Derivación de potencia de resistencias para mejorar el tiempo medio entre fallos

Por diseño, las resistencias limitan el flujo de corriente, absorbiendo energía eléctrica y convirtiéndola en energía térmica. Todas las resistencias tienen una potencia nominal especificada que determina la máxima energía que el componente puede convertir sin degradar su rendimiento o sin que el componente falle.

La potencia máxima nominal de una resistencia dependerá de los materiales utilizados en su construcción, sus dimensiones físicas y la temperatura máxima a la que el componente puede operar de manera segura. La temperatura máxima dependerá de la temperatura ambiente alrededor del componente y del calor disipado extraído del componente hacia el ambiente. Lo último dependerá de las medidas de gestión térmica que el diseñador haya implementado para el componente y el resto del circuito en términos de diseño de PCB, disipadores de calor, flujo de aire y cualquier otro mecanismo de enfriamiento que pueda estar presente.

Al calcular la clasificación de potencia requerida para el componente resistivo, se debe considerar la naturaleza de cualquier cambio en los voltajes a través de la resistencia. Las cargas pulsadas con un voltaje promedio de VL no causarán los mismos efectos térmicos que un voltaje en estado estacionario de la magnitud que también iguala a VL. La diferencia real dependerá de la composición de la resistencia. Las resistencias de hilo bobinado son más tolerantes a las cargas pulsadas que las resistencias de película. Una carga pulsada genera una condición de sobrecarga dependiente de factores que incluyen la potencia media en el tren de pulsos, la frecuencia de repetición y el tiempo de subida. La condición de sobrecarga necesita ser considerada en el cálculo de la clasificación de potencia requerida para generar un resultado preciso. El método más simple es tratar la energía pulsada como energía en estado estacionario equivalente calculando la potencia media para el tren de pulsos y ajustando según el tipo de resistencia requerida y las propiedades de los pulsos. Esto puede hacerse utilizando ecuaciones disponibles para calcular el factor exacto de la condición de sobrecarga o usar el juicio de ingeniería para seleccionar un multiplicador de peor caso.

Una cosa a tener en cuenta es que la resistencia de cualquier componente variará con la temperatura, dependiendo de los materiales utilizados para construir la resistencia. Este cambio se especifica como el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) para el componente. Expresado en ppm/°C (partes por millón por grado centígrado), representa el cambio porcentual en la resistencia por cada grado de cambio en la temperatura. Resistores fabricados usando materiales metálicos generalmente tienen un coeficiente de temperatura positivo, lo que significa que su resistencia aumenta a medida que la temperatura aumenta. Por el contrario, resistores fabricados usando materiales semiconductores generalmente tienen un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que su resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta. La selección cuidadosa de materiales puede permitir la fabricación de resistores con un coeficiente de temperatura neutro, lo que significa que su resistencia no cambia con la temperatura. Esto es ideal para producir resistores de precisión, pero las aleaciones metálicas requeridas para su construcción pueden hacerlos costosos.

La reducción de la clasificación de resistencias es una técnica de diseño donde un componente se opera deliberadamente a voltajes significativamente más bajos que el voltaje máximo clasificado. Esto reduce las temperaturas máximas que pueden generarse dentro del componente. Esto beneficia la tasa de degradación de los materiales utilizados para construir el componente se reduce. Esto resulta en una mayor fiabilidad y expectativa de vida para el componente. La mayoría de los fabricantes de resistencias especifican su clasificación de potencia a una temperatura de 70°C en un ambiente con flujo de aire libre. Supongamos que un componente se encuentra dentro de un dispositivo sin flujo de aire libre y sin otros mecanismos de enfriamiento. En ese caso, será necesario realizar un análisis térmico para determinar la clasificación máxima de potencia real que se debe aplicar. Supongamos que un componente se encuentra dentro de un dispositivo donde se proporciona enfriamiento adicional. En ese caso, teóricamente, el componente puede operarse de manera segura por encima de la clasificación máxima de potencia, asumiendo que el calor generado dentro de la resistencia se disipa a una tasa mayor que para la condición de flujo de aire libre.

Las hojas de datos de los resistores suelen proporcionar valores de desclasificación cuando la temperatura de operación excederá el estándar de 70°C. Estos se proporcionan como un porcentaje aplicado a la clasificación de potencia del componente para calcular la clasificación de potencia operativa. Esto también se conoce como la relación de estrés del resistor, calculada a partir de la relación de potencia operativa máxima con la potencia clasificada por el fabricante. La regla general es adoptar una relación de estrés de 0.8 para un diseño de circuito típico. Sin embargo, las hojas de datos de los fabricantes pueden ofrecer cifras de relación de estrés recomendadas para una gama de condiciones operativas y de diseño típicas.

Otra ventaja de la deriva de resistencias es que aumenta el margen de seguridad entre los límites de los componentes y las tensiones aplicadas en el mundo real que pueden ser imprevistas en el proceso de diseño. Esto incluye variaciones en los niveles de suministro de energía que llevan a voltajes más altos de lo esperado en la resistencia. O podría ser temperaturas de operación más altas de lo esperado debido a condiciones ambientales externas o desafíos de gestión térmica interna. Donde no sea posible la derivación, las opciones alternativas incluyen conectar resistencias en paralelo para compartir la absorción de energía eléctrica o introducir mecanismos de enfriamiento activo en el dispositivo. Si necesitas usar una resistencia de mayor calificación, tendrás que considerar que será físicamente más grande que el componente que planeabas usar. La masa y tamaño aumentados del componente afectarán la disposición de la placa y aumentarán la susceptibilidad del componente y las conexiones al daño por vibraciones mecánicas.

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