Использование высокотемпературных резисторов, особенности
В статье рассматриваются резисторы разных типов, предназначенные для приложений, которые функционируют при повышенной рабочей температуре. Даются рекомендации по их применению. Кратко перечисляются особенности применения токочувствительных резисторов.
Введение
В общем случае применение резисторов не вызывает проблем, и разработчик выбирает резистор, исходя, прежде всего, из требуемого номинального значения и не интересуясь типом этого компонента. Однако существуют приложения, требующие при выборе резисторов иметь в виду не только номинальные значения сопротивления, но и типы. Такой выбор приходится делать при разработке приложений, у которых температура окружающей среды существенно превышает 100°C.
Такие приложения востребованы в нефтегазовой и автомобильной отраслях. К настоящему времени, с появлением карбидокремниевых полупроводниковых приборов, к этим приложениям добавилась и силовая электроника. В этой связи нелишним будет напомнить разработчикам об особенностях резисторов разных типов.
Проволочные резисторы
Наш короткий обзор начнем с проволочных резисторов. У них довольно простая конструкция: резистивный провод, например нихром, наматывается на внутренний каркас из окиси алюминия или стеатитовой керамики. Нихромовые резисторы выдерживают температуру до 200–250°C, а в некоторых случаях и выше. От воздействий внешней среды такой резистор защищен стекловидной эмалью, силиконом или эпоксидной смесью.
К сожалению, именно защитная оболочка проволочного резистора чаще всего и является его слабым местом при высоких температурах. Различие в коэффициентах теплового расширения может вызвать деформацию поверхности, трещины на ней, а попадание в них влаги ускорит разрушение защитной оболочки и, в конечном счете, приведет к полному отказу резистора. Наиболее подвержена разрушению оболочка из эпоксидных смол, тогда как покрытия из стекловидных материалов и силиконов гораздо устойчивее к высоким температурам.
Иногда применяется эмалевое покрытие, которое обеспечивает дополнительную защиту в химически агрессивных средах, но при высоких температурах удельное сопротивление такого покрытия заметно снижается, что может повлиять на номинальное сопротивление резистора и увеличить погрешность. Одним из недостатков проволочных резисторов является их паразитная индуктивность, особенно при высоких значениях сопротивления. Этот недостаток частично устраняется способом намотки проволоки: две секции обмотки мотаются в противоположных направлениях и включаются последовательно для компенсации противоположно текущих токов. Недостаток данного способа заключается в увеличении размера резистора.
Рисунок 1
Рисунок 2
Схематичное устройство толстопленочного резистора
Результаты испытаний толстопленочного резистора
Толстопленочные резисторы
Толстопленочные резисторы изготавливаются путем нанесения металлических частиц на керамическую подложку с последующим обжигом при температуре выше 700°C, благодаря чему образуется проводящая керметная (керамика–металл) матрица. Композиции для керметных резисторов могут составляться из золота или смеси палладия с серебром. Резисторы этого типа могут иметь малый типоразмер вплоть до 0201. Схематично устройство толстопленочного резистора показано на рисунке 1.
У резисторов рассматриваемого типа – высокая температурная стабильность. Например, при испытании без нагрузки толстопленочных резисторов одной из компаний при 300°C в течение 1000 ч их сопротивление изменилось всего на 0,25%. Результаты испытаний показаны на рисунке 2.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) этих резисторов в диапазоне нормальных температур составляет примерно 100 ppm/°C, но может резко меняться в зоне высоких температур. Примерная зависимость ТКС толстопленочных резисторов от температуры показана на рисунке 3. Таким образом, хотя толстопленочные резисторы выигрывают у проволочных по габаритам, в приложениях, где помимо способности выдерживать высокие температуры требуется еще уменьшить погрешности, лучше использовать тонкопленочные или проволочные резисторы.
Рисунок 3
Таблица
Изменение ТКС толстопленочного резистора в зависимости от температуры
Свойства резистивных материалов тонкопленочных резисторов
Тонкопленочные резисторы
В отличие от толстопленочных резисторов, которые производятся с помощью аддитивного высокотемпературного процесса, тонкопленочные резисторы изготавливаются посредством субтрактивной (вытравливанием) технологии осаждения распылением. Дальнейшие производственные операции применяются для кондиционирования резистивного слоя и оптимизации температурных характеристик.
Тонкопленочные резисторы характеризуются малым ТКС и малой погрешностью. Кроме одиночных резисторов, на рынке предлагаются и сборки тонкопленочных резисторов. В качестве резистивного материала в них обычно используется сплав нихрома или нитрид тантала. Тепловые свойства этих материалов приведены в таблице. Как из нее видно, оба материала имеют высокую температуру плавления и высокую устойчивость к окислению.
Обе резистивные пленки обеспечивают стабильность сопротивления и малый ТКС при нормальных температурах. Кроме того, эти параметры не столь значительно ухудшаются в диапазоне высоких температур. В отличие от толстопленочных резисторов, у тонкопленочных компонентов зависимость ТКС от температуры близка к линейной. На рисунке 4 показано, как изменяется ТКС в зависимости от температуры в случае нихромовых резисторов разных типов. У резисторов с резистивным слоем из нитрида тантала эти зависимости имеют аналогичный вид.
Мы уже упомянули возможность изготовления матрицы тонкопленочных резисторов в одном корпусе. Дополнительным преимуществом такого решения является отличное согласование параметров резисторов сборки. На рисунке 5 показано, как меняется со временем 10-кОм сопротивление резисторов 7-резисторной матрицы при 200°C. Как видно из рисунка, рассогласование временного изменения сопротивлений резисторов сборки весьма невелико.
Изменение сопротивления резисторов происходит по ряду причин: из-за окисления, миграции резистивных слоев, диффузии металла. Уменьшить дрейф сопротивления со временем помогает предварительное прокаливание при высокой температуре. На рисунке 6 показан график изменения сопротивления такой же резисторной сборки, что на рисунке 5, но подвергшейся предварительному прокаливанию в течение 148 ч. Как видно из рисунка, сопротивление резисторов стало изменяться гораздо меньше.
Рисунки 5 и 6 показывают хорошее согласование сопротивлений всех резисторов сборки, что позволяет создать на их базе стабильные высокоточные резистивные делители или цепи R–2R во всем диапазоне рабочей температуры. Кроме того, использование резисторных сборок, как правило, позволяет выиграть в стоимости по сравнению с решениями из одинарных резисторов, обеспечивающих ту же точность и стабильность. На рисунке 7 показаны типичные рассогласования сопротивлений упомянутой 10-кОм матрицы. Согласитесь, что рассогласование 50 ppm (0,005%) удовлетворяет большинству самых строгих требований.
Помимо перечисленных выше типов резисторов, для использования при высокой температуре подойдут резисторы из фольги, но они заметно дороже перечисленных выше и применяются относительно редко, поэтому мы не включили их в наш обзор.
Рисунок 4
Рисунок 5
Изменение ТКС в зависимости от температуры для нихромовых резисторов разных типов
Изменение во времени сопротивления 10-кОм резисторов 7-резисторной матрицы
Рисунок 6
Рисунок 7
Изменение во времени сопротивления 10-кОм резисторов 7-резисторной матрицы, подвергшейся предварительному прокаливанию в течение 148 ч
Рассогласование сопротивлений 10-кОм резисторной матрицы
Токочувствительные резисторы
Повышение температуры резисторов до высоких значений происходит не только при высокой температуре окружающей среды, но и в результате саморазогрева, что часто бывает при использовании их в качестве шунтов в схемах силовой электроники. Поэтому в заключение мы рассмотрим особенности этого приложения.
В качестве токочувствительных резисторов и шунтов, в основном, применяются толсто и тонкопленочные резисторы, а также резисторы из металлических сплавов. Тонкопленочные резисторы обычно используются для прецизионных измерений относительно небольших токов. Толстопленочные резисторы пригодны для измерения больших токов, чем тонкопленочные, но они не обеспечивают ту же точность измерений. Резисторы из металлических сплавов хорошо справляются со значительными бросками токов и применяются для измерения больших токов. Номинальное сопротивление этих резисторов достигает весьма малых величин в несколько десятых долей Ом.
При выборе номинальной мощности токочувствительного резистора следует учитывать возможность локального
перегрева. Нагрев резистора свыше 150°C не причинит ему вреда, однако при высокой плотности монтажа и неудачной компоновке токочувствительный резистор может оказаться в тепловом кармане и нагреть все расположенные рядом компоненты до очень высокой температуры, на которую они не рассчитаны.
К тому же, при неудачной компонов-е может произойти неравномерный нагрев по длине резистора, что приведет к появлению термо ЭДС. Термо ЭДС толстопленочного резистора достигает значительной величины – нескольких десятков мкВ/°C, тогда как у резисторов из металлических сплавов она не превышает 3 мкВ/°C. Для лучшего охлаждения токочувствительного резистора следует оставить зазор между его корпусом и печатной платой.