Тепловая мощность резистора: как узнать сколько ватт по внешнему виду

можно ли узнать по размеру детали, расшифровки маркировок

У любого резистора, выпускаемого в промышленных условиях, существует порядка десяти параметров, на которые необходимо обращать внимание при его выборе. Среди основных находится мощность элемента. На неё нельзя не посмотреть при выборе нужной детали. Для этого нужно понимать, как узнать мощность резистора.

Внешний вид резистора

Дополнительная информация. Зачастую резистор называют даже в учебниках сопротивлением. Это происходит из-за того, что это его основной параметр.

Скорость потребления энергии резистором

Призвав на помощь школьный курс физики, необходимо вспомнить формулу мощности в электротехнике:

P=U*I.

Из рассмотрения её видно, что мощность напрямую зависит от силы направленного движения частиц и напряжения. Формула тока, проходящего через деталь, определяется из Закона Ома для участка цепи:

I=U/R.

Отсюда видно, что падение напряжения определяется сопротивлением резистора и силой тока, проходящего через него.

Важно! Падение напряжения – это величина оставшегося потенциала на концах резистора от поданного на него.

У всех металлов есть параметр, зависящий от его структуры, – удельное сопротивление. Когда электроны протекают через проводящий элемент, они преодолевают частицы, образующие металл. Это преодоление мешает движению тока. Т.е. чем плотнее металл, тем труднее направленным частицам течь. Мощность выделяется в процессе взаимодействия тока и элементов металла в форме тепла. Не всегда этого добиваются, т.к. КПД устройств от этого уменьшается, хотя в нагревательных элементах данное свойство требуется.

Вернемся к резисторам. Их, в первую очередь, используют для лимитирования тока при запитке потребителя. Из представленного выражения видно, что сила тока напрямую зависит от падения напряжения. Т.е. напряжение ниже – ток ниже. Избыточный потенциал «переваривается» деталью с появлением тепловыделения на ней. Значение мощности его при этом считается по приведённой выше формуле, где U – величина «переваренных» на детале вольт, а I – проходящий сквозь него ток.

Закон Джоуля-Ленца:

ω = j • E = ϭE2, где ω – величина тепловой энергии, появляющейся в единице объема; E и j – напряжённость и плотность электрического поля; ϭ – электропроводность внешнего окружения. Именно по нему определяется выделенное на элементе тепло.

Как определить мощность резистора

Рассмотрим пример:

• Номинал детали – 2 Ом;
• Поданный от внешнего источника потенциал – 24В.

Решение:

• I=24/2=12А;
• Р=24*12=244 Вт.

Необходимо отметить, что значения в этом примере взяты абсолютно произвольные.

Типы и обозначение резисторов

Зачастую мощности сопротивлений стандартны: 0.05 (0.62) – 0.125 – 0.25 – 0.5 – 1 – 2 – 5. Это классические номиналы рассматриваемых устройств. Встречаются и нестандартные величины, которые требуются для конкретных случаев. Когда происходит процесс сборки схем, элементы выбирают, зная порядковые номера схем. Сопротивление и мощность указываются только по специальному запросу. Для моментального «узнавания» деталей на принципиальных схемах существуют специальные графические обозначения. Они чётко регламентируются ГОСТом.

Условные обозначения резисторов

Обычно характеристики и название необходимого для применения резистора указывают в спецификациях к заказу. Могут также регламентировать разрешённый допуск отклонения в %.

На первом рис. видно, что сопротивления сильно различаются внешне по форме и размерам. Есть прямая зависимость размера от мощности: чем больше элемент, тем выше его мощность. Это связано с тем, что при протекании тока сквозь сопротивление с большей поверхностной площади тепло в окружающую среду отдается быстрее (при условии, что это воздушная среда).

Дополнительная информация. По достижении предельной температуры нагрева на детали начинает выгорать наружный слой с нанесённой маркировкой. Это является первым признаком неправильной работы схемы. Если не принять меры, рассеиваемая энергия останется недостаточной, и далее выгорит внутренний (резистивный) слой. Элемент выйдет из строя.

Нагрев резисторов

При выборе нужного сопротивления по мощности необходимо внимательно посмотреть на способность его нормальной работы в требуемой температуре воздуха. Для верного использования элемента производители её всегда указывают. Мощность рассеивания резисторов прямо зависит от его возможностей по своевременной отдаче тепла без перегрева. Поэтому чем ниже температура окружающей среды, тем эффективнее и дольше без выхода из строя будет работать определённый элемент.

Нельзя допускать слишком высокой температуры вокруг сопротивления. Рабочей температурой для большинства из них является промежуток – 19-26 градусов.

Зачастую под рукой может не оказаться элемента с нужной размерностью для сборки конкретной электрической схемы с характеристикой по мощности. При наличии более мощных есть возможность установить их без потери качества. Главное, чтобы размеры соответствовали собираемому устройству. А вот при наличии устройств только меньшего номинала может возникнуть проблема.

Однако и это тоже решаемый вопрос. Особенно если знать правила состыковки сопротивлений: последовательного и параллельного.

Последовательное сочетание характеризуется тем, что сумма потенциалов состоит из потенциалов на единичном подсоединенном элементе. Ток же, протекающий в цепи, равен току ЛЮБОГО резистора. Т.е. в схеме с последовательным соединением напряжения на деталях разные, а токи одинаковые.

Параллельное соединение характеризуется тем, что, наоборот, потенциал на всех элементах одинаковый, а у тока, идущего через единичную ветку, зависимость обратна её резистивному сопротивлению. Здесь общий ток сети складывается из отдельных токов всех ветвей схемы.

Законы последовательного и параллельного соединения

При отсутствии, например, сопротивления 200 Ом на 1 Вт практически всегда допускается замена на две единицы по 100 Ом на 0,5 Вт последовательно, либо две единицы 400 Ом и 0,5 Вт, поставленных в параллель.

«Практически всегда» написано неспроста. Элементы не все хорошо справляются с ударными токами. В схемах, которые производят зарядку конденсаторов с очень серьёзной ёмкостью, вначале происходит огромная ударная нагрузка. Такой режим повреждает неподготовленный изоляционный слой детали. Это выясняется исключительно эмпирическим путём и долгих расчётов. Однако такими сложными вычислениями и наблюдениями все пренебрегают.

Сопротивление – главная характеристика рассматриваемого элемента, однако без знания параметров мощности выбрать его для установки в принципиальную схему не получится. В противном случае, будет происходить перегрев детали и выход её из строя. Если есть сомнения, то необходимо применить резистор увеличенной мощности для перестраховки.

Видео

Оцените статью:

Резистор | Страница 2 из 4 | Electronov.net

Основные параметры резисторов:

• Номинальное сопротивление:

Это заводское значение сопротивления конкретного прибора, измеряется это значение в Омах (производные килоОм (кОм), мегаОм (МОм) и т.д.). Диапазон сопротивлений простирается от долей Ома (0,01 – 0,1 Ом) до сотен и тысяч килоОм (100 кОм – 10МОм). Для каждой электронной цепи необходимы свои номиналы сопротивлений, поэтому разброс значений номинальных сопротивлений столь велик.

Однако номиналы резисторов не произвольны, их значения выбираются из специальных номинальных рядов, наиболее часто из номинальных рядов E6 (для резисторов с допуском 20 %), E12 (для резисторов с допуском 10 %) или E24 (для резисторов с допуском 5 %), для более точных резисторов используются более точные ряды (например, E48).

Данные ряды были созданы для стандартизации номиналов резисторов и упрощения их взаимозаменяемости.

Посмотреть значения номинальных рядов и принципы их образования можно здесь.

• Рассеиваемая мощность:

Если рассматривать данный параметр с обычной жизненной позиции, то можно привести довольно простое описание: при прохождении электрического тока через резистор, происходит нагрев данного резистора. Сразу становится очевидно, что если пропускать через резистор ток, превышающий заданное значение, то токопроводящее покрытие разогреется настолько, что резистор сгорит. Поэтому существует разделение резисторов по максимальной мощности.

Вычислить мощность, рассеиваемую на резисторе можно по формуле:

в соответствии с законом Ома: , можно преобразовать:

где:

P — мощность, рассеиваемая на резисторе,

I – ток, протекающий через резистор,

R – сопротивление резистора,

U – падение напряжения на резисторе.

Если же Вы желаете узнать, откуда взялась формула для вычисления тепловой мощности, рассеиваемой на резисторе, отчего греется резистор при прохождении через него электрического тока, и не боитесь формул, то полезно будет включить в работу свой мозг, вспомнить школьные знания по физике и … раскрыть спойлер . В противном случае можно перейти к следующему параметру.

Спойлер

Как известно, электрический ток – это направленный поток заряженных частиц, в частности – электронов. Проходя через проводник, электроны сталкиваются с атомами, находящимися в кристаллической решетке. В результате столкновений кинетическая энергия электронов превращается в тепловую. Для лучшего понимания процесса можно провести аналогию с механической силой трения: например, для перемещения какого-либо тела преодолевается сопротивление трения, и энергия, затраченная на это, превращается в тепло. Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, что и сопротивление трения.

Переход электрической энергии в тепловую называется тепловым действием тока, и описывается законом Джоуля — Ленца:

где:

— мощность выделения тепла в единице объема,

— плотность электрического тока,

— напряженность электрического поля,

— проводимость среды.

Для случая протекания токов в тонких (слово «тонких» здесь следует рассматривать в том смысле, что диаметр провода много меньше его длины) проводах в интегральной форме этот закон имеет вид:

где:

dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt,

I — сила тока,

R — сопротивление,

Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t₁ до t₂.

В случае постоянных силы тока и сопротивления формула значительно упрощается:

где:

Q — количество теплоты, создаваемое током (Дж),

I — ток, протекающий по проводнику,

R — сопротивление проводника,

t — время, в течение которого ток протекал по проводнику.

Используя закон Ома: и , можно немного преобразовать выражение:

Пытливый читатель наверняка заметил, что помимо выделения тепла непосредственно при прохождении электрического тока, в случае постоянного тока в однородном неравномерно нагретом проводнике, будет также выделяться или поглощаться дополнительная теплота, которая называется теплотой Томсона, в зависимости от направления тока. Данный эффект называется – эффект Томсона. Однако, вследствие того, что градиент температур обычно невелик, а величина теплоты Томсона много меньше Джоулевской теплоты, при расчете тепловой мощности выделяемой на резисторах, данным эффектом пренебрегают.

• Допуск (точность):

При изготовлении резисторов не удается добиться абсолютной точности номинального сопротивления. Например, если Вы купили резистор на 100 Ом, то реальное сопротивление резистора может быть от 95 Ом до 105 Ом. Эта погрешность и называется допуском, который задается в процентах от номинального сопротивления. Для рассмотренного резистора он равен ±5%. Реальное значение сопротивления резистора легко проверить, например, просто измерив его мультиметром.

Строгая точность номиналов сопротивлений в обычной аппаратуре не всегда важна. Так, например, в бытовой электронике допускаются резисторы с допуском ±20%. Это выручает в тех случаях, когда необходимо заменить неисправный резистор, а в точности требуемого номинала нет в наличии.

Существует аппаратура, где такой трюк не пройдет — это прецизионная аппаратура. К ней относится медицинское оборудование, измерительные приборы, электронные узлы высокоточных систем, например, военных. Иногда такие резисторы можно встретить и в бытовой электронике.

Дополнительные параметры:

• Максимальное рабочее напряжение:

Максимальное напряжение, при котором может работать резистор в заданных условиях в течении срока службы с сохранением нормированных параметров.

Для резисторов общего назначения обычно 250 В.

• Рабочая температура:

Температура, при которой резистор исправно выполняет свои функции. Обычно указывается как диапазон: -45° … +55°С.

• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС):

Отражает стабильность номинального сопротивления под действием температуры.

Особенности переменных резисторов:

Все вышеперечисленные параметры характерны для всех типов резисторов, однако для переменных резисторов существуют специфические параметры:

• Функциональная характеристика:

Суть данного параметра — зависимость изменения сопротивления от угла поворота ручки или положения подвижного контакта (для ползунковых резисторов).

Виды функциональных характеристик:

Рисунок 1 — Виды функциональных характеристик.

Сопротивление переменного резистора меняется равномерно при повороте ручки на один и тот же угол или при перемещении ползунка на одно и то же расстояние.

Обозначается линейная характеристика кириллической буквой А или латинской буквой А.

Типичное применение таких резисторов — регулятор напряжения в аналоговых блоках питания. В таком случае изменение выходного напряжения при регулировке будет равномерным, а шкала для прибора будет более удобной.

• Логарифмическая:

При повороте ручки резистора, сопротивление сначала меняется равномерно, но ближе к середине – резко, скачкообразно, а затем, к концу поворота ручки, опять равномерно, но более полого. Таким образом, изменение сопротивления резистора происходит нелинейно (неравномерно) и по логарифмическому закону.

Обозначается логарифмическая характеристика кириллической буквой Б или латинской буквой В.

• Показательная (обратно-логарифмическая):

Данная функциональная характеристика обратна логарифмической.

Обозначается показательная характеристика кириллической буквой В или латинской буквой С.

Типичное применение резисторов с нелинейной функциональной характеристикой — регулятор громкости в аудиоаппаратуре.

Вы конечно спросите, почему же именно логарифмическая характеристика применяется для регулировки громкости? Причина этого описана ниже:

Спойлер

Дело все в том, что человеческое ухо с ростом громкости воспринимает звук тише (этот эффект описывается эмпирическим закон Вебера-Фехнера. Подробнее об этом можно прочесть здесь). В результате, если в качестве регулятора громкости поставить переменный резистор с линейной зависимостью, то шкала регулировки громкости у резистора будет нелинейной, и на средней и большой громкости нам придется выкручивать ручку регулятора на больший угол, чтобы ощутить значительное изменение уровня звука. Из-за этого возникает неудобство, т.к. шкала у регуляторов громкости получается неравномерной, да и на разном уровне громкости ручку приходится крутить по-разному. Поэтому в аудиоаппаратуре и применяются переменные резисторы с логарифмической или показательной функциональной характеристикой, в зависимости от схемотехнической реализации устройства.

• Износоустойчивость:

Число циклов передвижения подвижной системы переменного резистора, при котором параметры резистора остаются в пределах нормы.

В этом параметре кроется отличие между подстроечными и регулировочными переменными резисторами. Для регулировочных резисторов количество циклов может достигать 50 000 – 100 000. Подстроечные резисторы в отличие от регулировочных, рассчитаны на гораздо меньшее число циклов перемещения подвижной системы (ползунка). Максимальное число для некоторых экземпляров вообще ограничено 100.

При превышении допустимого количества циклов перемещения подвижной системы надежная работа переменного резистора не гарантируется. Поэтому применять подстроечные резисторы взамен регулировочных настоятельно не рекомендуется – это сказывается на надежности устройства.

• Разрешающая способность:

Минимальное значение приращения сопротивления при перемещении подвижной части переменного резистора, т.е. то, с какой точностью возможно изменять его сопротивление.

Для ползунковых и однооборотных переменных резисторов разрешающая способность обычно составляет 5% от номинального значения полного сопротивления, для прецизионных многооборотных – 1%.

Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике

Кажущаяся простота и очевидность применения резисторов создает у разработчиков силовой преобразовательной аппаратуры обманчивое впечатление малого влияния резисторов, как крайне простых, с точки зрения схемотехники, приборов на результирующую надежность разрабатываемого устройства. Однако это не так, и применение резисторов, как и любых других компонентов, требует тщательного подхода к выбору типов и обеспечению благоприятных условий работы.

Для лучшего понимания особенностей работы резисторов обратимся к базовым понятиям. Резистор, как элемент электрической цепи, служит для создания сопротивления протеканию электрического тока. В идеальном случае работа резистора определяется фундаментальным законом, установленным немецким физиком Георгом Симоном Омом и носящим его имя:

где R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

При протекании тока через резистор энергия упорядоченного движения носителей заряда превращается в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве за счет теплопередачи и излучения. Мощность, выделяемая в резисторе, может быть определена по формуле, следующей из закона Ома:

или

Здесь P — мощность, выделяемая в участке цепи; R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

Мощность, выделяемая в резисторе, вызывает рост его температуры. Максимальная температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, зависит от конструкции резистора и применяемых материалов — как собственно резистивного элемента, так и его арматуры. Именно максимальная температура наиболее горячего участка резистора определяет ту мощность, которую резистор способен рассеивать.

В зависимости от условий, в которых находится резистор (температура, влажность, давление окружающего воздуха и скорость его движения), одна и та же рассеиваемая мощность вызывает различный прирост температуры прибора, поэтому при выборе резистора важно не только определить выделяемую мощность, но и условия его работы. Номинальная мощность резистора определяется как мощность, рассеиваемая прибором без превышения предельно допустимой температуры при естественном воздушном охлаждении на высоте 0 м над уровнем моря при температуре воздуха 25 °С.

При эксплуатации резистора следует помнить, что выделяемая мощность имеет квадратичную зависимость от приложенного к резистору напряжения или от протекающего тока (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость выделяемой мощности от напряжения (тока) резистора

Это означает, что небольшой рост напряжения или тока в цепи вызовет существенный рост рассеиваемой мощности, которая может превзойти максимально допустимую для примененного резистора, что приведет к выходу прибора из строя. Поэтому при выборе резистора важно не только знать номинальные ток и напряжение для него, но и учитывать возможные продолжительные отклонения, в частности из-за колебаний напряжения питающей сети.

Если мощность, рассеиваемая резистором, постоянна, то через некоторое время температура резистора стабилизируется (когда количество тепла, выделяемого в резисторе, станет равным количеству тепла, отдаваемого резистором в окружающую среду посредством излучения, конвекции и теплопередачи конструкции). Чем больше физический размер резистора, тем эффективнее происходит процесс отдачи тепла и тем ниже будет равновесная температура при одной и той же выделяемой мощности. Кроме того, эффективность излучения, конвекции и теплопередачи существенно зависит от конструкции резистора, применяемых материалов и условий охлаждения.

Приводимые в справочных материалах величины максимальной рассеиваемой мощности резисторов относятся к условиям естественного охлаждения. На сегодняшний день существует ряд стандартов, регламентирующих метод определения максимально допустимой мощности рассеяния резисторов исходя из температуры перегрева наиболее горячего участка резистора. Ведущие производители мощных резисторов (Danotherm, Ohmite, Arcol, SIR и др.) при нормировании мощности своих приборов обычно руководствуются рекомендациями National Electrical Manufacturers Association (NEMA) и Underwriters Laboratories, Inc. (UL). Согласно таковым, максимально допустимая мощность при естественном охлаждении для резистора заданных физических характеристик и размеров, определяется как мощность, вызывающая температуру (измеренную термопарой) перегрева наиболее горячего участка резистора в 300 °С при температуре окружающего воздуха 40 °С. Измерение производится при неподвижном воздухе в условиях свободной конвекции и удалении резистора от ближайшего объекта (в частности, стен, панелей, приборов) не менее чем на 35 см.

Несколько иные условия измерений определяет стандарт MIL-R-26, первоначально разработанный для проволочных резисторов военного и аэрокосмического применения, а затем распространенный и на приборы промышленного и коммерческого назначения. Согласно этому стандарту максимальная температура нагрева наиболее горячего участка резистора устанавливается равной 350 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С. Таким образом, соответствующая температура перегрева составляет 325 °С.

На рис. 2 показаны усредненные графики зависимости температуры перегрева резисторов по различным стандартам в зависимости от относительной рассеиваемой мощности.

Рис. 2. Зависимость температуры перегрева резистора от относительной рассеиваемой мощности

В первом приближении температура резистора зависит от площади его поверхности, а также (в меньшей степени) от ряда других факторов, таких как теплопроводность основания и покрытия резистора, эффективность излучения поверхности, отношения длины резистора к его диаметру, теплопередача через выводы и средства монтажа.

Максимально допустимая температура резистора будет определяться свойствами его конструктивных материалов и является предельной величиной, при превышении которой прибор может потерять работоспособность. В общем случае на данную величину можно ориентироваться только для расчета предельных режимов работы устройства.

В нормальных условиях эксплуатации следует принимать во внимание не только и не столько физическое функционирование резистора, но и другие параметры, такие как изменение сопротивления при росте температуры, нагрев окружающих резистор устройств за счет выделяемого им тепла, зависимость сопротивления от влажности окружающего воздуха (особенно для резисторов открытых типов), изменение характеристик при циклической нагрузке и т. п.

Если температура окружающей среды отличается (в сторону увеличения) от 25 °С (или 40 °С), то рассеиваемая резистором мощность должна быть соответственно снижена до значений, при которых не превышается максимально допустимая температура нагрева прибора. На рис. 3 изображены графики зависимости относительной рассеиваемой мощности резисторов от температуры окружающего воздуха согласно рекомендациям NEMA, UL и MIL-R-26 (U-EIA).

Рис. 3. Зависимость относительной мощности рассеяния резистора от температуры окружающего воздуха

При построении данных зависимостей принимается, что температура перегрева не зависит от величины температуры окружающей среды. Однако это не совсем верно. Точный расчет должен учитывать повышение эффективности излучения с ростом температуры согласно законам Стефана-Больцмана и Вина. Но вклад, вносимый за счет этого при невысоких температурах (до 1000–1500 °С) весьма невелик, и его можно не учитывать в подавляющем большинстве конструктивных расчетов.

Для некоторых типов резисторов в справочных данных указывается предельно допустимая тепловая нагрузка поверхности. Для большинства типов проволочных резисторов она составляет от 0,7 Вт/см² (для резисторов большого размера на мощности более 150–200 Вт) до 2 Вт/см² (для небольших резисторов с мощностью 10–20 Вт). Эту величину удобно использовать при расчете работы резистора в качестве нагревательного элемента.

Следует обратить внимание на то, что в рекомендациях по определению максимальной мощности резисторов не указано расположение резистора относительно поверхности земли. Но имеется точное указание на то, что температура измеряется для наиболее горячего участка резистора. У горизонтально расположенного трубчатого проволочного резистора с равномерной намоткой резистивного элемента температура в районе середины прибора может быть в 1,5–2,5 раза выше, чем температура у торцов (в зависимости от способа крепления). При вертикальном расположении зона максимального нагрева смещается вверх на 3–10% длины резистора, а верхний торец имеет бульшую температуру, чем нижний. Это вызывает некоторое увеличение механических напряжений в конструкции прибора и может снизить его надежность. Поэтому при прочих равных условиях всегда следует предпочитать горизонтальное расположение резисторов, за исключением специально предназначенных для вертикального монтажа приборов, например в теплоотводящих корпусах из алюминиевого профиля. Для ряда особых случаев применения (например, в качестве равномерного источника тепла) выпускаются специальные резисторы с неравномерной намоткой резистивного элемента (более частая у краев и редкая в середине), у которых температура практически постоянна по всей длине прибора.

Рассмотрим подробнее основные факторы, определяющие температуру резистора, либо, с другой стороны, требуемую величину номинальной мощности, при которой температура не превышает заданной:

1. Температура окружающей среды

Повышение температуры окружающей среды вызывает соответствующее снижение допустимой температуры перегрева и соответствующей ей мощности рассеяния. График зависимости относительной допустимой мощности рассеяния от температуры окружающей среды приведен выше, на рис. 3. Если температура окружающей среды ниже той, для которой была определена максимальная мощность рассеяния (25 °С или 40 °С), то в ряде случаев можно допустить повышение максимальной мощности выше типовой величины, но при этом необходимо дополнительно уточнять возможности резистора по работе с токами, превышающими номинальный. Превышение тока резистора в данном случае может вызвать не увеличение его температуры выше предельно допустимой, а разрушение внешних и внутренних контактов (места соединения резистивного элемента с выводами) и локальные перегревы и плавление резистивного элемента.

2. Монтаж в закрытом корпусе

Монтаж резистора в корпусе ухудшает условия отвода тепла за счет излучения (часть излучения отражается стенками корпуса, остальная часть излучается как в окружающее, так и во внутреннее пространство корпуса), а также за счет конвекции (корпус нарушает конвекционный ток воздуха и преграждает доступ холодного воздуха к резистору). Существенное влияние на температуру резистора, помещенного в корпус, оказывают размер, толщина стенок, их материал и наличие перфорации и окраски поверхности. Ухудшение условий работы резистора при помещении в корпус хорошо демонстрируют графики на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость температуры перегрева резистора от мощности при монтаже в свободном пространстве и в корпусах разного размера

3. Монтаж групп резисторов

Резисторы, монтируемые на малом расстоянии друг от друга, при работе разогреваются сильнее, чем одиночный резистор при такой же рассеиваемой мощности (на каждом из резисторов группы). Это происходит за счет взаимного нагрева резисторов излучением и увеличением количества тепла, приходящегося на единицу объема охлаждающего воздуха при естественной конвекции. Для того чтобы температура резисторов, работающих в группе, не превысила допустимого значения, необходимо снижать мощность, приходящуюся на каждый из приборов по отношению к максимально допустимой для одного свободно установленного резистора. Рис. 5 дает представление о порядке требуемого снижения мощности рассеяния на каждом из резисторов в зависимости от количества резисторов в группе и расстояний между ними.

Рис. 5. Зависимость допустимой мощности рассеяния каждого резистора в группе от количества резисторов и расстояний между ними

4. Высота над уровнем моря

Количество тепла, отводимого от резистора за счет конвекции воздуха, зависит от плотности последнего. Чем более разрежен воздух, тем меньшее количество тепла он способен отвести. При подъеме в атмосфере плотность воздуха снижается, а это означает, что максимальная мощность рассеяния резисторов будет снижаться. На высотах более 20 000 м плотность воздуха уже настолько мала, что конвективный отвод тепла перестает играть сколько-нибудь заметную роль в общем тепловом балансе резистора и тепло отводится только за счет излучения и теплопередачи элементам конструкции. На рис. 6 представлен график зависимости относительной мощности рассеяния резистора от высоты его размещения (над уровнем моря).

Рис. 6. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от высоты над уровнем моря

5. Работа в импульсных режимах

Если ток через резистор протекает не постоянно, а в течение определенных интервалов времени, а в остальные моменты резистор обесточен, то количество тепла, выделяемое в течение значительного промежутка времени, будет меньше, чем при непрерывной работе. «Усреднение» по времени происходит за счет теплоемкости конструкции, монтажных элементов и окружающего воздуха. В результате температура резистора не превышает максимально допустимую даже при импульсных мощностях, многократно превышающих максимальную мощность непрерывного режима. Величина допустимой импульсной мощности зависит как от конструктивных особенностей резистора (теплоемкость и теплопроводность конструкции), так и от длительности импульса и соотношения длительностей импульса и паузы (скважности). На рис. 7 приведены зависимости относительной допустимой импульсной рассеиваемой мощности для резисторов различных типов, определенные согласно рекомендациям NEMA для пусковых и тормозных резисторов.

Рис. 7. Зависимость относительной импульсной допустимой мощности рассеяния резистора от скважности импульсов тока для стандартного пускового режима электродвигателя

Для ряда типов резисторов импульсная мощность ограничена не допустимым перегревом, а максимальной величиной рабочего тока резистора, при превышении которой возможны повреждения резистивного элемента и выводов за счет локальных перегревов.

Графики на рис. 8 дают представление о процессе нагрева резисторов разных типов импульсом тока и построены в координатах времени импульса, необходимого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры и импульсной мощности.

Рис. 8. Зависимость времени, требуемого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры от относительной импульсной рассеиваемой мощности

С помощью зависимостей, представленных на рис. 9, можно определить соотношение длительностей импульса и паузы тока через трубчатые резисторы, нагревающего приборы до максимально допустимой температуры для различных абсолютных длительностей и различных относительных импульсных мощностей (в процентах от максимально допустимой мощности рассеяния непрерывного режима).

Рис. 9. Зависимость времен импульса и паузы тока и их соотношений, требуемых для разогрева резистора до максимально допустимой температуры от импульсной мощности

Рассмотренные выше особенности импульсных режимов относятся к типовым импульсным режимам, имеющим место при применении резисторов в цепях пуска и торможения электродвигателей, где времена воздействия значительных токов исчисляются единицами и десятками секунд, а паузы — от единиц секунд до многих часов.

Для импульсных токов малых длительностей (0,1–0,5 с и менее) импульсные характеристики будут существенно отличаться от приведенных выше, поскольку в большей мере будут определяться теплофизическими свойствами резистивного элемента, нежели теплоемкостью всего резистора в целом. При еще меньших длительностях импульсов (менее единиц миллисекунд) важную роль начинает играть индуктивность резистора, увеличивающая полное сопротивление резистора в области малых времен. Для применения на частотах более 1–3 кГц (длительности импульсов менее 1 мс) изготавливаются специальные резисторы с бифилярной намоткой, резко снижающей собственную индуктивность резистора, либо поверхностные и объемные резисторы на основе проводящих пленок.

6. Принудительное охлаждение

Принудительный обдув резисторов резко увеличивает количество охлаждающего воздуха по сравнению с естественным конвективным потоком и, тем самым, позволяет повысить эффективность отвода выделяемого тепла. Это очень простой и крайне эффективный способ повышения допустимой мощности рассеяния резисторов. На рис. 10 приведена зависимость относительной допустимой мощности рассеяния от скорости воздуха, охлаждающего резистор.

Рис. 10. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от скорости охлаждающего воздуха

Об эффективности этой простой меры можно судить хотя бы по тому, что при скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая резистором без перегрева, более чем вдвое превышает его максимальную мощность при естественном охлаждении. Если резисторы работают, например, в системах реостатного торможения электроподвижного состава, то с целью экономии электроэнергии возможно применение не постоянного обдува, а связанного с процессом торможения, когда вентиляторы подключаются параллельно тормозному резистору или его отводу. Такие схемы охлаждения тормозных резисторов применены на ряде магистральных электровозов отечественного и зарубежного производства.

7. Ограничение температуры резисторов

В ряде случаев, с целью повышения надежности и увеличения срока аппаратуры, рабочую температуру резисторов выбирают ниже максимально допустимой. Снижение температуры поверхности резистора в 2 раза по отношению к максимально допустимой увеличивает надежность работы резистора от 4 до 100 раз (в зависимости от типа), а также снижает температуру внутри устройства, в котором резистор установлен, что также является крайне благоприятным фактором. К сожалению, снижение температуры тепловыделяющих элементов, при прочих равных условиях, всегда связано с увеличением их физических габаритов, поэтому данную меру можно рекомендовать, только если это допускается массогабаритными показателями аппаратуры.

Учитывая все вышесказанное, для первичного выбора резистора можно рекомендовать воспользоваться данными мнемонической таблицы, приведенной на рис. 11. В каждой из 7 граф таблицы приведены значения коэффициентов для различных условий окружающей среды и режима работы. Если известна (из расчета электрической схемы) мощность, рассеиваемая на резисторе, то, умножив ее на коэффициенты, определенные из таблицы и соответствующие условиям и режимам работы, можно получить величину номинальной мощности резистора, который следует применить в данной схеме в данных условиях.

Рис. 11. Таблица для определения требуемой номинальной мощности резистора

В качестве примера определим номинальную мощность резистора для системы пуска электродвигателя. Импульсная мощность, выделяемая на резисторах согласно расчету, составляет 1 кВт (300% от номинальной), рассеивается на группе из 4 резисторов (250 Вт на резистор), температура окружающего воздуха составляет +60 °С, резисторы смонтированы в открытой стойке, расстояние между резисторами 5 см, предполагается возможность работы устройства на высоте до 4000 м над уровнем моря, охлаждение естественное конвекционное, температура резисторов ограничена величиной 250 °С.

Определяем из таблицы соответствующие коэффициенты:

Номинальная мощность каждого из резисторов группы составит:

Таким образом, номинальная мощность каждого из резисторов в группе должна составлять не менее 160 Вт.

Разумеется, расчет номинальной мощности с помощью данной таблицы является приблизительным, поскольку не учитывает многие дополнительные факторы, тем не менее, его погрешность достаточно невелика и позволяет быстро определить мощность требуемого резистора, а исходя из нее — и конкретный тип применяемого прибора.

Несмотря на то, что резисторы, по сути, являются простейшими элементами электрических цепей, от правильного выбора их типов и условий эксплуатации во многом зависит надежность, себестоимость и эксплуатационные качества аппаратуры, а правильный выбор резисторов для силовых преобразовательных устройств, выполненный на этапе проектирования, во многом определит коммерческую судьбу аппаратуры.

При подготовке статьи были использованы информационные материалы компаний Danotherm (Дания), Arcol (Великобритания), Ohmite (США), S.I.R. (Италия).

Литература

1. www.danotherm.com/
2. www.ohmite.com/
3. www.sirresistor.it/
4. www.arcolresistors.com/
5. Резисторы: Справочник / Под ред. И. И. Чертверткова. М.: Энергоиздат. 1981.
6. ГОСТ 24238-84 Резисторы постоянные. Общие технические условия.
7. ГОСТ 28608-90 (МЭК 115-1-82) Резисторы постоянные для электронной аппаратуры.

На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт

Условие задачи:

На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт. Когда к концам резистора присоединили такой же второй аккумулятор, выделяемая мощность стала в два раза больше. Какой будет выделяемая мощность, если к аккумуляторам одноименными полюсами присоединить третий такой же аккумулятор?

Задача №7.4.44 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

\(P_1=10\) Вт, \(P_2=2P_1\), \(P_3-?\)

Решение задачи:

Известно, что мощность \(P\), выделяющуюся во внешней цепи, можно определить по такой формуле:

\[P = {I^2}R\;\;\;\;(1)\]

Силу тока в цепи \(I\) найдем по закону Ома для полной цепи:

\[I = \frac{{\rm E}}{{R + r}}\;\;\;\;(2)\]

Подставим выражение для тока (2) в формулу (1), тогда получим:

\[P = \frac{{{{\rm E}^2}R}}{{{{\left( {R + r} \right)}^2}}}\]

Если соединить параллельно \(N\) одинаковых аккумуляторов с ЭДС \(\rm E\) и внутренним сопротивлением \(r\), то эквивалентная ЭДС будет равна \(\rm E\), а эквивалентное внутреннее сопротивление \(\frac{r}{N}\).2} \cdot 10 = 26,9\;Вт\]

Ответ: 26,9 Вт.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Расчет выделяемой мощности на резисторе. Рассеиваемая мощность резистора. Температурный коэффициент сопротивления ТКС

Определяет, какое максимальное количество энергии может рассеять резистор без риска перегрева.

Как вытекает из , электрическая мощность связана с напряжением и током:

Если электрическая мощность, выделяемая на резисторе, не превышает его номинальную рассеиваемую мощность, температура резистора будет стабильной. Следует отметить, что температура на самом резисторе распределена не равномерно. Его корпус немного теплее, чем выводы, а самая высокая температура в центре корпуса.

Обычно в электронных схемах номинальная мощность не учитывается, потому что стандартный резистор 25 Вт обычно подходит, поскольку электронные схемы для подавляющего большинства относятся к низкому напряжению и низкому току; и, следовательно, малой мощности. Но в случае цепей с высоким напряжением и низким сопротивлением следует тщательно выбирать номинальные мощности резисторов, поскольку в цепь подается больше энергии. Всегда выбирайте резистор с более высокой мощностью, чем мощность, используемая в цепи, чтобы резистор не был разрушен избыточным теплом, это только послужило бы причиной других опасностей или сбоев в цепи.

Чем выше скорость теплоотдачи в окружающую среду, тем ниже температура на резисторе. Крупные резисторы с большой площадью поверхности, как правило, могут рассеивать значительное количество тепловой мощности.

Если мощность выделяемая на резисторе превышает его номинальную мощность, то резистор может быть поврежден. Это может иметь несколько последствий:

Поэтому проектировщик должен выбрать соответственно для схемы. Таким образом, резистор – это тот, который заставляет электрические цепи работать плавно, ограничивая поток тока и являясь существенным компонентом в любой электрической цепи. В последнем примере было упомянуто, что вам нужно использовать резистор для работы электрической цепи, но давайте более подробно рассмотрим, как определить соответствующее значение сопротивления, необходимое для этого. Резистор просто это сопротивление реализуется как электронный компонент.

Каков размер резистора на рисунке 1?

Теперь рассмотрим смысл закона Ома. В схеме на рисунке 2 выше, если предположить, что напряжение равно 1 В, а ток равен 1 А, то согласно уравнению выше сопротивление будет. Другими словами, 1 резистор – это один, через который ток 1А протекает при приложении напряжения 1 В на него. Или тот, который вызывает на нем напряжение 1В, когда через него проходит ток 1А. Однако, когда напряжение остается неизменным при 1 В, но ток равен 2А, требуемое значение сопротивления.

• изменение значения сопротивления,
• снижение срока службы,
• полный выход из строя в результате обрыва цепи,
• в экстремальных случаях чрезмерная мощность может даже стать причиной возгорания.

Определение: мощность резистора – номинальная мощность, которую может рассеять резистор, сохраняя при этом свою работоспособность.

Кроме того, напряжение, необходимое для пропускания тока от 1А до 5; резистор задается следующим уравнением. Таким образом, закон Ома всегда выполняется в электрической цепи, и, следовательно, если известны значения любых двух из напряжения, тока и сопротивления, можно определить значение оставшегося параметра.

Потребляемая мощность и номинальная мощность

Теперь давайте посмотрим на значение резистора, необходимое в примере на рисунке 1. Следовательно, значение сопротивления резистора на фиг. 1 будет составлять 67. Энергия необходима людям для работы, даже электрическое оборудование, такое как двигатели, нагреватели, лампы и т.д. Требует энергии для работы. Требуемое количество энергии Потребляемая мощность и номинальная мощность выражаются параметром, называемым потреблением энергии.

Мощность резистора

Номинальная мощность резистора определяется для определенной температуры окружающей среды на открытом воздухе. Обратите внимание, что на практике количество энергии, которую резистор может рассеять без повреждения сильно зависит от условий эксплуатации и, следовательно, не равна номинальной мощности.

Поскольку напряжение возникает по закону Ом на двух выводах резистора, когда через него проходит ток, электрическая энергия потребляется даже в резисторе, таком как электрооборудование. Например, когда ток 1 проходит через резистор от 1, так как напряжение 1 появляется через резистор согласно закону Ома, потребляемая мощность будет.

Таким образом, потребляемая мощность в резисторе равна 1. В случае резистора, поскольку эта мощность будет полностью излучаться в виде тепла, если потребление энергии будет высоким, температура самого резистора возрастает, тем самым, наконец, сгорая или расплавляя его, Поэтому необходимо указать величину мощности, которую может безопасно потреблять резистор, и эта мощность называется номинальной мощностью резистора.

Например, повышение температуры окружающей среды может значительно уменьшить номинальную мощность резистора.

Это следует учитывать при разработке схем. Обычно резисторы рассчитаны для работы при температуре до 70°С, выше этого значения резистор значительно снижает свою номинальную рассеиваемую мощность. Это иллюстрируется кривой ухудшения параметров.

Частотный отклик резистора

Соединения в электрических цепях можно классифицировать широко как последовательные соединения и параллельные соединения, которые показаны на рисунке. Когда несколько резисторов соединены вместе, общее значение сопротивления будет различным в последовательном и параллельном соединениях следующим образом.

Допустимая мощность рассеивания

Следовательно, соответствующие комбинированные значения сопротивления на фиг. 3 будут следующими. Совокупное сопротивление в случае последовательного соединения. Совокупное сопротивление в случае параллельного соединения. Другими словами, в случае последовательного соединения комбинированное значение сопротивления увеличивается по мере увеличения количества резисторов в соединении и уменьшается в параллельном соединении по мере увеличения количества резисторов в соединении.

Наряду с влиянием температуры окружающей среды, есть еще несколько факторов, влияющих на изменение номинального значения мощности резистора. Наиболее важные факторы приведены ниже:

Корпус

Скорость теплоотдачи ограничивается из-за установки резистора в корпус прибора. Корпус ограничивает воздушный поток и, следовательно, отвод тепла путем конвекции. Излучаемое тепло будет удаляться неэффективно, потому что стенки корпуса действуют как тепловой барьер. Влияние корпуса на степень потери тепла сильно зависит от размера, формы, материала и толщины стенок.

Максимальное напряжение резистора

Оппозиция к потоку электронов. Когда мы изучали движение электронов, мы предположили, что они начались с отрицательного заряда и двинулись проводником на положительный заряд, игнорируя в тот момент, что может быть какое-то препятствие для продвижения электронов.

В этом разделе мы остановимся на тех факторах, которые влияют на проводимость, чтобы предложить некоторую оппозицию тому, что поток электронов в проводнике поддерживается. Факторы, влияющие на вождение. На проведение электрического тока влияют несколько параметров, которые необходимо учитывать при проектировании или работе с электрическими цепями. Это в основном зависит от трех факторов: типа или характера материала, через который проходит ток, длины и толщины проводника и температуры.

Принудительное охлаждение

Увеличение теплопередачи посредством принудительной конвекции позволяет получить более высокую рассеиваемую мощность, чем путем обычной естественной конвекции.

Это может быть достигнуто путем создания воздушного потока, или даже жидкостным охлаждением. Некоторые мощные резисторы имеют ребристый корпус, чтобы создать большую поверхность для рассеивания тепла.

Максимальная температура резистора

Не все материалы одинаково противоположны прохождению тока, каждый материал обеспечивает большую или меньшую устойчивость к потоку электронов через него. Хорошие проводники, такие как серебро, медь или алюминий, обеспечивают очень мало сопротивления. Другие, как и свинцовые, проводят ток, но предлагают больше сопротивления, чем лучшие проводники, такие как медь.

Рассеиваемая мощность резистора

Тип материала влияет на проводимость электронов. Плохие проводники, такие как стекло, дерево или бумага, обладают очень высокой устойчивостью к прохождению тока. В электрической цепи чем меньше диаметр проводника, тем больше его сопротивление и тем меньше ток или ток. Чем больше диаметр проводника, тем ниже сопротивление и тем выше ток.

Группировка компонентов

На печатной плате резисторы зачастую расположены близко друг к другу. В таком случае тепловое излучение одного резистора будет оказывать влияние на показатель мощности рядом расположенных резисторов.

В заключении хотелось бы отметить, что для большинства электронных схем номинальная мощность резисторов не является ключевым параметром, поскольку эти резисторы рассеивают малое количество энергии от одного ватта и меньше.

Поток электронов также обусловлен длиной проводника; для двух кабелей одного и того же материала, более длинный будет обеспечивать большую устойчивость к проводимости. Мы можем ассимилировать этот эффект на то, что происходит в водопроводной трубе: чем дольше труба, тем больше она будет оказывать сопротивление проходу воды, заставляя ее увеличивать мощность насоса, который его водит.

То же самое происходит с кабелями, которые поступают в наш дом с электростанции, которая должна проехать много километров, поэтому их нужно строить с материалами, которые обеспечивают наименьшее возможное сопротивление. В этом случае также используются другие методы для минимизации сопротивления, такие как увеличение диаметра проводника или воспроизведение значений напряжения и тока на панели управления и по прибытии в абонентскую точку.

Однако в силовой электронике мощность является важной характеристикой. Типичной областью применения мощных резисторов являются источники питания, динамические тормоза, преобразователи мощности, усилители и нагреватели.

Минимальный набор параметров, который следует знать при выборе резистора — это номинальное сопротивление, допусимая мощность рассеивания, максимально допустимое напряжение. Но есть еще и расширенный набор характеристик, которые можно учитывать.

Для двух равных материалов длина влияет на проводимость электронов. Когда мы изучим закон Ома позже, мы увидим причину, по которой большие протяженные распределения электрической энергии, которые могут работать на сотни километров, являются высоким напряжением. Это технический вопрос, позволяющий свести к минимуму проблему электрического сопротивления и уровня тока на таких расстояниях.

Электрические распределительные линии используют высокие напряжения, чтобы справиться с проблемой сопротивления и уровнем тока на больших расстояниях. Не вдаваясь теперь в подробности применения закона Ома, мы говорим, что при той же мощности, повышающей напряжение до заданного значения, можно уменьшить ток в той же пропорции, то есть поставляемая мощность будет одинаковой. Это позволяет нам передавать через высоковольтную линию более низкую интенсивность тока, и, следовательно, кабель может быть намного тоньше.

Для нас, радиогубителей, это излишняя информация. Но плох тот радиогубитель, который не хочет стать генералом хочет знать мало.

Не бывает резисторов со 100% точным значение сопротивления. Это миф. На 0.5% да отличается. Не дошла пока что технолоия до такого уровня. Поэтому подбирая резисторы для своего устройства следует знать, что значение их номинала может отличаться от заявленного маркировкой на от 0.5% до 10%. Поэтому при покупке следует внимательно читать какой у этих резисторов допуск на точность. Есть ещё одна особенность, связання с точностью номинала резистора. Чем меньше допуск (т.е выше точность номинала), тем уже рабочий диапазон температур. Практически все электронные компоненты зависят от температуры. И с её изменением меняется их номинал. Но об этом чуть позже.

При более высоком напряжении, присутствующем в кабеле с наименьшим током, нам необходимо отправить его, чтобы получить такую ​​же мощность по прибытии в пункт назначения. Затем, по прибытии, необходимо только уменьшить напряжение через трансформаторы, и ток снова повысится в той же пропорции, чтобы поддерживать первоначальную мощность. Без этого метода электрические распределительные кабели должны быть чрезвычайно толстыми, чтобы не только выдерживать огромное количество тока через них, но и компенсировать сопротивление из-за длины кабеля.

Я общеал рассказать как можно увеличить точность резистора. Это очень легко. К примеру, у нас есть резистор с номинало по маркировке в 30кОм с допуском 20%. Измеряем, а на деле он оказался 24кОм. Что делать? Значит надо последовательно с этим резистором включить второй на 6 кОм. Выбираем наиболее близкий по значению к 6 кОм: 4.7 +- 20%

Хорошо, но почему я сказал, что допуск уменьшится? Давай посчитаем.

Как было показано в других главах, температура соединения оказывает решающее влияние на поведение соединения, поэтому это будет важным параметром для контроля, поскольку объединение может быть разрушено из-за избыточной температуры то же самое, в дополнение к более высокой температуре того же самого, изменяет его управляющие характеристики, что также может привести к разрушению.

Поэтому очень важно, чтобы тепло, которое при нормальной работе происходит в суставе, может быть эвакуировано наружу с помощью радиаторов с естественной вентиляцией или принудительной вентиляцией. Таким образом, полупроводник сможет выдерживать большую мощность, больший ток через него без разрушения, кроме того, более устойчив к конкретным изменениям интенсивности.

• Rmax = 24 + 4.7*1.2 = 29.64
• Rmin = 24 + 4.7*.8 = 27.75

Если начальный разброс был от 24 до 36 кОм, то теперь он от 27.75 до 29.64. Это мы рассмотрели случай, когда исходное сопротивление было меньше требуемого. В случае, если оно больше (к примеру, 36 кОм) резисторы следует ставить параллельно.

Допустимая мощность рассеивания

Как я уже писал ранее , если по резистору протекает электрический ток, то он нагревается. Чем больше ток, тем “мощней” надо брать резистор. Маломощный резистор при протекании большого ток просто сгорит. Полыхнет синим пламенем, попрощается и умрёт. Резисторы выпускаются расчитанные на: 1/6Вт, 1/4Вт, 1/2Вт, 1Вт, 2Вт, 5Вт, 7Вт, 10Вт и т.д. Как мы помним из закона Ома: P=I 2 *R — помните и пользуйтесь этим законом, он спасает жизни!

Исследование основных параметров резисторов

Тепловое исследование силовых устройств является основополагающим для оптимальной производительности. Это связано с тем, что в каждом полупроводнике поток электрического тока приводит к потере энергии, которая преобразуется в тепло. Тепло вызывает увеличение температуры устройства. Если это увеличение является чрезмерным и неконтролируемым, это изначально приведет к сокращению срока полезного использования элемента, а в худшем случае он его уничтожит.

В силовой электронике охлаждение играет очень важную роль в оптимизации производительности и срока службы силового полупроводника. В любом полупроводнике поток электрического тока приводит к потере энергии, которая преобразуется в тепло. Это связано с неупорядоченным движением во внутренней структуре сустава. Тепло повысит кинетическую энергию молекул, что приведет к повышению температуры в устройстве; если это увеличение является чрезмерным и неконтролируемым, это приведет к сокращению срока службы устройства и, в худшем случае, его разрушению.

Максимально допустимое напряжение

Если приложить слишком большое напряжение к резистору, то можно превысить его допустимую мощность. Получим чих-пых, синее пламя и дым.

Пример. Какое максимальное напряжение можно приложить к резистору мощностью 1/4 Вт? Пользуемся законом Ома: 1/4 = 250 2 /R = 250 кОм.

Температурный коэффициент

Температура влияет на все электронные детали. На какие-то больше, на какие-то меньше. Резисторы не исключение. Резисторы имеют специальный коэффициент ТКС. Он определяет как изменится сопротивление резистора с изменением температуры. Желательно подбирать резисторы со схожим значением ТКС. Но в радиогубительских конструкциях радиолюбители могут не заморачиваться. Пусть об этом греют голову профессионалы. Для них это дело чести, если финансирование позволяет, конечно:)

Именно по этой причине эвакуация тепла, выделяемого в полупроводнике, имеет большое значение для обеспечения правильной работы и продолжительности работы устройства. Способность эвакуировать тепло в окружающую среду может варьироваться в зависимости от типа капсулы, но в любом случае будет слишком малой, поэтому вам потребуется дополнительная помощь для переноса тепла, рассеиваемого устройством с большим объемом и поверхностью, известной как теплоотвод, который действует как мост для эвакуации тепла из капсулы в окружающую среду.

Формы теплопередачи

Опыт показывает, что тепло, выделяемое источником тепла, распространяется по всему пространству вокруг него. Эта передача тепла может осуществляться тремя способами. Это осуществляется путем передачи кинетической энергии между молекулами, т.е. передается через внутреннюю часть тела, устанавливая циркуляцию тепла. Максимальное количество тепла, которое пройдет через указанное тело, будет тем, для которого стабильная температура получается во всех точках тела. Конвекция: тепло твердого элемента передается циркуляцией жидкости, которая его окружает, и переносит ее в другое место, и этот процесс называется естественной конвекцией. Если циркуляция жидкости вызвана внешней средой, называется принудительной конвекцией. Радиация: тепло передается электромагнитными излучением, которое облучается любым телом, температура которого выше нуля градусов Кельвина. Состояние поверхности сильно влияет на количество излучаемого тепла. Матовые поверхности более благоприятны, чем полированные, а черные тела – с наибольшей мощностью излучения, поэтому лучистая поверхность почернела. Передача тепла радиацией не учитывается, так как при температурах, при которых она работает, это незначительно.

Параметры, участвующие в расчете

• Вождение: это основное средство теплопередачи.
• При таком типе передачи необходимо учитывать теплопроводность веществ.

Для того чтобы полупроводник рассеивал подходящую мощность, температура соединения должна поддерживаться ниже максимума, указанного изготовителем.

Шум в резисторах

При температуре выше абсолютного нуля в радиодеталях появляется случайное движение электронов. А движение электронов это ток. Такие случайны токи называются шумом. Их значение очень мало. Но чем выше частота или точность собираемого прибора, тем больше следует на них обращать внимание.

Шумы в резисторах зависят от сопротивления, частоты и температуры: Uшум = √ 4kTRπf — формулы бояться не следует. Всё равно пользоваться не будете =) Так как обычно графики распределния шумов деталей пишутся в паспортах к ним (или в даташитах, как сейчас говорят). Так что можно посмотреть и оценить пригодность резистора к своему устройству.

Мощность резисторов поверхностного монтажа Конструирование и…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про мощность резисторов поверхностного монтажа, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое мощность резисторов поверхностного монтажа , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

Основным параметром резистора является его номинал сопротивления. Не менее важным параметром резистора является предельная мощность, которую он может выдержать. Этот параметр в основном зависит от габаритов резистора и материалов, из которых он изготовлен. Большие габариты резистора увеличивают его площадь, и как следствие улучшают теплообмен с окружающей средой (обычно воздух). Более теплостойкие материалы позволяют резисторо работать при более высокой температуре, что увеличивает теплоотдачу резистора в окружающее пространство.

Мощность, выделяемую на резисторе при протекании тока, можно определить по следующей формуле:

С распространением полупроводниковой техники расчет мощности резисторов практически перестали выполнять, так как мощности, рассеиваемые на них стали меньше минимальной рассеиваемой мощности выпускающихся резисторов. В настоящее время ситуация снова изменилась. Широко стали применяться резисторы поверхностного монтажа (smd резисторы). Предельная допустимая мощность этих резисторов уменьшилась. Поэтому при расчете схемы электрической принципиальной снова приходится учитывать мощность, выделяемую на резисторе, и подбирать соответствующий типономинал размеров резистора поверхностного монтажа. Типовые значения мощности резисторов поверхностного монтажа (smd резисторов) приведены в таблице 1 Основные размеры резисторов поверхностного монтажа.

таблице 1 Основные размеры резисторов поверхностного монтажа.

Любой Резистор в электронной схеме тоже в той или иной мере нагревается . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При прохождении через проводник электрический ток оказывает тепловое действие — проводник нагревается. Степень нагрева определяется величиной тока и сопротивлением в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Q = I²*R*t, где Q – количество теплоты, I – сила тока, R – сопротивление, t — время

Через резисторы могут проходить различные токи, поэтому на них может рассеиваться различная мощность. Тепловая мощность рассеивается в виде излучения. Интенсивность излучения определяется в том числе и площадью поверхности излучения. Поэтому, чтобы рассеять бОльшую мощность, требуется бОльшая поверхность излучения, и, соответственно, бОльшие габариты резистора.

Иногда за счет конструкции smd резистора возможно рассеивать выделяющееся в процессе протекания тока тепло через его выводы. В этом случае печатная плата под резистором поверхностного монтажа должна иметь повышенную теплопроводность, тогда участок печатной платы под резистором поверхностного монтажа будет служить в качестве радиатора, рассеивающего дополнительное тепло. В многослойной печатной плате повышенную теплопроводность можно получить при помощи металлических полигонов под резистором поверхностного монтажа в ее внутренних слоях. На рисунке 1 приведен чертеж металлизированных площадок, предназначенных для отвода тепла от резистора поверхностного монтажа (smd резистора).

Рисунок 1. Дополнительные площадки для рассеивания мощности от резистора поверхностного монтажа (верхний слой)

Рисунок 2. Дополнительные площадки для рассеивания мощности от резистора поверхностного монтажа (внутренние слои и тыльный слой)

Подобная конструкция печатной платы может работать как металлический медный радиатор, отводящий тепло от резистора поверхностного монтажа (smd резистора) 1 см2 позволяет рассеивать около 1 Вт. Более точные расчеты отвода тепла ведутся через понятие теплового сопротивления. Тепловое сопротивление можно определить по следующей формуле:

где (Tj−Tp) — разница между температурой резистора и температурой точки пайки;
        Pr — мощность, рассеиваемая на резисторе.

Тепловое сопротивление резистора является справочным параметром и его можно определить из спецификации изделия (datasheet).

Подобным же образом определяется и сопротивление между точкой пайки и печатной платой. График зависимости теплового сопротивления печатной платы приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость теплового сопротивления от площади металлизированных площадок на печатной плате

В ряде случаев для улучшения отвода тепла от участка печатной платы под smd резистором прикрепляется радиатор. Подобное решение приведено на рисунке 4

Рисунок 4. Дополнительный отвод тепла от резистора при помощи радиатора

Для мощных устройств были разработаны специальные резисторы поверхностного монтажа в корпусах TO220 и TO221. Данные корпуса резисторов позволяют рассеивать мощность до 1,5 Вт. Резисторы в корпусе TO220 можно монтировать на радиаторы для увеличения рассеиваемой мощности. В этом случае мощность, рассеиваемая резистором, в корпусе TO220 может достигать 50 Вт. Внешний вид мощных резисторов поверхностного монтажа приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Внешний вид мощных резисторов поверхностного монтажа

Подобные резисторы могут применятся в составе аттенюаторов, ослабляющих мощность сигнала радиопередатчика.

Рассеиваемая мощность резисторов SMD и его размера

Статью про мощность резисторов поверхностного монтажа я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое мощность резисторов поверхностного монтажа и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятелно рекомендую изучить комплексно всю информацию в категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

Формула сопротивления резистора – jelectro.ru

Резисторы применяются практически во всех электросхемах. Это наиболее простой компонент, в основном, служащий для ограничения или регулирования тока, благодаря наличию сопротивления при его протекании.

Резисторы

Виды резисторов

Внутреннее устройство детали может быть различным, но преимущественно это изолятор цилиндрической формы, с нанесённым на его внешнюю поверхность слоем либо несколькими витками тонкой проволоки, проводящими ток и рассчитанными на заданное значение сопротивления, измеряемое в омах.

Существующие разновидности резисторов:

1. Постоянные. Имеют неизменное сопротивление. Применяются, когда определенный участок электроцепи требует установки заданного уровня по току или напряжению. Такие компоненты необходимо рассчитывать и подбирать по параметрам;
2. Переменные. Оснащены несколькими выводными контактами. Их сопротивление поддается регулировке, которая может быть плавной и ступенчатой. Пример использования – контроль громкости в аудиоаппаратуре;
3. Подстроечные – представляют собой вариант переменных. Разница в том, что регулировка подстроечных резисторов производится очень редко;
4. Есть еще резисторы с нелинейными характеристиками – варисторы, терморезисторы, фоторезисторы, сопротивление которых меняется под воздействием освещения, температурных колебаний, механического давления.

Важно! Материалом для изготовления практически всех нелинейных деталей, кроме угольных варисторов, применяемых в стабилизаторах напряжения, являются полупроводники.

Параметры резисторного элемента

1. Для резисторов применяется понятие мощности. При прохождении через них электротока происходит выделение тепловой энергии, рассеиваемой в окружающее пространство. Мощность детали является параметром, который показывает, сколько энергии она может выделить в виде тепла, оставаясь работоспособной. Мощность зависит от габаритов детали, поэтому у маленьких зарубежных резисторов ее определяют на глаз, сравнивая с российскими, технические характеристики которых известны;

Важно! Импортные резисторные элементы идентичной мощности имеют несколько меньшие размеры, так как российские производятся с некоторым запасом по этому показателю.

На схеме мощность показана следующим образом.

Условное обозначение мощности

2. Второй параметр – сопротивление элемента. На российских деталях типа МЛТ и крупных импортных образцах оба параметра указываются на корпусе (мощность – Вт, сопротивление – Ом, кОм, мОм). Для визуального определения сопротивления миниатюрных импортных элементов применяется система условных обозначений с помощью цветных полосок;

Цветовая маркировка резисторов

3. Допуски. Невозможно изготовить деталь с номинальным сопротивлением, в точности соответствующим заявленному значению. Поэтому всегда указываются границы погрешности, называемые допуском. Его величина – 0,5-20%;
4. ТКС – коэффициент температуры. Показывает, как варьируется сопротивление при изменении внешней температуры на 1°С. Желательно, но не обязательно подбирать элементы с близким или идентичным значением этого показателя для одной цепи.

Расчет резисторов

Для расчета сопротивления резистора формула применяемая в первую очередь – это закон Ома:

I = U/R.

Исходя из этой формулы, можно вывести выражение для сопротивления:

R = U/I,

где U – разность потенциалов на выводных контактах резистора.

Пример. Необходимо провести зарядку аккумулятора 2,4 В зарядным током 50 мА от автомобильной 12-вольтовой батареи. Прямое соединение сделать нельзя из-за слишком высоких показателей по току и напряжению. Но возможно поставить в схему сопротивление, которое обеспечит нужные параметры.

Предварительно нужно рассчитать резистор:

• Расчет начинается с определения падения напряжения, которое должен обеспечить резисторный элемент:

U = 12-2,4 = 9,6 B

• Протекающий по детали ток – 50 мА. Следовательно, R = 9,6/0,05 = 192 Ом

Теперь можно уже подобрать нужный резистор по одному показателю.

Если рассчитанной детали не нашлось, можно применить соединение из нескольких резисторных элементов, установив их последовательно или параллельно. Расчет сопротивлений при этом имеет свои особенности.

Последовательное соединение

Последовательно соединенные сопротивления складываются:

R = R1+ R2.

Если нужно получить общий результат 200 Ом, и имеется один резистор на 120 Ом, то расчет другого:

R2 = R-R1 = 200-120 = 80 Ом.

Последовательное соединение

Параллельное соединение

При параллельной схеме другая зависимость:

1/R = 1/R1 + 1/R2.

Или преобразованный вариант:

R = (R1 x R2)/ (R1 + R2).

Важно! Параллельное соединение можно использовать, когда в наличии детали с большим сопротивлением, чем требуется, последовательное наоборот.

Пример. Необходимо сопротивление 200 Ом. Имеется деталь R2 на 360 Ом. Какое сопротивление подобрать еще? R1 = R2/(R2/R-1) = 360/(360/200-1) = 450 Ом.

Параллельное соединение

Смешанное соединение

В смешанных схемах присутствуют последовательно-параллельные комбинации. Расчет таких схем сводится к их упрощению путем преобразований. На рисунке ниже представлено, как упростить схему, рассчитывая общий показатель для шести резисторов с учетом их соединения.

Расчет сопротивления в смешанной схеме

Мощность

Определив сопротивление, еще нельзя выбрать деталь. Чтобы обеспечить надежную работу схемы, необходимо найти и другой параметр – мощность. Для этого надо знать, как рассчитать мощность резисторного элемента.

Формулы, по которым можно рассчитать мощность резистора:

Пример. I = 50 мА; R = 200 Ом. Тогда P = I² x R = 0,05² x 200 = 0,5 Вт.

Если не учитывать значение тока, расчет мощности резистора ведется по другой формуле.

Пример. U = 9,6 В, R = 200 Ом. P = U²/R = 9,6²/200 = 0,46 Вт. Получился тот же результат.

Теперь, зная точные параметры рассчитываемого резисторного элемента, подберем радиодеталь.

Важно! При выборе деталей возможно их заменить на резисторы с мощностью, больше рассчитанной, но обратный вариант не подходит.

Это основные формулы для расчета резисторных деталей, на основании которых производится анализ узлов схемы, где главным является определение токов и напряжений, протекающих через конкретный элемент.

Видео

Оцените статью:

Понимание силовых резисторов и их влияние на решения по управлению температурным режимом

Что вы узнаете:

• Попытка Lotus предоставить LeMans электромобиль с возможностью горячей замены к 2030 году.
• Успех автопроизводителя NIO модель “аккумулятор как услуга” (BaaS).
• Усилия Китая по стандартизации замены батарей.

Lotus представила исследование дизайна электрического гонщика на выносливость – цель состоит в том, чтобы он участвовал в гонках в Ле-Мане и других трассах в сезоне 2030 года.Среди планируемых инноваций Lotus E-R9 – электродвигатель для каждого колеса и панели кузова, похожие на самолет, которые могут изменять свою форму по мере необходимости, чтобы обеспечить минимальное сопротивление на прямых и максимальную прижимную силу в поворотах.

Из всех предложенных функций наиболее любопытным было то, что инженеры Lotus решили использовать батарею с возможностью горячей замены, которая могла быть заменена бригадой шахты с небольшой механической помощью, аналогично тому, как пополняется топливо.

Концептуальный гоночный автомобиль Lotus ER-9 Le Mans имеет подвижные аэродинамические поверхности и полностью заменяемый аккумулятор.

Во время гонки Ле-Ман автомобиль будет останавливаться для заправки примерно каждые 45 минут, всего около 30 раз. Это означает, что автомобиль должен проехать около 100 миль до дозаправки, чтобы быть конкурентоспособным. Однако технология аккумуляторов продвинулась только до такой степени, что она имеет смысл для более коротких (около 45 минут) гонок, как в текущей серии Formula E. К 2030 году в Lotus считают, что проблема будет решена.

«Плотность энергии аккумуляторов и удельная мощность значительно увеличиваются из года в год.До 2030 года у нас будут батареи со смешанным химическим составом, сочетающие в себе лучшее из обоих миров, а также возможность «горячей замены» батарей во время пит-стопов », – сказал Луис Керр, член команды разработчиков E-R9 и директор. разработчик платформы для Lotus Evija, электрического спортивного автомобиля ограниченного производства и первого электромобиля, который будет представлен и произведен компанией. заправка »не новость.Действительно, в 2013 году Илон Маск продемонстрировал технологию замены аккумуляторов Tesla на своей модели S. Однако, когда Tesla открыла станцию ​​замены аккумуляторов в Калифорнии, она была готова заменить энергетические элементы автомобиля на полностью заряженные, а не полагаться на быструю зарядку. станций, владельцы отказались от концепции замены батарей. Лишь небольшое количество автомобилей было ввезено для замены аккумуляторов.

Успешный обмен в Китае

Тем не менее, идея, похоже, работает в Китае, крупнейшем рынке электромобилей в мире с 3.1 миллион электромобилей в активном использовании. NIO, публичный автопроизводитель, основанный в 2014 году и базирующийся в Шанхае, успешно внедряет бизнес-модель с заменой батарей. Клиенты китайского бренда могут купить только автомобиль, выбрать BaaS (Battery as a Service) и выбрать лучший аккумулятор для своих нужд: например, 70 кВтч или более новый 100-кВтч.

Замена батареи также повышает вероятность того, что, поскольку потребители не будут владеть батареей – она ​​будет сдаваться в аренду до замены – автопроизводители могут снизить общую стоимость электромобиля. Аккумуляторы – одна из самых дорогих частей электромобиля. Например, модель подписки NIO BaaS отделяет стоимость батареи от покупной цены своих транспортных средств. Используя модель BaaS, клиенты могут покупать автомобили NIO ES8, ES6 или EC6 без аккумулятора, арендовать аккумуляторы разной емкости и ежемесячно вносить плату за аккумулятор в соответствии с их фактическими потребностями.

Показана аккумуляторная батарея NIO на станции замены аккумуляторов компании.

Программа NIO без аккумуляторов для своей батареи на 70 кВтч может сэкономить покупателям 10 000 долларов на стоимости автомобиля.В настоящее время пакет на 70 кВт · ч стоит около 145 долларов в месяц.

С питанием от батареи емкостью 100 кВтч, диапазон моделей NIO теперь может достигать 615 км (382 миль). Покупка автомобиля NIO со 100-киловаттной батареей с использованием BaaS приводит к вычету из цены автомобиля 128 000 юаней (19 732 доллара США) с абонентской платой за аккумулятор в размере 1480 юаней (228 долларов США) в месяц.

NIO добилась такого успеха, которого не достиг ни один другой автопроизводитель в мире. Его сервис по замене аккумуляторов электромобилей в Китае, получивший название NIO Power, превзошел 1.1 миллион обменов. NIO также увеличила размер своей сети с заменой батарей до 158 и планирует построить еще 300 в 2021 году, поскольку автопроизводитель подписал несколько соглашений, призванных еще больше увеличить это число.

Например, NIO имеет соглашение с State Grid EV Service, подразделением китайского государственного распределителя электроэнергии, о строительстве 100 станций по всему Китаю и соглашение о стратегическом сотрудничестве с ведущим китайским розничным продавцом мебели Red Star Macalline для совместного строительства Станции зарядки электромобилей и замены аккумуляторов.В соответствии с последним соглашением стороны в этом году совместно построят 60 таких станций.

NIO построила свою первую станцию ​​с заменой батарей в мае 2018 года. Каждая станция имеет пять мест для сменных батарей. Замена разряженных батарей полностью заряженными на станции NIO Power Swap занимает в среднем от трех до пяти минут. Это примерно столько же времени, сколько нужно для заправки бензина на СТО.

Последние новости от NIO

Во время празднования Дня NIO в начале января компания представила аккумуляторный блок емкостью 150 кВтч и станцию ​​замены аккумуляторов второго поколения.

В новом аккумуляторном блоке плотность энергии повышена до 360 Втч / кг благодаря гибридному электролиту, композитному аноду из неорганического Si / C и катоду с высоким содержанием никеля с нанопокрытием. Эта батарея увеличит дальность действия нового ES8 до 850 км, ES6 до 900 км, EC6 до 910 км и ET7 до 1000 и более км.

Станция замены батарей второго поколения NIO вмещает 13 батарей, что позволяет производить до 312 услуг по замене в день. NIO заявила, что ожидает, что к концу 2021 года количество ее станций по замене батарей в Китае достигнет 500.В настоящее время BaaS охватывает 64 города в Китае, и NIO каждую неделю строит в Китае новую станцию ​​по замене аккумуляторов.

Помимо NIO, BAIC BJEV, подразделение по производству электромобилей Beijing Automotive Group (BAIC) и State Grid EV, китайская государственная электроэнергетическая компания, сотрудничают в бизнесе по замене аккумуляторов с целью совместного создания 100 станции замены аккумуляторов и обслуживающие не менее 10 000 автомобилей с заменяемыми батареями до июня 2021 года.

Роль в правительстве

Одним из сдерживающих факторов полномасштабной попытки широко распространить замену аккумуляторов в Китае является то, что Министерство финансов Китая в этом году сократить субсидии на электромобили на 20%; стандартная сумма, возмещаемая покупателям в прошлом году, составляла примерно 18 000 юаней (2 800 долларов США).Эта скидка теперь будет снижена примерно до 2220 долларов. Срок прекращения субсидии Пекина – 2022 год.

Чтобы обеспечить безопасный процесс замены батарей, китайское правительство работает над стандартизацией услуг по замене батарей, стремясь установить общие отраслевые стандарты для этой процедуры. Это важно, поскольку китайские производители электромобилей, предоставляющие услуги по замене аккумуляторов, в том числе BJEV и NIO, имеют разные модели аккумуляторов, а это означает, что владельцы электромобилей могут менять свои аккумуляторы только на станциях своего собственного бренда.

Техническое соответствие, необходимое для обслуживания нескольких типов аккумуляторных транспортных средств, является трудным. Однако ее можно преодолеть, работая с чем-то вроде парка такси, в котором все такси одинаковы.

В результате отраслевые обозреватели ожидают, что увидят, что замена батарей закрепится за роботами-такси и парками с долевым участием. Например, крупнейший в Китае производитель чисто электрических автомобилей BAIC BJEV владеет 206 станциями для замены аккумуляторов в 19 городах Китая.Станции в основном обслуживают таксомоторный парк компании.

Аналогичным образом, компания Bluepark Intelligence Energy Technology, дочерняя компания группы компаний BAIC, занимающаяся технологиями производства аккумуляторов, имеет 187 станций по замене аккумуляторов в 15 городах Китая. Операция по замене аккумуляторов Bluepark обслуживает в основном такси, а также сети каршеринга; обслуживает 16 000 электрических такси. Одним из инвесторов BluePark Intelligence является SK Future Energy Shanghai, стопроцентная дочерняя компания SK Innovation из Кореи, которая, в свою очередь, является частью корейского конгломерата SK Group.

Основы: Рассеивание мощности и электронные компоненты

Постоянно существующей проблемой в проектировании электронных схем является выбор подходящих компонентов, которые не только выполняют свои намеченные задачи, но и выживут в предсказуемых условиях эксплуатации. Большая часть этого процесса – убедиться, что ваши компоненты будут оставаться в пределах своих безопасных рабочих ограничений с точки зрения тока, напряжения и мощности. Из этих трех «силовая» часть часто является самой сложной (как для новичков, так и для экспертов), потому что безопасная рабочая зона может очень сильно зависеть от особенностей ситуации.

Далее мы познакомим вас с некоторыми из основных концепций рассеяния мощности в электронных компонентах, чтобы понять, как выбирать компоненты для простых схем с учетом ограничений мощности.

– НАЧАЛО ПРОСТОГО –

Давайте начнем с одной из самых простых схем, которую только можно вообразить: батарея, подключенная к единственному резистору:

Здесь у нас одна батарея на 9 В и одна батарея на 100? (100 Ом) резистор, соединенный проводами, чтобы сформировать полную цепь.

Достаточно просто, правда? Но теперь вопрос: если вы действительно хотите построить эту схему, насколько «большой» из 100? резистор нужно ли использовать, чтобы убедиться, что он не перегревается? То есть, можем ли мы просто использовать «обычный» резистор ¼ W, как показано ниже, или нам нужно увеличить?

Чтобы это выяснить, нам необходимо рассчитать мощность, рассеиваемую резистором.
Вот общее правило для расчета рассеиваемой мощности:

Правило питания: P = I × В
Если ток I протекает через данный элемент в вашей цепи, теряя при этом напряжение В , то мощность, рассеиваемая этой схемой Элемент является произведением этого тока и напряжения: P = I × V .

В сторону :
Каким образом ток, умноженный на напряжение, может дать нам измерение «мощности»?

Чтобы понять это, нам нужно помнить, что физически представляют ток и напряжение.

Электрический ток – это скорость протекания электрического заряда через цепь, обычно выражаемая в амперах, где 1 ампер = 1 кулон в секунду. (Кулон – это единица измерения электрического заряда в системе СИ.)

Напряжение или, более формально, электрический потенциал – это потенциальная энергия на единицу электрического заряда через рассматриваемый элемент схемы.В большинстве случаев вы можете думать об этом как о количестве энергии, которое «расходуется» в элементе на единицу проходящего заряда. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах, где 1 вольт = 1 джоуль на кулон. (Джоуль – единица энергии в системе СИ.)

Итак, если мы возьмем ток, умноженный на напряжение, это даст нам количество энергии, которое «израсходовано» в элементе на единицу заряда, умноженное на количество единиц заряда, проходящих через элемент в секунду. :

1 ампер × 1 вольт =
1 (кулон / секунда) × 1 (джоуль / кулон) =
1 джоуль / секунда

Результирующая величина выражается в единицах один джоуль в секунду: скорость потока энергии, более известная как мощность.Единица измерения мощности в системе СИ – ватт, где 1 ватт = 1 джоуль в секунду.

Итак, у нас есть

1 ампер × 1 вольт = 1 ватт

Снова на нашу трассу! Чтобы использовать правило мощности ( P = I × V ), нам нужно знать как ток через резистор, так и напряжение на резисторе.

Во-первых, мы используем закон Ома ( В, = I, × R ), чтобы найти ток через резистор.
• Напряжение на резисторе В = 9 В.
• Сопротивление резистора R = 100 Ом.

Следовательно, ток через резистор равен:

I = В / R = 9 В / 100? = 90 мА

Затем мы можем использовать правило мощности ( P = I × V ), чтобы найти мощность, рассеиваемую резистором.
• Ток через резистор I = 90 мА.
• Напряжение на резисторе В = 9 В.

Следовательно, мощность, рассеиваемая на резисторе, составляет:

P = I × В = 90 мА × 9 В = 0,81 Вт

Так вы можете использовать резистор на 1/4 Вт?

Нет, потому что он, скорее всего, выйдет из строя из-за перегрева.
100? резистор в этой схеме должен быть рассчитан не менее чем на 0,81 Вт. Обычно выбирается следующий больший доступный размер, в данном случае 1 Вт.

Резистор мощностью 1 Вт обычно поставляется в гораздо более крупном физическом корпусе, как показано здесь:

(1 Вт, резистор 51 Ом, для сравнения размеров.)

Поскольку резистор на 1 Вт физически намного больше, он должен быть в состоянии справиться с рассеиванием большей мощности за счет большей площади поверхности и более широких выводов. (Он все еще может сильно нагреваться на ощупь, но не должен нагреваться настолько, чтобы выйти из строя.)

Вот альтернативное расположение, которое работает с четырьмя 25? резисторы в серии (а в сумме все равно 100?).В этом случае ток через каждый резистор по-прежнему составляет 90 мА. Но поскольку на каждом резисторе имеется только четверть напряжения, на каждом резисторе рассеивается только четверть меньшей мощности. Для этого достаточно, чтобы четыре резистора были рассчитаны на 1/4 Вт.

В сторону: прорабатываем этот пример.

Поскольку четыре резистора включены последовательно, мы можем сложить их значения, чтобы получить их общее сопротивление, равное 100 Ом. Использование закона Ома с этим общим сопротивлением снова дает нам ток 90 мА.И снова, поскольку резисторы включены последовательно, одинаковый ток (90 мА) должен течь через каждый обратно к батарее. Напряжение через каждые 25? резистор тогда В = I × R , или 90 мА × 25? = 2,25 В. (Чтобы еще раз убедиться, что это разумно, обратите внимание, что напряжения на четырех резисторах в сумме составляют 4 × 2,25 В = 9 В.)

Мощность на каждого человека 25? резистор P = I × В = 90 мА × 2,25 В? 0,20 Вт, безопасный уровень для использования с резистором 1/4 Вт.Интуитивно понятно, что если разделить 100? резистор на четыре равные части, каждая из которых должна рассеивать четверть общей мощности.

– ЗА РЕЗИСТОРАМИ –

Для нашего следующего примера давайте рассмотрим следующую ситуацию: предположим, что у вас есть схема, которая принимает входной сигнал от источника питания 9 В и имеет встроенный линейный регулятор для понижения напряжения до 5 В, где все работает. Ваша нагрузка на конце 5 В может достигать 1 А.

Как выглядит мощность в этой ситуации?

Регулятор, по сути, действует как большой переменный резистор, который регулирует свое сопротивление по мере необходимости для поддержания постоянного выходного напряжения 5 В. Когда выходная нагрузка составляет 1 А, выходная мощность, обеспечиваемая регулятором, составляет 5 В × 1 А = 5 Вт, а мощность, потребляемая в цепи источником питания 9 В, составляет 9 Вт. Напряжение, падающее на стабилизаторе. составляет 4 В, а при 1 А, это означает, что 4 Вт рассеивается линейным регулятором – также разница между входной и выходной мощностью.

В каждой части этой схемы соотношение мощности задается следующим образом: P = I × В . Две части – регулятор и нагрузка – это места, где рассеивается мощность. А в части цепи, подключенной к источнику питания, P = I × V описывает мощность , вводимую в систему – напряжение увеличивается на по мере прохождения тока по источнику питания.

Кроме того, стоит отметить, что мы, , не сказали , какая нагрузка тянет этот 1 А.Энергия потребляется, но это не обязательно означает, что она преобразуется в (просто) тепловую энергию – например, это может быть питание двигателя или набора зарядных устройств для аккумуляторов.

Помимо:
Хотя линейный стабилизатор напряжения, подобный этой, является очень распространенной установкой для электроники, стоит отметить, что это также невероятно неэффективная схема : 4/9 входной мощности просто сгорает как тепло, даже при работе на более низких токах.

– КОГДА НЕТ ПРОСТОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ «МОЩНОСТЬ» –

Далее, немного более сложная часть: убедиться, что ваш регулятор может справиться с мощностью. В то время как на резисторах четко указана их мощность, на линейных регуляторах это не всегда. В нашем примере с регулятором выше предположим, что мы используем регулятор L7805ABV от ST (таблица здесь).

(Фото: Типичный корпус TO-220, тип, который обычно используется для линейных регуляторов средней мощности)

L7805ABV – линейный стабилизатор 5 В в корпусе TO-220 (аналогичный показанному выше), рассчитанный на 1.Выходной ток 5 А и входное напряжение до 35 В.

Наивно, вы можете предположить, что вы можете подключить это прямо к входу 35 В и рассчитывать на выход 1,5 А, что означает, что регулятор будет излучать мощность 30 В * 1,5 А = 45 Вт. Но это крошечный пластиковый пакет; на самом деле он не может справиться с такой большой мощностью. Если вы посмотрите в таблицу в разделе «Абсолютные максимальные характеристики», чтобы попытаться определить, с какой мощностью он может справиться, все, что там написано, является «внутренним ограничением», что само по себе далеко не ясно.

Оказывается, существует фактическая номинальная мощность, но обычно она несколько «спрятана» в таблице данных. Вы можете понять это, посмотрев на пару связанных спецификаций:

• T _OP , Диапазон рабочих температур перехода: от -40 до 125 ° C

• R _thJA , Термическое сопротивление переход-окружающая среда: 50 ° C / Вт

• R _thJC , Термическое сопротивление переходной коробки: 5 ° C / Вт

Рабочий диапазон температур перехода, T _OP , определяет, насколько горячим может быть «переход» – активная часть интегральной схемы регулятора, прежде чем он перейдет в режим теплового отключения.(Тепловое отключение – это внутренний предел, который делает мощность регулятора «внутренне ограниченной».) Для нас это максимум 125 ° C.

Тепловое сопротивление переход-окружающая среда R _thJA (часто обозначается как? _JA ), сообщает нам, насколько нагревается переход, когда (1) регулятор рассеивает заданное количество мощности и (2) регулятор находится внутри на открытом воздухе при заданной температуре окружающей среды. Предположим, нам нужно спроектировать наш регулятор для работы только в скромных коммерческих условиях, температура которых не превышает 60 ° C.Если нам нужно поддерживать температуру перехода ниже 125 ° C, то максимальное повышение температуры, которое мы можем допустить, составляет 65 ° C. Если у нас есть R _thJA 50 ° C / Вт, то максимальная рассеиваемая мощность, которую мы можем допустить, составляет 65/50 = 1,3 Вт, если мы хотим предотвратить переход регулятора в состояние теплового отключения. Это значительно ниже 4 Вт, которые можно было бы ожидать при токе нагрузки 1 А. Фактически, мы можем выдержать только 1,3 Вт / 4 В = 325 мА среднего выходного тока, не отправляя регулятор в состояние теплового отключения.

Это, однако, относится к случаю, когда TO-220 излучает в окружающий воздух – почти наихудшая ситуация. Если мы сможем добавить радиатор или иным образом охладить регулятор, мы сможем добиться большего.

Противоположный конец спектра представлен другой термической спецификацией: корпус с термическим сопротивлением, R _thJC . Это указывает, какую разницу температур можно ожидать между переходом и внешней стороной корпуса TO-220: всего 5 ° C / Вт. Это соответствующий номер , если вы можете быстро отвести тепло от корпуса, например, если у вас есть очень хороший радиатор, подключенный к внешней стороне корпуса TO-220.С большим радиатором и идеальным соединением с этим радиатором при мощности 4 Вт температура перехода повысится всего на 20 ° C по сравнению с температурой вашего радиатора. Это представляет собой абсолютный минимум нагрева, который вы можете ожидать в идеальных условиях.

В зависимости от технических требований вы можете начать с этого момента, чтобы построить полный бюджет мощности, чтобы учесть теплопроводность каждого элемента вашей системы, от самого регулятора до термоинтерфейса между ним и радиатором, к тепловой связи радиатора с окружающим воздухом.Затем вы можете проверить соединения и относительную температуру каждого компонента с помощью бесконтактного инфракрасного термометра с точечным считыванием. Но часто лучше переоценить ситуацию и посмотреть, есть ли лучший способ сделать это.

В данной ситуации можно подумать о переходе на стабилизатор для поверхностного монтажа, который обеспечивает лучшую управляемую мощность (за счет использования печатной платы в качестве радиатора), или, возможно, стоит подумать о добавлении силового резистора (или стабилитрона) до стабилизатор для снижения большей части напряжения за пределами корпуса регулятора , уменьшая нагрузку на него.Или, что еще лучше, посмотрите, есть ли способ построить вашу схему без каскада линейного регулятора с потерями.

– ПОСЛЕ СЛОВА –

Мы рассмотрели основы понимания рассеяния мощности в нескольких простых схемах постоянного тока.

Принципы, которые мы рассмотрели, являются довольно общими и могут использоваться для понимания энергопотребления в большинстве типов пассивных элементов и даже в большинстве типов интегральных схем. Однако существуют реальные ограничения, и можно потратить всю жизнь на изучение нюансов энергопотребления, особенно при более низких токах или высоких частотах, когда малые потери, которыми мы пренебрегли, становятся важными.

В цепях переменного тока многие вещи ведут себя по-разному, но правило мощности все еще сохраняется в большинстве случаев: P (t) = I (t) × V (t) для изменяющихся во времени тока и напряжения. И не все регуляторы работают с потерями: импульсные источники питания могут преобразовывать (например) 9 В постоянного тока в 5 В постоянного тока с КПД 90% или выше – это означает, что при хорошем дизайне может потребоваться всего около 0,6 А при 9 В для производят 5 В при 1 А. Но это уже отдельная история.

Можно ли подсчитать, сколько тепла и повышения температуры произойдет в резисторе

Мощность, подаваемая на резистор, и вся она преобразуется в тепло, – это напряжение на нем, умноженное на ток через него:

P = IV

Где P – мощность, I – ток, а V – напряжение.Ток через резистор зависит от напряжения на нем и сопротивления:

I = V / R

где R – сопротивление. С помощью этого дополнительного соотношения вы можете изменить приведенные выше уравнения, чтобы мощность зависела от напряжения или тока:

P = V ² / R

P = I ² R

Так получилось, что если вы придерживаетесь единиц измерения вольт, ампер, ватт и ом, никаких дополнительных констант преобразования не требуется.

В вашем случае у вас есть 20 В на резисторе 1 кОм:

(20 В) ² / (1 кОм) = 400 мВт

Вот сколько мощности будет рассеивать резистор.

Первый шаг к решению этой проблемы – убедиться, что резистор рассчитан на такую ​​большую мощность. Очевидно, резистор ¼ Вт не подойдет. Следующий распространенный размер – «½ Вт», который теоретически может выдержать такую ​​мощность при соблюдении всех соответствующих условий. Внимательно прочтите техническое описание, чтобы увидеть, при каких условиях ваш резистор ½ Вт может рассеивать ½ Вт.В нем может быть указано, что температура окружающей среды должна быть 20 ° C или ниже с определенной степенью вентиляции. Если этот резистор находится на плате, которая находится в коробке с чем-то другим, рассеивающим мощность, например, источником питания, температура окружающей среды может быть значительно выше 20 ° C. В этом случае резистор «½ Вт» действительно не может выдержать ½ Вт, если, возможно, нет воздуха от вентилятора, активно дующего через его верх.

Чтобы узнать, насколько температура резистора превысит температуру окружающей среды, вам понадобится еще одна цифра – тепловое сопротивление резистора окружающей среде.Это будет примерно одинаково для тех же типов корпусов, но истинный ответ доступен только из таблицы резисторов.

Скажем, просто выбрать число (из ничего не нашел, только пример), что резистор с подходящими медными контактными площадками имеет тепловое сопротивление 200 ° C / Вт. Резистор рассеивает 400 мВт, поэтому его повышение температуры будет примерно (400 мВт) (200 ° C / Вт) = 80 ° C. Если он находится на открытой плате на вашем столе, вы, вероятно, можете рассчитать максимальную температуру окружающей среды 25 ° C, поэтому резистор может достичь 105 ° C.Обратите внимание, что он достаточно горячий, чтобы вскипятить воду, но с большинством резисторов можно справиться при этой температуре. Просто держи палец подальше. Если это на плате в коробке с источником питания, который повышает температуру в коробке на 30 ° C от окружающей среды, то температура резистора может достигать (25 ° C) + (30 ° C) + (80 ° C) = 135 ° С. Это нормально? Не спрашивайте меня, проверьте таблицу данных.

Резисторы

– удельное сопротивление, термическое сопротивление и температурный коэффициент – Блог о пассивных компонентах

R1.1 СОПРОТИВЛЕНИЕ (ρ)

Удельное сопротивление, ρ, – постоянная материала. Чем выше удельное сопротивление материала резистора, тем выше его сопротивление. Подключение можно обозначить как

………………………… [R1-1]

Здесь
R = сопротивление
l = длина проводника
A = площадь проводника.

В зависимости от того, в каких единицах выражаются l и A, мы получаем разные единицы r. Обычный способ – выразить l в м (eter) и A в мм ² r, а затем получить единицу W´mm ² / м.Если вместо этого мы выберем l в м и A в м ² , единицей измерения r будет W´mm ² / м, которая обычно преобразуется в Wm. Это устройство часто используется для неметаллических материалов. Если нам известно значение r, выраженное в Вт´мм ² / м, это значение необходимо умножить на коэффициент 10 ^-6 , чтобы получить значение в Вт · м. Таким образом, 10 ^-6 x Ш × ^{мм 2} / м = 1 Вт · м.

R1.2 СОПРОТИВЛЕНИЕ ЛИСТА (Ом / квадрат)

Рисунок R1-1.Удельное поверхностное сопротивление r (кв.) [Ом / квадрат].

Удельное сопротивление листа – это мера сопротивления на единицу поверхности резистивных пленок. Элемент с квадратной поверхностью, показанный на рисунке R1-1, получает в соответствии с формулой [R1-1] сопротивление:

.

………………… [С1-2]

Таким образом, сопротивление на квадратную единицу, r (sq) , не зависит от размера поверхности. Именно толщина пленки и ее собственное удельное сопротивление определяют r (sq) (выраженное в Ом / квадрат).

R1.3 ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ И ГОРЯЧЕЕ ЗОНО

Рисунок R1-2. Повышение температуры в зависимости от нагрузки. Ta = температура окружающей среды.

Повышение температуры поверхности корпуса резистора зависит от нагрузки, как в принципе показано на Рисунке R1-2. При повышении температуры увеличивается проводимость, излучение и конвекция (охлаждение воздуха) от корпуса резистора, что приводит к выравниванию температурной кривой.

На рисунке R1-3 показано распределение температуры по корпусу резистора.Рассеяние тепла на выводах или выводах SMD снижает температуру на концах. В середине тела мы регистрируем температурный максимум, так называемую температуру Hot Spot . Эта температура определяет как стабильность резистора, так и срок его службы.

Важно, чтобы спиральная или проволочная обмотка была равномерно распределена по всей свободной длине резистора. В противном случае мы получим усиленный эффект горячих точек, угрожающий жизни и стабильности.

Горячие точки имеют жизненно важное значение не только для самого резистора.Тепловое излучение может повлиять на соседние компоненты и печатные платы. Таким образом, убедитесь, что корпус резистора находится на достаточном расстоянии от термочувствительных соседних компонентов.

Рисунок R1-3. Температуры:
Thsp = Температура горячей точки.
Ta = температура окружающей среды.

R1.4 ТЕПЛОВАЯ ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЯ, τ _Вт

Рисунок R1-4. Тепловая постоянная времени, τw.

Тепловая постоянная времени, _τw , определяется как время прогрева поверхности резистора до достижения 63% или теоретически (1-1 / e) конечной температуры после ступенчатого увеличения приложенной нагрузки, обычно P _R (Рисунок R1-4).Конечно, постоянная времени сильно зависит от размера корпуса резистора. Маленькое тело быстрее нагреется, чем большое. В таблице R1-1 указаны стандартные значения для некоторых размеров, классифицированных по DIN.

Таблица R1- 1 . Примеры тепловых постоянных времени и тепловых сопротивлений.

Размер DIN [1]	0204	0207	0414
Температурная постоянная времени, τw (с)	2	5	20
Тепловое сопротивление, R th (К / Вт)	400	250	170

[1] Цилиндрические детали с выводами.

R1.5 ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, R _th

Тепловое сопротивление R _th выражается в К / Вт. Он описывает повышение температуры тела резистора под приложенной нагрузкой. Поскольку излучение вызывает поворот температурной кривой вниз при увеличении нагрузки, данные о R _th относятся к нормализованному монтажу и нагрузке P _R . (См. DIN 44 050). Как показано на Рисунке R3-5, перегрузка по мощности снижает R _th .

Рисунок R1-5.Тепловое сопротивление при перегрузке P _с и номинальной мощности P _R .

В уравнении R1-3 описана связь между R _th и текущими температурами. R _th выражается в K / W, но из-за того, что уравнение имеет дело с разницей между двумя температурами, не имеет значения, используем ли мы ° C или K для обоих значений. Различия будут одинаково большими. K ₂ -K ₁ = [(° C ₂ +273) – (° C ₁ +273)] = ° C ₂ – ° C ₁ .

………… [С1-3]

T _hsp = Температура горячей точки. в К или ° C
T _a = темп. в К или ° C.
P = приложенная нагрузка, Вт.

В Таблице R1-1 приведены некоторые примеры термического сопротивления для стандартных размеров DIN.

R1.6 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ, TCR

Температурный коэффициент сопротивления TCR выражается в ppm / ° C.

……….[R1-4]

Для пояснения TC часто обозначается как TCR, то есть температурный коэффициент сопротивления.

Пределы спецификаций и фактические изменения могут выглядеть так, как показано на следующем рисунке, где показано семейство компонентов.

Рисунок R1-6. Пример указанных лимитов TC и фактических записей.

---

ABC CLR: Глава R Резисторы

Удельное сопротивление, термическое сопротивление и температурный коэффициент

Лицензионный контент EPCI:

[1] EPCI Эксперты Европейского института пассивных компонентов оригинальные статьи
[2] Справочник по пассивным компонентам CLR от P-O.Фагерхольт *

* используется под авторским правом EPCI от CTI Corporation, США

Содержание этой страницы находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.

Применение резисторов мощности

и резистивных нагревателей от Riedon

Силовые резисторы и резистивные нагреватели имеют много общих конструктивных особенностей.В обоих продуктах хорошая тепловая конструкция обеспечивает низкое тепловое сопротивление между элементом и внешней средой. Оба должны быть прочными и надежными.

Силовые резисторы часто используются в нагревателях. Они позволяют дизайнеру направлять тепло на небольшую площадь и контролировать его. Riedon предлагает широкий ассортимент этих резисторов. Если один из наших стандартных резисторов не подойдет, мы можем изменить существующие продукты или создать новые конструкции в соответствии с вашими особыми требованиями.

Силовые резисторы Riedon

используются в различных обогревателях.Они особенно полезны в ситуациях, когда тепло необходимо изолировать или сконцентрировать на небольшой площади.

Например, силовые резисторы Riedon используются для устранения конденсации на установках наружных камер видеонаблюдения. Тепло от резистора поддерживает температуру линзы выше точки росы. Благодаря резисторам, занимающим мало места в корпусе, тепло локализуется для оптимизации энергоэффективности системы. В другом приложении наши резисторы используются для нагрева и контроля температуры образцов в системах анализа крови.

В электронных схемах силовые резисторы отводят тепло к чувствительным полупроводниковым микросхемам и печатным платам, защищая их от повреждений в результате конденсации и холода. В медико-биологических исследованиях для инкубации бактериальных культур используются локальные нагреватели, обеспечивающие жесткий контроль температуры с минимальным выбросом и отсутствием выделения газа. В некоторых системах анализаторов для нагрева образцов используются резисторы.

Хорошая тепловая конструкция имеет решающее значение

Силовые резисторы и нагреватели имеют общее важное конструктивное требование – эффективная тепловая конструкция .В любом продукте хорошая тепловая конструкция обеспечивает низкое тепловое сопротивление между элементом и внешней средой.

Силовые резисторы должны рассеивать тепло, выделяемое током, протекающим через резистивный элемент. Это тепло должно быть отведено от элемента сопротивления и передано в окружающую среду. Эффективность этого процесса имеет решающее значение. Резисторы в современных приложениях должны быть небольшими и надежными. Если тепловая конструкция неэффективна, резистор излишне велик для данной номинальной мощности.Надежность низкая, потому что элемент будет работать при более высокой температуре.

Тепловой КПД нагревателей также должен быть высоким. Низкий тепловой КПД приведет к чрезмерному потреблению энергии, а надежность будет снижена, поскольку элемент должен работать при более высоких температурах. Эффективная теплопередача также улучшает время отклика, обеспечивая лучший контроль температуры и сводя к минимуму тепловой гистерезис и выбросы.

Плотность мощности

При проектировании современного электронного и электрического оборудования большое внимание уделяется размеру и эффективности, поэтому современные силовые резисторы должны быть небольшими.Например, пленочный силовой резистор Riedon TF1220S рассчитан на 25 Вт и имеет монтажную площадь всего 0,21 дюйма2. В качестве нагревателя это соответствует удельной мощности 119 Вт / дюйм2! При номинальном тепловом сопротивлении всего 3,0 ° C / Вт тепловая эффективность очень высока.

9055 9055 9055 9055 9055 9055 9055 9055 9055 9055

Тип	Вт (Вт)	Площадь (дюйм2)	Вт / дюйм2
UAL-5	5	0,3	17
50	1.6	31
PF3220	15	0,2	75
TF1238H	80	1.5	100
SP1185	5	0,2	25
UB-12	10	1.2	8

Другие силовые резисторы Riedon имеют номинальную удельную мощность от менее 10 Вт / дюйм2 до более 50 Вт / дюйм2, а площадь поверхности обычно меньше двух квадратных дюймов.

Надежность

Резисторы

отличаются повышенной прочностью и надежностью. Эти особенности также важны для обогревателей, но часто игнорируются в стандартных конструкциях обогревателей. Для высокой надежности резисторы (и нагреватели) должны быть электрически стабильными и конструктивно прочными.

В конструкциях с низким тепловым сопротивлением элементы охлаждаются, что продлевает срок их службы. Пленочные элементы обычно приклеиваются к анодированной подложке. Проволочные элементы намотаны на сердечники, которые имеют бесцентровую шлифовку для однородности, предотвращения горячих точек и обеспечения равномерного распределения тепла.

Проволока сопротивления

и выводы приварены к торцевым крышкам из нержавеющей стали, а элементы защищены формованными эпоксидными кожухами или силиконовыми покрытиями. Электрическая прочность обычно составляет 1000 В переменного тока или выше.

Индивидуальный дизайн

Riedon может модифицировать существующие конструкции силовых резисторов, чтобы они соответствовали многим специальным приложениям.Например, относительно легко встроить один из наших стандартных силовых резисторов с проволочной обмоткой в ​​специальный корпус. Такой подход представляет собой недорогую альтернативу специальным конструкциям залитых нагревателей. Наши индивидуальные возможности в чем-то уникальны. Riedon фокусируется на требованиях к резисторам малого и среднего объема, в отличие от массового производства товаров. Это позволяет нашей производственной системе легко адаптироваться к индивидуальным проектам и краткосрочным требованиям, обеспечивая при этом высокий уровень обслуживания клиентов по экономичным ценам.Прототипы доставляются быстро при минимальных затратах, а поставка на раннем этапе производства осуществляется быстро. Мы предоставляем те же преимущества нашим клиентам из бизнес-сегмента резистивных нагревателей и термометров сопротивления.

Эффективность, потеря мощности и управление температурным режимом [Analog Devices Wiki]

Цель:

Цель этого упражнения – изучить концепции КПД, потерь мощности, повышения температуры и теплового потока.

Безопасность:

Этот эксперимент касается силовой электроники, и хотя напряжения низкие, а мощность обычно меньше нескольких ватт, устройства и радиаторы могут нагреваться, и если что-то пойдет не так, части могут неожиданно выйти из строя. НАДЕВАЙТЕ ЗАЩИТУ ГЛАЗ, НЕ ПРИКАСАЙТЕСЬ к цепям, когда они работают, и подождите, пока они остынут после отключения питания.

Фон:

Все схемы требуют питания. Смартфон – это пример, близкий к дому; он компактен, надежен (надеюсь) и выполняет удивительный набор функций.Электромобили, блейд-серверы сетевых серверов, авионика, ваш портативный компьютер и микроволновая печь – все это требует питания. Общей чертой большинства современных электронных устройств является то, что их питание не становится проще – требования к точности напряжения, току, размеру, стоимости продвигаются все дальше и дальше. Но ни одна схема преобразования мощности не идеальна, часть мощности будет потеряна в процессе, и именно эта потеря мощности и что с ней делать, будет исследоваться в этой лаборатории.

Когда вы думаете о блоках питания, термин «эффективность» часто является одним из первых параметров, которые приходят на ум.И это один из способов сравнения источников питания, и это, безусловно, важно. Но идея потери мощности часто является более практичным показателем, который следует держать в центре внимания. Почему? Рассмотрим два зарядных устройства для ноутбуков, одно с эффективностью 85%, а другое с эффективностью 90%, что является типичными числами. Хотя платить немного больше за дополнительный бит энергии, необходимый для менее эффективного на 5% блока, может раздражать, это несущественно по сравнению с тем, сколько стоит запуск кондиционера (или электрической духовки и т. Д.). заряжается; блок питания с КПД 85% рассеивает на 50% больше мощности, а повышение температуры составит 1.В 5 раз больше, чем у окружающей среды. Вы когда-нибудь оставляли зарядное устройство для ноутбука на диване, и на него каким-то образом попадала подушка? Эта дополнительная мощность имеет БОЛЬШОЕ значение!

Рисунок 1. Типичная ситуация с зарядным устройством для портативных компьютеров.

Здесь, на Земле, воздух может уносить тепло от всего, что становится горячим. А что насчет космического приложения? Или даже в авионике, где воздух может иметь часть своей способности передавать тепло, которое он имеет на уровне моря? Вот почему разница между блоком питания с КПД 99% и источником с КПД 98% может быть чрезвычайно важной – источник с КПД 98% имеет двойные потери мощности; вдвое больше тепла должно отводиться от приложения, а в космосе тепловое излучение – единственный выход.

Независимо от того, велика ли мощность, теряемая в цепи, или она мала, верно одно – она ​​БУДЕТ улетучиваться в окружающую среду. Он уйдет за счет повышения температуры контура до тех пор, пока тепло, выходящее из контура, не сравняется с потерянной электрической мощностью, и цель состоит в том, чтобы при соблюдении этого равновесия контур все еще функционировал должным образом.

Имея это в виду, давайте проведем несколько экспериментов и постараемся при этом не обжечь пальцы.

Материалы

Модуль активного обучения ADALM2000 OR
2 мультиметра (минимум), предпочтительно с диапазоном тока 1 А
Макетная плата без пайки
Перемычки
ПК / Mac с LTspice и Scopy
0-24 В, 1 А, регулируемый источник питания
LT3080 LDO-регулятор
LTM8067 Изолированный импульсный стабилизатор (на BOB)
6,2 Ом, резистор мощности 10 Вт
Радиатор TO-220, Aavid 7021 или аналогичный, или различные размеры из двустороннего материала печатной платы с медным покрытием.
Компаунд для радиатора / термопаста
Датчик температуры AD592
Дополнительно: Инфракрасный термометр

Термостойкая грунтовка

Почему у линейных регуляторов нет номера эффективности, гордо отображаемого на первой странице таблицы данных, как у импульсных регуляторов? Это может быть связано с тем, что соответствующие законы физики интуитивно понятны большинству инженеров, использующих эти части – ток через любой «черный ящик», умноженный на падение напряжения, равен мощности, которая каким-то образом выходит из ящика.В случае регулятора LDO эта мощность уходит в виде тепла. (Если бы «черный ящик» был светодиодом, часть этой мощности оставалась бы в виде света, если бы это был двигатель, мощность могла бы выходить в виде механической энергии через вращающийся вал.) И если входное питание регулятора LDO сильно различается. , КПД также будет широко варьироваться – он может быть около 100%, когда входное напряжение немного выше, чем выходное напряжение, или 10% или меньше, если входное напряжение 12 В, а выходное напряжение 1,2 В. Но определенно существуют ситуации, когда линейные регуляторы являются правильным инструментом для работы.(Мы отложим это обсуждение на потом.)

Прежде чем даже приступить к созданию какой-либо схемы, мы знаем, что нам нужно избавиться от тепла. Регулятор LT3080 из набора деталей находится в очень распространенном корпусе T0-220, с выступом для крепления к радиатору.

Рисунок 2. Корпус LT3080, распиновка, термическое сопротивление.

Здесь показаны физическая компоновка детали, распиновка и три параметра, определенные следующим образом:

T _JMAX – Максимальная температура перехода

Θ _JC – Термическое сопротивление от перехода к корпусу

Θ _JA – Термическое сопротивление от соединения до окружающей среды

Дополнительные определения терминов:

Thermal Resistance – Сопротивление потоку тепла, выражаемое как повышение температуры из-за данной мощности, протекающей через сопротивление.

T _J – Температура перехода – Температура «важной части» кремниевого кристалла. Место соединения должно поддерживаться ниже определенной температуры, чтобы деталь функционировала должным образом. Он крепится к металлическому язычку внутри детали и заключен в пластик.

T _AMBIENT – Температура окружающей среды – температура окружающей среды вдали от детали.

T _C – Температура корпуса – Температура поверхности раздела между корпусом и радиатором или печатной платой.

Эти, казалось бы, простые термины на самом деле довольно сложно измерить. Измерение «окружающей среды» не так уж и плохо; соответствующий термометр можно использовать для измерения температуры тепловой массы, в которую деталь отводит тепло, часто это воздух в комнате. А как насчет «дела»? Температура корпуса определяется как температура большого медного блока, на котором корпус оптимально установлен. Он представляет собой теоретическое минимальное тепловое сопротивление, недостижимое в реальных приложениях (для большинства корпусов устройств.Таким образом, хотя верхняя часть упаковки устройства является буквально частью корпуса, измерение ее температуры НЕ ЯВЛЯЕТСЯ «температурой корпуса».

Это описание из заметки по применению Vishay 827 иллюстрирует этот момент: «Для узла MOSFET / радиатора использовался специально разработанный узел радиатора в виде медного блока (4 дюйма x 4 дюйма x 0,75 дюйма) для имитации бесконечного нагрева. раковина, прикрепленная к корпусу прибора ТО-220 ».

Температура перехода – это, как следует из названия, температура рабочего полупроводникового перехода в устройстве, который в действительности может быть множеством переходов в сложной цепи.И именно эту температуру необходимо поддерживать ниже установленного максимума; в случае превышения не гарантируется, что деталь будет функционировать должным образом. Но учтите, что если ваше устройство не имеет встроенного датчика температуры (а в некоторых он есть), напрямую измерить температуру перехода сложно.

Обратите внимание, что максимальная температура перехода может быть намного выше точки кипения воды – слишком горячая, чтобы прикасаться к ней. Поэтому использование пальца, чтобы проверить, достаточно ли холодна цепь, не только опасно, но и совершенно неточно.

Так как же используются эти числа? Цель состоит в том, чтобы поддерживать соединение ниже максимально допустимого. Таким образом, мы можем использовать информацию о том, сколько мощности рассеивается в детали (рядом с переходом), и о тепловом сопротивлении воздуха, чтобы рассчитать, насколько нагревается переход.

T _J = T _{ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА} + P _D * Θ _JA

Где P _D – рассеиваемая мощность.

Одна очень полезная ментальная модель – думать о тепловом сопротивлении как об электрическом сопротивлении, например:

1 ° C / Вт = 1 Ом

Рассеиваемая мощность 1 Вт = 1 А тока, протекающего через сопротивление.

1 В = повышение температуры на сопротивлении на 1 ° C.

Проведя быстрый расчет для LT3080 в пакете TO-20, если входное напряжение 10 В, выходное напряжение 5 В, а ток нагрузки 200 мА, мощность, рассеиваемая в детали, составит (10 В – 5 В) * 0,2 А = 1 Вт. . Это вызовет повышение температуры на 40 ° C, поэтому, если температура воздуха в комнате 25 ° C, соединение будет нагреваться примерно до 65 ° C – значительно ниже максимума 125 ° C (но достаточно горячего, чтобы обжечь кожу!). Аналогия показана ниже при моделировании рабочей точки постоянного тока.

Рисунок 3.Электрическая модель теплового сопротивления, рассеиваемая мощность 1Вт.

Обратите внимание, что Tjunction составляет 65 «вольт», что по аналогии составляет 65C.

Но что произойдет, если ток нагрузки увеличится до 500 мА? Теперь вам нужно избавиться от 2,5 Вт, что приведет к повышению температуры на 100 ° C, что подтолкнет вас к максимальному переходу в 125 ° C без запаса прочности.

Рисунок 4. Электрическая модель теплового сопротивления, рассеиваемая мощность 2,5 Вт.

Это не похоже на очень высокопроизводительную деталь, и в таблице данных четко указано, что эта деталь способна обеспечить 1.1А тока. Так что же происходит с _JA при 40 ° C / Вт? Вот ключевой момент, касающийся номеров даташита Θ _JA :

Θ _JA разработан, чтобы быть ПЕССИМИСТИЧНЫМ. То есть он намеренно измеряется на печатной плате без дополнительной меди для распространения тепла и без дополнительного воздушного потока. Почти ВСЕ, что вы делаете для распространения тепла, эффективно снижает Θ _JA . Таблица 5 иллюстрирует это для упаковки DD-Pak:

Рисунок 5.Таблица 5 из технического описания LT3080

Обратите внимание, что хотя Θ _JA указан для пакета TO-220 на странице 2 таблицы данных, здесь он даже не упоминается. Почему? Потому что корпус TO-220 предназначен для установки на какой-то внешний радиатор. Можно припаять задний язычок детали к печатной плате, но в таких ситуациях вы обычно используете DD-Pak (DD-Pak выглядит как TO-220 с более короткими выводами и без выступа).

LT3080 в комплекте деталей является версией корпуса TO-220, и мы не паяем его, а это означает, что нам действительно следует использовать радиатор.Как это влияет на наши расчеты? К счастью *, производитель радиатора предоставит другое необходимое нам число: Θ _CA – тепловое сопротивление от корпуса к окружающей среде. В техническом описании радиатора Aavid 7021 приведен следующий график:

* (Это не совсем удача, это важная часть данных.)

Рисунок 6. Aavid 7021 Повышение температуры и термическое сопротивление.

Это показывает следующее:

Θ _CA составляет приблизительно 10 ° C / Вт в неподвижном воздухе (2 Вт вызывают повышение температуры на 20 ° C, согласно графику).

Θ _CA уменьшается с потоком воздуха – совсем немного – до примерно 2,25 ° C / Вт при скорости 800 футов в минуту (4,06 м / с)

Это согласуется с таблицей 5 выше – радиатор представляет собой сложенный кусок алюминия с общей площадью около 3060 мм ² , а печатная плата 2500 мм ² имеет тепловое сопротивление около 25 ° C / Вт. Но радиатор полностью алюминиевый, а печатная плата – из медной фольги, но приклеенной к стекловолокну (плохой проводник тепла).

Рисунок 7.Схема Aavid 7021

Давайте еще раз запустим моделирование LTspice с тепловым сопротивлением радиатора Aavid 7021:

Рисунок 8. Электрическая модель теплового сопротивления, рассеивание 2,5 Вт с радиатором.

Ожидаемое повышение температуры составляет около 32,5 ° C для температуры перехода 57,5 ​​° C.

Процедура: Линейный регулятор LT3080

См. Схему, показанную ниже.

Рисунок 9.Схема LT3080

Файл LTspice настроен для изменения входного напряжения от 5 В до 12 В и построения графиков входной мощности, выходной мощности и эффективности. Результаты показаны на Рисунке 10 ниже, красный график показывает эффективность.

Рис. 10. Моделирование LT3080 LTspice.

Как и ожидалось, эффективность относительно высока (около 66%) при низком входном напряжении (показано зеленым цветом). По мере увеличения входного напряжения рассеиваемая мощность в LT3080 (синий) увеличивается, а эффективность снижается (примерно до 28% при входном напряжении 12 В).Результаты этого моделирования очень точно отразят реальность. Причина в том, что механизмы потерь просты – рассеиваемая мощность – это просто постоянный ток, умноженный на постоянное напряжение.

Рисунок 11. Подключение макетной платы LT3080.

Постройте схему на макетной плате без пайки, учитывая следующее:

Сначала установите LT3080 на радиатор, оставив небольшую каплю радиатора между корпусом и радиатором.Осторожно поверните выводы LT3080 на 90 градусов, чтобы они совпали со стойками макета. Это сделано для сохранения упругости контактов макета. Обратите внимание, что резистор SET – это три резистора по 1 МОм, включенные параллельно. ВНИМАНИЕ: если резисторы SET теряют контакт, выходное напряжение возрастает до максимума, а резистор 6,2 Ом сильно нагревается!

Также есть несколько вариантов измерения напряжений и токов. Входное напряжение и ток могут быть измерены мультиметрами, настроенными на соответствующие диапазоны напряжения и тока, или могут быть считаны непосредственно с источника питания, если он включает в себя точный вольтметр и измеритель тока.Выходной ток можно либо измерить непосредственно с помощью мультиметра, либо рассчитать, сначала измерив фактическое сопротивление нагрузочного резистора с помощью мультиметра и разделив измеренное выходное напряжение на сопротивление. (Резистор в наборе деталей имеет допуск 10%, поэтому его следует измерить в первую очередь.) Входное и выходное напряжение также можно измерить с помощью ADALM2000 и Scopy, работающих в режиме вольтметра, или с помощью мультиметра.

Вещи скоро станут немного теплыми – слишком теплыми, чтобы прикасаться к ним.Так что нам нужен способ хотя бы получить некоторое представление о том, КАК согреться, не обжечься. Датчик температуры AD592 предоставляет простой способ сделать это:

Рисунок 13. Схема термометра AD592

Выводы AD592 можно удлинить, а средний вывод не подключен, поэтому его можно использовать для дополнительной поддержки.

Рисунок 14. Подключения AD592

Затем можно использовать небольшую резиновую ленту, чтобы удерживать датчик напротив верхней поверхности LT3080, как показано на рисунке 15.Используйте крошечную каплю термопасты между датчиком и верхней частью упаковки LT3080.

Рисунок 15. Монтаж AD592

Выше было упомянуто, что верхняя часть «корпуса» на самом деле не является измерением температуры корпуса – но оказывается, что температура верхней части корпуса может использоваться для приближения температуры соединения, что трудно измерять напрямую. Примечание по применению 834 от Vishay: https://www.vishay.com/docs/69993/an834.pdf описывает связь между измеренным повышением температуры в верхней части упаковки и повышением температуры перехода по следующей формуле:

T _j подъем = k x T _верх подъем

С типичными k значениями 1,18 для пакета DDPAK (аналогично TO-220) .Таким образом, хотя у нас нет фактических измерений для LT3080, мы можем предположить, что повышение температуры кристалла примерно на 20% больше, чем температура при верхняя поверхность корпуса, измеренная с помощью AD592, небольшой термопары или инфракрасного термометра.

Включите цепь и заполните следующую таблицу данных:

Обратите внимание на взаимосвязь между рассеиваемой мощностью LT3080, эффективностью и повышением температуры.

Процедура: Изолированный обратный преобразователь постоянного тока в постоянный ток LTM8067

Далее мы исследуем эффективность и тепловые характеристики изолированного обратноходового модуля LTM8067. Нас не интересует тот факт, что он изолирован (это означает, что выходные и входные клеммы заземления независимы) или что это модуль (все компоненты заключены в один корпус).Нас интересует тот факт, что это импульсный преобразователь, который более эффективен (и теряет меньше энергии в окружающую среду), чем линейный регулятор, по крайней мере, в большинстве случаев. LTM8067 в комплекте деталей устанавливается на коммутационной плате с потенциометром, который позволяет регулировать выходное напряжение от 3 до 15 В.

Рисунок 16. Коммутационная плата LTM8067.

Блок-схема из таблицы данных показывает базовую изолированную схему обратного хода.Не вдаваясь в подробности, стоит отметить один ключевой момент: в отличие от проходного транзистора в LT3080, полевой МОП-транзистор в LTM8067 либо полностью выключен, либо полностью включен, работая как переключатель. Это означает, что на транзисторе рассеивается очень мало мощности. Кроме того, сопротивление обмоток трансформатора должно быть как можно меньшим, что также приводит к минимальному рассеянию мощности. Диод Шоттки обязательно будет иметь некоторое прямое падение, обычно около 0,4 В, так что это один из механизмов потерь, который мы можем предсказать с некоторой точностью.Например, если ток нагрузки составляет 250 мА, диод будет рассеивать 0,1 Вт тепла. Но это все еще относительно мало по сравнению с рассеиванием в LT3080 при некоторых обстоятельствах.

Рисунок 17. Блок-схема LTM8067.

Настройка для этого эксперимента проста; LTM8067 BOB имеет четыре пары контактов, и контакты каждой пары являются одним и тем же узлом. Обратите внимание, что с регулировочным потенциометром слева:

• Положительный вход в верхнем левом углу

• Входное заземление находится в нижнем левом углу

• Положительный выход внизу по центру

• Выходной минус – вверху по центру.

Также обратите внимание, что допустимый выходной ток LTM8067 зависит от входного напряжения, как показано ниже:

Рисунок 18. Зависимость выходного тока LTM8067 от входного напряжения.

Даже если для BOB установлено минимальное выходное напряжение 3 В, силовой резистор 6,2 Ом потребляет 440 мА, что требует входного напряжения около 20 В. Возьмите соседний резистор на 6,2 Ом и подключите последовательно к своему, чтобы получить общее сопротивление нагрузки 13,6 Ом, как показано на схеме ниже.

Рисунок 19. Схема LTM8067

Моделирование импульсных регуляторов не так просто. Некоторые аспекты работы схемы хорошо смоделированы, например, динамика контура управления, а также мгновенные напряжения и токи. Однако механизмы потери мощности плохо смоделированы, поэтому для получения результатов измерений лучше обратиться к техническому описанию детали. Моделирование LTM8067 LTspice настроено для отображения переходных форм сигналов при включении по умолчанию. Зеленая кривая – это выходное напряжение, а красная – входной ток – обратите внимание, что ток поступает “порциями” из источника из-за характера переключения модуля.

Рисунок 20. Переходный процесс включения LTM8067

Тем не менее, мы все еще можем попытаться извлечь эффективность из моделирования LTspice. Отключите временные директивы SPICE при запуске (щелкните правой кнопкой мыши, установите значение «Комментарий») и включите директивы эффективности SPICE (щелкните правой кнопкой мыши, установите значение «Директива SPICE»). Повторно запустите моделирование, затем просмотрите журнал ошибок SPICE. Результаты показаны на рисунке ниже.

Рисунок 21. КПД LTM8067 (%) в зависимости от моделирования входного напряжения, которое НЕОБХОДИМО сравнивать с кривыми из таблицы данных.

(По сравнению с таблицей данных «КПД в зависимости от тока нагрузки, VOUT = 3.3V »показывает, что LTspice оптимистично высок.)

Рисунок 22. Схема макетной платы LTM8067

Постройте схему на макетной плате без пайки. Как и в случае с микросхемой LT3080, важны детали конструкции.

Рисунок 23. Детали конструкции и подключения LTM8067

Включите цепь и заполните следующую таблицу данных:

Обратите внимание на взаимосвязь между рассеиваемой мощностью LTM8067, эффективностью и повышением температуры.

Вопросы:

Как у LTM8067 эффективность, потери мощности и повышение температуры по сравнению с LT3080?

Кривая повышения температуры в зависимости от рассеиваемого тепла для радиатора Aavid слегка изогнута – он, по-видимому, имеет более низкое тепловое сопротивление, поскольку рассеивается больше тепла. Почему?

Дополнительная литература

Слайд-дека

В качестве дополнения к этому упражнению предоставляется набор слайдов, который может помочь в представлении этого материала в классе, лаборатории или на практических семинарах.

Вернуться к лабораторной работе Содержание

Общие сведения о термическом сопротивлении – learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 3

Введение

При работе с маломощными устройствами регулирование температуры не является большой проблемой. Как только вы начнете добавлять моторы, светодиодные ленты, и текущая потребляемая мощность проекта возрастет, детали могут начать нагреваться.Если вы не справитесь с нагревом, детали могут перегреться, что сократит срок службы компонента. В этом руководстве мы расскажем, что такое термическое сопротивление, как оно используется для управления температурным режимом и как продлить срок службы вашего проекта.

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы со следующими концепциями, мы рекомендуем ознакомиться с этими руководствами, прежде чем продолжить.

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения целостности цепи, напряжения, сопротивления и тока.

Термостойкость

Чтобы понять, как потери мощности влияют на выделяемое тепло, сначала необходимо понять термическое сопротивление (R _θ ). Подобно тому, как электрическое сопротивление сопротивляется потоку тока в Омах, тепловое сопротивление сопротивляется потоку тепла в Кельвинах на ватт или в градусах Цельсия на ватт. Мы можем использовать термическое сопротивление, чтобы оценить, насколько нагревается конкретная деталь при различных нагрузках, в зависимости от того, насколько легко тепло может передаваться из одного места в другое.В электронике тепло начинается с источника, такого как переход полупроводников, и распространяется, чтобы в конечном итоге рассеиваться в окружающий воздух.

Если соединение полупроводника превысит максимальную температуру, он сломается и выпустит весь магический дым. Чтобы убедиться, что мы этого не делаем, нам нужно посмотреть, насколько эффективно устройство может использовать мощность …

Закон Ома и тепловое сопротивление

Мы можем использовать закон Ома для расчета температур от радиатора до перехода, и везде между ними, используя закон Ома.Как упоминалось ранее, электрическое сопротивление очень похоже на тепловое сопротивление. Мы можем использовать закон Ома, который гласит, что V = I * R, и заменить напряжение на температуру (T) и ток на мощность (P), что дает нам:

Эквивалентная тепловая схема показана ниже, где:

• T_Junction (T _J ): температура перехода
• R _θJC : термическое сопротивление перехода к корпусу
• T_Case (T _C ): температура перехода
• R _θCH : Тепловое сопротивление корпуса радиатора
• T_Heatsink (T _H ): температура радиатора
• R _θHA : Тепловое сопротивление радиатора к окружающему воздуху
• T_Ambient (T _A ): температура окружающего воздуха

Чтобы лучше понять, как используется термическое сопротивление, давайте рассмотрим следующий пример:

• Рассеиваемая мощность: 2 Вт
• R _θJC = 4 ° C / Вт
• R _θCH = 0.5 ° C / Вт
• R _θHA = 6 ° C / Вт
• T _A = 25 ° C

Начиная с теплового эквивалента закона Ома:

Мы хотим найти рост температуры перехода, поэтому T становится T _J . Наша рассеиваемая мощность P составляет 2 Вт. И наши тепловые сопротивления включены последовательно, поэтому, как и резисторы, включенные последовательно в цепи, мы можем сложить значения вместе:

Температура перехода на 20,5 ° C выше температуры окружающей среды (в данном случае 25 ° C), что означает, что абсолютная температура равна 20.5 ° C + 25 ° C, что составит 45,5 ° C.

Где найти значения термического сопротивления? Для таких деталей, как регуляторы напряжения, диоды, транзисторы и другие полупроводники, в техническом описании будет раздел с тепловой информацией, в основном переход к воздуху (R _θJA ), если какой-либо тип радиатора не использовался, или переход к корпусу (R _θJC ), если будет использоваться радиатор, который будет иметь собственное тепловое сопротивление и рассматривается в следующем разделе. Типичные данные теплового сопротивления будут выглядеть примерно так, как показано на изображении ниже.

Как отводить тепло

Радиатор с металлическими ребрами

Некоторые радиаторы всех форм и размеров с единственной целью: передавать тепло воздуху. Назначение каждого ребра на радиаторе – создать как можно большую площадь поверхности для взаимодействия воздуха и отвода тепла от радиатора, что помогает отводить тепло от перехода полупроводника. Тепловое сопротивление радиатора может быть немного сложным, потому что радиатор с металлическими ребрами работает с разной скоростью в зависимости от количества воздуха, проходящего мимо ребер.В типичном техническом описании радиатора указаны не только размеры детали, но и тепловые характеристики, которые выглядят следующим образом:

Стрелки на каждой линии графика соответствуют оси, которую они представляют. Например, красная подсветка показывает, что на открытом воздухе (то есть без вентилятора) рассеивание 10 Вт мощности приведет к повышению температуры радиатора примерно на 78 ° C по сравнению с температурой окружающей среды. Если бы вместо этого у вас было около 400 футов / мин воздуха, протекающего по ребрам радиатора, зеленая линия показывает, что теплоотвод будет иметь тепловое сопротивление около 1.На 8 ° C / Вт, или на 18 ° C выше температуры окружающей среды, рассеивая те же 10 Вт мощности.

Vias

Если вам необходимо добавить радиатор в конструкцию, например, в импульсных источниках питания, где важно, чтобы компоненты располагались как можно ближе к ИС, переходные отверстия могут не только передавать сигналы с одной стороны печатной платы на другую, но и тоже может передавать тепло!

Если вам не хочется заниматься математикой, в PCB Toolkit от Saturn PCB Design Inc есть множество отличных инструментов для решения тонны уравнений, которые может использовать инженер-электрик.Одна из вкладок, в частности, предназначена для свойств переходов:

Изображение любезно предоставлено SaturnPCB

Чтобы получить тепловое сопротивление переходных отверстий, я ввел в поля, выделенные красным, свойства печатной платы, которая у меня есть. Установка слоя на 2 слоя и диаметр сквозного отверстия должны быть единственной настройкой, которую вам может потребоваться изменить. Толщина покрытия переходного отверстия и высота переходного отверстия являются стандартными для большинства печатных плат. После нажатия кнопки «Решить» в синем поле в правом нижнем углу я получил тепловое сопротивление, равное 179.3 ° C / Вт на переход. С 10 переходными отверстиями тепловое сопротивление переходных отверстий снижается до 17,9 ° C / Вт. Если бы вы собирались рассчитать температуру перехода сейчас, вы бы добавили еще одно тепловое сопротивление последовательно для переходных отверстий, которое было бы добавлено к другим тепловым сопротивлениям при выполнении расчета.

Радиатор для печатной платы

Когда дело доходит до передачи тепла в печатной плате, математика может довольно быстро усложниться, что является одной из причин, почему для измерения теплового сопротивления использование инструмента от Saturn PCB является более простым способом.Еще сложнее использовать плату в качестве радиатора. Тепловое сопротивление не только меди, которое является функцией площади поверхности, но и паяльной маски, материала подложки, которая также передает тепло окружающим изолированным медным плоскостям. Подробное объяснение можно найти в этом отчете по применению от Texas Instruments. Чтобы упростить усвоение информации, Пол Брайсон написал отличную запись в блоге на эту тему и дает несколько замечательных советов и выводов, которые можно найти здесь.

Для приблизительного руководства вы можете использовать график из сообщения Пола Брайсона ниже:

Изображение любезно предоставлено Полом Брайсоном из Brysonics.ком

Пример: линейный регулятор PTH

Давайте посмотрим, насколько хорошо расчеты термического сопротивления работают в реальных условиях. Для этих примеров я собираюсь использовать два разных типа регуляторов напряжения, линейный регулятор, в частности LM7805, а также преобразователь постоянного тока в постоянный. Мы увидим, насколько хорошо они соответствуют цифрам, которые мы получаем из таблиц данных.

Линейный регулятор

Имея недорогой и малошумный стабилизатор напряжения, как вы можете ошибиться? Линейные регуляторы – отличный выбор для многих приложений, но их эффективность не всегда оправдана.Базовую конструкцию линейного регулятора можно увидеть ниже:

Изображение любезно предоставлено EE Times

Чтобы определить, насколько нагревается линейный регулятор, давайте начнем с понимания, что входная мощность должна равняться выходной мощности. В идеале система должна быть на 100% эффективна, но в реальном мире будут некоторые потери, и эта потеря мощности будет рассеиваться в виде тепла (P _D ). Это можно выразить следующей формулой:

Это означает, что рассеиваемая мощность может быть выражена как:

В электронике мощность может быть выражена как произведение напряжения и тока.Это означает, что мы можем переписать первое уравнение как:

У линейных регуляторов входной и выходной ток одинаковы, поэтому мы можем упростить уравнение до следующего:

Теперь нам нужно посмотреть на тепловые характеристики линейного регулятора. LM7805 имеет следующие термические сопротивления для используемого корпуса TO-220:

Без радиатора (R

_θJA )

В этом первом примере мы увидим, насколько сильно нагревается линейный стабилизатор при нагрузке всего 200 мА.LM7805 имеет выходное напряжение 5 В, а входное напряжение будет около 12 В. Подставив эти числа в наше уравнение потерь мощности сверху, мы получим:

Чтобы определить, насколько горячим он будет без радиатора, нам нужно использовать тепловое сопротивление перехода к воздуху, которое составляет 50 ° C / Вт. Используя формулу из раздела термического сопротивления и предполагая, что температура окружающего воздуха составляет 23 ° C, мы можем вычислить температуру перехода и получить:

Чтобы увидеть, как это соотносится с реальным миром, я измерил входное напряжение, равное 12.1 В, а выходное напряжение под нагрузкой – 4,90 В. Я использовал фиктивную нагрузку постоянного тока, установленную на 200 мА, подключенную к выходу. По измеренным значениям рассеиваемая мощность составляет:

Ожидаемая температура перехода должна быть:

Как показано на тепловом изображении выше, после включения нагрузки и нагрева регулятора температура установилась на уровне около 98 ° C. Довольно близко, но это хороший пример того, почему важно добавлять поля к числам. Из-за отсутствия точности источник питания был немного выше, чем мы рассчитали, а под нагрузкой регулятор имеет допуск выходного напряжения 4%, что может позволить выходному напряжению упасть до 4.8V и все еще в спец.

с радиатором (с использованием R

_θJC )

Теперь, с добавлением радиатора, вместо использования теплового сопротивления перехода к воздуху, нам нужно использовать значение для перехода к корпусу, которое составляет около 5 ° C / Вт. Если посмотреть на техпаспорт радиатора, который я использую, мощность ~ 1,4 Вт на открытом воздухе приведет к повышению температуры на 25 ° C:

Поскольку радиатор обеспечивает повышение температуры вместо теплового сопротивления, нам нужно сначала рассчитать повышение температуры перехода, используя тепловое сопротивление от перехода к радиатору, а затем добавить повышение температуры от радиатора и температуру окружающего воздуха, чтобы получить температура перехода.Использование термопаста снижает тепловое сопротивление от корпуса к радиатору (~ 0,25 ° C / Вт), без него мы предположим, что тепловое сопротивление составляет около 1 ° C / Вт. Таким образом, уравнение температуры перехода принимает следующий вид:

Фактические напряжения были такими же, как и без радиатора: Vin = 12,10 В, Vout = 4,90 В, Iout = 200 мА. Это привело к тому, что фактически потребовалось рассеять те же 1,44 Вт мощности, что только увеличило расчетную температуру перехода до 56,64 ° C. После включения питания и включения нагрузки я подождал, пока температура достигнет установившегося состояния, и измерил температуру регулятора, которая составила около 54 ° C.

На этот раз температура была ниже, чем мы рассчитывали. Скорее всего, ошибка возникла из-за повышения температуры неподвижного воздуха для радиатора, вместо 25 ° C она могла быть ближе к 23 ° C. В последнем примере мы будем использовать регулятор для поверхностного монтажа и попытаемся оценить, насколько нагревается регулятор, используя печатную плату в качестве радиатора.

Пример: преобразователь постоянного тока в постоянный SMD

Мы используем плату Buck-Boost, в которой используется преобразователь постоянного тока в постоянный TPS63070.Размер платы составляет 1,25×1,25 дюйма, используется медь весом 1 унция. Также следует отметить, что регулятор находится в центре платы и на 95% состоит из сплошной меди. Из-за размера я сделаю некоторые предположения, используя общую площадь платы для теплового сопротивления и все 41 переходное отверстие для теплового сопротивления переходного отверстия.

Для начала нам нужно выяснить, сколько мощности нам нужно рассеять. В преобразователе постоянного тока входной ток не равен выходному току, поэтому мы не можем использовать ту же формулу, что и для линейного регулятора.Вместо этого мы можем оценить, используя график эффективности из таблицы:

График КПД отображает КПД как функцию выходного тока, который различается в зависимости от входного и выходного напряжений. Для этого теста мы будем использовать те же значения ранее, имея входное напряжение 12 В и выходное напряжение 5 В. На этот раз мы увеличим ток нагрузки до 1.0A. Используя приведенный выше график КПД 5 В, КПД должен составлять около 93%, что сделает наши потери мощности 7% от выходной мощности.2. Основываясь на площади поверхности повышающей-понижающей платы, я могу оценить тепловое сопротивление печатной платы примерно 65 ° C / Вт.

В техническом описании TPS63070 тепловые характеристики указаны ниже:

Щелкните изображение для более детального просмотра.

Термическое сопротивление перехода к корпусу неприменимо, однако тепловое сопротивление перехода к плате составляет около 13 ° C / Вт. Используя значения термического сопротивления, мы можем подставить это в уравнение температуры перехода:

Как и раньше, я включил фиктивную нагрузку и дал плате нагреваться до тех пор, пока температура не перестанет расти.Как показано ниже, я записал температуру около 54 ° C.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Вы можете произвести те же расчеты для различных силовых частей. Например, вы можете посмотреть сопротивление между стоком и истоком МОП-транзистора, чтобы увидеть, насколько он может нагреться при различных токах. Или, если у вас есть диод для защиты от обратного тока, вы можете использовать прямое падение напряжения и ток. Все эти компоненты будут выделять некоторое количество тепла, но теперь вы можете предположить его количество.

Хотите использовать свой новый найденный набор навыков? Попробуйте эти замечательные уроки!

Руководство по подключению с переменной нагрузкой – Пересмотрено

Из этого туториала Вы узнаете, как собрать и использовать доску переменной нагрузки SparkFun. Его можно использовать для проверки стабильности источника питания при различных нагрузках, срока службы батареи, защитных отключений и других элементов конструкции тестируемых источников питания.