嵌入式——认识电子元器件——电阻系列

认识常见电子元器件——电阻介绍名词解释精度温漂噪声过载分类按制造工艺/外观结构分类碳膜电阻金属膜电阻金属氧化膜电阻绕线电阻水泥电阻陶瓷绕线贴片电阻片式厚膜/薄膜按功能/特性分类固定电阻可调电阻电位器热敏电阻光敏电阻VAR压敏电阻熔断电阻保险电阻按功率大小分类示例图介绍电阻器Resistor是一个限流元件一般用字母R来表示单位为欧姆Ω简称欧。电阻器一般是两个引脚将电阻接在电路中后可以限制通过电阻的电流大小。电阻元件的电阻值大小一般与温度材料长度还有横截面积有关衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。电阻的主要物理特征是变电能为热能也可说它是一个耗能元件电流经过它就产生内能。比如灯泡电热丝等均可表示为电阻器元件。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说交流与直流信号都可以通过电阻。名词解释精度通常也称为容差是指电阻器的实际阻值与其标称阻值之间允许的最大偏差范围通常用百分比%表示。常见精度等级精度等级常见代号典型应用普通精度±5%±10%±20%通用电路上拉/下拉电阻、LED限流、电源滤波、一般数字电路。较高精度±1%精密电路电压基准分压、运算放大器外围电阻、电源反馈网络。高精度±0.5% ±0.25% ±0.1%精密仪器测量设备、医疗电子、数据采集系统。极高精度±0.05% ±0.02% ±0.01%特殊计量/校准设备标准电阻、航天军工、高精密仪表。影响因素影响因素描述温度温度变化会导致阻值漂移这是另一个指标温度系数 TCRppm/°C。精度通常只在特定温度如25°C下保证。时间/老化长期使用或存放后电阻阻值会发生永久性微小变化。高精度电阻的老化率更低。制造工艺1.厚膜电阻成本低精度较差通常 ±1% 到 ±5%。2.薄膜电阻精度较好可达 ±0.1% 或 ±0.05%。3.金属箔电阻精度极高可达 ±0.001% 甚至更高。4.绕线电阻精度可以很高±0.01%但高频特性差。温漂全称是温度漂移更专业的叫法是电阻温度系数英文缩写为 TCR即 Temperature Coefficient of Resistance。简单来说温漂就是电阻的阻值随着温度变化而变化的程度。没有任何电阻是完美稳定的。当环境温度升高或降低时电阻内部的材料特性会发生改变导致其阻值发生漂移。温漂就是用来量化这个漂移有多大的指标。核心原理正温漂 (PTC - Positive Temperature Coefficient)阻值随温度升高而增大。大部分金属材料如镍、铂制成的电阻具有此特性。负温漂 (NTC - Negative Temperature Coefficient)阻值随温度升高而减小。某些半导体材料或碳膜材料具有此特性。温漂单位温漂的单位是 ppm/°Cparts per million per degree Celsius即每摄氏度变化百万分之几。ppm 是百万分之一。1 ppm 代表百万分之一的相对变化即 0.0001%。这个数值越小代表电阻越稳定性能越好。不同电阻类型的温漂水平电阻类型典型温漂 (TCR)稳定性成本典型应用厚膜电阻 (最常见的贴片电阻)±100 ~ ±400 ppm/°C较差极低通用电路、上拉/下拉、LED限流金属膜电阻 (直插)±50 ~ ±100 ppm/°C中等低通用、消费电子薄膜电阻 (精密贴片)±5 ~ ±50 ppm/°C良好中等精密仪器、电源反馈、运放电路金属箔电阻 (最高精度)±0.05 ~ ±2 ppm/°C极佳昂贵计量校准、医疗、航天、高精密电桥绕线电阻 (大功率)±20 ~ ±100 ppm/°C良好中等大功率电源、工业控制温漂重要性影响电路精度在一个精密电压基准电路中如果分压电阻的温漂很大当设备内部温度升高比如开机发热或夏天暴晒输出电压就会漂移导致测量结果不准或设备工作异常。导致电路失效在某些振荡电路或滤波器电路中阻值变化会改变RC时间常数可能导致振荡频率偏移或滤波器特性改变严重时电路无法正常工作。“差温漂”比“大温漂”更危险在差分放大器或比例电路中两个电阻的温漂方向不一致一个正、一个负会比它们各自温漂很大但方向一致同步漂移更可怕。因为同步漂移时比例不变而方向不一致会导致比例严重失真。如何处理温漂问题合理选择根据应用需求选择合适TCR的电阻。普通数字电路用 ±200 ppm/°C 足够精密模拟电路至少要用 ±50 ppm/°C 以下。降额使用不要让电阻工作在接近其额定功率的状态。功率越大自发热越严重阻值漂移也越大。留足功率余量降额至50%或更低可以显著减小自热引起的漂移。匹配选型在关键比例电路中尽量选择同批次、同型号的电阻或者使用电阻网络多个电阻集成在一个基片上它们具有几乎相同的温度特性能实现极佳的比例漂移匹配。布局散热在PCB布局时将发热元件如功率管、变压器远离高精度电阻并保证良好的通风散热。噪声是指电阻两端除了正常的电压降之外产生的不规则的、随机的、无用的电压或电流波动。简单来说就是电阻自身会“制造”一些微小的干扰信号叠加在有用的信号上。在高灵敏度的放大电路、精密测量仪器或通信接收机中这些噪声可能会限制系统能处理的最小信号。噪声类型产生原因频率特性关键特点热噪声 (Thermal Noise)温度引起内部电荷载流子的随机热运动宽频带、均匀分布白噪声所有电阻都有无法消除与材料无关过剩噪声 (Excess Noise)电流流过不连续、不均匀的电阻材料时产生闪烁和波动低频为主1/f 噪声与材料、工艺强相关碳膜电阻最严重绕线/金属箔最低接触噪声 (Contact Noise)引线与电阻体之间接触不良低频、不稳定主要由制造缺陷或老化引起优质电阻很小电阻噪声在电路设计中的实际影响:高增益放大电路比如麦克风前置放大器、生物电信号放大器ECG/EEG、光电二极管探测器。电阻的噪声会被放大到显著影响信噪比。通常输入端的电阻要选用金属膜或金属箔且阻值不能太大因为热噪声与√R成正比。精密直流测量数字万用表、电压基准源。低频过剩噪声1/f 噪声会直接体现在读数的不稳定跳动上。必须使用低噪声电阻。音频设备在唱头放大器、前置放大器中碳膜电阻的过剩噪声会产生“嘶嘶”的背景噪声而金属膜电阻则安静得多。开关电源/数字电路噪声影响不大普通厚膜电阻即可因为电源纹波和数字开关噪声远大于电阻自身噪声。如何选择和应对电阻噪声?优先选择低噪声类型的电阻按推荐顺序– 最好绕线电阻、金属箔电阻噪声极低但绕线有电感高频不适用– 很好金属膜电阻、薄膜电阻性价比最高适合绝大多数精密低频电路– 较差厚膜电阻通用场合可用精密场合慎用– 很差碳膜电阻避免用于高增益、低噪声电路尽量降低阻值热噪声与 √R 成正比过剩噪声也与 R 有关。在满足电路功能如输入阻抗匹配的前提下使用尽可能小的阻值。例如一个 1MΩ 电阻的热噪声是 10kΩ 的 10 倍。控制温度和带宽– 降低工作温度如散热、远离热源。– 在信号通路中增加低通滤波器限制带宽可以滤除高频热噪声。注意电路结构– 并联 n 个相同阻值的电阻等效噪声是单个电阻的 1/√n因为总阻值变小了。– 串联 n 个电阻总噪声是各电阻噪声的方和根会变大。过载本质电阻器标有额定功率如0.25W、0.5W。当实际功率超过这个值就是“过载”。过载能力描述的就是它能承受这种短期超负荷的“裕量”和“时间”。关键参数通常用过载电压和短期过载功率来衡量。例如规格书可能写明“2倍额定电压持续5秒不损坏”。物理过程过载时电阻体内产生大量热量。如果热量能暂时被电阻体吸收而温度还没达到毁坏材料如碳膜、金属膜的程度那么过载结束后电阻冷却下来其阻值和性能仍能恢复正常。这就是过载能力的来源。限制条件过载能力是短时的。比如几毫秒到几秒。如果长时间过载热量会持续积累最终烧毁电阻。常见的碳膜、金属膜电阻过载能力相对较弱而绕线电阻和保险电阻通常有更强的过载能力后者甚至设计为在严重过载时熔断来保护电路。实际应用– 电源输入端的浪涌抑制电阻需要承受开机瞬间的大电流冲击。– RC吸收电路中的电阻需要承受高频尖峰电压。– 某些测试或保护电路利用电阻的过载能力来吸收短暂的异常能量。分类按制造工艺/外观结构分类碳膜电阻结构磁棒基体表面沉积碳膜导电。特点成本极低、产量大。精度一般±5%、温漂大、噪声大。耐高温差、稳定性一般。用途普通消费电子、低频电路、低端设备。金属膜电阻结构瓷芯表面镀合金金属膜。特点精度高±1%、±0.5%、温漂小、噪声低。稳定性好、耐高温、体积小。价格高于碳膜电阻用途仪器仪表、嵌入式控制板、精密采样电路金属氧化膜电阻结构金属氧化物镀膜特点抗氧化、耐潮湿、耐腐蚀。功率偏大、过载能力强。精度中等。用途工业设备、电源电路、恶劣环境设备。绕线电阻结构合金电阻丝缠绕在瓷骨架上。特点功率大、耐高温、过载能力极强。精度高、稳定性极高。有电感不适合高频电路。体积大、偏重。用途大功率负载、电源、充电桩、工业控制。水泥电阻陶瓷绕线结构电阻丝封装在水泥陶瓷壳内。特点大功率、阻燃、防爆、耐冲击。绝缘性好、抗震动。精度低、体积大。用途家电、电源限流、过流保护电路。贴片电阻片式厚膜/薄膜结构微型陶瓷基板上刷电阻材料在进行封装和添加保护层。特点体积极小适合SMT贴片量产。一致性好适合自动化焊接。厚膜常规通用、性价比高。薄膜高精度、低温漂、高频性能好。用途手机、主板、嵌入式电路板、小型智能硬件。按功能/特性分类固定电阻电阻值固定不变。常见碳膜、金属膜、贴片特点成本低、电路稳定、用量最大。可调电阻电位器分类旋转式、滑动式、精密多圈电位器。特点阻值可手动调节。用途音量调节、电压分压、参数校准、设备调试。热敏电阻NTC负温度系数温度升高→电阻变小PTC正温度系数温度升高→电阻变大用途温度采样、电路防浪涌、过热保护光敏电阻VAR特点光照越强电阻越低用途光控电路、感应设备、灯光自动控制压敏电阻特点电压超过阈值电阻急剧变小用途防雷击、防浪涌、电源输入端过压保护熔断电阻保险电阻兼具电阻 保险丝双重功能过载时熔断断路保护后级电路用途家电电源、小型设备限流保护按功率大小分类小功率电阻1/8W、1/4W、1/2W贴片、碳膜、金属膜信号电路常用中功率电阻1W、2W、3W大功率电阻5W~50W线绕、水泥、铝壳电阻示例图注图片来源