Präzisionswiderstandslegierungen

Präzisionswiderstandslegierungen sind Legierungen für den Einsatz in der Elektrotechnik zur Herstellung von Messwiderständen, die in höherem Maße langzeit- und temperaturstabil sind als beispielsweise preiswertere Kohleschicht- und Dickschichtwiderstände. Zu Drähten gezogen werden sie zu präzisen Drahtwiderständen aufgewickelt, alternativ aus Bändern zu einem Shunt zusammengesetzt. 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 $R(T)$ über die Temperatur $T$ ein flaches Maximum ausbildet. Die erste Legierung, die mit diesen Eigenschaften gefunden wurde, war das im Jahr 1887 von Edward Weston hergestellte und untersuchte aus Kupfer, Nickel und 1 % Mangan bestehende Konstantan, welches jedoch eine hohe Thermokraft gegenüber Kupfer aufweist und für Präzisionswiderstände deshalb höchstens eingeschränkt geeignet ist. Weston fand dann 5 Jahre später eine als Manganin bezeichnete Legierung mit höherem Mangananteil, die diesen Nachteil nicht mehr besaß – und eine Reihe weitere Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden in der Folgezeit entwickelt. Neben den verschiedenen kommerziell eingesetzten Kupfer-Mangan- und Nickel-Chrom-Legierungen wurden beispielsweise in den 1930er Jahren auch Gold-Chrom-Legierungen mit etwas mehr als 2 % Chromanteil untersucht, welche zwar eine hohe Stabilität, jedoch auch eine Thermospannung von 7 µV/°C gegen Kupfer aufweist und aufgrund ihrer Empfindlichkeit eine sehr vorsichtige Handhabung erfordert.

Kupfer-Mangan-Legierungen

Legierungsübersicht

Name	Spez. Widerstand	Max. Temperatur	Zusammensetzung (in %)	Hersteller	Anmerkung
MANGANIN	0,43 μΩ·m	60 °C	Cu 86 • Mn 12 • Ni 2	Isabellenhütte Heusler	Hergestellt im Jahr 1892 von Edward Weston
ISABELLIN			Cu 84 • Mn 13 • Al 3	Isabellenhütte Heusler
ISABELLIN A	0,5 μΩ·m	140 °C	Cu 84,5 • Mn 12,5 • Al 3	Isabellenhütte Heusler
ZERANIN	0,43 μΩ·m	140 °C	Cu 88 • Mn 6 • Ge 6	Isabellenhütte Heusler	entwickelt Mitte der 1960er Jahre
ZERANIN 30	0,29 μΩ·m	140 °C	Cu 90,7 • Mn 7 • Sn 2,3	Isabellenhütte Heusler	Der geringe Temperaturkoeffizient und die kleine Thermokraft von Kupfer-Mangan-Zinn-Legierungen wurde bereits Anfang der 1960er Jahre beschrieben.
NOVENTIN	0,9 μΩ·m	170 °C	Cu 65 • Mn 25 • Ni 10	Isabellenhütte Heusler	wurde im Jahr 2014 vorgestellt.
CENTANIN	1 μΩ·m	140 °C	Cu 67 • Mn 27 • Ni 5 • Al 1	Isabellenhütte Heusler	als Warenzeichen 1954 eingetragen.
Novokonstant	0,45 μΩ·m		Cu 82,5 • Mn 12 • Al 4 • Fe 1,5	Vereinigte Deutsche Metallwerke
Ohmal A			Cu 87 • Mn 9 • Ni 3,6 • Fe 0,3 • Si 0,1	National Physical Laboratory
Ohmal B			Cu 85 • Mn 11 • Ni 3,6 • Fe 0,3 • Si 0,1	National Physical Laboratory
M 36			Cu 79,1 • Mn 10,2 • Ni 10,3 • Fe 0,4	National Bureau of Standards

Nickel-Chrom-Legierungen

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 ist zwischen zwei wider­stands­armen Kupfer­anschlüssen ver­schweißt, über die es auf eine Leiterplatte oberflächen­montiert aufgelötet werden kann.

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. Die Legierungen werden von verschiedenen Herstellen unter jeweils eigenen Markennamen (wie Isaohm, Evanohm, Nikrothal) mit etwas unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften angeboten, ihre Entwicklung begann in den 1940er Jahren. Eine Theorie zur Temperaturabhängigkeit des Widerstandes wurde in den 1970er Jahren entwickelt.

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; in einem eingeschränkten Temperaturbereich sind auch ±1 ppm/K realisierbar. 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. 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.).

Bei Verwendung für hochpräzise Widerstände liegt die maximale Anwendungstemperatur an Luft bei 200…250 °C und sie übertreffen darin, im konstanteren Widerstandsverlauf 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	Ni 74,5 • Cr 20 • Al 3,5 • Si 1 • Mn 0,5 • Fe 0,5	Isabellenhütte Heusler
Evanohm R	Ni 73,5 • Cr 20 • Al 2,5 • Cu 2 • Si 1 • Mn 1	Carpenter Technology Corporation
Evanohm S	Ni 72 • Cr 20 • Al 3 • Mn 4 • Si 1
Karma	Ni 74 • Cr 20 • Al 3,5 • Si 1 • Fe 1,5	Harris-Driver Company
Nikrothal LX	Ni 74 • Cr 19 • Al 2,5 • Mn 2,2 • Cu 1,7 • Si 0,6	Kanthal
Moleculoy	Ni 76,8 • Cr 20 • Al 3 • Co 0,2	Molecu Wire Corporation
Stabilohm 133	Ni • Cr • …	Johnson Matthey Metals