Резистор ограничительный – последовательное и параллельное соединение, токоограничивающие и подтягивающие сопротивления [Амперка / Вики]

Содержание

подбор сопротивления для 12 вольт

Основным параметром, влияющим на долговечность светодиода, является электрический ток, величина которого строго нормируется для каждого типа LED-элемента. Одним из распространенных способов ограничения максимального тока является использование ограничительного резистора. Резистор для светодиода можно рассчитать без применения сложных вычислений на основании закона Ома, используя технические значения параметров диода и напряжение в цепи включения.

rezistor-dlya-svetodioda

rezistor-dlya-svetodioda

Особенности включения светодиода

Работая по одинаковому принципу с выпрямительными диодами, светоизлучающие элементы, тем не менее, имеют отличительные особенности. Наиболее важные из них:

  1. Крайне отрицательная чувствительность к напряжению обратной полярности. Светодиод, включенный в цепь с нарушением правильной полярности, выходит из строя практически мгновенно.
  2. Узкий диапазон допустимого рабочего тока через p-n переход.
  3. Зависимость сопротивления перехода от температуры, что свойственно большинству полупроводниковых элементов.

На последнем пункте следует остановиться подробнее, поскольку он является основным для расчета гасящего резистора. В документации на излучающие элементы указывается допустимый диапазон номинального тока, при котором они сохраняют работоспособность и обеспечивают заданные характеристики излучения. Занижение величины не является фатальным, но приводит к некоторому снижению яркости. Начиная с некоторого предельного значения, прохождение тока через переход прекращается, и свечение будет отсутствовать.

Превышение тока сначала приводит к увеличению яркости свечения, но срок службы при этом резко сокращается. Дальнейшее повышение приводит к выходу элемента из строя. Таким образом, подбор резистора для светодиода преследует цель ограничить максимально допустимый ток в наихудших условиях.

Напряжение на полупроводниковом переходе ограничено физическими процессами на нем и находится в узком диапазоне около 1-2 В. Светоизлучающие диоды на 12 Вольт, часто устанавливаемые на автомобили, могут содержать цепочку последовательно соединенных элементов или ограничительную схему, включенную в конструкцию.

Зачем нужен резистор для светодиода

Использование ограничительных резисторов при включении светодиодов является пусть и не самым эффективным, зато самым простым и дешевым решением ограничить ток в допустимых пределах. Схемные решения, которые позволяют с высокой точностью стабилизировать ток в цепи излучателей достаточно сложны для повторения, а готовые имеют высокую стоимость.

Применение резисторов позволяет выполнять освещение и подсветку своими силами. Главное при этом -- умение пользоваться измерительными приборами и минимальные навыки пайки. Грамотно рассчитанный ограничитель с учетом возможных допусков и колебаний температуры способен обеспечить нормальное функционирование светодиодов в течении всего заявленного срока службы при минимальных затратах.

Параллельное и последовательное включение светодиодов

С целью совмещения параметров цепей питания и характеристик светодиодов широко распространены последовательное и параллельное соединение нескольких элементов. У каждого типа соединений есть как достоинства, так и недостатки.

Параллельное включение

Достоинством такого соединения является использование всего одного ограничителя на всю цепь. Следует оговориться, что данное достоинство является единственным, поэтому параллельное соединение практически нигде не встречается, за исключением низкосортных промышленных изделий. Недостатки таковы:

  1. Мощность рассеивания на ограничительном элементе растет пропорционально количеству параллельно включенных светодиодов.
  2. Разброс параметров элементов приводит к неравномерности распределения токов.
  3. Перегорание одного из излучателей ведет к лавинообразному выходу из строя всех остальных ввиду увеличения падения напряжения на параллельно включенной группе.

Несколько увеличивает эксплуатационные свойства соединение, где ток через каждый излучающий элемент ограничивается отдельным резистором. Точнее, это является параллельным соединением отдельных цепей, состоящих из светодиодов с ограничительными резисторами. Основное достоинство -- большая надежность, поскольку выход из строя одного или нескольких элементов никаким образом не отражается на работе остальных.

Недостатком является тот факт, что из-за разброса параметров светодиодов и технологического допуска на номинал сопротивлений яркость свечения отдельных элементов может сильно различаться. Такая схема содержит большое количество радиоэлементов.

Параллельное соединение с индивидуальными ограничителями находит применение в цепях с низким напряжением, начиная с минимального, ограниченного падением напряжения на p-n переходе.

parallelnoe-podkluchenie-svetodioda

parallelnoe-podkluchenie-svetodioda

Последовательное включение

Последовательное включение излучающих элементов получило самое широкое распространение, поскольку несомненным достоинством последовательной цепи является абсолютное равенство тока, проходящего через каждый элемент. Поскольку ток через единственный ограничительный резистор и через диод одинаков, то и рассеиваемая мощность будет минимальной.

Существенный недостаток -- выход из строя хотя бы одного из элементов приведет к неработоспособности всей цепочки. Для последовательного соединения требуется повышенное напряжение, минимальное значение которого растет пропорционально количеству включенных элементов.

poaledovatelnoe-podkluchenie-svetodioda

poaledovatelnoe-podkluchenie-svetodioda

Смешанное включение

Использование большого количества излучателей возможно при выполнении смешанного соединения, когда используют несколько параллельно включенных цепочек, и последовательного соединения одного ограничительного резистора и нескольких светодиодов.

Перегорание одного из элементов приведет к неработоспособности только одной цепи, в которой установлен данный элемент. Остальные будут функционировать исправно.

Формулы расчета резистора

Расчет сопротивления резистора для светодиодов базируется на законе Ома. Исходными параметрами для того, как рассчитать резистор для светодиода, являются:

  • напряжение цепи;
  • рабочий ток светодиода;
  • падение напряжения на излучающем диоде (напряжение питания светодиода).

Величина сопротивления определяется из выражения:

R = U/I,

где U -- падение напряжения на резисторе, а I -- прямой ток через светодиод.

Падение напряжения светодиода определяют из выражения:

U = Uпит -- Uсв,

где Uпит -- напряжение цепи, а Uсв -- паспортное падение напряжения на излучающем диоде.

Расчет светодиода для резистора дает значение сопротивления, которое не будет находиться в стандартном ряду значений. Брать нужно резистор с сопротивлением, ближайшим к вычисленному значению с большей стороны. Таким образом учитывается возможное увеличение напряжения. Лучше взять значение, следующее в ряду сопротивлений. Это несколько уменьшит ток через диод и снизит яркость свечения, но при этом нивелируется любое изменение величины питающего напряжения и сопротивления диода (например, при изменении температуры).

Перед тем как выбрать значение сопротивления, следует оценить возможное снижение тока и яркости по сравнению с заданным по формуле:

(R -- Rст)R•100%

Если полученное значение составляет менее 5%, то нужно взять большее сопротивление, если от 5 до 10%, то можно ограничиться меньшим.

Не менее важный параметр, сказывающийся на надежности работы -- рассеиваемая мощность токоограничительного элемента. Ток, проходящий через участок с сопротивлением, вызывает его нагрев. Для определения мощности, которая будет рассеиваться, используют формулу:

P = U•U/R

Используют ограничивающий резистор, чья допустимая мощность рассеивания будет превосходить расчетную величину.

Пример:

Имеется светодиод с падением напряжения на нем 1.7 В с номинальным током 20 мА. Необходимо включить его в цепь с напряжением 12 В.

Падение напряжения на ограничительном резисторе составляет:

U = 12 -- 1.7 = 10.3 В

Сопротивление резистора:

R = 10.3/0.02 = 515 Ом.

Ближайшее большее значение в стандартном ряду составляет 560 Ом. При таком значении уменьшение тока по сравнению с заданным составляет чуть менее 10%, поэтому большее значение брать нет необходимости.

Рассеиваемая мощность в ваттах:

P = 10.3•10.3/560 = 0.19 Вт

Таким образом, для данной цепи можно использовать элемент с допустимой мощностью рассеивания 0.25 Вт.

Подключение светодиодной ленты

Светодиодные ленты выпускаются на различное напряжение питания. На ленте располагается цепь из последовательно включенных диодов. Количество диодов и сопротивление ограничительных резисторов зависят от напряжения питания ленты.

Наиболее распространенные типы светодиодных лент предназначены для подключения в цепь с напряжением 12 В. Использование для работы большего значения напряжения здесь также возможно. Для правильного расчета резисторов необходимо знать ток, идущий через единичный участок ленты.

Увеличение длины ленты вызывает пропорциональное увеличение тока, поскольку минимальные участки технологически соединены параллельно. Например, если минимальная длина отрезка составляет 50 см, то на ленту 5м из 10 таких отрезков придется возросший в 10 раз ток потребления.

svetodiodnaya-lenta-cveta

svetodiodnaya-lenta-cveta

 

Классификация резисторов - Основные сведения - Лудим, паяем - Каталог статей

Классификация, основные параметры, обозначения и маркировка резисторов

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) являет­ся одним из самых распространенных радиоэлементов. Резисторы составляют до 35 % общего количества элементов в схемах совре­менной радиоэлектронной аппаратуры. Они используются в каче­стве нагрузочных и токоограничительных элементов, добавочных сопротивлений и шунтов, делителей напряжения. Резисторы обес­печивают режимы работы усилительных и генераторных прибо­ров и позволяют погасить излишек питающего напряжения. Раз­личные типы резисторов приведены на рис. 2.1.

 

Классификация резисторов

В зависимости от назначения различают постоянные и пере­менные резисторы (рис. 2.2).

Наибольшее распространение имеют постоянные резисторы об­щего назначения, которые используются практически во всех ви­дах радиоаппаратуры и блоках питания. Номинальные значения таких резисторов находятся в пределах от 1 Ом до 10 МОм, а номинальные мощности составляют 0,125... 100 Вт. Класс точнос­ти резисторов общего назначения составляет 2, 5, 10 или 20% номинала.

Кроме того, применяются постоянные резисторы специального назначения. К ним относятся, например, прецизионные (особо точные) резисторы, которые используются в основном в измери­тельных приборах в качестве шунтов. Допуск этих резисторов составляет от ±0,001 до 1 %. Они отличаются высокой стабиль­ностью.

Высокочастотные резисторы также являются резисторами спе­циального назначения. Они отличаются низкой собственной индуктивностью и предназначены для работы в высокочастот­ных узлах. Кроме того, имеются и другие виды постоянных рези­сторов.

Переменные резисторы подразделяются на подстроечные и ре­гулировочные. Подстроечные резисторы впаиваются в схему, и при наладке их сопротивление подстраивается с помощью регулятора. На лицевую панель радиоаппаратуры регуляторы подстроечных резисторов не выводятся. Износоустойчивость подстроечных ре­зисторов составляет до 1000 циклов.

Регуляторы регулировочных резисторов выводятся на лицевую панель. Они служат для регулировки параметров в процессе экс­плуатации. Такие резисторы обеспечивают до 5000 циклов пере­стройки.

По виду зависимости номинального сопротивления регулиро­вочного резистора от смещения его подвижной системы различа­ют резисторы с пропорциональным и непропорциональным (не­линейным) законами регулирования сопротивления.

Резисторы классифицируются также по материалу резистивно­го элемента (рис. 2.3).

Основные параметры резисторов

1. Номинальная мощность рассеяния Ртм — мощность, которую резистор может рассеивать при непрерывной нагрузке, номиналь­ных давлении и температуре. В радиоэлектронной аппаратуре чаще всего используются непроволочные резисторы с номинальными мощностями 0,125; 0,25; 0,5; 1 и 2 Вт. Мощность резистора опре­деляется по формуле Р = U2/R, где U — напряжение на резисто­ре, В; R — сопротивление резистора, Ом.
С учетом возможного повышения температуры резисторы вы­бирают с номинальной мощностью на 20... 30 % больше расчет­ной. Численное значение мощности обычно входит в обозначе­ние резистора, например МЛТ-1, где Р„ом = 1 Вт. Обычно на корпусах непроволочных резисторов приводится мощность при /'„ом>2Вт.

2. Максимальное напряжение Umm— наибольшее напряжение (по­стоянное или действующее переменное), которое может быть при­ложено к токоотводам резистора с сопротивлением Я»^ > U^JPmu.

3. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характе­ризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 °С. Если сопротивление резистора при повыше­нии температуры возрастает, а при понижении уменьшается, то ТКС положительный, если же с повышением (уменьшением) тем­пературы сопротивление снижается (увеличивается) — ТКС отрицательный. Температурный коэффициент сопротивления непроволочных резисторов составляет 0,03...0,1 1/°С, а резисто­ров повышенной точности — на порядок меньше.

4. Уровень шумов резистора, который оценивается по величине их переменной ЭДС, возникающей на его зажимах и отнесенной к 1 В приложенного к резистору напряжения постоянного тока.

5. Номинальное сопротивление — это электрическое сопротивле­ние, обозначенное на корпусе резистора и являющееся исходным для определения его допустимых отклонений. Резисторы выпуска­ются с таким значением номинального сопротивления, чтобы вме­сте с допуском оно было приблизительно равно значению сопро­тивления следующего номинала минус его допуск. Установлены следующие диапазоны номинальных сопротивлений: для посто­янных резисторов — от долей ома до единиц тераом; для пере­менных проволочных — от 0,47 Ом до 1 МОм; для переменных непроволочных — от 1 Ом до 10 МОм. Иногда допускается откло­нение от указанных пределов.

Численные значения номинальных сопротивлений резисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, стандартизова­ны (ГОСТ 2825-67).

Разница между номинальным и действительным значениями (из-за погрешностей изготовления) сопротивления, отнесенная к номинальному значению, характеризует допускаемое отклоне­ние (допуск) от номинального сопротивления (в %). Допуски так­же стандартизованы и согласно ГОСТ 9667—74 имеют следующие значения: ±0,001, ±0,002, ±0,005, ±0,01, ±0,02, ±0,05, ±0,1, ±0,25, ±0,5, ±1, ±2, ±5, ±10, ±20 и ±30. Допуски указывают максимальное и минимальное значения номинального сопротив­ления.

Фактические значения сопротивлений могут отличаться от номинальных на величину стандартных допусков. Допуски указы­ваются в процентах (от ±0,001 до ±30).

Допустимые отклонения сопротивления (% от номинального значения) также обозначают буквами (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Обозначение

Ж

У

Д

Р

Л

И

С

В

Допустимое отклонение, %

+0,1

±0,2

±0,5

±1

±2

±5

±10

±20

 

 

Обозначение резисторов на электрических схемах

Обозначение резисторов производится в соответствии с ГОСТом. Условное обозначение резисторов на электрических схемах в за­висимости от их типа приводится в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Обозначение резисторов на электрических схемах

Резисторы с сопротивлением от 1 до 1000 Ом обозначаются на схемах целыми числами без указания единицы измерения (напри­мер, R330 означает, что резистор R имеет сопротивление 330 Ом).

Сопротивление, составляющее долю или число с долями ома, обозначается с указанием единицы измерения (например, 0,33 Ом или 3,3 Ом).

Резисторы с сопротивлением от 1 до 910 кОм обозначаются числом килоом с прибавление буквы К (например, R910К).

Резисторы с сопротивлением от 1 МОм и выше обозначаются без указания единицы измерения. Кроме того, если сопротивле­ние равно целому числу, то после его численного значения ста­вятся запятая и нуль (например, сопротивление 1 МОм обознача­ется 1,0).


   Материал для ознакомления взят из учебника «Радиоэлектронная аппаратура и приборы. Монтаж и регулировка». Автор: Ярочкина Г.В.

Приобрести учебник можно здесь.


 

последовательное и параллельное соединение, токоограничивающие и подтягивающие сопротивления [Амперка / Вики]

Резистор (сопротивление) — один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение — простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.

Основной характеристикой резистора является сопротивление. Единица измерения сопротивления — Ом (Ohm, Ω). Чем больше сопротивление, тем большая часть тока рассеивается в тепло. В схемах, питаемых небольшим напряжением (5 – 12 В), наиболее распространены резисторы номиналом от 100 Ом до 100 кОм.

Закон Ома

Закон Ома позволяет на заданном участке цепи определить одну из величин: силу тока I, напряжение U, сопротивление R, если известны две остальные:

Для обозначения напряжения наряду с символом U используется V.

Рассмотрим простую цепь

Расчитаем силу тока, проходящего через резистор R1 и, соответственно, затем через лампу L1. Для простоты будем предполагать, что сама лампа обладает нулевым собственным сопротивлением.

Аналогично, если бы у нас был источник питания на 5 В и лампа, которая по документации должна работать при токе 20 мА, нам нужно бы было выбрать резистор подходящего номинала.

В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не играет большого значения: можно смело брать стандартный номинал — 240 или 220 Ом.

Аналогично, мы могли бы расчитать требуемое напряжение, если бы оно было не известно, а на руках были значения сопротивления и желаемая сила тока.

Соединение резисторов

При последовательном соединении резисторов, их сопротивление суммируется:

При параллельном соединении, итоговое сопротивление расчитывается по формуле:

Если резистора всего два, то:

В частном случае двух одинаковых резисторов, итоговое сопротивление при параллельном соединении равно половине сопротивления каждого из них.

Таким образом можно получать новые номиналы из имеющихся в наличии.

Применеие на практике

Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:

  1. Токоограничивающий резистор (current-limiting resistor)

  2. Стягивающий, подтягивающий резистор (pull-down / pull-up resistor)

  3. Делитель напряжения (voltage divider)

Токоограничивающий резистор

Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе — резистор снижает силу тока до нужного уровня.

В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.

Стягивающие и подтягивающие резисторы

Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему

Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:

Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.

Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:

То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.

Делитель напряжения

Делитель напряжения (voltage divider) используется для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть. Например, из 9 В получить 5. Он подробно описан в отдельной статье.

Мощность резисторов

Резисторы помимо сопротивления обладают ещё характеристикой мощности. Она определяет нагрузку, которую способен выдержать резистор. Среди обычных керамических резисторов наиболее распространены показатели 0.25 Вт, 0.5 Вт и 1 Вт. Для расчёта нагрузки, действующей на резистор, используйте формулу:

При превышении допустимой нагрузки, резистор будет греться и его срок службы может сильно сократиться. При сильном превышении — резистор может начать плавиться и вызвать воспламенение. Будьте осторожны!

Расчет токоограничивающего резистора для переменного резистора

UPD: Вся приведенная ниже статья была написана мной исходя из в корне неправильного понимания смысла параметра «номинальная мощность» для переменного резистора.

Я предполагал, что это мощность, которую переменный резистор может рассеять при любом значении его сопротивления. Так вот это не так!

На самом же деле это та мощность, которую резистор безболезненно рассеивает находясь в состоянии максимального сопротивления.
При уменьшении же этого сопротивления мощность (а следовательно и максимально допустимый ток через резистор) падают пропорционально уменьшению его сопротивления!

Что любопытно, занимаясь (естественно чисто любительски и понемногу) электроникой вот уже года три я вообще нигде не встречал ничего на тему «как посчитать максимально допустимый ток через переменный резистор в реостатном включении». Видимо, всилу очевидности — для тех, кто уже знает. Но тем не менее. Какое-то более внятное описание ситуации я нашел только по-английски в совершенно замечательном и подробном материале по переменным резитсорам Beginners' Guide to Potentiometers:

Power — A pot with a power rating of (say) 0.5W will have a maximum voltage that can exist across the pot before the rating is exceeded. All power ratings are with the entire resistance element in circuit, so maximum dissipation reduces as the resistance is reduced (assuming series or 'two terminal' rheostat wiring). Let's look at the 0.5W pot, and 10k is a good value to start with for explanation.

If the maximum dissipation is 0.5W and the resistance is 10k, then the maximum current that may flow through the entire resistance element is determined by…

P = I² * R… therefore
I =√P / R… so I = 7mA

In fact, 7mA is the maximum current that can flow in any part of the resistance element, so if the 10k pot were set to a resistance of 1k, current is still 7mA, and maximum power is now only 50mW, and not the 500mW we had before.

=== ВНИМАНИЕ! ВСЕ, НАПИСАННОЕ НИЖЕ, МАТЕМАТИЧЕСКИ ПРАВИЛЬНО, НО ИСХОДИТ ИЗ НЕВЕРНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ! ДЛЯ РАСЧЕТА НОМИНАЛА ПЕРЕМЕННОГО РЕЗИСТОРА ЭТИ РАСЧЕТЫ ПРИМЕНЯТЬ НЕЛЬЗЯ — ПОЛУЧЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ СИЛЬНО ЗАВЫШЕНЫ! ===

Вот, казалось бы, куда уж проще задача — при помощи переменного резистора получить простейщий регулируемый «эталон тока» (это я с токовыми шунтами и усилителем на ОУ играюсь). Вроде бы делать нечего, да?

Берем первый попавшийся перменный резистор — например R-0904N-A1K, подсоединяем его к какому-нибудь источнику напряжения в 5 Вольт, начинаем крутить… Естественно, не выкручивать его до нуля соображения все же хватает, ну так мультиметр подключен, показывает ток: 1мА, 5мА, 10мА, 80мА… Блин, сгорел. Чего это он?

А у него оказывается максимальная рассеиваемая мощность — 0.05 Вт. То есть если пропустить через него на 5 Вольтах более 10 мА, то все… Он, в общем-то, хорошо еще держался. Долго.

Упс.

Ну, хорошо. Берем тогда монстроидальный R-24N1-B1K (на фотографии в начале статьи — он).
0.5 Вт рассеиваемой мощности, извините.

Ну и заодно будет нелишне поставить обычный резистор последовательно с переменным в качестве токоограничивающего. Чтобы уж точно не сжечь.
Ну и надо бы посчитать как-нибудь, каким номиналом токоограничивающий резистор ставить. Посчитать бы как-нибудь… А оно как-то не хочет считаться… Какое-то оно все ну совсем нелинейное получается.

Сначала я думал прикинуть номинал в уме. Минут через пятнадцать я понял, что в уме как-то не получается и взял бумажку. Еще через полчаса я тупо глядел на три исписанных листа формата А4 и не мог понять, где я ошибся. Два последовательно подключенных резистора не могут требовать для расчета таких сложных формул!
Я плюнул на все и в течении недели время от времени возвращался к бумажкам и формулам, понимая, что не могу ни осознать эти уравнения, ни решить их. Через неделю я загнал формулы в Excel и построил по ним графики. Вот только тут я и начал немного понимать что к чему…

Начинаем от печки, рисуем схему цепи и вспоминаем закон Ома:

Сила тока в цепи равна:

Мощность, выделяемая всей цепью, Вт:

Падение напряжения на токоограничивающем резисторе R1, Вольт:

Мощность, выделяемая на токоограничивающем резисторе R1, Вт:

Аналогично,

Падение напряжения на переменном резисторе R2, Вольт:

Мощность, выделяемая на переменном резисторе R2, Вт:

Теперь можно загнать эти формулы в Excel и попробовать численно прикинуть, как будут меняться параметры цепи при изменении R2.
Например, возьмем U = 5 Вольт, R1=15 Ом.

А картинка-то получилась… хм… любопытная.

Падения наприяжения на резисторах R1 и R2 ведут себя предсказуемо. По мере того, как растет сопротивление R2 на нем высаживается все большая и большая часть напряжения цепи. Что и понятно — когда R2 близко к нулю имеет значение только сопротивление R1, а при R2 = 150 Ом наличием R1 = 15 Ом (на порядок меньше!) можно смело пренебрегать.

Также предсказуемо падает и ток в цепи, и суммарная мощность, в ней рассеиваемая — напряжение не меняется, суммарное сопротивление растет. Все ожидаемо.

А вот график мощности, рассеиваемой на переменно резисторе W2 имеет весьма необычную форму — мощность, выделяемая на этом резисторе сначала растет, а потом падает.
Если подумать — так и должно быть, ведь пока сопротивление переменного резистора мало он мало влияет на силу тока цепи I (она фактически задается постоянным значением R1) и мощность, выделяемая на R2 растет вместе с ростом R2. А когда R2 велико, то уже R1 не влияет на силу тока, она определяется исключительно значением R2 и падает пропорционально его росту.

Но это я пока картинку не увидел — не осознал.

С практической точки зрения — стоит максимуму выделяемой мощности вылезти за паспортные ограничения резистора, так он и сгорит. Причем не сразу, а когда «неудачно карты лягут» и эта максимальная мощность выделиться.

Теперь при помощи того же Excel-я попробуем прикинуть как ведет себя мощность W2 для разных номиналов токоограничивающего резистора. Опять же при U = 5 Вольт.

Понятно, что чем больше R1, тем ниже максимум мощности, выделяемой на переменном резисторе R2.
И чтобы не превысить ограничения в 0.5 Вт достаточно взять токоограничивающий резистор где-нибудь в 15 Ом — неожиданно небольшое значение…

А теперь попробуем со всем этим взлететь все это посчитать.
Cамо положение максимума мощности нам не слишком интересно, нам важно только то, чтобы этот максимум не превосходил паспортных ограничений по мощности:

С учетом того, что   умножаем на него обе части неравенства и раскрываем скобки:

А теперь переносим все на одну сторону и собираем коэффициенты при одинаковых степенях R2:

Мы получили неравенство относительно квадрата переменного сопротивления R2.

Т.к. коэффициент при R2 в квардрате у нас больше нуля, то в левой части мы имеем параболу «рожками вверх». Неравенство будет выполняться при любых значениях R2 если квадратное уравнение в левой части не будет иметь решений. А это, как известно из школьной математики, происходит тогда и только тогда, когда дискрименнант этого квадратного уравнения меньше нуля.

Дискриминант квадратного уровнения

считается по формуле

Подставим в нее коэффициенты нашего уровнения:

Раскроем скобки

… заметим, что в получившимся выражении два члена взаимно уничтожаются и избавимся от них

Квадрат напряжения больше нуля всегда, следовательно, чтобы дискриминант был меньше нуля необходимо:

Итак, для того, чтобы переменный резистор не вышел за пределы своих возможностей, необходимо применять токоограничивающий резистор с сопротивлением не менее, чем:

Для напряжения цепи 5 Вольт и ограничения по рассеиваемой на переменном резисторе мощности в 0.5 Вт получаем, что номинал токоограничивающего резистора R1 должен быть не меньше, чем 25/2= 12.5 Ом.

Однако, сам токоограничивающий резистор также имеет ограничения по рассеиваемой мощности.
Наибольший ток протекает через токоограничивающий резистор в момент, когда переменный резистор выведен в «0» и вся мощность рассеивается на токоограничивающем резисторе.

Исходя из этого (R2=0), получаем ограничение на токоограничивающий резистор

Тут уже для напряжения цепи 5 Вольт и обычного резистора с максимальной рассеиваемой мощностью в 0.25 Вт получаем, что номинал R1 не должен превосходить 100 Ом, что автоматически выполняет и ограничение по мощности на переменном резисторе, однако не позвволяет получить максимальный ток в цепи более 50 мА, что маловато.

Это ограничение можно обойти или взяв в качестве токоограничивающего резистора резистор помощнее или подключив несколько резисторов параллельно…

Расчет ограничительного резистора на затворе MOSFET: elchupanibrei — LiveJournal

UDP: Тема оказалась слишком тяжела для мозга. В статье присутствуют 100500 ошибок. Более менее приличное объяснение дал в комментариях Валилий. Заметку удалять не буду, пусть будет как пример мой глупости.

Недавно в сообществе "Рожденный с паяльником" проскальзывала тема про управление полевиком с помощью ШИМ-а. Автору дали много практических советов и ноль теории. Так совпало я недавно интересовался этим вопрос и кое-что нарыл.


Правильное управления любым полевиком - это переключение из полность закрытого в полностью открытое состояние за самое короткое время. Обычный MOSFET нельзя нормально управлять с помощью 3в/5в логики. Он просто до конца не откроется и будет сильно греться. Для решения этой проблемы применяют драйвер. Например IR2117. На eBay просят от $0.99 за две штуки. Второй способ использовать Logic-Level Gate Drive MOSFET. Такие полевики полностью открываются от 3в/5в. Недостаток - высокая емкость затвора. Типичный представитель IRLZ44N. Два раза заказывал на eBay и кажды раз получал подделку. Теперь немного скучной теории.


упрощенная схема включения MOSFET

Скоростные характеристики полевого транзистора определяются тем, насколько быстро меняются напряжения на 3-х конденсаторах у модели. Емкости между затвор-исток Cgs и затвор-сток Cgd зависят от физических размеров кристала. Емкость между сток-исток Cds зависит от паразитной емкости диода. Cgs стабильна в большом диапазоне токов и напряжений. Cgd не линейна и зависит от напряжения между питанием и стоком. Cds тоже не линейна и зависит от напряжения между питанием и затвором.


модель полевого транзистора

Открываем IRLZ44N datasheet на странице 4, график 5 - зависимость напряжения затвора и емкости затвора. Самый интересный параметр - суммарная емкость затвора Ciss = Cgs + Cgd.


зависимость напряжения через затвор от емкости затвора

У ESP8266 цифровые порты выдают 3.3в. При напряжении на затворе (Vgs) 3.2в, его емкость Ciss = 2100pF. Вот так процесс заряда Ciss выглядит на графике:


процесс заряда затвора сферического MOSFET в вакууме
процесс заряда затвора IRLZ44N
Время от нуля до t1 называется turn-on delay, потому что транзистор все еще закрыт. Напряжения Vth называется Gate Threshold Voltage и обязательно указывается в datasheet, смотрите таблицу Electrical Characteristics. Ток через сток (D) начинает линейно увеличиваться до максимума с t1 до t2. За этот время транзистор успевает полностью открыться, напряжение на стоке (D) больше не растет. Но есть нюанс. Дальнейшее увеличение заряда на затворе Qgd, в промежуток времени t2 - t3, уменьшает внутренне сопротивление перехода сток-исток до паспортного значения Rds(on). Это феномен называют эффектом Миллера.

Ну а теперь как я рассчитываю Rgate. В большинстве случаев при расчете Rgate напряжение на затворе (G) не является главным. Самый важный параметр - это время за которое напряжение на затворе полностью откроет/закроет транзистор. Пусть наш Rgate = 300Ohm и на нем будет падать 0.1в, тогда напряжении на затворе Vgs = 3.2в.

Заряд затвора:
Qiss = Ciss * Vgs = 2100pF * 3.2v = 6.73nC

Скрость нарастания:
S = Rgate * Qiss = 300Ohm * 6.73nC = 0.002mV*sec

Время на открытие или закрытие транзистора:
t=S / Vgs = 0.002mV*sec * 3.2v = 0.63uSec

Период  - это открытие + закрытие:
T = t + t = ;0.63uSec + 0.63uSec = 1.26uSec

Максимальная частота переключения:
F < 1 / T = 1 / 1.26uSec = 793.7KHz

Ток через затвор (G) и цифровой выход ESP8266:
I = Qiss / t = 10.67mA

Максимальный выходной ток GPIO у ESP8266 12.0mA
10.67mA &lt 12.0mA

Не пыхнет.

UDP1: Выбор Vgs = 3.2в для IRLZ44N не есть хорошо, см. график "процесс заряда затвора IRLZ44N". Напряжение на грани открытия-закрытия. Обычно Vgs для IRLZ44N выбирают минимум 5в или выше помехи. Для 3в/5в логики хорошо подходит IRL3705N. У него полное открытие - это прямая в районе 3.3в.

UDP2: Чтоб транзистор случайно не открылся от помехи пока GPIO закрыт, затвор - исток (G) (S) шунтируют резистором R2


Ограничительный резистор - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Ограничительный резистор

Cтраница 1

Ограничительные резисторы u, Rn предохраняют от выхода из строя как стрелочный индикатор, так и транзистор, если он пробит или его выводы присоединены к прибору неправильно. Выключатель В / сь сопряженный с переменным резистором R, служит дополнительным элементом блокировки и коммутации при измерениях параметров транзисторов. Он дает возможность выключать цепь эмиттера при измерениях обратного тока коллекторного перехода и включать при измерениях начального тока коллектора, обеспечивая короткое замыкание между выводами эмиттера и базы, вместе с тем отсоединяет систему калибровки р при других измерениях.  [1]

Ограничительные резисторы, если они требуются по условиям искробезопасности, должны быть расположены в оболочке таким образом, чтобы была исключена возможность подсоединения источника к схеме, минуя их. При этом сам источник должен находиться в запломбированной камере.  [3]

Ограничительный резистор химического источника тока должен представлять собой, как правило, единый неразборный блок с источником тока или оболочкой, в которую заключен источник.  [5]

Через ограничительный резистор R12 на один из входов каскада гашения обратного хода лучей подается строчный импульс обратного хода.  [7]

Сопротивление ограничительного резистора Ror обычно принимается равным примерно 1000 Ом. При отсутствии испытательной аппаратуры допускается как исключение замена испытания повышенным напряжением 1000 В одноминутным измерением сопротивления изоляции мегомметром напряжением 2500 В.  [8]

Схема с ограничительным резистором ( рис. 5.1 6) несколько сложнее, но она свободна от недостатков предыдущей и имеет дополнительные преимущества: ограничивает броски тока накала, а значит, снижает электродинамические агрузки во время включения телевизора на холодной нити накала. Это, в свою очередь, позволяет получить более высокую стабильность мощности накала. Путем подбора резистора легко установить номинальный режим накала.  [9]

Стабилитрон VD8 и ограничительный резистор R20 обеспечивают защиту транзисторов VT5 и VT6 от перенапряжений, возникающих в схеме электрооборудования автомобиля.  [10]

К сетке через ограничительный резистор R orp подводят положительное напряжение, которое вызывает тихий самостоятельный разряд между сеткой и катодом.  [12]

Наличие разрядников и ограничительных резисторов защищает транзисторы и диоды схемы от пробоев в кинескопе.  [13]

Уменьшение же сопротивления ограничительного резистора незначительно изменяет напряжение накала.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Резистор в цепи затвора или как делать правильно / Habr

Всем доброго времени суток!

Эта небольшая статья возможно станет шпаргалкой для начинающих разработчиков, которые хотят проектировать надежные и эффективные схемы управления силовыми полупроводниковыми ключами, обновит и освежит старые знания опытных специалистов или может хотя бы где-то поцарапает закрома памяти читателей.

Любому из этих случаев я буду очень рад.

В этой заметке я попробую описать наиболее распространенные вопросы выбора затворных резисторов для силовых электронных устройств. Она базируется на знаниях, почерпнутых мной из разной литературы, апноутов от TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments а также из скромной практики. Стоит заметить, что эта информация не дает прямо универсальных рекомендаций для каждого силового ключа. Тем не менее, можно проанализировать какие предположения могут быть важны и какое влияние они могут оказать на выбор резисторов затвора для дискретных силовых транзисторов, а также для силовых модулей.

Основы


Затворный резистор расположен в цепи между драйвером силового транзистора и затвором самого транзистора, как показано на изображении в шапке статьи.

Открыт или закрыт полевой ключ (IGBT/MOSFET) зависит от приложенного к затвору напряжения. Изменение этого напряжения заряжает или разряжает затворные емкости силового устройства, которые состоят из емкостей затвора-коллектора и затвора-эмиттера и небольшой емкости самого затвора. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток ), а разряд выключит (ток ).

Резистор в данной цепи ограничивает ток заряда/разряда входных емкостей, помимо этого, правильно подобранный резистор не даст ключу самопроизвольно открываться, что иногда может случиться, из-за быстрого изменения напряжения на силовых выводах ключа например, такое может случиться, когда в полумостовой топологии соседний ключ открывается. В таком случае емкость перезаряжается и ток, протекающий через затворный резистор вызывает на нем падение напряжения, которое и может открыть ключ. К тому же порог открывания ключа часто сильно опускается при росте температуры кристалла полупроводника.

Что нужно знать и как выбрать “правильный” резистор


1. Максимальный ток заряда/разряда выхода драйвера

Любая микросхема драйвера имеет такой параметр, как максимальный выходной ток. Если ток затвора при открытии/закрытии ключа превысит значение максимального выходного тока, то драйвер может выйти из строя, поэтому, в данном случае, затворный резистор ограничит выходной ток драйвера.

Можно составить эквивалентную модель цепи, по которой и рассчитать необходимое значение резистора:

Следуя несложным умозаключениям, можем получить формулы для расчета тока драйвера, и подобрать резистор затвора таким, чтобы не превысить максимально допустимые параметры драйвера:


2. Рассеиваемая мощность

Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера. В соответствии с моделью выше, рассеиваемую мощность можно посчитать с помощью следующих формул:


Тут — заряд затвора ключа, а — частота коммутации.
После расчета и подбора резистора важно соблюдать следующее условие:

где — собственное потребление драйвера.

Тут еще есть небольшое примечание, в большинстве даташитов на ключи указывают заряд затвора при определенных условиях, например при напряжении управления затвором +15В…-15В, если же в Вашей схеме другое напряжение управления, например +15В...0В, или же +15…-8В, то достаточно точно определить заряд затвора помогут следующие соотношения:


3. Скорость включения и электромагнитная совместимость

Давайте рассмотрим потери на переключение, как функцию от сопротивления затворного резистора. Я возьму ключ, который я недавно использовал в своем небольшом проекте — IKW40N120 от любимых Infineon:

Как можно заметить, при увеличении сопротивления затвора, скорость переключения уменьшается и потери на переключения растут. Соответственно это повлияет на эффективность системы в целом. Напротив, если применять меньшее сопротивление затвора, переключение станет более быстрым и потери уменьшаться, но при этом шум, вызванный быстрым нарастанием тока и напряжения, будет увеличиваться, что может быть критично, когда нужно отвечать требованиям электромагнитной совместимости поэтому значение сопротивления затвора нужно выбирать очень аккуратно.

4. То самое “паразитное” включение

В начале, когда я писал о функциях затворного резистора, я упоминал о возможности ключа самопроизвольно включиться. Чтобы такого не случилось, можно рассчитать напряжение, которое может появиться на затворе транзистора, посмотрим на изображение ниже и запишем две небольшие формулы:

И не стоит забывать, что напряжение открытия ключа сильно зависит от температуры кристалла, и это тоже нужно учитывать.

Заключение


Теперь у нас есть формулы для оптимального (в какой-то степени) подбора с первого взгляда такого простого элемента силовой схемы, как затворный резистор.

Вполне возможно вы не нашли тут ничего нового, но я надеюсь, что хоть кому-то эта заметка окажется полезной.

Также для расширения кругозора в том числе в области управлении силовыми ключами очень советую выделять часик-два в неделю на прочтение всяких статей и апноутов от именитых производителей силовой электроники, в особенности о применении микросхем драйверов. Уверен, найдёте там очень много интересностей. Для старта, и чтобы углубится в рассмотренную тему предлагаю вот эту.

Спасибо за прочтение!

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *