Know-how: SMD-weerstanden

(gepubliceerd op 13-11-2022)

SMD-weerstanden treft u aan in vrijwel alle nieuwe ontwerpen. Het lijken saaie onderdelen, maar tóch valt er het nodige over te melden. Zo zijn er diverse soorten en verwarrende systemen om de waarde op het onderdeel te vermelden.

MELF- of chip-weerstand?


Twee soorten SMD-weerstanden
Het letterwoord SMD staat voor 'Surface Mounted Device', onderdeel dat op het oppervlak van een print wordt gesoldeerd. SMD-weerstanden hebben dus geen aansluitdraadjes, maar vertinde metalen vlakken aan de uiteinden van het onderdeel. Er bestaan, wat constructie betreft, twee fundamenteel verschillende soorten SMD-weerstanden:
       - MELF
       - Chip

MELF-weerstanden
Het letterwoord MELF staat voor 'Metal Electrode Leadless Face'. Deze weerstanden lijken nog het meest op de ouderwetse weerstanden met aansluitdraadjes. Deze componenten zitten in cilindervormige behuizingen, zie de onderstaande figuur.

SMD-weerstanden-01 (© Indiamart)
Voorbeelden van MELF-weerstanden. (© Indiamart)

Chip-weerstanden
Chip-weerstanden zijn dunne rechthoekige plaatjes die absoluut niet op de oude 'through hole' weerstanden lijken. Zij worden steeds vaker toegepast en hebben de MELF-exemplaren grotendeels verdreven van de moderne printplaat. Op de onderstaande foto ziet u een paar exemplaren van deze minuscule onderdeeltjes.

SMD-weerstanden-02 (© AliExpress)

Voorbeelden van chip-weerstanden. (© AliExpress)


De MELF-weerstanden


Toepassingen en eigenschappen
MELF-weerstanden zijn duurder dan de meer algemeen gebruikelijke chip-weerstanden, zij worden gebruikt in toepassingen waar hun betere specificaties absoluut nodig zijn. MELF-weerstanden kunnen worden gemaakt met toleranties van slechts ±0,1 % en met een temperatuurscoëfficiënt van niet meer dan 5 ppm/°C.
Bij de ingangsverzwakkers van meetapparatuur zult u bijvoorbeeld nog wel MELF's aantreffen omdat zij bestand zijn tegen hogere spanningen en vermogens en dus niet zo snel defect gaan als er een te hoge spanning wordt gemeten. Bovendien zijn zij stabieler op de lange termijn en hebben minder last van luchtvochtigheid.

Afmetingen en codes
Er bestaan zes gestandaardiseerde uitvoeringen van MELF-weerstanden. Om u een indruk te geven van de grootte van deze onderdelen hebben wij een paar exemplaren tegen een liniaal gelegd.
SMD-weerstanden-03 (© AliExpress)
De afmetingen van MELF-weerstanden. (© AliExpress)

De zes gestandaardiseerde uitvoeringen hebben een bepaalde cijfercode. In de onderstaande tabel hebben wij deze samengevat met hun afmetingen, hun maximaal vermogen en de maximale spanning die u over het onderdeel mag aanbrengen.

SMD-weerstanden-04 (© 2022 Jos Verstraten)
Gegevens van de zes standaard MELF-uitvoeringen. (© 2022 Jos Verstraten)

Benamingen
Drie uitvoeringen worden vaak aangeduid met een naam: MELF, mini-MELF en micro-MELF, zie de bovenstaande tabel.


De fabricage van een MELF-weerstand

Een MELF-weerstand wordt vrijwel op dezelfde manier gemaakt als een metaalfilm weerstand. De basis is een ceramische cilinder die voor 85 % bestaat uit aluminiumoxide Al2O3. Op deze basis wordt een dunne maar homogene metaalfilm opgedampt. Vervolgens worden aan beide uiteinden van het ceramisch buisje vernikkelde ijzeren kapjes aangebracht. Deze worden onder hoge druk op het buisje geperst, zodat zij zowel een goed elektrisch contact maken met de metaalfilm als mechanisch stevig vast zitten.
Nadien wordt met een zeer fijne laserstraal een spiraalvormige groef uit de metaalfilm verdampt tot de weerstand de juiste waarde binnen de gegeven toleranties heeft. Het gevolg is dat een MELF-weerstand een bepaalde zelfinductie heeft, maar voor de meeste toepassingen vormt deze parasitaire eigenschap geen bezwaar.
SMD-weerstanden-05 (© 2022 Jos Verstraten)
De fabricage van een MELF-weerstand. (© 2022 Jos Verstraten)

De verpakking van MELF-weerstanden
MELF-weerstanden worden, net zoals medicijn pillen, verpakt in een soort van doordrukstrips. Zo'n strip bestaat uit een flexibele kunststof band, die op een spoel wordt geleverd en in automatische bestukkingsmachines kan worden aangebracht.

SMD-weerstanden-06 (© 2022 Jos Verstraten)
De verpakking van MELF-weerstanden. (© 2022 Jos Verstraten)

MELF-holders
Op plaatsen waar u met de waarde van MELF-weerstanden moet stoeien kunt u desgewenst gebruik maken van 'MELF-holders'. Deze lijken een beetje op zekeringhouders en worden onder andere door het Duitse bedrijf Inductron op de markt gebracht. U soldeert deze houder op de footprint van de betreffende MELF en plugt er nadien de MELF-weerstand in.

SMD-weerstanden-07 (© 2022 Jos Verstraten)

Een houder voor een MELF-weerstand. (© 2022 Jos Verstraten)


De codering van MELF-weerstanden


De bekende gekleurde ringen
MELF-weerstanden worden op dezelfde manier gecodeerd als de axiale weerstanden met vier, vijf of zes gekleurde ringen. De betekenis van deze ringen is ook al identiek.

Codering met vier ringen
Deze codering wordt gebruikt voor weerstanden met toleranties tot ±5 % en waarden volgens de E24 serie. De ringen staan iets dichter tegen de ene aansluiting van de weerstand en als u deze links houdt leest u de ringen van links naar rechts uit. Bij andere fabrikanten wordt de vierde ring iets breder weergegeven. 

SMD-weerstanden-08 (© 2022 Jos Verstraten)
Codering van een MELF-weerstand met vier ringen. (© 2022 Jos Verstraten)

Codering met vijf ringen
Deze codering wordt gebruikt voor weerstanden met toleranties tot ±1 % en waarden volgens de E48, E96 of E192 series. De vijfde ring wordt iets breder weergegeven. 

SMD-weerstanden-09 (© 2022 Jos Verstraten)
Codering van een MELF-weerstand met vijf ringen.
(© 2022 Jos Verstraten)

Codering met zes ringen
Deze codering wordt gebruikt voor weerstanden met toleranties tot ±1 % en waarden volgens de E48, E96 of E192 series. De codering van de waarde en de tolerantie wordt nu aangevuld met een zesde ring die de temperatuurscoëfficiënt (tempco) van de weerstand specificeert.

SMD-weerstanden-10 (© 2022 Jos Verstraten)
Codering van een MELF-weerstand met zes ringen.
(© 2022 Jos Verstraten)

De betekenis van de kleuren
U kent uiteraard de relatie tussen kleuren en cijfers. Misschien weet u echter niet wat het verband is tussen de kleuren, de toleranties en de tempco's. Vandaar dat wij in de onderstaande tabel voor de volledigheid al die relaties overzichtelijk hebben samengevat.

SMD-weerstanden-11 (© 2022 Jos Verstraten)
De betekenis van de kleuren voor waarde, tempco en tolerantie. (© 2022 Jos Verstraten)

De chip-weerstanden


Toepassingen
Zoals reeds geschreven hebben deze SMD-weerstanden minder goede eigenschappen dan de MELF-weerstanden. Bovendien zijn zij, vanwege de rechthoekige platte vorm, gemakkelijker te verwerken door automatische 'pick and place' machines. U treft deze onderdelen dan ook aan in alle goedkope en massaal vervaardigde elektronica-producten voor de consument.

SMD-weerstanden-12 (© TE Connectivity)
Diverse soorten chip-weerstanden op een print. (© TE Connectivity)

De fabricage van een chip-weerstand
Ook deze onderdelen gebruiken een ceramisch substraat met aluminiumoxide als voornaamste grondstof. Nu wordt echter gebruik gemaakt van een vlak rechthoekig plaatje. Op dit plaatje wordt een pasta-achtige dunne laag van een materiaal met een bepaalde soortelijke weerstand aangebracht door middel van zeefdruk techniek. Dat kan een metaaloxide zijn, vaak ceriumoxide, maar ook een uiterst dunne metaalfilm. Chip-weerstanden kunnen dus zowel in dikke- als in dunne-film technologie worden gemaakt.
De met weerstandspasta bedrukte ceramische plaatjes worden vervolgens in een oven gesinterd.
Deze onderdelen worden dus niet met een laserstraal afgeregeld. Het zijn uitsluitend het soort opgedampt materiaal, de dikte van de laag en de afmetingen van het plaatje die de weerstand van het onderdeel bepalen.
Nadien worden aan beide korte zijden weer elektroden aangebracht, die zorgen voor een goed contact met de weerstandslaag. Om een goede soldeerbaarheid en betrouwbaarheid van de weerstand te garanderen wordt over het algemeen een drielagige elektrodestructuur gebruikt. De binnenste laag, meestal een zilver-palladium legering, is rechtstreeks verbonden met de weerstandslaag en met het ceramische basismateriaal. Dit materiaal heeft een lage contactweerstand met de weerstandslaag en hecht met voldoende kracht aan het ceramisch substraat. Deze elektrode wordt meestal door middel van zeefdruk aangebracht en nadien gesinterd. De midden-elektrode, ook wel de barrièrelaag genoemd, is een vernikkelde laag. Haar functie is de hittebestendigheid van de weerstand tijdens het solderen te verbeteren en de thermische schok die optreedt bij het solderen op te vangen. Deze nikkellaag voorkomt de migratie van zilverionen naar de weerstandslaag en voorkomt dat de interne elektrode wordt geëtst door het soldeer. De buitenelektrode, ook wel soldeerbare laag genoemd, is een tin-lood laag. De functie ervan is de chip-weerstand goed soldeerbaar te maken.
Het deel van de chip-weerstand waarop geen elektrodes aanwezig zijn wordt voorzien van twee lagen beschermend en isolerend materiaal dat het onderdeel bestand maakt tegen invloed van de luchtvochtigheid en enige mechanische bescherming biedt. Die beschermlaag is in het algemeen een vlug smeltende glaspasta die wordt gevormd door zeefdrukken en sinteren.
Tot slot wordt op het onderdeel een code geprint waaruit u de waarde van de weerstand kunt afleiden.
SMD-weerstanden-13 (© 2022 Jos Verstraten)
De samenstelling van een chip-weerstand. (© 2022 Jos Verstraten)

Afmetingen en codes
Bij de chip-weerstanden doet zich het probleem voor dat er twee standaarden bestaan:
       - De metrische
       - De imperiale
De metrische chip's hebben in millimeter gestandaardiseerde afmetingen. Bij de imperiale wordt gebruik gemaakt van afmetingen die in inch worden gedefinieerd.

De metrische standaarden
Er bestaan tien gestandaardiseerde metrische uitvoeringen van chip-weerstanden, die met een viercijferige code worden gedefinieerd. Die types hebben ieder een specifieke lengte en breedte en zijn bijgevolg in staat een specifieke hoeveelheid vermogen te dissiperen. De kleinste uitvoering, type 0402, is slechts 0,4 mm bij 0,2 mm groot! De grootste chip-weerstand is type 6332 met als afmetingen 6,3 mm bij 3,2 mm. U ziet, naar wij aannemen, onmiddellijk het verband tussen de type-codering en de afmetingen. De vier cijfers van de code definiëren de lengte en de breedte van het onderdeel. Om u een idee te geven van de afmetingen van deze onderdelen hebben wij in de onderstaande figuur een paar van deze chip-weerstandjes vergeleken met een centimeter liniaal.

SMD-weerstanden-14 (© 2022 Jos Verstraten)
Metrische chip-weerstanden vergeleken met de schaal van een liniaal.
(© 2022 Jos Verstraten)

In de onderstaande tabel zijn de afmetingen van de tien standaarden overzichtelijk met hun relatieve grootte, hun code, hun afmetingen en hun maximale vermogen samengevat.

SMD-weerstanden-15 (© 2022 Jos Verstraten)
De gegevens van de tien standaard metrische uitvoeringen.
(© 2022 Jos Verstraten)

De imperiale standaarden
Ook deze reeks bevat tien types die op identieke manier worden gecodeerd, dus met getallen van vier of vijf cijfers die de lengte en de breedte van de chip definiëren. Maar deze keer gebruikt men de inch als maat in plaats van de millimeter. In de onderstaande tabel hebben wij deze standaarden weer samengevat met hun maximale vermogen.

SMD-weerstanden-16 (© 2022 Jos Verstraten)
De gegevens van de tien standaard imperiale types.
(© 2022 Jos Verstraten)

De verpakking van chip-weerstanden
Ook de chip SMD's worden op de rol in een doordrukstrip geleverd. Dat is handig voor de automatische printmontage waar rollen met duizenden identieke weerstanden op een 'pick and place' machine kunnen worden gemonteerd.

SMD-weerstanden-17 (© 2022 Jos Verstraten)
De verpakking van chip-weerstandjes. (© 2022 Jos Verstraten)

Resistor sample books
De doe-het-zelver heeft aan dergelijke hoeveelheden uiteraard niets. Vandaar dat sommige bedrijven het geweldige idee hebben uitgewerkt om zogenaamde 'resistor sample books' samen te stellen waar op iedere pagina een aantal chip-weerstandjes van een aantal standaard waarden aanwezig zijn. Bij de 'Supermarket of electronic components' op AliExpress wordt bijvoorbeeld een dergelijk boek aangeboden voor slechts € 17,12. Zo'n boek bevat 170 verschillende waarden met ieder vijftig exemplaren van type 0402. In totaal krijgt u voor dat bedrag dus niet minder dan 8.500 chip-weerstandjes in huis, die gemakkelijk en snel in het boek zijn op te zoeken.

SMD-weerstanden-18 (© AliExpress)
De levering van chip-weerstanden in 'resistor sample books'.
(© AliExpress)

De codering van chip-weerstanden


Géén gekleurde ringen!
Chip-weerstanden worden nooit gecodeerd door gebruik te maken van de bekende kleurencodes. In plaats daarvan worden vier coderingen gebruikt die uit letters en cijfers zijn samengesteld:
       - De driecijferige codering
       - De viercijferige codering
       - De codering voor weerstanden kleiner dan 10 Ω
       - De EIA-96 codering

De driecijferige codering
Bij deze code definiëren de twee linker cijfers de numerieke waarde van de weerstand en het rechter cijfer de macht van tien waarmee u de numerieke waarde moet vermenigvuldigen. Een bekend systeem, dus een paar voorbeelden volstaan:
       - 450 → 45 Ω ● 100 = 45 Ω ● 1 = 45 Ω
       - 273 → 27 Ω ● 103 = 27 Ω ● 1.000 = 27 kΩ
Dit systeem is uiteraard uitsluitend bruikbaar voor E-reeksen waarbij de numerieke waarde van de weerstanden uit slechts twee cijfers bestaan, dus voor de reeksen:
       - E3 (±40 % tolerantie)
       - E6 (±20 % tolerantie)
       - E12 (±10 % tolerantie)
       - E24 (±5 % tolerantie)

Share

De viercijferige codering

Voor de E-reeksen:
       - E48 (±2 % tolerantie)
       - E96 (±1 % tolerantie)
       - E192 (±0,5 % tolerantie)
hebt u drie cijfers nodig voor het definiëren van de numerieke waarde van de weerstand. Dat zijn uiteraard de drie linker cijfers van de code, en het vierde rechtse cijfer geeft weer de vermenigvuldigingsfactor. Ook dit is een eenvoudige en gemakkelijk te begrijpen code, dus slechts twee voorbeelden:
       - 7992 = 799 Ω ● 102 = 799 Ω ● 100 = 79.900 Ω = 79,9 kΩ 
       - 1733 = 173 Ω ● 103 = 173 Ω ● 1.000 = 173.000 Ω = 173 kΩ

De codering voor weerstanden kleiner dan 10 Ω
Nu begint het verwarrend te worden! Voor weerstanden met een lagere waarde dan 10 Ω wordt de letter R gebruikt voor het definiëren van de plaats van de decimale punt. Twee voorbeelden:
       - 0R5 → 0,5 Ω
       - 0R12 → 0,12 Ω

De EIA-96 codering
Bekende coderingen worden ingehaald door de technologie! Chip-weerstanden werden zo klein en zo nauwkeurig (±1 %) dat het vermelden van de waarde met vier digits vrijwel onmogelijk werd. Dus werd een systeem bedacht waarbij tóch alle weerstanden uit de E96-reeks met een drie digits lange code konden worden gedefinieerd. Dat systeem gaat door het leven als de EIA-956 codering. De drie digits bestaan uit twee cijfers en een letter. De twee cijfers coderen de numerieke waarde van de weerstand, de letter de vermenigvuldigingsfactor.
De omzetting van de tweecijferige code naar de 96 beschikbare driecijferige numerieke waarden is samengevat in de onderstaande tabel. Inderdaad, veel logica is er niet in te ontdekken!

SMD-weerstanden-19 (© 2022 Jos Verstraten)
Het cijferdeel van de EIA-96 codering. (© 2022 Jos Verstraten)

Het wordt nog meer verwarrender als wij naar de multiplicator of vermenigvuldiger kijken. Voor drie waarden kan de fabrikant twee letters gebruiken, zie de onderstaande tabel. Hierbij moet u er goed op letten dat de letter R ook bij de EIA-96 codering wordt toegepast, maar dan op een andere plaats dan bij de vorig besproken codering. 

SMD-weerstanden-20 (© 2022 Jos Verstraten)
Het letterdeel van de EIA-96 codering. (© 2022 Jos Verstraten)

Wij geven weer voorbeelden ter verduidelijking:
       - 01A → 100 ● 1 Ω = 100 Ω
       - 38C → 243 ● 100 Ω = 24,3 kΩ
       - 92D → 887 ● 1 kΩ = 887 kΩ

Chip fuse resistors


Zekeringen, vermomd als weerstand
Soms komt u onderdelen tegen die er uitzien als een chip-weerstand, maar afwijkende codes dragen. Soms bestaat die code maar uit één letter. Dat zijn geen échte weerstanden, maar zogenaamde 'chip fuse resistors'. Zekeringen onder de vorm van een chipweerstand, dus. Deze zekeringen zijn leverbaar voor stromen van 1,0 A tot 8,0 A met inwendige weerstanden van 0,360 Ω tot 0,009 Ω.

SMD-weerstanden-21 (© Littelfuse)

Een voorbeeld van een 'chip fuse resistor'. (© Littelfuse)


Solderen van SMD-weerstanden


Solderen van chip-weerstanden
Solderen van chip-weerstanden is in principe niet moeilijker dan solderen van 'through hole' weerstanden met aansluitdraden. Bij de allerkleinste soorten is het verstandig te werken onder een goed vergrootglas. De procedure stap na stap uitgelegd:
  • Breng vloeibare flux aan op een van de pad's.
  • Breng een dun laagje soldeer aan op dat pad.
  • Maak de omgeving van dat pad schoon.
  • Breng nu vloeibare flux aan op beide pad's.
  • Plaats met een pincet de weerstand op de juiste positie en druk het onderdeel stevig met een houten staafje op de plaats zodat de punt van de soldeerbout het onderdeel niet kan verplaatsen.
  • Plaats de punt van de soldeerbout op het vertinde pad en laat de tin uitvloeien naar de vertinde elektrode van de weerstand. De verbinding is goed als u ziet dat de weerstand 'wegzinkt' in het 'plasje' vloeibaar tin. Breng indien nodig een heel klein beetje extra soldeer aan.
  • Verwijder de soldeerpunt.
  • Wacht even tot het soldeer is gestold voordat u de andere kant van het onderdeel soldeert.
  • Reinig, indien nodig, de print en inspecteer de twee solderingen onder het vergrootglas. Vergeet dit niet! U kunt gemakkelijker ieder onderdeel na het solderen even goed inspecteren dan een print waar tientallen componenten op gesoldeerd zijn.

SMD-weerstanden-22 (© Circuit Technology Center)
Het solderen van een chip-weerstand. (© Circuit Technology Center)

Solderen van MELF-weerstanden
Omdat deze onderdelen rond zijn is het solderen ervan moeilijker dan het monteren van de plat op de print liggende chip-weerstanden. Zij zijn moeilijker in toom te houden dan hun platte soortgenoten en rollen gemakkelijk van de centrale plaats op hun pad's. In de onderstaande illustratie ziet u hoe een volgens de regels van de kunst gesoldeerde MELF op uw print moet zitten.

SMD-weerstanden-23 (© researchgate)
Het solderen van een MELF-weerstand. (© researchgate)



(Banggood sponsor advertentie)
Regelbare geschakelde voeding, 30 V - 5 A