Wärmemanagement mit Widerständen
Die dynamische Wärmeleistung
Die dynamische Wärmeleistung bezieht sich auf die Veränderung von Hitze über die Zeit. In bestimmten Situationen müssen Widerstände nur für eine begrenzte Zeit Hitze abführen. Dies kann ein sehr kurzer Impuls sein, eine längere Überlastung von mehreren Sekunden oder ein isoliertes Lade- oder Entladeereignis beim Ein- oder Ausschalten eines Geräts. Ebenso kann es zu wiederholten Überlastungen mit Pausen dazwischen kommen, was zu einer kumulativen Erwärmung führt. Um dies zu verstehen, ist es notwendig, den thermischen Aufbau des Widerstands zu analysieren.
Eine hilfreiche Analogie ist ein System aus Wassertanks, in denen das Wasser die elektrische Energie und die daraus entstehende Wärmeenergie symbolisiert. Ein Abfluss aus einem der Tanks stellt die Wärmeableitung innerhalb dieses Systems dar.
Der Fluss elektrischer Energie in das Widerstandselement (A) symbolisiert die Energiezufuhr, die in das Substrat (C) übergeht und von dort in die Umgebungsluft oder Platine abgeführt wird (D). Die Durchflussrate wird von der Größe der Tanks, der Kapazität des Widerstandselements und der Wärmeabfuhr beeinflusst, dargestellt durch Abflussrohre. Bei kurzen Impulsen hängt die Durchflussrate hauptsächlich von der Kapazität des Eingangstanks A ab. Bei mittleren Impulsen wird zusätzlich die Verbindung zum Widerstandselement B berücksichtigt. Bei längeren Impulsen spielt die Kapazität des Ausgangstanks C eine wichtige Rolle. Im Fall eines kontinuierlichen Flusses hängt die Durchflussrate ausschließlich von der Kapazität des Ausgangstanks D ab. Dieses Prinzip bezeichnet man als thermisches Gleichgewicht, bei dem der Energiezufluss in A der Wärmeabgabe in D entspricht.
Tanks und Abflüsse als Modell für die Wärmeableitung
Impulse und deren Dauer
Bei der Betrachtung und dem Vergleich verschiedener Widerstandstechnologien zeigt sich, dass Drahtwiderstände ideal für kurze Impulse sind, da sie eine hohe Energiekapazität haben. Schichtwiderstände haben hingegen eine bessere Verbindung zum Substrat und können die Wärme dorthin effizienter ableiten. Besonders der drahtgewickelte WH5-Widerstand hat den Vorteil eines Aluminium-Metallmantels, der die Wärme gut an die Umgebung ableitet und somit eine ausgezeichnete Dauerleistung sowie verbesserte Langimpulsleistung bietet. Alle vier Produkte haben ungefähr die gleiche Größe des Widerstandselements, jedoch beeinflussen die Gehäuse- und die Elementtechnologie die thermische Leistung. Um die thermische Leistung unter dynamischen Bedingungen zu verstehen, ist es daher wichtig, das Innere und den Aufbau der Widerstände zu kennen.
| Drahtgewunden ohne Kühlkörper | Drahtgewunden mit Kühlkörper | Metalloxid | Metallfilm | ||
|---|---|---|---|---|---|
| A | Wärmekapaziät Widerstandselement | Hoch | Hoch | Mittel | Niedrig |
| B | Kontakt Element-Ummantelung | Niedrig | Niedrig | Hoch | Hoch |
| C | Wärmekapaziät Ummantelung | Mittel | Hoch | Mittel | Mittel |
| D | Kontakt des Widerstandes zur Luft/Kühlkörper | Mittel | Sehr hoch | Mittel | Mittel |
| Performance kurze Impulse | Gut | Gut | Mittel | Schlecht | |
| Performance mittlere Impulse | Mittel | Mittel | Gut | Schlecht | |
| Performance lange Impulse (Overload) | Gut | Hervorragend | Mittel | Mittel | |
| Performance bei Dauerleistung | Mittel | Hervorragend | Mittel | Mittel |
Widerstandstechnologien und deren thermisches Verhalten
Bewertungsstrategien der dynamischen Wärmeleistung
Es gibt drei Strategien die Leistung eines Widerstandes unter dynamischer Belastung zu bewerten. Die erste und theoretische Ansatz ist die Simulation. Dabei erstellt man ein detailliertes thermisches Modell des Widerstands. In der Praxis wird dies bei Widerstandsbauteilen jedoch selten angewandt, da es meist bessere und direktere Bewertungsmöglichkeiten gibt. Aus diesem Grund wird die Simulation hauptsächlich auf Baugruppenebene und nicht auf der Ebene einzelner Widerstandskomponenten durchgeführt.
Die zweite Methode zur Überprüfung des Widerstands besteht darin, Umwelttests durchzuführen. Dabei wird der Widerstand gezielt Überlastungsbedingungen ausgesetzt, um zu prüfen, ob er Schaden genommen hat. Hauptindikator ist die Änderung des Ohmwerts, der zu Beginn und am Ende des Tests gemessen wird. Abhängig von der verwendeten Technologie kann eine Änderung von einigen Prozent normal und akzeptabel sein. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob etwa Oxidation oder Veränderungen im Gefüge einer Metalllegierung vorliegen. Zudem wird das Material auf Defekte untersucht, um festzustellen, ob Beschichtung, Gehäuse oder Formteile beschädigt wurden. In manchen Fällen wird der Widerstand auch Feuchtigkeit ausgesetzt, um zu prüfen, ob diese in das Bauteil eindringen kann. Der Umwelttest stellt somit die beste Methode dar, um eine abschließende Bewertung des Widerstands vorzunehmen.
Eine dritte Methode zur Bestimmung der thermischen Leistung eines Widerstands ist die empirische Beobachtung. Dies ist jedoch nicht bei allen Widerständen anwendbar, wie etwa bei mit Aluminium ummantelten drahtgewickelten Widerständen. Bei diesen befindet sich der heißeste Punkt im Inneren des Widerstands, im Wicklungsdraht, was eine genaue Messung erschwert. Im Gegensatz dazu liegt der heiße Punkt bei Dickschichtwiderständen auf Stahl nahezu an der Oberfläche und kann mithilfe einer Wärmebildkamera gemessen werden. So lässt sich die Temperatur des Elements in Echtzeit selbst unter hohen Belastungen bestimmen. Durch das Anlegen von Strom werden die Widerstandsbahnen sichtbar (siehe Bilder links und Mitte), da Wärme dort erzeugt wird. Das rechte Bild zeigt hingegen die Wärmeverteilung über die Widerstandsoberfläche und in den darunterliegenden Kühlkörper. Diese Analyse ermöglicht es, die Höchsttemperatur des Bauteils in Echtzeit zu ermitteln. Ein weiterer Vorteil der Dickschichtwiderstände auf Stahl ist daher die einfache Durchführung thermischer Tests.
Unterschiedliche Stati der Erwärmung
Wie kann der Widerstandshersteller beim Wärmemanagement unterstützen?
- Die Leistungsanwendung des Kunden verstehen: Welche Belastungsbedingungen können auf die Verlustleistungswiderstände angewendet?
- Die Anwendung in Punkto der Präzision verstehen: die maximalen Fehler, die durch Temperaturschwankungen entstehen dürfen. So kann eine Netzwerk- oder Teilerlösung in einem Gehäuse weniger anfällig sein für Temperaturschwankungen, da sich alle enthaltenen Widerstände gemeinsam erwärmen und abkühlen.
- Empfehlung der besten Technologie für die Anwendung: z.B. Draht-, Film- oder Dickschichtwiderstände auf Stahl.
- Beratung zum Design für das Wärmemanagement: Layout-Beratung, wo und wie man Wärmebrücken-Chips und Kühlkörper verwendet.
- Empfehlung der besten Methoden zur Verifizierung des Designs: Bereitstellung relevanter Testdaten für die vorgeschlagenen Komponenten oder auch die Durchführung von Tests beim Hersteller.
- Und wenn es doch soweit gekommen ist: Hilfe in der Fehler-Analyse. Zum Abschluss zwei Bilder aus Situationen der Überlastung:
