01.电子技术基础-电阻

一、基本概念

电阻器(resistor) ,简称电阻,是一种两端电子器件, 当电流流过时, 其两端的电压与电流成正比 。

任何材料都会对流经的电流产生一定的 “阻力” , 这种阻碍电流的作用叫阻抗(resistance) , 电阻就是利用材料的这一特性制作出来的 。 电阻是电路中使用得最多的器件, 由于电流流经它时会在其两端形成不同的电压, 于是可利用电阻改变电路节点的电压 。

欧是电阻阻值的单位,通常用希腊字母Ω来表示。 比Ω更大的阻值单位有可Ω (千欧) 和MΩ (兆欧) 。以下是它们之问的换算关系。

图1_5所示电路中,电阻R1、 R2 串联,电流I从3V电源正极流出,从节点A流向 P点, 继而流经 B点后回到电源负极。接地符号定义电源负极(也就是节点 B)为电势零点,于是B点电压 。因电源为3V,得A点电压。根据欧姆定律（电流=电压/电阻）,可计算电路的干路电流：I=V/R=V/(R1+R2)=3/3k=0.001A=1mA , 则 P点电压 V=IR=1mA*2KΩ=2V。

可以看到,节点A,即电源正极的电压为3V,通过两个电阻R1、 R2的“努力”,节点 P出现了一个2V的电压。这个2V电压异于电源电压,是一个人为设计的电压。 说明电阻可以在电路中改变节点的电压 。
在电子市场或网上选购电阻时, 至少有3个有关参数是需要提供的: 一是电阻的阻值;二是电阻的功率; 三是电阻的种类。

二、电阻的阻值

拿到一支电阻, 会看到电阻的表面有五颜六色的色环, 这不是出于美观而设计的, 它标示着电阻的阻值。图1-6所示为常用的5 (色)环电阻及颜色所代表的数值。5(色)环电阻使用前4个色环标示电阻的阻值, 第5个色环标示电阻的允许误差 。

比如图1-7所示的5 (色)环电阻,其色环颜色依次为:红、黑、黑、棕、金。那么它的阻值应该如何计算呢?对照图1-6中的颜色对应数值关系表:

第1环：红色代表数值2;
第2环和第3环：都是黑色,代表数值0;
第4环：棕色代表的是x10(倍数) 。

所以图1-7所示电阻的阻值为前3环代表的数值200乘以倍数10,单位是Ω,结果是2000Ω,即2kΩ。另外,第5环金色代表的允许误差是±5%,于是该电阻的准确读数是:2kΩ,误差±5%。±5%的误差说明该2kΩ 电阻的阻值与标称值有±5%的偏差,即在 1 .9kΩ~2. 1kΩ 范围之内都是允许的除了使用图 1-6 中色环与数值关系表判断电阻阻值外, 还可以用万用表直接测量电阻, 得到阻值的读数。

在电路设计选择电阻时应该注意阻值是不可任意选定的, 比如标称值为 122Ω 的电阻就不存在 。 原因是在大部分电路中并不要求极其精确的电阻值, 于是为了便于工业上大量生产和使用者在一定范围内选用, EIA (美国电子工业联盟, Electronic Industries Alliance) 规定了若干系列的阻值取值基准, 其中以 E12基准和 E24基准最为常用 。
E12 (允许误差±10%)基准中电阻阻值为1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2乘以10、100、1000……所得到的数值。
E24(允许误差±5%)基准中电阻阻值为1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1分别乘以10、100、1000……所得到的数值。
E24 基准中的电阻阻值选择可以满足一般电路设计对阻值的要求, 如果在某些电路如滤波器中对电阻阻值要求非常精确,而非要选择 E24以外的阻值,如2.43kΩ 等,则可以根据附录A中的其他取值基准设计。当然,对阻值要求越精确, 电阻器的价格也就越高(有时高得离谱) 。

三、电阻的功率

根据焦耳定律（Q=Pt=I²Rt）知道:电流通过电阻时会产生热量,电阻越大、电流越大、时间越长,电阻发热也就越厉害。

假设一个阻值为100Ω的电阻,通过100mA的电流, 则电阻的消耗功率, 如果该电阻的额定功率没有这么大,那在此工作条件下就会被烧毁,表现为电阻焦黑、发臭,严重时甚至起火、爆炸。 由于电阻在烧毁时已经被超限的热量袭击过, 其阻值几乎不可能保证在原来正常的范围内, 所以如果电阻出现烧毁的情况, 一般都需要更换。 “城门失火,殃及池鱼”,有时甚至还要考虑更换邻近的器件,因为热量可能已经殃及它们 。

之所以出现烧毁电阻的情况, 一般有以下两种可能: 一是电阻选择不合理, 其额定功率小于实际功率; 二是电路突然出现故障, 导致电阻上的电流激增而被烧毁。 这两个问题都需要在实际电路设计及制作中预防。

电路设计时需要充分考虑该电阻的实际功率最大能达到多少,从而选择一个额定功率比这个最大实际功率还要大的电阻。电阻的额定功率一般有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W等几种,如果电阻功率大于1/8W,必须在电路图中按照图1-9所示的大功率电阻电路符号标明, 否则很容易让自己或他人因误用电阻而导致事故的发生。 如果电路中使用的是电阻的一般符号 , 则可使用额定功率为 1/16w或1/8w的电阻。

一般来说, 电阻的功率越大, 体积也就越大, 价格也就越高 。 1/8w金属膜电阻的市场价格约为 0.01元/支(MΩ级的电阻价格稍高) ,而1W的电阻则为 0.05元/支。通常3W 以上的电阻, 由于体积较大, 其表面可以直接印上阻值和功率, 而不再使用色环作为阻值标记。如图1-10所示为阻值为3.3Ω(误差±5%)、功率为5W的电阻。

四、电阻的种类

按材料和结构等特征，电阻主要分成了绕线电阻、 非绕线电阻、 敏感电阻等几种 。
绕线电阻(wire-wound resistor)是用电阻丝在绝缘的骨架上绕制而成的。 电阻丝一般由具有一定电阻率的镍铬、 锰铜等合金制成, 绝缘骨架则是由陶瓷、 塑料等材料制成, 有管形、扁形等各种形状。这种电阻误差小(精度高)、稳定性高、体积大, 一般在大功率场合中考虑使用。

非绕线电阻包括了我们常用的碳膜电阻(carbon film resistor)和金属膜电阻(metal film resistor) 。此外,还有金属氧化膜电阻(metal oxide resistor)、金属玻璃釉电阻(metal glaze resistor)、厚膜电阻(thic kfilm resistor)、薄膜电阻(thin film resistor)等。实际应用中, 如果电路没有特别说明,我们一般都采用1/8W的金属膜电阻。金属膜电阻的精度高、成本低, 使得它在现代电子电路中应用最为广泛 。

敏感电阻其阻值会随着环境中的某一物理参数 (如温度、 湿度、 压力、 光强等) 变化而改变, 如光敏电阻, 其阻值随着光线强度的变化而改变; 再如热敏电阻, 其阻值随着温度的变化而改变等 。

今天, 随时各种便携电子产品如手机、 MP3播放机、数码照相机等的普及,贴片电子器件 ( SMD) 需求直线增长。 电子产品中往往使用贴片式电子器件来节省电路板空问 。 常用的贴片器件有贴片电阻(SMD resistor,如图1-12所示)、贴片电容(SMD capacitor)、贴片晶体管(SMD transistor)、贴片集成电路(SMD IC)等,各种贴片器件只是个头较小, 其功能与一般直插式的是相同的 。

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