전류 감지를 위한 저항 온도 계수

이 기사에서는 다음 주제를 다뤄보겠습니다.

1. TCR이란?
2. TCR을 결정하는 방법?
3. 구조가 TCR 성능에 영향을 주는 방법?
4. 응용 제품에서의 TCR
5. 규격서 비교 방법

원인 및 효과

저항은 금속 또는 금속 합금의 결정 격자 내에서 전자의 움직임을 이상적인 경로에서 벗어나게 하는 요인의 조합으로 나타나는 결과입니다. 전자가 격자 내에서 결함을 만나면 확산을 일으킬 수 있습니다. 이는 이동 경로를 증가시켜 저항을 증가시킵니다. 이러한 결함을 일으킬 수 있는 원인은 다음과 같습니다.

• 열 에너지로 인한 격자 내 이동
• 격자 내에 다양한 원자 존재(예: 불순물)
• 격자의 일부 또는 전체가 없음
• 결정 입계의 무질서한 영역
• 격자의 결정 및 조직 간 결함

저항 온도 계수(RTC)라고도 하는 저항 온도 계수(TCR)는 위의 결함에 대한 열 에너지 구성 요소의 특성입니다. 이 저항 변화의 효과는 온도가 기준 온도로 돌아가면 되돌릴 수 있습니다. 단, 입자 구조가 극단적인 펄스/과부하 이벤트로 인한 고온에서 변경되지 않았다고 가정합니다. Power Metal Strip® 및 Power Metal Plate™ 제품의 경우, 이는 저항 합금이 350°C를 초과하게 만드는 온도일 수 있습니다.

온도로 인한 이 저항 변화는 ppm/°C 단위로 측정되며 재료에 따라 크게 다릅니다. 예를 들어, 망간 구리 합금은 TCR이 20ppm/°C(20°C ~ 60°C에 대해) 미만인데 반해 종단에 사용되는 구리는 약 3900ppm/°C을 제공합니다. 보다 고려하기 쉽게 ppm/°C를 나타내는 다른 방법은 3900ppm/°C가 0.39%/°C와 같다는 것입니다. 이는 100°C의 온도 상승으로 인한 저항 변화를 고려하기 전까지는 작은 숫자처럼 보일 수 있습니다. 구리의 경우에는 저항에서 39% 변화를 일으킬 수 있습니다.

TCR의 효과를 시각화하는 또 다른 방법은 온도에 따른 재료의 팽창률 측면에서 이를 고려하는 것입니다(그림 1). 각각 길이가 100m인 두 개의 다른 막대 A와 B를 고려해 보겠습니다. 막대 A는 +500ppm/°C의 비율로 길이가 변경되고 막대 B는 +20ppm/°C의 비율로 길이가 변경됩니다. 145°C의 온도 변화는 막대 A의 길이를 7.25m 증가시키는 반면 막대 B는 길이가 0.29m만 증가합니다. 아래는 해당 차이를 시각적으로 보여주기 위해 축척된(1/20) 표현입니다. 막대 A는 길이에 눈에 띄는 변화가 있는 반면 막대 B는 길이에 뚜렷한 변화가 없습니다.

그림 1: TCR의 효과를 시각화하는 한 가지 방법은 온도 증가에 따른 재료의 팽창률 측면에서 효과를 확인하는 것입니다. (이미지 출처: Vishay Dale)

이는 TCR이 낮을수록 온도 전반에 걸쳐 보다 안정적인 측정이 가능하다는 점에서 저항에도 적용되며, 이는 인가된 전력(저항 소자 온도 상승 유발) 또는 주변 환경으로 인해 발생할 수 있습니다.

TCR 측정 방법

MIL-STD-202 Method 304에 따른 TCR 성능은 25°C의 기준 온도에 기반한 저항 변화입니다. 저항값이 측정되기 전에 온도가 변경되며 테스트 중인 장치가 평형 상태에 도달하도록 허용됩니다. 이 차이는 TCR을 결정하는 데 사용됩니다. Power Metal Strip WSL 모델의 경우 TCR은 -65°C의 낮은 온도에서 측정된 다음에 +170°C에서 측정됩니다. 방정식은 아래와 같습니다. 일반적으로 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하면 양의 TCR이 발생합니다. 또한 자체 발열은 TCR로 인한 저항 변화를 일으킵니다.

저항 - 온도 계수(%):

저항 - 온도 계수(ppm):

여기서,

R1 = 기준 온도에서의 저항

R2 = 작동 온도에서의 저항

t1 = 저항 온도(25°C)

t2 = 작동 온도입니다.

작동 온도(t2)는 주로 응용 제품에 따라 다릅니다. 예를 들어, 기기에 대한 온도 범위는 통상 0°C ~ 60°C이고, 군사 응용 제품에 대한 온도 범위는 -55°C ~ 125°C입니다. Power Metal Strip WSL 계열은 -65°C ~ +170°C의 작동 범위에 대해 TCR을 제공하고, WSLT 계열은 최대 275°C의 확장된 온도 범위를 가집니다.

아래의 표 1은 이 기사와 연관된 제품 범위에서 사용되는 일부 저항 재료에 대한 TCR을 제공합니다.

표 1: 다양한 저항기 소자 재료 TCR(ppm/°C). (이미지 출처: Vishay Dale)

그림 2는 25°C부터의 온도 증가에 따른 저항의 백분율 변화로 다양한 TCR 레벨을 비교합니다.

그림 2: 온도에 대한 저항의 백분율 변화로 다양한 TCR 레벨을 비교합니다. (이미지 출처: Vishay Dale)

다음 방정식은 주어진 TCR에 대한 저항값의 최대 변화를 계산합니다.

여기서,

R = 최종 저항

R0 = 초기 저항

α = TCR

T = 최종 온도

T0 = 초기 온도입니다.

Vishay는 https://www.vishay.com/resistors/change-resistance-due-to-rtc-calculator/에서 온라인 TCR 계산기를 제공합니다.

구조가 TCR에 영향을 미치는 방법

Power Metal Strip 및 Power Metal Plate 계열은 기존의 전금속 후막 전류 감지 저항기와 비교하여 뛰어난 TCR 성능을 제공합니다. 후막 전류 감지 저항기는 은 및 구리 종단과 함께 금속(주로 은)을 활용합니다. 은 및 구리는 유사하게 큰 TCR 성능 값을 가집니다.

그림 3: Vishay Power Metal Strip 저항과 일반 금속 스트립 및 후막 저항기 비교 (이미지 출처: Vishay Dale)

Power Metal Strip 저항기 계열은 낮은 TCR 저항 합금(항목 1)에 전자빔 용접된 고체 구리 단자(그림 4의 항목 2)를 사용하여 낮은 TCR로 최저 0.1mΩ의 낮은 값을 달성합니다. 그러나 구리 단자는 저항 합금(< 20ppm/°C)에 비해 높은 TCR(3900ppm/°C)을 가지며, 더 낮은 저항값이 요구되기 때문에 전체 TCR 성능에서 계속해서 역할을 합니다.

그림 4: Vishay Power Metal Strip 저항기의 일반적인 구조. (이미지 출처: Vishay Dale)

구리 단자는 저항 합금에 대한 낮은 저항 연결을 제공하여 고전류 응용 제품에서 보다 정확한 전류 측정을 위해 저항 소자로의 전류 흐름을 균일하게 분배할 수 있습니다. 그러나, 구리 단자는 저항 합금(< 20ppm/°C)에 비해 높은 TCR(3900ppm/°C)을 가지며, 이는 매우 낮은 저항값에서 전체 TCR 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 이는 구리 단자와 낮은 TCR 저항 합금의 조합이 전체 저항에 어떻게 영향을 미치는지 보여주는 그림 5에 묘사되어 있습니다. 특정 저항기 구조의 가장 낮은 저항값에 대해 구리는 TCR 정격 및 성능에서 더 중요해집니다.

그림 5: 특정 저항기 구조의 더 낮은 저항값에 대해 구리는 TCR 정격 및 성능에서 더 중요해집니다. (이미지 출처: Vishay Dale)

이 영향은 부품마다 다른 저항값 범위에서 발생할 수 있습니다. 예를 들어, WSLP2512의 TCR 정격은 275ppm/°C(1mΩ 기준)이고, WSLF2512의 TCR 정격은 170 pm/°C(1mΩ 기준)입니다. 동일한 저항값에 대해 구리 단자의 저항 기여도가 더 낮으므로 WSLF는 더 낮은 TCR을 갖습니다.

켈빈 단자 및 2단자

켈빈(4단자) 구조는 전류 측정 반복성 개선 및 TCR 성능 개선이라는 두 가지 이점을 제공합니다. 노치형 구조는 측정에서 회로 내 구리의 양을 감소시킵니다. 표 2는 2단자 WSLP2512와 비교하여 켈빈 종단 WSK2512의 이점을 보여줍니다.

표 2: 켈빈 종단 WSK2512와 2단자 WSLP2512의 비교. (이미지 출처: Vishay Dale)

다음과 같은 두 가지 질문이 있습니다(그림 6의 예는 WSL3637에 해당함)

• 최고의 TCR을 위해 저항 합금까지 노칭하지 않는 이유는 무엇입니까?

  그럴 경우 구리가 측정할 전류 흐름 영역에 대한 낮은 저항 연결을 허용하기 때문에 새로운 문제를 야기할 수 있습니다. 저항 합금까지 노칭하면 전류가 흐르지 않는 저항 합금 부분까지 측정될 수 있으며 이로 인해 측정 전압이 증가할 수 있습니다. 이는 구리 TCR 효과와 측정 정확도 및 반복성 간의 절충안입니다.

• 4단자 패드 설계를 사용하여 동일한 결과를 얻을 수 있습니까?

아니요. 4단자 패드 설계는 향상된 측정 반복성을 제공하지만 측정 회로에서 구리의 영향을 제거하지는 않습니다. 저항기는 동일한 정격 TCR을 계속적으로 제공합니다.

그림 6: 노치형 구조(여기에는 Vishay Dale의 WSL3637이 표시됨)는 전류 감지 측정에서 회로 내 구리의 양을 감소시킵니다. (이미지 출처: Vishay Dale)

융기식 구조

켈빈 단자 부품은 평면 유형 구조로 제한되지 않습니다. WSK1216 및 WSLP2726은 융기식 구조를 사용하는 저항기의 예입니다. 목적은 낮은 TCR 저항 합금에 의해 기여되는 저항 부분을 계속 최대화하면서 기판 공간을 절약하는 것입니다. 저항 소자와 켈빈 종단을 최대화하는 조합은 매우 낮은 저항값(최저 0.0002Ω)에서 낮은 TCR, 작은 실장 면적, 높은 전력 정격을 가진 저항기를 제공합니다.

클래드 구조 및 용접

저항 소자에 얇은 구리층을 적용하여 구성된 단자는 TCR 및 측정 반복성에도 영향을 미칩니다. 얇은 구리층은 클래드 구조 또는 전기 도금을 통해 달성할 수 있습니다. 클래드 구조는 극한의 압력에서 구리 시트와 저항 합금을 함께 압연하여 두 재료 사이에 균일한 기계적 결합을 생성함으로써 달성됩니다. 두 구성 방법 모두에서 구리층 두께는 일반적으로 수천분의 1인치로 구리의 영향을 최소화하고 향상된 TCR을 제공합니다. 그러나 얇은 구리층은 고저항 합금을 통한 균일한 전류 분포를 허용하지 않기 때문에 기판에 실장할 때 저항값이 약간 이동할 수 있습니다. 경우에 따라, 기판 실장 저항 이동은 비교되는 저항 유형 간에 TCR의 영향보다 훨씬 클 수 있습니다. 클래드 구조에 대한 자세한 내용은 https://www.vishay.com/doc?30333을 참조하십시오.

또 다른 구조 인자는 구리 및 저항 합금 속성이 상쇄되어 매우 낮은 TCR 특성을 제공할 수 있다는 점에서 저항기의 TCR 특성에 작은 역할을 할 수 있습니다. 전체 성능 특성을 이해하기 위해 특정 저항기에 대한 자세한 TCR 테스트가 필요할 수 있습니다.

응용 제품에서의 TCR(주변 및 인가 전력)

TCR은 일반적으로 환경 또는 주변 조건에 따라 저항기가 변경되는 방식으로 고려되지만, 고려해야 하는 또 다른 차원이 있습니다. 즉, 인가된 전력으로 인한 온도 상승입니다. 전력이 인가되면 전기 에너지가 열 에너지로 변환함에 따라 저항기가 가열됩니다. 인가된 전력으로 인한 이러한 온도 상승은 TCR과 관련된 구성 요소이기도 하며, 전력 저항 계수(PCR)라고도 합니다.

PCR은 부품 또는 내부 열 저항 R_thi를 통한 열 전도를 기반으로 하는, 구조에 의해 구동되는 또 다른 층을 도입합니다. 열 전도율이 높은 기판에서 열 저항이 매우 낮은 저항기는 저항기 온도를 더 낮게 유지합니다. 예를 들어 WSHP2818은 대형 구리 단자와 내부 구조를 통해 열 효율이 매우 뛰어난 구성을 제공하며, 이는 인가된 전력에 비해 온도가 크게 상승하지 않음을 의미합니다.

다양한 방식으로 생성되는 규격서

TCR을 제시하는 방법은 다양하기 때문에 여러 제조업체의 사양을 비교하는 것은 어려울 수 있습니다. 일부 제조업체는 소자 TCR을 나열하는데 이는 종단 효과가 무시되기 때문에 전체 제품 성능의 일부에 불과합니다. 가장 중요한 파라미터는 종단 효과를 포함하는 부품 TCR이며, 이는 저항기가 응용 제품에서 작동하는 방식입니다.

경우에 따라 TCR 특성이 제한된 온도 범위에 대해 표시되거나(예: 20°C ~ 60°C), 더 넓은 작동 범위에서 TCR 특성을 나타낼 수 있습니다(예: -55°C ~ +155°C). 이러한 저항기를 비교할 때, 제한된 온도 범위에 대해 지정된 저항기가 더 넓은 범위에 대해 지정된 저항기보다 우수한 성능을 나타냅니다. TCR 성능은 일반적으로 비선형이며 음의 온도 범위에서 더 떨어집니다. 설계를 지원하기 위해 저항기 구조 및 저항값과 관련된 자세한 TCR 곡선을 사용할 수 있습니다. DigiKey 또는 Vishay Dale(www2bresistors@Vishay.com)에 문의해 주세요.

그림 7의 그래프는 비선형 TCR 특성과, 동일한 저항기가 다른 온도 범위에 걸쳐 나타낼 수 있는 차이를 보여줍니다.

그림 7: 비선형 TCR 특성의 예와, 동일한 저항기가 다른 온도 범위에서 얼마나 큰 차이를 나타내는지를 보여주는 예. (이미지 출처: Vishay Dale)

규격서에 저항값 범위에 대한 TCR이 나열되어 있으면 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다. 범위에서 가장 낮은 저항값은 종단 효과로 인해 범위에 대한 한계를 설정합니다. 저 TCR 저항 합금에서 더 많은 저항값이 파생되기 때문에 동일한 범위에서 가장 높은 저항값을 가진 저항기가 0에 더 가까운 TCR을 가질 수 있습니다. 후막의 경우 이는 저항막의 은 함량과 종단 효과의 조합입니다. 이 차트 비교와 관련하여 명확히 해야 할 또 다른 요점은 저항기가 항상 이 크기의 기울기를 갖는 것은 아니라는 것입니다. 일부는 더 편평할 수 있으며 이는 저항값에 대해 두 재료에 대한 TCR의 상호 작용에 따라 달라집니다.

비교 확인 목록

이 섹션의 목적은 이 응용 참고 사항에 제공된 세부 정보를 기반으로 하는 규격서의 TCR을 다른 규격서와 비교하기 위한 가이드를 제공하는 것입니다.

1. 저항기 구조가 유사한지 여부
   1. 단자 구조가 클래드, 전기 도금 단자 또는 솔리드 구리 단자인가?
   2. 규격서에 저항 합금 TCR 또는 부품(총) TCR 성능 파라미터가 나열되어 있는가?(경우에 따라 확인이 어려울 수 있음)
2. 온도 범위
   1. 지정된 TCR의 온도 범위가 동일한가?(예: 20°C ~ 60°C 또는 그 이상)
   2. 제시된 TCR 값을 모든 저항값에 대해 비교할 수 있습는가?
3. 개선된 TCR 성능을 위해 켈빈 종단이 설계에 도움이 되는가?
4. 설계 요구 사항을 위해 보다 구체적인 데이터가 필요한가? www2bresistors@Vishay.com

참조 자료:

(1) Source: Zandman, Simon, & Szwarc Resistor theory and technology 2002 p. 23 - p.24

추가 참조 자료

1. 개요: Power Metal Strip® Surface-Mount Current Sensing Resistors