Überspannungsschutz

Ich habe eine Schaltung mit einem 220uF Kondensator und ein Widerstand wird verwendet, um den Einschaltstrom zu begrenzen

Ich habe dummerweise den falschen Leistungswiderstand eingebaut und (kein Wunder, dass es fehlgeschlagen ist) es hat eine Weile gedauert, bis ich meinen Fehler erkannt habe. Ich glaube, der richtige Widerstand ist in Ordnung (er lief über einen beträchtlichen Zeitraum und hat die doppelte Leistung), aber ich bin ein wenig verwirrt darüber, wie ich die Bewertung berechne und sie theoretisch nachweise

Die Widerstände (ich habe zwei parallel verwendet) bestückten das 3R3 1.5W 2512-Gehäuse

TE Connectivity CRGS2512J3R3 (Ich habe versucht, einen Link hinzuzufügen, habe aber nicht genug Reputation)

Das Datenblatt enthält sogar ein Diagramm, in dem angegeben ist, dass die Überspannungsbewertung nicht ausreichend ist, und ich bin daran interessiert, wie diese Kurven berechnet werden, damit ich die Berechnungen auf andere Widerstände anwenden kann, bei denen sie nicht so hilfreich sind, um ein Diagramm bereitzustellen

Hier ist die Handlung

Ich habe den Einschaltstrom mit einem Oszilloskop (100-VDC-Versorgung) und etwas mehr als 40 A gemessen. Das theoretische Maximum liegt bei über 60 A, aber es gibt eine Verpolungsschutzdiode und eine Sicherung sowie eine Leiterplatten-Leiterbahn und eine ESR-Kappe, die dies reduzieren.

Das ist der gesamte Einschaltstrom, der zwei Widerstände parallel durchläuft, also ca. 20A pro Widerstand

Wie zu sehen ist, ist der Anstieg nach ca. 0,5 ms auf 50% des Spitzenwerts gesunken, sodass ich dies meiner Meinung nach als eine Rechteckwelle mit einer Breite von 0,5 ms als annehmbare Annäherung behandeln kann (wie in den EMC-Standards für TVS-Dioden usw. empfohlen).

Es gibt App-Notizen wie online

Vishays Pulslast auf SMD-Widerständen: Am Limit (wieder nicht genug Repuation, um Link hinzuzufügen)

Ich verstehe, dass periodische Impulse mehr Leistungsreduzierung erfordern als ein einzelner Impuls (das ist logisch). Zu welchem Zeitpunkt ein einzelner Impuls periodisch wird, ist ein weiteres Thema, da wahrscheinlich die gesamte Elektronik irgendwann ausgeschaltet werden muss!

Verwendung der Berechnung im vishays Datenblatt für periodische Impulse mit einem Zeitraum von 1 Sekunde und Verwendung meiner Einschaltstrom-Messdaten

P = (V ^ 2 / R) * ti / tp

V = 100, R = 3,3, ti = 0,0005, tp = 1

Gibt mir einen Wert von 1,515 W (absolutes Maximum) und ich kann sehen, ob angelegte Spannungsspitzen häufiger auftreten als die Leistung ansteigt (was passiert ist, wenn der Widerstand ausgefallen ist).

Betrachtet man die Grafik aus dem Datenblatt (das ist nicht einfach für das Auge), aber mit 20,1 A durch den 3R3-Widerstand ist das eine Spitzenleistung von 1333 W

Die Grafik aus dem Datenblatt scheint nicht mit einer Leistungsreduzierung für eine Pulszeit von 0,001 übereinzustimmen (um die Werte bequem ablesen zu können). Die Grafik zeigt eine maximale Pulsleistung von ca. 1 kW an, während die Berechnung besagt, dass der Durchschnitt bei ca. 3 W liegt ist doppelt so hoch wie der Widerstand

Ich glaube, ich habe zu viel Zeit damit verbracht, mir das anzuschauen und muss einfach ins Bett gehen und frisch aufwachen. Ich bin verwirrt, ob ich das richtig mache oder nur keine Ahnung habe!

Ich kann die Energie in den Kondensator einrechnen, bin mir aber nicht sicher, was ich damit machen würde, stimmt die Methode? Gibt es einen besseren Weg? Ist dies die Vorgehensweise, wenn der Hersteller keine Puls- / Stoßspannungswerte angibt?

Jeder Rat wird sehr geschätzt

resistors derating Jamie Lamb
quelle

Gute Frage. + 1. Früher waren die Widerstände größer, was trotz fehlender Informationen zu Überspannungsschutzwerten zu einem geringeren Problem führte. Selbst sind die Überspannungsschutzdaten sehr gut. Aus EMV-Gründen hat ein echtes Produkt häufig einen kleinen Induktor in Reihe mit der B + -Leitung. Eine solche Spule kann manipuliert werden, um Stoßströme beim Einschalten zu verringern, insbesondere wenn sie nicht wie Luft zur Sättigung neigt.

Autistic

Vielen Dank, dass Sie meine Mist-Schreibweisen bearbeitet und den ESR des Kondensators hinzugefügt haben, den ich vergessen hatte! Es gibt tatsächlich einen EMI-Filter, also auch eine Gleichtaktdrossel

Jamie Lamb,

Antworten:

$I^2\cdot s$

Die oben genannten Arten von Spezifikationen werden häufiger für Sicherungen verwendet, da dies die Aufgabe ist, für die sie vorgesehen sind. Widerstände hingegen sind tatsächlich so ausgelegt, dass sie sich auflösen. Dies fügt also einen weiteren zu berücksichtigenden Faktor hinzu.

$t=100\:\mu\textrm{s}$ $4000\:\textrm{W}\cdot 100\:\mu\textrm{s}=400\:\textrm{mJ}$ $18\:\textrm{W}\cdot 1\:\textrm{s}=18\:\textrm{J}$ $1\:\textrm{s}$

\begin{aligned} E_{l i m i t} & = 4000 W \cdot t \\ E_{l i m i t} & = 1.91089572 J \cdot \ln (t) + 18 J \end{aligned} \begin{aligned} where t \leq 100 μ s \\ where 100 μ s \leq t \leq 10 s \end{aligned}

$\begin{split}E_{limit}&=4000\:\textrm{W}\cdot t\\E_{limit}&=1.91089572\:\textrm{J}\cdot \ln \left(t\right)+18\:\textrm{J}\end{split}\quad\begin{split}&\textrm{ where}\quad t \le 100\:\mu\textrm{s}\\&\textrm{ where}\quad 100\:\mu\textrm{s}\le t \le 10\:\textrm{s}\end{split}$

Dies ist eine Hot-Spot-Berechnung, und sie ist wahrscheinlich nur für das wenigefache der Diagrammdauer geeignet, wenn sich die Verlustleistung aufgrund anderer Faktoren bei der Nennleistung stabilisiert. Sie zeigen nur die Kurve bis zu einer Sekunde. Aber die obige Gleichung könnte ein bisschen nach dem Ende dieser Kurve funktionieren. Unabhängig davon gibt es Ihnen eine Idee.

Wenn ich das Integral richtig gemacht habe, ist die von Ihrer RC-Schaltung in Ihr R gelieferte Energie die folgende Funktion der Zeit:

E_{d e c a y} = \frac{V_{0}^{2} \cdot C}{2} \cdot (1 - e^{- \frac{2 \cdot t}{R \cdot C}})

$E_{decay}=\frac{V_0^2\cdot C}{2}\cdot \left(1-e^{-\cfrac{2\cdot t}{R\cdot C}}\right)$

$E_{limit}$ $40\:\textrm{A}$ $V_0=132\:\textrm{V}$ $t=100\:\mu\textrm{s}$ $\approx 462\:\textrm{mJ}$ der die von Ihnen angegebene Bewertungskurve überschreitet. Um sicherzugehen, würden Sie wahrscheinlich wesentlich darunter sein wollen, denke ich. Nicht vorüber.

Die Kurve zeigt, dass bei etwas mehr Zeit genügend Zeit vorhanden sein sollte und daher keine verbleibenden Probleme auftreten. Dies scheint jedoch auf ein Eckfallproblem hinzudeuten wenn ein einzelnes Gerät verwendet wird.

Ich nehme an, Sie benutzen zwei davon und haben immer noch Probleme. (Ich bin mir nicht sicher, wie das alles montiert ist und das könnte auch wichtig sein.) Auf jeden Fall wenn du das einsteckst $1.65\:\Omega$ $812\:\textrm{mJ}$ für beide. Was, geteilt zwischen den beiden, immer noch die Spezifikation übertrifft (nur um ein wenig.)

Nur eine zusätzliche Anmerkung, weil ich eine Korrektur der obigen ersten Gleichung für vornehmen musste $t\lt 100\:\mu\textrm{s}$

Mit der Korrektur können Sie das also beispielsweise für einen noch kürzeren Zeitraum leichter erkennen $t=10\:\mu\textrm{s}$ $E_{decay}$ $V_0=132\:\textrm{V}$ $40\:\textrm{A}$ $100\:\textrm{mJ}$ $1.65\:\Omega$ $4000\:\textrm{W}\cdot 10\:\mu\textrm{s}=40\:\textrm{mJ}$ $V_0=100\:\textrm{V}$ $60\:\textrm{mJ}$

Ich kann sehen, warum Sie Probleme haben.

jonk
quelle

Vielen Dank für diese Antwort, die Joule pro Ohm sind nicht in den Datenblättern enthalten. Ich kann mich an den Hersteller wenden. Wenn ich später Zeit bekomme, rundet das alles möglicherweise ab. Ich kann sehen, wie Sie zu Ihren Gleichungen gekommen sind, aber ich habe die Details (noch) nicht überprüft. In Ihrer Gleichung für Edecay ist Vo die Eingangsspannung?

Jamie Lamb

Die Versorgungsspannung beträgt 100VDC und Sie haben Recht. Ich verwende zwei dieser Widerstände parallel, um einen Gesamtwiderstand von 1,65 Ohm zu erhalten. Was für mich immer noch keinen Sinn macht, ist, wie die Gleichung im Vishay-Datenblatt nicht mit dem Diagramm übereinstimmt. Wenn Sie es als einfach ansehen (V ^ 2 / R) * (Arbeitszyklus), ist es für mich sinnvoll, wenn es so war Ein 1-Sekunden-Impuls mit einer 1-Sekunden-Periode, dann sein Gleichstrom, und es würde in meinen Augen keine Leistungsminderung geben, sodass die Vishay-Datenblattgleichung für alle Widerstände funktionieren sollte. Vielen Dank für Ihre Antwort geschätzt

Jamie Lamb

@ JamieLamb Ja, der Vo ist der 132-VDC-Wert, den ich basierend auf Ihrer 40-A-Zahl geschätzt habe. (40 A mal 3,3 Ohm.)

Jonk

@JamieLamb Ich habe nicht viel mehr auf das Datenblatt geschaut, als auf das Diagramm zu schauen und die Kurve dort zu verwenden, um die kurzfristige Energie zu schätzen, die es gegen die Zeit tolerieren könnte. Es war eine einfache Ableitung, da die Derating-Linie auf der logarithmischen Skala "gerade" ist.

Jonk

Ich habe einen Gleichstromeingang von 100V, zwei parallel geschaltete 3,3 Ohm Widerstände also umgerechnet 1,65 Ohm. Theres eine Diode und EMI-Filter und der ESR des Kondensators alle arbeiten, um meinen gemessenen Strom zu verringern Kein Problem, obwohl ich mit dem, was Sie geliefert haben, arbeiten kann, es ist wirklich geschätzt

Jamie Lamb

Berechnen wir den Temperaturanstieg mit einem Impuls, vorausgesetzt, die Wärme bleibt vollständig im Widerstand. Wenn 5 Grad, ist es in Ordnung, oder? Aber wenn 5.000 Grad steigen, ist es (bereits in Plasma verwandelt) nicht in Ordnung, stimmte zu?

Wir müssen wissen, wie viel Wärme der Widerstand intern speichern kann. Hier ist eine nützliche Zahl: Die spezifische Wärme von Silizium (wie das reine Material, das als Siliziumwafer verwendet wird) beträgt 1,6 PicoJoule pro Kubikmikron und Grad Celsiusanstieg.

Sie können die Widerstandsgröße in Mikrometer, Länge, Breite und Höhe umrechnen und das Gesamtvolumen berechnen. Angenommen, der Widerstand hat eine Ton- / Keramikbasis, auf der der Metallfilm abgeschieden wird. In der Folie wird Wärme erzeugt, die schnell in die Silizium- / Ton- / Keramikbasis fließt.

Was sind die Zeitkonstanten? ACHTUNG HIER. Die Zeitkonstanten für den Wärmefluss sind bei der Größe NICHT LINEAR. Die Zeitkonstanten ändern sich als Quadrat der Größe.

Größe des Siliziumwürfels Zeitkonstante

1 Meter Würfel 11.400 Sekunden

10cm Würfel 114 Sekunden

1 cm Würfel 1,14 Sekunden

1 mm Würfel 0,014 Sekunden (14 Millisekunden), was ungefähr der Größe von SMT-Widerständen entspricht

100 Mikron Würfel 114 Mikrosekunden

10 Mikron Würfel 1,14 Mikrosekunden

1 Mikron Würfel 11,4 Nanosekunden

0,1 Mikron Würfel 114 Pikosekunden (ungefähr die Dicke der leitenden Schicht von FETS

EDIT Meiner Meinung nach ist der Widerstand umso überlebensfähiger, je dicker der Widerstandsbereich ist. In dünnen Filmen muss die Wärme in die Ton- / Siliziummasse fließen. In einem Widerstand aus Kohlenstoffzusammensetzung umfasst der größte Teil des Widerstandskörpers den Widerstand; Das Ergebnis ist, dass die Wärme im gesamten empfindlichen Volumen erzeugt wird und die gesamte Masse als unmittelbare Wärmesenke gut ausnutzt, da die Wärme außer den Zuleitungen keinen Weg hat, wohin sie gehen kann. Untersuchen Sie in diesem Sinne das folgende Diagramm:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Lassen Sie uns den Energiespeicher eines 1-mm-Würfelwiderstands diskutieren. Sie haben eine Energiespeicherherausforderung. Bei 1.000 Mikron pro Seite hat dieser Würfel ein Volumen von 1 Milliarde Kubikmikron. Unter der Annahme, dass der gesamte Widerstandsbereich, die äußere Schutzglasur und jede innere Hartkeramikbasis 1,6 Pikojoule pro Kubikmikron und Grad Cent aufweisen, beträgt Ihre Wärmekapazität

1 b i l l i o n c u b i c m i c r o n s * 1.6 p i c o J o u l e / c u b i c m i c r o n / d e g r e e C e n t

$1billion cubicmicrons * 1.6 picoJoule/cubicmicron/degree Cent$

oder 1,6 MilliJoule / Grad Cent Energiespeicher.

Ihre Energie beträgt 20 Ampere pro Widerstand (2 Rs parallel, jeweils 3,3) für 0,5 Millisekunden. Was ist das Joule? P = I ^ 2 & * R = 20 * 20 * 3,3 * 0,0005 s oder 1320 Joule / Sekunde * 0,0005 = 0,65 Joule.

Teilen Sie nun 650 Millijoule / 1,6 Millijoule (für ein Würfelvolumen von 1 Millimeter) und der Temperaturanstieg beträgt 400 ° C. Lötmittel schmilzt; Aluminium kriecht.

analogsystemsrf
quelle

Vielen Dank für Ihren Beitrag. Ich habe eine Weile gebraucht, um zu antworten, da ich gefesselt war. Ich mag Ihre Lösung und werde später darauf eingehen. Ich interessiere mich in großem Maße für Thermodynamik. Leider bin ich in diesem Bereich nicht qualifiziert, und die Leute, für die ich die Lösung vorstelle, werden jedes Detail in Frage stellen, das ich nicht mit harter Wissenschaft untermauern kann. Vielen Dank, aber ich werde es auf jeden Fall nur zum Spaß ausprobieren!

Jamie Lamb

P = v^{2} / R \frac{t i}{t p} = (100 x 100 / 1.65) x 0.0005 / 1 = 3.03 W

$P = v^2/R\frac{ti}{tp} = (100x100/1.65) \text x 0.0005/1 = 3.03W$

p = I^{2} R = 40 x 40 x 1.65 = 2, 640

$p = I^2R = 40x40x1.65 = 2,640$ widerstände, um sicher zu gehen, sollte jeder widerstand die volle last tragen. Daher benötigen Sie jeweils 3.3 Widerstände, um 3W abführen zu können .

BEARBEITEN: Weitere Gründe für die Verdoppelung der Nennleistung sind: 1) Jeder Widerstand beeinträchtigt die Wärmeableitungsfähigkeit des anderen Widerstands. 2) Jeder Widerstand wird zu einer Heizung für den anderen Widerstand.

Guill
quelle

Sind Sie sicher? Die Widerstände sind parallel geschaltet, und an jedem liegt die volle Spannung an. Daher dachte ich, ich würde die Widerstände einzeln berechnen. Ich verstehe, dass die Widerstände unübertroffen sind, aber ist es realistisch zu erwarten, dass nur einer die volle Last trägt?

Jamie Lamb

Die Widerstände teilen sich einen Großteil der Last, der ungleiche Teil sollte auf der Grundlage der Toleranz (Wert für einen höheren Wert und für den anderen niedrigeren Wert) abschätzbar sein. Für zwei Widerstände aus derselben Charge ist die Übereinstimmung normalerweise viel besser als angegeben.

KalleMP

@ JamieLamb: Ja, es ist vernünftig. Wenn Sie die Impulsbreite schätzen, sind die 100 V möglicherweise höher und die Ableitungseigenschaften der Widerstände und ihrer Umgebung sind möglicherweise weniger effektiv als angegeben.

Guill