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[资料] 欧姆定律——电阻器

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发表于 2023-2-17 11:19:17 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
因为任何电路中电压、电流和电阻之间的关系都是有规律的,我们可以通过控制其他两个变量来可靠地控制电路中的任何变量。也许在任何电路中最容易控制的变量就是它的电阻。这可以通过改变其导电组件的材料、尺寸和形状来实现(还记得灯的细金属灯丝如何产生比粗电线更大的电阻吗?)。

什么是电阻器?
制造称为电阻器的特殊元件,其明确目的是创建用于插入电路的精确数量的电阻。它们通常由金属线或碳制成,经过精心设计,可在各种环境条件下保持稳定的电阻值。

与灯不同,它们不发光,但它们确实会产生热量,因为它们会在工作电路中耗散电能。不过,通常情况下,电阻器的目的不是产生可用的热量,而只是提供精确的电阻值。


电阻器原理图符号和值
电阻器最常见的原理图符号是锯齿线:

电阻器原理图符号

电阻器原理图符号

以欧姆为单位的电阻器值通常显示为相邻的数字,如果电路中存在多个电阻器,它们将标有唯一的标识符编号,例如 R 1 、R 2 、R 3 等。如您所见,电阻器符号可以水平或垂直显示:
电阻器符号.png
真正的电阻器看起来不像之字形符号。相反,它们看起来像带有两条突出的电线以连接到电路的小管或圆柱体。以下是不同种类和尺寸的电阻器示例:
电阻器示例.png

为了更符合它们的物理外观,电阻器的替代原理图符号看起来像一个小的矩形框:

电阻器的替代原理图符号

电阻器的替代原理图符号

电阻器也可以显示为具有变化的而不是固定的电阻。这可能是为了描述一个旨在提供可调电阻的实际物理设备,或者它可能是为了展示一些恰好具有不稳定电阻的组件:

不稳定电阻的组件

不稳定电阻的组件


任何时候您看到一个组件符号上画有一个对角箭头穿过它时,该组件都有一个变量而不是一个固定值。这个符号“修饰符”(对角箭头)是一个标准的电子符号约定。

可变电阻器
可变电阻器必须具有某种物理调节方式,可以是旋转轴或可以移动的杠杆来改变电阻值。这是一张显示一些称为电位器的设备的照片,它们可以用作可变电阻器:

可变电阻器

可变电阻器


电阻器的额定功率
由于电阻器在通过电阻器的电流克服其电阻的“摩擦”时会耗散热能,因此电阻器的额定值还取决于它们在不过热和持续损坏的情况下可以耗散多少热能。当然,此额定功率以“瓦特”物理单位指定。大多数小型电子设备(如便携式收音机)中的电阻额定功率为 1/4 (0.25) 瓦或更低。

任何电阻器的额定功率大致与其物理尺寸成正比。请注意第一张电阻照片中的额定功率与尺寸的关系:电阻越大,其额定功率耗散就越高。另外,请注意电阻(以欧姆为单位)与尺寸无关!虽然现在让一个设备只做电阻电流似乎毫无意义,但电阻器在电路中是非常有用的设备。

因为它们很简单并且在电力和电子世界中广泛使用,所以我们将花费大量时间来分析仅由电阻器和电池组成的电路。

电阻器有什么用?
有关电阻器用途的实际说明,请查看下面的照片。这是一张印刷电路板或 PCB 的图片:由绝缘酚醛纤维板和导电铜条夹层组成的组件,组件可以插入其中并通过称为“焊接”的低温焊接工艺固定。

该电路板上的各种组件由印刷标签标识。电阻器由任何以字母“R”开头的标签表示。

电路板

电路板


这块电路板上有一百多个表面贴装电阻,这个数字当然不包括黑色“芯片”内部的电阻数量。这两张照片应该让任何人相信电阻器——“仅仅”阻止电流流动的设备——是电子领域非常重要的元件!

示意图上的“负载”
在原理图中,电阻器符号有时用于说明电路中的任何一般类型的设备,这些设备对电能有用。任何非特定的电气设备通常都称为负载,因此如果您看到示意图显示标有“负载”的电阻器符号,尤其是在解释一些与实际使用电力无关的概念的教程电路图中,该符号可能只是是比电阻器更实用的其他东西的一种速记表示。

分析电阻电路
为了总结我们在本课中学到的知识,让我们分析以下电路,根据给定的信息确定我们所能做的一切:
电路.png
我们在这里开始时得到的只是电池电压(10 伏)和电路电流(2 安培)。我们不知道电阻器的电阻(以欧姆为单位)或它消耗的功率(以瓦特为单位)。调查我们的欧姆定律方程组,我们发现两个方程可以根据已知的电压和电流量给出答案:
R.png
将已知量的电压 (E) 和电流 (I) 代入这两个方程,我们可以确定电路电阻 (R) 和功耗 (P):
RP.png
对于 10 伏和 2 安培的电路条件,电阻器的阻值必须为 5 Ω。如果我们要设计一个以这些值运行的电路,我们必须指定一个最小额定功率为 20 瓦的电阻器,否则它会过热并发生故障。

电阻材料
可以在各种不同的材料中找到电阻器,每种材料都有自己的特性和特定的使用领域。大多数电气工程师使用以下类型:

线绕 (WW) 电阻器
线绕电阻器是通过将电阻丝缠绕在非导电芯上而制成的。它们通常是为高精度和功率应用而生产的。线芯通常由陶瓷或玻璃纤维制成,电阻丝由镍铬合金制成。它们不适用于频率高于 50kHz 的应用。

低噪声和相对于温度变化的稳定性是线绕电阻器的标准特性。电阻值范围为 0.1 至 100 kΩ,精度在 0.1% 至 20% 之间。

金属膜电阻器
镍铬合金或氮化钽通常用于金属膜电阻器。陶瓷材料和金属的组合通常构成电阻材料。通过在薄膜中切割螺旋图案来改变电阻值,就像用激光或研磨剂切割碳薄膜一样。金属膜电阻器的温度稳定性通常不如线绕电阻器,但可以更好地处理更高的频率。

金属氧化膜电阻器
金属氧化物电阻器使用氧化锡等金属氧化物,与金属膜电阻器略有不同。这些电阻器可靠稳定,工作温度高于金属膜电阻器。因此,金属氧化膜电阻器被用于需要高耐久性的应用中。

箔电阻
箔电阻器开发于 1960 年代,至今仍是您能找到的最准确、最稳定的电阻器类型之一,用于具有高精度要求的应用。陶瓷基板上粘有薄的块状金属箔,构成了电阻元件。箔电阻器具有非常低的电阻温度系数。

碳成分 (CCR) 电阻器
直到 1960 年代,碳成分电阻器才是大多数应用的标准。它们是可靠的,但不是很准确(它们的容差不能超过 5%)。CCR 电阻器的电阻元件使用细碳颗粒和非导电陶瓷材料的混合物。

该物质被模制成圆柱体形状并烘烤。主体的尺寸和碳与陶瓷材料的比例决定了电阻值。在这个过程中使用更多的碳意味着阻力会更低。CCR 电阻器由于能够承受高能量脉冲而在某些应用中仍然有用,一个很好的示例应用是在电源中。

碳膜电阻
碳膜电阻器在绝缘圆柱形磁芯上有一层薄碳膜(在膜中有一个螺旋切口以增加电阻路径)。这允许电阻值更准确并且还增加了电阻值。碳膜电阻器比碳成分电阻器准确得多。特殊的碳膜电阻器用于需要高脉冲稳定性的应用中。

关键绩效指标 (KPI)
每种电阻材料的 KPI 如下:
特征
金属膜
厚金属膜
精密金属薄膜
碳成分
碳膜
温度。范围-55 至 +125-55 至 +130-55 至 +155-40 至 +105-55 至 +155
最大限度。温度。系数。100100151200250-1000
最大电压200-350250200350-500350-500
噪声(每伏施加的直流电 μV)0.50.10.14 (100K)5 (100K)
R绝缘。1000010000100001000010000
焊料(电阻值变化百分比)0.20%0.15%0.02%2%0.50%
湿热(电阻值变化%)0.50%1%0.50%15%3.50%
保质期(电阻值变化百分比)0.10%0.10%0.00%5%2%
全额定值(2000 小时,70 摄氏度)1%1%0.03%10%4%

回顾:
称为电阻器的设备用于在电路中提供精确的电阻值。电阻器根据电阻值(欧姆)和散热能力(瓦特)来评定。
电阻器的电阻额定值不能根据所讨论电阻器的物理尺寸来确定,尽管近似的额定功率可以。电阻器越大,它可以安全耗散的功率就越多而不会受到损坏。
任何使用电力执行一些有用任务的设备通常被称为负载。有时,原理图中使用电阻器符号来指定非特定负载,而不是实际电阻器。

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