CH662205A5

CH662205A5 - MEASURING RESISTANCE.

Info

Publication number: CH662205A5
Application number: CH485483A
Authority: CH
Inventors: Ernst Buehler; Rosario Lombardi
Original assignee: Agie Ag Ind Elektronik
Priority date: 1983-09-05
Filing date: 1983-09-05
Publication date: 1987-09-15
Also published as: DE3405442C1

Description

Die Erfindung betrifft einen Widerstand mit verteilten Kapazitäten zwischen äusseren Leiterflächen und Widerstandsleitern, zur Kompensation von Restinduktivitäten. The invention relates to a resistor with distributed capacitances between outer conductor surfaces and resistance conductors, for the compensation of residual inductances.

Es ist bekannt, zur Leistungsmessung an einer elektrischen Einrichtung den Spannungsabfall U über einen Messwiderstand oder Shunt R zu erfassen. Sollen derartige Messwiderstände an Schaltungsteilen zur Verarbeitung von Wechselstromsignalen eingesetzt werden, müssen sie möglichst induktivitäts- und kapazitätsfrei sein, damit der Wert für den Widerstand R nicht durch Blindwiderstandsanteile verfälscht wird, die sich aus der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ergeben. Bei hohen Frequenzen muss besonders Rücksicht genommen werden auf verteilte Induktivitäten und Kapazitäten im Messwiderstand. It is known to detect the voltage drop U via a measuring resistor or shunt R for power measurement on an electrical device. If such measuring resistors are to be used on circuit parts for processing AC signals, they must be as free of inductance and capacitance as possible so that the value for the resistor R is not falsified by reactance components that result from the phase shift between current and voltage. At high frequencies, special attention must be paid to distributed inductances and capacitances in the measuring resistor.

Zur Verwendung bei hohen Frequenzen bis in den MHz-Bereich ist ein koaxial aufgebauter Messwiderstand handelsüblich, bei welchem ein Innenleiter und ein koaxial zu diesem angeordneter rohrförmiger Aussenleiter in Gegenrichtung vom Ausgangssignal des zu messenden Schaltungsteils durchflössen werden. Dabei besteht der innere Leiter aus einem elektrischen Widerstandsmaterial. For use at high frequencies up to the MHz range, a coaxially constructed measuring resistor is commercially available, in which an inner conductor and a tubular outer conductor arranged coaxially to the latter are flowed through in the opposite direction by the output signal of the circuit part to be measured. The inner conductor consists of an electrical resistance material.

Obwohl der bekannte Messwiderstand grundsätzlich die elektrischen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich geringem Blindwiderstandsanteil erfüllt, stellt er wegen seines koaxialen Bauprinzips ein unveränderbares diskretes Bauelement dar, das sich nicht zur Integration in zeitgemässe Schaltungsplatinen eignet. Versuche zur Anpassung des Bauelementes an die Anforderungen bezüglich Integrationsfähigkeit scheitern an den strengen theoretischen Forderungen, welche an die Geometrie des Bauelementes gestellt werden, sofern es sich zur Verarbeitung von Frequenzen oder Freqüenzanteilen im MHz-Bereich eignen soll. Although the known measuring resistor fundamentally fulfills the electrical requirements, in particular with regard to a low proportion of reactance, due to its coaxial construction principle it represents an unchangeable discrete component which is not suitable for integration into contemporary circuit boards. Attempts to adapt the component to the requirements with regard to integration capability fail due to the strict theoretical requirements placed on the geometry of the component, provided that it is to be suitable for processing frequencies or frequency components in the MHz range.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Messwiderstand zu schaffen, welcher sich von der Bauform und den Abmessungen her zur problemlosen Integration in gedruckte Schaltungen eignet und welcher mit seinen elektrischen Eigenschaften den Anforderungen an einen Messwiderstand zur Verarbeitung von Impulssignalen mit Frequenzen im MHz-Bereich voll genügt. Insbesondere soll sich der Messwiderstand zur Messung der Pulsleistung an Impulsgeneratoren eignen. The object of the present invention is to provide a measuring resistor which is suitable in terms of design and dimensions for problem-free integration in printed circuits and which with its electrical properties fully meets the requirements for a measuring resistor for processing pulse signals with frequencies in the MHz range enough. In particular, the measuring resistor should be suitable for measuring the pulse power on pulse generators.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 definierte Kombination von Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. According to the invention, this object is achieved by the combination of measures defined in claim 1. Advantageous developments of the invention result from the dependent claims.

Der Vorteil dieser Lösung liegt im wesentlichen in der flachen und an die Erfordernisse gedruckter Schaltungen ange-passten Bauweise, wobei auch die äusseren Abmessungen, insbesondere die Bauhöhe, relativ klein gehalten werden können. In elektrischer Hinsicht ergibt sich als Hauptvorteil, dass eventuell vorhandene Restinduktivitäten durch kapazitive Effekte zwischen den plattenförmigen Zuleitungselektroden und den bandförmigen Widerstansstreifen kompensiert werden, so dass der Messwiderstand praktisch blindwiderstandsfrei ist. Auch der Aufbau des Messwiderstandes selbst ist an die Besonderheiten für die Herstellung bzw. für die Bearbeitung gedruckter Schaltungen angepasst. Zwischen den bandförmigen Widerstandsstreifen und den plattenförmigen Zuleitungselektroden besteht direkt durch die Isolationsplatte hindurch eine durch-kontaktierte Verbindung. The advantage of this solution lies essentially in the flat design, which is adapted to the requirements of printed circuits, and the external dimensions, in particular the overall height, can also be kept relatively small. From an electrical point of view, the main advantage is that any residual inductances that may be present are compensated for by capacitive effects between the plate-shaped lead electrodes and the band-shaped resistance strips, so that the measuring resistor is practically free of reactive resistance. The structure of the measuring resistor itself is also adapted to the special features for the manufacture or processing of printed circuits. There is a through-contacted connection between the band-shaped resistance strips and the plate-shaped lead electrodes directly through the insulation plate.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen: Further details and advantages emerge from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

Fig. 1 die schematische Aufsicht auf ein Beispiel eines erfin-dungsgemässen Messwiderstands mit daran angeschlossener Messschaltung, 1 shows the schematic plan view of an example of a measuring resistor according to the invention with a measuring circuit connected to it,

Fig. 2 den Schnitt II-II gemäss Fig. 1, 2 shows the section II-II according to FIG. 1,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild des Messwiderstands und Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge-mässen Messwiderstands. 3 shows the equivalent circuit diagram of the measuring resistor and FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the measuring resistor according to the invention.

Der Messwiderstand besteht gemäss den Fig. 1 und 2 aus einer Isolierplatte 1, zwei darüber angeordneten plattenförmigen Zuleitungselektroden 2 und 3, sowie aus bandförmigen Widerstandsstreifen 4 und 5, welche auf der Unterseite der Isolierplatte 1 verlaufen. Die Zuleitungselektroden 2 bzw. 3 sind mit Stromanschlüssen 6, 7 versehen, an welche der zu messende Stromkreis angeschlossen wird. Zwischen den beiden Zuleitungselektroden 2 und 3 verläuft ein im Beispiel schmaler Spalt d. 1 and 2, the measuring resistor consists of an insulating plate 1, two plate-shaped lead electrodes 2 and 3 arranged above it, and band-shaped resistance strips 4 and 5, which run on the underside of the insulating plate 1. The lead electrodes 2 and 3 are provided with current connections 6, 7, to which the circuit to be measured is connected. In the example, a narrow gap d runs between the two lead electrodes 2 and 3.

Die Widerstandsstreifen 4 und 5 sind unter der Isolierplatte 1 quer zum Spalt d verlaufend angeordnet, im Beispiel unter einem Winkel von 90°. Der erste Widerstandsstreifen 4 ist über eine erste Kontaktierung 8 durch die Isolierplatte 1 hindurch elektrisch mit der ersten Zuleitungselektrode 2 verbunden. Die andere Seite des Widerstandsstreifens 4 steht über eine zweite Kontaktierung 9 mit der zweiten Zuleitungselektrode 3 in elektrischer Verbindung. Auf gleiche Weise ist der zweite Widerstandsstreifen 5 über eine dritte Kontaktierung 10 mit der ersten Zuleitungselektrode 2 und über eine vierte Kontaktierung 11 mit der zweiten Zuleitungselektrode 3 verbunden. Die Widerstandsstreifen 4 und 5 liegen somit elektrisch parallel zueinander zwischen den Stromanschlüssen 6 und 7. The resistance strips 4 and 5 are arranged under the insulating plate 1 extending transversely to the gap d, in the example at an angle of 90 °. The first resistance strip 4 is electrically connected to the first lead electrode 2 via the first contact 8 through the insulating plate 1. The other side of the resistance strip 4 is in electrical connection with the second lead electrode 3 via a second contact 9. In the same way, the second resistance strip 5 is connected to the first lead electrode 2 via a third contact 10 and to the second lead electrode 3 via a fourth contact 11. The resistance strips 4 and 5 are thus electrically parallel to one another between the power connections 6 and 7.

Die Zuleitungselektroden 2 und 3 bestehen aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material, z.B. aus Kupfer. Die Widerstandsstreifen 4 und 5 bestehen beispielsweise aus Kon-stantan-Blech. Zur Ableitung der in den Widerstandsstreifen entstehenden Verlustwärme liegt über eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Wärmepaste 15 od.dgl. ein Kühlkörper 12 an den Widerstandsstreifen 4 und 5 an. Der Kühlkörper 12 kann luft- oder wassergekühlt sein. Er sorgt gemeinsam mit den gut leitenden Zuleitungselektroden 2 und 3 für genügende Wärmeabfuhr und für eine gleichmässige Temperaturverteilung über das gesamte Bauelement. The lead electrodes 2 and 3 consist of electrically and thermally highly conductive material, e.g. made of copper. The resistance strips 4 and 5 consist, for example, of constant metal sheet. To dissipate the heat generated in the resistance strips lies over an electrically insulating and thermally conductive heat paste 15 or the like. a heat sink 12 on the resistance strips 4 and 5. The heat sink 12 can be air-cooled or water-cooled. Together with the well-conducting supply electrodes 2 and 3, it ensures sufficient heat dissipation and an even temperature distribution over the entire component.

Zum Anschluss einer Auswerteschaltung sind im Beispiel an den Zuleitungselektroden 2 und 3 Anschlüsse 13 bzw. 14 vorgesehen, welche vorzugsweise über auf dem gleichen Print In the example, connections 13 and 14 are provided on the supply electrodes 2 and 3 for connecting an evaluation circuit, which are preferably on the same print

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

662 205 662 205

befindliche Zuleitungen mit der Auswerteschaltung in Verbindung stehen. located supply lines are connected to the evaluation circuit.

Die Auswerteschaltung besteht im bevorzugten Beispiel gemäss Fig. 1 aus einem Differenzverstärker 20, dessen Eingänge über Vorwiderstände R1 und Rl'mit den Anschlüssen 13, 14 in Verbindung stehen. Der Differenzverstärker entspricht üblicher Schaltungstechnik. An seinem Ausgang entsteht ein Signal, welches der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 13 und 14 entspricht, sofern die Bedingung R2 : Ri = R2 : Ri erfüllt ist. In the preferred example according to FIG. 1, the evaluation circuit consists of a differential amplifier 20, the inputs of which are connected to the connections 13, 14 via series resistors R1 and R1. The differential amplifier corresponds to conventional circuit technology. At its output there is a signal which corresponds to the potential difference between the connections 13 and 14 if the condition R2: Ri = R2: Ri is fulfilled.

Bei einem Test eines bevorzugten Ausführungsbeispiels waren die Konstanten-Widerstandsstreif en 4 und 5 aus 0,15 mm starkem Blech von einer breite a = 2 mm. Ihre Länge b zwischen den Kontaktierungen 8 und 9 bzw. 10 und 11 betrug je 25 mm. Die Isolierplatte 1 aus einem Glasfasermaterial war 2 mm dick. Ihre Dielektrizitätskonstante betrug er = 12. Die Zuleitungselektroden 2 und 3 waren so bemessen, dass sie die Widerstandsstreifen 4 und 5 mit Ausnahme des Spaltes d von ca. 4 mm Breite vollständig überdeckten. In a test of a preferred exemplary embodiment, the constant resistance strips 4 and 5 were made from 0.15 mm thick sheet metal and had a width of a = 2 mm. Their length b between the contacts 8 and 9 or 10 and 11 was 25 mm each. The insulating plate 1 made of a glass fiber material was 2 mm thick. Their dielectric constant was = 12. The lead electrodes 2 and 3 were dimensioned such that they completely covered the resistance strips 4 and 5 with the exception of the gap d of about 4 mm in width.

Unter der allgemeinen Voraussetzung, dass die Längenabmessungen des MessWiderstandes klein sind gegenüber der Wellenlänge der verwendeten Messfrequenz, lässt sich das Ersatzschaltbild des Messwiderstandes gemäss Fig. 3 darstellen. Der Gesamtwiderstand setzt sich aus dem rein Ohm'schen Anteil R, einem induktiven Anteil L und einem kapazitiven Anteil C zusammen. Under the general requirement that the length dimensions of the measuring resistor are small compared to the wavelength of the measuring frequency used, the equivalent circuit diagram of the measuring resistor according to FIG. 3 can be represented. The total resistance is made up of the purely ohmic component R, an inductive component L and a capacitive component C.

Im vorstehenden Beispiel stellten die Widerstandsstreifen 4 und 5 aus Konstantan-Blech einen Ohm'schen Widerstand dar von R = 40 mQ. Aus der gewählten Geometrie ergab sich eine Induktivität von L = 10 nH. Schliesslich betrugen die verteilten 5 Kapazitäten zwischen den Widerstandsstreifen 4 und 5 einerseits und den Zuleitungselektroden 2 und 3 andererseits im Beispiel C = 6,5 pF. Mit diesen Werten ergab sich eine Grenzfrequenz f0 für die gewählte Anordnung von fo = In the above example, the resistance strips 4 and 5 made of constantan sheet represented an ohmic resistance of R = 40 mQ. The selected geometry resulted in an inductance of L = 10 nH. Finally, the distributed 5 capacitances between the resistance strips 4 and 5 on the one hand and the lead electrodes 2 and 3 on the other hand in the example were C = 6.5 pF. With these values, a limit frequency f0 was obtained for the selected arrangement of fo =

2n J/lcT 2n J / lcT

= 624 MHz. = 624 MHz.

15 In Abwandlung vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei welchem die Widerstandsstreifen 4, 5 parallel geschaltet waren, können auch mehrere Widerstandsstreifen in Reihe geschaltet sein, beispielsweise in Mäanderform gemäss Fig. 4. Sofern auch in diesem Fall die Widerstandsstreifen durch plat-20 tenförmige Zuleitungselektroden so abgedeckt sind, dass sich eine messbare verteilte Kapazität zwischen den Widerstandsstreifen und den Zuleitungselektroden ergibt, lässt sich auch in diesem Fall die Restinduktivität des Messwiderstandes durch die verteilte Kapazität innerhalb der Anordnung nach den angege-25 benen Dimensionierungsregeln kompensieren. 15 In a modification of the previously described exemplary embodiment, in which the resistance strips 4, 5 were connected in parallel, a plurality of resistance strips can also be connected in series, for example in a meandering shape according to FIG. 4 are covered that there is a measurable distributed capacitance between the resistance strips and the lead electrodes, the residual inductance of the measuring resistor can also be compensated for in this case by the distributed capacitance within the arrangement according to the specified dimensioning rules.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

662 205

1. Measuring resistor with distributed capacitances between outer conductor surfaces and resistance conductors, for compensation of residual inductances, characterized in that at least one band-shaped resistance strip (4, 5) at its ends each with a plate-shaped base electrode (2, 3) arranged at a defined distance conductive connection, the counter electrodes at least partially covering the surface of the resistance strip starting from the ends, and the distance between the resistance strips and the counter electrodes being defined by the thickness of an insulating layer (1) between them, and the conductive connection between the resistance strips (4, 5 ) and counter electrodes (2, 3) through-plated through the insulating layer (1).

2. Measuring resistor according to claim 1, characterized in that a plurality of resistance strips (4, 5) connected in parallel are provided and that the counter electrodes (2, 3) are separated from one another by a gap (d) running perpendicular to the direction of the resistance strips.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Measuring resistor according to claim 1, characterized in that the counter electrodes (2, 3) consist of electrically better conductive material than the resistance strips (4, 5).

4. Measuring resistor according to claim 1, characterized in that the side of the resistance strip facing away from the insulating layer (1) is in thermal connection with a heat sink (12).

5. Measuring resistor according to claim 1, characterized in that the resistance strip is meandering.