[电路]电阻的类型与指标

电阻的类型,电路模型,性能指标,高频应用

电阻的类型

  • 对于电阻而言,不同材料的电阻所对应的成本以及使用性能差异很大。
  • 下面主要对这五种类型的电阻进行分析:碳膜、金属膜、金属氧化膜、线绕电阻、SMT表贴电阻。

碳膜电阻

制作工艺

  • 碳膜电阻的制作工艺,是采用高温真空镀膜技术将碳紧密附在瓷棒表面形成碳膜,然后加适当接头切割,并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成的。
  • 碳膜的厚度决定阻值的大小,通常用控制 碳膜的厚度和刻槽来控制电阻器。

特点及应用

  • 特点:价格便宜,精度较低(±5%左右),稳定性好,阻值和功率范围也比较宽,属于负温度系数电阻(温度升高,电阻减小)。
  • 应用:适用于对电阻阻值精度要求低,对产品价格极为敏感的使用场景(如在大批量量产时);不适用于高精度使用环境(如运算放大器放大、DCDC电源分压等等)

金属膜电阻

制作工艺

  • 金属膜电阻的制作工艺,是采用特种金属或合金作电阻材料,用真空蒸发或溅射的方法,在陶瓷或玻璃基本上形成氧化的电阻膜层的电阻器。这类电阻器一般采用真空蒸发工艺制得,即在真空中加热合金,合金蒸发,使瓷棒表面形成一层导电金属膜。
  • 金属膜电阻可以调整它的__材料成分、膜层厚度、刻槽__来调整阻值。

特点及应用

  • 特点:体积小,噪声低,稳定性好,经常作为精密和高稳定性的电阻器使用。
  • 应用:用在绝大多数的家电、无线通讯设备、仪器仪表中,亦用于高精度要求下的军事航天等领域,应用非常普遍。

金属氧化膜电阻

制作工艺

  • 金属氧化膜的制作工艺,是采用金属氧化膜是用金属盐溶液喷雾到炙热的陶瓷骨架上分解、沉积形成的,其外形与金属膜电阻相似。
  • 金属氧化膜电阻也可以调整它的材料成分、膜层厚度、刻槽来调整阻值。

特点及应用

  • 特点:金属氧化膜电阻比金属膜具有较好的抗氧化性,化学稳定性强,且耐高温,工作温度范围为+140~235℃在短时间内可超负荷使用,有极好的脉冲过载特性极力学性能。但其阻值范围小,温度系数较大;小功率电阻器的阻值不超过100千欧,因此应用范围受到限制,但可用作补充金属膜电阻器的低阻部分。
  • 应用:广泛应用在电力自动化的控制设备中,可以很好的保证仪器长期在高温环境中工作的安全性。

线绕电阻

制作工艺

  • 绕线电阻的制作工艺,是采用电阻丝绕在绝缘骨架上构成的。电阻丝一般采用具有一定电阻率的镍铬、锰铜等合金制成。绝缘骨架是由陶瓷、塑料、涂覆绝缘层的金属等材料制成管形、扁形等各种形状。
  • 电阻丝在骨架上根据需要可以绕制一层,也可绕制多层,或采用无感绕法等

特点及应用

  • 特点:线绕电阻表面一般涂覆为耐高温涂料,功率大,温度系数小;短时间超负载能力强,阻值常年无变化;可以选用无感型绕制(选用无磁性的材料和特殊绕制方法减少线绕电阻电感量,接近理想电路)
  • 应用:通常用于精密仪表、电讯仪器、电子设备等交直流电路中作分压、降压、分流及负载电阻使用。无感线绕电阻可以用于中高频电路。

SMD表贴电阻

制作工艺

  • SMD表贴电阻具体又分为薄膜电阻与厚膜电阻,薄膜的厚度约为0.1微米或更小,而厚膜的厚度约为数千倍,具体差别主要在于将电阻膜施加到基板上的方法。
  • 薄膜电阻器,是在具有真空沉积在绝缘基板上的金属膜。通过将特殊浆料烧制到基板上来制造厚膜电阻器。糊剂是玻璃和金属氧化物的混合物。
  • 厚膜电阻,是将金属粉和玻璃釉粉混合,采用丝网印刷法印在基板上制成的电阻器。将电阻层在850℃下印刷到基板上。基材通常是95%的氧化铝陶瓷。

特点及应用

  • 特点:表贴电阻均具有耐潮湿和高温,温度系数小,抗干扰性能强,高频特性好的特点。可大大节约电路空间成本,使设计更精细化。相比之下,薄膜电阻更准确,具有更好的温度系数并且更稳定;厚膜电阻成本较低,且能够处理更多功率,提供更宽范围的电阻值并承受高浪涌条件。
  • 应用:广泛应用于各类集成电路中。

技术指标

阻值和精度

阻值的计算

  • 阻值的确定是存在一个标准的阻值表,这个组织表是美国电子工业协会定义了一个标准电阻值系统。
  • 其中,__不同E的值对应的精度不同 __。E6:20% 精度;E12:10% 精度;E24:5% 精度;E48:2% 精度;E96:1% 精度;E192:0.5%精度。具体的对应公式如下:

an=(10E)n1{a_n}={{(\sqrt[E]{10})}^{n-1}}

  • 以20%精度电阻即E6为例,具体的计算方式如下:
  1. 根据公式,计算E6的公比为:

106=1.46871.5\sqrt[6]{10}=1.4687 \approx 1.5

  1. 根据公比可以计算出基本数为1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8......
  2. 根据得到的基本数,将(×10)n(基本系数 \times 10)^n(n为整数),即可得到具体的电阻阻值。

阻值的读数

  • 电阻阻值的读数,可分为色环法和贴片读数法
  1. 色环法
  2. 贴片读数法
    贴片电阻的数字通常为3位为主,前两位为电阻的有效数字,第三位为10的多少次方。

额定功率

  • 所谓电阻的额定功率,指的就是长期工作不损坏,并且能够保证性能稳定工作的最大功率。
  • 常用的贴片电阻不同封装对应的额定功率如下表所示:
封装 额定功率 耐压值
0402 1/32 25
0603 1/16 50
0805 1/10 150
1206 1/8 200
1210 1/4 200
2010 1/2 200
2512 1 200
  • 且在实际的使用过程中,我们通常推荐进行降额使用。根据经验主义,推荐降额为60%使用
  • 电阻的功率温度曲线如下图所示,当温度超过70度时,电阻的实际额定功率会急剧下降,因此,实际使用中应注意的降额标准为:
  1. 当环境温度70度以下时,降额为60%使用;
  2. 当环境温度超过70度时,按照图中的实际工作温度下额定功率等比例降额使用。

额定电压

  • 同额定功率一样,电阻的额定电压指的是电阻在两端所加电压下能够长时间工作不损坏电阻的电压值
降额参数 降额要求
稳态功率 (T≤Ts) ≤0.6*Pr
稳态功率 (T>Ts) ≤[0.6-(T-Ts)/(Tmax-Ts)]
瞬态功率[1] 脉冲功率≤Pm,平均功率≤0.7*Pr
稳态电压 ≤0.7*Ur
瞬态电压 ≤0.7*Um
环境温度 ≤Ts+0.6*(Tmax-Ts)

[1]:电阻上存在不超过1s的脉冲负荷时要同时满足瞬态降额要求。脉冲大于1s时仍然按照稳态降额评估。[2]:电阻降额需要同时满足功率、电压和温度的降额要求。

  • 其中Pr为额定功率;T为实际工作温度;Ts为额定环境温度,也就是功率温度曲线图中的70度;Tmax对应最大工作温度,对应功率温度曲线图中的150度的点;Pm为峰值脉冲功率;Ur是额定工作电压;Um是峰值脉冲电压;

温度系数

  • 电阻温度系数(temperature coefficient of resistance 简称TCR)表示电阻当温度改变1摄氏度时,电阻值的相对变化,单位为ppm/℃。
  • 具体分为:负温度系数、正温度系数及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度系数。
  1. 正温度系数:PTC(Positive Temperature Coefficient),热敏电阻就是这个原理,用来做自恢复保险丝限流保护电路,温度升高,阻值增大。金属为主要材料。
  2. 负温度系数:NTC(Negative Temperature Coefficient),用于测温、控温以及温度补偿等方面。金属氧化物为主要材料,寿命是其重要性能指标。

非线性度

  • 电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系,称为非线性电阻。金属电阻相对线性度较好,非金属相对线性度较差,这是由于材料特性导致的。
  • a为线性电阻,b、c均为非线性电阻。但是实际使用中即使是线性电阻也没有如此理想化的线性关系,因为随着电流增加,电阻温度会升高,进而影响阻值大小。

可靠性与失效特性

  • 电阻器是具有使用寿命的,而且在长时间使用过程中阻值也会发生变化,具体原因是无定型结构具有结晶化趋势,通常认为温度每增高10°,寿命缩短一半。额定电压和功率下,电阻具有较长的使用寿命,估计值为10万+小时。
  • 在导致失效的物理、化学、热力学等过程中,电阻的失效模式和失效机理:
  1. 开路:主要失效机理为电阻膜烧毁或者大面积脱落,整体断裂。
  2. 阻值精度偏移:受外界影响导致电阻膜故障,电阻阻值偏移超出规格。
  3. 引线断裂:由于焊接等工艺缺陷导致焊点污染,机械应力损伤。
  4. 短路

参考:
一篇文章带你吃透“电阻”,优秀硬件工程师必备基础