淺談功率繞線電阻器的脈沖處理技術(shù)

功率繞線電阻器具有穩(wěn)態(tài)功率和電壓額定值，表明了該裝置應(yīng)達(dá)到的最高溫度。相對(duì)于 5 秒或更短的持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō)，這些額定值令人滿意；然而，電阻器能夠在短時(shí)間內(nèi)（小于交叉點(diǎn)）處理高得多的功率和電壓水平。例如在室溫下，RS005 的連續(xù)額定功率為 5W，但在 1ms 內(nèi)可承受 24,500 W 功率，而在 1μs 內(nèi)則可達(dá)到 24,500,000 W。這種看似高功率能力的原因是，能量是功率和時(shí)間之乘積，產(chǎn)生熱量不僅僅是由于功率。如果提供了圖 2 所示的詳細(xì)信息，Vishay Dale 能為應(yīng)用提供解決方案。

短脈沖（小于交叉點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間）

對(duì)于短脈沖，我們必須確定施加在電阻器上的能量。對(duì)于小于交叉點(diǎn)的脈沖，Vishay Dale engineering 假設(shè)所有脈沖能量都通過(guò)電阻元件（導(dǎo)線）耗散。為了使電阻器在產(chǎn)品使用壽命內(nèi)保持其性能特點(diǎn)，Vishay Dale 會(huì)以電阻芯、涂層或者引線上的熱損為零的情況將電阻元件溫度加熱至 +350°C 所需的能量為基礎(chǔ)，進(jìn)行分析并提出建議。交叉點(diǎn)是指大量能量開(kāi)始耗散的時(shí)間，不僅耗散到電線中，而且此時(shí)正在耗散到電阻芯、引線和封裝材料中。這時(shí)，脈沖不再被認(rèn)為是短脈沖，而是長(zhǎng)脈沖。

對(duì)每個(gè)電阻型號(hào)和數(shù)值來(lái)說(shuō)，脈沖處理能力不盡相同，因?yàn)槊}沖處理能力基于電阻元件的質(zhì)量和比熱。一旦規(guī)定了功率和能量，Vishay Dale 就可以確定應(yīng)用的最佳電阻選擇。

交叉點(diǎn)

例如一個(gè)在室溫下的 RS005 500 Ω 電阻器：

必要的信息：

ER = 某一型號(hào)的額定能量、電阻值和環(huán)境溫度。由 Vishay Dale 提供，ER = 6.33 J。

PO = 部件在 1s 時(shí)的過(guò)載功率能力。RS005 的過(guò)載功率能力為 1 秒，10 x 5 W x 5 s = 250 Ws/1 s = 250 W

交叉點(diǎn) (s) = ER (J)/PO (W)

6.33 J/ 250 W = 0.0253 s

RS005 500 Ω 電阻在室溫下的交叉點(diǎn)約為 25.3 ms。

長(zhǎng)脈沖（交叉點(diǎn)至 5 秒）

對(duì)于長(zhǎng)脈沖來(lái)說(shuō)，大部分熱量是在電阻芯、導(dǎo)線和封裝材料中消散的。因此，用于短脈沖的計(jì)算方法過(guò)于保守。對(duì)于長(zhǎng)脈沖應(yīng)用，使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的額定短時(shí)過(guò)載。請(qǐng)注意，具有短時(shí)間過(guò)載幅度的重復(fù)脈沖會(huì)產(chǎn)生極大的應(yīng)力，并能導(dǎo)致某些樣式的電阻器失效。

要得到 5 s 脈沖的過(guò)載功率，可按照數(shù)據(jù)表上的規(guī)定將額定功率乘以 5 或 10。

要得到 1 s 到 5 s 內(nèi)的過(guò)載功率能力，可將過(guò)載功率乘以 5 s 轉(zhuǎn)換為能量，然后除以脈沖寬度 (s) 即可求得過(guò)載功率能力。

對(duì)于交叉點(diǎn)和 1 s 之間的脈沖持續(xù)時(shí)間，使用針對(duì) 1 s 計(jì)算出的過(guò)載功率

示例

RS005 電阻器的過(guò)載功率是多少？

按照規(guī)格書(shū)的規(guī)定，RS005 的額定功率為 5W，5 s 內(nèi)可承受 10 倍額定功率：10 x 5 W = 50 W

RS005 在 5 秒內(nèi)的能量容量是多少？

在 5 s 內(nèi)，能量容量為：50 W x 5 s = 250 W·s 或 J

RS005 在 1 s 內(nèi)的過(guò)載功率能力是多少？

在 1 s 內(nèi)，過(guò)載功率能力為 250 W·s / 1 s = 250 W

RS005 在 0.5 秒內(nèi)的能量容量是多少？

在 0.5 s 內(nèi)，能量容量為 250 W x 0.5 s = 125 W·s 或 J

確定脈沖能力所需的條件

圖 2：找到這些與脈沖容量有關(guān)的問(wèn)題的答案將有助于確定應(yīng)用解決方案。（圖片來(lái)源：VishayDale）

脈沖應(yīng)用通常分為三類(lèi)：方波、電容式充放電或指數(shù)衰減。在以下部分中，將給出每種脈沖應(yīng)用的脈沖能量計(jì)算示例。

方波

在給定脈沖時(shí)間內(nèi)，在電阻上施加恒定的電壓或電流。

圖 3：振幅為 100VDC 的方波在 1ms 內(nèi)通過(guò) 10 Ω 電阻器的脈沖能量計(jì)算示例。（圖片來(lái)源：VishayDale）

電容式充電/放電

將電容器充電至特定的電壓，然后通過(guò)繞線電阻器放電。

圖 4：電容式充電/放電應(yīng)用的脈沖能量計(jì)算示例。（圖片來(lái)源：VishayDale）

指數(shù)式衰減/雷擊電涌

該應(yīng)用達(dá)到峰值電壓，然后以與之成比例的速度下降。這通常由 DO-160E WF4 或 IEC 6100-4-5 來(lái)建模，并代表雷擊電涌。

圖 5：雷擊電涌事件的脈沖能量計(jì)算示例。（圖片來(lái)源：VishayDale）

等間隔重復(fù)脈沖

在計(jì)算重復(fù)脈沖的脈沖處理能力時(shí)，必須考慮平均功率以及單脈沖能量。這是因?yàn)槠骄β试诓考显斐闪艘恍┢骄鶞厣?，這就耗費(fèi)了一定百分比的部件能量容量。那部分沒(méi)有被平均功率使用的能量就可以用來(lái)處理瞬時(shí)脈沖能量。當(dāng)這兩個(gè)百分比（平均功率與額定功率之比、脈沖能量與脈沖處理能力之比）的和不得超過(guò)部件總額定值的 100%。

示例

以下示例基于一個(gè)等間隔的重復(fù)方波脈沖。

圖 6：該示例是基于一個(gè)等間隔的重復(fù)方波脈沖。（圖片來(lái)源：VishayDale）

脈沖功率，P = V2/R 或 I2R，是針對(duì)單脈沖計(jì)算的

平均功率的計(jì)算方法如下：PAvg = Pt/T

計(jì)算脈沖能量：E = Pt

計(jì)算平均功率與額定功率的百分比 (PR)：百分比（功率）= 100 x PAVG/PR

Vishay Dale engineering 可以提供已知電阻型號(hào)、電阻值和環(huán)境溫度的脈沖處理能力 (ER)。

計(jì)算脈沖能量與脈沖處理能力的百分比：百分比（能量）= 100 x E/ER

將 (4) 和 (6) 中的百分比相加。如果其和小于 100％，則所選電阻可以接受。如果百分比大于 100 %，則應(yīng)選擇額定功率更大或脈沖處理能力更強(qiáng)的電阻器。請(qǐng)聯(lián)系 Vishay Dale engineering，以確定適合具體應(yīng)用的最佳電阻。

示例

環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)，向 RS007 100Ω 電阻器上施加一系列等距方波脈沖，其振幅為 200 VDC、脈寬 20ms、周期為 20s。

脈沖功率為：p = V2/R = (200 V)2/100 Ω = 400 W

平均功率為：PAVG = Pt/T = (400 W x 0.02 s)/20 s = 0.4 W

計(jì)算脈沖能量：E = Pt = 400 W x 0.02 s = 8.0 W-s 或 J

RS007 電阻器的額定功率 (PR) 為 7 W。計(jì)算平均功率與額定功率的百分比：PAVG/PR x100 = ((0.4 W)/(7.0 W)) x 100 = 5.7%

環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)，Vishay Dale engineering 提供的脈沖處理能力 (ER) 為 15.3 J

脈沖能量與脈沖處理能力的百分比計(jì)算如下：

100 x E/ER = 100 x ((8.0 J)/(15.3 J)) = 52.3%

將 (4) 和 (6) 式中計(jì)算出的百分比相加：5.7% + 52.3% = 58%。

由于這個(gè)百分比小于總額定值的 100%，所以 RS007 電阻器足以耐受該脈沖。

非感性電阻器

非感性功率電阻器由兩個(gè)繞組組成，每個(gè)繞組都是成品電阻值的兩倍。因此，能量容量幾乎總是大于標(biāo)準(zhǔn)繞組單元。要計(jì)算非感性電阻所需的能量容量，需計(jì)算每歐姆的能量 (J/Ω)，即用能量除以四倍的電阻值。

示例

處理施加在 500 Ω 電阻器上的 0.2 J 脈沖所需的每歐姆能量是多少？

每歐姆所需的能量為：E/4R = (0.2 J)/(4 x 500 Ω) = 100 x10-6 J/Ω

可以將 Vishay Dale engineering，以便為應(yīng)用找到最佳產(chǎn)品。

電壓極限

短脈沖 - 尚未確定繞線電阻器處于短時(shí)脈沖下的額定過(guò)載電壓。Sandia Corporation 使用 20 μs 脈沖對(duì)我們的 NS 和 RS 電阻器進(jìn)行了研究。項(xiàng)研究表明：只要不超過(guò)脈沖處理能力，這種類(lèi)型電阻器需要每英寸大約 20 kV。

長(zhǎng)脈沖 - 對(duì)于在交叉點(diǎn)到 5s 之間的脈沖，對(duì)于 4 W 及以上的規(guī)格來(lái)說(shuō)建議最大過(guò)載為 √10 倍的最大工作電壓，對(duì)于小于 4W 的規(guī)格來(lái)說(shuō)則為 √5 倍的最大過(guò)載電壓。

可熔電阻器

如果應(yīng)用的目標(biāo)是讓電阻器在特定條件下熔斷，則可使用 Vishay Dale 提供的可熔電阻器。

為特定應(yīng)用定制的快斷模制樣式電阻器

Vishay Dale 提供各種各樣的繞線電阻器。他們也能夠針對(duì)特定應(yīng)用定制快斷式模制電阻器。雖然 Digi-Key 也針對(duì)某些此類(lèi)電阻備有現(xiàn)貨，但實(shí)際上這類(lèi)電阻有數(shù)百種之多。一些具體示例和零件編號(hào)表參見(jiàn)圖 7，這些產(chǎn)品可用來(lái)為特定應(yīng)用定制合適的電阻。