為什么大功率電阻會爆炸？

一說到大功率電阻，通常會想到線繞技術和厚膜技術的電阻。其中，線繞電阻是最常見的大功率電阻，在陶瓷絕緣骨架上繞制電阻絲制成，單個電阻功率可達3KW以上。以下是幾種常見的線繞電阻。

厚膜技術的大功率電阻主要指的是平面功率電阻，是基于氧化鋁和氮化鋁基板印刷厚膜電阻漿料制成。以下是幾種常見的平面功率電阻。

第三種大功率電阻是實心陶瓷電阻，這種電阻相較于前兩種電阻技術，知名度不是很高，但卻具有非常明顯的優勢：

● 高可靠性， 依靠陶瓷體吸收能量， 瞬時高能量脈沖的吸收最強?！?具有化學惰性和熱穩定性?！?尺寸小， 相同尺寸可承受更高功率密度和能量?！?完全無感設計， 可應用于吸收或釋放高頻高能量脈沖。

其制作工藝完全不同于線繞電阻和平面功率電阻，陶瓷電阻一般采用煅燒礬土、粘土、石墨或硅，以顆粒形態按照一定質量配比混合均勻，經成型、高溫燒結、電極處理、最后封裝測試后制成。

實心陶瓷電阻和線繞電阻及膜式平面功率電阻的最大區別在于其通體導電，其阻值取決于石墨等導電粒子之間的接觸電阻以及石墨等導電粒子本身的電阻。

這種電阻能承受高能高脈沖的沖擊，非常適合用于能量泄放，如電容器充放電等場合。實心陶瓷電阻無感，可靠性極高，根據不同的應用分為功率型和脈沖型兩種。

在實際的應用中，很多工程師擔心大功率電阻在比較惡劣的工況下或嚴重過載的情況下會失效，隨之影響整機的正常運轉。

線繞電阻可能發生的情況是電阻絲被燒斷，導致電阻斷路；厚膜電阻的電阻膜層可能被蒸發，導致阻值的劇烈變化，且這種變化是不可逆的。

而陶瓷電阻，既不會有斷線的風險，也不會有電阻材料蒸發的風險，那么陶瓷電阻在這種極端工況下會有怎樣的表現呢？對此，我們對陶瓷電阻做了一系列破壞性試驗。分別測試Kanthal品牌254AS系列和254SP系列在過載幾十倍的狀態下的表現。

電阻準備與試驗參數設定

注釋：1. AS系列是脈沖型電阻材料，適用于抗脈沖的場合。2. SP系列是功率型電阻材料，適用于持續高功率的場合。

---------------- 試驗過程 ----------------

254AS系列

對254AS系列電阻施加550W功率。電阻在很短的時間內便開始冒煙，變紅，直到通體熾熱通紅，兩端出現明火，明火持續約20s才熄滅，此時電源為恒流3.92A輸出，但是兩端電壓下降至66.3V，說明從0s到60s左右時電阻阻值一直在下降；60s至185s，電阻又出現了通體熾熱通紅，亮度保持恒定，同時電阻兩端電壓保持恒定，說明此過程電阻阻值達到穩定；185s至315s，電阻兩端電壓開始緩慢上升至140.7V，此時到達電源設定的最大輸出能力，此過程阻值增大；在這個過程中，電阻通紅發亮亮度增強；315s開始，電源保持恒壓輸出，但是輸出電流急劇下降，電阻發光亮度也急劇下降；390s，電阻發亮熄滅，此時電源電流顯示輸出為零。以下為試驗視頻，速率已調整至6倍速。

在整個過程中，254AS系列陶瓷電阻出現冒煙-變紅-通體熾熱發光-微弱明火-通體熾熱發光-發光亮度增大-發光亮度減弱直至熄滅，但是沒有出現爆炸。

觀察電阻表面，電阻出現了明顯的開裂現象，外層為黃色，內部為黑色，還看到有膠狀物。此時測量阻值為457KΩ，說明電阻并不是理想的開路狀態。

上為測試前，下為測試后

254SP系列

對254SP系列電阻施加1000W功率。當打開電源輸出時，電壓恒壓輸出182V，電流顯示輸出為3A；說明電阻迅速受熱，阻值瞬間變大至60Ω左右。10s時電阻表面開始變紅發亮，此后一直到50s，電阻發光亮度逐漸增強；在此過程中電阻兩端電壓恒定為182V，電流輸出從3A緩慢下降至2.29A，說明此過程電阻阻值在緩慢上升。50s開始，電阻發光保持恒定，亮度略有變暗；電源輸出恒定在182V，2.29A，此電阻保持在80Ω左右。

一直持續至300s，電源保持416W輸出，電阻阻值無明顯波動，說明電阻已經達到了熱平衡，隨后便停止了試驗。以下為試驗視頻，速率已調整至6倍速。

在整個測試過程中，254SP系列陶瓷電阻無冒煙、著火現象，也沒有出現爆炸現象。待電阻冷卻后，觀察電阻表面，電阻兩端略微發黑，標記變暗淡，端帽部分出現氧化。此時測量阻值為36.9Ω，阻值變化約11.4%。

上為測試前，下為測試后

---------------- 分析 ---------------

① 為什么254AS系列會出現明火現象？

254AS系列電阻表面涂覆一層綠色的絕緣漆，這種絕緣漆在高溫的情況下會冒煙燃燒，待這種絕緣漆燃燒盡后，電阻表面不再出現明火。

② 為什么254AS系列電阻阻值先減小后變大？

初期功率過載阻值減小原因：

1. 陶瓷電阻阻值主要取決于石墨粒子之間的接觸電阻，以及石墨本身的電阻，石墨粒子在電阻中并不是呈規則排列，而是縱橫交錯，在制造過程中，會導致電阻中存在缺陷。

在初始功率過載時，電阻中接觸不良的部分得以優化，降低導電通路的缺陷率與接觸電阻值，使得石墨粒子之間接觸狀態趨于穩定，從而電阻阻值下降。

2. 254AS系列陶瓷電阻為負溫度系數，溫度上升阻值下降。

過載一段時間后阻值增大原因：

在功率過載一段時間后，由于陶瓷電阻無法承受功率過載產生的高溫，電阻內部膨脹開裂，石墨部分暴露在空氣中被氧化，與此同時電阻的截面積變小，導致電阻阻值迅速躥升。但電阻阻值上升至一定阻值時，電阻熱功率已經非常小了，阻值趨于穩定。

③ 為什么254SP系列陶瓷電阻在整個過程中無明火、且不會燒毀？

254SP系列陶瓷表面涂覆耐高溫的釉層，起到防潮的作用，同時可浸油使用。同時，在高溫下，釉不會燃燒。SP系列采用耐高溫陶瓷粉末配比，允許最高連續工作溫度350℃，短時過載工作允許溫度達到550℃~600℃。所以254SP系列適合連續大功率應用場合。

小結：

大部分的工程師都會降額使用大功率電阻，依據軍標的標準，通常降額一半，其實降額多少必須結合工作環境和散熱條件來考慮，如果該電阻周圍聚集了眾多發熱元器件，或者工作環境溫度持續較高，或者通風條件較差，則為了降低發熱甚至需要進一步的降額使用，但若是安裝空間有限，無法使用更大尺寸的功率電阻，則要考慮該電阻在過載情況下的表現了。

本文作者：Resistor Today