如何選擇一款更合適的功率電阻?

   日期:2018-12-08     瀏覽:289    

第一章  電阻器的功率

       電阻器的額定功率定義為在指定環境溫度下,假設空氣不流通,電阻器連續正常工作允許消耗的最大功率。其中指定環境溫度一般為25℃,70℃,125℃。需要特別指出的是,電阻器連續正常工作指的不僅是電阻器不損壞,且電阻器的阻值變化應在允許范圍內。
通常我們用降功耗曲線來描述電阻器的功率和環境溫度的關系。環境溫度越高,電阻器散熱能力受到限制,功率變小。當環境溫度達到極限時,電阻器失去散熱能力,其功率降為零。

第二章  功率電阻的分類

       通常一個具有較高額定功率的電阻器可被稱為功率電阻。按照不同的功率級別分為小功率電阻和大功率電阻。根據材料和工藝的不同,功率電阻主要分為三類:線繞功率電阻,膜式功率電阻,實心陶瓷電阻。

       線繞功率電阻是最常見的功率電阻,線繞電阻通常都是在陶瓷絕緣基體上繞制電阻絲制成,其特點是工藝簡單,價格經濟,單個電阻功率可達3KW以上。缺點是體積笨重,有電感,可靠性差,質量參差不齊。以下為幾種常見的線繞功率電阻:

 


       膜式功率電阻主要指厚膜技術的平面功率電阻,通常是基于氧化鋁或氮化鋁基板印刷厚膜電阻漿料,這類電阻的功率密度很高,且無感無容,非常適合在空間有限但散熱條件良好的場合使用。另外相比較線繞電阻膜式電阻的阻值范圍更寬,從毫歐到兆歐均可提供。膜式電阻也有缺陷,第一是過載能力有限,在放電電路等高能脈沖應用中容易損壞,所以可靠性不高。另外就是膜式電阻對散熱條件要求很高,必須加配合適的散熱器才能達到額定功率。開步電子推出基于功率薄膜技術的平面功率電阻,在功率密度上完全和厚膜電阻一致,且提高了電阻的可靠性和穩定性。以下為常見的幾種基于功率薄膜技術的平面功率電阻。


 

       實心陶瓷電阻的制作工藝完全不同于線繞電阻和平面功率電阻。粉狀的電阻材料混合后,經成型、高溫燒結、電極處理、最后封裝測試后制成。實心陶瓷電阻和線繞電阻及膜式平面功率電阻的最大區別在于其通體導電,所以能承受高能高脈沖沖擊,非常適合用于能量泄放,如電容器充放電等場合。實心陶瓷電阻無感,可靠性極高,根據不同的應用分為功率型和脈沖型兩種。

 


第三章 功率電阻的選型過程中常見誤區

(1)要區別高功率和高脈沖的應用。

       在很多應用場合中,如電池組預充電,電容充放電,啟動限流,電弧保護等應用中,電阻并不需要在大功率下長時間連續工作,而是需要承受一個或多個周期性的脈沖能量,最適合這種應用場合的是高能抗脈沖類型的電阻,而不是大功率電阻。當然,選擇一個足夠大功率的電阻也可能會滿足這類需求,但潛在的風險依然存在。比如,大功率線繞電阻只有電阻合金絲是導電的部分,這些電阻合金絲的重量相對于整個電阻器而言只占很少的一部分,在受到短時高脈沖沖擊的時候,熱量沒有時間通過絕緣基體和輔助散熱器傳導出去,所以這些很細的電阻絲本身需要承受一個脈沖能量,這可能導致電阻直接損壞或發生潛在的風險。很多線繞電阻并不是為高能高脈沖場合設計的,所以在材料和工藝上并沒有考慮到實際的脈沖負荷,一旦應用于脈沖電路很容易發生故障。目前最流行的高能電阻是無感實心陶瓷電阻,這種電阻在高能抗脈沖的應用中,相比較線繞電阻節約90%以上的空間,同時可靠性提高10倍以上。

 



(2)不重視散熱設計,功率空間預留過度或不足。
       在第一章中我們有講到,電阻器的功率就是它的散熱能力。而電阻器的散熱能力可以通過合理的散熱設計來加以提升,比如合理的布局,加裝散熱器,風冷,水冷,油冷散熱等。有些電阻尤其是平面功率電阻嚴重依賴于散熱器,一個TO220封裝的平面功率電阻,在加裝合理散熱器的情況下其額定功率可達50W,但在不加散熱器的情況下其功率只有1.5W。


大部分的工程師都會降額使用功率電阻,依據軍標的標準,通常降額一半,有些時候為了降低發熱甚至需要進一步的降額使用。但降額多少必須結合工作環境和散熱條件來考慮,比如一個額定功率為750W的功率電阻在受到臨近電阻發熱影響時其功率可能降低到500W,而通過風冷散熱(風速150米/分鐘)則可以把功率提升至1000W。當電阻需要加裝散熱器才能達到標稱額定功率時,一般規格書上都會標明加配散熱器時的功率和不加配散熱器時的功率。在進行功率電阻選型時一定要注意這些區別。

(3)對線繞電阻存在的電感估計不足
       眾所周知,線繞電阻的最大缺陷就是存在電感,通過無感繞組的方法可以得到一個低電感的線繞電阻,但也并非完全無感,在頻率為幾百赫茲的電路中可以忽略這些電感。但在廣播通訊設備等的高頻負載中就不能再使用線繞電阻了。膜式平面功率電阻和實心陶瓷電阻都可以提供無感的特性,這些電阻的寄生電感低至nH級別,例如開步電子出品的TO220封裝的平面功率電阻其串聯電感低于10nH。在高頻高脈沖的應用中,不但要求電阻具有無感的特性,同時也要求電阻具有高能抗脈沖的特性,如成本允許,實心陶瓷電阻最為合適。
(4)選擇合適的精度

       本文我們僅討論非精密應用的功率電阻。在選擇功率電阻的時候,雖然精度對于大多數的應用并不是很重要的指標,但精度絕不是隨意確認的。通常我們建議綜合考慮初始精度和壽命末期的飄移,然后就寬原則選擇精度。精度就寬原則不僅有利于節約成本,更重要的是可以提高電阻的可靠性,尤其是對于膜式電阻。這是因為要達到一個較高的精度,膜式電阻都要進行調阻,而調阻的過程會對電阻層產生傷害,會損失電阻的額定能量,降低電阻的過載能力。有些線繞電阻制造商會通過打磨線材來達到調阻的目的,這種做法會使該電阻的過載能力至少降低一半。所以功率電阻的精度選擇請遵循就寬原則,例如當綜合評估后±10%的精度可以滿足要求,就沒有必要選擇±5%或者±1%的精度。




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