เลือกกำลังตัวต้านทานจากความร้อนและสภาพติดตั้ง

ค่าวัตต์ที่ระบุของตัวต้านทานมีเงื่อนไขกำกับอยู่เสมอ ชิ้นส่วนตัวเดียวกันติดตั้งบนพื้นที่ทองแดงต่างกันหรืออยู่ใกล้แหล่งร้อนต่างกัน อาจระบายความร้อนได้ไม่เท่ากัน แม้กำลังไฟฟ้าที่เปลี่ยนเป็นความร้อนจะเท่าเดิม การเลือกตัวต้านทานจึงต้องเริ่มจากภาระจริง แล้วตรวจว่าการติดตั้งของเราสอดคล้องกับพิกัดที่ผู้ผลิตให้หรือไม่ ตัวอย่างทั้งหมดต่อไปนี้เป็นการคำนวณสมมติสำหรับบอร์ดสาธิตแรงดันต่ำ ไม่ใช่ข้อกำหนดของบอร์ดรถรุ่นใด

กำลังสูญเสียเกิดจากแรงดันและกระแสที่ตัวชิ้นส่วน

กำลังไฟฟ้าที่ตัวต้านทานรับขณะทำงานคงที่คำนวณได้จาก P = V × I และเมื่อใช้กฎของโอห์มจะได้ P = I²R หรือ P = V² / R โดย V ต้องเป็นแรงดันคร่อมตัวต้านทานนั้นจริง ไม่ใช่แรงดันแหล่งจ่ายเสมอไป ถ้าตัวต้านทานอยู่อนุกรมกับไดโอดหรือโหลดอื่น แรงดันบางส่วนตกที่โหลด การใช้แรงดันจ่ายเต็มคำนวณอาจผิดจากสภาวะทำงานปกติ แต่ยังอาจเป็นกรณีต้องประเมินเมื่อโหลดลัดวงจร ทั้งสองกรณีควรเขียนแยกกัน

ความคลาดของ R มีผลต่างกันตามวิธีขับ เมื่อแรงดันคงที่ ตัวต้านทานค่าต่ำกว่าจะรับกำลังมากกว่า เพราะกำลังแปรผกผันกับ R แต่เมื่อกระแสคงที่ ตัวต้านทานค่าสูงกว่าจะรับกำลังมากกว่า เพราะกำลังแปรตาม R การเลือกกรณีเลวร้ายที่สุดจึงต้องรู้ก่อนว่าแหล่งขับรักษาแรงดันหรือรักษากระแส ไม่ควรเลือกค่าความต้านทานสูงสุดเป็นกรณีร้อนที่สุดโดยอัตโนมัติ

1. 1
   ภาระไฟฟ้า

   ใช้แรงดันคร่อมตัวต้านทานจริงคำนวณ P = V² / R เมื่อแหล่งขับรักษาแรงดัน

2. 2
   ทางระบาย

   ความร้อนออกผ่านขั้ว แผ่นทองแดง และอากาศตามสภาพติดตั้ง

3. 3
   อ้างอิงให้ตรง

   กราฟอุณหภูมิขั้วต่อใช้ค่าอากาศในห้องแทนไม่ได้ ต้องตรวจตำแหน่งที่ผู้ผลิตระบุ

4. 4
   กำลังที่อนุญาต

   เมื่ออุณหภูมิอ้างอิงสูงขึ้น กำลังที่ยอมได้อาจลดลงตามกราฟของรหัสจริง

ผ่านค่ากำลังอย่างเดียวไม่พอ ต้องใช้กราฟที่อ้างอุณหภูมิและการติดตั้งตรงกัน

สถานการณ์สมมติ: โหลด 100 โอห์มที่ราง 5 โวลต์

สมมตินำตัวต้านทาน 100 โอห์มต่อคร่อมแหล่งจ่าย 5 โวลต์ กระแสจะเป็น 50 มิลลิแอมป์ และกำลังเท่ากับ 25 / 100 = 0.25 วัตต์ การเลือกตัวต้านทานพิกัด 0.25 วัตต์จึงใช้งานตรงพิกัดทันทีภายใต้เงื่อนไขอ้างอิง ยังไม่มีส่วนเผื่อให้แรงดันสูงกว่าที่คิดหรือสภาพระบายความร้อนแย่ลง สมมติแรงดันขึ้นถึง 5.25 โวลต์และ R ลดถึง 95 โอห์ม กำลังจะเป็น 5.25² / 95 = 0.290 วัตต์โดยประมาณ ซึ่งเกินค่าฉลากเดิม

แม้เปลี่ยนเป็นตัวพิกัด 0.5 วัตต์ก็ยังต้องอ่านกราฟ สมมติกราฟของชิ้นส่วนตัวอย่างให้ใช้กำลังเต็มถึงอุณหภูมิแวดล้อม 70 องศาเซลเซียส และลดเป็นเส้นตรงจนเหลือศูนย์ที่ 155 องศาเซลเซียส ที่ 100 องศาเซลเซียสกำลังอนุญาตจะเท่ากับ 0.5 × (155 − 100) / (155 − 70) หรือประมาณ 0.324 วัตต์ ค่านี้มากกว่า 0.290 วัตต์เพียงเล็กน้อย ตัวเลขกราฟนี้เป็นสมมติฐานเพื่อสอนวิธีอ่าน ห้ามใช้แทนกราฟของชิ้นส่วนที่ซื้อจริง

กราฟอ้างอิงอากาศกับกราฟอ้างอิงขั้วต่อใช้แทนกันไม่ได้

พิกัดบางชุดอ้างอุณหภูมิแวดล้อมที่ตัวต้านทานอยู่ ส่วนบางชุดอ้างอุณหภูมิขั้วต่อ เพราะความร้อนของชิ้นส่วนติดผิวส่วนใหญ่มีทางผ่านแผ่นรองขาเข้าสู่แผ่นวงจร หากผู้ผลิตให้กราฟตามอุณหภูมิขั้วต่อ ต้องวัดหรือประเมินขั้วต่อตามวิธีที่กำหนด การอ่านอากาศในห้องแล้วแทนลงแกนขั้วต่อจะมองข้ามความร้อนที่สะสมอยู่ในบอร์ด ตำแหน่งวัดอุณหภูมิจึงเป็นส่วนหนึ่งของนิยามพิกัด ไม่ใช่รายละเอียดปลีกย่อย

พื้นที่ทองแดงที่ต่อกับขา ความหนาทองแดง วัสดุแผ่นวงจร การไหลของอากาศ และชิ้นส่วนข้างเคียงล้วนเปลี่ยนเส้นทางความร้อน การย้ายตัวต้านทานเดิมจากบอร์ดทดลองเปิดโล่งไปอยู่ในกล่องปิดจึงอาจเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างมาก แม้การคำนวณกำลังไฟฟ้าไม่เปลี่ยน สำหรับวงจรหลายตัวต้านทาน อย่าคิดว่าแต่ละตัวอยู่ในอากาศเย็นเท่ากัน เพราะกลุ่มที่วางชิดสามารถอุ่นกันเองและทำให้จุดกลางกลุ่มมีสภาพต่างจากขอบกลุ่ม

1. 1
   ค่ากลาง

   5² / 100 = 0.25 วัตต์ จึงใช้พิกัด 0.25 วัตต์เต็มทันที

2. 2
   แรงดันสูง R ต่ำ

   ที่ 5.25 โวลต์และ 95 โอห์ม กำลังเป็น 5.25² / 95 ≈ 0.290 วัตต์

3. 3
   กราฟสมมติ

   ตัว 0.5 วัตต์เต็มถึง 70°C และลดเป็นศูนย์ที่ 155°C จะยอมได้ประมาณ 0.324 วัตต์ที่ 100°C

4. 4
   ส่วนเผื่อเหลือน้อย

   กำลังอนุญาตสมมติสูงกว่าภาระเพียงประมาณ 0.034 วัตต์ ต้องตรวจเงื่อนไขจริงก่อนเลือก

คำนวณภาระสมมติและกราฟลดพิกัดสมมติแยกกัน ไม่ใช่พิกัดของสินค้าจริง

วิธีนำไปใช้เลือกและจัดวางตัวต้านทาน

1. กำหนดแรงดันหรือกระแสสูงสุดในสภาวะที่ต้องรองรับ แล้วรวมความคลาดของตัวต้านทานให้สอดคล้องกับวิธีขับ
2. คำนวณกำลังคงที่แยกจากภาระชั่วคราว ถ้าเป็นพัลส์ให้ตรวจกราฟพัลส์เพิ่มเติม ไม่ตัดสินจากกำลังเฉลี่ยเพียงค่าเดียว
3. เปิดข้อมูลผู้ผลิตของรหัสชิ้นส่วนจริง ตรวจพิกัดกำลัง แรงดันทำงานสูงสุด อุณหภูมิ และข้อกำหนดการติดตั้ง
4. เลือกตำแหน่งที่ถ่ายเทความร้อนได้และไม่ทำให้ชิ้นส่วนไวต่ออุณหภูมิข้างเคียงคลาดค่า
5. ตรวจอุณหภูมิในชุดประกอบจริงจนแนวโน้มเริ่มคงที่ แล้วเทียบกับข้อกำหนดของทั้งตัวต้านทานและวัสดุรอบข้าง

การแบ่งกำลังลงตัวต้านทานหลายตัวทำได้เมื่อออกแบบค่ารวมให้ถูกต้อง เช่น แทน 100 โอห์มด้วย 200 โอห์มสองตัวขนานที่ 5 โวลต์ แต่ละตัวรับ 0.125 วัตต์ รวม 0.25 วัตต์เหมือนเดิม วิธีนี้กระจายจุดร้อนได้ถ้าจัดวางเหมาะสม ทว่าไม่ได้ทำให้ความร้อนรวมของกล่องหายไป และถ้าค่าของสองตัวไม่เท่ากัน ตัวที่ต้านทานต่ำกว่าจะรับกำลังมากกว่า ต้องตรวจขอบเขตความคลาดและพฤติกรรมเมื่อชิ้นส่วนตัวหนึ่งขาดด้วย

ข้อผิดพลาดที่ทำให้เผื่อกำลังแล้วยังมีปัญหา

การใช้คำว่าพิกัดสองเท่าเพียงอย่างเดียวไม่รับประกันอุณหภูมิผิวที่เหมาะสม ตัวต้านทานที่รับกำลังไม่เกินพิกัดยังอาจร้อนจนไม่ควรสัมผัส หรือทำให้กาว ซีล และขั้วต่อใกล้เคียงเสื่อมได้ อีกด้านหนึ่ง ตัวต้านทานค่ามากอาจชนข้อจำกัดแรงดันทำงานก่อนชนข้อจำกัดกำลัง จึงต้องตรวจทั้งสองเงื่อนไข แม้บทสาธิตนี้ใช้เพียง 5 โวลต์ หลักคิดเรื่องข้อจำกัดคนละชนิดยังสำคัญเมื่ออ่านเอกสารชิ้นส่วน

ตรวจสอบผลด้วยกำลังจริงและหลักฐานอุณหภูมิ

วัดแรงดันคร่อมตัวต้านทานและค่าความต้านทานที่อุณหภูมิอ้างอิงก่อนเริ่มทดลอง จากนั้นคำนวณกำลังและบันทึกอุณหภูมิแวดล้อมกับตำแหน่งวัดบนชิ้นส่วนตามช่วงเวลา เมื่อเปลี่ยนพื้นที่ทองแดงหรือปิดฝาครอบให้ถือว่าเป็นการเปลี่ยนเงื่อนไขที่ต้องตรวจใหม่ หากอุณหภูมิยังเพิ่มต่อเนื่อง ผลยังไม่ใช่สภาวะคงตัว หลังตัดไฟและเย็นลงจึงวัดความต้านทานซ้ำ การเปลี่ยนค่าที่เกินข้อกำหนดหรือรอยเสียหายเป็นเหตุให้หยุดใช้งาน แต่การไม่เห็นรอยไหม้เพียงอย่างเดียวไม่ยืนยันความทนทานระยะยาว