硬件工程师的小本本 —— 一、电阻

自学硬件时读过一本书,叫《硬件系统工程师宝典》,虽然名字很low,但这是我正式入门的第一本书。我很喜欢作者浅显的文字和实用的教程,我一向推崇分享知识和经验,能读到这样的书籍,是我的幸运。我也想用自己的文字带给他人同样的感受,这样的期望也许很自大,权当我的自我满足吧。
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正文
电阻
电阻是什么呢?
导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。电阻(Resistance,通常用“R”表示)是一个物理量,在物理学中表示导体电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母R表示,电阻的单位是欧姆,简称欧,符号为Ω。(本段来自百度百科)
我想写的其实是“电阻器”,经常简称为“电阻”。
电阻器是一种电子元器件,使用在各种电路和电气设备中。
以常见的外观来分类的话,有这几种电阻:
色环电阻、贴片电阻、线绕电阻、水泥电阻、旋转变阻器(旋转电位器)、滑动变阻器等等。如下所示。
这些电阻器都是电阻,适用于不同的使用场景,它们都有标称的电阻值、精度等级、使用温度范围、电阻温度系数、额定功率、使用寿命等参数。

色环电阻
色环电阻一般用于手工焊接的电路板,或仅使用波峰焊的电路板。它体积较大,引脚可以插入焊接孔的,便于操作,适用于波峰焊的自动化焊接工艺。色环电阻还可以通过色环的颜色识别其电阻值和精度等级,这是很多初学硬件的人都会被教授的知识,具体的识别方式很容易检索到。

贴片电阻
贴片电阻体积小,成本低,一般用于对体积、成本有要求的电路板。贴片电阻可以做到非常小的尺寸,大家的手机中,通常会使用0201封装的贴片电阻和电容,也就是长0.5mm、宽0.25mm的器件,这种器件很难手工焊接,可以通过回流焊的焊接设备进行批量焊接。
贴片电阻一般会通过其长宽的尺寸定义其封装,经常被大家叫做0805、0603等名称,这个名称实际上是公制和英制混用的。例如,0805的电阻,长为0.08英寸(2mm),宽为0.05英寸(1.25mm),使用英制时是0805封装电阻,使用公制就叫做2012封装电阻。不过最常使用的还是英制的称谓,厂家在给自己的贴片电阻产品标型号时,也一般使用英制的规格。大家如果只通过封装和阻值去购买电阻,尽量使用英制的叫法,不然经常会出现误解,买到错误的封装。
贴片电阻跟色环电阻类似,会标明其自身的阻值,但更加直接,其电阻值是通过数字的形式标在正面。例如,10k欧姆的电阻,会标上“103”或“1002”。“103”的意思是10乘以10的3次方,即10000。“1002”的意思是100乘以10的2次方,也是10000。那为什么会有不同的标法呢?因为电阻还有精度等级的区别。
贴片电阻阻值误差精确度有±1%、±2%、±5%、±10%,用的最多的是±1%和±5%。±1%精度电阻阻值常用4位数表示,±5%精度电阻阻值常用3位数表示。而1002就是精度为±1%的10K电阻,103是精度为±5%的10K电阻。很多电路对于电阻器的电阻值精度要求不高,使用5%的就足够,但某些模拟量相关的信号则要求精确的匹配电阻值,这种情况下就必须使用1%甚至千分之一精度的电阻。电阻的精度跟价格一般是相关的,但1%并没有比5%的贵太多,因此不是批量定型产品的话,没有必要使用5%精度的电阻。
贴片电阻虽然体积小,但也不是所有场景都会使用最小封装的贴片电阻。对于体积要求不是那么严苛的场景,经常使用0402封装的电阻,因为这是手工焊接还能较为方便应用的尺寸,同时其占用的电路板面积也非常小。如果需要经常手工焊接或者手工替换电路中的电阻,最好使用0805大小的电阻。
对于某些需要消耗一定功率的电阻,贴片电阻也不能使用太小的封装。一般而言,贴片电阻的封装大小跟其允许的最大功率是相当的。0402的电阻最大允许功率为1/16W,即对于1k的0402电阻,最大允许压降为7.9V,最大允许电流为7.9mA,如果接近或超过这个功率,电阻的寿命会急剧下降,随时会开路、烧毁或炸裂。
实际上,电阻一般都会限制其实际使用功率,在最大允许功率的一定百分比以下进行使用,即降额使用。如果某电路需要1k的电阻,同时要求通过电流为10mA,即额定功率为0.1W,那么设计时就会使用最大允许功率为0.1W/60%=0.167W以上封装的电阻,也就是1206或1210封装的贴片电阻。对于没有特殊应用场景的电阻,降额一般取为60%。

线绕电阻
绕线电阻,相对于色环电阻和贴片电阻,绕线电阻体积大很多,额定功率也大很多,使用场景一般是对电阻功率有要求的场景。

水泥电阻
水泥电阻,跟绕线电阻类似,一般用在对电阻功率有要求的场合,一般用在电压缓起、功率泄放等电路中。水泥电阻既有图片中直插的类型,也有贴片的类型。大功率的水泥电阻还会包覆一层金属散热片外壳。

旋转变阻器(旋转电位器)
高中物理经常使用滑动变阻器作为考题中的器件,但实际产品中很少使用体积那么大的电阻,能够焊接在PCB板上的大多是上图中类似的旋转变阻器,它们体积很小,阻值可选。
有的能够无限制的一直旋转,有的只能旋转0-360°。
一般有3个引脚,左边和右边是完整的电阻值,中间的引脚相对两边引脚的电阻值是可变的。

滑动变阻器(高中物理的怨念~)
上图就是大名鼎鼎的滑动变阻器~
学过高中物理的大家应该对此都不陌生了,这种电阻也没什么特别的,只是功率会比色环电阻或贴片电阻稍大一些。
前文按照外形对电阻器进行了举例,而从功能上分类,还有一些特殊用途的电阻,比如:热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻、PTC电阻、0欧电阻、熔断电阻、气敏电阻。
这些电阻大都可以从名称上判断出其用途,比如热敏电阻就是对温度敏感的电阻,电阻值会随着自身的温度变化,可以用来测量温度;光敏电阻就是对光强敏感的电阻,电阻值会随着受到光照的强度而变化,可以用来判断环境的光照强度;压敏电阻,随着受到的压力不同,电阻值发生变化,可以用作压力传感器或应变传感器;熔断电阻则一般用作保险丝;气敏电阻会对某一类气体的浓度产生感应,随着浓度变化发生,可以用于低精度的气体浓度检测;PTC电阻和0欧电阻稍微特殊一些。
PTC电阻,原意为正温度系数电阻,实际上绝大部分电阻器都是正温度系数的电阻,但一般提到PTC电阻的时候,指的是正温度系数比较大的电阻。这些电阻随着电流的增加,温度显著升高,同时自身的电阻值显著增大,会明显的影响到原本的电路功能,因此会应用到很多需要限制电流值的保护性场合。
一般提到保护器件,都会使用保险丝,但保险丝一旦起作用,就需要更换,而串联在电路中的PTC电阻同样也能起到保护作用,并且当外部短路被去除后,PTC电阻又能自动恢复正常的低电阻值,从而起到自恢复保险丝的作用。
0欧电阻,字面意义上理解就是没有阻值的电阻,一个电阻没有阻值能做什么呢?首先,0欧电阻的实际电阻约为10毫欧至50毫欧,并不是真的0欧姆,另外,0欧电阻的英文原名叫做chip jumper,翻译过来是跳线芯片(或跨接电阻),因此0欧电阻实际上更像是一个连接件,用来在电路上跨接不同的电路网络。0欧电阻的作用包括:
1.为了调试方便,预留焊接位置或测量点
2.当跳线作用,如果某个线路不用,直接不焊接该电阻即可
3.在匹配电路参数不确定时,用0欧姆代替,实际调试时确定参数,再以具体阻值代替之
4.想测试某条线路的电流时,可以去掉0欧姆电阻,接上电流表,方便测试
5.在很多单层板或双层板里,由于布线较为困难,无法使用过孔和换层,就通过跨接一个0欧电阻实现布线
6.在高频信号电路中,当电感或电容。解决EMC问题。
7.单点接地
8.作熔丝
9.模拟地和数字地单点接地
除了上述这些电阻器,电热丝、电热膜、电热板其实也可以算作是电阻器,只是设计功能和普通的电阻器不一样。
电阻在选型时需要关注的参数主要是电阻值、精度、功率、封装(体积)等,特殊类型的电阻则需要额外关注其特殊功能本身。
下面是一家贴片电阻生产厂家的产品规格书,从规格书里可以更详细的了解到电阻器真实的技术指标。
讲了电阻本身,再来讲讲怎么购买电阻器。
电阻虽小,但也是正经的电路元器件,几乎所有的电子产品内部都有电阻器的存在。
购买电阻,最直接的方式就是去电子市场,在地图导航里搜一搜,去本地的电子市场转一转。题主在北京上班,以前经常去中发电子市场逛悠。其实中关村在很久以前也是电子市场,那时候不仅卖电脑,更多的是各种电子元器件和电子产品,只是后来电子元器件的柜台逐渐和电子产品分开了,很多集中到了中发,所以中关村终于成为了卖电脑的骗子们的聚集地。
去柜台买电阻有几个问题,一是柜台的电阻实际的生产厂家不明确,二是柜台的电阻报价偏高,三是柜台的卖家不懂电阻,只是按照你给出的规格去别家拿货而已。
记得我第一次去中发买电阻,跟老板说了半天,想买色环电阻,10个100欧的、10个1k、10个3.3k的……,老板看着我这种小白,报价1元一个,无情的割我韭菜,毕竟没有经验,只能认宰。
为了避免这种情况,建议小白们去柜台逛一逛,装作要买的样子,跟老版本聊聊型号、供应商、价格什么的,但最后还是上网采购比较合适。
不去电子市场的话,还可以怎么买电阻呢?
1、网络分销商
2、淘宝
3、代购商
4、代理商
网络分销商。有很多家成熟的网络分销商网站,比如:得捷、贸泽、富昌、e络盟等,在他们的网站可以购买到绝大部分市面上的电子元器件,包括电阻、电容、电感、逻辑门、缓冲器、电源芯片、FPGA、CPU、DDR等等,而且他们的定价都是阶梯定价,买一个可以,买一千个也可以,虽然定价不算便宜,但绝不会让你被柜台老板坑一把那么疼。
淘宝。淘宝上也有很多电子元器件的店家,他们的价格一般会便宜很多,但他们一般就不会一个一个卖了,除非是一个几元钱或者更贵的器件,这种店家的货源一般不太好指定,也无法保证是正品,便宜的器件一般不会有质量问题,但稍贵一些的芯片出现二手或者翻新的概率也是有的。
代购商。淘宝上除了直销或者代销的店家,还有很多类似于电子市场柜台一般的存在,我称呼他们为代购商。他们实际上就是北京中发或者深圳华强北某个柜台后面的老板,你可以将你需要的电子元器件的清单给他们,他们会尽力在整个电子市场给你配齐所有的电子元器件。通过这种店家,可以很省心的购买,如果不指定器件的生产商,几乎所有器件都可以找到,如果器件参数指定十分详细,包含各种后缀的参数,大部分也还是可以买到的,但个别器件的价格必定会高一些。这些店家的采购价格一般比大网站的网络分销商贵很多,毕竟作为小白,店家也还是宰了你一刀。
代理商。最为正式的渠道,就是通过生产厂家的官方代理商进行购买,但这种方式一般不适合个人和小公司。几乎所有的电子元器件生产商,都不会进行小批量的销售,厂家只会通过官方代理商进行销售,代理商下面可能还有各级代理商或经销商。如果你已经在一家公司任职了,那确实是有可能通过代理商进行电阻采购的。我所知的生产商不多,风华和国巨两家,是产量大、售价低的电阻生产商,不过一般的公司采购们都很熟悉这些了,也不需要硬件工程师去选择供应商和进行贸易洽谈。
不过凡事都有例外,国内越来越多的小厂商研发了各种电子模块,这些模块销量不大,基本都在淘宝上有官方旗舰店,因此,个人还有有机会买到原厂产品的,O(∩_∩)O哈哈~
这篇文章写了不少关于电阻的事情,都是一些浅显的经验,没有什么难懂的知识和深刻的道理,我也只是想记录一些自己的经验,如果能对喜欢硬件的人有帮助就好了~
下一篇文章,写写关于电阻在常见电路中的用法。
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