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電阻器特性及參數

作者:衡麗電子

1,電阻率

說到電阻器的電阻,就必須要明确材料“體阻率” 的概念,所謂體阻率:是材料的固有特性,用來表示材料電阻特性的實體量,反映了材料對電流阻礙作用的屬性。用字母ρ表示,機關是:Ω.m;它有兩個特性:

  1. 1. 與材料尺寸無關。

它表明的是這種物質本身的導電特性,但這并不是說不會受到環境的影響,例如溫度。

  1. 2. 材料導電性能越差,其體阻率越高。

那我們如何通過電阻率來計算電阻值呢?對于橫截面恒定材料的電阻值,可以用如下公式計算:R = ρ*Len/A;R:電阻值; ρ:體電阻率;Len:材料長度;A:材料橫截面積。

對電阻的另一個描述是電導,它描述了導體導電性能的實體量,即對于某一種導體允許電流通過它的容易性的量度。它是電阻的倒數G=1/R,機關是S(西門子)。相應的也就有電導率:用來描述物質中電荷流動難易程度的參數;用字母σ表示,σ=1/ρ,機關是:S/m。

電阻表現的是材料對電流導通的阻力,而電導表現的是材料對電流的導通容易性;我們平時也會用到電導,舉個例子:電容器、PCB走線與GND層之間等的漏電性能描述。

電阻器特性及參數

如上圖所示,為20℃溫度條件下,各種材料的電阻率;我們看到銅的導電性能足夠好,同時延展性和熱傳導性好,而且價格相對低,是以在器件、連接配接器、PCB、散熱器等設計中成為最佳的導電材料。

好,我們再來重溫下電流通過材料時,為什麼會有阻力呢?

當材料中的原子周期性勢場受到破壞,自由電子的運動才受到阻力,其原因是自由電子在運動過程中受到了各種因素的散射;而自由電子散射的原因是:在一定溫度下,材料内部的大量自由電子,即使在沒有電場作用也不是靜止不動,而是永不停息地作着無規則的、雜亂無章的運動(熱運動的速度比我們想象的要快很多,遠遠大于電場作用下的自由電子定向移動速度),同時晶格上的原子也在不停地圍繞格點作熱振動。

2,電阻器參數

電阻器的應用相對電容器和電感器來說都簡單的多,所需考慮的參數相對較少,主要涉及可靠性(電應力和環境應力)參數,老化、噪聲參數等。

  1. 1. 電阻溫度系數(Temperature Coefficient of Resistance):表示電阻當溫度改變1℃時,電阻值的相對變化,機關為ppm/℃;平均電阻溫度系數定義式:TCR(平均)= [(R2-R1)/R1]*[1/(T2-T1)]。

那麼就有一個問題了:為什麼溫度的變化會導緻電阻值的變化呢?這個問題同樣也關系到其它元件随溫度變化的問題。

1,關于這個問題,我們首先需要探究下“溫度”這一實體量是個啥玩意?

從宏觀來說:溫度是表示物體冷熱程度的實體量(七大基本實體量之一);

從微觀來說:溫度是表示物體原子/分子熱運動的劇烈程度。那什麼又是原子/分子熱運動呢?舉個栗子:一瓶水在高速飛行的飛機上或者放在家裡,水分子運動的速度是不一樣的(相對于地球),那麼高速中的水與靜止水的溫度會不一樣麼?這顯然不符合常識;是以熱運動指的是:原子/分子的無規則運動(布朗運動)。

巨量原子/分子的無規則運動呈現在宏觀上就是溫度,那麼1個原子/分子的無規則運動能呈現溫度麼?如果不能,10個,1萬個,1億個呢?界限在哪裡?

太陽系外圍有一圈溫度高達5萬度的“高溫火牆”,當我們有一天穿越它的時候是否會被燒毀?據說當旅行者系列探測器穿越時,其吸收的能量甚至連一杯水都燒不開;說到底這跟物質的密度相關,有人能在三溫暖房中忍受90℃的空氣高溫,但泡在90℃的水中呢~

2,對于固體來說原子/分子被固定在晶格(又是晶格,如下圖所示:原子在晶體結構中的排列規律。)中,其原子/分子熱運動表現為晶格的振動,同時自由電子随着溫度的增加而熱運動更加劇烈;當外加電場時驅使自由電子産生有序的規則運動:1,自由電子熱運動越劇烈,産生的阻力越大;2,晶格振動越劇烈,自由電子被碰撞散熱的機率越大(電能轉化為熱能),産生的阻力越大。

電阻器特性及參數

3,在具有嚴格周期性勢場的理想晶體(晶格結構無缺陷的理想晶體)中的自由電子,絕對0度下(熱運動停止)的自由電子運動像理想氣體分子在真空中的運動一樣,不受阻力,遷移率為無限大,這就是理想的超導體。

我們希望電阻器電阻值是穩定的(除了一些特殊應用場景,例如:PTC,NTC等),正常情況下我們希望電阻器随溫度的變化越小越好;不同類型電阻器的溫度穩定性是不一樣的,從優到次排序是:金屬箔、線繞、金屬膜、金屬氧化膜、碳膜、有機實芯;其中純金屬材料電阻率的溫度系數都非常大,隻有幾款合金電阻材料的溫度系數才比較小。如下圖所示為不同金屬和合金的導電性及溫度系數。

電阻器特性及參數

2. 電阻額定功率:該參數展現了電阻器的散熱能力,與電阻器的封裝、尺寸相關;如下為片狀電阻的尺寸及對應封裝功耗。

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1,穩态功率降額:在相應工作溫度下的降額,即器件符合曲線所規定的環境溫度下功率的降額,采用P=V²/R公式進行計算;是器件長期穩定的工作條件,如下圖所示。

電阻器特性及參數

2,瞬态功耗降額:電阻器脈沖功耗和穩态功率的轉換曲線不同,需要查詢轉換曲線,将瞬态功率轉換為穩态功率,然後在此基礎上降額。

電阻器特性及參數

3.額定電壓:電阻器的工作電壓一般有兩個,需要選擇其小值作為電路實際工作電壓;

1,由阻值和額定功率換算出的電壓。

該電壓由電阻器封裝的最大散熱功耗(例如:0402封裝,1/16w功耗)決定:最大連續工作電壓和最大脈沖電壓。

2,電阻器的封裝耐壓。

該電壓由電阻器封裝所能承受的最大擊穿電壓決定。

電阻器特性及參數

4. 老化系數:電阻器在額定功率的長期負荷下,阻值相對變化的百分數,表示電阻器壽命長短的參數。

電阻器特性及參數

5. 電壓系數:在規定的電壓範圍内,電壓每變化1V,電阻器阻值的相對變化量。

6. 噪聲:産生于電阻器中的一種不規則的電壓起伏,包括熱噪聲和電流噪聲兩部分。

1,熱噪聲:由于導體内部不規則的電子自由運動,使導體任意兩點的電壓不規則變化,屬于電阻器的本征噪聲。

2,電流噪聲:來源于電阻器内部結構不連續性和非完整性,與電阻器類型有非常大關系。

電流噪聲與電阻材料強相關:如果導電材料晶格結構完整缺陷小(舉個栗子:金屬的電流噪聲必然較小);另外,同一類型電阻阻值越大說明電子受到散射或阻礙的機率越大,其電流噪聲越大。

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