了解電流檢測(cè)電阻器的TCR

電阻溫度系數(shù) (TCR)，也稱為 RTC，是一種性能特性，受電阻器結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重影響，電阻值非常低，并且可能被不同的規(guī)格方法掩蓋。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹有助于 TCR 的結(jié)構(gòu)特征和規(guī)格，以及如何更好地理解該電阻器性能參數(shù)。該參數(shù)很重要，因?yàn)樗兄?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流測(cè)量的穩(wěn)定性，這會(huì)影響您如何考慮溫度變化以及如何選擇組件以滿足您的精度和準(zhǔn)確度要求。

前因后果1

電阻是導(dǎo)致電子運(yùn)動(dòng)偏離金屬或金屬合金晶格內(nèi)理想路徑的多種因素組合的結(jié)果。當(dāng)電子遇到晶格內(nèi)的缺陷或缺陷時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散。這增加了行進(jìn)的路徑，導(dǎo)致阻力增加。這些缺陷和缺陷可能是由于：

由于熱能引起的晶格運(yùn)動(dòng)

晶格中存在的不同原子，例如雜質(zhì)

部分或完全沒(méi)有晶格(無(wú)定形結(jié)構(gòu))

晶界無(wú)序區(qū)

晶格中的結(jié)晶和間隙缺陷

TCR 以 ppm/°C 為單位測(cè)量，是上述缺陷的熱能分量的特征，并且在不同材料之間變化很大(見表 3)。它測(cè)量電阻值在一個(gè)溫度范圍內(nèi)的變化。隨著溫度恢復(fù)到參考溫度，這種電阻變化的影響是可逆的。

TCR 效應(yīng)的另一種可視化方法是材料隨溫度的膨脹率?？紤]兩個(gè)不同的條，A 和 B，它們的長(zhǎng)度均為 100 米。棒 A 以 500 ppm/°C 的速率改變長(zhǎng)度，棒 B 以 20 ppm/°C 的速率變化。145°C 的溫度變化將導(dǎo)致 A 條的長(zhǎng)度增加 7.25 米，而 B 條僅增加 0.29 米。

圖 1：圖形比例 (1/20) 直觀地顯示了 TCR 隨溫度的差異。條 A 的長(zhǎng)度有明顯變化，而條 B 沒(méi)有明顯差異。(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

這適用于電阻器，因?yàn)檩^低的 TCR 會(huì)導(dǎo)致在由施加的功率(導(dǎo)致電阻元件溫度升高)或周圍環(huán)境引起的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行更穩(wěn)定的測(cè)量。

如何測(cè)量 TCR

根據(jù) MIL-STD-202 方法 304 的 TCR 性能是基于 25°C 參考溫度的電阻變化。溫度發(fā)生變化，一旦電阻達(dá)到平衡，電阻值的差異就是TCR。溫度升高時(shí)電阻增加是正 TCR(注意，由于 TCR，自熱也會(huì)導(dǎo)致電阻變化)，而溫度升高時(shí)電阻降低是負(fù) TCR。

電阻——溫度系數(shù)(%)：

電阻——溫度系數(shù)(ppm)：

R 1 = 參考溫度下的電阻

R 2 = 工作溫度下的電阻

t 1 = 參考溫度 (25°C)

t 2 = 工作溫度

工作溫度 (t 2 ) 通常取決于應(yīng)用。例如，儀器儀表的溫度范圍通常為 –10°C 至 60°C，而軍事應(yīng)用的工作溫度通常為 –55°C 至 125°C。

圖 2：不同 TCR 水平的電阻變化百分比與從 25°C 開始的溫度升高的比較。(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

以下等式計(jì)算給定 TCR 的電阻值的最大變化。

R = 最終電阻

R 0 = 初始電阻

α = TCR

T = 最終溫度

T 0 = 初始溫度

建筑和材料如何影響 TCR

與傳統(tǒng)的厚膜電流檢測(cè)電阻器相比，金屬條和金屬板技術(shù)提供了卓越的 TCR 性能，因?yàn)楹衲る娮璨牧现饕倾y，銀和銅端子提供相對(duì)較高的 TCR 性能值。

圖 3：電阻溫度系數(shù)性能比較(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

Metal Strip 電阻器技術(shù)使用實(shí)心銅端子(圖 4，第 2 項(xiàng))，該端子焊接到低 TCR 電阻合金(圖 4，第 1 項(xiàng))，可實(shí)現(xiàn)低至 0.1 mΩ 的值和低 TCR。然而，與電阻合金 (<20 ppm/°C) 相比，銅端子具有較高的 TCR (3,900 ppm/°C)，在較低電阻值下對(duì)整體 TCR 性能的貢獻(xiàn)更大。

圖 4：Metal Strip 電流感應(yīng)電阻器(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

銅端子提供與電阻合金的低電阻連接，使電流均勻分布到電阻元件，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的電流測(cè)量。下圖(圖 5)顯示了總電阻如何受銅端子和低 TCR 電阻合金組合的影響。對(duì)于相同結(jié)構(gòu)的最低電阻值，銅在 TCR 性能中變得更加重要。

圖 5：銅端子和電阻合金對(duì)總電阻的貢獻(xiàn)。(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

開爾文終端與二終端

開爾文(四端子)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)好處：提高電流測(cè)量的可重復(fù)性和 TCR 性能。缺口結(jié)構(gòu)減少了測(cè)量中的電路內(nèi)銅量。

圖 6：開爾文端接與雙端 2515 的比較(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

為什么不一直切到電阻合金以獲得最佳 TCR?

銅允許低電阻連接來(lái)測(cè)量電流。對(duì)電阻合金開槽會(huì)導(dǎo)致測(cè)量通過(guò)電阻合金的沒(méi)有電流流動(dòng)的部分進(jìn)行，從而導(dǎo)致測(cè)量電壓增加。缺口是銅 TCR 效應(yīng)與測(cè)量精度和可重復(fù)性之間的折衷。

圖 7：缺口結(jié)構(gòu)(來(lái)源：Vishay Intertechnology)

我可以使用四端子焊盤設(shè)計(jì)來(lái)獲得相同的結(jié)果嗎?

不會(huì)。雖然四端子焊盤設(shè)計(jì)確實(shí)提供了更好的測(cè)量重復(fù)性，但它并沒(méi)有消除測(cè)量電路中銅的影響，并且仍然具有相同的額定 TCR。

復(fù)合結(jié)構(gòu)與焊接

端子可以由電阻元件的薄銅層構(gòu)成，這將影響 TCR 額定值和測(cè)量可重復(fù)性。薄銅層是通過(guò)包層結(jié)構(gòu)或電鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)合結(jié)構(gòu)使用極壓將銅片機(jī)械粘合到電阻合金上，以在材料之間形成均勻的界面。在這兩種構(gòu)造方法中，銅層厚度通常為千分之幾英寸，這可以最大限度地減少銅的影響并提供改進(jìn)的 TCR。

權(quán)衡是當(dāng)安裝到電路板上時(shí)，電阻器的值會(huì)略有變化，因?yàn)楸°~層不允許電流均勻分布通過(guò)高電阻合金。在某些情況下，板上安裝的電阻偏移可能比被比較的電阻器類型之間的 TCR 影響大得多。

并非所有數(shù)據(jù)表都是一樣的

一些制造商會(huì)列出元素TCR，它只是整體性能的一部分，因?yàn)槎私有?yīng)被忽略了。關(guān)鍵參數(shù)是包含端接效應(yīng)的組件 TCR，這就是電阻器在應(yīng)用中的表現(xiàn)。

在其他情況下，TCR 特性將適用于有限的溫度范圍，例如 20°C 到 60°C，而另一個(gè)可能會(huì)出現(xiàn)在更寬的范圍內(nèi)，例如 –55°C 到 155°C。比較這些電阻器時(shí)，為有限溫度范圍指定的電阻器將呈現(xiàn)比在更寬范圍內(nèi)指定的電阻器更好的性能。TCR 性能通常是非線性的，并且在負(fù)溫度范圍內(nèi)更差。