基礎(chǔ)電子學(xué)系列05 – 固定電阻器：成分、薄膜類型和金屬陶瓷

在上一篇文章中，我們了解了與電阻有關(guān)的各種性能指標(biāo)。現(xiàn)在，讓我們了解不同類型的電阻器以及它們?nèi)绾卧诟鞣N性能指標(biāo)上得分。該評估將有助于確定不同類型電阻器對特定電子應(yīng)用的適用性和相關(guān)性。有以下類型的電阻器：

1. 定值電阻器作品薄膜或金屬陶瓷線繞挫敗半導(dǎo)體

2. 可變電阻器電位器數(shù)字電位器變阻器裝飾鍋

3. 相關(guān)電阻光依賴電壓相關(guān)熱敏電阻磁性相關(guān)應(yīng)變片

4. 功率電阻線繞網(wǎng)格貼片機(jī)水液體

固定值電阻器應(yīng)該在電路中提供固定電阻。他們的抵抗不能以任何方式改變。這些是兩端組件，可以與電路中的另一個(gè)電子組件串聯(lián)或并聯(lián)配置。有以下類型的固定值電阻可用：

1) 合成電阻器——這些電阻器由導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料的混合物制成。組合電阻器有兩種類型：

• 碳素電阻器

• 陶瓷復(fù)合電阻器

碳素電阻器

碳復(fù)合電阻器是最古老的電阻器類型。這些電阻器是最常用的電阻器，因?yàn)樗鼈円子谠O(shè)計(jì)、價(jià)格低廉并且適用于大多數(shù)“常見”應(yīng)用。這些電阻器由碳粉和陶瓷填充材料的混合物制成。混合物被模制成由絕緣涂層封閉的軸向電阻器封裝，導(dǎo)線或引線連接在封裝的兩個(gè)終端。碳與陶瓷材料的比例以及端子引線之間的距離決定了電阻器的電阻。混合物中碳的比例越大，其電阻率越小?；旌衔镏惺褂玫奶沾商盍现饕欠尤渲?，類似于塑料。這些電阻器采用帶顏色編碼的軸向封裝，用于指示電阻值和容差。碳成分電阻器具有以下關(guān)鍵參數(shù)：

標(biāo)稱值：碳成分電阻器可以具有非常低的電阻 (1Ω) 到極高的電阻 (22MΩ)。它們的電阻隨混合物中碳和陶瓷填料的成分變化而變化。這些電阻器的標(biāo)稱值由顏色編碼表示。

額定功率：這些電阻器的額定功率取決于電阻器的物理尺寸。物理尺寸越大，額定功率就越大。這些電阻通常有 1/4 和 1/2 瓦系列。還有 1/8 瓦系列可用于低功率、微型電路。對于電力電子應(yīng)用，還提供 1 Watt 和 2 Watt 系列，盡管 1 Watt 和 2 Watt 系列封裝的尺寸相當(dāng)大。

容差：這些電阻器具有 5% 至 20% 的寬容差水平。由于寬容差，這些電阻器不適合精密應(yīng)用。

額定電壓：額定電壓與這些電阻器的額定功率有關(guān)。通常，額定功率越高，額定電壓越高。像 1/4 瓦、1/2 瓦和 1 W 碳復(fù)合電阻器通常分別具有 250V、350V 和 500V 最大額定電壓。1/4W、1/2W、1W碳素電阻的最大過載電壓分別為400V、700V、1000V。

溫度等級：碳成分電阻器的工作溫度范圍通常為 -55°C 至 125°C。滿載最高溫度通常取決于電阻器系列的額定功率，并且可能因制造商而異。額定功率越高，滿載最高溫度越高。溫度額定值通常由制造商針對不同額定功率系列的溫度額定值曲線表示。

脈沖穩(wěn)定性：碳成分電阻器以高脈沖穩(wěn)定性而著稱。因此，這些電阻器非常適合涉及高壓脈沖和頻繁電壓波動(dòng)的應(yīng)用。

頻率響應(yīng)、噪聲和穩(wěn)定性：碳成分電阻器提供非常純凈的電阻和幾乎可以忽略不計(jì)的電感或電容。因此，它們通常具有良好的頻率響應(yīng)、低噪聲和可接受的穩(wěn)定性。這使得這些電阻器適用于高頻應(yīng)用以及低功率電路。然而，在過載條件下，它們會因過度散熱而產(chǎn)生噪音和穩(wěn)定性差。

尺寸：這些電阻器的尺寸從中到大，具體取決于它們的額定功率。這些電阻器最常采用軸向封裝，但也可提供 SMD/SMT 封裝。

可靠性：如果在合適的應(yīng)用中使用這些電阻器，它們的可靠性很高。由于高可靠性、低成本和容易獲得，這些電阻器使用最普遍。

碳成分電阻器示例（來源：Ohmite）

碳成分電阻器具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)– 電阻范圍寬、純電阻、高度可靠、脈沖穩(wěn)定性
缺點(diǎn)– 寬容差、物理尺寸、工作溫度有限、僅適用于低額定功率

因此，碳碳電阻器適用于直流或 RMS 電壓保持在 250V 以下且工作溫度必須為 -55°C 至 125°C 的普通電子應(yīng)用、低功率應(yīng)用以及旨在處理低功率信號的高頻電路，例如射頻接收器。但是，它們不適用于精密應(yīng)用、大功率電路、部署在極端環(huán)境條件下的電路，或尺寸必須非常緊湊的低功率電路。

2) 陶瓷復(fù)合電阻器
陶瓷復(fù)合電阻器類似于碳復(fù)合電阻器，只是它們是由固體陶瓷復(fù)合物構(gòu)成的。這提高了它們的脈沖穩(wěn)定性和工作溫度范圍。陶瓷電阻器可在高達(dá) 250°C 的環(huán)境溫度下工作。這些通常有 1/2 瓦、1 瓦和 2 瓦系列，電阻值范圍從 3.3Ω 到 1MΩ。有額定功率高達(dá) 1000 W 的陶瓷復(fù)合電阻器。陶瓷電阻器在電力電子應(yīng)用中提供碳復(fù)合電阻器的優(yōu)點(diǎn)（純電阻、穩(wěn)定性、可靠性和脈沖穩(wěn)定性），盡管這些電阻器的容差水平也很差（通常10%)。這些電阻器有許多類型的封裝，如軸向、管狀、平板、圓盤和墊圈、封裝、負(fù)載組、

陶瓷復(fù)合電阻器示例（來源：Token）

這些類型的電阻器是通過在陶瓷基板上沉積一層純金屬或金屬氧化物制成的。沉積的薄膜被激光切割成長的螺旋電阻路徑。薄膜電阻器有四種類型：

• 碳膜

• 金屬膜

• 金屬氧化物

• 金屬陶瓷電阻器（厚膜和薄膜）

碳膜電阻器
碳膜電阻器是通過在圓柱形陶瓷基板或棒上沉積碳膜而構(gòu)成的。在碳膜上進(jìn)行螺旋切割，以在電阻器的兩個(gè)端子引線之間創(chuàng)建一個(gè)長的螺旋電阻路徑。碳膜電阻的關(guān)鍵參數(shù)如下：

標(biāo)稱值：碳膜電阻器的螺旋電阻路徑有助于實(shí)現(xiàn)更寬的電阻范圍。這些電阻器的阻值范圍從幾毫歐到 100MΩ。它們的阻力取決于螺旋路徑的厚度和長度。高值碳膜電阻具有薄膜和更長的電阻路徑。這些電阻器的標(biāo)稱值用顏色編碼表示。

額定功率：碳膜電阻器的額定功率為 1/4 瓦到 3 瓦。在高值碳膜電阻器中，由于碳膜過熱，電阻路徑可能會開路。因此，碳膜電阻器僅適用于低功率應(yīng)用（最高 3 瓦）。寬容– 由于電阻路徑較長，這些電阻器比碳成分電阻器具有更好的耐受性。這些通常具有 1% 至 5% 的公差。

額定電壓：同樣，這些電阻器的額定電壓與其額定功率有關(guān)。碳膜電阻器的最大額定電壓范圍為200V至500V，而最大過載電壓范圍為400V至1000V。額定功率越大，這些電阻器的額定電壓就越大。

溫度等級：膜電阻器的工作溫度范圍與碳成分電阻器相似。它通常在 -55°C 到 155°C 之間變化。在高環(huán)境溫度下，由于碳層薄，高值碳膜電阻器仍然存在分解的風(fēng)險(xiǎn)。這些電阻器通常具有負(fù)溫度系數(shù)。

脈沖穩(wěn)定性：這些電阻器與碳成分電阻器一樣顯示出良好的脈沖穩(wěn)定性。

頻率響應(yīng)、噪聲和穩(wěn)定性：由于螺旋電阻路徑，這些電阻會產(chǎn)生一些電容或電感。因此，由于其設(shè)計(jì)的性質(zhì)，它們不提供純粹的阻力?？梢钥闯觯?dāng)電阻值小于 100Ω 且施加的信號頻率超過 250MHz 時(shí)，這些電阻器中的電容會超過標(biāo)稱電阻。由于電抗性，這些電阻器會受到噪聲的影響，可能不適合低功率信號。如果電路在有限溫度范圍內(nèi)以低于 250MHz 的頻率運(yùn)行，這些電阻器可穩(wěn)定運(yùn)行中高值標(biāo)稱電阻。

尺寸：與碳成分電阻器一樣，這些電阻器也通常采用軸向封裝。由于電阻路徑較長，它們比典型的碳成分電阻器略小。

可靠性：如果電路在有限的溫度范圍、中等功率和有限的信號頻率（低于 250MHz）下運(yùn)行，這些電阻器可以被認(rèn)為是可靠的中值電阻器。

碳膜電阻器具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)– 公差級別低，尺寸略小，可靠穩(wěn)定
缺點(diǎn)– 電抗性，溫度范圍有限，頻率范圍有限

因此，碳膜電阻器適用于“普通”電路，在這些電路中，具有低公差的中等電阻值是首選。它們不適合涉及高阻值電阻的功率密集型應(yīng)用、涉及低功率信號或高頻信號的電路或?qū)囟让舾械膽?yīng)用。

金屬膜電阻器

金屬膜電阻器是通過在圓柱形陶瓷基板或棒上沉積一層金屬膜（鎳鉻合金或氮化鉭）制成的。與碳膜電阻器一樣，涂層被激光切割成長螺旋形電阻路徑。碳膜電阻的關(guān)鍵參數(shù)如下：

標(biāo)稱值：這些電阻器適用于范圍從幾毫歐到 68 MΩ 的各種電阻。電阻值取決于電阻路徑的厚度和長度。電阻路徑的厚度越小，電阻路徑的長度越長，電阻值越高。這些電阻器的標(biāo)稱值由標(biāo)簽而不是顏色代碼表示。

額定功率：金屬膜電阻器的額定功率范圍很廣，從 1/20 瓦到 20 瓦不等。與碳膜電阻器不同，金屬膜電阻器具有更好的溫度穩(wěn)定性。

精度：這些電阻器通常具有大約 1% 或 2% 的公差。也有公差低至 0.01% 的精密金屬膜電阻器可供選擇。然而，具有精確公差的金屬膜電阻器通常具有較低的額定功率。

額定電壓：金屬膜電阻器的額定電壓范圍為 100V 至 10kV，具體取決于電阻器系列的額定功率。

溫度額定值：金屬膜電阻器的工作溫度范圍為 -65°C 至 250°C。與碳成分和碳膜電阻器相比，它們具有更低的溫度系數(shù)，從而提供更好的溫度穩(wěn)定性。重要的是這些電阻器具有正溫度系數(shù)。脈沖穩(wěn)定性– 這些電阻器具有與碳膜電阻器相似的脈沖穩(wěn)定性。

頻率響應(yīng)、噪聲和穩(wěn)定性：與碳膜電阻器不同，金屬膜電阻器可用于高頻或射頻電路。它們確實(shí)表現(xiàn)出一些電抗，但與碳膜類型相比要小得多。這些電阻具有更低的噪聲和更好的穩(wěn)定性。

尺寸：金屬膜電阻器的尺寸取決于它們的額定功率。這些通常在軸向封裝中提供，盡管它們有標(biāo)簽而不是顏色代碼。

可靠性：金屬膜電阻器比碳膜電阻器更可靠，可以放心地用于電源應(yīng)用和高頻應(yīng)用。

金屬膜電阻示例（來源：KOA Speer）

金屬膜電阻器具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)– 更好的溫度穩(wěn)定性、低噪聲、更好的耐受性，可用于各種額定功率
缺點(diǎn)– 反應(yīng)性質(zhì)，盡管有優(yōu)點(diǎn)，但仍然不是高功率應(yīng)用的最佳選擇

因此，金屬膜電阻器非常適合“普通”低功率信號應(yīng)用，在這些應(yīng)用中需要精確的公差、低溫度系數(shù)和寬范圍的額定功率而不受溫度限制。它們不適用于涉及高壓脈沖的典型電源應(yīng)用和電路。

金屬氧化膜電阻器

金屬氧化膜電阻器與金屬膜電阻器類似，只是其中的電阻材料是金屬氧化物（如氧化錫）而不是金屬。這些電阻器具有更高的工作溫度范圍（高達(dá) 450°C）、更低的溫度系數(shù)（通常為 300PPM）和高脈沖穩(wěn)定性。與金屬膜電阻器相比，這些電阻器更可靠、更穩(wěn)定。這些電阻器是防火的，并且耐環(huán)境熱和濕度。這些電阻器的額定功率通常為 1/4 W 至 140 W，公差通常為 0.5% 至 20%。這些電阻器的額定電壓高達(dá) 37.5 kV。這些電阻器最適合脈沖電源應(yīng)用。

金屬氧化膜電阻示例（來源：Ohmite）

金屬陶瓷電阻器

金屬陶瓷電阻器是通過將陶瓷和金屬的導(dǎo)電膏沉積到氧化鋁陶瓷基板上而制成的。電阻路徑在電阻器的端子之間繪制成之字形線。有兩種類型的金屬陶瓷電阻器 - 電阻路徑約為 20 微米寬的厚膜電阻器和電阻路徑只有幾微米寬的薄膜電阻器。這些電阻器在性能上與金屬膜電阻器相似。不過，它們更穩(wěn)定、能效更高、尺寸更緊湊、噪音更低、溫度穩(wěn)定性更好。這些電阻器提供通孔和表面貼裝封裝。這些電阻器通常用于高頻應(yīng)用的表面貼裝芯片型封裝或電阻器網(wǎng)絡(luò)。然而，它們的脈沖穩(wěn)定性不太令人滿意。

金屬陶瓷電阻器示例（來源：TE Connectivity）

在下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論固定電阻器。