了解电流检测电阻器的TCR

王越建 2022-08-10 5117

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描述

电阻温度系数 (TCR)，也称为 RTC，是一种性能特性，受电阻器结构的严重影响，电阻值非常低，并且可能被不同的规格方法掩盖。在本文中，我们将重点介绍有助于 TCR 的结构特征和规格，以及如何更好地理解该电阻器性能参数。该参数很重要，因为它有助于电流测量的稳定性，这会影响您如何考虑温度变化以及如何选择组件以满足您的精度和准确度要求。

前因后果1

电阻是导致电子运动偏离金属或金属合金晶格内理想路径的多种因素组合的结果。当电子遇到晶格内的缺陷或缺陷时，它会导致扩散。这增加了行进的路径，导致阻力增加。这些缺陷和缺陷可能是由于：

由于热能引起的晶格运动

晶格中存在的不同原子，例如杂质

部分或完全没有晶格(无定形结构)

晶界无序区

晶格中的结晶和间隙缺陷

TCR 以 ppm/°C 为单位测量，是上述缺陷的热能分量的特征，并且在不同材料之间变化很大(见表 3)。它测量电阻值在一个温度范围内的变化。随着温度恢复到参考温度，这种电阻变化的影响是可逆的。

电阻器

TCR 效应的另一种可视化方法是材料随温度的膨胀率。考虑两个不同的条，A 和 B，它们的长度均为 100 米。棒 A 以 500 ppm/°C 的速率改变长度，棒 B 以 20 ppm/°C 的速率变化。145°C 的温度变化将导致 A 条的长度增加 7.25 米，而 B 条仅增加 0.29 米。

电阻器

图 1：图形比例 (1/20) 直观地显示了 TCR 随温度的差异。条 A 的长度有明显变化，而条 B 没有明显差异。(来源：Vishay Intertechnology)

这适用于电阻器，因为较低的 TCR 会导致在由施加的功率(导致电阻元件温度升高)或周围环境引起的温度范围内进行更稳定的测量。

如何测量 TCR

根据 MIL-STD-202 方法 304 的 TCR 性能是基于 25°C 参考温度的电阻变化。温度发生变化，一旦电阻达到平衡，电阻值的差异就是TCR。温度升高时电阻增加是正 TCR(注意，由于 TCR，自热也会导致电阻变化)，而温度升高时电阻降低是负 TCR。

电阻——温度系数(%)：

电阻器

电阻——温度系数(ppm)：

电阻器

R 1 = 参考温度下的电阻

R 2 = 工作温度下的电阻

t 1 = 参考温度 (25°C)

t 2 = 工作温度

工作温度 (t 2 ) 通常取决于应用。例如，仪器仪表的温度范围通常为 –10°C 至 60°C，而军事应用的工作温度通常为 –55°C 至 125°C。

电阻器

图 2：不同 TCR 水平的电阻变化百分比与从 25°C 开始的温度升高的比较。(来源：Vishay Intertechnology)

以下等式计算给定 TCR 的电阻值的最大变化。

R = 最终电阻

电阻器

R 0 = 初始电阻

α = TCR

T = 最终温度

T 0 = 初始温度

建筑和材料如何影响 TCR

与传统的厚膜电流检测电阻器相比，金属条和金属板技术提供了卓越的 TCR 性能，因为厚膜电阻材料主要是银，银和铜端子提供相对较高的 TCR 性能值。

电阻器

图 3：电阻温度系数性能比较(来源：Vishay Intertechnology)

Metal Strip 电阻器技术使用实心铜端子(图 4，第 2 项)，该端子焊接到低 TCR 电阻合金(图 4，第 1 项)，可实现低至 0.1 mΩ 的值和低 TCR。然而，与电阻合金 (<20 ppm/°C) 相比，铜端子具有较高的 TCR (3,900 ppm/°C)，在较低电阻值下对整体 TCR 性能的贡献更大。

电阻器

图 4：Metal Strip 电流感应电阻器(来源：Vishay Intertechnology)

铜端子提供与电阻合金的低电阻连接，使电流均匀分布到电阻元件，从而实现更准确的电流测量。下图(图 5)显示了总电阻如何受铜端子和低 TCR 电阻合金组合的影响。对于相同结构的最低电阻值，铜在 TCR 性能中变得更加重要。

电阻器

图 5：铜端子和电阻合金对总电阻的贡献。(来源：Vishay Intertechnology)

开尔文终端与二终端

开尔文(四端子)结构有两个好处：提高电流测量的可重复性和 TCR 性能。缺口结构减少了测量中的电路内铜量。

电阻器

图 6：开尔文端接与双端 2515 的比较(来源：Vishay Intertechnology)

有两个关键问题：

为什么不一直切到电阻合金以获得最佳 TCR?

铜允许低电阻连接来测量电流。对电阻合金开槽会导致测量通过电阻合金的没有电流流动的部分进行，从而导致测量电压增加。缺口是铜 TCR 效应与测量精度和可重复性之间的折衷。

电阻器

图 7：缺口结构(来源：Vishay Intertechnology)

我可以使用四端子焊盘设计来获得相同的结果吗?

不会。虽然四端子焊盘设计确实提供了更好的测量重复性，但它并没有消除测量电路中铜的影响，并且仍然具有相同的额定 TCR。

复合结构与焊接

端子可以由电阻元件的薄铜层构成，这将影响 TCR 额定值和测量可重复性。薄铜层是通过包层结构或电镀来实现的。复合结构使用极压将铜片机械粘合到电阻合金上，以在材料之间形成均匀的界面。在这两种构造方法中，铜层厚度通常为千分之几英寸，这可以最大限度地减少铜的影响并提供改进的 TCR。

权衡是当安装到电路板上时，电阻器的值会略有变化，因为薄铜层不允许电流均匀分布通过高电阻合金。在某些情况下，板上安装的电阻偏移可能比被比较的电阻器类型之间的 TCR 影响大得多。

并非所有数据表都是一样的

一些制造商会列出元素TCR，它只是整体性能的一部分，因为端接效应被忽略了。关键参数是包含端接效应的组件 TCR，这就是电阻器在应用中的表现。

在其他情况下，TCR 特性将适用于有限的温度范围，例如 20°C 到 60°C，而另一个可能会出现在更宽的范围内，例如 –55°C 到 155°C。比较这些电阻器时，为有限温度范围指定的电阻器将呈现比在更宽范围内指定的电阻器更好的性能。TCR 性能通常是非线性的，并且在负温度范围内更差。

电阻器

图 8：相同 WSLP2512 电阻器在不同温度范围内的 TCR。。(来源：Vishay Intertechnology)

如果数据表列出了电阻值范围的 TCR，则该范围的最低电阻值会由于端接效应而设置限制。相同范围内的较高值电阻器的 TCR 可能更接近于零，因为更多的总电阻来自低 TCR 合金。

需要澄清的另一点(参见图 8)是电阻器并不总是具有这种斜率幅度，因为有些可能更平坦;这取决于两种材料的 TCR 相互作用的电阻值。

总之，影响 TCR 的因素有很多，而且数据表可能没有提供您需要的信息或您需要的详细信息。作为设计人员，如果您需要更多信息来支持您的决定，那么您应该联系设备供应商的技术资源。

　　审核编辑：汤梓红

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