Es gibt kein einfaches Bauteil - Nehmen Sie den Widerstand als Beispiel

In jedem elektrotechnischen Lehrplan sind eines der ersten Dinge, die ein Student lernt, die grundlegenden Gesetze in Bezug auf passive Komponenten (Widerstände, Kondensatoren und Induktoren), normalerweise beginnend mit dem Ohmschen Gesetz (Spannung gleich Strom mal Widerstand, oder V = I × R). Zusammen mit den Gleichungen kommen die Schaltpläne mit ihren nordamerikanischen Standarddarstellungen (Abbildung 1). (Andere Regionen der Welt verwenden andere Symbole, aber das ist eine Geschichte für ein anderes Mal)

Abbildung 1: Dieser Schaltplan zeigt die drei grundlegenden passiven Komponenten - Widerstand, Kondensator und Induktivität - aber nicht die Feinheiten der einzelnen Komponenten in einer bestimmten Anwendung. (Bildquelle: Solved Problems)

Wenn Sie die Zick-Zack-Linie betrachten, die den Widerstand darstellt, und seine Funktion kennen, denken Sie vielleicht: „Was könnte einfacher sein?“ Der Widerstand wird in erster Linie durch seinen Widerstandswert in Ohm definiert, und dann vielleicht noch durch ein paar andere Parameter wie die Nennleistung, und das ist so ziemlich alles, was der Student sieht. Selbst im Labor sind fast alle Projekte strom- und spannungsarm, so dass die Widerstände eine von zwei Formen annehmen: die „bedrahtete“ (auch als durchkontaktierbar bekannte) Version, die für Steckplatinen praktisch ist. Ein Beispiel für eine solche Komponente ist der RC14KT100K von Stackpole Electronics (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dieser bedrahtete Widerstand ist einfach zu handhaben und kann auf Steckplatinen verwendet werden. (Bildquelle: Stackpole Electronics)

Die andere Form ist das einfache „Chip“-Gehäuse für die Oberflächenmontage (SMD), wie z. B. für den CR1206-JW-104ELF von Bourns (Abbildung 3). Das SMD-Bauteil sitzt auf einer Platine, ist aber viel schwieriger zu handhaben oder zu testen.

Abbildung 3: Dieses weitaus kleinere oberflächenmontierbare Bauteil ist ein Chip-Widerstand mit demselben Wert wie die Durchsteckversion, ist aber weitaus schwieriger manuell zu handhaben und zu prüfen. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Was als nächstes passiert, ist, dass dieser Ingenieurstudent einen Job bekommt, auf verschiedene reale Schaltungen stößt und möglicherweise dabei helfen muss, die Stückliste auszufüllen (BOM). Das ist der Moment, in dem die Realität zuschlägt, und sie kann hart zuschlagen.

Warum ist das so? Wenn Sie den einfachen Suchbegriff „Widerstand“ in das Suchfeld auf der Website von DigiKey eingeben, erhalten Sie fünf Hauptkategorien von Festwert-Widerständen:

• Chipwiderstand - Oberflächenmontage
• Durchkontaktierbare Widerstände
• Widerstände zur Chassismontage
• Widerstandsnetzwerke, -arrays
• Spezielle Widerstände

Und das ist nur der Anfang: Wenn Sie tiefer vordringen, finden Sie noch mehr Unterteilungen. Unter „Spezielle Widerstände“ finden Sie zum Beispiel Hochleistungswiderstände mit niedriger Induktivität im Milliohm-Bereich, die für die Strommessung verwendet werden, sowie hochinduktive, drahtgewickelte Widerstände mit einer Leistung von mehreren zehn Kiloohm.

Auswählen des richtigen Widerstands

Welcher ist der „richtige“ Widerstand für das Projekt? Manchmal ist die Entscheidung relativ einfach. Wenn es sich um ein einfaches Design mit geringem Stromverbrauch und niedriger Spannung handelt, das eine Standardplatine verwendet, ist ein Chip-Widerstand wahrscheinlich der richtige Ansatzpunkt. Dennoch kann es Probleme geben, die zu berücksichtigen sind:

• Welche Anfangstoleranz ist akzeptabel: ±20%, ±1% oder ein Wert dazwischen?
• Was passiert, wenn die I²R-Verlustleistung einen kleinen Wert, weniger als ein Watt, überschreitet?
• Wie sieht es mit dem Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) aus, der bis zu 1000 Teile pro Million pro Grad Celsius (ppm/⁰C) bis hinunter zu einigen ppm/⁰C betragen kann?
• Wie sieht es mit der Selbstinduktivität aus, die in einem Gleichstromkreis kein Problem darstellt, aber in einem Schaltkreis, der bei Frequenzen im Bereich von zehn oder hundert Kilohertz und höher arbeitet, eine sehr große Rolle spielt?
• Sollten Sie einzelne Widerstände oder ein Widerstandsarray verwenden, das Platz spart und eine Nachverfolgung des Temperaturkoeffizienten ermöglicht, aber möglicherweise eine kompliziertere Leiterbahnverlegung auf der Leiterplatte erfordert?

Es gibt auch Fragen der Zuverlässigkeit, Robustheit und Beanspruchung, die nicht einfach zu beantworten sind:

• Welchen internen und externen Betriebsbedingungen wird dieser Widerstand bei normalem und vielleicht etwas abnormalem Gebrauch ausgesetzt sein?
• Soll der Widerstand in einer Automobilanwendung eingesetzt werden, in der er die AEC-Q200-Spezifikation „Stress Test Qualification for Passive Components“¹ erfüllen muss, und wenn ja, welche der fünf Temperaturklassen 0 bis 4 ist geeignet?
• Wie sieht es mit den vielen militärischen Zuverlässigkeitsstandards aus, wie sie in „Military Directives, Handbooks and Standards Related to Reliability“ aufgeführt sind?²

In vielen größeren Unternehmen gibt es Spezialisten, so genannte „Komponenteningenieure“, deren Expertise darin besteht, die Eignung einer ausgewählten Komponente für die Anwendung zu bewerten, und zwar über die Top-Tier-Spezifikationen hinaus. Oft bekommen diese Ingenieure nicht viel Respekt, da sie nicht am „kreativen“ Teil des Designs und der Fehlersuche beteiligt sind. Wenn Sie jedoch in der frühen Entwurfsphase nicht mit ihnen zusammenarbeiten, werden Sie sich vielleicht später wünschen, Sie hätten es getan. Sie können Sie auf mögliche Fallen aufmerksam machen, indem sie fragen: „Haben Sie dies und jenes berücksichtigt, wenn das Produkt im Feld eingesetzt wird, wo es extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibration, Salzsprühnebel, ESD, EMI/RF, etc. ausgesetzt sein wird“.

Zum Beispiel gibt es die flachen Chip-Widerstände der Familie RK73-RT von KOA Speer Electronics (Abbildung 4). Sie erfüllen nicht nur die AEC-Q200-Normen, sondern bieten auch Anti-Sulfurierungseigenschaften durch die Verwendung eines hoch sulfurierungsbeständigen inneren Top-Elektrodenmaterials, ausgezeichnete Hitze- und Wetterbeständigkeit durch die Metallglasur-Dickschicht sowie hohe Stabilität und hohe Zuverlässigkeit durch den dreischichtigen Elektrodenaufbau (Abbildung 5). Beachten Sie, dass es sich hierbei nicht um einen „Sonderling“ handelt: aufgrund seiner AEC-Q200-Bewertung und anderer Faktoren sind diese Widerstände sehr gefragt.

Abbildung 4: Die flachen Chip-Widerstände der Familie RK73-RT von KOA Speer Electronics sehen zwar aus wie normale Chip-Widerstände, aber sie erfüllen auch die AEC-Q200-Normen und sind resistent gegen Umweltgefahren. (Bildquelle: KOA Speer Electronics)

Abbildung 5: Die Leistung der Widerstände in der RK73-RT-Familie von KOA Speer Electronics wird durch eine Kombination von Materialien, Design- und Fertigungstechniken erreicht. (Bildquelle: KOA Speer Electronics)

Es ist leicht, die Komponentenauswahl aufgrund einer Kombination aus Unwissenheit und sogar etwas Arroganz zu unterschätzen. Vor Jahren, als ich in einer Firma arbeitete, die große Materialprüfsysteme mit wichtigen mechanischen Konstruktionsaspekten herstellte, äußerte ein leitender Maschinenbauingenieur (ME) seine Besorgnis über ein potenzielles Langzeitproblem in einem der Strukturträger. Daraufhin witzelte einer unserer Elektroingenieure (EE): „Was ist denn so schlimm daran? Besorgen Sie sich einfach ein Aluminium-Strangpressprofil, um es zu stützen“. Der ME ging in sein Büro und kam mit einem dicken Buch zurück, in dem jedes branchenübliche Aluminium-Strangpressprofil mit seinem Profil, seiner Zugfestigkeit, Sprödigkeit, Korrosionsbeständigkeit und anderen Faktoren aufgelistet war. Er warf das Buch auf den Tisch und sagte zu dem EE: „Nur zu! Wenn es so einfach ist, suchen Sie sich einen aus“.

Fazit

Die Lektion hier ist klar: Hinter jedem „scheinbar einfachen“ Bauteil - selbst hinter dem einfachen Widerstand - steckt eine Menge, das es zu berücksichtigen gilt. Für einige Designs ist die Schlüsselspezifikation in Bezug auf Toleranz, Leistung, Größe und Betriebsbedingungen relevant bescheiden, wo ein einfacher, ziemlich schlichter Widerstand ausreichend sein sollte. Aber außerhalb dieser Fälle gibt es viele Spezifikationen der zweiten und dritten Ebene, die ein Design in der Evaluierung oder, noch schlimmer, in der Praxis zum Scheitern bringen können.

Bildung ist ein guter Weg, um mit diesem Thema umzugehen. Eine Suche führt zu vielen Artikeln und Anwendungshinweisen zu diesen Themen. Die Anwendungshinweise der Hersteller sind ebenfalls eine wertvolle Ressource, und obwohl einige von ihnen den Angeboten des Herstellers gegenüber voreingenommen sein können, sollte ein guter Ingenieur in der Lage sein, die Behauptungen zu sortieren und das herauszufiltern, was Sinn macht. Die Applikationsingenieure der Distributoren sind ebenfalls eine sehr gute Ressource, da sie einen umfassenden Überblick haben und eine ganzheitliche Perspektive bieten, sowie Erfahrungen aus der Arbeit mit einem vielfältigen Kundenstamm. Halten Sie inne, fragen Sie, schauen Sie und hören Sie zu, und Sie werden hoffentlich Probleme vermeiden.

Referenzen:

1 – http://www.aecouncil.com/Documents/AEC_Q200_Rev_D_Base_Document.pdf

2 – https://www.weibull.com/knowledge/milhdbk.htm