Токочувствительные резисторы повышенной мощности


PDF версия

Применение резисторов в качестве датчиков тока в приложениях средней и малой мощности по-прежнему является привлекательным выбором в силу их простоты и низкой стоимости по сравнению с датчиками, основанными на иных принципах. В статье рассмотрены конструкции, технологии и особенности применения токочувствительных SMT-резисторов, рассчитанных на более высокие значения рассеиваемой мощности. Статья написана на основе работы [1].


Введение

Современные технологии управления преобразованием энергии требуют применения точных методов измерения тока. В приложениях, где необходима большая мощность, для этого применяются датчики на основе эффекта Холла или трансформаторы тока, а при малой и средней мощности в качестве датчиков тока очень часто используются резисторы. Для того чтобы минимизировать потери мощности, инженеры выбирают резисторы с наименьшим значением сопротивления.
В приложениях с малой мощностью и малым измеряемым током, как правило, применяются 1- и 2-Вт резисторы поверхностного монтажа (SMT). Однако сегодня во многих приложениях для измерения тока требуются SMT-резисторы большей мощности.

Типы резисторов и технологии

Прецизионные резисторы разделяются на следующие типы: толстопленочные, проволочные тонкопленочные и композиционные. Для измерения тока применяются толстопленочные и проволочные резисторы. В тонкопленочных и композиционных резисторах очень сложно, за малым исключением, достигнуть значений сопротивления нескольких мОм, которые требуются для измерения тока в приложениях средней мощности.
Типовой толстопленочный резистор мощностью 1 Вт изготавливают по стандартной технологии чип-резисторов. В качестве проводящего материала используют сплав серебра с палладиумом или платиной. В качестве резистивного элемента при малом значении сопротивления применяют сплав 40% серебра и 60% палладиума. Толстопленочные резисторы имеют очень малое сопротивление и низкую стоимость, но их габариты ограничены размером 2512, а мощность рассеяния величиной 2 Вт. Величина рассеиваемой мощности может быть увеличена при использовании конструкции резистора с боковыми выводами. В этом случае резистор размером 1225 способен рассеивать мощность до 3 Вт. Кроме того, такая конструкция обеспечивает лучшее согласование температурного коэффициента резистора и платы, а также более высокую надежность паяного соединения.
Проволочные резисторы используют, когда требуется сверхнизкое сопротивление менее 1 мОм. При очень малых значениях сопротивления вместо витков проволоки применяют штампованный резистивный слой из купрона — сплава меди и никеля или нихрома — сплав никеля и хрома.
Традиционные корпуса, применяемые для SMT-монтажа, просты и надежны, но ограничены малым размером, а, значит, и величиной рассеиваемой мощности. Отчасти эту проблему решают корпуса серии OARC компании IRC (см. рис.1), которые приподняты над платой, что улучшает условия отвода тепла. Их размер, включая выводы, составляет 0,81 × 0,275 дюйма, а максимальная рассеиваемая мощность достигает 5 Вт.

                             а)                                 б)
Рис. 1. Резисторы серии OARC: а) конструкция резистора, б) поле распределения температур резистора мощностью 4,5 Вт

Резисторы, применяемые для больших измеряемых токов, производятся в корпусах ТО263 (D2PAK). Величина сопротивления таких резисторов составляет менее 10 мОм, а рассеиваемая мощность достигает 20 Вт. И, наконец, для очень больших токов выпускаются резисторы в корпусах SOT227, их рассеиваемая мощность составляет 100 Вт или даже больше. Для этих резисторов обычно применяют соединение Кельвина, известное также как четырехпроводное подключение.

Применение четырехпроводного подключения для увеличения точности измерений

Вследствие очень малого значения сопротивления резистора возможна ошибка измерения из-за падения напряжения на соединительных проводниках. Погрешность также может возникнуть и из-за временного дрейфа сопротивления паяных соединений, через которые протекает измеряемый ток. Для решения этих проблем применяют четырехпроводное соединение. В этом случае проводники с измеряемым сигналом, подключаемые к схеме управления, отделены от проводников, по которым течет измеряемый ток. Ток, текущий через проводник с измеряемым сигналом, незначителен, поэтому можно пренебречь и падением напряжения, которое он создает на проводниках.
Резисторы с четырехпроводным подключением производятся серийно. Фактически, описанное решение известно давно — именно таково конструктивное исполнение шунтов. Возможна также реализация псевдочетырехпроводного подключения и при использовании двухвыводного резистора за счет соответствующей топологии проводников печатной платы (см. рис. 2). В этом случае проводники печатной платы, по которым течет измеряемый ток, должны быть отделены от «измерительных» провод­ников. Это позволяет повысить точность измерения напряжения, однако наилучшая точность достигается при использовании специальных четырехвыводных резисторов.

При измерении тока падение напряжения на измерительном резисторе не превышает нескольких мВ, поэтому необходимо, чтобы материалы, входящие в состав резистора, имели минимальное значение термо-ЭДС. Из-за значительных величин термо-ЭДС может возникнуть эффект термопары при электрическом контакте разных металлов, применяемых в конструкции резистора. Неравномерное распределение температуры в резисторе, а также эффект термопары, могут вызвать дополнительную ошибку измерений.

а)
б)
Рис. 2. Использование четырехпроводного подключения при использовании двухвыводных резисторов: а) эквивалентная электрическая схема двухвыводного резистора, б) топология проводников печатной платы
Литература
1. Current-Sense Resistors Heed Call for More Power // http://powerelectronics.com

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *