Мощность резисторов на схеме: как узнать сколько ватт по внешнему виду

Рассеиваемая мощность резистора

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляться) — структурный элемент электрической цепи, основной функциональным свойством которого является определённое (номинальное) активное сопротивление. Ток и напряжение в резисторе подчиняются закону Ома:

Схема включения резистора.

где

• U — напряжение между выводами резистора,

• I — ток, протекающий через резистор,

• R — основной параметр резистора (сопротивление протеканию электрического тока, поэтому часто применяют исконно русское названиесопротивление и далее , читая резистор, надо представлять именно абстрактное электрическое сопротивление, как параметр, если речь не идёт о радиокомпаненте (как изделии) резисторе).

В радиоэлектронной аппаратуре нередко резисторами являются более половины элементов.

Типы резисторов

Условные обозначения резисторов: а) постоянные; б) переменные; в) переменный с дополнительными отводами; г) подстроечные; д), е) переменные с общей ручкой; ж) переменный с выключателем от крайнего положения; з) варистор; и) терморезистор; к) фоторезистор.

Выделяются следующие функциональные виды резисторов:

Постоянные резисторы

резисторы, обладающие неизменным сопротивлением (в границах погрешности).

Переменные и подстроечные резисторы (реостаты)

резисторы сопротивление которых изменяется механически, посредством рукоятки или другого органа управления (переменные), либо посредством вставляемого в шлиц инструмента.

Варисторы

резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Терморезисторы и термисторы

резисторы, у которых используется зависимость сопротивления от температуры, с положительным (терморезисторы) или отрицательным (термисторы) ТКС.

Фоторезисторы

резисторы, обладающие зависимостью сопротивления от освещения.

Как правило, резисторы имеют два вывода, однако переменные и подстроечные резисторы имеют таже отвод от бегунка регулятора а также могут иметь серию отводов из средней части.

[редактировать]

Характеристические параметры резисторов

Основными параметрами резисторов является номинальное сопротивление, измеряемое в Омах и максимальная рассеиваемая мощность.

Номинальное сопротивление несёт главное функциональное значение для резистора, именно его значением определяется его применение в электрическом устройстве( поскольку рассеивать на нём мощность допустимо и гораздо меньшую указанной). Выпускаемые номиналы как определяются стандартизированным рядом (E6, E12, E24 и т. п.) и могут быть от десятых долей Ом

, до сотен мегаОмов. Реальное значение сопротивления может несколько отличаться от номинального. Предел этого отклонения обозначается в процентах относительно номинала и определяется классом точности. Стандартный ряд классов точности — 20%, 10%, 5%, 2%, 1%, 0,5%.

Условные обозначения максимальной рассеиваемой мощности.

Максимальная рассеиваемая мощность измеряется в ваттах определяет предельный ток и напряжение на резисторе, что ограничивает его применение в сильноточных цепях. Стандартно резисторы выпускаются с максимльной рассеиваемой мощностью в 0,063 Вт, 0,125 Вт, 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Вт, 2 Вт, 5 Вт, 10 Вт, 20 Вт. Для обозначения мощности свыше 0,125 Вт на схемах существуют специальные обозначения.

У особых видов резисторов также имеют значения специальных параметорв, таких как температурный коэффициент сопротивления

 и т. п. Также для некоторых приложений могут быть важными параметрами ёмкость и индуктивность.

[редактировать]

Устройство и разновидности

Функциональные качества резисторов в первую очередь определяются физическими свойствами материала и размерами токопроводящей части. В зависимости от материала резисторы разделяют на металлические, углеродистые, жидкостные, керамические и полупроводниковые. По форме — на плёночные (получаемые осаждением токопроводящего материала на изолирующую подложку, проволочные, ленточные, пластинчатые.оп оп

[редактировать]

Типы корпуса

Исполнение корпусов резисторов (как и многих других деталей) может подразумевать различные способы монтажа — установка на плату под отверстия или на поверхность, пайку на провода, под клеммы и др, а также они могут быть изготовлены в составе микросхем и микросборок.

[редактировать]

Поверхностный монтаж

Резисторы поверхностного монтажа стандартно выпускаются в корпусах типоразмеров 0402 (1005), 0603 (1608), 0805 (2012), 1206 (3216) и т. п.

монтаж в отверстия на плату подразумевает

[редактировать]

Монтаж на провода

Наиболее распространён монтаж на провода переменных резисторов, которые закрепляются на лицевой панели прибора и резисторов, выступающих в роли датчиков (термо-, фоторезисторы).

[редактировать]

Способы соединения

Способы соединения резисторов. Простые: а) последовательное, б) параллельное. Сложные: в) параллельно-последовательное, г) последовательно-параллельное, д) не раскладывающееся на простые.

Существует множество способов соединения резисторов, с образованием как двухполюсников так и трёх-, четырёхполюсников и других многополюсников.

Резистор является простейшим двухполюсником. Соединяя резисторы последовательно, параллельно, а также более сложными способами можно получить другие схемы двухполюсников. При этом цепь из соединённых в двухполюсник резисторов также функционально идентична резистору, сопротивление которого зависит от способа соединения и сопротивлений входящих в него резисторов.

[редактировать]

Последовательное соединение

Последовательное соединение (см пункт а на рисунке) состоит из двух и более резисторов, включенных так, что они составляют цепочку, концы которой есть полюсы. В таком соединении весь ток проходит последовательно через все резисторы, а напряжение разделяется согласно сопротивлениям. Ток и напряжение в таком соединении подчиняется следующим законам:

откуда следует, что сопротивление всей цепи будет выражаться формулой:

Рассеиваемая мощность на каждом резисторе при этом будет составлять:

kik

[редактировать]

Параллельное соединение

Параллельное соединение (см. пункт б на рисунке) состоит из двух и более резисторов, каждый из которых подключен к обоим концам цепи. Напряжение в таком соединение приложено ко всем резисторам, ток — распределяется по резисторам. Их можно выразить следующими отношениями:

Сопротивление цепи параллельных резисторов, таким образом, будет выражаться формулой:

Рассеиваемая на каждом резисторе мощность, соответственно:

Резистор — это самый распространенный электронный компонент, название которого произошло от английского слова «resistor» и от латинского «resisto» — сопротивляюсь. Основным параметром резистора считается сопротивление, которое характеризуется его способностью в препятствии протекания электрического тока. Единицами сопротивления у резисторов являются – Омы (Ω), Килоомы (1000 Ом или 1КΩ) и Мегаомы (1000000 Ом или 1МΩ).

Практически ни одна схема не обходиться без резисторов. С помощью подбора соответствующих величин резисторов и их соединений, происходит нужное распределение электрического тока в цепи.

Характеристики резистора

Кроме предельного сопротивления, резисторы обладают рядом других физиотехнических показателей, которые имеют большое значение в его применении.

Среди основных параметров выделяются такие характеристики резистора, как сопротивление по номинальному значению и его возможное отклонение, рассеиваемая мощность, предельное рабочее напряжение, максимальная температура, температурный коэффициент сопротивления, частотный отклик и шумы. Рассмотрим некоторые из них.

Температурный коэффициент сопротивления ТКС

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) определяет относительное изменение величины сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 ° по Цельсию. ТКС может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка имеет относительно большую толщину, то она обладает свойствами объемного тела, сопротивляемость которого с увеличением температуры становится больше. Если же резистивная пленка имеет относительно небольшую толщину, то она состоит как бы из небольших «островков», расположенных отдельно друг от друга, и сопротивление такой пленочной структуры с увеличением температурных значений становится меньше, так как взаимодействие между отдельными «островками» улучшается. Для непроволочных резисторов, применяемых в радиоэлектронике и телевизионной промышленности, температурный коэффициент сопротивления не больше ±0,04 — 0,2 %, у проволочных деталей -±0,003 — 0,2 %.

Номинальная мощность рассеивания, или рассеиваемая мощность резистора показывает предельно значимую мощность, которую сопротивление может рассеивать при долговременной электрической нагрузке, атмосферном давлении и температуре в нормальных значениях. Непроволочные резисторы подоазделяются на мощность по номиналу от 0,05 до 10 Вт, а сопротивления проволочного типа от 0,2 до150 Вт. На электpосхемах рассеиваемая мощность резистора выделяется условно пунктиром на обозначении сопротивления для мощностей меньше 1 Вт и pимскими цифрами на обозначении сопротивления для мощности больше 1 Вт. Номинальная мощность рассеивания этих деталей должна быть на 20—30 % больше такого показателя, как рабочая рассеиваемая мощность резистора

Максимальное напряжение резистора

Предельное или максимальное напряжение резистора — это предельно возможное напряжение, подведенное к выводам сопротивления, которое не допускает превышения показателей техусловий (ТУ) на параметры электричества. По- другому, максимальное напряжение резистора – предельно допустимая величина, которая может быть приложена к резистору. Этот показатель выводится для обычных пределов работы детали и напрямую зависит от линейных размеров резистора, шага спиральной нарезки, температурных показателей, давления эксплуатационной среды и давления атмосферы. Чем выше температурные показатели и меньше давление атмосферы, тем больше шансов для пробоя теплового или электрического типа и выхода резистора из строя.

Максимальная температура резистора

Одной из характеристик резистора является такой показатель, как максимальная температура резистора, напрямую зависит от мощности детали. Получается, что при увеличении мощности, которая выделяется в сопротивлении, увеличивается температура резистора, что может привести к его поломке. Во избежание этого, необходимо уменьшить температуру резистора. Это можно достичь укрупнением габаритов сопротивления.. Для всех типов сопротивлений определена максимальная температура резистора, превышение которой чревато выходом детали из строя.

Температурный показатель сопротивления находится в прямой зависимости и от температуры окружающего воздуха. Если этот показатель достигает большого значения, то температурный показатель сопротивления может стать выше максимальной температуры резистора, что крайне нежелательно. Чтобы этого не случилось, нужно снизить мощность, которая выделяется в резисторе.

Частотный отклик резистора

Значение такой характеристики, как частотный отклик резистора, связано с определением значения максимального сопротивления и минимальной ёмкости. При прохождении тока высокой частоты сопротивление стремится к проявлению реактивных свойств в зависимости от конструктивного исполнения – доминируют либо емкостные, либо индуктивные значения.

Если в одно и то же время дискретно уменьшать и  значение сопротивления и значение емкости, то можно вызвать быстрый демпфированный частотный отклик резистора, который позволит определить как максимальное сопротивление, так и минимальную емкость. При этих значениях не возникает колебаний и в то же время достигается мгновенная стабилизация выходного напряжения. Но в теории это рассматривается , как частный случай. На высоких частотах резистор начинает проявлять реактивные свойства в зависимости от конструктивного исполнения — либо преимущественно емкостные, либо индуктивные.

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

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

3.5: Рассеиваемая мощность в резисторных цепях

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

1610

• Дон Х. Джонсон
• Rice University via Connections

Цели обучения

• Рассеивание мощности в резисторных цепях.

Мы можем найти напряжения и токи в простых цепях, содержащих резисторы и источники напряжения или тока. Мы должны проверить, подчиняются ли эти переменные цепи принципу сохранения мощности: поскольку цепь является замкнутой системой, она не должна рассеивать или создавать энергию. На данный момент наш подход состоит в том, чтобы сначала исследовать потребление/создание мощности резисторной цепи. Позже мы будем доказывают что благодаря КВЛ и ККЛ все цепи экономят электроэнергию.

Как определено на [ссылка], мгновенная мощность, потребляемая/вырабатываемая каждым элементом цепи, равна произведению его напряжения и тока. Общая мощность, потребляемая/вырабатываемая схемой, равна сумме мощностей каждого элемента.

\[P=\sum_{k}v_{k}i_{k} \номер\]

Напомним, что ток и напряжение каждого элемента должны соответствовать соглашению о том, что положительный ток поступает на клемму положительного напряжения. При таком соглашении положительное значение v _k i _k соответствует потребляемой мощности, отрицательное значение — создаваемой мощности. Поскольку общая мощность в цепи должна быть равна нулю ( P = 0), одни элементы цепи должны создавать мощность, а другие ее потреблять.

Рассмотрим простую последовательную цепь в [ссылка]. При выполнении наших расчетов мы определили ток i _out , протекающий через выводы положительного напряжения обоих резисторов, и нашли его равным: 9{2}R \номер\]

Поскольку резисторы имеют положительное значение, резисторы всегда рассеивают мощность . Но куда девается мощность резистора? По закону сохранения мощности рассеиваемая мощность должна где-то поглощаться. Ответ не предсказывается непосредственно теорией цепей, но физикой. Ток, протекающий через резистор, нагревает его; его мощность рассеивается за счет тепла.

Удельное сопротивление

Физический провод имеет сопротивление и, следовательно, рассеивает мощность (он нагревается так же, как резистор в цепи). В самом деле, сопротивление провода длиной L и площадь поперечного сечения A определяется как:

\[R=\frac{\rho L}{A} \nonumber \]

Величина ρ известна как удельное сопротивление и представляет собой сопротивление материала единицы длины с единицей площади поперечного сечения, из которого состоит провод. Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Большинство материалов имеют положительное значение ρ , что означает, что чем длиннее провод, тем больше сопротивление и, следовательно, рассеиваемая мощность. Чем толще провод, тем меньше сопротивление. Сверхпроводники имеют нулевое удельное сопротивление и, следовательно, не рассеивают мощность. Если бы удалось найти сверхпроводник при комнатной температуре, электроэнергию можно было бы передавать по линиям электропередач без потерь! 9{2} \nonumber \]

Этот результат достаточно общий: источники производят мощность, а элементы схемы, особенно резисторы, потребляют ее.

Но откуда берутся источники силы? Опять же, теория цепей не моделирует, как устроены источники, но теория постановляет, что все источники должны быть обеспечены энергией для работы.

---

Эта страница под названием 3.5: Рассеивание мощности в резисторных цепях распространяется под лицензией CC BY 1.0 и была создана, изменена и/или курирована Доном Х. Джонсоном посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts. ; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Дон Джонсон

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   1,0

   Программа OER или Publisher

   OpenStax CNX

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. источник@https://cnx. org/contents/[email protected]:g9deOnx5@19

Силовые резисторы в электрических и электронных системах

Что такое силовой резистор?

Мощные резисторы используются для рассеивания энергии путем преобразования ее в тепло. Они предназначены для поддержания стабильной работы при больших нагрузках и безопасной работы в температурных условиях.

Мощные резисторы обычно физически больше, чем другие резисторы, и рассчитаны на более высокие нагрузки — обычно более одного ватта. Расчет номинальной мощности этих резисторов осуществляется по знакомой формуле P = I²R, где P — мощность, I — ток, протекающий через резистор, а R — сопротивление резистора в омах. Для долговечности резистора в приложении силовой цепи номинальная мощность должна быть более чем в 2 раза больше фактической мощности, рассеиваемой в конкретном приложении.

 

Применение силовых резисторов

Силовые резисторы используются в самых разных областях, от сетей передачи и распределения электроэнергии до дефибрилляторов. Ниже перечислены некоторые примеры применения:

Сильноточный и тормозной

Сильноточный силовой резистор можно использовать для испытаний под нагрузкой и динамического торможения в транспортной и полупроводниковой промышленности. Эти типы резисторов используют модульную и масштабируемую конструкцию, которая позволяет разработчикам найти подходящий сильноточный/тормозной резистор, который будет работать лучше всего в их конструкциях, особенно при замедлении двигателя.

Сильноточные резисторы могут улучшить приложения, которые варьируются от стандартных токовых нагрузок до торможения двигателя, например, в поездах и лифтах.

Силовые резисторы для транспорта и автомобилей

Решения для транспорта обычно разрабатываются в соответствии с точными спецификациями; однако они гибки в удовлетворении большинства потребностей в энергии. Этот класс резисторов предназначен для работы в суровых условиях. Области применения включают динамическое торможение, настраиваемые элементы управления и освещение, а также военную наземную технику, строительную технику, снегоходы, самосвалы и широкий спектр внедорожных транспортных средств. Индивидуальные решения также существуют для сельского хозяйства и строительства.

 

Типы мощных резисторов

Доступны мощные резисторы различных типов с различными номиналами, физическими формами, конструкциями и размерами.

Некоторые типы силовых резисторов перечислены ниже:

 

Мощные резисторы с проволочной обмоткой

Этот класс резисторов доступен во многих различных номиналах мощности, в зависимости от применения, монтажа и необходимого диапазона сопротивлений.

Как следует из названия, эти резисторы изготавливаются из изолированного провода, намотанного на сердечник из непроводящего материала, такого как керамика. Провода обычно представляют собой плохие проводники, такие как никель-хромовые, и имеют разную длину и состав материалов для контроля значения сопротивления.

Резисторы с проволочной обмоткой обычно используются, когда угольные резисторы начинают терять свою эффективность. Разработчики должны знать, что этот класс резисторов может повлиять на поведение схемы на высоких частотах из-за их более высоких характеристик индуктивности по сравнению с другими классами мощных резисторов.

 

Мощные резисторы на керамической основе

Мощные резисторы на керамической основе могут варьироваться от 1/2 Вт до 1000 Вт. Керамические силовые резисторы могут применяться в демпферных цепях высокой мощности, элементах управления двигателями, радарах, дефибрилляторах, автоматических выключателях, высоковольтных источниках питания, медицинских приборах и т. д.

Неиндуктивные керамические композиционные резисторы могут обеспечить преимущества, превосходящие преимущества других классов резисторов, таких как проволочные и пленочные резисторы. Это связано с тем, что они не имеют резистивной пленки или провода, которые могут выйти из строя. Это делает составные резисторы превосходными в приложениях с высокими импульсами, где провод и пленка могут выйти из строя. Керамические резисторы также химически инертны и обладают отличной термической стабильностью, что приводит к большей долговечности и безопасности.

 

 

Толстопленочные и тонкопленочные резисторы

Эти два типа резисторов очень похожи, но толстопленочные и тонкопленочные технологии сильно различаются. Давайте посмотрим немного глубже.

Толщина резистивного слоя является очевидной разницей между толстопленочными и тонкопленочными резисторами. Но есть также различия в спецификациях и различия в процессах их создания. Для тонкой пленки используется напыление, процесс физического осаждения из паровой фазы (PVD), а для толстой пленки используется трафаретная печать.

Благодаря сложному производственному процессу тонкопленочные резисторы имеют строго контролируемые характеристики. Обычно они имеют толщину 0,1 микрона с жесткими допусками, хорошей стабильностью и меньшей емкостью.

Толстопленочные резисторы, для сравнения, могут быть до  1000 раз толще  (100 микрон) и будут иметь высокие значения сопротивления с возможностью работы при высоком напряжении с более низким допуском. Толстопленочные резисторы также имеют более высокую емкость, чем тонкопленочные резисторы.

Пленка оксида металла по сравнению с резисторами из углеродной пленки

Как следует из названия, в резисторе из углеродной пленки слой углеродной пленки помещается на подложку из керамического изолятора. Он может выдерживать высокие температуры, но имеет отрицательный температурный коэффициент. Другими словами, он имеет меньшую сопротивляемость со временем при высоких температурах.

Металлооксидные пленочные резисторы вместо этого используют слой пленки из оксида олова поверх изолированного керамического стержня. Это обеспечивает превосходные коэффициенты напряжения и температуры по сравнению с резисторами из углеродной пленки.

Тепловой шум резистора зависит от типа резистора и того, как он взаимодействует с сопротивлением, полосой пропускания и температурой. Проволочные и тонкопленочные резисторы имеют низкий уровень шума. Углеродная пленка и пленка из оксида металла известны меньшим шумом, при этом пленка из оксида металла имеет конструкцию с более низким уровнем шума, чем углеродная пленка.

По этой причине металлооксидные пленочные резисторы используются в устройствах с низким уровнем шума. Пленочные резисторы из оксида металла имеют лучший уровень допуска — всего 0,1%, в то время как резисторы из углеродной пленки имеют минимальный допуск 2%.

 

Соображения относительно резисторов

Существует несколько ключевых факторов, которые необходимо учитывать при выборе правильного типа резистора для приложения. На один резистор может приходиться лишь небольшой процент стоимости схемы, но мощный резистор может стать источником повреждения всей схемы.

Довольно часто резисторы используются в высоковольтных цепях. Важно проверить надлежащее номинальное напряжение резистора, особенно в этих приложениях с более высоким напряжением, чтобы гарантировать, что он не выйдет из строя. Резисторы являются самонагревающимися компонентами и должны выдерживать рассеивание мощности в своей конкретной цепи.

Более того, разработчики должны позаботиться о том, чтобы их резисторы продолжали работать должным образом, поскольку сопротивление дрейфует в зависимости от температуры. Помимо проверки температурного коэффициента сопротивления (TCR), также проверьте коэффициент сопротивления по напряжению (VCR). Значения сопротивления фиксируются только при стабильном напряжении. Хотя колебания напряжения обычно менее значительны, чем колебания температуры, они могут привести к неприемлемым изменениям сопротивления.

Резистор также должен соответствовать параметрам безопасности и спецификациям для части цепи, в которой он работает. Хорошей практикой является выбор резисторов с номинальной мощностью, превышающей мощность, с которой они будут работать. Если мощность резистора превышает указанную номинальную мощность, срок его службы может сократиться и могут возникнуть короткие замыкания. Общая рекомендация по рассеиваемой мощности заключается в использовании резистора, который может выдержать удвоенную максимальную мощность, которую он, как ожидается, выдержит в цепи.

Многие виды резисторов могут выглядеть очень похожими снаружи. Некоторые резисторы также могут быть доступны с одинаковыми характеристиками — начальный допуск, уровень шума, стабильность срока службы и т. д. Однако каждый тип резистора может быть изготовлен из различных резистивных материалов и может производиться по-разному. Разработчики должны быть осторожны, потому что в некоторых случаях выбранный резистор может иметь другие рабочие характеристики в схеме.

 

Советы по безопасности

Резисторы не защищены от возгорания и могут выделять дым, газ и т.д. Кроме того, резисторы имеют тенденцию терять свои характеристики при погружении в растворитель на длительный период времени. Разработчики должны помнить об этом, чтобы избежать повреждения периферийных компонентов и плат.

Некоторые силовые резисторы могут быть экранированы, т. е. помещены в металлический или керамический корпус, или покрыты смолой как часть их конструкции. Это поможет гарантировать, что их производительность, надежность и стабильность не пострадают.

Если защитное покрытие сколото или удалено, свойства резистора могут ухудшиться. Чтобы не повредить покрытие, лучше не использовать инструменты из твердой стали для размещения резисторов.

В некоторых приложениях резисторы могут подвергаться нерегулярным скачкам тока и всплескам. Разработчики также должны позаботиться о том, чтобы выбранные компоненты могли выдерживать повышенную нагрузку в течение короткого периода времени.

Даже если уровень мощности, подаваемой на резистор, находится в пределах номинальной мощности, температура резистора может резко увеличиться из-за таких факторов, как схема подключения, тепло, выделяемое соседними компонентами, конструкция печатной платы и т. д.

Разработчики также должны позаботиться о том, чтобы любой изгиб печатных плат не подвергал резисторы ненормальным нагрузкам, которые могут повредить устройство или повлиять на его работу.

 

Подделки и оригиналы

Как и любые другие электронные/электрические компоненты, резисторы могут быть подделаны. Например, резисторы из углеродной пленки продаются как металлопленочные резисторы с жесткими допусками. Это дает пользователю более низкий допуск по сопротивлению или устройство с плохим температурным коэффициентом в своей цепи.

Во избежание подобных проблем приобретайте компоненты у авторизованного дистрибьютора или напрямую у производителя через торгового представителя, нанятого по контракту.