Как рассчитать мощность рассеивания резистора | Энергофиксик

Резистор — это один из главных радиоэлементов, у которого есть целый ряд важнейших параметров. Сегодня речь пойдет о мощности рассеивания, ведь этот параметр отвечает за надежную и стабильную работу любого резистора.

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

Что такое мощность и рассеиваемая мощность

Для начала давайте освежим в памяти, что такое мощность постоянного тока, для этого следует вспомнить очень простую формулу:

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

Из выше представленного выражения вполне ясно, что мощность зависит от таких величин как напряжение и ток.

Если мы рассмотрим реальную схему, то в процессе ее работы через резисторы, расположенные в схеме, будет протекать ток определенной величины, а так как они (резисторы) обладают определенным сопротивлением, то под действием тока на резисторе будет выделяться тепло. Это тепло и есть та мощность, которая рассеивается на резисторе.

Так вот, если мы в схему установим резистор с меньшей мощностью рассеивания, чем это требуется, то резистор будет перегреваться. Это приведет к его быстрому выходу из строя.

Поэтому очень важно соблюдать следующее правило: заменяемый резистор должен соответствовать по мощности рассеивания сгоревшему резистору, либо этот параметр должен быть больше, но никак не меньше.

Все выпускаемые резисторы соответствуют стандартному ряду, который выглядит так:

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

1. 0,125 Вт, 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Вт, 2 Вт, и более

Обычно, соблюдается следующее правило: чем больший размер у резистора, тем на большую рассеиваемую мощность он рассчитан.

Давайте рассмотрим пример. Допустим нам нужно установить резистор с сопротивлением 100 Ом, а ток через него будет протекать 0,1 Ампер.

Для того, чтобы рассчитать требуемую мощность рассеивания нашего резистора воспользуемся следующей формулой:

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

Итак, получается, что в данном примере нам потребуется резистор с мощностью рассеивания в один Ватт.

Примечание. Для стабильной и надежной работы следует обязательно брать резистор с запасом по мощности рассеивания. Это позволит обеспечить требуемую надежность и долговечность работы схемы.

Но что делать, если вы не знаете, какой ток будет протекать через резистор. Для расчета требуемой мощности рассеивания можно воспользоваться уже другой формулой:

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

Все вышеперечисленное справедливо для того случая, когда нужно заменить единичный резистор, но довольно часто в схемах можно найти так называемой составной резистор (несколько резисторов соединены параллельно, последовательно или же смешанно).

Итак, давайте для начала рассмотрим последовательное соединение.

При последовательном соединении через резисторы будет протекать одинаковый ток. И получается если нам нужно найти замену резистору на 100 Ом, через который протекает ток в 0,1 А и он рассчитан на мощность рассеивания в 1 Вт, его можно заменить двумя последовательно соединенными резисторами на 80 Ом и 20 Ом.

Если воспользоваться выше представленными формулами и рассчитать на какую мощность должен быть рассчитан каждый резистор, то получим следующий результат:

R1 – 20 Ом (0,2 Вт)

R2 – 80 Ом (0,8 Вт)

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

Теперь смотрим таблицу со стандартным рядом и выбираем ближайший наибольший номинал. Получается, что в нашем случае подойдут резисторы с мощностью рассеивания R1 – 0.5 Вт, R2 – 1 Вт.

При параллельном же соединении учитывайте тот факт, что через резистор с меньшим сопротивлением будет течь больший ток.

Смешанное соединение на практике практически не используется.

Как рассчитать мощность рассеивания резистора

Как обойтись без расчетов

В принципе можно обойтись без формул и подсчетов, достаточно следовать следующему правилу:

Мощность каждого резистора, который входит в составляемую цепь (параллельную или последовательную) должен быть равен мощности рассеивания заменяемого резистора. Проще говоря, если вы хотите заменить резистор на 1 Вт составным резистором, то каждый из них должен быть не менее 1 Вт по мощности рассеивания.

Это все, что я хотел вам рассказать о расчете мощности рассеивания резистора и правилах его замены. Если статья оказалась вам полезна, то оцените ее лайком и спасибо за ваше внимание!

Мощность рассеяния резистора — Энциклопедия по машиностроению XXL

Номинальной мощностью рассеяния резисторов называют максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды без изменения своих параметров.  [c.316]

Номинальной мощностью рассеяния резистора называют максимально допустимую мощность, которую  [c.45]

Находим допустимую мощность рассеяния резистора (см, главу XV)  [c.118]

Что называется допустимой мощностью рассеяния резистора, как ее рассчитать К чему приводит превышение Рдоп  [c. 185]

Примечание. Если необходимо указать величину номинальной мощности рассеяния резисторов, то для диапазона от 0,05 до 5 В допускается использовать следующие обозначения резисторов, номинальная мощность рассеяния которых равна  

[c.1092]

Резисторы рассчитывают на номинальную мощность рассеяния (Вт), соответствуюп ю ряду 0,01 0,025 0,05 0,125 0,25 0,5 1 2 5 о 10 16 25 50 75 100 160 250 500.  [c.130]

Пример обозначения Резистор МТ-0,5—510 кОм — 5% — АТ ГОСТ 7113—66 — резистор постоянный типа МТ с мощностью рассеяния 0,5 Вт, с номинальной величиной сопротивления 510 кОм и допустимым отклонением от номинала Ь5%. уровнем шумов не более  [c.132]

Тонкопленочные резисторы (ТПР) являются наиболее распространенными тонкопленочными элементами гибридных интегральных схем, формированию которых уделяется наибольшее внимание при производстве гибридных схем. Основными параметрами ТПР, определяющими выбор их конструкции и материалов для их изготовления, являются величина сопротивления, номинальная мощность рассеяния, временная и температурная стабильность, слабая зависимость удельного сопротивления от различных факторов технологического процесса (Армирования.

 [c.433]

Методом испарения в вакууме или катодным распылением в инертном газе создают резистивные пленки из материала на основе твердого раствора дисилицидов титана и хрома. Изготовленные из них высокоомные и низкоомные пленочные резисторы интегральных схем имеют линейную зависимость электросопротивления от температуры в диапазоне 400 — 4,2 К и удельную мощность рассеяния до 2 кВт/см против 0,2 кВт/см для других известных материалов.  

[c.205]

По второму способу эмалируемое изделие нагревают до высокой температуры и посыпают порошком эмали, который, оплавляясь, прилипает к поверхности изделия. В радиопромышленности стеклоэмали употребляют главным образом для покрытия проволочных резисторов типа ПЭВ больших номиналов мощности рассеяния. Однако употреблять эмали можно шире, особенно ссли применять метод вихревого напыления. Эмаль надежно защищает от коррозии металлические части аппаратуры.  

[c.226]

В аппаратуре связи применяют разнообразные резисторы с номинальными значениями сопротивления от нескольких ом до 10 ом, с номинальной мощностью рассеяния от десятых долей до 500 вт.  [c.315]

Коэффициентом нагрузки К называют величину, характеризующую электрическую нагрузку резистора, которая находится из отношения мощности рассеяния реальной (Р) к мощности рассеяния номинальной  [c.318]

Гнп резистора Предельные значения мощности рассеяния, вт Пределы сопротивления, ом   [c.321]

Резисторы типа УЛИ имеют следующие данные мощность рассеяния Р = 0,1-т-1 ст, R = ол -г- 1 Мом  [c.325]

Тип резистора Мощность рассеяния, вт Пределы сопротивления раб, предельное рабочее напряжение при 33 тор  [c.326]

Номинальная мощность рассеяния этих резисторов —  [c.327]

Мощность рассеяния указывается только для резисторов типа КИМ (КИМ-0,125 КИМ-0,05), а для резисторов КЛМ и КВМ не указывается. Параметры для композиционных резисторов указаны в табл. 8.6.  [c.330]

Нелинейные резисторы — варисторы изготовляются на напряжение от 3 до 1500 в, рабочие токи от 0,1 до 1 ООО лса, с коэффициентом нелинейности от 2 до 7 и мощностью рассеяния от 0,1 до 200 вт.  [c.357]

Пленочная технология является гибкой и позволяет быстро создавать схемы, аналогичные схемам из обычных дискретных элементов. Пленочные микросхемы наиболее широко применяются при создании аналоговой аппаратуры Вообще их целесообразно использовать там, где велика номенклатура схем, где требуются конденсаторы с большой емкостью и резисторы с большими номиналами, высокой стабильностью, высокой допустимой мощностью рассеяния.  [c.685]

Минимальная длина а и ширина Ь резистора подсчитываются по заданной величине сопротивления 7 , величине удельного сопротивления рд заданной мощности рассеяния Р допустимой мощности рассеяния Рц для данного материала пленки по формулам  

[c.690]

К недостаткам следует отнести необходимость введения дополнительных технологических операций. Кроме того, пленочные резисторы имеют более низкую допустимую мощность рассеяния.  [c.699]

Статическая регулировка поддерживаемого напряжения производится по схеме рнс. 64. На схеме буквами РИ указан регулируемый стабилизированный источник постоянного тока с напряжением от 11 до 15 В и током не менее 3 А, например, типа ВС-26 или Б1-21 резистор l, имитирующий обмотку возбуждения генератора — любого типа мощностью рассеяния не менее 25 Вт (например, реостат, рассчитанный на ток не менее 2 А) вольтметр ИП, любого типа на напряжение 15—50 В, служащий в качестве индикатора тока в цепи шунтовой обмотки генератора вольтметр ИП2 на напряжение 15—  

[c.107]

Постоянные резисторы могут быть любого типа с мощностью рассеяния не ниже указанной на схеме. Переменные резисторы также могут быть любого типа но обязательно с фиксированием осей. Все переменные резисторы доступа к осям снаружи тестера не имеют. Конденсаторы также могут быть любого типа.

 [c.119]

Я2 так, чтобы через отверстие в крышке можно было регулировать напряжение в сети, вращая ось этого резистора. Резистор Яг должен быть проволочным, например ППЗ-43, так как в резисторах типа СПО при длительных вибрациях нарушается контакт. Резистор Яб должен быть изготовлен из высокоомной проволоки диаметром 0,5—0,8 мы. Для его намотки можно использовать спираль электрической плитки и каркас одного из резисторов, снятых со стандартного регулятора. Остальные резисторы следует рассчитать на мощность рассеяния ие менее 0,25 Вт.  [c.45]

В тех случаях, когда номинальная мощность рассеяния резистора превышает 2 Вт, могут быть применены прецизионные нрово лочные резисторы типо вС5 -5ВиС5 -42В (табл. 4).  

[c.14]

Номинальные мощности рассеяния (Вт) резисторов типов ВС от 0,125 до 10 УЛИ от 0,125 до 1 МТ, ОМЛТ МЛТ, МУН от 0,125 до 2 МГП только 0,5 КИМ только 0,05 и 0,125 ТВО от 0,125 до 20 и 60 ПЭ, ПЭВ, ПЭВР от 7,5 до 150.  [c.132]

Резисторы переменные подразделяют на непроволочные и проволочные. Непроволочные резисторы выпускают следующих типов СПО — объемные СПО-Е — повышенной долгвечности СП — лакопленочные СП-3 — для печатного и объемного монтажа ВК, ВКУ, ТК, ТКД, СНК. СНВКД — одинарные и сдвоенные с выключателем и без выключателя в обычном и тропическом исполнениях. Переменные проволочные резисторы выпускают следующих типов СП5 — низкочастотные (до 1000 Гц) для печатного и навесного монтажа ЮС — низкочастотные юстировочные ППЗ — одинарные и сдвоенные (имеют три варианта конструкции осей) РП-25, РП-80 — мощные резисторы с керамическим основанием. Переменные резисторы подразделяют на три группы в зависимости от формы функциональной характеристики изменения величины сопротивления от угла поворота оси А —линейная, Б —логарифмическая, В —обратная логарифмическая. Номинальные значения резисторов типа СП от 20 Ом до 4.7 МОм, допустимые отклонения от номинала 20% (до 220 кОм) и 30% (свыше 220 кОм) номинальные мощности рассеяния 0,125 0,5 и 1 Вт ТКС не более —0,1% на ГС при номинальной величине сопротивления до 68 кОм и —0,2% на Г С при 100 кОм и выше э.

д. с. шумов в зависимости от характеристики и номинала от 4 до 40 мкВ/В.  [c.132]

Хромсилицидные сплавы обладают высокой термостабильностью, изменение 5 % сопротивления ДУ не превышает в диапазоне 0—400 °С. Сплавы РС3710 и РС3001 проявляют сложную зависимость сопротивления от те.мпе-рзтуры, изменяя металлическую проводимость на полупроводниковую при 200—300 °С. Сплавы не критичны к мощности рассеяния, вольт-амперные характеристики имеют характер, очень близкий к линейному, отказ резистора при повышенной нагрузке происходит резко.   [c.439]

Мощность катодной станции на выходе, Вт, Wk. = Iw.Mk. — Мощность рассеяния регулировочных резисторов, Вт, с учетом возможных отклонений фактических сопротивлений в цепях УКЗ от расчетных следует выбирать по току наиболее нагруженного анода W pj = /LmaxZpi. Если максимальное падение напряжения в цепи УКЗ больше стандартного напряжения катодной станции при соответствующем номинальном токе, необходимо в зависимости от конкретных условий и с учетом экономических соображений увеличить площадь сечения дренажных кабелей, уменьшить сопротивление растеканию анодов, либо выбрать катодную станцию с меньшим номинальным током и соответственно изменить расстояния между УКЗ.  [c.137]

I Отношение номинальной мощности рассеяния Р к величине теплоотдающей поверхности 8 называется удельной нагрузкой резистора, вт1см .  [c.317]

Резисторы типа УНУ — углеродистые, незащищенные, ультравысокочастотные. Предназначены для работы при температурах от —60 до +125° С, а также в условиях тропического влажного климата. Выпускают мощностью рассеяния от 0,1 до 100 вт на номинальные сопротивления 7,5-ь100 ом на импульсные напряжения при атмосферном давлении 64 тор и 5 тор, соответственно, от 70 до 12 500 в и от 70 до 8750 в.  [c.325]

Резисторы типа УНУ-Ш — углеродистые, незащищенные, ультравысокочастотные, шайбовые. Предназначены для работы в высокочастотных цепях, при температурах от —60 до 70° С. Выпускаются на номинальную мощность рассеяния от 0,1 до 0,25 ет и на пределы сопротивления от 4,5 до 75 ом, на импульсное напряжение от 25 до 120 в.  [c.325]

Промышленностью СССР изготовляют резисторы типа МОУ (металлоокисные ультравысокочастотные) и типа МОН (металлоокисные, низкоомные). Первые применяют в качестве поглотительных омических элементов, с номинальной мощностью рассеяния от 0,1 до 200 вт. Пределы номинальных сопротивлений резисторов от 4,3 до 150 ом. Резисторы типа МОУ-Ш выпускают с мощностью рассеяния 0,15 и 0,5 ет. ТК у сопротивлений МОУ не превышает 0,0005 град- , а у МОУ-Ш — не более 0,0015 грс .  [c.327]

Существуют ОТ с косвенным подогревом, в к-рых сопротивление определяется током в спец. подогревной обмотке, электрически изолированной от полупроводника при этом мощность рассеяния в последнем обычно мала. Такие Т. применяются в системах автоматич. регулирования, если нужно разделить управляющую и управляемую цепи (переменные резисторы без скользящего контакта с дистанционным управлением, автоматич. стабилизация усиления усилителей, измерение скоростей движения жидкости или газа и др.).  [c.168]

---

Мощность рассеивания — Энциклопедия по машиностроению XXL

В этих уравнениях — мощность рассеивания энергии внутри /-Й системы Л — мощность энергетического потока между г-й и /-Й системами Пг Л , — мощности энергетических потоков, введенных от механизмов станка в рамы 1, 2 и связь 6 (см. рис. 1) Ej и uj — полная энергия и плотность собственных форм колебаний /-й системы Т1 — коэффициент внутренних потерь (У = 1 ч- 6) r ij — коэффициент потерь в связи, соединяющей системы i и У ю — круговая частота колебаний.  [c.117]
Мощный генераторный тетрод ТУ-40Б, предназначенный для работы в телевизионных передаточных установках и радиосвязи, превосходит по мощности рассеивания анодом и коэффициенту усиления многие заграничные образцы. Аналогичного назначения генераторные тетроды ГУ-36Б и ГУ-35Б также соответствуют высокому техническому уровню.  [c.22]

Как уже отмечалось, показания термоанемометра зависят не только от. скорости, но и от температуры движущейся жидкости. Поэтому для точного контроля температуры при измерениях скорости потока с помощью термоанемометра был специально изготовлен малоинерционный полупроводниковый термометр сопротивления (рис. 67). В качестве чувствительного элемента термометра использован терморезистор СТЗ-18, конструкция же датчика аналогична показанной на рис. 65, а. Терморезистор включен в неуравновешенную мостовую схему, обеспечивающую максимально возможную чувствительность и минимальное отклонение от линейности шкалы с учетом допустимой мощности рассеивания. Мост находится в равновесии в точке, соответствующей началу интервала измерения температуры.  [c.97]

Из рассмотренных ниже примеров будет видно, что от подобных ошибок не застрахован ни один из электромехаников по лифтам, если перед заменой любого элемента оборудования лифта не обратит внимание на тип реле и на рабочее напряжение его катушки, на величину сопротивления и мощность рассеивания резистора, на тип, величину емкости и номинальное напряжение конденсатора, на величину тепловой уставки автоматического выключателя и номинальный ток плавкой вставки предохранителя.  [c.188]

Питание У ЯГ импульсного устройства осуществляется от двух одинаковых источников стабилизированного напряжения, выполненных на транзисторах. Транзисторы Гг и Гц должны быть установлены на радиаторы с мощностью рассеивания не менее 5 вт каждый.  [c.87]

При повышении температуры среды необходимо уменьшать мощность рассеивания на резисторах, в противном случае они быстро выходят из строя. Воздействие температуры нарушает контакт в переменных резисторах.  [c.71]

Наиболее чувствительны к изменению температуры транзисторы, у которых резко изменяются основные характеристики (допустимая мощность рассеивания, коэффициент усиления, шумовые и другие характеристики).  [c.71]

На втором этапе расчета получают зависимости между температурой tjg поверхности /-го элемента и мощностью рассеивания Р , т. е. уравнения вида (22.2).  [c.825]

Мощность рассеивания столба (испытательная), ет  [c.453]

К основным электрическим параметрам и свойствам резисторов относятся номинальная величина сопротивления и допустимое отклонение от номинала, номинальная величина мощности рассеивания, предельное рабочее напряжение, температурный коэффициент сопротивления, величина собственных шумов, частотные и нелинейные свойства резисторов. Кроме того, для переменных резисторов определяются величина максимального и минимального сопротивления, закон изменения сопротивления от угла поворота, электрическая прочность относительно корпуса и плавность изменения сопротивления в зависимости от угла поворота.  [c.119]

Для резисторов поверхностного типа в пределах одной и той же группы, например углеродистых, наиболее рациональным способом изменения величины сопротивления является изменение длины токопроводящего слоя путем применения спиральной нарезки. Это позволяет при одних и тех же габаритах получить резисторы с различными величинами сопротивлений, но с одной и той же мощностью рассеивания. С этой же целью для резисторов объемного типа и переменных непроволочных применяют вариацию составом композиции или изменение площади сечения слоя.  [c.120]

Номинальная мош,ность рассеивания. При прохождении тока через токопроводящий элемент в нем выделяется тепловая энергия, которая внешней поверхностью резистора рассеивается в окружающую среду или передается другим элементам конструкции РЭА благодаря теплопроводности. Эта тепловая энергия оценивается мощностью рассеивания резистора  [c.121]

Под номинальной мощностью рассеивания понимают максимальна допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке в нормальных условиях без изменения электрических параметров выше норм, указанных в технических условиях на него. Эксплуатация резисторов, как правило, проводится при мощностях рассеивания, в 3—10 раз меньше номинальных, что обеспечивает более высокую надежность работы устройств. Однако некоторые резисторы в аппаратуре могут быть нагружены на номинальную и даже на 10—20% выше мощность. При этом срок их службы уменьшается иногда до 10 раз и более. Отношение реально рассеиваемой мощности резистора к его номинальной называют коэффициентом загрузки резистора.  [c.122]

Промышленность выпускает резисторы с номинальными мощностями рассеивания 0,01, 0,025 0,05 0,125 0,25 0,5 1 2 5 8 10 16 25 50 75 100 160 250 500 Вт (ГОСТ 9663—61). Как правило, чем выше номинальная мощность рассеивания, тем больше габариты резистора. В большинстве радиоэлектронных изделий применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания не выше 2 Вт.  [c.122]

К группе общего назначения относятся резисторы, используемые в качестве элементов аппаратуры средней точности (5—20%), с номинальными значениями величин сопротивлений от единиц Ом до 10 МОм, рабочими напряжениями в пределах сотен вольт, диапазоном номинальных мощностей рассеивания 0,125—2 Вт и выше и частотным диапазоном применения до 10 МГц. Они имеют среднее значение ТКС порядка 10″ 1/град и изменение величины сопротивления к концу срока службы (хранения) 10%.  [c.126]

Тип Вид Номинальная мощность рассеивания, Вт Номинальная величина сопротивления Допуск 8 , % ТКС, 1  [c.126]

Резисторы С1-4 — тонкослойные углеродистые, предназначены для работы в условиях сухого и влажного тропического климата. В зависимости от номинальной мощности рассеивания (0,125 0,25 и 0,5 Вт) они имеют различные габариты и массу, причем гораздо меньшие, чем резисторы ВС за исключением 0,125-ваттных резисторов. Этот тип резисторов более влагостоек и менее подвержен обрастанию плесневыми грибками, чем ВС.  [c.128]

К группе прецизионных резисторов относятся резисторы повышенной точности (0,05 — 3%) и стабильности (ТКС 10 1/град) с номинальными значениями величин сопротивления 1 Ом ч- 5,1 МОм, рабочими напряжениями не более сотен вольт, диапазоном номинальных мощностей рассеивания 0,05 — 2 Вт и частотным диапазоном до единиц мегагерц. Изменение величины сопротивления к концу срока службы, характеризующее старение резистора, составляет единицы процентов. Резисторы прецизионной группы применяют в точной измерительной аппаратуре и ответственных цепях Аппаратуры специального назначения. Часто их используют как элементы магазинов сопротивлений, в цепях делителей и шунтов повышенной точности, а также в качестве различных нагрузок схем.  [c.133]

К группе высокочастотных резисторов относят резисторы, выполняющие свои функции без существенного изменения величины сопротивления на радиочастотах выше 10 МГц. Это низкоомные резисторы (от единиц до сотен Ом), средней точности (5—20%), средней стабильности (ТКС 5-Ю» /град). Номинальная мощность рассеивания 0,1—200 Вт, рабочие напряжения не превышают сотен вольт. Сопротивление изменяется в процессе старения на 5—15%. Эти резисторы обычно используют при конструировании высокочастотной аппаратуры метрового и дециметрового диапазонов в качестве согласующих нагрузок коаксиальных и волноводных трактов. Их применяют также в измерительной, приемопередающей и радиолокационной аппаратуре.  [c.139]

Цилиндрический резистор КИМ-Е (композиционный изолированный малогабаритный) для мощности рассеивания 0,125 Вт имеет длину 8 мм и диаметр 2,5 мм, а для мощности рассеивания 0,05 Вт — соответственно 3,8 мм и 1,8 мм.  [c.143]

Резисторы КЭВ (композиционные эмалированные высоковольтные) имеют большой диапазон мощностей, рабочих напряжений и, как следствие, семь типов конструктивных вариантов, резко отличающихся по массе (от 1,8 г до 1кг) и габаритам (от 5,5 х 25 мм до 53 X X 324 мм). Резисторы с номинальной мощностью рассеивания 0,5-  [c.143]

Тип Номинальная мощность рассеивания, Вт Номинальная величина сопротивления Допуск. % ТКС. 10- /°С 1.Ю 1 Я В а 1 К 04 5 ri X 5 >. К а ц к 0 ч >. Р 1 1-1Ё. Л н 8 X а 1> е 1= Ч1- г V [c.144]

Другими важными параметрами для расчета тонкопленочных резисторов являются ТКС и удельная мощность рассеивания Ро. В табл. 23 приведены основные параметры напыляемых материалов и получаемых на их основе тонкопленочных резисторов.  [c.146]

Первая цифра в обозначении электронных ламп с мощностью рассеивания до 20е/л для устройств широкого применения указывает округленно напряжение накала в вольтах. Вторая буква характеризует тип лампы (диоды — Д двойные диоды—X, триоды —С, двойные триоды — Н триоды с одним или двумя диодами — Г пентоды с удлиненной характеристикой — К пентоды с короткой характеристикой Ж преобразователи частоты с двумя управляющими сетками — А выходные пентоды и лучевые тетроды — П индикаторы настройки — Е кенотроны— Ц триод-пентоды — Ф триод-гексоды и триод-гептоды — И). Третье число указывает порядковый номер лампы, четвертая буква характеризует конструктивное оформление (С — стеклянный баллон, П — пальчиковая, Б — сверхминиатюрная диаметром 10 мм, А — диаметром 6 мм, Ж — жолудь, Л — с замком на ключе, Д — дисковые выводы).  [c.556]

Основные технические требования к современным проволочным потенциометрам определяются следующими параметрами величиной общего сопротивления, геометрическими размерами, законом изменения сопротивления, допуском на общее сопротивление и линейность, стабильностью, сопротивлением изоляции обмотки относительно корпуса, макс1 ыальной рабочей мощностью рассеивания, рабочим вращающим моментом, скоростью вращения, сроком службы при заданных условиях, рабочим режимом и различных условиях эксплуатации.  [c.812]

Приборы с дифтрансформаторной схемой могут комплектоваться выходным реостатным датчиком. У вторичных приборов ферродинамической системы реостатный датчик может быть установлен дополнительно. Для этой цели удобно использовать прецизионные потенциометры типа ПТП, выпускаемые Киевским заводом электроприборов. Они имеют большой диапазон номинальных значений сопротивления (от 63 ом до сотен ком) и различные мощности рассеивания. Выпускаются также спаренные, строенные и счетверенные потенциометры, что удобно при необходимости иметь несколько параллельных выходных потенциометрических датчиков. Потенциометры ПТП позволяют осуществить воспроизведение заданной зависимости (в данном случае линейной) с точностью от 0,1 до 1,0%.  [c.73]

Выходные параметры систем могут бьггь двух типов. Во-первых, это параметры-функционалы, т. е. функционалы зависимостей V(t) в случае использования (1.1). Примеры таких параметров амплитуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т. п. Во-вторых, это параметры, характеризующие способность проектируемого объекта работать при определегшых вне-пших условиях. Эти выходные параметры являются граничными значениями диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность объекта.  [c.22]

Определите его сопротивление R н допускаемую мощность рассеивания Р, основываясь иа нижеследующнх результатах измерений емкость электролитического ков-денсагора, включенного на выход этого фильтра, Сф — 20 мкФ напряжение на выходе фильтра t/ф = 300 В постоянная составляющая анодного тока, определенная исходя из типов радиоламп, питающихся через наш резистор, должна составлять I = = 10 мА (допускаемые коэффициенты пульсации А п.вых = 0,02%, АГп.вх 0.5%). Ответ. R = /0,628 Сф, гдед — коэф мииент сглаживания.  [c.122]

Величина сопротивления Я6 лежит в пределах 1,3—1,6 тыс. Ом при мощности рассеивания не менее 2 Вт. Сопротивленйе = = 1 — 1,5 тыс. Ом подбирают из расчета, что напряжение на его выходе должно равняться 100 В. Сопротивление Я4 подбирается в среднем положении движка потенциометра ЯЗ из условия, чтобы время срабатывания генератора равнялось заданному по условиям реверса на один контакт шагового искателя. Сопротивление Я7 берется равным 1,3—1,5 тыс. Ом. При меньших значениях Я время срабатывания реле увеличивается.  [c.338]

Металлическая пластина толщиной 2—5 мм является наиболее простой формой радиатора. Такой радиатор применим для приборов с небольшой мощностью рассеивания, так как с ростом мощности рассеивания резко возрастают размеры пластины. Штырьевые радиаторы при сравнении с ребристыми по мощности рассеивания, отнесенной к единице веса радиатора на 1 градус перегрева (Р/ОДО, дают выигрыш в 20—60%  [c.835]

По тепловой характеристике радиатора при заданной мощности рассеивания Рприб определяют перегрев радиатора А/р и по формулам (22.27) или (22.28)—температуру перехода прибора /дер-Необходимо, чтобы / ер расч [c.843]

По сравнению с углеродистыми резисторами МЛТ и ОМЛТ имеют при одной и той же номинальной мощности рассеивания меньшие габариты. Они более теплостойки благодаря применению в качестве токопроводящего слоя металлов или их сплавов, а не углерода. Использование более температуростойкого покрытия обеспечивает им повышенную влагостойкость при значительных (выше 100° С) температурах. К недостаткам металлизированных резисторов относятся  [c.128]

Резисторы МТ, МТЕ, С2-6 относятся к металлизированным резисторам с повышенной теплостойкостью. Их внешняя с юрма, габариты и номинальные мощности рассеивания аналогичны резисторам МЛТ и ОМЛТ.  [c.129]

Резисторы КИМ (композиционные изолированные малогабаритные) выпускаются на номинальные мощности рассеивания 0,05 и 0,125 Вт и имеют массу соответственно 0,1. и 0,2 г. Это резисторы поверхностного типа, выполненные в виде цилиндрических стержней с специальными выводами. Резисторы КИМ имеют стеклянное основание с нанесенной на него токопроводящей композицией. Сторцовстержень покрыт слоем серебра, платинитовые выводы армированы в его массу. Резисторы этого типа предназначены для использования в микросборках РЭА, залитых компаундом. Отличительной особенностью этих резисторов является то, что нагрузка на номинальную мощность допускается при температурах не выше 55° С. Резисторы КИМ имеют весьма широкий диапазон номиналов (до 1 ГОм).  [c.129]

Резисторы УЛИ (углеродистые, лакированные, для измерительной техники) и БЛП (бороуглеродистые, лакированные, прецизионные) по своей конструкции аналогичны типу ВС, однако при одинаковых габаритах они имеют меньшую номинальную мощность рассеивания. Это обеспечивает им повышенную температурную стабильность, так как перегревы токопроводящего слоя меньше. Эти резисторы не вьшускают на значения величин сопротивлений выше 1 МОм, что также позволяет повысить их стабильность, так как более толстые пленки углеродистых резисторов имеют меньший по величине ТКС. Повышение стабильности достигается, кроме того, длительной электротермотренировкой и улучшением контактных узлов (графитирование или серебрение концов заготовок). Повышение точности резисторов обеспечивается введением в технологический процесс дополнительной операции юстировки (подгонки под заданный номинал с допуском 0,5-3%).  [c.136]

Высокомегомные резисторы имеют величину сопротивления от единиц — десятков мегаом до тысячи гигаом. Отличительной особенностью этих резисторов является низкий уровень номинальной мощности рассеивания (порядка десятков милливатт). Точность резисторов 5—30%, ТКС ж 10″ 1/град, рабочие напряжения — сотни вольт, изменение сопротивления к концу срока службы 10—30%. Высокомегомные резисторы применяют в измерительной РЭА (для измерения весьма слабых токов низкой частоты, в дозиметрах излучений и т. п.).  [c.142]

Высоковольтные резисторы имеют предельные рабочие напряжения порядка десятков киловольт. Номинальные величины сопротивлений — сотни килоом — десятки гигаом, точность резисторов—10—20%, ТКС 10 1/град, величина сопротивления изменяется к концу срока службы на 10—25%. Номинальная мощность рассеивания колеблется в диапазоне десятков милливатт — десятков ватт. Эти резисторы применяют в высоковольтных цепях передающей и другой РЭА в качестве делителей напряжений, поглотителей и др.  [c.142]

Микромодульные резисторы предназначены для работы в микромодулях этажерочного и плоского типов в качестве коллекторных и эмит-терных нагрузок, делителей напряжения в цепях базы, шунтов избирательных схем, ограничительных сопротивлений фильтров и т. п. Микромодули являются миниатюрными узлами радиоаппаратуры, питающие напряжения которых не превышают десятков вольт, а средние потребляемые токи — единиц-десятков миллиампер, поэтому микромодульные резисторы относятся к группе маломощных резисторов (номинальная мощность рассеивания не превышает 0,25 Вт). Предельное рабочее напряжение лежит в диапазоне 30—160 В, а ио-  [c.143]

Проволочные микромодульные резисторы С5-6, выполненные из микропровода, имеют ограниченные мощность рассеивания (не более 50 МВт) и температурный диапазон применения (не выше 85° С).  [c.145]

---

Максимально допустимая мощность — рассеивание

Максимально допустимая мощность — рассеивание

Cтраница 1

Максимально допустимая мощность рассеивания ( в ваттах или милливаттах), не вызывающая необходимых изменений характеристик термосопротивлений.  [1]

Максимально допустимая мощность рассеивания Wm3Ji ( в втилимвт), не вызывающая необратимых изменений характеристик ТС.  [2]

Максимально допустимая мощность рассеивания Рмакс ( в ваттах или милливаттах), не вызывающая необратимых изменений характеристик ТС.  [3]

Определяем максимально допустимую мощность рассеивания на коллекторе.  [4]

Рлр не должна превосходить максимально допустимую мощность рассеивания Рпр.  [6]

Выбор величины S производится с учетом допустимого изменения тока коллектора, максимально допустимой мощности рассеивания и допустимой мощности рассеивания в стабилизирующей цепи. Значение S отЗ до5 соответствует увеличению температуры на 80 С при использовании германиевых транзисторов.  [7]

Критическое ( пробивное) напряжение, при котором начинается регенеративное нарастание температуры, и кривые максимально допустимой мощности рассеивания для германиевых транзисторов.  [8]

Сопротивление тиристорного ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением [ / ОСт, измеренным при протекании максимального прямого тока / прмакс, который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре Рмакс.  [9]

Ыа осях графика ОБР отложены значения выходных величин — тока стока / с и напряжения сток-исток Uси — Ток стока ограничен наклонной линией рассеиваемой мощности ( ток стока равен максимально допустимой мощности рассеивания, деленной на напряжение сток-исток) и максимально допустимой температурой структуры.  [10]

Основными параметрами транзисторов, определяющими гарантированную работу в схемах, являются: коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером р, начальный ток коллектора / к, обратный ток коллектора / ко, обратный ток эмиттера / эо, максимально допустимая мощность рассеивания коллектором при естественном охлаждении Ртах.  [12]

Параметры позисторов аналогичны параметрам терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом. Важнейшими из них являются: величина сопротивления при 20 С, температурный коэффициент сопротивления, диапазон рабочих температур, кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС, максимально допустимая мощность рассеивания, постоянная времени.  [14]

Действие всех стабилитронов основано на нелинейности их вольт-амперных характеристик при определенных условиях работы, иначе говоря, их сопротивление зависит от величины тока или напряжения. Все стабилизаторы напряжения вместе с ограничивающим ток сопротивлением подключают параллельно выходу выпрямителя, а все стабилизаторы тока — последовательно с потребителем ( рис. А. Электронные стабилизирующие схемы отличаются тем преимуществом, что позволяют осуществлять непрерывное регулирование выходных параметров, сочетающееся с повышенной эффективностью. Отдаваемая мощность не ограничивается максимально допустимой мощностью рассеивания стабилитронов ( например, опорного диода), вследствие чего эффективность стабилизаторов не зависит от нагрузки.  [15]

Страницы:      1    2

Транзисторы для начинающих часть 7 — Транзисторы — Фундаменты электроники — Каталог статей

В предыдущем разделе вы узнали, что транзистор должен всегда работать в безопасной зоне. Вы очень хорошо справились с упражнениями, и думаете, что вы теперь знакомы с проблемой потери мощности. Теперь вы знаете, что условия работы транзистора ограничены четырьмя факторами:
— Допустимое напряжение коллектор- эмиттер
— Допустимый ток коллектора
— Явления вторичного пробоя
— Максимальная рассеиваемая мощность.

Первые два вы прекрасно понимаете: слишком большое напряжение приведет к пробою и необратимому разрушению перехода, а большой ток коллектора может расплавить проводники. Проблему вторичного пробоя вам не нужно исследовать достаточно того, что в каталоге уже указана безопасная зона с учетом этой опасности. Просто сделайте так чтобы ваш транзистор не работал при напряжениях близких к UCE0 и с большим током.

Вы познакомились также с еще одним важным параметром – рассеиваемая мощность. Вы можете рассчитать максимальную мощность потерь транзистора для данного напряжения питания и сопротивления нагрузки. Вы можете подобрать нагрузку, так чтобы при заданном напряжении питания, не превышать допустимую мощность рассеивания.

И здесь я должен вас немного разочаровать: этого знания хватить просто для понимания и использования транзисторов малой мощности. В случае использования транзисторов с большой мощностью, не достаточно провести простой расчет, как это делали в предыдущем эпизоде, заключающееся в проверке, рассеиваемая мощность в данной схеме не превышает данную в каталоге допустимую мощность потерь Ptot! Здесь ключевое значение имеет именно температура перехода, то есть кремневой структуры транзистора.

Сегодня мы рассмотрим этот вопрос более внимательно.

Выделяемое устройством тепло нужно извлечь и рассеять в окружающей среде. Как вы думаете, от чего зависит скорость потока тепла между переходами транзистора и окружающей средой?

Это важный вопрос!

Скорость потока тепла, безусловно, зависит от разницы температур, но и от тепловой изоляции. Если электрическая плиту тщательно накрыть теплоизоляционным материалом, например, одеялом, тепло будет протекать медленнее, в то время как температура плиты будет быстро расти и одеяло через несколько минут, загорится.

В электронике это же самое. Когда в переходах транзистора начинает выделяться тепловая мощность равна P=UCE Х IC, и температура этого перехода растет. С ростом разницы температур переход-окружение, также увеличивается количество тепла уходящего в окружающую среду. Если температура перехода будет расти до бесконечности? Невозможно! В какой-то момент установиться баланс: разница температур вырастит на столько, что все вырабатываемое тепло будет уходить в окружающую среду. Благодаря этому температура перестанет расти. Запомните это — в нормальных условиях работы в устройстве производится состояние теплового равновесия — температура повышается на такую величину, чтобы все выделившееся на переходе тепло рассеивалось. Если вы не позаботитесь, чтобы это тепло эффективно рассеивалось в окружающую среду, температура увеличиться на столько что вы уничтожите транзистор.

К сожалению, я должен вам это подробно объяснить, потому что и здесь распространены неправильные представления. Оказывается, что в подавляющем большинстве случаев мощный транзистор не может работать с приведенной в каталоге мощностью Ptot! Надо на самом деле принимать во внимание дополнительные факторы.

Запомните раз навсегда: высокая температура является смертным врагом полупроводников. Новичок представляют себе, что существует строго определенная граница, после превышении которой полупроводниковый элемент приходит в негодность, на подобие олова, которое тает при определенной, точно определенной температуре — это представление совершенно неправильно. Что правда, в каталогах полупроводников указывается максимальная температура перехода, обозначается Tjmax (Tjmax), как правило, +150°C, но это вовсе не означает, что на например, при температуре +200°С элемент растает, или сразу же будет поврежден. Температура плавления кремния значительно выше. Я знаю „экспериментаторов”, которые на рабочих мощных транзисторах (типа 2N3055) топили олово — температура корпуса превышала +200°C, температура перехода была, конечно, гораздо выше, и… транзисторы не были повреждены.

Это откуда в справочниках эти +150 градусов C?

Это просто. При этой температуре риск повреждения еще относительно не велик. Элемент, работающий при этой температуре (с учетом статистически), должен безотказно работать, скажем, через 10000 часов (то есть более чем год непрерывной работы). Здесь в игру вступает здесь статистика и учет вероятности, так что я не буду вам объяснять подробно вопросы аварийности и прогнозируемые периоды времени безотказной работы. Конечно, когда-нибудь вы встретитесь терминами MTTF, MTBF (средняя наработка на отказ) — только они касаются вопросов безотказной работы и риска повреждений устройств и компонентов. И таким образом, эти +150°C это не какой-то строго указанный не непроходимый порог. После которого плавятся переходы транзистора, до +200°С транзистор по-прежнему будет работать. Кроме того, в каталогах вы встретите элементы (диоды и некоторые транзисторы), для которых определены допустимые температуры переходов +175°С или даже +200°С.

Запомните основную зависимость — с ростом температуры быстро растет и риск, то есть вероятность повреждения. При указанной в каталоге максимальной температуре перехода Tjmax риск повреждения еще относительно мал. Но с ростом температуры вероятность повреждения растет в геометрической прогрессии, то есть очень быстро. Это означает, что вы должны приложить все усилия, чтобы не превысить указанную максимальную температуру перехода.

Глядя на это, с другой стороны, у вас есть следующий практически важный вывод – если температура перехода транзистора будет значительно ниже, чем те договорные +150 градусов C, например, будет составлять +30 C +50 градусов C, вероятность выхода из строя будет очень, очень маленькой — смело можно считать, что при таких условиях работы транзистор будет вечным. Я хотел бы рассеять ненужные страхи. Проще говоря, если не превышены: максимальное напряжение коллектора, максимальные токи базы и коллектора, и если температура перехода будет ниже +150°C, вам не нужно беспокоиться о целостности транзистора. А если температура будет близка к комнатной температуре, можно смело считать, что транзистор вечен.

Это обнадеживающее сообщение, не так ли? Так, но из практики я знаю, что наиболее частой причиной повреждения транзисторов в любительских схемах является именно их перегрев вследствие незнания основных принципов. Именно поэтому этой проблеме я посвятил целых три эпизода сериала о транзисторах.

Чтобы не потерять основной поток наших размышлений, я должен навсегда вбить вам в голову зависимость, как указанная в каталоге максимальная мощность связана с допустимой температурой перехода (+150°С). Теперь мы должны найти какие-то модели и зависимости, чтобы описать происходящие явления.

Вы могли бы вычислить, на сколько градусов увеличится температура перехода при работе транзистора?

Это, безусловно, зависит не только от мощности рассеивания (чем больше мощность, тем выше будет температура перехода), но также от тепловой изоляции между переходом и окружающей средой — чем более эффективна теплоизоляция, тем больше должна быть температура, чтобы „толкать” тепло через эту изоляцию в окружающую среду.

В физике часто используются понятие теплопроводность (материала). Мы в электронике не вдаваясь, в подробности, используем понятия тепло сопротивление (тепловое) обозначаемом Rth, которая касается не материала, а но конкретного элемента.

Новичков это может напугать, но на самом деле здесь нет ничего сложного. Сопротивление, как сопротивление — стоит сопротивление, затрудняет движение (тепла). Это параметр, характеризующий какой-то конкретный объект с точки зрения теплопроводности — не вдаваясь в подробности, скажем, что именно это термическое сопротивление Rth. Например, кусок алюминия или меди имеет небольшое термическое сопротивление (потому что эти металлы хорошо проводят тепло), а кусок дерева, воздух, или кусок пластмассы, обладают высоким тепловым сопротивлением. Конечно, в случае с транзистором, мы заинтересованы в том, чтобы тепловое сопротивление было как можно меньше, то есть, чтобы все выделенное тепло, быстро и эффективно отдавалось в окружающую среду.

Делать расчеты основных тепловых зависимостей действительно по-детски легко, потому легко понять аналогию с электрической цепью. В электрической цепи ток зависит от напряжения (чем выше напряжение, тем больше сила тока) и от сопротивления (чем больше сопротивление, тем меньше сила тока). Математически это выражает, конечно же, закон Ома. Точно так же и в цепи теплового воздействия. Мы можем говорить о законе Ома для тепловой цепи. Догадались ли вы, что здесь «тепловое напряжение», что „тепловой ток”, а что „термическое сопротивление”? Подумайте сами.
…
— Да, конечно!
„Тепловое напряжение” это разница температур ΔТ, „тепловой ток” передающаяся или отводимая тепловая мощность Р, в то время как «тепловое сопротивление» — это термическое сопротивление Rth.
Запишем формулы этого варианта закона Ома:


На практике чаще мы используем трансформированных формулы:

У вас нет сомнений, что тепловое сопротивление между переходом (анг. junction) и окружающей средой, атмосферой (анг. ambience). Обозначают, Rthja (junction – ambience).

Тепловое сопротивление выражается в градусах Цельсия (или в Кельвинах) на Ватт – °С/Вт. Смысл прост: тепловое сопротивление показывает, какая будет разница температур с обеих сторон данного элемента, при переносе тепловой мощности. Если, скажем, через активное сопротивление термической транзистор (между переходом и окружающей средой) проходит 5 ВТ тепловой мощности, а термическое сопротивление составляет 20°С/вт, то разница температур составит 100°C. То есть кристалл будет теплее окружающей среды на 100°C.

Значение Rthja транзистора рассчитывается производителем и его можно найти в справочнике.

Не пугайтесь указанных Кельвинов на Ватт, здесь нет ни чего сложного. Кельвины – это «сдвинутые вниз градусы Цельсия» начинаются от абсолютного нуля (0K=−273°C, 0°C=273K, +27°C=300K, +100°C=373K, +150°C=423K).

И никогда не забывайте, что в этих формулах мы имеем разницу температуры перехода и окружающей среды!

А зачем нам это термическое сопротивление и формулы? Именно эти формулы позволяют нам контролировать рассеиваемую мощность и температуру транзисторов очень большой мощности, а также различных интегральных схем. Вычислим, будет ли превышена допустимая температура в данной схеме. Вот, пожалуйста:

Пример 1:
Транзистор BC548 (UCE0=25В, IC=100 ма, P=500 мвт, Rthja=250K/В) работает при напряжении 12В с резистором нагрузки (рис. 55) RL=1k. Максимальная температура окружающей среды составляет +40°С.

Какая будет максимальная температура p-транзистора в худших условиях, т.е. при напряжении на коллекторе, равной половине напряжения питания?

В предыдущем разделе мы познакомились с формулой для определения мощности при наихудших условиях: подставим:



Даже при напряжении питания равном 24В, рассеиваемая мощность не будет больше, чем 150мВт, а рост температуры составит не более 36 градусов C.

Выводы? Если в вашей схеме транзисторы малой мощности, имеющие термическое сопротивление не более 500 К/Вт, работают с мощностью не более 100 мВт (0,1Вт), вы можете не бояться их перегрева. Например, если питающее напряжение составляет 12 В, то в худшем случае мощность 100 мВт выделиться на транзисторе с нагрузочным резистором:

На практике, как правило, резисторы нагрузки (в цепи коллектора) имеют электрическое сопротивление выше 1кОм и тогда при напряжениях питания до 24В не нужно беспокоиться об рассеиваемой мощности и температуре перехода.

Пример 2
В нашей схеме транзистор BC107 (Ptot=300мВт) и рассчитано, что в худшем случае в устройстве он будет выделять 200мВт (0,2ВТ) рассеиваемой мощности. В первом случае транзистор работает в хорошо проветриваемом корпусе, где температура составляет +30 C, во втором случае, температура внутри маленького, закрытой корпуса может достигать +60 градусов C. Значение Rthja транзистора BC107 составляет 500 К/Вт.

Определим:

В первом случае температура соединения составит:

В другом Tj=+160°C.

Ну и что? Опять же, ты удивлен?

Это ловушка, в которую попадают начинающие — если не превышена каталожная мощность потерь Ptot, не рассчитывают температуры переходов, думая, что, конечно, все в порядке. Оказалось, однако, что в устройстве небольшой мощности при слишком большой температуре окружающей среды не должно работать с указанной в каталоге мощность рассеивания транзистора. Но не паникуйте. Как я говорил вам, когда температура перехода выше на 10 или 20 градусов C от указаной +150 градусов C, хотя и увеличивает риск повреждения, но не может сразу повредить транзистор. Это не значит, что я призываю вас к превышения допустимой температуры перехода — наоборот — я призываю вас, так проектировать свои схемы, чтобы температуры были значительно ниже, чем указанные в каталоге +150 градусов С.

Идем далее.

Пример 3

Найдем температуру структуры полевого транзистора типа MOSFET BUZ74A, с параметрами по справочнику Ptot =40 ВТ и Rthja=75K/В (=75 С/ВТ). Температура окружающей среды составляет, скажем, +20 градусов. Мы не хотим перегружать транзистора, так что подберем активное сопротивление нагрузки в цепи стока) транзистора, чтобы максимальная рассеиваемая мощность транзистора составляла только 5 ВТ. Мы будем работать с мощностью 8 раз меньше, чем допустимая мощность Ptot.

Ничего, не подозревая рассчитываем температуру по формуле ΔT=P×Rth

Учитывая температуру окружающей среды, равна +20°C, температура перехода составит +395 градусов C.

Что очень много, не так ли? Где кроется ошибка? В конце концов, мы взяли транзистор большой мощности! А может расчеты касаются только „обычных транзисторов, а не каких-то там MOSFET-ов? Нет! Указанные правила касаются не только всех транзисторов, но и интегральных схем, для которых также приводиться активное термическое сопротивление Rth.

В приведенных выше расчетах, ошибки нет! Это мы сделали категорическую ошибку, не применив радиатор и подставляя бездумно в формулу сопротивление Rthja из католога (которая относится к ситуации без теплоотвода).

Обратите внимание, что для транзисторов малой мощности (мощностью меньше 1ВТ) в каталоге указаны в основном только общее термическое сопротивление между переходом и окружающей средой, Rthja.

Однако, для мощных транзисторов, в каталоге указывается как сопротивление Rthja, касающейся ситуации без радиатора, как и второе, с гораздо меньшим значенем — Rthjc. Второе -это термическое сопротивление между переходом (junction) и корпусом (case), отсюда буквы jc. Для транзистора BUZ74A оно составляет только 3,1K/Вт.

Признаюсь вам, что до многих лет назад, как новичок радиолюбитель я не имел ни малейшего представления о вышеуказанных расчетах и „погубил” таким образом, два новеньких и очень на то время дорогих транзистора серии BUYP. Может и у вас что-то подобное на совести?

С этого момента не делайте больше таких ошибок, хотя сегодня транзисторы несравненно дешевле, чем двадцать пять лет назад.

Смотреть сейчас! Термическое сопротивление Rthja (без радиатора) всех транзисторов и других элементов в популярном корпусе TO-220 составляет примерно 60…80K/В. Отдельные транзисторы в этом корпусе имеют разные значения сопротивления Rthjc (в диапазоне 0,9…4K/В), но подается значения Rthja Почему? Сопротивление Rthja для данного корпуса связано с его размерами, а не со свойствами кремниевой структуры транзистора, поэтому и близки.

Рассчитайте какая, мощность может выделится на транзистора в корпусе TO-220 без радиатора (P=ΔT/Rth).
Примем активное сопротивление Rthja равным 70K/Вт, а также температуру окружающей среды +45 градусов C (например, внутри корпуса прибора).

Можно ли рассчитать, сколько рассеивания тепла и повышения температуры будут иметь место в резисторе

Мощность, подаваемая на резистор, который он преобразует в тепло, представляет собой напряжение на нем, умноженное на ток через него:

    P = IV

Где P — мощность, I — ток, а V — напряжение. Ток через резистор связан с напряжением на нем и сопротивлением:

    Я = V / R

где R — сопротивление. С помощью этого дополнительного соотношения вы можете изменить приведенные выше уравнения, чтобы сделать мощность прямой функцией напряжения или тока:

    P = V ² / R

    P = I ² R

Случается, что если вы используете единицы вольт, ампер, ватт и ом, дополнительные константы преобразования не требуются.

В вашем случае у вас есть 20 В на резисторе 1 кОм:

    (20 В) ² / (1 кОм) = 400 мВт

Вот сколько мощности будет рассеивать резистор.

Первый шаг к решению этой проблемы — сначала убедиться, что резистор рассчитан на такую ​​большую мощность. Очевидно, что резистор ¼ Ватт не подойдет. Следующий общий размер — это ½ ватта, который теоретически может получить эту мощность при соблюдении всех соответствующих условий. Внимательно прочитайте таблицу данных, чтобы увидеть, при каких условиях ваш резистор ½ Вт может фактически рассеивать ½ Вт. Это может указывать на то, что температура окружающей среды должна быть 20 ° C или меньше при определенной степени вентиляции. Если этот резистор находится на плате, которая находится в коробке с чем-то еще, что рассеивает мощность, например, источником питания, температура окружающей среды может быть значительно больше, чем 20 ° C. В этом случае резистор «½ Вт» не может в действительности выдерживать ½ Вт, если, возможно, нет воздуха от вентилятора, активно дующего через его верхушку.

Чтобы узнать, насколько температура резистора поднимется выше температуры окружающей среды, вам понадобится еще одна цифра, которая представляет собой тепловое сопротивление резистора к температуре окружающей среды. Это будет примерно одинаково для тех же типов пакетов, но истинный ответ доступен только из таблицы резисторов.

Скажем просто, чтобы выбрать число (из ничего, я ничего не нашел, только пример), что резистор с подходящими медными контактами имеет тепловое сопротивление 200 ° C / Вт. Резистор рассеивает 400 мВт, поэтому его повышение температуры составит около (400 мВт) (200 ° C / Вт) = 80 ° C. Если он находится на открытой плате на вашем столе, вы, вероятно, можете измерить максимальную температуру окружающей среды 25 ° C, так что резистор может достигнуть 105 ° C. Обратите внимание, что это достаточно горячий, чтобы вскипятить воду, но большинство резисторов будет хорошо при этой температуре. Просто держи палец подальше. Если это находится на плате в коробке с источником питания, который повышает температуру в коробке на 30 ° C от температуры окружающей среды, тогда температура резистора может достичь (25 ° C) + (30 ° C) + (80 ° C) = 135 ° С. Это нормально? Не спрашивайте меня, проверьте таблицу.

максимально допустимая мощность рассеивания — это… Что такое максимально допустимая мощность рассеивания?

максимально допустимая мощность рассеивания

 

максимально допустимая мощность рассеивания
—
[Я.Н.Лугинский, М.С.Фези-Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва]

Тематики

• электротехника, основные понятия

EN

• maximum permissible dissipation

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

• максимально допустимая мощность генератора
• максимально допустимая нагрузка

Полезное

Смотреть что такое «максимально допустимая мощность рассеивания» в других словарях:

• максимальная мощность — 3.14 максимальная мощность: По ГОСТ 18509. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• максимальная — максимальная: Максимально возможная длина ЗО, в пределах которой выполняются требования настоящего стандарта и технических условий (ТУ) на извещатели конкретных типов, Источник: ГОСТ Р 52651 2006: И …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Стабилитрон — У этого термина существуют и другие значения, см. Стабилитрон (значения) …   Википедия

• Резисторная оптопара — …   Википедия

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-4-2011: Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 4. Общие термины в области радиосвязи — Терминология ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762 4 2011: Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 4. Общие термины в области радиосвязи оригинал документа: ALOHA [ALOHA slotted]:… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• «Леопард — 2» —        О танке Леопард 2 написано немало. В материалах, опубликованных в зарубежной печати, даются высокие оценки боевых характеристик этой машины, которая стала поступать в войска с 1979 г. В ходе производства и эксплуатации осуществлялась… …   Энциклопедия техники

Основы: Рассеивание мощности и электронные компоненты

Постоянно существующей проблемой в проектировании электронных схем является выбор подходящих компонентов, которые не только выполняют свои намеченные задачи, но и выживут в предсказуемых условиях эксплуатации. Большая часть этого процесса — убедиться, что ваши компоненты будут оставаться в пределах своих безопасных рабочих ограничений с точки зрения тока, напряжения и мощности. Из этих трех «силовая» часть часто является самой сложной (как для новичков, так и для экспертов), потому что безопасная рабочая область может очень сильно зависеть от особенностей ситуации.

Далее мы познакомим вас с некоторыми из основных концепций рассеивания мощности в электронных компонентах, чтобы понять, как выбирать компоненты для простых схем с учетом ограничений мощности.

— НАЧАЛО ПРОСТОГО —

Давайте начнем с одной из простейших схем, которую только можно вообразить: батарея, подключенная к единственному резистору:

Здесь у нас одна батарея на 9 В и одна батарея на 100? (100 Ом) резистор, соединенный проводами, чтобы сформировать полную цепь.

Достаточно просто, правда? Но теперь вопрос: если вы действительно хотите построить эту схему, насколько «большой» из 100? резистор нужно ли использовать, чтобы убедиться, что он не перегревается? То есть, можем ли мы просто использовать «обычный» резистор ¼ W, как показано ниже, или нам нужно увеличить?

Чтобы это выяснить, нам необходимо рассчитать мощность, рассеиваемую резистором.
Вот общее правило расчета рассеиваемой мощности:

Правило питания: P = I × В
Если ток I протекает через данный элемент в вашей цепи, теряя при этом напряжение В , то мощность, рассеиваемая этой схемой Элемент является произведением этого тока и напряжения: P = I × V .

Помимо :
Каким образом ток, умноженный на напряжение, может дать нам измерение «мощности»?

Чтобы понять это, нам нужно помнить, что физически представляют ток и напряжение.

Электрический ток — это скорость протекания электрического заряда через цепь, обычно выражаемая в амперах, где 1 ампер = 1 кулон в секунду. (Кулон — это единица измерения электрического заряда в системе СИ.)

Напряжение или, более формально, электрический потенциал — это потенциальная энергия на единицу электрического заряда через рассматриваемый элемент схемы.В большинстве случаев вы можете думать об этом как о количестве энергии, которое «расходуется» в элементе на единицу проходящего заряда. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах, где 1 вольт = 1 джоуль на кулон. (Джоуль — единица энергии в системе СИ.)

Итак, если мы возьмем ток, умноженный на напряжение, это даст нам количество энергии, которое «израсходовано» в элементе на единицу заряда, умноженное на количество этих единиц заряда, проходящих через элемент в секунду. :

1 ампер × 1 вольт =
1 (кулон / секунда) × 1 (джоуль / кулон) =
1 джоуль / секунда

Результирующая величина выражается в единицах один джоуль в секунду: скорость потока энергии, более известная как мощность.Единица измерения мощности в системе СИ — ватт, где 1 ватт = 1 джоуль в секунду.

Итак, у нас есть

1 ампер × 1 вольт = 1 ватт

Снова на нашу трассу! Чтобы использовать правило мощности ( P = I × V ), нам нужно знать как ток через резистор, так и напряжение на резисторе.

Во-первых, мы используем закон Ома ( В = I × R ), чтобы найти ток через резистор.
• Напряжение на резисторе В = 9 В.
• Сопротивление резистора R = 100 Ом.

Следовательно, ток через резистор равен:

I = В / R = 9 В / 100? = 90 мА

Затем мы можем использовать правило мощности ( P = I × V ), чтобы найти мощность, рассеиваемую резистором.
• Ток через резистор I = 90 мА.
• Напряжение на резисторе В = 9 В.

Следовательно, мощность, рассеиваемая в резисторе, составляет:

P = I × В = 90 мА × 9 В = 0,81 Вт

Так вы можете использовать резистор на 1/4 Вт?

Нет, потому что он, скорее всего, выйдет из строя из-за перегрева.
100? резистор в этой схеме должен быть рассчитан не менее чем на 0,81 Вт. Обычно выбирается следующий больший доступный размер, в данном случае 1 Вт.

Резистор мощностью 1 Вт обычно поставляется в гораздо более крупном физическом корпусе, как показано здесь:

(1 Вт, резистор 51 Ом, для сравнения размеров.)

Поскольку резистор на 1 Вт физически намного больше, он должен быть в состоянии справиться с рассеиванием большей мощности за счет большей площади поверхности и более широких выводов. (Он все еще может сильно нагреваться на ощупь, но не должен нагреваться настолько, чтобы выйти из строя.)

Вот альтернативное расположение, которое работает с четырьмя 25? резисторы в серии (а в сумме все равно 100?).В этом случае ток через каждый резистор по-прежнему составляет 90 мА. Но поскольку на каждом резисторе имеется только четверть напряжения, на каждом резисторе рассеивается только четверть меньшей мощности. Для этой схемы достаточно, чтобы четыре резистора были рассчитаны на 1/4 Вт.

В сторону: прорабатываем этот пример.

Поскольку четыре резистора включены последовательно, мы можем сложить их значения, чтобы получить их общее сопротивление, равное 100 Ом. Использование закона Ома с этим общим сопротивлением снова дает нам ток 90 мА.И снова, поскольку резисторы включены последовательно, одинаковый ток (90 мА) должен течь через каждый обратно к батарее. Напряжение через каждые 25? резистор тогда В = I × R , или 90 мА × 25? = 2,25 В. (Чтобы еще раз убедиться, что это разумно, обратите внимание, что напряжения на четырех резисторах в сумме составляют 4 × 2,25 В = 9 В.)

Мощность на каждого человека 25? резистор P = I × В = 90 мА × 2,25 В? 0,20 Вт, безопасный уровень для использования с резистором 1/4 Вт.Интуитивно понятно, что если разделить 100? резистор на четыре равные части, каждая из которых должна рассеивать четверть общей мощности.

— ЗА РЕЗИСТОРАМИ —

Для нашего следующего примера давайте рассмотрим следующую ситуацию: предположим, что у вас есть схема, которая принимает входной сигнал от источника питания 9 В и имеет встроенный линейный регулятор для понижения напряжения до 5 В, где все работает. Ваша нагрузка на конце 5 В может достигать 1 А.

Как выглядит мощность в этой ситуации?

Регулятор, по сути, действует как большой переменный резистор, который регулирует свое сопротивление по мере необходимости для поддержания постоянного выходного напряжения 5 В. Когда выходная нагрузка составляет 1 А, выходная мощность, обеспечиваемая регулятором, составляет 5 В × 1 А = 5 Вт, а мощность, потребляемая в цепи источником питания 9 В, составляет 9 Вт. Напряжение, падающее на стабилизаторе. составляет 4 В, а при 1 А, это означает, что 4 Вт рассеивается линейным регулятором — также разница между входной и выходной мощностью.

В каждой части этой схемы соотношение мощности задается следующим образом: P = I × V . Две части — регулятор и нагрузка — это места, где рассеивается мощность. А в части цепи, подключенной к источнику питания, P = I × V описывает подачу мощности в систему — напряжение увеличивается на по мере прохождения тока по источнику питания.

Кроме того, стоит отметить, что мы, , не сказали , какая нагрузка тянет этот 1 А.Энергия потребляется, но это не обязательно означает, что она преобразуется в (просто) тепловую энергию — например, это может быть питание двигателя или набора зарядных устройств для аккумуляторов.

Кроме того:
Хотя линейный стабилизатор напряжения, подобный этой, является очень распространенной схемой для электроники , стоит отметить, что это также невероятно неэффективная схема : 4/9 входной мощности просто сгорает. как тепло, даже при работе на более низких токах.

— КОГДА НЕТ ПРОСТОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ «МОЩНОСТЬ» —

Далее, немного более сложная часть: убедиться, что ваш регулятор может справиться с мощностью. В то время как на резисторах четко указана их мощность, на линейных регуляторах это не всегда. В приведенном выше примере регулятора предположим, что мы используем регулятор L7805ABV от ST (техническое описание здесь).

(Фото: типичный корпус TO-220, тип, обычно используемый для линейных регуляторов средней мощности)

L7805ABV — линейный стабилизатор 5 В в корпусе TO-220 (аналогичный показанному выше), рассчитанный на 1.Выходной ток 5 А и входное напряжение до 35 В.

Наивно, вы можете предположить, что вы можете подключить это прямо к входу 35 В и рассчитывать на выход 1,5 А, что означает, что регулятор будет излучать мощность 30 В * 1,5 А = 45 Вт. Но это крошечный пластиковый пакет; на самом деле он не может справиться с такой большой мощностью. Если вы посмотрите в таблицу в разделе «Абсолютные максимальные характеристики», чтобы попытаться определить, с какой мощностью он может справиться, все, что там написано, является «внутренним ограничением», что само по себе далеко не ясно.

Оказывается, существует фактическая номинальная мощность, но она обычно несколько «скрыта» в таблице данных. Вы можете понять это, посмотрев на пару связанных спецификаций:

• T _OP , Диапазон рабочих температур перехода: от -40 до 125 ° C

• R _thJA , Термическое сопротивление переход-окружающая среда: 50 ° C / Вт

• R _thJC , Термическое сопротивление переходной коробки: 5 ° C / Вт

Рабочий диапазон температур перехода, T _OP , определяет, насколько горячим может быть «переход» — активная часть интегральной схемы регулятора, прежде чем он перейдет в режим теплового отключения.(Тепловое отключение — это внутренний предел, который делает мощность регулятора «внутренне ограниченной».) Для нас это максимум 125 ° C.

Тепловое сопротивление переход-окружающая среда R _thJA (часто обозначается как? _JA ), сообщает нам, насколько нагревается переход, когда (1) регулятор рассеивает заданное количество мощности и (2) регулятор находится внутри на открытом воздухе при заданной температуре окружающей среды. Предположим, нам нужно спроектировать наш регулятор для работы только в скромных коммерческих условиях, температура которых не превышает 60 ° C.Если нам нужно поддерживать температуру перехода ниже 125 ° C, то максимальное повышение температуры, которое мы можем допустить, составляет 65 ° C. Если у нас есть R _thJA 50 ° C / Вт, то максимальная рассеиваемая мощность, которую мы можем допустить, составляет 65/50 = 1,3 Вт, если мы хотим предотвратить отключение регулятора из-за перегрева. Это значительно ниже 4 Вт, которые можно было бы ожидать при токе нагрузки 1 А. Фактически, мы можем выдержать только 1,3 Вт / 4 В = 325 мА среднего выходного тока, не отправляя регулятор в состояние теплового отключения.

Это, однако, относится к случаю, когда TO-220 излучает в окружающий воздух — почти наихудшая ситуация. Если мы сможем добавить радиатор или иным образом охладить регулятор, мы сможем добиться большего.

Противоположный конец спектра представлен другой термической спецификацией: корпус с термическим сопротивлением, R _thJC . Это указывает, какую разницу температур можно ожидать между переходом и внешней стороной корпуса TO-220: всего 5 ° C / Вт. Это соответствующий номер , если вы можете быстро отвести тепло от корпуса, например, если у вас есть очень хороший радиатор, подключенный к внешней стороне корпуса TO-220.С большим радиатором и идеальным соединением с этим радиатором при мощности 4 Вт температура перехода повысится всего на 20 ° C по сравнению с температурой вашего радиатора. Это представляет собой абсолютный минимум нагрева, который можно ожидать в идеальных условиях.

В зависимости от технических требований вы можете начать с этого момента, чтобы построить полный бюджет мощности, чтобы учесть теплопроводность каждого элемента вашей системы, от самого регулятора до термоинтерфейса между ним и радиатором, к тепловой связи радиатора с окружающим воздухом.Затем вы можете проверить соединения и относительную температуру каждого компонента с помощью бесконтактного инфракрасного термометра с точечным считыванием. Но часто бывает лучше переоценить ситуацию и посмотреть, есть ли лучший способ сделать это.

В данной ситуации можно подумать о переходе на стабилизатор для поверхностного монтажа, который обеспечивает лучшую управляемую мощность (за счет использования печатной платы в качестве радиатора), или, возможно, стоит подумать о добавлении силового резистора (или стабилитрона) до стабилизатор для снижения большей части напряжения за пределами корпуса регулятора , уменьшая нагрузку на него.Или, что еще лучше, посмотрите, есть ли способ построить вашу схему без каскада линейного регулятора с потерями.

— ПОСЛЕ СЛОВА —

Мы рассмотрели основы понимания рассеяния мощности в нескольких простых схемах постоянного тока.

Принципы, которые мы рассмотрели, являются довольно общими и могут использоваться для понимания энергопотребления в большинстве типов пассивных элементов и даже в большинстве типов интегральных схем. Однако существуют реальные ограничения, и можно потратить всю жизнь на изучение нюансов энергопотребления, особенно при более низких токах или высоких частотах, когда малые потери, которыми мы пренебрегли, становятся важными.

В цепях переменного тока многие вещи ведут себя по-разному, но правило мощности все еще сохраняется в большинстве случаев: P (t) = I (t) × В (t) для изменяющихся во времени тока и напряжения. И не все регуляторы работают с потерями: импульсные источники питания могут преобразовывать (например) 9 В постоянного тока в 5 В постоянного тока с КПД 90% или выше — это означает, что при хорошем дизайне может потребоваться всего около 0,6 А при 9 В для производят 5 В при 1 А. Но это уже отдельная история.

Знайте рассеиваемую мощность | Блоги

Туомас Хейккила

| & nbsp Создано: 30 июля 2020 г.

Понимание рассеиваемой мощности отдельного компонента, электрического блока или даже всей электронной системы очень важно для инженеров-электронщиков.Важно не только избегать превышения максимальных пределов компонентов, но и рассчитывать неизвестные параметры на входах и выходах, поскольку рассеиваемая мощность зависит от напряжения и тока системы. В этой статье я описываю свои методы анализа рассеиваемой мощности в конструкциях электроники.

Основные сведения

Сначала я рассмотрю основы рассеивания мощности, на которых основаны все мои методы анализа. Первое правило, касающееся мощности, выглядит следующим образом: входная мощность системы всегда больше выходной мощности, и никогда не может быть наоборот, т.е.е. В компонентах всегда есть некоторая потеря мощности (Ploss), и это ее рассеиваемая мощность. Рассеиваемая мощность тогда равна Pin — Pout.

Базовый поток рассеиваемой мощности представлен на рисунке 1. Если мы вводим мощность в систему, часть этой мощности теряется внутри системы на нагрев, и выходная мощность уменьшается. Таким образом, выходная мощность должна быть меньше входной.

Рисунок 1. Системный график рассеиваемой мощности

Большая часть потерь мощности в конечном итоге происходит из-за тепла внутри компонента; Обычно это считается рассеянием мощности.В случае активных компонентов часть всей мощности может быть передана в другие формы энергии, что обычно считается потребляемой мощностью. Например, в светодиодах мощность состоит из излучаемого света (потребляемая мощность) и тепла (рассеиваемая мощность). Итак, рассеиваемая мощность — это тепло, а потребляемая мощность — это мощность, которую мы хотели получить от системы. При анализе рассеиваемой мощности мы не анализируем передачу энергии, например, от электричества к свету, а анализируем только то, насколько система или компонент рассеивают мощность.

Второе правило — отношение электрической мощности к напряжению и току. Как мы знаем, это добавленное напряжение, умноженное на ток, потребляемый системой, то есть P = UI. Связь между напряжением и током — это сопротивление или импеданс, который представляет собой известный закон Ома: U = RI или U = ZI. С помощью этих двух уравнений и их комбинаций мы выполняем все следующие расчеты рассеиваемой мощности. Хорошо помнить, что эти законы действуют всегда. У нас точно такая же электрическая мощность, если добавленное напряжение составляет 5 В, а ток составляет 1 А через резистор 5 Ом, или добавленное напряжение составляет 1 В, но потребление тока составляет от 5 А до 0.Резистор 2 Ом. В обоих случаях рассеиваемая мощность составляет 5 Вт, независимо от того, рассчитываем ли мы ее с помощью напряжения и тока или тока и сопротивления. В текущих расчетах мы получаем P = RI², при P = 5 Ом * 1 А² = 5 Вт или P = 0,2 Ом * 5 А² = 5 Вт.

Третьим важным параметром при анализе рассеиваемой мощности является эффективность. Эффективность показывает, насколько хорошо энергия передается от входа к выходу.

Поскольку выходная мощность всегда меньше входной, эффективность всегда меньше 1.Технические характеристики многих «силовых» компонентов обеспечивают эффективность, и с помощью этого числа мы можем оценить количество мощности, передаваемой от входа к выходу, и, таким образом, рассчитать уровни напряжения и тока. Четвертый важный элемент, который нужно знать, — это то, что изменяется в системе; это напряжение, ток или и то, и другое? Обычно пассивные компоненты и светодиоды представляют собой «системы», в которых напряжение изменяется от входа к выходу, но ток остается неизменным. В активных системах ток, напряжение или даже оба могут измениться.Например, импульсные преобразователи обычно имеют разные напряжения и токи на входе и выходе.

Средняя или пиковая мощность рассеивания?

Часто рассеиваемая мощность непостоянна, а периодически меняется со временем. В этих ситуациях мы по-прежнему используем те же принципы для анализа рассеиваемой мощности, но мы должны понимать, что нужно рассчитывать. Если мы изобразим рассеиваемую мощность как функцию времени для средней и пиковой рассеиваемой мощности, мы получим нечто похожее на то, что представлено на рисунке 2.Средняя рассеиваемая мощность остается постоянной во времени, но при переменной рассеиваемой мощности мы видим пики мощности на графике. Рассеивание мощности — это интеграл по времени от периода [1], [2], и для случаев, показанных на Рисунке 2, рассеяние мощности — это где T = t3.

На практике интеграл вычисляет площадь, ограниченную кривыми мощности. На рисунке 2 изменяющаяся рассеиваемая мощность равна A2, а постоянная рассеиваемая мощность — A1. Если обе рассеиваемой мощности измеряются одним и тем же устройством, интегральный расчет дает одинаковый результат для обоих случаев, так что площадь A2 равна площади A1.

Рисунок 2. Средняя и пиковая рассеиваемая мощность как функция времени.

При анализе рассеиваемой мощности нам необходимо понимать, как учитывать рассеиваемую мощность переменного тока в наших расчетах. Усреднение суммирует всю мощность, рассеянную за период, и распределяет ее поровну в течение этого периода. Пиковая мощность рассеивания — это максимальная рассеиваемая мощность в определенный момент, то есть максимум p (t) в уравнении (1) [1]. Средняя рассеиваемая мощность включает пиковую рассеиваемую мощность, а также моменты, когда рассеиваемая мощность меньше или равна нулю.Таким образом, средняя рассеиваемая мощность полезна, когда нас интересует мощность, которая нагревает компонент. Рассеивание пиковой мощности полезно, когда мы используем его для анализа пиков тока и напряжения. Согласно ссылке [3], некоторые мультиметры в режиме переменного тока измеряют среднеквадратичное значение (RMS) сигнала, и это значение имеет прямое отношение к средней рассеиваемой мощности. Ссылки [1] & amp; [2] показывают, как средняя рассеиваемая мощность коррелирует с измеренными среднеквадратичными значениями сигналов переменного тока, и это соотношение:

• Pᴬⱽᴱ = Iᴿᴹˢ * Uᴿᴹˢ

Если мы рассчитаем среднюю рассеиваемую мощность, мы сможем проверить расчеты, просто измерив переменные токи и напряжения с помощью настроек переменного тока мультиметра.Конечно, если мы знаем, что в нашей системе есть условия постоянного тока, нам необходимо измерить ток и напряжение в режиме постоянного тока.

Анализ рассеиваемой мощности: изменения напряжения — постоянная тока

Первый пример прост, но применим для всех электронщиков: стабилизатор LDO. Эти регуляторы можно смоделировать, как показано на рисунке 3. Мы также можем быстро определить, что входной и выходной ток почти одинаковы, но напряжения на входе и выходе различаются. Для систем с очень малым потреблением тока ток покоя LDO становится важным, но если выходной ток относительно намного больше, чем ток покоя, мы можем его игнорировать.

Рисунок 3. Пример схемы LDO.

В этом примере у нас есть входное напряжение 5 В, регулируемое выходное напряжение 3,6 В и выходной постоянный ток 140 мА. Расчет рассеиваемой мощности для этого LDO следующий:

• Ploss = Pin — Pout
• = Vin * In — Vout * Iout
• = 5 В * 0,14 А — 3,6 В * 0,14 А
• = 0,7 Вт — 0,504 Вт
• = 0,196 Вт

Тогда эффективность

На рисунке 4 мы можем видеть реальные результаты измерений для этого примера LDO.Мы видим, что входной и выходной ток одинаковы, а входное и выходное напряжение — разные.

Рисунок 4. Измеренные напряжения и токи на примере LDO

Мы видим, что критическим параметром с точки зрения рассеиваемой мощности в системах с постоянным током является разница напряжений между входом и выходом. Для них вы должны тщательно проанализировать падение напряжения по отношению к току и заметить, что оно превращается в тепло. Вы должны убедиться, что выбранный компонент может выдерживать расчетную рассеиваемую мощность, и рассчитать его на 80% от максимального значения, указанного в паспорте.Аналогичным образом мы можем проанализировать рассеиваемую мощность пассивных компонентов, светодиодов, диодов, транзисторов и т. Д.

Анализ рассеяния мощности: изменения напряжения и тока

Наш второй пример более сложный: импульсный регулятор. Понижающий-повышающий преобразователь, представленный на рисунке 5, представляет собой систему, в которой изменяются как напряжение, так и ток. В этом примере диапазон входного напряжения составляет от 10 В до 20 В, входной ток неизвестен, так как он также зависит от входного напряжения, а расчетное выходное напряжение фиксировано на 13.5 В и требуемый выходной ток нагрузки 80 мА.

Рисунок 5. Пример повышающего повышающего преобразователя.

Мы начинаем анализ рассеиваемой мощности с оценки входного тока, который принимает преобразователь. Для этого мы используем вычисления мощности и КПД на основе закона Ома. Выходная мощность преобразователя

Для этого мы складываем уравнение эффективности и получаем

Продолжая вычисления с использованием действительных чисел (Vin 20V), представленные ранее, получаем:

• 13.5 В * 0,08 А = * 20 В * Iin
• 1,08 Вт = * 20 В * Iin

У нас есть два неизвестных параметра, и из таблицы данных импульсного преобразователя нам нужно проверить эффективность для используемых диапазонов напряжения и тока. В данном случае это примерно ƞ = 0,85. Теперь мы можем рассчитать входной ток нашего импульсного регулятора:

• Iin = 1,08 Вт / (0,85 * 20 В) = 64 мА

Теперь у нас есть все параметры для расчета рассеиваемой мощности импульсного преобразователя, и получаем:

• Ploss = Pin — Pout = 0.064A * 20V — 0,08A * 13,5V = 1,28W — 1,08W = 0,2W

Реальное измерение доказывает правильность расчетов, как показано на рисунке 6. Мы видим, что эффективность в этом фактическом образце немного выше, чем в наших расчетах, но в целом мы видим, что эта модель анализа полностью точна.

Рисунок 6. Измерения напряжения и тока в понижающем режиме пониженно-повышающего преобразователя.

Таким же образом мы можем рассчитать рассеиваемую мощность в режиме повышения мощности, мы снова можем увидеть корреляцию между нашим расчетом и реальными измерениями, как показано на рисунке 7.Теперь анализируемый входной ток составляет

.

• Iin = 13,5 В * 0,08 А / 0,85 * 10 В = 0,129 А

Рассеиваемая мощность в режиме Boost тогда:

• Ploss = Pin — Pout = 0,129A * 10V — 0,08A * 13,5V = 1,29W — 1,08W = 0,21W

Рисунок 7. Измерения напряжения и тока в повышающем режиме пониженно-повышающего преобразователя.

Импульсный преобразователь — это пример рассеяния мощности электрического блока. Он не учитывает рассеивание мощности отдельных компонентов, а только рассеивание мощности всей системы.

Что анализировать?

Рассеивание мощности тесно связано с нагревом компонента, и его важно рассчитать для всех компонентов, которые мы считаем критическими. Эти компоненты могут быть регуляторами напряжения, транзисторами, диодами, светодиодами и пассивными элементами. Для критических компонентов мы должны проверять как минимум крайнее максимальное состояние, что обычно происходит, когда среднеквадратичное потребление тока является максимальным. Нам нужно сравнить рассчитанное максимальное значение с максимальным значением компонента и убедиться, что оно ни в коем случае не превышается во время нормальной работы продукта.

Во-вторых, нам необходимо проанализировать рассеиваемую мощность критически важных электронных блоков, таких как переключающие преобразователи, схемы драйверов и силовые каскады. Для них мы можем использовать расчеты рассеиваемой мощности в качестве основной проектной работы, как мы видели в примере импульсного преобразователя. Кроме того, рассчитанную рассеиваемую мощность стоит сравнить со значениями из таблицы, но выбор отдельных компонентов для блоков электроники должен основываться на конструкции и моделировании.

Также нам необходимо проанализировать рассеиваемую мощность всей электронной системы.Нам нужно просуммировать все расчетные рассеиваемые мощности блоков электроники и сравнить их с возможностями источника питания. Таким образом, мы можем гарантировать, что наш блок питания может обеспечить необходимую мощность для устройства во всем диапазоне напряжений питания.

И последнее, но не менее важное: мы должны помнить, что большая часть рассеиваемой мощности превращается в тепло, и нам нужно проанализировать, требуется ли для электроники дополнительное охлаждение или мы можем с этим жить.

Список литературы

[1] Джо Вулф, RMS и мощность в одно- и трехфазных цепях переменного тока , веб-статья в Университете Нового Южного Уэльса, Сидней, Австралия.

[2] Фредди Альферинк, Теория и определения: Энергия и мощность.

[3] Блог на веб-сайте Fluke: Что такое истинное среднеквадратичное значение?

Динамическое рассеяние мощности — обзор

2.1.1 Основные показатели

Задержка (d) Задержка распространения, или задержка затвора, является важным показателем производительности и определяется как продолжительность времени, начиная с момента, когда вход логического элемента становится стабильным и действительным до того момента, когда выход этого логического элемента будет стабильным и действительным.Существует несколько точных определений задержки, но обычно это время, необходимое для того, чтобы выходной сигнал достиг от 10% до 90% от его конечного выходного уровня при изменении входа. Для модулей с несколькими входами и выходами мы обычно определяем задержку распространения как наихудшую задержку по всем возможным сценариям.

Емкость (C) — это способность тела удерживать электрический заряд, а его единицей согласно IS является Фарад ( F ).Емкость также можно определить как меру количества электрической энергии, сохраненной (или выделенной) для данного электрического потенциала. Для наших целей более подходящим является последнее определение.

Фактор коммутационной активности (A) узла схемы — это вероятность того, что данный узел изменит свое состояние с 1 на 0 или наоборот в заданном такте часов. Коэффициент активности — это функция топологии схемы и активности входных сигналов. Знание коэффициента активности необходимо для аналитического расчета — оценки динамического рассеивания мощности цепи, и иногда это косвенно выражается в формулах как C _{коммутируемый} , который является произведением коэффициента активности и емкости нагрузки цепи. узел C _L .В некоторой литературе вместо A используется символ α .

Энергия (E) обычно определяется как способность физической системы выполнять работу с другими физическими системами, а ее единицей СИ является Дж, ( Дж ). Общее энергопотребление цифровой схемы можно выразить как сумму двух компонентов: динамической энергии ( E _dyn ) и статической энергии ( E _stat ).

Динамическая энергия состоит из трех компонентов, которые являются результатом следующих трех источников: емкости заряда / разряда, токи короткого замыкания и выбросы. Для анализа цифровых схем наиболее актуальной является энергия, необходимая для зарядки конденсатора (переход 0 → 1), поскольку другие компоненты паразитны; таким образом, мы не можем существенно повлиять на них с помощью методов с низким энергопотреблением архитектурного уровня. По этой причине в оставшейся части этой главы термин динамическая энергия относится к энергии, затрачиваемой на зарядку / разрядку емкостей.Согласно общему определению энергии, динамическую энергию в цифровых схемах можно интерпретировать как: когда происходит переход в цифровой схеме (узел меняет свое состояние с 0 на 1 или с 1 на 0), выполняется некоторая электрическая работа; таким образом, расходуется некоторое количество электроэнергии. Чтобы получить аналитическое выражение динамической энергии, сетевой узел можно смоделировать как конденсатор C _L , который заряжается источником напряжения В _DD через цепь с сопротивлением R .В этом случае общая энергия, потребляемая для зарядки конденсатора C _L , составляет:

(1) E = CLVDD2

, где половина энергии рассеивается на R , а половина сохраняется на C _L ,

(2) EC = ER = CVDD22.

Общее статическое потребление энергии цифровой сети является результатом утечки и статических токов. Ток утечки I _утечка состоит из утечки стока, утечки перехода и тока утечки затвора, а статический ток I _DC — это постоянный ток смещения, который необходим некоторым схемам для их правильной работы.Статическая энергия в момент времени t ( t > 0) задается следующим образом:

(3) E (t) = ∫0tVDD (Ileak + IDC) dτ = VDD (IDC + Ileak) t.

По мере того, как технология CMOS продвигается на глубину менее 100 нм, энергия утечки становится такой же важной, как и динамическая энергия (или даже более важной).

Мощность (P) — это скорость, с которой выполняется работа или преобразуется энергия, а ее единицей СИ является Вт ( Вт ). Средняя мощность (которая для нашей цели более важна, чем мгновенная мощность) задается формулой: P = ΔEΔt, в которой Δ E — количество энергии, потребляемой за период времени Δ t .Источники рассеяния мощности в цифровых схемах можно разделить на два основных класса: динамические и статические. Разница между ними в том, что первая пропорциональна активности в сети и частоте коммутации, тогда как вторая не зависит от того и другого.

Динамическое рассеяние мощности, как и динамическое потребление энергии, имеет несколько источников в цифровых схемах. Наиболее важным из них является зарядная / разрядная емкость в цифровой сети, и она задается как:

(4) Pdyn = ACLVDD2f,

, где f — частота переключения, а A , C _L и V _DD были определены ранее.Остальные источники являются результатом токов короткого замыкания и глюков, и они не будут обсуждаться по указанным выше причинам.

Статическая мощность в цифровых схемах CMOS является результатом утечки и статических токов (тех же источников, которые вызывают статическую энергию). Формула статической мощности имеет следующий вид:

(5) Pstat = VDD (IDC + Ileak).

Другой связанный показатель — удельная мощность на поверхности, которая определяется как мощность на единицу площади, и ее единицей является Втм2. Эта метрика является ключевой для тепловых исследований, выбора и проектирования системы охлаждения, так как она связана с температурой данной поверхности законом Стефана – Больцмана [6].

Рассеиваемая мощность в цепях | CircuitBread

В обычном разговоре мощность часто заменяется множеством похожих, но на самом деле разных слов — энергия — это большое слово. Мощность — это количество энергии, которое расходуется за определенный период времени. Хотя мощность встречается во многих различных областях, например, в лошадиных силах в автомобилях, в электротехнике и электронике она чаще всего измеряется в ваттах. В электронике рассеиваемая мощность обычно является мерой того, сколько тепла выделяется из-за неэффективности схемы.Хотя есть исключения из этого правила, например, для нагревателей, мы хотели бы сосредоточиться на рассеивании мощности в резисторах или других компонентах.

Как найти рассеиваемую мощность с помощью резисторов

Формула мощности довольно проста:

Рассчитайте мощность, умножив напряжение и ток

Если вы знаете падение напряжения на компоненте и ток через него, вы можете вычислить рассеиваемая мощность с помощью элементарной математики. Однако, если у вас нет одной из этих двух переменных, надежда не потеряна.Используя закон Ома, мы знаем

Вычислить напряжение, умножив ток на сопротивление Вычислить ток через деление напряжения на сопротивление

Таким образом, мы можем изменить это уравнение мощности на:

Мощность равна квадрату тока, умноженному на сопротивление Мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление

Рассеиваемая мощность в устройствах хранения

Есть два компонента, которые новички иногда по ошибке пытаются вычислить, чтобы определить рассеиваемую мощность. Идеальные конденсаторы и катушки индуктивности не рассеивают энергию — они являются запоминающими устройствами.Хотя иногда конденсаторы и катушки индуктивности имеют напряжение на них и ток через них, они находятся в процессе зарядки или разрядки, и мощность не рассеивается. Обратите внимание на термин «идеальные» — на самом деле они имеют последовательное сопротивление, которое вызывает небольшое рассеивание мощности, но в большинстве случаев им можно пренебречь.

Потери мощности при переключении

Высокоэффективные источники питания, а также чрезвычайно эффективные усилители класса D используют высокоскоростное переключение для достижения своей эффективности.Теоретически усилители класса D могут достичь 100% эффективности, но на самом деле они теряют мощность при переключении между включением и выключением.

Иллюстрация, когда мощность рассеивается.

Когда переключатель разомкнут, даже при очень высоком напряжении ток отсутствует. При P = IV мощность отсутствует, если I равно нулю. Когда переключатель замкнут, даже при высоком токе на переключателе нет напряжения. Итак, опять же, если I велико, а V равно нулю, рассеиваемая мощность отсутствует. Но пока переключатель меняет состояние, сопротивление изменяется между «0» и «∞», и именно во время этого перехода мощность рассеивается.

Хорошо ли рассеивается мощность?

Конечно! Хотя электрическое отопление неэффективно, оно очень простое. Проволока сопротивления, как и нихром, является основой большинства промышленных обогревателей, тостеров и фенов. Крайне неэффективные лампы накаливания годами использовались людьми в качестве недорогих обогревателей в небольших помещениях. Итак, если ваша цель — тепло, то речь идет не столько о снижении рассеиваемой мощности, сколько о его контроле и безопасном использовании.

Общие советы по рассеиванию мощности

• Убедитесь, что ваши резисторы рассчитаны на правильную мощность. В отличие от еды, электроника не становится лучше после приготовления.
• Убедитесь, что рейтинги ИС включают или не включают радиаторы, и спланируйте соответственно. Если у вас есть TO-220, их мощность рассеивания значительно увеличивается с помощью радиатора.
• При проектировании печатных плат убедитесь, что ваши дорожки достаточно большие, чтобы иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы они не становились слишком горячими.Для этого у нас есть калькулятор.

Калькулятор ширины следа печатной платы

• При создании схемы переключения уменьшите время переключения насколько это возможно. Это достигается за счет максимально возможного увеличения скорости нарастания, что достигается за счет уменьшения емкости линии.

3.5: Рассеивание мощности в цепях резисторов

Цели обучения

• Рассеиваемая мощность в цепях резисторов.

Мы можем найти напряжения и токи в простых схемах, содержащих резисторы и источники напряжения или тока.Мы должны проверить, подчиняются ли эти переменные схемы принципу сохранения энергии: поскольку схема является замкнутой системой, она не должна рассеивать или создавать энергию. На данный момент наш подход состоит в том, чтобы сначала исследовать потребление / создание мощности цепи резистора . Позже мы докажем , что из-за KVL и KCL все цепи сохраняют электроэнергию.

Как определено на [ссылка], мгновенная мощность, потребляемая / создаваемая каждым элементом схемы, равна произведению его напряжения и тока.Общая мощность, потребляемая / создаваемая цепью, равна сумме мощностей каждого элемента.

\ [P = \ sum_ {k} v_ {k} i_ {k} \]

Напомним, что ток и напряжение каждого элемента должны соответствовать соглашению, согласно которому положительный ток определен для входа на клемму положительного напряжения. При таком соглашении положительное значение v _k i _k соответствует потребляемой мощности, отрицательное значение — создаваемой мощности. Поскольку общая мощность в цепи должна быть равна нулю ( P = 0), некоторые элементы схемы должны создавать мощность, в то время как другие потребляют ее. {2} \]

Следовательно, этот резистор рассеивает мощность, потому что P ₂ положительный.{2} Р \]

Поскольку резисторы имеют положительное значение, резисторы всегда рассеивают мощность . Но куда девается мощность резистора? При сохранении мощности рассеиваемая мощность должна где-то поглощаться. Ответ не предсказывается непосредственно теорией цепей, но физикой. Ток, протекающий через резистор, нагревает его; его мощность рассеивается теплом.

Удельное сопротивление

Физический провод имеет сопротивление и, следовательно, рассеивает мощность (нагревается, как резистор в цепи).Фактически, сопротивление провода длиной L и площадью поперечного сечения A определяется как:

\ [R = \ frac {\ rho L} {A} \]

Величина ρ известна как удельное сопротивление и представляет собой сопротивление материала единичной длины с единичной площадью поперечного сечения, составляющего провод. { 2} \]

Мы пришли к выводу, что оба резистора в нашей примерной схеме потребляют мощность, что указывает на источник напряжения как на производителя энергии.{2} \]

Это довольно общий результат: источники вырабатывают энергию, а элементы схемы, особенно резисторы, потребляют ее.

Но где источники берут энергию? Опять же, теория схем не моделирует построение источников, но теория утверждает, что все источников должны получать энергию для работы.

История рассеивания мощности

Рис. 1. Транзисторы рассчитаны на процессоры Intel с момента их создания до настоящего времени, наложенные на предсказание Мура.

В своей увлекательной книге «Видения» Мичио Каку [1] предсказывает будущее, управляемое кремнием и квантовыми компьютерами. Основываясь на информации, которая у нас есть сегодня, интересно строить предположения о том, как такое общество, основанное на кремнии, могло бы функционировать и развиваться. Как инженер-теплотехник, я не могу не задаться вопросом, как мы собираемся решать тепловые проблемы?

Потребуется ли для электроники в бытовой технике жидкостное охлаждение? Будут ли автомобили иметь специальные плавники или конечности, специально предназначенные для охлаждения бортовой электроники? Потребуются ли воздушным судам электронные системы с криогенным охлаждением, чтобы они могли безопасно летать? В качестве альтернативы, будет ли материал и все другие связанные с ним технологии развиваться, чтобы мы могли продолжать использовать естественную конвекцию в воздухе в качестве механизма охлаждения? Или возможно отдаленно наша ненасытная жажда скорости в конечном итоге утихнет, что позволит вернуться к более холодным системам?

Практически с самого начала рассеяние мощности и его неблагоприятное воздействие на электронику были предметом озабоченности в отрасли.Независимо от того, охлаждаются ли вакуумные лампы или сложные интегральные схемы, неотъемлемой частью цикла проектирования всегда было рассмотрение вопросов рассеяния и потребления мощности. Хотя уровень внимания, уделяемого тепловым вопросам, был в лучшем случае непостоянным, поскольку упаковка и электроника переходили из одной эпохи в другую, реальность такова, что важность терморегулирования для конечного успеха новых продуктов никогда не уменьшалась.

В результате рассеивания мощности в технологии охлаждения произошел значительный переход от жидкости к воздуху и, возможно, в будущем, к криогенике.Однако экономичность охлаждения в сочетании с непревзойденной надежностью естественной конвекции как системы охлаждения по-прежнему подчеркивает стремление к охлаждению систем и компонентов с помощью естественной конвекции в воздухе. С другой стороны, ограничение температуры устройства — печально известной температуры перехода — фактически остановило использование естественной конвекции в воздухе. Таким образом, рассеяние мощности на уровне устройств останется предметом спора для производителей оборудования и со временем вызовет более серьезные проблемы.

Закон или проклятие Мура

В течение нескольких десятилетий закон Мура служил маяком для предсказания плотности устройства и его последующего рассеивания мощности. Закон, названный в честь основателя Intel доктора Гордона Мура, гласит, что плотность полупроводниковых транзисторов и, следовательно, производительность удваиваются примерно каждые 18 месяцев. Доктор Мур сделал свое предсказание в 1970-х годах, и история подтверждает его вывод, как показано на Рисунке 1 [2].

Интересно наблюдать, как промышленность микропроцессоров соблюдает закон Мура.Кстати, полезно отметить, что эта тенденция касается и других компонентов, помимо микропроцессоров. Хотя отраслевых данных мало, развитие КМОП-технологии явно указывает на ту же тенденцию.

В 70-х и 80-х годах закон Мура был предметом обсуждения — и большого недоверия. Многие люди никогда не ожидали увидеть такую ​​плотность. Более того, как только плотность транзисторов была преобразована в рассеиваемую мощность, неверие в закон Мура еще больше усилилось, поскольку плотности теплового потока стали конкурировать с температурами возвращения космического корабля.В одном простом примере с телекоммуникациями мы наблюдали скачок теплового потока за короткий промежуток времени в десять лет с 0,5 Вт / см ² до более чем 10 Вт / см ² — в 20 раз! В качестве примечания, текущее отсутствие технологии охлаждения и бездействие отрасли управления температурным режимом в ее дальнейшем развитии можно напрямую отнести к неверию в закон Мура. Итак, если смотреть с точки зрения терморегулирования, кажется, что закон Мура был скорее проклятием.

Проекция рассеяния мощности

Проницательные наблюдения Гордона Мура о развитии устройств напрямую связаны с рассеиваемой мощностью.На рис. 2 показана зависимость рассеиваемой мощности некоторых типичных микропроцессоров Intel от времени [3].

Рис. 2. Временной график рассеиваемой мощности микропроцессора корпорации Intel.

Разброс данных ясно указывает на технологические достижения по снижению мощности. Но общая тенденция — экспоненциальное увеличение рассеиваемой мощности со временем. Эта тенденция характерна не только для технологий одной компании. Когда мы смотрим на AMD Corporation, рисунок 3, мы видим ту же тенденцию, когда мы строим график зависимости рассеиваемой мощности от частоты устройства в зависимости от времени.Даже если мы посмотрим на более энергоэффективную электронику, такую ​​как портативные системы, на Рисунке 4, мы увидим ту же тенденцию, что и на Рисунке 2.

Рис. 3. Рассеиваемая мощность микропроцессоров семейства AMD Corp. K6 как функция времени (скорость часов отражает историю времени).

Рис. 4. Рассеиваемая мощность мобильных микропроцессоров Intel Corp. как функция времени (тактовая частота отражает историю времени).

При современных устройствах и производственных технологиях все индикаторы отрасли указывают на значительное увеличение мощности со временем.Ни один из представленных выше графиков не указывает на то, что рассеиваемая мощность на уровне микросхемы — а затем и на уровне системы — снижается или даже достигает плато.

Причина увеличения рассеиваемой мощности

В основе этого увеличения рассеиваемой мощности лежат два причинных фактора: скорость и количество вентилей на кремнии. На протяжении многих лет прилагалось много усилий для уменьшения размеров устройств (транзисторов, диодов и т. Д.) На кремниевой пластине. Более десяти лет назад 1.5 микрон (мкм) оказались пределом, и это вызвало большой энтузиазм по поводу возможностей этой новой технологии. Сегодня, напротив, геометрия до 0,18 мкм набирает популярность и вскоре становится стандартом. Размер устройства 0,18 мкм, как и его предшественники, вызвал большой интерес, поскольку разработчики микросхем рассматривали продукты «система на кристалле». Рисунок 5 иллюстрирует технологию устройств Intel в зависимости от времени. График на временной шкале ясно показывает быстрое уменьшение размера детали как функцию времени, и эта тенденция не показывает никаких признаков достижения асимптотического условия (плато).Если мы определим нижний предел размера в атомном или молекулярном масштабе, окажется, что тенденция к снижению будет продолжаться, что будет сопровождаться проблемой разработки производственного оборудования, способного изготавливать такие маленькие детали (транзисторы, диоды и т. Д.).

Рис. 5. Технология устройств Intel как функция времени.

Интересно рассмотреть, что произойдет, если наложить рисунки 2 и 5. Хотя это и не показано в этой статье, очевидно, что по мере того, как технология уменьшала размер деталей, рассеиваемая мощность, связанная с увеличением скорости, продолжала расти.Таблица 1 проливает свет на этот процесс [4]. В таблице указано количество вентилей, используемых в устройстве, и рассеиваемая мощность по мере развития технологии устройства. Ряд важных моментов помогает нам понять, почему рассеиваемая мощность увеличилась и будет продолжать увеличиваться.

Прежде всего, мы замечаем десятикратное увеличение количества вентилей на устройство с 1995 года по настоящее время. Ожидается, что к 2001 году это число вырастет до 6-8 миллионов. За последние четыре года размер элементов уменьшился с 0.От 35 до 0,25 мкм. Действительно, последнее является почти отраслевой нормой, и на горизонте маячит 0,18 мкм. Точно так же напряжение, которое активирует устройство, снизилось с 3,3 В в 1995 году до 2,5 В в 1999 году и, вероятно, продолжит снижаться в ближайшем будущем.

Самый интригующий и, возможно, сбивающий с толку момент связан с властью. Энергопотребление на гейт резко снизилось с 0,64 до 0,15 Вт / гейт / МГц. Тем не менее, общая рассеиваемая мощность резко возросла практически для всех компонентов, представленных на рынке.Это явление можно объяснить двумя факторами: увеличением количества устройств на кристалле (вентили / устройство) и быстродействием. Как показано в Таблице 1, промышленность в целом размещает все больше деталей на микросхемах. Кроме того, скорость обработки данных резко возросла, что очевидно в индустрии процессоров (см. Рисунки 1–4).

Год	№ Ворота / Устройство	Элемент Размер (мкм)	Напряжение	Мощность (мкВт / гейт / МГц)
1995	300k	.035	3,3 В	0,64
1997	1 мес.	0,25	3,0 В	0,27
1999	3 мес.	0,25	2,5 В	0,15

Таблица 1. Счетчик ворот и тренд мощности по дате для стандартных устройств [4].

Простой расчет демонстрирует влияние скорости на рассеиваемую мощность. Предположим, у нас есть два устройства, 500 и 600 МГц соответственно, каждое из которых содержит пять миллионов частей (вентилей).Если использовать сегодняшнюю технологию, мощность будет 0,15. Выполнив простой алгебраический расчет, мы можем определить, что рассеиваемая мощность в таком устройстве составляет 375 Вт и 450 Вт для кристаллов 500 и 600 МГц соответственно. Такое рассеивание мощности в пространственно ограниченном окружении порой выходит за рамки воображения.

Чтобы оценить эти уровни мощности и их влияние, давайте сравним лампочку мощностью 100 Вт с устройством с шариковой решеткой (BGA), которое рассеивает 25 Вт (Таблица 2).

	Лампочка	Корпус BGA
Рассеиваемая мощность	100 Вт	25 Вт
Площадь поверхности	106см 2 (площадь поверхности лампы)	1.96 см 2 площадь матрицы
Тепловой поток	0,9 Вт / см 2	12,75 Вт / см 2

Таблица 2. Сравнение теплового потока между лампочкой и корпусом BGA.

Тепловой поток лампочки примерно в 13 раз меньше, чем у BGA. Кроме того, лампочка может рассеивать тепло через всю комнату, тогда как BGA ограничен небольшим пространством между двумя печатными платами.Конечно, мы не хотим прикасаться к лампочке, которая горела какое-то время. Таким образом, вы можете представить себе потенциальную температуру устройства, расположенного на печатной плате с такой плотностью мощности. Таким образом, мы можем сделать вывод, что сочетание более высокой скорости, количества деталей на кристалле и пространственных ограничений в совокупности приводит к рассеиванию мощности и ситуации управления температурой, которую сложно, если не невозможно, удовлетворить с сегодняшними технологическими и конструктивными ограничениями, например, T _{Дж, макс.} = 125 ° C.

Источник питания в КМОП-технологии

В различных сегментах электронной промышленности рассеяние мощности устройств стало важным фактором при разработке ASIC. Успешный дизайн микросхемы требует учета низкой мощности и определения мест (пятен) на кристалле, где происходит рассеяние мощности. Целью проектирования является минимизация температуры соединения устройства, поскольку температура напрямую влияет на характеристики кристалла (скорость, опускание и способность источника).Следовательно, понимание источника энергии может пролить свет на то, что может предложить будущее, и, возможно, выявить ограничения, с которыми в настоящее время сталкивается дизайнер.

«Современные передовые конструкции ИС содержат миллионы транзисторов и работают с тактовой частотой, приближающейся к 1 ГГц. Эти конструкции, которые объединяют аналоговую схему, память, стандартную логику ячеек и пользовательские ядра процессора, действительно представляют собой системы на кристалле. Полупроводниковая технология на длине волны 350 нм находится в массовом производстве по всему миру, и дорожная карта распространяется на все меньшие геометрические размеры.Поскольку размеры устройства продолжают уменьшаться в этой глубоко субмикронной или нанометровой области, физические характеристики полупроводниковых устройств становятся все более сложными. Разработчики сталкиваются с новыми проблемами точного прогнозирования характеристик схемы. Кроме того, по мере увеличения как тактовой частоты, так и количества устройств на кристалле потребление энергии становится серьезной проблемой. Для портативных приложений длительное время автономной работы чрезвычайно важно для повышения конкурентоспособности конечного продукта.Для непереносных приложений чрезмерное тепло, выделяемое из-за высокого энергопотребления, может привести к проблемам с надежностью устройства »[5].

Независимо от области применения к рассеянию мощности в цифровых КМОП-схемах относятся три компонента:

1. Ток динамического переключения используется в нагрузочной емкости цепи зарядки и разрядки, которая состоит из емкости затвора и межсоединения. Чем больше этот динамический ток переключения, тем быстрее вы сможете заряжать и разряжать емкостные нагрузки, и ваша схема будет работать лучше.

2. Ток короткого замыкания — это ток, который протекает между источниками питания в течение периода времени, когда оба p- и n-канальных устройства включены во время переходов сигналов на входах логических вентилей. Ток короткого замыкания увеличивается с увеличением времени перехода сигнала.

3. Утечка или постоянный ток в режиме ожидания возникает из-за подпороговой проводимости в полевых МОП-транзисторах. Этот ток не зависит от коммутационной активности, но сильно зависит от напряжения источника питания и рабочей температуры.Ток утечки обычно невелик, но в больших конструкциях со сверхнизким энергопотреблением (например, в запоминающих устройствах) он может составлять большую часть мощности, потребляемой устройством в режиме ожидания »[5].

Коммутационная мощность является основным источником потребления энергии на кристалле CMOS. Каждый раз, когда транзистор переключает состояние, он либо нагнетает заряд в конденсатор (нагрузку), либо разряжает конденсатор на землю. В полном цикле заряд снимается с рейки и перекачивается на землю. Это производит ток, который, умноженный на напряжение на шине, равен мощности.Если транзистор переключается не так часто, меньше заряда перемещается и мощность меньше. Вот почему ограничение активности транзисторов — отличный способ ограничить мощность.

Есть и другие виды мощности, о которых стоит беспокоиться, в частности, статическая мощность и мощность утечки. Статическая сила, как следует из названия, постоянна с активностью. Многие аналоговые схемы обладают статической мощностью, поскольку они постоянно «включены» и потребляют мощность с относительно стабильной скоростью. Биполярные цепи потребляют постоянный ток, а также ток переключения [6].

Проблема с питанием КМОП-устройств не удивила производителей микросхем, и они активно снижали свои напряжения (Таблица 1). Но для любого, кто наблюдал рост энергопотребления микропроцессоров даже при понижении напряжения, очевидно, что простого понижения напряжения недостаточно (рисунки с 1 по 4).

Из приведенного выше обсуждения становится ясно, что впереди предстоит значительная работа по снижению и управлению рассеиваемой мощностью в КМОП-устройствах. В связи с желанием рынка уменьшить размер и разместить системы на микросхемах, очевидно, что для управления этой ситуацией требуются усовершенствования в схемотехнике и материалах, поскольку ни скорость, ни размер не способствуют снижению энергопотребления.В противном случае закон Мура по-прежнему будет применяться, и наблюдаемые здесь тенденции в области власти будут продолжать действовать.

Роль технологий

Электронная промышленность пыталась полагаться на технологии, чтобы спасти ее от воздействия рассеяния мощности. Переход с электронных ламп на кремниевые и с биполярных на КМОП, похоже, не решил проблему. На рисунке 6 показана роль технологий охлаждения и контуров за последние несколько десятилетий.

Рисунок 6.Тенденции в области тепловой и схемотехники на протяжении нескольких десятилетий.

В шестидесятые годы потребление / рассеяние мощности ранней электроники было высоким. Поскольку очевидных пространственных ограничений не было, обеспечение охлаждения большой мощности в больших помещениях было нормой. Тем не менее, ограничения как по скорости, так и по размеру вынудили усовершенствовать конструкцию схем и материалы, которые резко снизили мощность и впоследствии потребовали технологии низкого охлаждения и естественной конвекции в воздухе. Только несколько экзотических или высокоскоростных компьютеров требовали либо кондиционирования воздуха, либо принудительного конвекционного охлаждения воздухом.Эта зона комфорта продолжала доминировать в течение многих лет и создавала ложное чувство безопасности, что проблема тепла, возможно, была преодолена. Это было еще больше усилено агрессивным внедрением КМОП-технологии, которая продолжает заменять биполярную технологию [7]. Сравнение двух технологий, изображенных на Рисунке 7, ясно показывает, что новая технология купила промышленность всего за 10 лет. Как показано, КМОП и биполярные технологии совпали друг с другом со сдвигом во времени на 10 лет.

Рис. 7. Тенденции рассеивания мощности, сравнение биполярных и КМОП-технологий, [7].

Лишь несколько компаний, занимающихся высокоскоростными вычислениями и военными / космическими приложениями, доказали, что являются исключениями из нормы. Остальная часть отрасли рассматривала вопросы управления температурным режимом просто как вопрос добавления радиаторов !!! С начала девяностых годов, когда стали популярны персональные компьютеры, а затем и Интернет, а затем и появился легкий доступ к ним, произошла смена парадигмы.Это был вопрос скорости. Массовый доступ к электронике и потребители, ожидающие мгновенного ответа (например, включения света), вынудили многие компании предлагать высокоскоростные системы и услуги. Требования к скорости требовали устройств и систем меньшего размера. Следовательно, рассеяние мощности стало серьезной проблемой, и ее управление является важной технологией в электронной промышленности. Более того, нет никаких признаков уменьшения скорости цепи или изменения требований к пространству. Технологический прогресс, вероятно, единственный спаситель для решения текущих и будущих проблем; это внедрение новых материалов, новых технологий охлаждения и смена парадигмы концепций и способов реализации технологий охлаждения.

Взгляд в будущее

Как мы определяем будущее? Это довольно сложная задача. Для целей этого обсуждения давайте определим его как краткосрочное (от 3 до 10 лет), так и долгосрочное (что-либо более 10 лет).

Исходя из того, что нам известно на сегодняшний день, сделать некоторые прогнозы на следующие 5–10 лет довольно просто. Если в реализации технологии не будет поэтапных изменений и нет данных, подтверждающих, что такой сдвиг произойдет, очевидно, что рассеяние мощности станет серьезным узким местом в отрасли.На ближайшее будущее все данные, представленные здесь и в других местах, указывают на то, что тепловые потоки на уровне 40-50 Вт / см ² являются нормой, а не исключением. За исключением специализированной электроники, которая может превышать эти уровни (сверхскоростные компьютеры и космические / военные приложения), это подразумевает рассеивание мощности платы в несколько сотен ватт и систем в несколько киловатт. Более того, нет никаких признаков того, что скорость снижается или что промышленность отходит от концепции системы на кристалле.Сочетание скорости, компактности и системных характеристик доводит до предела рассеиваемую мощность и ее управление.

Трудно предсказать далекое будущее. Много интересных работ, проводимых в промышленных и государственных лабораториях, может обеспечить сдвиг, к которому стремится электронная промышленность. Некоторые из этих технологий включают кремний-германий (SiGe) и обещают освободить промышленность от закона Мура! Другая технология включает в себя аморфные вычисления, когда крошечные самоорганизующиеся компьютеры подвешены в растворе электролита.Другие экзотические технологии включают вычисления и обработку сигналов на основе ДНК, оптических и квантовых машин. Эти технологии революционизируют всю концепцию обработки сигналов и вычислений. Возможности безграничны, а препятствия на пути к созданию реальных приложений с использованием этих технологий огромны.

Устранят ли будущие технологии проблемы, связанные с рассеиванием мощности? Честный ответ: «Не знаю». В настоящее время мы не можем сказать, отменит ли SiGe закон Мура или, как CMOS, просто выиграет нам время.Экзотические концепции, которые активно исследуются — ДНК, оптика и тому подобное — слишком свежи на чертежной доске, чтобы полностью понять их значение для практического развития.

Реальность — проблемы ближайшего будущего — 2005 год, когда экзотические решения еще не сформированы и не внедрены. Все данные говорят о том, что рассеиваемая мощность устройства будет экспоненциально увеличиваться со временем. Более того, учитывая ожидаемые тепловые потоки, управление тепловым режимом таких систем невозможно с сегодняшними технологическими и конструктивными ограничениями.Очевидно, что электронная промышленность не смогла сдержать или контролировать рост рассеиваемой мощности. Таким образом, чтобы создать функциональные системы, которые могут удовлетворить ожидания потребителей, мы должны согласиться с изменением парадигмы. Либо мы должны принять более медленные системы с большими объемами, либо перейти к решениям по управлению температурным режимом, которые резко отличаются от того, что принято сегодня.

Ссылки:

1. Каку, М. «Видения — как наука революционизирует 21 век», Anchor Book, 1997.
2. Колвелл, Р. «Проблемы мощности процессора, 1999», ISPLED ’99.
3. Личное общение с Р. Коулвеллом, Intel Corporation.
4. Lucent Technology Microelectronics Data Book
5. Руби, У. М. Веб-публикация «Управление рассеянием мощности в конструкциях системы на кристалле».
6. Френкил, Г. «Управление рассеянием мощности в субмикронных ИС», Интернет-публикация.
7. Чу, Р.С., Саймонс, Р.Э., и Крайслер, Г.М., «Экспериментальное исследование усовершенствованного термосифонного теплового контура для охлаждения модуля высокопроизводительной электроники», Труды 15-го симпозиума IEEE Semiconductor Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, стр.1-9, 1999.

Переход к конструкции SoC с низким энергопотреблением при одновременном повышении производительности

Раньше, в эпоху настольных ПК, основной целью проектирования СБИС была оптимизация скорости вычислительных функций в реальном времени, таких как игры, сжатие видео и графика. Благодаря этому у нас теперь есть полупроводниковые ИС, которые могут объединять различные блоки графической обработки и модули обработки сигналов, способные удовлетворить наши потребности в развлечениях и вычислениях. Хотя эти проектные усилия позволили достичь вычислительной мощности в реальном времени, они не удовлетворили растущую потребность в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, которые достаточно способны выполнять те же сложные операции, не потребляя столько энергии.

Растущий спрос на портативные и даже носимые электронные устройства для связи, вычислений и развлечений потребовал увеличения срока службы батареи, снижения энергопотребления и веса устройства. Учитывая это, кажется, что существует необходимость в разработке решения, которое могло бы использовать методы проектирования с низким напряжением и низким энергопотреблением. Теперь, когда энергопотребление также рассматривается как важный критерий при проектировании СБИС, пространство для проектирования может быть расширено, что усложняет и без того важные задачи.Чтобы создать идеальное решение этой проблемы, «конструкция с низким энергопотреблением» должна рассматриваться как решающий фактор.

Рассеиваемая мощность в СБИС

Сегодняшним потребителям нужно устройство, в котором есть все самые современные функции, по разумно низкой цене. Им нужны мобильные устройства и приложения, которые обеспечивают тот же уровень эффективности, что и их немобильные аналоги, без ущерба для срока службы батареи. Если мы проанализируем основные функции, которые потребители просят от смартфона, около 70% пользователей хотят длительного разговора и работы в режиме ожидания.Им нужны более изящные мобильные телефоны, для которых может потребоваться высокая степень интеграции кремния, используемая для продвинутых процессов; однако эти процессы имеют более высокое рассеивание мощности, что дополнительно приводит к повышению температуры.

Рассеиваемая мощность может быть определена как произведение общего тока, подаваемого в цепь, на общую потерю напряжения или ток утечки. Когда дело доходит до портативности устройств, рассеяние мощности является неизбежным ограничением.

Почему энергопотребление так важно в SoC?

Управление питанием важно в системе на кристалле по следующим причинам:

• Затраты на упаковку и охлаждение
• Время работы в режиме ожидания и время работы от аккумулятора
• Устойчивость к цифровым помехам
• Заботы об окружающей среде

Типы рассеиваемой мощности

В схемах рассеиваемая мощность можно разделить на следующие типы:

Статическое рассеяние мощности: Рассеивание мощности происходит в виде тока утечки, когда система не запитана или находится в режиме ожидания.В схемах есть несколько источников тока утечки, включая допороговую утечку, утечку диодов вокруг транзисторов и n-колодцев, туннельные токи, утечку затвора и т. Д.

Динамическое рассеяние мощности : Логические переходы заставляют логические вентили заряжать и разряжать нагрузочную емкость. Другими словами, этот тип рассеивания мощности происходит из-за коммутационной активности транзисторов.

Минимизация рассеиваемой мощности за счет конструкции с низким энергопотреблением

Компании СБИС могут принять ряд мер для уменьшения рассеиваемой мощности.Некоторые из способов реализации конструкции с низким энергопотреблением обсуждаются ниже:

Уменьшить напряжение питания

Снижение напряжения может оказаться эффективным способом снижения энергопотребления. Без необходимости в каких-либо специальных технологиях или схемах уменьшение напряжения питания в два раза может привести к снижению потребляемой мощности в четыре раза. Однако производительность также снижается из-за снижения напряжения питания, чего можно избежать, уменьшив пороговое напряжение.

Физическая емкость

Динамическое энергопотребление схемы напрямую зависит от коммутируемой физической емкости. Таким образом, помимо снижения напряжения, уменьшение емкости может быть еще одним способом снижения рассеяния.

Процесс проектирования

СБИС с низким энергопотреблением может быть достигнута путем оптимизации на многих уровнях процесса проектирования, начиная с системного и алгоритмического уровней и заканчивая уровнями схем и топологий.

Системный уровень

Разделение на разделы и отключение питания

Уровень алгоритма

Сложность, регулярность и параллелизм

Архитектурный уровень

Параллелизм, избыточность, конвейерная обработка и кодирование данных

Цепь уровня (логика)

Рекуперация энергии, стили логики и размер транзисторов

Технологический уровень

Устройства понижения порога и многопороговые устройства

Завершение

С ростом числа портативных устройств каждый из нас хочет иметь мощное, компактное и энергоэффективное устройство.

No related posts.