Áramérzékelő ellenállások technikai paraméterei

Elektronikai áramkörben való árammérésre manapság leggyakrabban pontos értéken tartott, alacsony ellenállású áramérzékelő chip-ellenállásokat használnak, és a rajtuk eső feszültséget mérve az áramérték az Ohm törvény alapján kiszámítható.

Az áramérzékelő ellenállásokkal szemben támasztott követelmények elsődlegesen a szobahőmérsékleten értelmezett szűk tolerancia, annak alacsony hőfüggése, a nagy névleges teljesítmény és a kis méret. A mérés pontosságát azonban más tényezők is befolyásolják, mint például az ellenállás anyagának, az ellenállás melegedéséből adódó hőveszteség hatása, illetve elsősorban nagy frekvencián használt áramérzékeléskor az ellenállás ekvivalens soros induktivitásának jeltorzító hatása. Írásunkban ezen jelenségek értelmezésével és a mérés pontosságára gyakorolt hatásával foglalkozunk egy vezető vékonyréteg-ellenállásgyártó, a japán SUSUMU cég KRL-sorozatú söntellenállásainak bemutatásával.

Chip-ellenállások katalógusadatai

A kis ellenállású áramérzékelő chip-ellenállások először túláramvédelmi megoldásként tápegységek áramköreiben kerültek felhasználásra, majd a DC/DC konverterek egyre szélesebb körben való elterjedésével az elektronikus eszközök tápegységeiben váltak kulcsfontosságú elemekké az áramérzékelés és beállítás területén. Amikor egy tervezőmérnök különböző gyártóktól származó áramérzékelő ellenállásokat hasonlít össze, és csak az adatlapokon szereplő TCR (Thermal Coefficient of Resistance – ellenállás-stabilitás a környezeti hőmérséklet-változás függvényében) értékeket figyelembe véve jár el, nem fog precíz információt kapni a mérés várható pontosságáról, mert a mérendő áram hatására keletkező hő miatt változik az ellenállás. Egy alkatrész betervezésekor első közelítésben az alkatrész gyártói adatlapján szereplő értékeket szokás figyelembe venni, azonban ajánlatos ezeket az adatokat az alkalmazásbeli vagy laboratóriumi teszteléssel valós viszonyok között is ellenőrizni. Chip-ellenállások esetén a klasszikus paraméterek, mint az ellenállás, névleges teljesítmény és a szobahőmérsékletre megadott ellenállás-tolerancia értékei mellett nagy hangsúlyt kell, hogy kapjon a már említett TCR érték is annak megállapítására, hogy hogyan fog változni az ellenállás, ha a környezeti hőmérséklet emelkedik. Például egy ±100 ppm (TCR) pontosságú alkatrész ellenállása a környezeti hőmérséklet egy oC (vagy oK) fokonkénti változásakor a névleges értékhez képes 0,01%-ot változik, amely 100 oK hőmérséklet-eltérés esetén – ami kültéri vagy autóipari alkalmazásokban szokásos érték – már 1% pontatlanságot okoz. Bár az áramérzékelő ellenállások kis ohmos értékkel rendelkeznek, nagy áramok mérésekor nem mindegy, hogy a saját hőtermelés mennyire befolyásolja a pontosságot. Az elektronikus eszközöktől elvárt feladatok mennyisége és a jelfeldolgozási sebesség növekedésének igénye az áramkörtervezőket olyan kihívások elé állítja, mint a nagyfrekvenciás zajok kezelése. Nagyfrekvencián az ellenállásnak mint vezetőnek a saját induktivitása is jelentős tényező az eredő impedanciában, és jelentősen befolyásolja a viselkedését.
Írásunkban a SUSUMU Japán vékonyréteg-ellenállásgyártó cég KRL áramérzékelő ellenállás sorozatában alkalmazott megoldásain keresztül mutatjuk be azt a speciális szerkezeti kialakítást, ami lehetővé teszi a megbízható érzékelést. A KRL-sorozat rendkívül népszerű a kis ellenállásérték melletti nagy névleges teljesítménye és kis öninduktivitása miatt, amely utóbbi lehetőséget ad a nagyfrekvenciás zajok elkerüléséhez. Ezt a speciális hosszú oldali kivezetések alkalmazásával érik el. Ennek a konstrukciónak az előnye az is, hogy a keletkező hő is könnyebben távozik a szélesebb forrasztások mentén a nyomtatott áramkör felé. A KRL áramérzékelő ellenállások alkalmasak akár a háztartási gépek és berendezések nagyáramú elektronikai áramköreiben, akár autóipari alkalmazásokban való használatra, mert rendelkeznek az AEC-Q200 tanúsítványokkal is.

Áramérzékelő ellenállások saját melegedése

Az áramérzékelő ellenállások hővesztesége arányos az ellenállásértékükkel és a rajtuk átfolyó – a mérni kívánt – áram erősségével. Az Ohm törvényből származtatva:

P = UI = I²R

Az ennek hatására fellépő hőmérséklet-változás a környezeti hőmérséklet változásának hatására fellépő ellenállás-változáshoz adódva tovább növeli a mérési pontatlanságot, ezért értékét minimalizálni kell. Egyik lehetőség az ellenállás értékének csökkentése, a legtöbb gyártó ebben a kategóriában általában milli- vagy mikroohm nagyságrendben kínál alkatrészeket. Azonban az ipari trendek hatására folyamatosan növekvő áramok mellett ez nem elegendő, hiszen az áram a hőveszteség keletkezésében sokkal nagyobb szerepet kap, hiszen annak képletében is a második hatványon szerepel. Emiatt elsősorban arról kell gondoskodni, hogy a keletkező hőt minél hamarabb elvezessük az ellenállásról, hogy annak hőmérsékletét ne emelje jelentősen. Ezt különböző technológiai fogásokkal lehet elérni, mint például speciális többrétegű kialakítással, ahol a vékony fémfólia-ellenálláselem a kerámia-hordozó aljára való ragasztásával sokkal közelebb kerül a nyomtatott áramkörhöz, ezzel a keletkező hő gyorsabban elvezethető, mint a versenytársak megoldásainál, ahol az ellenálláselem a szubsztrát tetején van, ezért a hő nagy részét a rosszabb hőátadási együtthatójú környező levegőbe kell disszipálni.

1. ábra  KRL-sorozat: A fémfólia-ellenálláselem a hordozókerámia-szubsztrát aljára való ragasztásával kiváló hőleadó képességgel ruházta fel a gyártó az alkatrészt

TCR és PCR

Ahogy azt korábban írtuk, a söntellenállások összehasonlításakor a TCR egyedül nem ad megfelelő tájékoztatást a mérés várható pontosságáról, hiszen az ellenállás nemcsak a környezeti hőmérséklet változásának hatására változik, hanem a saját melegedés is befolyásolja. A TCR mellett tehát még egy paramétert figyelembe kell venni, a PCR-t (Power Coefficient of Resistance). Egy kisebb TCR értékű komponens akkor tud pontosabb mérést végrehajtani a konkurens terméknél, ha az önmelegedésével együtt is szignifikánsan kisebb az ellenállás-változás.
Példa: Az 1. táblázat második sorában bemutatott vastagrétegsönt az alacsonyabb TCR értéke miatt elvileg pontosabb mérési értékeket kellene, hogy adjon, mint a magasabb TCR-rel rendelkező KRL.
Az R = 100 mΩ szobahőmérsékleten értelmezett névleges ellenállással rendelkező alkatrészek azonban strukturális kialakításuk miatt jelentősen eltérő saját melegedésre jellemző értékekkel rendelkeznek.
Ebben a példában a „B” típus az alacsonyabb TCR értéke
(± 40 ppm) mellett 100 oK-nel, míg a KRL fémréteg-ellenállás a magasabb TCR (± 50 ppm) mellett is csak 60 oK-nel melegszik (lásd: 1. táblázat).
A saját melegedés hatására megnövekedett ellenállás a következő képlettel számítható:

R = R₀ TCR ΔT
„B” ellenállás esetén: 100,4 mΩ
KRL ellenállás esetén: 100,3 mΩ

1. táblázat  A fémfólia KRL áramérzékelő ellenállás-sorozat és egy vastagrétegsönt TCR és PCR értékeinek összevetése

Megállapítható, hogy a TCR magasabb értéke ellenére is precízebb, stabilabb ellenállásértékkel, emellett nagyobb mérési pontossággal rendelkezik a jobb hőleadást biztosító konstrukciójú KRL fémréteg-áramérzékelő ellenállás, mint a kisebb TCR-rel rendelkező, de jobban melegedő konkurens termék.

Teljesítménydegradáció

Mind anyagtechnológiai, mind kialakításbeli változtatásokkal befolyásolható az a maximális névleges teljesítmény, amelyet az ellenállás termikus korlátjai határoznak meg. Ezek felmérését vagy az alkatrész felületén vagy a terminálokon végzett hőmérsékletméréssel végzik. Amikor a hőmérséklet eléri a felső határértéket, az ellenállás hőleadási képessége csökken. Az a maximális teljesítményveszteség, ami mellett az ellenállás értéke változatlan marad, az alkatrész hőleadási képességétől jelentősen függ. Azért, hogy elkerülhessük a nominális teljesítmény csökkenését, lehetőleg a konstrukció kialakításával a lehetőségekhez képest egyenletes hőelosztást kell biztosítani az alkatrészben, és el kell kerülni a hot-spotok kialakulását.
Az ellenállások névleges teljesítmény szerinti osztályzása azon alapul, hogy mekkora az az energia, amit hő formájában károsodás nélkül képes leadni. A legtöbb gyártó általában 70 °C-on és szabad légáramlatban specifikálja a névleges teljesítményt, az e feletti hőmérsékleten az alkalmazható teljesítmény az anyag károsodásának elkerülése miatt csökken. Az a hőmérséklet, amelyhez már nem tartozik teljesítmény, az alkatrész maximális tárolási hőmérséklete is egyben.

2. ábra  Hagyományos sönt: Teljesítménycsökkenési diagram

3. ábra  „C” és „M” típusú KRL áramérzékelő ellenállás: Teljesítménycsökkenési diagram

A SUSUMU KRL-sorozatai esetén, attól függően, hogy az ellenálláselemnél alkalmazott anyag a jobb hőmérséklet-állóságú konstantán ötvözet, vagy az alacsonyabb termikus EMF (Seebeck-effektus) értékkel bíró manganin ötvözet, a teljesítménycsökkenés csak magas hőmérsékleten, 100–120 °C jelentkezik. Ez az oka annak, hogy a KRL-sorozat egyes elemei más gyártók azonos méretű termékeinél nagyobb névleges teljesítménnyel rendelkeznek, vagy ugyanakkora teljesítményen használva kisebb tokozású áramérzékelő is elegendő.

Áramérzékelés a gyakorlatban

Az áramérzékelő ellenállásokkal történő fent leírt módszer akár autóipari alkalmazásokban, akár háztartási gépek elektronikai részegységeiben is megbízhatóan használható. Ilyen megoldások találhatók például a gépjárművek csomagtartónyitó vagy ülésbeállító automatikájában, szelepvezérlésekben, de a fékrendszerek is percíz árammérést igényelnek. Egy háztartásokban használt takarítórobotokra specializált felhasználó például egyszerre három problémát oldott meg a KRL áramérzékelő ellenállások használatával. A robot tápegységének DC / DC konvertere egy 10 mΩ –os söntellenállás használatát igényelte, amelyet minimum 2 W-os névleges teljesítményre kellett méretezni a 10 A feletti áramok mérésére, mivel a kontroller bemeneti feszültsége 100 mV nagyságrendű. A kereskedelemben kapható 2 W-os névleges teljesítményű áramérzékelő ellenállások rendszerint 2512 méretben kaphatók, de itt ez a méret nem fért el a szűk hely miatt.
A SUSUMU KRL-sorozatának hosszú oldali kivezetéses kivitelű változataiból választva, egy kisebb 2010 tokozású ellenállás is elegendő volt, részben a fent leírt speciális konstrukció, részben pedig a szélesebb kivezetések nyújtotta kedvezőbb hőelvezetési jellemzők miatt.

Az ellenálláselem anyaga

Mivel az áramérzékelés egy precízen tartott, jól ismert értékű ellenálláson való feszültségmérésen alapuló kalkulációs módszer, minden olyan tényező, ami ennek a mért feszültségnek az értékét befolyásolja, a mérés pontatlanságához vezet. Ilyen hatás a melegedés fent részletezett ellenállás-változtató hatása (TCR és PCR), de egyéb hatásokkal is találkozhatunk a gyakorlatban. Az ellenállás konstrukciójából adódóan a különböző fémek kapcsolódási pontjain és a kivezetések közt a külső hőmérséklet változásakor mikrovolt nagyságrendű hőmérsékleti elektromotoros erő ébred (EMF), ami az ellenálláson eső feszültséghez adódva torzíthatja a mérést. A jelenség a termoelem (Seebeck)-effektussal magyarázható. Az eltérő anyagú fémek, mint például a kivezetések réz anyaga, illetve az ellenálláselem fémötvözetei (konstantán, manganin, stb.) közös pontokon kapcsolódnak, és ha ezeket a pontokat hő éri, akkor mini hőelemként viselkednek és jelentkezik az EMF.
A konstantán ötvözetből készült ellenállások bár jobban bírják a magasabb hőmérsékletet, nagyobb EMF-t gerjesztenek rézzel kombinálva, mintha manganin ötvözetet választanánk alapanyagul. Ha ez a hatás jelentkezik az alkalmazásban, érdemes ilyen alacsony EMF-fel rendelkező manganin anyagú ellenállást választani.

Egyenértékű soros induktivitás (ESL)

Nagy frekvencián alkalmazva a söntellenállást, annak impedanciáját már nemcsak az ohmos ellenállása, de az induktív reaktancia is befolyásolja, mert mint minden vezető, ez is rendelkezik parazitainduktivitással, amit az áramköri modellben az ESL jellemez. Az induktivitás értékét a jeltorzulás korlátozásához a lehető legkisebb értéken kell tartani. Manapság az elektronikus eszközök nagy része kíván olyan sokféle és pontos tápfeszültséget, amelyet csak DC/DC konverterekkel lehet biztosítani jó hatásfokkal. Ezek a kapcsolóüzemű eszközök többszáz kHz frekvencián működnek. Amennyiben az alkalmazott áramérzékelő ellenállás induktivitása nagy, a kapcsolási impulzusokban zaj jelenik meg, amely a vezérlés pontosságát negatívan befolyásolja. Az induktív reaktancia egyenesen arányos mind a frekvenciával, mind az induktivitás értékével, ezért adott frekvencián csak az ESL csökkentésével minimalizálható:

Z ~ 2 π f ESL

Látható, hogy amennyiben az ESL értéke kellően kicsi, a zaj elhanyagolható lesz.
Egy egyenes (nem tekercselt) vezetőparazita induktivitása az alábbi közelítőformulával kalkulálható:

L = 0,002 h(2,303log₁₀4h/d – 1+μ/4)
Ahol:
h: a vezető hossza,
d: a vezető szélessége,
μ: permeábilítás.

Az anyag permeábilitásának és a kivezetés hosszának növekedésével az eszköz induktivitása nő, amíg a szélesség növekedése az induktivitás csökkenéséhez vezet. Ebből következően egy adott anyag esetén rövid, de vastag kivezetés alkalmazásával lehet alacsony ESL értéket realizálni. A SUSUMU emiatt úgy alakítja ki a KRL-sorozatú chip-ellenállásainak egyes változatait, hogy azok hosszabb oldalain találjuk meg a hozzávezetéseket, ezért a rövid, de vastag mechanikai kiképzés miatt alacsony parazitainduktivitás jellemzi ezt a sorozatot, miközben egyben növekszik a sönt hőleadó képessége is.
A 4. ábrán a bal oldali oszcilloszkóp-képernyő rövid oldali kivezetéses ellenállás használata melletti zajos hullámalakot mutat, míg a speciális alacsony ESL változat esetén a zaj – a jobb oldali képernyőábra szerint – jelentéktelen.

4. ábra  Rövid és hosszú oldali kivezetéses áramérzékelők összehasonlítása DC/DC konverterben való használatkor, a kapcsolási zajok szempontjából

Ezzel az egyszerű módszerrel a tervező számára elkerülhetővé válik költséges zajelnyomó áramkörök használata.

Hosszú oldali kivezetés – jobb hőelvezetés és jobb jel-zaj viszony

A SUSUMU hosszú oldali terminállal és kis ellenállással bíró chip-ellenállásait a teljesítmény növelése érdekében fejlesztették és nagyon népszerűek. Ugyanakkor az elektronikai eszközök egyre nagyobb sebességigénye és működési frekvenciája miatti olyan speciális elvárásoknak, mint például az alacsony ESL-érték, ezek a hosszú oldali hozzávezetéssel rendelkező alkatrészek kiválóan megfelelnek. A fejlesztés iránya az áramérzékelő ellenállások területén ma a pontosság és megbízhatóság további növelése az autóiparhoz kapcsolódó elektronika elvárásainak megfelelően, valamint nagyobb teljesítmény (20 W) elérése, amelyre elsősorban ipari invertereknél van szükség. Az alacsony parazitainduktivitás zajelnyomó hatása miatt a mérési pontosság nagymértékben nő. Az elektronikus eszközök töltésvezérlőiben az akkumulátor közelében a feltöltés és a kisütés közben jelentős hő keletkezik, itt az eszközök hőmérsékleti jellemzői játszanak kulcsszerepet. A fordított struktúra miatt (az ellenállás-fólia a kerámia alá van ragasztva) nem alakulnak ki hot-spotok, a NyÁK felé való gyors hőátadás, valamint a széles forrasztási terminálok miatti további hőleadás pedig a TCR/PCR mérési pontosságra való negatív befolyását csökkentik.

SUSUMU KRL áramérzékelő-sorozat

A SUSUMU KRL áramérzékelő ellenállás sorozatait (disztribúció: Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH) minimális ellenállásértékekkel magas névleges teljesítményre, elsősorban áramerősség-mérésre tervezték. A fémfólia-ellenálláselem a hordozókerámia-szubsztrát alá ragasztva egyedi hűtést biztosít az alkatrész számára, mert a hő a nyomtatott áramkör felé sokkal gyorsabban képes távozni, mint a konkurens termékeknél felül elhelyezkedő hőforrásból a rossz hővezető levegőn keresztül a környezet felé leadott hő (1. ábra).
A KRL-sorozatokat továbbá alacsony zaj, alacsony parazitainduktivitás és termikus elektromotoros erő (EMF) jellemzi, ezáltal a mérés pontossága növelhető, miközben az ellenállások robusztusak és mechanikai méreteik is kisebbek adott névleges teljesítményen, mint sok versenytárs hasonló alkatrészeinél. Az inverz felépítés nemcsak a hőleadási képességeken javít, de a szerves ragasztóréteg csillapítja a nyomtatott áramkör és a kerámiahordozó eltérő hőtágulásából eredő mechanikai stresszt is.
Az alkatrészek ezzel biztosítják az autóipari AEC-Q200 szabvány előírásainak betartását a legnagyobb tokozások alkalmazása mellett is. A KRL-sorozat elemei különböző kivitelben kaphatók:
1 mΩ – 1 Ω ellenállásértékekkel, 0603–4320 tokozásokban, 0,25–10 W névleges teljesítményosztályokban, standard 50 ppm TCR és ± 1% szobahőmérsékleti ellenállás-toleranciával rövid, hosszú oldali 4 K és aranykivezetésekkel.

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7-13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com