Rezystor rozpraszający zaledwie kilkadziesiąt miliwatów czy też zworka 0 Ω przewodząca prąd o natężeniu kilkuset miliamperów – wbrew pozorom, tego typu sytuacje mogą dla rezystorów SMD wiązać się z pracą poza dopuszczalnymi warunkami. Co gorsza, nawet większa obudowa nie zawsze zapewnia oczekiwany zapas. Takie sytuacje łatwo przeoczyć, gdy dobór elementu ogranicza się do ustalenia wartości rezystancji i szybkim przeliczeniu mocy strat. Dopiero dokładniejsza lektura karty katalogowej pokazuje, ile niezależnych ograniczeń kryje się w niewielkim elemencie SMD.
Budowa rezystorów grubowarstwowych
Podstawą rezystora grubowarstwowego jest ceramiczne podłoże z naniesioną warstwą rezystywną. Standardowy proces produkcji takich komponentów obejmuje nadruk pasty, obróbkę termiczną oraz korekcję rezystancji, często wykonywaną metodą laserową. Zewnętrzna warstwa ochronna zabezpiecza ścieżkę oporową przed oddziaływaniem otoczenia. Na przekrojach przedstawionych przez firmę Royal Ohm w nocie katalogowej rezystorów grubowarstwowych wyróżniono podłoże z tlenku glinu (Al2O3) o wysokiej czystości, element oporowy i powłokę, a także zakończenia lutownicze z wewnętrzną warstwą Ni/Cr, barierą niklową i zewnętrzną warstwą cyny zapewniającą łatwe lutowanie. Co ważne, rezystory Royal Ohm nadają się nie tylko do standardowego lutowania rozpływowego, ale także lutowania na fali, które znajduje zastosowanie w przypadku PCBA w technologii mieszanej (THT + SMT).
Gabaryty rezystora określają dostępne miejsce na strukturę oporową i wyprowadzenia, ale nie definiują jednoznacznie możliwości elektrycznych komponentu. W jednym rozmiarze mogą bowiem występować elementy o różnych dopuszczalnych napięciach i mocach. Dobrym przykładem są standardowe rezystory grubowarstwowe oraz seria wysokonapięciowa HV firmy Royal Ohm – do tego wątku wrócimy w dalszej części artykułu.
Parametry napięciowe rezystorów SMD
W dokumentacjach rezystorów SMD można znaleźć aż trzy różne wartości napięcia dla danego rozmiaru bądź serii komponentów. Przyjrzyjmy się im dokładniej, by lepiej zrozumieć różnice pomiędzy tymi parametrami.
Maksymalne napięcie robocze (max. working voltage)
Parametr ten określa górny limit napięcia między zaciskami podczas pracy ciągłej. Jednocześnie musi być spełniony oczywiście warunek dopuszczalnej mocy strat (Pmax), wydzielanej w ścieżce oporowej o rezystancji R. Dla napięcia stałego U oba ograniczenia można zapisać wspólnie:
Praktyczny limit napięcia na rezystorze jest zatem mniejszą spośród dwóch wartości:
- katalogowej wartości maksymalnego napięcia roboczego oraz
- napięcia obliczonego na podstawie dopuszczalnej mocy strat (w danej temperaturze otoczenia) i rezystancji elementu.
Przykładowo, dla standardowego rezystora 0603 o rezystancji 100 kΩ i dopuszczalnej mocy 0,1 W obliczenie √(Pmax · R) daje 100 V, lecz limit katalogowy wynosi 75 V. Przy 100 V moc byłaby wprawdzie w granicach dopuszczalnych przez producenta, ale napięcie okazałoby się już zbyt wysokie.
Maksymalne napięcie przeciążenia (max. overload voltage)
Jest to graniczne napięcie krótkotrwałej próby przeciążeniowej. Przy ocenie impulsu trzeba byłoby dodatkowo znać czas jego trwania, energię, powtarzalność oraz warunki badań wykonanych przez producenta, bowiem samo porównanie amplitudy impulsu z tą wartością nie wystarczy do kwalifikacji komponentu do pracy impulsowej w warunkach zbliżonych do granicznych. W przypadku standardowej serii rezystorów grubowarstwowych Royal Ohm podaje w nocie katalogowej limity napięć i dopuszczalne zmiany rezystancji po próbie, ale nie opisuje kompletnej procedury przeciążenia.
Przy pracy ciągłej podstawą doboru pozostają maksymalne napięcie robocze oraz dopuszczalna moc strat, oczywiście przy zachowaniu sensownego marginesu bezpieczeństwa. W zastosowaniach impulsowych potrzebne są dodatkowo dane dotyczące dopuszczalnego obciążenia w funkcji czasu trwania impulsu i jego powtarzalności.
Wytrzymałość napięciowa izolacji (dielectric withstanding voltage)
Dwa opisane wcześniej parametry dotyczyły napięcia przyłożonego pomiędzy obydwa wyprowadzenia rezystora. Wytrzymałość napięciowa izolacji dotyczy natomiast próby polegającej na ocenie warstw izolacyjnych rezystora, test jest zatem wykonywany poprzez przyłożenie napięcia pomiędzy część przewodzącą rezystora a zewnętrzną elektrodę probierczą lub powierzchnię montażową. Test służy ocenie izolacyjności konstrukcji, a warunkiem jego zaliczenia jest brak przebicia dielektrycznego. Nie jest zatem alternatywnym limitem napięcia roboczego między końcówkami, o czym warto pamiętać oceniając możliwość pracy rezystora w ekstremalnych warunkach elektrycznych.
Różnicę dobrze pokazuje seria HV12 marki Royal Ohm, czyli specjalistyczne rezystory wysokonapięciowe w rozmiarze 2512: maksymalne napięcie robocze tych elementów wynosi 3000 V, napięcie przeciążenia to 4000 V, natomiast wytrzymałość dielektryczna jest znacznie niższa i wynosi 500 V. Wielkości te opisują bowiem różne obciążenia konstrukcji rezystora, dlatego nie mogą być porównywane jako kolejne stopnie jednej „odporności napięciowej”.
W praktycznym projektowaniu trzeba ponadto uwzględnić wymogi norm produktowych. Jeżeli rezystor miałby pracować np. w obwodzie sieciowym zasilacza, to nawet wysoka wartość dopuszczalnego napięcia roboczego może okazać się niewystarczająca, jeżeli odstępy powietrzne (clearance) lub powierzchniowe (creepage) między jego wyprowadzeniami lub padami nie spełnią wymagań właściwych dla danego miejsca w obwodzie i warunków pracy urządzenia. Więcej na ten temat pisaliśmy w tym artykule.
Napięcie kontra wymiary rezystora
Większa obudowa pozwala w naturalny i oczywisty sposób zwiększyć odległości pomiędzy wyprowadzeniami i polami lutowniczymi, a czasem dodatkowo zmienić geometrię struktury oporowej. Dopuszczalne napięcie zależy również od wykonania konkretnej serii. Poniżej zestawiono maksymalne napięcia robocze elementów Royal Ohm. Rozmiary podano w oznaczeniu calowym.
| Rozmiar | Seria standardowa | Seria HV |
|---|---|---|
| 0603 | 75 V | 200 V |
| 0805 | 150 V | 400 V |
| 1206 | 200 V | 500 V |
| 1210 | 200 V | 800 V |
| 2010 | 200 V | 2000 V |
| 2512 | 200 V | 3000 V |
Warto zwrócić uwagę na interesujący fakt: w serii standardowej przejście z 1206 na 2512 nie zwiększa limitu 200 V, podczas gdy warianty HV umożliwiają pracę przy znacznie większym napięciu w odpowiadających im obudowach. Nadal obowiązuje natomiast ograniczenie mocy: HV06 o mocy 0,25 W może osiągnąć katalogowe 500 V dopiero przy rezystancji co najmniej 1 MΩ i to bez dodatkowego zapasu projektowego. Wynika to bezpośrednio ze wzoru .
Moc strat a warunki pracy
Krzywe prezentowane w dokumentacji rezystorów Royal Ohm dopuszczają pełną moc znamionową do temperatury otoczenia (Ta) 70°C. Wraz ze wzrostem Ta moc maleje liniowo do zera przy 155°C; wyjątkiem w serii standardowej jest subminiaturowa obudowa 01005, dla której koniec krzywej przypada na 125°C.
Dla pozostałych omawianych rozmiarów, w zakresie 70…155°C, krzywą opisuje zależność:
Przy 100°C do wykorzystania pozostaje zatem tylko około 65% mocy znamionowej, a przy 125°C — około 35%. Rezystor 0,25 W może wtedy rozpraszać odpowiednio około 162 mW i 88 mW. Są to wartości obliczone z katalogowej krzywej, a nie dodatkowy margines niezawodności.
Trzeba pamiętać, że temperatura otoczenia oznacza warunki lokalne wewnątrz urządzenia. Rozgrzany tranzystor lub przetwornica w sąsiedztwie rezystora mogą znacząco zmienić jego bilans cieplny. Na odprowadzanie ciepła wpływają również pady, przelotki i obszary miedzi na PCB; dlatego obliczenia w przypadku krytycznych elementów warto zweryfikować pomiarem w docelowym montażu.
Zworki rezystorowe, czyli rezystory 0 Ω w praktyce
Zworki 0 Ω umożliwiają konfigurację połączeń z wykorzystaniem standardowego montażu SMD. Ich rzeczywista rezystancja jest rzecz jasna niezerowa: w omawianej karcie Royal Ohm podano wartość R < 50 mΩ. Osobno wyspecyfikowano natomiast prąd znamionowy i prąd przeciążenia.
| Obudowa | Prąd znamionowy | Prąd przeciążenia |
|---|---|---|
| 0402 | 1 A | 2 A |
| 0603 | 1 A | 2 A |
| 0805 | 2 A | 5 A |
| 1206 | 2 A | 10 A |
| 2512 | 2 A | 10 A |
Warto tu zwrócić uwagę na bardzo ważny fakt. Spójrzmy na przykładową zworkę w obudowie 2512. Jej prąd znamionowy wynosi 2 A, co przy deklarowanym limicie 50 mΩ dałoby moc strat równą 200 mW, podczas gdy ta sama nota katalogowa określa maksymalną moc strat rezystorów w tym rozmiarze równą aż 1 W – czyli aż 5x więcej. Czy jest to sprzeczność?
Absolutnie nie! Trzeba bowiem pamiętać, że ograniczenie wynika nie tylko z rezystancji ścieżki, ale także gęstości prądu w wyprowadzeniach lutowniczych i samej ścieżce. Jeśli bowiem chcielibyśmy wykorzystać maksymalną moc ciągłą 1 W w przypadku zworki w rozmiarze 2512, prąd płynący przez rezystancję 50 mΩ musiałby wynosić prawie 4,5 A – czyli ponad 2x więcej niż dopuszczalny limit 2 A. Praktyczny wniosek płynący z tego prostego przeliczenia jest jednoznaczny: prądu zworki nie wolno wyznaczać wyłącznie z mocy zwykłego rezystora tej samej wielkości.
Prąd przeciążenia odnosi się natomiast do krótkotrwałego obciążenia w warunkach próby producenta. Możliwość wykorzystania tej wartości w układzie zależy od czasu trwania i powtarzalności impulsów oraz warunków cieplnych. Jak zwykle trzeba zatem przeanalizować najgorsze przypadki i dobrać element zdolny do pracy nawet w najbardziej niesprzyjających warunkach.
Podsumowanie
Dobór rezystora SMD wymaga osobnej oceny napięcia, prądu i bilansu cieplnego, zwłaszcza w przypadku elementów o małych wymiarach, a także pracujących przy relatywnie dużym prądzie lub napięciu roboczym. Oprócz obliczenia mocy strat trzeba uwzględnić również temperaturę lokalną, warunki odprowadzania ciepła, przeciążenie, a nawet wymagania izolacyjne urządzenia. Specjalne serie wysokonapięciowe (HV) pozwalają uzyskać większy zapas napięcia w niewielkiej obudowie, a dla zworek 0 Ω podstawowym ograniczeniem pozostaje ich własna specyfikacja prądowa. Skrupulatna analiza tych warunków pozwala dobrać element do rzeczywistej pracy układu — zamiast polegać na przyzwyczajeniach związanych z rozmiarem obudowy.
Źródła
- Royal Ohm — Thick Film Chip Resistors
- Royal Ohm — High-Voltage Thick Film Chip Resistors — HV
- Basics of Linear Fixed Resistors
- Resistors 101
- Creepage Requirements for Medical Applications
Sponsorem artykułu jest firma Masters
Masters jest Oficjalnym Dystrybutorem STMicroelectronics w Polsce, Czechach, Słowacji, Ukrainie i Mołdawii. Współpracujemy nieprzerwanie od 2003 roku. Dowiedz się więcej o produktach, usługach i warsztatach, które wspólnie tworzymy na www.masters.com.pl
