Высокий ток или высокое напряжение, которые повреждают компоненты?

Общий ответ заключается в том, что электронные/электрические компоненты повреждаются при превышении их электрических характеристик. Чрезмерный ток приводит к чрезмерному нагреву, который разрушает как пассивные, так и активные компоненты. Некоторые пассивные компоненты, такие как конденсаторы, имеют максимальное номинальное напряжение, превышение которого может привести к выходу из строя диэлектрика (изолятора), что приведет к чрезмерному току и, в конечном итоге, к задымлению. Как правило, превышение номинального напряжения пассивных компонентов вызывает нарушение изоляции. При работе с активными компонентами чрезмерное напряжение вызовет пробой внутренних переходов диода, транзистора и т. д., что также приведет к избыточному току, нагреву и некоторому дыму. Однако в этих случаях ток будет несколько ниже, чем при перегреве пассивных устройств. Мой опыт показывает, что даже небольшая искра на выводах транзистора разрушит компонент. Состояние перенапряжения разрушает полупроводниковый переход, и он не восстанавливается. Часть теперь просто кусок.

Такие вещи, как резисторы, выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности — они перегреваются, а материалы, из которых они сделаны, подвергаются необратимой деградации. Например, лак на внешней стороне резистора со сквозным отверстием может обесцветиться или сгореть, значение сопротивления изменится по мере окисления элемента, пока, наконец, оно не выйдет за пределы спецификации или не откроется и не начнет искрение. Провода и дорожки печатной платы ведут себя как резисторы — слишком большой ток приводит к сгоранию изоляции, расслаиванию печатной платы или размыканию дорожки.

В низковольтных цепях обычно номинальное напряжение не является проблемой, но если вы возьмете (скажем) обычный резистор 0805 20 МОм и приложите к нему 2 кВ, мощность будет (теоретически) всего 200 мВт (что может быть в спецификации или слегка вне его), но резистор может вызвать искрение и почти мгновенно вызвать необратимые повреждения. Точно так же вы можете получить дугу между трассами.

Такие вещи, как конденсаторы и оксид затвора полевого МОП-транзистора, могут выйти из строя, если на них воздействует чрезмерный потенциал, который вызывает необратимое повреждение изоляции. Будет некоторый очень локальный нагрев (или больше, в зависимости от того, что произойдет после прокола изоляции), но это не основная причина.

Такие вещи, как диодные и транзисторные переходы, имеют напряжения пробоя, выше которых ток быстро увеличивается с напряжением (иногда они защелкиваются с характеристикой лавинного / отрицательного сопротивления). Если ток ограничен тем, что нагрев поддерживается на разумном уровне (и не увеличивается слишком быстро, чтобы нагрев не локализовался на крошечных участках), то это может быть неразрушающим. В противном случае переходы могут нагреваться до тех пор, пока они больше не перестанут быть хорошими полупроводниковыми переходами (на сотни градусов Цельсия, чтобы разрушить кремниевый переход).

Возвращаясь к вашему конкретному вопросу о резисторах: ни одно из упомянутых вами напряжений вряд ли столкнется с максимальной спецификацией напряжения на резисторах (все, что ниже 25 В, вы можете забыть о резисторах, которые не представляют опасности для вдоха).

Таким образом, вы остаетесь с максимальной рассеиваемой мощностью (и, возможно, максимальным током, если значение сопротивления глупо мало, но давайте проигнорируем это). Вот таблица данных для серии резисторов, скажем, у нас есть 10$\Omega$резистор типоразмера 0805. Номинальная мощность указана как 0,125 Вт, а максимальное рабочее напряжение - как 150 В. Если вы посмотрите на «Кривую снижения мощности»:

.. вы можете видеть, что номинальная мощность держится при температуре окружающей среды до 70°C, но выше этого вы должны считать, что номинальная мощность меньше, согласно кривой. Почему он выравнивается при 70 градусах? Скорее всего, резистор выживет нормально при мощности> 100%, если окружающая среда будет прохладной, но производитель не хочет, чтобы мы это тестировали.

Напомним, что мощность рассеяния резистора равна

(поскольку мощность

В вашем первом примере сопротивление фиксировано, и вы удваиваете напряжение, поэтому мощность должна возрасти на 4: 1. (от 20Вт до 80Вт) Если ваш резистор рассчитан на 80Вт или более (в условиях, которые он видит в вашей коробке), то все будет в порядке. Иначе может и не быть. Повреждения вызваны нагревом, который является произведением напряжения и тока (очевидно, что ток увеличивается из -за увеличения напряжения).

Во втором примере вы удвоили сопротивление, и теперь мощность составляет 40 Вт, а не 20 Вт. Если резистор рассчитан на 40 Вт, то все будет в порядке.

Третий пример также приводит к рассеиванию 40 Вт. Так что, если резистор хорош для 40 Вт, все в порядке.

Слишком высокое напряжение имеет тенденцию вызывать катастрофический пробой транзистора. Как только вы подадите перенапряжение и транзистор выйдет из строя, на контакте появится короткое замыкание (обычно на землю). Если вы поймаете его или каким-то образом ограничите ток короткого замыкания, этот тип отказа не будет виден за пределами ИС. Это может быть видно под микроскопом после экспонирования штампа.

Конечно, после короткого замыкания вывода, если ток не ограничен, компонент, вероятно, сильно нагреется и обуглится, и появятся более очевидные признаки разрушения.

Если вы позволите слишком большому току проходить через микросхему, в какой-то момент вы обычно увидите дым. Честно говоря, у меня не так уж часто возникали с этим проблемы. Многие регуляторы и тому подобное защищены от перегрузки по току. Но я видел дым стабилитронов типа ESD после длительного воздействия сильного тока.

Это также может произойти с транзистором, который рассеивает большую мощность, чем он рассчитан. Но, как я уже сказал, мне как-то нечасто приходилось с этим сталкиваться.

В конечном счете, большинство вещей выходят из строя из-за слишком большого количества тепла. Если вы говорите о чисто резистивной нагрузке, такой как лампочка, это довольно очевидно. Превышайте номинальные значения напряжения и силы тока, и лампочка очень быстро перегорает. В этом случае вы не можете отделить слишком большое напряжение от слишком большого тока, поскольку сопротивление лампы более или менее постоянно, поэтому удвоение напряжения удвоит ток и учетверит мощность.

Такие вещи, как диоды и транзисторы, также обычно выходят из строя из-за проблем, связанных с нагревом. Возьмите диод и подайте на него напряжение, превышающее его обратное напряжение пробоя. Когда диод переходит в режим обратного пробоя, он пропускает ток. Ток, протекающий через диод, умноженный на падение напряжения на диоде, равен мощности, рассеиваемой на диоде. Диоды могут выйти из строя при напряжении в несколько сотен вольт, поэтому это может привести к выделению тепла в диод со скоростью сотен или тысяч ватт, очень быстро нагревая переход в диоде и вызывая его плавление. Если он нагревается достаточно быстро, он может испариться, и вы получите приятный «взрыв». То же самое происходит и с транзисторами.

Пробой диэлектрика в чем-то похож. Провода, разъемы, затворы МОП-транзисторов и т. д. могут быть повреждены пробоем диэлектрика. Когда напряжение на изоляторе становится слишком высоким, возможно, что изолятор перестанет изолировать и вместо этого начнет пропускать некоторый ток. Этот поток тока может привести к повреждению. Если напряжения достаточно высоки, пробой диэлектрика может привести к возникновению дуги, что может привести к нагреву, точечной коррозии и т. д.

В некоторых случаях у вас могут возникнуть проблемы со слишком НИЗКИМ напряжением. Как правило, это проблема, когда у вас есть плохо спроектированный повышающий импульсный преобразователь, такой как повышающе-понижающий преобразователь или SEPIC, который пытается повысить низкое входное напряжение и в результате выделяет много тепла, работая на низком уровне. эффективность.

Одна вещь, которую я должен отметить: номинальная мощность обычно связана с номинальной рабочей температурой. Тогда максимальная мощность будет определяться способностью устройства рассеивать эту мощность, оставаясь при этом ниже максимальной рабочей температуры. При определенных условиях возможно превышение номинальных мощностей некоторых компонентов. Например, резистор мощностью 5 Вт может фактически рассеивать 100 Вт, если он делает это только при рабочем цикле 5% с достаточно коротким временем включения, чтобы резистор не нагревался настолько, чтобы вызвать повреждение (т.е. 100 Вт в течение 10 с, вероятно, вызовет его). терпеть неудачу, но 100 Вт на 10 мкс, вероятно, будет в порядке). Также может быть возможно непрерывно рассеивать 100 Вт на резисторе 5 Вт, если вы можете построить систему, которая достаточно быстро отводит тепло от резистора, чтобы поддерживать температуру внутри резистора в пределах его рабочего диапазона (т.е.

резисторы оцениваются по количеству энергии, которую они могут рассеять без повреждения.

Мощность для чисто активной цепи:

Р = В * Я

1) Начальная рассеиваемая мощность составляет 20 Вт (10 В * 2 А), затем она изменяется до 80 Вт (20 В * 4 А).

2) Теперь рассеиваемая мощность 40Вт (20В * 2А)

3) Теперь рассеиваемая мощность 40Вт (10В * 4А)

Повреждение вызвано тем, что резистор рассеивает большую мощность, чем он рассчитан, за счет тепла.