Điện trở suất (ρ)

Điện trở suất, ρ, là một hằng số vật liệu. Điện trở suất trong vật liệu điện trở càng cao thì điện trở của nó càng lớn. Mối liên hệ này có thể được mô tả như sau: 

phương trình điện trở suất [1]

Đây

R = điện trở

l = chiều dài dây dẫn

A = diện tích dẫn điện.

Tùy thuộc vào đơn vị biểu thị l và A , ta có các đơn vị khác nhau của ρ . Một cách phổ biến là biểu thị l theo m (meter) và A theo mm² , ρ sẽ có đơn vị là Ω.mm² / m. Nếu thay vào đó, ta chọn l theo m và A theo m² , đơn vị của r sẽ là Ω.mm² / m, thường được chuyển đổi thành Ωm. Đơn vị này thường được sử dụng cho các vật liệu phi kim loại. Nếu ta biết giá trị của ρ  được biểu thị theo Ω.mm² / m, ta phải nhân giá trị đó với hệ số 10-6 để có giá trị theo Ωm. Do đó, 10-6 x Ω.mm² / m = 1 Ωm.

Điện trở suất của tấm (Ω/vuông)

‍

Hình 1. Điện trở suất bề mặt r(sq) [Ω/vuông].

Điện trở suất của tấm là thước đo điện trở trên một đơn vị bề mặt của màng điện trở. Một phần tử bề mặt hình vuông như thể hiện trong Hình 1. Theo công thức [1], điện trở được tính như sau:

phương trình điện trở tấm [2]

Do đó, điện trở trên một đơn vị vuông, r(sq) , không phụ thuộc vào kích thước bề mặt. Độ dày màng và điện trở suất nội tại của nó quyết định r(sq) (được biểu thị bằng Ω/sq).

Nhiệt độ bề mặt và ĐIỂM NÓNG

Hình 2. Sự tăng nhiệt độ bề mặt điện trở so với Tải. Ta = nhiệt độ môi trường.

Sự gia tăng nhiệt độ bề mặt của thân điện trở phụ thuộc vào tải như thể hiện về nguyên tắc trong Hình R2. Khi nhiệt độ tăng, sự dẫn nhiệt, bức xạ và đối lưu (làm mát bằng không khí) từ thân điện trở tăng lên, khiến đường cong nhiệt độ trở nên cân bằng.

Hình 3 cho thấy sự phân bố nhiệt độ dọc theo thân điện trở. Sự tản nhiệt đến các chân dẫn hoặc các cực SMD làm giảm nhiệt độ ở hai đầu. Ở giữa thân điện trở, chúng ta ghi nhận một nhiệt độ cực đại, được gọi là nhiệt độ Điểm Nóng . Nhiệt độ này quyết định cả độ ổn định và tuổi thọ của điện trở.

Điều quan trọng là phải trải đều các vòng xoắn hoặc dây quấn trên toàn bộ chiều dài điện trở tự do. Nếu không, hiệu ứng Điểm Nóng sẽ tăng cường, gây nguy hiểm cho tính mạng và sự ổn định.

Điểm nóng không chỉ quan trọng đối với bản thân điện trở. Bức xạ nhiệt có thể ảnh hưởng đến các linh kiện và bảng mạch lân cận. Do đó, hãy đảm bảo khoảng cách từ thân điện trở đến các linh kiện nhạy nhiệt lân cận là đủ.

Hình 3. Biểu đồ nhiệt độ bề mặt điện trở:  Thsp = Nhiệt độ điểm nóng. Ta = nhiệt độ môi trường.

Hằng số thời gian nhiệt, τ_w

Hình 4. Hằng số thời gian nhiệt của điện trở, τw.

Hằng số thời gian nhiệt, τ_w , được định nghĩa là thời gian làm nóng để bề mặt điện trở đạt 63% hoặc lý thuyết (1-1/e) nhiệt độ cuối cùng sau khi tải trọng tác dụng tăng dần theo từng bước, thường là P R (Hình 4). Tất nhiên, hằng số thời gian phụ thuộc rất nhiều vào kích thước thân điện trở. Việc làm nóng một thân điện trở nhỏ sẽ nhanh hơn một thân điện trở lớn. Bảng 1 nêu các giá trị tiêu chuẩn cho một số kích thước được phân loại theo DIN.

Kích thước DIN020402070414Hằng số thời gian nhiệt, τw   (s)2520Độ bền nhiệt, R th (K/W)400250170

Bảng 1. Ví dụ về hằng số thời gian nhiệt điện trở trên các thành phần hình trụ có chì

Khả năng chịu nhiệt, R_th

Điện trở nhiệt, R_th, được biểu thị bằng K/W. Nó mô tả sự tăng nhiệt độ của thân điện trở dưới tác dụng của tải. Vì bức xạ làm cho đường cong nhiệt độ hướng xuống khi tải tăng, dữ liệu về R_th liên quan đến lắp đặt chuẩn hóa và tải P_R. (Xem DIN 44 050). Như thể hiện trong Hình 5, quá tải công suất làm giảm R_th .

Hình 5. Điện trở nhiệt khi quá tải P s và ở công suất định mức P R .

Trong Phương trình [3] bên dưới, mối liên hệ giữa R_th và nhiệt độ hiện tại được mô tả. R_th được biểu thị bằng K/W, nhưng do phương trình này đề cập đến sự chênh lệch giữa hai nhiệt độ nên việc sử dụng °C hay K cho cả hai giá trị đều không quan trọng. Sự chênh lệch sẽ lớn như nhau. K 2 - K 1 = [(°C 2 +273) – (°C 1 +273)] = °C 2 - °C 1 .

phương trình điện trở nhiệt [3]

T hsp = Nhiệt độ điểm nóng tính bằng K hoặc °C

T a = nhiệt độ môi trường xung quanh tính bằng K hoặc °C.

P = tải trọng tác dụng, W.

Trong Bảng 1. có một số ví dụ về khả năng chịu nhiệt của kích thước DIN tiêu chuẩn.

Hệ số nhiệt độ của điện trở, TCR

Hệ số nhiệt độ của điện trở, TCR, được biểu thị bằng ppm/°C.

hệ số nhiệt độ của phương trình điện trở [4]

Để làm rõ hơn, TC thường được viết là TCR, tức là Hệ số nhiệt độ điện trở.

Giới hạn thông số kỹ thuật và những thay đổi thực tế có thể trông giống như hình sau, trong đó họ các thành phần được hiển thị.

Hình 6. Ví dụ về hệ số nhiệt độ xác định của giới hạn TCR điện trở và hồ sơ thực tế.

Sự tăng nhiệt độ và sự nóng lên của điện trở

Điện trở là một linh kiện chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng. Nó luôn sinh nhiệt khi điện năng được tiêu thụ và nhiệt độ tăng theo công suất tiêu thụ. Để kiểm soát sự tăng nhiệt độ của điện trở, nhiệt sinh ra cần được tản nhiệt hiệu quả. Đối với điện trở chip, phần lớn nhiệt sinh ra được dẫn từ điện cực đến lá đồng trên PCB, và cuối cùng được tản ra không khí hoặc khung máy. Như hình ảnh bên dưới, việc mở rộng lá đồng tại vị trí điện trở được kết nối hoặc mở rộng lá đồng tại vị trí điện trở được kết nối sẽ giúp tản nhiệt tốt và kiểm soát sự tăng nhiệt độ.

Hình 7. Tản nhiệt điện trở chip

Nhiệt độ tăng của điện trở cũng được kiểm soát bằng cách cải thiện độ dẫn nhiệt của PCB; bằng mẫu lá đồng dày, tạo thành mẫu rắn ở mặt sau của PCB hoặc mẫu rắn bên trong lớp nếu đó là chất nền nhiều lớp. Điện trở chip phẳng loại đầu cuối rộng (hình học đảo ngược) có đặc tính bức xạ nhiệt tuyệt vời và hoạt động ở công suất cao. Ví dụ về điện trở chip phẳng đầu cuối rộng được hiển thị bên dưới. Việc tạo các điện cực trên các cạnh dài của loại điện trở này, rút ngắn khoảng cách giữa điểm sinh nhiệt và điện cực, cho phép dẫn nhiều nhiệt đến PCB bằng các điện cực lớn, dẫn đến cải thiện bức xạ nhiệt của điện trở. Công suất định mức được cải thiện nhiều hơn so với điện trở tiêu chuẩn có cùng kích thước.

Hình 8. Tản nhiệt chip điện trở đầu cuối rộng