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電子元器件解析01——電阻

摘要

電阻是最基本的電子元器件之一,了解電阻的各方面特性對正確選用合適的電阻很有幫助。本文總結了關于電阻的各個性能參數,包括電阻的標稱值、精度、溫度系數、耐壓、封裝與功率;總結了電阻的分類,有多種分類依據,包括按封裝分類。按功能分類。按材料分類等;最后總結了貼片電阻的阻值標注方法與色環電阻表示法。本文不涉及底層原理,僅將電阻的各方面信息做了匯總,可收藏后作為電阻各種信息查詢的參考。

關鍵詞:標稱值精度溫度系數功率耐壓厚膜電阻薄膜電阻貼片電阻色環電阻


一. 什么是電阻

物體對電流的阻礙作用稱為電阻。電阻器是對電流有阻焊作用的器件,也簡稱電阻,下文中所有的電阻均指的是電阻器,而非某物體的電阻。

電阻,Resistor,符號R,單位為Ω(歐姆)。歐姆定律描述了電阻兩端電壓U,流過電流I與電阻阻值R的關系:

電阻常用單位mΩ(毫歐),kΩ(千歐),MΩ(兆歐)。

電阻原理圖符號如下圖所示,建議使用中國國家標準(GB4728.5 - 2018)中推薦的畫法。

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二. 電阻的性能參數

2.1 電阻標稱值與精度

電阻指E6、E12、E24、E48、E96、E192這幾個系列,由IEC發布的國際標準確定,電阻廠家都照此生產。

E表示指數間距(Exponential Spacing)的意思,如E96指的是按照公比的等比數列將1~10Ω的電阻劃分成96個不同阻值,如:

這就是E96系列電阻標稱阻值的確定依據,

E96的電阻是1%精度的,即標稱阻值1歐姆的電阻,對應阻值范圍其實是0.99~1.01歐姆,其規律如下:

可見,1%精度的E96電阻并不能包含1~10歐姆所有的阻值,相鄰阻值范圍沒有重合,中間是有空缺的。這也很好理解,E96是將10分成了96份,而1%精度要想完全表示10需要100份,中間必然是有空缺的。在實際應用中電阻值差1%通常沒有影響,所以也沒有必要把所有阻值包含進去。

電阻系列對應精度如下:

電阻系列精度精度代號
E6(已廢棄)20%M
E12(基本廢棄)10%K
E245%J
E48(幾乎不用)2%G
E961%F
E1920.5%D
E1920.2%C
E1920.1%B

說明:其它精度使用較少,故未在表中列出,它們的代號為:W:0.05%,U:0.02%,H:0.01%,Y:0.005%,X:0.002%,E:0.001%。

E24系列電阻標稱值如下圖所示:

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E96系列電阻標稱值如下圖所示:

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1%精度電阻通常能應對大多數應用場合,因此選用率最大,廠家生成規模也最大,這使得1%精度電阻很多時候反而比5%精度電阻更便宜,所以,1%精度電阻是最常用的。

注意,E96電阻都是1%精度的,但1%精度電阻并不都是E96系列的。許多常用阻值并不屬于E96系列,像我們常用的3.3k,4.7k,5.1k,6.8k雖然是E24的標稱值,但同樣有1%精度的電阻。如下圖所示,6.8k 1%精度的電阻。

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其實,6.81k的E96標稱電阻應能完全替代6.8k 1%精度的電阻,但庫存銷量卻遠遠不及,這是因為最初受限于電阻生產工藝水平,E24系列才是最流行的,硬件工程師選電阻值的習慣也慢慢形成了,即使現在1%精度工藝已經成熟了,E96也慢慢流行起來,但一些習慣還是保留了下來,廠家也根據市場的反饋加大那些常用阻值的產量,這就是一個歷史和習慣反饋市場的現象。

2.2 電阻溫度系數

電阻溫度系數,Temperature Coefficient of Resistance,簡稱TCR。它表示電阻當溫度改變 1 攝氏度時,電阻值的相對變化,單位為 ppm/℃,ppm(part per million)百萬分之幾。

其中,為環境溫度,一般為25℃,為當前溫度,為電阻在時對應的阻值,為電阻在時對應的阻值,則有:

舉個例子,已知,那么溫度為100℃時的電阻值為多少?

可見,此10k,100PPM的電阻在100℃時會有±75歐姆的偏差,必須注意偏差是有正有負的,意思是電阻可能偏大也可能偏小。如果此電阻是1%精度的,那么其自身的偏差就有±100Ω,疊加在一起,此電阻在100℃時的最大偏差為±175Ω。

2.3 電阻耐壓

電阻耐壓是電阻安全工作的最大電壓,體現其絕緣性能。電阻的耐壓由材料、工藝、外形尺寸等決定。

如果電阻兩端電壓超過耐壓值,電阻就會被擊穿。擊穿后阻值就會顯著減小甚至為0,但要注意,電阻兩端的電壓也決定了電阻的功率,對于阻值較小、封裝較小的電阻,兩端電壓的升高會導致功率先超過限值,從而使得電阻發熱燒毀,這時電阻表現為斷路。

電阻長期工作的電壓建議不要超過最大工作電壓的50%,以保證電阻的可靠。

關于貼片厚膜電阻封裝與耐壓的關系如2.4節中的圖所示,注意,表中所示的為一般水平,不同廠家,不同系列的電阻會有一些區別。

2.4 電阻的封裝與功率

PCB板上電阻按安裝方式分可分為兩類,貼片電阻與直插電阻。

電阻器的額定功率:指電阻在正常氣候條件下(如大氣壓、環境溫度等),長時間連續安全工作可耗散或可承受的最大功率。一般我們取70℃靜止空氣中為額定功率的最大工作溫度點,電阻額定功率記為P70。電阻實際使用時,需要留有一定的功率余量,建議為額定功率的一半。

貼片電阻封裝、功率與耐壓的關系表如下:

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三. 電阻的分類

電阻種類繁多,按不同的分類依據可劃分成不同的品類。

3.1 按封裝分類

最常見的分類方式,按封裝可以分為貼片電阻插件電阻、貼片排阻、螺栓安裝電阻等。

排阻:幾個阻值相同的貼片電阻集成在一起,與使用多個單獨的電阻性能一樣,優勢是節約空間。

3.2 按功能分類

可分為電流采樣電阻、負載電阻/功率電阻、NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等,

電流采樣電阻:一般用來連接電流輸出型傳感器,將電流信號轉變為電壓信號,為滿足測量精度并使電壓在合適的范圍內,電流采樣電阻一般選擇高精度(至少是1%精度),低溫漂(溫度系數小),阻值較小的電阻。

負載電阻/功率電阻:一般用作電源輸出的負載,流過較大的電流,這種電阻的封裝一般很大(偏于散熱),允許高溫使用,對精度的要求不高。

NTC熱敏電阻:Negetive Temperature Coefficient,負溫度系數,NTC熱敏電阻指的是阻值隨溫度上升而下降的一類電阻,一般用作溫度采集電路中,作為溫度傳感器。

參考:NTC熱敏電阻基礎以及應用和選擇 - 知乎 (zhihu.com)

PTC熱敏電阻:Positive Temperature Coefficient,正溫度系數,當超過一定溫度時,PTC電阻的阻值隨溫度升高呈階躍型增大,可用作過流/過熱保護,保護原理是:電流變大 -> 溫度升高 -> 阻值變大 -> 電流減小,像自恢復保險絲就是PTC電阻,它正常工作時阻值很小等同于短路,當電流增大時阻值快速增大等同于短路;也可用作恒溫加熱器,PTC電阻具有自動恒溫的特點,當PTC電阻兩端電壓保持不變時,溫度升高 -> 電阻變大,電流減小 -> 溫度降低 -> 電阻變小,電流增大 -> 溫度升高,所以電阻會保持恒溫;其它功能。

參考:PTC熱敏電阻工作原理和應用特性介紹-IC先生 (mrchip.cn)

壓敏電阻:是一種具有非線性伏安特性的電阻器件,主要用于在電路承受過壓時進行電壓鉗位,吸收多余的電流以保護敏感器件。英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor”簡寫為“VDR”。

參考:壓敏電阻基礎知識詳解 - 知乎 (zhihu.com)

光敏電阻:其工作原理是基于內光電效應。光照愈強,阻值就愈低,隨著光照強度的升高,電阻值迅速降低,亮電阻值可小至1KΩ以下。光敏電阻對光線十分敏感,其在無光照時,呈高阻狀態,暗電阻一般可達1.5MΩ。

參考:光敏電阻:原理及作用、符號及參數、選型及電路 - 知乎 (zhihu.com)

3.3 按材料分類

3.3.1 厚膜電阻與薄膜電阻

厚膜電阻與薄膜電阻的特征在于陶瓷基底上的電阻層,薄膜的厚度約為0.1um甚至更小,厚膜的厚度約為薄膜的幾千倍。我們常用的貼片電阻,絕大部分都是厚膜電阻。厚度電阻價格低廉,但在一些性能表現上相對薄膜稍差,如精度,溫度系數,噪聲性能等。

參考:薄膜和厚膜電阻之間的區別 (thermistors.cn)

3.3.2 碳膜電阻、金屬膜電阻與金屬氧化物膜電阻

碳膜電阻:又稱為碳薄膜電阻,是最早期也最普遍使用的電阻器,利用真空噴涂技術在瓷棒上面噴涂一層碳膜。缺點是精度較差,一般為5%;溫漂大,一般大于300PPM,優點是價格低廉。現在一般只在低端電子產品和一些早期設計中使用碳膜電阻,之前的很多應用場景被性能更好的金屬膜電阻替代了。

金屬膜電阻:又稱金屬薄膜電阻,制作工藝與碳膜電阻基本一樣,只是將碳膜改為金屬膜。優點是精度較好,一般為1%;溫漂小,一般為50PPM;缺點是價格相對碳膜貴,但也很便宜了。像PCB上直插的電阻基本都是金屬膜電阻,廣泛應用于工業、電腦、儀表、航空等各個領域。

金屬氧化物膜電阻:又稱金屬氧化物薄膜電阻,它是利用高溫燃燒技術于高熱傳導的瓷棒上面燒附一層金屬氧化膜(如氧化鋅),抗氧化性好,耐熱沖擊,適合長期工作在高溫環境中,而精度,溫漂等性能都不如金屬膜電阻。

參考:碳膜、金屬膜、金屬氧化膜的區別及應用-立創商城 (szlcsc.com)

碳膜、氧化膜、金屬膜、繞線電阻區別在哪_百度知道 (baidu.com)

碳膜電阻一般為黃色,金屬膜電阻一般為藍色,金屬氧化物膜電阻一般為灰色且表面是暗光的,沒有碳膜和金屬膜那么亮。

3.3.3 繞線電阻

繞線電阻是固定電阻的一種。線繞電阻器是用電阻絲繞在絕緣骨架上構成的。電阻絲一般采用具有一定電阻率的鎳鉻、錳銅等合金制成。絕緣骨架是由陶瓷、塑料、涂覆絕緣層的金屬等材料制成管形、扁形等各種形狀。

繞線電阻器的優點:精度極高,工作時噪聲小、穩定可靠,溫度系數小,能承受高溫,在環境溫度170℃下仍能正常工作。

繞線電阻器的缺點:體積大、阻值較低,大多在100kΩ以下。另外,由于結構上的原因,其分布電容和電感系數都比較大,不能在高頻電路中使用。

在小功率場合,繞線電阻幾乎都可以被金屬膜電阻替代,所以在小功率場合應用比較少了,但在大功率場合,繞線電阻應用仍很廣泛,像我們常說的水泥電阻,鋁殼電阻都是用在大功率場合的繞線電阻,它們內部都是繞線,只是外部再封裝了一次。

水泥電阻:用耐火泥灌封的電阻器。水泥電阻器具有外形尺寸較大、耐震、耐濕、耐熱及良好散熱、低價格等特性,經常用作負載電阻。

鋁殼電阻:外殼采用鋁合金(黃金鋁殼)制造,表面具有散熱溝槽,體積小功率大,耐高溫,過載能力強具有耐氣候性、高精度,標準低感應電阻,高穩定,強架構,其變通性佳多重組合選擇,利于機械保護,方便安裝使用。

參考:如何選擇繞線電阻及與膜式電阻的優劣區別?【奧創電子】 (autrou.com)

參考:水泥電阻是什么?它跟普通電阻的區別有哪些?-IC先生 (mrchip.cn)

參考:詳細介紹鋁殼電阻的特點 - 知乎 (zhihu.com)

3.4 按精度分類

可分為普通電阻與精密電阻,一般精度要超過1%才會稱為精密電阻,像0.1%的精密電阻。精密電阻對溫度系數也有要求,因為溫度系數也影響著最終的電阻值。

3.5 按阻值是否可調分類

可分為固定電阻和可調電阻,其中可調電阻包括滑動變阻器、電阻箱、電位計、數字電位計等。


四. 電阻值的表示方法

貼片電阻和插件電阻的外層標識表示電阻的阻值。

4.1 貼片電阻的字母與數字表示法

貼片電阻的阻值有兩種表示方法:

第一種:數字表示法,如果有R,則R表示的是小數點,具體如下:

  • 0402及更小的封裝因為太小了,沒有空間烙印標識,所以沒有標識。
  • 0603封裝因空間限制只能印三個數字,前兩個數字表示有效值,第三個數字表示0的個數,如103就表示10 X 1000 = 10k,注意僅0603的E24系列電阻是這種表示而0603的E96系列電阻是數字+字母表示法(下文有說明)
  • 0805及更大封裝印四個數字,前三個表示有效值,第四個表示0的個數,如1002表示100 X 100 = 10k,注意E24、E96系列的0805及以上封裝都是這種表示法。

排阻的表示方法與單個電阻相同,如0603X4的排阻就同0603電阻一樣表示

第二種:數字+字母表示法僅針對0603封裝的E96電阻,更小封裝的無標識,更大封裝的用上述的4位數字表示,前兩位數字01表示E96系列對應阻值的序號,如下表所示;第三位字母表示阻值放大縮小的倍數,如下表所示。

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以01A為例,01表示100,A表示10,則01A = 100 X 10 = 1k。

以45B為例,45表示287,B表示100,則45B = 287 X 100 = 28.7k。

4.2 插件電阻的色環表示法

色環表示法的細節很多,不需要去記憶,利用一些現成的工具即可,分享兩個好用的色環計算器:

網頁在線色環計算器:電阻器色碼計算器 - 4 色環、5 色環、6 色環 | DigiKey Electronics

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微信小程序——電子硬件助手——色環計算器:


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