¿Alta corriente o alto voltaje que daña los componentes?

Una respuesta general es que los componentes electrónicos / eléctricos se dañan cuando se exceden sus calificaciones eléctricas. La corriente excesiva da como resultado un calor excesivo que destruirá los componentes activos y pasivos. Algunos componentes pasivos, como los condensadores, tienen una capacidad de voltaje máxima, que si se excede puede ocasionar la falla del dieléctrico (aislante), lo que produce una corriente excesiva y, en última instancia, humo. En general, el exceso de tensión nominal de los componentes pasivos provoca un fallo de aislamiento. Con los componentes activos, un voltaje excesivo causará una ruptura de las uniones internas del diodo, transistor, etc., lo que también permitirá un exceso de corriente, calor y algo de humo. Sin embargo, en estos casos, la corriente será bastante más baja que cuando los dispositivos pasivos se sobrecalientan. Mi experiencia es que incluso una pequeña chispa en los conductores de un transistor destruirá el componente. La condición de sobretensión rompe la unión del semiconductor y no se recupera. La parte ahora es solo un bulto.

Cosas como las resistencias fallarán debido a la excesiva disipación de potencia: se calientan demasiado y los materiales de los que están hechos sufren una degradación irreversible. Por ejemplo, la laca en el exterior de una resistencia de orificio pasante puede decolorarse o quemarse, el valor de la resistencia cambia a medida que el elemento se oxida hasta que finalmente cambia de especificaciones o se abre y comienza a formar un arco. Los cables y las trazas de PCB se comportan como resistencias: demasiada corriente y el aislamiento se quema, la PCB se delamina o la traza se abre.

En los circuitos de baja tensión, por lo general, la clasificación de voltaje no es un problema, pero si tuviera que tomar (digamos) una resistencia de 0805 20M ordinaria y aplicarle 2kV, la potencia sería (en teoría) solo 200 mW (que podría estar en o ligeramente fuera de ella) pero la resistencia podría arquearse y causar daños irreversibles casi instantáneamente. Del mismo modo, puede tener arcos entre trazas.

Cosas como los condensadores y el óxido de compuerta MOSFET pueden fallar cuando están expuestos a un potencial excesivo que causa daños irreversibles al aislamiento. Habrá algo de calefacción muy localizada (o más, dependiendo de lo que ocurra después de que se haya perforado el aislamiento), pero esa no es la causa principal.

Cosas como diodos y uniones de transistores tienen voltajes de ruptura por encima de los cuales la corriente aumenta rápidamente con el voltaje (a veces se encienden con una característica de avalancha / resistencia negativa). Si la corriente se limita a que el calentamiento se mantenga en una cantidad razonable (y no aumente demasiado rápido para que el calentamiento no se localice en áreas pequeñas), esto puede ser no destructivo. De lo contrario, las uniones pueden calentarse hasta que dejen de ser buenas uniones de semiconductores por más tiempo (en los cientos de grados C para destruir una unión de silicio).

Volviendo a su pregunta específica acerca de las resistencias, es probable que ninguno de los voltajes que menciona se tope con una especificación de tensión máxima en las resistencias (cualquier cosa por debajo de los 25 V puede olvidarse de las resistencias que no representan un riesgo de inhalación).

Entonces, te queda la máxima disipación de potencia (y quizás la corriente máxima si el valor de la resistencia es estúpidamente bajo, pero ignoremos eso). Aquí es una hoja de datos para una serie de resistencias, digamos que tenemos un tamaño de 10 \ $ \ Omega \ $ resistencia 0805. La potencia nominal se muestra como 0.125W y la tensión de trabajo máxima es de 150V. Si observa la "Curva de reducción de potencia":

.. puede ver que la potencia nominal se mantiene para temperaturas ambiente de hasta 70 ° C, pero por encima de eso debe considerar que la clasificación es menor, según la curva. ¿Por qué se estabiliza a 70 grados? Lo más probable es que la resistencia sobreviva a una potencia de > 100% si el ambiente se mantiene fresco, pero el fabricante no quiere que lo probemos.

Recuerde que la disipación de potencia de una resistencia es $$ P = I ^ 2R $$ o $$ P = V ^ 2 / R $$

(dado que el poder es $$ V \ cdot I $$ y la ley de Ohm).

En su primer ejemplo, la resistencia es fija y usted dobla el voltaje, por lo que la potencia debería aumentar en 4: 1. (de 20W a 80W) Si su resistencia tiene una potencia nominal de 80W o más (en las condiciones que ve en su caja), todo estará bien. De lo contrario, puede que no sea. El daño es causado por el calentamiento, que es el producto del voltaje y la corriente (obviamente la corriente aumenta porque se aumenta el voltaje).

En su segundo ejemplo, ha duplicado la resistencia y la potencia ahora es de 40W en lugar de 20W. Si la resistencia tiene una potencia nominal de 40W, todo estará bien.

El tercer ejemplo también resulta en 40W de disipación. Así que si la resistencia es buena para 40W estás bien.

Un voltaje demasiado alto tiende a causar una ruptura catastrófica de un transistor. Una vez que aplique tensión de sobretensión y el transistor se averíe, el pin mostrará cortocircuito (generalmente a tierra). Si lo atrapa, o limita la corriente de falla de alguna manera, este tipo de falla no será visible fuera del IC. Puede ser visible al microscopio después de exponer la matriz.

Por supuesto, después de que un pin falla, si la corriente no está limitada, el componente probablemente se calentará y chamuscará y mostrará signos más obvios de destrucción.

Si permite que pase demasiada corriente a través de un IC, generalmente verá humo en algún momento. Para ser honesto, no he tenido problemas con esto muy a menudo. Muchos reguladores y otros están protegidos contra sobrecorriente. Pero he visto humo de diodos Zener tipo ESD después de una exposición sostenida a alta corriente.

Esto también podría suceder con un transistor que está disipando más energía de la que está calificado. Pero, como dije, de alguna manera no he tenido que lidiar con eso muy a menudo.

En última instancia, la mayoría de las cosas fallan debido a demasiado calor. Si está hablando de una carga puramente resistiva, como una bombilla, esto es bastante obvio. Supere los valores nominales de voltaje y corriente, y la bombilla se quema muy rápidamente. En este caso, no puede separar demasiado voltaje de demasiada corriente ya que la resistencia de la bombilla es más o menos constante, por lo que duplicar el voltaje duplicará la corriente y cuadruplicará la energía.

Las cosas como diodos y transistores también fallan generalmente por problemas relacionados con el calor. Tome un diodo y aplique un voltaje que exceda su voltaje de ruptura inversa. Cuando el diodo entra en ruptura inversa, dejará que la corriente fluya. La corriente que fluye a través del diodo por la caída de voltaje a través del diodo es igual a la potencia disipada en el diodo. Los diodos pueden descomponerse a un voltaje de unos pocos cientos de voltios, por lo que esto puede descargar calor en el diodo a una velocidad de cientos o miles de vatios, calentando la unión en el diodo muy rápidamente y haciendo que se derrita. Si se calienta lo suficientemente rápido, se puede vaporizar y obtienes un buen 'bang'. Lo mismo sucede con los transistores.

La ruptura dieléctrica es algo similar. Los cables, conectores, compuertas de transistores MOSFET, etc., pueden dañarse por la ruptura dieléctrica. Cuando el voltaje a través de un aislante es demasiado alto, es posible que el aislador deje de aislarse y en su lugar comience a dejar pasar algo de corriente. Este flujo de corriente puede causar daños. Si los voltajes son lo suficientemente altos, la ruptura dieléctrica puede provocar arcos eléctricos, lo que puede causar calentamiento, picaduras, etc.

En algunos casos, puede tener problemas con un voltaje demasiado BAJO. En general, esto es un problema cuando tiene un convertidor de conmutación elevador mal diseñado, como un buck-boost o SEPIC, que intenta aumentar el bajo voltaje de entrada y, como resultado, genera mucho calor al operar a bajo nivel. eficiencia.

Una cosa que debo tener en cuenta: las clasificaciones de potencia están generalmente relacionadas con las clasificaciones de temperatura de funcionamiento. La potencia máxima será determinada por la capacidad del dispositivo para disipar esa potencia mientras permanece por debajo de la temperatura máxima de operación. Es posible superar las potencias nominales para ciertos componentes bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, una resistencia de 5W podría disipar 100W, siempre que solo lo haga en un ciclo de trabajo del 5% con un tiempo lo suficientemente corto como para que la resistencia no se caliente lo suficiente como para causar daño (es decir, 100W durante 10 s probablemente lo causaría fallar, pero 100W para 10us probablemente estaría bien). También puede ser posible disipar 100W en una resistencia de 5W de forma continua si puede construir un sistema para extraer el calor de la resistencia lo suficientemente rápido como para mantener la temperatura dentro de la resistencia dentro de su rango de operación (es decir, sumergirla en nitrógeno líquido).

los resistores se clasifican según la cantidad de energía que pueden disipar sin que se dañen.

La potencia para un circuito puramente inquieto es:

P = V * I

1) La potencia inicial disipada es de 20W (10V * 2A), luego cambia a 80W (20V * 4A)

2) Ahora la potencia disipada es 40W (20V * 2A)

3) Ahora la potencia disipada es 40W (10V * 4A)

El daño es causado por la resistencia que disipa más energía de la que está calificada, a través del calor.