Dobór rezystorów do aplikacji impulsowych

Rezystory mogą wytrzymać impulsy o mocy chwilowej większej od ich mocy znamionowej P70 (określonej dla temperatury 70°C). Ponieważ wytworzenie i rozproszenie ciepła w rezystorze zajmuje pewien czas, jego odporność na obciążenia impulsowe zależy od szerokości impulsu. Krótkie impulsy, nawet o dużej energii, nie powodują większego wzrostu temperatury, dzięki czemu rezystor wytrzymuje impulsy o mocy chwilowej większej od jego mocy znamionowej. W przypadku szerszych impulsów wydłużony czas generowania ciepła powoduje bardziej znaczący wzrost temperatury elementu oporowego, choć jest on ograniczany rozpraszaniem ciepła jeszcze podczas trwania impulsu. Dlatego w przypadku impulsów o większej szerokości dopuszczalna moc chwilowa zbliża się do mocy znamionowej rezystora.

Liczba impulsów

Różnica pomiędzy obciążeniem pojedynczymi impulsami i ciągłym obciążeniem impulsowym stanowi funkcję liczby impulsów i przedziału czasu pomiędzy nimi. W przypadku obciążenia pojedynczymi impulsami przedział czasu pomiędzy nimi jest wystarczająco długi, aby schłodzić rezystor. Średnia moc impulsu dąży tu do zera. Do tego typu obciążenia odnoszą się diagramy Single Pulse Load na kartach katalogowych rezystorów. Dla ciągłego obciążenia impulsowego (diagramy Continous i Pulse Load na kartach katalogowych) przedział czasu pomiędzy kolejnymi impulsami jest zbyt krótki, aby zapewnić całkowite schłodzenie rezystora. Średnia moc impulsu zawiera się tu w przedziale od 0 do P70.

Kształt impulsu

Kształty impulsów są różne, począwszy od prostokątnego i trójkątnego po typowy wykładniczy przebieg rozładowania kondensatora oraz ostry impuls udarowy. W przypadku impulsów o małej mocy i długim czasie trwania kształt impulsu może być aproksymowany do prostokąta, aby móc porównać go z diagramem obciążenia impulsowego rezystora.

W przypadku ostrych impulsów udarowych istotnym parametrem jest ich napięcie. Typowe kształty są opisywane poprzez standaryzowane przebiegi nieustalone i podawane w kartach katalogowych rezystorów. Impuls udarowy jest opisywany kształtami 1,2/50 i 10/700, zgodnie z normą IEC 60115-1, 4.27. Wyładowanie elektrostatyczne jest opisywane modelem HBM (Human Body Model), zgodnie z IEC 60115-1, 4.38 i IEC 61340-3-1.

 

Rys. 1. Warunki środowiskowe mogą ograniczyć dopuszczalne obciążenie impulsowe rezystora. Decyzje projektowe może ułatwić taki schemat

Wybór właściwego rezystora nie jest trudny

Wybór właściwego rezystora do aplikacji impulsowych wymaga określenia parametrów impulsów. Należy określić ich moc szczytową, szerokość i okres powtarzania, a następnie porównać je z parametrami obciążenia impulsowego rezystora.

Diagramy obciążenia impulsowego są zazwyczaj podawane dla temperatury pokojowej. Jeśli praca odbywa się w wyższej temperaturze otoczenia lub aplikacja wymaga dodatkowo obciążenia ciągłego, powodującego zwiększenie temperatury warstwy oporowej, prawdopodobnie konieczne będzie zastosowanie rezystora o większej odporności na obciążenia impulsowe.

Informacje dotyczące zdolności rezystora do pracy z obciążeniem impulsowym są prezentowane na diagramach. Ich cechą wspólną jest to, że określają maksymalną moc impulsu przy uwzględnieniu jego szerokości w odniesieniu do impulsów o kształcie prostokątnym. Poza tym ich wartość informacyjna może się znacznie różnić. Trzeba sprawdzić, czy diagram określa moc maksymalną pojedynczego impulsu przy jego określonej szerokości tylko dla jednej wartości rezystancji, czy dla pełnego zakresu rezystancji występujących dla danej serii rezystorów. Tylko w tym drugim przypadku można dokładnie określić maksymalną moc, gdyż jest definiowana dla rezystancji stanowiącej "najsłabsze ogniwo" z całego zakresu.

Impuls energetyczny powoduje duże obciążenie rezystora i może zmienić jego rezystancję. Dlatego też zdolność rezystora do pracy z obciążeniem impulsowym powinna również uwzględniać maksymalną dopuszczalną zmianę rezystancji, np. 0,25% R dla określonych parametrów impulsu podanych w diagramie.

Które rezystory są lepsze: cienko- czy grubowarstwowe?

Rezystory warstwowe są produkowane w różnych technologiach zapewniających różną odporność na duże impulsy energetyczne. Zależy ona od rodzaju materiału użytego do produkcji elementu oporowego, sposobu trymowania i dostępnej powierzchni rezystancyjnej.

Jak zwiększyć dopuszczalną moc impulsu w rezystorach grubowarstwowych?

Ograniczona odporność na obciążenia impulsowe w przypadku standardowych rezystorów grubowarstwowych wynika z niejednorodnego materiału warstwy oporowej i prostego wzoru trymowania, ograniczającego dostępną powierzchnię oporową. Istnieją jednak metody pozwalające nieco przesunąć dopuszczalną granicę:

Nadruk warstwy oporowej na powierzchni dolnej i górnej ceramicznego korpusu rezystora pozwala rozpraszać ciepło indukowane przez impuls na dwukrotnie większej powierzchni i znacząco ograniczyć wzrost temperatury. Tego typu rezystory dwustronne są dostępne w ramach serii CRCW-HP firmy Vishay.

Pominięcie trymowania pozwala na pełne wykorzystanie powierzchni oporowej do przepływu prądu, lepsze wykorzystanie dostępnej powierzchni do rozpraszania ciepła i wyeliminowanie punktów gorąca. Nietrymowane rezystory grubowarstwowe są dostępne w ramach serii CRCW-IF i RCS.

Najlepszy rezystor SMD do układów impulsowych: węglowy warstwowy MELF

Najlepszym rezystorem do układów impulsowych jest rezystor węglowy warstwowy MELF CMB 0207. Jego odporność na duże impulsy energetyczne jest ponad 10-krotnie większa niż w przypadku innych rezystorów tego rozmiaru, co wynika z następujących cech:

• cylindrycznej konstrukcji odpornej na duże impulsy energetyczne, oferującej największą efektywną powierzchnię elementu oporowego,
• spiralnego nacinania podczas trymowania, pozwalającego wyeliminować występowanie lokalnych punktów o zwiększonej gęstości prądu,
• zastosowania warstwy węglowej o bardzo dobrej stabilności termicznej.

Rysunek 2 pokazuje typowe wartości graniczne mocy, powodujące uszkodzenie rezystorów warstwowych firmy Vishay (R=1 kΩ). Impulsy zostały doprowadzone poprzez wyładowanie pojemnościowe o szerokości odpowiadającej impulsowi prostokątnemu o czasie trwania 3 ms.

Rezystory drutowe

W przypadku rezystorów drutowych elementem oporowym jest metalowy drut nawinięty wokół cylindrycznego rdzenia ceramicznego. Ze względu na stosunkowo dużą masę drutu, tego typu rezystory umożliwiają rozpraszanie ciepła z wąskich impulsów o energii sięgającej nawet 60 kJ. Ponieważ rezystancja jest regulowana poprzez dobór odpowiedniej średnicy i długości drutu, co wpływa na jego masę, odporność na obciążenia impulsowe jest silnie uzależniona od rezystancji.

 

Rys. 2. Typowe wartości graniczne mocy, powodujące uszkodzenie rezystorów warstwowych

W przypadku dłuższych impulsów energia jest również rozpraszana w uzwojeniu, lecz jej znacząca część zdąży rozproszyć się jeszcze podczas trwania impulsu. Zatem w tym zakresie zdolność rezystora do rozpraszania energii jest znacznie większa, niż wynikałoby to jedynie z rozpraszaniu energii w uzwojeniu.

Pokrycie uzwojenia szklistą powłoką emaliowaną zamiast powłoką cementową zwiększa zdolność rezystora do rozpraszania energii impulsów, ponieważ pozwala na pracę z wyższą temperaturą.

Wykres na rysunku 3 pokazuje przykładową granicę przeciążalności jako wielokrotność dopuszczalnej mocy ciągłej rezystora drutowego firmy Vishay dla różnych długości czasu trwania impulsu.

 

Rys. 3. Przykładowa granica przeciążalności jako wielokrotność dopuszczalnej mocy ciągłej rezystora drutowego dla różnych czasów trwania impulsu

Typowy rezystor drutowy może pracować z mocą chwilową impulsu przekraczającą 1000-krotnie jego moc znamionową przez 3 ms. Dla przykładu, model G207 charakteryzuje się mocą ciągłą równą 17 W. Jest on w stanie wytrzymać pojedynczy impuls energetyczny o mocy do 17 kW i czasie trwania 3 ms bez uszkodzenia.

Pojedynczy rezystor drutowy wytrzymuje impuls energetyczny odpowiadający energii hamowania pojazdu o masie 1000 kg z 70 km/h do zera w ciągu 5 s.

Rezystory Power Metal Strip

W porównaniu z rezystorami 0,0001 …1 Ω do pomiaru prądu (current sense) produkowanymi w innych technologiach, rezystory Power Metal Strip charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami przy przepływie prądów impulsowych ze względu na dużą masę. Wynika to z faktu, że dzięki zgrzewanej konstrukcji nie zawierają one ceramicznego podłoża, a element oporowy o dużej masie może zaabsorbować więcej energii, zanim osiągnie granicę termiczną powodującą zmianę rezystancji.

Na rysunku 4 pokazano porównanie grubości elementów oporowych w rezystorach do pomiaru prądu, produkowanych z wykorzystaniem różnych technologii. Jak widać, podłoże stanowi znaczną część całkowitej masy rezystora, a sam element oporowy jest jedynie jej niewielkim ułamkiem. Im większa masa elementu oporowego, tym lepsze właściwości przy pracy impulsowej. Podłoże stanowi wsparcie dla cienkiego elementu oporowego i zapewnia stały przepływ energii cieplnej z elementu oporowego do płytki drukowanej, ale nie zapewnia szybkiego przepływu ciepła w przypadku krótkich impulsów.

 

Rys. 4. Porównanie grubości elementów oporowych w rezystorach do pomiaru prądu, produkowanych z wykorzystaniem różnych technologii