),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,可计算电路的干路电流
,则P点电压
从例1.1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。
1、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,ElectronicIndustriesAlliance)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)。
2.电阻的功率
根据焦耳定律
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。图1-8所示为某电路板中电阻被烧毁的情形。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。
3.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-woundresistor)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,如图1-11所示。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(carbonfilmresistor)和金属膜电阻(metalfilmresistor)。此外,还有金属氧化膜电阻(metaloxideresistor)、金属玻璃釉电阻(metalglazeresistor)、厚膜电阻(thickfilmresistor)、薄膜电阻(thinfilmresistor)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。
还有一类电阻,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1.1.3节将要介绍的光敏电阻,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(SMDresistor,如图1-12所示)、贴片电容(SMDcapacitor)、贴片晶体管(SMDtransistor)、贴片集成电路(SMDIC)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。