高压电阻及脉冲应用

作者:广东米特电子 阅读:24

1)高压电阻及脉冲电阻的概念

高压电阻是能在连续的高电压环境下工作的电阻器。

脉冲电阻是能承受瞬间高电压的电阻器。

 

在需要连续的高工作电压时,设计师需要选择高压电阻,这类电阻一般都具有比较大或非常大的阻值,一般阻值均在1K以上,更高可以到100T(10的14次方欧姆)以上,工作电阻从几千伏到几百千伏甚至更高。

 

正常状态下不工作或工作电压较低,但可以承受非常高的瞬间脉冲或非常大的瞬间能量,这类场合需要使用脉冲电阻,也叫高能电阻。高能电阻的阻值一般比高压电阻小很多,阻值越小,能量释放的速度越快,对电阻本身的抗脉冲特性要求越高。同一材质同一功率的脉冲电阻一般具有共同的抗脉冲特性,但阻值的高低会对抗脉冲的能力产生影响。

 

 

2)高压电阻及脉冲电阻的应用

高压电阻的应用场合相当广泛,例如高压电力设备,医疗CT及X光机,高压测试设备,高压电源,真空设备等等。

 

脉冲电阻常应用于汽车电子,心脏除颤器等医疗设备,高压电源。在有可能发生打火现象的电源设计中,脉冲电阻可以提高系统的可靠性。

 

3)高压电阻及脉冲电阻的分类及特点

 

根据材料来分类,高压电阻分为:玻璃釉高压电阻,金属氧化膜高压电阻,碳合成高压电阻,陶瓷合成高压电阻,厚膜高压电阻,氧化钌高压电阻。

 

玻璃釉高压电阻是最普通的高压电阻,其特点是价格便宜,一般应用于小功率和对可靠性要求不高的场合。

 

金属氧化膜高压电阻常被用于高频电阻中的负载,但长期的稳定性比较差,且抗脉冲能力一般,功率也一般较小。

 

碳和陶瓷合成高压电阻具有非常低的电感,非常好的高压性能和抗脉冲性能,但阻值精度一般更好只能做到5%,且温飘非常高且阻值的长期稳定性一般。适合应用于对高压和高脉冲要求较高但对于阻值精度要求一般测场合。

 

厚膜高压电阻是目前市场上更流行的高压电阻,其功率一般都低于20W,无感,阻值可以做到1T以上,且精度可以做到0.5%甚至更好,温飘更低可以到25PPM.抗脉冲能力略低于碳及陶瓷合同电阻,也可以定制精密分压高压电阻及高压网络电阻。

 

氧化钌高压电阻的主要缺点是价格昂贵,制作周期长。但他可以具有非常好的温飘(10PPM)以及非常高的精度0.05%, 阻值范围也非常宽,适合应用于精密高压控制场合。

 

脉冲电阻按照材料可分为:碳合成抗脉冲电阻,陶瓷合成高能电阻,线绕高能电阻,厚膜抗脉冲电阻。

 

碳合成抗脉冲电阻在过去曾是更流行的抗脉冲电阻,但目前由于材料的短缺,产能无法满足要求以及生产污染的原因造成大批量的停产。但碳合成的抗脉冲电阻在小功率方面仍是最可靠的抗脉冲电阻之一,一般的精度只有10%。功率0.25W和0.5W的碳合成抗脉冲电阻典型脉冲功率曲线如下:

image.png

 

陶瓷合成抗脉冲电阻的功率范围比碳合成的稍宽,电感值也较低,抗脉冲能力略低于碳合成电阻,但单个脉冲的能量吸收要远大于碳合成的抗脉冲电阻。根据材料配方的不同,可以做成高抗脉冲能力和高吸收能量两种类型。1W的抗脉冲陶瓷电阻可以承受20KV 1S的单个脉冲测试,典型的测试图如下:

image.png

 

一个5.5W高能的高能陶瓷电阻可以吸收2800J的单个脉冲能量,适合应用于高峰值功率的场合。

 

线绕高能电阻也具有一定的抗脉冲能力。线绕电阻本身具有一定的抗脉冲能力,但不同的线材的抗脉冲能力并不相同,所以我们不能把普通的线绕电阻应用在脉冲场合。线绕电阻在对阻值调整的过程中可能会损伤线材本身,这将会大大降低线绕电阻的脉冲特性。所以选择一定要专有线绕抗脉冲,这些专有的线绕抗脉冲电阻除了使用特殊的线材外,在生产过程中也确保了不损伤线材本身,这些电阻的规格书中将明确标明所承受的脉冲能量和相关参数。一般本类电阻都需要特制。

 

厚膜抗脉冲电阻沿用了传统厚膜电阻的制作方法,即在陶瓷基板上印刷高压厚膜电阻浆料,用高温的硅树脂做表层封装。所以样子程薄片状,使用习惯柱状电阻的设计师会觉得这种样子不大美观,但性能相当可靠。这种抗脉冲电阻价格略高于其他几种抗脉冲电阻,可以作为日益紧张的碳和陶瓷合成电阻的替代方案。

对于这类电阻通常我们以百分比来计算抗脉冲电阻所能承受的单个脉冲能量。

Er=能承受标称能量的百分比,Ea=对于不同脉冲波形所估算的能量,Enominal=标称能量

 

image.png

不同的脉冲波形按照以下公司来估算能量

image.png

 

实际计算出来的数值我们一般还有降额50%来确保可靠性。

 

所有的抗脉冲电阻在使用的过程中需要注意:

连续的工作电压不能超过额定工作电压

不能超过额定功率工作,并需要预留一定的功率空间以确保可靠性

不同材料的抗脉冲电阻的脉宽和时间以及抗脉冲能力都有不同

 

4)高压电阻及脉冲电阻的选型

对于高压电阻的选型,首先我们需要确认的是基本参数,这些参数包括需要的阻值,功率,阻值精度,温度系数,安装方式及尺寸。

在确认了以上参数后即可根据下表来选择相应材料的高压电阻

 

材料

功率

阻值范围

更高精度

温飘

可靠性

玻璃釉

0.1-30W

10M-1G

1%

300 PPM

一般

金属氧化膜

1-20W

100-3G

1%

100 PPM

一般

碳及陶瓷合成

0.25-5.5W

1-20M

5%

300 PPM

厚膜

0.1-300W

1K-10000G

0.25%

25 PPM

氧化钌

1-10W

1K-1000G

0.05%

10 PPM

   更大功率可以使用碳及陶瓷合成的高压电阻,更高功率可达到1000W.

 

对于抗脉冲电阻的选型,首先我们要确认的基本参数是:脉冲电压,单个脉冲能量,脉冲宽度,脉冲频率,阻值,阻值精度,额定功率。

确认以上参数后可以根据下表来选择相应材料的抗脉冲电阻:

材料

功率

阻值范围

更高精度

脉冲电压

能量

碳及陶瓷合成

0.25-300W

2.2-10K

10%

1K-100KV

1KJ-140KJ

厚膜

0.5-2W

100-3G

1%

3K-11KV

6J-55J

一般来说小功率的抗脉冲电阻要么是碳合成,要么是陶瓷合成;大功率的抗脉冲电阻大都采用碳加陶瓷合成材料。这些材料的产地基本集中在日本,日本也是陶瓷材料前沿科技的代表。

 

5)目前市场上流行的高压电阻和脉冲电阻

小功率的厚膜高压电阻是目前市场上更流行的高压电阻,其主要特点是阻值可以做到非常大,精度较高,温飘好,价格适中。

 

小功率的碳及陶瓷合成抗脉冲电阻功率从0.25-1W,抗脉冲能力可达到20KV.虽然精度和温飘较差,但可靠性非常高。

 

小功率的陶瓷合成高能电阻5.5W的单个脉冲能量可以达到2800J,这类电阻价格较高。

 

 


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