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電路的基本元件《電阻 RESISTOR》

No.42   1996 July   p 93 ~ 95,   by 編輯部



    任何電子機器裡頭,一定可以發現電阻零件。基本上,電阻一般會把電能轉換成熱而耗電,但是電阻並非平白無故地浪費能源,它提供阻抗以對抗電流,以控制電流或所需的電壓。在任何電子設備裡扮演了許多功能,包括降低、分割、及等化電壓與電流;控制增益、設定偏壓與回饋量、設定阻抗;做為放大器、振盪器、開關、及傳輸線等做負載;為電容放電掌握時間常數。有時甚至可以當線圈或保險絲的替代角色。

    隨便取出電子設備內的一塊線路,一定可以發現許多固定電阻,這些電阻的阻抗是固定的,而線路上也常可以發現半固定的電阻,許多旋鈕後頭隱藏著的往往是可變電阻,這些電阻可以讓生產時供校正,或操作者使用時可以調整。


電阻的基本結構與種類

    一般線路上常看到的固定電阻有三類,分別是碳粉電阻、碳粉金屬薄膜電阻、及繞線電阻。

●碳粉電阻

    碳粉電阻的結構是以一根阻抗性材質為棒心,兩端分別接出導線,參看圖1,棒心是以碳粉顆粒、樹脂、及矽膠混合而成的。這種電阻的阻抗就由碳粉的顆粒大小與密度來決定。為了保持機械結構穩定,電阻外頭以同樣是由樹脂、及矽膠混合而成的絕緣物包裹。

●碳粉金屬薄膜電阻

    碳粉金屬薄膜電阻的結構,是在一根絕緣棒上裹上一層薄薄的阻抗性物質,之後再以銀質的接合劑,把電阻兩端的套頭固定住,參看圖2。此類電阻的阻抗完全由薄膜來決定。一種陶瓷-金屬材質,可以相當地薄,而且耐久及可抗相當惡劣的環境。而改變薄膜的厚度或是薄膜材質,就可以改變阻抗。但是以這類條件來控制電阻阻抗,必須很精確,因此只有在阻抗 1K 歐姆以下,才能保持精確。而要阻值更高或更精確,就必須製造後以機械加工來校正,例如在電阻軸上切一道痕跡,這可以加長薄膜總長度,使電阻的阻抗變大。精確切割後,以樹脂、環氧樹脂或陶瓷包裹,再加上標示值便告完成。

●繞線電阻

    通常是在大功率 (3 瓦以上) 的環境才會考慮使用繞線電阻。繞線電阻的基本結構是把阻抗性導線或絲帶繞在絕緣棒上而成的。繞線電阻通常是使用高阻抗線,採單層螺狀纏繞,參看圖3。但是用在工作頻率幾 KHz 以上線路時,為了降低電感的影響,可以採用降低電感的繞法,或是採用多層的繞線管,參看圖4。

    極大功率使用的繞線電阻,為了確保阻抗精確值,在繞製電阻時,可以一面繞線,一面監測阻值,精確抓準阻值後,再把端點固定。而低功率使用的精確繞線電阻,可以在電阻繞線完成後再修正。繞妥的繞線電阻必須塗裝絕緣物,保護繞線及加強散熱。精密的繞線電阻一般繞線加端蓋完成後,要曝曬幾天,再裝妥絕緣物。


無端線的電阻

    上面談到的這些電阻,兩端都有導線,而仔細看看最近的許多電子設備內的線路板上,可以發現許多沒有導線的電阻,這些像長方型砂粒般的電阻,稱為表面黏著 (Surface Mount) 電阻。表面黏著電阻的市場預估至少超過 50%。


Fig 1~4
Fig 1~4

電阻的特性

表一:各類電阻的特性比較
  Tolerance (%) Temperature
Coefficient
(ppm/℃)
Power
Rating
(W)

Value
(Ω)
Operating
Temperayure
(℃)

Low
Noise


Stability

RF
Use
High
Voltage
Use

Relative
Cost
Carbon Composition 10 1200 1/4 10~100 M -40 to +100 - - ˇ ˇ $
Carbon Film 5 500 1/4 1~100 M -40 to +125 ˇ ˇ ˇ ˇˇ $
Metal Film 0.5 50 <1 0.1~5 M -55 to +125 ˇˇ ˇˇ ˇˇ ˇ $$
Precision Wire-Wound <0.5 <10 <1 10~301 K -55 to +150 ˇˇ ˇˇˇ - ˇ $$$
Power Wire-Wound 5 50~200 5~200 0.1~10 K -55 to +200 ˇˇ ˇˇ - ˇ $$
Power Metal Film 1 50 15 0.1~5 M -55 to +200 ˇˇ ˇˇ ˇ ˇ $$
Surface Mount 2 200 1/4 1~10 M -55 to +125 ˇˇ ˇˇ ˇˇ - $

●標準電阻值

    購買電阻時,你一定可以發現並不是你要的電阻都可以買到,因為電阻零件的阻值範圍何其多,所以生產供應通常是採用標準電阻。這些標準值是根據不同種類的阻值及誤差率建立起來的。例如低功率用的碳粉電阻,誤差 5% 的電阻,約每隔 10% 有一標準值電阻,而誤差 10% 或 20% 的,約每隔 20% 有一標準值電阻。而精密的金屬薄膜電阻,約每 2% 就有一標準值電阻。

●誤差率

    在市場販賣時,電阻上的標示值必須與實際值相符或在一定的誤差範圍內。而真實阻抗與標示值間的偏差,就稱為誤差率。

    一般而言,碳粉電阻的誤差率有 5%、10%、15%。例如標示 47K 歐姆,誤差率 10% 的電阻,它的實際值應是 47K±4.7K 歐姆,換句話說,這電阻的阻值應介於 42.3K 到 51.7K 歐姆之間。而碳膜電阻一般誤差率是 5%。至於較精密的金屬薄膜電阻及繞線電阻,誤差率可以低達 1% 以下。

●電阻標示

    傳統的電阻為電子線路板帶來富有活力的多樣色彩,因為這些電阻是以色碼來標示電阻值的。要以色碼讀出電阻值並不難,第一、二色帶分別代表第一、二位數,第三色帶則是代表數目後加零的個數,第四色帶則是誤差率 (沒有的話表示它的誤差率為 20%),有時為了其他用途,還會加用第五色帶。例如誤差率色帶後,加一寬白色帶的話,表示這電阻的接腳可以焊接。精密的金屬薄膜電阻常採四色帶碼,前三色碼表示數字,最後一色帶表示零的個數,例如 1372 表示電阻值為 13.7K 歐姆,而阻值在 100 歐姆以下,以 R 表示標點符號,例如 51R1,表示電阻值為 51.1 歐姆。而表面黏著電阻採用三色碼,所以 100 表示電阻值是 10 歐姆,102 表示 1K 歐姆,105 代表 1M 歐姆等等。

表二:電阻色碼表
Color Significent
Digit
Multiplier Tolerance
Black 0 100 -
Brown 1 101 ±1%
Red 2 102 ±2%
Orange 3 103 ±3%
Yellow 4 104 ±4%
Green 5 105 -
Blue 6 106 -
Violet 7 107 -
Grey 8 - -
White 9 - -
Gold - 0.1 ±5%
Silver - 0.01 ±10%
No Color - - ±20%
Fig 6

●電阻消耗功率

    碳粉電阻的消耗功率可以達 2 瓦,而繞線電阻及金屬薄膜電阻可以達到相當高的消耗功率。

    通常消耗功率高於 2 瓦以上時,都會選用繞線電阻。實際上,電阻的消耗功率與電阻的結構、工作溫度、及工作環境 (空氣溫度) 有關。例如在氣溫 70 攝氏度下,消耗功率是 1/4 瓦者,當溫度升高到 95 攝氏度時,消耗功率可能只剩 1/8 瓦。所以一些很靠近高溫元件旁的電阻,消耗功率可能降的更多,因此常可在容易產生高溫的電子板旁發現風扇,不致因高溫而嚴重影響電阻的消耗功率及其他電子零件的特性。

    溫度高到一定程度,電阻可能會永久變質或是燒毀開路,至於溫度能耐多高,則因型而異。

    碳粉電阻在燒毀前,可能會變焦或冒煙。而防爆型的繞線電阻,一超過耐溫很快就斷路,因為對溫度反應精確而迅速,所以有時也可以拿來當做保險絲用。

    為了判定須要多大的消耗功率,有些電阻特性表還列有消耗功率與溫度關係的參考曲線。不過實際應用時,守個要點就可以了,一般的電子線路,採用 80% 的額度就算安全,而可能在溫度比較高的環境時,也以 50% 的額度就夠了,也就是說,線路上須要耐 1 瓦的話,介別採用 1.2 瓦及 1.5 瓦以上就可以了。

    電阻同其他電子零件一樣,也有使用的自然壽命,這與電阻的消耗功率及操作溫度有關,溫度越低,自然壽命越長。

●最大耐電壓

    電阻也有最大耐電壓值,例如一般碳粉電阻,消耗功率是 2、1/4、1/8 瓦時,它的最大耐電壓分別是 750、 250、及 150 伏,同溫度一樣,超過了最大耐電壓點,這電阻可能變質或毀壞。當然像是陰極射線管用的高壓線路所使用的,有些特定的電阻是可以耐高壓的,例如可以超過 10 萬伏。

    在某些情況下,電阻的最大耐電壓反而會比消耗功率更重要。例如要串一 3M 歐姆電阻,利用電錶來測 1000 伏高壓,根據歐姆定律算出,並考慮 50% 額定值,使用三只 1M 歐姆 1/4 瓦電阻就可以了,因為每只電阻的消耗功率只不過是幾十分之一瓦而已,但是前面提過 1/4 瓦電阻的最大耐電壓只有 250 伏,串起來才 750 伏,所以這樣的線路並不妥當,因此像這例子,考慮到最大耐電壓,應該改用 2 瓦的電阻才妥當。

●電阻的穩定度

    電阻隨著施壓 (包括高溫、高濕、高電壓、或高電流環境,以及施工時的焊接) 與使用年限加長,會有些許的偏移,這其中以繞線電阻最穩定,接下來是金屬薄膜電阻,其次為碳粉薄膜電阻及碳粉電阻,但無論如何,穩定度一定要夠才行。

●電阻雜訊

    所有的導體,當然包括電阻,都會產生雜訊,也就是隨機產生的電壓或電流的跳動。而產生雜訊的大小也有別。碳粉電阻產生的雜訊最大,繞線電阻可能會最低。當然在一般性的電子線路,電阻雜訊對線路毫無影響,可以在靈敏的放大器線路或是精密的儀器線路,通常須要注意電阻產生的雜訊。

●頻率效應

    電阻可能會在直流與交流線路內,表現出不同的電阻值,這是因為電阻並非純的阻抗,根據不同型別,電阻或多或少也會有一些感抗特性,也就是說,電阻也帶有一些些電感或電容的特性。而電感與電容的阻抗都是與頻率有關的,所以電阻的阻抗自然也會與頻率有關,只是這關係在低頻或直流線路內通常並不很重要而被忽略了。

    但是頻率一升高,電阻因為種類不同,阻抗表現就有很大的差別。例如在 30MHz 情況下,碳粉電阻、金屬薄膜電阻、與繞線電阻之間的差異就大了。例如繞線電阻,一般在聲頻範圍內,會表現出明顯的感抗,但是在射頻範圍內,卻出現容抗。這就是為什麼五只 10 歐姆的繞線電阻串聯不能製作為天線的假負載,因為這些繞線電阻在直流時,雖然是 50 歐姆,但在射頻下就不是 50 歐姆了。


電阻-簡單卻很重要

    生活習慣常會把最常見的視為不重要,幾乎可以說,每片電子線路板,電阻都要插上一腳的,平常電阻給人的印象是-消耗功率。然而不論在電力或電子領域內,電阻比我們想像還重要多了。當你打開音響、收音機、使用烤箱、或是點亮抬燈時,要是沒有電阻參與其中,想想那會是如何景象。 END

BV3FG 補充:誤差 5% 之標準電阻值

  • 其中使用率是由 BV3FG 從 ARRL QRP Classics 這本書中,從第 1 ~ 160 頁的電路裡所統計出來的(僅統計前兩個數字,例如 1.0, 10, 100, 1k,... 均視為同一類)。這樣的統計雖然不算很客觀,但還是有一定的代表性。依照我 DIY 的經驗,常用的電阻其實就是那幾種。
  • 誤差為 10% 的標準電阻值為(前兩個數碼):10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82。如果你是個熱衷 DIY 的人,在家裡面常備這 12 種數值的電阻就夠了,因為另外 12 種數值的電阻值都可以由前面這 12 種數值串連出來。
  • 最常用的電阻範圍從 100 Ω~470KΩ。
  • 10MΩ 以上的電阻並不常用,因此不列出。
使用率 Ω Ω Ω
44.0 % 1.0 棕黑銀 10 棕黑黑 100 棕黑棕 1.0 棕黑紅 10 棕黑橙 100 棕黑黃 1.0 棕黑綠
0.15 % 1.1 棕棕銀 11 棕棕黑 110 棕棕棕 1.1 棕棕紅 11 棕棕橙 110 棕棕黃 1.1 棕棕綠
2.04 % 1.2 棕紅銀 12 棕紅黑 120 棕紅棕 1.2 棕紅紅 12 棕紅橙 120 棕紅黃 1.2 棕紅綠
0.00 % 1.3 棕橙銀 13 棕橙黑 130 棕橙棕 1.3 棕橙紅 13 棕橙橙 130 棕橙黃 1.3 棕橙綠
5.56 % 1.5 棕綠銀 15 棕綠黑 150 棕綠棕 1.5 棕綠紅 15 棕綠橙 150 棕綠黃 1.5 棕綠綠
0.15 % 1.6 棕藍銀 16 棕藍黑 160 棕藍棕 1.6 棕藍紅 16 棕藍橙 160 棕藍黃 1.6 棕藍綠
3.07 % 1.8 棕灰銀 18 棕灰黑 180 棕灰棕 1.8 棕灰紅 18 棕灰橙 180 棕灰黃 1.8 棕灰綠
0.29 % 2.0 紅黑銀 20 紅黑黑 200 紅黑棕 2.0 紅黑紅 20 紅黑橙 200 紅黑黃 2.0 紅黑綠
9.36 % 2.2 紅紅銀 22 紅紅黑 220 紅紅棕 2.2 紅紅紅 22 紅紅橙 220 紅紅黃 2.2 紅紅綠
0.58 % 2.4 紅黃銀 24 紅黃黑 240 紅黃棕 2.4 紅黃紅 24 紅黃橙 240 紅黃黃 2.4 紅黃綠
5.85 % 2.7 紅紫銀 27 紅紫黑 270 紅紫棕 2.7 紅紫紅 27 紅紫橙 270 紅紫黃 2.7 紅紫綠
0.73 % 3.0 橙黑銀 30 橙黑黑 300 橙黑棕 3.0 橙黑紅 30 橙黑橙 300 橙黑黃 3.0 橙黑綠
3.51 % 3.3 橙橙銀 33 橙橙黑 330 橙橙棕 3.3 橙橙紅 33 橙橙橙 330 橙橙黃 3.3 橙橙綠
0.29 % 3.6 橙藍銀 36 橙藍黑 360 橙藍棕 3.6 橙藍紅 36 橙藍橙 360 橙藍黃 3.6 橙藍綠
2.04 % 3.9 橙白銀 39 橙白黑 390 橙白棕 3.9 橙白紅 39 橙白橙 390 橙白黃 3.9 橙白綠
0.29 % 4.3 黃橙銀 43 黃橙黑 430 黃橙棕 4.3 黃橙紅 43 黃橙橙 430 黃橙黃 4.3 黃橙綠
11.5 % 4.7 黃紫銀 47 黃紫黑 470 黃紫棕 4.7 黃紫紅 47 黃紫橙 470 黃紫黃 4.7 黃紫綠
2.04 % 5.1 綠棕銀 51 綠棕黑 510 綠棕棕 5.1 綠棕紅 51 綠棕橙 510 綠棕黃 5.1 綠棕綠
4.97 % 5.6 綠藍銀 56 綠藍黑 560 綠藍棕 5.6 綠藍紅 56 綠藍橙 560 綠藍黃 5.6 綠藍綠
0.15 % 6.2 藍紅銀 62 藍紅黑 620 藍紅棕 6.2 藍紅紅 62 藍紅橙 620 藍紅黃 6.2 藍紅綠
2.04 % 6.8 藍灰銀 68 藍灰黑 680 藍灰棕 6.8 藍灰紅 68 藍灰橙 680 藍灰黃 6.8 藍灰綠
0.44 % 7.5 紫綠銀 75 紫綠黑 750 紫綠棕 7.5 紫綠紅 75 紫綠橙 750 紫綠黃 7.5 紫綠綠
0.58 % 8.2 灰紅銀 82 灰紅黑 820 灰紅棕 8.2 灰紅紅 82 灰紅橙 820 灰紅黃 8.2 灰紅綠
0.29 % 9.1 白棕銀 91 白棕黑 910 白棕棕 9.1 白棕紅 91 白棕橙 910 白棕黃 9.1 白棕綠



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