Facând lumea un loc mai bun, un om de știință nebun rău la un moment dat.

componentele

O provocare permanentă în proiectarea circuitelor electronice este selectarea componentelor adecvate care nu numai că își îndeplinesc sarcinile preconizate, dar vor supraviețui și în condiții de funcționare previzibile. O mare parte a acestui proces se asigură că componentele dvs. vor rămâne în limitele lor de funcționare în condiții de siguranță în ceea ce privește curentul, tensiunea și puterea. Dintre aceste trei, porțiunea „putere” este adesea cea mai dificilă (atât pentru noii veniți, cât și pentru experți), deoarece zona de operare sigură poate depinde atât de puternic de particularitățile situației.

În cele ce urmează, vom introduce câteva dintre conceptele de bază ale disipării puterii în componentele electronice, cu un ochi către înțelegerea modului de selectare a componentelor pentru circuite simple, având în vedere limitările de putere.

- PORNIRE SIMPLĂ -

Să începem cu unul dintre cele mai simple circuite imaginabile: o baterie conectată la un singur rezistor:

Aici, avem o singură baterie de 9 V și o singură baterie de 100? (100 Ohm) rezistor, conectat cu fire pentru a forma un circuit complet.

Destul de ușor, nu? Dar acum o întrebare: Dacă doriți să construiți de fapt acest circuit, cât de mare este un 100? rezistență pe care trebuie să o folosiți pentru a vă asigura că nu se supraîncălzește? Adică, putem folosi doar un rezistor regular W „obișnuit”, ca cel de mai jos, sau trebuie să mergem mai mari?

Pentru a afla, trebuie să putem calcula cantitatea de putere pe care rezistența o va disipa.
Iată regula generală pentru calcularea disipării puterii:

Regula de putere: P = Eu × V
Dacă un curent Eu curge printr-un element dat din circuitul dvs., pierzând tensiunea V în acest proces, atunci puterea disipată de acel element de circuit este produsul acelui curent și tensiune: P = Eu × V.

Deoparte:
Cum poate curentul de tensiune să ajungă să ne ofere o măsurare a „puterii”?

Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să ne amintim ce reprezintă fizic curentul și tensiunea.

Curentul electric este rata de curgere a sarcinii electrice prin circuit, în mod normal exprimată în amperi, unde 1 amper = 1 coulomb pe secundă. (Coulombul este unitatea SI de sarcină electrică.)

Tensiunea, sau mai formal, potențialul electric, este energia potențială pe unitate de sarcină electrică - în elementul circuitului în cauză. În majoritatea cazurilor, vă puteți gândi la aceasta ca la cantitatea de energie care este „consumată” în element, pe unitate de încărcare care trece. Potențialul electric este în mod normal măsurat în volți, unde 1 volt = 1 joule per coulomb. (Joule-ul este unitatea SI a energiei.)

Deci, dacă luăm un curent de două ori mai mare decât o tensiune, aceasta ne dă cantitatea de energie care este „consumată” în element, pe unitate de încărcare, ori numărul acelor unități de încărcare care trec prin element pe secundă:

1 amper × 1 volt =
1 (coulomb/secundă) × 1 (joule/coulomb) =
1 joule/secundă

Cantitatea rezultată este în unități de un joule pe secundă: o rată de curgere a energiei, mai bine cunoscută sub numele de putere. Unitatea de putere SI este watt, unde 1 watt = 1 joule pe secundă.

În cele din urmă, avem

1 amper × 1 volt = 1 watt

Înapoi la circuitul nostru! Pentru a utiliza regula puterii (P = Eu × V), trebuie să cunoaștem atât curentul prin rezistor, cât și tensiunea din rezistor.

Mai întâi, folosim legea lui Ohm ( V = Eu × R ), pentru a găsi curentul prin rezistor.
• Tensiunea pe rezistor este V = 9 V.
• Rezistența rezistorului este R = 100 ?.

Prin urmare, curentul prin rezistor este:

Apoi, putem folosi regula puterii ( P = Eu × V ), pentru a găsi puterea disipată de rezistor.
• Curentul prin rezistor este Eu = 90 mA.
• Tensiunea pe rezistor este V = 9 V.

Prin urmare, puterea disipată în rezistor este:

Deci, puteți merge mai departe și puteți utiliza acel rezistor de 1/4 W?

Nu, pentru că probabil nu va reuși din cauza supraîncălzirii.
Cele 100? rezistența din acest circuit trebuie evaluată pentru cel puțin 0,81 W. În general, se alege următoarea dimensiune disponibilă mai mare, 1 W în acest caz.

Un rezistor de 1 W vine de obicei într-un pachet fizic mult mai mare, ca cel prezentat aici:

(A 1 W, 51? Rezistor, pentru compararea dimensiunilor.)

Deoarece un rezistor de 1 W este mult mai mare din punct de vedere fizic, ar trebui să fie capabil să se descurce cu disiparea unei cantități mai mari de putere, cu suprafața sa mai mare și cablurile mai largi. (S-ar putea să fie încă foarte cald la atingere, dar nu ar trebui să se încălzească suficient pentru a eșua.)

Iată un aranjament alternativ care funcționează cu patru 25? rezistențe în serie (care încă adaugă până la 100?). În acest caz, curentul prin fiecare rezistor este încă de 90 mA. Dar, deoarece există doar un sfert din tensiune pe fiecare rezistor, există doar un sfert din puterea disipată în fiecare rezistor. Pentru acest aranjament, este nevoie doar ca cele patru rezistențe să fie evaluate pentru 1/4 W.

În afară de aceasta: Trecerea la acest exemplu.

Deoarece cele patru rezistențe sunt în serie, le putem adăuga valorile împreună pentru a obține rezistența lor totală, 100? Folosirea legii lui Ohm cu această rezistență totală ne oferă din nou curentul de 90 mA. Și din nou, deoarece rezistențele sunt în serie, același curent (90 mA) trebuie să curgă prin fiecare, înapoi la baterie. Tensiunea pe fiecare 25? rezistor este atunci V = Eu × R, sau 90 mA × 25? = 2,25 V. (Pentru a verifica de două ori dacă acest lucru este rezonabil, rețineți că tensiunile din cele patru rezistențe însumează până la 4 × 2,25 V = 9 V.)

Puterea fiecărui individ 25? rezistor este P = Eu × V = 90 mA × 2,25 V? 0,20 W, un nivel sigur pentru utilizarea cu un rezistor de 1/4 W. Intuitiv, are sens și că dacă împărțiți până la 100? rezistență în patru părți egale, fiecare ar trebui să disipeze un sfert din puterea totală.

- Dincolo de rezistoare -

Pentru următorul exemplu, să luăm în considerare următoarea situație: Să presupunem că aveți un circuit care preia intrarea de la o sursă de alimentare de 9 V și că are un regulator liniar la bord pentru a reduce tensiunea la 5 V, unde totul funcționează de fapt. Sarcina dvs., la capătul de 5 V, ar putea ajunge la 1 A.

Cum arată puterea în această situație?

Regulatorul acționează în esență ca un rezistor variabil mare, care își reglează rezistența după cum este necesar pentru a menține o ieșire consistentă de 5 V. Când sarcina de ieșire este completă de 1 A, puterea de ieșire furnizată de regulator este de 5 V × 1 A = 5 W, iar puterea de intrare în circuit prin sursa de alimentare de 9 V este de 9 W. Tensiunea a scăzut pe regulator este de 4 V și la 1 A, asta înseamnă că 4 W sunt disipate de regulatorul liniar - de asemenea, diferența dintre puterea de intrare și puterea de ieșire.

În fiecare parte a acestui circuit, relația de putere este dată de P = Eu × V. Două părți - regulatorul și sarcina - sunt locuri în care puterea este disipată. Și în partea circuitului de pe sursa de alimentare, P = Eu × V descrie puterea intrare la sistem - tensiunea crește pe măsură ce curentul circulă prin sursa de alimentare.

În plus, merită menționat faptul că noi nu am spus ce fel de încărcare trage că 1 A. Puterea este consumată, dar asta nu înseamnă neapărat că este transformată în (doar) energie termică - ar putea fi alimentarea unui motor sau alimentarea unui set de încărcătoare de baterii, de exemplu.

Deoparte:
În timp ce o configurare de regulator de tensiune liniară ca aceasta este o foarte configurare obișnuită pentru electronice, merită subliniat faptul că acesta este și un incredibil de ineficient aranjament: 4/9 din puterea de intrare este pur și simplu arsă sub formă de căldură, chiar și atunci când este acționată la curenți mai mici.

- CÂND NU EXISTĂ O SPECIFICAȚIE SIMPLĂ „PUTERE” -

Apoi, o parte puțin mai provocatoare: asigurarea faptului că regulatorul dvs. poate gestiona puterea. În timp ce rezistențele sunt etichetate clar cu capacitatea lor de putere, regulatoarele liniare nu sunt întotdeauna. În exemplul nostru de regulator de mai sus, să presupunem că folosim un regulator L7805ABV de la ST (foaie de date aici).


(Foto: o carcasă tipică TO-220, tipul utilizat de regulă pentru regulatoarele liniare de putere medie)

L7805ABV este un regulator liniar de 5 V într-un pachet TO-220 (similar cu cel prezentat mai sus), care este evaluat pentru curent de ieșire de 1,5 A și tensiune de intrare de până la 35 V.

Naiv, ați putea ghici că puteți conecta acest drept până la o intrare de 35 V și vă așteptați să obțineți 1,5 A de ieșire, ceea ce înseamnă că regulatorul ar radia 30 V * 1,5 A = 45 W de putere. Dar acesta este un pachet mic de plastic; de fapt nu poate suporta atâta putere. Dacă vă uitați în foaia de date din secțiunea „Evaluări maxime absolute”, pentru a încerca să găsiți câtă putere poate suporta, tot ceea ce spune este „Limitat intern” - ceea ce este altceva decât clar pe cont propriu.

Se pare că există o putere nominală reală, dar de obicei este oarecum „ascunsă” în foaia tehnică. Vă puteți da seama uitându-vă la câteva specificații conexe:

• TOP, interval de temperatură a joncțiunii de funcționare: -40 până la 125 ° C

• RthJA, mediu de joncțiune cu rezistență termică: 50 ° C/W

• RthJC, carcasă de joncțiune cu rezistență termică: 5 ° C/W

Gama de temperatură a joncțiunii de funcționare, TOP, specifică cât de fierbinte este „joncțiunea” - partea activă a circuitului integrat al regulatorului - înainte de a intra în oprire termică. (Oprirea termică este limita internă care face ca puterea regulatorului să fie „limitată intern”.) Pentru noi, aceasta este de maximum 125 ° C.

Rezistența termică joncțiune-ambiantă RthJA (adesea scrisă ca? JA), ne spune cât de fierbinte se îmbină atunci când (1) regulatorul disipă o anumită cantitate de putere și (2) regulatorul stă în aer liber, la o anumită dată temperatura ambientala. Să presupunem că trebuie să proiectăm regulatorul nostru pentru a funcționa numai în condiții comerciale modeste, care nu vor depăși 60 ° C. Dacă trebuie să menținem temperatura de joncțiune sub 125 ° C, atunci creșterea maximă a temperaturii pe care o putem permite este de 65 ° C. Dacă avem RthJA de 50 ° C/W, atunci puterea maximă pe care o putem permite este de 65/50 = 1,3 W, dacă dorim să împiedicăm regulatorul să intre în oprire termică. Este mult sub 4 W la care ne-am aștepta cu un curent de încărcare de 1 A. De fapt, putem tolera doar 1,3 W/4 V = 325 mA de curent mediu de ieșire fără a trimite regulatorul în oprire termică.

Totuși, acest lucru este pentru cazul TO-220 care radiază în aerul înconjurător - aproape o situație în cel mai rău caz. Dacă putem adăuga un radiator sau altfel răcori regulatorul, putem face mult mai bine.

Capătul opus al spectrului este dat de cealaltă specificație termică: carcasa de joncțiune a rezistenței termice, RthJC. Aceasta specifică cât de multă diferență de temperatură vă puteți aștepta între joncțiunea și exteriorul pachetului TO-220: doar 5 ° C/W. Acesta este numărul relevant dacă puteți elimina rapid căldura din pachet, de exemplu, dacă aveți un radiator foarte bun conectat la exteriorul pachetului TO-220. Cu un radiator mare și cuplare perfectă la acel radiator, la 4 W, temperatura de joncțiune ar crește cu doar 20 ° C peste temperatura radiatorului dvs. Aceasta reprezintă încălzirea minimă absolută la care vă puteți aștepta în condiții ideale.

În funcție de cerințele de inginerie, puteți începe din acest moment pentru a construi un buget de putere completă, pentru a ține cont de conductivitatea termică a fiecărui element al sistemului dvs., de la regulator în sine, la plăcuța de interfață termică dintre acesta și radiator, până la cuplarea termică a radiatorului cu aerul ambiant. Puteți verifica apoi cuplajele și temperaturile relative ale fiecărei componente cu un termometru cu infraroșu fără contact cu citire la fața locului. Dar, de multe ori, este o alegere mai bună să reevaluăm situația și să vedem dacă există o modalitate mai bună de a face acest lucru.

În situația actuală, s-ar putea lua în considerare trecerea la un regulator de montare la suprafață care oferă o capacitate mai bună de manipulare a puterii (utilizând placa de circuit ca radiator) sau ar putea fi util să adăugați un rezistor de putere (sau diodă zener) înainte de regulator să scadă cea mai mare parte a tensiunii in afara pachetul regulatorului, ușurând sarcina pe acesta. Sau mai bine, văzând dacă există o modalitate de a vă construi circuitul fără stadiul de regulator liniar cu pierderi.

- POST-CUVÂNT -

Am acoperit elementele de bază ale înțelegerii disipării puterii în câteva circuite simple, de curent continuu.

Principiile pe care le-am trecut sunt destul de generale și pot fi folosite pentru a înțelege consumul de energie în majoritatea tipurilor de elemente pasive și chiar în majoritatea tipurilor de circuite integrate. Cu toate acestea, există limitări reale și s-ar putea petrece o viață învățând nuanțele consumului de energie, în special la curenți mai mici sau frecvențe înalte, unde pierderile mici pe care le-am neglijat devin importante.

În circuitele de curent alternativ, multe lucruri se comportă foarte diferit, dar regula puterii se menține încă în majoritatea circumstanțelor: P (t) = Aceasta) × V (t) pentru curent și tensiune care variază în timp. Și nu toate regulatoarele sunt atât de pierderi: sursele de alimentare de comutare pot converti (de exemplu) 9 V c.c. la 5 V c.c. cu o eficiență de 90% sau mai mare - ceea ce înseamnă că, cu un design bun, poate dura doar aproximativ 0,6 A la 9 V la produce 5 V la 1 A. Dar asta este o poveste pentru altă dată.