Wytrzymałość impulsowa rezystorów drutowych Vishay Dale

W przypadku rezystorów drutowych wartości znamionowe mocy i napięcia w stanie ustalonym określają maksymalne temperatury, jakie mogą osiągnąć te urządzenia. W przypadku krótkich, nieprzekraczających 5 sekund okresów, te parametry znamionowe są zadowalające, jednak rezystory są w stanie wytrzymać znacznie wyższe poziomy mocy i napięcia w krótkim czasie (poniżej punktu przecięcia). Na przykład w temperaturze pokojowej rezystor RS005 ma stałą moc 5W, ale przez 1ms urządzenie może wytrzymać 24,5kW mocy, a przez 1μs - 24,5MW. Powodem tej pozornie wysokiej mocy jest fakt, że energia, która jest iloczynem mocy i czasu, wytwarza ciepło, a nie tylko samą moc. Firma Vishay Dale może dostarczyć praktyczne rozwiązania, o ile zostaną podane informacje wyszczególnione na ilustracji 2.

Ilustracja 1: firma Vishay Dale oferuje szeroką gamę rezystorów drutowych. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Krótkie impulsy (krótsze niż czas trwania punktu przecięcia)

W przypadku krótkich impulsów konieczne jest określenie energii przyłożonej do rezystora. W przypadku impulsów krótszych niż punkt przecięcia, inżynierowie firmy Vishay Dale założyli, że cała energia impulsu jest rozpraszana w części rezystywnej (drut). Aby rezystor zachował swoją charakterystykę działania przez cały okres użytkowania produktu, firma Vishay Dale opiera swoje analizy i zalecenia na ilości energii wymaganej do podniesienia temperatury części rezystywnej do +350°C bez strat ciepła w rdzeniu, powłoce czy przewodach. Punkt przecięcia to czas, w którym zaczynają powstawać znaczne straty ciepła nie tylko w samym przewodzie, ale też w rdzeniu, przewodach i materiale powłoki. Jest to punkt, w którym impuls nie jest już uważany za krótki, ale za długi.

Zdolność do wytrzymywania impulsów jest inna dla każdego modelu i wartości rezystora, ponieważ opiera się na masie i cieple właściwym części rezystywnej. Po zdefiniowaniu mocy i energii firma Vishay Dale może określić najlepszy wybór rezystora dla danego zastosowania.

Punkt przecięcia

Przykład rezystora RS005 500Ω w temperaturze pokojowej:

Wymagane informacje:

ER = klasa energetyczna danego modelu, wartość rezystancji i temperatura otoczenia. Dostarczone przez firmę Vishay Dale, ER = 6,33J.

PO = wytrzymywana moc przeciążenia części w czasie 1s. Wytrzymywana moc przeciążenia rezystora RS005 w czasie 1s, 10 x 5W x 5s = 250Ws/1s = 250W

Punkt przecięcia (s) = ER (J)/PO (W)

6,33J / 250W = 0,0253s

Punkt przecięcia dla rezystora RS005 500Ω w temperaturze pokojowej wynosi około 25,3ms.

Długie impulsy (punkt przecięcia do 5s)

W przypadku długich impulsów dochodzi do dużych strat ciepła w rdzeniu, przewodach i materiale powlekającym. W rezultacie obliczenia stosowane dla krótkich impulsów są zbyt zachowawcze. W przypadku zastosowań o długim impulsie używane są krótkotrwałe wartości przeciążeniowe z arkuszy danych. Należy zauważyć, że powtarzające się impulsy składające się z krótkotrwałego przeciążenia są niezwykle obciążające i mogą spowodować awarię niektórych typów rezystorów.

• Aby znaleźć moc przeciążenia dla impulsu 5s, należy pomnożyć podaną w arkuszu danych moc znamionową przez 5 lub 10
• Aby znaleźć moc przeciążenia dla zakresu od 1s do 5s, należy przekształcić moc przeciążenia na energię, mnożąc przez 5s, a następnie zamienić z powrotem na moc, dzieląc przez szerokość impulsu w sekundach
• Dla czasów trwania impulsu między punktem przecięcia a 1s należy zastosować moc przeciążenia obliczoną dla 1s

Przykład

1. Jaka jest moc przeciążenia rezystora RS005?

   Z arkusza danych wynika, że RS005 ma moc znamionową 5W i w czasie 5s pobierze jej 10-krotność: 10 x 5W = 50W

2. Jaka jest wytrzymywana energia rezystora RS005 przez 5s?

   Przez 5s jego wytrzymywana energia wynosi: 50W x 5s = 250Ws (J)

3. Jaka jest wytrzymywana moc przeciążenia rezystora RS005 przez 1s?

   Przez 1s jego wytrzymywana moc przeciążenia wynosi 250Ws / 1s = 250W

4. Jaka jest wytrzymywana energia rezystora RS005 przez 0,5s?

   Przez 0,5s jego wytrzymywana energia wynosi 250W x 0,5s = 125Ws (J)

Informacje wymagane do określenia wytrzymałości impulsowej

Ilustracja 2: określenie odpowiedzi na pytania dotyczące wytrzymałości impulsowej pomoże określić rozwiązanie dla danego zastosowania. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

W przypadku impulsów często mamy do czynienia z jedną z trzech kategorii: przebieg prostokątny, ładowanie i rozładowanie pojemności lub zanik wykładniczy. Przykłady obliczania energii impulsu dla każdego z nich zostaną przedstawione w kolejnych sekcjach.

Przebieg prostokątny

Przez określony czas trwania impulsu do rezystora przykładane jest stałe napięcie lub prąd.

Ilustracja 3: przykład obliczania energii impulsu dla przebiegu prostokątnego o amplitudzie 100V₌ przez 1ms na rezystorze 10Ω. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Ładowanie i rozładowanie pojemności

Kondensator jest ładowany do określonego napięcia, a następnie rozładowywany przez rezystor drutowy.

Ilustracja 4: przykład obliczania energii impulsu dla ładowania i rozładowania pojemności. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Zanik wykładniczy lub wyładowanie atmosferyczne

W tej sytuacji napięcie wzrasta do szczytowego i spada w tempie proporcjonalnym do jego wartości. Takie zachowanie jest modelowe z punktu widzenia normy DO-160E WF4 czy IEC 6100-4-5 i reprezentuje wyładowanie atmosferyczne.

Ilustracja 5: przykład obliczenia energii impulsu w przypadku wyładowania atmosferycznego. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

Równomiernie rozmieszczone powtarzające się impulsy

Przy obliczaniu wytrzymałości na powtarzające się impulsy konieczne jest uwzględnienie średniej mocy, jak również energii pojedynczego impulsu. Jest tak dlatego, że średnia moc określa pewien średni wzrost ciepła na części, co zużywa pewien procent wytrzymałości części na energię. Ta część energii niewykorzystana przez średnią moc jest wtedy dostępna do wytrzymania chwilowej energii impulsu. Te dwie zsumowane wartości procentowe (średnia moc do mocy znamionowej i energia impulsu do wytrzymałości na impulsy) nie mogą przekraczać 100% całkowitej wartości znamionowej części.

Przykład

Poniższy przykład przedstawiono w oparciu o równomiernie rozmieszczone, powtarzające się impulsy o przebiegu prostokątnym.

Ilustracja 6: przykład oparty na równomiernie rozmieszczonych, powtarzających się impulsach o przebiegu prostokątnym. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)

1. Moc impulsu, P = V²/R lub I²R, obliczana dla pojedynczego impulsu
2. Średnia moc obliczana jest w następujący sposób: P_Avg = Pt / T
3. Obliczenie energii impulsu: E = Pt
4. Obliczenie procentowego stosunku mocy średniej do mocy znamionowej (PR): Procent (moc) = 100 x P_Avg/ P_R
5. Inżynierowie firmy Vishay Dale mogą podać wytrzymałość impulsową (ER) dla konkretnego modelu rezystora, wartości rezystancji i temperatury otoczenia
6. Obliczenie wartości procentowego stosunku energii impulsu do wytrzymałości impulsowej: Procent (energia) = 100 x E/E_R
7. Dodanie wartości procentowych w pkt. (4) i (6). Jeśli procent jest mniejszy niż 100%, wybrany rezystor jest akceptowalny. Jeśli wartość procentowa jest większa niż 100%, należy wybrać rezystor o wyższej mocy znamionowej lub wyższej wytrzymałości impulsowej. Aby określić najlepszy rezystor do konkretnego zastosowania, wystarczy skontaktować się z inżynierem firmy Vishay Dale.

Przykład

Seria równomiernie rozmieszczonych impulsów o przebiegu prostokątnym, amplitudzie 200V₌, szerokości impulsu 20ms i czasie cyklu 20s przykładana jest do rezystora RS007 100Ω w temperaturze otoczenia 25°C.

1. Moc impulsu wynosi: P = V²/R=(200V)²/100Ω = 400W
2. Średnia moc to: P_Avg = Pt/T =(400W x 0,02s)/20s = 0,4W
3. Obliczenie energii impulsu: E = Pt = 400W x 0,02s = 8,0Ws (J)
4. Rezystor RS007 ma moc znamionową (P_r) 7W. Obliczenie procentowego stosunku mocy średniej do znamionowej: P_Avg/P_r x 100 = ((0,4W)/(7,0W)) x 100 = 5,7%
5. Wytrzymałość impulsowa (E_r) podana przez inżynierów Vishay Dale w temperaturze otoczenia 25°C wynosi 15,3J
6. Obliczenie procentowego stosunku energii impulsu do wytrzymałości impulsowej:

   100 x E/E_R = 100 x ((8,0 J)/(15,3 J)) = 52,3%

7. Dodanie wartości procentowych obliczonych w pkt. (4) i (6): 5,7% + 52,3% = 58%

Ponieważ ta wartość procentowa jest mniejsza niż 100% ogólnej wartości znamionowej, rezystor typu RS007 będzie wystarczający do wytrzymania impulsów.

Rezystory bezindukcyjne

Bezindukcyjne rezystory zasilania składają się z dwóch uzwojeń, z których każde ma dwukrotność wartości końcowej rezystancji. Z tego powodu energia prawie zawsze będzie większa niż w przypadku typowego rezystora. Aby obliczyć energię wymaganą dla typu bezindukcyjnego, należy obliczyć energię na om (J/Ω), dzieląc energię przez czterokrotność wartości rezystancji.

Przykład

Jaka jest wytrzymałość impulsowa energii na om wymagana do wytrzymania impulsu 0,2J przyłożonego do rezystora 500Ω?

Potrzebna energia na ohm to: E/4R = (0,2J)/(4 x 500Ω) = 100 x 10^-6J/Ω

Wynik ten można przekazać inżynierom firmy Vishay Dale w celu znalezienia produktu najlepiej pasującego do zastosowania.

Ograniczenia dotyczące napięcia

Krótkie impulsy - nie ustalono wartości napięcia przeciążenia dla rezystorów drutowych, jeśli impulsy są krótkie. Firma Sandia Corporation przeprowadziła badanie naszych rezystorów NS i RS przy użyciu impulsów 20µs. Badanie to wskazuje, że ten typ urządzenia będzie wytrzymywał około 20kV na cal, o ile nie zostanie przekroczona wytrzymałość impulsowa.

Długie impulsy - w przypadku impulsów od punktu przecięcia do 5s zalecane maksymalne przeciążenie wynosi √10 razy maksymalne napięcie robocze dla rozmiaru 4W i większego oraz √5 razy maksymalne napięcie robocze dla rozmiarów mniejszych niż 4W.

Rezystory topikowe

Jeśli z założenia rezystor ma się stapiać w określonych warunkach, firma Vishay Dale oferuje rezystory topikowe. Informacje o popularnych typach rezystorów topikowych RS można znaleźć na stronie siódmej lub klikając poniższy link i uzyskując dostęp do pełnej treści arkusza danych bezpiecznika RS.

Szybko działające, formowane modele, zaprojektowane specjalnie do konkretnych zastosowań

Firma Vishay Dale ma w swojej ofercie szeroką gamę rezystorów drutowych. Ma również możliwość dostarczenia niestandardowych, formowanych, szybko działających rezystorów do określonych zastosowań. Firma DigiKey posiada w swoim asortymencie niektóre tego typu rezystory, jednak dostępne są dosłownie setki opcji. Na ilustracji 7 przedstawiono kilka przykładów i tabelę z numerami katalogowymi, które można wykorzystać do dostosowania danego rezystora do konkretnego zastosowania.

Ilustracja 7: przykładowe rezystory ukazane na górze reprezentują niewielką część z setek możliwych wariantów. Aby zamówić niestandardowy rezystor zaprojektowany do konkretnego zastosowania, można użyć tabeli z numerami katalogowymi na dole. (Źródło ilustracji: Vishay Dale)