Hochlastdraht vs Power-Film

Anwendungs- und Technologievergleich

Typische Widerstände, die in der Leistungselektronik, einschließlich Wechselrichterschaltungen, verwendet werden, sind Leistungsfilmwiderstände und drahtgewickelte Widerstände. Leistungsfilmwiderstände verfügen über hervorragende Impedanz-Frequenz-Eigenschaften, drahtgewickelte Widerstände haben im Gegensatz dazu hervorragende Kurzzeit-Überlastungseigenschaften. Die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Leistungswiderstände werden im Folgenden erläutert.

Aufbau von Widerständen

Alle Merkmale des Leistungsfilmwiderstands und des drahtgewickelten Widerstands finden sich in der inneren Struktur der einzelnen Widerstände wieder.

Bei der Verwendung eines Leistungsfilmwiderstands wird dieser an den Kühlkörper angeschlossen. Wie in Abb. 1 dargestellt, steht das Widerstandsmaterial des Leistungsfilmwiderstands (Ni-Cr-Dünnschicht oder Rutheniumoxid, RuO₂-Dickschicht, rot) in engem Kontakt mit hoch wärmeleitender Keramik (grün gefärbt), die Keramik ist mit dem metallischen Kupferflansch (orange) thermisch mechanisch verbunden. Die Wärmeentwicklung des Widerstands wird von der Keramik zum Flansch geleitet und durch den Kühlkörper gekühlt. Die Kühlleistung des Widerstands wird durch die Fläche des Widerstandsfilms und die Dicke der wärmeleitenden Keramiken bestimmt. Beim 100W-Leistungsschichtwiderstand im TO247 Gehäuse beträgt der Wärmewiderstand vom Widerstand zum Flansch 1,3 °C / W.

Drahtgewickelte Widerstände werden an einer Metallplatte oder einem Chassis befestigt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, werden eine Metallkappe und ein Anschluss an beiden Enden eines wärmeleitenden Keramikzylinders (Kern) angebracht, ein Widerstandsdraht wird schraubenförmig um den Kern gewickelt, und die Anschlüsse des Drahtes werden mit den Kappen verschweißt.

Der Widerstandsdraht wird mit einer genau definierten Spannung um den Kern gewickelt. Um zu verhindern, dass sich der Widerstandsdraht vom Kern abhebt, schützt eine mehrschichtige, harte und hitzebeständige Harzschicht den Widerstandsdraht, so dass er in engem Kontakt mit dem Kern steht. Das geschützte Wicklungswiderstandselement befindet sich in der Mitte eines Aluminiumgehäuses, das von beiden Seiten mit wärmeleitendem Harz gefüllt ist.

Die erzeugte Wärme wird vom Draht auf die Schutzschicht und auf das gefüllte Harzmaterial übertragen, in Folge wird die Wärme über das Aluminiumgehäuse (Kühlrippen und Montagefläche) abgegeben. Der Wärmewiderstand zwischen Widerstandsdraht und Aluminiumgehäuse wird im Allgemeinen nicht offengelegt. Die Außenabmessungen des Leistungsfilmwiderstands sind kleiner als die des metallummantelten drahtgewickelten Widerstands.

Frequenzeigenschaften von Widerstand und Impedanz

Der benannte Ohmwert des Widerstands bezieht sich auf den Betrieb bei Gleichstrom und kommerzieller Frequenz. Wird der der zum Widerstand fließende Strom oder die angelegte Spannung hochfrequent, ändert sich der Widerstandswert, d.h. es ändert sich der Effektivwert der Impedanz vom Gleichstromwiderstandswert.

Bei Gleichstrom-Lastwiderständen (z.B. zur Bewertung von Batterieleistung) ist es nicht erforderlich, die Impedanz-Frequenzabhängigkeit zu berücksichtigen. Bei Anwendungen in der Leistungselektronik (Impulsschaltungen) bei denen Schalttechnik zum Einsatz kommt, wird jedoch die Impulswellenform verbreitert und somit die Frequenz erhöht, so dass die Impedanzmerkmale des Widerstands nicht ignoriert werden können. Mit anderen Worten: Elektronische Bauteile, die bei Gleichstrom und kommerziellen Frequenzen einen Widerstand darstellten, weisen bei hohen Frequenzen Eigenschaften auf, die nicht mehr als Widerstände gelten.

Es ist bekannt, dass Widerstände durch Ersatzschaltungen des reinen Widerstands R, der Parallelkapazität C und der Serieninduktivität L dargestellt werden können. Die Schaltung R-C-L kann die Hochfrequenzeigenschaften des tatsächlichen Widerstandes ausdrücken. Die Serieninduktivität wird durch die physikalischen Abmessungen eines Widerstands, durch den der Strom fließt, beeinflusst. Der Strompfad eines Power-Film-Widerstand ist daher kleiner als bei einem drahtgewickelten Widerstand.

Wie aus Abb. 3 hervorgeht, zeigt der Power-Film-Widerstand von 10-100 Ω einen reinen Widerstand von DC bis 100 MHz, der L-C-R-Resonanzpunkt wird bei 1 GHz oder mehr erreicht. Im Gegensatz dazu zeigen drahtgewickelte Widerstände von 10-100 Ω einen reinen Widerstand nur von DC bis 1 MHz, L-C-R-Resonanzpunkte werden ab etwa 10 MHz erzeugt.

Da der Resonanzpunkt dazu neigt, das Klingeln zu verstärken, sind Dämpfungswiderstand und Filterwiderstand des Pulswechselrichters für den Einsatz von Leistungsfilmwiderständen geeignet. Eine Verwendung von Wickelwiderständen ist zu vermeiden.

Impulsleistung und kurzzeitige Überlasteigenschaften

Widerstände sind mit einer eindeutigen Nennleistung spezifiziert. Diese Nennleistung gibt an, wie viel Leistung nacheinander in Wärme umgewandelt werden kann, wenn ein geeignetes Kühlsystem verwendet wird. Andererseits kann der Widerstand in kurzer Zeit eine große, über die Nennleistung hinausgehende Menge an Leistung abgeben.

Bei 0,1 bis 5 Sekunden dauernden Überlastungen spricht man von kurzzeitig, wohingegen längere Überlastungen über mehrere Minuten oder Stunden als kontinuierlich bezeichnet werden.

Ein drahtgewickelter Widerstand kann im abgekühlten Zustand bis zu 5 Sekunden lang die 5-fache Nennleistung aufnehmen. Ein 50W-Widerstand kann in dieser Zeit bis zu 250W aufnehmen ohne Schaden zu nehmen.

Wird dem Power-Film-Widerstand, trotz adäquater Kühlung innerhalb von 5 Sekunden die fünffache Leistung (5 mal 100 W, oder 2 bis 3 mal 200 W) abverlangt, so brennt der Widerstand durch und fällt innerhalb von 5 Sekunden aus.

Bei drahtgewickelten Widerständen ist für kurzzeitige Überlastungen mit einer Dauer von 0,1 Sekunden oder weniger die in Abbildung 5 dargestellte Widerstandsenergiekurve maßgeblich, die in der Regel für jeden Widerstandstyp angegeben wird. Der Widerstandswert ist der ohmsche Wert des Widerstands, die Energie entspricht der angelegten Leistung x Dauer. Im Fall eines 1 Ω-Widerstands kann somit eine Energie von bis zu 62 Joule auf den Widerstand einwirken. Mit anderen Worten, die Spitzenleistung beträgt 620 W für 0,1 Sekunde, 6200 W für 0,01 Sekunde, 62 kW für 1ms. Bei noch kürzeren Pulsen von 1µs oder 0,1µs (wie in Abb. 4 gezeigt) geht die Funktionalität als Widerstand in diesem Bereich durch Blindwiderstandskomponenten des Widerstands verloren.

Der Grund für die Unstetigkeit der Kurve in Abbildung 5 liegt in dem unterschiedlichen Durchmesser des Widerstandsdrahtes, der innerhalb des drahtgewickelten Widerstands verwendet wird. Die Fähigkeit, diese große elektrische Energie in Wärme umzuwandeln, ist darauf zurückzuführen, dass der Widerstandsdraht über eine große Wärmekapazität verfügt und selbst eine kurze Zeit Wärme speichern kann. Die Wärmekapazität lässt sich mit der folgenden Formel berechnen:

Im Leistungsfilmwiderstand wird die Impulsüberlastungsleistung als Dauerhaftigkeitscharakteristik der Impulsleistung dargestellt, siehe Abb. 8. Dabei handelt es sich nicht um eine einmalige Überlast aus dem Kühlzustand, sondern um den Standardbetrieb, wenn die Impulsleistung kontinuierlich mit einem Tastverhältnis von 0,01 angelegt wird. Bei einer Impulsbreite von 1 ms sind nur 200 W zulässig, aber wenn man diese in Energie umwandelt, sind es nur 0,2 Joule (berechnet mittels 200(W) x 0,001(s)). Dieses ist ein überwältigend kleinerer Wert im Vergleich zu den 62 Joule des oben berechneten drahtgewickelten Widerstands.

Der charakteristische Unterschied zwischen den Abbildungen 5 und 6 besteht darin, dass der Widerstandsdraht des drahtgewickelten Widerstands über eine große Masse und eine große Wärmekapazität verfügt und darüber hinaus Wärme für eine kurze Zeit speichern kann, so dass er große Energiemengen von 10ms bis zu mehreren Sekunden speichern und die Leistung in Wärme umwandeln kann. Aus diesem Grund eignet sich der drahtgewickelte Widerstand als Bremswiderstand eines Motorantriebes oder als Widerstand gegen den Einschaltstrom eines Kondensators.

Zusammenfassung

Der Leistungsfilmwiderstand eignet sich für die Umwandlung von Energie bei geringer Impulsbreite in Wärme, z.B. als Dämpfungswiderstand oder Oberwellenfilter-Dämpfungswiderstand. Wenn der Leistungsfilmwiderstand als Bremswiderstand oder Ladestromschutz verwendet wird, darf er nur innerhalb der Nennleistung eingesetzt werden.

Auf der anderen Seite sind metallumhüllte drahtgewickelte Widerstände optimale Widerstände für Gleichstrom oder kommerzielle Frequenzlast, wie z.B. als Einschaltstromschutz oder Bremswiderstand und müssen sorgfältig ausgelegt werden, wenn sie in Hochfrequenz- Pulsschaltungen verwendet werden.