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(gè)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(shí)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(gè)實(shí)體物質(zhì)，其所能承受的熱量是有限的；超過(guò)其限度，阻值會(huì)發(fā)生較大的變化，甚至開(kāi)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(zhǎng)時(shí)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(diǎn)，電阻額定功率記為P70。電阻實(shí)際使用時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)安全工作的基礎(chǔ)上。在這個(gè)過(guò)程中，電阻存在發(fā)熱和散熱兩種變化，最終電阻會(huì)達(dá)到一個(gè)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(dòng)在允許范圍內(nèi)）。額定功率就是這么一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的熱臨界值；超過(guò)額定功率，那么熱平衡時(shí)，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(qiáng)、基板的熱導(dǎo)率越高，環(huán)境溫度越低或有空氣流動(dòng)，那么電阻的功率就越大。另外，可以通過(guò)安裝散熱器來(lái)改善電阻器的散熱能力。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)70℃額定功率最大工作溫度點(diǎn)，散熱空間被壓縮，那么電阻也必須減少發(fā)熱量，即降額。當(dāng)環(huán)境溫度接近電阻器允許溫度時(shí)，此時(shí)如果再施加功率，電阻器的熱量將無(wú)法正常散出，可能導(dǎo)致電阻燒毀。因此電阻長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)，必須參照降功耗曲線。

 

短時(shí)間內(nèi)，電阻的溫度可以高于其允許溫度；為了測(cè)試其耐受能力，我們通常會(huì)施加2-10倍的功率，持續(xù)5s，即短時(shí)過(guò)載測(cè)試，考驗(yàn)電阻的過(guò)載能力。

 

 

除了額定功率外，電阻在使用過(guò)程中，會(huì)碰到單個(gè)脈沖，或者是周期性脈沖的情形。為了更好描述此過(guò)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(shí)所能承受的最大瞬間電壓，記作Ppulse；一般Ppulse要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P70。

 

在很多情況下，經(jīng)過(guò)電阻的瞬間電壓非常大，持續(xù)時(shí)間卻很短，即電阻產(chǎn)生的熱量非常小。對(duì)于單個(gè)脈沖來(lái)說(shuō)，單次發(fā)熱時(shí)間很短，散熱時(shí)間卻是無(wú)窮長(zhǎng)的，即單個(gè)脈沖的平均功率非常小，但是峰值功率卻很大。這個(gè)瞬間的微小熱量具有足夠大的熱能量密度來(lái)?yè)p壞電阻，使得阻值發(fā)生劇烈變化。打個(gè)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?yàn)椋橆^面積小，而筷子頭面積大，針頭可以產(chǎn)生足夠大的壓強(qiáng)來(lái)刺破布，而筷子卻不行：

 

Pa=F/S

 

當(dāng)單個(gè)脈沖的脈寬ti逐漸變短時(shí)，Pmax會(huì)逐漸變大；當(dāng)ti短至一定寬度，Pmax不會(huì)繼續(xù)變大，會(huì)保持恒定值，此恒定值就是電阻元素的極限耐受能力。當(dāng)單個(gè)脈沖的脈寬ti逐漸延長(zhǎng)時(shí)，電阻的最大脈沖功率Pmax也會(huì)逐漸變小；若單個(gè)脈沖ti無(wú)限延長(zhǎng)時(shí)，就變成一個(gè)連續(xù)脈沖，此時(shí)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(shí)刻，脈沖峰值功率Ppeak都不允許超過(guò)電阻最大脈沖功率Pmax。電阻在使用時(shí)，需參照單個(gè)最大脈沖功率負(fù)載圖。

 

對(duì)于周期性脈沖也是如此，脈沖峰值功率Ppeak不允許超過(guò)電阻最大脈沖功率Pmax，與此同時(shí)，周期性脈沖的平均功率Pave不允許超過(guò)電阻額定功率P70。因?yàn)?，周期性脈沖屬于間歇性發(fā)熱，最終會(huì)在電阻表面建立起熱平衡。

 

對(duì)于電阻在受到周期性脈沖負(fù)載時(shí)，若我們想得知電阻最終熱平衡時(shí)表面溫度，我們需從兩個(gè)角度來(lái)獲取相關(guān)參數(shù)（必不可少）進(jìn)行計(jì)算：

 

衡量電阻發(fā)熱能力的參數(shù)：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖能量Q（U2/R*ti）,脈沖周期Tp，脈沖個(gè)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(shí)間常數(shù)τ，環(huán)境溫度T。

 

 

推薦閱讀：