电阻浪涌额定值

电器工程 电阻器 降额
2022-01-17 00:17:38

我有一个带有 220uF 电容器的电路,并使用一个电阻器来限制浪涌电流

我愚蠢地安装了错误的额定功率电阻器(毫不奇怪它失败了)我花了一段时间才意识到我的错误。我相信正确的电阻器很好(它运行了很长时间并且功率是两倍)但我对如何计算额定值并在理论上证明它有点困惑

安装的电阻器(我使用了两个并联)是 3R3 1.5W 2512 封装

TE Con​​nectivity CRGS2512J3R3

数据表中甚至有一个图表告诉我浪涌额定值不够,我对他们如何计算这些曲线很感兴趣,所以我可以将计算应用于其他电阻器,它们对提供图表没有太大帮助。

这是情节:

脉冲降额

我用示波器(100VDC 电源)测量了浪涌电流,它略高于 40A,理论最大值超过 60A,但有一个反极性保护二极管和保险丝以及 PCB 走线和电容 ESR 降低了这一点。

浪涌测量

这是通过两个并联电阻的总浪涌电流,因此每个电阻大约 20A

可以看出,大约 0.5ms 后浪涌已降至峰值的 50%,因此我相信我可以将其视为宽度为 0.5ms 的方波作为一个不错的近似值(如 EMC 标准建议用于 TVS 二极管等)

网上有应用笔记,比如

SMD 电阻器上的 Vishays 脉冲负载:处于极限(再次不足以添加链接)

我知道周期性脉冲比单个脉冲需要更多的降额(这是合乎逻辑的),在什么时候单个脉冲变为周期性是另一个话题,因为可能所有电子设备都需要在某个时候关闭!

使用 vishays 数据表中的计算来计算 1 秒周期的周期性脉冲并使用我的浪涌测量数据

P = (V^2/R)*ti/tp

V = 100,R = 3.3,ti = 0.0005,tp = 1

给我一个 1.515W 的值(绝对最大值),我可以看到施加的浪涌是否更频繁然后功率增加(这是电阻器发生故障时发生的情况)

查看数据表中的图表(在眼睛上并不容易)但是通过 3R3 电阻器的电流为 20.1A,那么峰值功率为 1333W

数据表中的图表似乎不同意,例如 0.001 脉冲时间的降额(为了方便读取值)图表显示最大峰值脉冲功率约为 1kW,而计算表明平均值约为 3W是电阻器额定值的两倍

我想我已经花了太多时间看这个,只需要上床睡觉并醒来,我很困惑我是否做对了,或者我只是不知道!

我可以计算进入电容器的能量,但不确定我会用它做什么,方法对吗?有没有更好的办法?当制造商没有指定脉冲/浪涌额定值时,这是这样做的吗?

非常感谢任何建议

3个回答

热流需要时间。如果几乎所有的能量都用于提高温度,并且只有很少有用的热量被允许有时间大量流入其周围环境,那么您可以使用“脉冲的作用积分”来估计故障. 如果您可以在“焦耳每欧姆”或“\$I^2\cdot s\$”中找到电阻器的规格,那么您可以应用它。如果没有,您将不得不使用这些曲线进行估算。

上述各种规格更常见于保险丝,因为这是他们所做的工作,因此被指定去做。另一方面,电阻器实际上是为了耗散而设计的。因此,这增加了另一个需要考虑的因素。

相反,让我们看看您的 2512 曲线。在大约 \$t=100\:\mu\textrm{s}\$ 之前,它是平坦的。在拐角处,我猜它可以处理大约 \$4000\:\textrm{W}\cdot 100\:\mu\textrm{s}=400\:\textrm{mJ}\$ 的脉冲。对于 \$1\:\文本{s}\$。鉴于此处的对数标度,我得到以下等式,用于说明电阻器随时间吸收一个能量脉冲的能力:

$$\begin{split}E_{limit}&=4000\:\textrm{W}\cdot t\\E_{limit}&=1.91089572\:\textrm{J}\cdot \ln \left(t\right )+18\:\textrm{J}\end{split}\quad\begin{split}&\textrm{ where}\quad t \le 100\:\mu\textrm{s}\\&\textrm{ where }\quad 100\:\mu\textrm{s}\le t \le 10\:\textrm{s}\end{split}$$

这是一个热点计算,它可能只适用于图表持续时间的几倍,其中其他因素允许耗散稳定在额定功率。它们只显示曲线持续到一秒。但是上面的等式可能会在曲线末端之后起作用。无论如何,它会给你一个想法。


如果我做对了,那么通过 RC 电路传递到 R 中的能量是以下时间函数:

$$E_{衰减}=\frac{V_0^2\cdot C}{2}\cdot \left(1-e^{-\cfrac{2\cdot t}{R\cdot C}}\right)$ $

如果此值在任何时候超过 \$E_{limit}\$,您可能会遇到问题。鉴于您的测量值高达 \$40\:\textrm{A}\$,我会说您的 \$V_0=132\:\textrm{V}\$ 用于上述目的。因此,如果您查看 \$t=100\:\mu\textrm{s}\$ 的情况,您会得到 \$\约 462\:\textrm{mJ}\$,它超过了您的评级曲线。我认为,为了安全起见,您可能希望基本上处于它之下。没有结束。

曲线确实表明,给定更多的时间,应该有足够的时间,因此没有剩余的问题。但这似乎暗示了使用单个设备时的极端情况问题。

我猜你正在使用其中两个,但仍然有问题。(我不确定这一切是如何安装的,这也可能很重要。)无论如何,如果您插入等效的 \$1.65\:\Omega\$ 配对电阻器,您会得到 \$812\:\textrm{ mJ}\$ 两者。其中,两者之间的划分仍然超过了规范(只有一点点。)


只是一个补充说明,因为我必须对上面的第一个等式进行更正,对于 \$t\lt 100\:\mu\textrm{s}\$。我之前只是把它设为常数,但它确实是时间的函数。更短的时间?传递的能量更少。那里的曲线是平的,这一点很明显。我只是没能在等式中解释它。

因此,通过更正,您可以更轻松地看到在更短的时间段内,例如 \$t=10\:\mu\textrm{s}\$,\$E_{decay}\$ 方程提供 (使用我的 \$V_0=132\:\textrm{V}\$ 数字(基于你写的 \$40\:\textrm{A}\$)大约 \$100\:\textrm{mJ}\$ 的能量进入 \$1.65\:\Omega\$。但是 \$4000\:\textrm{W}\cdot 10\:\mu\textrm{s}=40\:\textrm{mJ}\$ 作为曲线的限制。因此,在考虑这样的较短时间时,曲线远远超出了。即使使用 \$V_0=100\:\textrm{V}\$,我也会在短时间内获得 \$60\:\textrm{mJ}\$ 的能量。所以,还是超出了规格。

我明白你为什么会遇到麻烦。

假设热量完全保持在电阻内部,让我们计算一个脉冲的温升。如果 5 分,没关系,对吧?但是如果上升 5,000 摄氏度,它(已经变成等离子)不行,同意吗?

我们需要知道电阻器内部可以存储多少热量。这是一个有用的数字:硅的比热(就像纯物质一样,用作硅晶片)是每立方微米每摄氏度升高 1.6 皮焦耳。

我会让您将电阻器尺寸转换为微米、长度、宽度、高度,并计算总体积。假设电阻器有一个粘土/陶瓷基底,金属膜沉积在该基底上。薄膜中产生热量,并迅速流入硅/粘土/陶瓷基体。

时间常数是多少?注意这里。热流的时间常数与尺寸不是线性的。时间常数随着大小的平方而变化。

硅立方尺寸时间常数

1 米立方 11,400 秒

10cm立方体114秒

1cm立方体1.14秒

1mm 立方体 0.014 秒(14 毫秒),大约是 SMT 电阻器的大小

100 微米立方 114 微秒

10 微米立方 1.14 微秒

1 微米立方 11.4 纳秒

0.1 微米立方 114 皮秒(大约 FETS 导电层的厚度)

编辑在我看来,电阻区域越厚,电阻器的生存能力就越高。在薄膜中,热量必须流入粘土/硅块。在碳成分电阻器中,大部分电阻体包括电阻器;结果是热量在整个电阻体中产生,并且很好地利用整个质量作为直接散热器,因为除了引线外,热量无处可去。考虑到这一点,请检查此图:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

让我们讨论一下1mm立方体电阻的能量存储。你有一个能量储存挑战。在每边 1,000 微米的情况下,该立方体的体积为 10 亿立方微米。假设整个电阻器----电阻区域、外部保护釉和任何内部硬质陶瓷底座----每立方微米每摄氏度有 1.6 皮焦耳,您的热容量为

$$ 10 亿立方微米 * 1.6 picoJoule/cubicmicron/degree Cent$$

或 1.6 毫焦耳/度分的能量存储。

您的能量是每个电阻器 20 安培(并联 2 Rs,每个 3.3),持续 0.5milliSec。什么是焦耳?P = I^2 &* R = 20 * 20 * 3.3 * 0.0005 秒,或 1320 焦耳/秒 * 0.0005 = 0.65 焦耳。

现在除以 650 毫焦耳/1.6 毫焦耳(对于 1milliMeter 立方体积),温升为 400℃。焊料熔化;铝蠕变。

我相信您应该在您提供的公式中使用 1.65 而不是 3.3 ohm,$$P = v^2/R\frac{ti}{tp} = (100x100/1.65) \text x 0.0005/1 = 3.03W$ $ 如您所见,这表明您需要两倍的功率。此外,峰值功率现在为 $$p = I^2R = 40x40x1.65 = 2,640$$ 这表明每个电阻器至少需要 1.5W,但由于您使用的是两个3.3 ohm不匹配电阻器,因此安全,你应该让每个电阻都承载满载。因此您需要每个 3.3 电阻器能够耗散3W

编辑:将额定功率加倍的其他原因是:1)每个电阻器都会干扰另一个电阻器的散热能力,2)每个电阻器变成一个加热器,用于另一个电阻器。