Điện trở được thiết kế để giới hạn dòng điện trong một mạch. Khi dòng điện chảy qua, điện trở hấp thụ một phần năng lượng điện và phân tán nó dưới dạng nhiệt, làm tăng nhiệt độ của điện trở lên một giá trị cao hơn nhiệt độ môi trường.

Công suất định mức của một điện trở cho biết lượng năng lượng tối đa mà nó có thể tỏa ra mà không bị hỏng hoặc suy giảm. Xếp hạng, dựa trên kích thước vật lý của điện trở, vật liệu cấu tạo và nhiệt độ môi trường, bị giới hạn bởi nhiệt độ điểm nóng tối đa.

Lượng nhiệt sinh ra còn lại trong một điện trở phần lớn phụ thuộc vào cách nhiệt tỏa ra được mang đi khỏi điện trở và do đó là một hàm của nhiệt độ môi trường, lưu lượng không khí, hoặc điều kiện truyền nhiệt.

Định nghĩa

Công suất tối đa của một điện trở sẽ phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo, kích thước vật lý của nó, và nhiệt độ tối đa mà linh kiện có thể hoạt động an toàn. Nhiệt độ tối đa sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh linh kiện và lượng nhiệt bị phân tán từ linh kiện ra môi trường. Phần sau sẽ phụ thuộc vào các biện pháp quản lý nhiệt mà nhà thiết kế đã thực hiện cho linh kiện và phần còn lại của mạch về mặt bố trí PCB, tản nhiệt, luồng không khí, và bất kỳ cơ chế làm mát nào khác có thể có mặt.

Khi tính toán công suất yêu cầu của thành phần điện trở, cần xem xét bản chất của bất kỳ điện áp thay đổi nào qua điện trở. Tải xung với điện áp trung bình VL sẽ không gây ra hiệu ứng nhiệt giống như điện áp ổn định có cùng độ lớn bằng VL. Sự khác biệt thực tế sẽ phụ thuộc vào thành phần của điện trở. Điện trở quấn dây chịu được tải xung tốt hơn so với điện trở màng. Tải xung tạo ra điều kiện quá tải phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm công suất trung bình trong chuỗi xung, tần suất lặp lại và thời gian tăng. Điều kiện quá tải cần được tính toán vào công suất yêu cầu để tạo ra kết quả chính xác. Phương pháp đơn giản nhất là xem năng lượng xung tương đương với năng lượng ổn định bằng cách tính công suất trung bình cho chuỗi xung và điều chỉnh cho loại điện trở yêu cầu và tính chất của các xung. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phương trình có sẵn để tính toán chính xác hệ số điều kiện quá tải hoặc sử dụng phán đoán kỹ thuật để chọn một bội số trường hợp xấu nhất.

Ảnh hưởng từ nhiệt độ

Điện trở của hầu hết các vật liệu dẫn điện thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ của điện trở (TCR) là một hằng số đại diện cho sự thay đổi điện trở trên mỗi độ C của sự thay đổi nhiệt độ trong một khoảng nhiệt độ cụ thể, nó được biểu thị bằng ppm/°C (phần triệu trên mỗi độ C).

Các vật liệu hệ số nhiệt dương (PTC) như kim loại có điện trở tăng lên khi nhiệt độ tăng. Các vật liệu bán dẫn như silicon, germanium và carbon có hệ số nhiệt độ âm (NTC),điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng.

Một số hợp kim kim loại có hệ số nhiệt độ trung tính hoặc gần như bằng không và điện trở của chúng không thay đổi với sự thay đổi nhiệt độ, đây là vật liệu lý tưởng để chế tạo điện trở chính xác.

Bởi vì điện trở thường được xác định ở nhiệt độ môi trường 20°C, bất kỳ điện trở nào khác ở nhiệt độ khác được xác định bởi:

R = Rref[1+α(T -Tref)] Trong đó R = điện trở tại nhiệt độ T, Rref = điện trở tại nhiệt độ tham chiếu Tref α = hệ số nhiệt độ của điện trở T = nhiệt độ vật liệu tính bằng °C Tref = nhiệt độ tham chiếu tại đó hệ số nhiệt độ được xác định

Sự tăng hoặc giảm của điện trở do nhiệt độ tăng có còn thể gây ra lỗi và mất tin cậy ngoài việc tăng tỏa nhiệt và tự nung nóng của các điện trở PTC.

Giảm công suất

Giảm công suất điện trở là một kỹ thuật thiết kế mà trong đó linh kiện được cố ý hoạt động ở điện áp đáng kể thấp hơn điện áp tối đa được đánh giá. Điều này giảm thiểu nhiệt độ cao nhất có thể được tạo ra bên trong linh kiện. Việc này có lợi cho việc giảm tốc độ suy giảm của các vật liệu được sử dụng để chế tạo linh kiện. Kết quả là tăng độ tin cậy và tuổi thọ dự kiến cho linh kiện. Hầu hết các nhà sản xuất điện trở quy định công suất của họ ở nhiệt độ 70°C trong môi trường có luồng không khí tự do. Giả sử một linh kiện được đặt bên trong một thiết bị không có luồng không khí tự do và không có cơ chế làm mát khác. Trong trường hợp đó, một phân tích nhiệt sẽ cần thiết để xác định công suất tối đa thực tế nên được áp dụng. Giả sử một linh kiện được đặt bên trong một thiết bị nơi có cung cấp làm mát bổ sung. Trong trường hợp đó, lý thuyết, linh kiện có thể được vận hành an toàn trên công suất tối đa, giả sử rằng nhiệt độ được tạo ra bên trong điện trở được tản nhiệt với tốc độ lớn hơn so với điều kiện luồng không khí tự do.

Bảng dữ liệu của điện trở thường cung cấp các giá trị giảm tải khi nhiệt độ hoạt động vượt quá 70°C tiêu chuẩn. Những giá trị này được cung cấp dưới dạng phần trăm áp dụng cho công suất định mức của linh kiện để tính toán công suất hoạt động. Điều này còn được biết đến là tỷ lệ căng thẳng của điện trở, được tính từ tỷ lệ công suất hoạt động tối đa so với công suất định mức của nhà sản xuất. Quy tắc chung là áp dụng tỷ lệ căng thẳng 0.8 cho thiết kế mạch điển hình. Tuy nhiên, bảng dữ liệu của nhà sản xuất có thể cung cấp các con số tỷ lệ căng thẳng được khuyến nghị cho một loạt các điều kiện hoạt động và thiết kế điển hình.

Lợi ích

Một lợi ích khác khi giảm công suất cho các điện trở là nó tăng biên độ an toàn giữa giới hạn của linh kiện và các áp lực thực tế không lường trước được có thể xuất hiện trong quá trình thiết kế. Điều này bao gồm sự biến đổi trong mức cung cấp điện năng dẫn đến điện áp cao hơn dự kiến xuất hiện trên điện trở. Hoặc có thể là nhiệt độ hoạt động cao hơn dự kiến do điều kiện môi trường bên ngoài hoặc thách thức quản lý nhiệt độ bên trong. Khi không thể giảm công suất, các lựa chọn thay thế bao gồm kết nối các điện trở song song để chia sẻ việc hấp thụ năng lượng điện hoặc cài đặt cơ chế làm mát chủ động cho thiết bị. Nếu bạn cần sử dụng điện trở có công suất cao hơn, bạn sẽ cần xem xét rằng nó sẽ có kích thước lớn hơn so với linh kiện bạn dự định sử dụng. Khối lượng và kích thước tăng lên của linh kiện sẽ ảnh hưởng đến bố cục bảng mạch và tăng khả năng linh kiện và các kết nối bị hỏng do rung động cơ học.

Kết luận

Đánh giá công suất của điện trở là một tham số quan trọng cần được xác định cho bất kỳ điện trở nào. Công suất thường được cung cấp trong các thông số kỹ thuật điện ở một nhiệt độ môi trường nhất định. Mặc dù tiêu chuẩn ngành này được chấp nhận là hữu ích, nhưng nó lại giảm thiểu nhiệt độ thực tế của chính linh kiện đó. Giảm nhiệt độ đầu cuối cụ thể định nghĩa nhiệt độ cho phép trên chính phần đó, điều này xác định chính xác và dễ dàng hơn khả năng xử lý công suất của phần và khi nào cần giới hạn công suất qua thiết bị.

‍