Cose come le resistenze falliscono a causa di un'eccessiva dissipazione di potenza: diventano troppo calde e i materiali con cui sono realizzati subiscono un degrado irreversibile. Ad esempio, la lacca all'esterno di un resistore a foro passante può scolorirsi o bruciarsi, il valore della resistenza cambia quando l'elemento si ossida finché alla fine non cambia rispetto alle specifiche o si apre e inizia ad archi. I cavi e le tracce PCB si comportano come resistori: troppa corrente e l'isolamento si brucia, il PCB si delamina o la traccia si apre.

Nei circuiti a bassa tensione di solito la tensione nominale non è un problema, ma se si dovesse prendere (diciamo) un normale resistore 0805 da 20 M e applicarvi 2kV la potenza sarebbe (in teoria) solo 200 mW ( che potrebbe essere nelle specifiche o leggermente al di fuori di essa) ma il resistore potrebbe surriscaldarsi e causare danni irreversibili quasi istantaneamente. Allo stesso modo, puoi avere un arco tra le tracce.

Cose come i condensatori e l'ossido di gate MOSFET possono guastarsi quando sono esposti a un potenziale eccessivo che causa danni irreversibili all'isolamento. Ci sarà un riscaldamento molto localizzato (o più a seconda di cosa succede dopo che l'isolamento è stato perforato) ma non è questa la causa principale.

Cose come giunzioni di diodi e transistor hanno tensioni di rottura al di sopra delle quali la corrente aumenta rapidamente con la tensione (a volte si innestano con una caratteristica di resistenza valanga / negativa). Se la corrente è limitata a una quantità ragionevole di riscaldamento (e non aumenta troppo velocemente in modo che il riscaldamento non sia localizzato in aree minuscole), questo può essere non distruttivo. Altrimenti le giunzioni possono riscaldarsi fino a quando non sono più giunzioni a semiconduttore più buone (nelle centinaia di gradi C per distruggere una giunzione di silicio).

Tornando alla tua domanda specifica sui resistori: nessuna delle tensioni che hai menzionato è probabile che incorra in una specifica di tensione massima sui resistori (qualsiasi cosa al di sotto di circa 25 V che puoi dimenticare per i resistori che non sono un pericolo di inalazione).

Quindi ti rimane la massima dissipazione di potenza (e forse la massima corrente se il valore della resistenza è stupidamente basso, ma ignoriamolo). Ecco una scheda tecnica per una serie di resistori, supponiamo di avere un resistore da 10 \ $ \ Omega \ $ di dimensione 0805. La potenza nominale è indicata come 0,125 W e la tensione di lavoro massima come 150 V. Se guardi la "curva di declassamento di potenza":

.. puoi vedere che la potenza nominale vale per temperature ambiente fino a 70 ° C, ma al di sopra di questo bisogna considerare il rating inferiore, secondo la curva. Perché si livella a 70 gradi? Molto probabilmente il resistore sopravviverebbe bene a> 100% di potenza se l'ambiente fosse mantenuto fresco, ma il produttore non vuole che lo testiamo.

Ricorda che la dissipazione di potenza di un resistore è $$ P = I ^ 2R $$ o $$ P = V ^ 2 / R $$

(poiché la potenza è $$ V \ cdot I $$ e la legge di Ohm).

Nel tuo primo esempio, la resistenza è fissa e raddoppi la tensione, quindi la potenza dovrebbe aumentare di 4: 1. (da 20 W a 80 W) Se il resistore è valutato per 80 W o più (nelle condizioni che vede nella confezione), tutto andrà bene. Altrimenti, potrebbe non esserlo. Il danno è causato dal riscaldamento, che è il prodotto di tensione e corrente (ovviamente la corrente aumenta perché aumenta la tensione).

Nel tuo secondo esempio, hai raddoppiato la resistenza e la potenza ora è 40 W anziché 20 W. Se il resistore è valutato per 40 W, tutto andrà bene.

Anche il terzo esempio si traduce in 40 W di dissipazione. Quindi se il resistore è buono per 40W stai bene.

Una risposta generale è che i componenti elettronici / elettrici vengono danneggiati quando vengono superati i valori nominali elettrici. Una corrente eccessiva si traduce in un calore eccessivo che distruggerà i componenti sia passivi che attivi. Alcuni componenti passivi, come i condensatori, hanno una tensione nominale massima, che se superata può causare un guasto del dielettrico (isolante) con conseguente eccessiva corrente e infine fumo. In generale, il superamento della tensione nominale dei componenti passivi causa un guasto dell'isolamento. Con componenti attivi, una tensione eccessiva provocherà una rottura delle giunzioni interne del diodo, transistor, ecc, che consentirà anche una corrente eccessiva, calore e un po 'di fumo. Tuttavia, in questi casi la corrente sarà leggermente inferiore rispetto a quando i dispositivi passivi sono surriscaldati. La mia esperienza è che anche una piccola scintilla sui cavi dei transistor distruggerà il componente. La condizione di sovratensione rompe la giunzione del semiconduttore e non guarisce. La parte ora è solo un grumo.

Una tensione troppo alta tende a causare un guasto catastrofico di un transistor. Una volta applicato lo stress da sovratensione e il transistor si rompe, il pin mostrerà un cortocircuito (di solito a massa). Se si rileva o si limita in qualche modo la corrente di guasto, questo tipo di guasto non sarà visibile al di fuori dell'IC. Potrebbe essere visibile al microscopio dopo aver esposto lo stampo.

Ovviamente, dopo che un perno si guasta, se la corrente non è limitata, il componente probabilmente diventerà piuttosto caldo e carbonizzato e mostrerà segni più evidenti di distruzione .

Se permetti a troppa corrente di passare attraverso un circuito integrato, di solito vedrai del fumo ad un certo punto. Ad essere onesti, non ho avuto problemi con questo molto spesso. Molti regolatori e simili sono protetti dalla sovracorrente. Ma ho visto diodi Zener di tipo ESD fumare dopo un'esposizione prolungata a correnti elevate.

Ciò potrebbe accadere anche con un transistor che dissipa più potenza di quella per cui è classificato. Ma, come ho detto, in qualche modo non ho dovuto affrontarlo molto spesso.

Alla fine, la maggior parte delle cose fallisce a causa del troppo calore. Se stai parlando di un carico puramente resistivo, come una lampadina, questo è abbastanza ovvio. Supera i valori di tensione e corrente e la lampadina si brucia molto rapidamente. In questo caso, non è possibile separare troppa tensione da troppa corrente poiché la resistenza della lampadina è più o meno costante, quindi raddoppiare la tensione raddoppierà la corrente e quadruplicherà la potenza.

Anche cose come diodi e transistor generalmente falliscono per problemi legati al calore. Prendi un diodo e applica una tensione che supera la sua tensione di rottura inversa. Quando il diodo entra in un guasto inverso, lascerà passare la corrente. La corrente che fluisce attraverso il diodo moltiplicata per la caduta di tensione attraverso il diodo è uguale alla potenza dissipata nel diodo. I diodi possono rompersi a una tensione di poche centinaia di volt, quindi questo può scaricare calore nel diodo a una velocità di centinaia o migliaia di watt, riscaldando la giunzione nel diodo molto rapidamente e facendola sciogliere. Se si riscalda abbastanza velocemente, può vaporizzare e ottenere un bel "botto". La stessa cosa accade con i transistor.

La ripartizione dielettrica è in qualche modo simile. I cavi, i connettori, i gate dei transistor MOSFET, ecc. Possono essere danneggiati dalla rottura dielettrica. Quando la tensione attraverso un isolante diventa troppo alta, è possibile che l'isolante smetta di isolare e inizi invece a far passare un po 'di corrente. Questo flusso di corrente può causare danni. Se le tensioni sono sufficientemente elevate, la rottura dielettrica può provocare archi elettrici, che possono causare riscaldamento, vaiolatura, ecc.

In alcuni casi, è possibile avere problemi con una tensione troppo BASSA. Generalmente questo è un problema quando si dispone di un convertitore di commutazione step-up mal progettato, come un buck-boost o SEPIC, che cerca di aumentare la bassa tensione di ingresso e di conseguenza genera molto calore operando a una bassa efficienza.

Una cosa che dovrei notare: le potenze nominali sono generalmente correlate alle temperature di esercizio. La potenza massima sarà quindi determinata dalla capacità del dispositivo di dissipare tale potenza rimanendo al di sotto della temperatura massima di esercizio. È possibile superare le potenze nominali per determinati componenti in determinate condizioni. Ad esempio, un resistore da 5 W potrebbe effettivamente dissipare 100 W, a condizione che lo faccia solo con un ciclo di lavoro del 5% con un tempo sufficientemente breve che il resistore non si riscaldi abbastanza da causare danni (ad esempio, 100 W per 10 secondi probabilmente lo causerebbero fallire, ma 100W per 10us probabilmente andrebbe bene). Potrebbe anche essere possibile dissipare continuamente 100 W in un resistore da 5 W se è possibile costruire un sistema per estrarre il calore dal resistore abbastanza velocemente da mantenere la temperatura all'interno del resistore entro il suo intervallo di funzionamento (cioè immergerlo in azoto liquido).

i resistori sono classificati in base alla quantità di potenza che possono dissipare senza essere danneggiati.

La potenza per un circuito puramente restivo è:

P = V * I

1) La potenza dissipata iniziale è 20 W (10 V * 2 A), quindi passa a 80 W (20 V * 4 A)

2) Ora la potenza dissipata è 40 W (20 V * 2 A)

3) Ora la potenza dissipata è di 40 W (10 V * 4 A)

Il danno è causato dal fatto che il resistore dissipa più potenza di quella nominale, attraverso il calore.