Miniaturisierter Präzisions-SMD-Widerstand für Ströme bis 100 A

Miniaturisierter Präzisions‐SMD‐Widerstand für Ströme bis 100 A Mit nur noch 25 % Platzbedarf des Vorgängers zählt der BVN‐Shunt der Isabellenhütte zu einer Neuentwicklung, die vor allem bei der Automobilindustrie mit ihrer steten Forderung nach immer kleineren Bauformen Gefallen finden dürfte. Sein Vorgänger ist mit über 30 Mio. verkauften Stück unter anderem Dauergast in elektrischen Servolenkungen. Trotz der stark verminderten Größe erreicht der BVN aufgrund seines Aufbaus und der Legierungszusammensetzung herausragende Werte bei Temperaturkoeffizient, Belastbarkeit und Langzeitstabilität. Die Automobilindustrie verspürt einen verstärkten Druck zur Reduktion der CO2‐Emmission. Ein Downsizing der Motoren auf Kosten des Fahrspaßes geht zwar in die richtige Richtung, aber die Akzeptanz der Kunden lässt zu wünschen übrig. Solange es emissionsfreien Elektrofahrzeugen aus Gründen der Reichweite bzw. Alltagstauglichkeit ebenfalls an Akzeptanz fehlt, geht es weiterhin darum, den Kraftstoffverbrauch durch technologischen Fortschritt zu reduzieren. Große Erfolge zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches wurden in den letzten zwei Jahrzehnten durch die Umstellung von mechanisch oder hydraulisch angetriebenen Aktuatoren auf elektromechanische erzielt; z. B. bei Kühler‐ und Klimaanlagenlüfter oder der Wasserpumpe. Die vollelektrische Servolenkung spart sogar bis zu 0,4 l Kraftstoff pro 100 km. In modernen Fahrzeugen ab der Golfklasse aufwärts ist sie inzwischen zum unverzichtbaren Standard geworden. Mit großer Sicherheit wird die Masse der kleineren Fahrzeuge in den nächsten Jahren bei all diesen Entwicklungen nachziehen. Das bedeutet, dass die Kosten für derartige Systeme nochmals deutlich sinken müssen. Da andererseits diese hochdynamischen Antriebe sicherheitsrelevante Eigenschaften besitzen, werden sehr hohe Anforderungen an Sicherheit und Güte der Leistungselektronik und Regelung gestellt. Eine Kostenreduktion ist pauschal betrachtet durch eine effizientere Fertigung bei höhren Stückzahlen gegeben, aber es sind zusätzliche Maßnahmen nötig. Eine davon ist die Leistungsdichte der Elektronik zu erhöhen, sodass die Bauformen und in Folge auch die Steuergeräte kleiner werden. Eine wichtige Stellgröße für die Regelung ist der Strom der Stellmotoren. Damit gelten die o. g. hohen Anforderungen auch für den Stromsensor, in diesem Fall den Shunt. Im Wesentlichen lauten diese:  Hohe Absolut‐Genauigkeit  Niedrige Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes (TK)  Gute Langzeitstabilität  Hohe Belastbarkeit  Niedrige Thermospannung  Sichere Montage auf DCB  Kompakte Bauform  Günstiger Preis Extreme Platzeinsparung: nur noch 25 % des Vorgängers Der neue Präzisions‐SMD‐Widerstandstyp „BVN“ der Isabellenhütte kann diese Eigenschaften in hohem Maß vorweisen. Er ist der kompakte Nachfolger des „BVB“, der seit vielen Jahren erfolgreich in mehr als 30 Mio. Servosteuerungen sowie elektrischen Lenkungen eingesetzt wurde. Im Vergleich zum BVB mit der Bauform 2725 ermöglicht der BVN durch seinen kompakten Aufbau der Bauform 1216 eine deutliche Kostenreduktion durch Verkleinerung der DCB‐Substrate. Beide Widerstandstypen werden stanztechnisch aus elektronenstrahl‐verschweißtem Verbundmaterial Cu‐
Widerstandsmaterial‐Cu gefertigt. Bildunterschrift: der kleine Bruder BVN misst bei gleicher Leistung nur noch 3,2 x 4 mm. Der Widerstand ist trotz der kleinen Bauform mit 3 W belastbar und Muster sind ab dem 4. Quartal 2013 in den Werten 0,5 und 1 mOhm verfügbar. Eine Version mit 0,3 mOhm für Dauerströme bis 100 A ist in Vorbereitung. Die Verwendung der von der Isabellenhütte im eigenen Hause hergestellten Präzisionswiderstands‐Legierungen Zeranin, Manganin und Isaohm sind die Grundvoraussetzung für die Einhaltung der Anforderungen bezüglich Temperaturkoeffizient (TK), Langzeitstabilität und Thermospannung. Sie ermöglichen bei gleicher Geometrie aufgrund ihrer verschiedenen spezifischen Widerstandswerte alle geforderten Widerstände. Die von der Leiterplatte etwas hoch gesetzte Bauform des BVN ist ähnlich der des BVB. Sie gleicht dadurch die relativ stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von DCB und Widerstandsmaterial durch leichte, elastische Verbiegung der vertikalen Flanken bei Temperaturwechseln vollständig aus. Das bedeutet, dass die Lötstelle einer weit höheren Anzahl von Temperatur‐ oder Lastwechseln standhält (z. B. 2.000 Zyklen, ‐55 bis +150 °C) als ein flaches Bauteil. Bildunterschrift: der BVN ist als Vierleiterwiderstand konzipiert Da aber nun durch die etwas längeren Cu‐Zuleitungen der seitlichen Flanken der TK mit mehreren 100 ppm/K zu hoch wäre, wurde auch hier die Vierleiterversion mit separaten Sense‐Anschlüssen realisiert. BVN-Z-R0005-1.0
1,0
Probe 1
dR/R20 in %
Probe 2
+ 50 ppm/K
0,5
- 50 ppm/K
0,0
-0,5
-1,0
-20
0
20
40
60
80
100
Temperatur in °C
120
140
Die Grafik zeigt den typischen Verlauf der prozentualen Widerstandsänderung zweier 0,5‐mOhm‐ Proben als Funktion der Temperatur mit dem 20 °C‐Wert als Referenz. Der sehr flache, wenig gekrümmte Kurvenverlauf wird durch die Verwendung der Präzisionswiderstandslegierung Zeranin erreicht. Die Grenzwerte von ±50 ppm/K können auch in der Großserie prozesssicher eingehalten werden. Jegliche Veränderung des TK‐Wertes oder des Widerstandswertes durch den Lötprozess wird durch den 4‐Leiter‐Aufbau völlig vermieden. Der innere thermische Widerstand liegt für den 0,5‐mOhm‐Wert bei ca. 8 K/W, sodass der Temperaturanstieg im Hotspot auch bei voller Nennbelastung von 3 W weniger als 25 K beträgt. Das wiederum bedeutet, dass die reversible Widerstandsänderung aufgrund von TK und Temperaturerhöhung unter Belastung sehr gering ist (< 0,05 %). Der niedrige Wärmewiderstand und die daraus resultierende niedrige Hotspot‐Temperatur garantiert die hohe Langzeitstabilität auch bei voller Belastung am Knickpunkt der Lastminderungskurve. 1,25
P/Pnenn
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
20
60
100
140
Lötstellentemperatur Tk
Trotz der extrem kleinen Bauform ist der BVN‐Widerstand ein Präzisionsbauteil, dessen Widerstandstoleranz im gesamten Temperaturbereich von ‐40 bis +140 °C bei gleichzeitig maximaler Belastung und über die gesamte Lebensdauer erhalten bleibt. Fehlerspannungen und ihre Ursache Es unterliegt nun dem Schaltungs‐Designer, dass nicht externe Störquellen einen höheren Fehler für die Messung bzw. Regelung verursachen als die Toleranz des Widerstandes. Die Strommessung erfolgt über den Spannungsabfall am Shunt nach dem Ohmschen Gesetz: U=R*I + Uth+ Uoffset + Uind + Uvers wobei bei solch niedrigen Widerstandswerten und den damit verbundenen kleinen Mess‐
Spannungen im mV‐Bereich eine Reihe von Fehlerspannungen berücksichtigt werden müssen, die mit dem eigentlichen Stromfluss nichts zu tun haben und die Messung im Extremfall völlig verfälschen können. Diese sind: Uth Thermospannungen im Messkreis Uoffset Offsetspannung des verwendeten Verstärkers bzw. Mess‐Systems Uind induzierte Spannungen bei getakteten Stromstellern Uvers Fehlerspannungen im Messkreis durch schaltungsbedingte Fehlerströme Bei der Thermospannung Uth ist vor allem auf die Verwendung des „richtigen“ Widerstandsmaterials zu achten. Das auch heute noch oft verwendete Konstantan (CuNi44) hat zwar einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten (< 20 ppm/K), ist aber wegen sehr hoher Thermokraft bzw. Seebeck‐
Koeffizient gegen Cu (40 µV/K) für Präzisionsmessungen nicht geeignet. Ein Shunt aus diesem Material produziert bei einer Temperaturdifferenz von z. B. 10 K eine Thermospannung von Uth 70
2,1
60
1,8
50
Zeranin
1,5
40
CuNi44
1,2
30
0,9
20
0,6
10
0,3
Fehlerstrom in A
Anregungsstrom in A
=10K*40µV/K = 400 µV. Dies wiederum täuscht bei einem 0,5‐mOhm‐Widerstand einen Strom von 0,8 A vor. Durch geometrische und konstruktive Maßnahmen, insbesondere des Leiterkartenlayouts, kann die Temperaturdifferenz ohne Stromfluss zwar reduziert werden. Sobald aber ein DC‐Strom fließt, sorgt der Peltiereffekt für eine Abkühlung der einen Lötstelle und eine zusätzliche Erwärmung der zweiten Lötstelle. Das heißt, durch den zu messenden Strom wird eine Temperaturdifferenz aufgebaut, die ihrerseits wieder eine Fehlerspannung produziert. Da die Peltierwärme und die damit verbundene Temperaturdifferenz proportional zum Strom sind, lautet die obige Gleichung nun: U= (R+A)*I wobei die Konstante A im Wesentlichen den Peltier‐Koeffizienten und die Temperaturdifferenz enthält, aber zeitabhängig ist, da letztere sich erst mit der thermischen Zeitkonstanten auf‐ bzw. abbaut. Mit niedrigerem Strom ist zwar die sich aufbauende Temperaturdifferenz kleiner, aber da auch der durch den Strom bedingte Spannungsabfall entsprechend kleiner ist, bleibt der prozentuale Fehler gleich. 0
0
0
30
60
90
120
150
Zeit in sec
Die Grafik zeigt als Beispiel eine Strommessung an einem 0,5‐mOhm‐Widerstand aus CuNi44. Nach einer Bestromung mit 60 A für ca. 30 sek verbleibt nach dem Abschalten ein „Reststrom“ von ca. 1,2 A (entsprechend einem Anfangs‐Fehler von 2 %), der mit der thermischen Zeitkonstanten abklingt und durch eine vom Peltiereffekt aufgebaute Temperaturdifferenz von ca. 15 K verursacht wird. Dieser Fehlerstrom ist während der 60‐A‐Bestromung aufgebaut worden, aber in dieser Grafik der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Beim Umpolen der Stromrichtung dreht sich auch der Peltiereffekt um, sodass ein gleiches Fehlerbild entsteht. Eine genaue Strommessung ist also mit einem solchen Widerstandsmaterial grundsätzlich nicht möglich. Andere Gründe für Thermospannungen im Messkreis können z. B. Kontakte aus nicht geeigneten Materialien mit hoher Thermospannung gegen Kupfer sein. Eine Temperaturdifferenz in o. g. Größenordnung kann z. B. durch unsymmetrische Wärmeabfuhr aus dem belasteten Widerstand oder durch Leistungsbauelemente in der Nähe des Widerstandes verursacht werden. Die Präzisionswiderstandslegierungen Manganin, Zeranin und Isaohm sind über die Optimierung der Legierungszusammensetzung thermoelektrisch dem Cu angepaßt (< 1µV/K) , sodass hier sowohl Seebeck‐ als auch Peltiereffekt nahezu vollständig unterdrückt werden. Eine weitere Fehlerspannung ist die Offsetspannung Uoffset. Für die Vorverstärkung bzw. Messwerterfassung sind heute Halbleiterbauelemente verfügbar mit Offsetspannungen im Bereich unter 20 µV und vor allem mit Offset‐TK‐Werten unter 1 µV/K. Das bedeutet für den o. g. 0,5‐mOhm‐ Widerstand einen Messfehler bei 100 °C von 20µV+80K*1µV/K = 100 µV entsprechend 0,2 A Die Fehlerspannung Uind (Induzierte Spannung) ist besonders bei den heute sehr häufig eingesetzten getakteten Stromstellern zu beachten. Die Induktivität des Shunts ist wegen der extrem kleinen Bauform und der verwendeten diamagnetischen Werkstoffe sehr klein (< 2nH). Einen wesentlich größeren Einfluss hat die durch Widerstand und Sense‐Leitungen auf der Leiterplatte aufgespannte Antenne, die externe und durch den Mess‐Strom aufgebaute Magnetfelder in Form von Rauschspannungen einfängt. Für die induzierte Spannung gilt: Uind = A * dB/dt wobei A die umschlossene Fläche und dB/dt die gegebene zeitliche Magnetfeldänderung darstellt. Das bedeutet, dass eine Reduzierung der induzierten Spannung nur durch eine Optimierung der Leiterbahnführung durch eng beieinanderliegende Bahnen oder durch eine sog. Stripline‐Technik mit deckungsgleich auf verschiedenen Lagen geführten Bahnen realisiert werden kann. Die Fehlerspannung Uvers im Messkreis soll anhand eines Beispiels erläutert werden. Die folgende Schaltung zeigt einen häufigen Fehler bei dem ein zur Massefläche geführter Rückstrom der Spannungsversorgung des Verstärkers/Messwandlers, der über einen Teil der low‐side‐
Spannungsanbindung am Vierleiterwiderstand geführt wird (rote Linie). Ein Strom von 20 mA erzeugt über einem Leiterbahnwiderstand von 25 mOhm einen Spannungsabfall von 500 µV, entsprechend einem Strom von 1 A beim 0,5‐mOhm‐Widerstand. Er wirkt exakt wie ein Offset und kann an diesem unterschieden werden, indem man bewusst einen Teststrom über die negative Versorgung des Mess‐Systems zur Masse leitet. Die vorgenannten Fehlergefahren betonen die Bedeutsamkeit eines durchdachten Schaltungsaufbaus. Der Widerstand selbst jedoch schafft die wichtigste Voraussetzung für eine wegweisende Leistung auf kleinstmöglichem Raum. Mit dem kompakten Präzisions‐SMD‐Widerstand Typ BVN steht dem Entwickler für Hochstrom‐Aktuatoren wie z. B. der elektrischen Servolenkung ein Bauelement als Stromsensor zur Verfügung, das einerseits die hohen elektrischen Anforderungen bzgl. TK, Belastbarkeit und Langzeitstabilität exzellent erfüllt und andererseits kostengünstig genug ist, um dem Designer durch die verringerte Baugröße eine weitere Miniaturisierung der Leistungselektronik und damit die erforderliche Kostenreduktion zu ermöglichen. Zeranin®, Manganin® und Isaohm® sind Eingetragene Warenzeichen der Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG Abdruck honorarfrei, wir bitten um ein Belegexemplar an Wassenberg. Vielen Dank. Autor: Dr. Ullrich Hetzler, freier Entwicklungsberater und bis 2012 Entwicklungsleiter Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG Pressekontakt: Wassenberg Public Relations für Industrie & Technologie GmbH Michaela Wassenberg, Tel.: 0911 / 598 398‐0 m.wassenberg@wassenberg‐pr.de