每月電子零件:電阻

四月 17, 2013
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在這一年當中,每個月我們都會詳細介紹一樣不同的電子零件,剖析它的構造、運作原理與應用至專題的可能性,在上一個月的專欄當中,我們介紹了電池的原理與應用,而這個月的專欄當中,我們介紹的是電阻。電阻的主要功能在於限制電流強度,並藉此控制迴路,將電流導引至某個零件,或者保護另外一個零件等等。和往常一樣,我們會首先介紹電阻的原理與功能,以下內容節錄自查爾斯‧普萊特(Charles Platt)的《電子零件百科全書:

第一冊》(暫譯,Encyclopedia of Electronic Components: Volume 1)。

電阻是最基礎的電子零件之一,它的功能在於阻礙電流並造成電壓下降,通常,電阻上有兩條電線,連接電阻本體的兩端或兩側,電阻本體通常是由導電性相對較低的材質構成,電阻的單位是歐姆,以希臘字母Ω表示。

電路圖上,電阻表示法如上圖(左圖:傳統電路圖示;右圖:晚近歐系圖示),在歐系電路圖中,美系圖示有時會出現,反之亦然,字母K與M則分別表示千歐姆或百萬歐姆,這些字母代號在歐洲較常使用,但是,在美國也會出現,有時候,字母可以用來代替小數點的功能,舉例而言,4.7K電阻可以4k7表示,3.3M電阻可以3M3表示,依此類推。

電阻時常用來限制電容的充電速率、提供半導體(如雙極電晶體)適當的控制電壓、保護LED或其他半導體零件避免電流過大、調整或限制音響線路的回傳頻率(搭配其他零件)、在數位邏輯線路中將輸入針腳的電壓向上或向下調整、或者控制線路中某處的電壓值,在最後這個應用方式當中,可以將兩個電阻依序排列作分壓器使用。

如果需要不同電阻的話,分壓計也可以作為電阻之用。

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右圖是不同單位的電阻,由上往下電能消耗功率分別是3瓦特、1瓦特、0.5瓦特、0.25瓦特、0.25瓦特、0.25瓦特、0.125瓦特,誤差值則由上往下分別是正負5%、5%、5%、1%、1%、5%和1%,米黃色的電阻本體表示誤差值為5%、而藍色本體則通常表示誤差值為1%或2%;另外,藍色與暗褐色電阻內含氧化金屬膜零件,而米黃色電阻與綠色電阻則內含碳膜,電阻本體若是藍色或褐色,表示內含氧化金屬膜;而若電阻本體是米黃色或綠色,則表示裡面含有碳膜。

原理

在阻礙電流、降低電壓的過程當中,電阻會吸收電能,然後以熱能的形式釋放,在現代多數的電路當中,散失的熱能都低於一瓦特以下。

如果R表示電阻(單位為歐姆),I表示流過電阻的電流(單位為安培),V表示電阻造成的電位差(電阻連接兩端的電位差距),根據歐姆定律,三者的關係如下:

V = I * R

換句話說,一歐姆的電阻代表當電位差為一伏特時,使得一安培的電流得以通過。

若W表示因電阻而散失的電能(單位為瓦特),則在直流電迴路當中:

W = V * I

將歐姆定律公式移項之後,我們可以使用電流與電阻來表示瓦特數:

W = I^2 * R

當然,我們也可使用電壓與電阻來表示瓦特數:

W = V^2 / R

這些公式代換在您不知道電壓數或電流量時都可以用來求值。

在交流電的迴路中,這幾個變數之間的關係也類似於此,只是電能的公式較為複雜一些。

各類電阻

  • 軸型的電阻的外型是圓形本體兩端各伸出一條導線,而放射是電阻則較為少見,從電阻本體一端延伸出兩條平行導線。
  • 精密電阻的定義通常是誤差值低於正負百分之一。
  • 一般電阻穩定性較差,數值也較不準確。
  • 功率電阻則通常會散失一到二瓦特以上的電能,尤其用於電源供應器或電源放大器上,通常,這一類的電阻體積較大,而且可能需要散熱器或者風扇。
  • 線繞電阻用於零件需要承熱的情況中,通常,線繞電阻會有隔熱管或者平式/圓柱形本體,外面則纏有許多層保護用線圈,線圈材質通常是鎳鉻合金(nichrome、Ni-chrome),外面包有一層塑膠漆,電路板溫度必須有所限制,因為電流通過線圈時產生的熱能可能會產生問題。但是,在日常電器用品如吹風機、烤麵包機、扇葉式暖爐當中,鎳鉻合金零件通常是用來產生熱能的。此外,線繞電阻也用於3D成形機,用來將塑膠(或其他化合物)熔化並輸出成品。
  • 厚膜電阻有時候會做成平整的方形,右圖就是一個例子,平面可發散十瓦特的電流,電阻值為1K。
  • 表面黏著型電阻通常包含一層電阻油墨,印在氧化鋁與陶瓷構成的本體上,常見的尺寸為六公釐,也就是2512規格。每一個表面黏著型電阻都有兩個鍍鎳的終端,上有焊鐵,連接線路板的時候會融化。此外,上表層通常會以黑色環狀樹脂包覆,來保護電阻本體。


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數值編碼

傳統上,通孔軸型電阻會印上三條色碼來表示電阻值,前面兩條各自代表0到9之間的數字,第三條色碼則表示乘上十的幾次方(也就是後面加上幾個零,從零到九),此外,會有第四條銀色或金色色碼,分別代表百分之十與百分之五的誤差值,但這種形式已經比較少見了。

目前,許多電阻上面會有五條色碼,這樣一來,表示中間值或者零碎數值比較方便,在這套系統當中,前三條色碼代表數值(和先前提到的數值系統相同),第四條色碼表示十的若干次方,而在電阻另一端的第五條色碼則表示誤差值。在下面的圖表當中,數字或十進位值在上方以「光譜」的形式呈現,而誤差值(或精確度)則以下方銀色、金色和其他顏色來表示正負百分比。

在下圖當中有兩個電阻色碼範例,上面的電阻值為1k,從左到右為棕色、黑色(分別表示1、0)色碼,接著是第三條紅色(表示後加兩個零),最後,金色條帶表示誤差值為百分之五。下面的電阻值則是1.05k,從左到右依序是棕色、黑色、綠色(分別表示1、0、5),後面則是第四條棕色色碼(表示後加一個零),最右邊的黑色色碼則表示誤差值為百分之一。

在很久以前,有時電阻會以本體-尖端-圓點系統編碼,在這套系統當中,電阻本體顏色表示第一位數、尖端顏色表示第二位數,圓點則表示後面有幾個零,這套系統的數字光譜和先前提到的完全相同。

在所有的現代編碼系統當中,三條或四條表示數值的色碼會緊密相連,與誤差值的色碼之間會有較大空隙,閱讀數值條碼的時候,三到四條的數值色碼應該要在左側。然而令人困惑的是,某些電阻會使用前三條色碼表示數值,第四條色碼表示誤差值,另一頭的第五條色碼表示精確度,但是,這套系統相當少見。此外,在某些特殊用途中,會使用其他編碼系統有,比如軍事裝備等等。

穿孔型碳模電阻通常本體是米黃色的,而穿孔型金屬膜模電阻本體則通常是藍色,但是,在某些稀少的特例中,藍色本體也可以表示保險絲電阻(和保險絲一樣,過載時會融化,避免危險),而白色本體也可以表示不可燃電阻,遇到這些特例的時候需要加倍留意。

另外,有些現代的電阻值會直接以數字形式印在電阻本體上,表面黏著型電阻數值也是直接以數字打印,但那是一套編碼系統,不能直接以數字來理解。最後一位數字表示電阻值後面有幾個零,接下來的兩到三個數字代表數值本身,字母R則用來表示小數點,因此,3R3的表面黏著型電阻數值為3.3歐姆、330 則表示33歐姆,332 則表示3,300歐姆,上標有2152的表面黏著型電阻數值就是21,500歐姆。

有一種表面黏著型電阻上面的數字為零,這表示他是零歐姆電阻,功能其實與跳線相同。這麼做是為了方便使用,可以透過自動化生產設備組裝,它的功能非常單純,就是連接線路板上的零件。

如果電阻值印在電路圖上,複印品質不好可能會造成小數點遺失、或者產生讓人誤解成小數點的污漬。歐洲系統為了解決這個問題,就使用字母來代替小數點,所以,5.6k電阻就印成5k6電阻,3.3M電阻則印為3M3,但是,這種標示用法在美國並不多見。

[原文]

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