Wärmemanagement mit Widerständen
Stephen Oxley | Business Development Engineer | TT Electronics
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Die Wichtigkeit und Gründe für das Wärmemanagement von Widerständen
Die Miniaturisierung elektronischer Produkte ist ein fortlaufendes Ziel, um dem Endnutzer Vorteile wie geringere Kosten, Gewichtseinsparungen und einen reduzierten Materialverbrauch zu bieten. Insbesondere die Schonung von Ressourcen, die durch Miniaturisierung erreicht wird, ist ein wichtiger Faktor zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit.
Allerdings bringt die Miniaturisierung auch Herausforderungen mit sich, da wärmeerzeugende Komponenten näher beieinander oder näher an wärmeempfindliche Teile platziert werden müssen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Leistungsfähigkeit trotz der Verkleinerung erhalten bleiben soll, was zu einer höheren Leistungsdichte führt.
Während beispielsweise Halbleiter nicht zwangsläufig Wärme erzeugen müssen, um ihre Funktion zu erfüllen, verhält es sich bei Widerständen anders. Widerstände sind aufgrund ihrer grundlegenden Schaltungsfunktion die einzigen elektronischen Bauteile, die notwendigerweise Wärme erzeugen. In Signalschaltungen mag dies vernachlässigbar sein, doch in vielen anderen Anwendungen kann eine beträchtliche Wärmemenge freigesetzt werden – ein unvermeidbarer Umstand.
Wenn wärmeerzeugende Komponenten näher beieinanderliegen, können Bereiche mit erhöhten Spitzentemperaturen entstehen, was sich auf die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Produkts, in dem die Widerstände verbaut sind, auswirken kann.
Erhöhung der Leistungdichte durch Miniaturisierung
Die Miniaturisierung kann zu Problemen mit der Wärmeempfindlichkeit führen. Wenn wärmeerzeugende Komponenten näher an wärmeempfindliche Bauteile heranrücken, kann dies die Leistungsfähigkeit der Schaltung beeinträchtigen. Häufig ist dieser Effekt nicht sofort erkennbar, da ein Fehler möglicherweise erst im thermischen Gleichgewicht auftritt, obwohl die Schaltung im kalten Zustand als funktionstüchtig getestet wurde. So können zeitabhängige Probleme entstehen, die aufgrund einer verminderten Reproduzierbarkeit nur schwer zu diagnostizieren sind. Die wichtigsten Parameter der meisten elektronischen Bauelemente variieren durchaus mit der Temperatur, vorrangig die der passiven und aktiven.
Beeinflussung anderer Komponenten durch Miniaturisierung
Beim Beispiel der Widerstände spielen drei Aspekte der thermischen Empfindlichkeit eine Rolle, wenn ein Widerstand in die Nähe einer Wärmequelle gerückt wird:
- Ohmscher Wert – Die maximale Veränderung des Widerstandswerts bei Temperaturänderungen wird durch den Temperaturkoeffizienten (TCR) in ppm/K definiert. Dies ist besonders problematisch in präzisen analogen Schaltungen wie Sensoreingängen für A/D-Wandler
- Rauschen – Das Eigenrauschen eines Widerstands nimmt mit steigender Temperatur zu, was beispielsweise in Audioschaltungen störend wirken kann
- Thermoelektrische Spannungen – An Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen können kleine Spannungen entstehen, die zu Fehlern in Strommessschaltungen mit niederohmigen Shunt-Widerständen führen
Ein sorgfältiges PCB-Layout kann thermoelektrische Spannungen durch thermische Symmetrie minimieren. Die Miniaturisierung erschwert jedoch dieses Designziel. Die folgenden Abbildungen verdeutlichen die Problematik der thermoelektrischen Spannungen am Beispiel von Shunt-Widerständen, die häufig im Milliohm-Bereich liegen und deren Spannungsfehler erhebliche Messfehler verursachen können. In diesen Schaltungen gibt es zahlreiche Materialübergänge, die zur Entstehung thermoelektrischer Spannungen beitragen. Mit zunehmender Miniaturisierung können Wärmequellen (Mitte des Bildes) oder Wärmesenken (linkes Bild) näher an den Widerstand rücken, was die Problematik der thermoelektrischen Spannungen weiter verstärken kann.
Bei einem guten Design führt die thermische Symmetrie zur Aufhebung (V1=V2)
Thermische Asymmetrie aufgrund einer Wärmequelle (V1>V2)
Thermische Asymmetrie aufgrund einer Wärmesenke (V1<V2)
