了解電流檢測電阻器的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，因為它有助于電流測量的穩(wěn)定性，這會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)致電子運動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，它會導(dǎo)致擴散。這增加了行進的路徑，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動

晶格中存在的不同原子，例如雜質(zhì)

部分或完全沒有晶格(無定形結(jié)構(gòu))

晶界無序區(qū)

晶格中的結(jié)晶和間隙缺陷

TCR 以 ppm/°C 為單位測量，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)。它測量電阻值在一個溫度范圍內(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]兩個不同的條，A 和 B，它們的長度均為 100 米。棒 A 以 500 ppm/°C 的速率改變長度，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 的長度有明顯變化，而條 B 沒有明顯差異。(來源：Vishay Intertechnology)

這適用于電阻器，因為較低的 TCR 會導(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)進行更穩(wěn)定的測量。

如何測量 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，一旦電阻達到平衡，電阻值的差異就是TCR。溫度升高時電阻增加是正 TCR(注意，由于 TCR，自熱也會導(dǎo)致電阻變化)，而溫度升高時電阻降低是負 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。(來源：Vishay Intertechnology)

以下等式計算給定 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，因為厚膜電阻材料主要是銀，銀和銅端子提供相對較高的 TCR 性能值。

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

Metal Strip 電阻器技術(shù)使用實心銅端子(圖 4，第 2 項)，該端子焊接到低 TCR 電阻合金(圖 4，第 1 項)，可實現(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)，在較低電阻值下對整體 TCR 性能的貢獻更大。

圖 4：Metal Strip 電流感應(yīng)電阻器(來源：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，從而實現(xiàn)更準(zhǔn)確的電流測量。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總電阻的貢獻。(來源：Vishay Intertechnology)

開爾文終端與二終端

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

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

有兩個關(guān)鍵問題：

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測量電流。對電阻合金開槽會導(dǎo)致測量通過電阻合金的沒有電流流動的部分進行，從而導(dǎo)致測量電壓增加。缺口是銅 TCR 效應(yīng)與測量精度和可重復(fù)性之間的折衷。

圖 7：缺口結(jié)構(gòu)(來源：Vishay Intertechnology)

我可以使用四端子焊盤設(shè)計來獲得相同的結(jié)果嗎?

不會。雖然四端子焊盤設(shè)計確實提供了更好的測量重復(fù)性，但它并沒有消除測量電路中銅的影響，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 額定值和測量可重復(fù)性。薄銅層是通過包層結(jié)構(gòu)或電鍍來實現(xiàn)的。復(fù)合結(jié)構(gòu)使用極壓將銅片機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的 TCR。

權(quán)衡是當(dāng)安裝到電路板上時，電阻器的值會略有變化，因為薄銅層不允許電流均勻分布通過高電阻合金。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

一些制造商會列出元素TCR，它只是整體性能的一部分，因為端接效應(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，而另一個可能會出現(xiàn)在更寬的范圍內(nèi)，例如 –55°C 到 155°C。比較這些電阻器時，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，并且在負溫度范圍內(nèi)更差。