电阻

简介

电阻是最常见的电路元件。在每个电路中它们是至关重要的一部分。在我们喜爱的欧姆定律中,电阻是主角。

resistors

在电阻这一部分,我们涉及以下内容:

  • 什么是电阻?
  • 电阻的单位
  • 电阻的符号
  • 串联、并联电路中的电阻
  • 电阻的不同种类
  • 解读颜色编码
  • 解读表面安装式电阻
  • 电阻应用举例

相关阅读

本文章中一些概念是建立在重要的电学知识上的。在继续阅读本文章之前,建议阅读(起码要浏览)以下文章:


电阻基础

电阻是拥有电抵抗力的电路元件。电阻能够限制流过电路中的电流。

它们是消极的元件,因为它们只能消耗能量(不能产生)。电阻通常在运算放大器、位控制器和其他集成电路中充当活跃的一部分。通常电阻被用来限流、分压上拉IO口

电阻单位

电阻抵抗电流的能力用欧姆来表示。欧姆的符号是希腊字母Ω。1Ω的定义是电阻两端的电压为1V时,流过电阻的电流是1A的阻值。

电阻抵抗电流的能力用欧姆来表示。欧姆的符号是希腊字母Ω。1Ω的定义是电阻两端的电压为1V时,流过电阻的电流是1A的阻值。
SI单位制中,更大或更小的欧姆值可以加上前缀千、兆、吉,这样使比较大的值更容易阅读。像千欧(KΩ)和兆欧(MΩ)是非常常见的电阻单位,百万欧(mΩ)是比较少见的单位。例如,4700Ω和4.7KΩ是相等的,5600000Ω可以写成5600KΩ或5.6MΩ。

符号

所有电阻都是有两极的,电阻的两端都要连接在电路中。电阻的符号有以下两种形式:

Resistor schematic symbols

两种常见的电阻符号。R1是美国式的1KΩ电阻,R2是国际式的47KΩ电阻。

电阻的两端是波浪线(或矩形)伸展出来的线。这两端要和电路的其余部分相连。

电阻的符号通常会由阻值和名字强调出来。以欧姆为单位的阻值,对于估测并实际建造电路是至关重要的。电阻的名字通常由字母R和紧跟着的数字组成。电路中每一个电阻的名字都必须独一无二。举个例子,这里是555定时器电路中的一些电阻:

Example schematic with resistors - a 555 timer

在这个电路中,电阻扮演了设置555定时器输出频率的重要角色。另一个电阻(R3)限制了流过LED的电流大小。


电阻类型

电阻有各种各样的形状和大小。它们可能是穿孔安装或表面安装。穿孔安装通常被缩写成PTH(plated through-hole),表面安装通常被缩写成SMD/SMT(surface-mount technology or device)。

终端和安装

PTH电阻具有长而柔软的引脚,可以插进面包板或手工焊接到测试板或PCB板上。有时候你不想焊接又薄又小的SMD电阻,这些PTH电阻对于使用面包板或其他测试板就显得特别有用了。PTH电阻的引脚又细又长,这就意味着它们比起SMD电阻要更多存储空间。比较普遍的PTH电阻采用轴式包装。电阻的大小和它的功率相关。一个常见的0.5瓦特的电阻长9.2mm,而0.25的电阻长6.3mm。

1/4 and 1/2 watt resistors

一个0.5瓦特的电阻(上)和0.25瓦特的电阻(下)

SMT电阻外形是薄而黑的矩形,两端是更小的铮亮的银色导体边缘。这些电阻一般被安装在PCB板的顶部,与其他元件焊接在一起。因为这些电阻太小了,通常要用机器把它们放在热箱里进行熔焊,并固定在特定的地方。

SMD resistor on a quarter

一个0603外形的330Ω电阻

SMD电阻有标准的大小:通常是0805(0.8mm长,0.5mm宽),0603或0402.它们有利于生产大量的电路板,而且特别节省空间。虽然它们在焊接时需要熟练而精确的焊接技术。

电阻的组成

电阻可以是各种各样的材料。最普遍流行的电阻通常用碳、金属或金属氧化物制成。在这些电阻里,一个薄薄的导体片被绝缘材料弯弯曲曲地包裹着。大多数穿孔式安装的电阻是由碳片或金属片组成的。

Peeled away view of carbon-film resistors

看一看碳片电阻的内容。电阻的阻值(从上到下):27Ω,330Ω,3.3MΩ。在电阻里其他PTH电阻会用超薄的金属片制造。这些电阻通常贵一些。一些高端产品,例如大范围的温度计会选择使用这些电阻。

SMT电阻既有薄的也有厚的。厚的一类通常便宜些但阻值没有薄的那么精确。在两种电阻类型中,一片小小的具有阻值的金属合金被夹在陶瓷基架上,最外层由玻璃或环氧树脂覆盖,然后与两端的导体边连接。

电阻封装种类

电阻有许多特殊的封装类别。有些电阻由四到五个内置电阻排成阵列封装而成,外头引出每个电阻的引脚。在这些阵列的电阻可能共同使用同一个引脚,或者被设置成分压器。

Resistor Network

5个330Ω的电阻阵列,每个电阻的一端都连接在一起。
电阻的阻值不一定是恒定不变的。变阻器的电阻就是可变的,这是一种可以将阻值在一定范围内调整的电阻。和变阻器相似的有电位计。两个电阻在内部串联起来,中间的接头可以调节出适合分压器。这些可变电阻通常用于调节输入电压,比如音量旋钮。

A smattering of potentiometers

一些零散的电位计。


解读颜色带

虽然阻值并没有在电阻上直接标明,但是电阻会用标记来表示阻值。PTH电阻有颜色编码系统,SMD有自己的值标记系统。

解码颜色带

穿孔式安装的轴式电阻通常使用颜色带系统来表示阻值。大多数这类电阻组会有四条环带。

Resistors showing their stripes

前面两条带表示电阻值的两位最重要的数字。第三条带是数字的权重,使这两位数以十的倍数变化。

最后的环带表示电阻的阻值误差范围。误差范围表明了表明的阻值的浮动范围。没有一个电阻是完美的,不同的制作工艺使电阻有不同的精确度。例如,一个误差范围是5%的1KΩ电阻,它的实际阻值在0.95KΩ到1.05KΩ之间。

你怎样分辨那一条环带排在第一呢?最后要说的是,公差带通常很明显地与表示阻值的环带隔离,它通常是金色或银色的。

这里是一张颜色-阻值对应表:

颜色 数值 倍率 倍数 误差范围
黑色 0 100 1
褐色 1 101 10
红色 2 102 100
橙色 3 103 1,000
黄色 4 104 10000
绿色 5 105 100,000
蓝色 6 106 1,000,000
紫色 7 107 10,000,000
灰色 8 108 100,000,000
白色 9 109 1,000,000,000
金色 ±5%
银色 ±10%

这是一个有四条颜色带的4.7kΩ的电阻:

Close-up of a 4.7kOhm resistor

W在解读电阻的颜色带时,最好查阅一张颜色编码表。在前两条颜色带中,找到颜色对应的数字。4.7kΩ的有黄色和紫色的颜色带,分别对应数字4和7。第三条颜色带是红色的,表明47要乘十的二次方,也就是4700!

如果你尝试记住颜色编码表,口诀可能对你有帮助。这里有一个口诀,可以帮助你记住电阻阻值颜色编码。以下是好用的一个,将黑色和褐色的拼写区分开来了:

Big brown rabbits often yield great big vocal groans when gingerly snapped.”

如果你记得“ROY G.BIV”,去掉了靛青色(可怜的靛青色,总会被人遗忘)将黑色和褐色添加在前面,灰色、白色在后面,这就就是典型的彩虹颜色顺序。

颜色代码计算

如果你有一定的数学能力或拿着一部计算器,可以尝试计算一下

 

Band 1 Band 2 Band 3 Band 4
Value 1 (MSV) Value 2 Weight Tolerance

Resistance:

1,000 Ω ±5%

解读SMT电阻阻值

像0603或0805这样的SMT电阻,有它们独特的表示电阻的方式。这里有一些常见的表示阻值的方式。通常有三到四个符号——数字或字母,被打印在电阻上面。
如果你看到的三个符号都是数值,你很可能看到的是以E24方式标记的电阻。这种标记方法和PTH电阻的颜色编码法有几分类似。前两个数字代表了电阻最重要的两个基数,最后一个数字代表的十的次方数。

Examples of E-24 marked SMD resistors

在上面的例图中,电阻上标志着104,105,205,751和754.104标志100kΩ,105表示1MΩ,205表示2MΩ,751表示750Ω,754表示750kΩ。

另一种编码方式是E96,这是一种最隐晦的方式。E96有三个符号,包括在前面的两个数字和一个在后面的字母。前面的两个数字告诉你电阻值的三位数字,这张查阅表对应了并不那么明显的数字关系。

CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE
01 100 17 147 33 215 49 316 65 464 81 681
02 102 18 150 34 221 50 324 66 475 82 698
03 105 19 154 35 226 51 332 67 487 83 715
04 107 20 158 36 232 52 340 68 499 84 732
05 110 21 162 37 237 53 348 69 511 85 750
06 113 22 165 38 243 54 357 70 523 86 768
07 115 23 169 39 249 55 365 71 536 87 787
08 118 24 174 40 255 56 374 72 549 88 806
09 121 25 178 41 261 57 383 73 562 89 825
10 124 26 182 42 267 58 392 74 576 90 845
11 127 27 187 43 274 59 402 75 590 91 866
12 130 28 191 44 280 60 412 76 604 92 887
13 133 29 196 45 287 61 422 77 619 93 909
14 137 30 200 46 294 62 432 78 634 94 931
15 140 31 205 47 301 63 442 79 649 95 953
16 143 32 210 48 309 64 453 80 665 96 976

后面的字母表示倍数关系,在这张表有匹配值

LETTER MULTIPLIER LETTER MULTIPLIER LETTER MULTIPLIER
Z 0.001 A 1 D 1000
Y or R 0.01 B or H 10 E 10000
X or S 0.1 C 100 F 100000

Resistors marked with E-96 codes

因此01C电阻就是10KΩ,01B就是1kΩ,01D就是100kΩ。这些比较容易计算,但其他就不一定了。85A是750Ω,30C实际上是20kΩ.


功率

电阻功率是一个比较隐藏的值。然而这个值是重要的,当我们选择电阻类型时更是如此。

功率是能量形式转换的速率,它的单位是瓦特(W)。例如一个电灯泡能将电能转换成光能。但是一个电阻只能将电能转换成热能。在电路中,热能不是一个友善的小伙伴。太多热量会导致冒烟,然后是火星,然后是火焰!

每一个电阻都有其最大功率。为了不让电阻变得太热,将电阻的实际功率限制在最大范围之内显得尤其重要。电阻的单位是瓦特,电阻的功率通常在0.125W到1W之间。功率大于1W的电阻通常是耗能电阻,它们的能力主要表现为消耗电能。

找到电阻的功率

一个电阻的功率通常可以根据包装外形大小来推断。标准的穿孔式电阻功率通常为0.25W或0.5W。一些耗能电阻会直接将功率值标在电阻上。

Some examples of power resistors

一个耗能电阻在爆炸之前能够消耗许多能量。从右上角到左下角,电阻的功率依次是:25W,5W和3W,阻值分别是2Ω,3Ω,0.1Ω和22Ω。比较小的耗能电阻通常用来感应电流。

表面安装型电阻的功率通常可以通过外形大小来判断。0420和0603的电阻通常是1/16W,0805是1/10W。

计算电阻的功率

功率通常表示成电压和电流的乘积。但是,通过应用欧姆定律,我们也可以用电阻的阻值来计算功率。如果我们知道经过过电阻的电流大小,我们可以这样计算功率

P=I^2*R

或者,我们知道电阻两端的电压值,我们可以这样计算功率:

P=V^2/R


串联、并联电路中的电阻

电阻总是在串联或并联电路中成群结队地出现。在混联电路中的电阻产生的总阻值可以用一个或两个公式计算出来。为了方便了解电阻的总阻值是如何组成的,你需要设计一些特殊的阻值。

串联电阻

串联电路中的电阻阻值之和是各部分电阻阻值的简单相加。

Schematic of resistors in series

Equation for adding resistors in series

串联电路中的N个电阻。总阻值是所有电阻阻值之和

举个例子:如果你想要12.33KΩ的电阻,找到12kΩ和330Ω的电阻,将它们串联起来就可以了。

并联电阻

计算并联电阻中的阻值大小并不是一件容易的事情。并联电路中的N个电阻的总阻值的倒数是所有电阻阻值的倒数之和。

Schematic of resistors in parallel

Equation for adding resistors in parallel

并联电路中的N个电阻。为了计算总阻值,将每一部分阻值取倒数,将它们加起来,然后再将和倒过来,就是总阻值。

阻值的倒数实际上叫传导系数,所以可以更简洁地说:并联电路的传导系数是每一部分电阻传导系数之和。

如果只有两个电阻在并联电路中,总阻值可以用这样的等式计算:

Equation for calculating two resistors in parallel

例如,两个10kΩ的并联电阻的总阻值是5KΩ。

可以用一个符号表示两个并联的电阻:||。如果R1和R2并联,可以记作R1||R2。

电阻网络

为了教授学生计算总阻值,电学老师总是喜欢让学生计算那个疯狂的U型电路的阻值。

一个乏味的求电阻网络总阻值的问题可能是这样的:从A端到B端电路的总阻值是多少?

An example of a resistor network

为了解决这个问题,我们从电路后面的弯道开始,慢慢地简化A到B端的电路。在这里R7,R8,R9是串联在一起的,可以将阻值相加。这三个电阻和R6并联,所以这四个电阻可以记作R6||(R7+R8+R9),得到新的电路图:

Resistor network simplified

现在右边的四个电阻又可以继续简化。R4,R5以及R6-R9联合电阻是串联的,可以相加。现在又可以得到新的电路图:

Resistor network further simplified

现在AB端只有三个串联的电阻。将它们相加起来,那么电路中的总电阻就是:R1+R2+R3 || (R4+R5+R6 || (R7+R8+R9)).


应用举例

电阻出现在每个电路中。这里有几个深度依赖电阻的电路例子。

LED电流限制

在接通电源时,为了确保LED不会爆炸,电阻就显得非常重要。通过将电阻和LED串联,流过两个元件的电路会限制在一个安全的范围内。

Current limiting resistor schematic

当寻找合适的电阻时,可以参考LED的两个电气特性:工作电压和极大电流。工作电压是让LED正常发光的电压。它的范围(通常是1.7V和3.4V)取决于LED的颜色。普通LED的极大电流电流通常是20mA。连续流过LED的电流应该等于或小于极大电流。

只要你掌握了这两个数值,你就能利用以下等式计算限流电阻阻值:

Current limiting resistor = (Vs-Vf)/If

Vs是电源电压:通常是电池的工作电压。VF 和IF是led的工作电压以及点亮它需要的电流。

举个例子,你有一个9V的电池。如果LED是红色的,它的工作电压可能是1.8V。如果你想将电流限制在10mA,用一个720Ω的串联电阻。

Current limiting example equation R=(9-1.8)/.010

分压器

分压器是一种能够将电压值变小的电路。只要使用两个串联电阻,输出的电压是输入电压的分数。

这里有一个分压器电路:

Voltage divider circuit

串联的两个电阻R1和R2,电源电压是Vin,从Vout到地的电压值可以这样计算:

Voltage divider equation

串联的两个电阻R1和R2,电源电压是Vin,从Vout到地的电压值可以这样计算:

分压器对于电阻式传感器非常有用, 比如 photocells(光电池), flex sensors(柔性传感器), and force-sensitive resistors(力敏电阻). 分压器的一半是传感器,另一半是恒阻值电阻。两个元件之间的输出电压可以用微控制器上的模数转换器来阅读。

A photocell and resistor make a light sensor

电阻R1和光电管组成一个分压器,产生可变的输出电压。

上拉电阻

当你需要设置微控制器的输入引脚为宜特定状态时,可以使用上拉电阻。电阻的一端与单片机的引脚相连。另一端与高电压相连(5V或3.3V)。

没有上拉电阻,微控制器的输入就悬浮了。不能保证浮空的引脚是高电平或低电平。

上拉电阻通常被用在按钮或开关的接口。上拉电阻可以使输入引脚的状态在开始时处于某一确定值。当开关断开时,它可以保护电路以免短路。

A resistor pulling up a button input

在上面的电路中。当开关断开,微控制器通过电阻与5V电源相连。当开关闭合,输入引脚直接与地相连。

一个上拉电阻不需要有什么特殊的。但是它的阻值必须能让5V的电源不要耗费太多电压。通常阻值是10kΩ就可以了。


资源和深入学习

现在你是电阻方面的小小专家,探索更多的电学基础概念怎样呢?电阻并不是我们在电学中唯一使用的元件,它们还有:

或者你想更深入地了解电阻的应用

  • Voltage Dividers(分压器)
  • Pull-up Resistors(上拉电阻)

    cc

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