Мощность и нагрев

Мощность

Мощность (power) — это работа за единицу времени, или энергия в секунду. Для электрической цепи она считается очень просто:

P = U · I

Единица — ватт (Вт): 1 Вт = 1 Дж/с. Если напряжение в вольтах, а ток в амперах, мощность получается в ваттах.

Подставив закон Ома, получаем ещё две формы, удобные для резисторов:

Известно	Формула
U и I	P = U · I
I и R	P = I² · R
U и R	P = U² / R

Пример: на резисторе 100 Ом — 5 В. P = 5² / 100 = 0,25 Вт.

Куда девается мощность

В резисторе вся электрическая мощность превращается в тепло. В светодиоде — в свет и тепло, в моторе — в механическую работу и тепло. Для конструктора плат главное: каждый ватт, рассеянный на плате, надо куда-то отвести. Иначе компонент перегреется.

Аналогия: мощность — это сколько воды в секунду падает с плотины, помноженное на высоту падения. И высота (напряжение), и расход (ток) одинаково важны.

Номинальная мощность резистора

У каждого резистора есть номинальная мощность (power rating) — сколько ватт он может рассеивать долго, не перегреваясь. Для SMD-резисторов она в первую очередь определяется размером корпуса:

Рис. 1.4. SMD-резисторы в масштабе (сверху — полоска 1 мм). Чем больше корпус, тем больше тепла он может рассеять. Код корпуса — дюймовый (0805 = 0,08×0,05 дюйма), в скобках — метрический код.

⚠️Внимание

Не работай на пределе. Номинальная мощность указана для температуры окружающей среды около 70 °C, а выше её допустимая мощность снижается (derating). Практическое правило: закладывай рабочую мощность не больше половины номинальной. Нужно 0,1 Вт — бери корпус на 0,25 Вт (1206), а не 0603 на 0,1 Вт.

Числа на рисунке — типовые для распространённых толстоплёночных резисторов (например, серии Yageo RC). Бывают серии повышенной мощности в тех же корпусах, поэтому для силовых цепей смотри даташит конкретной серии.

Пример расчёта

Светодиод с прямым напряжением 2 В нужно подключить к 12 В через резистор на ток 15 мА.

1. Напряжение на резисторе: 12 − 2 = 10 В.
2. Сопротивление: R = 10 В / 15 мА ≈ 667 Ом → ближайший стандартный номинал 680 Ом (ток будет ≈ 14,7 мА).
3. Мощность на резисторе: P = 10 В · 0,0147 А ≈ 0,147 Вт.
4. Выбор корпуса: 0805 (1/8 Вт = 0,125 Вт) не годится. 1206 (0,25 Вт) — на пределе правила половины. Надёжнее взять два резистора по 330 Ом последовательно в 1206 или корпус 2010.

Обрати внимание: светодиод получает 2 В · 15 мА = 0,03 Вт, а резистор греется впятеро сильнее. При высоком напряжении питания основная мощность уходит в резистор. Позже это станет аргументом за питание светодиодов от низкого напряжения или от источника тока (урок 1.6).

Проверь шаг 3 калькулятором: выбери «ток», введи 10 В и 680 Ом — в правом поле появится мощность.

Калькулятор закона Ома

Найти:напряжение Uток Iсопротивление R

Напряжение U, ВТок I, А20m = 20 мАСопротивление R, Ом4,7к или 4k7 = 4700 Ом

Результат

—

Мощность P = U·I

—

🛠Особенность Altium

В Altium мощность резистора — просто параметр компонента (например, Power = 0.125W), САПР её не проверяет. Следить за запасом по мощности — твоя работа. Удобно сразу брать компоненты с заполненными параметрами из панели Components (урок 7.2).

Практика

1. Через резистор 47 Ом течёт 100 мА. Какая мощность? Какой корпус выберешь? (0,47 Вт; ни один из стандартных SMD-корпусов на рисунке не подойдёт — нужен мощный корпус, например 2512 на 1 Вт, или выводной резистор на 1 Вт.)
2. Резистор 0603 на 1/10 Вт стоит в цепи 5 В. Какое минимальное сопротивление можно поставить по правилу половины? (P ≤ 0,05 Вт → R ≥ U²/P = 25 / 0,05 = 500 Ом → берём 510 Ом.)

🧯 Типичные ошибки

Резистор потемнел или отпаялся, хотя по закону Ома всё верно

Почему Ток и сопротивление посчитаны, а мощность — нет. Корпус не рассеивает выделяющееся тепло.

Как исправить После каждого расчёта резистора считай P и сравнивай с номинальной мощностью, держа запас ×2.

P = U² / R посчитали с напряжением питания вместо напряжения на резисторе

Почему В формулу подставляется напряжение именно на этом резисторе, а не на всей схеме.

Как исправить Сначала найди падение на резисторе (Uпит − U на остальных элементах), потом считай мощность.

Выбрали самый маленький корпус «чтобы плата была компактной»

Почему Корпус 0402 рассеивает 1/16 Вт и неудобен для ручной пайки.

Как исправить Для первых плат бери 0805 или 1206: их легко паять, и запас по мощности больше.

Проверь себя

1. 1. Какую мощность рассеивает резистор 1 кОм при токе 10 мА?

   10 мВт100 мВт1 Вт10 Вт
2. 2. Напряжение на резисторе выросло в 2 раза, сопротивление то же. Во сколько раз выросла мощность?

   В 2 разаВ 4 разаНе изменилась
3. 3. Рабочая мощность резистора 0,1 Вт. Какой корпус выбрать по правилу «не больше половины номинала»?

   0402 (1/16 Вт)0603 (1/10 Вт)0805 (1/8 Вт)1206 (1/4 Вт)

🎯Практическое задание~15 мин

Возьми зарядку телефона из задания урока 1.1. Посчитай максимальную мощность по её наклейке (например, 5 В × 2 А = 10 Вт). Потом прикинь, сколько резисторов 1206 по 0,25 Вт понадобилось бы, чтобы безопасно «съесть» эту мощность, если работать на половине номинала. (Для 10 Вт — 80 штук. Вот почему мощные нагрузки делают не на чип-резисторах.)