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Was man über Widerstände in Impulsanwendungen wissen sollte

| Autor / Redakteur: Bryan Yarborough, Adrian Michael, Annika Elsen * / Thomas Kuther

Ein Dünnschicht-MELF-Widerstand: Wenn es um die Impulsbelastbarkeit geht, hat er die Nase vorn.
Ein Dünnschicht-MELF-Widerstand: Wenn es um die Impulsbelastbarkeit geht, hat er die Nase vorn. (Bild: Vishay)

Impulsbelastungen können Widerstände soweit schädigen, dass sich ihr Widerstandswert ändert oder sie gar ausfallen. Mit dem richtigen Knowhow lässt sich das vermeiden. Dieser Beitrag soll dabei unterstützen, die richtige Wahl gemäß den Anforderungen der eigenen Anwendung zu treffen.

In der Praxis kann ein Widerstand bei Impulsbelastung ausfallen. Wenn die Impulsleistung an das Widerstandselement abgegeben wird, entsteht Wärme und lässt die Temperatur des Widerstands ansteigen. Durch Überhitzung kommt es dann zu einer Beschädigung des Widerstandselements und infolgedessen zu einer Änderung des Widerstandswerts oder sogar zum Fehlerfall „Offen“. Um dies bei der Auslegung einer Schaltung zu vermeiden, sollte man einige Fakten zu Widerständen und Impulsbelastungen kennen, die für die Wahl des richtigen Bauteils wichtig sind.

Die Dauer der Impulsbelastung ist entscheidend

Widerstände können Impulsbelastungen standhalten, die höher sind als ihre Nennbelastbarkeit P70. Die Wärmeentwicklung und -übertragung im Widerstand dauert einige Zeit, sodass die Impulsbelastbarkeit eines Widerstands von der Impulsdauer abhängt.

Bei kurzen Impulsbreiten (adiabatischer Zustand) bleibt die Wärme im Widerstandselement. Doch die Kürze des Impulses begrenzt die Temperaturerhöhung im Widerstandselement selbst bei hohen Impulslasten. Somit hält der Widerstand Impulslastspitzen stand, die höher sind als seine Nennbelastbarkeit.

Bei langen Impulsen führt die höhere Wärmeentwicklung zu einem deutlicheren Temperaturanstieg im Widerstandselement, der jedoch durch die bereits während des Impulses beginnende Wärmeableitung in den Widerstandskörper begrenzt wird. Daher nähert sich bei längerer Impulsdauer die zulässige Spitzenimpulslast der Nennbelastbarkeit an.

Auch auf die Anzahl der Pulse kommt es an

Der Unterschied zwischen einem einzelnen Impuls und wiederkehrenden Impulsen wird bestimmt durch die Zahl der Impulse und dem Zeitabstand dazwischen.

Einzelner Impuls: Der Zeitabstand T zwischen den einzelnen Impulsen ist lang genug, um eine Abkühlung des Widerstands zwischen den Impulsen zu ermöglichen. Die relevanten Impulsparameter sind dabei die Impulsspitzenleistung und Impulsspitzenspannung, die kleiner als die spezifizierten Werte sein müssen, sowie die mittlere Impulsleistung, die gegen Null geht.

Wiederkehrende Impulse: Der Zeitabstand T zwischen den Impulsen ist kurz und verhindert eine Abkühlung des Widerstands zwischen den Impulsen. Die relevanten Parameter sind dabei ebenfalls die Impulsspitzenleistung und Impulsspitzenspannung, die unter den spezifizierten Werten liegen müssen, sowie die mittlere Impulsleistung, die zwischen P70 und Null liegt und deshalb nicht zu vernachlässigen ist.

Die Impulsform macht den Unterschied

Impulsformen variieren von rechteckig oder dreieckig über den typischen exponentiellen Abfall bei einer Kondensatorentladung bis hin zum markanten Surge-Impuls.

Bei Energieimpulsen geringer Leistung und langer Dauer ist die Impulsenergie der begrenzende Parameter, und Impulsformen lassen sich in eine rechteckige Form umwandeln, um sie mit dem Impulsdiagramm des Widerstands vergleichen zu können. Dazu wird die Impulsenergie berechnet und die Dauer des Rechteckimpulses mit gleicher Energie und Spitzenleistung bestimmt.

Bei markanten Surge-Impulsen ist die Impulsspannung der begrenzende Parameter, eine Umwandlung in Rechteckform ist nicht sinnvoll. Stattdessen werden die üblichen Stoßimpulsformen durch standardisierte Transienten beschrieben und im Datenblatt des Widerstands entsprechend angegeben. Der Stoßimpuls wird durch die 1,2/50 und 10/700 Impulse nach IEC 60115-1, 4.27 beschrieben. Eine elektrostatische Entladung wird durch das Human Body Model gemäß IEC 60115-1, 4.38 und IEC 61340-3-1 erläutert.

Bild 1: Die Suche nach einem geeigneten Widerstand für eine Impulslastanwendung beginnt mit der Bestimmung der tatsächlichen Impulssituation.
Bild 1: Die Suche nach einem geeigneten Widerstand für eine Impulslastanwendung beginnt mit der Bestimmung der tatsächlichen Impulssituation. (Bild: Vishay)

Den richtigen Widerstand zu finden, ist keine Hexerei

Die Suche nach einem geeigneten Widerstand für eine Impulslastanwendung beginnt mit der Bestimmung der tatsächlichen Impulssituation. Parameter wie die Spitzenleistung P ̂, die Impulsdauer t oder die Periode T müssen identifiziert und mit der für den Widerstand spezifizierten Impulsbelastbarkeit verglichen werden (Bild 1).

Die Umgebungsbedingungen spielen eine wichtige Rolle

Umgebungsbedingungen können die zulässige Impulslast des Widerstands begrenzen. Impulsdiagramme gelten üblicherweise für Raumtemperatur. Muss das Bauteil bei einer höheren Umgebungstemperatur betrieben werden oder treten in der Applikation zusätzliche Dauerlasten auf, die die Temperatur des Widerstandselements erhöhen, dann benötigt man in der Regel ein Widerstand mit einer höheren Impulsbelastbarkeit.

Welcher Impulslastspezifikation kann ich vertrauen?

Informationen zur Impulsfestigkeit eines Widerstands werden in Impulsdiagrammen dargestellt. Diese Diagramme haben eines gemeinsam: Sie geben eine maximal zulässige Impulsspitzenleistung pro Impulsbreite für Rechteckimpulse an. Außerdem kann ihre Aussagekraft stark variieren.

Man sollte prüfen, ob das Diagramm die Spitzenleistung pro Impulsbreite nur für einen einzelnen Widerstandswert oder für den gesamten verfügbaren Widerstandswertebereich der betreffenden Widerstandsserie abdeckt. Nur im letztgenannten Fall ist die Spezifikation der Impulsspitzenleistung zuverlässig, da sie sich aus dem „schwächsten“ Widerstandswert des Wertebereichs ergibt.

Der Impuls belastet den Widerstand und beeinflusst seinen Widerstandswert. Aus der Impulslastspezifikation muss daher auch die maximal zulässige Widerstandsänderung, z.B. 0,5% R, für die im Impulslastdiagramm angegebenen Impulsbedingungen hervorgehen.

Tabelle: Eigenschaften von Dünn- und Dickschichtwiderständen im Vergleich.
Tabelle: Eigenschaften von Dünn- und Dickschichtwiderständen im Vergleich. (Bild: Vishay)

Was ist besser: Dünn- oder Dickschichtwiderstände?

Schichtwiderstände sind in verschiedenen Technologien mit unterschiedlichen Impulsbelastbarkeiten erhältlich. Hauptfaktoren, die die Impulsbelastbarkeit von Schichtwiderständen beeinflussen, sind das Widerstandsschichtmaterial, der Trimmschnitt und die verfügbare Widerstandsfläche (Tabelle).

Die Impulsbelastbarkeit von Dickschichtwiderständen

Die begrenzte Impulsbelastbarkeit gewöhnlicher Dickschichtwiderstände hat mit der Inhomogenität des Widerstandsschichtmaterials und mit dem einfachen Trimmschnitt zu tun, welcher die verfügbare Widerstandsfläche begrenzt. Es gibt jedoch Möglichkeiten, um die Grenzen zu verschieben:

Wird die Widerstandsschicht sowohl auf die Ober- als auch auf die Unterseite des Keramikkörpers aufgedruckt, kann die durch den Impuls induzierte Wärme über die doppelte Widerstandsfläche verteilt und somit der Temperaturanstieg in der Widerstandsschicht deutlich reduziert werden. Doppelseitig bedruckte Dickschichtwiderstände sind Widerstände der CRCW-HP Serie.

Ist die Widerstandsfläche ungetrimmt, kann sie vollständig für den Stromfluss genutzt werden. Das verbessert die Verteilung der impulsinduzierten Wärme in der Widerstandsschicht und vermeidet die Entstehung von Hot Spots. Ungetrimmte Dickschichtwiderstände sind Widerstände der CRCW-IF und RCS Serien.

Der SMD-Impuls-Champion: MELF-Kohleschichtwiderstände

In punkto Impulsbelastbarkeit ist der MELF-Kohleschichtwiderstand CMB 0207 der Impuls Champion unter den SMD-Widerständen. Seine Leistungsfähigkeit ist um mehr als eine Größenordnung höher als die von Widerständen vergleichbarer Baugröße, da er die wichtigsten Eigenschaften für eine hohe Impulsbelastbarkeit in sich vereint:

  • Verfügt über ein bewährtes, impulsfestes zylindrisches Design, das die größtmögliche effektive Widerstandsfläche bietet.
  • Spiralschnitt, dadurch Vermeidung lokal erhöhter Stromdichten.
  • Kohleschichtmaterial mit einzigartiger thermischer Stabilität.

Bild 2: Vergleich Impulsbelastbarkeit.
Bild 2: Vergleich Impulsbelastbarkeit. (Bild: Vishay)

Bild 2 zeigt typische Grenzen für zerstörerische Impulse für Vishay Schichtwiderstände (R = 1 kΩ). Die Impulse wurden durch Kondensatorentladung aufgebracht, wobei die Impulsbreite einem Rechteckimpuls von 3 ms entspricht.

Drahtgewickelte Widerstände sind belastbarer

Bei drahtgewickelten Widerständen besteht das Widerstandselement aus einem Metalldraht, der um einen zylindrischen Keramikkern gewickelt ist. Aufgrund der vergleichsweise großen Masse des Drahtes kann eine wesentlich höhere Impulsenergie von bis zu 60 kJ für sehr kurze Impulsbreiten im Draht verbraucht werden. Da der Widerstandswert drahtgewickelter Widerstände über den Durchmesser und die Länge des Drahts definiert wird, was zu unterschiedlichen Drahtmassen führt, ist auch ihre Impulsbelastbarkeit stark vom Widerstandswert abhängig.

Bei langen Impulsbreiten kann ein erheblicher Teil der erzeugten Wärme während des Impulses aus dem Draht entweichen, obwohl die Energie noch im Draht verbraucht wird. Somit kann der Widerstand als Ganzes die Impulsenergie viel besser verarbeiten als der Draht für sich alleine.

Der Schutz des Drahts mit einer Glas-Emaille-Beschichtung anstelle einer Zementbeschichtung verbessert die Impulsbelastbarkeit drahtgewickelter Widerstände weiter, da diese höheren Temperaturen standhält.

Bild 3: Das Diagramm zeigt beispielhaft die Überlastgrenze als Vielfaches der Dauerleistung drahtgewickelter Widerstände von Vishay bei unterschiedlicher Impulsdauer.
Bild 3: Das Diagramm zeigt beispielhaft die Überlastgrenze als Vielfaches der Dauerleistung drahtgewickelter Widerstände von Vishay bei unterschiedlicher Impulsdauer. (Bild: Vishay)

Ein typischer drahtgewickelter Vishay Widerstand kann für 3 ms etwa das 1000-fache seiner Nennleistung aufnehmen (Bild 3). So ist beispielsweise der G207 für eine Dauerleistung von 17 W ausgelegt. Daher übersteht der Widerstand bei einem einzelnen Impuls von 3 ms Dauer einen 17-kW-Impuls zerstörungsfrei.

Ein einzelner drahtgewickelter Widerstand von Vishay hält einer Impulsenergie stand, die der Bremsenergie eines 1000 kg schweren Fahrzeugs beim Abbremsen von 70 km/h bis zum Stillstand innerhalb von 5 s entspricht.

Power-Metal-Strip-Widerstände bieten einige Vorteile

Im Vergleich zu anderen Technologien für Messwiderstände von 1 bis 0,0001 Ω bieten Power-Metal-Strip-Widerstände aufgrund ihrer hohen Widerstandselementmasse bei kurzzeitigen Transienten eine überlegene Impulsfestigkeit. Denn die Ganzmetall-Schweißkonstruktion ist nicht auf ein Substrat angewiesen, das Widerstandselement ist aufgrund seiner Dicke selbsttragend. Dies führt zu einer hohen Masse des Widerstandselements, das dadurch mehr Energie aufnehmen kann, bevor eine thermische Grenze erreicht wird, die zu einer Änderung der Widerstandswerte führt.

Bild 4: Vergleich der Dicke von Widerstandselementen gängiger Technologien für Messwiderstände.
Bild 4: Vergleich der Dicke von Widerstandselementen gängiger Technologien für Messwiderstände. (Bild: Vishay)

Die Bild 4 zeigt einen Vergleich der Dicke von Widerstandselementen gängiger Technologien für Messwiderstände. Wie man sieht, macht das Substrat einen wesentlichen Teil der Gesamtmasse des Widerstands aus, und das Widerstandselement nur einen kleinen Teil davon. Masse = Impulsleistung. Das Substrat trägt das dünne Widerstandselement und sorgt für eine konstante Übertragung der Wärmeenergie vom Widerstandselement auf die Leiterplatte, was keine schnellen transienten Energieereignissen begünstigt.

* Bryan Yarborough, Adrian Michael und Annika Elsen sind Product Marketing Engineers bei Vishay Intertechnology.

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