损坏组件的大电流或高电压?

电器工程 电压 当前的 反抗 基本的 损害
2022-01-12 18:57:30

这里是一个非常基本的问题,我只是在寻找一个通用的视图,但它是电流过高还是电压过高会损坏电子设备?我认为这将取决于有问题的组件 -

1)例如,如果您的工作电路带有 10V 电池、固定 5 欧姆电阻和 2A 电流。如果您然后将该电池更换为 20V,是 4A 的新电流造成损坏还是电压现在为 20V 的事实?两个值都高于应有的值,那么哪个因素会造成损害?

2) 另外,如果换成 20V 电​​池,同时将电路中的电阻增加到 10 欧姆,这还会损坏电路中的元件吗?现在的电流和原来的一样(2A),但是电压从 10V 变成了 20V,这会损坏吗?

3)最后,您可以使用原始电路并将电阻降低到 2.5 欧姆,现在电压与应有的电压相同(10V),但电流已升至 4A,我认为这可能会根据组件造成损坏在电路中?

任何帮助将不胜感激,在此先感谢。

编辑-我没有说得很清楚,我并不是专门谈论损坏电阻器,我的意思是不要损坏电路中可能存在的各种组件。

4个回答

电阻器之类的东西会因功耗过大而失效——它们会变得太热,并且制成它们的材料会遭受不可逆转的退化。例如,通孔电阻器外面的漆可能会变色或烧毁,电阻值会随着元件氧化而变化,直到最终超出规格或打开并开始产生电弧。电线和 PCB 走线的行为类似于电阻器 - 电流过大,绝缘层烧毁,PCB 分层或走线开路。

在低压电路中,额定电压通常不是问题——但如果您使用(例如)一个普通的 0805 20M 电阻并对其施加 2kV,则功率(理论上)仅为 200mW(可能符合规格或略低于在它之外),但电阻器可能会产生电弧并几乎立即造成不可逆转的损坏。同样,您可以在迹线之间产生电弧。

电容器和 MOSFET 栅极氧化物之类的东西在暴露于过高的电势时可能会失效,从而对绝缘造成不可逆转的损坏。会有一些非常局部的加热(或更多取决于绝缘层被刺破后发生的情况),但这不是主要原因。

二极管和晶体管结具有击穿电压,高于该电压时电流会随着电压迅速增加(有时它们会因雪崩/负电阻特性而迅速增加)。如果电流被限制为加热保持在合理的量(并且不会增加太快以使加热不会局限于微小区域),那么这可以是非破坏性的。否则,结会加热,直到它们不再是良好的半导体结(在数百摄氏度下会破坏硅结)。

回到您关于电阻器的具体问题 - 您提到的电压都不太可能达到电阻器的最大电压规格(对于不存在吸入危险的电阻器,您可以忘记任何低于 25V 的电压)。

所以你留下了最大的功耗(如果电阻值非常低,可能还有最大的电流,但让我们忽略它)。 是一系列电阻器的数据表,假设我们有一个 10\$\Omega\$ 电阻器 0805 尺寸。额定功率为0.125W,最大工作电压为150V。如果您查看“功率降额曲线”:

在此处输入图像描述

..您可以看到额定功率在高达 70°C 的环境温度下保持不变,但根据曲线,您必须考虑到额定功率更低。为什么它会在 70 度时保持平稳?如果环境保持凉爽,电阻器很可能会在 >100% 的功率下正常工作,但制造商不希望我们对此进行测试。

回想一下,电阻器的功耗是 $$P=I^2R$$ 或 $$P=V^2/R$$

(因为功率是 $$V\cdot I $$ 和欧姆定律)。

在您的第一个示例中,电阻是固定的,并且您将电压加倍 - 所以功率应该增加 4:1。(从 20W 到 80W)如果您的电阻器的额定功率为 80W 或更高(在盒子中看到的条件下),那么一切都会好起来的。否则,它可能不是。损坏是由发热引起的,发热是电压和电流的乘积(很明显电流会因为电压升高而增大)。

在您的第二个示例中,您将电阻翻了一番,功率现在是 40W 而不是 20W。如果电阻器的额定功率为 40W,那么一切都会好起来的。

第三个示例也导致 40W 的耗散。因此,如果电阻器适用于 40W,那就没问题了。

一个普遍的答案是,当超过其电气额定值时,电子/电气组件会损坏。过大的电流会导致过热,这将破坏无源和有源组件。一些无源元件(例如电容器)具有最大额定电压,如果超过该额定电压,可能会导致电介质(绝缘体)失效,从而导致电流过大,并最终冒烟。通常,超过无源元件的额定电压会导致绝缘失效。对于有源元件,过大的电压会导致二极管、晶体管等内部结的击穿,这也会导致过大的电流、热量和一些烟雾。但是,在这些情况下,电流将比无源设备过热时低很多。我的经验是,即使是晶体管引线上的小火花也会破坏组件。过压条件会破坏半导体结并且不会愈合。这部分现在只是一个肿块。

太高的电压往往会导致晶体管的灾难性击穿。一旦施加过压应力并且晶体管击穿,引脚将显示短路(通常是接地)。如果你抓住它,或以某种方式限制故障电流,这种类型的故障将不会在 IC 外部可见。暴露裸片后,它可能在显微镜下可见。

当然,一个管脚短路失效后,如果不限制电流,元件很可能会发热烧焦,并出现更明显的破坏迹象。

如果您允许过多的电流通过 IC,您通常会在某个时候看到烟雾。老实说,我并没有经常遇到这个问题。许多稳压器等都有过电流保护。但我看到 ESD 型齐纳二极管在持续暴露于大电流后会冒烟。

这也可能发生在耗散功率超过额定功率的晶体管上。但是,就像我说的,不知何故,我不必经常处理这个问题。

最终,大多数事情都会因为太热而失败。如果您谈论的是纯电阻负载,例如灯泡,那是非常明显的。超过额定电压和电流,灯泡会很快烧坏。在这种情况下,您不能将过多的电压与过多的电流分开,因为灯泡的电阻或多或少是恒定的,因此电压加倍将使电流加倍,功率增加四倍。

二极管和晶体管之类的东西通常也会因与热相关的问题而失效。取一个二极管并施加超过其反向击穿电压的电压。当二极管反向击穿时,它会让电流流过。流过二极管的电流乘以二极管两端的电压降等于二极管中消耗的功率。二极管可以在几百伏的电压下击穿,因此这可以以数百或数千瓦的速率将热量散发到二极管中,从而非常迅速地加热二极管中的结并使其熔化。如果它加热得足够快,它会蒸发,你会得到一个很好的“砰”的一声。晶体管也会发生同样的事情。

介电击穿有些相似。电线、连接器、MOSFET 晶体管栅极等都可能因介质击穿而损坏。当绝缘体两端的电压过高时,绝缘体可能会停止绝缘,而是开始让一些电流通过。这种电流会造成损坏。如果电压足够高,介电击穿会导致电弧,从而导致发热、点蚀等。

在某些情况下,您可能会遇到电压过低的问题。通常,当您有一个设计不佳的升压开关转换器(例如降压-升压或 SEPIC)时,这是一个问题,它试图升压低输入电压,结果在低输入电压下运行会产生大量热量效率。

我应该注意的一件事:额定功率通常与额定工作温度有关。然后,最大功率将取决于设备在保持低于最大工作温度的同时耗散该功率的能力。在某些条件下,某些组件可能会超过额定功率。例如,一个 5W 的电阻器实际上可以耗散 100W,只要它仅在 5% 的占空比和足够短的导通时间以使电阻器不会发热到足以造成损坏(即 100W 持续 10 秒可能会导致它)失败,但 100W 10us 可能没问题)。如果您可以构建一个系统以足够快的速度将热量从电阻器中排出以将电阻器内部的温度保持在其工作范围内(即