resistencias, la resistencia especificada para un rango de temperatura limitado presentará un mejor rendimiento que la resistencia especificada en un rango más amplio. El rendimiento del TCR suele ser no lineal y empeora en el rango de temperaturas negativas. Puede disponer de curvas TCR detalladas específicas para la construcción de la resistencia y el valor de la misma para apoyar su diseño. Contacte con DigiKey o Vishay Dale en www2bresistors@Vishay.com.

Consulte los gráficos de la Figura 7 que muestran la característica TCR no lineal y la diferencia que puede presentar la misma resistencia en un rango de temperatura diferente.

Figura 7: Un ejemplo de la característica TCR no lineal y de las diferencias que puede presentar una misma resistencia en un rango de temperatura diferente. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

Si una hoja de datos enumera el TCR para un rango de valores de resistencia, puede haber un mejor rendimiento. El valor más bajo de la resistencia en el rango establecerá el límite para el rango debido a los efectos de terminación. Una resistencia con el valor de resistencia más alto en el mismo rango puede tener un TCR más cercano a cero porque la mayor parte del valor de resistencia se deriva de la aleación de resistencia de bajo TCR. En el caso de la película gruesa, es una combinación del contenido de plata en la película resistiva y el efecto de terminación. Otro punto a aclarar respecto a esta comparación de gráficos es que las resistencias no siempre tienen esta magnitud de pendiente, ya que algunas pueden ser más planas, lo que depende de las interacciones del TCR de ambos materiales para el valor de la resistencia.

LISTA DE COMPARACIÓN

El propósito de esta sección es ofrecer una guía para comparar el TCR de una hoja de datos con otra basándose en los detalles ofrecidos en esta nota de aplicación.

1. ¿Son similares las construcciones de las resistencias?
   1. ¿La construcción de los terminales es revestida, con un terminal galvánico, o un terminal de cobre sólido?
   2. ¿La hoja de datos enumera el TCR de la aleación de resistencia o un parámetro de rendimiento del TCR (total)? Esto no siempre es fácil de determinar
2. Rango de temperatura
   1. ¿El rango de temperatura para el TCR especificado es el mismo, como por ejemplo de 20 °C a 60 °C o más amplio?
   2. ¿El valor TCR presentado es comparable para todos los valores de resistencia?
3. ¿Se beneficiaría el diseño de una terminación Kelvin para mejorar el rendimiento del TCR?
4. ¿Necesita datos más específicos para sus necesidades de diseño? www2bresistors@Vishay.com

Referencia:

(1) Fuente: Zandman, Simon y Szwarc Teoría y tecnología de las resistencias 2002 p. 23 - p.24

Recursos adicionales

1. Resumen: Resistencias de detección de corriente de montaje superficial Power Metal Strip