保護抵抗の故障について

質問

保護抵抗について質問です。
＋１２V部分に電流制限用の保護抵抗とパスコンが付いています。
保護抵抗は２０オームの汎用チップ抵抗、コンデンサは３μの電解コンデンサです。
たまに、保護抵抗が焼損することがあり、困っています。
抵抗の定格電力は０．２５W、最高使用電圧は１５０Vです。
電流を調べてみると、定常状態では５０ｍA程度です。
しかし、電源投入時は１Aの電流が１ｍsec流れます。
おそらくパスコンによる突入電流だと思われます。
しかし、どちらも抵抗を焼損させるほどの値ではないような気がするのですが、どうなのでしょうか？

訂正です。
当初、電源投入時の過電流はコンデンサによる突入電流だと思ったのですが、
よく調べてみると、＋１２V自体が電源投入時に変動しており、それが原因だということがわかりました。

あと、ちなみに負荷はプリント基板で、オペアンプが20個ほど載っています。

回答No.4

noname#230359 · ベストアンサー

「5秒以上印加したときに耐えうる電圧」とは　その電圧までの耐圧があり使えますよという電圧です。今回は１２Ｖ系であり、そのような高電圧はかからないのですから切り離して考えるのが普通です。

焼損の不具合を考える場合には電圧だけでなく全体で考えます。
今回０．２５Ｗの抵抗　にかかる電力を確認するのは　
現在その抵抗に加わる　最大の電圧　ｘ　最大の電流　です。
抵抗が焼ける条件は電力オーバーによる焼損ですから、この計算の結果が
抵抗の耐電力の最大値を超えれば焼損してしまいます。

電力としては　1Aが流れれば　plusさんが計算された　約７Wです。
計算式は　電流の２乗ｘ抵抗値　または　電流ｘ電圧　です。
今回は電流と抵抗値はわかっているわけですから前者の式を使います。

0.25W（電力軽減の温度条件はデータシートに書かれていると思います）
の余裕が最大ですから　そこに1mSでも７Ｗもかかかっては抵抗はたまりま
せん。　１度では焼損しなくても繰り返しがあったりすると焼損します。
また、突入電流の場合は１ｍＳ固定ではなく意外に曖昧な数値だと思いますので、さらに長い時間大きな電流が流れるケースもあるかも知れません。　
２０Ωの抵抗の両端の電圧をオシロスコープで計測してその電圧最大値から電流を計算してみると良いです。

先に書いたように大きさは変えられないでしょうから（チップ抵抗だから基板を変更しないと。。）抵抗の大きさを変えないで（Ｗ数を上げないで）
さらに、基板のパターンを変更しないで　現在の基板のＳＭＴパッドに取り付けができる現行サイズの抵抗で　電流に合った、突入でも焼損しない　抵抗値だけを最適化するには以下のような順番で考えてみると良いと思います。

１.突入電流の時間軸の解析　をして　最大電流値で抵抗値を決定する
２.その電流を流したときに耐えられるＷ数の抵抗を用いる
３.Ｗ数を上げると大きすぎる場合には抵抗値を下げる
　（抵抗値を下げるとＷ数を下げられる）
４．１から再確認を行う。　問題なければその抵抗を適用

抵抗をヒューズ代わりに使う場合は　一般にはヒューズを入れるまでもない場合や　ヒューズよりも安価な抵抗をユニットごとに付けることでコストダウンをする場合です。
その場合、価格的には安くできても、環境条件や使用条件、部品の軽微な劣化ですぐに切れては困ります。切れるとヒューズ抵抗を一般にはユーザーは交換できないのですから修理になってしまいます。（ユーザーも製造者側も困る）

ヒューズ抵抗を使う場合には、かなり余裕を持った電力設定として　
「回路が故障してほぼショート状態のとき電流の供給を遮断する」というように通常の使用ではあり得ない故障の場合にだけ切れるようにするのが、本来の使い方だと思います。　
あくまでも　非常時のヒューズ代わりなのですから、いつもの使用では、電源オン時のサージ電流であっても、電力オーバーしないようにします。

ヒューズの場合は　速断　通常　遅延　などの種類のヒューズがありますが　
本来は抵抗なのですから焼損する条件は曖昧です。
設計をする方なら曖昧さを見越した妥協点を計算で決定するしかありません。
この曖昧さがいやな場合は通常のヒューズを使うとか半導体による電流保護回路を入れるべきです。

修理されているのか、設計をされていて試作時に問題になっているのかわかりませんが。　設計をする側として書いてみました。
参考になれば幸いです。

お礼

早速の回答ありがとうございます。
非常に参考になりました。

まさしく、私が悩んでいた内容であり、たいへん助かりました。
ヒューズ抵抗＆電源オン時サージ電流の低減を検討しようと思います。

回答No.5

noname#230359

解決しそうで良かったですね。

すみません。　
一部記載ミスしましたので訂正します。

1.電流値修正（誤:1A　正:0.6A)
電力としては　0.6A が流れれば　plusさんが計算された　約７Wです。
計算式は　電流の２乗ｘ抵抗値　または　電流ｘ電圧　です。

2.文字修正 （誤:本来　正:今回）
ヒューズの場合は　速断　通常　遅延　などの種類のヒューズがあり
ますが今回は抵抗なのですから焼損する条件は曖昧です。

回答No.3

noname#230359

疑問点と補足のお願いですが
・負荷は何でしょうか？
・電流制限用とありますが突入電流の制限？
・電源投入時に1Aとありますが、これが正しいとしたら
　電源は、平滑されたDC12Vでは無いようですが？
・上記条件次第で、定常時にも突入電流とまではいかなくても
　それに近い電流が流れている可能性があるのでは？

もし、完全なDC12Vであるなら投入時の電圧も12Vですから
突入電流の最大値は 12V÷20Ω＝0.6A となります。
従って、20Ωが絶対に必要な値でしたら7Wを超える抵抗であれば
焼けることはありません。（実際はもっと小さくても・・・）

また、抵抗の突入電流に対する耐性？も確認の必要がありそうですね。

回答No.2

noname#230359

そもそも抵抗は何を保護しているのでしょうか？

短絡保護ならば、短絡時に抵抗の定格が保てるように設計しなければなりません。
ヒューズ抵抗でもないようですし、焼損で回路を保護するなんて考え方は
よくないように思います（そうですよね？）
おそらく負荷を保護しようとする考え方だと思いますが、
Qさんの言われるように、1msでも　１Aが流れては
抵抗が焼損しても仕方ないように思います。

あと、別の視点で、
１Aが1msec　流れるということは、1ミリクーロンの電荷が流れています。
Q=CV　の式（調べてみてください）から、3uFの12Vでは
0.036ミリクーロンの電荷移動のはずです。
桁が違うので、　負荷側の突入電流と考えられます。

追記します（間違っていたら無視してください）

　電圧と電流値より、車などにLEDをつけているのですか？
　ならば、ケーブルの充電電流による突入電流、オルタネーターによる
　突入電流、逆起電力、など過電流の要因がたくさんあります。

　オルタネーターでは100Vを超えるパルスも発生します。
　（新型車種では27Vにクランプされますが）

　もし上記の系ならば、定電流素子を使うことをお勧めします。

回答No.1

noname#230359

初めまして

>おそらくパスコンによる突入電流だと思われます。
>しかし、どちらも抵抗を焼損させるほどの値ではないような気がするので
>すが、どうなのでしょうか？
突入時にコンデンサがショートに近い状態と考えると抵抗値が大すぎます。
１ｍｓでもかなりの電力が抵抗にかかってしまいます。
電荷が完全に抜けている場合の起動などでは０．２５Ｗでは切れます。

電解コンデンサの容量はノイズ除去やデカップリングの問題から下げられないでしょうから　対策は　抵抗値を下げるか　電力を大きくするかです。

基板のパターンの関係もあるでしょうから　抵抗が何Ｗで焼損してくれるかを考えて　抵抗値を下げることをするしかありません。

＋１２Ｖラインがどれくらいの抵抗値でＧＮＤと短絡されたとき（電流が流れたとき）飛ばすのかが判りませんので決めてご自分で判断してみてください。
一般にヒューズ抵抗を使う場合は短絡で飛ばしたい場合が多いですから　大きくても１０Ω程度　もっと電流を流す余裕が欲しい場合には　1Ω や 0.47Ωを設定する場合が多いです。

補足

回答ありがとうございます。

そこで、さらに質問ですが、
メーカーのホームページを見ると、最大過負荷電圧は１５０Vとなっており
その規定は、「5秒以上印加したときに耐えうる電圧」と記載してあります。
このことだけを考えると、1Aが１msec流れただけでは、故障しないような気がするのですが、私の認識不足なのでしょうか。