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硬件开发入门之电阻篇,全方位介绍了电阻的基础知识及电路使用的注意事项,是硬件开发不可或缺的基础部分。
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2022-09-06
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本文只要通过全方位介绍了电阻的基础知识,包括基本概念、电路原理、各类型电阻、电阻的实际电路应用以及作用,可以助你掌握好电阻的正确使用方法,助你步入硬件开发的门槛。 本文汇总精炼,通俗易懂,适用于应届毕业生、测试工程师或者初入硬件开发行业的工程师。
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硬件入门之电阻篇
一、基础介绍
1. 概念
电阻:是某种材料所固有的,在一定程度上阻碍电流通过,并将所消耗的电能转化为热能的一种物理性质。
用符号 R 表示,单位为欧姆(Ω),其他常用的有:太欧(TΩ),吉欧(GΩ), 兆欧(MΩ), 千欧(KΩ),
毫欧(mΩ),纳欧(nΩ)皮欧(pΩ)的标识,其换算公式如下:
1TΩ=1000GΩ;1GΩ=1000 MΩ;1MΩ=1000;1KΩ=1000Ω;1Ω=1000mΩ;1 mΩ=1000nΩ; 1nΩ=1000pΩ;
电阻,和电感、电容一起,是电子学三大基本无源器件。数年前,出现了第四种基本无源器件,叫忆阻器
(Memristor),代表磁通量和电荷量之间的关系。
图片出自维基百科 Memristor
通常,根据欧姆定律来定义电阻,给电阻施加一个恒定电压,会产生多大电流;也可通过焦耳定律来定义,
当电阻流过一个电流,单位时间内会产生多少热量。
实际电阻的等效模型
LS、包括电阻体寄生电感与引线电感。电阻体寄生电感与电阻结构有关,线绕电阻体寄生电感较大,非线
绕,尤其是贴片电阻体寄生电感小。引线电感与引线长度有关,因此传统轴向引线封装引线寄生电感较大,
无引线贴片电阻引线寄生电感最小,LS 大小仅与电阻结构有关。
由于寄生电容 CS、寄生电感 LS、与电阻结构有关,与阻值大小几乎无关。因此相同材料、相同结构的电
阻,其频率特性与阻值关系非常密切,下图描述了 CS=0.02p,LS=2.9nH 某系列金属膜、金属氧化膜电阻
的频率特性。
可见对于高阻值电阻来说,频率升高时,寄生电容分流作用不能忽略,例如阻值大于 100K 的电阻,只能
工作在频率<10MHz 的电路系统中,而阻值大于 1M 的电阻,只能工作在频率≤1MHz 的电路系统中,因此
在滤波、包括高速运放电路中尽量避免使用阻值大于 100K 的电阻。
对于低阻值电阻,频率升高时,寄生感抗不能忽略,例如阻值小于 1Ω 的电阻,也只能工作在频率<10MHz
的电路系统中,而阻值小于 0.1Ω 的电阻,只能工作在频率≤1MHz 的电路系统中,因此在滤波电路中尽量
避免使用阻值小于 1K 的电阻。
因此在高频,尤其是在频率大于>1GHz 的微波电路中,一般均使用几十欧~几百欧的电阻。
实际电阻都是非理想的,存在一定引线电感和极间电容,当应用场合频率较高,这些因数不能忽略。
某薄膜电阻的频率特性
上图电阻的高频特性非常好,可以看到极间电容只有 0.0262pF,引线电感只有 0.00189nH,其中 75Ω 的
电阻可以到频率 30GHz(|Zin|/R 比值在 1 左右,证明变化不大)。我们通常使用的贴片电阻大都是厚膜电
阻,性能远达不到如此,其引线电感有几个 nH,极间电容也有几个 pF,大多只能用到几百 MHz 或几个
GHz。
2. 封装
电阻有两种封装方式:轴向引线电阻器(即传统穿通式 AXIAL 封装形式)及贴片电阻(SMD 封装形式)。
1) 传统穿通式(AXIAL)
结合安装工艺要求:对于 1/16W、1/8W 以下电阻,可选用 AXIAL0.3 封装方式:对于 1/4W 电阻,多选用
AXIAL0.4 或 AXIAL0.5 封装方式:对于 1/2W、1W 电阻,可选用 AXIAL0.5 或 AXIAL0.6 封装方式。1W 以
下小功率电阻引脚直径为 0.40~0.60mm(即 20mil-25mil)。
轴向封装元件引线较长,引线寄生电感比贴片封装大,占用电路面积也较大,但散热效果比贴片电阻好。
2) 贴片电阻(SMD 封装)
0805、0402、0201 含义:0805=80 * 50mil,0603=60 * 30mil,mil 为毫英寸。
RLC 封装大小和额定功率(R)、额定电压(C)、额定电流(L)有关
3. 电阻值
1) 标准阻值表
通常电阻阻值都是标准,上图给出了不同精度(容差)的电阻的标准阻值,通常乘以 10 的倍数或除以 10 的
倍数,就可以得到所有阻值。
如何记住上述阻值表呢?注意以下三点:
⚫ 不同精度的电阻对应着不同精度的系列。通常 10%精度的是 E12 系列,2%和 5%是 E24 系列,1%
是 E96 系列,而 0.1%、0.25%和 0.5%是 E192 系列。
⚫ 系列名中的数字代表着该系列有几个标准阻值,通常为 6 的倍数。例如,E12 系列有 12 个不同阻值,
E192 系列有 192 个不同的阻值。
⚫ 每个系列的阻值都近似是一个等比数列,公比为 10 开多少次方,基数是 10Ω。例如 E12 系列的公比
是 10 开 12 次方,E96 系列的公比都是 10 开 96 次方。
另外,根据 IEC 的规定,2%精度对应是 E48 系列有 48 个阻值。
比如,E24 标准:基本数值是:根号 24 次⽅(10^n),n=1,2,3…24,就是 1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、
1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、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 这 24 个
基本数值,再乘 10 的倍率。误差为±5%。(加粗的是 E6 标准)值得注意的是贴片电阻和金属膜电阻(含
金属氧化膜电阻)常用的误差值是 1%,但阻值常用的是 E24 里的值。
2) 阻值标记(Marking)
⚫ 直标法
将电阻器的标称值用数字和文字符号直接标在电阻体上,其允许误差直接用百分数表示,若电阻上未注偏
差,则均为±20%。
⚫ 文字符号法
用阿拉伯数字和文字符号两者有规律的组合来表示标称阻值,其允许偏差也用文字符号表示。符号前面的
数字表示整数阻值,后面的数字依次表示第一位小数阻值和第二位小数阻值。表示允许误差的文字符号:
D F G J K M,允许偏差 ±0.5% ±1% ±2% ±5% ±10% ±20%。
⚫ 数码法
在电阻器上用三个(普通精度)或四个(高精度)数码表示数值,其中前两位(普通精度)或三位(高精度)数码
是阻值或容量大小的有效数字,而最后一个数码表示倍率。对于电阻来说,单位为欧。如:472 表示 47×102Ω
(即 4.7KΩ);104 则表示 100KΩ;R22 表示 0.22Ω;122=1200Ω=1.2KΩ;1402=14000Ω=14KΩ;R22=0.22Ω;
17R8=17.8Ω;000=0Ω;0=0Ω 等。偏差通常采用文字符号表示。数码法多见于贴片电阻(即 SMC 封装)。
⚫ 色环标注法
对于轴向引线封装的电阻,阻值标记都是一圈一圈的色环,具体含义如下图所示:
阻值色环码
从左往右,前两个或三个环代表数字,接下来的环代表乘数,与前面的数字相乘便是阻值。再接下来的环
代表电阻的容差,最后就是电阻的温度系数。
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