Derating della potenza delle resistenze per migliorare il tempo medio tra i guasti

Per progettazione, le resistenze limitano il flusso di corrente, assorbendo energia elettrica e convertendola in energia termica. Tutte le resistenze hanno una potenza nominale specificata che determina l'energia massima che il componente può convertire senza degradare le prestazioni o senza che il componente fallisca.

La potenza massima nominale di una resistenza dipenderà dai materiali utilizzati nella sua costruzione, dalle sue dimensioni fisiche e dalla massima temperatura a cui il componente può operare in sicurezza. La temperatura massima dipenderà dalla temperatura ambiente intorno al componente e dal calore dissipato estratto dal componente nell'ambiente. Quest'ultimo dipenderà dalle misure di gestione termica che il progettista ha implementato per il componente e per il resto del circuito in termini di layout del PCB, dissipatori di calore, flusso d'aria e qualsiasi altro meccanismo di raffreddamento che possa essere presente.

Quando si calcola la potenza nominale richiesta per un componente resistivo, è necessario considerare la natura di eventuali variazioni di tensione attraverso il resistore. Carichi impulsivi con una tensione media di VL non causeranno gli stessi effetti termici di una tensione in stato stazionario della stessa grandezza che equivale anche a VL. La differenza effettiva dipenderà dalla composizione del resistore. I resistori avvolti in filo sono più tolleranti ai carichi impulsivi rispetto ai resistori a film. Un carico impulsivo genera una condizione di sovraccarico dipendente da fattori che includono la potenza media nella serie di impulsi, la frequenza di ripetizione e il tempo di salita. La condizione di sovraccarico deve essere considerata nel calcolo della potenza nominale richiesta per generare un risultato accurato. Il metodo più semplice consiste nel trattare l'energia impulsiva come energia in stato stazionario equivalente calcolando la potenza media per la serie di impulsi e aggiustando per il tipo di resistore richiesto e le proprietà degli impulsi. Questo può essere fatto sia utilizzando le equazioni disponibili per calcolare esattamente il fattore di condizione di sovraccarico sia utilizzando il giudizio ingegneristico per selezionare un moltiplicatore per il caso peggiore.

Una cosa da tenere a mente è che la resistenza di qualsiasi componente varierà con la temperatura, a seconda dei materiali utilizzati per costruire il resistore. Questo cambiamento è specificato come il coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) per il componente. Espresso in ppm/°C (parti per milione per grado centigrado), rappresenta la variazione percentuale della resistenza per ogni grado di variazione della temperatura. Resistori fabbricati utilizzando materiali metallici generalmente hanno un coefficiente di temperatura positivo, il che significa che la loro resistenza aumenta man mano che la temperatura aumenta. Al contrario, i resistori fabbricati utilizzando materiali semiconduttori generalmente hanno un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che la loro resistenza diminuisce man mano che la temperatura aumenta. Una selezione accurata dei materiali può permettere la fabbricazione di resistori con un coefficiente di temperatura neutro, il che significa che la loro resistenza non cambia con la temperatura. Questo è ideale per produrre resistori di precisione, ma le leghe metalliche richieste per la loro costruzione possono renderli costosi.

Derating dei resistori è una tecnica di progettazione in cui un componente viene deliberatamente utilizzato a tensioni significativamente inferiori alla tensione massima nominale. Questo riduce le temperature di picco che possono essere generate all'interno del componente. Ciò beneficia il tasso di degradazione dei materiali utilizzati per costruire il componente, che viene ridotto. Questo si traduce in un aumento dell'affidabilità e della durata prevista per il componente. La maggior parte dei produttori di resistori specifica la loro potenza nominale a una temperatura di 70°C in un ambiente con flusso d'aria libero. Supponiamo che un componente si trovi all'interno di un dispositivo senza flusso d'aria libero e senza altri meccanismi di raffreddamento. In tal caso, sarà necessaria un'analisi termica per determinare l'effettiva potenza massima che dovrebbe essere applicata. Supponiamo che un componente si trovi all'interno di un dispositivo dove viene fornito un raffreddamento aggiuntivo. In tal caso, teoricamente, il componente può essere utilizzato in sicurezza oltre la potenza massima nominale, assumendo che il calore generato all'interno del resistore venga dissipato a un tasso maggiore rispetto alla condizione di flusso d'aria libero.

I datasheet dei resistori forniscono tipicamente valori di derating quando la temperatura di esercizio supera i 70°C standard. Questi sono forniti come una percentuale applicata alla potenza nominale del componente per calcolare la potenza operativa nominale. Questo è anche noto come il rapporto di stress del resistore, calcolato dal rapporto tra la potenza operativa massima e la potenza nominale del produttore. La regola generale è adottare un rapporto di stress di 0.8 per un tipico progetto di circuito. Tuttavia, i fogli dati dei produttori possono offrire cifre di rapporto di stress raccomandate per una gamma di condizioni operative e di progettazione tipiche.

Un altro vantaggio della derating dei resistori è che aumenta il margine di sicurezza tra i limiti dei componenti e gli stress reali applicati che potrebbero non essere previsti nel processo di progettazione. Ciò include variazioni nei livelli di alimentazione che portano a tensioni più elevate del previsto ai capi del resistore. Oppure potrebbe trattarsi di temperature operative più elevate del previsto a causa di condizioni ambientali esterne o sfide nella gestione termica interna. Laddove la derating non è possibile, le opzioni alternative includono il collegamento dei resistori in parallelo per condividere l'assorbimento dell'energia elettrica o l'introduzione di meccanismi di raffreddamento attivo nel dispositivo. Se è necessario utilizzare un resistore con una valutazione più alta, sarà necessario considerare che sarà fisicamente più grande del componente che si prevedeva di utilizzare. L'aumento di massa e dimensione del componente influenzerà il layout della scheda e aumenterà la suscettibilità del componente e delle connessioni ai danni da vibrazioni meccaniche.

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