抵抗器のパワーディレーティングによる故障間隔時間の改善

設計により、抵抗器は電流の流れを制限し、電気エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換します。すべての抵抗器には、性能が低下したり、コンポーネントが故障したりすることなく変換できる最大エネルギーを決定する指定の電力定格があります。

抵抗器の最大電力定格は、その構成材料、物理的寸法、およびコンポーネントが安全に動作できる最大温度に依存します。最大温度は、コンポーネントの周囲の環境温度と、コンポーネントから環境に抽出される放散熱に依存します。後者は、PCBレイアウト、ヒートシンク、エアフロー、および存在する可能性のあるその他の冷却メカニズムの観点から、設計者がコンポーネントおよび回路全体に対して実施した熱管理対策に依存します。

抵抗器の必要な定格電力を計算する際には、抵抗器を通る変動する電圧の性質を考慮する必要があります。平均電圧がVLであるパルス負荷は、同じ大きさの定常電圧が引き起こす熱効果とは異なります。実際の差は、抵抗器の構成に依存します。ワイヤ巻き抵抗器は、フィルム抵抗器よりもパルス負荷に対して耐性があります。パルス負荷は、パルス列の平均電力、繰り返し頻度、立ち上がり時間を含む要因に依存する過負荷状態を生成します。この過負荷状態は、正確な結果を得るために必要な定格電力計算に組み込む必要があります。最も簡単な方法は、パルス列の平均電力を計算し、必要な抵抗器のタイプとパルスの特性に応じて調整することにより、パルスエネルギーを等価の定常状態エネルギーとして扱うことです。これは、正確な過負荷状態係数を計算するための既存の方程式を使用するか、またはエンジニアリングの判断を用いて最悪の場合の乗数を選択することによって行うことができます。

念頭に置くべき一つのことは、任意のコンポーネントの抵抗は、抵抗器を構成する材料に依存して温度変化によって変化するということです。この変化は、コンポーネントの温度係数（TCR）として指定されます。ppm/°C（百万分の一度セルシウス度あたり）で表され、温度が1度変化するごとの抵抗のパーセンテージ変化を表します。抵抗器は、金属材料を使用して製造されたものは一般に正の温度係数を持ち、温度が上昇すると抵抗が増加することを意味します。逆に、半導体材料を使用して製造された抵抗器は一般に負の温度係数を持ち、温度が上昇すると抵抗が減少することを意味します。材料の慎重な選択により、温度変化によって抵抗が変化しない中性の温度係数を持つ抵抗器を製造することができます。これは精密抵抗器を製造するのに理想的ですが、その構築に必要な金属合金は、それらを高価にすることがあります。

ディレーティング抵抗器は、コンポーネントを最大定格電圧よりも大幅に低い電圧で意図的に動作させる設計技術です。これにより、コンポーネント内で発生することができるピーク温度が低減されます。これは、コンポーネントの構成材料の劣化速度が減少するという利点があります。これにより、コンポーネントの信頼性と寿命が向上します。ほとんどの抵抗器メーカーは、自由空気流がある環境での70°Cの温度での定格電力を指定しています。もしコンポーネントが自由空気流がなく、他の冷却メカニズムもないデバイス内に位置している場合、実際に適用すべき最大電力定格を決定するために熱分析が必要になります。もしコンポーネントが追加の冷却が提供されるデバイス内に位置している場合、理論的には、抵抗器内で発生する熱が自由空気流条件よりも速く放散されると仮定すると、コンポーネントは最大電力定格を超えて安全に動作させることができます。

抵抗器のデータシートには、通常、動作温度が標準の70°Cを超える場合のデレーティング値が記載されています。これらは、動作電力定格を計算するためにコンポーネントの電力定格に適用されるパーセンテージとして提供されます。これはまた、製造元の定格電力に対する最大動作電力比から計算される抵抗器のストレス比としても知られています。一般的なルールとして、典型的な回路設計にはストレス比0.8を採用することが推奨されます。しかし、メーカーのデータシートには、一般的な動作条件および設計条件の範囲に対して推奨されるストレス比の数値が提供される場合があります。

抵抗器のディレーティングのもう一つの利点は、設計プロセスで予見できなかった実際の適用ストレスとコンポーネントの限界との間の安全マージンを増加させることです。これには、電源レベルの変動により抵抗器に予想以上の電圧がかかることが含まれます。または、外部環境条件や内部の熱管理の課題により、予想以上の動作温度が発生することもあります。ディレーティングが不可能な場合、代替オプションには、電気エネルギーの吸収を分け合うために抵抗器を並列に接続することや、デバイスにアクティブ冷却機構を導入することが含まれます。より高い定格の抵抗器を使用する必要がある場合は、計画していたコンポーネントよりも物理的に大きくなることを考慮する必要があります。コンポーネントの増加した質量とサイズは、ボードレイアウトに影響を与え、機械的振動からの損傷に対するコンポーネントの感受性と接続を増加させます。

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