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[专业话题 ] 电路设计中如何选择电阻?

P: 2019-10-06 13:49:47

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电阻的种类很多,普通常用的电阻有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻、线绕电阻等;特殊电阻有压敏电阻、热敏电阻、光敏电阻等。不同类型的电阻,其特性参数都有一定的差异,在电路使用时需要考虑的重点也不一样。在电路设计中如果忽略了电阻的某些特殊参数,可能会使产品的稳定性和可靠性得不到保证。正确的理解电阻各个参数以及不同电阻的选型注意事项,全面的理解电阻在电路中起到的真正作用,才能够在电路设计中从基本的层面上来保证产品的功能和性能。


电阻的基本参数

说起电阻,我们的第一印象应该就是物理书上所描述的:导电体对电流的阻碍作用称为电阻。电阻在电路原理图中用R表示,单位为欧姆(Ω),常用的有欧姆,千欧,兆欧等(分别用Ω,KΩ,MΩ表示)。


电阻主要关注的参数有:


1)标称阻值
电阻器上所标示的阻值。


2)阻值偏差
标称阻值与实际阻值的差值除以标称阻值所得的百分数称为阻值偏差,它表示电阻器的精度。


而在进行实际的电路设计时,只关注这两个参数是不够的,还有两个重要的参数必须要在设计中引起足够的重视:额定功率和耐受电压值,这两个参数对整个电路系统的可靠性影响非常大。


例如电路中流过电阻的电流为100mA,电阻的阻值为100Ω,那么根据电路功率计算公式P=I*I*R,可以计算出该电阻上的消耗功率为1W此时如果选择常用的贴片电阻,如封装为0805或1206是不合适的,该电路会因为电阻的额定功率小而出现问题。因此,该电阻应当选择额定功率在1W以上(电路设计中,电阻选择时的功率余量应在实际消耗功率的2倍以上),否则电阻上消耗的功率会使电阻过热而失效。


同样,耐压值选择不合适的时候,也会因为电阻被击穿而导致整个电路系统的故障。举例来说,AC-DC开关电源模块在设计的输入前端,根据安规要求(GB4943.1标准),要保证插头或连接器断开后,在输入端L、N上的滞留电压能够在1S内衰减到初始值的37%以下,因此,在实际电路设计时,当电阻的耐压值低于输入端高压的情况下,就会失效。


电阻在电路中的作用

1、基本作用
电阻点电路中用作分压器、分流器和负载电阻;它与电容器一起可以组成滤波器及延时电路,在电源电路或控制电路中用作取样电阻;在半导体电路中用作偏置电阻以确定电路的工作点等,对于这些作用,电路中的应用是非常多的,也是非常重要的。


要根据电阻在电路中的作用和具体的技术要求,来选择使用哪种类型的电阻,例如,对电路中的降压和限流电阻、音频负载电阻等,选用碳膜电阻就能满足要求;若是稳压电路中的取样电阻、延时电路中的定时电阻等要求热稳定性较高的场合,最好选用金属膜电阻;对于测量仪表中的分流、分压电阻,应该选用精密度等级较高的电阻。这些常见的功能作用我们就不过多介绍了。


我们重点介绍一下0欧姆电阻以及特殊电阻在电子电路设计中的作用及使用注意事项。


2、0欧姆电阻在电路中的作用
相信我们在看前辈设计的电子产品时,经常会看到电路上存在有0欧姆的电阻,为什么要设计这么一个电阻呢?直接在画电路图时用一根导线连过去就行了,还这么画蛇添足干什么?


原因有多个方面,我们简要介绍如下:


1)模拟地和数字地单点接地
我们知道,在电路图中,只要是地,最终都要接到一起,然后接入大地。如果不接在一起就是“浮地”,存在压差,容易积累电荷,造成静电、地是参考零电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。如果把模拟地和数字地大面积相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,有四种方法解决此问题。用磁珠连接;用电容连接;用电感连接;用0欧姆电阻连接。


我们来一一分析一下这四种连接方式:
a)、用磁珠连接:磁珠的等效电路相当于带阻滤波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号;对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合适;


b)、用电容连接:电容隔直通交,容易造成浮地;



c)、用电感连接:电感体积大,杂散参数多,不稳定;


d)、用0欧姆电阻连接:0欧姆电阻相当于很窄的电流通过,能够有效的限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧姆电阻也有阻抗),这点比磁珠强。


2)跨接时用于电流回路
当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接地0欧姆电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。


3)配置电路
一般产品上是不能有跳线或者拨码开关的,因为一旦有了这些可以手动操作的开关,用户难免会乱动,从而导致设置出错,容易引起误会或者故障,为了减少维护费用,应用0欧姆电阻代替跳线等焊接在电路板上。控制跳线在高频时相当于天线,所以用贴片电阻会更好一些。


4)其它用途
布线时跨接调试/测试用:在开始设计时,要串一个电阻用来调试,但是还不能确定具体的值,加这样一个器件后,方便以后的电路调试,如果调试的结果不需要加电阻,就加一个0欧姆的电阻。临时取代其它贴片器件作为温度补偿器件,更多时候是出于EMC对策的需要。另外,0欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要打孔)。


总结如下:
在电路中没有任何功能,只是在PCB上为了调试方便或者兼容设计等原因。


可以做跳线用,如果某段线路不用,直接贴上0欧姆电阻即可(不影响外观)。


在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆电阻代替,实际调试的时候,确定参数后,再以具体数值的元件代替。


想测试某部分电路的电流时,可以去掉0欧姆电阻,接上电流表,这样方便进行电流测试。


在布线时,如果实在布不下去了,也可以加一个0欧姆电阻。


在高频信号下,充当电感或电容(与外部电路特性有关)用,主要是解决EMC问题,如地与地、电源和IC Pin之间。


单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地,在设备上相互分开,各自成为独立系统)。


3、特殊电阻在电源模块外围防护电路的作用
最常见的特殊电阻有热敏电阻、湿敏电阻、压敏电阻等,压敏电阻在AC-DC开关电源设计和应用中起着关键的作用。


压敏电阻MOV是在电路电磁兼容(EMC)中最常用的器件之一,广泛的被应用在电子线路中,来防护因为电力供应系统的瞬时电压突变可能对电路造成的伤害。其特性通俗的理解为前端电压高于压敏电阻的开启电压时,压敏电阻被击穿,压敏电阻的阻值降低而将电流予以分流,防止后级受到过大的瞬时电压破坏或干扰,从而保护了敏感的电子组件。电路防护就是利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间时,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。


不过,也不要把压敏电阻的作用想得太大了,压敏电阻是不可以提供完整的电压保护的,压敏电阻所能承受的能量或功率是有限的,不能提供持续性的过电压保护。持续的过电压会破坏保护装置(压敏电阻)。压敏电阻不能提供保护的部分还有开机时的冲击电流,短路时的过电流,电压突降等情况,这些情况需要其他方式的防护。


热敏电阻是一种跟温度相关的器件,一般分为两种,NTC为负温度系数热敏电阻,即温度越高,阻抗越小;PTC为正温度系数的热敏电阻,即温度越高,阻抗越大。利用阻抗对温度的敏感特性在电路设计中有着非常重要的作用。


NTC在电路中主要为抑制电路启动过程中的启动电流,在系统启动过程中,由于系统内部存在功率电路、容性及感性负载,因此在启动瞬间会出现非常大的冲击电流。如果电路器件选型过程中没有考虑器件瞬时的抗电流能力。那么系统在多次启动的操作过程中,就很容易导致器件被击穿损坏,而在电路中加入NTC,等于在输入回路启动时,提高输入阻抗减少冲击电流,而系统处于稳定状态时,由于NTC发热,根据其负温度特性,阻抗降低,从而在NTC上的损耗也降低,减少了系统的整体损耗。


PTC在电路中可以起到保险丝的作用,所以其还有另外一个名字:自恢复保险丝。在系统运行过程中,电路出现异常,导致出现大电流时,如果该部分电路中串有一个PTC,那么也就等于在PTC中有大电流流过,PTC发热,根据其正温度特性,其阻抗将变得很大,使整个回路的阻抗变大,从而使回路的电流变小,起到了保险丝的作用。根据其正温度的特性,PTC的另外一个作用是在电路中实现过温保护。


电路中的电阻使用总结

电阻的知识涵盖非常多,不仅仅是知道欧姆定律后就能应用好,其中还包括了材质极其特殊性能,如电阻元件的电阻值大小不仅与温度、材料、长度有关,还与横截面积有关,衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1°C时电阻值发生变化的百分数;电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可以说它是一个耗能元件,电流经过它就产生损耗,以热能的形式表现;电阻在电路中通常起分压、分流的作用;对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。作为硬件工程师,想要把元器件使用的得心应手,就需要对材质、电气特性和其特殊性有深入的了解。


MMUI - multimedia user interface多媒体用户接口 点赞(0) 投诉

P: 2019-10-06 15:24:58

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IBIN - intelligence building information network智能大楼信息网 点赞(0) 投诉

P: 2019-10-07 10:55:55

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不错,很好的文章,讲的也非常详细!

lubricant compactor - 润滑剂紧压装置 点赞(0) 投诉

P: 2019-10-07 18:55:15

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laser printing device - 激光印字装置 点赞(0) 投诉

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