為什么大功率電阻會(huì)爆炸？

一說到大功率電阻，通常會(huì)想到線繞技術(shù)和厚膜技術(shù)的電阻。其中，線繞電阻是最常見的大功率電阻，在陶瓷絕緣骨架上繞制電阻絲制成，單個(gè)電阻功率可達(dá)3KW以上。以下是幾種常見的線繞電阻。

厚膜技術(shù)的大功率電阻主要指的是平面功率電阻，是基于氧化鋁和氮化鋁基板印刷厚膜電阻漿料制成。以下是幾種常見的平面功率電阻。

第三種大功率電阻是實(shí)心陶瓷電阻，這種電阻相較于前兩種電阻技術(shù)，知名度不是很高，但卻具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：

● 高可靠性， 依靠陶瓷體吸收能量， 瞬時(shí)高能量脈沖的吸收最強(qiáng)?！?具有化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性?！?尺寸小， 相同尺寸可承受更高功率密度和能量?！?完全無感設(shè)計(jì)， 可應(yīng)用于吸收或釋放高頻高能量脈沖。

其制作工藝完全不同于線繞電阻和平面功率電阻，陶瓷電阻一般采用煅燒礬土、粘土、石墨或硅，以顆粒形態(tài)按照一定質(zhì)量配比混合均勻，經(jīng)成型、高溫?zé)Y(jié)、電極處理、最后封裝測(cè)試后制成。

實(shí)心陶瓷電阻和線繞電阻及膜式平面功率電阻的最大區(qū)別在于其通體導(dǎo)電，其阻值取決于石墨等導(dǎo)電粒子之間的接觸電阻以及石墨等導(dǎo)電粒子本身的電阻。

這種電阻能承受高能高脈沖的沖擊，非常適合用于能量泄放，如電容器充放電等場(chǎng)合。實(shí)心陶瓷電阻無感，可靠性極高，根據(jù)不同的應(yīng)用分為功率型和脈沖型兩種。

在實(shí)際的應(yīng)用中，很多工程師擔(dān)心大功率電阻在比較惡劣的工況下或嚴(yán)重過載的情況下會(huì)失效，隨之影響整機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

線繞電阻可能發(fā)生的情況是電阻絲被燒斷，導(dǎo)致電阻斷路；厚膜電阻的電阻膜層可能被蒸發(fā)，導(dǎo)致阻值的劇烈變化，且這種變化是不可逆的。

而陶瓷電阻，既不會(huì)有斷線的風(fēng)險(xiǎn)，也不會(huì)有電阻材料蒸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，那么陶瓷電阻在這種極端工況下會(huì)有怎樣的表現(xiàn)呢？對(duì)此，我們對(duì)陶瓷電阻做了一系列破壞性試驗(yàn)。分別測(cè)試Kanthal品牌254AS系列和254SP系列在過載幾十倍的狀態(tài)下的表現(xiàn)。

電阻準(zhǔn)備與試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

注釋：1. AS系列是脈沖型電阻材料，適用于抗脈沖的場(chǎng)合。2. SP系列是功率型電阻材料，適用于持續(xù)高功率的場(chǎng)合。

---------------- 試驗(yàn)過程 ----------------

254AS系列

對(duì)254AS系列電阻施加550W功率。電阻在很短的時(shí)間內(nèi)便開始冒煙，變紅，直到通體熾熱通紅，兩端出現(xiàn)明火，明火持續(xù)約20s才熄滅，此時(shí)電源為恒流3.92A輸出，但是兩端電壓下降至66.3V，說明從0s到60s左右時(shí)電阻阻值一直在下降；60s至185s，電阻又出現(xiàn)了通體熾熱通紅，亮度保持恒定，同時(shí)電阻兩端電壓保持恒定，說明此過程電阻阻值達(dá)到穩(wěn)定；185s至315s，電阻兩端電壓開始緩慢上升至140.7V，此時(shí)到達(dá)電源設(shè)定的最大輸出能力，此過程阻值增大；在這個(gè)過程中，電阻通紅發(fā)亮亮度增強(qiáng)；315s開始，電源保持恒壓輸出，但是輸出電流急劇下降，電阻發(fā)光亮度也急劇下降；390s，電阻發(fā)亮熄滅，此時(shí)電源電流顯示輸出為零。以下為試驗(yàn)視頻，速率已調(diào)整至6倍速。

在整個(gè)過程中，254AS系列陶瓷電阻出現(xiàn)冒煙-變紅-通體熾熱發(fā)光-微弱明火-通體熾熱發(fā)光-發(fā)光亮度增大-發(fā)光亮度減弱直至熄滅，但是沒有出現(xiàn)爆炸。

觀察電阻表面，電阻出現(xiàn)了明顯的開裂現(xiàn)象，外層為黃色，內(nèi)部為黑色，還看到有膠狀物。此時(shí)測(cè)量阻值為457KΩ，說明電阻并不是理想的開路狀態(tài)。

上為測(cè)試前，下為測(cè)試后

254SP系列

對(duì)254SP系列電阻施加1000W功率。當(dāng)打開電源輸出時(shí)，電壓恒壓輸出182V，電流顯示輸出為3A；說明電阻迅速受熱，阻值瞬間變大至60Ω左右。10s時(shí)電阻表面開始變紅發(fā)亮，此后一直到50s，電阻發(fā)光亮度逐漸增強(qiáng)；在此過程中電阻兩端電壓恒定為182V，電流輸出從3A緩慢下降至2.29A，說明此過程電阻阻值在緩慢上升。50s開始，電阻發(fā)光保持恒定，亮度略有變暗；電源輸出恒定在182V，2.29A，此電阻保持在80Ω左右。

一直持續(xù)至300s，電源保持416W輸出，電阻阻值無明顯波動(dòng)，說明電阻已經(jīng)達(dá)到了熱平衡，隨后便停止了試驗(yàn)。以下為試驗(yàn)視頻，速率已調(diào)整至6倍速。

在整個(gè)測(cè)試過程中，254SP系列陶瓷電阻無冒煙、著火現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。待電阻冷卻后，觀察電阻表面，電阻兩端略微發(fā)黑，標(biāo)記變暗淡，端帽部分出現(xiàn)氧化。此時(shí)測(cè)量阻值為36.9Ω，阻值變化約11.4%。

上為測(cè)試前，下為測(cè)試后

---------------- 分析 ---------------

① 為什么254AS系列會(huì)出現(xiàn)明火現(xiàn)象？

254AS系列電阻表面涂覆一層綠色的絕緣漆，這種絕緣漆在高溫的情況下會(huì)冒煙燃燒，待這種絕緣漆燃燒盡后，電阻表面不再出現(xiàn)明火。

② 為什么254AS系列電阻阻值先減小后變大？

初期功率過載阻值減小原因：

1. 陶瓷電阻阻值主要取決于石墨粒子之間的接觸電阻，以及石墨本身的電阻，石墨粒子在電阻中并不是呈規(guī)則排列，而是縱橫交錯(cuò)，在制造過程中，會(huì)導(dǎo)致電阻中存在缺陷。

在初始功率過載時(shí)，電阻中接觸不良的部分得以優(yōu)化，降低導(dǎo)電通路的缺陷率與接觸電阻值，使得石墨粒子之間接觸狀態(tài)趨于穩(wěn)定，從而電阻阻值下降。

2. 254AS系列陶瓷電阻為負(fù)溫度系數(shù)，溫度上升阻值下降。

過載一段時(shí)間后阻值增大原因：

在功率過載一段時(shí)間后，由于陶瓷電阻無法承受功率過載產(chǎn)生的高溫，電阻內(nèi)部膨脹開裂，石墨部分暴露在空氣中被氧化，與此同時(shí)電阻的截面積變小，導(dǎo)致電阻阻值迅速躥升。但電阻阻值上升至一定阻值時(shí)，電阻熱功率已經(jīng)非常小了，阻值趨于穩(wěn)定。

③ 為什么254SP系列陶瓷電阻在整個(gè)過程中無明火、且不會(huì)燒毀？

254SP系列陶瓷表面涂覆耐高溫的釉層，起到防潮的作用，同時(shí)可浸油使用。同時(shí)，在高溫下，釉不會(huì)燃燒。SP系列采用耐高溫陶瓷粉末配比，允許最高連續(xù)工作溫度350℃，短時(shí)過載工作允許溫度達(dá)到550℃~600℃。所以254SP系列適合連續(xù)大功率應(yīng)用場(chǎng)合。

小結(jié)：

大部分的工程師都會(huì)降額使用大功率電阻，依據(jù)軍標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，通常降額一半，其實(shí)降額多少必須結(jié)合工作環(huán)境和散熱條件來考慮，如果該電阻周圍聚集了眾多發(fā)熱元器件，或者工作環(huán)境溫度持續(xù)較高，或者通風(fēng)條件較差，則為了降低發(fā)熱甚至需要進(jìn)一步的降額使用，但若是安裝空間有限，無法使用更大尺寸的功率電阻，則要考慮該電阻在過載情況下的表現(xiàn)了。

本文作者：Resistor Today