電阻器的認識與選擇(上)規格概要、電阻 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　電阻是電子電路中最主要的被動零件,了解它的一切常識有助於在設計電路時能正確的選擇各種材料及構造電阻,以適合電路的須要達到最佳的效果。譬如在低電平放大電路中,電晶體級及負荷電阻較大時可獲得較高之增益,但相對的也帶來較多之雜音。如何在電路與零件間取捨以決定出最佳效果所需的電阻,有賴於對它的徹底認識。

　　電阻值的大小(R)決定於其材料的電阻係數(ρ)長度(L)及截面積(S),其關係如下:

R=ρ˙L/S(參看圖一),愈是細長便能作出涵蓋數較大範圍的阻值,表一列出了常用金屬的電阻係數及溫度係數。故作為電阻器的材料至少要具有下列特性:

　　(1)電阻係數高

　　(2)溫度係數低

　　(3)優良的耐熱性能

　　(4)理、化方面的安定性良好

然而這些特性之間卻彼此相互牽制,而且像半導體積體電阻及金屬類的電阻其電阻係數均較低,製造出來的阻值範圍就受限制。因此目前有些是把導體、半導體、絕緣體三者作適當比例的混合,以便作出適合各種用途的電阻器。依照材料及製作方法兩方面來看,可把它分類如下:

A、依材料分:

　(a)合成高ρ值材料作成─

　　(i)導體與樹脂混合─碳素固態電阻、可變電阻。

　　(ii)導體與玻璃混合─金屬Glaze類、及其可變電阻。

　(b)使用直接材料作成─

　　(i)碳膜電阻

　　(ii)金屬皮膜電阻

　　(iii)線繞電阻(Wire)

B、依製作方法分:

　(a)直接加工─固態電阻(Solid)、線繞電阻。

　(b)塗膜或印刷(樹脂及金屬Glaze類)─

　　(i)圓筒切割型

　　(ii)平板型

　(c)薄膜蒸著或熱分解─碳膜、金屬皮膜電阻─

　　(i)圓筒切割型

　　(ii)平面薄膜型

規格概要

　　將再後文提及的電阻器之重要規格和它的定義分述如下:

　　(一)溫度係數:導電材料的電阻值大都隨溫度上升而增加,(但也有減少的,稱為負溫度係數),故溫度係數是指溫度變化時引起電阻值之增減量,在表一中最右一欄列出的是常用金屬之溫度係數,它是以金屬再20℃時之阻值作為參考之標準,即平均每增減1℃時阻值之增減量與20℃時之阻值之比。不過實際用再電阻器上時,為方便計其溫度係數是以PPM/℃為單位(Percentage Per Million),即溫度每變化1℃時其變化阻值與標稱阻值之百萬分數。

　　(二)電壓係數:由於電阻加上電壓後會有電流流通,而電流又產生熱,熱會使電阻變化。此項係數是指電阻在被加上最高額定電壓及其1/10時,阻值變化量與再最高額定電壓時阻值之百分比,以%/V為單位。用於高壓電路的電阻常需考慮此項係數。

　　(三)容許誤差:相同的材料、一樣的作法作出來的電阻也難預測其有儘相同的阻值,電阻的實際阻值和其標稱阻值之差與標稱阻值的百分比率即為誤差,常用的可分為八級,分別以英文字母代表之。如表二。例如一個電阻上寫著1002D,即表示10KΩ±0.5%的電阻。更小的誤差有A級±0.05%,Q級±0.02%,T級±0.01%,這些都是用在特殊極精密之電路中。

　　(四)額定耐功率:這是指電阻器在20℃時所能承受之功率,當溫度上升時所能承受之功率減少,(參考圖三及圖六的功率降低曲線),再高功率、高溫度時需考慮此係數。通常一個電阻功率大小的決定,為考慮其安全係數,常以計算所需功率的1.5倍為原則。

　　(五)耐濕性:電阻的絕緣被覆外層若有空隙,空氣中的水氣將會滲入而逐漸氧化,影響其阻值。耐溫的試驗是將電阻至於40℃,90~95%的相對溼度(RH)下長時間放置,以測試其阻值變化之百分比。

　　(六)高頻特性:電阻器在高頻時由於其本身所具有的電感量(尤以線繞是為然),而不適用於高頻電路,此項特性的表示法是:欲動作的最高頻率下之實際阻值Rf與直流時之阻值Ro之比。此值愈近1則愈佳,通常阻值較小的高頻特性較佳(參看圖六)。

電阻

　　常用固定電阻其特性列於表三,現將其分述如下:

一、混合類

　　(1)碳素固態電阻:向來被用作電阻的材料均以碳素為主,那是由於碳具有高ρ值、安定性佳,且其本身的阻值涵蓋範圍廣,通常是將碳的粉末與樹脂混合,而其混合之比例即控制著電阻值,為了增加電阻器的機械強度及耐熱性,通常選用熱硬化性的樹脂如SiO₂的粉末與碳粉混合,然後與導線、絕緣外曾三者一起壓鑄成型(如圖二),厚厚的絕緣體保護著電阻體使其無斷裂之虞,容易大量生產。但它也具若干缺點,諸如:電壓係數較大、溫度特性為非線性、溫度大時阻值變化大、焊接時的加熱會使其阻值再變化、電流雜音大等等,故成品之誤差等級也較大,在±5%~±20%之間。表四是這種電阻的一般規格,圖三則分別說明了其功率降低曲線、電壓係數、溫度特性、耐焊性及壽命等特性。

　　(2)金屬Glaze類平板電阻:由於碳素固態電阻與樹脂混合之後,樹脂的不穩定特性就存在於其中,因此絕緣物改用較穩定且便宜的玻璃作混合物,但是玻璃的熔點太高無法與碳配合加工,因此導體也改用金屬,常用的是銀(Ag)、鉛(Pb)、釕(Ru),及這些金屬的氧化物作成粉末,與玻璃粉末及少量合成樹脂(膠合用)混合成糊狀,然後用以作網板印刷,直接燒結在陶瓷基座上成為平板電阻,或直接在PC板上或Hibrid IC中,平板電阻之構造剖析如圖四。大多用在小型機器中。

二、皮膜類

　　(1)碳素皮膜電阻:是將陶質的基體(通常是圓柱狀)置於高溫真空中,然後用碳水化合物(如汽油之類)的氣體輕吹其基體,使其表面起熱分解作用而產生一層薄薄的純碳膜。由於這樣做起來的面積較大,阻值只能達到數KΩ的程度,若要較高之阻值則將皮膜切割成螺旋狀(圖五),控制螺紋的寬度即可達到控制阻值之作用,但由於電阻體本身非常薄,在作成高阻職時切割的精密度就決定了最高阻值之限制,通常只能高到3MΩ左右。

純碳素材料本身安定性是很好的,但直接的加溫仍對它有影響,因此外層保護材料之特性就非常重要,會直接影響其安定性,其他缺點尚有:➀高溫下會氧化➁精密度仍不夠高(只能達於±2%~±5%),表五是碳素皮膜電阻之規格,圖六則分別說明了功率降低率、溫度係數、溼度特性及高頻特性。

　　(2)合金金屬皮膜電阻:若改用金屬來代替碳素就作成金屬皮膜電阻,常使用於此的金屬是Ni-Cr,Ta-N等,製作的方法與碳膜稍異,它是用電熱、電子束等方法加熱使金屬蒸發成氣體,在真空中沉積於陶質基體上,基體是圓筒狀的,就如同碳膜電阻的方法切割成螺旋螺紋,或者將此等金屬之粉末加上少許合成樹脂,塗於基體上如同Glaze類的方法,可作成平板型金屬皮膜電阻,雖然金皮電阻之阻值較低(1MΩ以下),但是其精確度、穩定性、溫度特性均佳,其規格參考表六。最近更有所謂非電解電鍍的方式,能得到更高品質的金屬皮膜。

　　(3)氧化金屬皮膜電阻:合金皮膜電阻之耐功率較小(見表六),且在高溫下仍會有氧化的現象,因此採用在高溫下較安定的氧化金屬[通常用錫(Sn)或锑(Sb)之氧化物]之鹽酸溶液、將之加熱後把它的蒸氣吹向高溫的陶瓷圓棒上形成薄膜,再作螺旋切割的加工,以製成不同的阻值,它的最大優點是耐功率較大,可高至7W,可用在高電力的電路,其規格如表七。

三、線繞電阻

　　將細金屬電阻線如Cu-Ni或Ni-Cr合金直接繞在繞線管上(大多是瓷管),就形成了線繞電阻,它的主要缺點在於細線的加工麻煩,以及電阻體本身與導線之間的接合不易,故大多被最近發展的氧化金屬皮膜電阻所代替。線繞電阻目前主要應用在兩方面:(1)精密級低電阻及微調電阻(用於各種測試儀器中)(2)大電力的(7W以上,金皮電阻之耐功率只及此)。

精密級的是用Ni-Cr線配合特殊引線處理,可保證有很高的精確度及安定度,需要較高阻值時,則將導線覆以絕緣體然後用多層疊繞,由於考慮到圈數多時所生之電感量,採用無感繞法,如圖七,以減少電阻本身之感量,功率級無感量假負載電阻之繞法如圖八,其繞線方向之安排是無感量之關鍵。

　　大電力的線繞電阻多用於大功率的機器,但由於目前機器多趨於小型、低電力化,需要大電力的場合逐漸減少,且氧化金屬皮模型尚能作到7W左右的程度,因此大電力的線繞電阻目前可說都是用在特定的地方。由於它在使用時會發出很高的表面溫度,雖然是繞在瓷管上,散熱能力還是不足應付,所以有些還在外層塗上一層釉,有絕緣及散熱的雙重功用,有些則將之裝在陶質小盒中,並用水泥固定填塞之,即成為水泥電阻。

四、其他種類之電阻

　　最近的電路趨勢為了配合主動元件的大量積體化,零件的數量也跟著要減少體積也要縮小,以便達到小型化的目的,因此有所謂的集積電阻網路(Resistor Net-work),它是在同一個絕緣基體上同時作上幾個金皮電阻或印刷電阻,以及利用半導體製作技術在晶片上作成的電阻集列(Resistor Arrays),其外觀則形如一個普通的IC,這樣做成的電阻其特性基本上與單個是無異的,只要的優點再於同用一基體、同一方法、同一過程製出的各電阻,其阻值間的相對誤差就非常小,且周圍溫度變化所引起的阻值變化也很均勻,體積則大大縮小,在接線方面也省了許多麻煩,這些電阻多用在數位電路的提升電阻(Pull-up Resistor),及其他需要精密的電路如測試儀器中的倍乘器、類比電腦、A→D,D→A變換電路等。另外尚有熱敏、光敏、磁敏、電壓敏感電阻等,留待應用時再介紹。

　　通常喜歡自己設計電路的人常會發現計算出所需的電阻值卻買不到,因為電阻值的設定是有一定的比例,表八所列為±5%,±10%,±20%三種等級的標準阻值表,需要這些阻值以外的電阻,只有選用較精密如±1%或±2%的品種,或利用串、並聯的方式去獲得。