為什么在PCB中使用電阻器？

電阻器是印刷電路板 (PCB) 中使用的最基本元件之一。它們是阻止電路中電流流動的無源器件。PCB 電阻器可以控制、劃分、穩(wěn)定、連接電路等。它們具有各種電阻值、尺寸、額定功率和容差，以滿足不同的電路要求。?

電阻值（以歐姆為單位測量）表示對電流的抵抗力。電阻器遵守歐姆定律，該定律規(guī)定：

V = 紅外

其中 V 是以伏特為單位的電壓，I 是以安培為單位的電流，R 是以歐姆為單位的電阻

因此，對于給定的電壓，較高的電阻會導(dǎo)致較小的電流。電阻器將電能轉(zhuǎn)化為熱量，并且必須將其消散。它們是純粹的無源器件，不能放大或增加功率。

為什么在 PCB 中使用電阻器？?

以下是電阻器在PCB電路中的一些主要應(yīng)用：

電流限制——電阻器通過限制精密 LED、集成電路和其他組件的電流來防止損壞。

分壓——串聯(lián)電阻形成分壓器，以從電源獲得較低的電壓。

上拉/下拉 –與數(shù)字邏輯電路一起使用，以確保在未驅(qū)動輸入時有已知的邏輯電壓電平。

偏置——為晶體管放大器和其他模擬電路提供適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷夯螂娏鳌?/p>

反饋——對于運(yùn)算放大器、ADC、DAC 和其他模擬電路控制增益和響應(yīng)至關(guān)重要。

脈沖整形——與電容器結(jié)合形成用于脈沖生成的 RC 定時電路。

ESD 保護(hù) –防止靜電放電損壞。

加熱器 –線繞功率電阻器將電能轉(zhuǎn)化為熱量。

總之，電阻器可以調(diào)節(jié)、穩(wěn)定和保護(hù)電子電路。如果沒有它們，現(xiàn)代 PCB 將無法正常工作。

PCB 電阻器的類型

有多種電阻器類型可供選擇，以滿足不同的應(yīng)用。它們可以根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料成分、尺寸和其他因素進(jìn)行分類。

以下是一些最常見的 PCB 電阻器類型：

碳質(zhì)電阻器

碳成分電阻器是最古老的電阻器類型。它們由陶瓷和碳顆粒的實(shí)心圓柱形棒制成。碳質(zhì)電阻器的主要特性：

成本低，但由于溫度影響，耐受性較差（±10%）

用于精度要求不高的地方

提供 1/4 至 2 瓦額定功率

商業(yè)級穩(wěn)定性

與其他類型相比噪音較大

容易出現(xiàn)電壓系數(shù)問題

碳膜電阻器

碳膜電阻器在陶瓷棒上有一層薄薄的碳沉積膜。它們表現(xiàn)出比碳成分更好的性能：

提高容差 (±5%) 和穩(wěn)定性

低溫電阻系數(shù)

提供 1/8 至 1 瓦額定功率

極低的電感和電容

低噪音運(yùn)行

更好地承受電壓浪涌

金屬膜電阻器

為了獲得更好的精度和穩(wěn)定性，使用金屬膜電阻。它們是通過在陶瓷基板上沉積一層薄薄的鎳鉻或氧化錫薄膜而制成的。金屬膜電阻器的主要特點(diǎn)：

更好的容差 (±1%) 和溫度穩(wěn)定性

比碳組合物和碳膜噪音更低

額定功率范圍為 1/10 瓦至 1 瓦

能夠處理更高的峰值電壓

電壓系數(shù)低，穩(wěn)定性好

金屬氧化膜電阻器

金屬氧化膜電阻器不使用金屬膜，而是使用氧化錫等金屬氧化物材料。這提供了進(jìn)一步的改進(jìn)：

出色的容差低至 ±0.5%

隨著時間和溫度的變化極其穩(wěn)定

低熱電動勢，降低噪音

高頻能力高達(dá) GHz 范圍

高可靠性和脈沖處理能力

應(yīng)用于高精度測試設(shè)備

線繞電阻器

線繞電阻器通過將電阻絲纏繞在陶瓷芯上來獲得電阻。主要特征包括：

高功率處理能力，高達(dá) 100 瓦或更高

可實(shí)現(xiàn)淺電阻值

電感性，不適合高頻使用

商業(yè)公差約為±5%

通常封裝在鋁殼或陶瓷外殼中

在沖擊/振動下容易產(chǎn)生熱電動勢效應(yīng)

箔電阻器

對于低于 1 歐姆的淺電阻值，使用箔電阻。它們由粘合到陶瓷基板上的金屬合金薄箔組成。

特點(diǎn)包括：

電阻值低至毫歐

提供 ±0.005% 公差的高精度

低 TCR，穩(wěn)定性極佳

高載流能力

全焊接結(jié)構(gòu)，無螺旋線

常見于航空航天應(yīng)用

陶瓷電阻器

陶瓷成分電阻器由熔合到陶瓷體上的氧化釕釉層制成。它們提供卓越的性能：

極其嚴(yán)格的公差低至 ±0.02%

超低溫度系數(shù)

隨著時間的推移和環(huán)境壓力的高穩(wěn)定性

承受反復(fù)的熱沖擊而不漂移

用于高可靠性航空航天和軍事應(yīng)用

熔斷電阻器

可熔功率電阻器包含一個內(nèi)置熔斷線，在電流過大時會燒斷。在正常情況下，它們的行為與任何其他固定電阻器一樣。可熔電阻器的主要特性包括：

為電路提供過載保護(hù)

額定功率為 1 至 5 瓦

保險絲在主電阻體過熱之前安全斷開

可通過更換保險絲手動復(fù)位

常用于電源、配電電路

微調(diào)電阻器

微調(diào)電阻器具有通過機(jī)械方式（螺釘或滑動觸點(diǎn)）獲得的可調(diào)電阻值。這允許在電路校準(zhǔn)和測試期間“微調(diào)”電阻。

微調(diào)電阻器的特性：

在有限范圍內(nèi)可變，通常為 20-30%

使用螺絲刀或小型調(diào)節(jié)工具設(shè)置為精確值

密封結(jié)構(gòu)可防止環(huán)境污染

提供通孔和SMD封裝

廣泛應(yīng)用于模擬或精密電路微調(diào)

熱敏電阻

熱敏電阻是采用具有顯著電阻溫度系數(shù)的半導(dǎo)體材料的電阻器。這意味著它們的電阻值隨溫度變化而變化很大。

熱敏電阻特性：

用于溫度測量、補(bǔ)償和控制

NTC 類型的電阻會隨著溫度升高而降低

PTC 類型隨著溫度升高而增加電阻

響應(yīng)時間從秒到分鐘不等

電阻與溫度的關(guān)系是高度非線性的

壓敏電阻

壓敏電阻是由特殊配方的金屬氧化物材料制成的電壓相關(guān)電阻器。

它們的基本功能是瞬態(tài)電壓抑制：

電阻隨施加電壓急劇下降

吸收并限制 ESD 或浪涌期間的瞬態(tài)電壓尖峰

用于保護(hù)敏感電子設(shè)備免受損壞

交流或直流電路的雙向操作

由焦耳額定值指定的能量處理能力

響應(yīng)時間（納秒）

光敏電阻

光敏電阻器，也稱為光敏電阻器 (?LDR?)，其電阻在暴露于光線時會減小。它們由硒化鎘或硫化鎘等半導(dǎo)體材料制成。主要特征：

在黑暗和光照條件下，電阻可能會發(fā)生幾個數(shù)量級的變化

對可見光和紅外波長具有出色的靈敏度

用于使用光傳感和激活的電子產(chǎn)品

響應(yīng)時間慢使得它們不適合快速光信號

包裝必須允許光照射到感光區(qū)域

磁電阻

磁電阻器是由電阻隨磁場變化的材料制成的電阻器。一些類型包括：

使用鎳鐵薄膜的坡莫合金磁電阻

砷化鎵鎂半導(dǎo)體

巨磁阻多層器件

利用磁性隧道結(jié)的隧道磁電阻

磁電阻器的有用特性包括：

檢測磁場強(qiáng)度和方向

提供與感測介質(zhì)的電氣隔離

堅(jiān)固耐用，可在寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行

用于磁場傳感器、電流傳感器、隔離器

對微小的磁性變化表現(xiàn)出高靈敏度

貼片電阻

表面貼裝器件 (SMD) 電阻器專為表面貼裝 PCB 組件而不是通孔安裝而設(shè)計(jì)。它們要小得多，并且允許電路板上的元件密度非常高。?

貼片電阻的一些特點(diǎn)：

矩形、方形或橢圓形陶瓷體，底部有端子

端子為厚膜、焊料涂層鎳帶

標(biāo)有數(shù)字電阻代碼而不是色帶

電阻范圍通常為 10 ohm 至 22 Mohm

額定功率從 0.05 瓦到 1 瓦

公差低至±0.1%

以英制 (01005) 或公制 (0402) 代碼指定的尺寸

SMD 電阻器的微小尺寸使得能夠?qū)⒏嘣惭b到越來越小的 PCB 中。與通孔電阻器相比，自動化組裝和節(jié)省成本是額外的優(yōu)勢。

電阻器標(biāo)記代碼

通過顏色代碼查找電阻

由于電阻器很小，因此必須使用色帶、字母數(shù)字代碼或直接印在電阻體上的其他標(biāo)記來指示其電阻值和公差。

色帶

自 20 年代以來，色環(huán)系統(tǒng)一直被用來表示電阻值。

三環(huán)電阻器有兩個重要的數(shù)值電阻色環(huán)和第三個乘數(shù)環(huán)

四環(huán)電阻器添加了第四個容差色環(huán)以實(shí)現(xiàn)更高的精度

還存在五環(huán)和六環(huán)電阻器以滿足高穩(wěn)定性要求

SMD 標(biāo)記代碼

由于尺寸較小，SMD 電阻器使用緊湊的數(shù)字電阻和乘數(shù)代碼而不是色環(huán)。

一些典型的方案是：

三位數(shù)代碼 – 前兩位數(shù)字表示電阻，第三位數(shù)字表示乘數(shù)

四位數(shù)字代碼 – 前三位數(shù)字為電阻，第四位數(shù)字為乘數(shù)

EIA-96系統(tǒng) – 2位數(shù)字電阻，字母表示乘數(shù)

因此 472 等于 47 x 100 = 4.7KΩ。15R2 = 15 x 0.01 = 150 歐姆。

電阻層的激光微調(diào)也用于實(shí)現(xiàn)非常嚴(yán)格的公差 SMD 電阻值。

如何選擇合適的電阻器

為特定 PCB 應(yīng)用選擇合適的電阻器需要考慮幾個重要因素：

電阻值

最佳電阻取決于電路設(shè)計(jì)要求，并使用歐姆定律計(jì)算。通常選擇標(biāo)準(zhǔn) EIA 十年值。

寬容

容差表示電阻器標(biāo)稱值的準(zhǔn)確度。±1% 或更好的更嚴(yán)格容差用于精密電路。對于非關(guān)鍵應(yīng)用來說，可以接受約 ±5% 或 ±10% 的較大公差，以降低成本。

額定功率

額定功率必須超過電阻器的最大預(yù)期功耗。額定功率取決于物理尺寸。1/4 瓦（或 250mW）可以處理大多數(shù)低功率電路。電源或加熱器可能需要更高的瓦數(shù)。

溫度系數(shù)

每度溫度變化的固有電阻變化。較低的系數(shù)可在精密電路中提供更好的穩(wěn)定性。還必須考慮最高工作溫度。

額定電壓

必須超過電阻器兩端的最大壓降，并留有安全余量。電源和其他高壓應(yīng)用需要更高的額定電壓。

尺寸

物理尺寸可以決定 SMD 與通孔形式。高度限制可能適用于密集板。大功率電阻比小功率電阻大。

噪音

高增益模擬電路和射頻/數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)使用低噪聲薄膜電阻。線繞線圈具有一定的電感，會產(chǎn)生噪聲。

響應(yīng)時間

為定時電路、脈沖操作和高頻應(yīng)用選擇具有適當(dāng)瞬態(tài)響應(yīng)的電阻器。

考慮到這些因素，可以選擇最佳的 PCB 電阻器類型和規(guī)格。

PCB 電阻器應(yīng)用

電阻符號

電阻器在各種印刷電路板應(yīng)用中無處不在，包括：

分壓器

兩個或多個串聯(lián)連接在電壓源上的電阻器形成一個簡單但有用的分壓器電路。這會從較高的電源電壓生成較低的電壓抽頭。?

分壓器用于電源、晶體管放大器的偏置網(wǎng)絡(luò)、ADC 接口以及許多其他需要一小部分電壓軌的地方。仔細(xì)選擇合適的電阻值可以獲得所需的分壓比。

限流

將電阻器與 LED、集成電路和其他精密電子元件串聯(lián)可以限制流過它們的電流。電阻值經(jīng)過計(jì)算，可將多余的電壓降低到超出設(shè)備所需的電壓。它可以防止浪涌電流、過載或短路造成的損壞。

上拉/下拉

上拉和下拉電阻器連接在集成電路邏輯輸出和正或負(fù)電源軌（地）之間。當(dāng) IC 輸出為高電平時，它可確保已知的邏輯電壓電平。

上拉/下拉電阻提供了定義的默認(rèn)條件，可防止邏輯錯誤和誤觸發(fā)。它們對于所有數(shù)字邏輯系列的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

偏置網(wǎng)絡(luò)

通過電阻器提供適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷夯螂娏魉?，允許晶體管放大器和運(yùn)算放大器等模擬集成電路在其線性區(qū)域運(yùn)行。偏置電阻有助于將這些有源器件穩(wěn)定在最佳靜態(tài)條件下，以滿足電路設(shè)計(jì)要求。

反饋電路

電阻器是運(yùn)算放大器、ADC、DAC 和其他模擬電路的反饋環(huán)路中不可或缺的組件。它們根據(jù)預(yù)期功能控制增益、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性和輸出阻抗。

定時電路

將電阻器與電容器組合形成 RC 定時電路，可生成已知的時間常數(shù)。它們用于振蕩器、定時器、脈沖發(fā)生器和其他需要延遲、波形整形或頻率控制的電路。

終止

電阻器通常用于端接RF、視頻、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、USB等信號的傳輸線和布線。端接電阻器與線路阻抗相匹配，以最大限度地減少信號反射。它允許最大功率傳輸，以提高信號完整性。

浪涌保護(hù)

壓敏電阻和熔斷電阻有助于保護(hù)精密半導(dǎo)體器件免受高壓瞬變的影響。它們會鉗位或吸收危險的電壓尖峰，以免損壞 IC、芯片和其他組件。電阻器還有助于限制靜電放電 (ESD) 事件期間的電流。

溫度補(bǔ)償

熱敏電阻測量溫度變化并適當(dāng)改變其電阻，以補(bǔ)償由熱效應(yīng)引起的其他組件的變化。這保持了電路的穩(wěn)定性和性能。

電壓調(diào)節(jié)

電阻器與齊納二極管、晶體管和其他有源元件結(jié)合使用，有助于構(gòu)建穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓器電路。這些電阻器可實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓、限制電流并耗散電源的多余功率。

過濾

電阻器與電容器組合形成低通、高通、帶通和帶阻模擬濾波器。它們過濾掉不需要的信號并傳遞感興趣的頻率。濾波有助于消除噪聲、諧波和干擾。

放血器

設(shè)備斷電后，高阻值功率電阻器會緩慢地對電容器放電。泄放器可以安全地排出儲存的能量，以防止電擊危險。它們常見于電源、除顫器和工業(yè)電子產(chǎn)品中。

分裂的網(wǎng)絡(luò)

串并聯(lián)電阻梯網(wǎng)絡(luò)通過單個參考提供多個精確的抽頭電壓。它為 A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)、電壓縮放等應(yīng)用創(chuàng)建電阻分壓器。

通過利用電阻器可以發(fā)揮的各種作用，PCB 設(shè)計(jì)人員利用它們來構(gòu)建強(qiáng)大、可靠且高效的電子電路。

PCB電阻焊接

帶引線電阻器通過 PCB 孔插入并焊接到位。它牢固地固定組件并建立牢固的電氣連接。在板上手工焊接電阻的一些技巧：

使用適當(dāng)?shù)睦予F溫度（含鉛元件為 650-700°F）

在元件引線和PCB 焊盤上涂抹助焊劑以幫助潤濕

焊接前確保電阻引線完全插入電路板孔中

加熱兩個電阻

自動拾放組裝

大批量PCB 制造采用適合 SMD 人群的專用貼片機(jī)。它實(shí)現(xiàn)了裝配過程的自動化，實(shí)現(xiàn)了令人難以置信的速度、精度和可靠性。?

一些功能包括：

高速真空吸嘴從送料器或料帶上拾取元件

機(jī)器每小時貼裝數(shù)千個零件，精度高達(dá) 0.01 毫米

頭部光學(xué)器件可對齊組件并驗(yàn)證零件是否存在

消除人為錯誤和放置變化

與手動組裝相比，減少了制造缺陷

適用于任何元件封裝的定制吸嘴、送料器和編帶尺寸

該軟件與 CAD 數(shù)據(jù)集成以生成程序

降低總體組裝成本并縮短上市時間

先進(jìn)的取放系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、緊湊的 PCB 極其密集的元件裝載。

嵌入式薄膜電阻器

由于寄生電感和電容問題，分立電阻器不適合射頻和微波板等特殊應(yīng)用。相反，嵌入式薄膜電阻器可以直接激光修整到內(nèi)板層上。

好處包括：

電阻容差低至 ±1%

超出 GHz 范圍的出色高頻特性

在溫度波動下具有穩(wěn)定的電阻

薄型外形不占用板上的垂直空間

與 FR-4 等標(biāo)準(zhǔn) PCB 層壓板兼容

適用于數(shù)字和高速模擬信號

通過消除分立元件來提高信號完整性

通過將無源部件集成到 PCB 中降低裝配成本

嵌入式電阻器不斷推進(jìn) PCB 的小型化和性能，特別是滿足高頻需求。

PCB 電阻測試

驗(yàn)證組裝板上電阻的正確性對于可靠性至關(guān)重要。一些重要的測試方法包括：

在線測試檢查安裝在電路板上的電阻器

連續(xù)性測試以確認(rèn)連接并檢測開路

電阻器上的電壓測量可驗(yàn)證正確的壓降

自動光學(xué)檢查尋找可見缺陷和異常

X 射線檢查可揭示裂紋或空隙等隱藏問題

溫度循環(huán)、振動和功率循環(huán)資格條件下的壓力測試

應(yīng)用 ESD 沖擊檢查穩(wěn)健性和浪涌處理能力

在裸板和組裝板階段對電阻器進(jìn)行徹底測試，在發(fā)貨前發(fā)現(xiàn)故障。它可以防止過早的現(xiàn)場故障。

PCB 電阻器失效模式

盡管電阻器很簡單，但它仍然可能因過應(yīng)力、污染、磨損或設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)纫蛩囟霈F(xiàn)故障。需要注意的一些標(biāo)準(zhǔn)故障模式：

功耗過大導(dǎo)致過熱

由于引線斷裂或內(nèi)部保險絲燒斷而導(dǎo)致開路

熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力引起的電阻值變化

電阻體或元件破裂導(dǎo)致間歇性故障

導(dǎo)電碎片造成短路或電弧

焊接損壞，例如焊盤翹起或熱沖擊

參數(shù)隨時間和環(huán)境暴露的變化

機(jī)械沖擊/振動引起觸點(diǎn)開路

電阻膜材料剝落導(dǎo)致電阻增加

電阻器額定功率不足以滿足應(yīng)用需求

了解電阻器如何發(fā)生故障并在設(shè)計(jì)過程中考慮可靠性風(fēng)險可以減少潛在的現(xiàn)場故障。

結(jié)論

電阻器是必不可少的元件，由于它們能夠控制電流和電壓降，因此幾乎每個電子印刷電路板都能正常運(yùn)行。從高精度應(yīng)用到基本上拉需求，電阻器通過其多功能性、低成本和可靠性為 PCB 提供了支持。

電氣工程師可以通過使用提供的指南選擇適當(dāng)?shù)碾娮杵黝愋?、尺寸和特性，充分利用這些基本的無源器件來構(gòu)建高性能、耐用的電路板和系統(tǒng)。隨著材料和制造的不斷進(jìn)步，電阻器在未來仍將是電子設(shè)計(jì)的支柱。?

審核編輯：黃飛

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