Rezystancja złącza elektrycznego i jej wpływ na projekt obwodu

© Arrow Electrnics

Nieomal każdy system  wykorzystuje jakiegoś rodzaju złącza: mogą to być tylko złącza wewnętrzne, mogą łączyć jedną płytkę z drugą, dodawać anteny do komunikacji lub udostępniać nam zewnętrzne wejścia i wyjścia zasilania czy sygnału. Jedyną rzeczą, która łączy się nieodzownie z każdym złączem, jest dodatkowy opór w naszym łańcuchu sygnałowym. Opór, w zależności od złącza, może mieć pozytywny lub negatywny wpływ na to, co chcemy osiągnąć.

W łańcuchu sygnałowym istnieje wiele różnych źródeł oporu. Ścieżki PCB, bez względu na to, jak duże i z jakiego materiału, wprowadzają mierzalną rezystancję do obwodu. Nawet kiedy mówimy o elementach obwodu jako ‘idealnych’, prawda jest taka, że każdy z nich reprezentuje pewną rezystancję. Czasami jest to działanie celowe, aby przykładowo pomóc w tworzeniu filtrów lub dopasowaniu impedancji anten. Przewody między elementami obwodu przypominają ścieżki PCB i stanowią kolejne źródło rezystancji. I w końcu samo złącze, o którym zwykle myślimy tylko w kategoriach przepływu mocy lub danych, a powinniśmy też brać pod uwagę ich wpływ na rezystancję obwodu.

Efekty oporności elektrycznej

Co się dzieje, gdy w naszych punktach połączeń pojawia się rezystancja? Prawdopodobnie pierwszym zauważalnym efektem będzie spadek napięcia. Jak w przypadku każdego rezystora w systemie, na wyjściu mamy różnicę napięcia, w niektórych przypadkach wynoszącą nawet 2/10 wolta, co przy projektowaniu obwodu może mieć już ogromne znaczenie. Jeśli pracuje się na układach niskonapięciowych, takich jak FPGA czy mikroprocesor, które wykorzystują bardzo wysokie prądy i działają przy napięciu 3,3 V lub mniejszym, 2/10 wolta jest już czymś, na co naprawdę trzeba zwrócić uwagę. W złączach wysokiego napięcia, powiedzmy 600 V, 2/10 wolta prawdopodobnie zostanie utracone w efekcie tętnienia napięcia.

Utrata mocy spowodowana oporem

Następnym niezbędnym do uwzględnienia elementem jest utrata ciepła lub mocy w efekcie przejścia prądu przez element rezystancyjny: im bardziej rezystancyjny jest dany element, tym więcej energii zostanie utracone. Jednym z negatywnych skutków jest spadek wydajności całego systemu – utrata mocy na złączu może sięgać 1/10 procenta, a podczas pracy nad systemem, w którym nacisk położony jest na najwyższą możliwą wydajność, jedna dziesiąta procenta to już całkiem sporo. Innym wpływem tej utraty mocy na złączu jest wytwarzanie ciepła, w wyniku którego nagrzewa się samo złącze. Złącza mają tendencję do pogarszania się parametrów wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że ​​​​stabilność systemu może być zagrożona przez nadmierną temperaturę złącza.

Pozytywne efekty oporu elektrycznego  

Poza opisanymi wyżej minusami, istnieje też kilka obszarów, w których kontrolowana rezystancja złącza jest pożądana. Pierwszymi przykładami, które przychodzą na myśl, są dopasowanie anteny i wyjście audio. W złączach RF pożądane jest, aby impedancja wyjściowa nadajnika była jak najdokładniej dopasowana do impedancji anteny, co zapewnia jej maksymalną moc wyjściową. Wiele razy systemy RF są oparte na specyfikacji 50 omów. W przypadku wyjścia audio, idealne ustawienie impedancji to takie, w którym impedancja wzmacniacza jest mniejsza niż impedancja głośnika, tak więc złącza muszą mieć niską rezystancję, aby nie wpływać na tę relację.

Eksperyment oporności elektrycznej

Po teoretycznym przyjrzeniu się wpływowi rezystancji złącza na obwód, można zbadać wybrane ich rodzaje i zobaczyć, jak się zachowują. Zebrano dane dotyczące kilku złączy Molex, głównie z rodziny złączy zasilających, takich jak seria EXTreme, Sabre i Mini-Fit. Złącza te mają rezystancje w zakresie od bardzo niskich 0,15 miliomów (seria Zpower), do 20 miliomów w stykach sygnałowych PowerPlus oraz obsługują napięcia i prądy odpowiednio do 600 V i 50 A. Przed eksperymentem spodziewano się występowania prostej zależności zmniejszania się oporu wraz ze wzrostem mocy, jednak nic takiego się nie stało.  Molex poszedł dalej niż tylko zmniejszenie oporu, spoglądając bardziej holistycznie na aplikacje, do których przeznaczone są złącza i dostosowując je do konkretnych potrzeb.

© Arrow Electronics

W zależności od aplikacji, nie tylko rezystancja złącza jest czynnikiem decydującym o wyborze, ale również trwałość, liczbę cykli łączenia, materiały i koszty. Generalnie, jako że wraz ze wzrostem poziomu mocy rezystancja maleje, jednak w przypadku złącz zasilających podejmowane są generalne wysiłki, aby utrzymać rezystancję na niskim poziomie. Opór ma wpływ na projekt całego obwodu, wpływając na dopasowanie impedancji i powinien być brany pod uwagę podczas podejmowania decyzji dotyczących doboru komponentów.

Artykuł opublikowano dzięki upzejmości firmy © Arrow Electronics

Autor: Nick Powers