¿Alta corriente o alto voltaje que daña los componentes?

Una respuesta general es que los componentes electrónicos/eléctricos se dañan cuando se exceden sus valores nominales eléctricos. Una corriente excesiva da como resultado un calor excesivo que destruirá tanto los componentes pasivos como los activos. Algunos componentes pasivos, como los condensadores, tienen una clasificación de voltaje máximo que, si se excede, puede provocar una falla del dieléctrico (aislante), lo que genera una corriente excesiva y, en última instancia, humo. En general, exceder los valores nominales de voltaje de los componentes pasivos provoca fallas en el aislamiento. Con componentes activos, un voltaje excesivo provocará una ruptura de las uniones internas del diodo, transistor, etc., lo que también permitirá una corriente excesiva, calor y algo de humo. Sin embargo, en estos casos la corriente será un poco más baja que cuando los dispositivos pasivos se sobrecalientan. Mi experiencia es que incluso una pequeña chispa en los cables de un transistor destruirá el componente. La condición de sobretensión rompe la unión del semiconductor y no se cura. La parte ahora es solo un bulto.

Cosas como las resistencias fallarán debido a la disipación excesiva de energía: 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 fuera de especificación 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 bajo voltaje, por lo general, la clasificación de voltaje no es un problema, pero si tomara (digamos) una resistencia ordinaria 0805 20M y le aplicara 2kV, la potencia sería (en teoría) de solo 200 mW (que podría estar dentro de las especificaciones o ligeramente). fuera de él), pero la resistencia podría formar un arco y causar daños irreversibles casi al instante. Del mismo modo, puede tener arcos entre trazas.

Cosas como los condensadores y el óxido de puerta MOSFET pueden fallar cuando se exponen a un potencial excesivo que causa daños irreversibles en el aislamiento. Habrá un calentamiento muy localizado (o más dependiendo de lo que suceda después de perforar el aislamiento), pero esa no es la causa principal.

Cosas como las uniones de diodos y transistores tienen voltajes de ruptura por encima de los cuales la corriente aumenta rápidamente con el voltaje (a veces se activan 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), entonces esto puede no ser destructivo. De lo contrario, las uniones pueden calentarse hasta que ya no sean buenas uniones de semiconductores (en los cientos de grados C para destruir una unión de silicio).

Volviendo a su pregunta específica sobre las resistencias: es probable que ninguno de los voltajes que menciona se encuentre con una especificación de voltaje máximo en las resistencias (cualquier cosa por debajo de 25 V puede olvidarse de las resistencias que no son un peligro de inhalación).

Así que te queda la máxima disipación de potencia (y tal vez la máxima corriente si el valor de la resistencia es estúpidamente bajo, pero ignoremos eso). Aquí hay una hoja de datos para una serie de resistencias, digamos que tenemos un 10$\Omega$Tamaño de la resistencia 0805. La potencia nominal se muestra como 0,125 W y el voltaje máximo de trabajo como 150 V. Si observa la "Curva de reducción de potencia":

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

Recuerde que la disipación de potencia de una resistencia es

(ya que el poder es

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

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

El tercer ejemplo también da como resultado 40W de disipación. Entonces, si la resistencia es buena para 40W, está bien.

Un voltaje demasiado alto tiende a causar una falla catastrófica de un transistor. Una vez que aplica estrés de sobretensión y el transistor se rompe, el pin mostrará un cortocircuito (generalmente a tierra). Si lo detecta 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 el dado.

Por supuesto, después de que un pin falla, si la corriente no está limitada, el componente probablemente se calentará y carbonizará y mostrará signos más evidentes 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 similares están protegidos contra sobrecorriente. Pero he visto diodos Zener tipo ESD que fuman después de una exposición sostenida a alta corriente.

Esto también podría suceder con un transistor que está disipando más potencia de la que está clasificado. 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 al exceso de calor. Si está hablando de una carga puramente resistiva, como una bombilla, esto es bastante obvio. Exceda las clasificaciones de voltaje y corriente, y la bombilla se quema muy rápidamente. En este caso, no se 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 potencia.

Cosas como diodos y transistores generalmente también fallan debido a 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 pasar la corriente. La corriente que fluye a través del diodo multiplicada por la caída de voltaje a través del diodo es igual a la potencia disipada en el diodo. Los diodos pueden romperse 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, puede vaporizarse y obtienes un buen 'bang'. Lo mismo sucede con los transistores.

La ruptura dieléctrica es algo similar. Los cables, conectores, puertas de transistores MOSFET, etc. pueden dañarse por ruptura dieléctrica. Cuando el voltaje a través de un aislador es demasiado alto, es posible que el aislador deje de aislar y, en cambio, 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, lo que puede causar calentamiento, picaduras, etc.

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

Una cosa que debo tener en cuenta: las clasificaciones de potencia generalmente están relacionadas con las clasificaciones de temperatura de funcionamiento. Entonces, la potencia máxima estará determinada por la capacidad del dispositivo para disipar esa potencia mientras permanece por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento. Es posible exceder las potencias nominales para ciertos componentes bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, una resistencia de 5 W en realidad podría disipar 100 W, siempre y cuando solo lo haga en un ciclo de trabajo del 5 % con un tiempo de activación lo suficientemente corto como para que la resistencia no se caliente lo suficiente como para causar daños (es decir, 100 W durante 10 s probablemente lo causaría). fallar, pero 100 W por 10 us probablemente estaría bien). También puede ser posible disipar 100 W en una resistencia de 5 W continuamente 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 operativo (es decir,

Las resistencias se clasifican según la cantidad de energía que pueden disipar sin dañarse.

La potencia para un circuito puramente inestable es:

P = V * yo

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

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

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

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