Low power resistors (carbon film resistive material like graphite )

Transcript

1 Αντιστάτες 1

2 Low power resistors (carbon film resistive material like graphite ) High power resistors (wire wound resistor is composed up a fairly resistive wire wrapped around a ceramic cylinder and typically has a power range form 5 to 50 watts) Variable resistor 2

3 3

4 Power (in watts) can be calculated according to one of the following formulae: where V represents resistor voltage in Volts, I is the current flowing through the resistor in Amps and R is the resistance of resistor in Ohms. For example, if the voltage across an 820W resistor is 12V, the wattage dissipated by the resistors is: A 1/4W resistor can be used. In many cases, it is not easy to determine the current or voltage across a resistor. In this case the wattage dissipated by the resistor is determined for the "worst" case. We should assume the highest possible voltage across a resistor, i.e. the full voltage of the power supply (battery, etc). If we mark this voltage as VB, the lowest dissipation is: For example, if VB=9V, the dissipation of a 220W resistor is: A 0.5W or higher wattage resistor should be used 4

5 Μεταβολή της αντίστασης µε την θερµοκρασία Θερµοκρασιακός συντελεστής αντίστασης (εξαρτάται από το υλικό κατασκευής) =(R-R 0 )/(R 0 * θ)(α) α=0, (β) α ανεξάρτητο θ β.1 α>0, β.2 α<0 γ) α>0 και αυξάνεται µε θ δ) α>0 και µειώνεται µε την θ 5

6 Μεταβολή της αντίστασης µε τη θερµοκρασία Temperature coefficient of resistance Θερµοκρασιακός συντελεστής αντίστασης W/ C. Συχνά δίνεται σε ppm / C (parts per million) µέρη στο εκατοµµύριο και µπορούµε να υπολογίζουµε την αλλαγή µιας αντίστασης 1ΜΩ / C κλιµακώνοντας (διαιρώντας) στην συνέχεια το αποτέλεσµα ανάλογα µε την τιµή της αντίστασης και πολλαπλασιάζοντας µε την αλλαγή (διαφορά) θερµοκρασίας. Θετικός ή αρνητικός ανάλογα µε το υλικό. Τα καθαρά µέταλλα έχουν θετικό θερµοκρασιακό συντελεστή, κάποια κράµατα constantin και manganin έχουν µηδενικό και µίγµατα άνθρακα ή γραφίτη έχουν συνήθως αρνητικό. 6

7 Power Dissipation (Απώλεια ισχύος) Ηισχύς που δεν καταναλώνεται στο φορτίο χάνεται µε την µορφή θερµότητας. Σαν αποτέλεσµα η θερµοκρασία της εκάστοτε διάταξης ή ηλεκτρονικού εξαρτήµατος αυξάνεται. Η αύξηση της θερµοκρασίας αλλάζει της ιδιότητες της διάταξης ή του ηλεκτρονικού εξαρτήµατος και σε ακραίες περιπτώσεις µπορεί να καταστραφεί. 7

8 Transistor Power Dissipation Ambience / Air, T A Case, T C Junction, T J Power dissipation Ηθερµότητα µεταφέρεται µόνο από ένα θερµό σε ένα ψυχρό σώµα T J > T C > T A Ο ρυθµός της µεταφοράς είναι ανάλογος της διαφοράς θερµοκρασίας (και αντιστρόφως) 8

9 Thermal Resistance(Θερµική αντίσταση) Ηδιαφορά θερµοκρασίας µεταξύ της επαφής και του περιβάλλοντος εξαρτάται από την απώλεια ισχύος (την ισχύ που µετατρέπεται σε θερµότητα) και την θερµική αντίσταση µεταξύ επαφής-περιβάλλοντος. T J T A = θ JA P D θ JA είναι η θερµική αντίσταση µεταξύ της επαφής και του περιβάλλοντος σε C/Watt. 9

10 Power-Derating Curve (καµπύλη µείωσης ισχύος) Ηθερµοκρασία επαφής δεν πρέπει να υπερβεί µια µέγιστη τιµή T jmax. Επίσης η κατανάλωση ισχύος δεν πρέπει να υπερβεί µια µέγιστη τιµή P D0. Ο συνδυασµός αυτών των περιορισµών δίνει την καµπύλη µείωσης ισχύος (power derating curve). P Dmax P D0 P D max T J max = θ JA T A 0 T A0 T Jmax T A 10

11 Using the Power Derating Curve Example : TIP 120 P Dmax [W] T T A A = = P P D max D max = 2 W = 1.6 W T A [ C] 11

12 Increasing Power Dissipation The only fixed point on the power-derating curve is TJmax. To increase power dissipation, slope of power-derating curve must be steeper. Thermal resistance must be lowered. 12

13 Heat-Sinks θ JA can be broken down into a pair of series resistances. θ = θ + θ JA JC θ JC = thermal resistance between junction and case (fixed) θ CA = thermal resistance between case and ambience. θ CA can be lowered by increasing the surface area of the transistor case, i.e. by adding a heat-sink. CA 13

14 Example TIP 120 Dmax [W] P Dmax [W] T A [ C] T A [ C] No heat-sink, θ JA = 62.5 C/W With heat-sink, θ JA = 25 C/W 14

15 Μεταφορά θερμότητας Ψυγεία (Heat sinks), ανεμιστήρες fans etc. 15

16 Μεταφορά θερμότητας με τυπική κατανάλωση ισχύος 0.5W σε ένα τρανζίστορ, αμηλότερη θερμοκρασία περιβάλλοντος θα μειώσει την θερμοκρασία του θερμού σημείου junction ερµοκρασία αφής για IC ερµοκρασία ρµού µείου για τίσταση 16

17 Θερμική αντίσταση (Thermal resistance) T Θ junction JA = Θ Θ Θ JC CA = T ambient + Θ = (degrees/watts)thermal resistance from junction to ambient JC( junction to case) JA + Θ cannot be changed Power _ dissipation CA( case to ambient) can be reduced by a bigger heat -sink Οι κατασκευαστές συνήθως βαθµολογούν τις διατάξεις αποβολής θερµότητας µε τηνροήαέρα. τα 400ft/min είναι ενδεικτικά πολύ καλής σχεδίασης Ο ανεμιστήρας σε ένα PC δίνει περίπου 150 ft/min. 17

18 Άσκηση: Θερμική αντίσταση Θ JC Θερμική αντίσταση ανάμεσα στο θερμό σημείο και στο περίβλημα =34 o C/W Περίπτωση 1 (Αέρας χωρίς ροή) Θ CA-stillAir Θερμική αντίσταση ανάμεσα στο περίβλημα και στο περιβάλλον (χωρίς ροή) = 80 o C/W Περίπτωση 2(400 ft/min, διάταξη αποβολής θερμότητας) Θ CA-400ft/minAir Flow Θερμική αντίστασηανάμεσαστοπερίβλημακαιστο περιβάλλον (με ροή) = 35 o C/W Υπολογίζουμε την θερμοκρασία του θερμού σημείου και στις δύο περιπτώσεις, αν η καταναλισκώμενη ισχύς εσωτερικά είναι 0.5W, και η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 20 o C 18

19 Περίπτωση 1: T junction1 =20+(34+80)*0.5 =20+57=77 o C Περίπτωση 2: T junction2 = 20+(34+35)* *0.5 = =54.5 o C 19

20 20

21 21

22 22

23 Ayrton-Perry Cp µικρή, Ls Μικρές R ίµιτη περιέλιξη Ls µικρή, Cp Μεγάλες R 23

24 Η χαρακτηριστική συχνοτήτων των παθητικών εξαρτηµάτων Ηεπιλογή των κατάλληλων παθητικών εξαρτηµάτων (R, L, C) είναι πολύ σηµαντική στην σχεδίαση αναλογικών κυκλωµάτων. Ο σωστός σχεδιασµός προϋποθέτει την επιλογή εξαρτηµάτων µε βάση την συµπεριφορά τους σε υψηλές συχνότητες. Θα πρέπει να τονισθεί ότι για τετραγωνικές κυµατοµορφές οι αντίστοιχες αρµονικές οδηγούν σε δεκαπλάσιες συχνότητες από αυτή της βασικής συχνότητας της κυµατοµορφής. Επιπλέον συχνά υπάρχει η λανθασµένη άποψη ότι αυτά αφορούν την σχεδίαση αναλογικών κυκλωµάτων υψηλών συχνοτήτων. Υψηλές συχνότητες οι οποίες εκπέµπονται ή λαµβάνονται από ένα κύκλωµα χαµηλών συχνοτήτων επηρεάζουν τα παθητικά εξαρτήµατα. Για παράδειγµα ένα φίλτρο διέλευσης χαµηλών συχνοτήτων µε τελεστικό ενισχυτή µπορεί να µετατραπέι σε φίλτρο διέλευσης υψηλών συχνοτήτων σε RF συχνότητες. 24

25 Ηχαρακτηριστική συχνοτήτων των παθητικών εξαρτηµάτων Ηεπίδοσητων αντιστατών σε υψηλές συχνότητες προσεγγίζεται (µοντελοποιείται) µε το κύκλωµα που ακολουθεί. R είναι η τιµή της αντίστασης, L L η αυτεπαγωγή των ακροδεκτών, και Cp είναι µια παρασιτική χωρητικότητα που εξαρτάται από την εσωτερική δοµή της αντίστασης 25

26 Η χαρακτηριστική συχνοτήτων των παθητικών εξαρτηµάτων (φαινόµενο συντονισµού) 26

27 27

28 28

29 Ηχαρακτηριστική συχνοτήτων των παθητικών εξαρτηµάτων Οι περισσότεροι σχεδιαστές δεν γνωρίζουν την εσωτερική δοµή των αντιστατών τύπου film η οποία είναι παρόµοια µε των αντιστατών σύρµατος µε την µορφή σπειρών αγώγιµου υλικού. Η αυτεπαγωγή των αντιστατών film είναι µικρότερη από αυτή των αντιστατών σύρµατος και για τιµές µικρότερες των 2 kωείναι κατάλληλες για υψηλές συχνότητες. Συνήθως η παράλληλη χωρητικότητα θεωρείται αµελητέα λόγω της διαρροής που εµφανίζει η αντίσταση σειράς. Για πολύ υψηλές τιµές αντίστασης η χωρητικότητα θα εµφανίζεται παράλληλα στην αντίσταση σειράς µειώνοντας την σύνθετη αντίσταση σε υψηλές συχνότητες. Οι αντιστάτες άνθρακα παρουσιάζουν σηµαντική παρασιτική χωρητικότητα. Οι αντιστάσεις σύρµατος παρουσιάζουν µεγάλη αυτεπαγωγή και θεωρούνται προβληµατικές για τις αντιστάσεις µικρών τιµών και για τις περιοχές 10 MHz έως 200 MHz. 29

30 30

31 31

32 Temperature: Johnson noise Nyquist (first?): Phys Rev (1928) Εφαρµόζεται σε όλες τις διατάξεις; Θεωρούµε µόνο τους αντιστάτες προς το παρόν Τα ηλεκτρόνια που κινούνται τυχαία µε την επίδραση της θερµοκρασίας παράγουν εναλλασσόµενη τάση Η χρονική µέση τιµή είναι φυσικά µηδέν Αλλά παρ όλα αυτά µπορεί να έχουµε µεταφορά ισχύος σε άλλη διάταξη που βρίσκεται σε χαµηλότερη θερµοκρασία 32

33 Θόρυβος στους αντιστάτες (Johnson) 33

34 Johnson noise (2) net power flow T 2 T 2 > T 1 T 1 οι διακυµάνσεις της τάσης είναι µεγαλύτερες στην θερµότερη αντίσταση ισχύς µεταφέρεται από την θερµότερη αντίσταση στην ψυχρότερη τελικά έχουµε ισορροπία T 2 = T 1 34

35 Johnson Noise (3) Κάθε θερµοδυναµικό σύστηµα αποθηκεύει (σε ισορροπία) ½ kt ενέργεια ανά DoF(βαθµός ελευθερίας) V n2 /R = (½ kt) ( f) (DoF / µονάδα εύρους συχνοτήτωνunit bandwidth) f το εύρος συχνοτήτων του δέκτησυστήµατος. Προσπαθούµε να το ελαχιστοποιούµε. 2 DoF για 2 κατευθύνσεις µεταφοράς ενέργειας 2 DoF για ηλεκτρικά + µαγνητικά πεδία 2 DoF για µια κατεύθυνση πόλωσης V n = 4kT f R 35

36 Θόρυβος στους αντιστάτες (Johnson) Thermal noise: nature is in chaotic motion Urms=7,4sqr(R*T* f)

37 Ισοδύναµακυκλώµατα - Resistors Οθόρυβος των αντιστάσεων κυριαρχείται από τον Θερµικό θόρυβο: R R 4kTRB Θορυβώδης Αντίσταση Αθόρυβη Αντίσταση Πηγή θορύβου 37

38 ικτυώµατα Αντιστάσεων R 1 R R 4 kt( R 1 R2 )B 1 2 R 2 R1 R2 Θορυβώδεις Αντιστάσεις Αθόρυβη Αντίσταση R + 4 kt( R1 + R2 )B 1 R 2 Πηγή θορύβου Θορυβώδεις Αντιστάσεις Αθόρυβη Αντίσταση Πηγή θορύβου Όταν αθροίζουµε πηγές θορύβου, το αποτέλεσµα είναι η τετραγωνική ρίζα του αθροίσµατος των τετραγώνων. (Copyright Tim Collins) 38

39 39

40 Τυποποίηση-Ανοχή 40

41 a,b. Four-band resistor, c. Five-band resistor, d. Cylindrical SMD resistor, e. Flat SMD resistor 41

42 42

43 43

44 44

45 45

46 46