基礎電子學系列03 – 電阻實用指南

在之前的教程中，我們談到了電子初學者常犯的錯誤。希望您已經(jīng)建立了一個電子實驗室。現(xiàn)在，是時候開始學習基本的電子元件了。我們將從無源元件開始，如電阻器、電容器和電感器。

電子元件大致分為兩類——無源元件和有源元件。無源元件是不產(chǎn)生電能（電壓或電流）的電子元件。它們只能儲存或維持電能。這些組件具有線性特性，不需要任何外部電源（偏置電流或電壓）即可運行。有源元件是能夠產(chǎn)生電能（電壓或電流）的電子元件。它們能夠放大電壓或電流。這些組件具有非線性特性，需要外部電源（偏置電流或電壓）才能運行。

從無源元件開始，我們要討論的第一個元件是電阻器。任何電子元件都有一定的電阻。電阻是導體的特性，它阻止電流流過它。在電流反向流動的過程中，導體以熱的形式耗散能量。電阻器是專門設計的電子元件，可以阻止或限制電流流過電路。現(xiàn)在出現(xiàn)了一個明顯的問題，如果電阻器阻礙電流并耗散能量，它們一定會使電路效率降低，那么為什么還要在電路中使用它們呢。好吧，電阻器在任何電路中都有兩個基本功能，一是設置電壓電平，二是限制電流。這兩個函數(shù)都用于優(yōu)化任何電路以獲得最佳性能。

在上一個教程中，我們提到了電子學的電壓-電流-布爾方法。電路的電壓-電流-布爾方法總是有助于電路的定量和邏輯分析。但實際上，電路都是關于信號的，而不是電流和電壓。任何電子電路基本上都是為生成、處理或改變電信號而設計的。這是任何電子電路的根本目的。電壓、電流等電氣量只是有助于信號處理的定量或邏輯分析。所以，任何時候你看到一個電路，首先要問的是它輸入什么電信號，它輸出什么電信號。電子元件也是如此。每個電子元件都旨在以某種方式處理電信號。道路，任何電子元件都會處理電信號，定義其功能。因此，現(xiàn)在開始學習任何電子元件時，我們將通過解決以下問題來分析它：

1) 該電子元件如何影響電信號？
2) 該電子元件的信號處理進行了哪些定量或邏輯分析（如電壓或電流的值或函數(shù)）？
3) 由于信號處理的性質不同，電子元器件在不同的電路中所起的作用有何不同？
4) 該電子元件有哪些商業(yè)型號？
5) 分析該電子元件的市售模型的電氣特性以及它們對特定電路或應用的適用性。

電阻器旨在為電流流動提供阻力。對于直流信號，電阻（由電阻器決定）由以下等式?jīng)Q定：
V = IR
其中，
V = 電壓
I = 電流
R = 電阻

這就是歐姆定律。電阻消耗的功率由下式?jīng)Q定：
P = VI
其中，
P = 功率

這里，V 是電阻兩端的電壓降，I 是通過電阻的電流，R 是電阻提供的電阻，P 是它消耗的功率。功率表示電阻每秒耗散的能量。

只有假設電路中沒有電阻器，才能理解電阻器在電路中的重要性。假定導線理想地具有零電阻。因此，在電路中沒有任何電阻器（或任何提供相當大電阻的電子元件）的情況下，電壓源（如電池）兩端的電壓降將為零，并且通過電線的電流將為無限大。實際上，與電路中的其他組件相比，導線的電阻可以忽略不計，因此可以忽略不計。如果電路中沒有電阻器（或任何提供相當大電阻的電子元件），過量的電流將流過導線。電壓源兩端的電壓降將等于它提供的電壓。端子間的電阻非常低，因此高值的瞬時電流 (I = V/R) 將流過導線。在這種情況下，導線和電池都會因過多的熱量（功率）耗散而開始升溫。因此，要么電線會因加熱而熔化，要么電壓源（電池）會損壞。

現(xiàn)在，如果在電路中放置一個電阻器（旨在在任何時刻提供固定電阻），則閉合電路中電壓源兩端的電壓降仍等于電壓源提供的電壓，但由于電阻器提供的電阻，電流將減少。因此，導線處的功耗將降低，導線和電壓源都不會損壞。

現(xiàn)在，如果電阻器與閉合電路中的其他組件連接，則電阻器上會出現(xiàn)一些電壓降，而其他組件上也會出現(xiàn)一些電壓降，因此整個電路上的總電壓降等于電壓源提供的電壓。這里，電阻一方面會降低電路中的一些電壓，另一方面，它會限制整個電路中的電流。

對于交流信號，電壓和電流隨時間交替變化。電壓和電流上升到峰值并下降到零改變方向。在相反的方向上，它們再次上升到峰值并下降到零，再次改變方向。有許多類型的周期或交流信號，如三角波、方波、正弦波等。在這些不同類型的周期信號中，電壓和電流按不同的函數(shù)變化。信號開始于不一定為 0° 的相位角。其中最常見的是正弦波形。任何時刻的正弦波形電壓由以下等式?jīng)Q定：

V = V m sin(ωt)
其中，
V = 波形瞬間
V m = 波形峰值電壓
ω = 波形頻率
t = 時間瞬間

當電阻器連接在具有交流波形的電路中時，它對信號的頻率或相位沒有影響。它提供固定電阻，每時每刻限制電流。借助上式給出的電壓和電路中的電阻器，任何時刻通過電阻器的電流將由以下等式控制 -

I = V m /R sin(ωt)
或 I = I m sin(ωt)
其中，
I m = 峰值電流
I m = Vm/R

因此，電阻器的信號行為可歸納如下 –
1) 電阻器旨在在任何時刻在電路中提供固定電阻。
2）電阻器限制電路中的電流，因為它為施加的電壓提供固定電阻。
3) 施加的電壓在電阻兩端下降。因此，電阻器另一端的電壓電平降低。
4) 在 AC 信號中，電阻器的行為與在 DC 信號中的行為類似。它對交流信號的頻率或相位沒有影響。它只是通過一個常數(shù)因子在每個瞬間限制電流。
5）與電流相反，電阻會消耗一些功率（每秒能量）。這種能量耗散在直流信號中的每個瞬間都保持不變，而在交流信號的情況下，能量耗散也隨時間變化。但由于電流受電路中電阻的限制，導線和電路中其他元件的功耗降低。

電阻器在不同的電路中可能起著不同的作用。它們通常用于電路中的以下功能：

1) 限制電流——正如已經(jīng)討論過的，在沒有電阻的情況下，電路中會出現(xiàn)過大的電流，這可能會損壞導線或電壓源（電池）。電路中的其他電子元件也是如此。由于電流過大和散熱過多，電路的任何其他電子元件也可能受到損壞。因此，電阻器通常用于限制電路中的電流，以保護電路中的其他電子元件（如晶體管、LED 等）。電阻器串聯(lián)連接到組件或串聯(lián)到連接組件的電路的分支，以限制通過它的電流。

2) 設置電壓電平——隨著電阻器降低一些電壓，它們通常用于降低電路中其他電子元件的施加電壓。在這種情況下，它還會限制通過目標組件的電流并降低施加到該組件的電壓。因此，電阻器還用于為電路的其他組件設置電壓電平。很明顯，這里又將電阻串聯(lián)到了電路的目標元件或節(jié)點上。

3) 功耗——功耗在許多情況下是可取的。在這種情況下，電阻器是用于功耗的理想元件，因為它不會改變或改變 (AC) 信號。例如，電阻器可用作虛擬組件來測試無線電****或任何信號發(fā)生器。電阻器通常用于級聯(lián)功率放大器電路的輸入級，以限制功率放大器級的輸入信號，從而避免過載。

4) 泄放電阻器——泄放電阻器是另一個示例，其中電阻器的功耗是一種有用的現(xiàn)象。在直流電源電路中，電容器用于平滑信號。即使在切斷電源后，這些電容器也可以存儲和維持一些電荷（有時可以等于電源電壓）。存儲的電荷可能會對人體造成電擊或導致連接電路產(chǎn)生浪涌電流。所以，在電源電路中，電阻與濾波電容并聯(lián)。這些電阻器通過耗散功率來釋放電容器的剩余電荷。由于這些電阻器會釋放電容器的剩余電荷，因此稱為泄放電阻器。顯然，電阻器需要一些時間才能完全釋放剩余電荷，

5) 分壓器——電阻器通常用于分壓施加到元件（如晶體管）的電壓。在分壓器配置中，兩個或多個電阻器連接在電壓源（施加電壓的節(jié)點）和地之間。目標組件的輸出電壓從電阻器的結點汲取。由于連接了兩個電阻器，施加的電壓在兩個電阻器（或分壓器網(wǎng)絡中連接的所有電阻器）上都有下降。這將根據(jù)電阻器的值將施加的電壓分壓到目標組件。

6) 偏置——如前所述，有源元件需要外部電源才能運行。該外部源可以是電壓或電流偏置的形式。電阻器可用于在不改變信號的情況下設置電壓電平或限制電流電平。電阻器需要與目標組件串聯(lián)或分壓配置以設置電壓或電流水平。因此，電阻器通常用于偏置電路中的有源元件（如晶體管）。

7) 阻抗匹配——電路可能有存儲電能的元件（如電容器和電感器）或可能有產(chǎn)生電能的有源元件（如晶體管）。在此類電路中，電流的反作用力由電阻和電抗給出。電抗是由于電容和電感（直接或感應）引起的交流電流流動的阻力。在這樣的電路中，對電流的整體阻力由阻抗給出，阻抗是電阻和電抗的組合表達式。當兩個或多個此類電路耦合（連接在一起）時，甚至當信號源連接到此類電路或負載連接到此類電路時，它們的阻抗必須匹配。阻抗匹配對于最大化從源到這種電路的功率傳輸或耦合在一起的這種電路之間的功率傳輸是必要的。如果負載連接到此類電路，則必須進行阻抗匹配以最大程度地減少負載的信號反射。由于阻抗是電阻和電抗的組合表達，因此在這種情況下，電阻器用于匹配源與電抗電路，或兩個或更多連接的電抗電路，或負載的電抗電路的阻抗。

在下一篇文章中，我們將討論可用的不同類型的商用電阻器并檢查它們的電氣特性。