硬件基础知识补全计划【一】电阻

一、电阻理论

1.1 电流定义

电流:电流的强弱用电流强度来描述,电流强度是单位时间内通过导体某一横截面的电荷量,简称电流,用I表示。1 秒内有 6.2415093×10^18 个元电荷通过横截面的电流,定义为 1 安 (A)。

电压:电压就是电势能,电压,电势能是指电子在电路中的动能。单位通常为伏特 (V)。电压是电力系统中的一种重要概念,它决定着电流流动的强度电压越高,电子移动的越快,电流就会越大,而电压越低,电流就会越小。

电阻:电荷在导体内运动时,形成电流。导体中的分子,原子等其他粒子阻碍电荷移动,进而阻碍电流,这种阻碍作用,我们称之为电阻。

1.2 欧姆定律与电阻定义式

电阻单位为欧姆 Ω,电阻越大,阻碍作用越大,通过导体的电流自然就越小。

I=U/R U=IR R=U/I

但是真正决定电阻阻值大小的,是和电阻的体积有关系,电阻的决定式

R=\rho \frac{L}{S}

ρ为比例系数,即电阻率,单位制为欧姆/米(Ω · m);

L——绕制成电阻的导线长度,单位制为米(m);

S——绕制成电阻的导线横截面积,单位制为平方米(m²); ​

1.3 单位换算与位数标注

1kΩ = 1000Ω = 10^3Ω

1MΩ = 10^3kΩ = 10^6Ω

贴片电阻三位数代表5%精度,如103 = 10*10^3 = 10KΩ

四位数则达标1%精度

1002 = 100*10^2 = 10KΩ

小数则是R代表小数点,R12 = 0.12Ω;R047 =0.047Ω

串联和并联和拼接出指定的电阻值

二、电阻参数

2.1标称阻值

电阻值,没什么好说的

2.2封装

我们常说的01005、0201、0402、0603、0805等封装,是英制代码(inch),也叫EIA(美国电子工业协会)代码,还有一个是公制代码(mm)。

英制0603封装表示:长度为0.06inch,宽度为0.03inch(1inch=1000mil)公制1608封装表示:长度1.6mm,宽度0.8mm

2.3额定电压

额定电压:在额定环境温度下,可以对电阻持续施加的直流电压,这个叫做电阻的额定电压。

过载电压:电阻瞬间能通过的最大电压,这个时间很短,一般可能是毫秒级别,有的电阻规格书会写。

比如在一个电路中,电阻两端压差在30V,那么我们至少要选一个 0402 的电阻。

封装(英制)工作电压(V)过载电压(V)介质承受电压(V)
0075102525
0100153030
0201255050
040250100100
060375150150
0805150400500
1206200500500
1210200500500
1218200500500
2010200500500
2512200500500

3.4额定电流

额定电流:在额定环境温度下,可以对电阻持续施加的直流电流,这个叫做电阻的额定电流。

封装(英制)工作电压(A)最大电流(A)
00750.51
01000.51
02010.51
040212
060312
080525
1206210
1210210
1218610
2010210
2512210

3.5精度

一般有0.1%、1%,5%,10%,15%、25%等,一般精度越高价格也越高。有些场合需要使用高精度的电阻。

其中精度所代表的字母如下:

L=±0.01%P=±0.02%W=±0.05%B=±0.1%
C=±0.25%D=±0.5%F=±1%G=±2%
J=±5%K=±10%M=±20%N=±30%

3.6额定功率

如有两个10Ω的电阻,一个为100W,另外一个是10W,由功率的公式:P=I^2×R,第一个电阻可以流过的最大电流为3.16A,第二个电阻可以流过的最大电流为1A。

下面是常见贴片电阻封装和功率等效关系,大功率还是要用直插式的:

封装(英制)功率
04021/16W
06031/10W
08051/8W
12061/4W
12101/3W
18121/2W
20103/4W
25121W

3.7温度系数

 温度系数的单位为PPM(百万分率),一般的电阻阻值会随温度的上升而上升,比如现在有两个阻值都为100kΩ的电阻,电阻1的温度系数为20PPM,电阻2的温度系数为200PPM,当温度每升高1℃,电阻1的阻值要增大2Ω,电阻2的阻值要增大20Ω。

5ppm/℃的意思就是:温度每变化1℃,电压偏离其标称电压值的百万分之五。

在芯片手册中基本都会讲到温度系数,如下图所示为某款电阻的温漂范围:

三、高频特性

我们大部分情况下,电阻都是用在低频,低频考虑的东西很少,电阻就是一个电阻。

在低频电路中,可以理解电阻是一个理想态,只有电阻。

但在高频电路中,需要考虑电阻的实际等效模型,它是会有Cp和Lp这两个寄生参数,寄生并联电容和寄生串联电感。

根据这个实际的等效模型,实际电阻的等效阻抗并不是R,而是: 

这里面有两个频率点,决定了这个电阻到底呈现什么属性。 

f1为RC滤波器截止频率点。f2为容抗和感抗相等频率点。

三、应用案例

3.1 限流电阻

在图中,R50 起到限流作用,其中经过 D6 电流为 (3.3V - 2V)/470Ω = 0.0027A = 2.7mA。其中减去的 2V 为发光二极管压降。

R51 则是限制三极管 Q2 电流,使其工作在饱和状态。

3.2 恒流电阻

供电端电压是120mV,我们除电阻即可得到一个恒流。

3.3 取样电阻

根据欧姆定律,4mA*150 Ω 等于0.6V,供 ADC 采样。

3.4 分压电阻

分压虽然比较简单,但是还是讲解一下,公式如图:

3.5 阻抗匹配电阻

3.6 上拉电阻

R4,R5,上拉电阻,使引脚默认为高电平。

3.7 作为传感器的电阻

比如热敏电阻,热电阻,光敏电阻,湿敏电阻,压敏电阻等。

这里简单举例热敏电阻,用途是工业测温,一般有 PT20、PT100、PT1000,CU50 等。

热敏电阻分为 NTC  PTC,前者随着温度的上升电阻变小,后者随着温度的上升电阻变大。

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