电阻元件（共3篇）
电阻元件 篇1
当一个电子元件两端加上电压, 元件内有电流通过时, 此元件的电流将随外加电压的变化而变化, 若加在电阻两端的电压U与通过它的电流I成正比 (忽略电流热效应对阻值的影响) , 即这类电阻元件称为线性电阻元件。另外还有一类电阻元件称为非线性电阻元件。它的电阻定义为R=dU/dI, 由曲线的斜率求得。
下面就线性电阻的测量作如下讨论:由于电流表及电压表都有内阻, 将会对实际电阻测量产生误差, 为了修正其误差常采取以下两种方法进行测量, 如图3、4。
图3是电流表外接法, 图4是电流表内接法, 图中R0为保护电子元件的限流电阻。在外接电路中, 电压表测得的是电阻Rx两端的电压。由于电流表外接, 电流表测得的就不只是通过电阻Rx的电流, 而是通过电压表和电阻的电流之和, 用RV表示电压表的内阻, 则
实验测得的电阻值应是:
由此可见, 采用电流表外接法测得的R值比电阻的真值Rx偏小。这种误差显然是由测量方法造成的系统误差, 由 (1) 式可以看出, 当时, Rx≈U/I, 所以电流表外接法适合测低值电阻。
在电流表内接电路中, 电流表测出的是通过电阻Rx的电流, 而电压表读出的却是电阻Rx和电流表上的电压之和, 用RA表示电流表的内阻, 则
实验测得的电阻值应是:
由此可见, 采用电流表内接法测得的R值比电阻的真值Rx偏大。只有当时, 才有Rx≈U/I, 所以电流表内接法适合测高值电阻。
下面给出分别用电流表内、外接法测量一个理论值为100欧姆的线性电阻的数据。
电压表的量程:5V;电流表的量程:30mA;电阻的标称值:100Ω。
由上表中的数据画出电流表内、外接法测量线性电阻的曲线为图6、图5。
并可求出相应的待测电阻值和相对不确定度。
外接法:Rx=96Ω<100Ω。
内接法:Rx=112Ω>100Ω。
选择一组数据计算不确定度:
外接法:
内接法:
从上面的计算可以看出, 外接法所得结果和标称电阻值更加接近, 在本实验中, 采用外接法更加合适, 误差更小。
所以对于给定的一个电阻, 用哪种方法测量更准确, 是可以通过先预估其大约值, 再用以上公式判断, 选择正确的方法, 最大限度地减小误差, 获得尽可能准确的测量值。
晶体二极管是典型的非线性元件, 通常用符号表示。它的正反两方向的电阻差异很大, 如图2所示的二极管伏安特性图可知:当二极管加正向电压时, 管子呈低阻状态;在OA段, 正向电流较小, 二极管的电阻较大。在AB段, 外加电压超过开启电压 (锗管约为0.3V, 硅管约为0.7V) 后, 二极管的电阻变得很小 (约几十欧姆) , 电流迅速上升, 二极管呈导通状态。相反, 若二极管加上反向电压时, 当电压较小时, 反向电流很小;在曲线OC段, 管子呈高阻状态 (截止) 。当电压继续增加到该二极管的击穿电压时, 二极管将被击穿, 此时电阻趋于零值。对于半导体二极管, 测量其电阻电路图类似上述线性电阻测量方法, 见图3、4, 只需将其中的线性电阻换成二极管。加正向电压时, 管子呈低阻状态, 电阻很小很小, 此时由公式1、2可知, 用外接法较好;反向时电阻很大, 用内接法好。又由于二极管正向电阻特别小, 反向电阻特别大, 比较极端, 此时电表的内阻对二极管的伏安特性影响已很小, 所以用内接或外接法测量二极管均可。
举例:测绘半导体二极管2CW52的正、反向伏安特性曲线。
电压表的量程:正向2.5V, 反向5.0V;电流表的量程:正向30mA, 反向7.5mA。
画出半导体二极管2CW52的正、反向伏安特性曲线。
从图中可以看出, 在二极管上加正向电压时, 当电压超过门槛电压 (0.7伏左右) 时, 电流随电压的增加而快速增加, 呈导通状态, 电阻很小;加反向电压时, 则在很大的电压范围内电流都很小, 呈现截止状态。
电阻元件 篇2
随着材料研究领域的不断拓宽,对高温下制备新材料和新材料在高温下的性能研究成为材料科学的重要内容。硅钼棒高温电炉控温温度可达1600℃。但是1600℃以上一直是普通电炉的空白区,钼丝和铂丝可以作为高温炉的加热元件,但是价格昂贵,而且使用寿命有限;二氧化锆作为高温加热元件可以实现1800℃的高温,但是制备困难,价格昂贵,而且低温情况下导电性能不好,高温电炉中应用有限[1]。
本文中利用了新型的铬酸镧加热元件,克服了铬酸镧棒的低温性能上的缺点,研制了新型双加热系统1800℃高温电炉,为材料科学的发展提供重要的试验设备。具有非常好的前景。
1 铬酸镧加热元件的特点
铬酸镧发热元件是以铬酸镧为主要成分,在高温氧化气氛电炉中使用的电阻发热元件,铬酸镧发热元件最高表面温度可达1900℃,炉温可达到1800℃。耗能少,可以精确控制温度,其炉温稳定度可在1℃之内。铬酸镧发热元件在使用过程中升温速度不宜太快且越均匀越好,升温速度不能大于400℃/h。炉温升温速度在300℃以下应<4℃/min,在300~1000℃时应<5℃/min,一般应控制在200~300℃/h之间[2]。
铬酸镧加热棒的缺点主要是低温时加热功率低,加热速度较慢,使试验的工艺参数制订会遇到一定的困难。另外使用过程中对电流和电压的最大值要求非常严格,稍不小心容易造成铬酸镧加热棒的报废,使设备的维修成本大幅上升。
2 铬酸镧为主要加热元件的高温电阻炉设计
针对铬酸镧加热棒的特点,本研究设计和制备了以铬酸镧为主的以电阻丝为辅的双加热系统高温炉。
2.1 双加热系统的设计
双加热系统是将电阻丝的加热系统和铬酸镧加热系统同时安放在一套高温炉系统中,在0~500℃铬酸镧加热的敏感区用镍铬电阻丝进行升温,在500~1000℃区间两套加热系统同时工作,在1000摄氏度以上时完全用铬酸镧加热棒,电阻丝停止加热。采用内外两层加热系统,内层加热元器件为铬酸镧,外层加热元件材料为镍铬合金的电阻丝。
加热元件的排布如图1所示。
电阻丝安放在莫来石耐火砖中,采用钻孔后安装的方式安装到保温层中。电阻丝的位置需要经过精确的计算来确定,要求炉膛的温度在1800℃时,通过传热到达电阻丝位置的温度不能高于1200℃。这样的设计可以避免铬酸镧在高温下挥发的物质对低温加热元件的影响,也避免两个加热元件相互干扰,提高各自的使用寿命。
2.2 炉膛设计
铬酸镧发热元件在高温下有少量铬离子挥发,在使用过程中,为了防止铬离子扩散到烧制的样品中或是样品在烧制的过程中产生影响发热元件使用的气氛扩散到发热元件上,就需要用高纯刚玉管把发热元件和样品隔开。
在本设计中选择了高纯刚玉管作炉膛,如图2所示,在加热区外,依次用刚玉、莫来石轻质耐火砖、硅酸铝耐火纤维毡将其封闭,而另一端由以上的材料构成一个带有中心孔的活动塞子,中心孔由细高纯刚玉管串联、上胶形成统一的整体,该中心孔可以起到观察孔的作用。
2.3 铬酸镧加热元件设计
本设计选用的铬酸镧棒为B14-450型,该加热棒的直径为14mm,全长450mm,加热区在加热棒的中间长度为120mm额定功率为850W。
由于铬酸镧加热棒在刚玉管炉膛外面,因此,要实现炉膛1800℃,加热棒的支撑部分要达到1800℃以上,选择支撑的耐火材料非常关键,本设计选择高纯刚玉砖作为支撑部件,高纯刚玉砖的耐火度可以在1800℃以上。铬酸镧加热棒的装配模式见图3。
图3中中心处为高纯的刚玉管,也是炉膛,在炉膛的周围均匀地分布着6根铬酸镧加热棒,由于铬酸镧加热棒的加热区位于中部,为了达到1800℃以上的高温,在加热区周围用高纯刚玉砖制备了一个空腔,腔体中的温度是炉温最高的位置。在刚玉砖的外侧设置了高性能多孔轻质保温砖,该砖的使用温度可达1600以上[3]。轻质保温砖外侧留有50mm左右的接线端可以方便地安装卡头。
2.4 保温材料的设计
高温炉在耐火结构材料外侧为隔热保温材料,隔热保温材料在高温区主要应用耐火度比较高的轻质莫来石耐火砖,该砖的使用温度可达1600℃,导热系数约为0.38W/m.K;在温度低于1000℃的区域使用硅酸铝纤维毡作隔热材料,导热系数小于0.15 W/m.K[4]。
2.5 温度控制装置设计
温度控制选择了具有过程温度控制PID的仪表和可控硅触发电路,与常规的电炉控制器略有不同的地方是,在常温到500℃这个区域要用电阻丝加热,在500~1000℃区间要用电阻丝和铬酸镧共同加热,而铬酸镧加热的功率要逐渐增加,1000℃以上都要用铬酸镧加热,这些转换要由控制电路来完成转换。
热电偶选用钨铼合金热电偶,该热电偶的工作温度可达2300℃。
3 双加热电阻炉调试
选择电阻丝作为加热元件,并对电阻丝深埋电压110V,起始温度为22℃,终点温度为500℃,区间耗时200min。此时平均升温速率3.3℃/min。其温度与时间的曲线图如图4所示。在用电阻丝升温到500℃后,停止用电阻丝加热,从500℃到1300℃为单独用铬酸镧加热元件加热的区间。
单独采用四根铬酸镧串联加热的曲线图如图5所示。按照加热棒的使用说明书,四根加热棒在满负荷工作下的功率为4×66×13(个数×额定电压×额定电流),因此,总的额定电压应为264V,为了检验不同电压下的升温状态,在达到500度以上后先用小于一半的额定电压加热,首先选择了105V。随着加温性能减弱再增大电压。
经过实验验证,该加热炉在满功率加热时,在电阻丝加热的低温阶段(≤500℃)升温速度最快可以达到15℃/min,在两者电阻丝和铬酸镧共同加热的区间(500~1000℃)最高的升温速度可以10℃/min,而在铬酸镧加热区间最高的升温速度可以达到7℃/min。
该1800℃高温电炉已经申请了中国国家发明专利,申请号:201020266811.3发明创造名称:新型高温气氛炉。
4 结论
在本文中应用电阻丝和铬酸镧加热棒双加热系统成功的进行了高温电阻炉的设计,并制造了试验高温炉,通过对升温过程的测定,可以看出该电炉的升温性能良好,由于可以用电压来准确的控制升温过程,所以高温电炉的升温过程完全可控,可以升温到1800℃,为新材料研究和材料性能的测定提供了可靠的实验仪器。
参考文献
[1]张金丽.SiC准一维纳米材料的制备及连续生产纳米材料真空可控气氛炉的设计[D].青岛:青岛科技大学硕士学位论文,2007(04):5-43
[2]铬酸镧超高温电热元件.http://www.furnace56.cn/shichangxingqing/200810/07-41.html
[3]徐烈,方荣生,马庆芳.绝热技术[M].北京:国防工业出版社,1990(07)第一版,149-186
电阻元件 篇3
无源元件在大规模制造设施内生产, 并通过优异的过程控制来减小不同产品批次间的差异。与商业元件相比, 医疗器械要求元件具有更高的可靠性性能及更小的尺寸。不同的元件制造方法可帮助实现各种选项, 以减小混合元件和电路板空间并增加元件可靠性。
电容器选型标准
每种电容器技术都有独有的性质, 在针对最终应用进行产品选型时应将这些性质视为规定标准的一部分。多层陶瓷电容器 (MLCC) 根据电容器的介电质选型;而电解钽、铝及薄膜电容器根据阳极材料选型, 以达到最高电容/电压。
外壳尺寸为0201 (0.024''×0.012'×0.013'') 的MLCC用于可植入器械, 提供去噪或无线电/遥测系统调谐功能。尺寸为2225 (0.22''×0.25''×0.86'') 的最大MLCC常被用作谐振电容器, 用于体外医疗器械。
V i s h a y提供0 4 0 2外壳尺寸 (0.045'×0.026'×0.024') 的医疗器械用固钽电容器, 其低高度有助于节省空间。另外还提供1210 T外壳尺寸 (0.138''×0.11''×0.063'') 的可靠、大电容固钽电容器。
Vishay提供20 mil2尺寸、最大电容值1000 p F的硅基电容器。硅基电容器可通过环氧树脂或共晶贴片贴装并且是打线式的。另外还提供0402外壳尺寸、最大电容值27 p F的表面贴装“倒装贴片”硅基电容器。硅基电容器技术提供可靠的宽带操作 (20 GHz) 、高Q值、低DCR和高SRF。
磁性元件选型标准
大多数磁性元件都是由医疗器械制造商和磁性元件公司的工程师通过合作而定制设计的, 以适应特定医疗器械为之预留的有限空间。用于可植入器械的定制磁性元件通常由骨架式变压器、环形线圈变压器、模压电感器和具有独特形状与性能的天线构成。另外, 通过采用各种磁芯材料和形状可优化性能以适应每种应用的要求。
在确定了元件的尺寸、价格和性能后, 即可将目标锁定在与空间要求相匹配的最具成本效益和性能最高的元件上。设计完毕后, 制定严格的制造流程、控制及测试程序来确保达到最高质量水平, 包括在尺寸及磁性方面。小型设计常常需要进行3D CAD仿真, 以实现准确的元件布局和原型设计。
定制磁性元件制造过程中使用种类广泛的专用空心线圈、骨架式线圈和环状线圈绕制设备。该设备具有严格受控的关键电气要求。关键尺寸的测量使用相关检验设备, 如光学测量仪器。定制设计的试验台和夹具允许监视和测试电气参数。这些自动试验台的使用允许进行数据分析, 以保证设计的可制造性。
用于医疗应用的磁性元件的尺寸和形状因应用的不同而存在很大差异。0402小尺寸电感器 (0.040''×0.020''×0.020'') 用于遥测/通信应用。这些电感器可以是打线式的并用陶瓷芯制造, 最大电感值可达150n H。
业界提供 (0.030''×0.030''×0.020'') 和 (0.050''×0.050''×0.020'') 两种尺寸的高频打线式RF螺旋电感器。这些电感器在RF频带中表现优异, 适合偏置、调谐和集总元件滤波器应用。
电阻器选型标准
V i s h a y提供外壳尺寸为0 4 0 2~2512的标准薄膜和厚膜表面贴装电阻器。电阻器选型标准包括脉冲处理能力、工作电压、工作温度及长期稳定性。打线式电阻器的尺寸范围为0.015''×0.015''×0.010'' (125 m W额定功率) 至0.055''×0.055''×0.010'' (最大阻值30MΩ, 工作电压100 V) 。
薄膜电阻器支持密集的电路布置, 同时提供高可靠电阻器膜的优点。Vishay电阻器提供低至0.01%的阻值容差和低至5 ppm的TCR来支持放大器、Tx/Rx电路及功率分配的精调。对于医疗应用, 这些片式电阻器可提供任何标准阻值 (10Ω~25MΩ) 。
高可靠性试验
对医疗器械应用来说, 避免无源元件的致命失效和漂移失效是首要关心的事情。最终, 产品可靠性预测是建立在供应商试验数据和医疗器械制造商规定的在定义时间范围内的应用工作温度的基础上。无源元件供应商的过程控制是实现高可靠性的一个重要因素。无源元件的可靠性和用于重要医疗器械应用的合格性的建立是通过在抬高的温度和额定或更高电压条件下进行规定时长的寿命试验来未完成的。无源元件试验基于客户要求和MIL规范 (若适用) 。
无源元件的可靠性预测可使用基于MIL手册217或IEC863的在线建模程序来进行。
固钽试验标准基于MIL-PRF-55365。固钽电容器在抬高的温度和电压下经历内合格性和定期维护试验。对于重要应用, 钽电容器的设计、制造和试验是依照可满足定制要求的限值来进行的。
依照MIL-PRF-55342对电阻器进行针对重要医疗应用的合格试验。电阻器失效分为两类:致命失效 (如电阻器开路或短路) 和漂移失效 (导致电路工作状况不佳) 。
可将试验得到的电阻器性能与MIL-PRF-55342限值进行比较, 如表1所示。
定制磁性元件的内可靠性试验基于MIL-PRF-27标准。所进行的试验包括可焊性、耐溶剂性、端子强度、冲击和振动、防潮性及热冲击等。这些试验详载于MIL-STD-202和其他ASTM或JDEC标准。
总结
较小的医疗器械可使手术更简单并降低其侵入性, 从而方便医生操作和减轻患者痛苦。随着更小更新的无源元件的推出, 相应地也需要更好的生产及试验技术来提高元件的质量。新型小尺寸无源元件的供应商可能需要进行设备和自动化投资来获得医疗器械制造商要求的工艺能力。依照客户要求和行业标准进行合格试验和可靠性试验是开发过程的要求。
摘要：多年来, 医疗器械变得越来越小, 小型可植入器械在植入过程中让患者感觉更舒适, 对身体的损伤也更小。为满足对用于可植入医疗器械的小型混合元件的需求, 人们不断改进微控制器 (MCU) ——或专用集成电路 (ASIC) ——和功率系统的混合元件布局与封装技术。本文讨论了无源元件的选型过程, 目的是减小医疗器械中的混合元件和电路板空间。