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[專業話題 ] 電路設計中如何選擇電阻?

P: 2019-10-06 13:49:47

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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,其特性參數都有一定的差異,在電路使用時需要考慮的重點也不一樣。在電路設計中如果忽略了電阻的某些特殊參數,可能會使產品的穩定性和可靠性得不到保證。正確的理解電阻各個參數以及不同電阻的選型注意事項,全面的理解電阻在電路中起到的真正作用,才能夠在電路設計中從基本的層面上來保證產品的功能和性能。


電阻的基本參數

說起電阻,我們的第一印象應該就是物理書上所描述的:導電體對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)。


電阻主要關注的參數有:


1)標稱阻值
電阻器上所標示的阻值。


2)阻值偏差
標稱阻值與實際阻值的差值除以標稱阻值所得的百分數稱為阻值偏差,它表示電阻器的精度。


而在進行實際的電路設計時,只關注這兩個參數是不夠的,還有兩個重要的參數必須要在設計中引起足夠的重視:額定功率和耐受電壓值,這兩個參數對整個電路系統的可靠性影響非常大。


例如電路中流過電阻的電流為100mA,電阻的阻值為100Ω,那么根據電路功率計算公式P=I*I*R,可以計算出該電阻上的消耗功率為1W此時如果選擇常用的貼片電阻,如封裝為0805或1206是不合適的,該電路會因為電阻的額定功率小而出現問題。因此,該電阻應當選擇額定功率在1W以上(電路設計中,電阻選擇時的功率余量應在實際消耗功率的2倍以上),否則電阻上消耗的功率會使電阻過熱而失效。


同樣,耐壓值選擇不合適的時候,也會因為電阻被擊穿而導致整個電路系統的故障。舉例來說,AC-DC開關電源模塊在設計的輸入前端,根據安規要求(GB4943.1標準),要保證插頭或連接器斷開后,在輸入端L、N上的滯留電壓能夠在1S內衰減到初始值的37%以下,因此,在實際電路設計時,當電阻的耐壓值低于輸入端高壓的情況下,就會失效。


電阻在電路中的作用

1、基本作用
電阻點電路中用作分壓器、分流器和負載電阻;它與電容器一起可以組成濾波器及延時電路,在電源電路或控制電路中用作取樣電阻;在半導體電路中用作偏置電阻以確定電路的工作點等,對于這些作用,電路中的應用是非常多的,也是非常重要的。


要根據電阻在電路中的作用和具體的技術要求,來選擇使用哪種類型的電阻,例如,對電路中的降壓和限流電阻、音頻負載電阻等,選用碳膜電阻就能滿足要求;若是穩壓電路中的取樣電阻、延時電路中的定時電阻等要求熱穩定性較高的場合,最好選用金屬膜電阻;對于測量儀表中的分流、分壓電阻,應該選用精密度等級較高的電阻。這些常見的功能作用我們就不過多介紹了。


我們重點介紹一下0歐姆電阻以及特殊電阻在電子電路設計中的作用及使用注意事項。


2、0歐姆電阻在電路中的作用
相信我們在看前輩設計的電子產品時,經常會看到電路上存在有0歐姆的電阻,為什么要設計這么一個電阻呢?直接在畫電路圖時用一根導線連過去就行了,還這么畫蛇添足干什么?


原因有多個方面,我們簡要介紹如下:


1)模擬地和數字地單點接地
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,地的標準要一致,故各種地應短接在一起。如果把模擬地和數字地大面積相連,會導致互相干擾。不短接又不妥,有四種方法解決此問題。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于帶阻濾波器,只對某個頻點的噪聲有顯著抑制作用,使用時需要預先估計噪點頻率,以便選用適當型號;對于頻率不確定或無法預知的情況,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,雜散參數多,不穩定;


d)、用0歐姆電阻連接:0歐姆電阻相當于很窄的電流通過,能夠有效的限制環路電流,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),這點比磁珠強。


2)跨接時用于電流回路
當分割電地平面后,造成信號最短回流路徑斷裂,此時,信號回路不得不繞道,形成很大的環路面積,電場和磁場的影響就變強了,容易干擾/被干擾。在分割區上跨接地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
一般產品上是不能有跳線或者撥碼開關的,因為一旦有了這些可以手動操作的開關,用戶難免會亂動,從而導致設置出錯,容易引起誤會或者故障,為了減少維護費用,應用0歐姆電阻代替跳線等焊接在電路板上。控制跳線在高頻時相當于天線,所以用貼片電阻會更好一些。


4)其它用途
布線時跨接調試/測試用:在開始設計時,要串一個電阻用來調試,但是還不能確定具體的值,加這樣一個器件后,方便以后的電路調試,如果調試的結果不需要加電阻,就加一個0歐姆的電阻。臨時取代其它貼片器件作為溫度補償器件,更多時候是出于EMC對策的需要。另外,0歐姆電阻比過孔的寄生電感小,而且過孔還會影響地平面(因為要打孔)。


總結如下:
在電路中沒有任何功能,只是在PCB上為了調試方便或者兼容設計等原因。


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)。


在匹配電路參數不確定的時候,以0歐姆電阻代替,實際調試的時候,確定參數后,再以具體數值的元件代替。


想測試某部分電路的電流時,可以去掉0歐姆電阻,接上電流表,這樣方便進行電流測試。


在布線時,如果實在布不下去了,也可以加一個0歐姆電阻。


在高頻信號下,充當電感或電容(與外部電路特性有關)用,主要是解決EMC問題,如地與地、電源和IC Pin之間。


單點接地(指保護接地、工作接地、直流接地,在設備上相互分開,各自成為獨立系統)。


3、特殊電阻在電源模塊外圍防護電路的作用
最常見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開關電源設計和應用中起著關鍵的作用。


壓敏電阻MOV是在電路電磁兼容(EMC)中最常用的器件之一,廣泛的被應用在電子線路中,來防護因為電力供應系統的瞬時電壓突變可能對電路造成的傷害。其特性通俗的理解為前端電壓高于壓敏電阻的開啟電壓時,壓敏電阻被擊穿,壓敏電阻的阻值降低而將電流予以分流,防止后級受到過大的瞬時電壓破壞或干擾,從而保護了敏感的電子組件。電路防護就是利用壓敏電阻的非線性特性,當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間時,壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值,從而實現對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數有壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。


不過,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,不能提供持續性的過電壓保護。持續的過電壓會破壞保護裝置(壓敏電阻)。壓敏電阻不能提供保護的部分還有開機時的沖擊電流,短路時的過電流,電壓突降等情況,這些情況需要其他方式的防護。


熱敏電阻是一種跟溫度相關的器件,一般分為兩種,NTC為負溫度系數熱敏電阻,即溫度越高,阻抗越小;PTC為正溫度系數的熱敏電阻,即溫度越高,阻抗越大。利用阻抗對溫度的敏感特性在電路設計中有著非常重要的作用。


NTC在電路中主要為抑制電路啟動過程中的啟動電流,在系統啟動過程中,由于系統內部存在功率電路、容性及感性負載,因此在啟動瞬間會出現非常大的沖擊電流。如果電路器件選型過程中沒有考慮器件瞬時的抗電流能力。那么系統在多次啟動的操作過程中,就很容易導致器件被擊穿損壞,而在電路中加入NTC,等于在輸入回路啟動時,提高輸入阻抗減少沖擊電流,而系統處于穩定狀態時,由于NTC發熱,根據其負溫度特性,阻抗降低,從而在NTC上的損耗也降低,減少了系統的整體損耗。


PTC在電路中可以起到保險絲的作用,所以其還有另外一個名字:自恢復保險絲。在系統運行過程中,電路出現異常,導致出現大電流時,如果該部分電路中串有一個PTC,那么也就等于在PTC中有大電流流過,PTC發熱,根據其正溫度特性,其阻抗將變得很大,使整個回路的阻抗變大,從而使回路的電流變小,起到了保險絲的作用。根據其正溫度的特性,PTC的另外一個作用是在電路中實現過溫保護。


電路中的電阻使用總結

電阻的知識涵蓋非常多,不僅僅是知道歐姆定律后就能應用好,其中還包括了材質極其特殊性能,如電阻元件的電阻值大小不僅與溫度、材料、長度有關,還與橫截面積有關,衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數,其定義為溫度每升高1°C時電阻值發生變化的百分數;電阻的主要物理特征是變電能為熱能,也可以說它是一個耗能元件,電流經過它就產生損耗,以熱能的形式表現;電阻在電路中通常起分壓、分流的作用;對信號來說,交流與直流信號都可以通過電阻。作為硬件工程師,想要把元器件使用的得心應手,就需要對材質、電氣特性和其特殊性有深入的了解。


dual wire - 雙線芯,對絞線 點贊(0) 投訴

P: 2019-10-06 15:24:58

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DTR - data transfer rate數據傳送速率 點贊(0) 投訴

P: 2019-10-07 10:55:55

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不錯,很好的文章,講的也非常詳細!

computer-aided management - 計算機輔助管理 點贊(0) 投訴

P: 2019-10-07 18:55:15

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value - 值,數值,價值 點贊(0) 投訴

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