電路設(shè)計(jì)中工程師如何更好更快的選擇電阻？
電阻的種類很多，普通常用的電阻有碳膜電阻、水泥電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等;特殊電阻有壓敏電阻、熱敏電阻、光敏電阻等。不同類型的電阻，其特性參數(shù)都有一定的差異，在電路使用時(shí)需要考慮的重點(diǎn)也不一樣。在電路設(shè)計(jì)中如果忽略了電阻的某些特殊參數(shù)，可能會(huì)使產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性得不到保證。正確的理解電阻各個(gè)參數(shù)以及不同電阻的選型注意事項(xiàng)，全面的理解電阻在電路中起到的真正作用，才能夠在電路設(shè)計(jì)中從基本的層面上來(lái)保證產(chǎn)品的功能和性能。以下給您介紹下電阻的參數(shù)及其在電路中的作用。
一、電阻的基本參數(shù)
說(shuō)起電阻，我們的第一印象應(yīng)該就是物理書上所描述的：導(dǎo)電體對(duì)電流的阻礙作用稱為電阻。電阻在電路原理圖中用R表示，單位為歐姆(Ω)，常用的有歐姆，千歐，兆歐等(分別用Ω，KΩ，MΩ表示)。
電阻主要關(guān)注的參數(shù)有：
1)標(biāo)稱阻值
電阻器上所標(biāo)示的阻值。
2)阻值偏差
標(biāo)稱阻值與實(shí)際阻值的差值除以標(biāo)稱阻值所得的百分?jǐn)?shù)稱為阻值偏差，它表示電阻器的精度。
而在進(jìn)行實(shí)際的電路設(shè)計(jì)時(shí)，只關(guān)注這兩個(gè)參數(shù)是不夠的，還有兩個(gè)重要的參數(shù)必須要在設(shè)計(jì)中引起足夠的重視：額定功率和耐受電壓值，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的可靠性影響非常大。
例如電路中流過(guò)電阻的電流為100mA，電阻的阻值為100Ω，那么根據(jù)電路功率計(jì)算公式P=I*I*R，可以計(jì)算出該電阻上的消耗功率為1W此時(shí)如果選擇常用的貼片電阻，如封裝為0805或1206是不合適的，該電路會(huì)因?yàn)殡娮璧念~定功率小而出現(xiàn)問(wèn)題。因此，該電阻應(yīng)當(dāng)選擇額定功率在1W以上(電路設(shè)計(jì)中，電阻選擇時(shí)的功率余量應(yīng)在實(shí)際消耗功率的2倍以上)，否則電阻上消耗的功率會(huì)使電阻過(guò)熱而失效。
同樣，耐壓值選擇不合適的時(shí)候，也會(huì)因?yàn)殡娮璞粨舸┒鴮?dǎo)致整個(gè)電路系統(tǒng)的故障。舉例來(lái)說(shuō)，AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊在設(shè)計(jì)的輸入前端，根據(jù)安規(guī)要求(GB4943.1標(biāo)準(zhǔn))，要保證插頭或連接器斷開(kāi)后，在輸入端L、N上的滯留電壓能夠在1S內(nèi)衰減到初始值的37%以下，因此，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)電阻的耐壓值低于輸入端高壓的情況下，就會(huì)失效。
二、電阻在電路中的作用
1、基本作用
電阻點(diǎn)電路中用作分壓器、分流器和負(fù)載電阻;它與電容器一起可以組成濾波器及延時(shí)電路，在電源電路或控制電路中用作取樣電阻;在半導(dǎo)體電路中用作偏置電阻以確定電路的工作點(diǎn)等，對(duì)于這些作用，電路中的應(yīng)用是非常多的，也是非常重要的。
要根據(jù)電阻在電路中的作用和具體的技術(shù)要求，來(lái)選擇使用哪種類型的電阻，例如，對(duì)電路中的降壓和限流電阻、音頻負(fù)載電阻等，選用碳膜電阻就能滿足要求;若是穩(wěn)壓電路中的取樣電阻、延時(shí)電路中的定時(shí)電阻等要求熱穩(wěn)定性較高的場(chǎng)合，最好選用金屬膜電阻;對(duì)于測(cè)量?jī)x表中的分流、分壓電阻，應(yīng)該選用精密度等級(jí)較高的電阻。這些常見(jiàn)的功能作用我們就不過(guò)多介紹了。
我們重點(diǎn)介紹一下0歐姆電阻以及特殊電阻在電子電路設(shè)計(jì)中的作用及使用注意事項(xiàng)。
2、0歐姆電阻在電路中的作用
相信我們?cè)诳辞拜呍O(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常會(huì)看到電路上存在有0歐姆的電阻，為什么要設(shè)計(jì)這么一個(gè)電阻呢?直接在畫電路圖時(shí)用一根導(dǎo)線連過(guò)去就行了，還這么畫蛇添足干什么?
原因有多個(gè)方面，我們簡(jiǎn)要介紹如下：
1)模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地
我們知道，在電路圖中，只要是地，最終都要接到一起，然后接入大地。如果不接在一起就是“浮地”，存在壓差，容易積累電荷，造成靜電、地是參考零電位，所有電壓都是參考地得出的，地的標(biāo)準(zhǔn)要一致，故各種地應(yīng)短接在一起。如果把模擬地和數(shù)字地大面積相連，會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，有四種方法解決此問(wèn)題。用磁珠連接;用電容連接;用電感連接;用0歐姆電阻連接。
我們來(lái)一一分析一下這四種連接方式：
a)、用磁珠連接：磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻濾波器，只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號(hào);對(duì)于頻率不確定或無(wú)法預(yù)知的情況，磁珠不合適;
b)、用電容連接：電容隔直通交，容易造成浮地;
c)、用電感連接：電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定;
d)、用0歐姆電阻連接：0歐姆電阻相當(dāng)于很窄的電流通過(guò)，能夠有效的限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐姆電阻也有阻抗)，這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。
2)跨接時(shí)用于電流回路
當(dāng)分割電地平面后，造成信號(hào)最短回流路徑斷裂，此時(shí)，信號(hào)回路不得不繞道，形成很大的環(huán)路面積，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響就變強(qiáng)了，容易干擾/被干擾。在分割區(qū)上跨接地0歐姆電阻，可以提供較短的回流路徑，減小干擾。
3)配置電路
一般產(chǎn)品上是不能有跳線或者撥碼開(kāi)關(guān)的，因?yàn)橐坏┯辛诉@些可以手動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)，用戶難免會(huì)亂動(dòng)，從而導(dǎo)致設(shè)置出錯(cuò)，容易引起誤會(huì)或者故障，為了減少維護(hù)費(fèi)用，應(yīng)用0歐姆電阻代替跳線等焊接在電路板上？刂铺在高頻時(shí)相當(dāng)于天線，所以用貼片電阻會(huì)更好一些。
4)其它用途
布線時(shí)跨接調(diào)試/測(cè)試用：在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，要串一個(gè)電阻用來(lái)調(diào)試，但是還不能確定具體的值，加這樣一個(gè)器件后，方便以后的電路調(diào)試，如果調(diào)試的結(jié)果不需要加電阻，就加一個(gè)0歐姆的電阻。臨時(shí)取代其它貼片器件作為溫度補(bǔ)償器件，更多時(shí)候是出于EMC對(duì)策的需要。另外，0歐姆電阻比過(guò)孔的寄生電感小，而且過(guò)孔還會(huì)影響地平面(因?yàn)橐蚩?。
總結(jié)如下：
在電路中沒(méi)有任何功能，只是在PCB上為了調(diào)試方便或者兼容設(shè)計(jì)等原因。
可以做跳線用，如果某段線路不用，直接貼上0歐姆電阻即可(不影響外觀)。
在匹配電路參數(shù)不確定的時(shí)候，以0歐姆電阻代替，實(shí)際調(diào)試的時(shí)候，確定參數(shù)后，再以具體數(shù)值的元件代替。
想測(cè)試某部分電路的電流時(shí)，可以去掉0歐姆電阻，接上電流表，這樣方便進(jìn)行電流測(cè)試。
在布線時(shí)，如果實(shí)在布不下去了，也可以加一個(gè)0歐姆電阻。
在高頻信號(hào)下，充當(dāng)電感或電容(與外部電路特性有關(guān))用，主要是解決EMC問(wèn)題，如地與地、電源和IC Pin之間。
單點(diǎn)接地(指保護(hù)接地、工作接地、直流接地，在設(shè)備上相互分開(kāi)，各自成為獨(dú)立系統(tǒng))。
3)特殊電阻在電源模塊外圍防護(hù)電路的作用
最常見(jiàn)的特殊電阻有熱敏電阻、濕敏電阻、壓敏電阻等，壓敏電阻在AC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用。
壓敏電阻MOV是在電路電磁兼容(EMC)中最常用的器件之一，廣泛的被應(yīng)用在電子線路中，來(lái)防護(hù)因?yàn)殡娏⿷?yīng)系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓突變可能對(duì)電路造成的傷害。其特性通俗的理解為前端電壓高于壓敏電阻的開(kāi)啟電壓時(shí)，壓敏電阻被擊穿，壓敏電阻的阻值降低而將電流予以分流，防止后級(jí)受到過(guò)大的瞬時(shí)電壓破壞或干擾，從而保護(hù)了敏感的電子組件。電路防護(hù)就是利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間時(shí)，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。
不過(guò)，也不要把壓敏電阻的作用想得太大了，壓敏電阻是不可以提供完整的電壓保護(hù)的，壓敏電阻所能承受的能量或功率是有限的，不能提供持續(xù)性的過(guò)電壓保護(hù)。持續(xù)的過(guò)電壓會(huì)破壞保護(hù)裝置(壓敏電阻)。壓敏電阻不能提供保護(hù)的部分還有開(kāi)機(jī)時(shí)的沖擊電流，短路時(shí)的過(guò)電流，電壓突降等情況，這些情況需要其他方式的防護(hù)。
熱敏電阻是一種跟溫度相關(guān)的器件，一般分為兩種，NTC為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，即溫度越高，阻抗越小;PTC為正溫度系數(shù)的熱敏電阻，即溫度越高，阻抗越大。利用阻抗對(duì)溫度的敏感特性在電路設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用。
NTC在電路中主要為抑制電路啟動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)電流，在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部存在功率電路、容性及感性負(fù)載，因此在啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)非常大的沖擊電流。如果電路器件選型過(guò)程中沒(méi)有考慮器件瞬時(shí)的抗電流能力。那么系統(tǒng)在多次啟動(dòng)的操作過(guò)程中，就很容易導(dǎo)致器件被擊穿損壞，而在電路中加入NTC，等于在輸入回路啟動(dòng)時(shí)，提高輸入阻抗減少?zèng)_擊電流，而系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于NTC發(fā)熱，根據(jù)其負(fù)溫度特性，阻抗降低，從而在NTC上的損耗也降低，減少了系統(tǒng)的整體損耗。
PTC在電路中可以起到保險(xiǎn)絲的作用，所以其還有另外一個(gè)名字：自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電路出現(xiàn)異常，導(dǎo)致出現(xiàn)大電流時(shí)，如果該部分電路中串有一個(gè)PTC，那么也就等于在PTC中有大電流流過(guò)，PTC發(fā)熱，根據(jù)其正溫度特性，其阻抗將變得很大，使整個(gè)回路的阻抗變大，從而使回路的電流變小，起到了保險(xiǎn)絲的作用。根據(jù)其正溫度的特性，PTC的另外一個(gè)作用是在電路中實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。
三、電路中的電阻使用總結(jié)
電阻的知識(shí)涵蓋非常多，不僅僅是知道歐姆定律后就能應(yīng)用好，其中還包括了材質(zhì)極其特殊性能，如電阻元件的電阻值大小不僅與溫度、材料、長(zhǎng)度有關(guān)，還與橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1°C時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù);電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可以說(shuō)它是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過(guò)它就產(chǎn)生損耗，以熱能的形式表現(xiàn);電阻在電路中通常起分壓、分流的作用;對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，交流與直流信號(hào)都可以通過(guò)電阻。作為硬件工程師，想要把元器件使用的得心應(yīng)手，就需要對(duì)材質(zhì)、電氣特性和其特殊性有深入的了解。
編輯：amy 最后修改時(shí)間：2019-05-24
