一文解析繞線電阻器的脈沖處理能力

功率繞線電阻器具有穩態功率和電壓額定值，表明了該裝置應達到的最高溫度。相對于 5 秒或更短的持續時間來說，這些額定值令人滿意；然而，電阻器能夠在短時間內（小于交叉點）處理高得多的功率和電壓水平。例如在室溫下，RS005 的連續額定功率為 5W，但在 1ms 內可承受 24,500 W 功率，而在 1μs 內則可達到 24,500,000 W。這種看似高功率能力的原因是，能量是功率和時間之乘積，產生熱量不僅僅是由于功率。

短脈沖（小于交叉點的持續時間）

對于短脈沖，我們必須確定施加在電阻器上的能量。對于小于交叉點的脈沖，Vishay Dale engineering 假設所有脈沖能量都通過電阻元件（導線）耗散。為了使電阻器在產品使用壽命內保持其性能特點，Vishay Dale 會以電阻芯、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，進行分析并提出建議。交叉點是指大量能量開始耗散的時間，不僅耗散到電線中，而且此時正在耗散到電阻芯、引線和封裝材料中。這時，脈沖不再被認為是短脈沖，而是長脈沖。

對每個電阻型號和數值來說，脈沖處理能力不盡相同，因為脈沖處理能力基于電阻元件的質量和比熱。一旦規定了功率和能量，Vishay Dale 就可以確定應用的最佳電阻選擇。

交叉點

例如一個在室溫下的 RS005 500 Ω 電阻器：

必要的信息：

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

PO = 部件在 1s 時的過載功率能力。RS005 的過載功率能力為 1 秒，10 x 5 W x 5 s = 250 Ws/1 s = 250 W

交叉點 (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約為 25.3 ms。

長脈沖（交叉點至 5 秒）

對于長脈沖來說，大部分熱量是在電阻芯、導線和封裝材料中消散的。因此，用于短脈沖的計算方法過于保守。對于長脈沖應用，使用數據手冊中的額定短時過載。請注意，具有短時間過載幅度的重復脈沖會產生極大的應力，并能導致某些樣式的電阻器失效。

要得到 5 s 脈沖的過載功率，可按照數據表上的規定將額定功率乘以 5 或 10。

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

對于交叉點和 1 s 之間的脈沖持續時間，使用針對 1 s 計算出的過載功率

示例

RS005 電阻器的過載功率是多少？

按照規格書的規定，RS005 的額定功率為 5W，5 s 內可承受 10 倍額定功率：10 x 5 W = 50 W

RS005 在 5 秒內的能量容量是多少？

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

RS005 在 1 s 內的過載功率能力是多少？

在 1 s 內，過載功率能力為 250 W·s / 1 s = 250 W

RS005 在 0.5 秒內的能量容量是多少？

在 0.5 s 內，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的問題的答案將有助于確定應用解決方案。（圖片來源：VishayDale）

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

方波

在給定脈沖時間內，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 內通過 10 Ω 電阻器的脈沖能量計算示例。（圖片來源：VishayDale）

電容式充電/放電

將電容器充電至特定的電壓，然后通過繞線電阻器放電。

圖 4：電容式充電/放電應用的脈沖能量計算示例。（圖片來源：VishayDale）

指數式衰減/雷擊電涌

該應用達到峰值電壓，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 來建模，并代表雷擊電涌。

圖 5：雷擊電涌事件的脈沖能量計算示例。（圖片來源：VishayDale）

等間隔重復脈沖

在計算重復脈沖的脈沖處理能力時，必須考慮平均功率以及單脈沖能量。這是因為平均功率在部件上造成了一些平均溫升，這就耗費了一定百分比的部件能量容量。那部分沒有被平均功率使用的能量就可以用來處理瞬時脈沖能量。當這兩個百分比（平均功率與額定功率之比、脈沖能量與脈沖處理能力之比）的和不得超過部件總額定值的 100%。

示例

以下示例基于一個等間隔的重復方波脈沖。

圖 6：該示例是基于一個等間隔的重復方波脈沖。（圖片來源：VishayDale）

脈沖功率，P = V2/R 或 I2R，是針對單脈沖計算的

平均功率的計算方法如下：PAvg = Pt/T

計算脈沖能量：E = Pt

計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、電阻值和環境溫度的脈沖處理能力 (ER)。

計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 %，則應選擇額定功率更大或脈沖處理能力更強的電阻器。請聯系 Vishay Dale engineering，以確定適合具體應用的最佳電阻。

示例

環境溫度為 25°C 時，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%

環境溫度為 25°C 時，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算如下：

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

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

由于這個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繞組組成，每個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準繞組單元。要計算非感性電阻所需的能量容量，需計算每歐姆的能量 (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，以便為應用找到最佳產品。

電壓極限

短脈沖 - 尚未確定繞線電阻器處于短時脈沖下的額定過載電壓。Sandia Corporation 使用 20 μs 脈沖對我們的 NS 和 RS 電阻器進行了研究。項研究表明：只要不超過脈沖處理能力，這種類型電阻器需要每英寸大約 20 kV。

長脈沖 - 對于在交叉點到 5s 之間的脈沖，對于 4 W 及以上的規格來說建議最大過載為 √10 倍的最大工作電壓，對于小于 4W 的規格來說則為 √5 倍的最大過載電壓。

可熔電阻器

如果應用的目標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。關于常見的 RS 熔斷式電阻類型，請參考第七頁或者點擊以下鏈接，查看完整的 RS 熔斷器規格書。

為特定應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。他們也能夠針對特定應用定制快斷式模制電阻器。雖然 Digi-Key 也針對某些此類電阻備有現貨，但實際上這類電阻有數百種之多。一些具體示例和零件編號表參見圖 7，這些產品可用來為特定應用定制合適的電阻。

圖 7：以上所列舉電阻器只代表了數百種變體一小部分。對于為特定應用設計的定制電阻，可以使用本文末尾給出的零件編號表。（圖片來源：VishayDale）