Impulsbelastbarkeit der drahtgewickelten Widerstände von Vishay Dale

Die Nennwerte von drahtgewickelten Leistungswiderständen für Leistung und Spannung im eingeschwungenen Zustand geben die Höchsttemperaturen an, die die Geräte annehmen dürfen. Für kurze Zeiträume von 5 Sekunden oder weniger sind diese Werte zufriedenstellend; die Widerstände sind jedoch in der Lage, für kurze Zeiträume (weniger als der Übergangspunkt) viel höhere Leistungs- und Spannungspegel zu verarbeiten. Bei Raumtemperatur bietet der RS005 beispielsweise eine Dauerleistung von 5 W, aber für eine Dauer von 1 ms kann das Gerät 24.500 W und für 1 μs 24.500.000 W verarbeiten. Der Grund für diese scheinbar hohe Leistungsfähigkeit ist die Tatsache, dass Energie, die das Produkt aus Leistung und Zeit ist, Wärme erzeugt, nicht nur Leistung allein. Vishay Dale kann Lösungen für eine Anwendung anbieten, wenn die in Abbildung 2 aufgeführten Informationen zur Verfügung gestellt werden.

Abbildung 1: Vishay Dale bietet eine große Auswahl an drahtgewickelten Widerständen. (Bildquelle: Vishay Dale)

Kurze Impulse (kürzer als die Dauer des Übergangspunktes)

Bei kurzen Impulsen muss die dem Widerstand zugeführte Energie bestimmt werden. Bei Impulsen, die unter dem Übergangspunkt liegen, geht Vishay Dale davon aus, dass die gesamte Impulsenergie im Widerstandselement (Draht) abgeleitet wird. Damit der Widerstand seine Leistungsmerkmale über die gesamte Lebensdauer des Produkts beibehält, stützt sich Vishay Dale bei seinen Analysen und Empfehlungen auf die Energiemenge, die erforderlich ist, um das Widerstandselement auf +350 °C zu erhöhen, ohne dass Wärmeverluste an Kern, Beschichtung oder Leitungen auftreten. Der Übergangspunkt ist der Zeitpunkt, an dem nicht nur im Draht selbst, sondern auch in der Ader, den Leitungen und dem Verkapselungsmaterial erhebliche Energie abgeleitet wird. Dies ist der Punkt, an dem der Impuls nicht mehr als kurzer Impuls, sondern als langer Impuls betrachtet wird.

Die Impulsbelastbarkeit ist je nach Widerstandsmodell und -wert unterschiedlich, da sie auf der Masse und der spezifischen Wärme des Widerstandselements beruht. Sobald die Leistung und Energie definiert sind, kann Vishay Dale die beste Widerstandsauswahl für die Anwendung bestimmen.

Übergangspunkt

Ein Beispiel für einen 500Ω-Widerstand RS005 bei Raumtemperatur:

Erforderliche Informationen:

ER = Energiewert für ein bestimmtes Modell mit einem bestimmten Widerstandswert und einer bestimmten Umgebungstemperatur. Zur Verfügung gestellt von Vishay Dale, ER = 6,33 J.

PO = Die Überlastfähigkeit des Teils bei 1 s. Die Überlastfähigkeit eines RS005 für 1 s, 10 x 5 W x 5 s = 250 Ws/1 s = 250 W

Übergangspunkt (s) = ER (J)/PO (W)

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

Der Übergangspunkt für den 500Ω-Widerstand RS005 beträgt bei Raumtemperatur etwa 25,3 ms.

Lange Impulse (Übergangspunkt bis 5 Sekunden)

Bei langen Impulsen wird ein Großteil der Wärme über den Kern, die Leitungen und das Verkapselungsmaterial abgeleitet. Infolgedessen sind die Berechnungen für kurze Impulse viel zu konservativ. Für Anwendungen mit langen Impulsen werden die Kurzzeit-Überlastwerte aus den Datenblättern verwendet. Beachten Sie, dass wiederholte Impulse mit der kurzzeitigen Überlastungsgröße extrem belastend sind und bei einigen Widerstandsarten zum Ausfall führen können.

• Um die Überlastleistung für einen 5-Sekunden-Impuls zu ermitteln, multiplizieren Sie die Nennleistung entweder mit 5 oder 10, wie auf dem Datenblatt angegeben
• Um die Überlastfähigkeit für 1 s bis 5 s zu ermitteln, rechnen Sie die Überlastleistung in Energie um, indem Sie sie mit 5 s multiplizieren, und rechnen Sie sie dann wieder in Leistung um, indem Sie sie durch die Impulsdauer in Sekunden dividieren
• Für Impulsdauern zwischen dem Übergangspunkt und 1 s ist die für 1 s berechnete Überlastleistung zu verwenden

Beispiel

1. Wie hoch ist die Überlastbarkeit eines RS005-Widerstands?

   Aus dem Datenblatt geht hervor, dass der RS005 eine Nennleistung von 5 W hat und die 10-fache Nennleistung für 5 s benötigt: 10 x 5 W = 50 W

2. Wie hoch ist die Energiekapazität des RS005 für 5 s?

   Für 5 s beträgt die Energiekapazität: 50 W x 5 s = 250 W·s oder J

3. Wie hoch ist die Überlastfähigkeit des RS005 für 1 s?

   Für 1 s beträgt die Überlastfähigkeit 250 W·s / 1 s = 250 W

4. Wie hoch ist die Energiekapazität des RS005 für 0,5 s?

   Für 0,5 s beträgt die Energiekapazität: 250 W x 0,5 s = 125 W·s oder J

Erforderliche Informationen zur Bestimmung der Impulsbelastbarkeit

Abbildung 2: Die Antworten auf diese Fragen zur Impulsbelastbarkeit helfen bei der Festlegung der Anwendungslösung. (Bildquelle: Vishay Dale)

Impulsanwendungen fallen häufig in eine der folgenden drei Kategorien: Rechtecksignal, kapazitive Ladung/Entladung oder exponentieller Zerfall. In den folgenden Abschnitten wird ein Beispiel für die Berechnung der Impulsenergie für jede dieser Arten gezeigt.

Rechtecksignal

Eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom wird über einen Widerstand für eine bestimmte Impulsdauer angelegt.

Abbildung 3: Beispiel einer Impulsenergieberechnung für eine Rechteckwelle mit einer Amplitude von 100 V_DC für 1 ms durch einen 10Ω-Widerstand. (Bildquelle: Vishay Dale)

Kapazitive Ladung/Entladung

Ein Kondensator wird auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und dann über einen drahtgewickelten Widerstand entladen.

Abbildung 4: Beispiel einer Impulsenergieberechnung für eine kapazitive Lade-/Entladeanwendung. (Bildquelle: Vishay Dale)

Exponentieller Zerfall/Stromstoß durch Blitzschlag

Die Anwendung erreicht eine Spitzenspannung und fällt dann proportional zu ihrem Wert ab. Dies wird in der Regel durch DO-160E WF4 oder IEC 6100-4-5 modelliert und stellt einen Blitzschlag dar.

Abbildung 5: Beispiel einer Impulsenergieberechnung für einen Stromstoß durch Blitzeinschlag. (Bildquelle: Vishay Dale)

Sich wiederholende Pulse mit gleichem Abstand

Bei der Berechnung der Impulsbelastbarkeit für sich wiederholende Impulse müssen sowohl die durchschnittliche Leistung als auch die Energie der einzelnen Impulse berücksichtigt werden. Das liegt daran, dass die durchschnittliche Leistung einen gewissen durchschnittlichen Wärmeanstieg auf dem Teil erzeugt, der einen gewissen Prozentsatz der Energiekapazität des Teils verbraucht. Der Teil der Energie, der nicht für die durchschnittliche Leistung verwendet wird, steht dann für die Verarbeitung der momentanen Impulsenergie zur Verfügung. Wenn die beiden Prozentsätze (Durchschnittsleistung zu Nennleistung und Impulsenergie zu Impulsbelastbarkeit) addiert werden, dürfen sie 100 % der Gesamtleistung des Teils nicht überschreiten.

Beispiel

Das folgende Beispiel basiert auf einem sich in gleichen Abständen wiederholenden Rechteckimpuls.

Abbildung 6: Dieses Beispiel basiert auf einem sich in gleichen Abständen wiederholenden Rechteckimpuls. (Bildquelle: Vishay Dale)

1. Die Impulsleistung, P = V²/R oder I²R, wird für einen einzelnen Impuls berechnet
2. Die durchschnittliche Leistung wird wie folgt berechnet: P_Avg = Pt/T
3. Berechnung der Impulsenergie: E = Pt
4. Berechnung des prozentualen Anteils der Durchschnittsleistung an der Nennleistung (PR): Prozent (Leistung) = 100 x P_AVG/P_R
5. Vishay Dale kann die Impulsbelastbarkeit (ER) für ein Widerstandsmodell, einen Widerstandswert und die Umgebungstemperatur angeben
6. Berechnung des prozentualen Anteils der Impulsenergie an der Impulsbelastbarkeit: Prozent (Energie) = 100 x E/E_R
7. Addieren der Prozente in (4) und (6). Liegt der Prozentsatz unter 100 %, ist der gewählte Widerstand akzeptabel. Ist der Prozentsatz größer als 100 %, sollte ein Widerstand mit einer höheren Nennleistung oder einer höheren Impulsbelastbarkeit gewählt werden. Wenden Sie sich an Vishay Dale, um den besten Widerstand für Ihre Anwendung zu ermitteln.

Beispiel

Eine Reihe von gleichmäßig verteilten Rechteckimpulsen mit einer Amplitude von 200 V_DC, einer Impulsbreite von 20 ms und einer Zykluszeit von 20 s wird bei einer Umgebungstemperatur von 25°C an einen 100Ω-Widerstand RS007 angelegt.

1. Die Impulsleistung beträgt: P = V²/R = (200 V)²/100 Ω = 400 W
2. Die durchschnittliche Leistung beträgt: P_AVG = Pt/T = (400 W x 0,02 s)/20 s = 0,4 W
3. Die Pulsenergie wird wie folgt berechnet: E = Pt = 400 W x 0,02 s = 8,0 W·s oder J
4. Der Widerstand RS007 hat eine Nennleistung (P_R) von 7 W. Der Prozentsatz der durchschnittlichen Leistung zur Nennleistung wird wie folgt berechnet: P_AVG/P_R x100 = ((0,4 W)/(7,0 W)) x 100 = 5,7%
5. Die von Vishay Dale angegebene Impulsbelastbarkeit (E_R) bei einer Umgebungstemperatur von 25°C beträgt 15,3 J
6. Der prozentuale Anteil der Impulsenergie an der Impulsbelastbarkeit wird berechnet:

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

7. Die in (4) und (6) berechneten Prozentsätze werden addiert: 5,7% + 52,3% = 58%

Da dieser Prozentsatz weniger als 100 % der Gesamtleistung beträgt, kann der Widerstand des Typs RS007 den Impuls ausreichend verarbeiten.

Nicht-induktive Widerstände

Nicht-induktive Leistungswiderstände bestehen aus zwei Wicklungen, von denen jede den doppelten Wert des fertigen Widerstands hat. Aus diesem Grund ist die Energiekapazität fast immer höher als bei einer normalen gewickelten Einheit. Um die für nicht-induktive Typen benötigte Energiekapazität zu berechnen, ist die Energie pro Ohm (J/Ω) zu ermitteln, indem die Energie durch das Vierfache des Widerstandswerts geteilt wird.

Beispiel

Wie hoch ist die Energie pro Ohm, die erforderlich ist, um einen 0,2 J Impuls an einem 500Ω-Widerstand zu verarbeiten?

Die benötigte Energie pro Ohm ist: E/4R = (0,2 J)/(4 x 500 Ω) = 100 x10^-6 J/Ω

Diese kann Vishay Dale zur Verfügung gestellt werden, um das beste Produkt für die jeweilige Anwendung zu finden.

Spannungsbegrenzungen

Kurze Impulse - Für drahtgewickelte Widerstände, die kurzzeitig gepulst werden, wurde noch nie eine Überlastspannung ermittelt. Die Sandia Corporation hat eine Studie über unsere NS- und RS-Widerstände mit 20µs-Impulsen durchgeführt. Aus dieser Studie geht hervor, dass dieser Bauteiltyp etwa 20 kV pro Zoll verträgt, solange die Impulsbelastbarkeit nicht überschritten wird.

Lange Impulse - Bei Impulsen zwischen dem Übergangspunkt und 5 s beträgt die empfohlene maximale Überlast das √10-fache der maximalen Arbeitsspannung für die Größe 4 W und mehr und das √5-fache der maximalen Arbeitsspannung für Größen unter 4 W.

Schmelzwiderstände

Wenn das Ziel der Anwendung darin besteht, dass der Widerstand unter einer bestimmten Bedingung eine Schmelzsicherung öffnet, bietet Vishay Dale Schmelzwiderstände an. Siehe Seite sieben für gängige RS-Sicherungswiderstandstypen, oder klicken Sie auf den folgenden Link für das gesamte RS-Sicherungsdatenblatt.

Flinke, vergossene Modelle, die für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert sind

Vishay Dale bietet eine große Auswahl an drahtgewickelten Widerständen an. Das Unternehmen ist zudem auch in der Lage, kundenspezifische, vergossene, flinke Widerstände für spezielle Anwendungen zu liefern. DigiKey hat zwar einige dieser Widerstandstypen auf Lager, aber es sind buchstäblich Hunderte von Möglichkeiten verfügbar. In Abbildung 7 finden Sie einige Beispiele und die Tabelle mit den Teilenummern, die für die Auswahl eines geeigneten Widerstands für eine bestimmte Anwendung verwendet werden können.

Abbildung 7: Die oben gezeigten Beispielwiderstände stehen für eine Handvoll von Hunderten von möglichen Varianten. Für einen kundenspezifischen Widerstand, der für eine bestimmte Anwendung entwickelt wurde, kann die Teilenummern-Tabelle auf der Unterseite verwendet werden. (Bildquelle: Vishay Dale)