Coefficient de température de résistance pour la détection du courant

Les points suivants seront abordés dans cet article.

1. Qu'est-ce que le TCR ?
2. Comment le TCR est-il déterminé ?
3. Comment la construction affecte-t-elle les performances du TCR ?
4. TCR dans les applications
5. Comment comparer les fiches techniques

Cause et effet

La résistance est le résultat d'une combinaison de facteurs qui font que le mouvement d'un électron s'écarte de la trajectoire idéale dans le réseau cristallin d'un métal ou d'un alliage métallique. Lorsqu'un électron rencontre des défauts ou des imperfections dans le réseau, cela peut entraîner une diffusion, ce qui augmente le chemin parcouru, résultant en une résistance accrue. Ces défauts et imperfections peuvent résulter des conditions suivantes :

• Mouvement dans le réseau dû à l'énergie thermique
• Différents atomes présents dans le réseau, tels que des impuretés
• Absence partielle ou totale de réseau (structure amorphe)
• Zones désordonnées aux joints des grains
• Défauts cristallins et interstitiels dans le réseau

Le coefficient de température de résistance (TCR) est une caractéristique de la composante d'énergie thermique des imperfections ci-dessus. L'effet de ce changement de résistance est réversible à mesure que la température revient à la température de référence, en supposant que la structure du grain n'a pas été altérée par les hautes températures résultant d'un événement d'impulsion/de surcharge extrême. Pour les produits Power Metal Strip® et Power Metal Plate™, il s'agirait d'une température qui fait dépasser 350°C à l'alliage de résistance.

Cette variation de résistance due à la température est mesurée en ppm/°C, qui varie largement entre les différents matériaux. Par exemple, l'alliage manganèse-cuivre a un TCR < 20 ppm/°C (de 20°C à 60°C), alors que le cuivre utilisé dans les terminaisons a un TCR d'environ 3900 ppm/°C. Une autre façon de représenter la valeur ppm/°C qui peut être plus facile à interpréter est la formule où 3900 ppm/°C est égal à 0,39 %/°C. Ces valeurs peuvent sembler faibles jusqu'à ce que vous considériez le changement de résistance dû à une augmentation de température de 100°C. Pour le cuivre, cela entraînerait une variation de 39 % de la résistance.

Une autre méthode pour visualiser l'effet du TCR consiste à le considérer en termes de taux de dilatation d'un matériau en fonction de la température (Figure 1). Considérons deux barres différentes, A et B, qui mesurent chacune 100 m de longueur. La barre A change de longueur à un taux de +500 ppm/°C et la barre B change de longueur à un taux de +20 ppm/°C. Un changement de température de 145°C entraînera une augmentation de la longueur de la barre A de 7,25 m, alors que la longueur de la barre B n'augmentera que de 0,29 m. Vous trouverez ci-dessous une représentation à l'échelle (1/20) pour démontrer visuellement la différence. La barre A présente un changement de longueur très visible, tandis que la barre B ne présente aucun changement de longueur visible.

Figure 1 : Une méthode pour visualiser l'effet du TCR est de le considérer en termes de taux de dilatation d'un matériau avec l'augmentation de la température. (Source de l'image : Vishay Dale)

Cela s'applique également à une résistance en ce sens qu'un TCR plus faible se traduira par une mesure plus stable en fonction de la température, ce qui peut être causé par la puissance appliquée (entraînant une augmentation de la température de l'élément de résistance) ou l'environnement ambiant.

Mesure du TCR

Les performances TCR selon la méthode 304 de la norme MIL-STD-202 sont les variations de résistance basées sur une température de référence de 25°C. La température est modifiée et on laisse le dispositif testé atteindre l'équilibre avant de mesurer la valeur de résistance. La différence est utilisée pour déterminer le TCR. Pour le modèle Power Metal Strip WSL, le TCR est mesuré à la basse température de -65°C, puis mesuré à +170°C. L'équation est présentée ci-dessous. Typiquement, une augmentation de la résistance avec une augmentation de la température résulte en un TCR positif. Notez également que l'auto-échauffement entraîne un changement de résistance dû au TCR.

Résistance - coefficient de température (%) :

Résistance - coefficient de température (ppm) :

Où :

R1 = résistance à la température de référence

R2 = résistance à la température de fonctionnement

t1 = température de référence (25°C)

t2 = température de fonctionnement

La température de fonctionnement (t2) est souvent basée sur l'application. Par exemple, la plage de températures pour l'instrumentation est généralement comprise entre 0°C et 60°C, tandis que la plage typique pour les applications militaires s'étend de -55°C à 125°C. La série Power Metal Strip WSL fournit un TCR pour sa plage de fonctionnement de -65°C à +170°C, tandis que la série WSLT a une plage de températures étendue atteignant 275°C.

Le Tableau 1 ci-dessous donne le TCR pour certains matériaux de résistance utilisés dans la gamme de produits associés à cet article.

Tableau 1 : TCR de différents matériaux d'éléments de résistance en ppm/°C. (Source de l'image : Vishay Dale)

La Figure 2 compare différents niveaux TCR en tant que pourcentage de changement de résistance par rapport à une température croissante à partir de 25°C.

Figure 2 : Comparaison de différents niveaux de TCR en tant que pourcentage de changement de résistance par rapport à la température. (Source de l'image : Vishay Dale)

L'équation suivante calcule la variation maximum de la valeur de résistance pour un TCR donné.

Où :

R = résistance finale

R0 = résistance initiale

α = TCR

T = température finale

T0 = température initiale

Vishay propose un calculateur TCR en ligne sur https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/.

Comment la construction affecte le TCR

Les séries Power Metal Strip et Power Metal Plate offrent des performances TCR supérieures à celles des résistances de détection du courant à couches épaisses entièrement métalliques traditionnelles. Une résistance de détection du courant à couches épaisses utilise principalement l'argent comme matériau, avec des bornes en argent et en cuivre. L'argent et le cuivre présentent des valeurs de performances TCR similaires.

Figure 3 : Comparaison des résistances Power Metal Strip de Vishay avec des résistances à bande métallique et à couches épaisses typiques. (Source de l'image : Vishay Dale)

La série de résistances Power Metal Strip utilise une borne en cuivre massif (élément 2 de la Figure 4) qui est soudée par faisceau d'électrons à un alliage de résistance à faible TCR (élément 1), permettant d'obtenir de faibles valeurs de seulement 0,1 mΩ avec un faible TCR. Cependant, la borne en cuivre présente un TCR élevé (3900 ppm/°C) par rapport à l'alliage de résistance (< 20 ppm/°C), ce qui joue un rôle dans les performances TCR globales, car des valeurs de résistance plus faibles sont requises.

Figure 4 : Construction typique d'une résistance Power Metal Strip de Vishay. (Source de l'image : Vishay Dale)

La borne en cuivre fournit une connexion à faible résistance à l'alliage de résistance, ce qui permet une distribution uniforme du flux de courant vers l'élément de résistance pour une mesure du courant plus précise pour les applications à fort courant. Cependant, la borne en cuivre a un TCR élevé (3900 ppm/°C) par rapport à l'alliage de résistance (< 20 ppm/°C), ce qui a un impact significatif sur les performances TCR globales à des valeurs de résistance très faibles. La Figure 5 illustre comment la résistance totale est influencée par la combinaison de la borne en cuivre et de l'alliage de résistance à faible TCR. Pour les valeurs de résistance les plus faibles d'une construction de résistance spécifique, le cuivre devient plus significatif dans les performances et la valeur du TCR.

Figure 5 : Pour les valeurs de résistance inférieures d'une construction de résistance spécifique, le cuivre devient plus significatif dans les performances et la valeur du TCR. (Source de l'image : Vishay Dale)

Cette influence peut se produire à différentes plages de valeurs de résistance pour différents composants. Par exemple, le TCR du WSLP2512 est de 275 ppm/°C à 1 mΩ, tandis que celui du WSLF2512 est de 170 ppm/°C à 1 mΩ. Le WSLF a un TCR plus faible parce que la borne en cuivre a une contribution de résistance inférieure pour la même valeur de résistance.

Borne Kelvin par rapport à 2 bornes

La construction Kelvin (4 bornes) offre deux avantages : une meilleure répétabilité de la mesure du courant et des performances TCR améliorées. La construction à encoche réduit la quantité de cuivre dans le circuit pendant la mesure. Le Tableau 2 illustre les avantages d'un WSK2512 à terminaison Kelvin par rapport au WSLP2512 à 2 bornes.

Tableau 2 : Comparaison entre le WSK2512 à terminaison Kelvin et le WSLP2512 à 2 bornes. (Source de l'image : Vishay Dale)

Deux questions essentielles se posent (l'exemple de la Figure 6 concerne le WSL3637)

• Pourquoi ne pas créer une encoche jusqu'à l'alliage de résistance pour obtenir le meilleur TCR ?

  Cela introduirait un nouveau problème car le cuivre permet une connexion à faible résistivité à la région du flux de courant à mesurer. Une encoche jusqu'à l'alliage de résistance entraînerait l'application de la mesure à travers une partie de l'alliage de résistance où le flux de courant est absent. Cela se traduirait par une augmentation de la tension mesurée. Il s'agit d'un compromis entre les effets TCR du cuivre et la précision et la répétabilité des mesures.

• Puis-je utiliser une conception à 4 bornes pour obtenir les mêmes résultats ?

Non. Bien qu'une conception de pastille à 4 bornes offre une meilleure répétabilité des mesures, elle ne supprime pas les effets du cuivre du circuit de mesure. La résistance fonctionnera toujours avec le même TCR nominal.

Figure 6 : La construction à encoche (WSL3637 de Vishay Dale présenté ici) réduit la quantité de cuivre en circuit de la mesure de détection du courant. (Source de l'image : Vishay Dale)

Construction surélevée

Les composants à borne Kelvin ne sont pas limités à une construction de type planaire (ou plat). Le WSK1216 et le WSLP2726 sont des exemples de résistances utilisant une construction surélevée. L'objectif est d'économiser de l'espace carte tout en maximisant la part de résistance apportée par l'alliage de résistance à faible TCR. La combinaison de l'optimisation de l'élément de résistance et de la terminaison Kelvin fournit une résistance avec un faible TCR à de très faibles valeurs de résistance (0,0002 Ω), une empreinte compacte et une haute puissance nominale.

Construction plaquée ou soudée

Les bornes construites en appliquant une fine couche de cuivre sur l'élément résistif affectent également le TCR et la répétabilité des mesures. La fine couche de cuivre peut être obtenue par une construction plaquée ou par galvanoplastie. Une construction plaquée est obtenue en laminant ensemble des feuilles de cuivre et un alliage de résistance sous une pression extrême afin de créer une liaison mécanique uniforme entre les deux matériaux. Dans les deux méthodes de construction, l'épaisseur de la couche de cuivre est généralement de quelques millièmes de pouce, ce qui minimise l'effet du cuivre et permet d'obtenir un meilleur TCR. La contrepartie est que la résistance a une valeur légèrement faussée lorsqu'elle est montée sur la carte, car la fine couche de cuivre ne permet pas une distribution uniforme du courant dans l'alliage haute résistance. Dans certains cas, le décalage de la résistance montée sur carte peut être beaucoup plus important que les effets du TCR entre les types de résistance comparés. Pour plus d'informations sur la construction plaquée, consultez https://www.vishay.com/doc?30333.

Un autre facteur de construction peut jouer un petit rôle dans la caractéristique TCR d'une résistance, dans la mesure où les propriétés du cuivre et de l'alliage de résistance peuvent s'annuler mutuellement, fournissant une caractéristique TCR très faible. Un test TCR détaillé pour une résistance spécifique peut être nécessaire pour comprendre les caractéristiques de performances complètes.

TCR dans une application (puissance appliquée et environnement)

Alors que le TCR est généralement considéré en termes de variation de la résistance en fonction des conditions environnementales ou ambiantes, il existe une autre dimension à prendre en compte : l'élévation de température due à la puissance appliquée. Lorsque la puissance est appliquée, la résistance chauffe en raison de la conversion de l'énergie électrique en énergie thermique. Cette augmentation de température due à la puissance appliquée est également une composante liée au TCR, parfois appelée coefficient de puissance de résistance (PCR).

La PCR introduit une autre couche déterminée par la construction, basée sur la conduction thermique à travers le composant ou la résistance thermique interne, R_thi. Une résistance qui a une très faible résistance thermique sur une carte à haute conductivité thermique maintiendra une température de résistance plus basse. Un exemple serait le WSHP2818, où la grande borne en cuivre et la construction interne fournissent une construction très efficace sur le plan thermique, ce qui signifie que la température n'augmentera pas de manière significative par rapport à la puissance appliquée.

Toutes les fiches techniques ne se valent pas

Il peut être difficile de comparer les spécifications de plusieurs fabricants, car il existe de nombreuses façons de présenter le TCR. Certains fabricants indiquent le TCR de l'élément, qui ne représente qu'une partie des performances globales du produit, car les effets de terminaison sont ignorés. Le paramètre le plus important est le TCR du composant qui inclut les effets de terminaison, c'est-à-dire la façon dont la résistance se comportera dans l'application.

Parfois, la caractéristique TCR est présentée pour une plage de températures limitée, par exemple de 20°C à 60°C, tandis que d'autres fabricants peuvent présenter les caractéristiques TCR sur une plage de fonctionnement plus étendue, par exemple de -55°C à +155°C. Lorsque ces résistances sont comparées, la résistance spécifiée pour une plage de températures limitée présentera de meilleures performances que la résistance spécifiée sur une plage plus large. Les performances TCR sont typiquement non linéaires et se détériorent dans la plage de températures négatives. Des courbes TCR détaillées spécifiques à la construction de la résistance et à la valeur de résistance peuvent être disponibles pour vous aider dans votre conception. Contactez DigiKey ou Vishay Dale à l'adresse www2bresistors@Vishay.com.

Reportez-vous aux graphiques de la Figure 7 qui montrent la caractéristique non linéaire du TCR et l'écart que peut présenter une même résistance sur une plage de températures différente.

Figure 7 : Exemple de la caractéristique non linéaire du TCR et de l'écart que peut présenter une même résistance sur une plage de températures différente. (Source de l'image : Vishay Dale)

Si une fiche technique indique le TCR pour une plage de valeurs de résistance, de meilleures performances peuvent être disponibles. La valeur de résistance la plus faible de la plage définit la limite de la plage en raison des effets de terminaison. Une résistance avec la valeur de résistance la plus élevée dans la même plage peut avoir un TCR plus proche de zéro car une plus grande partie de la valeur de résistance est dérivée de l'alliage de résistance à faible TCR. Pour les couches épaisses, c'est une combinaison de la teneur en argent dans la couche résistive et de l'effet de terminaison. Un autre point à préciser concernant cette comparaison de graphiques est que les résistances n'ont pas toujours cette amplitude de pente, certaines pouvant être plus plates, ce qui dépend des interactions du TCR pour les deux matériaux pour la valeur de la résistance.

LISTE DE CONTRÔLE COMPARATIVE

L'objectif de cette section est d'offrir un guide pour comparer le TCR d'une fiche technique à une autre sur la base des détails offerts dans cette note d'application.

1. Les constructions des résistances sont-elles similaires ?
   1. La borne est-elle plaquée, électroplaquée ou en cuivre massif ?
   2. La fiche technique indique-t-elle le TCR de l'alliage de résistance ou un paramètre de performances TCR (total) du composant ? Ce n'est pas toujours facile à déterminer.
2. Plage de températures
   1. La plage de températures pour le TCR spécifié est-elle la même, par exemple de 20°C à 60°C, ou plus étendue ?
   2. La valeur TCR présentée est-elle comparable pour toutes les valeurs de résistance ?
3. La conception bénéficierait-elle d'une terminaison Kelvin pour des performances TCR améliorées ?
4. Avez-vous besoin de données plus spécifiques pour vos besoins de conception ? www2bresistors@Vishay.com

Référence :

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

Ressources supplémentaires

1. Présentation : Power Metal Strip® Surface-Mount Current Sensing Resistors