روش‌های ساخت مقاومت‌ های ولتاژ بالا

مقدمه در مورد مقاومت ها ی ولتاژ بالا-

مقاومت‌ ها در مدارهای الکتريکی، ماشين‌ها و صنعت کاربردهای زيادی دارند. از جمله: کنترل يا محدود کردن جريان،کاهش يا تقسيم ولتاژ و افزودن به بار.

اما در بسياری از مواقع نياز است که ولتاژی بيشتر از آستانه‌ی مقاومت‌ های معمولی را از خود عبور دهند.

این امر ممکن است باعث تغيير مقدار مقاومت شود.

يا آن را از نظر فيزيکی از بين ببرد. از اين رو بايد به روش‌های مختلف برای ساخت مقاومت‌هایی متوصل شد.

تا توانایی تحمل اينگونه ولتاژها را دارند. برای ولتاژهای بالا، مقاومت باید مقدار بسیار بالایی نیز داشته باشد.

و قدرت تخریب بزرگ. برای جلوگیری از شوک الکتریکی، یک ماتریس باریک با مقاومت فشار بالا باید انتخاب شود.

فیلم مقاومت به یک کمربند مارپیچ ساخته میشود. شیب ولتاژ در طول آن نباید بیش از 500 ولت / سانتی متر باشد.

این مقاومت ها در بعضی مواقع باید در روغن یا گاز نگهداری شوند.

تا از پدیده ی کرونا یا هاله(یونیزه شدن هوا و منجر شدن به تخلیه ی الکتریکی) جلوگیری شود.

اين مقاومت‌ ها که بالاولتاژ (high-voltage resistors) گفته مي‌شوند.

مي‌توانند ولتاژهای بالا تا نزديک به صد کيلو ولت را تحمل کنند. چند نمونه از اين مقاومت‌ها را در ادامه بررسی مي‌کنيم.

مقاومت های مايع

مقاومت های سرمتی(cermet) با اکسید رتانیم به عنوان ماده‌ی فلزی

مقاومت با طرح مارپيچ

مقاومت مايع

مقاومت‌های مایع در ولتاژهای بالای ac استفاده‌ی زيادی دارند.

مزيت بزرگ اين مقاومت‌ها اين است که هزينه‌ی ساخت آن‌ها بسیار پايین است.

و قابليت تحمل انرژی بالا را دارا هستند.

عيب آن‌ها اين است که فراهم کردن مقدار اهم دقيق برای مقاومت دشوار است.

به ندرت کمتر از 10 درصد خطا دارند. و اين که دمای محلول ممکن است تأثير زيادی در اندازه‌ی مقاومت بگذارد.

در نتيجه معمولاً کاربرد آن در جایی است که توان و ولتاژ بالا ولی دقت پایين مورد نياز باشد.

طرز ساخت–

مقاومت‌ های مايع را معمولاً از تيوبی از جنس ماده‌ی عايق، محکم و قابل انعطاف مي‌سازند.

دو الکترود در دو سر آن قرار مي‌دهند. تيوب را پر از محلولی الکتروليت مي‌کنند.

دو سر آن را با بست کمربندی يا سرشلنگی محکم مي‌سازند. در صنعت از مخرن زمین شده استفاده می‌شود.

انتخاب جنس الکترودها وابسته به نوع محلول الکتروليت است. تا اطمينان حاصل شود که با گذر زمان، محلول باعث سايش و زدايش الکترود نمي‌شود.

مي‌توان از محلولات شيميایی متفاوتی به عنوان محلول مقاومت استفاده کرد.

چهارتا از مورد استفاده ترين اين محلول ها در نمودار شکل زير نشان داده شده است.

سولفات مس، آمونيم کلريد، سديم کلريد، سديم تيوسولفات.

مایع های استفاده شده-

مس سولفات (CuSo4)- محلول مس سولفات فوق اشباع شده. مقاومت 22 اهم/سانتی‌متر را دارد.

مورد استفاده ترين محلول در ساخت مقاومت‌های مايع است. در اين محلول، جنس الکترودها بايد از جنس مس باشد.

آمونيم کلرايد(NH4Cl)- برای کاربردهای متفاوت که به مقاومت بالا نيازی نيست از اين محلول استفاده مي‌شود.

در حالت فوق اشباع، مقاومت آن به 2 اهم/سانتی‌متر هم مي‌رسد. در اين محلول جنس الکترودها از فولاد ضد زنگ(ss3)استفاده مي‌شود .

سديم کلريد مقاومت کم 5 را دارد.

بهینه سازی مقاومت‌های مایع و به تاخیر انداختن تغییر مقاومت آن‌ها-

مقاومت های ارزان قيمت، با قابلیت تحمل ولتاژهای بالا را مي‌توان از تيوب منعطف پی-وی-سی، پر شده.

با محلول سولفات مس در آب با الکترودهای مسی در دو سرش ساخت و به شکل مارپيچ دور استوانه‌ای عمودی پيچيد.

برای مثال، يکی از کاربردهای اين مقاومت‌ها در ژنراتورهای LC است. اين مقاومت‌ها در روغن نگه داشته مي‌شوند.

نقش مقاومت شارژ را برای خازن‌ها دارند. که از طریق این مقاومت ها به یک منبع تغذيه‌یkv  60  وصل هستند.

مقاومت آنها نزديک به 4 مگا ولت است. هرکدام در هر دوره‌ی شارژ 0.275 کولن بار را هدایت می‌کنند.

kj  9 حرارت با توان پیکw  900 آزاد می‌سازند. مشاهده شده است که این مقاومت‌ها تنها دفعات محدودی قابليت شارژ کردن دارند.

بعد از آن مقاومت آن‌ها افزايش مي‌يابد. زمان شارژ بيش از حد طولانی مي‌شود.

اين اتفاق برای مقاومتی که الکترود پایين آن به مثبت مبنای تغذيه وصل است، سریع‌تر رخ می‌دهد.

که علت آن پديده‌ی الکتروليز است.

که باعث جدا شدن يون‌های مس و جذب آن‌ها به سمت الکترود منفی است و روی هم جمع می‌شوند و فضای سمت منفی را در برمي‌گيرند.

اين فضا از يون‌های سولفات خالی مي‌شود و مقاومت آن بسيار بالا مي‌رود.

وقتی الکترود منفی پایين‌تر از مثبت باشد. حرارت حاصل از عبور برق باعث رخ دادن پدیده‌ی همرفتی می‌شود.

مایع داغ تر را بالاتر می‌برد و از جمع شدن آن جلوگیری می‌کند.

این مشکل به سادگی با قرار دادن الکترود مثبت در بالاترین نقطه‌ی ممکن است.

عمر مفید مقاومت‌ها وابسته به زمان طی کردن طول آن توسط یون‌های مثبت است که رابطه‌ی زیادی با طول آن دارد.

پس ساختار مارپیچ درونی این مقاومت‌ها کمک زیادی به افزایش طول آنها می‌کند.

مقاومت‌های سرمتی-

سرمت- نوعی کامپوزيت که مرکبی است از سراميک و فلز (متال)که سراميک آن غالب و فلز آن در اقليت است.

يک عنصر مقاومتی سرمتی ترکيبی است از شيشه و اکسيدهای فلزی.

که اين اکسيد معمولا از جنس Ruo2 (رتانیم دی اکسید)  و يا آلياژ نقره پلاتين است.

مواد سرمتی را بر سطح استوانه‌ای و يا تخت قرار مي‌دهند و بعد تا 850 درجه‌ی سانتی‌گراد، دما را بالا مي‌برند تا موجب توليد نوار ضخيم مقاومتی شود.

در صنعت الکترونيک، ماده‌ی سرمتی را به طور کلی خمير و یا جوهر ضخيم نواری مي‌گويند.

مقاومت‌ های اکسید روتانیمی-

مقاومت‌ های ولتاژ بالا بايد لزوماتی را فراهم آورند از جمله این که ترکيبات مقاومتی بايد انطباق‌پذير باشند.

يعنی به اندازه و شکل و شرايط ساختشان حداقل وابستگی را داشته باشند و بايد در شرايط مختلف قابل استفاده باشند.

مشاهده شده است که ترکيبات با پايه‌ی روتانيم دي ‌اکسيد ويژگی‌های الکتريکی مناسبی دارند و نوارهای مقاومتی ضخيم پرکاربردی فراهم مي‌آوردند.

روتانيم دی اکسيد  در شرايط جوی معمولی تا دمای 1000 درجه‌ی سانتی گراد پايدار است، ويژگی‌های الکتريکی آن به شکل ذاتی مانند يک فلز است و مقاومت آن حدود 50 ميکرواهم در سانتی‌متر است و ضريب وابستگی به دمای آن مثبت 3000 پی‌پی‌ام بر درجه‌ی سانتی گراد است.

در ترکيبات خميرهای ضخيم مقاومتی از مخلوطی از اکسيد نايوبيوم و روتانيوم با ذرات شيشه‎ی معلق در مايع تهيه مي‌شوند.

ترکيب نايوبيوم پنتا اکسيد با روتانيم دی اکسيد، ضريب دمای بالای روتانيم را پایين مي‌آورد. از وابستگی آن به دما مي‌کاهد.

دو جز جامد مقاومت، ترکیب روتانيم-نايوبيوم اکسيد و شيشه، کاملاً با هم آسياب و مخلوط مي‌شوند و بعد در مايع قرار مي‌گيرند.

پس از خشک شدن نوار توليد شده از تا دمای 760 درجه‌ی سانتی گراد داغ مي‌شود.

مواد تشکيل دهنده‌ی آن از نظر شيميایی غير فعال باقی مي‌مانند. ضخامت نوارهای برافروخته بين 12 تا 15 ميکرون است.

اگر نسبت طول به عرض در رنج زيادی تغيير کند، تاثيری در ويژگی‌های الکتريکی مقاومت نخواهد داشت.

ویژگی های مقاومت های رتانیمی

این مقاومت‌های روتانيمی در شرايط استاتيک و ديناميک تست شده‌اند.

در شرايط استاتيک بدون هيچ بار الکتريکی در گرمای خشک و گرمای مرطوب، مورد آزمايش قرار گرفته‌اند.

بدون هيچ ولتاژ الکتريکی، در شرايط مرطوب تغيير مقاومتی بعد از 56 روز در دمای 40 درجه‌ی سانتي‌گراد نزديک به 0.05 درصد مقدار اوليه است.

و در گرمای خشک، در مدت زمان 10000 ساعت و دمای 150 درجه‌ی سانتی‌گراد تغيير 0.5 درصدی در مقاومت‌ها مشاهده می‌شود.

با وصل اين مقاومت‌ها به ولتاژِ 3 کيلو ولت، تغیيرات مشاهده شده زياد نيست و از 1 درصد تجاوز نمي‌کند.

که نشان دهنده‌ی قابليت عملکردِ قابل قبول مقاومت‌های روتانيم دی اکسيد در دماهای مختلف و ولتاژهای بالا است.

شکل بالا الگوی تست استفاده شده برای امتحان عملکرد الکتريکی کلی مقاومت‌های نواری ضخيم روتانيمی را نشان مي‌دهد.

این ترکيبات مقاومتی قابل استفاده همراه الکترودها از جنس‌های متفاوت، مانند طلا، ترکيب طلا و پالاديم، طلا و پلاتين و نقره و پالاديم هستند.

الگوی مارپیچ-

الگوی مقاومتی مارپیچی که خط‌ها، پیچ و خم دار و جریان را در دو جهت خلاف هم عبور می‌دهد.

باعث عبور ماکسیمم شار خنثی شده‌ از طول مقاومت می‌شود. اين طرح مارپيچ با روکش سيليکونی پوشيده مي‌شود.

فاصله در طرح مارپيچ با روکش طوری تنظيم مي‌گردد که باعث ايزوله شدن کامل مقاومت شود.

مقاومت‌ها با طراحی مارپيچ، قابليت جذب مقدار زيادی انرژی را دارند و در نتیجه می‌توانند در ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرند.

بدون اين که خاصيت غير القایی خود را از دست بدهند. در اين مقاومت‌ها از هسته‌ی سراميکی استفاده مي‌شود.

طرح مارپيچ مي‌تواند مقدار مقاومت را دو برابر کند. زيرا باعث جا گرفتن ترکيب مقاومتی بيشتری در فضای کم مي‌شود.

از اين مقاومت‌ها در ايکس-ری، ليزر استفاده مي‌شود که تحمل ولتاژ بیشینه‌ی 8 تا 75 کیلو ولت را دارا هستند.

چند نمونه مقاومت ولتاژ بالا ساخته شده با استفاده از روش‌های بالا-

• يک نمونه از اين مقاومت‌ها از ترکیب الگوی مارپیچ و مقاومت‌های سرمتی ساخته می‌شود.
• این مقاومت با استفاده از ترمينال کتابی، چاپ نوار ضخيم(thick film)، برافروختگی و تراش با ليزر ساخته مي‌شوند.
• این مقاوت‌ها ولتاژ ماکس 50 تا 100 کیلو ولت را دارا هستند.
• مقاومت کربنی ولتاژ بالا-این مقاومت از فیلم کربن مصنوعی، فیلم فلزی و شیشه ساخته شده است.
• این را می توان به عنوان تقسیم ولتاژ و جذب در دستگاه‌های ولتاژ بالا استفاده می شود.
• همچنین می‌تواند برای تخلیه و قوس خازن‌های یکسو و فیلتر مورد استفاده قرار گیرد.
• مقاومت های بالک سرامیک- این مقاومت های ولتاژ بالا از مخلوطی از کربن، آلومینیوم و رس ساخته می‌شوند.
• بعد ریز ریز شده و به شکل‌های دلخواه در قطرهای مختلف پرس می‌شوند.
• بعد جسم پرس شده در کوره ای با اتموسفر قابل کنترل قرار می‌گیرند.
• یک مقاومت کربن سرامیکی ساخته می‌شود و در آخر آلومینیوم روی بخش تخت مقاومت سرامیکی اسپری می‌شود.
• اين مقاومت‌ها از 95 سراميک به عنوان مقاومت ماتريسی استفاده مي‌کند.
• اختصاص لعاب فيلم متال ضخيم، با عنصر مقاومتی در طراحی ثبات، دقت و ويژگی‌های ولتاژ بالا را فراهم مي‌کند.
• اين سری مقاومت ها در مدل های سلفی و غيره سلفی ساخته مي‌شوند.
• کاربرد اين مقاومت‌ها برای کاربردهای ولتاژ بالا در سيستم‌های صنعتی مانند اينورترها و مدارهای صنعتی، مدارهای مقسم ولتاژ، مدار کنترل ولتاژ بالا، مبدل‌های توليد ولتاژ ايم‌پالس، دمپ آرک ها، مبدل‌های پالس، رادار پالس تشکيل شبکه و غيره می‌باشند.
• اين مقاومت‌ها ولتاژ در حال کار از 10 کيلو ولت تا 80 کيلو ولت را دارند.

• مراجع

  [1]. Thick film Ruthenium Resistor Pastes by T. H. Lemon

  Research Laboratories, Johnson Matthey

  [2]. PLATINUM METALS REVIEW

  A Quarterly Survey of Research on the Platinum Metals and

  of Developments in their Application in Industry

  www.technology.matthey.com

  [3]. Improved solution resistors for high voltage applications By J. M. Marks

  Department of Structural Chemistry, The Weizmann Institute of Science