可變電阻
可變電阻的構成材料及製造方法大致同前,所異之點在於它必須設計一個能活動的部份以便改變其阻值。依材料可歸類為下列四種:
(1)線繞型──多用於精密級及高電力的電路。
(2)金屬皮膜型──用Cr-SiO或Ta₂O的薄膜加溫成蒸氣後沉積在基體上,基體可以是圓形、馬蹄形或條狀的。多用於精密電路。
(3)陶質型──它是在陶質基板上以玻璃粉末及Ru等金屬粉末及膠著劑混合後,高溫燒結而成(屬Glazs類),它的最大特色是壽命長,不會像碳膜般容易磨耗和氧化。
(4)碳模型──是較普通的品種,一般用途的電路及較廉價的電路裡使用。
茲將上列四種之性能比較列於表九,表中的「分解能力」是指其設定精密度,例如一個1KΩ的可變電阻若能以1Ω的精確度任意設定電阻值,則其設定精確度即達1/1000,線繞型與非線繞型(A)電阻的回轉角度與阻值的關係如圖九,從圖中可見同種用途的可變電阻,線繞型的分解能力較差些,設定精密度的選擇與電路到底有何關係呢?
請看圖九,本例是欲從一個6~7的Zener取得6.000V(即精度為1/1000V)的基準電壓時,如(a)圖只用一個7K可變電阻時,其設定精度就必須達到1/7000,如(b)圖的安排則R1的精度只要1/1000即可,再如(c)圖之安排只需1/100的精度即可得所需的6.000V電壓,這就告訴我們如何安排電阻的精度,以最方便、價廉的方法去獲致所需的電路性能。
可變電阻的阻值隨旋臂轉動的角度而不同,其角度阻值之關係有很多種,圖十所示的曲線關係如下:
A型──15%對數關係
B型──直線關係
C型──15%反對數關係
D型──10%對數關係
E型──25%反對數關係
U型──介於A與B型之中間
W型──相當於S形狀關係
轉動的角度是以全轉角度的百分比表示,若是滑動型的可變電阻,則以滑動全距的百分比表示。其中A、B、C、D、E為標準品種,其餘為特殊用途而設計者。
半固定可變電阻(Trimmer)亦屬可變電阻之類,只不過它在電路上的用途是調整以後經一段時間後才需再去調整,所以它沒有固定用的機械部份而直接焊在PC板上,體型可作得小些,當它一旦調準了之後,就用漆固定之。表十是半固定電阻的構成材料與性能之比較,圖十一則是其中的Cermet型的內部構造剖面圖。
可變電阻的用法除了上面所說的設定精度之外,有些地方還須注意接線的方式,如圖十二是半固定電阻(尤以碳膜為然)用在後級放大器的偏壓電路中之接法,(a)圖的接法顯然有缺點,當半固定電阻之旋臂與電阻體接觸不良時,將使電晶體本身因無偏壓而斷流,因而呈現出較高的阻抗,使得放大器的偏流量大增,極易因此燒毀後級功率晶體,當接成(b)圖時,即使產生接觸不良的現象,也祇引起阻值的稍微變化而已。再看圖十三是一般可調式穩壓電源電路,用作電壓調整的可變電阻(或用半固定的),接如圖(a)的接法,當旋臂的接觸不良時,將會使輸出電壓達於最大值,常會因此而燒毀接用此電源的電路,改成(b)的接線法,可使因接觸不良的電壓變化所生之影響較輕微。
微調電阻顧名思義其阻值可微調,亦即分解度較高,這必須依賴多回轉來達成,其構造如圖十四,其電阻體本身可以是合金皮膜或碳膜,若是線繞的則是一根細線繞成的繞細棒。
電阻集列
最近由於數位,線性IC的大量集積化,把許多外部零件都納入中,而不能納入IC的亦想辦法將之集積化。電阻集列(Resistor Arrays, Resistor Networks,或稱積體電阻)就是應此產生,然而它最大的優點並不只在體積之縮小,這些用薄膜技術作成的電阻,由於以相同的材料,在相同的基體上同時形成,它們之間除了本身已具良好特性之外,對溫度變化的特性都是一致的,這在精密電路中是非常重要的。事實上這種電阻集列最先在厚膜IC中即已使用過,它是用印刷電阻的技術把電阻的技術把電阻材料作成膠狀,印刷成電路後在600℃~700℃的高溫下燒結而成,由於進一步處理的設備很少且技術上困難較多,阻值無法控制得很精確,故大多使用在一般用途的民生機器,例如數位電路中顯示器的限流電阻,它的個數要多但不需精密,此等電阻即可勝任。新進技術製成的大多是薄膜電阻集列,它是用Ni-Cr類,Ta₂N等金屬之氧化薄膜在基板上次真空蒸著或沉積的方式製成,其最大特點是初製出來之後阻值之修整及溫度係數之控制,可以「電氣化學」的方法來達成,以便得到很高的精度與安定性。如圖十五是Ta₂N薄膜電阻集列的製造流程圖,在Photo Etchirg(照相蝕刻)之後所得到的電阻值誤差大約是介於±2%~±10%之間,經確實的測試後利用「陽極處理」的技術使電阻體的厚度產生變化,從而改變電阻體隻截面積而改變了阻值,可控制達到±0.05%的精度,又厚度的改變同時也改變了溫度體數(表11),
所以精度與溫度係數都可藉陽極處理的方法依實際需要而修整。電阻集列的例子如圖十六,它的外型接腳有單排線(SIP)和雙排線(DIP)兩種包裝(照片中為單排線者,雙排線的外型與雙排線之一般IC無異),(a)類常用在圖十七的電路中,它是運算放大器構成的反相及非反相放大器,增益分別決定於R2/R1及1+R2/R1,只要R1 R2的溫度係數相同,則此放大器之增益就與溫度無關,只決定在R2/R1的比值。可作到既精確又穩定。
(b)類常用在數字顯示器(Display)至推動器(Driver)之間作為限流電阻(圖十八),其品種多屬誤差在±5%~10%者,較精密的則常用於OP Amp.差動放大,或AC→DC變換回路等,需要多個精確電阻的電路中。
(c)類常用作數位電路的Pull-up電阻(大多是SIP包裝,誤差在±5%~±10%)或用於OP Amp.的加算電路(圖十九)。
(d)類則用在測試器的輸入,輸出衰減網路(Attenuator)或增益可控放大器(Programable Gain Amp.)如圖廿。
(e)類用於D→A變換回路中的R-2R網路(圖廿一)以便產生階梯波形(Staircase Wave)。
以上所舉只是常用之例,事實上任何一種都可以是用到您所需的電路裡,只看如何去組合罷了。圖廿二就舉出以含有5個獨立且具有相同阻值的電阻集列,可以組合成的阻值表。
其中有括弧的表示重複值,組合的接法則如圖廿三。
至於組合以後的溫度係數變化,請先看圖廿四(a)圖中說明其串聯後的溫度係數
(b)圖是併聯,其溫度係數為
從這兩公式得知,只要阻值,溫度係數皆相等,則不論怎樣組合之後,其溫度係數仍維持與單個一樣。必須注意的是這些電阻的功率都很小,使用時宜特別注意以免燒燬,若燒燬其中一個而以單個獨立的電阻代替,就破壞了整個的精密本質了。
特殊電阻
一、熱敏電阻(Thermal Ersistor:簡稱Thermistor):
熱敏電阻可分為正溫度係數及負溫度係數兩種,以分別適用於各種需要的補償電路,更有在達於某一溫度時阻值會驟升或驟降,可以當電子開關使用,故其溫度與電阻間的關係都不是直線性的。製造熱敏電阻的材料有各種金屬之氧化物如氧化錳(Mn₃O₄),氧化銅(CuO),氧化鎳(NiO),氧化鈷(Co₃O₄)及硫化銀等。
圖廿五(a)所示為負溫度係數感溫急變電阻之典型特性曲線,(b)為其外型,動作點之溫度從48~70℃之間都有,(c)是這種電阻的應用電路示意圖。
一般作為電晶體偏壓補償用的熱敏電阻應採用正或負溫度係數,端看接於線路中的位置而定。圖廿六(a)是正溫度係數之接法,(b)是負溫度係數型之接法。
二、光敏電阻(Photo Resistor)
常稱為CbS是因為它的材料而得名,CbS是硫化鎘[新近也有用CbSe(硒化鎘)者]它的阻值特性是當有光線照射時本身的阻值即減少(光的能量使其內之自由電子數量增加),利用這個阻值與光度的關係可控制數位或類比電路,作成各種用途的電路,如照度計、位置檢出裝置、房門自動開關,進出計數器等。
表十二是日本一家專門生產光敏電阻的Moririca公司之產品規格,圖廿七是用於數位電路中讀孔裝置的應用例。
三、壓敏電阻(Varactor)
壓敏電阻又稱變阻體,按照歐姆定律,加於電阻兩端的電壓增加時;流通於其間的電流應按I=E/R的比例增加,但變阻體裡卻不按此定律,而是以指數的比例增加(即阻值大幅下降)。傳統的變阻體是以SiC(碳化矽)為材料,利用外加電壓能改變其粒子間的接觸電阻之原理而達成,其電流與電壓之關係曲線很類似二極體(Thyristor)之順向特性曲線。較新的變阻體則利用半導體閘流體之特性,當所加電壓高至某一值時即產生崩潰而流通大量電流之特性,常見的用途是將它倂聯在電感負載(如繼電器)或電感負載電路的電源開關之兩端,由於開關動作之際電感兩端將產生極高的瞬時反向感應電壓,此電壓即被變阻體吸收而不致損壞控制元件(如功率晶體或SCR),以及避免開關的接點流通大量的電流而造成氧化。由於變阻體接觸電容相當大,不適用於高頻電路,常用在低頻或控制電路方面。使用時必須注意其耐功率,因為電壓增高時,電流的增加很快(以一般用途來講,大約是電壓的五倍),則相對的功率增加很驚人,以電壓增為兩倍來講,功率即增加了20倍(W=EI),熱散能力之設計,必須考慮到散熱力與散熱速度。
四、磁敏電阻(Gauss Sensor)
磁敏電阻之原理是利用佛萊銘定律,當導體(或半導體)在磁場中切割磁力線時產生之電荷流動作用而成。把半導體作成的磁感應元件(霍爾(Hall)IC或是霍爾電晶體)接於電路中,以一變動的磁場(通常是旋轉或運動中的永久磁鐵)加於其上,使感應元件內部因電荷隨磁場變化而產生的阻值變化,進而使電壓也變化,達成控制之目的。它的特性以SONY出品的SDME-101為例如下:
阻值變化率:47% at 100 Gauss
溫度係數:3500 ppm/℃(定壓驅動)
500 ppm/℃(定流驅動)
電流消耗:6.6mA at 10V
頻率響應:10MHz以上
霍爾元件可用來作為無接點控制用,例如在音響機器中用此元件作成的電位器,可保證有較前述任何一種可變電阻有更低的雜音,其他尚可用於物體位置,速度檢出等用途。圖廿八是霍爾IC用作恆速控制的電路例。
轉載音響技術第48期DEC. 1979 電阻器的認識與選擇/莊焜亮
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