Високомощни резистори в силови приложения

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2013

Високомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложенияВисокомощни резистори в силови приложения

ПОДОБНИ СТАТИИ

Мощни резистори

В електроапаратурата и силовите електронни устройства се използват мощни резистори (Power Resistor), които при своето действие трябва да разсейват под формата на топлина значителна електрическа мощност.

Няма точно определение над каква нейна стойност един резистор се счита за мощен, но може да се приеме, че е 5 W, въпреки че немалко производители наричат “мощни” резистори от определени видове с мощност дори 0,6 W.

Освен естественото изискване конструкцията и начинът на монтаж на резисторите да осигуряват необходимото отвеждане на топлината, към тях съществуват и допълнителни изисквания в зависимост от предназначението - например малка собствена индуктивност при необходимост от преминаване на високочестотни токове и подходящо закрепване при значителни размери и тегло. 

 настоящата статия се изясняват основни параметри на мощните резистори, видовете в зависимост от структурата и предназначението им, някои особености на практическата реализация и използване и се дават примери на типични приложения.

Основни параметри
Максималната разсейвана мощност (Power Dissipation, Rated Power) е в сила до определена температура на металния корпус или на вградената в корпуса от изолационна материя метална пластина, при постоянно напрежение върху резистора и при монтирането му върху подходящ радиатор.

Мощността се отбелязва с Рхх, където "хх" е температурата, най-често 25 °С и по-рядко 40 или 70 °С. Над нея мощността намалява по линеен закон и често се дава графично (Derating Curve), пример за каквато е фиг. 1а. Графиката е в сила при наличие на силиконова паста между резистора и радиатора, които трябва да са притиснати с усилие, дадено в документацията.

За изчисляване на радиатора задължителен параметър е топлинното съпротивление между съпротивителния слой на резистора и корпуса (Thermal Resistance, Heat Resistance) RTH(j-c). Основен параметър е и мощността без радиатор, която е от 2 до над 50 пъти по-малка.

 При импулсно напрежение върху резистора съответстваща му импулсна мощност е по-голяма в сравнение с постоянно напрежение. Прието е тя да се определя при единичен импулс, стойността й е в зависимост от неговата продължителност и също се дава с графика (Power Curve), пример за каквато е на фиг.1б.

Тя е на резистор с Р25=20 W и показва, че той издържа малко над 20 kW при импулси 1 us и 200 W при 20 ms.

Вместо с импулсната мощност някои резистори се характеризират с максималната мощност при краткотрайно претоварване (Short Time Overload, Surge Load), което трябва да предизвиква относителна промяна на съпротивлението не по-голяма от определена стойност.

 Например 2 пъти по-голяма мощност от максималната за 5 s трябва да доведе до относителна промяна на съпротивлението не по-голяма от 0,3%. Към мощностите някои производители прибавят максимално допустимия постоянен ток.

При работа на резисторите с къси импулси от значение е върху тях да може да се отдели значителна енергия за кратко време. Това се определя чрез параметъра Energy Absorption, например 7J/t = 50 us означава 7 J (или 7Ws) за 50 us.

Мощните резистори са със съпротивление между 1 mW и 100 MW, като практически винаги от даден тип се предлага набор от съпротивления в твърде широки граници. Производственият толеранс на резисторите обикновено е ±0,5%, ±1%, ±2%, ±5% или ±10%. На съпротивления под 1 W често вместо запетайка се поставя R, например 0R5 или R5 означава 0,5 W, а R005 е 5 mW.

Същото е прието и за съпротивления до 10 W, например 9R9 означава 9,9 W. Броят на стойностите в една декада не винаги съответства на общоприетия при маломощните резистори и затова се отбелязва в каталога. Например 5%-ови резистори може да са със стойности от ред Е12 вместо от ред Е24.

Съпротивлението зависи от температурата на резистора, което се оценява чрез температурния коефициент TCR, който може да е положителен или отрицателен и има мерна единица ppm с типични стойности няколко стотици и по-рядко под 100 ppm. При това нискоомните резистори от даден тип обикновено са с по-голям TCR от високоомните.

Всеки резистор има собствена индуктивност, която се оказва последователно свързана със съпротивлението му и влияе при високи честоти, където от значение е импедансът на резистора. В някои каталози се дават графики на неговата стойност от честотата, като влиянието й за някои резистори започва от няколко десетки kHz, а при други над 100 MHz.

Паразитният капацитет между изводите (Equivalent Parallel Capacitance) не винаги присъства в каталожните данни, а стойността му не надхвърля няколко pF. Изолационното съпротивление (Insulation Resistance) е между който и да е от изводите и изолирания корпус и типично е между 100 MW и 1 TW.

Непрекъсната продължителна работа на резисторите неизбежно променя трайно тяхното съпротивление поради нагряването. Това се отчита с параметъра издръжливост (Endurance), който представлява полученото относително изменение след разсейване на дадена мощност за определено време, например DR/R=0,3% при максималната мощност в продължение на 1000 часа.

Група параметри са свързани с изискванията за безопасна работа на резисторите. Сред тях са работният температурен обхват с типични граници -55 °С ё +155 °С и минимални -40 °С ё +125 °С, но има резистори, които могат да работят от -65 °С и други до +450 °С. Освен него някои производители дават и допустимите граници на околната температура (Rated Ambient Temperature), например -25 °С ё +40 °С.

 В групата влизат още максималното напрежение между изводите на резистора (Max. Operating Voltage, Max. Rated Voltage) VL с типични стойности между 200 V и 5 kV и максималното изолационно напрежение (Dielectric Strength) отново между един от изводите и изолирания корпус с типични стойности няколко kV. И накрая е промяната на съпротивлението при мощни електрически импулси, например с 0,25% при импулс 40 А/4 kV.

Механичните параметри освен размерите и теглото могат да включват допустимите вибрации (Vibration) и максималната сила на затягане на външните проводници към контактите (Max. Torque for Contacts) и на резистора към радиатор или носеща охлаждаща повърхност (Max. Torque for Base Plate).

 Към тях понякога се прибавят максимално допустимата влажност на околния въздух при определена температура (Damp Heat, Humidity) и устойчивостта срещу запалване (Flammability).

Два са основните начини за класификация на мощните резистори – според начина на реализация на съпротивителния слой и според вида на корпуса.

Дебелослойни резистори
Структура. Реализацията на съпротивителния слой на тези резистори (Thick Film Resistor) по принцип не се различава от маломощните резистори и е показана на фиг. 2а. Най-често той е от нихром (Ni-Cr) с дебелина около 50 um и зигзагообразният му вид се използва за съпротивления над 1 ом, а за по-малки стойности слоят е като лента. Оцветеното в синьо островче е за настройка на съпротивлението чрез изгаряне на част от слоя с лазер, при което то нараства.

Слоят (2 на фиг. 2б) е върху подложка 1 от Al2O3, известен като Alumina или от AlO, когато тя трябва да е много тънка. Изводите 3 са калайдисани медни проводници или такива от фосфорен бронз с покритие, позволяващо запояване. Корпусът 4 е устойчива на температурата пластмаса или епоксидна смола.

Важна особеност на дебелослойните резистори е, че при реализацията на значителна част от тях индуктивността е сведена до минимум (не повече от няколко десетки nH и дори под 10 nH). Наименованието на тези структури е Non-Inductive Design, а основните им приложения са за работа при високи честоти и с импулси със стръмни фронтове. Използват се основно 3 вида корпуси, които по принцип не се различават от използваните за класически електронни елементи.

Резистори с корпуси за монтаж върху печатни платки. Първият тип са за платки с отвори и от него с най-голямо приложение е ТО-220 за мощности до 50 W. На фиг. 3а е корпус с отвор в охлаждащата пластина (Tab) за закрепване с болт върху радиатор. За мощности до около 150 W се използва корпусът ТО-247, който е с подобен външен вид (фиг. 3б), но с по-големи размери и по-добро топлоотвеждане към охлаждащата пластина. Корпусът ТО-264 също е с вида на фиг. 3б, но с размери 26x20x5 mm.

Вторият тип са корпусите за повърхнинен монтаж, които обикновено са DPAK (фиг.3в) и един от масово използваните е ТО-263. Те са за мощности до около 40 W и имат по-малки размери, например 10x10x4,5 mm. Охлаждащата им пластина се запоява върху радиатора.

Сравнително рядко се използва третият тип (например TO-126), чиито изводи са метализирани островчета върху корпуса. Те заедно с други конструктивни решения осигуряват малката дебелина (около 1mm) на корпусите, а максималната мощност е около 25 W.

Характерни приложения на този вид резистори са в постояннотокови ключови стабилизатори, схеми за потискане на отскоци на напрежението (Snubber), регулатори на напрежение, импулсни товари с неголяма енергия, управление на индустриални устройства и системи, контрол и измерване на токове (Current Sensing) в мощни вериги, честотни инвертори, електропещи, високочестотни мощни усилватели и непрекъсваеми захранвания (UPS).

Резистори с корпуси за закрепване чрез болтове. Корпусите са с по-големи размери от тези на предния вид, осигуряват по-добро охлаждане и резисторите съответно могат да разсейват по-голяма мощност. Максималните стойности на последната допълнително нарастват чрез принудително въздушно охлаждане (Forced Air Ventilation) на радиатора и най-вече чрез водно охлаждане (Liquid Cooled Heat Sink).

Мощностите са в границите между 100 W и 2 kW като над около 500 W съпротивителният слой е от кермет (Cermet) – смес на керамика и метал и с него могат да се реализират съпротивления до около 1 MW. Пример за външния вид на подобен резистор е даден на фиг. 4а. Той се свързва към електрическата верига чрез поставяне на проводници отстрани в отворите и затягането им с болтове М4.

Чрез двете гайки е закрепена долната плоча на резистора от материал с много малко топлинно съпротивление (под 0,05 °C/W) за монтиране на резистора върху радиатор. Така например чрез подходящ радиатор резистори с размери 60x57x36 mm могат да разсейват до 750 W.

Друг пример е на резистор с водно охлаждане и мощност 2 kW при размери 76x76x40 mm. В документацията на такива резистори има подробни данни за вида на необходимия радиатор (обикновено алуминиев) включително максимално допустимата грапавост на повърхността му, за максималното съпротивление RTH-CS между охлаждащата пластина на резистора и радиатора, за термичното съпротивление на използваната паста и броя на тръбичките за охлаждащата течност.

За подобряване на охлаждането има резистори с алуминиев корпус, през изолираните отвори на който преминават изводите.

Друга разновидност са резистори с охлаждаща носеща пластина от никелирана мед, която има отвори за закрепване върху радиатор. Такъв е показаният на фиг.4б за мощност 120 W, съпротивления между 0,1 W и 1 MW и размери 38x25x12 mm при дебелина на охлаждащата пластина 2 mm.

Последният характерен пример (фиг.4в) е на много тънък резистор (дебелина 0,9 mm) с мощност 270 W и съпротивление между 5 W и 10 kW. Носещата му тънка част е от неръждаема стомана, а съпротивителният слой е покрит със стъкло. Резисторът се закрепва върху радиатор чрез болт през отвора.

Характерни приложения на този вид резистори са в зарядни устройства и филтри, ограничители на импулсни токове (In-Rush Current Limiter), за потискане на отскоци на напрежението, в превключватели на мощни товари (Power Switching), като разрядни резистори (Bleeding Resistor), за спиране на електродвигатели (Braking Resistor).
Резистори със специфични корпуси.

Предназначени са за конкретни приложения, като всеки от тях отчита особеностите им. Категорията високоволтови мощни резистори (High Voltage Power Resistor) трябва да са с максимално отдалечени един от друг изводи, поради което те са разположени в двата края на цилиндричен корпус.

Напрежението VL е между няколко kV и 100 kV, а максималната им разсейвана мощност е между 10 и 200 W. Тези два параметъра налагат резисторите да са високоомни (съпротивление до 1 GW). На фиг. 5а е даден външният вид на резистори с мощност между 20 и 150 W и VL от 40 kV до 100 kV (дължината на най-високоволтовия е 310 mm).

В СВЧ предаватели и усилватели се използват мощни резистори, материалите на чиито корпуси и конструкцията им са съобразени със специфичните изисквания за обхвата от няколко стотици MHz до 10 GHz. На фиг.5б е резистор с мощност 1 kW и съпротивление 50 W, който работи до 1GHz и има размери 48ґ26ґ9 mm. Подложката му е от ВеО, а съпротивителният слой е сплав на мед, берилий и сребро.

Съществуват резистори със стъклен или керамичен цилиндричен корпус и съпротивителен слой от калаен окис (Metal Oxide Resistor). Максималната им мощност е 20 W, а съпротивленията – между няколко стотици W и няколко GW. Характерните приложения са за VL до около 50 kV и работа при температури до +230 °С.

Тънкослойни резистори
Този вид (Thin Film Resistor) имат структурата от фиг. 2, но съпротивителният им слой е с дебелина под 1 um, което налага ограничение в максималната разсейвана мощност. Нейната стойност не надхвърля 20 W, поради което мощните тънкослойни резистори се използват сравнително рядко.

Основното им принципно предимство е по-малкият TCR в сравнение с дебелослойните (типични стойности около ±50 ppm), с което се осигурява по-стабилна работа на използващите ги устройства.

Жични резистори
Наименованието им (Wire Wound Resistor) се дължи на тяхната структура, представляваща изолационно тяло (обикновено керамично) с навит върху него кръгъл или плосък (Ribbon Wire) съпротивителен проводник, който е покрит с подходящ слой или тялото е поставено в корпус.

Важният максимално допустим ток не се дава в каталозите, а се изчислява от дадените мощност и съпротивление. Например резистор 140 W/100 kW допуска 37,4 mA. Предимствата на жичните резистори спрямо дебелослойните са възможността за получаване на по-големи максимални токове и мощности и по-малкия TCR в някои модели и възможността за работа до по-високи температури.

Сред недостатъците им са по-големите размери и тегло, невъзможността за работа при високи честоти (независимо от наличието на модели със сравнително малка собствена индуктивност и за получаване на съпротивления над няколко стотици kW). Една от класификациите на жичните резистори е в зависимост от корпуса.

Резистори без корпус. Те са с цилиндрично тяло и две разновидности, като първата е с отвор по оста на корпуса (Tubular Core) за подобряване на охлаждането (фиг. 6а). За големи мощности и съпротивления до няколко стотици ома максималният ток на резистора е със значителни стойности, което налага използването на конструкцията на фиг. 6б (Wave Ribbon Wire).

Изводите на резисторите на тези две фигури са предназначени за хоризонтално монтиране и закрепване с помощта на гайки и болтове. Изводите на част от тях могат и да се запояват. С подобрено охлаждане са резисторите за вертикален монтаж с подходящи скоби за закрепване по аналогичен начин.

Мощностите са от 5 W до 20 kW (последният резистор е с дължина 1 m и диаметър 15 cm), съпротивления от 0,1 W до около 500 kW и работен температурен обхват, започващ от -55 °С и достигащ +450 °С.

Втората разновидност са резисторите с плътно тяло, които обикновено са с емайлово покритие на съпротивителния слой (Enameled Resistor) за предпазване от влага и аксиални изводи. За работа на резисторите в силно агресивна среда (например прах и механични въздействия), характерна за индустриалните приложения, се използват няколко слоя емайлово покритие.

Съществуват модели със стъклено покритие (Glass-Coated Power Resistor), което не се поврежда при мощност над максималната и осигурява повишена надеждност и стабилност по време на експлоатацията. При други резистори с подобна цел се използва силициево покритие (Silicon-Ceramic Conformal Wire Wound Resistor).

Тези резистори са особено подходящи за работа при резки промени на температурата. За подобряване на охлаждането (около 2 пъти) се използват метални щипки към тялото на резистора, които осигуряват и по-стабилна работа при вибрации.

Типичните приложения на тази разновидност са в мощни товари и филтри, конвертори, разреждане на мощни кондензатори като спирачни в електрозадвижвания.
Резистори с плоско тяло. Предназначени са за приложения, където от съществено значение е намаляването на един от размерите.

Пример за външния им вид е даден на фиг.7а, като съществуват конструкции (фиг.7б) с използване на изводите и за закрепване. Типичните мощности на тези резистори са 30-500 W при съпротивления между 0,5 W и 60 W.

Резистори с алуминиев корпус. Чрез поставяне на съпротивителното тяло в такъв корпус (Aluminum Cased Resistor) се осигурява много добро охлаждане благодарение на добрата топлопроводност на Al и съответно значителна мощност, към което предимство се прибавят намаленото тегло, устойчивостта на Al към външни въздействия (тя допълнително се подобрява чрез анодиране на повърхността на корпуса), стабилните параметри на резисторите и много добрата надеждност.

 Част от резисторите удовлетворяват изискванията към апаратурите със специално предназначение. За предпазване от прегряване някои модели са с вграден термостат или на повърхността на корпуса е монтиран термочувствителен елемент.

За многобройните случаи на работа с мощни импулси съществуват резистори с възможност за разсейване на голяма импулсна мощност (до няколко десетки kJ).
Един от масово разпространените корпуси (фиг. 8а) е предназначен за закрепване върху радиатор, като изводите на резистора се запояват.

Съществуват разновидности, чиито изводи са болт и гайка. Голямо е разнообразието на плоски корпуси с цилиндрично тяло. Възможно е монтирането на резисторите върху допълнителен радиатор за увеличаване на максималната мощност (фиг. 8б).

Максималната мощност на резисторите с алуминиев корпус обикновено е между 5 W и 3000 W при съпротивление 0,01 W - 100 kW и работен температурен обхват с долна граница между -55 °С и 0 °С и горна граница от +70 °С до около +400 °С.

Типичните им приложения са в стартери за електродвигатели, управление на мощни товари, зареждане и разреждане на кондензатори, филтри, различни електрически машини, потискане на мощни импулси, мощни захранвания, роботика и др.

Резистори с керамичен корпус. В техния корпус с квадратно и по-рядко правоъгълно сечение е поставено керамично тяло с навит проводник, което е запълнено с неорганична силициева смес. Наименованията им са Ceramic Housed Wire Wound Resistor и Ceramic Encased Resistor.

Основните предимства, които определят и областите на приложение, са незапалимата структура, линейната зависимост на съпротивлението от температурата, реализацията на точни резистори (минимален толеранс ±0,01%), доброто охлаждане, възможността за работа с големи токови импулси, издръжливостта на влага и удари. Разновидност е използването на слой от метален окис вместо проводник.

Максималната мощност на резисторите със съпротивителен проводник е 50 W, съпротивлението им е в границите от 0,01 W до 150 kW, а работният температурен обхват е с долна граница -55°С и горна между +155°С и +350°С. Резисторите с метален слой имат мощност до 25 W и минималните им съпротивления са няколко десети от ома.
Резистори със стоманен корпус.

Очевидната здравина на корпуса на този тип резистори (Steel Encased Wire Wound Resistor) им позволява да имат подходяща конструкция при големи мощности и да работят в тежки експлоатационни условия.

На фиг. 9а е показан тънък резистор за вертикален монтаж с корпус от поцинкована стомана и максимална мощност 1300 W при монтаж върху радиатор и 550 W без радиатор. Размерите му са 195x57x13mm, което означава разсейване на почти 10 W от всеки cm2 на площта му.

Резистори с много голяма мощност (обикновено между 1 kW и 2 MW) се правят с корпус от неръждаема стомана (Stainless Steel Resistor) и се използват в индустрията, релсовия електротранспорт, за регулиране на оборотите на мощни електродвигатели, за ограничаване на мощни импулси (Inrush Limiting), във вятърни електроцентрали и енергетиката.

Охлаждат се с вентилатори. Като пример на фиг. 9б е даден външният вид на серия от резистори с мощност между 10 kW и 200 kW.

За мощности до около 100 W без радиатор се ползват резистори с корпус от студеновалцована стомана, които също са незапалими, но не са водоустойчиви.

Резистори с водно охлаждане
Ефикасното охлаждане на този тип резистори (Water Cooled Resistor) позволява получаването на дадена мощност при значително по-малки размери в сравнение с използването на радиатори.

 Важна особеност е, че получаването на максималната мощност изисква дебит на водата над определена стойност, давана в каталога в l/min, и нейна максимална температура също според каталога. На фиг. 10а е показан жичен резистор с максимална мощност 600 W, получавана при дебит над 0,8 l/min и температура под +56 °С, като съпротивленията му са между 0,5 W и 62 kW.

Друг пример (фиг. 10б) е на резистор 1000 W при дебит 6 l/min и температура под +41 °С. Съпротивленията му са 20 - 120 W. Съществуват и резистори със съпротивителен слой от NiCr, нанесен чрез изолация върху корпус от неръждаема стомана с типичен температурен обхват -55 °С ё +200 °С.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top