Pulshanteringskapacitet hos trådlindade motstånd från Vishay Dale

Trådlindade effektmotstånd har effekt- och spänningsvärden för stabilt läge som anger de maximala temperaturer som enheterna kan utsättas för. För korta perioder på fem sekunder eller mindre, är dessa värden tillfredsställande, men motstånden kan hantera mycket högre effekt- och spänningsnivåer under korta perioder (mindre än övergångsgränsen). Vid rumstemperatur har RS005 exempelvis en kontinuerlig effekt på 5 W, men under en period på 1 ms kan enheten hantera 24 500 W och under 1 μs kan enheten hantera 24 500 000 W. Anledningen till denna till synes höga effektkapacitet är att det är energin, som är produkten av effekt och tid, som skapar värme, inte enbart effekten. Vishay Dale kan erbjuda lösningar för en tillämpning om man får den information som beskrivs i figur 2.

Figur 1: Vishay Dale erbjuder ett brett utbud av trådlindade motstånd. (Bildkälla: Vishay Dale)

Korta pulser (kortare än övergångstidens varaktighet)

För korta pulser är det nödvändigt att konstatera den energi som tillförs motståndet. För pulser som är kortare än övergångspunkten antar Vishay Dale Engineering att all pulsenergi går förlorad i motståndselementet (tråden). För att motståndet ska behålla sina prestandaegenskaper under produktens livslängd baserar Vishay Dale analyser och rekommendationer på den energimängd som krävs för att höja motståndselementet till +350 °C utan värmeförlust i kärnan, ytbehandlingen eller anslutningarna. Övergångspunkten är den tidpunkt då betydande energi börjar avledas inte bara i själva tråden utan även i kärnan, anslutningarna och kapslingsmaterialet. Det är den punkt då pulsen inte längre kan betraktas som en kort puls utan som en lång puls.

Pulshanteringskapaciteten är olika för respektive motståndsmodell och värde, eftersom den baseras på motståndselementets massa och specifika värme. När effekten och energin har definierats kan Vishay Dale konstatera det bästa motståndet för applikationen.

Övergångspunkt

Ett exempel på ett RS005-motstånd på 500 Ω vid rumstemperatur:

Obligatorisk information:

ER = Energiklass för en viss modell, resistansvärde och omgivningstemperatur. Tillhandahålls av Vishay Dale, ER = 6,33 J.

PO = Komponentens överbelastningsförmåga under 1 s. Överbelastningsförmågan hos ett RS005 under 1 s, 10 x 5 W x 5 s = 250 Ws/1 s = 250 W

Övergångspunkt (s) = ER (J)/PO (W)

6,33 J/250 W = 0,0253 s

Övergångspunkten för motståndet RS005 på 500 Ω vid rumstemperatur är ungefär 25,3 ms.

Långa pulser (övergångspunkt till 5 sekunder)

Vid långa pulser avges en stor del av värmen till kärnan, anslutningarna och kapslingsmaterialet. Därför är de beräkningar som används för korta pulser alldeles för konservativa. För tillämpningar med långa pulser används de kortvariga överbelastningsvärdena från databladen. Observera att upprepade pulser som består av den kortvariga överbelastningsstorleken är extremt påfrestande och kan leda till att vissa motståndstyper går sönder.

• För att hitta överbelastningseffekten för en puls på 5 s, multiplicerar du den nominella effekten med antingen 5 eller 10 beroende på vad som anges i databladet
• För att hitta överbelastningseffekten för 1 till 5 s, omvandlar du överbelastningseffekten till energi genom att multiplicera med 5 s och sedan omvandla tillbaka till effekt genom att dividera med pulsbredden i sekunder
• För pulslängder mellan övergångspunkten och 1 s används den överbelastningseffekt som beräknats för 1 s

Exempel

1. Vad är överbelastningseffekten för ett RS005-motstånd?

   Enligt databladet har RS005 en nominell effekt på 5 W och tål 10 gånger den nominella effekten i 5 sekunder: 10 x 5 W = 50 W

2. Vad är energikapaciteten för RS005 under 5 s?

   Under 5 s är energikapaciteten: 50 W x 5 s = 250 W-s eller J

3. Vad är överbelastningskapaciteten för RS005 under 1 s?

   Under 1 s är överbelastningskapaciteten 250 W/ s = 250 W-s eller J

4. Vad är energikapaciteten för RS005 under 0,5 s?

   Under 0,5 s är energikapaciteten 250 W x 0,5 s = 125 W-s eller J

Information som krävs för att fastställa pulskapaciteten

Figur 2: Svaren på frågorna om pulskapacitet gör det lättare att konstatera en lösning för tillämpningen. (Bildkälla: Vishay Dale)

Pulstillämpningar hamnar ofta i en av tre kategorier: fyrkantsvåg, kapacitiv laddning/urladdning eller exponentiell avklingning. Ett exempel på beräkning av pulsenergi för var och en av dessa visas i följande avsnitt.

Fyrkantsvåg

En konstant spänning eller ström läggs över ett motstånd under en given pulsvaraktighet.

Figur 3: Exempel på beräkning av pulsenergi för en fyrkantsvåg med en amplitud på 100 V_DC under 1 ms genom ett motstånd på 10 Ω. (Bildkälla: Vishay Dale)

Kapacitiv laddning/urladdning

En kondensator laddas upp till en given spänning och laddas sedan ur genom ett trådlindat motstånd.

Figur 4: exempel på beräkning av pulsenergi för en tillämpning med en kapacitiv laddning/urladdning. (Bildkälla: Vishay Dale)

Exponentiell avklingning/blixturladdning

Tillämpningen når en toppspänning och minskar i en takt som är proportionell mot dess värde. Detta modelleras vanligtvis av DO-160E WF4 eller IEC 6100-4-5 och representerar en blixturladdning.

Figur 5: Exempel på beräkning av pulsenergi för en incident med en blixturladdning. (Bildkälla: Vishay Dale)

Upprepade pulser med lika stort mellanrum

Vid beräkning av pulshanteringskapacitet för upprepade pulser måste man ta hänsyn till genomsnittseffekten och den enskilda pulsenergin. Det beror på att den genomsnittliga effekten ger upphov till en genomsnittlig värmeökning i komponenten, vilket förbrukar en viss procentandel av komponentens energikapacitet. Den del av energin som inte används av genomsnittseffekten är då tillgänglig för att hantera den momentana pulsenergin. När de två procentsatserna (genomsnittlig effekt till nominell effekt och pulsenergi till pulshanteringskapacitet) läggs ihop får de inte överstiga 100 % av komponentens totala nominella effekt.

Exempel

Följande exempel baseras på en upprepad puls med fyrkantsvåg med lika stort mellanrum.

Figur 6: Exemplet är baserat på en upprepad puls med fyrkantsvåg med lika stort mellanrum. (Bildkälla: Vishay Dale)

1. Pulseffekten, P = V²/R eller I²R beräknas för en enda puls
2. Den genomsnittliga effekten beräknas på följande sätt: P_Avg = Pt/T
3. Beräkna pulsenergin: E = Pt
4. Beräkna procentsatsen för genomsnittlig effekt i förhållande till märkeffekt (PR): Procentsats (effekt) = 100 x P_AVG/P_R
5. Vishay Dale Engineering kan tillhandahålla pulshanteringskapaciteten (ER) för en angiven motståndsmodell, ett resistansvärde och omgivningstemperatur
6. Beräkna procentsatsen för pulsenergi i förhållande till pulshanteringskapaciteten: Procentsats (energi) = 100 x E/E_R
7. Lägg ihop procentsatserna i (4) och (6). Om procentsatsen är mindre än 100 % är det valda motståndet godtagbart. Om procentsatsen är större än 100 % bör ett motstånd med en högre effekt eller högre pulshanteringskapacitet väljas. Kontakta Vishay Dale Engineering för att avgöra vilket motstånd som är bäst för din tillämpning.

Exempel

En serie jämnt fördelade pulser med fyrkantsvåg och en amplitud på 200 V_DC, en pulsbredd på 20 ms och en cykeltid på 20 s tillämpas för ett RS007-motstånd på 100 Ω vid en omgivningstemperatur på 25 °C.

1. Pulseffekten är: P = V2/R = (200 V²/R = (200 V)²/100 Ω = 400 W
2. Den genomsnittliga effekten är: P_AVG = Pt/T = (400 W x 0,02 s)/20 s = 0,4 W
3. Pulsenergin beräknas med: E = Pt = 400 W x 0,02 s = 8,0 W-s, eller J
4. Motståndet RS007 har en nominell effekt (P_R) på 7 W. Procentandelen av den genomsnittliga effekten i förhållande till märkeffekten beräknas med: P_AVG/P_R x100 = ((0,4 W)/(7 W)) x 100 = 5,7 %
5. Pulshanteringskapaciteten (_ER) som tillhandahålls av Vishay Dale Engineering vid en omgivningstemperatur på 25 °C är 15,3 J
6. Pulsenergins procentsats i förhållande till pulshanteringskapaciteten beräknas med:

   100 x E/E_R = 100 x ((8,0 J)/(15,3 J)) = 52,3 %

7. De procentsatser som beräknats i (4) och (6) läggs ihop: 5,7 % + 52,3 % = 58 %

Eftersom procentsatsen är lägre än 100 % av den totala bedömningen, kommer motståndet av typen RS007 att klara av pulsen.

Icke-induktiva motstånd

Icke-induktiva effektmotstånd består av två lindningar som vardera är dubbelt så stora som det värdet för det färdiga motståndet. Därför kommer energikapaciteten nästan alltid att vara större än för en standardlindad enhet. För att beräkna den energikapacitet som behövs för icke-induktiva varianter, beräkna energin per ohm (J/Ω) genom att dividera energin med fyra gånger motståndsvärdet.

Exempel

Vilken energi per ohm krävs för att hantera en puls på 0,2 J som tillämpas för ett motstånd på 500 Ω?

Den energi per ohm som krävs är: E/4R = (0.2 J)/(4 x 500 Ω) = 100 x10^-6 J/Ω

Detta kan lämnas till Vishay Dale Engineering för att hitta den bästa produkten för tillämpningen.

Spänningsbegränsningar

Korta pulser – Ingen överbelastningsspänning har någonsin fastställts för trådlindade motstånd när de utsätts för kortvariga pulser. Sandia Corporation har genomfört en undersökning av våra NS- och RS-motstånd med pulser på 20 µs. Studien visar att denna typ av enhet klarar cirka 20 kV per tum så länge pulshanteringskapaciteten inte överskrids.

Långa pulser – För pulser mellan övergångspunkten och 5 s är den rekommenderade maximala överbelastningen √10 gånger den maximala arbetsspänningen för storleken 4 W och större, samt √5 gånger den maximala arbetsspänningen för storlekar mindre än 4 W.

Smältbara motstånd

Om målet med tillämpningen är att motståndet ska smälta som en säkring vid vissa förhållanden, erbjuder Vishay Dale smältbara motstånd. Se sidan sju för vanliga typer av RS-säkringsmotstånd, eller klicka på följande länk för hela databladet med RS-säkringar.

Snabbutlösande, gjutna modeller, specialutformade för specifika tillämpningar

Vishay Dale har ett stort sortiment med trådlindade motstånd. De har också möjlighet att tillhandahålla specialanpassade, formgjutna, snabbverkande motstånd för specifika tillämpningar. Även om DigiKey har några av dessa typer av motstånd på lager finns det bokstavligen hundratals möjligheter. Se figur 7 för några exempel och en artikelnummertabell som kan användas för att anpassa ett lämpligt motstånd för en specifik tillämpning.

Figur 7: De exempelmotstånd som visas överst utgör en handfull av hundratals möjliga varianter. Om du vill ha ett specialanpassat motstånd som är avsett för en specifik tillämpning kan du använda diagrammet med artikelnummer i slutet. (Bildkälla: Vishay Dale)