一文解析绕线电阻器的脉冲处理能力

功率绕线电阻器具有稳态功率和电压额定值，表明了该装置应达到的最高温度。相对于 5 秒或更短的持续时间来说，这些额定值令人满意；然而，电阻器能够在短时间内（小于交叉点）处理高得多的功率和电压水平。例如在室温下，RS005 的连续额定功率为 5W，但在 1ms 内可承受 24,500 W 功率，而在 1μs 内则可达到 24,500,000 W。这种看似高功率能力的原因是，能量是功率和时间之乘积，产生热量不仅仅是由于功率。

短脉冲（小于交叉点的持续时间）

对于短脉冲，我们必须确定施加在电阻器上的能量。对于小于交叉点的脉冲，Vishay Dale engineering 假设所有脉冲能量都通过电阻元件（导线）耗散。为了使电阻器在产品使用寿命内保持其性能特点，Vishay Dale 会以电阻芯、涂层或者引线上的热损为零的情况将电阻元件温度加热至 +350°C 所需的能量为基础，进行分析并提出建议。交叉点是指大量能量开始耗散的时间，不仅耗散到电线中，而且此时正在耗散到电阻芯、引线和封装材料中。这时，脉冲不再被认为是短脉冲，而是长脉冲。

对每个电阻型号和数值来说，脉冲处理能力不尽相同，因为脉冲处理能力基于电阻元件的质量和比热。一旦规定了功率和能量，Vishay Dale 就可以确定应用的最佳电阻选择。

交叉点

例如一个在室温下的 RS005 500 Ω 电阻器：

必要的信息：

ER = 某一型号的额定能量、电阻值和环境温度。由 Vishay Dale 提供，ER = 6.33 J。

PO = 部件在 1s 时的过载功率能力。RS005 的过载功率能力为 1 秒，10 x 5 W x 5 s = 250 Ws/1 s = 250 W

交叉点 (s) = ER (J)/PO (W)

6.33 J/ 250 W = 0.0253 s

RS005 500 Ω 电阻在室温下的交叉点约为 25.3 ms。

长脉冲（交叉点至 5 秒）

对于长脉冲来说，大部分热量是在电阻芯、导线和封装材料中消散的。因此，用于短脉冲的计算方法过于保守。对于长脉冲应用，使用数据手册中的额定短时过载。请注意，具有短时间过载幅度的重复脉冲会产生极大的应力，并能导致某些样式的电阻器失效。

要得到 5 s 脉冲的过载功率，可按照数据表上的规定将额定功率乘以 5 或 10。

要得到 1 s 到 5 s 内的过载功率能力，可将过载功率乘以 5 s 转换为能量，然后除以脉冲宽度 (s) 即可求得过载功率能力。

对于交叉点和 1 s 之间的脉冲持续时间，使用针对 1 s 计算出的过载功率

示例

RS005 电阻器的过载功率是多少？

按照规格书的规定，RS005 的额定功率为 5W，5 s 内可承受 10 倍额定功率：10 x 5 W = 50 W

RS005 在 5 秒内的能量容量是多少？

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

RS005 在 1 s 内的过载功率能力是多少？

在 1 s 内，过载功率能力为 250 W·s / 1 s = 250 W

RS005 在 0.5 秒内的能量容量是多少？

在 0.5 s 内，能量容量为 250 W x 0.5 s = 125 W·s 或 J

确定脉冲能力所需的条件

图 2：找到这些与脉冲容量有关的问题的答案将有助于确定应用解决方案。（图片来源：VishayDale）

脉冲应用通常分为三类：方波、电容式充放电或指数衰减。在以下部分中，将给出每种脉冲应用的脉冲能量计算示例。

方波

在给定脉冲时间内，在电阻上施加恒定的电压或电流。

图 3：振幅为 100VDC 的方波在 1ms 内通过 10 Ω 电阻器的脉冲能量计算示例。（图片来源：VishayDale）

电容式充电/放电

将电容器充电至特定的电压，然后通过绕线电阻器放电。

图 4：电容式充电/放电应用的脉冲能量计算示例。（图片来源：VishayDale）

指数式衰减/雷击电涌

该应用达到峰值电压，然后以与之成比例的速度下降。这通常由 DO-160E WF4 或 IEC 6100-4-5 来建模，并代表雷击电涌。

图 5：雷击电涌事件的脉冲能量计算示例。（图片来源：VishayDale）

等间隔重复脉冲

在计算重复脉冲的脉冲处理能力时，必须考虑平均功率以及单脉冲能量。这是因为平均功率在部件上造成了一些平均温升，这就耗费了一定百分比的部件能量容量。那部分没有被平均功率使用的能量就可以用来处理瞬时脉冲能量。当这两个百分比（平均功率与额定功率之比、脉冲能量与脉冲处理能力之比）的和不得超过部件总额定值的 100%。

示例

以下示例基于一个等间隔的重复方波脉冲。

图 6：该示例是基于一个等间隔的重复方波脉冲。（图片来源：VishayDale）

脉冲功率，P = V2/R 或 I2R，是针对单脉冲计算的

平均功率的计算方法如下：PAvg = Pt/T

计算脉冲能量：E = Pt

计算平均功率与额定功率的百分比 (PR)：百分比（功率）= 100 x PAVG/PR

Vishay Dale engineering 可以提供已知电阻型号、电阻值和环境温度的脉冲处理能力 (ER)。

计算脉冲能量与脉冲处理能力的百分比：百分比（能量）= 100 x E/ER

将 (4) 和 (6) 中的百分比相加。如果其和小于 100％，则所选电阻可以接受。如果百分比大于 100 %，则应选择额定功率更大或脉冲处理能力更强的电阻器。请联系 Vishay Dale engineering，以确定适合具体应用的最佳电阻。

示例

环境温度为 25°C 时，向 RS007 100Ω 电阻器上施加一系列等距方波脉冲，其振幅为 200 VDC、脉宽 20ms、周期为 20s。

脉冲功率为：p = V2/R = (200 V)2/100 Ω = 400 W

平均功率为：PAVG = Pt/T = (400 W x 0.02 s)/20 s = 0.4 W

计算脉冲能量：E = Pt = 400 W x 0.02 s = 8.0 W-s 或 J

RS007 电阻器的额定功率 (PR) 为 7 W。计算平均功率与额定功率的百分比：PAVG/PR x100 = ((0.4 W)/(7.0 W)) x 100 = 5.7%

环境温度为 25°C 时，Vishay Dale engineering 提供的脉冲处理能力 (ER) 为 15.3 J

脉冲能量与脉冲处理能力的百分比计算如下：

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

将 (4) 和 (6) 式中计算出的百分比相加：5.7% + 52.3% = 58%。

由于这个百分比小于总额定值的 100%，所以 RS007 电阻器足以耐受该脉冲。

非感性电阻器

非感性功率电阻器由两个绕组组成，每个绕组都是成品电阻值的两倍。因此，能量容量几乎总是大于标准绕组单元。要计算非感性电阻所需的能量容量，需计算每欧姆的能量 (J/Ω)，即用能量除以四倍的电阻值。

示例

处理施加在 500 Ω 电阻器上的 0.2 J 脉冲所需的每欧姆能量是多少？

每欧姆所需的能量为：E/4R = (0.2 J)/(4 x 500 Ω) = 100 x10-6 J/Ω

可以将 Vishay Dale engineering，以便为应用找到最佳产品。

电压极限

短脉冲 - 尚未确定绕线电阻器处于短时脉冲下的额定过载电压。Sandia CorporaTIon 使用 20 µs 脉冲对我们的 NS 和 RS 电阻器进行了研究。项研究表明：只要不超过脉冲处理能力，这种类型电阻器需要每英寸大约 20 kV。

长脉冲 - 对于在交叉点到 5s 之间的脉冲，对于 4 W 及以上的规格来说建议最大过载为 √10 倍的最大工作电压，对于小于 4W 的规格来说则为 √5 倍的最大过载电压。

可熔电阻器

如果应用的目标是让电阻器在特定条件下熔断，则可使用 Vishay Dale 提供的可熔电阻器。关于常见的 RS 熔断式电阻类型，请参考第七页或者点击以下链接，查看完整的 RS 熔断器规格书。

为特定应用定制的快断模制样式电阻器

Vishay Dale 提供各种各样的绕线电阻器。他们也能够针对特定应用定制快断式模制电阻器。虽然 Digi-Key 也针对某些此类电阻备有现货，但实际上这类电阻有数百种之多。一些具体示例和零件编号表参见图 7，这些产品可用来为特定应用定制合适的电阻。

图 7：以上所列举电阻器只代表了数百种变体一小部分。对于为特定应用设计的定制电阻，可以使用本文末尾给出的零件编号表。（图片来源：VishayDale）