什么是电阻器？电阻器作用、电阻器类型和电阻器规格

对于许多工程师来说，选择合适的电阻器只是计算正确的值和公差，然后寻找成本效益最高的解决方案。那么，为什么会有那么多不同类型的电阻器呢？本指南旨在为您提供一些有关电阻器和其关键参数的见解。

我们从基础开始，介绍电阻器的作用和电阻器的色码。然后快速概述主要类型，突出它们的主要特点，最后了解工程师在产品设计过程中会遇到的更详细的规格领域。

电阻器是一种电气元件，限制电路中电流的流动。经常用来解释其工作原理的比喻是将电流视为在软管中流动的水；电阻器可以被视为限制水流量的软管瓶颈。

大多数人都熟悉欧姆定律：V=IR。V是电阻器上的电压，I是流过电阻器的电流，R是电阻。这个方程将电流、电压和电阻联系起来，是使用电阻器（以及其他无源元件）的基础。

在微观层面上，电阻器由各种材料制成，这些材料是导体，但并非完美的导体，因此电子的流动能力受到所选材料的原子结构的阻碍。通过改变导体的特性，如材料的电导率、表面积和使用的材料长度，可以控制电阻的精度达到所需的水平。电阻以欧姆为单位测量，单位符号为Ω。

电阻器在电路中有许多用途。以下是一些常见的功能；大多数应用需要串联或并联使用多个电阻器。电阻器的一些常见用途包括：

• 电位分压器。串联两个或更多的电阻器将在它们的接合处产生与它们值的比成比例的电压。在用于产生中间电压的电路中广泛使用此功能。
• 偏置电阻。晶体管和许多其他元件需要设置正确的交流和直流工作特性和增益值以进行正确操作。这是通过使用多个电阻器来完成的，通常称为偏置
• 运放增益和反馈。大多数运放电路需要通过运放芯片外部的电阻器来设置其增益和反馈功能；电阻器是实现此功能的主要手段
• 电流限制。电阻器可以用于限制电路元件中流动的电流量。这是许多电路中有用的安全功能，例如限制流入LED的电流以管理其亮度
• 阻抗匹配。为了在高频时有效地提高功率传输，电路的接收端和发送端的阻抗需要相同。电阻器可以至少部分地满足这个需求
• 电流测量。许多电路需要知道正在流动的电流量，然而，测量电压要容易得多，因此在电路中插入一个电阻器以“产生”电压-记住欧姆定律-是测量电流的常用技术
• 数据和地址总线上拉。该功能有助于减少高速计算机总线上的噪声问题。当数据总线三态或被驱动为高电平时，通常需要将其拉入已知状态或确保其输出高于总线上其他逻辑元件的切换点，并且上拉有助于实现这一点

大多数电阻都在上面标有值。对于贴片电阻来说，这可以是几个选项之一。它们可以是一个用值和倍数系统表示值的3位或4位数字代码。例如，102表示10²或1kΩ，4位数字类型可以是1002，即100x10²或10kΩ。对于低值电阻，您可能会看到类似4R7表示4.7Ω。在这种情况下，R被用作小数点。

由于贴片电阻尺寸微小，这些标记通常非常难以看清，尤其是现在贴片电阻可用于更严格的公差和更多的值。因此，使用EIA96系统。这涉及一个查找表，其中使用三位数值指向一个值和倍数，从而使用最少的位数指定值。

电阻色环代码

对于通孔电阻器，系统稍微简单一些。多年来一直使用着一种色环代码系统，目前仍然有效。下面的示意图展示了该系统的使用方式。每个电阻器有三个或四个色环，指定了值，还有一个公差带。对于4个色环电阻器，前两个色环是数字值，第三个色环是倍数。

举例来说，如果前两个色环是红色，第三个色环是橙色，那么电阻值将是22kΩ。如果第四个色环也是红色，那么电阻器的公差为2%。如果我们前三个色环都是红色，第四个色环是棕色，那么电阻值将是2.22kΩ。

影响电阻器选择的关键特征和规格有哪些？应考虑的因素包括初始公差和值选择。然而，电阻器值的公差或变化受多个参数的影响，如下所述的。

温度系数

这是指标称值随温度变化而变化的量度。通常以百万分之一每摄氏度（或开尔文）的为单位引用，它可以是正的或负的。计算给定温度下的电阻的方程式如下：

Rt=Ro[1+α(T-To)]

其中Ro是室温电阻的标称值，To是给出标称电阻的温度，T是工作温度，α是温度系数。

简单地说，具有50ppm/K温度系数的1MΩ电阻器在温度升高或降低1度时将变化50Ω。这听起来可能不多，但是考虑一下，如果您将此电阻器用作x10非反相放大器电路中的增益电阻器，并在+输入上放置0.3v，则最坏的情况下输出变化的可能性就会高达7.5mv，相当于5v12位ADC电路中的5LSB左右。这种变化在精密设计中会相当明显。还要记住，温度系数被引用为±xppm/C，因此第二个电阻器在电路中可能会以相反的方向变化，因此可能会使误差加倍。最后，需要注意的是，某些精密电阻器会引用电路所操作的温度范围内可变的温度系数，这可能会极大地复杂化设计过程。

电阻器老化或稳定性

老化和稳定性是阻值随时间发生多次变化的复杂结合，是由温度循环、高温运行、湿度进入等多个因素引起的。通常情况下，由于导电物质在器件内发生迁移，阻值会随时间增加。

热阻

热阻是衡量电阻器能够将功率散发到环境中的能力的指标。在实践中，工程师使用热阻来模拟系统的散热情况，它被看作是一组串联的“热阻”，每个热阻代表系统中一个元素的散热情况。

这主要在设计中电阻器运行在或接近其最大值时非常重要，并且可以显著影响系统的长期可靠性。一个使用该参数的例子是计算用于保持电阻器的阻值和工作温度在可接受范围内的PCB焊盘或地平面要求的尺寸。

热量和功率额定值

所有的电阻器都有一个以瓦特为单位的最大功率额定值。小功率电阻器的额定值可以是1/8瓦特，而功率电阻器的额定值可以达到几十瓦特。在初步分析中，工程师会检查电阻器是否在其额定值范围内运行。计算这个值的方程式是P=I²R，其中P是电阻器消耗的功率，I是电流大小，R是电阻值。不幸的是，情况可能比这更复杂；对于精确的工作，工程师需要考虑到电阻器的热耗散曲线。这个曲线指定了设计师在给定温度以上需要降低最大功耗的比例。

这可能看起来有些理论性，因为热耗散曲线通常在相当高的温度下开始降低功耗，但如果电路位于密闭的热区中，功率可能会超过降低点，并且最大功耗需要相应地减小。值得注意的是，电阻器的最大工作电压也会随着功耗而降额。

电阻器噪音

任何有电子流动的电子元件都会产生噪音，电阻器在这方面也不例外。在高增益放大器系统或处理非常低电压信号时，需要考虑这个问题。

电阻器中的噪音主要是由电阻材料中电子的随机波动引起的热噪声。它通常被建模为白噪声（即在频率范围内具有恒定的均方根电压），并由方程E=√4RkT∆F给出，其中E是均方根噪声电压，R是电阻值，k是玻尔兹曼常数，T是温度，Δf是系统的带宽。

通过降低电阻、操作温度或系统的带宽，可以减少系统噪音。此外，还有另一种称为电流噪声的电阻器噪声，它是由器件中的电子流动引起的。尽管很少有厂商指定这种噪声，但如果可以获得使用IEC60195的标准数值，就可以进行比较。

高频行为

需要考虑的最后一个挑战是特定电阻器的高频性能。简单来说，可以将电阻器建模为串联电感，而馈电的电阻器与其并联有寄生电容。

在低至100Mhz的频率下（即使是寄生值低于穿孔组件的贴片电阻），平行电容也可能开始占主导地位，并且阻抗将降低到低于标称值。在更高的频率下，电感可能占主导地位，阻抗将从最小值开始增加，最终可能超过标称值。

尽管我们已经介绍了设计带有电阻器的电路时可能遇到的许多重要参数，但仍然有更多参数不能被忽视。

在许多情况下，标准的1%金属膜0.125W电阻器对应用来说完全可以满足要求。然而，在某些产品中，对电阻器规格的更详细了解将是必要的，包括电源设计、音频工作、高频设计以及需要处理高环境温度的产品。在这些情况下，对规格的详细检查，并在选择产品时特别注意，将会带来更可靠的设计，并有可能避免耗时的重新设计。