一文搞懂电阻原理

电阻和电容、电容一起，被称为电子学领域的三大基本"粒子"，就像复仇者联盟中的那几个奇幻宝石一样，组成了丰富且神奇的电子世界。

从能量的角度来看，电阻本质上是一个耗能元件，他通过设置障碍，阻碍电子的移动，并让电子不断地摩擦而产生热量。

在欧姆定律中，我们定义电阻为在一个恒定的电压下，可以流过多少电流，也就是 R = U / I 。

如果使用焦耳定律来理解，可以阐述为在电阻上流过一个电流，单位时间内产生的热量。

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。

一、电阻的基本原理

电阻和电容、电容一起，被称为电子学领域的三大基本"粒子"，就像复仇者联盟中的那几个奇幻宝石一样，组成了丰富且神奇的电子世界。

从能量的角度来看，电阻本质上是一个耗能元件，他通过设置障碍，阻碍电子的移动，并让电子不断地摩擦而产生热量。

在欧姆定律中，我们定义电阻为在一个恒定的电压下，可以流过多少电流，也就是 R = U / I 。

如果使用焦耳定律来理解，可以阐述为在电阻上流过一个电流，单位时间内产生的热量。

下图展示了实际电阻元件的等效模型

真实的电阻器件都是非理想的，存在一定引线电感和极间电容，当应用在频率较高的场景下时，这些因素不能忽略。

薄膜电阻的频率特性

上图是一个薄膜电阻的频率特性曲线，可以看到这个电阻的高频特性非常好，它的极间电容只有0.0262pF，引线电感只有0.00189nH，其中75Ω 阻值的电阻在30GHz的频率下工作还是稳定的。

当然，这种薄膜电阻肯定是一种特殊工艺制成的，我们通常使用的贴片电阻主要是以厚膜电阻为主，性能远达不到上图中的高频特性，厚膜电阻的引线电感通常在几个 nH，两引线点的极间电容在几个 pF，因此大多数厚膜电阻只能使用在几百 MHz 到 GHz 左右。

二、电阻值的标准

我们在电路设计中所选用的电阻都遵循着一些标准，这主要是为了方便生产和设计，我们不能随便选一个电阻，比如：5.28Ω。

并不是我们无法生产出来，只是这样做会导致市场的需求散乱，趋于定制化，自然就没有办法进行大批量地制造和供应。

因此，国际上的 IEC 阻值就制定了一个电阻阻值和容差相关的标准。

要注意以下三点：

不同精度的电阻对应着不同精度的系列。通常10%精度的是E12系列，2%和5%是E24系列，1%是E96系列，而0.1%、0.25%和0.5%是E192系列。

系列名中的数字代表着该系列有几个标准阻值，通常为6的倍数。例如，E12系列有12个不同的阻值，E192系列有192个不同的阻值。

每个系列的阻值都近似是一个等比数列，公比为10开多少次方，基数是10Ω。例如E12系列的公比是10开12次方，E96系列的公比都是10开96次方。

有兴趣的可以按照上表数一数，算一算是不是上述规律。

三、阻值标记

我们在设计中选择最多的是精度为5%和 1%的贴片电阻，一般 0603 及其以上的电阻封装都会有对应阻值的标记，我们可以先了解一下这些标记的意义。

E24系列(5%精度)

对于大于10Ω的阻值，通常用3位数字表示阻值，前两个表示阻值基数，最后一位表示乘以10的几次方。

例如标记100代表10Ω，而不是100Ω，472代表4.7kΩ。小于10Ω通常用R来表示小数点，例如2R0，表示2Ω。

E96系列(1%精度)

E96 系列通常由2位数字加一个字母表示，2位数字代表是E96系列的第几个阻值，字母表示乘以10的几次方，其中Y代表-1，X代表0，A代表1，B代表2，C代表3，以此类推。

上面说的是贴片类的电阻标识阻值的方式，对于轴向引线封装的电阻，也就是我们常说的直插电阻，它是利用电阻上的色环颜色来标识阻值的，因此我们也称他们为色环电阻。目前市面上除了一些超大功率的地方需要用到色环电阻外，随着电路密度不断地增加，已经很少看到色环电阻了。

色环电阻的阻值标记都是一圈一圈的色环。

从左往右，前两个或三个环代表数字，接下来的环代表乘数，与前面的数字相乘便是阻值。再接下来的环代表电阻的容差，最后就是电阻的温度系数。

四、电阻的工艺与结构

这里我们只谈固定电阻，也就是我们设计中最常使用的固定阻值的电阻，这种电阻目前在设计选用中分为两类，一类是轴向引线式的，也就是我们提到的色环标识的直插电阻，另一类就是片状电阻。

1 轴向引线电阻

这类轴向引线电阻轴线通常都是圆柱形，两个外电极是圆柱体两端的轴向导线。

再从材料和工艺上区分，可以更细致的分为绕线电阻，

绕线电阻

绕线电阻是将镍铬合金导线绕在氧化铝陶瓷基底上，使用绕制的圈的多少来控制电阻大小。

绕线电阻精度高，容差可以做到 0.005%。

绕线电阻温度系数低，主要在于镍铬合金材料。

绕线电阻寄生电感大，看绕制方式便知，因此不能用于高频场景。

绕线电阻可以做大功率电阻。

碳合成电阻

碳合成电阻主要是由碳粉末和粘合剂一起烧结成圆柱型的电阻体，其中碳粉末的浓度决定了电阻值的大小，在两端加镀锡铜引线，最后封装成型。

碳合成电阻工艺简单，原材料也容易获得，所以价格最便宜，也就是我们常用的色环电阻了。

1. 碳合成电阻性能较差，精度只能做到 5% 和 1% ，大多数场合够用了。

2. 碳合成电阻的温度特性不好，因此噪声也会比较大，适合消费类低端产品。孩子们做实验用可以。

3. 碳合成电阻的耐压比较高，因此内部是一个碳棒，基本不会烧毁。

碳膜电阻

碳膜电阻主要是在陶瓷棒上形成一层碳混合物膜。

比如直接在陶瓷棒上涂一层，其中碳膜的厚度和内含的碳浓度可以控制电阻值的大小，这个方式和很多催化燃烧的气体传感器一模一样。

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2024-03-15

如果想更加精确，细分地控制电阻阻值，可以在碳膜上加工出螺旋状沟槽，这就类似于绕线电阻一样，只不过绕在上面的是碳膜。螺旋越多电阻越大，最后加金属引线，树脂封装成型。

1. 碳膜电阻可以做的精度更高，因此可以控制碳膜浓度和厚度，且可以雕刻螺纹。

2. 碳膜电阻的温度特性较差，因为它用的材料还是碳。

金属膜电阻

与碳膜电阻结构一样的，金属膜电阻主要是利用真空沉积技术在陶瓷棒上形成一层镍铬合金镀膜，然后在镀膜上加工出螺旋沟槽来精确控制电阻。

1. 金属膜电阻因为采用了镍铬合金，因此精度高。

2. 金属膜电阻的温度特性也非常好，因此用的是镍铬合金。

金属氧化物膜电阻

把金属膜电阻的材料换成金属氧化物就变成了金属氧化物膜电阻。金属氧化物膜主要是在陶瓷棒形成一层锡氧化物膜，为了增加电阻，可以在锡氧化物膜上加一层锑氧化物膜，然后在氧化物膜上加工出螺旋沟槽来精确控制电阻。

金属氧化物膜电阻最大的优势就是耐高温，因为使用了氧化物。

2 片状电阻

金属箔电阻

金属箔电阻是通过真空熔炼形成镍铬合金，它通常是通过滚碾的方式先制作成金属箔，再将金属箔黏合在氧化铝陶瓷基底上，最后通过光刻工艺来控制金属箔的形状，从而控制电阻。

金属箔电阻是目前性能可以控制到最好的电阻。

厚膜电阻

厚膜电阻改善了工艺，采用丝网印刷法，先在陶瓷基底上贴一层钯化银电极，然后在电极之间印刷一层二氧化钌作为电阻体，厚膜电阻的电阻膜大约100um，还是比较厚的。

厚膜电阻是目前应用最多的电阻，价格便宜，容差有5%和1%，绝大多数产品中使用的都是5%和1%的片状厚膜电阻，现在做设计拍脑袋想到的电阻都是这一类。

薄膜电阻

薄膜电阻就是在氧化铝陶瓷基底上，通过真空沉积形成镍化铬薄膜，通常只有0.1um厚，只有厚膜电阻的千分之一，然后通过光刻工艺将薄膜蚀刻成一定的形状。

看到没，一个是换了材料，一个是换了工艺，把印刷工艺改为真空沉积，精度和稳定性一下都提高了。

五、应用与选型

电阻的厂商主要有国巨、光颉，罗姆、威世。大陆主要是风华高科。

1 电阻的应用

发热

几乎所有的电路板上，电阻原件是必不可少的，电路板上使用最多的器件就是电容和电阻，比如各种上下拉电阻，反馈电阻等等。

电阻最常用的作用之一就是发热，比如我们冬季常用的电暖气，电热毯，电水壶等等，都是利用电阻的发热特性制成的。

看上去那些电水壶之类的应用并不是使用的我们上面提到的电阻呀?

不要觉得贴片电阻就没有加热作用，当我们在一些工业极端场景下，很多电子设备无法在极冷天气启动，或者在极冷的温度下精度无法保障，这时候就会用到贴片电阻的发热作用。

通常我们会使用一个大功率电阻做预加热功能，当温度上来后，设备启动了再关掉，之所以关掉，因为设备自己工作的功耗也会发热，可以保持温度，反正本身电阻也要发热，顺手就利用了一下，就好像汽油车冬天开暖风一样。

比如下面这个设计，就是利用了贴片电阻的发热功能，在一个小腔体内部实现了一个恒温环境，保证陀螺仪的精度。

跳线

我们可以把 0R 电阻叫做跳线电阻。在电路设计中，为了调试方便或者做兼容设计经常使用，通常需要用 0R 电阻将电源分成多路。

使用 0R 电阻作电源分配的时候，需要计算功耗来判断选择的电阻是否满足要求，这时我们要注意，0R 电阻的阻值不是真的为 0，他是一个很小的电阻值，一般不会超过 50mR，我们可以查看数据手册，一般都会注明阻值和过流能力。

有些时候电路中需要一些几十毫安的电源，比如驱动一个 LED 发光二极管，电路中的电源往往电压比较高，并且电流输出能力比较大，弄一组恒流源来驱动实不可取，因为电流太小，此时可以使用电阻限流作用驱动二极管，这个应该不用多少。

另外，我们可以利用电阻和稳压二极管实现一个小电流的稳压器，这种电路中的电阻就是用来做电流限制的。

分压

单片机往往工作在 3.3V 的电压下，有的甚至更低，我们在使用 ADC 进行采样的时候，肯定允许的最高输入电压低于 3.3V，这时候就需要使用电阻进行分压。

其他的分压应用比如DCDC输出电压反馈，5V 和 3.3V 的电平转换电路等等。

匹配电阻

高速信号中，PCB走线需要考虑传输线模型，要保证阻抗的连续性，防止信号反射会影响信号完整性。

最常用，最简单的措施就是源端串联匹配电阻，即在信号源端串联一个电阻，该电阻和源内阻之和等于传输线特征阻抗。

这样即使负载端不匹配，信号反射回来也会被源端吸收，不会再次反射。

此外，还有各种非线性的灵敏电阻，可以用作传感器、保护电路，比如温敏电阻，压敏电阻，还有气体传感器等等，我们单独用一个篇章来介绍。

2 电阻的选型

选型，简单地说，就是根据器件的规格书，提取关键参数，判断是否满足应用的要求。

首先，我们需要根据应用场景选择电阻的类型，如果常见的消费类小型化产品，我们肯定以厚膜电阻和金属膜电阻这种片状电阻为主。

如果我们的电阻是用来做检流电阻的，那么记得选择合金电阻，根据最大电流和持续电流来选择功率，目前这种合金电阻可以做到 5W 的级别。

其次，所有电阻的选择都需要根据电流来计算电阻的功率，从而进行封装的锁定，一定要有降额设计。

封装不仅仅由功率决定，很多场景也和我们的产品相关，比如我们的产品是需要维修的，那么我们应该选择封装大一些的电阻。

最后，不要忘了电阻的耐压，别以为电阻没有耐压，如果电路中涉及到 220V 甚至更高的电压时，可不能在高压中间串联一个 1MR 0402 的电阻就认为没问题，一定要注意小封装电阻的耐压。