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Wie sich die Verlustwärme effektiv nach außen abführen lässt

Da die Wärmeleitfähigkeit von Widerstandsmaterialien im Vergleich zu Kupfer relativ schlecht ist und bei den Widerständen meist ätztechnisch strukturierte Folien im Bereich 20 … 150 µm Dicke eingesetzt werden, ist es nicht möglich, die in Wärme umgesetzte Verlustleistung über das Widerstandmaterial in die Kontakte abzuführen. Bei Isa-Plan-Widerständen wird deshalb die Widerstandsfolie mit einem dünnen, wärmeleitfähigen Kleber auf einem ebenfalls gut wärmeleitenden Substrat (Cu oder Al) aufgeklebt. Auf diese Weise wird die Verlustwärme sehr effektiv über das Substrat und die Kontakte nach außen abgeführt, was sich letztendlich in einem vergleichsweise sehr niedrigen inneren Wärmewiderstand (typisch 10 … 30 K/W) widerspiegelt.

Das wiederum hat zur Folge, dass die Widerstände mit der vollen Leistung bis zu einer sehr hohen Kontaktstellentemperatur belastbar sind, d.h. der Knickpunkt der Lastminderungskurve liegt sehr hoch (Bild 5). Gleichzeitig wird aber auch die Maximaltemperatur im Widerstandsmaterial niedrig gehalten, was die Langzeitstabilität unter Belastung und die TK-bedingte reversible Widerstandsänderung erheblich verbessert.

Bei den aus Verbundmaterial hergestellten extrem niederohmigen Ausführungen ist der Manganinquerschnitt und damit die mechanische Stabilität so groß, dass hier kein Substrat nötig ist. Hier ist dann auch die Wärmeleitfähigkeit des Widerstandsmaterials ausreichend um vergleichsweise niedrige Wärmewiderstände zu erzielen. Dieser liegt beim 1-mΩ-Widerstand bei ca. 10 K/W und beim 100-µΩ-Widerstand sogar bei 1 K/W.

Der Shunt sollte eine möglichst niedrige Induktivität haben

Da heute in sehr vielen Anwendungen getaktete Ströme gemessen und geregelt werden müssen, ist die Induktivität des Shunts bzw. des Messkreises von großer Bedeutung. SMD-Widerstände werden niederinduktiv als ebene, flache Ausführung ohne oder mit eng beieinander liegenden Mäandern hergestellt. Die diamagnetischen Eigenschaft der bereits genannten Präzisionslegierungen, das metallische Substrat sowie der Vierleiteranschluss tragen weiter zur Verbesserung bei.

Da aber die Senseleitungen mit dem Widerstand zusammen eine Antenne bilden, in der das durch den Stromfluss erzeugte Magnetfeld und andere externe Magnetfeldänderungen Induktionsspannungen erzeugen, ist es besonders wichtig, die von diesen Leitungen umschlossene Fläche so klein wie möglich zu halten (Bild 6). Optimal ist eine Ausführung in Strip-Line Technik d.h. die beiden Leitungen werden deckungsgleich auf zwei Ebenen übereinander zum Messverstärker geführt. Bei nicht sachgemäßer Ausführung (rote Linien) kann dieser Antenneneffekt den Einfluss der echten Induktivität des Widerstandes um Größenordnungen übersteigen.

Es ist ein niedriger Gesamt­widerstand anzustreben

Bei hohen Strömen und niedrigen Widerstandswerten ist zwar eine Vierleiterausführung angebracht, trotzdem ist z. B. die oft benutzte Stanzteillösung aus einem Manganinblech (Bild 7 oben) nicht die beste Lösung, denn hier ist zwar der Vierleitermesswiderstand, dessen Temperaturkoeffizient und die Thermospannung in Ordnung, aber der Gesamtwiderstand ist teilweise um das 2- bis 3-fache höher als der eigentliche Messwiderstand. Die Folge ist eine entsprechend höhere, oftmals unzulässige Verlustleistung und Temperatur im Widerstand. Hinzu kommt, dass sich Widerstandsmaterialien durch Schraub- und Lötverbindungen nur schlecht mit Kupfer verbinden lassen, was einen erhöhten Übergangswiderstand und damit weitere Verluste zur Folge hat.

Diese Fehler sind bei den aus Verbundmaterial gestanzten Widerständen weitgehend eliminiert (Bild 7 unten). Der Gesamtwiderstand ist um weniger als 10% erhöht und der Kunde kann auf bewährte Cu-Cu-Verbindungstechniken zurückgreifen.

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