傳遞功率電阻產(chǎn)生的熱能

本文介紹了功率電阻傳熱的實際問題，并介紹了薄膜電阻器部件的具體幾何形狀，與其他技術(shù)相比，如繞線電阻器。當(dāng)電流施加到功率薄膜電阻器（本文中稱為“功率電阻器”）時，電阻器元件產(chǎn)生的熱量必須消散，以使電阻器元件的溫度不超過其規(guī)定的最大工作溫度?，F(xiàn)代薄膜功率電阻器通常被結(jié)合到各種標(biāo)準(zhǔn)“TO”封裝中，其具有尺寸小并且在標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板布局中方便安裝的優(yōu)點。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)封裝的小尺寸將不支持這些器件的額定功率，而沒有額外的幫助將熱量從電阻器元件傳遞出去。這種幫助通常來自將封裝連接到更大的熱“散熱器”，該散熱器與TO封裝下側(cè)的金屬底板或凸緣接觸。散熱器的目的是從小電阻器元件吸收熱量（從而將元件的溫度保持在其最大工作溫度以下），然后通過傳導(dǎo)和對流在散熱器的更大區(qū)域上散熱。

簡單的金屬散熱器

簡單實用的散熱器是鋁或鋼板，如圖1所示。當(dāng)電阻器直接連接到散熱器時，產(chǎn)生的熱量由電阻導(dǎo)通金屬板，然后通過對流進(jìn)入空氣。金屬板的冷卻能力在一定程度上取決于金屬板是否由于自然對流空氣冷卻而垂直或水平定向。通過在稱為“強(qiáng)制空氣冷卻”的過程中迫使空氣通過散熱器可以獲得進(jìn)一步的傳熱改善。

散熱器的傳熱特性通過實驗確定，鋁的傳熱值和鋼板是眾所周知的。金屬板散熱器在空氣中的冷卻能力通常表示為金屬板散熱器的“熱阻”（見下一節(jié)），以°C/W表示，如圖2所示。圖3顯示了熱阻包含鰭片的更高效散熱器。

圖1：自然空氣冷卻中的熱源和金屬板。

圖2：鋁的典型耐熱性（測量值）。

圖3：耐熱性帶翅片的鋁制立方體的空氣。

熱阻，Rθ

熱阻是衡量熱傳遞阻力的指標(biāo)。在實踐中，通過測量散熱器兩端的溫差并除以以瓦為單位的熱輸入來實驗確定熱阻。使用實驗確定的設(shè)備熱阻，可以根據(jù)通過的熱量（以瓦特為單位）輕松計算出入口和出口之間的溫差。

在圖2中，橫軸圖中示出了鋁板的面積，而縱軸表示當(dāng)熱源安裝在板的中心時天然空氣冷卻鋁板的熱阻。熱阻使計算變得容易。將電阻器放置在0.1mm厚的鋁板的中心，其面積為10,000mm 2 ，環(huán)境溫度為50℃。對電阻器施加10W的功率。從圖2中，板的熱阻約為7℃。因此，中心部分的溫度與環(huán)境溫度之間的差值將是10 W x 7°C/W = 70°C，如果空氣溫度是50°C，則中心部分的溫度將是50° C + 70°C = 120°C。

功率電阻的內(nèi)部熱阻

上一節(jié)介紹了散熱片傳熱的過程，并代表了固有的性能。散熱器。

以同樣的方式，功率電阻器的結(jié)構(gòu)使得電阻器本身在內(nèi)部產(chǎn)生熱量，因此電阻器本身具有特定的熱阻。圖4顯示了功率電阻的橫截面。

圖4：發(fā)熱和熱傳導(dǎo)。

Riedon部件電阻器類型額定功率電阻器熱阻PF1262 TO126 20 W 5.9°C/W PF2202 TO220 20 W 5.9°C/W PF2203 TO220 35 W 3.3°C/W PF2205 TO220 50 W 2.3°C/W PF2472 TO247 100 W 1.3°C/W PF2272 SOT227 200 W 0.35°C/W

表1：熱量如表1所示，功率電阻的內(nèi)部熱阻使外部尺寸小，額定功率低的電阻具有較大的熱阻值，而大尺寸和高電阻的電阻則具有較大的熱阻值。額定功率值小。參照圖4所示的結(jié)構(gòu)，不是外部尺寸，而是內(nèi)部電阻膜的面積，氧化鋁基板的面積和確定熱阻的凸緣面積。換句話說，額定功率由電阻膜，氧化鋁基板和法蘭的面積決定。

圖4中所示的導(dǎo)熱油脂不是用于電阻法蘭的電絕緣，而是用于填充電阻器之間的輕微不規(guī)則性法蘭表面和散熱器表面實現(xiàn)更好的熱傳導(dǎo)。導(dǎo)熱油脂通常用于此目的。對于表面經(jīng)過精心加工的散熱片，導(dǎo)熱油脂層的熱阻約為每平方英寸0.005°C/W，就冷卻能力而言，這通?？梢院雎圆挥?。

對于法蘭和散熱器之間的導(dǎo)熱材料，如表2所示，請注意材料的厚度與導(dǎo)熱性一樣重要。導(dǎo)熱油脂僅約50微米厚，而熱凝膠和粘合劑厚約數(shù)百微米。較大的厚度增加了材料的熱阻并減少了冷卻。此外，在功率電阻器中，不需要在背板和散熱器之間提供絕緣，因為它們已經(jīng)是電絕緣的。

導(dǎo)熱系數(shù)（W/m×K）建議直接接觸良好狀態(tài)---是導(dǎo)熱油脂3.2-8.0是熱凝膠6.5否導(dǎo)熱膠3.8否

表2：法蘭和散熱器之間的典型材料建議

使用熱阻確定TO-247的最大功率水平的示例

從圖2所示的曲線圖中，板厚2 mm，展開面積40,000 mm 2 的鋁板的空氣熱阻Rθ約為2.2 °C/W。額定功率為100 W的TO247電阻的熱阻為1.3°C/W，法蘭接觸熱阻約為0.1°C/W.功率電阻器電阻膜工作溫度范圍的上限為155°C。

圖5：每個部分的溫度從電阻器流向空氣。

因此，如果確定了散熱器的熱阻和環(huán)境溫度，則可以確定可以施加到電阻器而不超過其最大工作溫度的最大功率。在圖5的情況下，當(dāng)環(huán)境溫度為50°C時，最大允許功率P =（155°C - 50°C）/3.6 = 29 W.請注意，如果電阻法蘭安裝在散熱器上保持在25°C，例如通過強(qiáng)制通風(fēng)或液體冷卻，可施加的最大功率也是設(shè)備的額定功率=（155°C - 25°C）/1.3 = 100 W.一般來說，最大值產(chǎn)品規(guī)格中引用的功率水平假設(shè)背板（以及接觸區(qū)域的散熱片）保持在25°C。

圖6表示上面的熱阻計算，包括功率降額曲線。這是一個計算值。對于實際器件，降低電阻器隨機(jī)故障率的重要實際因素是：（1）精確測量溫度分布;（2）將負(fù)載降低約50％，使電阻器工作在較低溫度。

圖6：從電阻到空氣的熱流的每個部分的溫度。

安裝功率電阻器

數(shù)字圖7，圖8，圖9，圖10，圖11，圖12和圖13示出了考慮到熱釋放的安裝示例，以及粗略的熱阻值。

圖7：35μm單面銅箔紙的環(huán)境空氣熱阻，100 mm方形角度的苯酚PCB垂直實施，16.5°C/W.

圖8：PCB的熱阻，23.5°C/W（30 mm x 30 mm），20°C/W（50 mm x 50 mm），16.5°C/W（100 mm x 100 mm）。

圖9：1 mm厚鋁板散熱片的熱阻，面積100 mm X 50 mm，7°C /W.

圖10：沒有任何散熱器的TO220電阻的熱阻。

圖11：功率電阻（底盤安裝）的典型安裝。

圖12：典型安裝功率電阻器（板支架帶支座到機(jī)箱）。

圖13a，13b和13c：安裝功率電阻器的例子。