Ursachen und Auswirkungen des VCR und Möglichkeiten zu dessen Minderung

Viele Entwickler wissen nicht, dass Widerstände sowohl einen Spannungskoeffizienten (VCR) als auch einen Temperaturkoeffizienten (TCR) haben. Das ist verständlich, denn bei Anwendungen mit niedriger Spannung und niedrigem Widerstand sind die Spannungseffekte gering und werden von den Temperatureffekten gut überdeckt. In Schaltungen mit hohen Widerständen und/oder hohen Spannungen (HVs) kann die Widerstandsvariabilität mit der Spannung jedoch ein großes Problem darstellen. Diese Schaltungen werden in Anwendungen wie HV-Stromversorgungen, Transimpedanzverstärkern (TIAs), HV-LED-Beleuchtung und gepulsten Kommunikationssystemen eingesetzt. Die Entwickler solcher Schaltungen müssen die Ursache und die Auswirkungen von VCR verstehen und wissen, wie man sie entschärfen kann.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über VCR und seine Auswirkungen auf Schaltungsentwürfe. Anschließend wird anhand von Beispielen für Widerstände mit niedrigem VCR-Wert von Stackpole gezeigt, wie man solche Komponenten auswählt und einsetzt, um die Auswirkungen des VCR-Effekts zu minimieren und einen genauen und zuverlässigen Betrieb kritischer Schaltungen zu gewährleisten.

Was ist VCR?

Der VCR eines Widerstands kann definiert werden als die Änderung des Widerstandswertes proportional zu einer angelegten Spannung. Er wird im Allgemeinen in Teilen pro Million pro Volt (ppm/V) gemessen und kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

Dabei gilt:

R₁ ist der Widerstandswert in Ohm (Ω) bei einer Referenzspannung (V₁)

R₂ ist der Widerstandswert, in Ω, bei der Testspannung (V₂)

V₁ ist die Referenzspannung

V₂ ist die Testspannung

Der VCR kann positiv oder negativ sein. Ein positives VCR zeigt an, dass der Widerstand mit steigender Spannung über dem Widerstand zunimmt, während ein negatives VCR bedeutet, dass der Widerstand abnimmt.

Typische HV-Chipwiderstände mit einem VCR von 200 ppm/V bis 300 ppm/V zeigen eine Widerstandsänderung von 20% bis 30% bei einer Änderung der angelegten Spannung von 1000 V. Die Wahl eines Widerstands mit einem VCR von 25 ppm/V bis 50 ppm/V reduziert die Widerstandsänderung auf 2,5 bis 5% bei der gleichen Änderung von 1000 V.

Die Standardtestmethode zur Messung des VCR folgt der MIL-STD-202G Methode 309. Diese Norm legt einheitliche Verfahren für die Prüfung elektronischer Bauelemente fest und spezifiziert die Standardprüfspannung, die der maximalen spezifizierten Arbeitsspannung entspricht, sowie den Referenzspannungspegel von 10% der maximalen Arbeitsspannung.

Minimierung des VCR

Der VCR kann durch geeignete Konstruktion und Materialauswahl minimiert werden. Bei der Wahl der Widerstandsmaterialien ist ein technischer Kompromiss erforderlich, da Widerstandsmaterialien mit niedrigem VCR-Wert zwar den VCR-Wert verbessern, aber auch den TCR-Wert erhöhen können, was die Temperaturstabilität verringert. Die Auswahl von Druckfarben mit geringerem Widerstand verbessert ebenfalls den VCR, begrenzt aber den maximal erreichbaren Widerstand. Durch die sorgfältige Auswahl der Art der resistiven Tinte und der Applikationsmethode kann der VCR optimiert werden.

Lasertrimmen kann sich ebenfalls auf den VCR auswirken. Ungetrimmte Widerstände ergeben in der Regel Widerstandswerte, die innerhalb von 5 bis 20% des vorgesehenen Wertes liegen. Das Lasertrimmen wird verwendet, um Widerstandswerte innerhalb einer kleineren Toleranz, z.B. innerhalb von 1%, einzustellen. Der Lasertrimmvorgang kann den VCR beeinträchtigen, indem er Mikrorisse erzeugt, die zu lokalen, unbeabsichtigten Impedanzänderungen führen, welche den VCR erhöhen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die physikalischen Auswirkungen des Lasertrimmens von Dickschicht-Chipwiderständen können den VCR beeinträchtigen. (Bildquelle: Stackpole Electronics Inc.)

Die Minimierung des Einsatzes der Lasertrimmung reduziert diese Effekte ebenso wie die Auswahl der Geometrie der Lasertrimmung und die Größe des Bauteils. Im Allgemeinen bieten größere Bauteile einen niedrigeren VCR.

Anwendungen für Widerstände mit niedrigem VCR

Chipwiderstände mit niedrigem VCR-Wert finden Anwendung in LED-Beleuchtung, medizinischen Geräten, audiovisuellen Anlagen und Kommunikationssystemen, die hohe Spannungen und/oder hohe Widerstandswerte erfordern. Ein gutes Beispiel für einen Schaltkreis ist ein TIA (Abbildung 2). Dieser Verstärker nimmt einen Strom auf und gibt eine proportionale Spannung aus.

Abbildung 2: Ein TIA wandelt einen Strom in einen Spannungswert um, der proportional zum Wert des Rückkopplungswiderstands ist. (Bildquelle: Art Pini)

Die Ausgangsspannung eines TIA ist gleich dem Produkt aus dem Eingangsstrom und dem Rückkopplungswiderstand, R_f.

Der TIA wird häufig als Schnittstelle zu Photodioden, Beschleunigungsmessern, Photomultipliern und ähnlichen Sensoren verwendet, bei denen die Stromantwort des Sensors linearer ist als seine Spannungsantwort. Im Allgemeinen erfordern diese Anwendungen eine hohe Verstärkung, was wiederum einen hohen Rückkopplungswiderstand erfordert. Da das Eingangsende des Widerstands auf Masse gehalten wird, erfährt der Widerstand den vollen Ausgangshub. In vielen Fällen kann das Eingangssignal gepulst sein, wie z. B. bei der Prüfung von elektromagnetischen Störungen (EMI) oder mechanischen Stößen, was zu großen Spannungsschwankungen am Widerstand führt.

Eine Änderung des Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Spannung am Widerstand führt zu einer Modulation der Verstärkung. Diese Modulation fügt der Ausgangsspannung einen quadratischen Term hinzu. Der quadrierte Term erhöht den zweiten und andere geradzahlige harmonische Terme im Ausgang, was zu Problemen mit der Linearität und harmonischen Verzerrungen führt. Die Widerstandsvariationen müssen nicht groß sein, um signifikante Verzerrungswerte zu erzeugen.

Eine weitere Anwendung, bei der Widerstände mit niedrigem VCR-Wert verwendet werden, sind Spannungsteiler (Abbildung 3), die zur Reduzierung eines Spannungspegels eingesetzt werden.

Abbildung 3: Widerstände mit niedrigem VCR-Wert werden in Spannungsteilerschaltungen verwendet; sie reduzieren den Spannungspegel eines Signals und werden in der Regel für die Rückführung einer hohen Spannung zu einem Gerät mit einem niedrigeren Spannungseingang verwendet. (Bildquelle: Art Pini)

Der Spannungsteiler wird z. B. für die Erfassung des Ausgangssignals eines Hochspannungsnetzteils und dessen Rückführung zum Leistungsregler verwendet. Er kann auch als Dämpfungsglied verwendet werden, um ein Hochspannungssignal, wie z. B. einen EMI-Impuls oder einen Blitzschlag, auf ein für ein Messgerät sicheres Niveau zu reduzieren.

In fast allen Anwendungen hat der obere Widerstand, R₁, einen viel höheren Wert als der untere Widerstand, R₂, , und weist die höhere Spannung auf. Ein Widerstand mit niedrigem VCR ist für Anwendungen erforderlich, bei denen das Eingangssignal schwankt, wie z. B. bei der Messung eines EMI-Impulses. Der VCR bewirkt, dass die Ausgangsdämpfung des Teilers mit dem Eingangsspannungspegel variiert, was einen Fehler in der Dämpfung verursacht.

Angenommen, der Eingang ist ein gedämpfter Sinusimpuls mit einer Spitze von 1000 V. Wenn R2 gleich 1000 Ω ist und R1 gleich 1 Megaohm (MΩ) und es sich um ideale Widerstände handelt, ist das Ausgangssignal ein gedämpfter Sinus mit einer Spitzenamplitude von 0,999 V. Wenn R1 jedoch einen VCR von -200 ppm/V hat, wird der Widerstand bei einer Eingangsspannung von 1000 V um 200 Kiloohm (kΩ) abnehmen. Die Dämpfung des Spannungsteilers wird verringert, und die Spitzenamplitude des Ausgangssignals beträgt 1,25 V. Wenn die Eingangsspannung schwankt, verzerrt die unterschiedliche Dämpfung die Ausgangswellenform.

Bei hohen Widerstandswerten und Hochspannungen ist der VCR unbedingt zu berücksichtigen.

Beispiele für HV-Chipwiderstände mit niedrigem VCR-Wert

Die HV-Chipwiderstände der Serie RVCU von Stackpole mit niedrigem VCR-Wert bieten eine außergewöhnliche Spannungsstabilität über Spannungsbereiche von 800 V bis 3000 V, je nach Bauteilgröße. Die Serie bietet Widerstände mit Widerstandstoleranzen von 0,5% bis 5% über einen Bereich von 75 kΩ bis 30 MΩ. Sie haben alle einen VCR von ±25 ppm/V für Widerstandswerte unter 3 MΩ und 50 ppm/V für Werte von mehr als 3 MΩ bis 30 MΩ. Der TCR ist für alle Gehäuse gleich und liegt bei 100 ppm/°C. Sie sind AEC-Q200-konform für Anwendungen in der Automobilindustrie und wurden nach ASTM-B-809 auf Schwefelresistenz getestet.

Die RVCU-Familie umfasst Widerstände in den oberflächenmontierbaren Gehäusen 1206 (3216 metrisch), 2010 (5025 metrisch) und 2512 (6332 metrisch) (Abbildung 4).

Abbildung 4: Abgebildet sind die mechanischen Abmessungen der oberflächenmontierbaren Chipwiderstände der Serie RVCU. (Bildquelle: Stackpole Electronics Inc.)

Die Modellnummer des Pakets verschlüsselt die Abmessungen in Länge und Breite. Die ersten beiden Zahlen stehen für die Länge des Bauteils, die letzten beiden für die Breite. Die US-Maße sind in Hundertstel Zoll (in.) angegeben, auf den nächsten ganzzahligen Wert genau. Die metrischen Maße sind Zehntelmillimeter (mm). Alle drei Bauteile haben eine Standardhöhe von 0,022 Zoll. (0,55 mm). Die maximale Betriebsspannung hängt von der Gehäusegröße ab.

Der RVCU1206FT1M00 von Stackpole zum Beispiel ist ein 1 MΩ Dickschichtwiderstand für 0,33 Watt mit 1% Toleranz in einem 1206-Gehäuse für die Oberflächenmontage. Er bietet eine maximale Betriebsspannung von 800 V und eine maximale Überspannungsgrenze von 1000 V.

Für etwas höhere Leistungen ist der in einem oberflächenmontierbaren 2010-Gehäuse untergebrachte 1 MΩ Dickschichtwiderstand RVCU2010FT1M00 für 0,5 W ausgelegt. Dieser Widerstand hat eine Toleranz von 1%, eine maximale Betriebsspannung von 2000 V und eine maximale Überlastbarkeit von 3000 V.

Der RVCU2512FT1M00 von Stackpole ist ein 1 MΩ (±1%) Dickschicht-Chipwiderstand mit einer Nennleistung von 1 W.

Er wird in einem 2512-Gehäuse zur Oberflächenmontage geliefert. Die Betriebsspannung dieser Komponente ist mit 3000 V höher als die des RVCU2010FT1M00, wobei die Überlastspannung 4000 V beträgt.

Fazit

Hochspannungs- und hochohmige Schaltungen benötigen Widerstände mit einem niedrigen VCR-Wert für Genauigkeit und Stabilität. Die Chipwiderstände der Serie RVCU von Stackpole bieten einen niedrigen VCR von 25 ppm/V bis 50 ppm/V und sind für eine außergewöhnliche Stabilität bei Spannungen von 800 V bis 3000 V ausgelegt.