Question:
Résistance du fil
The Pointer
2020-01-26 06:16:27 UTC
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J'étudie actuellement l'électronique pratique pour les inventeurs, quatrième édition, par Scherz et Monk. Chapitre 2.5.1 Comment la forme d'un chef d'orchestre affecte la résistance dit ce qui suit:

La résistance d'un fil conducteur d'un matériau donné varie avec sa forme. Doubler la longueur d'un fil double la résistance, permettant à la moitié du courant de circuler, en supposant des tensions appliquées similaires. Inversement, doubler la section transversale $ A $ a l'effet inverse: la résistance est coupée de moitié et deux fois plus de courant circulera, en supposant à nouveau des tensions appliquées similaires.

L'augmentation de la résistance avec la longueur peut s'expliquer par le fait que le long du fil, il y a plus d'ions de réseau et d'imperfections présents pour lesquels un champ appliqué (champ électrique déclenché par des électrons ajoutés pompés par la source) doit se pousser. Ce champ est moins efficace pour déplacer les électrons car à mesure que vous descendez la ligne, il y a plus d'électrons qui repoussent - il y a plus de collisions qui se produisent en moyenne.

La diminution de la résistance avec la section transversale peut être expliquée par le fait qu'un conducteur de plus grand volume (section transversale plus grande) peut supporter un flux de courant plus important. Si vous avez un fil fin passant \ $ 0.100 A \ $ et un fil épais passant \ $ 0.100 A \ $ span>, le fil le plus fin doit concentrer le \ $ 0.100 A \ $ à travers un petit volume, tandis que le fil épais peut distribuer ce courant sur un plus grand volume. Les électrons confinés dans un volume plus petit ont tendance à subir un plus grand nombre de collisions avec d'autres électrons, ions de réseau et imperfections qu'un fil de plus grand volume.

J'ai trouvé cela intéressant, car je n'ai jamais entendu parler de personnes prenant en compte la résistance du fil dans leurs calculs (comme ils le feraient pour une résistance, ou un autre composant) lors de projets électroniques;bien que, j'ai souvent entendu des gens discuter du fil gauge approprié à utiliser pour un projet, mais cela ne semble pas être une question de calcul de résistance, et c'est plus une question de considérations physiques (et non physiques).

Dans quelle mesure est-il courant de considérer la résistance d'un fil?La résistance d'un fil est-elle une considération importante lors de travaux électroniques?Cette résistance doit-elle être prise en compte dans les calculs, comme le feraient d'autres composants (comme les résistances)?

J'apprécierais beaucoup que les gens prennent le temps de clarifier cela.

Il est très souvent envisagé, en particulier dans les applications basse tension et haute puissance.La résistance est rarement un problème dans le câblage de tension secteur, car la capacité de transport de courant du fil est normalement plus limitative.La résistance pourrait être une considération dans les très longues distances de fil secteur (disons 30 mètres / 100 pieds ou plus).
_ "J'ai souvent entendu des gens discuter du calibre de fil approprié à utiliser pour un projet, mais cela ne semble pas être une question de calcul de résistance, et c'est davantage une question de considérations physiques (et non physiques)." _ -Que voulez-vous dire par des considérations physiques?
@marcelm Je voulais dire qu'ils ne semblent jamais considérer la physique du fil, mais plutôt se concentrer sur des choses comme la meilleure taille de fil pour leur maquette ou quelque chose comme ça.
@ThePointer À la distance de quelques planches à pain, la résistance d'un fil peut être approximée à zéro, donc la plupart des gens font juste cela
Le calibre du fil * est * la résistance, mesurée simplement par le diamètre du cuivre au lieu des ohms, de la même manière que la mesure de la pression de l'air en pouces de mercure.
@slebetman J'ajouterais "aux courants que les gens utilisent normalement sur les breadboards";)
«J'ai souvent entendu des gens discuter du calibre de fil approprié à utiliser pour un projet, mais cela ne semble pas être une question de calcul de résistance» - Oui, c'est le cas.La jauge appropriée à utiliser est celle qui limite la chute de tension à un niveau qui vous permet effectivement de réduire la résistance des fils dans le reste de vos calculs.Donc, vraiment, tout est question de résistance.
Neuf réponses:
#1
+59
比尔盖子
2020-01-26 14:21:59 UTC
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Parfois, un fil est négligeable en termes de résistance. D'autres fois, les impacts de la résistance d'un fil peuvent devenir importants. Je vais d'abord montrer la résistance d'un fil, et comment vous pouvez l'ignorer dans la plupart des cas, puis montrer des exemples lorsque son impact est significatif, et enfin quelques applications.

La résistance d'un fil

Idéalement, la formule de la résistance d'un conducteur est ...

$$ R = \ rho \ frac {L} {A} $$

Compte tenu de la section transversale (A), de la longueur (L) et de la résistivité ( \ $ \ rho \ $ ) du matériau. Pour le cuivre, \ $ \ rho = 1,68 \ times 10 ^ {- 8} \ Omega \ cdot \ text {m} \ $ à 20 ° C.

Pour les conducteurs cylindriques (comme un fil),

$$ R = \ rho \ frac {L} {\ pi r ^ 2} $$

Example: Quelle est la résistance de 5 cm de fil de cuivre AWG-30 (0,255 mm de diamètre)?

Réponse: Premièrement, le rayon d'un fil AWG-30 est \ $ 1,275 \ times 10 ^ {- 4} \ text {m} \ $ , trouvez la résistivité du cuivre d'un manuel, qui est \ $ 1,68 \ times 10 ^ {- 8} \ Omega \ cdot \ text {m} \ $ à 20 ° C . La formule donne \ $ R \ environ 0,0164 \ Omega \ $ .

Example: Quelle est la résistance de 5 cm de fil de cuivre AWG-24 (0,511 mm de diamètre)?

Réponse: \ $ R \ environ 0,004 \ Omega \ $ .

  • Remarque 1: Comme on le voit, la résistance d'un fil est plus faible lorsque le calibre du fil est plus épais. Plus précisément, lorsque le diamètre d'un fil cylindrique double, sa résistance diminue jusqu'à un quart du fil d'origine. Ainsi, le calibre du fil n'est pas seulement une indication de sa forme. C'est en effet une métrique de sa propriété électrique lorsque son matériau (presque toujours le cuivre) et sa longueur sont donnés.

  • Remarque 2: Un calcul quantitatif de la résistance du fil n'est pas toujours effectué. Parfois, des règles empiriques sont utilisées. Souvent, la seule considération est "si le fil est suffisamment épais", et non "combien de résistance / chute de tension / élévation de température ce fil a-t-il". Par contre, pour analyser un fil de manière quantitative, connaître son calibre est la première étape. Sans oublier que les fils sont vendus au calibre, donc les gens parlent plus souvent de "calibre de fil" (ou "largeur de trace" dans la conception de circuits imprimés) que de résistance de fil.

Sur un circuit imprimé, vous pouvez calculer la résistance des traces de la même manière à partir de l'épaisseur du cuivre et de la longueur d'une trace. La seule différence: les fils sont cylindriques, tandis que les traces sont rectangulaires.

Exemple : Quelle est la résistance d'une trace de 10 mil, 10 cm sur un circuit imprimé de 1 once?

Réponse: 1 mil est un millième de pouce (0,0254 mm). Une «carte de circuit imprimé de 1 oz» est une carte de circuit imprimé avec 1 once de cuivre par superficie d'un pied carré, soit une épaisseur de 1,37 mils. 10 mils correspondent à 0,254 mm, 1,37 mils à 0,0348 mm. Zone de coupe \ $ A = 2,54 \ fois 10 ^ {- 4} \ text {m} \ fois 0,348 \ fois 10 ^ {- 4} \ text {m} = 8,84 \ times 10 ^ {- 9} \ text {m} ^ 2 \ $ .

Ainsi, la résistance \ $ R = \ rho \ times \ frac {0.1 \ text {m}} {8,84 \ times 10 ^ {- 9} \ text {m} ^ 2} = 0,19 \ Omega \ $

Quand la résistance peut être ignorée

La plupart du temps, la résistance d'un fil est trop faible lorsque vous la comparez à la résistance d'autres composants et charges, elle est donc négligeable et souvent sans danger à ignorer. De plus, \ $ V = IR \ $ , plus le courant qu'une charge doit prendre est bas, plus sa résistance équivalente est élevée, donc vous ignorez également la résistance du fil si le courant livré par le fil est faible, car cela équivaut à connecter une petite résistance (un fil) à une grande résistance (un appareil qui prend du courant) - presque aucun effet.

Par exemple, connectez deux résistances de 1 000 Ω avec un fil de cuivre AWG-30 de 5 cm (un fil fin de 0,255 mm de diamètre). Si nous mesurons la résistance réelle entre deux résistances en utilisant un ohmmètre idéal avec des sondes idéales, quelle serait-elle?

Resistance of Two Resistors Connected by a Wire

Pour calculer son effet, utiliser la formule ci-dessus pour la résistance du fil cylindrique est souvent une perte de temps, sinon, nous pouvons rechercher la résistance du fil AWG-30 par unité de longueur à partir de un tableau d'ingénierie sur Wikipedia, il indique que la résistance est "338,6 mΩ / m". En d'autres termes, la résistance supplémentaire apportée par le fil est \ $ 0.3386 \ Omega \ times 0.05 \ text {m} = 0.01693 \ Omega \ $ . Idéalement, la résistance devrait être de 2000 Ω, mais en raison de l'existence d'un fil, la résistance mesurée est de 2000,01693 Ω, c'est moins de 10 parties par million de plus, presque indétectable.

  • Remarque 3: dans les applications de non-précision, un type couramment utilisé de résistance traversante est la résistance à film métallique, tolérance de 5%, avec un coefficient de température d'environ 50 à 100 ppm pour chaque augmentation de température de 1 ° C - l'erreur introduite par le moindre changement de température est toujours plus élevée que votre fil dans cet exemple.

  • Remarque 4: même pour le meilleur multimètre à usage général, comme un Fluke 87, la résolution maximale de la mesure de la résistance est de 0,1 Ω, donc même la mesure de la résistance de fil de 0,01693 Ω est difficile .

Un autre exemple est une carte de développement de microcontrôleur, qui peut nécessiter une alimentation 5 V CC et un courant de 50 mA en moyenne pour fonctionner. Si vous utilisez cinq mètres d'AWG-30 pour accrocher l'alimentation (électrode positive) et la terre (électrode négative), la résistance totale est \ $ 0,3386 \ Omega \ times 5 \ text {m } \ times 2 = 3,386 \ Omega \ $ . La chute de tension totale entre le fil d'alimentation de 5 mètres et le fil de terre de 5 mètres est \ $ 3,386 \ Omega \ times 0,05 \ text {A} = 0,1693 \ text {V} \ $ . La tension réelle fournie à la carte microcontrôleur est \ $ 5 \ text {V} - 0,1693 \ text {V} = 4,8307 \ text {V} \ $ , soit 96,6% de la tension d'origine.

  • Remarque 5: une tolérance de tension courante pour l'électronique numérique est de +/- 5%.

Si la source d'alimentation elle-même est sans erreur, la chute causée par le fil est toujours bien dans la limite. N'oubliez pas que j'ai utilisé un exemple extrême ici: 10 mètres de fils extrêmement longs et fins, ce qui n'est pas vraiment un scénario réaliste dans la plupart des expériences d'électronique.

Comme vous le voyez, lorsque vous utilisez des fils pour l'interconnexion, vous pouvez souvent ignorer la résistance du fil, et il est probable que vous ne verrez jamais une mention de la résistance du fil dans les schémas. Une situation similaire se produit lorsque vous connectez un câble via une prise, un connecteur ou une pince. Vous introduisez également une résistance de contact supplémentaire, mais elle est généralement insignifiante.

  • Remarque 6: Dans l'industrie, la résistance de contact autorisée introduite par un connecteur est souvent de 1 Ω. Pour un connecteur de haute qualité, une résistance de contact de 0,1 Ω est parfois spécifiée.

Quand la résistance du fil doit être prise en compte

Mais à mesure que le courant délivré à travers un fil augmente, jusqu'à un certain point, vous ne pouvez plus ignorer la résistance supplémentaire du fil. Encore une fois, en raison de la loi d'Ohm, cela se produit également lorsque le courant absolu est encore faible, mais que la résistance des autres composants électriques autour du fil a diminué - ce n'est que les deux faces d'une même pièce.

Une résistance de fil élevée a trois conséquences néfastes:

  1. La chute de tension \ $ V = IR \ $ sur le fil devient excessive et inacceptable, ce qui déplace la tension d'alimentation hors de la plage de spécification. L'appareil peut cesser de fonctionner.

  2. Lorsque la résistance des autres composants électriques est assez faible, la résistance supplémentaire du fil lui-même est tout simplement trop élevée pour être ignorée.

  3. Le fil chauffe par le courant en raison de sa résistance, et la "puissance de chauffage" est \ $ P = I ^ {2} R \ $ span >. Cela représente un gaspillage d'énergie. Si la résistance du fil par unité de longueur est trop élevée, le fil ne peut pas dissiper la chaleur assez rapidement. La température augmentera à un point où le fil deviendra trop chaud et fondra, créant un risque d'incendie.

Distribution d'alimentation CC basse tension

Un exemple courant est l'alimentation fournie par un port USB. La tension nominale de l'USB est de 5 V, régulée à +/- 5% comme d'habitude. L'USB 2.0 permet à un appareil «faible puissance» de consommer 100 mA, tandis qu'un appareil «haute puissance» peut recevoir 500 mA de courant. Si l'on utilise l'USB comme source d'alimentation pour un chargeur, l'exigence de courant est encore plus élevée, 2000 mA est typique de nos jours.

Disons que nous avons un câble USB de 1 mètre de qualité douteuse, qui utilise deux fils AWG-28 (0,361 mm de diamètre) pour l'alimentation et la terre. Sa résistance est de 0,42 Ω, en transportant 500 mA de courant, on perd 0,21 V à cause du câble. Pour compliquer la situation, parce que l'alimentation USB est régulée à +/- 5%, la tension la plus basse autorisée est en fait de 4,75 V, la tension reçue à l'autre extrémité du câble peut être aussi basse que 4,54 V - l'erreur est déjà bien supérieur à 5%.

Pour surmonter ce problème, la norme USB 2.0 dispose d'un budget de chute de tension supplémentaire pour les câbles.

  • La chute de tension maximale (pour les câbles détachables) entre la fiche série A et la fiche série B sur VBUS est de 125 mV (VBUSD).

  • La chute de tension maximale pour tous les câbles entre l'amont et l'aval sur GND est de 125 mV (VGNDD).

  • Les fonctions utilisant plusieurs unités de charge doivent fonctionner avec une tension d'entrée minimale de 4,75 V à l'extrémité du connecteur de leurs câbles en amont.

USB Voltage Drop Budget

- Révision 2.0 de la spécification Universal Serial Bus

En d'autres termes, pour tout périphérique haute puissance USB 2.0 conforme à la norme, le fabricant de ce périphérique USB doit soit expédier le produit avec un meilleur câble avec une chute de tension inférieure, soit concevoir l'appareil pour qu'il fonctionne jusqu'à 4,5 V par tous les moyens nécessaires.

Dans ce cas, notre appareil a fonctionné. Quelques jours plus tard, quelqu'un va trouver ce câble USB et le brancher sur un adaptateur mural USB pour charger le smartphone à 2000 mA. Désormais, la chute de tension à travers le câble sera de 0,84 V, avec seulement 4,16 V maximum disponibles pour le smartphone. Le câble ne fonctionnera pas du tout ou chargera le smartphone extrêmement lentement.

  • Remarque 7: Souvent, dans la pratique, certains chargeurs USB régulent intentionnellement l'USB à 5,25 V pour permettre plus de chute de tension sur les câbles, même si c'est strictement une violation de la norme USB.

Télédétection

La chute de câble est également un problème dans la conception du régulateur de tension. Bien qu'il soit facile d'utiliser une puce de régulateur réglable pour créer une alimentation et la réguler à +/- 2% ou même moins. Malheureusement, tout comme l'exemple USB précédent, votre régulation ne se produit qu'à la broche de sortie du régulateur, pas à la charge.

Voltage Regulation without Remote Sensing

Source: La télédétection est importante pour votre alimentation, par Keysight, utilisation équitable.

Une résistance de fil supplémentaire dégrade la précision d'un régulateur de tension, en particulier lorsque la charge en est éloignée ou lorsque le courant est élevé. En règle générale, il faut faire particulièrement attention lors de la mise en place des traces de sortie pour le régulateur: gardez-le aussi court que possible sur un PCB.

Mais l'erreur ne peut jamais être complètement éliminée, surtout lorsque le concepteur n'a aucun contrôle sur s'il y a un long câble entre les deux. Lorsqu'il est essentiel de réguler avec précision la tension à la charge, on peut employer une technique appelée «télédétection» pour résoudre le problème. L'idée de base est d'ajouter deux fils supplémentaires pour «surveiller» la tension «réelle» de l'autre côté. Si le régulateur voit une tension plus basse que prévue, il augmentera encore sa tension pour surmonter la chute.

Voltage Regulation with Remote Sensing

Source: La télédétection est importante pour votre alimentation, par Keysight, utilisation équitable.

Les fils de télédétection à + s et -s peuvent avoir la même résistance que les fils d'alimentation (même épaisseur), mais ils ne sont pas affectés par la chute de tension. C'est vrai même s'ils ont une résistance beaucoup plus élevée (fils fins).

Une façon d'y penser est de considérer le fait qu'un courant élevé traverse les fils d'alimentation, produisant un \ $ 10 A \ times 0,015 \ times 2 = 0,3 V \ $ baisse, mais les fils de détection ne sont là que pour transmettre un petit signal - il y a peu de courant qui traverse le fil de détection, donc il ne produit presque aucune chute de tension à travers le câble.

Une autre façon de penser est la résistance d'entrée équivalente de + s et -s de l'entrée de détection. Idéalement, sa résistance d'entrée devrait être infinie (c'est-à-dire qu'aucun courant n'entre, un voltmètre idéal, comme si rien n'était connecté). En pratique, une résistance de 1 mégahm (1 MΩ, 1 million d'ohms) est une attente réaliste. Le circuit équivalent est donc une petite résistance (les fils) connectée en série avec une énorme résistance (l'entrée de détection du régulateur).

Equivalent Circuit of Sensing Wires and a High Input Resistance

Par exemple, dans ce schéma, bien que les fils de détection aient une résistance totale de 200 Ω, mais la résistance d'entrée de détection est de 1 MΩ, de nombreux ordres de grandeur plus élevés. La tension vue par l'entrée de détection est,

$$ V_ \ text {sensed} = 5 \ text {V} \ times \ frac {1 000 000} {1 000 000 + 200} $$

La chute de tension existe, mais elle n'est que de 0,02%, tandis que 99,98% de la tension du côté distant est mesurée par l'entrée de détection du régulateur.

Mesures de résistance à quatre fils

Parfois, il est nécessaire de mesurer la résistance d'une résistance extrêmement petite (inférieure à 1 Ω) à l'aide d'un ohmmètre. La résistance des fils reliant les sondes de test et votre ohmmètre devient significative. Une solution consiste à court-circuiter les sondes de test avant d'effectuer une mesure - en supprimant l'erreur. Mais cela nécessite une étape supplémentaire, cela introduit également une source supplémentaire d'erreur possible: la pression appliquée entre les sondes peut affecter la résistance utilisée pour l'étalonnage.

Measuring Low Resistance

Une technique courante pour résoudre le problème est la mesure de résistance à quatre fils, ou mesure Kelvin.

Nous pouvons considérer les broches de sortie d'un ohmmètre comme une source de courant et un voltmètre - la source de courant maintient sa tension de sortie à la valeur dont elle a besoin pour un courant spécifique. Ensuite, la tension de sortie de la source de courant est mesurée par le voltmètre. Le courant et la tension sont connus, donc la résistance est déterminée.

En raison du fait que nous mesurons la tension directement aux bornes de sortie du compteur, il ne peut pas distinguer la résistance de la résistance en cours de test et la résistance des sondes de test.

L'ajout de deux fils supplémentaires résout le problème, nous pouvons maintenant mesurer la tension à l'extrémité distante à travers la résistance sous test, pas la sortie de notre ohmmètre à l'extrémité proche. Insensibles aux fils de sonde, nous pouvons effectuer une mesure précise. C'est similaire à la conception de la télédétection dans les régulateurs de tension.

Kelvin Measurement

Considérations de sécurité

C'est la principale considération qui dicte la taille des fils dans l'installation électrique des services publics à domicile. Lorsqu'un courant traverse une résistance, non seulement une chute de tension est produite, mais cette chute de tension chauffe également la résistance. Peu importe que la résistance soit un composant de résistance ou un fil, nous devons nous assurer que la puissance dissipée \ $ P = I ^ {2} R \ $ ne dépasse pas un maximum limite, sinon la résistance surchauffera.

S'il s'agit d'un fil, le fil peut devenir dangereusement chaud et fondre, créant un risque d'incendie. Pour connaître le courant maximal autorisé à transporter par un fil, d'abord, la puissance dissipée dans le fil est calculée, ensuite, le flux de chaleur est identifié - quelle est la température ambiante de l'environnement, différents matériaux ont une conductivité thermique différente, etc. . Enfin, on détermine une température maximale de fonctionnement et l’utilise pour calculer le courant maximal admissible, et enfin un facteur de sécurité est inclus.

Le calcul proprement dit est assez complexe et doit également suivre le code de l'électricité avec l'approbation des agences de réglementation. Plutôt que de le calculer à partir de zéro, une table d'ingénierie est utilisée. Encore une fois, le tableau sur Wikipédia est une référence.

Par exemple, à une température ambiante de 20 ° C, un seul fil AWG-30 non borné dans le châssis d'un appareil ne peut pas transporter plus de 0,52 A de courant afin de maintenir sa température de fonctionnement sous 60 ° C.

  • Remarque 8: Si vous concevez un produit, vous devez utiliser un manuel fiable avec des tables d'ingénierie calculées conformément aux normes de votre agence de réglementation locale.

La capacité de traitement actuelle des traces sur un PCB peut être trouvée en se référant à une table d'ingénierie ou à un programme de calcul également.

Application: résistance bobinée

La résistance d'un fil n'est pas toujours une nuisance, elle a des applications utiles. La résistance bobinée est un type de résistance fabriquée en enroulant un fil métallique, généralement nichrome pour sa résistivité sur un noyau.

Internal Structure of a Wirewound Resistor

Source: résistance bobinée, par ResistorGuide, utilisation équitable.

Cela présente certains avantages.

  1. Il est facile de produire des résistances très précises, car leur résistance est proportionnelle à la longueur d'un fil.

  2. On peut facilement fabriquer des résistances haute puissance à partir d'un gros fil.

Il convient de noter qu'une résistance bobinée a la même forme qu'une inductance, elle a donc l'inductance la plus élevée dans tous les types de résistances. Il ne devrait être utilisé qu'en CC uniquement, et peut-être dans un circuit audio-fréquence, mais il ne convient pas à des circuits CA à une fréquence plus élevée.

Application: résistance shunt

Une chute de tension due à la résistance d'un fil est également parfois utile. Le moyen le plus simple d'obtenir une mesure de courant consiste à connecter une résistance shunt de faible valeur en série et à mesurer la chute de tension à travers elle, car \ $ I = \ frac {V} {R} \ $ .

L'utilisation d'une résistance de haute valeur empêche qu'un courant suffisant ne soit délivré à un circuit sous test, il est souhaitable de rendre la résistance de shunt aussi faible que possible. Il y aura toujours une chute de tension, appelée tension de charge dans un multimètre, mais suffisamment faible pour être acceptable.

Si vous ouvrez un multimètre, vous trouverez une résistance shunt similaire à cette image. Comme vous le voyez, c'est juste un morceau de fil glorifié.

A open-air shunt resistor

Source: Open Air Resistor - Metal Element Current Sense, par TT Electronics, utilisation équitable.

Si une haute précision n'est pas nécessaire, vous pouvez créer une résistance shunt gratuite en traçant une trace sur une carte de circuit imprimé - le fil (trace) lui-même est votre résistance shunt.

PCB shunt resistor

Source: Faible résistance shunt ohmique directement sur la couche de cuivre PCB, utilisation équitable

Juste pour info: \ $ \ frac {2000.01693-2000} {2000} \ approx +8.5 \: \ text {ppm} \ $.Ce n'est pas près de 1%.
De plus, puisque vous écrivez autant, vous pouvez également inclure un effet de peau pour AC.La plupart de ce que vous avez écrit ignore AC.Même à des fréquences aussi basses que 60 Hz, où la profondeur est de \ $ 8,5 \: \ text {mm} \ $, cela compte toujours.Ainsi, lorsque vous transportez quelque chose comme \ $ 1000 \: \ text {A} \ $, on peut considérer quelque chose de 2 pouces ou plus de diamètre.Mais c'est six fois ou plus au-delà de la profondeur de la peau.Ainsi, le câblage est décomposé comme le montre la figure 3 du brevet US 1904162 afin de répartir également le courant dans le noyau ainsi que dans la surface.(Surtout, je vous taquine. Vous avez beaucoup écrit. Et je l'apprécie.)
@jonk Je viens de corriger le mauvais numéro.Eh bien, si l'effet de peau compte, peut-être qu'une mention de l'inductance du fil et de son effet sur le découplage peut également être ajoutée à une date ultérieure.
Bon travail.Je +1, déjà.Il y a tant à écrire sur le câblage.Vous avez couvert beaucoup de choses.(Ce brevet est intéressant, cependant.) À propos des connecteurs aux extrémités des fils?Maintenant, c'est un sujet LONG qui prendrait un livre ou deux pour bien couvrir.
Merci d'avoir pris le temps d'envoyer ce post.Les autres réponses sont bonnes, mais celle-ci va vraiment au-delà!Il faudra un peu de temps à un débutant comme moi pour lire et comprendre tout cela, alors donnez-moi un peu de temps avant de l'accepter.Les exemples de base travaillés sont également un ajout intéressant pour quelqu'un comme moi, car je me demandais particulièrement en quoi cela est pertinent pour le travail électronique!
@IlmariKaronen Bonne prise.C'est une erreur de copier-coller, 0,19 Ω est la résistance pour le troisième exemple.
J'ai vu la résistance à la trace être un problème dans les ateliers de laboratoire / R&D où les prototypes sont débogués sur des cartes d'extension.J'ai eu un cas où une carte à courant élevé ne fonctionnerait pas sur l'extension.Il s'est avéré qu'il y avait suffisamment de chute sur le prolongateur pour que le superviseur de tension maintienne la chose réinitialisée.
Peut-être aussi mentionner que la résistance du fil augmente généralement avec la température (environ 0,4% / ° C pour le cuivre).Cette résistance accrue conduit à plus de puissance dissipée sous forme de chaleur dans le fil.Si votre alimentation ou votre charge essaie de compenser la perte de puissance, vous pouvez obtenir un emballement thermique.
Dans les circuits intégrés, une résistance fil / trace relativement faible combinée à une capacité parasite forme un filtre RC passe-bas, limitant les performances.
#2
+9
SteveSh
2020-01-26 06:39:01 UTC
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La résistance d'un fil (ou plus généralement l'interconnexion) entre en jeu à toutes les échelles de conception électrique.

Dans les systèmes de distribution électrique commerciaux, la résistance des conducteurs entraîne la perte d'une partie de l'énergie électrique sous forme de chaleur. Donc, moins il y a de résistance, moins il y a de perte de puissance. C'est pourquoi, dans certaines applications limitées, les supraconducteurs sont envisagés car ils ont une résistance nulle ou presque nulle.

À l'autre extrême, les circuits intégrés en silicium utilisaient des interconnexions en aluminium pour les traces sur la puce en silicium. Ensuite, les fabricants de circuits intégrés, je pense que c'était IBM, ont développé une méthode où ils pourraient utiliser du cuivre pour les connexions sur puce. La moindre résistance du cuivre par rapport à l'aluminium permettait des vitesses plus élevées sur les puces.

Entre ces deux extrêmes (pensez à des fermes de serveurs ou à un châssis de cartes à l'intérieur d'un système radar), fournir des centaines d'ampères de courant d'une ou plusieurs alimentations à ses diverses charges avec une perte minimale ou faible est un défi de conception .

Encore un exemple. Le grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe utilise des aimants supraconducteurs pour diriger les particules autour de l'anneau du LHC. C'est la seule façon pour eux de fournir les courants élevés nécessaires aux champs magnétiques puissants.

Oui, c'est une erreur de recrue que je vois souvent.L'ingénieur ne tient compte que de la capacité de transport du courant et ignore la chute de tension.
#3
+7
mkeith
2020-01-26 06:34:57 UTC
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Le texte est un peu bâclé mais il est fondamentalement correct. Il y a deux préoccupations lors du choix d'une taille de fil. Le premier est le chauffage dans le fil. Si le fil devient chaud et cause un risque de brûlure (ou d'incendie), vous devez utiliser un fil plus gros. Pour plus d'informations, utilisez le terme de recherche "table d'ampacity".

La deuxième est la chute de tension. Ceci est plus susceptible de poser un problème dans les applications à basse tension, pour deux raisons. Premièrement, si je perds 1 Volt dans une application secteur, ce n'est pas grave. Je peux obtenir 119V au lieu de 120 ou 229V au lieu de 230V. Pas grand-chose.

Mais si j'ai une batterie 12 V alimentant un onduleur, je ne peux pas me permettre de perdre 1 V sur 12 V dans le fil, car cela peut provoquer l'arrêt prématuré de l'onduleur, et parce que c'est une perte beaucoup plus grande en pourcentage .

Les câbles USB bon marché entraînent parfois des chutes de tension excessives et peuvent causer des problèmes aux appareils qui tentent de se recharger à des courants plus élevés tels que 1,5 A ou 2,1 A.

La chute de tension est donc probablement le facteur limitant dans les applications d'alimentation basse tension. Et le chauffage par fil est probablement le facteur limitant dans les applications de tension secteur.

Les signaux logiques ou de données sur les circuits imprimés rencontreront rarement des problèmes de chute de tension ou de surchauffe en utilisation normale. Mais il peut être nécessaire de prendre en compte la perte de puissance et le chauffage des traces sur les circuits imprimés électroniques si des circuits d'alimentation sont impliqués.

Les câbles de chargeur USB fous sont également un endroit où les consommateurs normaux peuvent avoir rencontré ce problème lorsqu'ils tentent de charger des smartphones modernes ou de conduire un Raspberry Pi.
Je crois que si l'on traduit «cuivre» en chinois et ensuite en anglais, cela reviendra en «aluminium».
#4
+6
edmz
2020-01-26 17:37:04 UTC
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Dans quelle mesure est-il courant de considérer la résistance d'un fil? La résistance d'un fil est-elle une considération importante lors de travaux électroniques? Cette résistance doit-elle être prise en compte dans les calculs, comme le feraient d'autres composants (comme les résistances)?

Je vois beaucoup de bonnes réponses ici, mais je veux ajouter quelques points supplémentaires qui ne sont pas encore mentionnés.

Les circuits idéaux n'existent pas - c'est pourquoi on les appelle idéaux. Mais, une fois que nous avons atteint l'objectif principal de notre circuit (par exemple, la conversion de puissance ou deux signaux NAND), nous pouvons prendre en compte autant de complications que vous le souhaitez; la résistance des fils est certainement l'un d'entre eux. Cependant, comme d’autres l’ont souligné, ce n’est pas souvent le cas, car il est négligeable ou le fait encore comme tel avec les considérations lues dans le livre (pour commencer).

Mais il y a beaucoup d'autres choses à prendre en compte lorsque vous êtes dans un certain domaine de l'EE. Considérons la détection à faible résistance, par ex. quand \ $ R_x<1 \ Omega \ $ - cela se produit plus souvent que vous ne le pensez car par exemple une tige de cuivre est dans cette plage; une longueur de fil; une barre conductrice à très faible résistivité comme l'or.

Lorsque vous attachez deux composants de la manière que vous voulez (maquette, PCB, peu importe) une résistance de contact se forme entre les deux bornes, donc deux bornes vous obtenez deux résistances de contact. Là où vous aviez un «nœud» dans votre circuit, c'est-à-dire un point de résistance nul, il n'est plus . En général, les résistances de contact sont de l'ordre de \ $ m \ Omega \ $ - votre résistance pourrait être si faible que lorsque vous la ressentez avec votre instrumentation, en réalité vous ' ne mesurant que les résistances de contact ou encore en train d'effectuer une mesure avec une incertitude très élevée. Les résistances de contact ne peuvent être mesurées et ressemblent plus à des variables aléatoires et dépendent de la température.

Mais il y a plus. Lorsque vous liez deux métaux d'électronégativité différente, une différence de potentiel entre les deux est établie. C'est ce qu'on appelle l ' effet Volta. Vous auriez donc une augmentation ou une baisse potentielle à chaque nœud, essentiellement.

En tenant compte de ces deux éléments, pouvez-vous imaginer à quel point votre circuit d'origine changerait?

Et enfin, il y a le bruit, qui est réel et peut être mesuré. Il peut souvent être ignoré car le SNR est généralement élevé - mais ce n'est pas toujours le cas. Le bruit peut effectivement être moyenné (mais il existe toujours un composant alternatif) grâce à plusieurs mesures. De plus, vous devez considérer que votre circuit est en fait une antenne, donc il captera les ondes EM - c'est une autre contribution au bruit, et il y en a beaucoup plus.


TL; DR En général, pas souvent. Cela dépend en grande partie de votre domaine. Mais ce que vous devriez toujours être avec vous, c'est que c'est définitivement une chose real et que vous devrez peut-être en tenir compte.

"Lorsque vous liez deux métaux d'électronégativité différente, une différence de potentiel entre les deux est établie."- Est-ce toujours pertinent, en dehors des thermocouples et de la physique du solide?La différence totale causée par cela dans chaque circuit est de zéro, car vous devez revenir au métal d'origine en faisant le tour du circuit.
@user253751: Le courant net est nul mais la différence de potentiel ne l'est pas.C'est ce qui se passe dans une jonction p-n non biaisée, pour n'en nommer qu'une.Une telle tension peut être très faible, mais modifier toujours vos lectures de voltmètre.Cependant, lors de la mesure de très faibles résistances, même un si petit écart peut avoir de l'importance;c'est pourquoi il existe une procédure particulière pour ces scénarios, qui repose précisément sur la commutation de la polarité du courant.
Lorsque vous mesurez à travers une diode déconnectée avec votre voltmètre, il lit zéro volt.Pourquoi?
@user253751: Il y aurait quelques choses à dire et peut-être voudriez-vous ouvrir une question pour développer;mais, en termes très courts, la différence de potentiel est à travers la jonction, où le champ électrique existe et de très grands courants se produisent, pas à travers la diode.Le champ y est très faible, presque nul et donc bien en dessous de la résolution de votre voltmètre.En fait, lorsque la courbe I-V de la diode est dérivée, on suppose aucune chute de tension loin de la jonction (qui est de l'ordre du micron de largeur).
ce qui est mon point: toutes ces différences potentielles s'annulent nécessairement lorsque vous avez une boucle.Donc en dehors des thermocouples (où ils ne s'annulent pas car les jonctions sont à des températures différentes) et de la physique du solide (où vous analysez le comportement à proximité de la jonction) quelle est la pertinence?
@user253751: Je ne suis pas le suivant.Vous parlez de KVL?Ou demandez-vous si, dans la pratique, ces éléments sont importants?
Lorsque vous connectez le métal A à B et B à C et C à A dans une boucle, la différence de potentiel * nette * autour de la boucle est nulle.Oui, c'est KVL.
@user253751: D'accord - et alors?Remarquez que je n'ai jamais dit "ils" ont la même magnitude, la même polarité ou autre.Si vous pouvez faire un travail avec ceux-ci dans une chose entièrement différente - encore une fois, considérez une jonction pn.
#5
+4
Anthony X
2020-01-26 22:43:00 UTC
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Les vrais appareils ont des exemples de variations non triviales dans leurs propriétés. Les concepteurs de circuits doivent tenir compte de ces variations. La variante d'échantillon peut dépasser certaines autres considérations.

Tenez compte du fait que les résistances disponibles dans le commerce sont proposées dans diverses plages de tolérance; 10% étant l'un d'entre eux. Si un concepteur choisit d'utiliser une résistance de 1k Ohm à 10% dans un circuit donné, la résistance d'un appareil réel installé dans un circuit réel peut être comprise entre 900 et 1100 Ohms. Si la résistance du fil est au plus de quelques milliOhms, elle est sans importance par rapport à la variation d'échantillon autorisée dans la valeur de la résistance.

D'un autre côté, si un circuit nécessite une résistance de 10 Ohm 0,1%, la résistance du fil et le contact entre le fil et l'appareil devront peut-être être pris en compte.

Lors de la conception de circuits numériques et de circuits audio analogiques, la résistance des fils peut généralement être ignorée car les valeurs des composants la rendent sans importance.

En ce qui concerne la forme du conducteur, les effets de la haute fréquence ou de la commutation rapide sont généralement plus importants que la résistance CC; inductance, sonnerie, couplage RF, réflexions aux angles vifs et effet de peau, par exemple.

#6
+3
User323693
2020-01-26 11:31:48 UTC
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  1. Dans notre gamme de produits, nous connectons des appareils fonctionnant sur des distances allant jusqu'à 300 mètres.Par conséquent, lors du calcul de la conformité aux exigences de vorlage minimum pour un appareil de réception d'alimentation à l'extrémité distante.
  2. nous avons établi une définition du câble et nous la prenons également en compte dans nos calculs.
  3. Lorsqu'une puissance plus élevée ou des distances plus longues sont nécessaires, la résistance du câble est sûrement prise en compte.
  4. Un autre exemple est la piste d'alimentation sur un circuit imprimé, un réseau électrique mal dessiné avait une chute d'environ 0,35 V dans l'une des conceptions que j'avais examinées.
#7
+2
Circuit fantasist
2020-01-26 22:15:32 UTC
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Vous pouvez ajouter deux techniques plus ingénieuses pour éliminer la résistance du fil à l'idée physique de supraconductivité et à l'idée de circuit de télédétection ci-dessus. J'ai illustré l'écrit avec deux images d'une autre source consacrées au même sujet. Ils montrent la distribution de tension le long d'un conducteur réel avec une résistance de ligne Rl.

Line voltage drop visualized

La première idée - résistance négative , est assez simple et intuitive: pour compenser la résistance du fil Rl qui "crée" une chute de tension I.Rl, insérez quelque part dans la ligne une "résistance" négative avec résistance -Rl. Cela créera une tension I.Rl qui neutralise la chute de tension; le résultat est une résistance de fil nulle (Rl - Rl = 0). Cette idée est utilisée depuis longtemps dans les répéteurs téléphoniques. L'avantage est que le compensateur est un élément à 2 bornes, qui peut être inséré n'importe où le long de la ligne (dans l'image ci-dessous, il est combiné avec la source de tension d'entrée, ce qui en fait une source avec une résistance interne négative). L'inconvénient est qu'il ne compense que la résistance spécifique (et uniquement la résistance).

Line voltage drop neutralized

La deuxième idée est de piloter la charge, si possible, par une source de courant à la place, comme d'habitude, par une source de tension. Ensuite, si pour une raison quelconque, le fil acquiert une certaine résistance Rl qui "crée" une chute de tension I.Rl, la source de courant augmentera sa tension interne avec I.Rl et neutralisera la chute de tension. Les interfaces actuelles exploitent cette idée pour transmettre des données sur de longues distances.

En résumé, toutes les techniques artificielles neutralisant la résistance du fil font de même - elles insèrent une tension équivalente à la chute de tension sur la ligne .


Enfin, je voudrais dire quelques mots sur le livre Practical Electronics for Inventors .Je l'ai acheté en 2000 dans l'espoir de trouver de précieux conseils sur la façon de comprendre et d'inventer des circuits ... mais j'ai été déçu.Bien qu'il soit utile pour un large éventail de lecteurs, ce n'est toujours pas un livre pour les inventeurs ... c'est plutôt un livre pour les techniciens conventionnels.Si c'était vraiment un livre pour les inventeurs, il montrerait les idées derrière les solutions de circuits, les astuces intelligentes derrière elles, leur évolution, leur philosophie ... pas seulement décrire leur structure et leur fonctionnement ...

#8
  0
Karen
2020-01-28 04:00:13 UTC
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Il y a beaucoup de bonnes réponses ici.Cas pratiques où la longueur du fil et la section transversale sont importantes:

Mesure de très petites résistances.L'utilisation de mesures à 4 fils supprime la résistance des fils de la mesure.

Lors de la connexion des cellules solaires et des panneaux solaires ensemble, la résistance des rubans de cuivre étamé de connexion affecte l'efficacité du système.

#9
  0
jcaron
2020-01-28 17:57:09 UTC
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Je vais simplement ajouter quelques exemples supplémentaires expliquant pourquoi cela est important et pris en compte à peu près tout le temps.

  • Le premier n'est pas vraiment de l'électronique, mais en fait very électricité haute tension. Il y a une raison pour laquelle les réseaux de transport d'électricité longue distance (et surtout de forte puissance) (vous savez, les grandes énormes tours transportant des câbles) utilisent des tensions très élevées (mesures en centaines de milliers de volts): cela permet de transporter la même quantité d'énergie en utilisant des courants beaucoup plus faibles. Porter 1 MW (un mégawatt) à 230 V signifie plus de 4000 ampères. Porter le même 1 MW à 400 000 V signifie 2,5 ampères.

    Source: Wikipédia

    Puisque l'effet Joule \ $ P = RI ^ 2 \ $ signifie que la puissance dissipée sur la puissance est proportionnelle au square de l'intensité, c'est 2.5 million moins de puissance perdue sur les mêmes câbles (qui auraient fondu de toute façon à la tension la plus basse).

    Il est également proportionnel à la résistance, et donc au calibre du fil, c'est pourquoi ils utilisent régulièrement des calibres de fil jusqu'à ... \ $ 750 mm ^ 2 \ $ !

    Source: Wikipédia

    Notez que 1 MW n'est que des cacahuètes, ces lignes électriques transportent souvent des milliers de MW!

  • Sur une note similaire, si vous considérez rail networks, vous verrez que les tensions vont de quelques centaines de volts (généralement DC) à des dizaines de milliers (généralement AC). Les tensions les plus basses (souvent entre 300 V et 750 V) sont plus souvent utilisées dans les réseaux urbains (métro) / suburbains. Ils sont plus faciles à travailler (en termes de sécurité, etc.), mais ils nécessitent des «sous-stations» (pour passer des réseaux à très haute tension longue distance cités ci-dessus à la tension utilisée pour alimenter les trains) à des intervalles relativement courts.

    En revanche, les tensions les plus élevées (généralement 15 ou 25 kV) sont souvent utilisées pour les chemins de fer longue distance, en particulier ceux à grande vitesse compte tenu de la puissance requise. Celles-ci permettent de placer les sous-stations à des intervalles beaucoup plus grands.

    Il existe un certain nombre de chemins de fer longue distance avec des tensions «dans le milieu de la plage» (750 V à 3000 V CC) pour des raisons historiques, mais les nouveaux déploiements utilisent le plus souvent des tensions plus élevées.

  • Un autre exemple est Power over Ethernet (PoE) : en utilisant soit «l'alimentation fantôme» sur les paires de données, soit en utilisant directement les paires de rechange, l'alimentation est «injectée» dans le câble Ethernet afin que l'appareil puisse être alimenté et connecté au réseau avec un seul câble. Ethernet utilise des fils assez petits, donc leur résistance est élevée, ce qui signifie qu'il y a une chute de tension substantielle entre la source et l'appareil alimenté.

    Pour que cette chute de tension reste acceptable en pourcentage, tout en conservant une tension relativement sûre et facile à utiliser, le PSE (l'équipement d'alimentation) fournit entre 44 V et 57 V, tandis que le PD (l'appareil alimenté) recevra n'importe où entre 37 V et 57 V, selon la tension au PSE et la longueur du câble.

    Même si la plupart des PD utilisent en interne des tensions comprises entre 3,3 V et 12 V, si PoE utilisait directement des tensions dans cette plage, il n'y aurait plus rien (pour 3,3 V ou 5 V) ou certainement pas assez (pour 12 V) à l'extrémité d'un chemin de câbles de 100 m.

  • Encore une autre situation où cela compte et à laquelle on vient de faire allusion dans les autres réponses: PCB traces. Ceux-ci fonctionnent comme des fils, leur résistance étant liée à leur largeur. Si vous avez beaucoup de courant passant par une trace (par exemple entre une alimentation et des ports USB qui doivent pouvoir fournir des courants élevés), et en plus de cela, il est relativement long, vous ne pouvez pas vous attendre à ce que cela passe. une trace fine standard.

    Si vous regardez attentivement les PCB existants, vous remarquerez qu'il y a beaucoup de traces très fines, mais quelques-unes sont assez grandes.Il y a une raison à cela!

AiliuxanjjCMT Fixé.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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