Widerstand, insbesondere niederohmiger Strommesswiderstand

Die Erfindung betrifft einen Widerstand, insbesondere einen niederohmigen Strommesswiderstand, sowie ein Beschichtungs- verfahren zur Beschichtung eines derartigen Widerstands.

Aus EP 0 605 800 AI ist ein niederohmiger Strommesswiderstand bekannt, der aus zwei plattenförmigen Anschlussteilen aus einem Leitermaterial (z.B. Kupfer) und einem zwischen die Anschlussteile eingesetzten plattenförmigen, niederohmigen Widerstandselement aus einem Widerstandsmaterial (z.B. Kupfer- Mangan-Nickel-Legierung) besteht, wobei der Spannungsabfall über dem Widerstandselement entsprechend dem Ohmschen Gesetz ein Maß für den durch den Strommesswiderstand fließenden e- lektrischen Strom bildet.

Problematisch bei einem solchen Strommesswiderstand ist die Tatsache, dass das Material der Anschlussteile und des Widerstandselements ohne eine Beschichtung oxidiert, so dass derartige Strommesswiderstände dann unschön, braun angelaufen aussehen, wobei durch die Oxidation auch die Lötbarkeit be ^¬ einträchtigt wird.

Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, das Verbundmaterialband, aus dem die vorstehend beschriebenen Strommesswiderstände ausgestanzt werden, galvanisch zu verzinnen oder zu vernickeln, so dass das Widerstandselement an den fertigen ausgestanzten Strommesswiderständen zumindest an der Oberseite und an der Unterseite mit einer Beschichtung versehen ist, die das störende Oxidieren verhindert. Allerdings hat das Aufbringen der Beschichtung vor dem Ausstanzen den Nachteil, dass die Stanzflanken und damit die Seitenkanten des Widerstandselements keine Beschichtung aufweisen und deshalb weiterhin einer Oxidation ausgesetzt sind.

Bei strengen Kundenanforderungen bezüglich des Oberflächen ^¬ schutzes erfolgte in der Vergangenheit eine galvanische Beschichtung des kompletten Strommesswiderstands, wie es in Figur 6 dargestellt ist. Aus dieser Zeichnung ist ersichtlich, dass der Strommesswiderstand zwei Anschlussteile 1, 2 aufweist, wobei ein Widerstandselement 3 in Stromrichtung zwischen die beiden Anschlussteile, 1, 2 eingesetzt ist. Die Oxidation der Anschlussteile 1, 2 und des Widerstandselements wird hierbei durch eine metallische Beschichtung 4 verhin- dert, die galvanisch auf den Strommesswiderstand aufgebracht wird. Problematisch ist hierbei, dass die galvanische Beschichtung 4 elektrisch leitfähig ist und deshalb den elektrischen Widerstand des Widerstandselements 3 durch einen elektrischen Nebenschluss durch die Beschichtung 4 verfäl- sehen kann. Zur Vermeidung einer derartigen Verfälschung des Widerstandswerts ist die freiliegende Oberfläche des Wider ^¬ standselements umlaufend mit einem elektrisch isolierenden Lack 5 beschichtet, der den störenden Nebenschluss über die metallische Beschichtung 4 verhindert. Auf diese Weise wird zwar die störende Oxidation der Oberflächen der Anschlussteile 1, 2 und des Widerstandselements 3 vollständig verhindert, jedoch ist das Aufbringen des Lacks 5 äußerst aufwändig und muss bisher manuell erfolgen. Weiterhin ist zum Stand der Technik hinzuweisen auf DE 197 80 905 C2, die einen anderen Widerstandstyp offenbart. Hierbei ist das Widerstandselement auf einen elektrisch isolierenden Träger aufgebracht und wird an seiner Oberseite von einer metallischen Beschichtung abgedeckt. Zum Einen hat die metalli- sehe Beschichtung hierbei jedoch einen geringeren Widerstandswert als das Widerstandselement und bildet deshalb einen erheblichen elektrischen Nebenschluss . Zum Anderen bleiben die Seitenkanten des Widerstandselements hierbei eben- falls unbedeckt und können deshalb oxidieren.

Ferner ist zum Stand der Technik noch hinzuweisen auf US 2003/0016118 AI, DE 198 14 388 AI, DE 26 34 232 AI und DE 260 70 26 AI.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen entsprechend verbesserten Widerstand zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Widerstand bzw. durch ein entsprechendes Beschichtungsverfahren gemäß den Nebenansprüchen gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass die metallische Beschichtung ohne eine Isolationsschicht (z.B. Lack) direkt auf die gesamte freie Oberfläche des Wi- derstandselements aufgebracht wird. Dies bietet den Vorteil, dass das aufwändige manuelle Aufbringen der elektrisch isolierenden Lackschicht zwischen der metallischen Beschichtung und dem Widerstandselement entfallen kann, wodurch die Herstellung des erfindungsgemäßen Widerstands wesentlich einfa- eher wird. Der vorstehend erwähnte störende elektrische Nebenschluss an dem Widerstandselement vorbei durch die metallische Beschichtung hindurch kann im Rahmen der Erfindung durch verschiedene technische Maßnahmen verhindert bzw. auf ein nicht störendes Maß verringert werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird hierzu ein besonderes Material für die Beschichtung ausge ^¬ wählt, das eine hinreichend kleine elektrische Leitfähigkeit bzw. einen hinreichend großen spezifischen elektrischen Wi- derstand aufweist. Vorzugsweise wird als Material für die metallische Beschichtung Nickel-Phosphor (NiP) verwendet, insbesondere mit einem Phosphorgehalt von ca. 6-8%. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, andere Metallbe- Schichtungen einzusetzen, die beispielsweise Nickel, Gold, insbesondere Flashgold, Silber, Palladium oder eine Legierung der vorstehend genannten Materialien enthalten können.

In jedem Fall weist das verwendete metallische Material für die Beschichtung vorzugsweise einen größeren spezifischen e- lektrischen Widerstand auf als das Widerstandsmaterial des Widerstandselements .

Darüber hinaus kann der störende elektrische Nebenschluss durch die metallische Beschichtung auch dadurch minimiert werden, dass eine relativ dünne metallische Beschichtung eingesetzt wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird deshalb eine Nickel-Phosphor-Schicht mit einer Dicke von ca. 3 μπι eingesetzt. Bei einer Beschichtung mit Flashgold ist die Schichtdicke der metallischen Beschichtung dagegen vorzugsweise kleiner als 2 μπι. Allgemein lässt sich sagen, dass die Schichtdicke der metallischen Beschichtung vorzugsweise kleiner ist als 50 μπ\, 20 μπι, 10 μιτι, 5 μπι, 1 μπι, 500 nm oder sogar kleiner als 200 nm. Die metallische Beschichtung kann auch aus zwei Funktionsschichten bestehen, z.B. NiP und Flashgold.

Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass die metallische Beschichtung zu einem elektrischen Nebenschluss vorbei an dem Widerstandselement durch die metallische Beschichtung hindurchführt. Der erfindungsgemäße Widerstand ist hierbei vor ^¬ zugsweise so ausgebildet, dass der Widerstandswert des Nebenschlusses über die metallische Beschichtung kleiner ist als 10%, 5%, 1%, 5 o oder sogar kleiner als 2V» des Widerstandswer- tes des Widerstandselements. Der Nebenschluss über die metallische Beschichtung ist also vorzugsweise so hochohmig in Bezug auf den Widerstandswert des Widerstandselements, dass der Nebenschluss eine Messung nicht verfälscht.

Darüber hinaus wird im Rahmen der Erfindung auch angestrebt, dass die metallische Beschichtung die Temperaturkonstanz des Widerstandswertes nicht oder nur in einem akzeptablen Ausmaß beeinträchtigt. Der erfindungsgemäße Widerstand ist deshalb vorzugsweise so ausgebildet, dass sich der Temperaturkoeffizient des Widerstandselements mit der Beschichtung nur geringfügig von dem Temperaturkoeffizienten ohne die metallische Beschichtung unterscheidet, wobei die Differenz vorzugsweise kleiner ist als 20%, 10%, 5% oder 1%.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die metallische Beschichtung das Widerstandselement vorzugsweise umlaufend ummantelt, d.h. auf der gesamten freien Oberfläche des Widerstandselements einschließlich der -Seitenkanten . Dadurch unterscheidet sich der erfindungsgemäße Widerstand auch von den bekannten Widerständen, bei denen das Verbundmaterialband vor dem Ausstanzen der fertigen Strommesswiderstände verzinnt oder vernickelt wird, da die Stanzflanken des fertigen Strommesswiderstands dann unbeschichtet bleiben.

Vorzugsweise ummantelt die metallische Beschichtung sogar den kompletten Widerstand einschließlich der Anschlussteile und des Widerstandselements, wobei die Ummantelung vorzugsweise umlaufend ist und auch die Seitenkanten und Stirnkanten des Widerstands umfasst.

Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die metallische Beschichtung vorzugsweise aus einem Material besteht, das löt ^¬ bar, schweißbar, bondbar und/oder korrosionsbeständig ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Leitermaterial um Kupfer oder eine Kupferlegierung, um einen möglichst niedrigen elektrischen Widerstand der Anschlussteile zu erreichen. Dies ist sinnvoll, damit bei einer Vierleitermessung (vgl. EP 0 605 800 AI) das Messergebnis nicht durch Spannungsabfälle innerhalb der Anschlussteile verfälscht wird. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass das Widerstandsmaterial vorzugsweise eine Kupferlegierung ist, insbesondere eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung, wie beispielsweise Cu84Ni4Mnl2 (Manganin®) . Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass das Widerstandsmaterial des Widerstandselements eine Nickellegierung ist, wie beispielsweise NiCr oder CuNi .

Zu dem Leitermaterial und dem Widerstandsmaterial ist weiterhin zu erwähnen, dass das Widerstandsmaterial des Widerstandselements vorzugsweise einen größeren spezifischen e- lektrischen Widerstand aufweist als das Leitermaterial der Anschlussteile .

Hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung des erfindungsgemäßen Widerstands ist zu erwähnen, dass das Widerstandselement elektrisch und mechanisch mit den beiden angrenzenden Anschlussteilen verbunden ist, insbesondere durch eine Schweißverbindung, wobei sich eine Elektronenstrahlverschweißung besonders eignet, wie beispielsweise in EP 0 605 800 AI beschrieben ist.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Anschlussteile auf gegenüberliegenden Seiten des Widerstandselements angeordnet, so dass Einleitung und Auslei- tung des elektrischen Stroms auf gegenüberliegenden Seiten des Widerstandselements erfolgt.

Es ist jedoch auch möglich, dass die beiden Anschlussteile auf derselben Seite des Widerstandselements angeordnet sind, so dass Einleitung und Ausleitung des elektrischen Stroms auf derselben Leite des Widerstandselements erfolgt.

Die beiden vorstehend beschriebenen Varianten sind detail- liert auch in EP 0 605 800 AI beschrieben, so dass der Inhalt dieser Druckschrift der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.

Bei dieser Gelegenheit ist auch zu erwähnen, dass die An- Schlussteile und/oder das Widerstandselement vorzugsweise plattenförmig ausgebildet sind, was eine kostengünstige Herstellung aus einem Verbundmaterial ermöglicht, wie es beispielsweise in EP 0 605 800 AI beschrieben ist. Die plattenförmigen Anschlussteile und das plattenförmige Widerstandselement sind vorzugsweise eben und liegen in einer gemeinsamen Ebene, so dass der erfindungsgemäße Widerstand als ganzes ebenfalls eben ist. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die plattenförmigen Anschlussteile und/oder das plattenförmige Widerstandselement gebogen sind oder bei der stanztechnischen Herstellung gebogen bzw. den Anforderungen entsprechend geformt werden. Dadurch ist es möglich, dass das Widerstands- element im montierten Zustand von einer Leiterplatte

beabstandet ist, was zu einer guten Kühlung des Widerstandselements führt oder den Einbau des Teils vereinfacht. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Widerstand vorzugsweise um einen Widerstand für die Montage in Stromschienen handelt. Das Verfahren ist jedoch auch für sogenannte SMD-Widerstände (SMD: Surface Moun- ted Device) anwendbar, die zu einer Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte geeignet sind.

Für einen Einsatz als Strommesswiderstand ist bekanntermaßen eine möglichst gute Temperaturkonstanz des Widerstandswerts erwünscht. Das verwendete Widerstandsmaterial weist deshalb vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand mit einem sehr kleinen Temperaturkoeffizienten auf, der vorzugsweise kleiner ist als 5·10 ^"4 Κ ^_1 , 2·10 ^~ Κ ^_1 , ΙΊΟ^Κ ^-1 oder

5·10 ^"5 Κ ^_1 .

Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass es sich bei dem Widerstandsmaterial vorzugsweise um ein niederohmiges Widerstandsmaterial handelt, weshalb der spezifische elektrische Widerstand des Widerstandsmaterial vorzugsweise kleiner ist als 2-10 ^"4 Qm, 2-10 ^"5 Qm oder 2-10 ^"6 Gm.

Das Leitermaterial der Anschlussteile weist dagegen vorzugsweise einen noch kleineren spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 10 ^~5 Qm, 10 ^~6 Qm oder 10 ^~7 Qm auf.

Schließlich ist noch zu erwähnen, dass die Erfindung nicht auf einen erfindungsgemäßen Widerstand als fertiges Bauteil beschränkt ist, sondern auch Schutz beansprucht für ein entsprechendes Beschichtungsverfahren, wobei der Ablauf des er- findungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bereits aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird . Ergänzend ist zu dem Beschichtungsverfahren noch zu bemerken, dass die Beschichtung mit der metallischen Beschichtung galvanisch oder chemisch erfolgen kann, insbesondere durch ein Trommelbeschichtungsverfahren, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei werden die unbeschichteten Widerstände in einer Trommel rotierend galvanisch oder chemisch beschichtet. Andere Beschichtungsverfahren, wie Sputtern oder CVD (Chemical Vapor Deposition) etc. sind natürlich ebenfalls möglich .

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Strom- messwiderstand,

Figur 2 eine Seitenansicht des Strommesswiderstands aus Figur 1,

Figur 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Strommesswiderstands aus den Figuren 1 und 2,

Figur 4 ein Ersatzschaltbild für den erfindungsgemäßen

Strommesswiderstand zur Verdeutlichung des elektrischen Nebenschlusses über die metallische Beschichtung des Widerstandselements, ein Diagramm zur Verdeutlichung der temperaturbe dingten Widerstandsänderung, sowie

Figur 6 eine vergrößerte Detailansicht entsprechend Figur 3 bei einem herkömmlichen Strommesswiderstand. Die Figuren 1 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Strommesswiderstand 6, der weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 6 dargestellten herkömmlichen Strommesswider- stand übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Die beiden Anschlussteile 1, 2 sind hierbei jeweils platten- förmig ausgebildet und bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung .

Das Widerstandselement 3 ist ebenfalls plattenförmig ausge- bildet und besteht aus einer Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung, wie beispielsweise Cu84Ni4Mnl2 (Manganin®) .

Ansonsten wird hinsichtlich der Herstellung und des Aufbaus des erfindungsgemäßen Strommesswiderstands 1 auf die Druck- schrift EP 0 605 800 AI verwiesen, deren Inhalt deshalb der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.

Das Anschlussteil 1 dient hierbei zur Einleitung eines elektrischen Stroms I in den Strommesswiderstand 6, während das Anschlussteil 2 die Funktion hat, den elektrischen Strom I wieder aus dem Strommesswiderstand 6 abzuleiten.

Die freiliegende Oberfläche des Widerstandselements 3 ist hierbei umlaufend mit einer metallischen Beschichtung 7 be- schichtet, die in diesem Ausführungsbeispiel aus Nickel- Phosphor mit einem Phosphorgehalt von 6-8% besteht.

Hierbei ist zu erwähnen, dass die metallische Beschichtung 7 nicht nur das Widerstandselement 3 ummantelt, sondern den kompletten Strommesswiderstand 6 einschließlich der beiden Anschlussteile 1, 2.

Die metallische Beschichtung 7 verhindert zum einen störende Oxidationen an der Oberfläche der Anschlussteile 1, 2 und des Widerstandselements 3. Darüber hinaus verbessert die metallische Beschichtung 7 aber auch die Lötbarkeit.

Hierbei ist zu erwähnen, dass sich der erfindungsgemäße

Strommesswiderstand 6 von dem in Figur 6 dargestellten herkömmlichen Strommesswiderstand dadurch unterscheidet, dass die metallische Beschichtung 7 direkt auf die Oberflächen der Anschlussteile 1, 2 und des Widerstandselements 3 aufgebracht ist, d.h. ohne die dazwischen liegende Lackschicht 5 gemäß Figur 6. Dies bietet den Vorteil, dass auf das aufwändige manuelle Aufbringen der Lackschicht 5 verzichtet werden kann, was eine wesentlich einfachere Herstellung des erfindungsge ^¬ mäßen Strommesswiderstands 6 ermöglicht. Der ansonsten störende elektrische Nebenschluss vorbei an dem Widerstandselement 3 durch die metallische Beschichtung 7 hindurch wird hierbei durch verschiedene technische Maßnahmen verhindert . Zum einen besteht die metallische Beschichtung 7 aus Nickel- Phosphor, was eine hinreichend niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist, wodurch der elektrische Nebenschluss über die metallische Beschichtung 7 stark verringert wird. Darüber hinaus weist die metallische Beschichtung 7 eine äußerst geringe Schichtdicke d»3 m auf, wodurch der Nebenschluss weiter verringert wird. Figur 4 zeigt ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Strommesswiderstandes 6 mit Widerständen RA für die Anschlussteile 1, 2, einem Widerstand RH für das Widerstandselement 3 und einem Widerstand RN für den Neben- schluss vorbei an dem Widerstandselement 3 durch die metallische Beschichtung 7 hindurch. Der zugeführte elektrische Strom I teilt sich deshalb auf in einen Hauptstrom IH durch das Widerstandselement 3 und einen Nebenschlussstrom IN durch die metallische Beschichtung 7 bzw. durch den Widerstand RN der metallischen Beschichtung 7. Der erfindungsgemäße Strommesswiderstand 6 ist hierbei so ausgebildet, dass der Nebenschlussstrom IN um mehrere Zehnerpotenzen kleiner ist als der Hauptstrom IH. Figur 5 zeigt schließlich die temperaturbedingte Änderung des Gesamtwiderstands des erfindungsgemäßen Strommesswiderstands, und zwar zum einen für einen Rohzustand ohne die metallische Beschichtung 7 und zum anderen mit der metallischen Beschichtung 7, die hierbei aus Nickel besteht. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Temperaturkonstanz durch die metallische Beschichtung 7 allenfalls unmerklich beeinträchtigt wird .

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be- vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen . Bezugszeichenliste

1 Anschlussteil

2 Anschlussteil

3 Widerstandselement

4 Metallische Beschichtung

5 Lack

6 Strommesswiderstand

7 Metallische Beschichtung

d Schichtdicke der metallischen Beschichtung

RA Widerstand der Anschlussteile

RN Widerstand des Nebenschlusses

RH Widerstand des Widerstandselements

IH Hauptstrom durch das Widerstandselement

IN Strom durch den Nebenschluss durch die metallische Beschichtung

I Gesamt-Strom

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