电阻器的结构形式及功率定义与电源内外阻要求

1.电阻和电阻器

物质对电流的阻碍作用称为电阻，用R表示，单位是Ω（欧姆，简称欧），实际使用的还有kΩ（千欧）、MΩ（兆欧）。

1kΩ=10³ Ω 1MΩ=10⁶ Ω

对电流没有阻碍作用的物体叫做超导体。

电阻器是消耗电能的元件。电流流过电阻器要消耗电能，将电能转换为热能，电阻器对电能的消耗是不可逆转的。

利用导电物质的电阻特性制作的电子元件叫电阻器（简称为电阻），电阻器是构成电路的基本元件之一。

电阻器按结构形式分，有固定电阻器、可变电阻器两大类。

固定电阻器的种类比较多，按材料不同，主要有碳质电阻器、碳膜电阻器、线绕电阻器等。固定电阻器的电阻值是固定不变的，在电路图中的图形符号如图2-5a所示。

可变电阻器（可调电阻器、电位器），阻值可以在某一个范围内变化，在电路图中的图形符号如图2-5b所示。

电阻器按用途的不同，可分为精密电阻器、高频电阻器、高压电阻器、大功率电阻器、热敏电阻器、熔断电阻器等。

2.电阻上的电压与电流的关系（欧姆定律）以及功率和电能消耗

图2-6为一只电阻（R）两端的电压（U）和流过电阻的电流（I）的图示方式。

图2-5 固定电阻器和可变电阻器的图形符号与外形

a）固定电阻器的图形符号及实物外形 b）可变电阻器的图形符号及实物外形

在顾及电压高低和电流流向时，电流方向要与电压降低方向一致，图中使用了字母、正负号和箭头3种表示电压方向的方式。

（1）欧姆定律：在电阻组成的电路中，流过电阻的电流大小与加在电阻两端的电压成正比，与电阻值成反比。电阻电路中电压与电流的这个关系叫做欧姆定律（也称为部分电路欧姆定律）。

图2-6 电阻上电压、电流的关系

欧姆定律的表达式为

在表达式中，电压U的单位为V，电阻R的单位为Ω时，电流I的单位为A。

欧姆定律的表达式可变换为

由欧姆定律可以定义，当一个导体两端加1V电压并在导体内形成1A电流时，确定导体的电阻为1Ω。

（2）电阻的功率和电能消耗：将欧姆定律的关系式代入功率和电能的计算公式。

功率为

其中

P=I²R和

只适用于纯电阻电路的计算关系式，而

P=UI

适用于各种元器件组成的电路计算。

电能为

式中，W=I²Rt是计算电阻将电能转换为热能的基本关系式，称为焦耳定律。

3.全电路的欧姆定律

电源的作用是把非电能转换为电能，表述电源这种转换能力的电参量叫电动势，用E表示（单位与电压相同）。电源内部也有电阻，称为内阻，一般用r表示。若把电源的内阻划入计算范围，分析对象就是全电路（包括电源在内的整体电路）中电压、电阻、电流之间的制约关系。表述这个制约关系的叫做全电路欧姆定律。

在全电路中，电路的总能量来源于电源的电动势，电路结构如图2-7所示。

图2-7 全电路欧姆定律

全电路的欧姆定律表达式为

电源电动势与输出电流的乘积为电源输出的功率，其中有一部分要消耗在内阻上，剩余的才消耗在电源之外的负载上。不同类型的电源对内、外电阻的要求也不同。

以输出能量为主要功能的电源（多为电压源）要求内阻上消耗能量越少越好（即R≫r），否则会烧坏电源。

对于输出能量微弱的信号源，则需要让负载上获得电源给予的最大功率（称为最大功率传输定理）。通过计算可以得出，当负载电阻与内阻相等（即R=r，称为电阻匹配）时就能达到这样的效果，这是信号传输要求阻抗匹配（即负载阻抗要与信号源内阻相等）的原因之一。

电池老化，输出电能的能力就下降，其外特性的表现是内阻增大，使输出电压降低。

4.电阻器产品的标识

在普通电路中使用电阻器只关注它的阻值和功率两个参数，阻值是电路对电阻器的要求，功率涉及电阻器在电路中使用的安全。

（1）电阻值的标识：电阻器产品分为标称与精密两类，精密电阻用于仪器仪表，普通电子线路对电阻值都允许存在一定范围的偏差，个别对电阻值要求精度高的部位可使用微调电阻解决。标称产品按偏差分类有几个系列，见表2-1。

表2-1 标称值系列

用上述标称值与倍率配合就可以标识一个具体电阻的阻值。常用电容器和电感器也按表2-1的标称值确定产品参数。

电阻产品的阻值标识有色标（色环标识）和字标（文字标识）两种方式。电位器、微调电阻以及大功率电阻的外形及大小种类很多，都用文字标识。2W以下的固定电阻器均为圆柱形、轴向引线，多用色环标识，读识方便。颜色与数字的对应如下：棕（1）、红（2）、橙（3）、黄（4）、绿（5）、蓝（6）、紫（7）、灰（8）、白（9）、黑（0）、金（-1或±5%偏差）、银（-2或±10%偏差）。

电阻值的色环标识有三环制和四环制两种，再加一个色环表示偏差，就是四环和五环，如图2-8所示。

图2-8 电阻值的色环标识

在两种标识方式中，色环都是从左向右排列，表示偏差的色环都排在最右端，称为偏差环。偏差环与标识阻值的环组之间有明显的间距，还可作为识别色环排列顺序的判别依据。(www.xing528.com)

表示偏差的颜色：金色表示偏差为±5%，银色表示偏差为±10%，没有偏差环表示偏差为±20%，其他颜色用于表示精密电阻的偏差，棕色表示偏差为±1%、红色表示偏差为±2%。

用色环表示电阻值采用的是科学计数方式，用2～3位有效数字乘以10的幂指数表示数值，单位是Ω。三环制的前两环表示两位数字，第3环表示10的幂指数。四环制的前三环表示三位数字，第4环表示10的幂指数。

如三环制的颜色依次为橙、白、红、银，电阻值为39×10² Ω（即3.9kΩ）、偏差为±10%。

四环制的颜色依次为黄、紫、黑、橙、金，电阻值为470×10³ Ω（即470kΩ）、偏差为±5%。

功率大于3W、阻值小于10Ω的大功率电阻器都用文字标注，如5R6（5.6Ω）、3Ω9（3.9Ω）。

体积微小的贴片电阻则用三位数字代替三个色环，与色环不同的是表示10的幂指数的第3位数为9则表示-1、为8则表示-2。如569（5.6Ω）、398（0.39Ω）。

（2）电阻的功率标识：由于电阻器是将电能转换为热能的元件，为防止电阻器在电路工作时烧毁，所以电路中使用的电阻器绝不能忽略其功率。电阻器的功率由电阻器的散热效果决定，电阻器的功率大小与电阻器的体积大小直接对应，体积大的功率大，体积小的功率小。电阻器的功率都用文字标识，功率在1/4W（含1/4W）以下的通常不做功率标识。电路图中电阻功率的标识方法如图2-9所示。

图2-9 电路图中电阻功率的标识

碳膜电阻器的功率最小，金属膜电阻器的功率稍大，一般同体积的电阻器，金属膜电阻器的功率是碳膜电阻器的两倍。大于2W的电阻一般用电阻线绕制而成。

普通电阻器上标识的额定功率取其实际功率的1/2，熔断电阻相当于电路中的熔丝，其标识功率取其临界值，以确保电路的安全。

5.电阻器的连接与计算

电路中的元件有串联、并联两种基本的连接方式。

图2-10 电阻器的串联

（1）电阻器的串联：电阻器的串联如图2-10所示。

1）串联电路的基本特性：在串联电路中电流处处相等。

2）串联电阻电路特性如下：

① 总电阻等于各分电阻之和

R=R₁+R₂+R₃

② 电压与电阻成正比，电阻起分压作用

同样，功率也与电阻值成正比

图2-11 电阻器并联

③ 在电路端电压固定的条件下，增加电阻器的数量可降低电路的电流，所以，电阻器串联可以限制电流。

（2）电阻器的并联：电阻器的并联如图2-11所示。

1）并联电路的基本特性：各支路的端电压都相等。

2）并联电阻电路特性如下：

① 总电阻的倒数等于各分电阻的倒数之和

② 各支路的电流与电阻值成反比

R₁I₁=R₂I₂=R₃I₃=U

功率也与电阻值成反比

R₁P₁=R₂P₂=R₃P₃=U²

③ 总电流等于各支路的分电流之和

I=I₁+I₂+I₃

电阻器并联可以起到分流的作用。

6.电阻在电路中的作用

电阻对直流和交流的作用是相同的，电阻不影响交流电的相位。因此，可借助电阻将交流电的电流转换为电压输入示波器显示。这一特性可用双踪示波器检测验证。同频率信号的相位比较（计算相位差）是必须用双通道输入才能实现的检测，检测接线及测试波形如图2-12所示。

图2-12 电阻对交流电相位影响的检测接线及测试波形

a）检测接线 b）测试波形

图中用两个电阻器串联，是借助下面的R₂将流过R₁的交流电流转换为电压。

需要读者注意的是，由于示波器两个通道探头的接地夹是相连接的，在被测试电路中必须接在同一点（或同一条线）上，为比较两个串联电阻器上的交流电压相位，就要以中间连接点为参考点，这样CH2测到的波形是倒相的，需要翻转过来（见图2-12b中的虚线波形）再与CH1测到的波形比较。

CH1测试的是交流电在R₁上的电压波形，CH2测试的是流过R₁的交流电电流的倒相波形，如图2-12b所示。

示波器显示屏幕上的时间顺序是从左至右，即左为前，右为后。一个信号周期对应一个圆周角度（360°或2π）。在示波器屏幕的水平方向，两个同频波形上相邻最近的同值同相点之间相距格数即为两波形的相位差，在左侧的为超前，在右侧的为滞后。测试两个同频信号的相位差时，先测算出两个信号波形错开的格数，再计算相位差，如图2-13所示。

图2-13 同频信号的相位差

相位差为

φ=错开格数×360°（或2π）/周期格数

两个信号的相位差为±180°（按弧度制为±π）时称为反相，利用电路效应将两个同频信号的相位差变为反相的处理叫倒相，实用中两个名称没有严格区分。

电阻在电路中通过不同连接方式可以发挥不同的作用，如串联分压、控制电流，并联分流等。在电路中，与其他元器件串联的电阻器，依据实际使用目的，有分压、取样以及限流、隔离、熔断（专用于保护的电阻）等不同作用。与电容器组合可构成退耦等具有选频特性的电路，与电感器并联可降低电感的Q值，扩宽LC谐振电路的通频带。

7.电阻器检测与使用

检测电阻值的仪表叫欧姆表，若进行精确检测要用电桥。用于具体电路中的电阻器，不但要注意阻值参数，还要注意功率参数，功率参数可大不可小。

对电位器（可变电阻器）的检测如图2-14所示。