说在前面
尽管电阻器是电子电路设计中最普通最常用的器件,但在日常客户拜访过程中,同电子设计工程师的交流让我们发现电阻器经常会被错误的理解和使用,希望这次的长篇连载可以对电子电路设计中电阻的使用提供一个实际的指导和启发。第一章节是关于电阻元器件的基础知识,接下来的章节会介绍不同类型的电阻,对于每一类型的电阻, 我们都会先讨论其结构和原理,然后再介绍在电路中实际的应用。
额定功率和散热
电阻器是电路中普通却关键的电子元件,它是根据公式P=E*I将电能转换为热能的能量转换器,其中消耗的功率(P)是在电阻器上施加电压(E)并产生电流(I)的结果。
同样根据欧姆定律,为了方便起见,这里还引用了这些附加公式:
P=I²R,P=E²/R
1瓦时相当于3．413BTUs
电阻器转换的能量不能持续积累并以热的形式储存在电阻器内,最终必须将其传递到其他物体,使电阻器内产生的热量等于传递到其他物体的热量,从而产生稳定的内部温度。此温度不能超过可容忍的极限,因为进一步升高温度会改变电阻器的完整性,甚至会破坏它。这个在电阻内部的极限温度,被称为“最高的内部热点温度”,就好像器件内有一个可能过热的点。
内部热点温度必须限制在某一温度范围内, 这一温度不会造成电阻合金的冶金退化或金属陶瓷及其他非金属元素的化学变化而导致的永久性性能变化。通常情况下,它受限于电阻保护涂层所能容忍的较低温度。
在没有散热器的情况下,热量从内部热点流过电阻器本体,并通过电阻器本体的辐射和对流传递到另一种介质。有了散热器,热量通过传导可以更快地传递出去。引线充当了电阻器本体到电路板(充当散热器)的导热体,帮助了电阻器散失掉总热量中的大部分。
在静止空气中使用电阻器可以最快地达到平衡温度。如果有空气循环,热量中的一大部分就可以在达到最高温度之前被耗散掉。为了在最高内部热点温度以下消耗更大的功率,散热片、油浴、冷却水循环等附加的扇热设施就变得非常必要。
电阻器制造商为了将电阻的内部热点温度限制在令人满意的水平而确定的在静止空气中和使用散热器条件下电阻可以承受的最大功率就是额定功率,不得超过。也可以为在静止空气中或使用散热器条件下的电阻单独标定额定功率。另外,电阻工作的环境温度可能并不总是处于室温,如果电阻工作的环境温度处于较高水平,则电阻工作时能被环境耗散掉的功率就会较少。在使用时,可以参考电阻的功率降额曲线,以便了解如何在不超过电阻的最大内部热点温度的高温环境中使用电阻器。降额曲线显示在温度升高到某一点时功率降至零,这个温度就称为“最高热点温度”。
虽然每一家制造商都会规定电阻器的额定功率,但并不能简单地将这个额定功率应用在所有的实际工况中,一些应用中的散热可能需要进一步分析。从“内部热点温度”到电阻器本体上的某个“测试点温度”的温降通常是已知的,为了减少热分析的计算量,可仅限于对电阻器本体与散热介质之间相关的因素进行分析,可用“测试点温度”直接进行热分析。这个“测试点”及其“最高外部热点温度”经常被识别为“热点”。
电流额定值
许多电阻分流器和电流传感器是“受限于电流”,而不是受限于功率。这是因为随着电压的增加,电子流量也持续增加,直到出现一个点,电流将不再遵循欧姆定律。这一“临界电流密度”因电阻材料的不同而不同,但必须记住,引线和电阻附件也是有一个临界电流密度的。特定金属可以承受高达40KA/cm²的电流密度,但出于安全原因,制造商的额定值可能会大大低于这一限值。
