DE3611595A1 - Elektrischer widerstand fuer wechselstrom und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ver­ fahren zum Herstellen eines solchen Widerstands.

Zum Messen von Wechselstrom sind einfache drahtgewickelte Widerstände wegen der hohen Induktivität der Spulen­ wicklung nicht geeignet. Stattdessen kann man Widerstände mit bifilaren Wicklungen verwenden, die sich aber ohne besondere Schwierigkeiten nur für relativ hohe Wider­ standswerte herstellen lassen und wegen ihrer hohen Kapazität auch nur für Frequenzen bis in den 100 kHz- Bereich geeignet sind. Für Ströme bis 100 A und für Frequenzen oberhalb 1 MHz sind dagegen Koaxial­ widerstände bekannt, die aus ineinandergesteckten dünnen Rohren aus Widerstandsmaterial bestchen und z.B. als Kalibriernormale dienen können. Diese Bauelemente haben zwar einen guten Frequenzgang, erfordern aber erheblichen Herstellungsaufwand und sind deshalb für viele Anwendungen zu teuer. Beispielsweise besteht Bedarf an einfacher herstellbaren niederohmigen Meßwiderständen mit guten HF-Eigenschaften zur Überprüfung von schnellen Strom­ quellen oder Stromsenken, HF-Sendern, Frequenzumrichtern, getakteten Netzteilen usw., bei denen Wechselströme bis zu einigen 100 A mit Frequenzen bis 100 MHz auftreten können. Außer guten HF-Eigenschaften und hoher Belast­ barkeit müssen derartige Meßwiderstände noch weiteren Anforderungen genügen, insbesondere hinsichtlich niedri­ gen Temperaturkoeffizienten, hoher Genauigkeit, getrennten Strom- und Potentialanschlüssen (Vierleiteranschluß), Robustheit und einfacher Kontaktierung.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen als niederohmigen Meßwiderstand auch für hohe Ströme ge­ eigneten Widerstand mit guten HF- und sonstigen Eigen­ schaften zu schaffen, dessen Herstellung weniger Aufwand erfordert als bekannte Widerstände mit gleichwertigen Eigenschaften.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Widerstand gelöst.

Die metallischen, beispielsweise aus Kupfer bestehenden Platten haben den wesentlichen Vorteil, daß sie nicht nur als elektrische Anschlußelemente für die Widerstands­ folien dienen, sondern diesen zugleich den erforderlichen mechanischen Halt bieten, darüber hinaus für elektrische Abschirmung sorgen, einfach mit getrennten Strom- und Potentialanschlüssen versehen werden können, sich auch als Montageelement zum Befestigen des Widerstands an seinem Verwendungsort eignen und außerdem eine optimale Wärmeableitung von den Widerstandsfolien ermöglichen. Die Verbindung dieser vielseitig nutzbaren Metallplatten mit den Widerstandsfolien kann nach ebenfalls wenig aufwendigen Vorbereitungsschritten in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen. Ein anderer wichtiger Vorteil ist die Möglichkeit, den fertigen Widerstand besonders einfach abgleichen zu können.

An einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schrägbildliche, teilweise schematische Darstellung des Widerstands; und

Fig. 2 Ersatzschaltbilder für den Widerstand nach Fig. 1 bzw. für zwei abgewandelte Ausführungsformen.

Der in Fig. 1 nur schematisch, d.h. nicht maßstabgetreu dargestellte Meßwiderstand besteht im wesentlichen aus zwei rechteckförmigen Platten oder Folien 1, 2 aus Widerstandsmaterial, die deckungsgleich schichtartig zwischen zwei Metallplatten 3, 4 eingeschlossen sind. Zwischen den Widerstandsfolien 1, 2 sowie zwischen jeder Folie und ihrer benachbarten Metallplatte 3 bzw. 4 befinden sich Schichten 6 bzw. 7 aus Isoliermaterial, bei denen es sich vorzugsweise um die Metallteile zusammenhaltende Klebefolien handeln kann. Die Klebe­ folien bedecken die gesamte Oberfläche der beiden Widerstandsfolien 1, 2 auf deren beiden Seiten mit Ausnahme schmaler Randstreifen, die sich am einen (in Fig. 1 oberen) Rand der Widerstandsfolien zwischen den Folien und parallel hierzu am entgegengesetzten (unteren) Rand jeweils zwischen den Folien und ihrer benachbarten Metallplatte 3 bzw. 4 befinden. Diese Randstreifen werden durch metallische Schichten 8 bzw. 9 gebildet, welche die Widerstandsfolien 1, 2 über deren gesamte Breite miteinander und mit ihren Metallplatten 3 bzw. 4 galvanisch verbinden sollen.

Die Widerstandsfolien 1, 2 bestehen vorzugsweise aus einer der für Präzisionswiderstände bekannten (beispiels­ weise Cu und/oder Ni und Mn oder Ni und Cr enthaltenden) Legie­ rungen mit niedrigem Temperaturkoeffizienten. Ihre Dicke ist entsprechend dem jeweils gewünschten Widerstandswert weitgehend beliebig wählbar; sie kann beispielsweise in der Größenordnung von 50 µm oder weniger betragen, bei extrem niederohmigen Widerständen aber auch bis 1 mm und mehr. Je nach Dicke und Größe (Länge) der Folien lassen sich problemlos Werte von weniger als 0,05 mΩ bis mehr als 1Ω erreichen. Die Metallplatten 9 sollen gut strom- und wärmeleitend sein und sich im Fließlöt­ verfahren mit den Widerstandsfolien verbinden lassen. Sie bestehen deshalb vorzugsweise aus Kupfer und können einige Millimeter dick sein. Ihre Größe kann bei einer praktischen Ausführungsform beispielsweise 70 x 90 mm betragen.

Die untereinander gleichen Metallplatten 3 und 4 sollen wenigstens einseitig über die Widerstandsfolien 1, 2 vorstehen. Vorzugsweise haben sie gemäß Fig. 1 z.B. um etwa 10 bis 15 mm sowohl über die oberen als auch über die unteren Schmalseiten der Widerstandsfolien hinaus­ ragende Randteile 10 bzw. 12, in denen sich Bohrungen für die üblichen gesonderten Strom- und Potentialan­ schlüsse eines Meßwiderstands befinden. Während sich die zweckmäßig aus leitfähigen Schrauben (nicht dargestellt) bestehenden Stromanschlüsse in den Bohrungen 11 der unteren freiliegenden Randteile 10 der beiden Metall­ platten 3 und 4, also in der Nähe der durch die streifenförmige Verbindungsschicht 9 gebildeten Stromwege zu den Widerstandsfolien 1, 2 befinden, werden die Potentialanschlüsse zweckmäßig in die Bohrungen 13 an den entgegengesetzten Plattenenden geschraubt.

Die streifenförmigen Verbindungsschichten 8 und 9 ent­ halten aus fertigungstechnischen Gründen mehrere Einzelschichten, nämlich in geeigneter Weise auf die zu verbindenden Flächen der Folien 1, 2 bzw. der Metall­ platten 3, 4 aufgebrachte Grundschichten aus Kupfer, zwischen denen sich eine oder mehrere Mittelschichten aus weichem Lotmetall befinden.

Die die Isolierschichten 6 und 7 bildenden Klebefolien sollen aus einem gegen die bei der Herstellung des Widerstands und im Betrieb auftretenden Temperaturen beständigen, mechanisch belastbaren und dauernd haftendem Material bestehen, wie es an sich im Handel erhältlich ist. Beispielsweise kommen Acryl- oder Polyimid-Kleber in Betracht. Die Klebefolien haben wenigstens annähernd dieselbe Dicke wie die an ihren in Fig. 1 oberen bzw. unteren Rändern angeordneten streifenförmigen Verbindungsschichten 8 bzw. 9 von beispielsweise 50 µm.

Der Stromweg durch den dargestellten Meßwiderstand verläuft von der einen Metallplatte 3 durch deren untere Verbindungsschicht 9 und durch die eine Widerstandsfolie 1 nach oben, wird durch die obere streifenförmige Verbindungsschicht 8 in die andere Widerstandsfolie 2 umgelenkt und fließt durch diese nach unten in den Stromanschluß der anderen Metallplatte 4. Da die Richtungen der Ströme jeweils entgegengesetzt gleich sind und sich ihre etwa am gleichen Ort entstehenden Magnetfelder nahezu aufheben, erzeugt der Widerstand nur ein entsprechend geringes Gesamtmagnetfeld.

Wenn in gewissen Fällen die klebenden Isolierschichten 6, 7 nicht für den mechanischen Zusammenhalt der Schichtstruktur des Widerstands ausreichen, können die Metallplatten 3, 4 auch durch isolierende oder isolierte Verbindungsschrauben (nicht dargestellt) auf die Isolierschichten und die Widerstandsfolien gepreßt werden. Zweckmäßig können diese Verbindungsschrauben neben den Strom- bzw. Potentialanschlüssen die freien oberen und unteren Randteile 10 und 12 der beiden Metallplatten 3, 4 durchsetzen. Ferner können bei durch starke Ströme belasteten Widerständen auf die Metallplatten 3, 4 zusätzliche Kühlkörper (nicht dargestellt) aufgepreßt, aufgeschraubt oder angeformt sein. Durch die innige thermische Verbindung der Metallplatten mit den Widerstandsfolien über deren gesamte Fläche ist in jedem Fall eine effektive Abführung der elektrisch erzeugten Verlustwärme und damit eine optimale Belastbarkeit des Widerstands ge­ währleistet.

Zur Herstellung des beschriebenen Meßwiderstandes werden zunächst auf den beiden rechteckigen Widerstandsfolien 1, 2, die in gleicher Größe aus einem z.B. gewalzten Blech geschnitten werden, und vorzugsweise auch auf den Metallplatten 3, 4, deren Randteile 10 und 12 bereits mit den nötigen Bohrungen wie 11 und 13 versehen sein können, die Randstreifen für die Verbindungsschichten 8, 9 an den entsprechenden Stellen definiert. Die zweckmäßig aus Kupfer bestehenden Grundschichten der Verbindungs­ schichten 8, 9 können nach fotolithografischer oder Sieb­ druck-Strukturierung galvanisch oder auf andere an sich bekannt Weise niedergeschlagen und dann mit einer PbSn-Schicht überzogen werden. Die Gesamtdicke der Verbindungsschichten 8, 9 kann zunächst geringfügig (z.B. 2 µm) größer sein als die Dicke (50 µm) der die Isolierschichten 6, 7 bildenden Klebefolien, mit denen sodann die gesamte Innenfläche einer der beiden Widerstandsfolien 1, 2 mit Ausnahme der Verbindungsschicht 8 sowie die gesamte Außenfläche der beiden Widerstandsfolien oder die ent­ sprechenden Innenflächen der Metallplatten 3, 4 jeweils mit Ausnahme der Verbindungsschicht 9 bedeckt werden. Anschließend werden die Metallplatten 3, 4 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung gegen die zusammengefügten Widerstandsfolien 1, 2 gedrückt. In einem einzigen Arbeitsgang können durch Verpressen bei starkem Druck (Beispielsweise in der Großenordnung von 50 N/cm²) und bei gleichzeitiger Erhitzung der Schichtanordnung in der Presse nicht nur die Klebeverbindungen fixiert, sondern zugleich auch durch Verflüssigung des Lotmaterials innerhalb der Schichten 8 und 9 die elektrischen Verbindungen im Fließlötverfahren vollendet werden. Als Lot wird ein Material (PbSn) verwendet, dessen Schmelz­ temperatur in Hinblick auf die Klebefolien keine zu starke Erhitzung der Schichtanordnung erforderlich macht.

Der insoweit baulich im wesentlichen bereits fertige Widerstand kann nun auf sehr einfache Weise abgeglichen, d.h. auf den gewünschten genauen Widerstandswert einge­ stellt werden. Zu diesem Zweck wird die gesamte Schicht­ anordnung an einer ihrer (in Fig. 1 vorderen oder hinteren) Stirnflächen, in denen die Widerstandsfolien 1, 2 in derselben Ebene enden wie die Metallplatten 3, 4, so weit abgeschliffen, abgefräst oder auf andere Weise verkleinert, daß sich ein zuvor etwas geringer bemessener Widerstandswert auf den gewünschten Wert erhöht.

Fig. 2(A) zeigt das Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Meßwiderstands. Diese Ausführungsform kann aber auf einfache Weise so weitergebildet werden, daß mehrere mechanisch und elektrisch miteinander verbundene Einzelwiderstände oder Widerstandsnetzwerke entstehen. Wenn man beispielsweise den Widerstand gemäß Fig. 1 durch einen Teil-Schnitt zertrennt, der senkrecht zu den Ebenen der Verbindungsschichten 8, 9 und zu deren Längsrichtung (also in Fig. 1 vertikal) durch die Mitten der einen Metallplatte 4, der Isolierschichten 6, 7, der Verbindungsschichten 8, 9 und der beiden Widerstandsfolien 1, 2 verläuft und nur die andere Metallplatte 3 zum Teil unzertrennt läßt, ergibt sich eine Widerstandsanordnung mit dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2(B). Durch ähnliche Schnitte von beiden Seiten des Widerstands, die die jeweils andere Metall­ platte nur teilweise durchtrennt, kommt man zu einem Widerstandsnetzwerk gemäß Fig.2(C), also zu einer Reihenschaltung aus drei jeweils durch zwei Widerstandsfolienteile gebildeten Widerständen mit Anschlußmöglichkeit an ihren Enden und Verbindungsstellen. Die Anschlußstellen werden durch die einzelnen Metall­ plattenteile gebildet.

Claims (15)

1. Elektrischer Widerstand für die Messung von hochfrequentem Wechselstrom, insbesondere mit Wider­ standswerten im Milliohm-Bereich, mit zwei mit geringem Abstand übereinanderliegenden, über den Hauptteil ihrer einander zugewandten Flächen durch ein isolierendes Medium voneinander getrennten Folien aus insbesondere metallischem Widerstands­ material, die elektrisch leitend an ihrem einen Rand miteinander und an einem entgegengesetzten Rand jeweils mit leitenden Anschlußkörpern verbunden sind, so daß die Richtung des Stromes in der einen Folie entgegengesetzt gleich der Stromrichtung in der anderen Folie ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfolien (1, 2) schichtartig zwischen ihre Anschlußkörper bildende metallische Platten (3, 4) eingefügt sind, die den Hauptteilen der einander abgewandten Flächen der Widerstandsfolien (1, 2) elektrisch isoliert gegenüberliegen.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfolien (1, 2) voneinander und/oder von den Metallplatten (3, 4) durch Folien oder Schichten (6, 7) aus Isoliermaterial getrennt sind.

3. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfolien (1, 2) aufeinander und/oder auf die Metallplatten (3, 4) geklebt sind.

4. Widerstand nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Isolierschicht (6, 7) geringer ist als etwa 0,1 mm.

5. Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur jeweiligen elektrischen Verbindung zwischen den Widerstandsfolien, (1, 2) längs ihres einen Randes und zwischen den Metallplatten (3, 4) und den Widerstandsfolien (1, 2) längs ihres entgegenge­ setzten Randes streifenförmige Verbindungsschichten (8 ,9) angeordnet sind.

6. Widerstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der streifenförmigen Verbindungsschichten (8, 9) derjenigen der Isolierschichten (6, 7) entspricht.

7. Widerstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschichten (8, 9) auf die zu verbindenden Flächen niedergeschlagene metallische Grundschichten enthalten, die durch eine Mittelschicht aus Lotmetall miteinander verlötet sind.

8. Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfolien (1, 2) gleiche Form und Größe haben.

9. Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einer Seite die Widerstandsfolien (1, 2) in einer mit den Stirnflächen der Metallplatten (3, 4) fluchtenden Ebene enden.

10. Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (3, 4) in über die Widerstandsfolien (1,2) vorstehenden Randteilen (10, 12) Bohrungen (11, 13) für Strom- bzw. Potential­ anschlüsse enthalten.

11. Widerstand nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Stromanschlüsse und die Potential­ anschlüsse an entgegengesetzten Enden der Metallplatten (3, 4) befinden.

12. Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere jeweils nur eine Metallplatte (3 oder 4) und die Widerstands­ folien (1, 2) sowie die metallischen Verbindungsschich­ ten (8, 9) durchtrennende Einschnitte enthält, wodurch mehrere mechanisch und elektrisch miteinander verbundene Einzelwiderstände gebildet sind.

13. Verfahren zum Herstellen eines Widerstands nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß auf zwei aus einer Widerstandslegierung bestehende Folien sowie auf zwei Metallplatten, die mindestens so groß sind wie die Widerstandsfolien, an den Stellen, an denen die Widerstandsfolien miteinander und mit den Metallplatten elektrisch verbunden werden sollen, metallische Grundschichten und hierauf Schichten aus einem Lotmetall aufgebracht werden; daß die Widerstandsfolien schichtartig übereinander zwischen die beiden Metallplatten gelegt werden, nachdem zwischen die Folien sowie zwischen jede Folie und ihre benachbarte Metallplatte auf den von den Grund- und Lot­ metallschichten freien Flächen jeweils eine Schicht oder Folie aus Klebematerial eingefügt wurde; und daß die gesamte Schichtanordnung dann zum Verkleben und gleichzeitigen Verlöten erhitzt und zusammengepreßt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die metallischen Grundschichten galvanisch niedergeschlagen werden, nachdem sie fotolithografisch oder im Siebdruckverfahren definiert wurden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die verklebte und verlötete Schicht­ anordnung an einer Stirnfläche, in der die beiden Widerstandsfolien enden, zum Abgleich des Widerstands­ wertes abgeschliffen, abgefräst oder auf andere Weise reduziert wird.