Snížení výkonu rezistoru pro zvýšení střední doby mezi poruchami | Návrh desek plošných spojů | Altium Designer

Rezistory jsou konstrukčně omezovány tok proudu absorbováním elektrické energie a její přeměnou na teplo. Všechny rezistory mají jmenovitý výkon, který určuje maximální energii, kterou může součástka převést, aniž by se snížil výkon nebo způsobil její selhání.

Maximální jmenovitý výkon rezistoru bude záviset na materiálech použitých při jeho konstrukci, jeho fyzických rozměrech a maximální teplotě, při které může součástka bezpečně pracovat. Maximální teplota bude záviset na okolní teplotě kolem součástky a na teple rozptýleném ze součástky do okolí. To bude záviset na opatřeních pro tepelnou regulaci, která konstruktér zavedl pro součástku a zbytek obvodu, pokud jde o umístění desky plošných spojů, chladiče, proudění vzduchu a jakékoli další chladicí mechanismy, které mohou být přítomny.

Při výpočtu požadovaného výkonu odporové součástky je třeba vzít v úvahu povahu měnících se napětí na rezistoru. Pulzní zátěže s průměrným napětím VL nebudou mít stejné tepelné účinky jako konstantní napětí o stejné velikosti rovné VL. Skutečný rozdíl bude záviset na složení rezistoru. Drátové rezistory jsou k pulzní zátěži tolerantnější než filmové rezistory. Pulzní zátěž vytváří stav přetížení, který závisí na faktorech, jako je průměrný výkon v pulzní sérii, opakovací frekvence a doba náběhu. Pro dosažení přesného výsledku je nutné při výpočtu požadovaného výkonu zohlednit stav přetížení. Nejjednodušší metodou je považovat pulzní energii za ekvivalent energie v ustáleném stavu, vypočítat průměrný výkon pro pulzní sérii a upravit jej podle požadovaného typu rezistoru a vlastností pulzů. Toho lze dosáhnout buď použitím dostupných rovnic pro výpočet přesného faktoru přetížení, nebo použitím inženýrského úsudku pro výběr multiplikátoru pro nejhorší případ.

Je třeba si uvědomit, že odpor jakékoli součástky se mění s teplotou v závislosti na materiálech použitých k výrobě rezistoru. Tato změna se udává jako teplotní koeficient odporu (TCR) pro danou součástku. Vyjádřený v ppm/°C (částice na milion na stupeň Celsia) představuje procentuální změnu odporu pro každý stupeň změny teploty. Rezistory vyrobené z kovových materiálů mají obvykle kladný teplotní koeficient, což znamená, že jejich odpor se zvyšuje se zvyšující se teplotou. Naproti tomu rezistory vyrobené z polovodičových materiálů mají obvykle záporný teplotní koeficient, což znamená, že jejich odpor se zvyšuje se zvyšující se teplotou. Pečlivým výběrem materiálů lze vyrobit rezistory s neutrálním teplotním koeficientem, což znamená, že jejich odpor se s teplotou nemění. To je ideální pro výrobu přesných rezistorů, ale kovové slitiny potřebné k jejich výrobě je mohou prodražit.

Snižování výkonu rezistorů je konstrukční technika, při které se součástka záměrně používá při napětích hluboko pod svým maximálním jmenovitým napětím. Tím se snižují špičkové teploty, které se mohou uvnitř součástky vyskytnout. Snižuje se tak rychlost degradace materiálů, ze kterých je součástka vyrobena. Výsledkem je zvýšená spolehlivost a delší životnost součástky. Většina výrobců rezistorů uvádí své jmenovité výkony při 70 °C za podmínek volného vzduchu. Pokud je součástka umístěna uvnitř zařízení bez volného vzduchu a bez dalších chladicích mechanismů, bude nutná tepelná analýza, která určí skutečný maximální výkon, který by měl být použit. Pokud je součástka umístěna uvnitř zařízení, kde je zajištěno dodatečné chlazení, pak může být teoreticky bezpečně provozována nad svým maximálním jmenovitým výkonem za předpokladu, že teplo generované v rezistoru se odvádí rychleji než za podmínek volného vzduchu.

Datové listy rezistorů obvykle obsahují hodnoty snížení výkonu pro aplikace, kde provozní teplota překračuje standardních 70 °C. Tyto hodnoty jsou prezentovány jako procento aplikované na jmenovitý výkon součástky pro výpočet pracovního výkonu. Toto je také známé jako činitel zatížení rezistoru, který se vypočítá z poměru maximálního pracovního výkonu k jmenovitému výkonu výrobce. Obecným pravidlem je použít pro typický návrh obvodu činitel zatížení 0.8. Datové listy výrobců však mohou nabízet doporučené hodnoty činitele zatížení pro řadu typických provozních a konstrukčních podmínek.

Další výhodou snížení výkonu rezistoru je, že zvyšuje bezpečnostní rezervu mezi maximálním jmenovitým výkonem součástky a reálným namáháním, které může neočekávaně vzniknout během procesu návrhu. To zahrnuje změny úrovní výkonu, které vedou k vyššímu než očekávanému napětí na rezistoru. Nebo to může být vyšší než očekávané provozní teploty v důsledku vnějších podmínek prostředí nebo problémů s vnitřním tepelným řízením. Pokud snížení výkonu není možné, alternativami je paralelní zapojení rezistorů pro rozložení absorpce elektrické energie nebo zavedení aktivních chladicích mechanismů do zařízení. Pokud potřebujete použít rezistor s vyšší hodnotou, je třeba vzít v úvahu, že bude fyzicky větší než součástka, kterou jste plánovali použít. Zvýšená hmotnost a velikost součástky ovlivní rozvržení desky a zvýší náchylnost součástky a jejích spojů k poškození mechanickými vibracemi.

Chcete se dozvědět více o tom, jak vám Altium Designer® může pomoci s vaším dalším projektem desek plošných spojů? Kontaktujte odborníka ze společnosti Altium.

Nezbytnou součástí každého elektrického obvodu, jakéhokoli domácího produktu, v každém návrháři je rezistor. Prvek, který zjednodušeně řečeno snižuje proud v elektrických obvodech.

Elementárním příkladem potřeby rezistoru v obvodu je napájení LED. Každý radí dát do série odpor 1-2 kOhm, jinak 12voltová LED shoří. Odkud tato hodnota pochází, jak ji zjistit?

1. Teorie.
Každý z nás chodil do školy a pravděpodobně si pamatuje Ohmův zákon: I=U/R
I – proud obvodu (v ampérech);
U– napětí na této části obvodu (ve voltech);
R – odpor části obvodu (v Ohmech).
*Podívejme se na nejjednodušší úkol:
Chcete rozsvítit 1.5 voltovou žárovku se spotřebou proudu 0.16 ampéru (všechny tyto údaje jsou uvedeny na samotné žárovce) z 12 voltového zdroje. Přirozeně musíte uhasit dalších 10.5 voltů. Tuto roli může převzít rezistor, pokud je zapojen do série s žárovkou. A jeho hodnotu zjistíme pomocí Ohmova vzorce – 10.5/0.16= 65.6 ohmů (R=U/I).
To platí i pro LED diody, rozdíl je pouze v tom, že aktuální spotřebu lze zjistit v referenční knize, nikoli na základně zařízení.
Vzorec Ohmova zákona pro stejnosměrný proud je univerzální a používá se v různých situacích. Hlavní věc je, aby bylo použití velmi snadné, nezapomeňte na „magický trojúhelník“.

Nakreslete pravidelný trojúhelník, rozdělte ho na tři části a napište tři symboly: nahoře – U, vlevo dole – I, vpravo dole – R. Nyní, když neznámou hodnotu zakryjete prstem, uvidíte čím potřebujete dělit nebo násobit.
2. Označení rezistorů (odporů).
Rezistory se měří jejich odporem vůči stejnosměrnému proudu – v Ohmech.
1000000 Ohm = 1 Mega Ohm (1M) = 1000 Kilo Ohm (1000k).
Existují normy pro označování hodnot odporu na těle dílů. V různých zemích se mírně liší, ale pokud rozumíte principu, nejde o významné rozdíly:
• Rezistory s nominální hodnotou do 100 Ohmů jsou označeny koncovkou E nebo R, např. 56R, 56E – jedná se o odpor 56 Ohmů;
• Nápis K15 nebo 150R znamená, že máte odpor 150 Ohmů;
• Nyní si můžete povšimnout další logiky značení – významný znak je umístěn buď na začátku, nebo uprostřed, nebo na konci nominální hodnoty. Není těžké určit, že před znaménkem se jedná o přítomnost celé části násobiče měrné jednotky.
Příklady: 1K5 – 1,5 kilo Ohm = 1500 Ohm;
27k – 27 kilo Ohm = 27000 Ohm;
M1 – 100K – 100 kilo Ohm;
1M5 – 1,5 mega Ohm;
10M – 10 megaohmů.
3. Výkon rezistorů.
Velmi častá a mylná představa o výměně rezistorů je “Našel jsem vhodnou hodnotu a nejsou žádné problémy.”
Zákon zachování energie vůbec nezmizel, pokud rezistor sníží proud v obvodu, musí tuto energii nějak uvolnit. To bude teplo, nebo spíše ohřev samotného prvku.
A zde vstupuje do hry ztrátový výkon rezistoru – velikost proudu a napětí, při kterých může odpor pracovat.
Vzpomeňte si na příklad, který byl uveden na začátku článku. Odpor potlačuje napětí 10.5 V při zatěžovacím proudu 0.16 ampéru. Fyzika středního vzdělání: P = I x U, výsledkem je 1.68 W.
V důsledku toho potřebujete odpor alespoň 2 watty.
Proč 2W a ne 1.2 nebo 1.5?
Existují odporové výkonové normy. Čím nižší je rozptylový výkon, tím menší jsou rozměry prvku.
Výkonové normy pro rezistory jsou široké a není možné v tomto článku popsat všechny nuance a konstrukční možnosti součástek, ale důležité jsou především některé běžné návrhy rezistorů v přípustném provozním výkonu.
Nejvhodnější výkonový rozsah pro rezistory v domácích spotřebičích: 0.125W; 0.25 W; 0.5 W; 1 w; 2w.

Na malých rezistorech bohužel není žádné označení výkonu, takže vše zjistíte buď online, nebo přes obchod, kde produkt zakoupíte. Pro začátek doporučuji zakoupit sadu odporů různých hodnot, taková sada vám bude stačit k vytvoření vašich prvních domácích produktů.
4. Další informace.
Samotné téma rezistorů se dotýká mnoha bodů o vlastnostech odporů a jejich typech, typech a modifikacích. To vše lze zvládnout v procesu výroby domácích produktů nebo jednoduše studiem příkladů jiných prací, ale stručně popíšeme některé otázky:
– existují odpory, které velmi zřetelně reagují na okolní teplotu, termistory a používají se pro teplotní čidla;
– proměnný odpor. Existují proměnné a úpravy. Zhruba řečeno, trimry jsou ty, které jsou instalovány na desce a mění své hodnoty pomocí šroubováku.
– Existují odpory fólie a drátu – v závislosti na způsobu výroby. Drátové se používají hlavně pro vysoké zatěžovací proudy, ale mají vysokou indukčnost, což omezuje jejich použití ve vysokofrekvenčních obvodech.