Trådlindade motstånd, allt från joule-märkta komponenter för energiabsorbering till miniatyriserade motstånd för temperaturavkänning, fortsätter att ge väsentliga fördelar jämfört med alternativen i många tillämpningar. Phil Ebbert leder utvecklingsarbetet inom motstånd hos Riedon Inc och gör här en jämförelse mellan olika motståndstekniker.

Såsom för alla andra komponenter har den tillverkningsteknik som används vid tillverkningen av motstånd med tiden förändrats och resistiva filmer har väsentligt bidragit till att möjliggöra kostnadseffektiv massproduktion av alltmer miniatyriserade motstånd. Det traditionella trådlindade motståndet fortsätter dock att vara den bästa lösningen för många specialiserade tillämpningar, trots att antalet tillverkare av sådana komponenter har minskat kraftigt under de senaste årtiondena.

Konstruktionsfördelar
En anledning till att trådlindade motstånd överlevt är att samtliga alternativa tillverkningstekniker har nackdelar. Användningen av ledande bläck för framställning av kolfilms- eller tjockfilmsmotstånd kan exempelvis ge mycket billiga komponenter, men resulterar i motstånd med begränsad pulstålighet, inte bättre än 0,1 procents initial tolerans och dålig långsiktig stabilitet, normalt 500 till 1 000 ppm/år. Resistansen är temperaturberoende, med en temperaturkoefficient för resistansen (TCR) på runt 50 till 100 ppm/°C. Dessutom är ett relativt högt strömbrus på -18 dB till -10 dB normalt, där:
dB = 20 x log (brusspänning [in μV]/DC-spänning [in V])
Kolkompositmotstånd, som görs genom att ledande kolpulver och ett isolerande material (vanligtvis en keram) binds i en harts, hör till de tidigaste motståndstyperna. Önskat resistansvärde bestäms av proportionerna mellan kol och det isolerande materialet. Det är svårt att åstadkomma noggranna värden så ±5 procent är ofta den bästa initiala tolerans som är tillgänglig och motstånden uppvisar dålig temperaturstabilitet med TCR på runt 1 000 ppm/ºC. Motstånden har också högt strömbrus (-12 dB till +6 dB ) och lider av dålig stabilitet över tiden.
Metallfilmstyper är bättre. De ger förbättrad tolerans (så bra som 0,01 procent), TCR på 10 till 200 ppm/°C och stabilitet på 200 till 600 ppm/år. Dessa uppgifter motsvarar dock inte de för trådlindade alternativ och motstånden har betydligt sämre förmåga att hantera pulser.
På grund av övriga teknikers begränsningar används fortfarande trådlindade komponenter i många tillämpningar. De kan hantera pulser och transienter på hög nivå, kan ta bort stora mängder kraft (en del har märkeffekt på upp till 2,5 kW) och de kan vara mycket noggranna – vissa har initial tolerans ned till 0,005 procent. Lika viktigt är att de är stabila (15 till 50 ppm/år) och att de bibehåller sin noggrannhet över tiden eftersom de är gjorda av stabila material. Trådlindade motstånd hör också till de motstånd som har lägst strömbrus, -38dB.

Motståndstråd
Den grundläggande strukturen för ett trådlindat motstånd har varit oförändrat under många år. Såsom namnet anger lindas en motståndstråd runt en kärna eller ett block, som vanligtvis är av keramiskt material. Kärnans båda ändar förses med metallförslutningar som motståndstråden svetsas fast på. Motståndet kapslas sedan för att skydda det mot fukt och fysisk skada.

Fig 1. Enkel specialanpassning är en av de främsta fördelarna med trådlindad motståndsteknik, såsom framgår av dessa exempel från Riedon.

Trådlindad konstruktion ger också motstånd som är lätta att specialanpassa, så ingenjörer har frihet att specificera exakt vad de behöver, även om de slutkvantiteter som behövs räknas i hundratal snarare än i tiotusental. Och även om tekniken är bekant har den inte stått still. Framsteg inom materialvetenskap har exempelvis möjliggjort konstruktion av motstånd med kraftigt kontrollerat svar över en rad olika temperaturer, med så lågt TCR som 1 ppm/°C.
Den enskilda komponentens resistans bestäms av motståndstrådens längd, tvärsnittsyta och material (och därmed dess resistivitet). Vad beträffar valet av material kan en 30 m lång koppartråd med liten diameter ha en resistans på några få ohm. Jämför det med en nickelkromlegering med högre resistivitet, vilket innebär att en tunn och endast 30 cm lång tråd gjord av det materialet kan ha en resistans på flera tusen Ohm.
Tillverkare av trådlindade motstånd erbjuder ett antal olika metallegeringar och storlekar och teknikens fördelar förklaras till stor del av hur motstånden tillverkas. Om ett motstånd med mycket hög noggrannhet ska göras kan exempelvis en längre motståndstråd utnyttjas som möjliggör att värdet trimmas till stor noggrannhet genom att några få centimetrar (eller t o m millimetrar) av tråd tas bort.

Temperaturstabilitet
Materialvalet är också den faktor som har störst inverkan på motståndets temperaturegenskaper. Låg-TCR-legeringen “RO-800” formuleras exempelvis att ha ett TCR-värde på 5 till 10 ppm/°C. Jämför det med ren nickel som har TCR på 6 700 ppm/°C och koppar med TCR på 3 900 ppm/°C.
Valet av material möjliggör därmed för tillverkaren att skräddarsy motstånd med önskade egenskaper. I allmänhet är ett lågt TCR önskvärt. I vissa situationer, såsom temperaturavkännings- och –kompenseringstillämpningar, kan dock det motsatta gälla, eftersom det specifika målet med sådana komponenter är att de svarar på temperaturförändringar.
Trådlindade komponenter väljs ibland för sin förmåga att fortsätta fungera i extrema temperaturer. Motstånd som de i Riedons UT-serie av axiala motstånd fungerar exempelvis från -55°C till 275°C, och fortsätter att fungera vid ännu högre temperatur med “de-rating”. Denna förmåga gör att tekniken passar bra för användning inom flyg- och rymdindustrin samt i tillämpningar såsom brandskyddssystem.

Fig 2. Den grundläggande konstruktionen för trådlindade motstånd har med tiden förändrats mycket lite.

Egenskaper rörande krafthantering och energiborttagning är på liknande sätt kopplade till motståndens fysiska konstruktion. I allmänhet kan ett motstånd med större massa säkert absorbera och ta bort mer momentan effekt och sammanlagt mer energi, vilket är ytterligare en fördel med trådlindad teknik.

Pulsprestanda
Ett vanligt användningsområde för trådlindade motstånd är hantering av pulser. Utrustning såsom en medicinteknisk defribrillator måste göra sig av med en stor mängd energi på mycket kort tid, vilket utsätter dess elektriska komponenter för en hög grad av stress. För att skydda dessa komponenter från att fallera konstruerar ingenjörer normalt in ett motstånd som kan absorbera energin hos en betydande strömstöt under en millisekund. I en annan tillämpning utnyttjas trådlindade motstånd för att skydda en mätarmodul installerad i en elmätare. Här absorberar motståndet den höga ström som genereras när en metalloxidvaristor (MOC) kläms åt som svar på en spänningsstöt i nätet. Stötar kan orsakas av många olika saker, bl a åska, induktiva laster (motorer), kondensatorbanker, ställverk eller t o m omkoppling av värme- och ventilationssystem i och ur kretsen. För dessa typer av tillämpningar utnyttjas ibland motstånd i den ovan omnämnda UT-serien. Dessa kan motstå över 1 000 joule. Värden varierar från 0,02 Ohm till 260 kOhm med toleranser ned till ±0,01 procent och TCR ned till ±20 ppm/°C.
Att välja rätt förmåga att hantera pulser för en viss tillämpning är inte alltid helt lätt. Hantering av inrusningsström ställer andra krav än dämpning av transienter. Det är inte lätt att på ett datablad fånga all den information som krävs för ett sådant val.
För pulser på upp till fem sekunder specificerar industristandarden ett motstånd på fem gånger märkeffekten under fem sekunder, så ett 5 W motstånd måste kunna hantera 25 W i 5 sekunder (125 J), oavsett kapselstorlek eller resistansvärde.

Fig 3. Förståelse för pulsen form, upprepningstakt och varaktighet krävs för beräkning av den energihanteringsförmåga som behövs.

För kortare pulser avgör motståndstrådens massa joule-märkningen, som då beror på resistansvärdet och kapslingstypen, inklusive dess storlek och om det är en axiell eller ytmonterad komponent. Hänsyn måste också tas till upprepningstakten och pulsens form – kvadratisk, triangulär eller oregelbunden.
I strömavkänningstillämpningar ställs konstruktörer inför andra krav. Övervakning av batterilivslängden i handhållen utrustning kräver exempelvis i allmänhet en liten kapsel, medan mätning i industriell eller medicinsk utrustning eventuellt kräver hög noggrannhet och förmåga att hantera hög ström.

Fig 4. Icke-induktiv lindning kan ge trådlindade motstånd med minimal självinduktans.

Trådlindade motstånd är utmärkta när det är viktigt med noggrannhet. Komponenter med fyra terminaler finns exempelvis i värden från 0,01 Ohm till 1 kOhm med toleranser ned till 0,005 procent och förmåga att hantera ström på upp till 25 A.
De vanligast nackdelarna som beskrivs för trådlindade motstånd, framför allt vad gäller högfrekvenstillämpningar, är deras självinduktans. Denna kan dock undvikas med den bifilära lindningsteknik, som visas i figur 4, i vilken lindningarna är arrangerade så att två motsatta magnetfält skapas ( ett medurs och ett moturs), vilket tar bort induktansen, utom den restmängd som terminalerna och anslutningsledningarna står för. Induktansen minskas normalt med 90 procent jämfört med en standardkomponent.
Phil Ebbert, vice vd Engineering, Riedon Inc.

Filed under: Kontaktdon