Redução de Potência de Resistor para Melhorar o Tempo Médio Entre Falhas

Por design, os resistores limitam o fluxo de corrente, absorvendo energia elétrica e convertendo-a em energia térmica. Todos os resistores possuem uma classificação de potência especificada que determina a energia máxima que o componente pode converter sem degradar o desempenho ou sem que o componente falhe.

A classificação de potência máxima de um resistor dependerá dos materiais usados em sua construção, suas dimensões físicas e a temperatura máxima que o componente pode operar com segurança. A temperatura máxima dependerá da temperatura ambiente ao redor do componente e do calor dissipado extraído do componente para o ambiente. Este último dependerá das medidas de gerenciamento térmico que o projetista implementou para o componente e o restante do circuito em termos de layout da PCB, dissipadores de calor, fluxo de ar e quaisquer outros mecanismos de resfriamento que possam estar presentes.

Ao calcular a classificação de potência necessária para o componente resistivo, a natureza de quaisquer tensões variáveis através do resistor precisa ser considerada. Cargas pulsadas com uma tensão média de VL não causarão os mesmos efeitos térmicos que uma tensão de estado estacionário da magnitude que também é igual a VL. A diferença real dependerá da composição do resistor. Resistores enrolados em fio são mais tolerantes a cargas pulsadas do que resistores de filme. Uma carga pulsada gera uma condição de sobrecarga dependente de fatores que incluem a potência média na sequência de pulsos, a frequência de repetição e o tempo de subida. A condição de sobrecarga precisa ser considerada no cálculo da classificação de potência necessária para gerar um resultado preciso. O método mais simples é tratar a energia pulsada como energia de estado estacionário equivalente, calculando a potência média para a sequência de pulsos e ajustando para o tipo de resistor necessário e as propriedades dos pulsos. Isso pode ser feito usando equações disponíveis para calcular o fator exato da condição de sobrecarga ou usar o julgamento de engenharia para selecionar um multiplicador de pior caso.

Uma coisa a ter em mente é que a resistência de qualquer componente variará com a temperatura, dependendo dos materiais usados para construir o resistor. Essa mudança é especificada como o coeficiente de temperatura da resistência (TCR) para o componente. Expresso em ppm/°C (partes por milhão por grau centígrado), representa a mudança percentual na resistência para cada grau de mudança na temperatura. Resistores fabricados usando materiais metálicos geralmente têm um coeficiente de temperatura positivo, significando que sua resistência aumenta conforme a temperatura aumenta. Por outro lado, resistores fabricados usando materiais semicondutores geralmente têm um coeficiente de temperatura negativo, significando que sua resistência diminui conforme a temperatura aumenta. A seleção cuidadosa de materiais pode permitir a fabricação de resistores com um coeficiente de temperatura neutro, significando que sua resistência não muda com a temperatura. Isso é ideal para produzir resistores de precisão, mas as ligas metálicas necessárias para sua construção podem torná-los caros.

Derating de resistores é uma técnica de design na qual um componente é deliberadamente operado em tensões significativamente inferiores à tensão máxima nominal. Isso reduz as temperaturas de pico que podem ser geradas dentro do componente. Isso beneficia a taxa de degradação dos materiais usados para construir o componente, sendo reduzida. Isso resulta em um aumento da confiabilidade e da expectativa de vida do componente. A maioria dos fabricantes de resistores especifica sua classificação de potência a uma temperatura de 70°C em um ambiente com fluxo de ar livre. Suponha que um componente esteja localizado dentro de um dispositivo sem fluxo de ar livre e sem outros mecanismos de resfriamento. Nesse caso, uma análise térmica será necessária para determinar a classificação de potência máxima real que deve ser aplicada. Suponha que um componente esteja localizado dentro de um dispositivo onde resfriamento adicional é fornecido. Nesse caso, teoricamente, o componente pode ser operado com segurança acima da classificação de potência máxima, assumindo que o calor gerado dentro do resistor é dissipado a uma taxa maior do que para a condição de fluxo de ar livre.

As folhas de dados de resistores normalmente fornecem valores de desclassificação quando a temperatura de operação exceder os 70°C padrão. Esses valores são fornecidos como uma porcentagem aplicada à classificação de potência do componente para calcular a classificação de potência operacional. Isso também é conhecido como a razão de estresse do resistor, calculada a partir da razão de potência operacional máxima para a potência classificada pelo fabricante. A regra geral é adotar uma razão de estresse de 0,8 para um projeto de circuito típico. No entanto, as folhas de dados dos fabricantes podem oferecer figuras de razão de estresse recomendadas para uma gama de condições operacionais e de projeto típicas.

Outra vantagem de subdimensionar resistores é que isso aumenta a margem de segurança entre os limites dos componentes e os estresses reais aplicados que podem ser imprevistos no processo de design. Isso inclui variações nos níveis de fornecimento de energia que levam a tensões mais altas do que o esperado sendo vistas através do resistor. Ou pode ser temperaturas operacionais mais altas do que o esperado devido a condições ambientais externas ou desafios de gerenciamento térmico interno. Quando o subdimensionamento não é possível, opções alternativas incluem conectar resistores em paralelo para compartilhar a absorção de energia elétrica ou introduzir mecanismos de resfriamento ativo no dispositivo. Se você precisar usar um resistor de classificação mais alta, precisará considerar que ele será fisicamente maior do que o componente que planejou usar. O aumento da massa e do tamanho do componente afetará o layout da placa e aumentará a suscetibilidade do componente e das conexões a danos causados por vibrações mecânicas.

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