1. 电阻

前言

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对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。

我们重点学习贴片电阻。

1.贴片电阻

1.1电阻阻值

1.1.1常见的电阻阻值

1.1.2阻值表来源

电阻标准由 IEC(国际电工委员会)制定,标准文件为 IEC60063 和 EN60115-2。

电阻的标称阻值分为 E6、E12、E24、E48、E96、E192 六大系列,分别使用于允许偏差为±20、± 10%、±5%、±2%、±1%、±0.5%的电阻器。其中以 E24 和 E96 两个系列为最常用。

"E"表示"指数间距"(Exponential Spacing),它表明了电阻阻值是由公式计算出来的。

字母 n 指的是 E24,E96 等标准中的数值 24 和 96,m 的取值范围为 0~n-1;这样,E24 有 24 个基准值,E96 有 96 个基准值,这些基准值再乘以 10 的 x 次方,就可以得到各种各样的电阻值了。

1.2 电阻丝印

封装 0603 以上的电阻(包含 0603)在表面都印有丝印。丝印展示出了 2 层意义:阻值大小和精度。

常用电阻丝印一般有这几种情况:

  • 带有三位或者四位数字的丝印
  • 带有字母"R"的丝印
  • 带有数字和 R 之外字母的丝印

1.2.1 带有三位或者四位数字的丝印

三位数字表示 5%精度的,四位数字表示 1%精度的,前面几位表示数值,最后一位表示 10 的 x 次方。

例 1:丝印为"103",则:R=10 * 10³ = 10KΩ,5%精度

例 2:丝印为"1003",则:R = 100 * 10³ = 100KΩ,1%精度

1.2.2 带有字母"R"的丝印

带字母"R"的电阻一般阻值较小,精度多为 1%,不过也不绝对,可以把 R 看作是小数点,前边的数字为有效值。

例:丝印为"22R0",将 R 看作小数点,前面的 22 表示有效值,读数为 22.0Ω,即精度为 22Ω的 1%精度电阻。

1.2.3 带有数字和 R 之外字母的丝印

这种电阻丝印在 0603 封装中比较常见,精度为 1%,与之对应的标准为 E-96。

E-96 规定:用两位数字加一个字母作为丝印,实际阻值可以通过查表来获取,两位数字表明了电阻数值,字母表明了 10 的 x 次方,也需要查表。

例:丝印为"88A",从下表知,"88"代表 8.06,A 代表10²,即阻值:8.06 ∗ 10²= 806Ω。

1.3 电阻精度

电阻的精度一般用字母表示:

T:±0.01% A:±0.05% B:±0.1% D:±0.5% F:±1% J:±5% K:±10%

最常用的精度是 1%和 5%

一般场合使用 5%精度,有精度要求的使用 1%电阻,比如 DCDC,电流采样,特殊要求的根据实际情况选择更高精度的。

1.4 电阻的封装

封装的命名是根据电阻的实际尺寸来的---英寸单位

例子:0402 实际尺寸:1mm*0.5mm 0.04 英寸*0.02 英寸 0402

常用的电阻封装有: 01005、0201、0402、0603、0805、1206、1210、1218、2010、2512

目前一般电子产品主要用 0402,0603 封装的,要求功率高点的用 1206 的,手机或者穿戴设备会用到更小封装,比如 01005,0201 等。

1.5 电阻的功率

1.5.1 电阻额定功率与封装

电阻的额定功率主要由封装决定,但也不是绝对的,还跟电阻的工艺(薄膜还是厚膜),品牌,阻值大小等有一定关系。

如果上网查功率与封装的关系的话,会有一些网友给出功率与封装表格,那并不一定总是正确的,使用时需要谨慎。

下面列一些厂家的电阻与额定功率的关系表格

同一封装,不同品牌的电阻功率可能不同。

同一封装,不同精度的电阻功率可能不同。

同一封装,不同阻值的电阻功率可能不同。

1.5.2 电阻额定功率与温度的关系

需要注意的是,上一小节提供的额定功率是在 70℃条件一下的,如果温度超过 70℃,其额定功率是会下降的。

并且,R01005 和 R0201 比其它封装电阻的额定功率,随温度升高有下降得更快的趋势。

R01005 和 R0201 电阻的工作温度范围是-55℃~125℃,R0402 及其以上工作温度范围为:-55℃ ~155℃。

如下图是贴片电阻的负荷(额定功率)下降曲线。

注 1:曲线①使用于 01005,0201 产品,曲线②使用于 0402、0603、0805、1206、1210、2010、2512 产品。

注 2:当电阻使用的环境温度超过 70℃时,其额定负荷(额定功率)按照上述曲线下降。

1.5.3 电阻的额定电压

电阻是有额定耐压值的,不能超过额定耐压值使用。

1、材质相同(厚膜)的额定电压,各品牌相差不大。

2、材质不同,额定电压有差别,薄膜要比厚膜要低。

3、封装越大,额定电压升高。

1.5.4 电阻的温漂

1.5.4.1 电阻温度系数 TCR

电阻温度系数(temperature coefficient of resistance 简称 TCR)表示电阻当温度改变 1 摄氏度时,电阻值的相对变化,单位为 ppm/℃,ppm(part per million)百万分之几。

温度系数= (R-Ra)/Ra ÷ (T-Ta) × 1000000

Ra: 基准温度条件下的阻值

Ta: 基准温度 20℃

R: 任意温度条件下的阻值

T: 任意温度

一般常用电阻温度系数的范围为:-200~500ppm/℃

1.5.4.2 电阻温漂影响

例:100ppm/°C 电阻温度系数的贴片电阻器,从基准温度 20°C 到 100°C 时的阻値变化率是?阻值变化率=温差*温度系数/100 万=(100-20)*100/1000000=0.8%

1.6 0Ω电阻(重点)

1.6.1 0Ω电阻的作用

  • 方便测试电流
  • 兼容设计,跳线
  • 模拟地,数字地分开,单点接地
  • 占个位置(可换成其它阻值的电阻,也可换成磁珠)
  • 做电路保护,充当低成本熔丝

1.6.2 0Ω电阻阻值多大

根据电阻标准文件 EN60115-2,0Ω电阻实际最大阻值 10mΩ,20mΩ,50mΩ可选,实际查询各个厂家,普通 0Ω电阻的阻值最大可达 50mΩ。

1.6.3 0Ω电阻过流能力

如果需要能过超大电流的 0Ω电阻,也是有的,只不过这种电阻就不常规,如下图罗姆的超大过流能力的 0Ω电阻,单个可达到 20A-60A,阻值最大只有 0.5mΩ,不过价格也非常贵。

2.电阻思考

2.1 0Ω电阻到底能过多大电流

这个问题想必每个硬件工程师都查过,与之相关的还有个问题:0Ω电阻阻值到底多大?这两个问题本来是很简单的问题,答案应该也是明确的。问题出就出在网上网友给出的答案都不尽相同,有人说 0Ω电阻其实是 50mΩ,有人说没那么大,是 20mΩ。有的说 0603 只能过 1A 电流,有的说可以过 1.5A。

那么到底是多大呢?下面我们一步一步来看。

2.1.1 0Ω电阻阻值大小

我专门去查了下电阻的标准,根据 EN60115-2 电阻标准文件。

里面是这么说的,0Ω电阻的阻值是 0Ω,但也会有偏差,0Ω最大电阻偏差有三种可以选择,分别是10 毫欧,20 毫欧,和 50 毫欧。也就是说 0Ω电阻偏差可以允许有多种偏差,那么主要看就看电阻厂商做哪种了。

我下载了几大品牌的,罗姆,国巨,光颉的普通 0Ω电阻规格书查看了下,他们标注的的 0Ω电阻,最大阻值都是 50 mΩ。

所以,可以得出结论,常用的普通 0Ω电阻阻值最大不超过 50mΩ。

2.1.2 0Ω电阻的过流能力

网上会有一种观点,说 0Ω电阻的电流是根据功率算出来的,电阻按照 50 毫欧来算。这样的话, 0805 的电阻功率一般为 1/8W,算出额定电流应该是 1.58A,但是我们查规格书发现,几大品牌的都是 2A,与计算出来的有些出入。

几大厂家的普通 0Ω电阻额定电流如下:

可以看出,几大厂家的 0Ω电阻的额定电流还是有差别的,不尽相同。我建议综合各家的,按照最小值来选,这样就不论什么品牌,都不会超规格设计了。

额定电流综合之后表格如下:

我们看到,常规的电阻的电流都不大,按照综合后的最小值,最大的也就 2A,如果设计电路时发现,我要用 3A 或 4A 的 0Ω电阻,那怎么办呢?其实很简单,可以用 2 个 0Ω电阻并联起来就行了。

可能会觉得奇怪,怎么有的封装变大了,但是过流并没有增加呢?例如 0805 和 1206 都是 2A,这里呢,应该是额定电流虽然没有增加,但是瞬间电流应该是能过更大了。如果你打开国巨的电阻规格书,你会发现它写了 2 个参数,一个是额定电流,一个是最大电流,额定电流都是 2A,但是最大电流 0805 是5A,1206 是 10A。

注:Jumper 就是 0Ω电阻(标准文件就是这么写的,如下图)

2.1.3 特殊大额定电流的 0Ω电阻

如果是更大的电流,也是有电阻可选的,不过这些电阻就不常规了,比如这个罗姆的超低阻值电阻,最大阻值 0.5 毫欧,小了 100 倍,额定电流更是达到了 20 多安,但是呢,价格非常贵,要好几毛钱,而普通电阻一分钱能买好几个。

2.2 常用电阻阻值表怎么定的

说到电阻,都知道电阻阻值不是任意的,那么你知道电阻是咋定的吗?

当你发现有 4.99K 的电阻,有 5.1K 的电阻,但是没有 5K 的电阻的时候,有没有感叹这是哪个脑残定的阻值哦!

下面就来说一说"电阻值是怎么定的?"

2.2.1 阻值标准

电阻标准由 IEC(国际电工委员会)制定,标准文件为 IEC60063。

我们常用的阻值标准由 E24 和 E96 两种。 E24 是 5%精度的,数量较少,E96 是 1%精度的,数量较多(当然,如果某种电阻阻值是 5%精度的,肯定能找到同阻值 1%的,反之则不一定)。

E24、E96 是啥意思?

请看下面的公式:

24 或 96 就是公式中的字母 n 的值,m 的范围为 0≤ m≤ n-1,这样代入公式计算会得到 n 个基准值。

所以,E24 有 24 个基准值,E96 有 96 个基准值,这些基准值再乘以 10 的 x 次方,就可以得到各种各样的电阻值了。

这样表述不够直观,请看下表:

2.3 电阻的温度系数需要考虑么

本文的目的主要是为了提醒朋友们"电阻是有温漂的,而且还不小"。

一般我们设计电路的时候,只会考虑到封装,功率,很少会提电阻的温度特性,其实常用的电阻的温漂还是挺大的,就算咱一般不考虑,还是得了解下,避免入坑。

温度系数 TCR

电阻温度系数(temperature coefficient of resistance 简称 TCR)表示电阻当温度改变 1 摄氏度时,电阻值的相对变化,单位为 ppm/℃,ppm(part per million)百万分之几。

TCR 大小

都说谈毒性不谈剂量是耍流氓,说电阻有温漂不说温漂大小同样是不对的。

我们用得最多最便宜的电阻应该是厚膜电阻了,其温漂大小可参考国巨,如下图。

可以看到,常规 0402、0603 的电阻的 TCR 是 100-200ppm 左右,不过看到这个貌似也没啥感觉,那换个问题:

100ppm 的电阻,温度从 20 摄氏度升高到 100℃,阻值变化可能达到多少呢?

阻值变化率=温差*温度系数/100 万=(100-20)*100/1000000=0.8%如果是 200ppm 的电阻,那么变化率就是 1.6%

需要提一点的是,这个 100-200ppm/℃也不是绝对的,翻开其它厂家的规格书,偏差也不尽相同,也有达到 300-400ppm/℃,跟阻值大小,封装大小等都有一定的关系。

总之大致可以看出,常规环境使用的情况下,粗糙估的话,电阻温漂造成的电阻变化在 1%左右,需不需要考虑这个特性那就要看做啥产品了。

低温漂-薄膜电阻

如果需要考虑电阻温度系数,及需要使用 TCR 值低的电阻,市场上也有大把的。一般薄膜电阻的温度系数比较低,比如下面国巨薄膜电阻的几个系列的温度参数。

2.4 瞬间功率很大,电阻会烧坏不?

其实主要是在一些开关电路,在开关的时候,因为寄生电容或是电感的存在,可能会对电阻有一个瞬间的冲击。

这个瞬间,电阻功率可能会很大,如果还以电阻额定功率来限制的话,就有点强人所难了。

电阻也一样,瞬间功率超过电阻的额定功率,只要超过的时间够短(剂量不够),并不一定会烧坏电阻。

我查了下,国巨最普通的厚膜电阻是 RC 系列,也就是我们最常用的。

它的耐功率冲击表现是这样的。

我们知道,常规的 0402 的电阻的额定功率是 1/16W,也就是 0.0625W,电阻以这个功率可以持续工作。

从图可以很清楚的看到:

如果功率给到 10W,那么电阻可以扛住 10us 时间不坏,超过 10us 可能就挂了。如果功率再小一点,比如 3W,那么电阻可以扛住 150uS 时间不坏。

冲击的功率与时间的关系:

10us--------10W

100us------3W

1ms--------1.5W

10ms------0.3W

100ms----0.18W

1s---------0.09W

文档还给了耐电压冲击

这个得强调一下,电阻是有耐压值的啊,就是有额定电压,这一点翻翻电阻规格书就知道了。

一般 0402 电阻,额定电压是 50V。

但是从上图可以看到,在 150V 时是可以扛住 1ms 不烧坏的。

以上说的都是国巨的 RC 系列电阻,它是最普通的厚膜电阻,其它品牌的我没有找到这个参数,不过想来应该也差不多。

好了,本节内容就到这里了。

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