Präzisionswiderstandslegierungen

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Präzisionswiderstandslegierungen sind Legierungen für den Einsatz in der Elektrotechnik zur Herstellung von Messwiderständen, die in höherem Maße langzeitsatbil und temperaturunabhängig sind als beispielsweise preisgünstigere Kohleschicht- und Dickschichtwiderstände.[1] Zu Drähten gezogen werden sie zu präzisen Drahtwiderständen aufgewickelt,[2][3] alternativ aus Bändern zu einem Shunt zusammengesetzt.[4][5] Der extrem kleine Temperaturkoeffizient (TK) des Widerstands ergibt sich dadurch, dass der für Metalle typische positive TK bei einer Temperatur von etwa 20…40 °C in einen negativen TK übergeht, so dass sich in der Kurve über die Temperatur ein flaches Maximum ausbildet.[6]

Der wesentliche Schritt zur Entwicklung dieser Legierungen gelang im Jahr 1885 Edward Weston mit der Entdeckung, dass es Legierungen mit einem Temperaturkoeffizienten von Null oder einem negativen Wert gibt und diese aus Kupfer und Mangan zusammengesetzt sind, wobei für den negativen Temperaturkoeffizient noch Nickel hinzuzufügen ist. Zudem beschreibt Weston wie sich daraus Widerstände mit geringer Temperatuabhängigkeit konstruieren lassen.[7][8] Nach der Veröffentlichung der Erkenntnisse als Patentschrift im Jahr 1888 griffen weitere Labore diese Legierungen auf.[9][10] Bereits 1892 wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Basse & Selve die Kupfer-Nickel-Legierung Konstantan vermarktet, welches jedoch eine hohe Thermokraft gegenüber Kupfer aufweist und für Präzisionswiderstände deshalb höchstens eingeschränkt geeignet ist,[11][12] und mit der Firma Isabellenhütte Heusler eine als Manganin bezeichnete Legierung mit höherem Mangananteil und kleiner Thermokraft.[13] Eine Reihe weitere Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurde in der Folgezeit entwickelt: Neben den verschiedenen kommerziell eingesetzten Kupfer-Mangan- und Nickel-Chrom-Legierungen wurden beispielsweise in den 1930er und 40er Jahren auch Silber-Mangan-Legierungen[14] sowie Gold-Chrom-Legierungen untersucht. Letztere weist zwar mit etwas über 2 % Chromanteil eine hohe Stabilität, jedoch auch eine Thermospannung von 7 µV/°C gegen Kupfer auf und erfordert aufgrund ihrer Empfindlichkeit eine sehr vorsichtige Handhabung.[15][16][17][18]

Kupfer-Mangan-Legierungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schnittzeichnung eines 1-Ohm-Laborwiderstands des National Bureau of Standards mit einer Widerstands­draht­spule aus Manganin, 1930: Der Manganin-Widerstandsdraht ist im Schnitt links zu erkennen; oben rechts und links sind die Stromanschlüsse des Widerstandes, dahinter die Anschlüsse für eine Vierleitermessung.[19]

Bereits im Jahr 1895 hatte die Physikalisch-Technische Reichsanstalt Präzisionwiderstände aus Manganin entwickelt, bis hinab zu einem Wert von 100 µOhm für große Ströme.[20] und lange Zeit wurden Präzisionswiderstände nur aus Manganin hergestellt. Um eine möglichst flache Widerstands-Temperaturkurve zu erzielen, war es erforderlich, nach dem Formen einer Widerstandsspule das Manganin zu tempern. Im National Bureau of Standards wurden beispielsweise die Widerstandsspule anschließend auf ein durch Seide isoliertes gut wärmeleitendes Gehäuse aufgebracht, mit einem 4-Leiter-Anschluss versehen und durch einen Verguss mit Schellack von Umwelteinflüssen geschützt. Das Gehäuse konnte in einem Ölbad temperiert werden und so die Widerstandspule im Bereich der geringsten Temperaurabhängigkeit betrieben werden. Die Widerstände wiesen nach einer Veränderung von 3–4 ppm im ersten Monat eine deutlich geringere oder keine Veränderung mehr auf.[19] Spätere Untersuchungenen ergaben einen Drift von etwa 0,06 ppm/Jahr.[21] Der etwa parabelförmige Kurvenverlauf der Temperaturabhängigkeit kann durch eine quadratische Funktion angenähert werden, mit einem Koeffizienten von −0,5 ppm/K2.[21]

Legierungsübersicht
Name Spez. Widerstand Max. Temperatur Zusammensetzung (in %) Hersteller Anmerkung
MANGANIN[22][23] 0,43 μΩ·m 60 °C Cu 86 • Mn 12 • Ni 2 Isabellenhütte Heusler bis 1948 alleinig zugelasssen für amtlich beglaubigte Präzisionswiderstände[18]
Resistin[24][25][26] 0,5 μΩ·m Cu 88 • Mn 12 Isabellenhütte Heusler Als Marke 1904 eingetragen[27]
ISABELLIN[28][29] 0,5 μΩ·m Cu 84 • Mn 13 • Al 3 Isabellenhütte Heusler 1932 als Marke eingetragen;[30] Forschungen zu Cu-Mn-Al erfolgten bereits 1919[31]
ISABELLIN A[32] 0,5 μΩ·m 140 °C Cu 84,5 • Mn 12,5 • Al 3 Isabellenhütte Heusler Im Jahr 1952 vorgestellt[33]
ISA 50[34][35] 0,5 μΩ·m Cu 81,8 • Mn 12 • Ni 5 • Al 1,2 Isabellenhütte Heusler Mitte des 20. Jahrhunderts vermarket.[36]
ZERANIN[37][38] 0,43 μΩ·m 140 °C Cu 88 • Mn 6 • Ge 6 Isabellenhütte Heusler entwickelt Mitte der 1960er Jahre[38]
ZERANIN 30[39] 0,29 μΩ·m 140 °C Cu 90,7 • Mn 7 • Sn 2,3 Isabellenhütte Heusler
NOVENTIN[40] 0,9 μΩ·m 170 °C Cu 65 • Mn 25 • Ni 10 Isabellenhütte Heusler wurde im Jahr 2014 vorgestellt.[41]
CENTANIN[42] 1,0 μΩ·m 140 °C Cu 67 • Mn 27 • Ni 5 • Al 1 Isabellenhütte Heusler als Warenzeichen 1954 eingetragen.[43]
Legierung 306[44][45] Cu 89 • Mn 8 • Sn 3 Isabellenhütte Heusler Ab 1948 zugelassen für amtlich beglaubigte Präzisionswiderstände[18]
Novokonstant[46][47] 0,45 μΩ·m Cu 82,5 • Mn 12 • Al 4 • Fe 1,5 Vereinigte Deutsche Metallwerke[48] Ab 1948 zugelassen für amtlich beglaubigte Präzisionswiderstände[18]
Ohmal A[46] Cu 87 • Mn 9 • Ni 3,6 • Fe 0,3 • Si 0,1 National Physical Laboratory
Ohmal B[46] Cu 85 • Mn 11 • Ni 3,6 • Fe 0,3 • Si 0,1 National Physical Laboratory
BOS M 36[46] Cu 79,1 • Mn 10,2 • Ni 10,3 • Fe 0,4 National Bureau of Standards

Nickel-Chrom-Legierungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Produktformen:
■ Feiner Wider­stands­draht (Spule) mit einem Wider­stands­belag von 3,22 kΩ/m und einem Temperatur­koeffizienten von −1 ppm/K zwischen 25 und 150 °C.
■ Messwiderstand (Bauteil links unten) mit einem Wider­stand von 2 mΩ. Das selbst nur bedingt lötbare Wider­stands­element[6] aus Isaohm ist zwischen zwei wider­stands­armen Kupfer­anschlüssen ver­schweißt, über die es auf eine Leiterplatte oberflächen­montiert aufgelötet werden kann.[4]

NiCr-Präzisionswiderstandslegierungen enthalten einen Nickelanteil von etwa 75 %, einem Chromanteil von etwa 20 %, etwa 3 % Aluminium und weitere Zusätze wie Silicium, Eisen, Mangan, Kupfer oder Kobalt, wodurch die Legierungen die nur geringe Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes aufweisen.[2] Die Legierungen werden von verschiedenen Herstellen unter jeweils eigenen Markennamen (wie Isaohm[49], Evanohm[50], Nikrothal[51]) mit etwas unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften angeboten, ihre Entwicklung begann in den 1940er Jahren.[52][53][54][55][56] Eine Theorie zur Temperaturabhängigkeit des Widerstandes wurde in den 1970er Jahren entwickelt.[57]

Die Widerstandslegierungen weisen einen spezifischen Widerstand von rund 1,33 μΩ·m auf und erreichen einen Temperaturkoeffizienten von ±5 ppm/K in einem Temperaturbereich von −55 bis 150 °C;[58] in einem eingeschränkten Temperaturbereich sind auch ±1 ppm/K realisierbar.[6][59] Der an dieser Stelle etwa parabelförmige Kurvenverlauf kann durch eine quadratische Funktion angenähert werden, mit einem Koeffizienten von −0,003 ppm/K2 im Fall von Evanohm S nach einem Tempern des Widerstandsdrahtes.[60] In Widerständen lässt sich der Temperaturkoeffizient konstruktiv weiter reduzieren, indem das Legierungsmaterial als Folie oder Film auf einen Träger aufgebracht wird, dessen abweichende temperaturbedingte Ausdehnung zu einer temperaturabhängigen Verspannung des Widerstandsmaterial führt und damit der Temperaturänderung des Widerstands entgegenwirkt (Diese Erkenntnis führte zur Gründung der Firma Vishay.).[61][62][63]

Bei Verwendung für hochpräzise Widerstände liegt die maximale Anwendungstemperatur an Luft bei 200[64]…250[6] °C und sie übertreffen darin, im konstanteren Widerstandsverlauf[21][65] wie auch im höheren spezifischen Widerstand andere Widerstandslegierungen wie Konstantan, Manganin und Zeranin, die in der chemischen Zusammensetzung einen hohen Kupferanteil aufweisen. Alle genannten Widerstandslegierungen mit Ausnahme von Konstantan weisen einen kleinen Seebeck-Koeffizienten gegenüber Kupfer im Bereich von 1 µV/K auf.

Legierungsübersicht
Name Zusammensetzung (in %) Hersteller
Isaohm[6] Ni 74,5 • Cr 20 • Al 3,5 • Si 1 • Mn 0,5 • Fe 0,5 Isabellenhütte Heusler
Evanohm R[64] Ni 73,5 • Cr 20 • Al 2,5 • Cu 2 • Si 1 • Mn 1 Carpenter Technology Corporation
Evanohm S[66] Ni 72 • Cr 20 • Al 3 • Mn 4 • Si 1
Karma[67] Ni 74 • Cr 20 • Al 3,5 • Si 1 • Fe 1,5 Harris-Driver Company
Nikrothal LX[58] Ni 74 • Cr 19 • Al 2,5 • Mn 2,2 • Cu 1,7 • Si 0,6 Kanthal
Moleculoy[68] Ni 76,8 • Cr 20 • Al 3 • Co 0,2 Molecu Wire Corporation
Stabilohm 133[69] Ni • Cr • … Johnson Matthey Metals

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. ↑ A. Schulze: Über Widerstandswerkstoffe für Normalwiderstände. (Zusammenfassung). In: Elektrotechnische Zeitschrift. Nr. 28, 1940, S. 662 (google.de).
  2. ↑ a b Paul M. Pflier, Hans Jahn: Elektrische Meßgeräte und Meßverfahren. 2013, ISBN 978-3-662-25881-1, S. 68–70 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. ↑ G. R. Jones, B. J. Pritchard, R. E. Elmquist: Characteristics of precision 1 Ω standard resistors influencing transport behaviour and the uncertainty of key comparisons. In: Metrologia. Band 46, Nr. 5, 2009 (nist.gov [PDF; 237 kB]).
  4. ↑ a b ISA-WELD® // PRECISIONRESISTORS BVS, Isabellenhütte Heusler
  5. ↑ WEGO - Bandshunt axial Baureihe 300 , WEGO
  6. ↑ a b c d e Datenblatt // ISAOHM®, Isabellenhütte Heusler, 2022
  7. ↑ Patent US381304: Electrical Coil and Conductor. Angemeldet am 13. Oktober 1885, veröffentlicht am 17. April 1888, Erfinder: Edward Weston.‌
  8. ↑ Patent US381305: Electrical Coil and Conductor. Angemeldet am 13. Oktober 1885, veröffentlicht am 17. April 1888, Erfinder: Edward Weston.‌
  9. ↑ K. Feussner, St. Lindeck: Metalllegirungen für elektrische Widerstände. In: Zeitschrift für Instrumentenkunde. Nr. 7, 1889, S. 233–236 (archive.org).
  10. ↑ Edward L. Nichols: The Electrical Resistance of the Alloys of Ferro-Manganese and Copper. In: American Journal of Science. Nr. 234, 1890, S. 471–477 (ajsonline.org [PDF]).
  11. ↑ M. A. Laughton, D.F. Warne (Hrsg.): Electrical Engineer's Reference Book. 16. Auflage. Oxford (England) 2003, ISBN 0-7506-4637-3, S. 10/43 (google.de).
  12. ↑ Datenblatt // ISOTAN®, Isabellenhütte Heusler, 2022
  13. ↑ K. Feussner: Neue Materialien für elektrische Messwiderstände. In: Elektrotechnische Zeitschrift. Band 13, 1892, S. 99–102 (google.de).
  14. ↑ A. Schulze: Silberlegierungen als Widerstandswerkstoffe I. In: Technisches Messen. 1942, S. 155–164, doi:10.1524/teme.1942.133144.jg.155.
  15. ↑ J. O. Linde: Elektrische Eigenschaften verdünnter Mischkristalle – I. Goldlegierungen. In: Annalen der Physik. Band 10, Nr. 1, 1931, S. 52–70 (archive.org).
  16. ↑ James L. Thomas: Gold-chromium resistance alloys. In: Journal of Research of the National Bureau of Standards. Band 13, 1934, S. 681–688 (nist.gov [PDF]).
  17. ↑ A. Schulze: Gold-Chrom-Widerstandslegierung. In: Technisches Messen. 1939, S. 415–416, doi:10.1524/teme.1939.97108.jg.415.
  18. ↑ a b c d Kösters: Erste Ergänzung der Bekannntmachung über die Beglaubigung elektrischer Präzisionswiderstände und Normalelemente durch die Physikalisch-Technische Reichsanstalt und der zugehörigen Erläuterungen. In: Elektrotechnische Zeitschrift. 1948, S. 64 (google.de).
  19. ↑ a b James L. Thomas: A New Design of Resistance Standard. In: Bureau of Standards Journal of Research. 1930, S. 295–304 (nist.gov [PDF]).
  20. ↑ Henry S. Carhart, George W. Patterson, Jr.: Electrical measurements. Washigton 1895, S. 174–175 (archive.org).
  21. ↑ a b c Ronald F. Dziuba: The NBS Ohm Past-Present-Future. In: Proceedings of Measurement Science Conference. 1987 (nist.gov [PDF; 800 kB]).
  22. ↑ Datenblatt // MANGANIN®, Isabellenhütte Heusler, 2022
  23. ↑ Otto Heusler: Über die Entwicklung des Manganins. In: International Journal of Materials Research. Band 80, Nr. 11, 1989, S. 757– (degruyter.com).
  24. ↑ https://www.google.de/books/edition/Grundlagen_der_Elektrotechnik/6jycBgAAQBAJ?hl=de&gbpv=1&dq=novokonstant&pg=PA43&printsec=frontcover
  25. ↑ https://www.google.de/books/edition/Metallographie_Bd_Die_Eigenschften_der_M/5W7tAAAAMAAJ?hl=de&gbpv=1&bsq=resistin%20legierung
  26. ↑ https://www.google.de/books/edition/Die_Legierungen_in_ihrer_Anwendung_f%C3%BCr/d0CmEAAAQBAJ?hl=de&gbpv=1&dq=resistin+legierung&pg=PA282&printsec=frontcover
  27. ↑ https://register.dpma.de/DPMAregister/marke/register/75637/DE
  28. ↑ William Frederick Waller (Hrsg.): Electronics Design Materials. 1971, ISBN 1-349-01176-2, S. 26 (google.de).
  29. ↑ Paul Guillery, Rudolf Hezel, Bernd Reppich: Werkstoffkunde für die Elektrotechnik. 2013, S. 128 (google.de).
  30. ↑ Registerauskunft, Registernummer: 444478, DPMA, 1932
  31. ↑ F. Weimer: Die Herstellung und die elektrischen Eigenschaften von Manganin. In: Chemisches Zentralblatt. 1920, S. 689 (polsl.pl [PDF]).
  32. ↑ Datenblatt // ISABELLIN® A, Isabellenhütte Heusler, 2020
  33. ↑ Waves from everywhere. In: The Wire Industry. Band 19, 1952, S. 626 (Einführung, Isabellin A).
  34. ↑ John P. Frick: Woldman's Engineering Alloys. 2000, ISBN 0-87170-691-1, S. 601 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  35. ↑ O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. 2013, S. 11 (google.de).
  36. ↑ Widerstandslegierungen für Meß- und Regelwiderstände. In: Elektro-Welt. 1956, S. 153–165 (google.de).
  37. ↑ John P. Frick: Woldman's Engineering Alloys. 2000, ISBN 0-87170-691-1, S. 1268 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  38. ↑ a b Widerstandsmaterial. In: PTB Mitteilungen. Band 78, 1968, S. 75 (Zeranin, Temperatureinfluß).
  39. ↑ Datenblatt // ZERANIN® 30, Isabellenhütte Heusler, 2014
  40. ↑ Datenblatt // NOVENTIN®, Isabellenhütte Heusler, 2019
  41. ↑ Thomas Kuther: Neue Legierung „Noventin“ vorgestellt. In: Elektronikpraxis. 2014 (elektronikpraxis.de).
  42. ↑ Data sheet // CENTANIN®, Isabellenhütte Heusler, 2020
  43. ↑ CENTANIN. In: Official Gazette of the United States Patent Office. 1957 (google.de).
  44. ↑ J. Gieleßen: Druckgeber mit einer Spule aus einer Widerstandslegierung und ihre Anwendung. In: VDI-Berichte. Nr. 93, 1966, S. 21–24 (google.de).
  45. ↑ J. Stanek: Entwicklungsstand der elektrischen Meßtechnik. In: Deutsche Elektrotechnik. Band 4, 1950, S. 109– (google.de).
  46. ↑ a b c d Alfred Schulze: Metallische Werkstoffe der Elektrotechnik. 1950 (Ohmal A, Novokonstant, Ohmal B, BOS M 36).
  47. ↑ A. Schulze: Über die Verwendung neuer Widerstandswerkstoffe für Normalwiderstände. In: Elektrie. 1948, S. 23–28 (google.de).
  48. ↑ A. Schulze: Über Widerstandswerkstoffe für Normalwiderstände. In: Wissenschaftliche Abhandlungen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt. Band 24, 1940, S. 91–102 (google.de).
  49. ↑ Registerauskunft, Registernummer: 750506, DPMA, 1961
  50. ↑ Trade-Mark EVANOHM, USPTO, 1945
  51. ↑ Trade-Mark NIKROTHAL, USPTO, 1946
  52. ↑ Edwin Pettis: The last half-century: Wirewound resistors Part one, EDN, 2014
  53. ↑ Patent US2293878: Electrical resistance alloy. Veröffentlicht am 25. August 1942, Anmelder: Wilbur B. Driver Company, Erfinder: Victor O. Allen, Joseph F. Polak.‌
  54. ↑ Patent US2460590: Electric resistance element and method of heat-treatment. Veröffentlicht am 1. Februar 1949, Anmelder: Driver-Harris Company, Erfinder: James M. Lohr.‌
  55. ↑ Patent DE1104194: Verwendung von Nickellegierungen für elektrische Widerstände. Veröffentlicht am 6. April 1961, Anmelder: Aktiebolaget Kanthal, Erfinder: Björn Edwin, Gösta Gildebrand.‌
  56. ↑ Patent US2996378: Electrical resistance wire. Veröffentlicht am 15. August 1961, Anmelder: Molecu-Wire Corporation, Erfinder: Edward E. Edmunds, Arthur S. Lichter, Poch Stephen.‌
  57. ↑ J. H. Mooij: Electrical conduction in concentrated disordered transition metal alloys. In: physica status solidi (a). 1973, doi:10.1002/pssa.2210170217.
  58. ↑ a b Nikrothal® LX, Kanthal
  59. ↑ NIKROTHAL LX, BULTEN-KANTHAL AB
  60. ↑ Brian J. Pritchard; Robert C. Grime: Fabrication of reference standard 1 ohm resistors from Evanohm S alloy. In: Conference on Precision Electromagnetic Measurements. 1990, S. 290–291, doi:10.1109/CPEM.1990.110027.
  61. ↑ Patent US3517436: Precision resistor of great stability. Veröffentlicht am 30. Juni 1970, Anmelder: Vishay Intertechnology, Inc., Erfinder: Felix Zandman, Boyd A. Branin.‌
  62. ↑ Felix Zandman, Sidney J. Stein: A New Precision Film Resistor Exhibiting Bulk Properties. In: IEEE Transactions on Component Parts. 1964, S. 107–119, doi:10.1109/tcp.1964.1135008.
  63. ↑ Patent US4318072: Precision resistor with improved temperature characteristics. Veröffentlicht am 2. März 1982, Anmelder: Vishay Intertechnology, Inc., Erfinder: Felix Zandman.‌
  64. ↑ a b Datasheet Evanohm® R, Carpenter Technology Corporation
  65. ↑ G. T. Furukawa, M. L. Reilly, W. G. Saba: Electrical Resistances of Wires of Low Temperature Coefficient of Resistance Useful in Calorimeters. In: NBS Special Publication 300. Band 6, 1970, S. 110–113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  66. ↑ John P. Frick: Woldman's Engineering Alloys. ASM International, 2000, ISBN 0-87170-691-1, S. 424 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  67. ↑ John P. Frick: Woldman's Engineering Alloys. ASM International, 2000, ISBN 0-87170-691-1, S. 629 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  68. ↑ John P. Frick: Woldman's Engineering Alloys. ASM International, 2000, ISBN 0-87170-691-1, S. 752 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  69. ↑ High-Stability Resistance-Wire Material. In: Electronic Engineering. 1967, S. 795 (worldradiohistory.com [PDF]).
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