Déclassement de puissance des résistances pour améliorer le temps moyen entre défaillances

Par conception, les résistances limitent le flux de courant, absorbant l'énergie électrique et la convertissant en énergie thermique. Toutes les résistances ont une puissance nominale spécifiée qui détermine l'énergie maximale que le composant peut convertir sans dégrader ses performances ou sans que le composant ne tombe en panne.

La puissance maximale d'une résistance dépendra des matériaux utilisés dans sa construction, de ses dimensions physiques, et de la température maximale à laquelle le composant peut fonctionner en toute sécurité. La température maximale dépendra de la température ambiante autour du composant et de la chaleur dissipée extraite du composant vers l'environnement. Cette dernière dépendra des mesures de gestion thermique que le concepteur a mises en place pour le composant et le reste du circuit en termes de disposition du PCB, dissipateurs thermiques, flux d'air, et tout autre mécanisme de refroidissement qui pourrait être présent.

Lors du calcul de la puissance nominale requise pour un composant résistif, il est nécessaire de prendre en compte la nature des variations de tension à travers la résistance. Des charges pulsées avec une tension moyenne de VL n'auront pas les mêmes effets thermiques qu'une tension constante de même magnitude équivalant également à VL. La différence réelle dépendra de la composition de la résistance. Les résistances bobinées tolèrent mieux les charges pulsées que les résistances à film. Une charge pulsée génère une condition de surcharge dépendant de facteurs incluant la puissance moyenne dans le train d'impulsions, la fréquence de répétition et le temps de montée. La condition de surcharge doit être prise en compte dans le calcul de la puissance nominale requise pour obtenir un résultat précis. La méthode la plus simple consiste à traiter l'énergie pulsée comme une énergie en régime permanent équivalente en calculant la puissance moyenne pour le train d'impulsions et en ajustant selon le type de résistance requis et les propriétés des impulsions. Cela peut être fait soit en utilisant les équations disponibles pour calculer le facteur exact de condition de surcharge, soit en utilisant le jugement d'ingénierie pour sélectionner un multiplicateur de pire cas.

Il est important de garder à l'esprit que la résistance de tout composant variera avec la température, en fonction des matériaux utilisés pour construire la résistance. Ce changement est spécifié comme le coefficient de température de résistance (TCR) pour le composant. Exprimé en ppm/°C (parties par million par degré centigrade), il représente le pourcentage de changement de résistance pour chaque degré de changement de température. Les résistances fabriquées à partir de matériaux métalliques ont généralement un coefficient de température positif, ce qui signifie que leur résistance augmente à mesure que la température augmente. À l'inverse, les résistances fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs ont généralement un coefficient de température négatif, ce qui signifie que leur résistance diminue à mesure que la température augmente. Une sélection minutieuse des matériaux peut permettre la fabrication de résistances avec un coefficient de température neutre, signifiant que leur résistance ne change pas avec la température. Cela est idéal pour produire des résistances de précision, mais les alliages métalliques nécessaires à leur construction peuvent les rendre coûteux.

La désexcitation des résistances est une technique de conception où un composant est délibérément utilisé à des tensions significativement inférieures à la tension nominale maximale. Cela réduit les températures de pointe qui peuvent être générées à l'intérieur du composant. Cela a pour avantage de réduire le taux de dégradation des matériaux utilisés pour construire le composant. Cela se traduit par une fiabilité et une espérance de vie accrues pour le composant. La plupart des fabricants de résistances spécifient leur puissance nominale à une température de 70°C dans un environnement avec un flux d'air libre. Supposons qu'un composant soit situé à l'intérieur d'un appareil sans flux d'air libre et sans autres mécanismes de refroidissement. Dans ce cas, une analyse thermique sera nécessaire pour déterminer la puissance maximale réelle qui devrait être appliquée. Supposons qu'un composant soit situé à l'intérieur d'un appareil où un refroidissement supplémentaire est fourni. Dans ce cas, théoriquement, le composant peut être utilisé en toute sécurité au-dessus de la puissance nominale maximale, en supposant que la chaleur générée à l'intérieur de la résistance est dissipée à un taux supérieur à celui de la condition de flux d'air libre.

Les fiches techniques des résistances fournissent généralement des valeurs de déclassement lorsque la température de fonctionnement dépasse la norme de 70°C. Ces valeurs sont données sous forme de pourcentage appliqué à la puissance nominale du composant pour calculer la puissance de fonctionnement. Cela est également connu sous le nom de ratio de contrainte de la résistance, calculé à partir du rapport de la puissance de fonctionnement maximale sur la puissance nominale du fabricant. La règle générale est d'adopter un ratio de contrainte de 0.8 pour une conception de circuit typique. Cependant, les fiches techniques des fabricants peuvent offrir des chiffres de ratio de contrainte recommandés pour une gamme de conditions de fonctionnement et de conception typiques.

Un autre avantage de la désexcitation des résistances est qu'elle augmente la marge de sécurité entre les limites des composants et les contraintes réelles appliquées qui peuvent être imprévues dans le processus de conception. Cela inclut les variations des niveaux d'alimentation électrique conduisant à des tensions plus élevées que prévu aux bornes de la résistance. Ou cela pourrait être des températures de fonctionnement plus élevées que prévu en raison de conditions environnementales externes ou de défis de gestion thermique interne. Lorsque la désexcitation n'est pas possible, les options alternatives incluent la connexion de résistances en parallèle pour partager l'absorption de l'énergie électrique ou l'introduction de mécanismes de refroidissement actif dans le dispositif. Si vous devez utiliser une résistance de valeur plus élevée, vous devrez considérer qu'elle sera physiquement plus grande que le composant que vous aviez prévu d'utiliser. La masse et la taille accrues du composant affecteront la disposition de la carte et augmenteront la susceptibilité du composant et de ses connexions aux dommages causés par les vibrations mécaniques.

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