Les résistances de puissance

Les résistances de puissance permettent de dissiper de grandes quantités de chaleur sans de dégrader. Leur conception et leur utilisation est donc différente des petites résistances qu'on trouve sur les cartes électroniques habituelles.

Résistances de puissance : exemples

Résistance de puissance : l'effet Joule utilisé

Une résistance est un composant électronique connecté à un circuit électrique qui nécessite une valeur spécifique de résistance. La loi d'Ohm indique que le courant est proportionnel à la tension aux bornes de la résistance. La puissance est proportionnelle au carré de la tension ou au carré du courant qui traverse la résistance.

Le passage du courant à travers la résistance crée de la chaleur. Cette chaleur crée une élévation de température par rapport à la température ambiante. Ce qui limite la quantité à dissiper, c'est la capacité du composant à supporter la température sans détérioration. Les résistances sont prévues pour dissiper une certaine puissance sans dépasser une température acceptable. Plus la température ambiante est déjà élevée, moins la résistance pourra dissiper de chaleur puisqu'elle atteindra plus vite la même température. Il faut prendre cela en compte si l'environnement de la résistance est déjà "chaud".

Les 3 étapes pour dimensionner une résistance de puissance

Les trois étapes pour dimensionner une résistance de puissance sont les suivantes :

1. déterminer la résistance et sa puissance à dissiper

2. déterminer la taille (physique)

3. choisir le boitier le plus adapté aux contraintes mécaniques (montage, fixation)

1. La valeur et la puissance de la résistance

La loi d'Ohm permet de déterminer la résistance lorsqu'on connaît la tension et le courant mis en jeu dans le circuit. Si on ne connaît pas le courant ni la tension, des essais doivent être faits.

La loi d'Ohm s'écrit de trois façons possibles :

R = U/I, I = U/R ou U = RI

Ici, un article sur la résistance en électronique

La résistance : description et définition

Sachant que la puissance dissipée par la résistance vaut le produit tension U par courant I, on peut donc écrire :

P = U²/R

P = RI²

Ces expressions permettent de calculer directement la puissance dissipée par la résistance, si on connait plutôt le courant ou la tension.

Il est important de connaître la puissance avec précision. Une augmentation de tension aux bornes de la résistance entraîne une augmentation de courant, et pour ces deux raisons, une double augmentation de puissance et donc de chaleur à dissiper. L'élévation de température s'en trouve d'autant plus grande.

Mathématiquement, la puissance (donc l'augmentation de température) varie avec le carré de la tension ou le carré du courant. Une augmentation de 10% de tension entraîne une augmentation de 21% de puissance dissipée.

Dissipation en fonction de la tension aux bornes de la résistance

L'allure de cette courbe est une simple parabole qui passe par le point de coordonnées (1;1) qui correspond à la condition nominale (puissance nominale).

2. La taille physique du boitier de la résistance

Plus il y a de chaleur à dissiper, plus il faut un grand boitier pour répartir la chaleur. Une toute petite résistance chaufferait trop là où une résistance de grande taille chaufferait moins pour dissiper la même quantité de chaleur. Il y a donc une proportion entre la taille du boitier et la puissance à dissiper (par radiation, convection ou conduction). Plus le boitier présente une grande surface, plus il pourra dissiper. Cela dépend du matériau et de la forme de la résistance de puissance.

Dissipation à l'air libre

La puissance nominale des résistances peut être définie à l'air libre (lorsqu'on ne fixe pas la résistance sur un radiateur). Il existe des méthodes de tests standard pour cela. Par exemple, selon NEMA et UL, la température ne doit pas dépasser 300°C (540F) en aucun point de la résistance lors d'une mesure par thermocouple avec une température ambiante de 40°C (140F) maximale.

L'élévation de température est proportionnelle à la puissance dissipée.

Par exemple, on peut obtenir les températures suivantes pour une résistance de puissance de 10W :

0W : 25°C (température ambiante)

1W : 55°C (augmentation de +30°C pour 1W)

2W : 85°C (augmentation de +60°C pour 2W)

3W : 115°C (augmentation de +90°C pour 3W)

etc

D'autres résistances sont caractérisées comme pouvant monter à 350°C (la température d'un fer à souder, ou presque !) à leur puissance nominale. A 25°C de température ambiante, cela fait une augmentation de +325°C. Il faut éviter d'atteindre de telles températures sur un circuit imprimé !

Pour une élévation de température donnée, la puissance dissipée est environ proportionnelle à la surface du boitier (surface radiative). Bien sûr d'autres facteurs interviennent comme la conductivité thermique de la résistance, le matériau du coeur de la résistance, de la surface extérieure, l'orientation, etc.

Physiquement, ce qui limite la dissipation de puissance, c'est la température maximum que peut supporter la résistance (à cause de son matériau) sans se détériorer. La détérioration d'une résistance peut être la modification de sa valeur (dérive) ou encore la dégradation de l'isolation électrique entre ses bornes.

Il n'est jamais recommandé de "pousser" une résistance jusqu'à sa puissance nominale de façon permanente, même si aucune donnée constructeur ne précise une fin de vie prématurée ou dangereuse.

Plus la température ambiante est élevée, plus la dissipation autorisée est limitée.

Réduction de la puissance dissipable en fonction de la température

Une résistance de puissance peut dissiper 100% de sa puissance à 25°C ambiants. Plus la température ambiante est élevée, moins elle peut dissiper. La dissipation maximum est proportionnelle à l'écart de température entre température max admissible (275 ou 350°C par exemple) et température ambiante.

Si la résistance est déjà dans un four à 350°C, elle ne peut rien dissiper du tout puisqu'elle ne peut pas s'échauffer du moindre degré sans dépasser sa température max de 350°C (elle y est déjà !)

On retrouve la même limitation pour les transistors de puissance dont la dissipation est limitée lorsque la température ambiante est déjà élevée. Par exemple, les transistors de puissance Mosfet possèdent le même facteur correctif (derating) avec la température :

Les transistors Mosfet de puissance

3. Choix concret d'une résistance de puissance

En pratique, il est nécessaire que la résistance de puissance s'adapte au montage sur un radiateur ou sur la carte électronique en question. Les points suivants sont à méditer (mais pas trop longtemps) :

- température ambiante

Si la résistance est dans un boitier fermé, la température ambiante pour la résistance (celle dans le boitier) va augmenter et ainsi réduire la dissipation maximale autorisée.

- boitier

Le boitier du produit électronique où se trouve la résistance fait donc une barrière à la dissipation. Des trous de ventilation améliorent la dissipation mais attention, le boitier n'est plus étanche (résistance aux liquides). Par exemple, les adaptateurs secteurs sont souvent étanches et hermétiques.

- proximité de résistances

Si plusieurs résistances sont l'une à côté de l'autre, elles vont se tenir chaud ! Pour le refroidissement, ce n'est pas ...cool ! Là encore, la dissipation maximum sera réduite. Il vaut mieux écarter les résistances de puissance pour leur laisser la fraîcheur dont elles ont besoin pour dissiper.

Les manchots se regroupent pour se tenir chaud. On ne veut pas cela pour un ensemble de plusieurs résistances.

- altitude

La densité de l'air réduit avec l'altitude. A 3000m d'altitude, la densité de l'air ne vaut plus que 70% de la densité au niveau de la mer. Dans le vide, seule la radiation permet de dissiper mais cela fait tout de même 60% du travail environ. Une résistance de 10W pourra dissiper 6W dans le vide.

Installation électrique d'altitude

- fonctionnement impulsionnel

Si le circuit fait que la résistance ne chauffe que par impulsions brèves, l'inertie thermique fait qu'on peut dépasser la puissance nominale quelques instants.

- refroidissement par ventilation

On peut augmenter la dissipation nominale d'une résistance de puissance en faisant souffler un ventilateur dessus ou à proximité. En effet, la dissipation à l'air libre est donnée sans ventilation.

- hautes fréquences

Il existe des résistances non inductives pour des applications à haute fréquence où l'inductance série parasite perturberait le montage.

Ce à quoi il faut penser quand on choisit sa résistance de puissance

Exemple de résistances de puissance

Voici quelques boitiers de résistance de puissance à monter sur radiateur :

Résistance de puissance RH50 (50Watts)

Cette résistance peut dissiper 50W sur radiateur et 25W sans radiateur. Il existe dans cette gamme des résistances de 10W, 25W, 50W, 100W.

D'autres résistances plus habituelles sont prévues pour dissiper sans radiateur. Ce sont des plus petites puissances :

résistances de puissance 1W à 5W

Pour éviter de faire surchauffer le circuit imprimé, il est recommandé de prévoir une résistance surdimensionnée en puissance. Par exemple, pour dissiper 1W ou 2W, prendre une résistance 5W (forme morceau de sucre blanc par exemple).

Applications des résistances de puissance

Les résistances de puissance servent dans de nombreux domaines :

- rhéostats

- chauffages

- sèches cheveux

- toasters

- cartes électroniques

- charges fictives pour tester des appareils (amplificateurs audio ou radio fréquence, alimentations)