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关于选择热电阻时的五个常见问题

来源:发表时间:2019-07-23


      热电阻是更简单的电子元件之一。在电路设计存在与热电阻相关的问题之前,工程师很少检查热电阻特性。在回答以下五个关键问题后,您可以解决90%的问题:1.我可以在电阻上放多少电压?2.电路中电阻的温度是多少?3.热电阻承受多大浪涌?4.什么使热电阻失效?5.我可以期待多大的阻力变化?
1.电压多少?


      从表面上看,这个问题似乎是最简单的。然而,你的工程本能告诉你,因为器件有10Ω,你最好不要将250V放在直径为0.250英寸,长度为0.090英寸的10Ω器件上,除非你先进入混凝土墙。
      通过记住以下内容,您可以找到放在10Ω器件上的最大连续电压的正确值:对于电容器,电压规则;对于电感器,现行规则;并且,对于热电阻,功率规则。
      您可以使用临界电阻R CRITICAL确定何时使用指定的最大电压或计算的额定电压。如果不连续施加电压,可以在热电阻上施加较高的电压,持续时间较短。热电阻制造商定义STOL(短时间过载)条件,其程度根据热电阻的类型而变化。对于电源线绕热电阻,STOL可以是额定功率的2到10倍,持续5或10秒。对于大多数薄膜热电阻,STOL是额定电压的2.5倍,或额定功率的6.25倍,持续5秒。对于高压电阻,STOL通常为额定电压的1.5倍,或额定功率的2.25倍,持续10秒。
      同时,你应该注意三个注意事项:首先,STOL是一种非重复的喘振或过载情况。其次,将额定功率的2到10倍放在热电阻上超过5或10秒可能会造成永久性损坏,并可熔化将部件固定到位的焊点。第三,存在最大允许的STOL电压:通常是最大连续额定电压的两倍。
2.热电阻温度?
      过去,大多数热电阻都有焊锡涂层铜引线,因此确定“热点”温度相对简单。标准测试程序允许在热电阻和印刷电路板之间具有指定的引线长度,并且细线热电偶确定热电阻的各种功率负载下的热点温度。该设计不允许空气在整个部件上移动。根据这些数据,您可以制作温度与功率应用的图。对于1W或更小的许多热电阻,该图是从没有功率的环境温度到额定功率下的热点温度的直线。您将线的斜率表示为每摄氏度摄氏度的温度上升。对于热点超过175°C的功率热电阻,辐射会导致热传递,使温度在高于175°C的温度下偏离直线。即便如此,工程师通常使用典型的温升数字。
      表面贴装元件使温度问题复杂化。没有引线,表面贴装电阻将更多的热量直接传递到印刷电路板上。由于零件较小,发热部件的密度较高。印刷电路板的类型,层数和铜板的重量都成为重要因素。热成像相机而不是细线热电偶通常在电路板上的所有点进行温度测量。焊点的温度可能比热点温度更重要。
      您可以使用此数据来确定制造商的产品尺寸或系列,以将最高温度限制为所需值。当您对印刷电路板进行原型设计时,应用工程师可以协助获取一个或多个热电阻产品的样品进行评估。操作温度的问题一直很难回答。不幸的是,随着成品的尺寸和重量的减少,答案变得更加重要。
3.多少激增?
      热电阻的浪涌条件是在规定的时间长度或脉冲宽度下施加超过部件连续额定功率的功率电平。脉冲宽度通常为热电阻的热时间常数的25%或更小。如果施加相同的脉冲60秒,则产生的温度将超过连续额定功率温度。浪涌持续数秒的应用很少见。大多数浪涌持续毫秒或微秒。
      您需要考虑重复和非重复的喘振条件。重复浪涌为给定的脉冲宽度施加功率,然后以规则的间隔或时间周期重复。对于重复浪涌,脉冲周期内的平均功耗不得超过电阻的连续额定功率。要确定平均功率,首先要确定每个功率脉冲内的均方根功率。对于矩形脉冲,该数字是电压平方除以电阻。对于半正弦波脉冲,功率为0.707V2/R。对于常见的指数电容放电脉冲,在脉冲的一个时间常数上的均方根功率的保守估计是0.5V2/R。对于其他脉冲形状,功率通常是电压平方的0.5到1倍除以电阻。要选择合适的热电阻,要保守;如果有的话,高估权力。第二步是找出该期间的平均功率。
      非重复浪涌是将单个高功率脉冲应用于热电阻。然后热电阻有足够的时间冷却到脉冲之前的环境温度或初始温度。在这些条件下,“热电阻的功率规则”这一说法变得有点不稳定,因为在浪涌期间,能量而不是电流输送到热电阻的能量变得至关重要。对于短脉冲,电阻材料的温度可以在脉冲结束时达到几百摄氏度。热电阻的基板或壳体保持冷却,因为在短脉冲期间热电阻材料不足以传递热量。因此,当热量流到冷却器和热电阻的较大部分并且最终流到印刷电路板和空气时,热电阻材料在几秒或更短的时间内冷却。
      如果施加过多能量,产生的高温会破坏电阻材料。无论热电阻是金属膜,电线,玻璃还是玻璃陶瓷,其材料都会熔化。热电阻制造商必须积累大量数据,以确定在给定脉冲宽度的非重复浪涌期间可以应用的能量。他们可能会告诉您可以将多少毫焦耳或焦耳的能量应用于热电阻。
      另一种呈现非重复浪涌数据的方法是最大脉冲功率与脉冲宽度的关系图。最大功率与脉冲的关系曲线表明,非重复浪涌的功率水平高于重复功率。但是,请确保您阅读所有细则!因此,除了计算应用于热电阻的功率外,还必须确定所用热电阻的电压和电流,然后确保两者都在指定的最大值范围内。
      如果浪涌情况介于重复和非重复之间,您可能需要向应用工程师询问制造商如何为所选电阻定义非重复浪涌。
4.什么导致失败?
      假设热电阻没有缺陷,完美终止,并通过理想的焊点连接到印刷电路板。热电阻的“功率规则”,因为您应用的功率与工作温度有关,这与氧化有关。热电阻材料在低于阈值温度的温度下显示出很小的氧化效应。在高于该温度的温度下,氧化效应通常转化为电阻随时间的正变化。
      当施加超过1W的温度超过这些温度时,可能导致氧化导致电阻变化。由于氧化是一种时间现象,因此在1W热电阻上施加1.5W可能在24小时内几乎没有变化,但是当高温时间达到数百小时时,该部件将失效。当零件超过最大指定的阻力变化百分比时,会发生故障。
      电路故障有时可能导致热电阻在超过额定功率的情况下运行一段延长的时间。低估环境温度是一个比高估它更常见的问题。您可能还需要降低位于另一个功率电阻或功率晶体管旁边的电阻,以防止发生故障。
      过多的能量会导致热电阻故障。当该能量水平产生足够高的温度以破坏热电阻材料时,可能发生电阻的灾难性变化。由于罕见的机械负载条件,电动机控制电路中的热电阻可能具有高的导通浪涌。您可能需要一个存储示波器来记录电阻上出现的最大可能浪涌电压。
      电压应力也会使电阻失效。通常,这种应力仅在电阻大于100kΩ且电压大于500V的电阻上起作用。在浪涌条件下,较低的电阻值也可能经受高压应力条件。但是,如果封装材料是良好的电介质,则该部件不会失效。
      对于圆柱形薄膜热电阻,微调切割是螺旋切割,大约是热电阻长度的75%。存在两个额外的电压应力。首先是匝间应力;其次是整体压力。电压应力是施加的电压除以热电阻路径的长度。对于线绕热电阻,线圈之间的每英寸伏特压力可能过大。针对高压应用的薄膜和线绕热电阻都具有足够的匝数,以将电压应力保持在安全水平。
      如果适度的电压/应力过载导致电阻的负变化超过最大STOL百分比变化的值,电压应力已成为一个问题。对于金属膜或线绕热电阻,小电弧可以在激光切割或导线之间传输金属,再次降低电阻。在具有有机封装的任何热电阻类型上也可能发生电阻的负变化,因为电弧产生的热量可以使封装碳化,从而为电流提供分流路径。
      虽然稀有的电流密度,流过热电阻的电流除以电阻材料的横截面积,但可能导致热电阻失效。在没有造成损坏的情况下,流过给定区域的电流量是有限的。同样,如果您希翼故障机制上的电流密度,您可以更改为具有更大横截面积的热电阻或使用具有更高电流密度额定值的材料。
5.阻力变化?
      计算机辅助分析表明,如果热电阻在产品的整个使用寿命期间保持在4%-960到1040Ω之间,那么您将满足设备规格。在很长一段时间内,阻力的其他变化会发挥作用吗?变化的主要来源是负载寿命,湿度,高温存储,STOL,热冲击或循环,以及机械冲击和振动。根据您的电路使用方式和位置的常识,您可以选择最适合您情况的变化来源。
      工程师经常忽略一个额外的变化:由于自热导致的电阻变化。当电阻耗散超过额定功率的50%时,这种变化通常会起作用。
      大多数热电阻应用都不值得关注。重点是,在关键电路应用中允许电阻变化时,必须考虑的不仅仅是初始容差和TCR。

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