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[导读] 1827年,欧姆大叔经过严谨的实验和数据分析发现:导体两端的电压与通过导体的电流成正比,这一结论奠定了早期电子发展史的基础,而电阻作为电路学中典型的元件,其特性在一定条件内遵守欧姆定律。在电子电路中,电阻是我们常见的元器件,它有哪些特点和使用注意事项呢?下面我们一起学习一下吧。

硬小妹:“李工,LED灯的限流电阻选择666欧姆大小的可以吗?”

油条李:“那你咋不选择520欧姆的电阻呢?!”

硬小妹:“好像也可以哦,520比666好听!”

油条李:“哎!年轻人,总以为自己有的选,其实能选的有限!”


    1827年,欧姆大叔经过严谨的实验和数据分析发现:导体两端的电压与通过导体的电流成正比,这一结论奠定了早期电子发展史的基础,而电阻作为电路学中典型的元件,其特性在一定条件内遵守欧姆定律。在电子电路中,电阻是我们常见的元器件,它有哪些特点和使用注意事项呢?下面我们一起学习一下吧。

一、电阻的类别

    电子行业发展至今,已产生了多种多样的电阻,按照不同的分类方式,电阻可以分为不同的类别:

(1)安装方式分类。根据不同的电阻安装方式,电阻可分为贴片电阻和插件电阻,而插件电阻也就是我们常说的色环电阻;由于贴片电阻便于批量的生产加工,已成为主流的电阻类型,特别是随着现代电子产品的发展,体积越来越小,对元器件尺寸的要求也越来越高,普通尺寸的贴片元件已无法满足要求,需要更加小巧的元件。

(2)伏安特性分类。根据电阻伏安特性的不同,电阻可分为线性电阻和非线性电阻;线性电阻也就是我们常见的电阻,其阻值大小是稳定的,而非线性电阻在一定的电压或者电流条件下,其阻值大小是变化的,比如热敏电阻、光敏电阻和压敏电阻等。

(3)用途不同分类。根据电阻不同的用途可分为通用型电阻、精密型电阻、高频型电阻、高压型电阻、高阻值型电阻、排阻、敏感型电阻。

(4)材料不同分类。根据电阻制作材料的不同可分为碳膜电阻、合成碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、实芯电阻、金属玻璃釉电阻、绕线电阻。其中碳膜电阻和金属膜电阻是我们常见的电阻类型,碳膜电阻的成本较低,但稳定性差、误差大;而金属膜电阻成本高,但体积小、噪声小、稳定性好。

二、电阻的常见品牌

我们常见的电阻品牌主要有以下几种:

1.国巨Yageo

2.厚声Uniohm

3.旺诠Ralec

4.罗姆ROHM

5.风华高科FengHua

6.华新科Walsin

7.大毅TA-I

8.松下Panasonic

9.威世Vishay

10.幸亚TYOHM

    电阻的制造工艺已经相当成熟,国内和国外厂商的技术差异较小;在电子产品中电阻是基础元器件,其价格也是非常低廉的,每年电阻厂商的出货量都是以亿为单位的,比如国巨的年出货量达1000亿颗以上,风华高科的年出货量达100亿颗以上!

三、色环电阻

    由于色环电阻的体积较大,占用PCB板空间,已不是当今电子产品的主流电阻类型,但其在电源、家电、玩具等产品中仍有一定的市场。色环电阻最大的特点就是通过其表面色环的颜色可以读出其阻值大小和精度,而无需通过万用表测量。色环电阻可分为4道色码色环电阻和5道色码色环电阻,且5道色码电阻的精度更高,色环电阻的读数规则如下所示:

(1)4道色码色环电阻。如下图所示,4道色码色环电阻的前三个颜色表示具体的阻值大小,其中前两个颜色表示具体的数值,第三个颜色表示乘积倍数,与这三个颜色相距较远的一个颜色表示该阻值的精度;比如,一个4道色码电阻的颜色为棕、黑、橙、金,查看下图对应颜色可知该色环电阻的阻值为10x1000 = 10K,精度为5%。

图源|厚声官网

(2)5道色码色环电阻。如下图所示,5道色码色环电阻的前四个颜色表示具体的阻值大小,其中前三个颜色表示具体的数值,第四个颜色表示乘积倍数,与这四个颜色相距较远的一个颜色表示该阻值的精度;比如,一个5道色码电阻的颜色为棕、黑、黑、红、棕,查看下图对应颜色可知该色环电阻的阻值为100x100 = 10K,精度为1%。

图源|厚声官网

四、贴片电阻

    贴片电阻凭借小巧的体积和易批量生产加工已成为当今电子产品的主流电阻类型,其封装尺寸也越来越小,以满足电子产品小型化的需求。

1.贴片电阻的封装。贴片电阻的封装尺寸单位有公制(mm)和英寸(inch)两种,我们常说的0402封装、0603封装、0805封装等都是以英寸为单位的;目前电阻的制程工艺最小电阻封装可以达到0201、01005以及0075,下表是常用电阻封装尺寸两种单位对照表:

2.贴片电阻的阻值。对于0603封装及其以上封装尺寸的电阻,其表面可以丝印字符以指示其阻值大小,而对于0402封装及其以下封装尺寸的电阻,由于尺寸过小,无法丝印字符,不能指示其阻值大小;那么如何通过电阻表面的丝印字符准确读出其阻值大小呢?

(1)纯数字丝印字符。纯数字丝印字符包括两种:三位数字和四位数字,其中数字的前两位或者前三位表示数值,最后一位表示几个零,比如三位数字153,表示153 = 15000 = 15K;四位数字2372,表示2372 = 23700 = 23.7K。另外,三位数字代表电阻的精度为5%,四位数字代表电阻精度为小于等于1%。

(2)数字+R丝印字符。在此R字母表示的是小数点的意思,用来指示10欧姆以下的电阻值,比如丝印3R24,表示3.24欧姆的电阻。

(3)两位数字+字母丝印字符。此种丝印一般出现在0603封装电阻当中,对于小于等于1%精度的0603封装电阻,其表面丝印空间有限,无法丝印四位数字,所以采用数字+字母组合的方式实现,具体如下表所示:

图源|厚声官网

如上表所示,此时前两位的数字已不代表具体数值而是某一个阻值的代号,字母代表相应的乘积倍数,比如丝印字符29B,表示196x10 = 1960 = 1.96K。虽然0603封装以上的贴片电阻能够通过丝印字符读出其阻值大小,但是无法区分出来精度是1%、0.5%还是0.1%,这一点没有色环电阻直观。

五、电阻的特性

    我们在使用电阻的过程中一般关注的是其阻值大小、封装尺寸,但是电阻其它的一些参数也是非常重要的,在一些电路应用当中需要特别注意的,下面就以贴片电阻为例一起学习一下吧。

1.电阻的精度

根据国际EIA(电气工业协会)规定,电阻的精度大小分为E24、E48、E96等系列,这些符号表示在1~10之间有多少个标准电阻值,比如E24表示在1~10之间有24个标准电阻值,常规电阻值在此基础上乘以相应的10的倍数,因此这些符号的数值越大,其代表的精度越高,如下表所示:

2.电阻的功率

常规贴片电阻的额定功率大小与其封装尺寸有直接的关系,封装越大其额定功率也就越大,比如0402封装的电阻其额定功率一般为1/16W,0603封装的电阻其额定功率一般为1/10W,不同电阻厂商相同封装的电阻其功率大小也会有所差异,如下图所示:

另外,贴片电阻的功率与环境温度是有关系的,电阻的额定功率是在环境温度为70摄氏度以下的条件下测定的,环境温度大于70摄氏度时电阻的额定功率会随之下降,如下图所示,因此,当我们产品的使用环境温度大于70摄氏度时,对于电阻的额定功率要降额计算。

图源|罗姆官网

3.电阻的耐压值

一般情况下我们都不关心电阻的耐压值的大小,尽管电阻的耐压值都是非常高的,但是实际上也是有限制的,封装越小的电阻其耐压值也就越低,比如0201封装的电阻其耐压值为25V,0402封装的电阻其耐压值为50V,所以在存在高压信号的电路中我们要充分考虑电阻的耐压值,预留一定的余量,以免减小电阻的使用寿命。不同封装电阻其耐压值的大小如下图所示:

4.电阻的温度系数

电阻的温度系数T.C.R表征的是电阻在不同温度环境中的稳定性,其值越小表示该电阻值越稳定,其计算公式如下图所示:

其中,t1为25摄氏度或者室温环境温度,t2为实际测试环境温度,R1为电阻在t1温度下的电阻值,单位为欧姆,R2为电阻在t2温度下的电阻值,单位为欧姆。一般电阻的温度系数为100ppm/℃、200ppm/℃或者300ppm/℃。

5.失效分析

碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻以及电阻网络的失效类型主要包括开路和参数漂移两种类型,其中开路占主要原因,这也是我们常见的电阻损坏的形式。电阻的失效一般是由于外界应力的挤压、PCB板热效应、焊接工艺不良等原因造成的,那么电阻失效的概率有哪些因素决定呢?下图是罗姆公司给出的电阻失效概率计算公式:

其中,这几项因子分别代表的是基准失效率、温度因素、功率因素、过载因素、质量因素以及环境因素,基准失效率是常数0.0037,质量因素是常数3,环境因素是常数1,其他因子的数值见下表:

从上表可以看出,电阻的失效概率是比较低的,影响电阻失效概率的因素主要是环境温度和负载功率,因此在实际使用过程中,严格控制使用环境温度和负载电流是有效保护电阻的方式。

六、电阻的应用

电阻作为电子电路中常用的元器件,那么它有哪些作用呢?

1.限流

在电路中,将一定阻值大小的电阻与负载串联,进而能够减小流过负载的电流大小,起到限流的作用,比如将一个220欧姆的电阻与LED灯串联,能够有效减小LED灯的电流,保护LED灯免受损坏。

2.分流

在电路中,将多个电阻并联或者将电阻与其它元器件并联能够起到分流的作用,大大增加电路通过的电流大小;通过电阻分流,也能够提高电路耐压值的大小。

3.分压

硬件电路设计当中,我们经常遇到需要将一个高电压转换成低电压的情况,比如将5V电压转换成3.3V电压,此时最简单有效的方式就是通过两个电阻分压实现,另外,如果分压后的输出电压有电流大小的要求,则应注意分压电阻阻值大小和功率的选择。

4.滤波

电阻和电容、电感配合使用组成了无源滤波电路,包括低通滤波电路和高通滤波电路,滤波电路是我们经常使用的,比如电源滤波、信号滤波等,它对整个系统的稳定性、抗干扰性起到了关键的作用。

5.阻抗匹配

在通信电路当中,一般需要进行阻抗匹配的调整,以使信号正常的传输,比如,RS485通信电路、CAN通信电路等需要进行120欧姆的阻抗匹配。

6.上拉/下拉

在开漏输出结构的电路中,需要增加上拉电阻,以使信号正常的输出;在上电瞬间需要确定电平的信号管脚上增加下拉或者上拉电阻。


    话说欧姆大叔的研究结论中的电阻是理想的导体,而现实电路中的电阻则是非理想的导体,它会受多种因素的影响而改变其特性,这就是科学研究与生产加工的差距、理想与现实的差距!电阻作为电路学中的基础元器件,它就像是一块块的基石,默默无闻,兢兢业业,串联起了高耸的电子大厦!


    “药,药,药,切克闹,我是电阻,你在何处,为何抛下我一人痛苦;茫茫电路,不知何故,信号总是阻塞不住;心里发慌,身体肿胀,你再不来我就要拜拜;哎,终是我一人扛下了所有!”

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