深入了解電阻的“功率”
發(fā)布時間:2020-10-22 來源:呂工 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】功率,指物體在單位時間內(nèi)做功多少,是用于描述做功快慢的物理量,用字母P來表示。電阻器在電路中作為純耗能元件,其將電能轉(zhuǎn)換為熱能,這個熱量被電阻吸收并最終耗散至環(huán)境中。固定阻值的電阻,其實際工作功率取決于兩端的電壓或電流。
P = W/t
電阻器在電路中作為純耗能元件,其將電能轉(zhuǎn)換為熱能,這個熱量被電阻吸收并最終耗散至環(huán)境中。固定阻值的電阻,其實際工作功率取決于兩端的電壓或電流:
P=UI=U2/R=I2R
電阻器作為一個實體物質(zhì),其所能承受的熱量是有限的;超過其限度,阻值會發(fā)生較大的變化,甚至開路。
電阻器的額定功率:指電阻在正常氣候條件下(如大氣壓、環(huán)境溫度等),長時間連續(xù)安全工作可耗散或可承受的最大功率。一般我們?nèi)?0℃靜止自由空氣中為額定功率的最大工作溫度點,電阻額定功率記為P70。電阻實際使用時,需要留有一定的功率余量,建議為額定功率的一半。
我們注意到電阻的額定功率建立在確定的環(huán)境條件和在長時間連續(xù)安全工作的基礎(chǔ)上。在這個過程中,電阻存在發(fā)熱和散熱兩種變化,最終電阻會達到一個熱平衡,并在其電阻體上建立起恒定的表面溫度。該表面溫度高于環(huán)境溫度,并在電阻體可接受的范圍內(nèi)(即阻值波動在允許范圍內(nèi))。額定功率就是這么一個單位時間內(nèi)的熱臨界值;超過額定功率,那么熱平衡時,電阻體上的表面溫度就超出電阻可接受的范圍。
如果我們能影響電阻的發(fā)熱與散熱能力,就能改變電阻的額定功率。電阻的額定功率取決于電阻的幾何尺寸、電阻材料的允許溫度、基板的熱導(dǎo)率、環(huán)境條件等。電阻尺寸越大、電阻材料耐受能力越強、基板的熱導(dǎo)率越高,環(huán)境溫度越低或有空氣流動,那么電阻的功率就越大。另外,可以通過安裝散熱器來改善電阻器的散熱能力。當環(huán)境溫度超過70℃額定功率最大工作溫度點,散熱空間被壓縮,那么電阻也必須減少發(fā)熱量,即降額。當環(huán)境溫度接近電阻器允許溫度時,此時如果再施加功率,電阻器的熱量將無法正常散出,可能導(dǎo)致電阻燒毀。因此電阻長時間連續(xù)工作時,必須參照降功耗曲線。
短時間內(nèi),電阻的溫度可以高于其允許溫度;為了測試其耐受能力,我們通常會施加2-10倍的功率,持續(xù)5s,即短時過載測試,考驗電阻的過載能力。
除了額定功率外,電阻在使用過程中,會碰到單個脈沖,或者是周期性脈沖的情形。為了更好描述此過程,我們引入電阻“最大脈沖功率”概念。
電阻最大脈沖功率:電阻工作時所能承受的最大瞬間電壓,記作Ppulse;一般Ppulse要遠遠大于P70。
在很多情況下,經(jīng)過電阻的瞬間電壓非常大,持續(xù)時間卻很短,即電阻產(chǎn)生的熱量非常小。對于單個脈沖來說,單次發(fā)熱時間很短,散熱時間卻是無窮長的,即單個脈沖的平均功率非常小,但是峰值功率卻很大。這個瞬間的微小熱量具有足夠大的熱能量密度來損壞電阻,使得阻值發(fā)生劇烈變化。打個比方,用筷子和針去刺破一塊布,相同力量F下,針可以很輕松刺破布,而筷子卻不行。這是因為,針頭面積小,而筷子頭面積大,針頭可以產(chǎn)生足夠大的壓強來刺破布,而筷子卻不行:
Pa=F/S
當單個脈沖的脈寬ti逐漸變短時,Pmax會逐漸變大;當ti短至一定寬度,Pmax不會繼續(xù)變大,會保持恒定值,此恒定值就是電阻元素的極限耐受能力。當單個脈沖的脈寬ti逐漸延長時,電阻的最大脈沖功率Pmax也會逐漸變??;若單個脈沖ti無限延長時,就變成一個連續(xù)脈沖,此時Pmax=P70。因此,電阻的最大脈沖功率Pmax取決于脈沖寬度ti和電阻極限耐受能力。任何時刻,脈沖峰值功率Ppeak都不允許超過電阻最大脈沖功率Pmax。電阻在使用時,需參照單個最大脈沖功率負載圖。
對于周期性脈沖也是如此,脈沖峰值功率Ppeak不允許超過電阻最大脈沖功率Pmax,與此同時,周期性脈沖的平均功率Pave不允許超過電阻額定功率P70。因為,周期性脈沖屬于間歇性發(fā)熱,最終會在電阻表面建立起熱平衡。
對于電阻在受到周期性脈沖負載時,若我們想得知電阻最終熱平衡時表面溫度,我們需從兩個角度來獲取相關(guān)參數(shù)(必不可少)進行計算:
衡量電阻發(fā)熱能力的參數(shù):單個脈沖能量Q(U2/R*ti),脈沖周期Tp,脈沖個數(shù)N,電阻串并聯(lián)總質(zhì)量M,電阻材料比熱容Cr,衡量電阻散熱能力的參數(shù):電阻熱時間常數(shù)τ,環(huán)境溫度T。
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