Мощность рассеивания: Обозначение номинальной мощности рассеивания резистора

Какая мощность рассеивается на полупроводнике в виде тепла?

Диод, светодиод, транзистор, микросхема: Вычисление значений рассеиваемой
тепловой мощности с последующим расчётом площади радиатора.

Простая, казалось бы, задача, связанная с расчётом мощности, выделяемой полупроводником в виде тепла, для некоторых на поверку может оказаться и не так уж и очевидной, как это виделось с первого взгляда.
Конечно, мозг опытного и высокоразвитого радиолюбителя возмутится подобной постановке вопроса, ибо совершит подобное незамысловатое действие до того, как его владелец доберётся до середины статьи. Однако, базируясь на немалом количестве писем в мой адрес по данной тематике, а также, для того, чтобы тупо избежать ряда неясностей и ошибок при оценке выделяемого тепла – всё ж таки подниму данную тему и продолжу:

1. Тепловая мощность, выделяемая (рассеиваемая) на диоде.

Тут всё просто как ситцевые трусы! В соответствии с основными законами электротехники тепловая мощность, выделяемая полупроводником, равна P_t = U_д × I_д, где U_д – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока, а I_д – это сам рабочий ток диода.
Принято считать, что величина падения напряжения на диоде составляет 0,6…0,8 В для кремниевых диодов и 0,3…0,4 В – для германиевых и диодов Шоттки. Однако, если внимательно посмотреть справочные характеристики выпрямительных диодов (а, как правило, именно они работают при существенных токах), то окажется, что при токах, близких к максимальным, падение напряжения на кремниевых диодах составляет 1…1,1 В, а на диодах Шоттки – 0,5…0,6 В. Значения падений напряжений на светодиодах имеют довольно большой разброс (в зависимости от цвета) и составляют величины 1,5.

..3 В. Именно эти значения и следует подставлять в формулу для расчёта выделяемой диодами тепловой мощности.

2. Тепловая мощность, выделяемая на выпрямительных мостах.

Тут всё рассчитывается точно так же, как и в предыдущем случае с диодами – P_t = U_пр × I_нагр, только в качестве U_пр подставляем значение падения прямого напряжения на мосте, а в качестве I_нагр – максимальный ток, протекающий через нагрузку.
Поскольку в диодных мостах используются силовые диоды с малым падением прямого напряжения, то параметр U_пр обычно составляет величину 1…1,1 В (справочная характеристика).

3. Тепловая мощность, выделяемая на линейных стабилизаторах.

Данный тип стабилизаторов может быть выполнен как на дискретных элементах (когда основную часть тепла выделяет регулирующий транзистор), так и в виде интегральной микросхемы – в этом случае тепло рассеивается на всём корпусе элемента.

Тепловая мощность, выделяемая транзистором или ИМС, равна P_t ≈ (U_вх – U_вых) × I_нагр

4. Тепловая мощность, выделяемая на импульсных (ключевых) стабилизаторах.

В импульсных стабилизаторах напряжения регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть периодически открывается и закрывается, а поэтому по сравнению с линейным стабилизатором имеет значительно меньшие потери энергии на нагрев, а потому и более высокий показатель КПД. В данном случае тепловая мощность, выделяемая полупроводником, равна P_t ≈ U_откр × I

нагр, где U_откр – падение напряжения на полностью открытом управляющем ключевом элементе (Uкэ нас – для биполярного транзистора или Iнагр × Rоткр – для полевого).
Современные силовые полевые транзисторы за счёт очень низких величин сопротивлений сток-исток открытого канала (Rоткр) являются предпочтительными для использования в ключевых схемах. Значение Uоткр для них, как правило, не превышает величины 1В даже при очень высоких токах нагрузки.

5. Тепловая мощность, выделяемая выходными каскадами транзисторных усилителей.

Этот пункт имеет массу нюансов и вызывает максимальное количество вопросов. Связано это, прежде всего, с многообразием классов режимов работы транзисторов в выходных каскадах усилителей. Все эти режимы мы подробно рассмотрели на странице (ссылка на страницу).

Самым простым методом, позволяющим определить примерную величину тепловой мощности, выделяемой выходным каскадом, является примитивное перемножение величины максимальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, и значения КПД выходного каскада.
Для этого нам, естественным образом, надо понимать в каком классе у нас работает выходной каскад. Итак, вспоминаем.
1. Класс А однотактный: КПД – около 30%,
2. Класс А двухтактный: КПД 40…45%,
3. Класс АВ двухтактный: КПД 60…75% (зависит от тока покоя транзисторов и выходной мощности),
4. Класс В двухтактный: КПД – около 80%,
5. Класс С двухтактный: КПД 80…90%,
3. Класс D: КПД 90…95%.

Ну вот, а теперь можно подставить значения в формулу для расчёта выделяемой тепловой мощности:
P_t ≈ P

вых × (100 – КПД) / КПД и далее со спокойной совестью переходить на следующую страницу для расчёта площади радиатора.

 

Рассеиваемая мощность резистора

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляться) — структурный элемент электрической цепи, основной функциональным свойством которого является определённое (номинальное) активное сопротивление. Ток и напряжение в резисторе подчиняются закону Ома:

Схема включения резистора.

где

• U — напряжение между выводами резистора,

• I — ток, протекающий через резистор,

• R — основной параметр резистора (сопротивление протеканию электрического тока, поэтому часто применяют исконно русское название

  сопротивление и далее , читая резистор, надо представлять именно абстрактное электрическое сопротивление, как параметр, если речь не идёт о радиокомпаненте (как изделии) резисторе).

В радиоэлектронной аппаратуре нередко резисторами являются более половины элементов.

Типы резисторов

Условные обозначения резисторов: а) постоянные; б) переменные; в) переменный с дополнительными отводами; г) подстроечные; д), е) переменные с общей ручкой; ж) переменный с выключателем от крайнего положения; з) варистор; и) терморезистор; к) фоторезистор.

Выделяются следующие функциональные виды резисторов:

Постоянные резисторы

резисторы, обладающие неизменным сопротивлением (в границах погрешности).

Переменные и подстроечные резисторы (реостаты)

резисторы сопротивление которых изменяется механически, посредством рукоятки или другого органа управления (переменные), либо посредством вставляемого в шлиц инструмента.

Варисторы

резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Терморезисторы и термисторы

резисторы, у которых используется зависимость сопротивления от температуры, с положительным (терморезисторы) или отрицательным (термисторы) ТКС.

Фоторезисторы

резисторы, обладающие зависимостью сопротивления от освещения.

Как правило, резисторы имеют два вывода, однако переменные и подстроечные резисторы имеют таже отвод от бегунка регулятора а также могут иметь серию отводов из средней части.

[редактировать]

Характеристические параметры резисторов

Основными параметрами резисторов является номинальное сопротивление, измеряемое в Омах и максимальная рассеиваемая мощность.

Номинальное сопротивление несёт главное функциональное значение для резистора, именно его значением определяется его применение в электрическом устройстве( поскольку рассеивать на нём мощность допустимо и гораздо меньшую указанной). Выпускаемые номиналы как определяются стандартизированным рядом (E6, E12, E24 и т. п.) и могут быть от десятых долей Ом, до сотен мегаОмов. Реальное значение сопротивления может несколько отличаться от номинального. Предел этого отклонения обозначается в процентах относительно номинала и определяется классом точности. Стандартный ряд классов точности — 20%, 10%, 5%, 2%, 1%, 0,5%.

Условные обозначения максимальной рассеиваемой мощности.

Максимальная рассеиваемая мощность измеряется в ваттах определяет предельный ток и напряжение на резисторе, что ограничивает его применение в сильноточных цепях. Стандартно резисторы выпускаются с максимльной рассеиваемой мощностью в 0,063 Вт, 0,125 Вт, 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Вт, 2 Вт, 5 Вт, 10 Вт, 20 Вт.

Для обозначения мощности свыше 0,125 Вт на схемах существуют специальные обозначения.

У особых видов резисторов также имеют значения специальных параметорв, таких как температурный коэффициент сопротивления и т. п. Также для некоторых приложений могут быть важными параметрами ёмкость и индуктивность.

[редактировать]

Устройство и разновидности

Функциональные качества резисторов в первую очередь определяются физическими свойствами материала и размерами токопроводящей части. В зависимости от материала резисторы разделяют на металлические, углеродистые, жидкостные, керамические и полупроводниковые. По форме — на плёночные (получаемые осаждением токопроводящего материала на изолирующую подложку, проволочные, ленточные, пластинчатые.оп оп

[редактировать]

Типы корпуса

Исполнение корпусов резисторов (как и многих других деталей) может подразумевать различные способы монтажа — установка на плату под отверстия или на поверхность, пайку на провода, под клеммы и др, а также они могут быть изготовлены в составе микросхем и микросборок.

[редактировать]

Поверхностный монтаж

Резисторы поверхностного монтажа стандартно выпускаются в корпусах типоразмеров 0402 (1005), 0603 (1608), 0805 (2012), 1206 (3216) и т. п.

монтаж в отверстия на плату подразумевает

[редактировать]

Монтаж на провода

Наиболее распространён монтаж на провода переменных резисторов, которые закрепляются на лицевой панели прибора и резисторов, выступающих в роли датчиков (термо-, фоторезисторы).

[редактировать]

Способы соединения

Способы соединения резисторов. Простые: а) последовательное, б) параллельное. Сложные: в) параллельно-последовательное, г) последовательно-параллельное, д) не раскладывающееся на простые.

Существует множество способов соединения резисторов, с образованием как двухполюсников так и трёх-, четырёхполюсников и других многополюсников.

Резистор является простейшим двухполюсником. Соединяя резисторы последовательно, параллельно, а также более сложными способами можно получить другие схемы двухполюсников. При этом цепь из соединённых в двухполюсник резисторов также функционально идентична резистору, сопротивление которого зависит от способа соединения и сопротивлений входящих в него резисторов.

[редактировать]

Последовательное соединение

Последовательное соединение (см пункт а на рисунке) состоит из двух и более резисторов, включенных так, что они составляют цепочку, концы которой есть полюсы. В таком соединении весь ток проходит последовательно через все резисторы, а напряжение разделяется согласно сопротивлениям. Ток и напряжение в таком соединении подчиняется следующим законам:

откуда следует, что сопротивление всей цепи будет выражаться формулой:

Рассеиваемая мощность на каждом резисторе при этом будет составлять:

kik

[редактировать]

Параллельное соединение

Параллельное соединение (см. пункт б на рисунке) состоит из двух и более резисторов, каждый из которых подключен к обоим концам цепи. Напряжение в таком соединение приложено ко всем резисторам, ток — распределяется по резисторам. Их можно выразить следующими отношениями:

Сопротивление цепи параллельных резисторов, таким образом, будет выражаться формулой:

Рассеиваемая на каждом резисторе мощность, соответственно:

Резистор – это самый распространенный электронный компонент, название которого произошло от английского слова «resistor» и от латинского «resisto» – сопротивляюсь. Основным параметром резистора считается сопротивление, которое характеризуется его способностью в препятствии протекания электрического тока. Единицами сопротивления у резисторов являются – Омы (Ω), Килоомы (1000 Ом или 1КΩ) и Мегаомы (1000000 Ом или 1МΩ).

Практически ни одна схема не обходиться без резисторов. С помощью подбора соответствующих величин резисторов и их соединений, происходит нужное распределение электрического тока в цепи.

Характеристики резистора

Кроме предельного сопротивления, резисторы обладают рядом других физиотехнических показателей, которые имеют большое значение в его применении.

Среди основных параметров выделяются такие характеристики резистора, как сопротивление по номинальному значению и его возможное отклонение, рассеиваемая мощность, предельное рабочее напряжение, максимальная температура, температурный коэффициент сопротивления, частотный отклик и шумы. Рассмотрим некоторые из них.

Температурный коэффициент сопротивления ТКС

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) определяет относительное изменение величины сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 ° по Цельсию. ТКС может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка имеет относительно большую толщину, то она обладает свойствами объемного тела, сопротивляемость которого с увеличением температуры становится больше. Если же резистивная пленка имеет относительно небольшую толщину, то она состоит как бы из небольших «островков», расположенных отдельно друг от друга, и сопротивление такой пленочной структуры с увеличением температурных значений становится меньше, так как взаимодействие между отдельными «островками» улучшается. Для непроволочных резисторов, применяемых в радиоэлектронике и телевизионной промышленности, температурный коэффициент сопротивления не больше ±0,04 – 0,2 %, у проволочных деталей -±0,003 – 0,2 %.

Номинальная мощность рассеивания, или рассеиваемая мощность резистора показывает предельно значимую мощность, которую сопротивление может рассеивать при долговременной электрической нагрузке, атмосферном давлении и температуре в нормальных значениях. Непроволочные резисторы подоазделяются на мощность по номиналу от 0,05 до 10 Вт, а сопротивления проволочного типа от 0,2 до150 Вт. На электpосхемах рассеиваемая мощность резистора выделяется условно пунктиром на обозначении сопротивления для мощностей меньше 1 Вт и pимскими цифрами на обозначении сопротивления для мощности больше 1 Вт. Номинальная мощность рассеивания этих деталей должна быть на 20—30 % больше такого показателя, как рабочая рассеиваемая мощность резистора

Максимальное напряжение резистора

Предельное или максимальное напряжение резистора – это предельно возможное напряжение, подведенное к выводам сопротивления, которое не допускает превышения показателей техусловий (ТУ) на параметры электричества. По- другому, максимальное напряжение резистора – предельно допустимая величина, которая может быть приложена к резистору. Этот показатель выводится для обычных пределов работы детали и напрямую зависит от линейных размеров резистора, шага спиральной нарезки, температурных показателей, давления эксплуатационной среды и давления атмосферы. Чем выше температурные показатели и меньше давление атмосферы, тем больше шансов для пробоя теплового или электрического типа и выхода резистора из строя.

Максимальная температура резистора

Одной из характеристик резистора является такой показатель, как максимальная температура резистора, напрямую зависит от мощности детали. Получается, что при увеличении мощности, которая выделяется в сопротивлении, увеличивается температура резистора, что может привести к его поломке. Во избежание этого, необходимо уменьшить температуру резистора. Это можно достичь укрупнением габаритов сопротивления.. Для всех типов сопротивлений определена максимальная температура резистора, превышение которой чревато выходом детали из строя.

Температурный показатель сопротивления находится в прямой зависимости и от температуры окружающего воздуха. Если этот показатель достигает большого значения, то температурный показатель сопротивления может стать выше максимальной температуры резистора, что крайне нежелательно. Чтобы этого не случилось, нужно снизить мощность, которая выделяется в резисторе.

Частотный отклик резистора

Значение такой характеристики, как частотный отклик резистора, связано с определением значения максимального сопротивления и минимальной ёмкости. При прохождении тока высокой частоты сопротивление стремится к проявлению реактивных свойств в зависимости от конструктивного исполнения – доминируют либо емкостные, либо индуктивные значения.

Если в одно и то же время дискретно уменьшать и  значение сопротивления и значение емкости, то можно вызвать быстрый демпфированный частотный отклик резистора, который позволит определить как максимальное сопротивление, так и минимальную емкость. При этих значениях не возникает колебаний и в то же время достигается мгновенная стабилизация выходного напряжения. Но в теории это рассматривается , как частный случай. На высоких частотах резистор начинает проявлять реактивные свойства в зависимости от конструктивного исполнения – либо преимущественно емкостные, либо индуктивные.

Рассеиваемая мощность — HardwareBee

08.02.2022, hardwarebee

Рассеиваемая мощность — это фактор в электронике, играющий важную роль при проектировании различных электронных схем. Когда разработчик хочет выбрать подходящий компонент для электронной схемы, необходимо учитывать рассеиваемую мощность.

 

 

При прохождении тока через резистор рассеивается часть электрической мощности, которая обычно преобразуется в тепло. Эта часть мощности нежелательна и в большинстве случаев не может быть использована, хотя и используется для некоторых целей обогрева. Поэтому он называется рассеиваемая мощность или «потеря мощности». Все электронные компоненты имеют внутренние резисторы, которыми в некоторых случаях можно пренебречь. Например, в идеальной форме конденсаторы и катушки индуктивности не имеют рассеиваемой мощности, поскольку они являются устройствами накопления энергии, а их внутренними резисторами обычно можно пренебречь. Упомянутое внутреннее сопротивление выделяет тепло и увеличивает температуру компонента. Если выделяемое тепло превышает допустимый уровень компонента, он выйдет из строя и может вызвать проблемы для проектируемой схемы. Таким образом, для более высокой надежности схемы мощность рассеяния каждого компонента и схемы в целом должна быть рассчитана и проверена по спецификациям имеющихся компонентов в схеме. Для расчета рассеиваемой мощности в следующем разделе необходимо определить некоторые основные уравнения.

 

 

Любой резистор в цепи имеет номинальную мощность, которая выражает количество рассеиваемой мощности, которую резистор может выдержать. При превышении установленной номинальной мощности резистор может сгореть. По этой причине расчет рассеиваемой мощности резистора необходим для проектирования электронной схемы. Перед расчетом рассеиваемой мощности следует пояснить известный закон Ома. Этот закон гласит, что ток, протекающий через резистор, пропорционален напряжению на резисторе. Закон Ома можно записать так:

 

(1)

где R — сопротивление, V — напряжение на резисторе или падение напряжения, а I — ток, протекающий через резистор, как показано на рисунке 1.

 

Рисунок 1: Ток и напряжение резистора

 

Электрическая мощность также может быть рассчитана по следующему уравнению, которое представляет собой произведение тока и напряжения резистора.

(2)

где P — электрическая мощность. Теперь необходимо определить рассеиваемую мощность в резисторе. Используя уравнения 1 и 2, мощность, рассеиваемая в компоненте, получается как:

(3)

Давайте рассмотрим простой пример расчета рассеиваемой мощности в следующем разделе.

 

 

Учитывая, что резистор сопротивлением 100 Ом питается от батареи, как показано на рис. 2. В идеальных условиях в источнике постоянного тока нет внутреннего сопротивления. Поскольку резистор напрямую подключен к источнику постоянного тока, напряжение на резисторе равно напряжению источника постоянного тока. Ток, протекающий через резистор, также можно рассчитать по уравнению 1 следующим образом:

(4)

Рисунок 2: Резистор, подключенный к аккумулятору без внутреннего резистора

С этими параметрами рассеиваемая мощность определяется как:

(5)

Как видно, r рассеиваемая мощность схемы-образца составляет 1 Вт при различных уравнениях. Однако в реальном мире источник постоянного тока имеет внутренний резистор r, как показано на рисунке 3. Если r=1 Ом, параметры будут такими:

(6)

 

Рисунок 3. Резистор, подключенный к батарее без внутреннего резистора Тем не менее, что делать, если внешний резистор мал? В этом случае внутренним сопротивлением нельзя пренебречь, и его необходимо учитывать при расчетах. Дифференцирующая мощность к сопротивлению должна быть равна нулю, чтобы определить максимальную рассеиваемую мощность в представленной схеме. Рассеиваемая мощность:

(7)

Дифференцирование уравнения 9 составляет:

(8)

. Решение уравнения 8, результат будет:

(9)

. 7, максимальная рассеиваемая мощность:

(10)

Резисторы в цепи могут быть включены последовательно или параллельно. Пример последовательной конфигурации показан на рисунке 4 с идеальной батареей. Поскольку резисторы соединены последовательно, эквивалентное сопротивление будет суммой сопротивлений. Рассеиваемая мощность компонентов в этой схеме составит:

(11) (12) (13)

В этом случае мощность батареи составляет 10 Вт, что является суммой рассеиваемых мощностей резисторов. Мощность батареи также можно рассчитать как:

 

(14)

Теперь параллельная конфигурация показана на рис. 5. В этом состоянии напряжения на резисторах равны напряжению батареи, поскольку они находятся в параллельная конфигурация. Таким образом, мощность рассеяния каждого резистора можно рассчитать следующим образом:

(15)

В параллельной конфигурации мощность батареи составляет 62,5 Вт, что намного выше по сравнению с последовательной конфигурацией. Можно сделать вывод, что параллельные резисторы имеют большую рассеиваемую мощность по сравнению с параллельными (тот же источник напряжения). Стоит отметить, что значение сопротивления резистора может изменяться в зависимости от температуры. Как правило, при повышении температуры сопротивление увеличивается в зависимости от материалов резистора, и в резисторе рассеивается больше мощности. Однако в большинстве случаев указанным изменением сопротивления можно пренебречь.

 

 

Иногда рассеиваемая мощность в цепи превышает допустимый уровень компонента. В этом случае температура компонента может привести к повреждению. Для решения этой проблемы необходимо снизить температуру компонента. Поэтому в электронных устройствах используются различные системы охлаждения для охлаждения компонента, контроля температуры устройства и предотвращения его повреждения. Радиатор является распространенным методом снижения температуры контура. Фактически радиатор поглощает тепло от компонента и быстро передает его воздуху, чтобы снизить температуру компонента. Другой метод — добавление вентилятора для снижения температуры. В целом, системы охлаждения могут потреблять больше тока и мощности от источника, а срок службы компонентов будет увеличиваться.

 

 

Как описано в статье, мощность рассеивается в резисторах в виде тепла. Эта потеря мощности в большинстве случаев нежелательна, поскольку вырабатываемое тепло не может быть использовано в полезных целях. Однако эту функцию можно использовать для обогрева, например, в электрических нагревателях, в которых для производства тепла используются провода с высоким сопротивлением. Другое использование рассеиваемой мощности – это лампочка с вольфрамовыми нитями накаливания, в которой рассеиваемая энергия преобразуется в свет. Помимо плюсов и минусов рассеиваемой мощности, разработчики должны всегда проверять требования к компонентам с точки зрения температуры и рассеиваемой мощности, чтобы увеличить срок службы и надежность схемы.

Подпишитесь на HardwareBee

Последние новости

Как рассчитать рассеиваемую мощность | Блоги

Понимание рассеиваемой мощности отдельного компонента, электрического блока или даже всей электронной системы очень важно для инженеров-электронщиков. Важно не только избежать превышения максимальных пределов компонентов, но и рассчитать неизвестные параметры на входе или выходе, поскольку рассеиваемая мощность связана с напряжением и током системы. В этой статье я описываю свои методы анализа рассеиваемой мощности в электронных устройствах.

Сначала я расскажу об основах рассеивания мощности, на которых основаны все мои методы анализа. Первое правило, относящееся к мощности, звучит так: Входная мощность системы всегда больше выходной мощности, и никогда не может быть наоборот, т.е. всегда есть некоторая потеря мощности (Ploss) в компонентах, и это ее мощность рассеяния. Тогда формула рассеивания мощности будет выглядеть так: Pin – Pout.

Основной поток рассеиваемой мощности представлен на Рисунке 1. Если мы вводим мощность в систему, часть этой мощности теряется внутри системы на нагрев, и выходная мощность уменьшается. Таким образом, выходная мощность должна быть меньше входной мощности.

Рисунок 1. Системный график рассеяния мощности

Большая часть потерь мощности в конечном итоге превращается в тепло внутри компонента; обычно считается, что это рассеивание мощности. В случае активных компонентов часть всей мощности может передаваться в другие формы энергии, что обычно считается потребляемой мощностью. Например, в светодиодах мощность состоит из излучаемого света (потребляемая мощность) и тепла (рассеиваемая мощность). Таким образом, рассеиваемая мощность — это тепло, а потребляемая мощность — это мощность, которую мы хотели получить от системы. В формулах рассеивания мощности мы не анализируем передачу мощности, например, от электричества к свету, а только то, насколько система или компонент рассеивают мощность.

Второе правило — зависимость электрической мощности от напряжения и тока. Как известно, это добавленное напряжение, умноженное на потребляемый системой ток, т.е. P = UI. Связь между напряжением и током представляет собой сопротивление или импеданс, что соответствует известному закону Ома U = RI или U = ZI. С помощью этих двух уравнений и их комбинаций мы делаем все следующие расчеты рассеиваемой мощности. Полезно помнить, что эти законы действуют всегда. Мы имеем точно такую ​​же электрическую мощность, если добавленное напряжение составляет 5 В, а ток составляет 1 А через резистор 5 Ом, или добавленное напряжение составляет 1 В, но потребляемый ток составляет 5 А через резистор 0,2 Ом. В обоих случаях рассеиваемая мощность составляет 5 Вт, независимо от того, рассчитываем ли мы ее по напряжению и току или по току и сопротивлению. В текущих расчетах мы получаем P = RI², где P = 5 Ом * 1 A² = 5 Вт или P = 0,2 Ом * 5 A² = 5 Вт.

Третьим важным параметром при анализе рассеиваемой мощности является КПД, ƞ. Эффективность показывает, насколько хорошо энергия передается от входа к выходу.

• ƞ = Pout/ Pin

Поскольку выходная мощность всегда меньше входной мощности, КПД всегда меньше 1. В спецификациях многих «силовых» компонентов указан КПД, и с помощью этого числа мы можем оценить количество мощности, передаваемой от входа к выходу, и, таким образом, рассчитать уровни напряжения и тока. Четвертый важный момент, который нужно знать, это то, что меняется в системе; это напряжение, ток или и то, и другое? Как правило, пассивные компоненты и светодиоды представляют собой «системы», в которых напряжение меняется от входа к выходу, а ток остается прежним. В активных системах могут изменяться либо ток, либо напряжение, либо и то, и другое. Например, импульсные преобразователи обычно имеют разные входные напряжения и токи по сравнению с выходными.

Часто рассеиваемая мощность непостоянна, а периодически меняется во времени. В этих ситуациях мы по-прежнему используем те же принципы для анализа рассеиваемой мощности, но мы должны понимать, что нужно рассчитывать. Если изобразить мощность рассеяния как функцию времени для средней и пиковой мощности рассеяния, то мы получим нечто похожее на то, что представлено на рисунке 2. Средняя мощность рассеяния постоянна во времени, но при переменной мощности рассеяния мы видим пики мощности на графике . Рассеиваемая мощность представляет собой временной интеграл периода [1], [2], а для случаев, показанных на рис. 2, рассеиваемая мощность равна T = t3.

На практике интеграл вычисляет площадь, ограниченную кривыми мощности. На Рисунке 2 рассеиваемая переменная мощность обозначена как A2, а постоянная рассеиваемая мощность — как A1. Если обе мощности рассеяния измеряются одним и тем же устройством, интегральный расчет дает одинаковый результат для обоих случаев, так что площадь A2 равна площади A1.

Рисунок 2. Средняя и пиковая рассеиваемая мощность в зависимости от времени.

При анализе формул рассеяния мощности нам необходимо понимать, как учитывать рассеяние мощности при переменном токе в наших расчетах. Усреднение суммирует всю мощность, рассеянную за период, и равномерно распределяет ее в течение этого периода. Пиковое рассеивание мощности – это максимальное рассеивание мощности в конкретный момент, т.е. максимум p(t) в уравнении (1) [1]. Средняя рассеиваемая мощность включает пиковую рассеиваемую мощность, а также моменты, когда рассеиваемая мощность меньше или равна нулю. Таким образом, средняя рассеиваемая мощность полезна, когда нас интересует мощность, которая нагревает компонент. Пиковое рассеивание мощности полезно, когда мы используем его для анализа пиков тока и напряжения. Согласно ссылке [3], некоторые мультиметры измеряют в режиме переменного тока среднеквадратичное значение (RMS) сигнала, и это значение имеет прямое отношение к средней рассеиваемой мощности. Ссылки [1] & [2] показывают, как средняя рассеиваемая мощность коррелирует с измеренными среднеквадратичными значениями сигналов переменного тока, и это соотношение:

• Pᴬⱽᴱ = Iᴿᴹˢ * Uᴿᴹˢ

Если мы вычисляем среднюю рассеиваемую мощность, мы можем проверить расчеты, просто измерив переменные токи и напряжения, используя настройки переменного тока мультиметра. Конечно, если мы знаем, что в нашей системе есть условия постоянного тока, нам необходимо измерить ток и напряжение в режиме постоянного тока.

Первый пример прост, но подходит для всех электронщиков: регулятор LDO. Эти регуляторы могут быть смоделированы аналогично рисунку 3. Мы также можем быстро определить, что входной ток и выходной ток почти одинаковы, но напряжения на входе и выходе различаются. Для систем с очень малым потреблением тока ток покоя LDO становится важным, но если выходной ток намного больше, чем ток покоя, мы можем его игнорировать.

Рисунок 3. Пример схемы LDO.

В этом примере у нас есть входное напряжение 5 В, регулируемое выходное напряжение 3,6 В и выходной постоянный ток 140 мА. Расчет рассеиваемой мощности для этого LDO следующий:

• Ploss = Pin – Pout
• = Вин * Вх – Вых * Iвых
• = 5 В * 0,14 А – 3,6 В * 0,14 А
• = 0,7 Вт – 0,504 Вт
• = 0,196 Вт

Эффективность равна

• ƞ = 0,504 Вт/0,7 Вт = 0,72

На рисунке 4 мы видим реальные результаты измерений для этого примера LDO. Мы видим, что входной и выходной ток одинаковы, а входное и выходное напряжение разные.

Рисунок 4. Измеренные напряжения и токи для примера LDO

Мы видим, что критическим параметром с точки зрения рассеиваемой мощности в системах с постоянным током является разница напряжений между входом и выходом. Для них вы должны тщательно проанализировать падение напряжения по отношению к току и заметить, что оно заканчивается теплом. Вы должны убедиться, что выбранный компонент может выдержать расчетную рассеиваемую мощность, и спроектировать его на 80 % от максимума, указанного в спецификации. Точно так же мы можем анализировать рассеиваемую мощность пассивных компонентов, светодиодов, диодов, транзисторов и т. д.

Наш второй пример более сложен: импульсный регулятор. Понижающе-повышающий преобразователь, представленный на рисунке 5, представляет собой систему, в которой изменяются как напряжение, так и ток. В этом примере диапазон входного напряжения составляет от 10 до 20 В, входной ток неизвестен, так как он также зависит от входного напряжения, расчетное выходное напряжение зафиксировано на уровне 13,5 В, а требуемый выходной ток нагрузки составляет 80 мА.

Рисунок 5. Пример повышающе-понижающего преобразователя.

Мы начнем анализ рассеиваемой мощности с оценки входного тока, потребляемого преобразователем. Для этого мы используем вычисление мощности по закону Ома и формулы КПД. Выходная мощность преобразователя

• Pвых = Vвых* Iвых

Для этого складываем уравнение КПД и получаем

• Vвых * Iвых = ƞ * Пин

Продолжая расчеты с действительными числами (Vвх 20В), представленными ранее, получаем:

• 13,5В*0,08А = ƞ * 20В* Iвх
• 1,08 Вт = ƞ * 20 В* Iin

У нас есть два неизвестных параметра, и из таблицы данных импульсного преобразователя нам нужно проверить эффективность для используемых диапазонов напряжения и тока. В этом случае он примерно равен ƞ = 0,85. Теперь мы можем рассчитать входной ток нашего импульсного стабилизатора:

• Iin = 1,08 Вт/(0,85*20 В) = 64 мА

Теперь у нас есть все параметры для расчета рассеиваемой мощности импульсного преобразователя, и получаем формулу:

• Ploss = Pin – Pout = 0,064A*20V – 0,08A*13,5V = 1,28W – 1,08W = 0,2W

Реальное измерение подтверждает правильность расчетов, как показано на рисунке 6. Мы видим, что эффективность в этом реальном образце немного лучше, чем в наших расчетах, но в целом мы видим, что эта модель анализа полностью точна.

Рисунок 6. Измерения напряжения и тока в режиме buck повышающе-понижающего преобразователя.

Точно так же, как мы можем рассчитать рассеиваемую мощность в форсированном режиме, мы снова можем увидеть корреляцию между нашим расчетом и реальными измерениями, как показано на рисунке 7. Теперь проанализированный входной ток равен

• Iin = 13,5 В * 0,08 А. / 0,85 * 10 В = 0,129 А

Рассеиваемая мощность в форсированном режиме тогда:

• Ploss = Pin – Pout = 0,129A*10V – 0,08A*13,5V = 1,29Вт – 1,08 Вт = 0,21 Вт

Рисунок 7. Измерение напряжения и тока в режиме повышения напряжения повышающе-понижающего преобразователя.

Импульсный преобразователь является примером рассеивания мощности электрического блока. Он не учитывает рассеяние мощности отдельных компонентов, а только рассеивание мощности всей системы.

Рассеиваемая мощность тесно связана с нагревом компонента, и важно проводить расчеты для всех компонентов, которые мы считаем критическими. Этими компонентами могут быть стабилизаторы напряжения, транзисторы, диоды, светодиоды и пассивы. Для критических компонентов мы должны проверять минимально экстремальные максимальные условия, что обычно происходит при максимальном среднеквадратичном потреблении тока. Нам необходимо сравнить рассчитанное максимальное значение с максимальным значением компонента и убедиться, что оно ни в коем случае не превышается при нормальной работе продукта.

Во-вторых, нам нужно проанализировать рассеиваемую мощность критически важных электронных блоков, таких как импульсные преобразователи, схемы драйверов и силовые каскады. Для этого мы можем использовать расчеты рассеиваемой мощности в качестве базовой проектной работы, как мы видели в примере с импульсным преобразователем. Кроме того, расчетную рассеиваемую мощность стоит сравнивать со значениями из таблицы данных, но выбор отдельных компонентов для блоков электроники должен основываться на дизайне и моделировании.

Также нам необходимо проанализировать рассеивание мощности всей электронной системы. Нужно просуммировать все рассчитанные мощности рассеяния блоков электроники и сравнить с возможностями блока питания. Таким образом, мы можем гарантировать, что наш блок питания может обеспечить необходимую мощность для устройства во всем диапазоне питающего напряжения.

И последнее, но не менее важное: мы должны помнить, что большая часть этой рассеиваемой мощности становится теплом, и нам нужно проанализировать, требует ли электроника дополнительного охлаждения или мы можем с этим жить.