一文說(shuō)清楚電阻，從原理、工藝到選型、應(yīng)用

今天系統(tǒng)地給大家分享一下電子元器件中的電阻，內(nèi)容包括電阻的原理，工藝結(jié)構(gòu)，電阻的種類及參數(shù)特性。

一、電阻的基本原理

電阻和電容、電容一起，被稱為電子學(xué)領(lǐng)域的三大基本"粒子"，就像復(fù)仇者聯(lián)盟中的那幾個(gè)奇幻寶石一樣，組成了豐富且神奇的電子世界。從能量的角度來(lái)看，電阻本質(zhì)上是一個(gè)耗能元件，他通過(guò)設(shè)置障礙，阻礙電子的移動(dòng)，并讓電子不斷地摩擦而產(chǎn)生熱量。在歐姆定律中，我們定義電阻為在一個(gè)恒定的電壓下，可以流過(guò)多少電流，也就是 R = U / I 。如果使用焦耳定律來(lái)理解，可以闡述為在電阻上流過(guò)一個(gè)電流，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。下圖展示了實(shí)際電阻元件的等效模型

真實(shí)的電阻器件都是非理想的，存在一定引線電感和極間電容，當(dāng)應(yīng)用在頻率較高的場(chǎng)景下時(shí)，這些因素不能忽略。

薄膜電阻的頻率特性上圖是一個(gè)薄膜電阻的頻率特性曲線，可以看到這個(gè)電阻的高頻特性非常好，它的極間電容只有0.0262pF，引線電感只有0.00189nH，其中75Ω 阻值的電阻在30GHz的頻率下工作還是穩(wěn)定的。當(dāng)然，這種薄膜電阻肯定是一種特殊工藝制成的，我們通常使用的貼片電阻主要是以厚膜電阻為主，性能遠(yuǎn)達(dá)不到上圖中的高頻特性，厚膜電阻的引線電感通常在幾個(gè) nH，兩引線點(diǎn)的極間電容在幾個(gè) pF，因此大多數(shù)厚膜電阻只能使用在幾百 MHz 到 GHz 左右。

二、電阻值的標(biāo)準(zhǔn)

我們?cè)?a class="article-link" target="_blank" href="/design/">電路設(shè)計(jì)中所選用的電阻都遵循著一些標(biāo)準(zhǔn)，這主要是為了方便生產(chǎn)和設(shè)計(jì)，我們不能隨便選一個(gè)電阻，比如：5.28Ω。并不是我們無(wú)法生產(chǎn)出來(lái)，只是這樣做會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)的需求散亂，趨于定制化，自然就沒有辦法進(jìn)行大批量地制造和供應(yīng)。因此，國(guó)際上的 IEC 阻值就制定了一個(gè)電阻阻值和容差相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。要注意以下三點(diǎn)：

不同精度的電阻對(duì)應(yīng)著不同精度的系列。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。系列名中的數(shù)字代表著該系列有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻值，通常為6的倍數(shù)。例如，E12系列有12個(gè)不同的阻值，E192系列有192個(gè)不同的阻值。每個(gè)系列的阻值都近似是一個(gè)等比數(shù)列，公比為10開多少次方，基數(shù)是10Ω。例如E12系列的公比是10開12次方，E96系列的公比都是10開96次方。

有興趣的可以按照上表數(shù)一數(shù)，算一算是不是上述規(guī)律。

三、阻值標(biāo)記

我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇最多的是精度為5%和 1%的貼片電阻，一般 0603 及其以上的電阻封裝都會(huì)有對(duì)應(yīng)阻值的標(biāo)記，我們可以先了解一下這些標(biāo)記的意義。E24系列(5%精度)對(duì)于大于10Ω的阻值，通常用3位數(shù)字表示阻值，前兩個(gè)表示阻值基數(shù)，最后一位表示乘以10的幾次方。

例如標(biāo)記100代表10Ω，而不是100Ω，472代表4.7kΩ。小于10Ω通常用R來(lái)表示小數(shù)點(diǎn)，例如2R0，表示2Ω。E96系列(1%精度)E96 系列通常由2位數(shù)字加一個(gè)字母表示，2位數(shù)字代表是E96系列的第幾個(gè)阻值，字母表示乘以10的幾次方，其中Y代表-1，X代表0，A代表1，B代表2，C代表3，以此類推。這里就要提到標(biāo)注阻值表，我截張圖用于距離，如果需要完整的標(biāo)準(zhǔn)組織表可以點(diǎn)擊閱讀原文。

例如47C，從表中數(shù)到47個(gè)阻值，是30.1，C代表乘以10的3次方，就是30.1kΩ。

上面說(shuō)的是貼片類的電阻標(biāo)識(shí)阻值的方式，對(duì)于軸向引線封裝的電阻，也就是我們常說(shuō)的直插電阻，它是利用電阻上的色環(huán)顏色來(lái)標(biāo)識(shí)阻值的，因此我們也稱他們?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/497266.html">色環(huán)電阻。目前市面上除了一些超大功率的地方需要用到色環(huán)電阻外，隨著電路密度不斷地增加，已經(jīng)很少看到色環(huán)電阻了。色環(huán)電阻的阻值標(biāo)記都是一圈一圈的色環(huán)，具體含義如下圖所示：

從左往右，前兩個(gè)或三個(gè)環(huán)代表數(shù)字，接下來(lái)的環(huán)代表乘數(shù)，與前面的數(shù)字相乘便是阻值。再接下來(lái)的環(huán)代表電阻的容差，最后就是電阻的溫度系數(shù)。

四、電阻的工藝與結(jié)構(gòu)

這里我們只談固定電阻，也就是我們?cè)O(shè)計(jì)中最常使用的固定阻值的電阻，這種電阻目前在設(shè)計(jì)選用中分為兩類，一類是軸向引線式的，也就是我們提到的色環(huán)標(biāo)識(shí)的直插電阻，另一類就是片狀電阻。

1 軸向引線電阻

這類軸向引線電阻軸線通常都是圓柱形，兩個(gè)外電極是圓柱體兩端的軸向?qū)Ь€。再?gòu)牟牧虾凸に嚿蠀^(qū)分，可以更細(xì)致的分為繞線電阻，繞線電阻

繞線電阻是將鎳鉻合金導(dǎo)線繞在氧化鋁陶瓷基底上，使用繞制的圈的多少來(lái)控制電阻大小。

繞線電阻精度高，容差可以做到 0.005%。繞線電阻溫度系數(shù)低，主要在于鎳鉻合金材料。繞線電阻寄生電感大，看繞制方式便知，因此不能用于高頻場(chǎng)景。繞線電阻可以做大功率電阻。

下面這種大功率電阻，你肯定見過(guò)

碳合成電阻

碳合成電阻主要是由碳粉末和粘合劑一起燒結(jié)成圓柱型的電阻體，其中碳粉末的濃度決定了電阻值的大小，在兩端加鍍錫銅引線，最后封裝成型。碳合成電阻工藝簡(jiǎn)單，原材料也容易獲得，所以價(jià)格最便宜，也就是我們常用的色環(huán)電阻了。

1. 碳合成電阻性能較差，精度只能做到 5% 和 1% ，大多數(shù)場(chǎng)合夠用了。2. 碳合成電阻的溫度特性不好，因此噪聲也會(huì)比較大，適合消費(fèi)類低端產(chǎn)品。孩子們做實(shí)驗(yàn)用可以。3. 碳合成電阻的耐壓比較高，因此內(nèi)部是一個(gè)碳棒，基本不會(huì)燒毀。

碳膜電阻

碳膜電阻主要是在陶瓷棒上形成一層碳混合物膜。比如直接在陶瓷棒上涂一層，其中碳膜的厚度和內(nèi)含的碳濃度可以控制電阻值的大小，這個(gè)方式和很多催化燃燒的氣體傳感器一模一樣。推薦一下文章，氣體傳感器原理及其工藝

科普一下~燃?xì)鈭?bào)警器及其傳感器

如果想更加精確，細(xì)分地控制電阻阻值，可以在碳膜上加工出螺旋狀溝槽，這就類似于繞線電阻一樣，只不過(guò)繞在上面的是碳膜。螺旋越多電阻越大，最后加金屬引線，樹脂封裝成型。1. 碳膜電阻可以做的精度更高，因此可以控制碳膜濃度和厚度，且可以雕刻螺紋。2. 碳膜電阻的溫度特性較差，因?yàn)樗玫牟牧线€是碳。

金屬膜電阻

與碳膜電阻結(jié)構(gòu)一樣的，金屬膜電阻主要是利用真空沉積技術(shù)在陶瓷棒上形成一層鎳鉻合金鍍膜，然后在鍍膜上加工出螺旋溝槽來(lái)精確控制電阻。1. 金屬膜電阻因?yàn)椴捎昧随囥t合金，因此精度高。2. 金屬膜電阻的溫度特性也非常好，因此用的是鎳鉻合金。

金屬氧化物膜電阻

把金屬膜電阻的材料換成金屬氧化物就變成了金屬氧化物膜電阻。金屬氧化物膜主要是在陶瓷棒形成一層錫氧化物膜，為了增加電阻，可以在錫氧化物膜上加一層銻氧化物膜，然后在氧化物膜上加工出螺旋溝槽來(lái)精確控制電阻。金屬氧化物膜電阻最大的優(yōu)勢(shì)就是耐高溫，因?yàn)槭褂昧搜趸铩?/p>

2 片狀電阻

金屬箔電阻

金屬箔電阻是通過(guò)真空熔煉形成鎳鉻合金，它通常是通過(guò)滾碾的方式先制作成金屬箔，再將金屬箔黏合在氧化鋁陶瓷基底上，最后通過(guò)光刻工藝來(lái)控制金屬箔的形狀，從而控制電阻。金屬箔電阻是目前性能可以控制到最好的電阻。

厚膜電阻

厚膜電阻改善了工藝，采用絲網(wǎng)印刷法，先在陶瓷基底上貼一層鈀化銀電極，然后在電極之間印刷一層二氧化釕作為電阻體，厚膜電阻的電阻膜大約100um，還是比較厚的。厚膜電阻是目前應(yīng)用最多的電阻，價(jià)格便宜，容差有5%和1%，絕大多數(shù)產(chǎn)品中使用的都是5%和1%的片狀厚膜電阻，現(xiàn)在做設(shè)計(jì)拍腦袋想到的電阻都是這一類。

薄膜電阻

薄膜電阻就是在氧化鋁陶瓷基底上，通過(guò)真空沉積形成鎳化鉻薄膜，通常只有0.1um厚，只有厚膜電阻的千分之一，然后通過(guò)光刻工藝將薄膜蝕刻成一定的形狀。

看到?jīng)]，一個(gè)是換了材料，一個(gè)是換了工藝，把印刷工藝改為真空沉積，精度和穩(wěn)定性一下都提高了。

五、應(yīng)用與選型

電阻的廠商主要有國(guó)巨、光頡，羅姆、威世。大陸主要是風(fēng)華高科。

1 電阻的應(yīng)用

發(fā)熱幾乎所有的電路板上，電阻原件是必不可少的，電路板上使用最多的器件就是電容和電阻，比如各種上下拉電阻，反饋電阻等等。電阻最常用的作用之一就是發(fā)熱，比如我們冬季常用的電暖氣，電熱毯，電水壺等等，都是利用電阻的發(fā)熱特性制成的?？瓷先ツ切╇娝畨刂惖膽?yīng)用并不是使用的我們上面提到的電阻呀？不要覺得貼片電阻就沒有加熱作用，當(dāng)我們?cè)谝恍┕I(yè)極端場(chǎng)景下，很多電子設(shè)備無(wú)法在極冷天氣啟動(dòng)，或者在極冷的溫度下精度無(wú)法保障，這時(shí)候就會(huì)用到貼片電阻的發(fā)熱作用。通常我們會(huì)使用一個(gè)大功率電阻做預(yù)加熱功能，當(dāng)溫度上來(lái)后，設(shè)備啟動(dòng)了再關(guān)掉，之所以關(guān)掉，因?yàn)樵O(shè)備自己工作的功耗也會(huì)發(fā)熱，可以保持溫度，反正本身電阻也要發(fā)熱，順手就利用了一下，就好像汽油車冬天開暖風(fēng)一樣。比如下面這個(gè)設(shè)計(jì)，就是利用了貼片電阻的發(fā)熱功能，在一個(gè)小腔體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)恒溫環(huán)境，保證陀螺儀的精度。

跳線我們可以把 0R 電阻叫做跳線電阻。在電路設(shè)計(jì)中，為了調(diào)試方便或者做兼容設(shè)計(jì)經(jīng)常使用，通常需要用 0R 電阻將電源分成多路。使用 0R 電阻作電源分配的時(shí)候，需要計(jì)算功耗來(lái)判斷選擇的電阻是否滿足要求，這時(shí)我們要注意，0R 電阻的阻值不是真的為 0，他是一個(gè)很小的電阻值，一般不會(huì)超過(guò) 50mR，我們可以查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，一般都會(huì)注明阻值和過(guò)流能力。

限流有些時(shí)候電路中需要一些幾十毫安的電源，比如驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 發(fā)光二極管，電路中的電源往往電壓比較高，并且電流輸出能力比較大，弄一組恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)不可取，因?yàn)殡娏魈。藭r(shí)可以使用電阻限流作用驅(qū)動(dòng)二極管，這個(gè)應(yīng)該不用多少。另外，我們可以利用電阻和穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)一個(gè)小電流的穩(wěn)壓器，這種電路中的電阻就是用來(lái)做電流限制的。

分壓單片機(jī)往往工作在 3.3V 的電壓下，有的甚至更低，我們?cè)谑褂?ADC 進(jìn)行采樣的時(shí)候，肯定允許的最高輸入電壓低于 3.3V，這時(shí)候就需要使用電阻進(jìn)行分壓。其他的分壓應(yīng)用比如DCDC輸出電壓反饋，5V 和 3.3V 的電平轉(zhuǎn)換電路等等。

匹配電阻高速信號(hào)中，PCB走線需要考慮傳輸線模型，要保證阻抗的連續(xù)性，防止信號(hào)反射會(huì)影響信號(hào)完整性。最常用，最簡(jiǎn)單的措施就是源端串聯(lián)匹配電阻，即在信號(hào)源端串聯(lián)一個(gè)電阻，該電阻和源內(nèi)阻之和等于傳輸線特征阻抗。這樣即使負(fù)載端不匹配，信號(hào)反射回來(lái)也會(huì)被源端吸收，不會(huì)再次反射。此外，還有各種非線性的靈敏電阻，可以用作傳感器、保護(hù)電路，比如溫敏電阻，壓敏電阻，還有氣體傳感器等等，我們單獨(dú)用一個(gè)篇章來(lái)介紹。

2 電阻的選型

選型，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是根據(jù)器件的規(guī)格書，提取關(guān)鍵參數(shù)，判斷是否滿足應(yīng)用的要求。首先，我們需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇電阻的類型，如果常見的消費(fèi)類小型化產(chǎn)品，我們肯定以厚膜電阻和金屬膜電阻這種片狀電阻為主。如果我們的電阻是用來(lái)做檢流電阻的，那么記得選擇合金電阻，根據(jù)最大電流和持續(xù)電流來(lái)選擇功率，目前這種合金電阻可以做到 5W 的級(jí)別。

其次，所有電阻的選擇都需要根據(jù)電流來(lái)計(jì)算電阻的功率，從而進(jìn)行封裝的鎖定，一定要有降額設(shè)計(jì)。封裝不僅僅由功率決定，很多場(chǎng)景也和我們的產(chǎn)品相關(guān)，比如我們的產(chǎn)品是需要維修的，那么我們應(yīng)該選擇封裝大一些的電阻。最后，不要忘了電阻的耐壓，別以為電阻沒有耐壓，如果電路中涉及到 220V 甚至更高的電壓時(shí)，可不能在高壓中間串聯(lián)一個(gè) 1MR 0402 的電阻就認(rèn)為沒問題，一定要注意小封裝電阻的耐壓。