Causes et effets du coefficient de tension de résistance et solutions d'atténuation

De nombreux concepteurs ignorent que les résistances ont un coefficient de tension de résistance (VCR) ainsi qu'un coefficient de température de résistance (TCR). Cela est compréhensible car dans les applications à basse tension et à faible résistance, les effets de la tension sont mineurs et bien masqués par les effets de température. Cependant, dans les circuits à haute résistance et/ou à haute tension (HV), la variabilité de la résistance en fonction de la tension peut constituer un problème majeur. Ces circuits sont utilisés dans des applications telles que les alimentations haute tension, les amplificateurs d'adaptation d'impédance (TIA), l'éclairage LED haute tension et les systèmes de communications à impulsions. Les concepteurs de tels circuits doivent comprendre les causes et les effets du coefficient de tension de résistance et savoir comment y remédier.

Cet article présente un aperçu du coefficient de tension de résistance et de son impact sur la conception des circuits. Il utilise ensuite des exemples de résistances à faible VCR de Stackpole pour illustrer comment sélectionner et appliquer de tels dispositifs afin de minimiser les effets du coefficient VCR et de garantir un fonctionnement précis et fiable des circuits critiques.

Le coefficient de tension de résistance

Le coefficient VCR d'une résistance peut être défini comme la variation de la valeur de résistance proportionnelle à une tension appliquée. Il est généralement mesuré en parties par million par volt (ppm/V) et peut être calculé à l'aide de l'équation suivante :

Où :

R₁ est la valeur de résistance, en ohms (Ω), à une tension de référence (V₁)

R₂ est la valeur de résistance, en Ω, à la tension de test (V₂)

V₁ est la tension de référence

V₂ est la tension de test

Le coefficient de tension de résistance peut être positif ou négatif. Un coefficient VCR positif indique que la résistance augmente avec l'augmentation de la tension dans la résistance, tandis qu'un coefficient VCR négatif indique que la résistance diminue.

Les résistances pavés haute tension classiques, avec un coefficient VCR de 200 ppm/V à 300 ppm/V, présentent une variation de résistance de 20 % à 30 % pour une variation de tension appliquée de 1000 V. En choisissant une résistance avec un coefficient VCR de 25 ppm/V à 50 ppm/V, la variation de résistance est réduite à 2,5 à 5 % pour la même variation de 1000 V.

La méthode de test standard pour mesurer le coefficient de tension de résistance suit la méthode 309 de la norme MIL-STD-202G. Cette norme établit des méthodes uniformes pour tester les composants électroniques, en spécifiant la tension de test standard égale à la tension de fonctionnement maximum spécifiée, et le niveau de tension de référence de 10 % de la tension de fonctionnement maximum.

Comment minimiser le coefficient de tension de résistance

Les effets du coefficient de tension de résistance peuvent être minimisés par une conception et un choix de matériaux appropriés. Le choix des matériaux résistifs implique un compromis technique, car les matériaux résistifs à faible VCR peuvent améliorer le coefficient de tension de résistance mais aussi augmenter le coefficient de température de résistance, réduisant ainsi la stabilité en température. Le choix d'encres à plus faible résistance améliore également le coefficient VCR, mais limite la résistance maximum pouvant être atteinte. La sélection rigoureuse du type d'encre résistive et de la méthode d'application permet d'optimiser le coefficient de tension de résistance.

L'ajustement laser peut également avoir un impact sur le coefficient de tension de résistance. Les résistances non ajustées présentent généralement des valeurs de résistance comprises entre 5 % et 20 % de la valeur prévue. L'ajustement laser est utilisé pour ajuster les valeurs de résistance à une tolérance plus petite, par exemple à 1 %. Le processus d'ajustement laser peut dégrader le coefficient de tension de résistance en générant des microfissures qui entraînent des variations d'impédance locales indésirables, ce qui augmente le coefficient VCR (Figure 1).

Figure 1 : Les effets physiques de l'ajustement laser des résistances pavés à couche épaisse peuvent dégrader le coefficient VCR. (Source de l'image : Stackpole Electronics Inc.)

Minimiser le recours à l'ajustement laser permet de réduire ces effets, tout comme le choix de la géométrie d'ajustement laser et la taille du boîtier. En général, les boîtiers plus grands offrent un coefficient de tension de résistance réduit.

Applications pour les résistances à faible VCR

Les résistances pavés à faible VCR sont utilisées dans l'éclairage LED, les dispositifs médicaux, les équipements audiovisuels et les systèmes de communications exigeant des hautes tensions et/ou des valeurs de résistance élevées. Un amplificateur d'adaptation d'impédance est un exemple de circuit pertinent (Figure 2). Cet amplificateur reçoit un courant d'entrée et génère une tension proportionnelle.

Figure 2 : Un amplificateur d'adaptation d'impédance convertit un courant d'entrée en une tension de sortie proportionnelle à la valeur de la résistance de contre-réaction. (Source de l'image : Art Pini)

La tension de sortie d'un amplificateur d'adaptation d'impédance est égale au produit du courant d'entrée et de la résistance de contre-réaction, R_f.

L'amplificateur d'adaptation d'impédance est souvent utilisé comme interface avec des photodiodes, des accéléromètres, des tubes photomultiplicateurs et des capteurs similaires où la réponse en courant du capteur est plus linéaire que sa réponse en tension. En général, ces applications requièrent un gain élevé, ce qui implique une résistance de contre-réaction à valeur élevée. Comme l'extrémité d'entrée de la résistance est maintenue à la terre, la résistance subit la pleine excursion de sortie. Dans de nombreux cas, le signal d'entrée peut être pulsé, comme dans les tests d'interférences électromagnétiques (EMI) ou de chocs mécaniques, ce qui entraîne de grandes excursions de tension dans la résistance.

Une modification de la valeur de la résistance en fonction de la tension dans la résistance entraîne une modulation du gain de l'amplificateur. Cette modulation ajoute un terme au carré à la tension de sortie. Le terme au carré augmente le second terme harmonique et les autres termes harmoniques pairs dans la sortie, ce qui entraîne des problèmes de linéarité et de distorsion harmonique. La variation de résistance n'a pas besoin d'être importante pour produire des niveaux de distorsion significatifs.

Les résistances à faible VCR sont également utilisées dans les diviseurs de tension (Figure 3), qui servent à réduire un niveau de tension.

Figure 3 : Les résistances à faible VCR sont utilisées dans les circuits de diviseurs de tension. Elles réduisent le niveau de tension d'un signal et servent généralement à réinjecter une tension élevée dans un dispositif dont la tension d'entrée nominale est inférieure. (Source de l'image : Art Pini)

Le diviseur de tension est utilisé pour des applications telles que la détection de la sortie d'une alimentation haute tension et son renvoi au contrôleur de puissance. Il peut également servir d'atténuateur pour réduire un signal haute tension, tel qu'une impulsion EMI ou la foudre, à un niveau sûr pour un instrument de mesure.

Dans la plupart des applications, la résistance supérieure, R₁, a une valeur beaucoup plus élevée que la résistance inférieure, R₂, et présente la tension la plus élevée. Une résistance à faible VCR est requise pour les applications dans lesquelles le signal d'entrée varie, comme lors de la mesure d'une impulsion EMI. Le coefficient de tension de résistance provoque une variation de l'atténuation de la sortie du diviseur en fonction du niveau de tension d'entrée, ce qui entraîne une erreur dans l'atténuation.

En supposant que l'entrée est une impulsion EMI sinusoïdale amortie de 1000 V crête, si R2 est égal à 1000 Ω et R1 à 1 MΩ et qu'il s'agit de résistances idéales, la sortie est un sinus amorti avec une amplitude de crête de 0,999 V. Si, toutefois, R1 a un coefficient VCR de -200 ppm/V, alors avec une tension d'entrée de 1000 V, la résistance diminuera de 200 kΩ. L'atténuation du diviseur de tension sera réduite et l'amplitude de crête de la sortie sera de 1,25 V. Lorsque la tension d'entrée varie, la variation de l'atténuation déforme la forme d'onde de sortie.

En présence de valeurs de résistance élevées et de hautes tensions, il est essentiel de prendre en compte le coefficient de tension de résistance.

Exemples de résistances pavés haute tension à faible VCR

Les résistances pavés haute tension à faible VCR série RVCU de Stackpole offrent une stabilité de tension exceptionnelle sur des plages de tensions de 800 V à 3000 V, selon la taille du boîtier. Cette série offre des résistances avec des tolérances de résistance de 0,5 % à 5 % sur une plage de 75 kΩ à 30 MΩ. Ces résistances présentent toutes un coefficient VCR de ±25 ppm/V pour les valeurs de résistance inférieures à 3 MΩ et de 50 ppm/V pour les valeurs supérieures à 3 MΩ jusqu'à 30 MΩ. Le coefficient de température de résistance est commun à tous les boîtiers à 100 ppm/°C. Elles sont conformes à AEC-Q200 pour les applications automobiles et ont également été testées pour la résistance au soufre selon la norme ASTM-B-809.

La gamme RVCU fournit des résistances dans des boîtiers à montage en surface 1206 (3216 métrique), 2010 (5025 métrique) et 2512 (6332 métrique) (Figure 4).

Figure 4 : Dimensions mécaniques des résistances pavés à montage en surface série RVCU. (Source : Stackpole Electronics Inc.)

Le numéro de modèle du boîtier indique les dimensions de longueur et de largeur. Les deux premiers chiffres représentent la longueur du boîtier, les deux derniers représentent sa largeur. Les dimensions américaines sont exprimées en centièmes de pouce (po), arrondies au nombre entier le plus proche. Les dimensions métriques sont exprimées en dixièmes de millimètre (mm). Les trois boîtiers ont une hauteur standard de 0,55 mm (0,022 po). La spécification de tension de fonctionnement maximum varie en fonction de la taille du boîtier.

Le RVCU1206FT1M00 de Stackpole, par exemple, est une résistance à couche épaisse de 0,33 W, 1 MΩ à tolérance de 1 % en boîtier 1206 à montage en surface. Ce composant présente une tension de fonctionnement maximum de 800 V et une limite de tension de surcharge maximum de 1000 V.

Pour des niveaux de puissance légèrement supérieurs, le RVCU2010FT1M00 est une résistance à couche épaisse de 0,5 W et 1 MΩ en boîtier 2010 à montage en surface. Cette résistance a une tolérance de 1 %, une tension de fonctionnement maximum de 2000 V et une capacité de surcharge maximum de 3000 V.

Le RVCU2512FT1M00 de Stackpole est une résistance pavé à couche épaisse de 1 MΩ, à tolérance de ±1 % avec une puissance nominale de 1 W.

Ce dispositif est fourni en boîtier 2512 à montage en surface. Sa tension de fonctionnement est supérieure à celle du RVCU2010FT1M00 à 3000 V, avec une tension de surcharge nominale de 4000 V.

Conclusion

Les circuits à haute tension et à haute résistance nécessitent des résistances à faible VCR pour garantir la précision et la stabilité. Les résistances pavés série RVCU de Stackpole offrent un faible coefficient de tension de résistance de 25 ppm/V à 50 ppm/V et sont conçues pour offrir une stabilité exceptionnelle à des tensions de 800 V à 3000 V.