固定电阻器：原理和应用

固定电阻器的电阻值是固定不变的,其阻值用其标称阻值表示。固定电阻器符号如图1.1.1所示。固定电阻器的产品类型繁多(如图1.1.2所示),一般按照其组成材料和结构形式进行分类。目前由于电子产品复杂化和小型化的要求,贴片元件逐渐大行其道,贴片电阻器产品也非常丰富,但在实验中,传统的引线式电阻器仍最为常见。

各种固定电阻器既具有共同的电阻性能,又各有不同的特点。

图1.1.1　固定电阻器符号

图1.1.2　各种常见的固定电阻器

1.几种常见固定电阻器

(1)膜式电阻器

膜式电阻器是最为常见的电阻器,根据膜材料的不同又有碳膜电阻器、金属膜电阻器和金属氧化膜电阻器等,如图1.1.3所示。

图1.1.3　常见的几种膜式电阻

①碳膜电阻器

碳膜电阻器是早期普遍使用的电阻器。利用一定的技术,在瓷棒或瓷管上沉积一层结晶碳膜,改变碳膜厚度或用刻槽的方法改变碳膜的长度,可以得到不同的阻值,最后在外层涂上环氧树脂密封保护而成。

碳膜电阻器精度和稳定性一般,但其高频特性较好,受电压和频率影响较小,噪声电动势较小,脉冲负荷稳定,阻值范围较宽。因生产成本低,价格低廉,故在低端消费类电子产品中目前仍然应用广泛。

大多数碳膜电阻器外观为土黄色,上有四条色环。其允许误差一般分为三个等级:Ⅰ级的误差率为5%,Ⅱ级的误差率为10%,Ⅲ级的误差率为20%。

②金属膜电阻器

金属膜电阻器就是以特种金属或合金作为电阻材料,用真空蒸发或溅射工艺,在陶瓷或玻璃基体上形成电阻膜层的电阻器。可以通过调整合金材料的成分、改变膜的厚度或刻槽控制调整阻值,工艺比较灵活,因而可以制成性能良好、阻值范围较宽的电阻器。

金属膜电阻器的耐热性、噪声电势、温度系数、电压系数等电性能比碳膜电阻器优良。与碳膜电阻器相比,金属膜电阻器体积小,噪声低,稳定性好,但成本稍高。金属膜电阻器作为精密和高稳定性的电阻器而广泛应用,同时也通用于各种无线电电子设备中。

金属膜电阻外观为蓝色,上有五条色环,其允许误差等级一般有±1%、±0.5%甚至更小。

③金属氧化膜电阻器

金属氧化膜电阻器是用金属盐类溶液在炽热的玻璃或陶瓷的表面分解沉积而成。随着制造条件的不同,电阻器的性能也有很大差异。

金属氧化膜电阻器的主要特点是耐高温,工作温度范围-55～+155℃;电阻温度系数为±3×10-4/℃,化学稳定性好。

金属氧化膜电阻器的电阻率较低,小功率电阻器的阻值不超过100 kΩ,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。

金属氧化膜电阻器本体多为灰色,表面粗糙,小型化为绿色或浅粉色,为四色环电阻。允许误差等级±5%、±2%。

(2)绕线电阻器

绕线电阻器又被称为线绕电阻器,是用康铜或者镍铬合金电阻丝绕制在陶瓷骨架上而成。这种电阻器分为固定和可变两种,其特点是工作稳定,耐热性能好,误差范围小。绕线电阻器可以承受很大的瞬间峰值功率,其额定功率一般在1 W以上;能承受高温,在环境温度170℃下仍能正常工作。但它体积大,阻值较低,大多在100 kΩ以下。

线绕电阻器外观及结构如图1.1.4所示。由于结构上的原因,其分布电容和电感系数都比较大,不能应用于高频电路。这类电阻通常在大功率电路中用作降压电阻或负载等。

额定功率小于5 W的绕线电阻多为五色环电阻,电阻本体底色为灰色,小型化为浅粉色。额定功率5 W以上的线绕电阻为绿色,规格参数直接印在电阻体上。

图1.1.4　绕线电阻器外观及结构

2.固定电阻器型号命名方法

国产固定电阻器按照国家标准GB/T2470—1995《电子设备用固定电阻器、固定电容器型号命名方法》中的规定进行命名,表1.1.1给出了国产固定电阻器的命名方式。

表1.1.1　国产固定电阻器的命名

第一部分:主称,用字母R表示固定电阻器。

第二部分:材料,用字母表示电阻体用什么材料组成。

第三部分:类别,通常用数字或字母表示电阻器的类别。

第四部分:序号,用数字表示同类产品中不同品种,以区分产品的外型尺寸和性能指标等。

举例:

RX21——普通线绕电阻器

RJ75——精密金属膜电阻器

RT21——普通碳膜电阻器

RJ90-B0.5——0.5W不燃型金属膜熔断电阻器

3.固定电阻器的技术指标

固定电阻器的技术指标有以下几个。

•标称阻值

电阻器上面所标示的标准化阻值。

•允许误差

标称阻值与实际阻值的差值与标称阻值之比的百分数称为允许误差,亦称为阻值偏差或容许误差,它表示电阻器的精度。允许误差与精度等级对应关系如下:±0.5%-005、±1%-01(或00)、±2%-02(或0)、±5%-Ⅰ级、±10%-Ⅱ级、±20%-Ⅲ级。

•额定功率

在正常的大气压力90～106.6 kPa及环境温度为-55～+70℃的条件下,电阻器长期工作所允许耗散的最大功率。线绕电阻器额定功率有1/20 W、1/8 W、1/4 W、1/2 W、1 W、2 W、4 W、8 W、10 W、16 W、25 W、40 W、50 W、75 W、100 W、150 W、250 W、500 W。非线绕电阻器额定功率系列为1/20 W、1/8 W、1/4 W、1/2 W、1 W、2 W、5 W、10 W、25 W、50 W、100 W。

•额定电压

由阻值和额定功率换算出的电压。

•最高工作电压

允许的最大连续工作电压。

•温度系数

温度每变化1℃所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小,电阻的稳定性越好。阻值随温度升高而增大的为正温度系数,反之为负温度系数。

•老化系数

电阻器在额定功率长期负荷下,阻值相对变化的百分数,它是表示电阻器寿命长短的参数。

•电压系数

在规定的电压范围内,电压每变化1 V,电阻器阻值的相对变化量。

•噪声

产生于电阻器中的一种不规则的电压起伏,包括热噪声和电流噪声两部分。热噪声是由于导体内部不规则的电子自由运动,使导体任意两点的电压不规则变化。

(1)标称阻值(www.xing528.com)

标准化了的电阻值被称为标称阻值。标称阻值组成的系列被称为标称系列。标称系列如表1.1.2所示,根据允许误差的不同,有多个系列。生产厂家生产的任何固定电阻器阻值理论上都应该是表中所列数值乘以10nΩ,其中n为正整数或负整数。但由于生产过程中不可避免的误差,电阻器的实际阻值可能在标称阻值基础上存在一定范围的误差,这个范围即是电阻器的另一个重要指标——允许误差。所以标称阻值可以说是电阻器的“名义”阻值。

表1.1.2　电阻器标称阻值系列

这样的标称值系列中,可以保证在相邻的两个数值之间的间隔都处在允许误差范围之内,从而使任意阻值的电阻器都可以从该系列中找到。

(2)允许误差

电阻器的允许误差是指其实际值相对于标称值的最大允许偏差范围,用百分数表示,代表了产品的精度。允许误差的等级如表1.1.3所示。

表1.1.3　常用电阻器允许误差的等级

(3)额定功率

额定功率是在规定的气压条件、环境温湿度以及周围空气不流动的条件下,电阻器长期连续负荷而不改变其性能时,电阻器上允许消耗的最大功率。

如果电阻器上消耗的功率超过其额定功率,电阻器的特性将发生变化,甚至发热烧毁。所以在选择电阻器的时候,一般选择额定功率比其在电路中实际消耗功率大1.5～3倍,以确保电阻器的安全使用。

固定电阻器的额定功率分为19个等级,最小为1/20W,最大至500W。实际应用得比较多的有1/4W、1/2W、1W、2W等。额定功率一般以数字形式标注在电阻器上,但小于1/8W的固定电阻器往往由于体积小而不予标注。一般电阻器的额定功率越大,体积越大。

在电路图中,常用不同的符号来表示电阻器的额定功率不同,如图1.1.5所示。

图1.1.5　电阻器额定功率的标识符号

4.固定电阻器的标识

(1)直接标识法

体积较大的固定电阻器可使用直接标识法,简称直标法。直标法是将电阻器的标称值、允许误差直接标在电阻体上,标称值用阿拉伯数字和单位符号,允许误差用百分数。未标允许误差的默认误差为±20%,如图1.1.6所示,表示一个碳膜测量用电阻器,标称阻值为985Ω,允许误差±2%。目前直标法已经逐渐被同样简洁易懂的文字符号标识法代替。

(2)文字符号标识法

文字符号法是将电阻器的标称值和允许偏差值用数字和文字符号按一定的规律组合标在电阻体上,如图1.1.7所示。电阻器的标称值的单位标志符号如表1.1.4所示,字母所代表的允许偏差如表1.1.5所示。

图1.1.6　直接标识法

图1.1.7　文字符号标识法

表1.1.4　电阻器标称值的单位符号

表1.1.5　字母所代表的允许误差

图1.1.7所示电阻器标识为RX21-8W 120RJ,表示普通线绕电阻器,额定功率为8 W,标称阻值为120Ω,允许误差为±5%。

(3)数码标识法

在产品和电路图上用三个或四个数字或加字母来表示元件的标称值的方法称为数码标志法,数码标识法常见于贴片电阻或微调电阻上,如图1.1.8所示。

图1.1.8　数码标识法

一般E-24系列的电阻器用三个数字标识,其允许误差为±5%,从左至右前两个数字表示两位数值,第三个数字表示数值后所加零的个数,如391表示39×101=390Ω;103表示10×103=10 000Ω。

E-96系列的电阻器用四个数码标识,其允许误差为±1%。从左至右前三个数字表示三位数值,第四个数字表示数值后所加零的个数,如1963表示196×103=196 000Ω;5 230表示523×100=523Ω。

如果标识的数字中间有字母R,则表示小数点的位置,单位为Ω,如5R60表示5.60Ω;30R9表示30.9Ω。

(4)色环标识法

常用的普通固定电阻器大多用色环标识其标称阻值和允许误差,被称为色环电阻。色环电阻根据其精度不同有四色环电阻和五色环电阻之分,如图1.1.9所示。而各色环颜色代表的数字如表1.1.6所示。

四色环电阻读数方法:

第一、二环表示两位数值,第三环表示数值后所加的零的个数,第四环表示允许误差。如图1.1.9(a)所示四色环电阻的色环依次为:棕(1)绿(5)黑(0)金(±5%),所以该电阻的标称阻值为15×100Ω=15Ω,允许误差为±5%。

图1.1.9　色环标识法

五色环电阻读数方法:

第一、二、三环表示三位数值,第四环表示数值后所加的零的个数,第五环表示允许误差。如图1.1.9(b)所示五色环电阻的色环依次为:橙(3)白(9)红(2)黑(0)棕(±1%),所以该电阻的标称阻值为392×100Ω=392Ω,允许误差为±1%。

无论四色环还是五色环电阻,最后表示允许误差的一环应与相邻的色环距离稍大,而其他的几条色环距离相等。所以可以根据色环之间的距离判断哪一道色环是第一道。

表1.1.6　色环颜色的意义

用色环法标识的优点在于当电阻被安装在电路中后,从各个角度都可以清楚地读出其标称值和允许误差。

5.固定电阻器的选用及测量

(1)固定电阻器的选用

固定电阻器有多种类型,应根据应用电路的特点和具体要求选择适当材料和结构的电阻器。

①种类的选择

在对使用环境和指标要求不高的电子电路中,如各种家用电器中可选用碳膜电阻器。

高频电路应选用分布电感和分布电容小的膜式电阻器,如碳膜电阻器、金属膜电阻器和金属氧化膜电阻器等,避免使用线绕电阻器。

高增益小信号放大电路应选用低噪声电阻器,如金属膜电阻器、碳膜电阻器和线绕电阻器,避免使用噪声较大的合成碳膜电阻器和有机实心电阻器。

线绕电阻器的功率较大,电流噪声小,耐高温,但体积较大。普通线绕电阻器常用于低频电路或用作限流电阻器、分压电阻器、泄放电阻器或大功率管的偏压电阻器。精度较高的线绕电阻器多用于固定衰减器、电阻箱、计算机及各种精密电子仪器中。

②阻值的选择

一般情况下,固定电阻器的阻值按照就近的原则在标称系列中选取。如果精度要求较高,可以用万用表从系列阻值中测量选取,误差的选择可根据电阻器在电路中所起的作用进行选择。

③功率的选择

为提高设备的可靠性,延长使用寿命,选用电阻器的额定功率应大于实际消耗功率的1.5～2倍。电路中如需串联或并联电阻来获得所需阻值,应考虑其额定功率。阻值不同的电阻串联时,额定功率取决于高阻值电阻。并联时,取决于低阻值电阻,且需计算方可应用。

电阻器在使用前应进行测量、核对,尤其是在精密电子仪器设备装配时,还需经人工老化处理,以提高稳定性。

(2)固定电阻器阻值的测量

各种万用表都有电阻测量挡(简称欧姆挡)用来测量电阻器的电阻值。测量时首先选择万用表电阻挡的倍率或量程范围,并将两个输入端(称表笔)接入适当的接线端子,此时万用表可被称为欧姆表。将欧姆表两表短路调零检测后,分别将接在被测电阻器的两端,正确读出表的电阻值即可。

万用表测量电阻器时应注意以下几个问题:

•当电阻器连在电路中时,首先应将电路的电源断开,然后将电阻器至少一端从电路中断开,绝不允许被测电阻器带电;

•测大阻值电阻器时要防止把双手和电阻器的两个端子及万用表的两个表笔并联捏在一起;

•万用表测量电阻器时应注意被测电阻器所能承受的电压和电流值,以免损坏被测电阻器。

其他类型的电阻器测量也可参照以上测量方法和注意事项,再结合具体情况进行操作。