Когда-либо существующей проблемой в дизайне электронных схем является выбор подходящих компонентов, которые не только выполняют поставленную задачу, но и выживают в предсказуемых условиях эксплуатации. Большая часть этого процесса заключается в обеспечении того, чтобы ваши компоненты оставались в безопасных рабочих пределах с точки зрения тока, напряжения и мощности. Из этих трех «энергетическая» часть часто является наиболее сложной (как для новичков, так и для экспертов), поскольку безопасная рабочая зона может так сильно зависеть от особенностей ситуации.

В дальнейшем мы представим некоторые основные концепции рассеивания мощности в электронных компонентах, чтобы понять, как выбирать компоненты для простых цепей с учетом ограничений по мощности.

— НАЧАТЬ ПРОСТО —

Давайте начнем с одной из простейших схем: батарея, подключенная к одному резистору:

Здесь у нас одна батарея 9 В, а одна 100? (100 Ом) резистор, подключенный с проводами, чтобы сформировать полную цепь.

Достаточно просто, правда? Но теперь вопрос: если вы хотите на самом деле построить эту схему, насколько «большой» из 100? резистор нужно использовать, чтобы убедиться, что он не перегревается? То есть мы можем просто использовать «обычный» резистор ¼ W, как показано на рисунке ниже, или нам нужно увеличить его?

Чтобы выяснить это, нам нужно вычислить количество энергии, которое резистор рассеивает.
Вот общее правило для расчета рассеиваемой мощности:

Правило мощности: P = I × В
Если через данный элемент в вашей цепи протекает ток I , то при этом теряется напряжение В , то мощность, рассеиваемая этой цепью Элемент является произведением этого тока и напряжения: P = I × V .

В стороне :
Как текущее временное напряжение может дать нам измерение «мощности»?

Чтобы понять это, нам нужно вспомнить, что физически представляют ток и напряжение.

Электрический ток — это скорость потока электрического заряда через цепь, обычно выражаемая в амперах, где 1 ампер = 1 кулон в секунду. (Кулон — это единица СИ электрического заряда.)

Напряжение, или, более формально, электрический потенциал, является потенциальной энергией на единицу электрического заряда — через рассматриваемый элемент схемы.В большинстве случаев вы можете думать об этом как о количестве энергии, «израсходованной» в элементе, на единицу заряда, которая проходит через него. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах, где 1 вольт = 1 джоулей на кулон. (Джоуль — это единица энергии СИ.)

Итак, если мы возьмем ток, умноженный на напряжение, то это даст нам количество энергии, которое «расходуется» в элементе на единицу заряда, в раз по количеству этих единиц заряда, проходящих через элемент в секунду. :

1 ампер × 1 вольт =
1 (кулон / секунда) × 1 (джоул / кулон) =
1 джоулек / секунда

Полученная величина выражается в единицах по одному джоулю в секунду: скорость потока энергии, более известная как мощность.Единица мощности СИ — это ватт, где 1 ватт = 1 джоуль в секунду.

Наконец то у нас

1 ампер × 1 вольт = 1 ватт

Вернуться к нашей схеме! Чтобы использовать правило мощности ( P = I × В ), нам нужно знать как ток через резистор, так и напряжение на резисторе.

Сначала мы используем закон Ома ( В, = I, × R, ), чтобы найти ток через резистор.
• Напряжение на резисторе составляет В, = 9 В.
• Сопротивление резистора составляет R, = 100 Ом.

Следовательно, ток через резистор составляет:

I = В / R = 9 В / 100? = 90 мА

Затем мы можем использовать правило мощности ( P = I × В ), чтобы найти мощность, рассеиваемую резистором.
• Ток через резистор I, = 90 мА.
• Напряжение на резисторе составляет В, = 9 В.

Следовательно, мощность, рассеиваемая в резисторе, равна:

P = I × В = 90 мА × 9 В = 0,81 Вт

Итак, вы можете использовать резистор 1/4 Вт?

Нет, потому что он, скорее всего, не перегреется.
100? резистор в этой цепи должен быть рассчитан как минимум на 0,81 Вт. Как правило, выбирается следующий больший доступный размер, в данном случае 1 Вт.

Резистор мощностью 1 Вт обычно поставляется в гораздо большем физическом корпусе, как показано здесь:

(резистор 1 Вт, 51 Ом, для сравнения размеров.)

Поскольку физически резистор мощностью 1 Вт намного больше, он должен справляться с рассеиванием большего количества энергии, с его большей площадью поверхности и более широкими выводами. (Это может все еще быть очень горячим на ощупь, но это не должно быть достаточно горячим, чтобы он вышел из строя.)

Вот альтернативное расположение, которое работает с четырьмя 25? резисторы в серии (что до 100?).В этом случае ток через каждый резистор по-прежнему составляет 90 мА. Но так как напряжение на каждом резисторе составляет всего одну четверть, то на каждый резистор рассеивается только одна четверть мощности. Для этой схемы требуется только четыре резистора, рассчитанных на 1/4 Вт.

В стороне: проработка этого примера.

Поскольку четыре резистора соединены последовательно, мы можем сложить их значения вместе, чтобы получить их общее сопротивление, равное 100 Ом. Использование закона Ома с этим полным сопротивлением снова дает нам ток 90 мА.И снова, поскольку резисторы включены последовательно, через каждый из них должен течь один и тот же ток (90 мА) обратно к батарее. Напряжение на каждые 25? тогда резистор В = I × R или 90 мА × 25? = 2,25 В. (Чтобы дважды проверить, что это разумно, обратите внимание, что напряжения на четырех резисторах составляют до 4 × 2,25 В = 9 В.)

Власть на каждого человека 25? резистор P = I × В = 90 мА × 2,25 В? 0,20 Вт, безопасный уровень для использования с резистором 1/4 Вт.Интуитивно понятно, что если вы разделите 100? Резистор на четыре равные части, каждая должна рассеивать одну четверть общей мощности.

— НА ВНЕШНИХ РЕЗИСТОРАХ —

В нашем следующем примере давайте рассмотрим следующую ситуацию: Предположим, что у вас есть схема, которая получает питание от источника питания 9 В, и имеет встроенный линейный регулятор для понижения напряжения до 5 В, где все фактически работает. Ваша нагрузка на конце 5 В может достигать 1 А.

Как выглядит сила в этой ситуации?

Регулятор, по сути, действует как большой переменный резистор, который регулирует свое сопротивление по мере необходимости для поддержания постоянного выхода 5 В. Когда выходная нагрузка составляет 1 А, выходная мощность, подаваемая регулятором, составляет 5 В × 1 А = 5 Вт, а мощность, подводимая к цепи от источника питания 9 В, составляет 9 Вт. Напряжение на регуляторе падает. равно 4 В, а при 1 А это означает, что линейный регулятор рассеивает 4 Вт, а также разницу между потребляемой мощностью и выходной мощностью.

В каждой части этой цепи соотношение мощностей задается как P = I × В . Две части — регулятор и нагрузка — это места, где рассеивается мощность. А в части цепи, проходящей через источник питания, P = I × В описывает мощность , вводимую в систему — напряжение увеличивается на по мере прохождения тока через источник питания.

Кроме того, стоит отметить, что мы не сказали , какая нагрузка тянет, что 1 А.Энергопотребление потребляется, но это не обязательно означает, что оно преобразуется в (просто) тепловую энергию — это может быть питание двигателя или, например, набор зарядных устройств.

в стороне:
Несмотря на то, что подобная установка линейного стабилизатора напряжения представляет собой общую конфигурацию , очень для электроники, стоит отметить, что это также невероятно неэффективное устройство : 4/9 входной мощности просто сгорает как тепло, даже при работе на более низких токах.

— КОГДА НЕ ПРОСТАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ «МОЩНОСТИ» —

Далее, немного более сложная часть: убедиться, что ваш регулятор может справиться с мощностью. В то время как резисторы имеют четкую маркировку по мощности, линейные регуляторы не всегда. В приведенном выше примере с регулятором давайте предположим, что мы используем регулятор L7805ABV от ST (таблица данных здесь).

(Фото: типичный корпус TO-220, тип, обычно используемый для линейных регуляторов средней мощности)

L7805ABV — это линейный стабилизатор на 5 В в корпусе TO-220 (аналогичный показанному выше), рассчитанный на 1.Выходной ток 5 А и входное напряжение до 35 В.

Наивно, вы можете догадаться, что вы можете подключить это прямо к входному напряжению до 35 В и ожидать получения 1,5 А выходного сигнала, а это означает, что регулятор будет излучать 30 В * 1,5 А = 45 Вт мощности. Но это крошечная пластиковая упаковка; на самом деле он не может справиться с такой силой. Если вы посмотрите в таблице данных в разделе «Абсолютные максимальные рейтинги», чтобы попытаться выяснить, какую мощность он может выдержать, все, что он говорит, «внутренне ограничено» — что само по себе далеко не ясно.

Оказывается, что есть фактическая номинальная мощность, но она обычно несколько «скрыта» в таблице. Вы можете понять это, посмотрев на пару связанных спецификаций:

• T _OP , Диапазон рабочих температур: от -40 до 125 ° C

• R _thJA , Тепловое сопротивление, соединение-окружение: 50 ° C / Вт

• R _thJC , Термостойкий соединительный кожух: 5 ° C / Вт

Диапазон рабочих температур соединения, T _OP , определяет, насколько горячему «соединению» — активной части интегральной схемы регулятора — можно дать нагреться до того, как он перейдет в режим термического отключения.(Термическое отключение является внутренним пределом, который делает мощность регулятора «внутренне ограниченной».) Для нас это максимум 125 ° C.

Тепловое сопротивление переход-окружение R _thJA (часто записывается как? _JA ), говорит нам, насколько горячим становится переход, когда (1) регулятор рассеивает заданное количество энергии и (2) регулятор находится в на открытом воздухе при заданной температуре окружающей среды. Предположим, что нам нужно спроектировать наш регулятор так, чтобы он работал только в скромных коммерческих условиях, которые не будут превышать 60 ° C.Если нам нужно поддерживать температуру соединения ниже 125 ° C, то максимальное допустимое повышение температуры составляет 65 ° C. Если у нас R _thJA при 50 ° C / Вт, то максимально допустимая рассеиваемая мощность составляет 65/50 = 1,3 Вт, если мы не хотим, чтобы регулятор перешел в режим термического отключения. Это намного ниже 4 Вт, что мы ожидаем при токе нагрузки 1 А. Фактически мы можем допустить только 1,3 Вт / 4 В = 325 мА среднего выходного тока, не отправляя регулятор в режим термического отключения.

Это, однако, для случая, когда TO-220 излучает в атмосферный воздух — почти наихудшая ситуация. Если мы сможем добавить радиатор или иным образом охладить регулятор, мы сможем сделать это намного лучше.

Противоположный конец спектра задается другой термической спецификацией: распределительная коробка теплового сопротивления, R _thJC . Это указывает, какую разницу температур вы можете ожидать между соединением и внешней стороной корпуса TO-220: всего 5 ° C / Вт. Это соответствующий номер , если , вы можете быстро отвести тепло от упаковки, например, если у вас есть очень хороший радиатор, подключенный к внешней стороне корпуса TO-220.При большом радиаторе и идеальном подключении к этому радиатору, при 4 Вт, температура соединения поднимется всего на 20 ° C выше температуры вашего радиатора. Это представляет собой абсолютный минимум отопления, который вы можете ожидать в идеальных условиях.

В зависимости от технических требований, вы можете начать с этого момента, чтобы создать полный бюджет мощности, чтобы учесть теплопроводность каждого элемента вашей системы, от самого регулятора до теплообменной площадки между ним и радиатором, к тепловой связи радиатора с окружающим воздухом.Затем вы можете проверить соединения и относительную температуру каждого компонента с помощью бесконтактного инфракрасного термометра с точечным считыванием. Но часто лучше переоценить ситуацию и посмотреть, есть ли лучший способ сделать это.

В данной ситуации можно было бы рассмотреть возможность перехода к регулятору поверхностного монтажа, который предлагает лучшую возможность управления мощностью (используя печатную плату в качестве радиатора), или может быть целесообразно добавить силовой резистор (или стабилитрон) до того, как Регулятор сбрасывает большую часть напряжения за пределы регулятора, ослабляя нагрузку на него.Или, что еще лучше, посмотреть, есть ли способ построить схему без ступенчатого линейного регулятора с потерями.

— AFTERWORD —

Мы рассмотрели основы понимания рассеивания мощности в нескольких простых цепях постоянного тока.

Принципы, которые мы рассмотрели, носят общий характер и могут быть использованы для понимания потребления энергии в большинстве типов пассивных элементов и даже в большинстве типов интегральных схем. Однако существуют реальные ограничения, и можно потратить всю жизнь на изучение нюансов энергопотребления, особенно при более низких токах или высоких частотах, когда малые потери, которыми мы пренебрегли, становятся важными.

В цепях переменного тока многие вещи ведут себя совершенно по-разному, но правило мощности по-прежнему сохраняется в большинстве случаев: P (t) = I (t) × V (t) для изменяющихся во времени тока и напряжения. И не все регуляторы несут в себе все эти потери: импульсные источники питания могут преобразовывать (например) 9 В постоянного тока в 5 В постоянного тока с эффективностью 90% или выше — это означает, что при хорошем дизайне может потребоваться всего около 0,6 А при 9 В до производить 5 В при 1 А. Но это история для другого времени.