Снижение мощности резистора для увеличения среднего времени между отказами

По конструкции резисторы ограничивают поток тока, поглощая электрическую энергию и преобразуя ее в тепловую. Все резисторы имеют указанную мощность, которая определяет максимальную энергию, которую компонент может преобразовать без снижения производительности или выхода компонента из строя.

Максимальная мощность резистора будет зависеть от материалов, использованных в его конструкции, его физических размеров и максимальной температуры, при которой компонент может безопасно работать. Максимальная температура будет зависеть от окружающей температуры вокруг компонента и рассеиваемого тепла, извлекаемого из компонента в окружающую среду. Последнее будет зависеть от мер теплового управления, которые разработчик реализовал для компонента и остальной части схемы с точки зрения размещения на печатной плате, теплоотводов, воздушного потока и любых других механизмов охлаждения, которые могут присутствовать.

При расчете необходимой мощности резистивного компонента необходимо учитывать характер изменяющихся напряжений на резисторе. Импульсные нагрузки со средним напряжением VL не вызовут таких же тепловых эффектов, как постоянное напряжение той же величины, равное VL. Реальная разница будет зависеть от состава резистора. Проволочные резисторы более толерантны к импульсным нагрузкам, чем пленочные резисторы. Импульсная нагрузка создает условие перегрузки, зависящее от таких факторов, как средняя мощность в поезде импульсов, частота повторения и время нарастания. Условие перегрузки необходимо учитывать при расчете требуемой мощности для получения точного результата. Простейший метод заключается в том, чтобы рассматривать импульсную энергию как эквивалентную энергию постоянного состояния, рассчитывая среднюю мощность для поезда импульсов и корректируя ее с учетом типа требуемого резистора и свойств импульсов. Это можно сделать либо с использованием доступных уравнений для расчета точного коэффициента условия перегрузки, либо используя инженерное суждение для выбора множителя для худшего случая.

Одна вещь, о которой следует помнить, заключается в том, что сопротивление любого компонента будет изменяться в зависимости от температуры, в зависимости от материалов, использованных для изготовления резистора. Это изменение указывается как температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для компонента. Выраженный в ppm/°C (частей на миллион на градус Цельсия), он представляет собой процентное изменение сопротивления на каждый градус изменения температуры. Резисторы, изготовленные с использованием металлических материалов, обычно имеют положительный температурный коэффициент, что означает увеличение их сопротивления с повышением температуры. Напротив, резисторы, изготовленные с использованием полупроводниковых материалов, обычно имеют отрицательный температурный коэффициент, что означает уменьшение их сопротивления с повышением температуры. Тщательный выбор материалов может позволить производить резисторы с нейтральным температурным коэффициентом, что означает, что их сопротивление не изменяется с температурой. Это идеально подходит для производства точных резисторов, но металлические сплавы, необходимые для их конструкции, могут сделать их дорогими.

Дерейтинг резисторов — это методика проектирования, при которой компонент намеренно используется при напряжениях, значительно ниже максимально допустимого напряжения. Это снижает пиковые температуры, которые могут возникать внутри компонента. Благодаря этому уменьшается скорость деградации материалов, из которых изготовлен компонент. Это приводит к увеличению надежности и срока службы компонента. Большинство производителей резисторов указывают их мощность при температуре 70°C в условиях свободной циркуляции воздуха. Если компонент находится внутри устройства без свободной циркуляции воздуха и без других механизмов охлаждения, то потребуется тепловой анализ для определения фактической максимальной мощности, которая должна быть применена. Если компонент находится внутри устройства, где предусмотрено дополнительное охлаждение, то, теоретически, компонент может быть безопасно эксплуатирован выше максимальной мощности, при условии, что тепло, генерируемое в резисторе, рассеивается быстрее, чем при условии свободной циркуляции воздуха.

Технические описания резисторов обычно содержат значения дерейтинга для случаев, когда рабочая температура превышает стандартные 70°C. Эти значения представлены в виде процента, применяемого к номинальной мощности компонента для расчета рабочей мощности. Это также известно как коэффициент нагрузки резистора, который рассчитывается из максимального соотношения рабочей мощности к номинальной мощности производителя. Общее правило - использовать коэффициент нагрузки 0.8 для типичного проекта схемы. Однако, технические описания производителей могут предлагать рекомендуемые значения коэффициента нагрузки для ряда типичных рабочих и проектных условий.

Еще одно преимущество дерейтинга резисторов заключается в том, что это увеличивает запас прочности между предельными параметрами компонентов и реальными нагрузками, которые могут возникнуть неожиданно в процессе проектирования. Это включает в себя изменения уровней питания, приводящие к более высоким, чем ожидалось, напряжениям на резисторе. Или это может быть более высокая, чем ожидалась, рабочая температура из-за внешних условий окружающей среды или внутренних проблем с тепловым управлением. Там, где дерейтинг невозможен, альтернативные варианты включают соединение резисторов параллельно для распределения поглощения электрической энергии или введение активных механизмов охлаждения в устройство. Если вам нужно использовать резистор с более высоким номиналом, вам нужно будет учесть, что он будет физически больше, чем компонент, который вы планировали использовать. Увеличенная масса и размер компонента повлияют на компоновку платы и увеличат восприимчивость компонента и его соединений к повреждениям от механических вибраций.

Хотите узнать больше о том, как Altium Designer® может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.