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是什么原因让大功率电阻爆炸?

2019-03-01 13:26 来源:互联网 编辑:niko

一说到大功率电阻,通常会想到线绕技术和厚膜技术的电阻。其中,线绕电阻是最常见的大功率电阻,在陶瓷绝缘骨架上绕制电阻丝制成,单个电阻功率可达3KW以上。以下是几种常见的线绕电阻。

是什么原因让大功率电阻爆炸?

厚膜技术的大功率电阻主要指的是平面功率电阻,是基于氧化铝和氮化铝基板印刷厚膜电阻浆料制成。以下是几种常见的平面功率电阻。

是什么原因让大功率电阻爆炸?

第三种大功率电阻是实心陶瓷电阻,这种电阻相较于前两种电阻技术,知名度不是很高,但却具有非常明显的优势:

● 高可靠性, 依靠陶瓷体吸收能量, 瞬时高能量脉冲的吸收最强。● 具有化学惰性和热稳定性。● 尺寸小, 相同尺寸可承受更高功率密度和能量。● 完全无感设计, 可应用于吸收或释放高频高能量脉冲。

其制作工艺完全不同于线绕电阻和平面功率电阻,陶瓷电阻一般采用煅烧矾土、粘土、石墨或硅,以颗粒形态按照一定质量配比混合均匀,经成型、高温烧结、电极处理、最后封装测试后制成。

实心陶瓷电阻和线绕电阻及膜式平面功率电阻的最大区别在于其通体导电,其阻值取决于石墨等导电粒子之间的接触电阻以及石墨等导电粒子本身的电阻。

这种电阻能承受高能高脉冲的冲击,非常适合用于能量泄放,如电容器充放电等场合。实心陶瓷电阻无感,可靠性极高,根据不同的应用分为功率型和脉冲型两种。

在实际的应用中,很多工程师担心大功率电阻在比较恶劣的工况下或严重过载的情况下会失效,随之影响整机的正常运转。

线绕电阻可能发生的情况是电阻丝被烧断,导致电阻断路;厚膜电阻的电阻膜层可能被蒸发,导致阻值的剧烈变化,且这种变化是不可逆的。

而陶瓷电阻,既不会有断线的风险,也不会有电阻材料蒸发的风险,那么陶瓷电阻在这种极端工况下会有怎样的表现呢?对此,我们对陶瓷电阻做了一系列破坏性试验。分别测试Kanthal品牌254AS系列和254SP系列在过载几十倍的状态下的表现。

电阻准备与试验参数设定

是什么原因让大功率电阻爆炸?

注释:1. AS系列是脉冲型电阻材料,适用于抗脉冲的场合。2. SP系列是功率型电阻材料,适用于持续高功率的场合。

----------------  试验过程  ----------------

254AS系列

对254AS系列电阻施加550W功率。电阻在很短的时间内便开始冒烟,变红,直到通体炽热通红,两端出现明火,明火持续约20s才熄灭,此时电源为恒流3.92A输出,但是两端电压下降至66.3V,说明从0s到60s左右时电阻阻值一直在下降;60s至185s,电阻又出现了通体炽热通红,亮度保持恒定,同时电阻两端电压保持恒定,说明此过程电阻阻值达到稳定;185s至315s,电阻两端电压开始缓慢上升至140.7V,此时到达电源设定的最大输出能力,此过程阻值增大;在这个过程中,电阻通红发亮亮度增强;315s开始,电源保持恒压输出,但是输出电流急剧下降,电阻发光亮度也急剧下降;390s,电阻发亮熄灭,此时电源电流显示输出为零。以下为试验视频,速率已调整至6倍速。

在整个过程中,254AS系列陶瓷电阻出现冒烟-变红-通体炽热发光-微弱明火-通体炽热发光-发光亮度增大-发光亮度减弱直至熄灭,但是没有出现爆炸。

观察电阻表面,电阻出现了明显的开裂现象,外层为黄色,内部为黑色,还看到有胶状物。此时测量阻值为457KΩ,说明电阻并不是理想的开路状态。

是什么原因让大功率电阻爆炸?

上为测试前,下为测试后

254SP系列

对254SP系列电阻施加1000W功率。当打开电源输出时,电压恒压输出182V,电流显示输出为3A;说明电阻迅速受热,阻值瞬间变大至60Ω左右。10s时电阻表面开始变红发亮,此后一直到50s,电阻发光亮度逐渐增强;在此过程中电阻两端电压恒定为182V,电流输出从3A缓慢下降至2.29A,说明此过程电阻阻值在缓慢上升。50s开始,电阻发光保持恒定,亮度略有变暗;电源输出恒定在182V,2.29A,此电阻保持在80Ω左右。

一直持续至300s,电源保持416W输出,电阻阻值无明显波动,说明电阻已经达到了热平衡,随后便停止了试验。以下为试验视频,速率已调整至6倍速。

在整个测试过程中,254SP系列陶瓷电阻无冒烟、着火现象,也没有出现爆炸现象。待电阻冷却后,观察电阻表面,电阻两端略微发黑,标记变暗淡,端帽部分出现氧化。此时测量阻值为36.9Ω,阻值变化约11.4%。

是什么原因让大功率电阻爆炸?

上为测试前,下为测试后

----------------  分析   ---------------

① 为什么254AS系列会出现明火现象?

254AS系列电阻表面涂覆一层绿色的绝缘漆,这种绝缘漆在高温的情况下会冒烟燃烧,待这种绝缘漆燃烧尽后,电阻表面不再出现明火。

② 为什么254AS系列电阻阻值先减小后变大?

初期功率过载阻值减小原因:

1. 陶瓷电阻阻值主要取决于石墨粒子之间的接触电阻,以及石墨本身的电阻,石墨粒子在电阻中并不是呈规则排列,而是纵横交错,在制造过程中,会导致电阻中存在缺陷。

在初始功率过载时,电阻中接触不良的部分得以优化,降低导电通路的缺陷率与接触电阻值,使得石墨粒子之间接触状态趋于稳定,从而电阻阻值下降。

2. 254AS系列陶瓷电阻为负温度系数,温度上升阻值下降。

过载一段时间后阻值增大原因:

在功率过载一段时间后,由于陶瓷电阻无法承受功率过载产生的高温,电阻内部膨胀开裂,石墨部分暴露在空气中被氧化,与此同时电阻的截面积变小,导致电阻阻值迅速蹿升。但电阻阻值上升至一定阻值时,电阻热功率已经非常小了,阻值趋于稳定。

③ 为什么254SP系列陶瓷电阻在整个过程中无明火、且不会烧毁?

254SP系列陶瓷表面涂覆耐高温的釉层,起到防潮的作用,同时可浸油使用。同时,在高温下,釉不会燃烧。SP系列采用耐高温陶瓷粉末配比,允许最高连续工作温度350℃,短时过载工作允许温度达到550℃~600℃。所以254SP系列适合连续大功率应用场合。

小结:

大部分的工程师都会降额使用大功率电阻,依据军标的标准,通常降额一半,其实降额多少必须结合工作环境和散热条件来考虑,如果该电阻周围聚集了众多发热元器件,或者工作环境温度持续较高,或者通风条件较差,则为了降低发热甚至需要进一步的降额使用,但若是安装空间有限,无法使用更大尺寸的功率电阻,则要考虑该电阻在过载情况下的表现了。

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