電阻的基本原理

電阻，和電感、電容一起，是電子學(xué)三大基本無(wú)源器件；從能量的角度，電阻是一個(gè)耗能元件，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。

數(shù)年前，出現(xiàn)了第四種基本無(wú)源器件，叫憶阻器(Memristor)，代表磁通量和電荷量之間的關(guān)系。XX文庫(kù)里也有很多資料，有興趣可以了解一下。

?圖片出自維基百科Memristor

通常，都是根據(jù)歐姆定律來(lái)定義電阻，給電阻加一個(gè)恒定電壓，會(huì)產(chǎn)生多大電流；也可以，通過(guò)焦耳定律來(lái)定義，當(dāng)電阻流過(guò)一個(gè)電流，單位時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多少熱量。

實(shí)際電阻的等效模型

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同樣的，實(shí)際電阻都是非理想的，存在一定引線電感和極間電容，當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合頻率較高，這些因數(shù)不能忽略。

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某薄膜電阻的頻率特性

上圖電阻的高頻特性非常好，可以看到極間電容只有0.03pF，引線電感只有0.002nH，其中75Ω的電阻可以到30GHz。我們通常使用的貼片電阻大都是厚膜電阻，性能遠(yuǎn)達(dá)不到如此，其引線電感有幾個(gè)nH，極間電容也有幾個(gè)pF，大多只能用到幾百M(fèi)Hz或幾個(gè)GHz。

標(biāo)準(zhǔn)阻值表

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上圖出自Vishay文檔

通常電阻阻值都是標(biāo)準(zhǔn)，上圖給出了不同精度(容差)的電阻的標(biāo)準(zhǔn)阻值，通常乘以10的倍數(shù)或除以10的倍數(shù)，就可以得到所有阻值。

如何記住上述阻值表呢？其實(shí)也很簡(jiǎn)單，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(kāi)多少次方，基數(shù)是10Ω。例如E12系列的公比是10開(kāi)12次方，E96系列的公比都是10開(kāi)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。另外，根據(jù)IEC的規(guī)定，2%精度對(duì)應(yīng)是E48系列有48個(gè)阻值，有興趣的可以算一下是哪些值。上表中，Vishay可能不生產(chǎn)該系列了。

阻值標(biāo)記(Marking)
通常我們使用*多的就是5%和1%的片狀電阻，一般0603以上的電阻封裝上都有標(biāo)記表示電阻值。

E24系列(5%)
對(duì)于大于10Ω，通常有3位數(shù)字表示阻值，前兩個(gè)表示阻值基數(shù)，*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2R2，表示2.2Ω。

E96系列(1%)
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。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。

另外，對(duì)于軸向引線封裝的電阻，阻值標(biāo)記都是一圈一圈的色環(huán)，具體含義如下圖所示：

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阻值色環(huán)碼

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，*后就是電阻的溫度系數(shù)。

二
電阻的工藝與結(jié)構(gòu)

電阻的工藝種類繁多，可以根據(jù)阻值是否可以變化，分成兩大類介紹：
固定電阻
可變電阻

2.1 固定電阻
固定電阻，顧名思義就是電阻值是定值，不可變。大多數(shù)時(shí)候，我們使用的電阻都是固定值的。可以根據(jù)封裝的不同大致再分類

2.1.1 軸向引線電阻(Axial Leaded Resistor)
軸線引線電阻通常都是圓柱形，兩個(gè)外電極是圓柱體兩端的軸向?qū)Ь€，根據(jù)材料和工藝的不同還可以再分為多種。

繞線電阻(Wire Wound Resistor)

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繞線電阻是將鎳鉻合金導(dǎo)線繞在氧化鋁陶瓷基底上，一圈一圈控制電阻大小。繞線電阻可以制作為精密電阻，容差可以到0.005%，同時(shí)溫度系數(shù)非常低，缺點(diǎn)是繞線電阻的寄生電感比較大，不能用于高頻。繞線電阻的體積可以做的很大，然后加外部散熱器，可以用作大功率電阻。

碳合成電阻(Carbon Composition Resistor)

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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，*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*便宜。但是碳合成電阻的性能不太好，容差比較大(也就是做不了精密電阻)，溫度特性不好，通常噪聲比較大。碳合成電阻耐壓性能較好，由于內(nèi)部是可以看作是碳棒，基本不會(huì)被擊穿導(dǎo)致被燒毀。

碳膜電阻(Carbon Film Resistor)

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碳膜電阻主要是在陶瓷棒上形成一層碳混合物膜，例如直接涂一層，碳膜的厚度和其中碳濃度可以控制電阻的大?。粸榱烁泳?nbsp;  確的控制電阻，可以在碳膜上加工出螺旋溝槽，螺旋越多電阻越大；*后加金屬引線，樹(shù)脂封裝成型。碳膜電阻的工藝更加復(fù)雜一點(diǎn)，可以做精密電阻，但由于碳質(zhì)的原因，還是溫度特性不太好。

金屬膜電阻(Metal Film Resistor)


與碳膜電阻結(jié)構(gòu)類似，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。金屬膜電阻可以說(shuō)是性能比較好的電阻，精度高，可以做E192系列，然后溫度特性好，噪聲低，更加穩(wěn)定。
Metal film resistor ?

金屬氧化物膜電阻(Metal Oxide Film Resistor)

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上圖出自Metal oxide film resistor

與金屬膜電阻結(jié)構(gòu)類似，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*大的優(yōu)勢(shì)就是耐高溫。

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上圖出自Metal oxide film resistor ?

2.1.2 片狀電阻

金屬箔電阻(Metal Foil Resistor)

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金屬箔電阻是通過(guò)真空熔煉形成鎳鉻合金，然后通過(guò)滾碾的方式制作成金屬箔，再將金屬箔黏合在氧化鋁陶瓷基底上，再通過(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*好的電阻。

厚膜電阻(Thick Film Resistor)

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厚膜電阻采用的絲網(wǎng)印刷法，就是再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。厚膜電阻的電阻膜通常比較厚，大約100微米。具體工藝流程如下圖所示。

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厚膜電阻是目前應(yīng)用*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。

薄膜電阻(Thin Film Resistor)

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薄膜電阻就是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。Thin Film工藝在此前電容和電感的文章中已經(jīng)提到過(guò)多次了，光刻工藝十分精    確，可以形成復(fù)雜的形狀，因此，薄膜電容的性能可以控制的很好。

?上圖出自panasonic chip resistors

2.2 可變電阻
可變電阻就是電阻值可以變化，可以有兩種：一是可以手動(dòng)調(diào)整阻值的電阻；另一種就是電阻值可以根據(jù)其他物理?xiàng)l件而變化。

2.2.1 可調(diào)電阻
上中學(xué)的時(shí)候，應(yīng)該都使用過(guò)滑動(dòng)變阻器做實(shí)驗(yàn)，動(dòng)一動(dòng)滑動(dòng)變阻器，小燈泡可以變亮或變暗?；瑒?dòng)變阻器就是可調(diào)電阻，原理都是一樣的。

可調(diào)電阻，通常分成了三種：

Potentiometer
電位器或分壓計(jì)，這是一種三端口器件。電位器被中間抽頭分成兩個(gè)電阻，通過(guò)中間抽頭可以改變兩個(gè)電阻的阻值，就可以改變分得的電壓。
Rheostat
變阻器，其實(shí)就是電位器，唯壹的區(qū)別就是變阻器只需要用到兩個(gè)端口，純粹一個(gè)可以精   確調(diào)整阻值的電阻。
Trimmer
微調(diào)器，其實(shí)也是電位器，只不過(guò)不需要經(jīng)常調(diào)整，例如設(shè)備出廠的時(shí)候調(diào)整一下即可，通常需要用螺絲刀等特殊工具才能調(diào)整。

2.2.2 敏感電阻
敏感電阻是一類敏感元件，這類電阻大都對(duì)某種物理?xiàng)l件特別敏感，該物理?xiàng)l件一變化，電阻值就會(huì)隨著變化，通?？梢杂米鱾鞲衅?， 例如光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等等。在電路設(shè)計(jì)應(yīng)用比較多的應(yīng)該是熱敏電阻和壓敏電阻，常用作保護(hù)器件。
熱敏電阻

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上圖出自Murata Application Manual - PTC

PTC就是正溫度系數(shù)電阻，通常有兩種：一種是陶瓷材料，叫CPTC，適用于高電壓大電流場(chǎng)合；另一種是高分子聚合物材料，叫PPTC，適用于低電壓小電流場(chǎng)合。

陶瓷PTC，其電阻材料是一種多晶體陶瓷，是碳酸鋇、二氧化鈦等多種材料的混合物燒結(jié)而成。PTC溫度系數(shù)具有很強(qiáng)的非線性，當(dāng)溫度超過(guò)一定閾值時(shí)電阻會(huì)變得很大，相當(dāng)于斷路，從而可以起到短路和過(guò)流保護(hù)的作用。
同時(shí)還有負(fù)溫度系數(shù)電阻，即NTC就不詳細(xì)介紹了。

壓敏電阻

?上圖出自Varistor and the Metal Oxide Varistor Tutorial

壓敏電阻通常都是金屬氧化物可變電阻，即Metal Oxide Varistor(MOV)，其電阻材料是氧化鋅顆粒和陶瓷顆?；旌虾笠黄馃Y(jié)成型。MOV的特性就是當(dāng)電壓超過(guò)一定閾值的時(shí)候，電阻迅速下降，可以通過(guò)大電流，因此可以用于浪涌防護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。
將氧化鋅陶瓷采用和MLCC類似的工藝制作成多層型壓敏電阻，即 MLV。MLV封裝較小，通常是片狀的，額定電壓和通流能力都比MOV小很多，適用于低壓直流場(chǎng)合。