電路設(shè)計(jì)之電阻選擇有妙招!
發(fā)布時(shí)間:2018-12-06 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】電阻是最普通的器件,同時(shí)也是電路中不可或缺的器件,選好用好電阻對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行及使用可靠性是至關(guān)重要的。
電阻在電子產(chǎn)品中是最常用的器件之一,基本上只要是電子產(chǎn)品,內(nèi)部就會(huì)存在電阻。電阻可以在電路中用作分壓器、分流器和負(fù)載電阻;它與電容器—起可以組成濾波器及延時(shí)電路;在電源電路或控制電路中用作取樣電阻;在半導(dǎo)體管電路中用作偏置電阻 確定工作點(diǎn);使用特殊性質(zhì)的電阻如壓敏電阻、熱敏電阻實(shí)現(xiàn)防浪涌電壓、抑制沖擊電流,實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)等等。電阻是最普通的器件,同時(shí)也是電路中不可或缺的器件,選好用好電阻對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行及使用可靠性是至關(guān)重要的。
引言
電阻的種類(lèi)很多,普通常用的電阻有碳膜電阻、水泥電阻、金屬膜電阻和線繞電阻等;特殊電阻有壓敏電阻、熱敏電阻、光敏電阻等。不同類(lèi)型電阻其特性參數(shù)都有一定的差異,在電路使用時(shí)需要考慮的點(diǎn)也不一樣。對(duì)于剛接觸電路設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō)很可能會(huì)忽略電阻的某些特殊的參數(shù),導(dǎo)致產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性得不到保證。正確的理解電阻各個(gè)參數(shù)及選型的注意事項(xiàng),且全面的理解電阻在電路中起到的真正作用,才能夠從底層最基本的電路設(shè)計(jì)上保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性。
電阻的基本參數(shù)
新接觸硬件電路設(shè)計(jì)的工程師,可能對(duì)電阻的第一印象就是物理書(shū)上描述的導(dǎo)電體對(duì)電流的阻礙作用稱(chēng)為電阻,用符號(hào)R表示,單位為歐姆、千歐、兆 歐,分別用Ω、KΩ、MΩ表示。
主要關(guān)注的參數(shù)為:
1)標(biāo)稱(chēng)阻值:電阻器上面所標(biāo)示的阻值;
2)允許誤差:標(biāo)稱(chēng)阻值與實(shí)際阻值的差值跟標(biāo)稱(chēng)阻值之比的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)阻值偏差,它表示電阻器的精度。
而在電路的設(shè)計(jì)上,只關(guān)注這兩個(gè)參數(shù)是不夠的,還有兩個(gè)重要的參數(shù)必須要在設(shè)計(jì)當(dāng)中引起重視:額定功率和耐受電壓值,這兩個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響非常大。
如電路中流過(guò)電阻的電流為100mA,阻值為100Ω,那么在電阻上的功率消耗為1W,選擇常用的貼片電阻,如封裝為0805或1206等是不合適的,會(huì)因電阻額定功率小而出現(xiàn)問(wèn)題。因此,選擇電阻的額定功率要滿足在1W以上(電路設(shè)計(jì)選擇電阻的功率余量一般在2倍以上),否則電阻上消耗的功率會(huì)使電阻過(guò)熱而失效。
同樣,耐壓值選擇不合適的情況下,也會(huì)因?yàn)殡娮璞粨舸┒鴮?dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。舉個(gè)例子:AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊在設(shè)計(jì)的輸入前端,根據(jù)安規(guī) GB4943.1標(biāo)準(zhǔn)的要求,在保證插頭或連接器斷開(kāi)后,在輸入端L、N上的滯留電壓在1S之內(nèi)衰減到初始值的37%,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)采用并接一個(gè) 或兩個(gè)MΩ級(jí)阻抗的電阻進(jìn)行能量泄放,而輸入端是高壓,即電阻兩端是要承受高壓的,當(dāng)電阻的耐壓值低壓輸入端高壓的情況下,就會(huì)產(chǎn)生失效。以下表一是常見(jiàn)SMT厚膜電阻的參數(shù),最終選型時(shí)還要和選購(gòu)器件的廠家核實(shí)。
注:只做參考,以最終選擇的廠家說(shuō)明為準(zhǔn)
電阻在電路中的作用
1、基本作用
電子工程師都學(xué)習(xí)過(guò)電阻的基本作用,即在電路中用作分壓器、分流器和負(fù)載電阻;它與電容器—起可以組成濾波器及延時(shí)電路、在電源電路或控制電路 中用作取樣電阻;在半導(dǎo)體管電路中用作偏置電阻確定工作點(diǎn)等,對(duì)于這些作用,電路中應(yīng)用是非常多的,也是非常重要,就不做過(guò)多的描述。下面主要給大家介紹0Ω電阻及特殊電阻在電子電路設(shè)計(jì)中的作用及使用注意事項(xiàng)。
2、0歐姆電阻在電路上的作用
相信有很多新電工,在看一些前輩設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品時(shí)會(huì)經(jīng)??吹诫娐飞洗嬖?Ω的電阻,為什么要設(shè)計(jì)這么一個(gè)電阻呢,直接畫(huà)板連一塊不就好了,還畫(huà)蛇添足干嘛?通過(guò)對(duì)資料搜索和整理,要點(diǎn)如下:
a)模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地
只要是地,最終都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是"浮地",存在壓差,容易積累電荷,造成靜電。地是參考0電位,所有電壓都是參考地得出的,地的標(biāo)準(zhǔn)要一致,故各種地應(yīng)短接在一起。人們認(rèn)為大地能夠吸收所有電荷,始終維持穩(wěn)定,是最終的地參考點(diǎn)。雖然有些板子沒(méi)有接大地,但發(fā)電廠是接大地的,板子上的電源最終還是會(huì)返回發(fā)電廠入地。如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連,會(huì)導(dǎo)致互相干擾,不短接又不妥,有四種方法解決此問(wèn)題:① 用磁珠連接;② 用電容連接;③ 用電感連接;④ 用0歐姆電阻連接。
磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器,只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用,使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率,以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無(wú)法預(yù)知的情況,磁珠不合;電容隔直通交,造成浮地;電感體積大,雜散參數(shù)多,不穩(wěn)定;0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路,能夠有效地限制環(huán)路電流,使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗),這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。
b)跨接時(shí)用于電流回路
當(dāng)分割電地平面后,造成信號(hào)最短回流路徑斷裂,此時(shí),信號(hào)回路不得不繞道,形成很大的環(huán)路面積,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響就變強(qiáng)了,容易干擾/被干擾。在分割區(qū)上跨接0歐電阻,可以提供較短的回流路徑,減小干擾。
c)配置電路
一般,產(chǎn)品上不要出現(xiàn)跳線和撥碼開(kāi)關(guān)。有時(shí)用戶會(huì)亂動(dòng)設(shè)置,易引起誤會(huì),為了減少維護(hù)費(fèi)用,應(yīng)用0歐電阻代替跳線等焊在板子上??罩锰€在高頻時(shí)相當(dāng)于天線,用貼片電阻效果好。
d)其他用途
布線時(shí)跨線調(diào)試/測(cè)試用:在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí),要串一個(gè)電阻用來(lái)調(diào)試,但是還不能確定具體的值,加了這么一個(gè)器件后方便以后電路的調(diào)試,如果調(diào)試的結(jié)果不需要加電阻,就加一個(gè)0歐姆的電阻。臨時(shí)取代其他貼片器件作為溫度補(bǔ)償器件,更多時(shí)候是出于EMC對(duì)策的需要。另外,0歐姆電阻比過(guò)孔的寄生電感小,而且過(guò)孔還會(huì)影響地平面(因?yàn)橐诳?。
總結(jié)如下:
1)在電路中沒(méi)有任何功能,只是在PCB上為了調(diào)試方便或兼容設(shè)計(jì)等原因。
2)可以做跳線用,如果某段線路不用,直接貼該電阻即可(不影響外觀)。
3)在匹配電路參數(shù)不確定的時(shí)候,以0歐姆代替,實(shí)際調(diào)試的時(shí)候,確定參數(shù),再以具體數(shù)值的元件代替。
4)想測(cè)某部分電路的耗電流的時(shí)候,可以去掉0歐的電阻,接上電流表,這樣方便測(cè)耗電流。
5)在布線時(shí),如果實(shí)在布不過(guò)去了,也可以加一個(gè)0歐的電阻。
6)在高頻信號(hào)下,充當(dāng)電感或電容(與外部電路特性有關(guān))用,主要是解決EMC問(wèn)題。如地與地,電源和IC Pin間。
7)單點(diǎn)接地(指保護(hù)接地、工作接地、直流接地在設(shè)備上相互分開(kāi),各自成為獨(dú)立系統(tǒng))。
3、特殊電阻在電源模塊外圍防護(hù)電路的作用
最常見(jiàn)的特殊電阻有壓敏電阻和熱敏電阻,這個(gè)在AC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用,了解下這兩種電阻的特性和具體的作用。
壓敏電阻MOV是在電路電磁兼容EMC中最常用的器件之一,廣泛的被應(yīng)用在電子線路中,來(lái)防護(hù)因?yàn)殡娏?yīng)系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓突變所可能對(duì)電路的傷害。其特性通俗理解為前端電壓高于壓敏電阻的開(kāi)啟電壓時(shí),壓敏電阻被擊穿,壓敏電阻的阻值降低而將電流予以分流,防止后級(jí)受到過(guò)大的瞬時(shí)電壓破壞或干擾, 從而保護(hù)了敏感的電子組件。電路防護(hù)就是利用壓敏電阻的非線性特性,當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間,壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有:壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。
不過(guò),不要把壓敏電阻的作用想的太大了,壓敏電阻是不可以提供完整的電壓保護(hù)的,壓敏電阻所能承受的能量或功率是有限的,不能提供持續(xù)性的過(guò)電壓保護(hù)。持續(xù)的過(guò)電壓會(huì)破壞保護(hù)裝置(壓敏電阻),并對(duì)設(shè)備造成損害。壓敏電阻不能提供保護(hù)的部分還有:開(kāi)機(jī)時(shí)的沖擊電流、短路時(shí)的過(guò)電流、電壓突降等情況,這些情況需要其他方式的防護(hù)。
熱敏電阻是一種跟溫度相關(guān)的器件,一般分為兩種,NTC為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,即溫度越高,阻抗越??;PTC為正溫度系數(shù)熱敏電阻即溫度越高,阻抗越大。利用阻抗對(duì)溫度的敏感特性在電路設(shè)計(jì)中起到了重要的作用。
NTC在電路中主要為抑制電路啟動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)電流,當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中,由于系統(tǒng)內(nèi)部存在功率電路、容性及感性負(fù)載,因此在啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)非常大的沖擊電流。如果電路器件選型過(guò)程中沒(méi)有考慮器件瞬時(shí)的抗電流能力,那么系統(tǒng)在多次啟動(dòng)的操作過(guò)程中,就很容易導(dǎo)致器件被擊穿損壞,而在電路中加入NTC,等于在輸入回路啟動(dòng)時(shí)提高輸入阻抗減少?zèng)_擊電流,而系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),由于NTC發(fā)熱,根據(jù)其負(fù)溫度特性,阻抗降低,從而在NTC上的損耗也降低,減少了系統(tǒng)的整體損耗。
PTC在電路中可以起到保險(xiǎn)絲的作用,所以其還有另一個(gè)名字為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,電路出現(xiàn)異常,導(dǎo)致出現(xiàn)大電流時(shí),如果該部分電 路中串有一個(gè)PTC,那么也就等于在PTC中存在有大電流流過(guò),PTC發(fā)熱,根據(jù)其正溫度特性,其阻抗將變得很大,使整個(gè)回路的阻抗變大,從而使回路的電 流變小,起到了保險(xiǎn)絲的作用。根據(jù)其正溫度的特性,PTC的另一個(gè)作用是在電路中實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。
結(jié)語(yǔ)
電阻的知識(shí)涵蓋非常多,不僅僅是知道歐姆定律后就能應(yīng)用好,其中還包括了材質(zhì)及其特殊性能,如電阻元件的電阻值大小一般與溫度,材料,長(zhǎng)度,還有橫截面積有關(guān),衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù),其定義為溫度每升高1℃時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù);電阻的主要物理特征是變電能為熱能,也可說(shuō)它是一個(gè)耗能元件,電流經(jīng)過(guò)它就產(chǎn)生損耗,以熱能的形式表現(xiàn);電阻在電路中通常起分壓、分流的作用;對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō),交流與直流信號(hào)都可以通過(guò)電阻等。作為硬件工程師,想要把元器件用的得心應(yīng)手,就需要通過(guò)對(duì)其材質(zhì),電氣特性和其特殊性做深入的了解。
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