Мощни резистори

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2007

 

Независимо от впечатляващите успехи на микроелектрониката и все по-ниската консумация на електроенергия на електронните устройства, мощните резистори (Power Resistor) PR продължават да имат своето важно място в електротехническите и електронните апаратури. Няма фиксирана стойност на максималната разсейвана мощност PD, над която един резистор може да бъде смятан за PR. Според каталозите на някои фирми тя е 2 W, според други – 1 W, а не са редки случаите на PR за повърхнинен монтаж (SMD Power Resistor) с РD = 0,5 W. В статията се разглеждат основните параметри на PR, техните разновидности в зависимост от конструкцията и технологията на изработка и някои особености на охлаждането. Дадени са и примерни приложения.

 

Основни параметри

Основната част от PR са нискоомни и тяхното номинално съпротивление R започва от няколко десети от mW и достига стотина kW. Високоомните PR със съпротивление дори няколко ТW като правило са и високоволтови. Съпротивлението най-често е при температура на резистора ТR =  20°С. Друг параметър е производственият толеранс (Tolerance), който започва от 0,005% и достига (сравнително рядко) до 20%. Температурният коефициент (Temperature Coefficient) TCR показва относителното изменение на съпротивлението DR/R при промяна на температурата TR на PR с 1°С. В зависимост от екземпляра на даден тип резистори и стойността на TR той може да е положителен или отрицателен и се измерва в  ppm/°С или еквивалентната единица ppm/К, като ppm означава 10-6. Стойностите му в каталозите са при определена температура ТR, като са в границите от ±0,1ppm/°С и ±6000ppm/°С. С помощта на TCR може да се определи съпротивлението при произволна температура Rq=[1+(Т-ТR)TCR]R. При резистори с R под няколко стотици mW, реализирани с дадена технология, стойността на TCR нараства, когато те стават по-нискоомни. В много каталози това се дава в графичен вид (фиг. 1).

Независимо от наименованието "коефициент", стойността на TCR на даден резистор зависи от TR, поради което много производители дават графики на зависимостта DR/R(TN) в рамките на работния температурен обхват (Operating Tempe­ra­tu­re Range) с типичен вид на фиг. 2. Наклонът й в произволна точка е равен на TCR. Вместо графики други производители отбелязват обхвата (например от +20 до +60°С), в който е в сила стойността на TCR. Долната граница на работния температурен обхват е между -40 и -65°С, а горната (Limiting Temperature) – от 130 до 375°С, а при някои специални типове достига 1100°С. При това става въпрос за температурата TR на PR, а не за по-малката ТА. Връзката между двете е TR = TA +RthP, където Р е мощността, разсейвана върху PR. При резистори без радиатор Rth е параметърът им топлинно съпротивление (Thermal Resis­tan­ce) с измерение °С/W или еквивалентното K/W, означаван и като Rth,j-а. Стойностите му са от около 1°С/W до над 100°С/W. Резисторите за монтиране върху радиатор имат на корпуса си метална пластина (Backplate) и параметър Rth,j-c, представляващ топлинното съпротивление между съпротивителния слой или проводник и нея. Неговата стойност, както и тази на Rth,j-а са обратно пропорционални на размерите на резистора. И в този случай е в сила изразът за TR, но Rth = Rth,j-c + Rth,с-а, където Rth,с-а е между радиатора и околната среда (това между охлаждащата пластинка и радиатора обикновено се пренебрегва).

Максималната разсейвана мощност (Nominal Power Dissipation, Po­wer Rating, Rated Power) PD е при която се достига горната граница на температурния обхват в условия на естествена конвекция на околния въздух. Последното означава най-близкият ненагрят обект до PR да е на не по-малко от 30 cm. В противен случай максималната мощност e по-малка от PD. Стойността на PD логично зависи от ТА, поради което в каталозите често се дава графика PD(TA)  за нейното намаляване (Derating). Един пример е даден на фиг. 3. Две са особеностите на графиката – температурата, след която PD започва да намалява, зависи от типа на PR, като може да е 20°С, 70°С и повече в редки случаи. Съще­временно разсейваната мощност става 0 при максималната работна температура, т.е. реално PR не може да работи при тази температура. Максималните стойности на PD са до около 1000 W, но има модули с повече от един PR и мощност достигаща 200 kW.

При работа в импулсен режим определянето на максималната мощност се прави от графики, които по принцип се отнасят за правоъгълни импулси. От графиките за единични импулси се определя максималната мощност в зависимост от продължителността на импулса, а от графиките за поредица от импулси - в зависимост от коефициента на запълване.

Максималното работно напрежение (Limiting Voltage, Voltage Proof) Umax е най-голямото постоянно или ефективна стойност на променливо напрежение, което може да се приложи върху PR. Освен дадената в каталога стойност напрежението не трябва да надхвърля стойността ЦPR, като по принцип е в сила по-малката от двете стойности. Максималният ток (Limiting Current, Max Current) Imax, който може да протича неограничено дълго време, не винаги се дава в каталозите и същевременно зависи и от вида на изводите на PR. Например ако PR със стандартни изводи има максимален ток 60 А, по заявка на клиента може да се произведе разновидност с други изводи и ток 250 А.

Продължителната работа на PR при определени условия (напрежение, ток, температура, влажност) води до трайни промени в неговото съпротивление. Те се оценяват чрез стабилността (Load Life, Stability), която представлява относителната промяна DR/R. В някои каталози тя се дава като число с типични стойности до няколко десети от %, а в други има набор от графики. Някои производители дават като параметър относителната промяна на съпротивлението за 1 година при стайна температура (Shelf Life) със стойности от същия порядък. Също като параметър се използва и относителната промяна на съпротивлението при импулсно претоварване (Short Term Overload) с типични стойности около 1%.

Всички тези зависимости на съпротивлението са особено важни при точните резистори (Precision Resistor) и в каталозите им се дават под формата на графики. Като пример на фиг. 4 е дадена DR/R като функция на времето при различна околна температура и фиксирана разсейвана мощност. Специфична особеност, която се отнася и за други подобни зависимости, е че след около 500 часа работа съпротивлението се "стабилизира" и по-нататъшните му промени са много по-малки.

Изолационното напрежение (Di­elec­tric Widthstand Voltage, Isolation Voltage, Insulation Strenght) е най-голямата допустима стойност между корпуса и близкостоящи метални предмети, например радиатора или шасито. И в случая някои фирми предлагат възможност за поръчка на PR от даден тип с повишено изолационно напрежение.

При свързването на PR в импулсни и високочестотни схеми съществено значение имат собствената индуктивност (Inductivity) Ls и паразитният капацитет Ср, свързани в съответствие с еквивалентната схема на фиг. 5. Стойностите на двата паразитни елемента силно зависят от конструкцията. Над определена честота PR има импеданс вместо съпротивление, който в някои каталози се дава като графика. При някои PR импедансът нараства с честотата (влиянието на Ls преобладава), а в други намалява (преобладава Ср).

И накрая един специфичен параметър, имащ значение главно при PR със съпротивление под около 1 W. Това е термоелектродвижещата сила (Thermo EMF), по принцип получавана между различни видове метали и зависеща от температурата. Реално тя представлява постоянно напрежение между двата извода на PR, което се прибавя към дължащото се на протичащия през него ток. Стойностите й са няколко десети mV/K.

 

Слойни резистори
(Film Resistor)

Те представляват изолационно тяло (обикновено Al2O3 или AlN) с нанесен върху него съпротивителен слой. При дебелослойните PR (Thick Film Resistor) той обикновено е подобен на проводяща боя. Основното им предимство е ниската цена, а недостатъците са значителните толеранси (над 0,1%) и TCR (над ±50 ppm/°C). Тяхна подобрена разновидност са PR с метални окиси (Metal Oxide Resistor), работещи в широк температурен обхват (от -65 ё -55 до +125 ё +225°C), но с максимална мощност до 5 W. Тънкослойните PR (Thin Film Resistor) се изработват чрез изпарение във вакуум на метален слой (обикновено Ni покрит от Cu) и могат да са значително по-прецизни - толеранс дори 0,005% и TCR от ±1 ppm/°C. Те са и твърде издръжливи към краткотрайни претоварвания.

В зависимост от вида на корпуса има няколко разновидности на слойни PR. Класическата конструкция с аксиални изводи (Axial Lead) про­дъл­жава да бъде сред широко използваните. Заради отдалечените им изводи те са подходящи за високоволтови резистори, а сравнително дългите и тънки проводници на изводите ограничават минималното им съпротивление на няколко W. Класическата спираловидна форма на съпротивителния слой определя значителни стойности на Ls и ограничава приложенията във високочестотни и импулсни схеми. Поради това се произвеждат безиндуктивни PR (Non-Inductive Resistor) с бифилярен слой (фиг. 6а), при който електромагнитните полета на две съседни пътечки практически се унищожават. Реално получената Ls е приблизително равна на тази на проводник с дължината на резистора. Най-нискоомните резистори се реализират като няколко успоредно свързани прави пътечки (фиг. 6б). Освен всички класически приложения, този тип PR са подходящи за високоволтови схеми, например делители на напрежение. Често изолационното покритие на високоволтовите резистори е силикон или стъкло вместо класическата епоксидна смола. Специфични типове с намален обем предлага Vishay - тялото е паралелепипед, а не цилиндър. Примери за тънкослойни PR са серията MPR на Royal Ohm със съпротивления между 51 W и 1 MW и сериите ER и ERV на Tyco Electronics със съпротивления 0,3W-100kW, мощност 3-14 W и предпазно покритие от силикон. С метални окиси са серията MOR на Royal Ohm с мощност между 2 и 9 W и серията ROX на Tyco Electronics с мощност 2-5 W. В ред 2 на табл. 1 са дадени основните параметри на PR с аксиални изводи.

Под влияние на полупроводниковата индустрия твърде разпространени са PR с корпуси ТО – най-често ТО-126, ТО-220 и ТО247. Идея за структурата им е дадена на фиг. 7 и тя показва, че няма електрическа връзка между съпротивителния слой и охлаждащата пластинка, т.е. тя може да бъде замасявана. Съпротивителният слой е в една плоскост, поради което тези PR по принцип са безиндуктивни. Това позволява работата им във високочестотни и импулсни схеми, ключови стабилизатори, управление на електродвигатели, индустриални системи за управление и контрол, импулсни генератори, видео и СВЧ усилватели. Същевременно геометричните размери на слоя позволяват получаването на по-малки съпротивления в сравнение с PR с аксиални изводи. Охлаждащата пластинка е за монтиране върху радиатор, с което РD нараства 10-20 пъти. По принцип в каталозите се дават 2 стойности на РD - със и без радиатор, като правилата за неговото изчисление и монтаж не се различават от тези на транзисторите. Съпротивителният слой позволява импулсни мощности няколко десетки пъти по-големи от РD – например PR с РD = 20 W може да “издържи” за 1 ms мощност от 1 kW. Друго логично предимство е малката площ, заемана от тези PR върху печатната платка. Пример за дебелослойни PR от този тип в корпус ТО-220 е серията МРС на Tyco Electronics със съпротивления от 1 W до 200 kW и мощност 3-10 W.  Обобщение на основните параметри е дадено в ред 3 на табл. 1.

Следващият тип са PR за повърхнинен монтаж (SMD Resistor), като и при тях се използват корпуси от транзистори – най-често DPak и D2Pak, но има и SMD-TO220. Пример за последния са дебелослойните резистори от серията MSP 35 на фирмата EBG със съпротивление между 0,1 W и 1 MW и мощност 35 W. В ред 4 на табл. 1 е дадено обобщение на основните параметри на този тип PR, като трябва да се има предвид по-малкото импулсно претоварване от предните типове.

По-нататъшно намаляване на размерите се осигурява от PR без изводи (Chip Resistor), които се запояват върху печатната платка чрез металните (Au и/или PtAg) островчета на корпуса си. Последният също е заимстван от транзисторите, а липсата на изводи означава по-слабо охлаждане. Същевременно в повечето PR корпусът няма метална пластинка за монтаж върху радиатор и вместо нея се разчита на добрата топлопроводност на корпуса и пътечките на печатната платка (в каталозите обикновено се дават препоръчителните им размери, включително дебелината). Все пак доста PR имат външен метален слой на долната си страна  за запояване върху платката и подобряване на охлаждането. През последните години като подложка за нанасяне на съпротивителния слой се използва AlN, който е с около 5 пъти по-добра топлопроводност от класическия Al2O3. Структурата на PR без изводи е аналогична на тази на SMD, а съпротивителният слой е NiCr или MnCu. Те също са безиндуктивни, но с още по-малка Ls. Малките размери ги правят особено подходящи за управление на сервомотори, за модули на индустриални системи (включително интелигентни), преобразуватели DC-DC и DC-АС и следене на ток, например в устройства за зареждане на акумулатори. При ползване на каталозите трябва да се внимава със стойностите на РD, тъй като понякога те са при условие, че по някакъв начин температурата на пластинката със съпротивителния слой се поддържа неизменна (терминът е Infinite Heatsink). На практика приближаването към това изискване е чрез монтиране на печатната платка върху охлаждаща медна плочка. Такива са резисторите от серията WSH2818 на Vishay със съпротивление между 1 и 100 mW и мощност 5 W, реализирани като метална лента (Metal Strip Resistor). Идея за основните параметри на PR без изводи е в ред 5 на табл. 1.

Следващият тип условно са наречени PR за монтиране върху радиатор (Heatsink Mount Resistor), тъй като са за големи мощности и не се препоръчва използването им без такъв. Техните типични корпуси, например дадените на фиг. 8а,б, също са заимствани от мощните транзистори. Идея за устройството на тези PR е показана на фиг. 8в. Тъй като голямата мощност означава и голям ток, резисторите могат да са и дебелослойни (често съпротивителният слой е от кермет). Независимо от дебелината на слоя те могат да издържат за кратко време големи мощности -  например на PR с РD =300 W може за 1 ms да се подаде 1 MW. Същевременно големите размери на съпротивителния слой не позволяват да се пренебрегва паразитният капацитет между него и радиатора с типични стойности няколко десетки pF. Наличието на 4 извода в някои корпуси позволява в тях да се монтират от 1 и 2 самостоятелни PR или 3 в определени свързвания. Пример е серията BDS100 на Tyco Electronics със съпротивления между 0,47 W и 1 MW и мощност 100 W. Съществуват и PR, предназначени вместо радиатор да използват шасито на устройството. Приложенията на този тип PR са като товари на индустриални импулсни генератори, във високочестотни схеми и захранващи устройства, за управление на електродвигатели, в роботиката. Основните параметри са в последния ред на табл. 1.

Не са рядкост приложения на PR като разрядни резистори (Capacitor Discharge Resistor), чието конструктивно оформление позволява непосредственото им монтиране върху изводите на определени видове кондензатори. Например серия от този тип е  със съпротивления между 0,1 W и 10 kW, мощност 10 и 13 W и работен температурен обхват от -55 до +200°С.

Специално за индустриални приложения са PR с метална кутия (Metal Clad Resistor), която обикновено е алуминиева, а използването може да е без или с радиатор. Например серията SL (фиг. 9) на Cressall Resistors е със съпротивление между 0,47 W и 6 kW и мощност от 40 до 1000 W. Използват се основно за управления и спиране на електродвигатели.

 

Резистори с фолио
(Foil Resistor)

Тяхното съпротивление се определя от метално фолио, например от NiCr или CuNiMn. Основните им предимства са много малките стойности на TCR (типично между 1 и 10 ppm/°С) и много добрата стабилност във времето. Съпротивлението им е от няколко десети от W до 1 MW, мощността е до стотина W, докато външният вид е като на слойни резистори. Максималният температурен обхват е от -55 до +150°С и са главно в корпуси ТО и DPak, но има и такива за монтаж само върху радиатори. Предназначени са за приложения, където прецизността и стабилността на параметрите е от основно значение.

Резистори с предпазител (Fusible Resistor)

Те представляват съчетание на резистор с предпазител, като при претоварване по мощност и съответно прегряване предпазителят прекъсва веригата и резисторът трябва да се смени. Например серията FRN на Royal Ohm има резистор със съпротивление между 0,3 W и 10 kW и при увеличаване на мощността 20 пъти над максималната предпазителят изключва след 15-40 s. Друг пример е серията FKN на Tyco Electroncs със съпротивления 0,1 - 250 W и мощност 2 - 5 W.

 

Жични резистори (Wirewound Resistor)

С малки изключения те представляват изолационно тяло с кръгло и по-рядко овално или правоъгълно сечение, върху което е навит съпротивителен проводник. Класическите материали за тялото са Al2O3 и различни видове керамика, като в някои случаи в последната е прибавен берилий за увеличаване на РD до 4 пъти. Проводникът е сплав от метали, която определя съпротивлението на резистора и неговият TCR. Най-нискоомни са сплавите от Cu и Ni, съдържанието на мед в които е между 55 и 90%. Увеличаването на Cu прави сплавта по-нискоомна, но TCR нараства. Също за нискоомни резистори се използва манганин (13% Mn и 87% Cu), който при температури около стайната е с най-малък TCR. Сплавите от Ni и Cr, евентуално с добавки от Al, Cu или Mn, са до 10 пъти по-високоомни и имат малък TCR, запазващ се в широк температурен обхват (например от -65 до +250°С). За прецизни резистори се използват и медни сплави. За баластни резистори (Ballast Resistor) и други специфични приложения  приложение има само Ni или други сплави за осигуряване на желания голям TCR – до +6000ppm/°С.

Проводникът на жичните резистори е значително по-дебел от слоя и фолиото на предните типове PR, което е предпоставка за по-големи мощности и токове - най-мощните съществуващи PR са именно жичните. Същевременно спирално навитият проводник определя значителна Ls, но съществуват и безиндуктивни жични PR с бифилярно навит проводник.

Класификацията на жичните PR също е подходящо да се прави в зависимост от вида на корпуса и като първи тип отново са тези с аксиални изводи. Тук предпазното покритие на тялото с проводника сравнително рядко е епоксидна смола. По-често се използва свързващо вещество (Cement Coated Resistor), силикон (Silicon Coating) или стъклен емайл (Vitreous Enamel Coating), които осигуряват по-голяма надежност и издръжливост към външни влияния. Последното покритие е особено подходящо за тежки климатични условия, включително голяма влажност. Пример за такова покритие са сериите МЕ и С на Tyco Electronics. Прилагат се и огнеупорни покрития. По принцип PR с аксиални изводи са с най-малки размери, които ги правят подходящи за монтаж върху печатни платки и за устройства с ограничен обем. Основните им параметри са в ред 2 на табл. 2.

Жичните резистори с радиални изводи (Radial Lear Resistor) обикновено са с цилиндрично тяло, например серията FC на Tyco Electronics със съпротивление 0,33W - 22kW и мощност 2 - 8 W. Често за подобряване на охлаждането корпусът е с отвор. Съществуват и PR с правоъгълно напречно сечение и изводи от едната страна за вертикален монтаж, както и такива, чиито изводи са превърнати в аксиални. Пример за последните е Type 200 на фирмата Ohmite със съпротивления 0,1W – 100kW и мощност 3 - 20 W. В ред 3 на табл. 2 са дадени основните параметри на PR с радиални изводи.

Големите мощности изискват не само по-голямо тяло, но и изводи с по-голямо сечение. Поради това значително приложение имат PR с плоски изводи с отвор, закрепвани с помощта на болтове върху шасито или радиатор. Има и такива за монтаж върху печатни платки. Особеност е, че вместо РD като параметър често се дава Imax. Безиндуктивните модели (Ls е няколко десетки mH) от този тип се използват във високочестотни схеми, например като изкуствена антена в радиопредаватели. За улесняване на охлаждането има модели, позволяващи и вертикален монтаж чрез допълнителна резба в единия си край. Други модели съдържат 2 или 3 хоризонтално разположени тела, монтирани хоризонтално едно над друго. Основните параметри на този трети тип PR са в ред 4 на табл. 2.

Разновидност са решетъчните резистори (Grid Resistor), които представляват няколко хоризонтално и успоредно разположени тела с обща носеща конструкция. Типичните стойности на РD са между 2 и 200 kW, като за няколко секунди PR издържат претоварване по мощност до 20 пъти. На фиг. 10 е даден външният вид на такъв PR, който работи при температури между -55 и +375°С.

Произвеждат се, макар и сравнително малко, жични PR за повърхнинен монтаж и неголеми мощности . Съпротивленията са между няколко mW и няколко десетки kW при производствен толеранс от 0,01 до 5%. Такава е серията SM на Tyco Elec­tronics със съпротивления 0,1-500 W и мощност 2-5 W.

Също за заемане на малко пространство се използват гъвкави жични PR (Flexible Wirewound Resistor). Те представляват тънка и дълга лента, която след огъване остава в новото си положение. Типичните съпротивления са между няколко десети от W и няколко десетки kW при РD до десетина W и TCR няколко десетки ppm/°С.

За тежки експлоатационни условия се произвеждат PR със защитен Al кожух, снабден с отвори за закрепване (фиг. 11), които обикновено са издръжливи и на значителни вибрации. Основните параметри на такива PR са дадени на последния ред на табл.2. За същите условия и монтаж в ограничено пространство (например управление на електродвигатели в индустриални и битови приложения) съществуват PR в плосък херметизиран корпус. Пример е серията SL на Cressall със съпротивления между 0,47 W и 6 kW и мощност от 40 до 1000 W. Допълнително предимство на тези корпуси е, че освен монтирани върху радиатор те могат да се поставят и вертикално за подобряване на естествената конвекция на въздуха.

 

Специфични видове

Всеки от тях се изработва за конкретно приложение, което определя особеностите в параметрите и конструкцията им. Първият вид са шунтовите PR (Power Shunt Resistor), изработвани в разновидности с 2 и 4 извода (4 Terminal Version, Kelvin Connection). Често един тип се произвежда в двете разновидности, като втората е за свързване в специална мостова схема за избягване на влиянието на свързващите проводници. Съпротивлението е между няколко mW и стотина W, а РD – от 10 до 2500 W. Производственият толеранс е между 0,1 и 5%, а TCR е от ±1 до ±50 ppm/°С. Корпусите най-често са ТО за монтаж върху платки с отвори или SMD, а по-рядко подобни на тях по форма. За големи мощности има разновидности с Al кожух. Специфични като конструкция са лентовидните резистори (Bare Metal Element Resistor) с външен вид на фиг. 12, чието съпротивление започва от 0,5 mW.

За следене (а не за измерване) на тока на електродвигатели, токозахранващи устройства, мощни модули и на много други места се използват т.нар. Current Sensing Resistors, които имат съпротивление между няколко десетки от mW и няколко mW, мощност 2-5 W и толеранс от 1 до 5%. Реално са без изводи, което се вижда от примера на фиг. 13.

 

Охлаждане

Първата стъпка към подобряване на охлаждането е монтиране на резистора върху радиатор (когато корпусът позволява това). Изборът на радиатор се прави на основата на необходимото му топлинно съпротивление Rth,c-a = (TR – TA)/P – Rth,j-c, където Р е разсейваната мощност върху резистора и ТА е най-голямата околна температура, при която се очаква той да работи. За улеснение се произвеждат PR, монтирани върху радиатори. Пример е серията SP (фиг. 14) на Cressall Resistors, осигуряваща съпротивления между 2,7 W и и 3,9 kW с РD, равна на 250 и 400 W. Последната се получава при вертикално положение на ребрата на радиатора, като за околна температура 20°С тази на PR е 250°С.

Стойността на РD на всеки резистор може да бъде увеличена над стойността в каталога чрез принудително въздушно охлаждане от вентилатор. Нарастването до 3 пъти е приблизително линейна функция на скоростта на въздушния поток, поради което новата мощност може приблизително да се определи от израза Pcool = (1 + 0,4v)РD. В нея v е скоростта на охлаждащия въздух в m/s. За Pcool = (3-4) РD коефициентът във формулата става 0,3. От съответния от двата израза може да се определи необходимата скорост на охлаждащия въздух. Например резистор 10 W, за да може да разсейва 15 W, се нуждае от въздушен поток със скорост 1,25 m/s.

Съществуват и PR с водно охлаждане (Water Cooled Resistor). Например серията МТХ969W на EBG (фиг. 15a) включва резистори със съпротивление между 0,5 W и 10 MW, мощност 1700 W и Umax = 10 kV, които имат TCR = ±100 ppm/°C и толеранси ±5 и ±10%. Друго кон­структивно оформление е дадено на фиг. 15б, в което максималната мощност от 1000 W се осигурява чрез воден поток 6 l/min.

 

Стефан Куцаров




ЕКСКЛУЗИВНО

Top