基礎(chǔ)電子學(xué)系列04 – 電阻實(shí)用指南

在上一篇文章中，我們討論了電阻器的信號(hào)行為。我們還談到了電阻器的各種應(yīng)用。電阻器應(yīng)該為電流提供固定電阻。這就是任何理想電阻器（理論上）應(yīng)該做的事情。理想電阻器還應(yīng)僅提供電阻，而不會(huì)在電路中產(chǎn)生任何電容或電感。為了實(shí)現(xiàn)理想電阻，電阻器的構(gòu)造有多種方式。因此，電阻器有很多種。

首先，電阻器可以根據(jù)它們提供的電阻的性質(zhì)進(jìn)行分類。此外，它們根據(jù)其構(gòu)造進(jìn)行了子分類。所以，電阻大致分為以下幾類：

1)固定值電阻器——這些電阻器始終提供固定電阻。他們的抵抗不能以任何方式改變。定值電阻器主要有四種類型：

a) 復(fù)合（碳或陶瓷）電阻器
b) 薄膜型電阻器
c) 線繞電阻器
d) 箔電阻器
e) 半導(dǎo)體電阻器

2)可變電阻器——這些電阻器的阻值可以手動(dòng)或數(shù)字方式改變。由于它們可以改變電阻，因此稱為可變電阻器?？勺冸娮杵饔幸韵聨追N類型：

a) 電位器
b) 數(shù)字電位器
c) 變阻器
d) Trimpot

3)相關(guān)電阻器——這些電阻器的電阻取決于其他物理量，如光、電壓、溫度、磁力或機(jī)械應(yīng)力。有以下類型的相關(guān)電阻器：

a) 光敏電阻
b) 電壓相關(guān)電阻
c) 熱敏電阻
d) 磁敏電阻
e) 應(yīng)變計(jì)

4)功率電阻器——這些電阻器的目的不是在電路中提供電阻，而是耗散功率（以熱量的形式）。功率電阻有以下幾種類型：

a) 線繞電阻器
b) 柵極電阻器
c) SMD 電阻器
d) 水電阻器
e) 液體變阻器

大多數(shù)時(shí)候，您可能會(huì)在“普通”電路中使用固定值碳合成電阻器或微調(diào)電位器或電位計(jì)。但是，為特定電路、用途或應(yīng)用選擇電阻器可能并不那么方便。電阻器表現(xiàn)出許多不理想的特性，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要仔細(xì)考慮。這些不理想的特性通常由技術(shù)規(guī)格來評估和決定，可以將其視為電阻器的關(guān)鍵性能指標(biāo) (KPI)。必須從根本上檢查其中的兩個(gè) KPI（即使您知道最終將使用固定值碳復(fù)合電阻器）：標(biāo)稱電阻（固定電阻器）或標(biāo)稱電阻范圍（可變電阻器）和額定功率的電阻器。更遠(yuǎn)，根據(jù)特定的電路、用途或應(yīng)用，可能需要檢查多個(gè) KPI。不同類型的電阻器通常在某些與其他 KPI 妥協(xié)的情況下表現(xiàn)良好。因此，與電阻相關(guān)的常見指標(biāo)包括：

1) 標(biāo)稱電阻
2) 額定功率
3) 公差
4) 額定電壓
5) 電阻電壓系數(shù)
6) 額定溫度
7) 電阻溫度系數(shù)
8) 頻率響應(yīng)
9) 噪聲
10) 脈沖穩(wěn)定性
11) 穩(wěn)定性
12) 尺寸
13)可靠性

讓我們首先討論電阻器的這些技術(shù)規(guī)格。這些對電阻器的技術(shù)見解對于理解各種類型電阻器的應(yīng)用非常有用。

標(biāo)稱電阻——任何電阻都應(yīng)該提供已知的電阻或電阻范圍（在可變電阻的情況下）。這稱為其標(biāo)稱電阻或簡稱為電阻值。電路中接入電阻時(shí)，要求其取值一定。然后將具有該精確值的電阻器（如果可用）或接近所需值的電阻器組合連接到電路中。電阻器的電阻值顯然是在將其連接到電路之前首先要檢查的。電阻器的值由顏色編碼或標(biāo)簽指示。

額定功率——額定功率是選擇電阻器時(shí)必須考慮的另一個(gè)非常重要的因素。電阻器通常提供 1/20、1/16、1/10、1/8、1/4、1/2、1、2、5、10、15、20、25、50、100 的額定功率、200、300 和 600 瓦。額定功率小于 5W 的電阻器一般在本體或包裝上沒有明確標(biāo)明額定功率。額定功率超過5瓦特的電阻器被歸類為功率電阻器，通常在包裝上明確標(biāo)明額定功率。

在低瓦數(shù)電阻的情況下——額定功率小于 5 瓦——額定功率由電阻包的尺寸決定。通常，額定功率越高，電阻封裝的尺寸就越大。這些電阻器主要采用三種封裝 - 軸向、SMD 和 MELF。軸向電阻的瓦數(shù)可以通過測量電阻包的長度或直徑來確定。然后可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)額定功率表（將在以后的文章中的電阻器選擇備忘單中提到）比較軸向電阻器封裝的長度和直徑，以確定電阻器的瓦數(shù)。類似地，SMD 電阻器封裝的瓦數(shù)可以通過測量封裝的長度、寬度或?qū)挾炔⑵渑c標(biāo)準(zhǔn)額定功率表進(jìn)行比較來確定。

對于 SMD 電阻器封裝，必須根據(jù) SMD 封裝的英制代碼使用合適的焊盤和焊盤圖案。與軸向封裝一樣，MELF 封裝的額定功率也可以通過測量 MELF 封裝的長度和直徑來確定。供應(yīng)商特定電阻器封裝（如供應(yīng)商特定線繞電阻器）的額定功率可以通過測量封裝尺寸并將它們與供應(yīng)商在其數(shù)據(jù)表中提供的額定功率表進(jìn)行比較來再次確定。

額定功率是必須考慮的第二重要因素。電阻器只能以熱量的形式耗散功率。電阻器的任何過度加熱都會(huì)對其造成永久性損壞或不可逆轉(zhuǎn)地改變其實(shí)際電阻。選擇額定功率至少是它在電路中可能遇到的最大功率兩倍的電阻器總是安全的?？赡苓€有其他因素，如電阻器的外殼、分組、電路的工作溫度范圍和其他可能的環(huán)境因素，在這些環(huán)境因素中，甚至更高額定功率的電阻器（電阻器在電路中可能遇到的最大功率的四到五倍）可能需要選擇。對于大多數(shù)應(yīng)用，1/4、1/2 或 1 瓦的碳成分、SMD 或薄膜電阻器，或者在某些情況下 1 至 5 瓦的線繞電阻器就足夠了。

電阻器的額定功率通常指定（明確或以其他方式）作為電阻器在 25° C 溫度下可以承受的最大功率。隨著環(huán)境溫度的升高，電阻器的功率容量降低。電阻器的功率容量隨著環(huán)境溫度升高而下降由制造商的降額曲線指定。降額曲線通常是針對從滿載環(huán)境溫度（通常為 25°C）到電阻器可以承受的最大空載溫度的溫度范圍繪制的。在降額曲線中，環(huán)境溫度以攝氏度為單位繪制在水平軸上，功率容量以額定負(fù)載百分比的形式繪制在垂直軸上，范圍從 100%（25°C 時(shí)的滿載容量）到 0%（空載）電阻器可以承受的最高溫度下的容量）。

大多數(shù)電阻器設(shè)計(jì)為可承受 30°C 至 40°C 的環(huán)境溫度。如果要設(shè)計(jì)特定電路以在 40° C 以上的溫度下運(yùn)行，則必須檢查降額曲線。然后，選擇一個(gè)額定功率至少是它在電路中可能遇到的最大功率的三倍或四倍的電阻器是安全的。當(dāng)在低于其滿載功率容量的情況下使用時(shí)，高額定功率電阻器甚至可以在更高溫度下運(yùn)行而不會(huì)損壞。

重要的是，電阻器通常由制造商根據(jù)其額定功率分組為系列，如制造商的 1/4 W、1/2 W、1 W電阻系列等數(shù)據(jù)表所示。

精度– 即使在 25° C 下，電阻器也可能無法提供指定的標(biāo)稱電阻。由于環(huán)境因素，它們的實(shí)際電阻可能會(huì)偏離標(biāo)稱值。這種偏差通常由制造商通過電阻封裝的質(zhì)量測試獲知，并在電阻封裝的顏色代碼或標(biāo)簽中明確表示為公差。各種類型的電阻器的典型容差水平為 1%、2%、5%、10% 和 20%。還有精密電阻器（金屬膜、線繞和箔電阻器類型），其公差低至 0.1% 至 0.0005%。如果一個(gè) 100Ω 的電阻假定有 5% 的公差，那么它的實(shí)際電阻可能在 95Ω 到 105Ω 之間的任何地方。一般來說，

NTE Electronics的 1/4 瓦金屬電阻器數(shù)據(jù)表中的電氣特性

額定電壓——額定電壓是電阻器可以承受的最大 DC 或 RMS 電壓。額定電壓通常由制造商為電阻系列指定。電阻系列由額定功率指定，例如 1/4、1/2 或 1 瓦電阻等。任何超過此額定值的電壓都可能導(dǎo)致電阻器中出現(xiàn)浪涌電流或泄漏電流，從而永久損壞電阻器甚至損壞附近的組件。大多數(shù)1/4、1/2和1瓦電阻器系列的額定電壓為250V至350V。一般來說，額定功率越高，額定電壓也越高。對于制造商提供的具有相同額定功率的不同電阻器系列，可以提供多個(gè)額定電壓。例如，1 W 電阻器系列可用于 250 V 至高達(dá) 1000 V 的額定電壓。

電阻電壓系數(shù)– 電阻器的電阻可能會(huì)因施加的電壓而改變。這由電阻串聯(lián)的電壓系數(shù)表示。電壓系數(shù)是電阻器每伏特的電阻變化百分比。這通常是一個(gè)非常低的值，通?？梢院雎裕钡绞┘拥碾妷旱陀陔娮杵鞯念~定電壓。

溫度等級– 溫度額定值也由制造商為電阻器系列而不是單個(gè)電阻器指定。它通常被指定為工作溫度范圍。例如，在上面的屏幕截圖中，1/4 W 金屬電阻系列的工作溫度范圍為 -55°C 至 155°C。一些制造商還規(guī)定了滿載最高溫度和空載最高溫度。滿載最高溫度是電阻可以消耗最大功率的最高溫度。空載最高溫度是電阻器可以存放而不會(huì)損壞的最高溫度?？蛰d最高溫度通常是滿載最高溫度的兩倍。因此，串聯(lián)的電阻器可能存儲(chǔ)在較高溫度下，但它們在工作電路中可以承受相對較低的溫度。

電阻溫度系數(shù)——除了工作溫度范圍外，電阻系列的溫度系數(shù)是在允許有限電阻變化的應(yīng)用中必須考慮的另一個(gè)重要因素。電阻器的實(shí)際電阻會(huì)因環(huán)境溫度、電阻器本身的散熱、濕度和機(jī)械應(yīng)力的變化而發(fā)生變化。由于溫度變化引起的電阻變化由電阻器系列的溫度系數(shù)表示。溫度系數(shù)可以是正的也可以是負(fù)的。正溫度系數(shù)表示電阻器的實(shí)際阻值隨著溫度的升高而從標(biāo)稱阻值（在室溫下指定，25°C）增加。負(fù)溫度系數(shù)是指電阻的實(shí)際阻值隨溫度升高而減小。溫度系數(shù)以百萬分率 (PPM) 表示，對于不同制造商的不同電阻器系列，溫度系數(shù)的范圍通常為 1 PPM 至 6700 PPM。

例如，在上面的屏幕截圖中，一個(gè) 1/4 W 金屬電阻系列具有 200 PPM 的溫度系數(shù)。這意味著它的電阻每攝氏度偏離標(biāo)稱電阻 200 PPM。在 35°C 時(shí)，1000Ω 電阻器必須具有以下電阻：1/4 W 金屬電阻系列具有 200 PPM 溫度系數(shù)。這意味著它的電阻每攝氏度偏離標(biāo)稱電阻 200 PPM。在 35°C 時(shí)，1000Ω 電阻器必須具有以下電阻：1/4 W 金屬電阻系列具有 200 PPM 溫度系數(shù)。這意味著它的電阻每攝氏度偏離標(biāo)稱電阻 200 PPM。在 35°C 時(shí)，1000Ω 電阻器必須具有以下電阻：

以 PPM 為單位的電阻變化 = 200 x (35-25) = 2000 PPM
35°C 時(shí)的實(shí)際電阻 = 1000 x (1 + 2000/1000,000) = 1002Ω

通常，電阻隨溫度變化的變化不是線性的。因此，如果在關(guān)鍵電路或應(yīng)用（如溫度補(bǔ)償電路）中使用電阻器，則必須檢查制造商的電阻器系列數(shù)據(jù)表中的圖表，以得出可能的溫度變化導(dǎo)致的實(shí)際電阻變化。

頻率響應(yīng)——電阻器應(yīng)該提供沒有任何電容或電感的電阻。但是，由于設(shè)計(jì)的局限性和缺陷，電阻器通常會(huì)產(chǎn)生一些感應(yīng)電感或電容。由于電阻器，這會(huì)在電路中增加一些阻抗。電路的工作頻率越高，電阻增加的阻抗就越大。制造商將電阻器的頻率響應(yīng)指定為頻率與不需要的阻抗之間的圖表，以電阻值的百分比顯示。通常，電阻器可用于阻抗等于電阻器容差值的最高頻率。通常，由于尺寸和設(shè)計(jì)緊湊，低瓦數(shù)電阻器比高瓦數(shù)電阻器具有更好的頻率響應(yīng)（意味著對頻率的低阻抗）。

噪聲——電阻器響應(yīng)施加的直流電壓會(huì)有一些交流波動(dòng)。盡管這些噪聲信號(hào)不會(huì)影響電阻器的阻值，但在為低電平信號(hào)設(shè)計(jì)的電路或處理數(shù)字信號(hào)的電路中必須考慮到它們。電阻器中可能存在約翰遜噪聲、電流噪聲、散粒噪聲或接觸噪聲。約翰遜噪聲是與溫度相關(guān)的熱噪聲，它取決于電阻器的電阻、溫度和噪聲信號(hào)的帶寬。它在所有頻率下都保持不變，并且對于具有相同阻值的任何類型的電阻器來說，它都是一個(gè)恒定的噪聲。這也被稱為白噪聲。

電流噪聲與應(yīng)用信號(hào)的頻率成反比。這取決于流過電阻器的電流及其阻值。接觸噪聲是電阻器中由于電阻器的結(jié)構(gòu)材料和尺寸而產(chǎn)生的噪聲。電阻器的額定功率越高，其中的接觸噪聲就越小。散粒噪聲是由電阻器中的直流電流引起的噪聲。很難測量電阻器中的噪聲水平。具有低公差的電阻器具有最低的噪聲水平。因此，在需要處理低電平信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的電路中，必須優(yōu)先選用精密電阻或容差最小的電阻。

脈沖穩(wěn)定性——脈沖在短時(shí)間內(nèi)向電阻器提供比恒定負(fù)載高得多的電壓。電阻串聯(lián)的脈沖穩(wěn)定性通常用電阻在不損壞自身的情況下所能承受的峰值脈沖電壓來表示。在頻繁暴露于電壓浪涌的情況下，電阻器的脈沖穩(wěn)定性會(huì)影響其長期穩(wěn)定性。

尺寸——電阻器的物理尺寸可能是尺寸受限電路中的一個(gè)重要因素。通常，小功率電阻器的尺寸較小。電阻器的額定功率越高，其物理尺寸就越大。

長期穩(wěn)定性——電阻器標(biāo)稱電阻在各種工作條件（如溫度變化、濕度、機(jī)械應(yīng)力、電壓變化、脈沖和功率耗散）下的可重復(fù)性表示為電阻器的長期穩(wěn)定性。它是由電阻系列的制造商通過進(jìn)行各種短期和長期測試，如濕熱測試、負(fù)載壽命測試等來確定的。它由穩(wěn)定性等級表示，它與電阻在短期內(nèi)的百分比變化直接相關(guān)和長期的考驗(yàn)。稍后我們將在電阻器選擇備忘單中查看標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性等級表。

可靠性– 電阻器的可靠性表示為平均無故障時(shí)間 (MTBF) 或每 1000 小時(shí)運(yùn)行的故障率?？煽啃栽凇巴ㄓ谩彪娐分锌赡懿皇且粋€(gè)重要因素，但必須考慮關(guān)鍵電路，例如為軍事用途安裝的電路。

在下一篇文章中，我們將研究各種類型的電阻器，并通過上述指標(biāo)對其進(jìn)行評估，以試圖找到它們對各種應(yīng)用的適用性。