Hochstrom oder Hochspannung, die Komponenten beschädigen?

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Sehr grundlegende Frage hier und ich suche nur nach einer allgemeinen Übersicht, aber ist es ein zu hoher Strom oder eine zu hohe Spannung, die die Elektronik beschädigt? Ich gehe davon aus, dass es von der jeweiligen Komponente abhängt -

1) Wenn Sie beispielsweise einen Arbeitskreis mit einer 10-V-Batterie, einem festen Widerstand von 5 Ohm und einem Strom von 2A haben. Wenn Sie diese Batterie dann auf 20 V austauschen, ist es dann der neue Strom von 4 A, der den Schaden verursacht, oder die Tatsache, dass die Spannung jetzt 20 V beträgt? Beide Werte sind höher als sie sein sollten. Welcher Faktor verursacht also den Schaden, beide?

2) Wenn Sie beim Wechsel zu einer 20-V-Batterie auch den Widerstand im Stromkreis auf 10 Ohm erhöht haben, kann dies dennoch die Komponenten im Stromkreis beschädigen? Der Strom ist jetzt der gleiche wie im Original (2A), aber die Spannung ist von 10 V auf 20 V gestiegen. Könnte dies Schaden anrichten?

3) Schließlich könnten Sie die ursprüngliche Schaltung nehmen und den Widerstand auf 2,5 Ohm senken. Jetzt ist die Spannung dieselbe (10 V) wie sie sein sollte, aber der Strom ist auf 4 A gestiegen. Ich gehe davon aus, dass dies abhängig von den Komponenten Schäden verursachen kann in der Schaltung?

Jede Hilfe wäre dankbar, danke im Voraus.

Bearbeiten - Ich habe es nicht sehr deutlich gemacht, ich habe nicht speziell über die Beschädigung der Widerstände gesprochen, ich meine nicht verschiedene Komponenten zu beschädigen, die in der Schaltung sein könnten.

RJSmith92
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Hitze, normalerweise ...
Ignacio Vazquez-Abrams
Was fantasievoll als elektrische Überlastung EOS bezeichnet wird. Jetzt wissen Sie, was Sie lesen / googeln müssen.
Fizz
Und wenn Sie praktische Ratschläge zur Auswahl von Widerständen wünschen
Fizz
Die unterschiedlichen Nennwerte (z. B. maximale Spannung, maximaler Strom, maximale Leistung) hängen im Allgemeinen mit unterschiedlichen Fehlermechanismen zusammen. Sie müssen daher alle in Ihrem Entwurf berücksichtigen. Eine ähnliche Frage (speziell zu Steckverbindern) finden Sie hier .
Das Photon
Widerstände können nur durch Spannung / Strom schwer beschädigt werden. Wenn die Spannung kurz genug ist (Millisekunden), können Sie problemlos Hunderte von Volt (und einige zehn Ampere) an Ihren 10 Ohm / 20 W-Widerstand anlegen. Wenn Sie den Widerstand einer solchen Belastung aussetzen, wird er überhitzt und brennt schließlich aus.
Dmitry Grigoryev

Antworten:

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Eine allgemeine Antwort lautet, dass elektronische / elektrische Komponenten beschädigt werden, wenn ihre elektrischen Nennwerte überschritten werden. Übermäßiger Strom führt zu übermäßiger Hitze, die sowohl passive als auch aktive Komponenten zerstört. Einige passive Komponenten, wie z. B. Kondensatoren, haben eine maximale Nennspannung, deren Überschreitung zum Ausfall des Dielektrikums (Isolators) führen kann, was zu übermäßigem Strom und letztendlich zu Rauch führt. Im Allgemeinen führt das Überschreiten der Nennspannung passiver Komponenten zu einem Isolationsfehler. Bei aktiven Komponenten führt eine übermäßige Spannung zu einem Ausfall der internen Übergänge der Diode, des Transistors usw., wodurch auch übermäßiger Strom, Wärme und etwas Rauch entstehen. In diesen Fällen ist der Strom jedoch erheblich geringer als bei Überhitzung passiver Geräte. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass bereits ein kleiner Funke an den Transistorkabeln die Komponente zerstört. Der Überspannungszustand bricht den Halbleiterübergang zusammen und heilt nicht aus. Der Teil ist jetzt nur noch ein Klumpen.

Wir s
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Danke @Wes, das habe ich gesucht. Um zu bestätigen, in einem einfachen Arbeitskreis mit verschiedenen Komponenten, und ich habe die Spannung verdoppelt, aber auch den Widerstand verdoppelt, so dass der Strom gleich blieb, kann dies Schaden verursachen? ..und umgekehrt, wenn ich den Widerstand halbiere, aber die Quellenspannung gleich halte, verdoppelt dies den Strom und kann auch Schäden verursachen. Wenn ich die Spannung verdoppelt, aber den Widerstand nicht erhöht habe, sind sowohl die Spannung als auch der Strom zu hoch und verursachen möglicherweise den doppelten Schaden (und die Leistung verdoppelt sich auch). In einfachen Worten, etwas in diese Richtung?
RJSmith92
Wenn Sie sagen, dass einige Komponenten eine maximale Nennspannung haben, bedeutet dies, dass sie unabhängig vom Strom möglicherweise beschädigt werden, wenn Sie diesen Wert überschreiten? Selbst bei einem winzigen Strom im Stromkreis kann eine höhere Spannung als die Komponenten für Schäden / Funktionen verantwortlich sein. Vielen Dank.
RJSmith92
Ihr Kommentar zum Verhältnis von Spannung, Strom und Widerstand ist grundsätzlich korrekt, einfaches Ohmsches Gesetz. Die Frage, was Schäden verursachen wird, hängt jedoch eher mit den tatsächlichen Betriebsbewertungen der Komponenten zusammen. Wenn Sie die an einen Betriebsstromkreis angelegte Spannung erhöhen, kann es zu einem Anstieg des Stroms kommen, jedoch nicht immer. Einige Schaltkreise sind so konzipiert, dass sie sich selbst schützen und anpassen, um die Ströme innerhalb sicherer Werte zu halten. Jede Änderung, die den Strom erhöht, kann zu Schäden aufgrund übermäßiger Hitze durch den erhöhten Strom führen.
Wes
Die Frage der Überschreitung von Nennspannungen hängt ebenfalls mit dem Strom zusammen, jedoch auf andere Weise. Wenn die absolute maximale Nennleistung eines Geräts überschritten wird, werden die internen Materialien zu Leitern, wenn sie Isolatoren sein sollten, und jetzt fließt Strom an Stellen und Mengen, die nicht vorgesehen sind. Dies wird allgemein als "Auslassen des Rauches" bezeichnet. Es hat wirklich nichts mit dem Ohmschen Gesetz zu tun, dies ist nur ein katastrophaler Misserfolg.
Wes
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Dinge wie Widerstände versagen aufgrund übermäßiger Verlustleistung - sie werden zu heiß und die Materialien, aus denen sie bestehen, werden irreversibel verschlechtert. Beispielsweise kann sich der Lack an der Außenseite eines Durchgangslochwiderstands verfärben oder abbrennen. Der Widerstandswert ändert sich, wenn das Element oxidiert, bis es sich schließlich außerhalb der Spezifikation ändert oder sich öffnet und einen Lichtbogen bildet. Drähte und Leiterplattenspuren verhalten sich wie Widerstände - zu viel Strom und die Isolierung brennt ab, die Leiterplatte delaminiert oder die Leiterbahn öffnet sich.

In Niederspannungsschaltungen ist die Nennspannung normalerweise kein Problem. Wenn Sie jedoch einen gewöhnlichen 0805 20M-Widerstand nehmen (z. B.) und 2 kV an ihn anlegen, beträgt die Leistung (theoretisch) nur 200 mW (möglicherweise in der Spezifikation oder geringfügig) außerhalb davon), aber der Widerstand könnte überbiegen und fast sofort irreversiblen Schaden verursachen. Ebenso kann es zu Lichtbögen zwischen den Spuren kommen.

Dinge wie Kondensatoren und MOSFET-Gateoxid können ausfallen, wenn sie einem übermäßigen Potential ausgesetzt sind, das die Isolation irreversibel beschädigt. Es wird eine sehr lokalisierte Erwärmung geben (oder mehr, je nachdem, was nach dem Durchstechen der Isolierung passiert), aber das ist nicht die Hauptursache.

Dinge wie Dioden- und Transistorübergänge haben Durchbruchspannungen, über denen der Strom mit der Spannung schnell ansteigt (manchmal rasten sie mit einer Lawinen- / negativen Widerstandscharakteristik ein). Wenn der Strom darauf begrenzt ist, dass die Heizung auf einem vernünftigen Wert gehalten wird (und nicht zu schnell ansteigt, damit die Heizung nicht auf winzige Bereiche beschränkt ist), kann dies zerstörungsfrei sein. Andernfalls können sich die Übergänge erwärmen, bis sie keine guten Halbleiterübergänge mehr sind (bei Hunderten von Grad Celsius, um einen Siliziumübergang zu zerstören).

Zurück zu Ihrer speziellen Frage zu Widerständen: Keine der von Ihnen genannten Spannungen wird wahrscheinlich eine maximale Spannungsspezifikation an den Widerständen erreichen (alles unter 25 V, was Sie für Widerstände vergessen können, die keine Inhalationsgefahr darstellen).

Sie haben also eine maximale Verlustleistung (und möglicherweise einen maximalen Strom, wenn der Widerstandswert dumm niedrig ist, aber lassen Sie uns das ignorieren). Hier ist ein Datenblatt für eine Reihe von Widerständen, sagen wir, wir haben eine 10ΩWiderstand 0805 Größe. Die Nennleistung wird mit 0,125 W und die maximale Arbeitsspannung mit 150 V angegeben. Wenn Sie sich die "Leistungsreduzierungskurve" ansehen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

.. Sie können sehen, dass die Nennleistung für Umgebungstemperaturen bis zu 70 ° C gilt, aber darüber hinaus müssen Sie die Nennleistung gemäß der Kurve als geringer betrachten. Warum pendelt es sich bei 70 Grad ein? Höchstwahrscheinlich würde der Widerstand bei> 100% Leistung gut überleben, wenn die Umgebung kühl gehalten wird, aber der Hersteller möchte nicht, dass wir das testen.

Denken Sie daran, dass die Verlustleistung eines Widerstands ist

P.=ich2R.
oder
P.=V.2/.R.

(da ist Macht

V.ich
und Ohmsches Gesetz).

In Ihrem ersten Beispiel ist der Widerstand fest und Sie verdoppeln die Spannung - daher sollte die Leistung um 4: 1 steigen. (von 20 W bis 80 W) Wenn Ihr Widerstand für 80 W oder mehr ausgelegt ist (unter den Bedingungen, die in Ihrer Box angegeben sind), ist alles in Ordnung. Andernfalls kann es nicht sein. Schäden werden durch die Erwärmung verursacht, die das Produkt aus Spannung und Strom ist (offensichtlich steigt der Strom an, weil die Spannung erhöht wird).

In Ihrem zweiten Beispiel haben Sie den Widerstand verdoppelt und die Leistung beträgt jetzt 40 W statt 20 W. Wenn der Widerstand für 40 W ausgelegt ist, ist alles in Ordnung.

Das dritte Beispiel führt auch zu einer Verlustleistung von 40 W. Wenn der Widerstand also gut für 40 W ist, geht es Ihnen gut.

Spehro Pefhany
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Wow, danke für all das!, Schätze es. War ein bisschen mehr als ich verlangt hatte, um ehrlich zu sein, aber trotzdem danke!
RJSmith92
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Eine zu hohe Spannung führt tendenziell zu einem katastrophalen Ausfall eines Transistors. Sobald Sie eine Überspannungsspannung anlegen und der Transistor ausfällt, zeigt der Pin einen Kurzschluss (normalerweise gegen Masse). Wenn Sie es abfangen oder den Fehlerstrom auf irgendeine Weise begrenzen, ist diese Art von Fehler außerhalb des IC nicht sichtbar. Es kann für das Mikroskop sichtbar sein, nachdem die Matrize freigelegt wurde.

Wenn ein Stift kurz ausfällt und der Strom nicht begrenzt ist, wird die Komponente wahrscheinlich ziemlich heiß und verkohlt und zeigt offensichtlichere Anzeichen von Zerstörung.

Wenn Sie zu viel Strom durch einen IC fließen lassen, sehen Sie normalerweise irgendwann Rauch. Um ehrlich zu sein, hatte ich damit nicht oft Probleme. Viele Regler und dergleichen sind gegen Überstrom geschützt. Aber ich habe gesehen, dass Zenerdioden vom ESD-Typ rauchen, nachdem sie anhaltend hohem Strom ausgesetzt waren.

Dies kann auch bei einem Transistor der Fall sein, der mehr Leistung verbraucht, als für ihn ausgelegt ist. Aber wie gesagt, irgendwie musste ich mich nicht sehr oft damit auseinandersetzen.

Mkeith
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Danke @mkeith, ist das Folgende richtig, wenn Sie einen Arbeitskreis haben und die Quellenspannung erhöhen, aber gleichzeitig den Widerstand erhöhen, damit der Strom gleich bleibt, kann dies immer noch Schäden verursachen (wie Sie zu Transistoren sagen) ? Wenn Sie alternativ die Quellenspannung gleich halten, aber den Widerstand verringern, damit der Strom zunimmt, kann dies auch zu Schäden an Komponenten im Stromkreis führen. Schließlich, wenn Sie nur die Quellenspannung erhöhen, dann, dass es den Strom erhöht, könnte der Schaden doppelt so hoch sein? (wiederum abhängig von den Komponenten in der Schaltung)
RJSmith92
In den meisten Schaltkreisen kann man den Widerstand nicht wirklich ändern. Und für viele Schaltkreise verhalten sie sich sowieso nicht wie Widerstände.
Alex. Forencich
Danke @ alex.forencich, ich frage dies nicht gut, aber ich meine, wenn die Leistung in einem ziemlich einfachen Stromkreis gleich bleibt (40 W, wie Jrican zeigt), können sowohl eine Spannungserhöhung als auch eine Stromerhöhung möglicherweise Schäden verursachen (abhängig von den Komponenten in der Schaltung). Ich denke, Mkeith hat die Frage beantwortet, ob die ursprüngliche Schaltung einen Transistor hatte und ich die Spannung erhöhte, aber den Widerstand senkte (die Leistung ist also dieselbe wie zuvor), sie könnte dennoch Schaden anrichten. Gleiches gilt, wenn ich nur den Strom durch Verringern des Widerstands erhöhe (die Leistung beträgt also immer noch 40 W), kann dies auch Schaden anrichten.
RJSmith92
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Letztendlich scheitern die meisten Dinge an zu viel Hitze. Wenn Sie von einer rein ohmschen Last wie einer Glühbirne sprechen, ist dies ziemlich offensichtlich. Überschreiten Sie die Spannungs- und Stromwerte, und die Glühlampe brennt sehr schnell aus. In diesem Fall können Sie nicht zu viel Spannung von zu viel Strom trennen, da der Widerstand der Glühlampe mehr oder weniger konstant ist. Durch Verdoppeln der Spannung wird der Strom verdoppelt und die Leistung vervierfacht.

Dinge wie Dioden und Transistoren versagen im Allgemeinen auch aufgrund von Wärmeproblemen. Nehmen Sie eine Diode und legen Sie eine Spannung an, die die Sperrspannung überschreitet. Wenn die Diode in den Rückwärtsdurchbruch eintritt, fließt Strom durch. Der durch die Diode fließende Strom mal Spannungsabfall über der Diode entspricht der in der Diode verbrauchten Leistung. Dioden können bei einer Spannung von einigen hundert Volt ausfallen, so dass Wärme mit einer Rate von Hunderten oder Tausenden von Watt in die Diode abgegeben werden kann, wodurch der Übergang in der Diode sehr schnell erwärmt und zum Schmelzen gebracht wird. Wenn es sich schnell genug erwärmt, kann es verdampfen und Sie bekommen einen schönen Knall. Gleiches passiert mit Transistoren.

Der dielektrische Durchschlag ist etwas ähnlich. Drähte, Steckverbinder, MOSFET-Transistorgatter usw. können durch dielektrischen Durchschlag beschädigt werden. Wenn die Spannung an einem Isolator zu hoch wird, hört der Isolator möglicherweise nicht mehr auf und lässt stattdessen etwas Strom durch. Dieser Stromfluss kann Schäden verursachen. Wenn die Spannungen hoch genug sind, kann ein dielektrischer Durchschlag zu Lichtbögen führen, die zu Erwärmung, Lochfraß usw. führen können.

In einigen Fällen können Probleme mit einer zu niedrigen Spannung auftreten. Im Allgemeinen ist dies ein Problem, wenn Sie einen schlecht ausgelegten Aufwärtsschaltwandler wie einen Buck-Boost oder einen SEPIC haben, der versucht, die niedrige Eingangsspannung zu erhöhen, und infolgedessen viel Wärme erzeugt, wenn er mit einem niedrigen Wert betrieben wird Effizienz.

Eines sollte ich beachten: Die Nennleistungen beziehen sich im Allgemeinen auf die Betriebstemperatur. Die maximale Leistung wird dann durch die Fähigkeit des Geräts bestimmt, diese Leistung abzuleiten, während sie unter der maximalen Betriebstemperatur bleibt. Unter bestimmten Bedingungen können die Nennleistungen für bestimmte Komponenten überschritten werden. Zum Beispiel könnte ein 5-W-Widerstand tatsächlich 100 W verbrauchen, solange dies nur bei einem Tastverhältnis von 5% und einer ausreichend kurzen Einschaltdauer der Fall ist, damit sich der Widerstand nicht ausreichend erwärmt, um Schäden zu verursachen (dh 100 W für 10 Sekunden würden ihn wahrscheinlich verursachen zu scheitern, aber 100W für 10us wäre wahrscheinlich OK). Es kann auch möglich sein, 100 W in einem 5 W-Widerstand kontinuierlich abzuleiten, wenn Sie ein System bauen können, das die Wärme schnell genug aus dem Widerstand zieht, um die Temperatur im Inneren des Widerstands innerhalb seines Betriebsbereichs zu halten (d. H.

alex.forencich
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Widerstände werden nach der Leistung bewertet, die sie verbrauchen können, ohne beschädigt zu werden.

Leistung für einen rein unruhigen Stromkreis ist:

P = V * I.

1) Die anfängliche Verlustleistung beträgt 20 W (10 V * 2A) und wechselt dann zu 80 W (20 V * 4A).

2) Jetzt beträgt die Verlustleistung 40 W (20 V * 2A).

3) Jetzt beträgt die Verlustleistung 40 W (10 V * 4 A).

Der Schaden wird dadurch verursacht, dass der Widerstand durch Wärme mehr Leistung abgibt, als für ihn vorgesehen ist.

Jrican
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Widerstände werden aber auch anhand ihrer (dielektrischen) Durchbruchspannung bewertet.
Fizz
Gutes Argument. Das würde die Antwort vollständiger machen, aber wahrscheinlich über das hinaus, was eine Person, die diese Frage stellt, braucht oder wissen möchte.
Jrican