Widerstandsleistungsreduzierung zur Verbesserung der mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall

Durch ihr Design begrenzen Widerstände den Stromfluss, indem sie elektrische Energie aufnehmen und in thermische Energie umwandeln. Alle Widerstände haben eine spezifizierte Leistungsbewertung, die bestimmt, wie viel Energie das Bauteil umwandeln kann, ohne dass seine Leistung beeinträchtigt wird oder das Bauteil ausfällt.

Die maximale Leistungsbewertung eines Widerstands hängt von den Materialien ab, aus denen er hergestellt ist, seinen physischen Abmessungen und der maximalen Temperatur, bei der das Bauteil sicher betrieben werden kann. Die maximale Temperatur hängt von der Umgebungstemperatur um das Bauteil und der abgeführten Wärme, die aus dem Bauteil in die Umgebung geleitet wird, ab. Letzteres hängt von den Maßnahmen zur Wärmeabfuhr ab, die der Designer für das Bauteil und den Rest der Schaltung in Bezug auf PCB-Layout, Kühlkörper, Luftstrom und alle anderen vorhandenen Kühlmechanismen implementiert hat.

Bei der Berechnung der erforderlichen Leistungsbewertung für resistive Komponenten muss die Art der sich ändernden Spannungen über dem Widerstand berücksichtigt werden. Gepulste Lasten mit einer durchschnittlichen Spannung von VL verursachen nicht die gleichen thermischen Effekte wie eine gleichbleibende Spannung der Größe, die ebenfalls VL entspricht. Der tatsächliche Unterschied hängt von der Zusammensetzung des Widerstands ab. Drahtgewickelte Widerstände sind toleranter gegenüber gepulsten Lasten als Schichtwiderstände. Eine gepulste Last erzeugt einen Überlastzustand, der von Faktoren abhängt, die die mittlere Leistung in der Pulsfolge, die Wiederholungsfrequenz und die Anstiegszeit einschließen. Der Überlastzustand muss in die Berechnung der erforderlichen Leistungsbewertung einbezogen werden, um ein genaues Ergebnis zu erzielen. Die einfachste Methode besteht darin, die gepulste Energie als äquivalente Dauerlastenergie zu behandeln, indem die mittlere Leistung für die Pulsfolge berechnet und für den erforderlichen Typ des Widerstands und die Eigenschaften der Pulse angepasst wird. Dies kann entweder durch Verwendung verfügbarer Gleichungen zur genauen Berechnung des Überlastfaktors oder durch ingenieurtechnisches Urteilsvermögen zur Auswahl eines Worst-Case-Multiplikators erfolgen.

Eines sollte man im Hinterkopf behalten: Der Widerstand jeder Komponente variiert mit der Temperatur, abhängig von den Materialien, aus denen der Widerstand hergestellt wurde. Diese Änderung wird als Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) für die Komponente angegeben. Ausgedrückt in ppm/°C (Teile pro Million pro Grad Celsius), repräsentiert es die prozentuale Änderung des Widerstands für jede Gradänderung der Temperatur. Widerstände, die aus metallischen Materialien hergestellt werden, haben in der Regel einen positiven Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Im Gegensatz dazu haben Widerstände, die aus Halbleitermaterialien hergestellt werden, in der Regel einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Durch sorgfältige Auswahl der Materialien kann die Herstellung von Widerständen mit einem neutralen Temperaturkoeffizienten ermöglicht werden, was bedeutet, dass ihr Widerstand sich nicht mit der Temperatur ändert. Dies ist ideal für die Produktion von Präzisionswiderständen, aber die für ihre Konstruktion erforderlichen Metalllegierungen können sie teuer machen.

Derating von Widerständen ist eine Design-Technik, bei der eine Komponente absichtlich mit Spannungen betrieben wird, die deutlich unter der maximal zulässigen Spannung liegen. Dies reduziert die Spitzen temperaturen, die innerhalb der Komponente erzeugt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die Rate der Degradation der zur Konstruktion der Komponente verwendeten Materialien reduziert wird. Dies führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Lebenserwartung der Komponente. Die meisten Widerstandshersteller geben ihre Leistungsbewertung bei einer Temperatur von 70°C in einer Umgebung mit freiem Luftstrom an. Angenommen, eine Komponente befindet sich innerhalb eines Geräts ohne freien Luftstrom und ohne andere Kühlmechanismen. In diesem Fall ist eine thermische Analyse notwendig, um die tatsächliche maximale Leistungsbewertung zu bestimmen, die angewendet werden sollte. Angenommen, eine Komponente befindet sich innerhalb eines Geräts, bei dem zusätzliche Kühlung bereitgestellt wird. In diesem Fall kann die Komponente theoretisch sicher über die maximale Leistungsbewertung hinaus betrieben werden, vorausgesetzt, dass die innerhalb des Widerstands erzeugte Wärme schneller abgeführt wird als bei der Bedingung mit freiem Luftstrom.

Widerstandsdatenblätter geben in der Regel Derating-Werte an, wenn die Betriebstemperatur den Standardwert von 70°C überschreitet. Diese werden als Prozentsatz auf die Leistungsbewertung der Komponente angewendet, um die Betriebsleistungsbewertung zu berechnen. Dies ist auch bekannt als das Belastungsverhältnis des Widerstands, berechnet aus dem maximalen Betriebsleistungsverhältnis zur vom Hersteller angegebenen Nennleistung. Die allgemeine Faustregel ist, ein Belastungsverhältnis von 0,8 für ein typisches Schaltungsentwurf zu übernehmen. Herstellerdatenblätter können jedoch empfohlene Belastungsverhältniszahlen für eine Reihe von typischen Betriebs- und Entwurfsbedingungen anbieten.

Ein weiterer Vorteil der Derating von Widerständen besteht darin, dass es die Sicherheitsmarge zwischen den Komponentengrenzen und den realen Belastungen, die im Entwurfsprozess möglicherweise nicht vorhergesehen wurden, erhöht. Dies umfasst Variationen in den Stromversorgungspegeln, die zu höheren als erwarteten Spannungen über dem Widerstand führen können. Oder es könnte sich um höhere als erwartete Betriebstemperaturen aufgrund von externen Umweltbedingungen oder internen Herausforderungen bei der Wärmeabfuhr handeln. Wo ein Derating nicht möglich ist, umfassen alternative Optionen das Verbinden von Widerständen in Parallelschaltung, um die elektrische Energieaufnahme zu teilen, oder die Einführung aktiver Kühlmechanismen für das Gerät. Wenn Sie einen höher bewerteten Widerstand verwenden müssen, sollten Sie bedenken, dass dieser physisch größer sein wird als die Komponente, die Sie zu verwenden geplant hatten. Die erhöhte Masse und Größe der Komponente wird das Layout der Platine beeinflussen und die Anfälligkeit der Komponente und ihrer Verbindungen für Schäden durch mechanische Vibrationen erhöhen.

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