Zmniejszenie mocy rezystora w celu wydłużenia średniego czasu między awariami

Z założenia, rezystory ograniczają przepływ prądu, pochłaniając energię elektryczną i przekształcając ją w energię cieplną. Wszystkie rezystory mają określoną moc znamionową, która określa maksymalną energię, jaką komponent może przekształcić bez pogorszenia wydajności lub uszkodzenia komponentu.

Maksymalna moc znamionowa rezystora zależy od materiałów użytych do jego budowy, jego wymiarów fizycznych oraz maksymalnej temperatury, przy której komponent może bezpiecznie pracować. Maksymalna temperatura zależy od temperatury otoczenia wokół komponentu oraz od ciepła rozproszonego, które jest usuwane z komponentu do otoczenia. To ostatnie zależy od środków zarządzania ciepłem, które projektant zaimplementował dla komponentu oraz reszty obwodu pod kątem układu PCB, radiatorów, przepływu powietrza oraz wszelkich innych mechanizmów chłodzenia, które mogą być obecne.

Podczas obliczania wymaganego wskaźnika mocy dla komponentu rezystancyjnego, należy wziąć pod uwagę charakter zmieniających się napięć na rezystorze. Obciążenia impulsowe z średnim napięciem VL nie spowodują takich samych efektów termicznych, jak stałe napięcie o tej samej wielkości, które również równa się VL. Rzeczywista różnica będzie zależała od składu rezystora. Rezystory drutowe są bardziej tolerancyjne na obciążenia impulsowe niż rezystory foliowe. Obciążenie impulsowe generuje stan przeciążenia zależny od czynników, które obejmują średnią moc w ciągu impulsów, częstotliwość powtarzania i czas narastania. Stan przeciążenia musi być uwzględniony w obliczeniu wymaganego wskaźnika mocy, aby uzyskać dokładny wynik. Najprostszą metodą jest traktowanie energii impulsowej jako równoważnej energii w stanie stałym, poprzez obliczenie średniej mocy dla ciągu impulsów i dostosowanie jej do wymaganego typu rezystora oraz właściwości impulsów. Można to zrobić, używając dostępnych równań do obliczenia dokładnego współczynnika stanu przeciążenia lub użyć inżynierskiego osądu, aby wybrać mnożnik dla najgorszego przypadku.

Warto pamiętać, że oporność każdego komponentu będzie się zmieniać w zależności od temperatury, co zależy od materiałów użytych do konstrukcji rezystora. Ta zmiana jest określana jako współczynnik temperaturowy oporności (TCR) dla komponentu. Wyrażony w ppm/°C (części na milion na stopień Celsjusza), reprezentuje procentową zmianę oporności dla każdej zmiany temperatury o jeden stopień. Rezystory wyprodukowane z użyciem materiałów metalicznych zazwyczaj mają dodatni współczynnik temperaturowy, co oznacza, że ich oporność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Przeciwnie, rezystory wyprodukowane z użyciem materiałów półprzewodnikowych zazwyczaj mają ujemny współczynnik temperaturowy, co oznacza, że ich oporność maleje wraz ze wzrostem temperatury. Staranny dobór materiałów może umożliwić produkcję rezystorów o neutralnym współczynniku temperaturowym, co oznacza, że ich oporność nie zmienia się wraz z temperaturą. Jest to idealne do produkcji precyzyjnych rezystorów, ale metale stopowe wymagane do ich konstrukcji mogą je uczynić drogimi.

Derating rezystorów to technika projektowania, polegająca na celowym działaniu komponentu przy napięciach znacznie niższych niż maksymalne dopuszczalne napięcie. Dzięki temu zmniejsza się maksymalna temperatura, jaka może być wygenerowana wewnątrz komponentu. Przynosi to korzyść w postaci zmniejszenia tempa degradacji materiałów użytych do konstrukcji komponentu. Skutkuje to zwiększeniem niezawodności i przedłużeniem żywotności komponentu. Większość producentów rezystorów określa ich moc znamionową przy temperaturze 70°C w środowisku z wolnym przepływem powietrza. Jeśli komponent znajduje się w urządzeniu bez wolnego przepływu powietrza i bez innych mechanizmów chłodzenia, wówczas konieczna będzie analiza termiczna, aby określić rzeczywistą maksymalną moc, która powinna być stosowana. Jeśli komponent znajduje się w urządzeniu, gdzie zapewnione jest dodatkowe chłodzenie, wówczas teoretycznie komponent może być bezpiecznie eksploatowany powyżej maksymalnej mocy znamionowej, zakładając, że wygenerowane w rezystorze ciepło jest rozpraszane w szybszym tempie niż w warunkach wolnego przepływu powietrza.

Karty katalogowe rezystorów zwykle podają wartości deratingu, gdy temperatura pracy przekroczy standardowe 70°C. Są one podawane jako procent stosowany do mocy znamionowej komponentu, aby obliczyć moc roboczą. Jest to również znane jako stosunek obciążenia rezystora, obliczany z maksymalnego stosunku mocy roboczej do mocy znamionowej podanej przez producenta. Ogólną zasadą jest przyjęcie stosunku obciążenia 0,8 dla typowego projektu obwodu. Jednakże, karty danych producentów mogą oferować zalecane wartości stosunku obciążenia dla szeregu typowych warunków pracy i projektowania.

Kolejną zaletą deratyzacji rezystorów jest zwiększenie marginesu bezpieczeństwa między limitami komponentów a rzeczywistymi obciążeniami, które mogą wystąpić nieoczekiwanie w procesie projektowania. Obejmuje to zmiany w poziomach zasilania prowadzące do wyższych niż oczekiwano napięć pojawiających się na rezystorze. Może to być również wyższa niż oczekiwano temperatura pracy z powodu zewnętrznych warunków środowiskowych lub wewnętrznych wyzwań związanych z zarządzaniem ciepłem. Tam, gdzie deratyzacja nie jest możliwa, alternatywne opcje obejmują łączenie rezystorów równolegle, aby dzieliły absorpcję energii elektrycznej, lub wprowadzenie aktywnych mechanizmów chłodzenia do urządzenia. Jeśli musisz użyć rezystora o wyższej ocenie, musisz wziąć pod uwagę, że będzie on fizycznie większy niż komponent, który planowałeś użyć. Zwiększona masa i rozmiar komponentu wpłyną na układ płytki i zwiększą podatność komponentu i połączeń na uszkodzenia spowodowane wibracjami mechanicznymi.

Czy chciałbyś dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium Designer® może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.