Мощность резистора: Что такое мощность резистора? | joyta.ru — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Что такое мощность резистора? | joyta.ru

Главная » Электроника для начинающих » Что такое мощность резистора?

Номинальная мощность резистора определяет, какое максимальное количество энергии может рассеять резистор без риска перегрева.

Закон Ома для участка цепи утверждает что, электрическая мощность связана с напряжением и током:

P = I * U

Если электрическая мощность, выделяемая на резисторе, не превышает его номинальную рассеиваемую мощность, температура резистора будет стабильной. Следует отметить, что температура на самом резисторе распределена не равномерно. Его корпус немного теплее, чем выводы, а самая высокая температура в центре корпуса.

Чем выше скорость теплоотдачи в окружающую среду, тем ниже температура на резисторе. Крупные резисторы с большой площадью поверхности, как правило, могут рассеивать значительное количество тепловой мощности.

Если мощность выделяемая на резисторе превышает его номинальную мощность, то резистор может быть поврежден.

Это может иметь несколько последствий:

изменение значения сопротивления,
снижение срока службы,
полный выход из строя в результате обрыва цепи,
в экстремальных случаях чрезмерная мощность может даже стать причиной возгорания.

Определение: мощность резистора — номинальная мощность, которую может рассеять резистор, сохраняя при этом свою работоспособность.

Номинальная мощность резистора определяется для определенной температуры окружающей среды на открытом воздухе. Обратите внимание, что на практике количество энергии, которую резистор может рассеять без повреждения сильно зависит от условий эксплуатации и, следовательно, не равна номинальной мощности.

Например, повышение температуры окружающей среды может значительно уменьшить номинальную мощность резистора.

Это следует учитывать при разработке схем. Обычно резисторы рассчитаны для работы при температуре до 70°С, выше этого значения резистор значительно снижает свою номинальную рассеиваемую мощность. Это иллюстрируется кривой ухудшения параметров.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Наряду с влиянием температуры окружающей среды, есть еще несколько факторов, влияющих на изменение номинального значения мощности резистора. Наиболее важные факторы приведены ниже:

Корпус

Скорость теплоотдачи ограничивается из-за установки резистора в корпус прибора. Корпус ограничивает воздушный поток и, следовательно, отвод тепла путем конвекции. Излучаемое тепло будет удаляться неэффективно, потому что стенки корпуса действуют как тепловой барьер. Влияние корпуса на степень потери тепла сильно зависит от размера, формы, материала и толщины стенок.

Принудительное охлаждение

Увеличение теплопередачи посредством принудительной конвекции позволяет получить более высокую рассеиваемую мощность, чем путем обычной естественной конвекции.

Это может быть достигнуто путем создания воздушного потока, или даже жидкостным охлаждением. Некоторые мощные резисторы имеют ребристый корпус, чтобы создать большую поверхность для рассеивания тепла.

Группировка компонентов

На печатной плате резисторы зачастую расположены близко друг к другу. В таком случае тепловое излучение одного резистора будет оказывать влияние на показатель мощности рядом расположенных резисторов.

В заключении хотелось бы отметить, что для большинства электронных схем номинальная мощность резисторов не является ключевым параметром, поскольку эти резисторы рассеивают малое количество энергии от одного ватта и меньше.

Однако в силовой электронике мощность является важной характеристикой. Типичной областью применения мощных резисторов являются источники питания, динамические тормоза, преобразователи мощности, усилители и нагреватели.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике

Кажущаяся простота и очевидность применения резисторов создает у разработчиков силовой преобразовательной аппаратуры обманчивое впечатление малого влияния резисторов, как крайне простых, с точки зрения схемотехники, приборов на результирующую надежность разрабатываемого устройства. Однако это не так, и применение резисторов, как и любых других компонентов, требует тщательного подхода к выбору типов и обеспечению благоприятных условий работы.

Для лучшего понимания особенностей работы резисторов обратимся к базовым понятиям. Резистор, как элемент электрической цепи, служит для создания сопротивления протеканию электрического тока.

В идеальном случае работа резистора определяется фундаментальным законом, установленным немецким физиком Георгом Симоном Омом и носящим его имя:

где R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

При протекании тока через резистор энергия упорядоченного движения носителей заряда превращается в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве за счет теплопередачи и излучения. Мощность, выделяемая в резисторе, может быть определена по формуле, следующей из закона Ома:

или

Здесь P — мощность, выделяемая в участке цепи; R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

Мощность, выделяемая в резисторе, вызывает рост его температуры. Максимальная температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, зависит от конструкции резистора и применяемых материалов — как собственно резистивного элемента, так и его арматуры. Именно максимальная температура наиболее горячего участка резистора определяет ту мощность, которую резистор способен рассеивать.

В зависимости от условий, в которых находится резистор (температура, влажность, давление окружающего воздуха и скорость его движения), одна и та же рассеиваемая мощность вызывает различный прирост температуры прибора, поэтому при выборе резистора важно не только определить выделяемую мощность, но и условия его работы. Номинальная мощность резистора определяется как мощность, рассеиваемая прибором без превышения предельно допустимой температуры при естественном воздушном охлаждении на высоте 0 м над уровнем моря при температуре воздуха 25 °С.

При эксплуатации резистора следует помнить, что выделяемая мощность имеет квадратичную зависимость от приложенного к резистору напряжения или от протекающего тока (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость выделяемой мощности от напряжения (тока) резистора

Это означает, что небольшой рост напряжения или тока в цепи вызовет существенный рост рассеиваемой мощности, которая может превзойти максимально допустимую для примененного резистора, что приведет к выходу прибора из строя. Поэтому при выборе резистора важно не только знать номинальные ток и напряжение для него, но и учитывать возможные продолжительные отклонения, в частности из-за колебаний напряжения питающей сети.

Если мощность, рассеиваемая резистором, постоянна, то через некоторое время температура резистора стабилизируется (когда количество тепла, выделяемого в резисторе, станет равным количеству тепла, отдаваемого резистором в окружающую среду посредством излучения, конвекции и теплопередачи конструкции). Чем больше физический размер резистора, тем эффективнее происходит процесс отдачи тепла и тем ниже будет равновесная температура при одной и той же выделяемой мощности. Кроме того, эффективность излучения, конвекции и теплопередачи существенно зависит от конструкции резистора, применяемых материалов и условий охлаждения.

Приводимые в справочных материалах величины максимальной рассеиваемой мощности резисторов относятся к условиям естественного охлаждения. На сегодняшний день существует ряд стандартов, регламентирующих метод определения максимально допустимой мощности рассеяния резисторов исходя из температуры перегрева наиболее горячего участка резистора.

Ведущие производители мощных резисторов (Danotherm, Ohmite, Arcol, SIR и др.) при нормировании мощности своих приборов обычно руководствуются рекомендациями National Electrical Manufacturers Association (NEMA) и Underwriters Laboratories, Inc. (UL). Согласно таковым, максимально допустимая мощность при естественном охлаждении для резистора заданных физических характеристик и размеров, определяется как мощность, вызывающая температуру (измеренную термопарой) перегрева наиболее горячего участка резистора в 300 °С при температуре окружающего воздуха 40 °С. Измерение производится при неподвижном воздухе в условиях свободной конвекции и удалении резистора от ближайшего объекта (в частности, стен, панелей, приборов) не менее чем на 35 см.

Несколько иные условия измерений определяет стандарт MIL-R-26, первоначально разработанный для проволочных резисторов военного и аэрокосмического применения, а затем распространенный и на приборы промышленного и коммерческого назначения. Согласно этому стандарту максимальная температура нагрева наиболее горячего участка резистора устанавливается равной 350 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С.

Таким образом, соответствующая температура перегрева составляет 325 °С.

На рис. 2 показаны усредненные графики зависимости температуры перегрева резисторов по различным стандартам в зависимости от относительной рассеиваемой мощности.

Рис. 2. Зависимость температуры перегрева резистора от относительной рассеиваемой мощности

В первом приближении температура резистора зависит от площади его поверхности, а также (в меньшей степени) от ряда других факторов, таких как теплопроводность основания и покрытия резистора, эффективность излучения поверхности, отношения длины резистора к его диаметру, теплопередача через выводы и средства монтажа.

Максимально допустимая температура резистора будет определяться свойствами его конструктивных материалов и является предельной величиной, при превышении которой прибор может потерять работоспособность. В общем случае на данную величину можно ориентироваться только для расчета предельных режимов работы устройства.

В нормальных условиях эксплуатации следует принимать во внимание не только и не столько физическое функционирование резистора, но и другие параметры, такие как изменение сопротивления при росте температуры, нагрев окружающих резистор устройств за счет выделяемого им тепла, зависимость сопротивления от влажности окружающего воздуха (особенно для резисторов открытых типов), изменение характеристик при циклической нагрузке и т. п.

Если температура окружающей среды отличается (в сторону увеличения) от 25 °С (или 40 °С), то рассеиваемая резистором мощность должна быть соответственно снижена до значений, при которых не превышается максимально допустимая температура нагрева прибора. На рис. 3 изображены графики зависимости относительной рассеиваемой мощности резисторов от температуры окружающего воздуха согласно рекомендациям NEMA, UL и MIL-R-26 (U-EIA).

Рис. 3. Зависимость относительной мощности рассеяния резистора от температуры окружающего воздуха

При построении данных зависимостей принимается, что температура перегрева не зависит от величины температуры окружающей среды. Однако это не совсем верно. Точный расчет должен учитывать повышение эффективности излучения с ростом температуры согласно законам Стефана-Больцмана и Вина. Но вклад, вносимый за счет этого при невысоких температурах (до 1000–1500 °С) весьма невелик, и его можно не учитывать в подавляющем большинстве конструктивных расчетов.

Для некоторых типов резисторов в справочных данных указывается предельно допустимая тепловая нагрузка поверхности. Для большинства типов проволочных резисторов она составляет от 0,7 Вт/см² (для резисторов большого размера на мощности более 150–200 Вт) до 2 Вт/см² (для небольших резисторов с мощностью 10–20 Вт). Эту величину удобно использовать при расчете работы резистора в качестве нагревательного элемента.

Следует обратить внимание на то, что в рекомендациях по определению максимальной мощности резисторов не указано расположение резистора относительно поверхности земли. Но имеется точное указание на то, что температура измеряется для наиболее горячего участка резистора. У горизонтально расположенного трубчатого проволочного резистора с равномерной намоткой резистивного элемента температура в районе середины прибора может быть в 1,5–2,5 раза выше, чем температура у торцов (в зависимости от способа крепления). При вертикальном расположении зона максимального нагрева смещается вверх на 3–10% длины резистора, а верхний торец имеет бульшую температуру, чем нижний. Это вызывает некоторое увеличение механических напряжений в конструкции прибора и может снизить его надежность. Поэтому при прочих равных условиях всегда следует предпочитать горизонтальное расположение резисторов, за исключением специально предназначенных для вертикального монтажа приборов, например в теплоотводящих корпусах из алюминиевого профиля. Для ряда особых случаев применения (например, в качестве равномерного источника тепла) выпускаются специальные резисторы с неравномерной намоткой резистивного элемента (более частая у краев и редкая в середине), у которых температура практически постоянна по всей длине прибора.

Рассмотрим подробнее основные факторы, определяющие температуру резистора, либо, с другой стороны, требуемую величину номинальной мощности, при которой температура не превышает заданной:

1. Температура окружающей среды

Повышение температуры окружающей среды вызывает соответствующее снижение допустимой температуры перегрева и соответствующей ей мощности рассеяния. График зависимости относительной допустимой мощности рассеяния от температуры окружающей среды приведен выше, на рис. 3. Если температура окружающей среды ниже той, для которой была определена максимальная мощность рассеяния (25 °С или 40 °С), то в ряде случаев можно допустить повышение максимальной мощности выше типовой величины, но при этом необходимо дополнительно уточнять возможности резистора по работе с токами, превышающими номинальный. Превышение тока резистора в данном случае может вызвать не увеличение его температуры выше предельно допустимой, а разрушение внешних и внутренних контактов (места соединения резистивного элемента с выводами) и локальные перегревы и плавление резистивного элемента.

2. Монтаж в закрытом корпусе

Монтаж резистора в корпусе ухудшает условия отвода тепла за счет излучения (часть излучения отражается стенками корпуса, остальная часть излучается как в окружающее, так и во внутреннее пространство корпуса), а также за счет конвекции (корпус нарушает конвекционный ток воздуха и преграждает доступ холодного воздуха к резистору). Существенное влияние на температуру резистора, помещенного в корпус, оказывают размер, толщина стенок, их материал и наличие перфорации и окраски поверхности. Ухудшение условий работы резистора при помещении в корпус хорошо демонстрируют графики на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость температуры перегрева резистора от мощности при монтаже в свободном пространстве и в корпусах разного размера

3. Монтаж групп резисторов

Резисторы, монтируемые на малом расстоянии друг от друга, при работе разогреваются сильнее, чем одиночный резистор при такой же рассеиваемой мощности (на каждом из резисторов группы). Это происходит за счет взаимного нагрева резисторов излучением и увеличением количества тепла, приходящегося на единицу объема охлаждающего воздуха при естественной конвекции. Для того чтобы температура резисторов, работающих в группе, не превысила допустимого значения, необходимо снижать мощность, приходящуюся на каждый из приборов по отношению к максимально допустимой для одного свободно установленного резистора. Рис. 5 дает представление о порядке требуемого снижения мощности рассеяния на каждом из резисторов в зависимости от количества резисторов в группе и расстояний между ними.

Рис. 5. Зависимость допустимой мощности рассеяния каждого резистора в группе от количества резисторов и расстояний между ними

4. Высота над уровнем моря

Количество тепла, отводимого от резистора за счет конвекции воздуха, зависит от плотности последнего. Чем более разрежен воздух, тем меньшее количество тепла он способен отвести. При подъеме в атмосфере плотность воздуха снижается, а это означает, что максимальная мощность рассеяния резисторов будет снижаться. На высотах более 20 000 м плотность воздуха уже настолько мала, что конвективный отвод тепла перестает играть сколько-нибудь заметную роль в общем тепловом балансе резистора и тепло отводится только за счет излучения и теплопередачи элементам конструкции. На рис. 6 представлен график зависимости относительной мощности рассеяния резистора от высоты его размещения (над уровнем моря).

Рис. 6. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от высоты над уровнем моря

5. Работа в импульсных режимах

Если ток через резистор протекает не постоянно, а в течение определенных интервалов времени, а в остальные моменты резистор обесточен, то количество тепла, выделяемое в течение значительного промежутка времени, будет меньше, чем при непрерывной работе. «Усреднение» по времени происходит за счет теплоемкости конструкции, монтажных элементов и окружающего воздуха. В результате температура резистора не превышает максимально допустимую даже при импульсных мощностях, многократно превышающих максимальную мощность непрерывного режима. Величина допустимой импульсной мощности зависит как от конструктивных особенностей резистора (теплоемкость и теплопроводность конструкции), так и от длительности импульса и соотношения длительностей импульса и паузы (скважности). На рис. 7 приведены зависимости относительной допустимой импульсной рассеиваемой мощности для резисторов различных типов, определенные согласно рекомендациям NEMA для пусковых и тормозных резисторов.

Рис. 7. Зависимость относительной импульсной допустимой мощности рассеяния резистора от скважности импульсов тока для стандартного пускового режима электродвигателя

Для ряда типов резисторов импульсная мощность ограничена не допустимым перегревом, а максимальной величиной рабочего тока резистора, при превышении которой возможны повреждения резистивного элемента и выводов за счет локальных перегревов.

Графики на рис. 8 дают представление о процессе нагрева резисторов разных типов импульсом тока и построены в координатах времени импульса, необходимого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры и импульсной мощности.

Рис. 8. Зависимость времени, требуемого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры от относительной импульсной рассеиваемой мощности

С помощью зависимостей, представленных на рис. 9, можно определить соотношение длительностей импульса и паузы тока через трубчатые резисторы, нагревающего приборы до максимально допустимой температуры для различных абсолютных длительностей и различных относительных импульсных мощностей (в процентах от максимально допустимой мощности рассеяния непрерывного режима).

Рис. 9. Зависимость времен импульса и паузы тока и их соотношений, требуемых для разогрева резистора до максимально допустимой температуры от импульсной мощности

Рассмотренные выше особенности импульсных режимов относятся к типовым импульсным режимам, имеющим место при применении резисторов в цепях пуска и торможения электродвигателей, где времена воздействия значительных токов исчисляются единицами и десятками секунд, а паузы — от единиц секунд до многих часов.

Для импульсных токов малых длительностей (0,1–0,5 с и менее) импульсные характеристики будут существенно отличаться от приведенных выше, поскольку в большей мере будут определяться теплофизическими свойствами резистивного элемента, нежели теплоемкостью всего резистора в целом. При еще меньших длительностях импульсов (менее единиц миллисекунд) важную роль начинает играть индуктивность резистора, увеличивающая полное сопротивление резистора в области малых времен. Для применения на частотах более 1–3 кГц (длительности импульсов менее 1 мс) изготавливаются специальные резисторы с бифилярной намоткой, резко снижающей собственную индуктивность резистора, либо поверхностные и объемные резисторы на основе проводящих пленок.

6. Принудительное охлаждение

Принудительный обдув резисторов резко увеличивает количество охлаждающего воздуха по сравнению с естественным конвективным потоком и, тем самым, позволяет повысить эффективность отвода выделяемого тепла. Это очень простой и крайне эффективный способ повышения допустимой мощности рассеяния резисторов. На рис. 10 приведена зависимость относительной допустимой мощности рассеяния от скорости воздуха, охлаждающего резистор.

Рис. 10. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от скорости охлаждающего воздуха

Об эффективности этой простой меры можно судить хотя бы по тому, что при скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая резистором без перегрева, более чем вдвое превышает его максимальную мощность при естественном охлаждении. Если резисторы работают, например, в системах реостатного торможения электроподвижного состава, то с целью экономии электроэнергии возможно применение не постоянного обдува, а связанного с процессом торможения, когда вентиляторы подключаются параллельно тормозному резистору или его отводу. Такие схемы охлаждения тормозных резисторов применены на ряде магистральных электровозов отечественного и зарубежного производства.

7. Ограничение температуры резисторов

В ряде случаев, с целью повышения надежности и увеличения срока аппаратуры, рабочую температуру резисторов выбирают ниже максимально допустимой. Снижение температуры поверхности резистора в 2 раза по отношению к максимально допустимой увеличивает надежность работы резистора от 4 до 100 раз (в зависимости от типа), а также снижает температуру внутри устройства, в котором резистор установлен, что также является крайне благоприятным фактором. К сожалению, снижение температуры тепловыделяющих элементов, при прочих равных условиях, всегда связано с увеличением их физических габаритов, поэтому данную меру можно рекомендовать, только если это допускается массогабаритными показателями аппаратуры.

Учитывая все вышесказанное, для первичного выбора резистора можно рекомендовать воспользоваться данными мнемонической таблицы, приведенной на рис. 11. В каждой из 7 граф таблицы приведены значения коэффициентов для различных условий окружающей среды и режима работы. Если известна (из расчета электрической схемы) мощность, рассеиваемая на резисторе, то, умножив ее на коэффициенты, определенные из таблицы и соответствующие условиям и режимам работы, можно получить величину номинальной мощности резистора, который следует применить в данной схеме в данных условиях.

Рис. 11. Таблица для определения требуемой номинальной мощности резистора

В качестве примера определим номинальную мощность резистора для системы пуска электродвигателя. Импульсная мощность, выделяемая на резисторах согласно расчету, составляет 1 кВт (300% от номинальной), рассеивается на группе из 4 резисторов (250 Вт на резистор), температура окружающего воздуха составляет +60 °С, резисторы смонтированы в открытой стойке, расстояние между резисторами 5 см, предполагается возможность работы устройства на высоте до 4000 м над уровнем моря, охлаждение естественное конвекционное, температура резисторов ограничена величиной 250 °С.

Определяем из таблицы соответствующие коэффициенты:

Номинальная мощность каждого из резисторов группы составит:

Таким образом, номинальная мощность каждого из резисторов в группе должна составлять не менее 160 Вт.

Разумеется, расчет номинальной мощности с помощью данной таблицы является приблизительным, поскольку не учитывает многие дополнительные факторы, тем не менее, его погрешность достаточно невелика и позволяет быстро определить мощность требуемого резистора, а исходя из нее — и конкретный тип применяемого прибора.

Несмотря на то, что резисторы, по сути, являются простейшими элементами электрических цепей, от правильного выбора их типов и условий эксплуатации во многом зависит надежность, себестоимость и эксплуатационные качества аппаратуры, а правильный выбор резисторов для силовых преобразовательных устройств, выполненный на этапе проектирования, во многом определит коммерческую судьбу аппаратуры.

При подготовке статьи были использованы информационные материалы компаний Danotherm (Дания), Arcol (Великобритания), Ohmite (США), S. I.R. (Италия).

Литература

www.danotherm.com/
www.ohmite.com/
www.sirresistor.it/
www.arcolresistors.com/
Резисторы: Справочник / Под ред. И. И. Чертверткова. М.: Энергоиздат. 1981.
ГОСТ 24238-84 Резисторы постоянные. Общие технические условия.
ГОСТ 28608-90 (МЭК 115-1-82) Резисторы постоянные для электронной аппаратуры.

силовых резисторов | МЕГАТРОН

Индекс

Что такое силовой резистор?
Пределы мощности — кривая снижения мощности
Импульсный режим
Материалы для мощных резисторов
Соединение по Кельвину — Четырехпроводное измерение

Основные вопросы о резисторах? Здесь вы найдете ответы

Что такое силовой резистор?

Силовые резисторы относятся к особому классу электрических резисторов. Электрические резисторы — это электрически пассивные компоненты, которые ограничивают ток, протекающий через электрическую цепь. Особенностью силовых резисторов является их пригодность для использования при большой мощности, т.е. при очень высоких нагрузках и возникающих при этом температурах. операция.

Пределы мощности — кривая снижения мощности

Электрическая мощность получается путем умножения тока и напряжения или отношения квадрата напряжения к значению сопротивления, или путем умножения квадрата тока на сопротивление:

P = I*U = I²*R = U² /R

Следовательно, электрическая мощность подчиняется квадратичной функции тока или напряжения, т. е. увеличение тока или напряжения, например, на 20% приводит к увеличению мощности на 44%. Эту закономерность необходимо учитывать при выборе компонента. Кроме того, теплопередача потерь тепла должна быть обеспечена за счет высокого энергопотребления. Отвод тепла поддерживается материалами, используемыми для корпусов резисторов. Часто это алюминиевые корпуса с дополнительными теплорассеивающими ребрами охлаждения или корпуса из теплорассеивающей керамики. Кроме того, используются радиаторы соответствующих размеров, обычно в виде алюминиевых пластин, на которые монтируется резистор, при необходимости вместе с теплопроводной пастой. В паспортах силовых резисторов обычно есть кривая, показывающая зависимость максимально допустимой мощности от температуры окружающей среды, кривая снижения мощности.

Импульсный режим

Мощные резисторы используются для защиты электроники, когда необходимо кратковременно поглощать большие токи для защиты других компонентов от перегрузки. Это может произойти, например, при включении и выключении крупных потребителей или в случае удара молнии. Мощные резисторы особенно подходят для приложений с высокими импульсными нагрузками. Одним из примеров является использование в дефибрилляторах. За короткий промежуток времени они высвобождают большое количество энергии, которая может без проблем поглощаться силовыми резисторами, предназначенными для импульсной работы, для этого времени импульса. Подходящие модели см. в паспорте для импульсного режима работы. В зависимости от значений сопротивления, частоты повторения импульсов и рабочей температуры эти значения будут меняться, поэтому графики следует читать с осторожностью.

Технологии материалов силовых резисторов

Металлическая проволока или металлическая пленка особенно распространены в качестве технологий для мощных резисторов. Эти две технологии принципиально различаются конструкцией резисторного элемента и используемыми материалами, а также конечными свойствами.

Проволочные резисторы

Резисторы с проволочной обмоткой изготавливаются путем намотки проволоки вокруг несущего сердечника. Прецизионные резисторы с проволочной обмоткой характеризуются особенно высокой устойчивостью к электростатическому разряду, низким уровнем шума и низким температурным коэффициентом. Однако из-за обмотки эти компоненты имеют значительные значения индуктивности и емкости, что может привести к проблемам в высокочастотных приложениях. Существуют разные методы намотки этих компонентов, которые имеют разные преимущества и недостатки в зависимости от метода. См. наше руководство по резисторам с проволочной обмоткой. Тем не менее, резисторы с проволочной обмоткой обеспечивают сравнительно лучшую долговременную и температурную стабильность, чем металлопленочные резисторы, и могут поставляться с определенными значениями сопротивления, определяемыми заказчиком, путем адаптации обмотки.

Металлопленочные / тонкопленочные резисторы

Металлопленочные резисторы имеют преимущество, особенно в высокочастотных приложениях, поскольку они имеют очень низкие значения индуктивности и емкости. Для производства металлического пленочного резистора используются многочисленные процессы. На керамическую подложку нанесен слой металла небольшой толщины (тонкая пленка). Этот слой обладает высоким сопротивлением на сравнительно небольшой площади. Толщина слоя варьируется в зависимости от желаемого значения сопротивления. В основном, тонкопленочные резисторы имеют ярко выраженный характер старения, поскольку тонкая пленка восприимчива к окислению и самотравлению. Поэтому для прецизионных компонентов слой предварительно искусственно состаривают.

Подключение по шкале Кельвина — четырехпроводное измерение

В дополнение к двум стандартным соединениям, некоторые модели силовых резисторов предлагают в качестве опции дополнительные выходы, которые позволяют выполнять 4-полюсное измерение Кельвина. Если значение сопротивления силового резистора маленькое, соединительные резисторы (и/или другие резисторы в линии) могут быть такими же по размеру, как и сам силовой резистор. В этом случае падение напряжения на силовом резисторе и, следовательно, мощность, потребляемая самим силовым резистором, больше не могут непосредственно контролироваться по всему падению напряжения на линиях питания и разряда.
Два дополнительных соединения позволяют напрямую измерять падение напряжения на резисторе с помощью дополнительного измерительного устройства. Таким образом, ток поддается расчету, поскольку сопротивление известно, и, кроме того, поддается расчету мощности на силовом резисторе. Затем систему можно контролировать во время работы.

Практические резисторы: номинальная мощность (мощность)

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем

≡ Оглавление

2.8

Практические резисторы: производственные допуски, общие значения и цветовые коды

2.10

Практические резисторы: температурный коэффициент

Тепловыделение резистора, максимальная рабочая температура, предохранители, сбои и мощная конструкция. 5 мин чтения

Как обсуждалось в разделе о сопротивлении и законе Ома, неупругие столкновения между электронами и резистивными материалами означают, что внутри резистора электрическая энергия преобразуется (на короткое время) в кинетическую энергию электрона, которая затем преобразуется в тепло по столкновению.

Это вызывает нагрев массы самого резистора.

Если это тепло не отводить, температура резистора повысится.

По мере повышения температуры резистора тепло естественно отводится быстрее тремя способами:

Проводимость. Резистор может отводить тепло через свои металлические выводы к ближайшей подложке. Естественно, это происходит быстрее при более высоких перепадах температур.
Конвекция. Резистор вызовет конвекцию окружающего воздуха, что естественно происходит быстрее при более высоких перепадах температур.
Радиация. Внешний вид резистора будет излучать тепло с его поверхности, что является чрезвычайно зависящим от температуры эффектом.

(Кроме того, при повышении температуры резистора изменяется и само сопротивление, что мы обсудим в следующем разделе, посвященном температурному коэффициенту резистора.)

Со временем достигается равновесие при температуре несколько выше температуры окружающей среды. В этой точке равновесия резистор преобразует электрическую энергию в тепло с той же скоростью, с которой тепло отводится одним или несколькими путями теплопередачи, перечисленными выше.

Или, если равновесие установлено , а не , то температура резистора продолжает расти, пока резистор не выйдет из строя.

Если температура резистора продолжает расти, материал внутри в конечном итоге достигает точки плавления или испарения. Пуф! Резистор сгорает и становится разомкнутой цепью.

В любой точке локализованного перегрева (или более слабого материала) потеря материала вызывает увеличение местного сопротивления. Это вызывает еще больший нагрев именно в этом слабом месте, что вызывает каскад дальнейших потерь материала, пока резистор полностью не сгорит, разомкнув цепь.

Этот сбой может быть нежелательным: например, дорожка печатной платы может оборваться из-за перегрузки по току, что приведет к повреждению цепи.

В качестве альтернативы, этот сбой может быть преднамеренным и желательным: предохранитель представляет собой резистор, который рассчитан на выход из строя при определенном токе . В практике проектирования мы хотим поместить преднамеренно легко заменяемые предохранители (или самовосстанавливающиеся автоматические выключатели) в местах, где они будут защищать нежелательные предохранители (например, постоянные дорожки на печатной плате или другие ценные или труднозаменяемые компоненты) .

Каждый резистор продается с номинальной мощностью. Эта мощность может составлять 14 Вт. или это может быть 10 Вт . Это значение связано с размером резистора и, в частности, с площадью, которую он должен рассеивать. Это также связано с материалами резистора.

Несмотря на то, что резистор продается с номинальной мощностью, эта номинальная мощность на самом деле основана на номинальной температуре – температуре, при которой с резистором начинают происходить плохие вещи.

Обычно эта номинальная мощность рассчитывается исходя из того, что тепло рассеивается путем естественной конвекции в неподвижный воздух. Но, например, если вы используете этот резистор в вакууме, истинная максимальная мощность может быть ниже, потому что нет воздуха, отводящего тепло. Или, если у вас хорошее охлаждение (например, огромный радиатор и/или большой вентилятор), реальная максимальная мощность может быть выше, потому что температура будет ниже.

Мы еще не говорили о постоянных времени, но в случае резистора интересующей нас постоянной времени является тепловая постоянная времени, которая связана с массой, материалом, формой и ситуацией теплопередачи. Во многих случаях это может быть порядка секунды или около того. Это указывает на то, что вы можете ненадолго превысить номинальную мощность, если вы не превышаете ее в среднем.

Например, если у вас есть резистор на 14 Вт , через него наверное можно разрядить на 10 Вт всего за 1 мс один раз в секунду, с выключенным резистором до конца секунды. 9Средняя мощность 0080 всего 10 мВт , намного меньше, чем 250 мВт номинальная мощность, и это происходит намного короче, чем тепловая постоянная времени, поэтому температура никогда не становится очень высокой. Помните, однако, что этот вид циклирования может вызвать напряжения в материале: см. обсуждение Физические напряжения при переходе режима в разделе «Установившееся состояние и переходный процесс».

Если вы столкнулись с проектной ситуацией, когда вам нужно определенное сопротивление, но нужно превысить номинальную мощность, у вас обычно есть три варианта:

Купить резисторы большей мощности. Обычно они физически крупнее и дороже.
Разделить на несколько резисторов. Вы можете использовать несколько резисторов последовательно и параллельно, чтобы добиться того же эффекта и распределить нагрев между несколькими компонентами.
Измените схему, чтобы избежать. С точки зрения энергоэффективности никогда не бывает здорово сжигать много энергии в резисторе. Рассмотрите другие способы достижения цели дизайна.

В отличие от резисторов, предохранители обычно продаются с номинальным током . При превышении этого тока они «лопнут» и разомкнутся.

Предохранители номинально имеют сопротивление во включенном состоянии, близкое к нулю, но на самом деле оно часто составляет от нескольких миллиом до десятков миллиом. Это ненулевое сопротивление важно: оно создает самонагрев, который заставляет предохранитель выполнять свою работу.

(Сбрасываемые автоматические выключатели используют родственный эффект, при котором биметаллическая полоса изгибается при нагревании, а не нагревается до точки плавления или испарения.