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电阻是什么(超级详细)

电阻在电子设计中最为常见,几乎所有的电子产品中都会使用此元件。

电阻元件,简称电阻,其图形符号可以表示为图 1a) 所示。


图 1 电阻的图形符号及其伏安特性曲线

在理想情况下,一般认为电阻具有以下特性:在任何时刻其两端的电压和电流都服从欧姆定律,即 U = R × I。式中,R 为电阻最重要的参数,称为元件的电阻值,单位为 Ω(欧姆,简称欧);U 为电阻两端电压,单位为 V(伏特,简称伏);I 为流过电阻两端电流,单位为 A(安培,简称安)。

如果绘制一条曲线,将电压作为横坐标,电流作为纵坐标,则根据电阻的伏安特性可以得到一条经过原点的曲线,由于电压与电流单位分别伏特与安培,因此可以称此曲线为电阻的伏安特性曲线,如图 1b) 所示。

可以看出理想电阻属于线性元件,在理想状态下,电阻的电阻值是固定不变的。但在实际中,电阻值通常会随着温度的变化而变化,因此,严格地说电阻是带有非线性因素的。而且由于工艺的限制,电阻也是会存在误差的,普通电阻精度通常分为 ±1%、±5%、±10%3 种。

正常情况下,当电压加载在电阻两端时,就会有电流经过电阻,电阻则会消耗电能,其消耗的功率为


在电阻上消耗的电能为:

电阻一般会将消耗的电能转换成热能,如果消耗电能较大,电阻会发出较大热量,从而改变电阻自身与环境的温度。由于材料的限制,电子元件只能在一定范围的温度下正常工作,否则会烧坏元件。因此在实际的设计工作中,需要从功率的角度合理选择电阻。

在实际的生产过程中,厂家通常只会生产固定阻值的电阻,因此对于非标准值的电阻则可以通过电阻的串、并联电路来得到。

如图 2a) 为 n 个电阻 R1,R2,...,Rn 的串联:


图 2 多电阻串联

串联电路等效电阻 R′ 的计算公式为:

在串联电路中流过所有电阻的电流均相等,当 R1=R2=...=Rn=R 时,每个电阻两端的电压 Un=U/n,且等效电阻 R′=nR,可求得每个电阻消耗的功率:


并且每个电阻消耗的功率为等效电阻 R′ 的 1/n。

如图 3a) 为 n 个电阻 R1,R2,...,Rn 的并联组合:


图 3 多电阻并联

并联电路等效电阻 R 的计算公式为:


在并联电阻中所有电阻两端电压相等,当 R1=R2=...=Rn 时,等效电阻 R=R1/n。类似地,也可求得每个电阻消耗的功率为等效电阻 R 的 1/n。

因此,通过串并联组合电路不仅能够得到任意电阻值,而且可以提高等效电阻的实际功率。假设某一电阻值为 R 的电阻最大只能承受 1/4W 的功率,那么可以通过 4 个电阻值为 4R 的电阻并联或者 4 个电阻值为 R/4 的电阻串联得到等效电阻 R,那么此等效电阻最大可承受 1W 的功率。

实际电阻

在实际应用中,不仅电阻值存在不同,电阻的封装形式、阻值特性、制造材料也存在差异。

可以按照伏安特性曲线的线性与非线性,将电阻划分为线性电阻与非线性电阻。
可以从封装形式上将电阻分为接线柱式、直插式和贴片式 3 种,接线柱式电阻实物如图 4a) 所示,通常用于大功率电阻中。直插式与贴片式电阻通常用于小功率电阻中,直插式电阻实物如图 4b) 所示,贴片式电阻实物如图 4c) 所示。


图 4 电阻实物图

对于小功率直插电阻可以根据表面色环来获取电阻值。不同颜色代表不同的数字含义,通过色环的组合表达电阻阻值和精度的信息。最为常见的是五环电阻,其中,第 1~3 环代表阻值的3位有效数;第 4 环代表阻值有效数应乘的倍数;第 5 环代表电阻的误差精度范围。

具体对应颜色代表含义如下表所示:


表: 电阻色环含义对照表

例如,下图所示为五环电阻:

图 5 五环电阻

第 1 环为黄色代表 4,第 2 环为紫色为 7,第 3 环为黑色代表 0,第 4 环为黄色代表 3,也就是需要乘以 103,第 5 环为棕色代表误差为 ±1%。根据这些色环信息可以计算出电阻值 R=470×1000Ω=470kΩ,因此这个电阻阻值范围是 465.3~474.7kΩ。

对于贴片式电阻可以根据电阻表面数字直接判断。通常用 3 位数字来标明其阻值:第 1 位和第 2 位为有效数字,第 3 位表示需要乘以的倍数信息。例如电阻“472”表明电阻值 R=47×102Ω=4700Ω=4.7kΩ。如电阻值需要包含小数信息,则通过字母“R”代表小数点,例如,电阻“2R2”代表电阻值为 2.2Ω,电阻“R15”代表电阻值为 0.15Ω 等。

按照按阻值特性可将电阻分为固定电阻与可调电阻。阻值不可调节的称为固定电阻。可调电阻也称电位器,可以通过开发者手动调节其阻值,其图形符号与常用实物图如下图所示:


图 6 电位器图形符号与实物图

按照制造材料可将电阻分为金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻、无感电阻、特种电阻等,具体特性如下表所示。


表: 不同材料电阻特性表

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