На чтение 6 мин. Просмотров 2.9k. Опубликовано 27.07.2021
Практически все электроприборы содержат в своих схемах резисторы. Это объясняется тем, что для каждого прибора или проводника избирается своя сила тока для функционирования. Для того чтобы компенсировать значение между напряжением и движением заряженных частиц, в схемы вводят сопротивление. Основной параметр – это его мощность.
Что такое тепловая мощность резистора
Другое название – рассеивание. Этим понятием называют максимальные токи, которые без вреда могут протекать через него для осуществления работы и образования ЭДС в контактах и т.п.
Важно! Для каждой электрической схемы параметры рассеивания подбираются индивидуально.
Вычисляется по физической формуле с алгебраическими значениями: P = I * R.
В СИ:
- I – сила тока, Ампер.
- R – сопротивление, Ом.
- Р – мощность, Вт.
В физическом плане рассеивание – это способность проводника отдавать тепло в окружающую среду в том количестве, которое не вредит составным частям самого элемента. Это очень важный параметр, так как от него зависит исправность и долговечность электроприбора.
Важно! Все компоненты работают, подчиняясь закону Ома, но сам нагрев происходит из-за разности величин напряжения на входе и выходе. Это и является основным условием движения заряженных частиц через проводник.
Как определить и подобрать мощность
Данный параметр избирается от максимального значения силы заряженных частиц, которые будут протекать через проводник.
Для того чтобы подбирать тепловое рассеивание участков сопротивления для конкретных электроприборов, необходимо изучить параметры входного и выходного напряжения, а также силу электроцепи.
Важно! Необходимо понимать, что городские и промышленные цепи различаются по нагрузке и напряжению. Для бытовых используется 220V, для промышленных часто применяется значение в 380V.
Далее будет представлен стандартный ряд с графическим изображением мощностного отбора резистантов. Абсолютное большинство фабричных электроприборов оснащаются схемами, где указан конкретный диапазон элементов. Такие схемы незаменимы при ремонте и позволяют быстро подбирать необходимое.
Стандартный ряд мощностей и их обозначение на схемах
| Вт | Условное обозначение на электросхемах |
| 0,05 Вт |  |
| 0,125 Вт |  |
| 0,025 Вт |  |
| 0,5 Вт |  |
| 1 Вт |  |
| 2 Вт |  |
| 5 Вт |  |
В качестве графических обозначений используются римские цифры и черточки, раскрывающие диапазон от 0,05 до 25
Важно! Очень важно запомнить то, что слабые устройства обозначается косыми линиями.
Формула для расчета мощности тока в активном сопротивлении, как узнать сколько ватт
Как уже было упомянуто, классическая формула для расчета формируется так: квадрат силы движущихся заряженных частиц, помноженный на величину резистента.
Так показатели работоспособности напрямую зависят от напряжения. При работе и возникновении ЭДС частицы протекают через элемент, «осаживаясь» сопротивлением, и происходит нагрев элемента. Нагрев – это выделение тепла, который может быть измерен в Вт.
Важно! Что будет, если неправильно подобрать изделие? Если величина рассеивания слишком маленькая, то сопротивление перегорит, а если установить слишком «сильный» резистант, то движение заряженных частиц не начнется, и произойдет замыкание. Если из строя вышел элемент в 0,5 Вт, то он заменяется точным аналогом с соответствующими параметрами.
Действует еще одно правило подбора – оно касается не графических изображений на схеме, а самого типоразмера устройства. Чем больше элемент по габаритам, тем выше характеристика его параметров.
Как рассчитать рассеивание для сопротивления
Рассеиванием в физике и электромеханике называется процесс образования тепловой энергии, при чем это касается не только резисторов, но и прочих электрических элементов: кабелей, проводов, штекеров и катушек.
Главное не допускать перегрева, так как это кратно снижает долговечность электроприборов и их отдельных элементов. Следующий ряд является типовым в отборе характеристик зависимости производительности от напряжения:
- 0,125
- 0,25
- 0,5
- 1
- 2
- Более 2 Ватт.
Им соответствует значение для сопротивлений, Ом: 10, 20, 25, 50, 60, 100.
Приведем конкретный пример алгебраического вычисления.
Мы имеем изделие с параметром в 10 Ом и пропускаем через него поток заряда в 0,1 А. Используем значения для того, чтобы подставить их в известную формулу с переменными. Получаем P = 1
P(Ватт) – теплота, выделяемая на резисторе;
R(Ом) – сопротивление цепочки;
I(А) – движение заряженных частиц.
Как определить по внешнему виду
Если на схеме имеется конкретное обозначение, то тепловая мощность на резисторе определяется по символам, но как определить параметр по внешнему виду элементов на плате?
Известно, что чем больше площадь поверхности, тем больше она может поглощать или отдавать количества теплоты на резисторе.
Кроме того, существуют буквенные обозначения для российских и импортных устройств.
Для отечественных:
В – Маломощные от 0,125 до 0,25
Для импортных:
W — Маломощные от 0,125 до 0,25
V – Средний диапазон.
SW – Более 2
Важно! Существуют миниатюрные устройства, на корпусе которых невозможно нанести маркировку. Такие сопротивления окрашиваются в белый, желтый или красный цвет. Цвета в соответствии с диапазонами по возрастающей. В частности, это касается импортных изделий.
Как рассчитать мощность в схеме
Для схем также обязательны знания о силе тока и сопротивлении, без знания этих параметров расчет будет невозможен. Тепловые потери на резисторе формируются из квадрата силы тока, помноженного на сопротивление: P = I² * R (количество теплоты на резисторе формула). Актуальна только при расчетах готовой и известной схемы, во всех случаях предварительного расчета используется прямое значение силы тока, а не ее квадрат.
Величина указывается исключительно в Омах, если используются значения в кило- или мегаомах, то их необходимо округлять до классического значения в одну единицу сопротивления – Ом.
Схема с последовательным соединением элементов
Последовательное соединение означает тот факт, что через все элементы схемы проходит одно и то же значение силы тока. Это означает, что и рассеивание будет тождественным на всех резистантах. Для подсчета необходимо:
- Суммировать значения на всех участках, то есть: 200 Ом + 100 Ом + 51 Ом + 39 Ом = 390 Ом. Сила тока рассчитывается по закону: I = U/R. Алгебраически значение формируется в следующем виде: I = 100 В / 390 Ом = 0,256 А.
- Рассчитать параметр: P = 0,256² * 390 Ом = 25,549
Это ответ на вопрос о том, какая тепловая мощность будет выделяться на резисторе r1 в схеме.
Таким образом становится возможным подсчитать индивидуальное рассеивание на каждом участке, указанном в схеме.
Как подобрать резистор на замену
Для замены всегда подбирается точно такой же элемент. Допускается временное использование сопротивлений с параметром на 1 порядок выше, чем у перегоревшего или вышедшего из строя по другим причинам. Это основное условие замкнутого контура в цепи. Установить неисправный участок цепи – означает разомкнуть цепь.
Определить параметры можно приблизительно по маркировке и размерам.
Элементы для замены оснащены выводами с обоих концов – их паяют на плату. Рекомендуется не подрезать выводы, так как они тоже обладают дополнительным сопротивлением.
На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт
Этот параметр и условие являются актуальными при последовательном подключении трех аккумуляторов. Если к концам подведена внешняя цепь с аккумулятором, то для каждого следующего аккумулятора значение будет увеличиваться в 2 раза. Но поскольку мощность зависит от напряжения через силу тока, то для третьего аккумулятора возрастание мощности составит значение в 25%. Тепловые потери составят 26,9Вт.
Используя сведения, которые были представлены в данной статье, можно самостоятельно и быстро подобрать необходимые элементы электроцепи в электроприборе для замены. Для этого в настоящее время существует множество магазинов электроники, которые удовлетворят запросы самых претенциозных клиентов.
Данную статью можно использовать в качестве конкретного руководства по выбору резисторов не только в бытовые электроприборы, но и в промышленные установки.
Тепловая мощность, выделяемая на резисторе
Электрический ток, проходящий по проводнику, нагревает его. Это объясняется тем, что свободные электроны, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия вещества увеличивается, повышается его температура. Нагретый проводник передает свою энергию окружающим телам. Если проводник не движется, то вся энергия электрического тока переходит во внутреннею энергию проводника. Работа тока определяется
(A = U*I*T)
Количество теплоты, выделяемое на резисторе, обозначим через Q Так как Q = A, то
(Q = U*I*R*t)
или используя закон Ома (U = I*R), получим
(Q = {I^2}Rt)
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени.
Эта формулировка называется законом Джоуля — Ленца
Содержание
- Тепловая мощность на резисторе — что это такое и как рассчитывается
- Что такое тепловая мощность резистора
- Как определить и подобрать мощность
- Формула для расчета мощности тока в активном сопротивлении, как узнать сколько ватт
- Как рассчитать рассеивание для сопротивления
- Как определить по внешнему виду
- Как рассчитать мощность в схеме
- Как подобрать резистор на замену
- На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт
- Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике
Тепловая мощность на резисторе — что это такое и как рассчитывается
Практически все электроприборы содержат в своих схемах резисторы. Это объясняется тем, что для каждого прибора или проводника избирается своя сила тока для функционирования. Для того чтобы компенсировать значение между напряжением и движением заряженных частиц, в схемы вводят сопротивление. Основной параметр – это его мощность.
Что такое тепловая мощность резистора
Другое название – рассеивание. Этим понятием называют максимальные токи, которые без вреда могут протекать через него для осуществления работы и образования ЭДС в контактах и т.п.
Важно! Для каждой электрической схемы параметры рассеивания подбираются индивидуально.
Вычисляется по физической формуле с алгебраическими значениями: P = I * R.
- I – сила тока, Ампер.
- R – сопротивление, Ом.
- Р – мощность, Вт.
В физическом плане рассеивание – это способность проводника отдавать тепло в окружающую среду в том количестве, которое не вредит составным частям самого элемента. Это очень важный параметр, так как от него зависит исправность и долговечность электроприбора.
Важно! Все компоненты работают, подчиняясь закону Ома, но сам нагрев происходит из-за разности величин напряжения на входе и выходе. Это и является основным условием движения заряженных частиц через проводник.
Как определить и подобрать мощность
Данный параметр избирается от максимального значения силы заряженных частиц, которые будут протекать через проводник.
Для того чтобы подбирать тепловое рассеивание участков сопротивления для конкретных электроприборов, необходимо изучить параметры входного и выходного напряжения, а также силу электроцепи.
Важно! Необходимо понимать, что городские и промышленные цепи различаются по нагрузке и напряжению. Для бытовых используется 220V, для промышленных часто применяется значение в 380V.
Далее будет представлен стандартный ряд с графическим изображением мощностного отбора резистантов. Абсолютное большинство фабричных электроприборов оснащаются схемами, где указан конкретный диапазон элементов. Такие схемы незаменимы при ремонте и позволяют быстро подбирать необходимое.
Стандартный ряд мощностей и их обозначение на схемах
| Вт | Условное обозначение на электросхемах |
| 0,05 Вт | |
| 0,125 Вт | |
| 0,025 Вт | |
| 0,5 Вт | |
| 1 Вт | |
| 2 Вт | |
| 5 Вт | |
В качестве графических обозначений используются римские цифры и черточки, раскрывающие диапазон от 0,05 до 25
Важно! Очень важно запомнить то, что слабые устройства обозначается косыми линиями.
Формула для расчета мощности тока в активном сопротивлении, как узнать сколько ватт
Как уже было упомянуто, классическая формула для расчета формируется так: квадрат силы движущихся заряженных частиц, помноженный на величину резистента.
Так показатели работоспособности напрямую зависят от напряжения. При работе и возникновении ЭДС частицы протекают через элемент, «осаживаясь» сопротивлением, и происходит нагрев элемента. Нагрев – это выделение тепла, который может быть измерен в Вт.
Важно! Что будет, если неправильно подобрать изделие? Если величина рассеивания слишком маленькая, то сопротивление перегорит, а если установить слишком «сильный» резистант, то движение заряженных частиц не начнется, и произойдет замыкание. Если из строя вышел элемент в 0,5 Вт, то он заменяется точным аналогом с соответствующими параметрами.
Действует еще одно правило подбора – оно касается не графических изображений на схеме, а самого типоразмера устройства. Чем больше элемент по габаритам, тем выше характеристика его параметров.
Как рассчитать рассеивание для сопротивления
Рассеиванием в физике и электромеханике называется процесс образования тепловой энергии, при чем это касается не только резисторов, но и прочих электрических элементов: кабелей, проводов, штекеров и катушек.
Главное не допускать перегрева, так как это кратно снижает долговечность электроприборов и их отдельных элементов. Следующий ряд является типовым в отборе характеристик зависимости производительности от напряжения:
Им соответствует значение для сопротивлений, Ом: 10, 20, 25, 50, 60, 100.
Приведем конкретный пример алгебраического вычисления.
Мы имеем изделие с параметром в 10 Ом и пропускаем через него поток заряда в 0,1 А. Используем значения для того, чтобы подставить их в известную формулу с переменными. Получаем P = 1
P(Ватт) – теплота, выделяемая на резисторе;
R(Ом) – сопротивление цепочки;
I(А) – движение заряженных частиц.
Как определить по внешнему виду
Если на схеме имеется конкретное обозначение, то тепловая мощность на резисторе определяется по символам, но как определить параметр по внешнему виду элементов на плате?
Известно, что чем больше площадь поверхности, тем больше она может поглощать или отдавать количества теплоты на резисторе.
Кроме того, существуют буквенные обозначения для российских и импортных устройств.
В – Маломощные от 0,125 до 0,25
W — Маломощные от 0,125 до 0,25
V – Средний диапазон.
Важно! Существуют миниатюрные устройства, на корпусе которых невозможно нанести маркировку. Такие сопротивления окрашиваются в белый, желтый или красный цвет. Цвета в соответствии с диапазонами по возрастающей. В частности, это касается импортных изделий.
Как рассчитать мощность в схеме
Для схем также обязательны знания о силе тока и сопротивлении, без знания этих параметров расчет будет невозможен. Тепловые потери на резисторе формируются из квадрата силы тока, помноженного на сопротивление: P = I² * R (количество теплоты на резисторе формула). Актуальна только при расчетах готовой и известной схемы, во всех случаях предварительного расчета используется прямое значение силы тока, а не ее квадрат.
Величина указывается исключительно в Омах, если используются значения в кило- или мегаомах, то их необходимо округлять до классического значения в одну единицу сопротивления – Ом.
Схема с последовательным соединением элементов
Последовательное соединение означает тот факт, что через все элементы схемы проходит одно и то же значение силы тока. Это означает, что и рассеивание будет тождественным на всех резистантах. Для подсчета необходимо:
- Суммировать значения на всех участках, то есть: 200 Ом + 100 Ом + 51 Ом + 39 Ом = 390 Ом. Сила тока рассчитывается по закону: I = U/R. Алгебраически значение формируется в следующем виде: I = 100 В / 390 Ом = 0,256 А.
- Рассчитать параметр: P = 0,256² * 390 Ом = 25,549
Это ответ на вопрос о том, какая тепловая мощность будет выделяться на резисторе r1 в схеме.
Таким образом становится возможным подсчитать индивидуальное рассеивание на каждом участке, указанном в схеме.
Для замены всегда подбирается точно такой же элемент. Допускается временное использование сопротивлений с параметром на 1 порядок выше, чем у перегоревшего или вышедшего из строя по другим причинам. Это основное условие замкнутого контура в цепи. Установить неисправный участок цепи – означает разомкнуть цепь.
Определить параметры можно приблизительно по маркировке и размерам.
Элементы для замены оснащены выводами с обоих концов – их паяют на плату. Рекомендуется не подрезать выводы, так как они тоже обладают дополнительным сопротивлением.
На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт
Этот параметр и условие являются актуальными при последовательном подключении трех аккумуляторов. Если к концам подведена внешняя цепь с аккумулятором, то для каждого следующего аккумулятора значение будет увеличиваться в 2 раза. Но поскольку мощность зависит от напряжения через силу тока, то для третьего аккумулятора возрастание мощности составит значение в 25%. Тепловые потери составят 26,9Вт.
Используя сведения, которые были представлены в данной статье, можно самостоятельно и быстро подобрать необходимые элементы электроцепи в электроприборе для замены. Для этого в настоящее время существует множество магазинов электроники, которые удовлетворят запросы самых претенциозных клиентов.
Данную статью можно использовать в качестве конкретного руководства по выбору резисторов не только в бытовые электроприборы, но и в промышленные установки.
Источник
Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике
Кажущаяся простота и очевидность применения резисторов создает у разработчиков силовой преобразовательной аппаратуры обманчивое впечатление малого влияния резисторов, как крайне простых, с точки зрения схемотехники, приборов на результирующую надежность разрабатываемого устройства. Однако это не так, и применение резисторов, как и любых других компонентов, требует тщательного подхода к выбору типов и обеспечению благоприятных условий работы.
Для лучшего понимания особенностей работы резисторов обратимся к базовым понятиям. Резистор, как элемент электрической цепи, служит для создания сопротивления протеканию электрического тока. В идеальном случае работа резистора определяется фундаментальным законом, установленным немецким физиком Георгом Симоном Омом и носящим его имя:
где R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.
При протекании тока через резистор энергия упорядоченного движения носителей заряда превращается в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве за счет теплопередачи и излучения. Мощность, выделяемая в резисторе, может быть определена по формуле, следующей из закона Ома:
Здесь P — мощность, выделяемая в участке цепи; R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.
Мощность, выделяемая в резисторе, вызывает рост его температуры. Максимальная температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, зависит от конструкции резистора и применяемых материалов — как собственно резистивного элемента, так и его арматуры. Именно максимальная температура наиболее горячего участка резистора определяет ту мощность, которую резистор способен рассеивать.
В зависимости от условий, в которых находится резистор (температура, влажность, давление окружающего воздуха и скорость его движения), одна и та же рассеиваемая мощность вызывает различный прирост температуры прибора, поэтому при выборе резистора важно не только определить выделяемую мощность, но и условия его работы. Номинальная мощность резистора определяется как мощность, рассеиваемая прибором без превышения предельно допустимой температуры при естественном воздушном охлаждении на высоте 0 м над уровнем моря при температуре воздуха 25 °С.
При эксплуатации резистора следует помнить, что выделяемая мощность имеет квадратичную зависимость от приложенного к резистору напряжения или от протекающего тока (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость выделяемой мощности от напряжения (тока) резистора
Это означает, что небольшой рост напряжения или тока в цепи вызовет существенный рост рассеиваемой мощности, которая может превзойти максимально допустимую для примененного резистора, что приведет к выходу прибора из строя. Поэтому при выборе резистора важно не только знать номинальные ток и напряжение для него, но и учитывать возможные продолжительные отклонения, в частности из-за колебаний напряжения питающей сети.
Если мощность, рассеиваемая резистором, постоянна, то через некоторое время температура резистора стабилизируется (когда количество тепла, выделяемого в резисторе, станет равным количеству тепла, отдаваемого резистором в окружающую среду посредством излучения, конвекции и теплопередачи конструкции). Чем больше физический размер резистора, тем эффективнее происходит процесс отдачи тепла и тем ниже будет равновесная температура при одной и той же выделяемой мощности. Кроме того, эффективность излучения, конвекции и теплопередачи существенно зависит от конструкции резистора, применяемых материалов и условий охлаждения.
Приводимые в справочных материалах величины максимальной рассеиваемой мощности резисторов относятся к условиям естественного охлаждения. На сегодняшний день существует ряд стандартов, регламентирующих метод определения максимально допустимой мощности рассеяния резисторов исходя из температуры перегрева наиболее горячего участка резистора. Ведущие производители мощных резисторов (Danotherm, Ohmite, Arcol, SIR и др.) при нормировании мощности своих приборов обычно руководствуются рекомендациями National Electrical Manufacturers Association (NEMA) и Underwriters Laboratories, Inc. (UL). Согласно таковым, максимально допустимая мощность при естественном охлаждении для резистора заданных физических характеристик и размеров, определяется как мощность, вызывающая температуру (измеренную термопарой) перегрева наиболее горячего участка резистора в 300 °С при температуре окружающего воздуха 40 °С. Измерение производится при неподвижном воздухе в условиях свободной конвекции и удалении резистора от ближайшего объекта (в частности, стен, панелей, приборов) не менее чем на 35 см.
Несколько иные условия измерений определяет стандарт MIL-R-26, первоначально разработанный для проволочных резисторов военного и аэрокосмического применения, а затем распространенный и на приборы промышленного и коммерческого назначения. Согласно этому стандарту максимальная температура нагрева наиболее горячего участка резистора устанавливается равной 350 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С. Таким образом, соответствующая температура перегрева составляет 325 °С.
На рис. 2 показаны усредненные графики зависимости температуры перегрева резисторов по различным стандартам в зависимости от относительной рассеиваемой мощности.
Рис. 2. Зависимость температуры перегрева резистора от относительной рассеиваемой мощности
В первом приближении температура резистора зависит от площади его поверхности, а также (в меньшей степени) от ряда других факторов, таких как теплопроводность основания и покрытия резистора, эффективность излучения поверхности, отношения длины резистора к его диаметру, теплопередача через выводы и средства монтажа.
Максимально допустимая температура резистора будет определяться свойствами его конструктивных материалов и является предельной величиной, при превышении которой прибор может потерять работоспособность. В общем случае на данную величину можно ориентироваться только для расчета предельных режимов работы устройства.
В нормальных условиях эксплуатации следует принимать во внимание не только и не столько физическое функционирование резистора, но и другие параметры, такие как изменение сопротивления при росте температуры, нагрев окружающих резистор устройств за счет выделяемого им тепла, зависимость сопротивления от влажности окружающего воздуха (особенно для резисторов открытых типов), изменение характеристик при циклической нагрузке и т. п.
Если температура окружающей среды отличается (в сторону увеличения) от 25 °С (или 40 °С), то рассеиваемая резистором мощность должна быть соответственно снижена до значений, при которых не превышается максимально допустимая температура нагрева прибора. На рис. 3 изображены графики зависимости относительной рассеиваемой мощности резисторов от температуры окружающего воздуха согласно рекомендациям NEMA, UL и MIL-R-26 (U-EIA).
Рис. 3. Зависимость относительной мощности рассеяния резистора от температуры окружающего воздуха
При построении данных зависимостей принимается, что температура перегрева не зависит от величины температуры окружающей среды. Однако это не совсем верно. Точный расчет должен учитывать повышение эффективности излучения с ростом температуры согласно законам Стефана-Больцмана и Вина. Но вклад, вносимый за счет этого при невысоких температурах (до 1000–1500 °С) весьма невелик, и его можно не учитывать в подавляющем большинстве конструктивных расчетов.
Для некоторых типов резисторов в справочных данных указывается предельно допустимая тепловая нагрузка поверхности. Для большинства типов проволочных резисторов она составляет от 0,7 Вт/см 2 (для резисторов большого размера на мощности более 150–200 Вт) до 2 Вт/см 2 (для небольших резисторов с мощностью 10–20 Вт). Эту величину удобно использовать при расчете работы резистора в качестве нагревательного элемента.
Следует обратить внимание на то, что в рекомендациях по определению максимальной мощности резисторов не указано расположение резистора относительно поверхности земли. Но имеется точное указание на то, что температура измеряется для наиболее горячего участка резистора. У горизонтально расположенного трубчатого проволочного резистора с равномерной намоткой резистивного элемента температура в районе середины прибора может быть в 1,5–2,5 раза выше, чем температура у торцов (в зависимости от способа крепления). При вертикальном расположении зона максимального нагрева смещается вверх на 3–10% длины резистора, а верхний торец имеет бульшую температуру, чем нижний. Это вызывает некоторое увеличение механических напряжений в конструкции прибора и может снизить его надежность. Поэтому при прочих равных условиях всегда следует предпочитать горизонтальное расположение резисторов, за исключением специально предназначенных для вертикального монтажа приборов, например в теплоотводящих корпусах из алюминиевого профиля. Для ряда особых случаев применения (например, в качестве равномерного источника тепла) выпускаются специальные резисторы с неравномерной намоткой резистивного элемента (более частая у краев и редкая в середине), у которых температура практически постоянна по всей длине прибора.
Рассмотрим подробнее основные факторы, определяющие температуру резистора, либо, с другой стороны, требуемую величину номинальной мощности, при которой температура не превышает заданной:
1. Температура окружающей среды
Повышение температуры окружающей среды вызывает соответствующее снижение допустимой температуры перегрева и соответствующей ей мощности рассеяния. График зависимости относительной допустимой мощности рассеяния от температуры окружающей среды приведен выше, на рис. 3. Если температура окружающей среды ниже той, для которой была определена максимальная мощность рассеяния (25 °С или 40 °С), то в ряде случаев можно допустить повышение максимальной мощности выше типовой величины, но при этом необходимо дополнительно уточнять возможности резистора по работе с токами, превышающими номинальный. Превышение тока резистора в данном случае может вызвать не увеличение его температуры выше предельно допустимой, а разрушение внешних и внутренних контактов (места соединения резистивного элемента с выводами) и локальные перегревы и плавление резистивного элемента.
2. Монтаж в закрытом корпусе
Монтаж резистора в корпусе ухудшает условия отвода тепла за счет излучения (часть излучения отражается стенками корпуса, остальная часть излучается как в окружающее, так и во внутреннее пространство корпуса), а также за счет конвекции (корпус нарушает конвекционный ток воздуха и преграждает доступ холодного воздуха к резистору). Существенное влияние на температуру резистора, помещенного в корпус, оказывают размер, толщина стенок, их материал и наличие перфорации и окраски поверхности. Ухудшение условий работы резистора при помещении в корпус хорошо демонстрируют графики на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость температуры перегрева резистора от мощности при монтаже в свободном пространстве и в корпусах разного размера
3. Монтаж групп резисторов
Резисторы, монтируемые на малом расстоянии друг от друга, при работе разогреваются сильнее, чем одиночный резистор при такой же рассеиваемой мощности (на каждом из резисторов группы). Это происходит за счет взаимного нагрева резисторов излучением и увеличением количества тепла, приходящегося на единицу объема охлаждающего воздуха при естественной конвекции. Для того чтобы температура резисторов, работающих в группе, не превысила допустимого значения, необходимо снижать мощность, приходящуюся на каждый из приборов по отношению к максимально допустимой для одного свободно установленного резистора. Рис. 5 дает представление о порядке требуемого снижения мощности рассеяния на каждом из резисторов в зависимости от количества резисторов в группе и расстояний между ними.
Рис. 5. Зависимость допустимой мощности рассеяния каждого резистора в группе от количества резисторов и расстояний между ними
4. Высота над уровнем моря
Количество тепла, отводимого от резистора за счет конвекции воздуха, зависит от плотности последнего. Чем более разрежен воздух, тем меньшее количество тепла он способен отвести. При подъеме в атмосфере плотность воздуха снижается, а это означает, что максимальная мощность рассеяния резисторов будет снижаться. На высотах более 20 000 м плотность воздуха уже настолько мала, что конвективный отвод тепла перестает играть сколько-нибудь заметную роль в общем тепловом балансе резистора и тепло отводится только за счет излучения и теплопередачи элементам конструкции. На рис. 6 представлен график зависимости относительной мощности рассеяния резистора от высоты его размещения (над уровнем моря).
Рис. 6. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от высоты над уровнем моря
5. Работа в импульсных режимах
Если ток через резистор протекает не постоянно, а в течение определенных интервалов времени, а в остальные моменты резистор обесточен, то количество тепла, выделяемое в течение значительного промежутка времени, будет меньше, чем при непрерывной работе. «Усреднение» по времени происходит за счет теплоемкости конструкции, монтажных элементов и окружающего воздуха. В результате температура резистора не превышает максимально допустимую даже при импульсных мощностях, многократно превышающих максимальную мощность непрерывного режима. Величина допустимой импульсной мощности зависит как от конструктивных особенностей резистора (теплоемкость и теплопроводность конструкции), так и от длительности импульса и соотношения длительностей импульса и паузы (скважности). На рис. 7 приведены зависимости относительной допустимой импульсной рассеиваемой мощности для резисторов различных типов, определенные согласно рекомендациям NEMA для пусковых и тормозных резисторов.
Рис. 7. Зависимость относительной импульсной допустимой мощности рассеяния резистора от скважности импульсов тока для стандартного пускового режима электродвигателя
Для ряда типов резисторов импульсная мощность ограничена не допустимым перегревом, а максимальной величиной рабочего тока резистора, при превышении которой возможны повреждения резистивного элемента и выводов за счет локальных перегревов.
Графики на рис. 8 дают представление о процессе нагрева резисторов разных типов импульсом тока и построены в координатах времени импульса, необходимого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры и импульсной мощности.
Рис. 8. Зависимость времени, требуемого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры от относительной импульсной рассеиваемой мощности
С помощью зависимостей, представленных на рис. 9, можно определить соотношение длительностей импульса и паузы тока через трубчатые резисторы, нагревающего приборы до максимально допустимой температуры для различных абсолютных длительностей и различных относительных импульсных мощностей (в процентах от максимально допустимой мощности рассеяния непрерывного режима).
Рис. 9. Зависимость времен импульса и паузы тока и их соотношений, требуемых для разогрева резистора до максимально допустимой температуры от импульсной мощности
Рассмотренные выше особенности импульсных режимов относятся к типовым импульсным режимам, имеющим место при применении резисторов в цепях пуска и торможения электродвигателей, где времена воздействия значительных токов исчисляются единицами и десятками секунд, а паузы — от единиц секунд до многих часов.
Для импульсных токов малых длительностей (0,1–0,5 с и менее) импульсные характеристики будут существенно отличаться от приведенных выше, поскольку в большей мере будут определяться теплофизическими свойствами резистивного элемента, нежели теплоемкостью всего резистора в целом. При еще меньших длительностях импульсов (менее единиц миллисекунд) важную роль начинает играть индуктивность резистора, увеличивающая полное сопротивление резистора в области малых времен. Для применения на частотах более 1–3 кГц (длительности импульсов менее 1 мс) изготавливаются специальные резисторы с бифилярной намоткой, резко снижающей собственную индуктивность резистора, либо поверхностные и объемные резисторы на основе проводящих пленок.
6. Принудительное охлаждение
Принудительный обдув резисторов резко увеличивает количество охлаждающего воздуха по сравнению с естественным конвективным потоком и, тем самым, позволяет повысить эффективность отвода выделяемого тепла. Это очень простой и крайне эффективный способ повышения допустимой мощности рассеяния резисторов. На рис. 10 приведена зависимость относительной допустимой мощности рассеяния от скорости воздуха, охлаждающего резистор.
Рис. 10. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от скорости охлаждающего воздуха
Об эффективности этой простой меры можно судить хотя бы по тому, что при скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая резистором без перегрева, более чем вдвое превышает его максимальную мощность при естественном охлаждении. Если резисторы работают, например, в системах реостатного торможения электроподвижного состава, то с целью экономии электроэнергии возможно применение не постоянного обдува, а связанного с процессом торможения, когда вентиляторы подключаются параллельно тормозному резистору или его отводу. Такие схемы охлаждения тормозных резисторов применены на ряде магистральных электровозов отечественного и зарубежного производства.
7. Ограничение температуры резисторов
В ряде случаев, с целью повышения надежности и увеличения срока аппаратуры, рабочую температуру резисторов выбирают ниже максимально допустимой. Снижение температуры поверхности резистора в 2 раза по отношению к максимально допустимой увеличивает надежность работы резистора от 4 до 100 раз (в зависимости от типа), а также снижает температуру внутри устройства, в котором резистор установлен, что также является крайне благоприятным фактором. К сожалению, снижение температуры тепловыделяющих элементов, при прочих равных условиях, всегда связано с увеличением их физических габаритов, поэтому данную меру можно рекомендовать, только если это допускается массогабаритными показателями аппаратуры.
Учитывая все вышесказанное, для первичного выбора резистора можно рекомендовать воспользоваться данными мнемонической таблицы, приведенной на рис. 11. В каждой из 7 граф таблицы приведены значения коэффициентов для различных условий окружающей среды и режима работы. Если известна (из расчета электрической схемы) мощность, рассеиваемая на резисторе, то, умножив ее на коэффициенты, определенные из таблицы и соответствующие условиям и режимам работы, можно получить величину номинальной мощности резистора, который следует применить в данной схеме в данных условиях.
Рис. 11. Таблица для определения требуемой номинальной мощности резистора
В качестве примера определим номинальную мощность резистора для системы пуска электродвигателя. Импульсная мощность, выделяемая на резисторах согласно расчету, составляет 1 кВт (300% от номинальной), рассеивается на группе из 4 резисторов (250 Вт на резистор), температура окружающего воздуха составляет +60 °С, резисторы смонтированы в открытой стойке, расстояние между резисторами 5 см, предполагается возможность работы устройства на высоте до 4000 м над уровнем моря, охлаждение естественное конвекционное, температура резисторов ограничена величиной 250 °С.
Определяем из таблицы соответствующие коэффициенты:
Номинальная мощность каждого из резисторов группы составит:
Таким образом, номинальная мощность каждого из резисторов в группе должна составлять не менее 160 Вт.
Разумеется, расчет номинальной мощности с помощью данной таблицы является приблизительным, поскольку не учитывает многие дополнительные факторы, тем не менее, его погрешность достаточно невелика и позволяет быстро определить мощность требуемого резистора, а исходя из нее — и конкретный тип применяемого прибора.
Несмотря на то, что резисторы, по сути, являются простейшими элементами электрических цепей, от правильного выбора их типов и условий эксплуатации во многом зависит надежность, себестоимость и эксплуатационные качества аппаратуры, а правильный выбор резисторов для силовых преобразовательных устройств, выполненный на этапе проектирования, во многом определит коммерческую судьбу аппаратуры.
Источник
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.
Что такое мощность и рассеиваемая мощность
Для начала давайте освежим в памяти, что такое мощность постоянного тока, для этого следует вспомнить очень простую формулу:
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:
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:
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:
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)
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 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!
Содержание материала
- Что такое мощность резистора
- Нагрев детали в зависимости от сопротивления
- Как рассчитать мощность резистора в схеме
- Параметры резисторного элемента
- Формула скорости потребления энергии резистором
- Для чего он нужен
- Как определить мощность резистора
- Как рассчитать мощность рассеивания резистора
Что такое мощность резистора
Мощность определяется как произведение силы тока на сопротивление: P = I * R и измеряется в ваттах (закон Ома). Рассеиваемая мощность резистора — это максимальный ток, который сопротивление может выдерживать длительное время без ущерба для работоспособности. То есть, этот параметр надо выбирать для каждой схемы отдельно — по максимальному рабочему току.
Как определить мощность резистора по внешнему виду: надо знать соответствие размеров и мощностей
Физически рассеиваемая мощность резистора — это то количество тепла, которое его корпус может «отдать» в окружающую среду и не перегреться при этом до фатальных последствий. При этом, нагрев не должен слишком сильно влиять на сопротивление резистора.
Нагрев детали в зависимости от сопротивления
Выбирая подходящий резистор, обязательно надо обращать внимание на температурный диапазон, при котором возможна корректная эксплуатация детали. Она всегда указывается изготовителем. Чтобы резистор не вышел из строя, необходим своевременный выход теплоты в атмосферу. Элемент не должен перегреваться. Чем холоднее воздух (в рамках допустимого диапазона), тем дольше имеет шанс прослужить компонент. Нельзя позволять, чтобы поблизости от резистора скапливалось избыточное тепло.
Когда температурный показатель достигает своего максимума в рамках диапазона, на сопротивлении начинается процесс выгорания верхнего маркируемого слоя. В таком случае необходимо принимать меры по снижению температуры, иначе у изделия выгорит наполнение, отвечающее за сопротивляемость, и оно станет полностью непригодным к дальнейшей эксплуатации.
Если детали с требуемой размерностью под конкретную схему не обнаружилось, можно использовать вариант с превосходящим значением, если он подходит собираемому устройству. Резисторы, чьи данные по мощности не дотягивают до требуемых, применять в такой ситуации допустимо, только объединив их последовательно. Вообще знание эффектов параллельно и последовательно связанных резисторных элементов пригодится в ситуации, если под рукой не оказалось детали с идеально подходящими параметрами.
Как рассчитать мощность резистора в схеме
Чтобы рассчитать мощность резисторов в схеме, кроме сопротивления (R) необходимо знать силу тока (I). На основании этих данных можно рассчитать мощность. Формула обычная: P = I² * R. Квадрат силы тока умножить на сопротивление. Силу тока подставляем в Амперах, сопротивление — в Омах.
Если номинал написан в килоомах (кОм) или мегаомах (мОм), его переводим в Омы. Это важно, иначе будет неправильная цифра.
Схема последовательного соединения резисторов
Для примера рассмотрим схему на рисунке выше. Последовательное соединение сопротивлений характерно тем, что через каждый отдельный резистор цепи протекает одинаковый ток. Значит мощность сопротивлений будет одинаковой. Последовательно соединенные сопротивления просто суммируется: 200 Ом + 100 Ом + 51 Ом + 39 Ом = 390 Ом. Ток рассчитаем по формуле: I = U/R. Подставляем данные: I = 100 В / 390 Ом = 0,256 А.
По расчетным данным определяем суммарную мощность сопротивлений: P = 0,256² * 390 Ом = 25,549 Вт. Аналогично рассчитывается мощность каждого из резисторов. Например, рассчитаем мощность резистора R2 на схеме. Ток мы знаем, его номинал тоже. Получаем: 0,256А² * 100 Ом = 6,55 Вт. То есть, мощность этого резистора должна быть не ниже 7 Вт. Брать с более низкой мощностью точно не стоит — быстро перегорит. Если позволяет конструктив прибора, то можно поставить резистор большей мощности, например, на 10 Вт.
Есть резисторы серии МЛТ, в которых мощность рассеивания тепла указана сразу после названия серии без каких-либо букв. В данном случае — МЛТ-2 означает, что мощность этого экземпляра 2 Вт, а номинал 6,8 кОм.
При параллельном подключении расчет аналогичен. Нужно только правильно рассчитать ток, но это тема другой статьи. А формула расчета мощности резистора от типа соединения не зависит.
Параметры резисторного элемента
Сопротивление резистора — формула для рассчета
К числу ключевых параметров данной группы деталей относятся:
- сопротивление компонента;
- допуск (степень вариативности номинального сопротивления) – может принимать значения до 20%;
- ТКС – изменение сопротивляемости при нагреве или охлаждении воздуха на 1 градус (целесообразно, чтобы элементы одной электроцепи имели идентичное значение показателя);
- мощность, показывающая, какое количество тепловой энергии может быть выделено в пространство при условии сохранения корректного функционирования элемента.
Важно! На то, сколько энергии будет рассеивать компонент, влияет его размер. Натренированный глаз способен к визуальному определению значения по габаритам резистора. Корреляция с величиной связана с тем, что когда ток течет через элемент с большим значением площади поверхности, теплота отдается в пространство с большей скоростью (если речь идет о воздухе).
Миниатюрные смд компоненты снабжаются маркировкой из полосок разного цвета. Расшифровку цветового кода можно посмотреть онлайн (например, на сайте производителя). Зачастую она дается и в прилагаемой технической документации.
Цветовая кодировка миниатюрных деталей
Формула скорости потребления энергии резистором
кВа в кВт — как правильно перевести мощность
Количество энергии, генерируемой в виде тепла на единицу объема элемента, можно найти по формуле:
w = E2* ϭ=E*j,
где Е – напряженность поля, j – его плотность, а ϭ – электрическая проводимость среды.
Для чего он нужен
Резистор предназначен для оказания сопротивления проходящему через систему току. Применяется в различных областях. Назначение устройства может быть следующим:
- «Переделка» токовой энергии в напряжение (или обратно);
- Ограничение поступающей силы до нужного уровня;
- Создание разделителей (например, в измеряющих устройствах);
- Решение специализированных проблем (например, снижение влияния радиопомех).
Важно! Самый простой вариант применения прибора – работа светодиода. Собственное сопротивление элемента слишком мало. Без ограничителя – резистора – проходящий ток моментально выведет элемент из строя.
Как определить мощность резистора
Существует два способа определить уровень сопротивления той или иной модели – размер и формула.
Понять, как определить мощность конкретного резистора по внешнему виду, несложно – для этого установлены стандарты. Установленным габаритам стараются соответствовать все производители электротехнических деталей. В СССР были созданы таблицы, согласно которым мощность устройств регулировалась по длине и диаметру.
Важно! На элементах российского производства и некоторых зарубежных аналогах (сопротивлением в 1Вт и больше) значение мощности указывается на внешнем корпусе с помощью цифр. На иностранных устройствах другого уровня сопротивления дополнительно печатают букву «W».
Важно! На некоторых элементах импортного производства могут стоять другие обозначения. Это возможно, если производитель отказывается применять общепринятые стандарты.
Кроме этого – при определении мощности резистора по внешнему виду важно помнить, что стандарты отечественных моделей несколько выше (идентичные российские модели немного крупнее).
Вам это будет интересно Формулировка и определение закона Ома
Мощность тока, выделяющаяся на резисторе, также определяется по специальной формуле. В качестве основы используется закон Ома, уравнение имеет следующий вид:
R = U / I, в которой R – сопротивление, U – напряжение в точках вывода В, I – сила тока на заданном участке.
Важно! Электротехнические платы редко содержат один элемент. Чаще платы содержат множество составляющих, соединяющихся последовательно или параллельно.
Последовательная сцепка означает, что выход одного элемента соединяется с входом следующего – один за другим. Для расчета, используют онлайн-калькуляторы или следующую формулу мощности тока, выделяющегося на резисторе:
R123 = R1 + R2 + R3.
Элементов в формуле должно быть столько, сколько сопротивлений содержит электрическая схема.
Параллельное соединение означает, что резисторы соединяются парно, а формула выглядит следующим образом:
R = (R1 * R2) / ( R1 + R2).
Результат обычно меньше, чем значение самого маломощного элемента в системе. В некоторых схемах применяют смешанное соединение. Расчет применяется поэтапно – сначала вычисляют последовательные, затем параллельные. Результат складывается и получается итоговое сопротивление технической платы.
Как рассчитать мощность рассеивания резистора
Вот мы и узнали, что мощность тока в резисторе рассчитывается по формуле. В реальной цепочке(последовательной или параллельной) через резисторные элементы протекает ток. Поскольку резистор имеет сопротивление, то под влиянием проходящего тока резисторный компонент греется. На нём выделяется немного тепловой энергии. Это и есть та мощность, которая рассеивается на резисторном элементе.
Если в электросхему вмонтировать резистор с мощностью меньше, чем надо, то резисторный компонент в итоге сгорит из-за перегрева. Поэтому, если в схеме требуется заменить резисторное устройство мощностью 0,5 Вт, то устанавливает на 0,5 Ватт и больше. Каждый резисторный компонент рассчитан на конкретные показатели мощности. Типовой ряд мощностей рассеивания резисторных компонент состоит из значений:
- 0,125 В.
- 0,25 В.
- 0,5 В.
- 1 Ватт.
- 2 Ватт.
- Более 2 Ватт.
Чем крупнее резистор, тем, он мощнее. К примеру, у нас есть резисторный элемент с сопротивлением 100 Ом. Через него течет ток 0,1 Ампер. Как вычислить его хар-ки мощности? Тут потребуется сопротивление резистора формула:
P(Вт) – мощность;
R(Ом) – сопротивление цепочки (а точнее резистора);
I(А) – ток.
Все расчёты необходимо выполнять, помня про размерность, даже связанные с площадью. Определим показатели мощности для нашего резисторного компонента: на выходе, получается мощность 1 Ватт. Здесь подойдёт резисторный компонент мощностью 2 В. Мощность резистора должна быть равна мощности заменяемого.
