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深入了解电阻的“功率”

2019-09-26 08:41
Resistor.Today
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功率,指物体在单位时间内做功多少,是用于描述做功快慢的物理量,用字母P来表示。

P = W/t

电阻器在电路中作为纯耗能元件,其将电能转换为热能,这个热量被电阻吸收并最终耗散至环境中。固定阻值的电阻,其实际工作功率取决于两端的电压或电流:

P=UI=U2/R=I2R

电阻器作为一个实体物质,其所能承受的热量是有限的;超过其限度,阻值会发生较大的变化,甚至开路。

电阻器的额定功率:指电阻在正常气候条件下(如大气压、环境温度等),长时间连续安全工作可耗散或可承受的最大功率。一般我们取70℃静止自由空气中为额定功率的最大工作温度点,电阻额定功率记为P70。电阻实际使用时,需要留有一定的功率余量,建议为额定功率的一半。

我们注意到电阻的额定功率建立在确定的环境条件和在长时间连续安全工作的基础上。在这个过程中,电阻存在发热和散热两种变化,最终电阻会达到一个热平衡,并在其电阻体上建立起恒定的表面温度。该表面温度高于环境温度,并在电阻体可接受的范围内(即阻值波动在允许范围内)。额定功率就是这么一个单位时间内的热临界值;超过额定功率,那么热平衡时,电阻体上的表面温度就超出电阻可接受的范围。

如果我们能影响电阻的发热与散热能力,就能改变电阻的额定功率。电阻的额定功率取决于电阻的几何尺寸、电阻材料的允许温度、基板的热导率、环境条件等。电阻尺寸越大、电阻材料耐受能力越强、基板的热导率越高,环境温度越低或有空气流动,那么电阻的功率就越大。另外,可以通过安装散热器来改善电阻器的散热能力。当环境温度超过70℃额定功率最大工作温度点,散热空间被压缩,那么电阻也必须减少发热量,即降额。当环境温度接近电阻器允许温度时,此时如果再施加功率,电阻器的热量将无法正常散出,可能导致电阻烧毁。因此电阻长时间连续工作时,必须参照降功耗曲线。

短时间内,电阻的温度可以高于其允许温度;为了测试其耐受能力,我们通常会施加2-10倍的功率,持续5s,即短时过载测试,考验电阻的过载能力。

除了额定功率外,电阻在使用过程中,会碰到单个脉冲,或者是周期性脉冲的情形。为了更好描述此过程,我们引入电阻“最大脉冲功率”概念。

电阻最大脉冲功率:电阻工作时所能承受的最大瞬间电压,记作Ppulse;一般Ppulse要远远大于P70。

在很多情况下,经过电阻的瞬间电压非常大,持续时间却很短,即电阻产生的热量非常小。对于单个脉冲来说,单次发热时间很短,散热时间却是无穷长的,即单个脉冲的平均功率非常小,但是峰值功率却很大。这个瞬间的微小热量具有足够大的热能量密度来损坏电阻,使得阻值发生剧烈变化。打个比方,用筷子和针去刺破一块布,相同力量F下,针可以很轻松刺破布,而筷子却不行。这是因为,针头面积小,而筷子头面积大,针头可以产生足够大的压强来刺破布,而筷子却不行:

Pa=F/S

当单个脉冲的脉宽ti逐渐变短时,Pmax会逐渐变大;当ti短至一定宽度,Pmax不会继续变大,会保持恒定值,此恒定值就是电阻元素的极限耐受能力。当单个脉冲的脉宽ti逐渐延长时,电阻的最大脉冲功率Pmax也会逐渐变小;若单个脉冲ti无限延长时,就变成一个连续脉冲,此时Pmax=P70。因此,电阻的最大脉冲功率Pmax取决于脉冲宽度ti和电阻极限耐受能力。任何时刻,脉冲峰值功率Ppeak都不允许超过电阻最大脉冲功率Pmax。电阻在使用时,需参照单个最大脉冲功率负载图。

对于周期性脉冲也是如此,脉冲峰值功率Ppeak不允许超过电阻最大脉冲功率Pmax,与此同时,周期性脉冲的平均功率Pave不允许超过电阻额定功率P70。因为,周期性脉冲属于间歇性发热,最终会在电阻表面建立起热平衡。

对于电阻在受到周期性脉冲负载时,若我们想得知电阻最终热平衡时表面温度,我们需从两个角度来获取相关参数(必不可少)进行计算:

衡量电阻发热能力的参数:单个脉冲能量Q(U2/R*ti),脉冲周期Tp,脉冲个数N,电阻串并联总质量M,电阻材料比热容Cr,

衡量电阻散热能力的参数:电阻热时间常数τ,环境温度T。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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