Wie Sie Datenblätter zur Auswahl von Widerständen richtig nutzen

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Man muss also versuchen, einen möglichst niedrigen Widerstandswert zu nutzen, um damit die Verlustleistung möglichst gering zu halten, und gleichzeitig eine angemessene Messspannung gewährleisten zu können?

Richtig. Durch den Einsatz optimierter Verstärkerschaltungen kann man heute mit einem sehr niedrigen Messsignal arbeiten. Hieraus folgt, dass ein niederohmiger Widerstandswert ausreicht, der bei gleichem Strom zu einer deutlich geringeren Verlustleistung und deshalb auch geringeren Erwärmung des Bauteils und damit der Platine führt.

Allerdings steht ein Widerstandswert nie für sich, sondern ist immer abhängig von Parametern wie Temperatur, Zeit, Spannung, Frequenz und anderen. Die Tabelle zeigt den Einfluss von Material, Bauform und Herstellungsverfahren auf das Messsignal des Widerstands.

Neben dem Einfluss von Offset, Temperaturkoeffizient und Rauschen von Operationsverstärkern kann man die Widerstandswerte in den unteren mOhm-Bereich reduzieren, sodass die Verlustleistung P = I^2. R, die beim Messen mit einem Widerstand bei hohen Strömen entsteht, stark verringert werden kann.

Können Sie anhand eines Rechenbeispiels veranschaulichen, welchen Einfluss die verschiedenen Parameter auf den Widerstandswert haben?

Sowohl im Automotive-Bereich als auch in der industriellen Antriebstechnik sind folgende Annahmen typisch:

• Es soll ein Strom von 17 A mit hoher Präzision gemessen werden.

• Es wird ein Messsignal von 170 mV benötigt.

• Das Bauteil soll als SMD-Widerstand verwendet werden.

Die Anforderung, einen Strom von 17 A zu messen und ein Messsignal von 170 mV zu erhalten, ergibt rechnerisch einen Widerstandswert von 10 mΩ:

• R = U/I = 0,170 V/17 A = 0,010 Ω

Daraus lässt sich nun die Verlustleistung bestimmen: P = I^2. R ergibt eine Verlustleistung von 2,89 W.

Dann habe ich ja einen Wert für den Widerstand oder ist das zu kurz gedacht?

Ganz so einfach ist es nicht. Um die richtige Bauteilgröße zu bestimmen, ist es erforderlich, die maximale Einsatztemperatur in der Anwendung zu kennen. Die Datenblätter der Isabellenhütte beziehen sich hierbei auf die Kontaktstellentemperatur im Einsatzfall. Diese ist gegebenenfalls leicht nachzumessen; auch Infrarotaufnahmen zeigen hier den Temperaturunterschied zwischen Hotspot und Kontaktstelle. Die Isabellenhütte nennt im Datenblatt den Parameter „Internal Heat Resistance“ (kurz R_thi), der die Wärmeleitfähigkeit der Bauteilkonstruktion beschreibt. Mithilfe dieses Parameters lässt sich die Temperaturerhöhung im Bauteil berechnen.

Bei der angenommenen P = 2,89 W kann entsprechend der Widerstand VMS aus der VMx-Widerstandsserie der Isabellenhütte mit einer Leistung von 3 W das Bauteil der Wahl sein. Beim VMS ergibt sich eine Temperaturerhöhung von 2,89 W ^. 25 K/W = 72 K. Gemäß Datenblatt erbringt der VMS die Leistung von 2,89 W sogar noch bei einer Kontaktstellentemperatur von 98 °C, was deutlich über der möglichen Einsatztemperatur von Wettbewerbsprodukten liegt.

Was die Bauteilgröße im Verhältnis zur Verlustleistung angeht, ist die Isabellenhütte Technologiemarktführer. Üblich vor allem im industriellen Bereich ist aber die Betrachtung bei einer Temperatur von 70 °C. Die berechnete Erhöhung um 72 K würde zu einer Erwärmung des Bauteils auf nur 142 °C führen. Bei einer maximal zulässigen Temperatur von 170 °C, für die alle Isabellenhütte-Bauteile spezifiziert sind, ist hier noch viel Luft nach oben.

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