Найти максимальную мощность выделяемую на резисторе: Мощность резистора, что это, как подобрать, как узнать

Мощность резистора, что это, как подобрать, как узнать

Резисторы есть в любой электрической схеме. Но в разных схемах протекают различной величины ток. Не могут же одни и те же элементы работать при 0,1 А и при 100 А. Ведь при прохождении тока сопротивление греется. Чем выше ток, тем более интенсивный нагрев. Значит, и резисторы должны быть на разную величину тока. Так и есть. Отображает их способность работать при различных токах такой параметр, как мощность резистора. На деталях покрупнее она указывается прямо на корпусе. Для мелких корпусов есть другой метод определения (см. ниже).

Содержание статьи

• 1 Что такое мощность резистора
• 2 Стандартный ряд мощностей резисторов и их обозначение на схемах
• 3 Как определить по внешнему виду
  • 3.1 Мощность SMD-резисторов
• 4 Как рассчитать мощность резистора в схеме
• 5 Как подобрать резистор на замену

Что такое мощность резистора

Мощность определяется как произведение силы тока на напряжение: P = I * U и измеряется в ваттах (закон Ома). Рассеиваемая мощность резистора — это максимальный ток, который сопротивление может выдерживать длительное время без ущерба для работоспособности. То есть, этот параметр надо выбирать для каждой схемы отдельно — по максимальному рабочему току.

Как определить мощность резистора по внешнему виду: надо знать соответствие размеров и мощностей

Физически рассеиваемая мощность резистора — это то количество тепла, которое его корпус может «отдать» в окружающую среду и не перегреться при этом до фатальных последствий. При этом, нагрев не должен слишком сильно влиять на сопротивление резистора.

Стандартный ряд мощностей резисторов и их обозначение на схемах

Обратите внимание, что резисторы одного номинала могут быть с разной мощностью рассеивания. Этот параметр зависит от технологии изготовления, материала корпуса. Есть определенный ряд мощностей и их графическое обозначение по ГОСТу.

Вт	Условное обозначение не схемах
мощность резистора 0,05 Вт	Как обозначается на схеме мощность рассеивания резистора 0,05 Вт
мощность резистора 0,125 Вт	Мощность резистора 0,125 Вт на схеме
мощность резистора 0,025 Вт	Как на схеме выглядит резистор мощностью 0,25 Вт
мощность резистора 0,5 Вт	Так на схеме обозначается резистор мощностью 0,5 Вт
мощность резистора 1 Вт	Мощность резистора 1 Вт схематически обозначается так
мощность резистора 2 Вт	Рассеиваемая на резисторе мощность 2 Вт
мощность резистора 5 Вт	Обозначение на схеме мощности резистора 5 Вт

Графическое обозначение мощности резисторов на схеме — черточки и римские цифры, нанесенные на поверхность сопротивления. Самое малое стандартное значение 0,05 Вт, самое большое — 25 Вт, но есть и более мощные. Но это уже специальная элементная база и в бытовой аппаратуре не встречается.

Как обозначаются мощность маломощных резисторов надо просто запомнить. Это косые линии на прямоугольниках, которыми обозначают сопротивления на схемах. Количество косых черточек обозначает количество четвертей дюйма. При номиналах сопротивлений от 1 Вт на изображении ставятся римские цифры: I, II, III, V, VI и т.д. Цифра эта и обозначает мощность резистора в ваттах. Тут немного проще, так как соответствие прямое.

Как определить по внешнему виду

На принципиальной схеме указана нужная мощность резистора — тут все понятно. Но как определить мощность сопротивления по внешнему виду на печатной плате? Вообще, чем больше размер корпуса, тем больше тепла он рассеивает. На достаточно крупных по размеру сопротивлениях указывается номинальное сопротивление и его мощность в ваттах.

Тут есть некоторая путаница, но не все так страшно. На отечественных сопротивлениях рядом с цифрой ставят букву В. В зарубежных ставят W. Но эти буквы есть не всегда. В импортных может стоять V или SW перед цифрой. Еще в импортных может тоже стоять буква B, а в отечественных МЛТ может не стоять ничего или буква W. Запутанная история, конечно. Но с опытом появляется хоть какая-то ясность.

Как определить мощность резистора: стоит в маркировке

А ведь есть маленькие резисторы, на которых и номинал-то с трудом помещается. В импортных он нанесен цветными полосками. Как у них узнать мощность рассеивания?

В старом ГОСТе была таблица соответствий размеров и мощностей. Резисторы отечественного производства по прежнему делают в соответствии с этой таблицей. Импортные, кстати, тоже, но они по размерам чуть меньше отечественных. Тем не менее их также можно идентифицировать. Если сомневаетесь, к какой группе отнести конкретный экземпляр, лучше считать что он имеет более низкую способность рассеивать тепло. Меньше шансов, что деталь скоро перегорит.

Тип резистора	Диаметр, мм	Длинна, мм	Рассеиваемая мощность, Вт
ВС	2,5	7,0	0,125
УЛМ, ВС	5,5	16,5	0,25
ВС	5,5	26,5	0,5
	7,6	30,5	1
	9,8	48,5	2
	25	75	5
	30	120	10
КИМ	1,8	3,8	0,05
	2,5	8	0,125
МЛТ	2	6	0,125
	3	7	0,125
	4,2	10,8	0,5
	6,6	13	1
	8,6	18,5	2

С размерами сопротивлений и их мощностью вроде понятно. Не все так однозначно. Есть резисторы большого размера с малой рассеивающей способностью и наоборот. Но в таких случаях, проставляют этот параметр в маркировке.

Мощность SMD-резисторов

SMD-компоненты предназначены для поверхностного монтажа и имеют миниатюрные размеры. Мощность резисторов SMD определяется по размерам. Также она есть в характеристиках, но необходимо знать серию и производителя. Таблица мощности СМД резисторов содержит наиболее часто встречающиеся номиналы.

Размеры SMD-резисторов — вот по какому признаку можно определить мощность этих элементов

Код imperial	Код metrik	Длинна inch/mm	Ширина inch/mm	Высота inch/mm	Мощность, Вт
0201	0603	0,024/0,6	0,012/0,3	0,01/0,25	1/20 (0,05)
0402	1005	0,04/1,0	0,02/0,5	0,014/0,35	1/16 (0,062)
0603	1608	0,06/1,55	0,03/0,85	0,018/0,45	1/10 (0,10)
0805	2112	0,08/2,0	0,05/1,2	0,018/0,45	1/8 (0,125)
1206	3216	0,12/3,2	0,06/1,6	0,022/0,55	1/4 (0,25)
1210	3225	0,12/3,2	0,10/2,5	0,022/0,55	1/2 (0,50)
1218	3246	0,12/3,2	0,18/4,6	0,022/0,55	1,0
2010	5025	0,20/2,0	0,10/2,5	0,024/0,6	3/4 (0,75)
2512	6332	0,25/6,3	0,12/3,2	0,024/0,6	1,0

В общем-то, у этого типа радиоэлементов нет другого оперативного способа определения тока, при котором они могут работать, кроме как по размерам. Можно узнать по характеристикам, но их найти не всегда просто.

Как рассчитать мощность резистора в схеме

Чтобы рассчитать мощность резисторов в схеме, кроме сопротивления (R) необходимо знать силу тока (I). На основании этих данных можно рассчитать мощность. Формула обычная: P = I² * R. Квадрат силы тока умножить на сопротивление. Силу тока подставляем в Амперах, сопротивление — в Омах.

Если номинал написан в килоомах (кОм) или мегаомах (мОм),  его переводим в Омы. Это важно, иначе будет неправильная цифра.

Схема последовательного соединения резисторов

Для примера рассмотрим схему на рисунке выше. Последовательное соединение сопротивлений характерно тем, что через каждый отдельный резистор цепи протекает одинаковый ток. Значит мощность сопротивлений будет одинаковой. Последовательно соединенные сопротивления просто суммируется: 200 Ом + 100 Ом + 51 Ом + 39 Ом = 390 Ом. Ток рассчитаем по формуле: I = U/R. Подставляем данные: I = 100 В / 390 Ом = 0,256 А.

По расчетным данным определяем суммарную мощность сопротивлений: P = 0,256² * 390 Ом = 25,549 Вт.  Аналогично рассчитывается мощность каждого из резисторов. Например, рассчитаем мощность резистора R2 на схеме. Ток мы знаем, его номинал тоже. Получаем: 0,256А² * 100 Ом = 6,55 Вт. То есть, мощность этого резистора должна быть не ниже 7 Вт. Брать с более низкой мощностью точно не стоит — быстро перегорит. Если позволяет конструктив прибора, то можно поставить резистор большей мощности, например, на 10 Вт.

Есть резисторы серии МЛТ, в которых мощность рассеивания тепла указана сразу после названия серии без каких-либо букв. В данном случае — МЛТ-2 означает, что мощность этого экземпляра 2 Вт, а номинал 6,8 кОм.

При параллельном подключении расчет аналогичен. Нужно только правильно рассчитать ток, но это тема другой статьи. А формула расчета мощности резистора от типа соединения не зависит.

Как подобрать резистор на замену

Если вам необходимо поменять резистор, брать надо либо той же мощности, либо выше. Ни в коем случае не ниже — ведь резистор и без того вышел из строя. Происходит это обычно из-за перегрева. Так что установка резистора меньшей мощности исключена. Вернее, вы его поставить можете. Но будьте готовы к тому, что скоро его снова придется менять.

Примерно определить мощность резистора можно по размерам

Если место на плате позволяет, лучше поставить деталь с большей мощностью рассеивания, чем была у заменяемой детали. Или поднять резистор той же мощности повыше (можно вообще не подрезать выводы) — чтобы охлаждение было лучше. В общем, при замене резистора, мощность берем либо ту же, либо выше на шаг.

Мощность при параллельном и последовательном соединении резисторов

Все известные виды проводников обладают определенными свойствами, в том числе и электрическим сопротивлением. Это качество нашло свое применение в резисторах, представляющих собой элементы цепи с точно установленным сопротивлением. Они позволяют выполнять регулировку тока и напряжения с высокой точностью в схемах. Все подобные сопротивления имеют свои индивидуальные качества. Например, мощность при параллельном и последовательном соединении резисторов будет различной. Поэтому на практике очень часто используются различные методики расчетов, благодаря которым возможно получение точных результатов.

Содержание

Свойства и технические характеристики резисторов

Как уже отмечалось, резисторы в электрических цепях и схемах выполняют регулировочную функцию. С этой целью используется закон Ома, выраженный формулой: I = U/R. Таким образом, с уменьшением сопротивления происходит заметное возрастание тока. И, наоборот, чем выше сопротивление, тем меньше ток. Благодаря этому свойству, резисторы нашли широкое применение в электротехнике. На этой основе создаются делители тока, использующиеся в конструкциях электротехнических устройств.

Помимо функции регулировки тока, резисторы применяются в схемах делителей напряжения. В этом случае закон Ома будет выглядеть несколько иначе: U = I x R. Это означает, что с ростом сопротивления происходит увеличение напряжения. На этом принципе строится вся работа устройств, предназначенных для деления напряжения. Для делителей тока используется параллельное соединение резисторов, а для делителей напряжения – последовательное.

На схемах резисторы отображаются в виде прямоугольника, размером 10х4 мм. Для обозначения применяется символ R, который может быть дополнен значением мощности данного элемента. При мощности свыше 2 Вт, обозначение выполняется с помощью римских цифр. Соответствующая надпись наносится на схеме возле значка резистора. Мощность также входит в состав маркировки, нанесенной на корпус элемента. Единицами измерения сопротивления служат ом (1 Ом), килоом (1000 Ом) и мегаом (1000000 Ом). Ассортимент резисторов находится в пределах от долей ома до нескольких сотен мегаом. Современные технологии позволяют изготавливать данные элементы с довольно точными значениями сопротивления.

Важным параметром резистора считается отклонение сопротивления. Его измерение осуществляется в процентах от номинала. Стандартный ряд отклонений представляет собой значения в виде: +20, +10, +5, +2, +1% и так далее до величины +0,001%.

Большое значение имеет мощность резистора. По каждому из них во время работы проходит электрический ток, вызывающий нагрев. Если допустимое значение рассеиваемой мощности превысит норму, это приведет к выходу из строя резистора. Следует учитывать, что в процессе нагревания происходит изменение сопротивления элемента. Поэтому если устройства работают в широких диапазонах температур, применяется специальная величина, именуемая температурным коэффициентом сопротивления.

Для соединения резисторов в схемах используются три разных способа подключения — параллельное, последовательное и смешанное. Каждый способ обладает индивидуальными качествами, что позволяет применять данные элементы в самых разных целях.

Мощность при последовательном соединение

При соединение резисторов последовательно электрический ток по очереди проходит через каждое сопротивление. Значение тока в любой точке цепи будет одинаковым. Данный факт определяется с помощью закона Ома. Если сложить все сопротивления, приведенные на схеме, то получится следующий результат: R = 200+100+51+39 = 390 Ом.

Учитывая напряжение в цепи, равное 100 В, по закону Ома сила тока будет составлять I = U/R = 100/390 = 0,256 A. На основании полученных данных можно рассчитать мощность резисторов при последовательном соединении по следующей формуле: P = I² x R = 0,256² x 390 = 25,55 Вт.

Таким же образом можно рассчитать мощность каждого отдельно взятого резистора:

• P₁ = I² x R₁ = 0,256² x 200 = 13,11 Вт;
• P₂ = I² x R₂ = 0,256² x 100 = 6,55 Вт;
• P₃ = I² x R₃ = 0,256² x 51 = 3,34 Вт;
• P₄ = I² x R₄ = 0,256² x 39 = 2,55 Вт.

Если сложить полученные мощность, то полная Р составит: Р = 13,11+6,55+3,34+2,55 = 25,55 Вт.

Мощность при параллельном соединение

При параллельном подключении все начала резисторов соединяются с одним узлом схемы, а концы – с другим. В этом случае происходит разветвление тока, и он начинает протекать по каждому элементу. В соответствии с законом Ома, сила тока будет обратно пропорциональна всем подключенным сопротивлениям, а значение напряжения на всех резисторах будет одним и тем же.

Прежде чем вычислять силу тока, необходимо выполнить расчет полной проводимости всех резисторов, применяя следующую формулу:

• 1/R = 1/R₁+1/R₂+1/R₃+1/R₄ = 1/200+1/100+1/51+1/39 = 0,005+0,01+0,0196+0,0256 = 0,06024 1/Ом.
• Поскольку сопротивление является величиной, обратно пропорциональной проводимости, его значение составит: R = 1/0,06024 = 16,6 Ом.
• Используя значение напряжения в 100 В, по закону Ома рассчитывается сила тока: I = U/R = 100 x 0,06024 = 6,024 A.
• Зная силу тока, мощность резисторов, соединенных параллельно, определяется следующим образом: P = I² x R = 6,024² x 16,6 = 602,3 Вт.
• Расчет силы тока для каждого резистора выполняется по формулам: I₁ = U/R₁ = 100/200 = 0,5A; I₂ = U/R₂ = 100/100 = 1A; I₃ = U/R₃ = 100/51 = 1,96A; I₄ = U/R₄ = 100/39 = 2,56A. На примере этих сопротивлений прослеживается закономерность, что с уменьшением сопротивления, сила тока увеличивается.

Существует еще одна формула, позволяющая рассчитать мощность при параллельном подключении резисторов: P₁ = U²/R₁ = 100²/200 = 50 Вт; P₂ = U²/R₂ = 100²/100 = 100 Вт; P₃ = U²/R₃ = 100²/51 = 195,9 Вт; P₄ = U²/R₄ = 100²/39 = 256,4 Вт. Сложив мощности отдельных резисторов, получится их общая мощность: Р = Р₁+Р₂+Р₃+Р₄ = 50+100+195,9+256,4 = 602,3 Вт.

Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром

Как понять Закон Ома: простое объяснение для чайников с формулой и понятиями

Закон Ома для переменного тока

Закон Ома для однородного участка цепи – формула

Закон Ома для полной и не полной электрической цепи, формула и правильное определение

Как проверить резистор мультиметром на исправность, как прозвонить резистор?

Мощность

, рассеиваемая резистором? Надежность цепи и примеры расчетов

 

В электронике термин «рассеивание» довольно распространен, и те, кто работает в этой отрасли, слишком хорошо его знают или, по крайней мере, должны знать. Я говорю должен, потому что очевидно, что это не всегда так. Что ж, я подробнее остановлюсь на том, почему я сразу сказал «должен». Но пока давайте сосредоточимся на теме диссипации.

Возьмем, к примеру, полностью заряженный конденсатор, такой как конденсатор емкостью 3,0 фарад, используемый в аудиосистеме. В этом случае, если вы снимаете конденсатор для хранения, замены или проведения технического обслуживания системы, вы определенно хотите, чтобы конденсатор рассеивал свой заряд.

Это был момент, который один джентльмен не смог понять, даже после того, как предоставил ему подробные детали вместе с необходимыми шагами. Однако несоблюдение надлежащих протоколов разрядки плюс катание конденсатора в багажнике плюс WD-40 равняется событию, которое могло бы вдохновить одну из моих любимых групп (The Power Station) на написание одной из моих любимых песен (Some Like it Hot). Кроме шуток, в его багажнике горела жара, и по сей день его прозвище все еще «дым-дым-дым».

Что такое рассеиваемая мощность?

Рассеяние мощности определяется как процесс, в ходе которого электронное или электрическое устройство выделяет тепло (потери или потери энергии) как нежелательное производное от своего основного действия. Как и в случае с центральными процессорами, рассеивание мощности является основной проблемой в компьютерной архитектуре.

Кроме того, рассеивание мощности в резисторах считается естественным явлением. Факт остается фактом: все резисторы, являющиеся частью цепи и имеющие на ней падение напряжения, будут рассеивать электрическую мощность. Более того, эта электрическая мощность преобразуется в тепловую энергию, и поэтому все резисторы имеют номинальную мощность. Кроме того, номинальная мощность резистора — это классификация, которая характеризует максимальную мощность, которую он может рассеивать, прежде чем он достигнет критического отказа.

Как вы, возможно, знаете, мощность выражается в ваттах (Вт), а формула мощности: P (мощность) = I (ток) x E (напряжение). Что касается законов физики, если есть увеличение напряжения (E), то ток (I) также будет увеличиваться, и, в свою очередь, будет увеличиваться рассеиваемая мощность резистора. Однако, если вы увеличите значение резистора, ток уменьшится, а также уменьшится рассеиваемая мощность резистора. Эта корреляция следует закону Ома, который устанавливает формулу тока как I (ток) = V (напряжение) ÷ R (сопротивление).

Расчет мощности, рассеиваемой резистором

В области электроники рассеиваемая мощность также является параметром измерения, который количественно определяет выделение тепла в цепи из-за неэффективности. Другими словами, рассеиваемая мощность является мерой того, сколько мощности (P = I x E) в цепи преобразуется в тепло. Как я упоминал ранее, у каждого резистора есть номинальная мощность, и с точки зрения конструкции это позволяет разработчикам оценить, будет ли конкретный резистор соответствовать их конструктивным требованиям в схеме. Итак, теперь давайте подробнее рассмотрим, как рассчитать этот критический параметр конструкции.

Во-первых, согласно закону Ома,

В (напряжение) = I (ток) × R (сопротивление)

I (ток) = V (напряжение) ÷ R (сопротивление)

P (мощность) = I (ток) × V (напряжение)

Следовательно, для расчета мощности, рассеиваемой резистором, формулы следующие:

P (рассеиваемая мощность) = I2 (ток) × R (сопротивление)

или

P (рассеиваемая мощность) = V2 (напряжение) ÷ R (сопротивление)

Таким образом, используя приведенную выше принципиальную схему в качестве справки, мы можем применить эти формулы для определения мощности, рассеиваемой резистором.

Напряжение = 9 В

Сопротивление = 100 Ом

I (ток) = 9 В ÷ 100 Ом или I (ток) = 90 мА

P (мощность) = 90 мА × 9 В или P (мощность) = 0,81 Вт или 810 мВт

P (рассеиваемая мощность) = V2 (напряжение) ÷ R (сопротивление)

или

P (рассеиваемая мощность) = 92 ÷ 100

или

P (рассеиваемая мощность) = 81 ÷ 100 или P (мощность рассеиваемая мощность) = 810 мВт

Рассеиваемая мощность: хорошо или плохо?

Вообще говоря, нет; тем не менее, есть некоторые случаи, когда рассеивание тепла является хорошей вещью. Возьмем, к примеру, электрические нагреватели, в которых используется резистивная проволока, такая как нихром. Нихром является уникальным нагревательным элементом благодаря своей экономичности, устойчивости к потоку электронов, прочности, гибкости, стойкости к окислению и стабильности при высоких температурах.

Кроме того, еще одним примером благоприятного рассеяния тепла являются лампы накаливания, которые используются в качестве экономичных обогревателей. В целом, при нормальных условиях рассеивание тепла нежелательно, но в тех редких случаях, когда оно имеет место, оно будет заключаться в усилиях по контролю рассеивания тепла, а не в его сдерживании.

Вот некоторые важные моменты, на которые следует обратить внимание при рассмотрении рассеиваемой мощности.

1. Убедитесь, что номинальная мощность резистора соответствует требованиям вашей схемы.

2. Обязательно перепроверьте, зависит ли рейтинг вашей микросхемы от использования радиаторов.

3. Если вы проектируете печатные платы, убедитесь, что ваши дорожки достаточно велики, чтобы поддерживать низкое сопротивление и избегать чрезмерного нагрева.

4. При проектировании схемы переключения убедитесь, что время переключения максимально короткое.

Чтобы сократить время переключения, сделайте скорость нарастания как можно более крутой, уменьшив емкость на линии. Кроме того, в области электроники скорость нарастания определяется как изменение тока, напряжения или других электрических величин в единицу времени.

Резисторы — это многогранные компоненты, доступные для ваших цепей.

Как дизайнеры, вы постоянно сталкиваетесь с постоянно возникающими проблемами при проектировании электронных схем. Одним из наиболее важных аспектов проектирования является поиск правильных компонентов, отвечающих потребностям вашей схемы. Кроме того, обнаружение этих компонентов также означает, что они должны безопасно функционировать в пределах заданных параметров напряжения, мощности и тока. Поэтому расчет таких параметров, как рассеиваемая мощность, имеет решающее значение для общей схемы.

Стратегии рассеивания мощности и использование резисторов в ваших цепях более чем эффективны с набором инструментов Cadence для проектирования и анализа. Решая любую задачу компоновки в Allegro PCB Designer, вы получаете быстрые, чистые и готовые к производству проекты.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube и посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin

Посетите вебсайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Основы: Рассеиваемая мощность и электронные компоненты

 

Постоянной проблемой при проектировании электронных схем является выбор подходящих компонентов, которые не только выполняют предназначенную для них задачу, но и сохраняют работоспособность в прогнозируемых 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 самой сложной (как для новичков, так и для экспертов), потому что безопасная рабочая зона может сильно зависеть от особенностей ситуации.

Далее мы представим некоторые из основных концепций рассеивания мощности в электронных компонентах, чтобы понять, как выбирать компоненты для простых схем с учетом ограничений по мощности.

— НАЧАЛО ПРОСТО —

Начнем с одной из самых простых схем, которые только можно себе представить: Батарея, подключенная к одному резистору:

Здесь у нас есть одна батарея на 9 В и одна батарея на 100 Ом. Резистор (100 Ом), соединенный проводами в виде полной цепи.

Достаточно просто, правда? Но теперь вопрос: если вы действительно хотите построить эту схему, насколько «большой» из 100? резистор вам нужно использовать, чтобы убедиться, что он не перегревается? Другими словами, можем ли мы просто использовать «обычный» резистор ¼ Вт, как показано ниже, или нам нужно увеличить его?

 

Чтобы это выяснить, нам нужно рассчитать мощность, которую будет рассеивать резистор.
Вот общее правило расчета рассеиваемой мощности:

Правило мощности: P = I × В
элемент цепи является произведением этого тока и напряжения: P = I × В .

 

В сторону :
Как ток, умноженный на напряжение, может дать нам измерение «мощности»?

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

Электрический ток – это скорость прохождения электрического заряда по цепи, обычно выражаемая в амперах, где 1 ампер = 1 кулон в секунду. (Кулон — это единица измерения электрического заряда в системе СИ.)

Напряжение, или, более формально, электрический потенциал — это потенциальная энергия на единицу электрического заряда на рассматриваемом элементе цепи. В большинстве случаев вы можете думать об этом как о количестве энергии, которая «израсходована» в элементе на единицу прошедшего через него заряда. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах, где 1 вольт = 1 джоуль на кулон. (Джоуль — это единица измерения энергии в системе СИ.)

Итак, если мы возьмем ток, умноженный на напряжение, это даст нам количество энергии, которая «израсходована» в элементе на единицу заряда, умножить на количество этих единиц заряда, проходящих через элемент за единицу заряда. секунда:

1 ампер × 1 вольт =
1 (кулон/секунда) × 1 (джоуль/кулон) =
1 джоуль/секунда

Полученная величина выражается в единицах один джоуль в секунду: скорость потока энергии , более известный как власть. Единицей мощности в СИ является ватт, где 1 ватт = 1 джоуль в секунду.

Наконец, у нас есть

1 ампер × 1 вольт = 1 ватт

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

Во-первых, мы используем закон Ома ( В = I × R ), чтобы найти ток через резистор.
• Напряжение на резисторе В = 9 В.
• Сопротивление резистора 9 Ом.0141 Р = 100?.

Следовательно, ток через резистор равен:

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 равен I = 90 мА.
• Напряжение на резисторе В = 9 В.

Следовательно, мощность, рассеиваемая на резисторе:

P = I × В = 90 мА × 9 В = 0,81 Вт

 

Итак, вы можете использовать этот резистор 1/4 Вт?

Нет, потому что он, скорее всего, выйдет из строя из-за перегрева.
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 большей физической упаковке, такой как показанная здесь:

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

Поскольку резистор мощностью 1 Вт физически намного больше, он должен выдерживать рассеивание большей мощности благодаря большей площади поверхности и более широким выводам. . (Он все еще может быть очень горячим на ощупь, но не должен нагреваться настолько, чтобы выйти из строя. ) последовательно соединенные резисторы (все равно получается 100 Ом). В этом случае ток через каждый резистор по-прежнему равен 90 мА. Но, поскольку на каждом резисторе напряжение всего на одну четверть меньше, на каждом резисторе рассеивается только одна четверть мощности. Для этой схемы нужны только четыре резистора, рассчитанные на 1/4 Вт.

Поскольку четыре резистора соединены последовательно, мы можем сложить их значения, чтобы получить их общее сопротивление, 100 Ом. Используя закон Ома с этим полным сопротивлением, мы снова получаем ток 90 мА. И опять же, так как резисторы включены последовательно, то одинаковый ток (90 мА) должен протекать через каждый обратно к аккумулятору. Напряжение на каждом 25 Ом. резистор В = I × R или 90 мА × 25 ? = 2,25 В. (Чтобы еще раз убедиться, что это разумно, обратите внимание, что напряжения на четырех резисторах в сумме составляют 4 × 2,25 В = 9 В.)

Мощность на каждом отдельном 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 разделить 100 ? резистор на четыре равные части, каждая из которых должна рассеивать одну четверть общей мощности.

 

— НА ЗА РЕЗИСТОРАМИ —

Для нашего следующего примера давайте рассмотрим следующую ситуацию. напряжение до 5 В, где все на самом деле работает. Ваша нагрузка на конце 5 В может достигать 1 А.

Как выглядит мощность в этой ситуации?

Регулятор, по сути, действует как большой переменный резистор, который регулирует свое сопротивление по мере необходимости, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение 5 В. Когда выходная нагрузка составляет полный 1 А, выходная мощность, выдаваемая стабилизатором, составляет 5 В × 1 А = 5 Вт, а мощность, подводимая к цепи, составляет 9 В.Источник питания V составляет 9 Вт. Падение напряжения на стабилизаторе составляет 4 В, а при 1 А это означает, что линейный стабилизатор рассеивает 4 Вт — также разница между входной и выходной мощностью.

В каждой части этой цепи соотношение мощностей определяется как P = I × В . Две части — регулятор и нагрузка — это места, где рассеивается мощность. А в части цепи через блок питания P = I × В описывает мощность , подводимую к системе — напряжение увеличивается по мере прохождения тока через источник питания.

Кроме того, стоит отметить, что мы не сказали , какая нагрузка тянет этот 1 А. Мощность потребляется, но это не обязательно означает, что она преобразуется в (просто) тепловую энергию — она могла Например, для питания двигателя или набора зарядных устройств.

Сторона:
Хотя установка линейного регулятора напряжения, подобная этой, является очень распространенной схемой для электроники, стоит отметить, что это также невероятно неэффективная схема : 4/9 входной мощности просто сгорает в виде тепла, даже при работе на меньших токах.

 

— ЕСЛИ НЕТ ПРОСТОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ «МОЩНОСТИ» —

Далее, немного более сложная часть: убедитесь, что ваш регулятор выдерживает мощность. В то время как на резисторах четко указана их мощность, на линейных регуляторах это не всегда так. В приведенном выше примере регулятора давайте также предположим, что мы используем регулятор L7805ABV от ST (техническое описание здесь).

 

(Фото: типичный корпус TO-220, который обычно используется для линейных стабилизаторов средней мощности) выше), который рассчитан на выходной ток 1,5 А и входное напряжение до 35 В.

Наивно вы можете предположить, что вы можете подключить это прямо к входу 35 В и получить 1,5 А на выходе, а это означает, что регулятор будет излучать 30 В * 1,5 А = 45 Вт мощности. Но это крошечный пластиковый пакет; на самом деле он не может справиться с такой большой мощностью. Если вы заглянете в таблицу данных в разделе «Абсолютные максимальные характеристики», чтобы попытаться определить, какую мощность он может выдержать, все, что там написано, это «Внутреннее ограничение», что само по себе далеко не ясно.

Оказывается, фактическая номинальная мощность есть, но обычно она несколько «спрятана» в техническом паспорте. Вы можете понять это, взглянув на пару связанных спецификаций:

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

• R _thJA , Термическое сопротивление переход-окружающая среда: 50 °C /W

• R _thJC , Термостойкость переход-корпус: 5 °C/W

Диапазон рабочих температур перехода, T _OP определяет, насколько горячим может быть «переход» — активная часть интегральной схемы регулятора — до того, как он перейдет в режим теплового отключения. (Температурное отключение — это внутренний предел, который делает мощность регулятора «внутренне ограниченной».) Для нас это максимум 125 °C.

Тепловое сопротивление переход-окружающая среда R _thJA (часто записывается как ? _JA ) говорит нам, насколько нагревается переход, когда (1) регулятор рассеивает заданное количество энергии и (2) регулятор находится в режиме ожидания. на открытом воздухе при заданной температуре окружающей среды. Предположим, нам нужно спроектировать наш регулятор для работы только в умеренных коммерческих условиях, не превышающих 60 °C. Если нам нужно поддерживать температуру перехода ниже 125 °C, то максимальное повышение температуры, которое мы можем допустить, составляет 65 °C. Если у нас есть R _thJA 50 °C/Вт, то максимальная рассеиваемая мощность, которую мы можем допустить, составляет 65/50 = 1,3 Вт, если мы хотим предотвратить перегрев регулятора. Это значительно ниже 4 Вт, которые мы ожидаем при токе нагрузки 1 А. На самом деле мы можем допустить только 1,3 Вт / 4 В = 325 мА среднего выходного тока, не отправляя регулятор в режим теплового отключения.

Это, однако, для случая ТО-220, излучающего в окружающий воздух – почти наихудшая ситуация. Если мы сможем добавить радиатор или иным образом охладить регулятор, мы сможем добиться большего успеха.

Противоположный конец спектра соответствует другой тепловой спецификации: тепловое сопротивление переход-корпус, R _thJC . Это определяет ожидаемую разницу температур между спаем и внешней частью корпуса TO-220: всего 5 °C/Вт. Это актуальный номер , если вы можете быстро отвести тепло от корпуса, например, если у вас есть очень хороший теплоотвод, подключенный снаружи к корпусу ТО-220. С большим радиатором и идеальной связью с этим радиатором при 4 Вт температура перехода поднимется всего на 20 °C выше температуры вашего радиатора. Это представляет собой абсолютный минимум нагрева, который вы можете ожидать в идеальных условиях.

В зависимости от технических требований, вы можете начать с этого момента, чтобы построить полный бюджет мощности, чтобы учесть теплопроводность каждого элемента вашей системы, от самого регулятора до прокладки термоинтерфейса между ним и радиатором. , к тепловой связи радиатора с окружающим воздухом. Затем вы можете проверить связи и относительные температуры каждого компонента с помощью точечного бесконтактного инфракрасного термометра. Но часто лучше переоценить ситуацию и посмотреть, есть ли лучший способ сделать это.

В данной ситуации можно было бы рассмотреть возможность перехода на стабилизатор для поверхностного монтажа, который обеспечивает лучшую мощность (за счет использования печатной платы в качестве радиатора), или, возможно, стоит рассмотреть возможность добавления мощного резистора (или стабилитрона). ) перед регулятором сбросить большую часть напряжения за пределы блока регулятора, снизив нагрузку на него. Или, что еще лучше, посмотрите, есть ли способ построить вашу схему без каскада линейного регулятора с потерями.

 

— ПОСЛЕСЛОВИЕ —

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

Принципы, которые мы рассмотрели, являются довольно общими и могут быть использованы для понимания энергопотребления 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, где становятся важными небольшие потери, которыми мы пренебрегли.