基礎(chǔ)電子學(xué)系列03 – 電阻實(shí)用指南

在之前的教程中，我們談到了電子初學(xué)者常犯的錯(cuò)誤。希望您已經(jīng)建立了一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)在，是時(shí)候開(kāi)始學(xué)習(xí)基本的電子元件了。我們將從無(wú)源元件開(kāi)始，如電阻器、電容器和電感器。

電子元件大致分為兩類——無(wú)源元件和有源元件。無(wú)源元件是不產(chǎn)生電能（電壓或電流）的電子元件。它們只能儲(chǔ)存或維持電能。這些組件具有線性特性，不需要任何外部電源（偏置電流或電壓）即可運(yùn)行。有源元件是能夠產(chǎn)生電能（電壓或電流）的電子元件。它們能夠放大電壓或電流。這些組件具有非線性特性，需要外部電源（偏置電流或電壓）才能運(yùn)行。

從無(wú)源元件開(kāi)始，我們要討論的第一個(gè)元件是電阻器。任何電子元件都有一定的電阻。電阻是導(dǎo)體的特性，它阻止電流流過(guò)它。在電流反向流動(dòng)的過(guò)程中，導(dǎo)體以熱的形式耗散能量。電阻器是專門設(shè)計(jì)的電子元件，可以阻止或限制電流流過(guò)電路。現(xiàn)在出現(xiàn)了一個(gè)明顯的問(wèn)題，如果電阻器阻礙電流并耗散能量，它們一定會(huì)使電路效率降低，那么為什么還要在電路中使用它們呢。好吧，電阻器在任何電路中都有兩個(gè)基本功能，一是設(shè)置電壓電平，二是限制電流。這兩個(gè)函數(shù)都用于優(yōu)化任何電路以獲得最佳性能。

在上一個(gè)教程中，我們提到了電子學(xué)的電壓-電流-布爾方法。電路的電壓-電流-布爾方法總是有助于電路的定量和邏輯分析。但實(shí)際上，電路都是關(guān)于信號(hào)的，而不是電流和電壓。任何電子電路基本上都是為生成、處理或改變電信號(hào)而設(shè)計(jì)的。這是任何電子電路的根本目的。電壓、電流等電氣量只是有助于信號(hào)處理的定量或邏輯分析。所以，任何時(shí)候你看到一個(gè)電路，首先要問(wèn)的是它輸入什么電信號(hào)，它輸出什么電信號(hào)。電子元件也是如此。每個(gè)電子元件都旨在以某種方式處理電信號(hào)。道路，任何電子元件都會(huì)處理電信號(hào)，定義其功能。因此，現(xiàn)在開(kāi)始學(xué)習(xí)任何電子元件時(shí)，我們將通過(guò)解決以下問(wèn)題來(lái)分析它：

1) 該電子元件如何影響電信號(hào)？
2) 該電子元件的信號(hào)處理進(jìn)行了哪些定量或邏輯分析（如電壓或電流的值或函數(shù)）？
3) 由于信號(hào)處理的性質(zhì)不同，電子元器件在不同的電路中所起的作用有何不同？
4) 該電子元件有哪些商業(yè)型號(hào)？
5) 分析該電子元件的市售模型的電氣特性以及它們對(duì)特定電路或應(yīng)用的適用性。

電阻器旨在為電流流動(dòng)提供阻力。對(duì)于直流信號(hào)，電阻（由電阻器決定）由以下等式?jīng)Q定：
V = IR
其中，
V = 電壓
I = 電流
R = 電阻

這就是歐姆定律。電阻消耗的功率由下式?jīng)Q定：
P = VI
其中，
P = 功率

這里，V 是電阻兩端的電壓降，I 是通過(guò)電阻的電流，R 是電阻提供的電阻，P 是它消耗的功率。功率表示電阻每秒耗散的能量。

只有假設(shè)電路中沒(méi)有電阻器，才能理解電阻器在電路中的重要性。假定導(dǎo)線理想地具有零電阻。因此，在電路中沒(méi)有任何電阻器（或任何提供相當(dāng)大電阻的電子元件）的情況下，電壓源（如電池）兩端的電壓降將為零，并且通過(guò)電線的電流將為無(wú)限大。實(shí)際上，與電路中的其他組件相比，導(dǎo)線的電阻可以忽略不計(jì)，因此可以忽略不計(jì)。如果電路中沒(méi)有電阻器（或任何提供相當(dāng)大電阻的電子元件），過(guò)量的電流將流過(guò)導(dǎo)線。電壓源兩端的電壓降將等于它提供的電壓。端子間的電阻非常低，因此高值的瞬時(shí)電流 (I = V/R) 將流過(guò)導(dǎo)線。在這種情況下，導(dǎo)線和電池都會(huì)因過(guò)多的熱量（功率）耗散而開(kāi)始升溫。因此，要么電線會(huì)因加熱而熔化，要么電壓源（電池）會(huì)損壞。

現(xiàn)在，如果在電路中放置一個(gè)電阻器（旨在在任何時(shí)刻提供固定電阻），則閉合電路中電壓源兩端的電壓降仍等于電壓源提供的電壓，但由于電阻器提供的電阻，電流將減少。因此，導(dǎo)線處的功耗將降低，導(dǎo)線和電壓源都不會(huì)損壞。

現(xiàn)在，如果電阻器與閉合電路中的其他組件連接，則電阻器上會(huì)出現(xiàn)一些電壓降，而其他組件上也會(huì)出現(xiàn)一些電壓降，因此整個(gè)電路上的總電壓降等于電壓源提供的電壓。這里，電阻一方面會(huì)降低電路中的一些電壓，另一方面，它會(huì)限制整個(gè)電路中的電流。

對(duì)于交流信號(hào)，電壓和電流隨時(shí)間交替變化。電壓和電流上升到峰值并下降到零改變方向。在相反的方向上，它們?cè)俅紊仙椒逯挡⑾陆档搅?，再次改變方向。有許多類型的周期或交流信號(hào)，如三角波、方波、正弦波等。在這些不同類型的周期信號(hào)中，電壓和電流按不同的函數(shù)變化。信號(hào)開(kāi)始于不一定為 0° 的相位角。其中最常見(jiàn)的是正弦波形。任何時(shí)刻的正弦波形電壓由以下等式?jīng)Q定：

V = V m sin(ωt)
其中，
V = 波形瞬間
V m = 波形峰值電壓
ω = 波形頻率
t = 時(shí)間瞬間

當(dāng)電阻器連接在具有交流波形的電路中時(shí)，它對(duì)信號(hào)的頻率或相位沒(méi)有影響。它提供固定電阻，每時(shí)每刻限制電流。借助上式給出的電壓和電路中的電阻器，任何時(shí)刻通過(guò)電阻器的電流將由以下等式控制 -

I = V m /R sin(ωt)
或 I = I m sin(ωt)
其中，
I m = 峰值電流
I m = Vm/R

因此，電阻器的信號(hào)行為可歸納如下 –
1) 電阻器旨在在任何時(shí)刻在電路中提供固定電阻。
2）電阻器限制電路中的電流，因?yàn)樗鼮槭┘拥碾妷禾峁┕潭娮琛?br />3) 施加的電壓在電阻兩端下降。因此，電阻器另一端的電壓電平降低。
4) 在 AC 信號(hào)中，電阻器的行為與在 DC 信號(hào)中的行為類似。它對(duì)交流信號(hào)的頻率或相位沒(méi)有影響。它只是通過(guò)一個(gè)常數(shù)因子在每個(gè)瞬間限制電流。
5）與電流相反，電阻會(huì)消耗一些功率（每秒能量）。這種能量耗散在直流信號(hào)中的每個(gè)瞬間都保持不變，而在交流信號(hào)的情況下，能量耗散也隨時(shí)間變化。但由于電流受電路中電阻的限制，導(dǎo)線和電路中其他元件的功耗降低。

電阻器在不同的電路中可能起著不同的作用。它們通常用于電路中的以下功能：

1) 限制電流——正如已經(jīng)討論過(guò)的，在沒(méi)有電阻的情況下，電路中會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的電流，這可能會(huì)損壞導(dǎo)線或電壓源（電池）。電路中的其他電子元件也是如此。由于電流過(guò)大和散熱過(guò)多，電路的任何其他電子元件也可能受到損壞。因此，電阻器通常用于限制電路中的電流，以保護(hù)電路中的其他電子元件（如晶體管、LED 等）。電阻器串聯(lián)連接到組件或串聯(lián)到連接組件的電路的分支，以限制通過(guò)它的電流。

2) 設(shè)置電壓電平——隨著電阻器降低一些電壓，它們通常用于降低電路中其他電子元件的施加電壓。在這種情況下，它還會(huì)限制通過(guò)目標(biāo)組件的電流并降低施加到該組件的電壓。因此，電阻器還用于為電路的其他組件設(shè)置電壓電平。很明顯，這里又將電阻串聯(lián)到了電路的目標(biāo)元件或節(jié)點(diǎn)上。

3) 功耗——功耗在許多情況下是可取的。在這種情況下，電阻器是用于功耗的理想元件，因?yàn)樗粫?huì)改變或改變 (AC) 信號(hào)。例如，電阻器可用作虛擬組件來(lái)測(cè)試無(wú)線電****或任何信號(hào)發(fā)生器。電阻器通常用于級(jí)聯(lián)功率放大器電路的輸入級(jí)，以限制功率放大器級(jí)的輸入信號(hào)，從而避免過(guò)載。

4) 泄放電阻器——泄放電阻器是另一個(gè)示例，其中電阻器的功耗是一種有用的現(xiàn)象。在直流電源電路中，電容器用于平滑信號(hào)。即使在切斷電源后，這些電容器也可以存儲(chǔ)和維持一些電荷（有時(shí)可以等于電源電壓）。存儲(chǔ)的電荷可能會(huì)對(duì)人體造成電擊或?qū)е逻B接電路產(chǎn)生浪涌電流。所以，在電源電路中，電阻與濾波電容并聯(lián)。這些電阻器通過(guò)耗散功率來(lái)釋放電容器的剩余電荷。由于這些電阻器會(huì)釋放電容器的剩余電荷，因此稱為泄放電阻器。顯然，電阻器需要一些時(shí)間才能完全釋放剩余電荷，

5) 分壓器——電阻器通常用于分壓施加到元件（如晶體管）的電壓。在分壓器配置中，兩個(gè)或多個(gè)電阻器連接在電壓源（施加電壓的節(jié)點(diǎn)）和地之間。目標(biāo)組件的輸出電壓從電阻器的結(jié)點(diǎn)汲取。由于連接了兩個(gè)電阻器，施加的電壓在兩個(gè)電阻器（或分壓器網(wǎng)絡(luò)中連接的所有電阻器）上都有下降。這將根據(jù)電阻器的值將施加的電壓分壓到目標(biāo)組件。

6) 偏置——如前所述，有源元件需要外部電源才能運(yùn)行。該外部源可以是電壓或電流偏置的形式。電阻器可用于在不改變信號(hào)的情況下設(shè)置電壓電平或限制電流電平。電阻器需要與目標(biāo)組件串聯(lián)或分壓配置以設(shè)置電壓或電流水平。因此，電阻器通常用于偏置電路中的有源元件（如晶體管）。

7) 阻抗匹配——電路可能有存儲(chǔ)電能的元件（如電容器和電感器）或可能有產(chǎn)生電能的有源元件（如晶體管）。在此類電路中，電流的反作用力由電阻和電抗給出。電抗是由于電容和電感（直接或感應(yīng)）引起的交流電流流動(dòng)的阻力。在這樣的電路中，對(duì)電流的整體阻力由阻抗給出，阻抗是電阻和電抗的組合表達(dá)式。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)此類電路耦合（連接在一起）時(shí)，甚至當(dāng)信號(hào)源連接到此類電路或負(fù)載連接到此類電路時(shí)，它們的阻抗必須匹配。阻抗匹配對(duì)于最大化從源到這種電路的功率傳輸或耦合在一起的這種電路之間的功率傳輸是必要的。如果負(fù)載連接到此類電路，則必須進(jìn)行阻抗匹配以最大程度地減少負(fù)載的信號(hào)反射。由于阻抗是電阻和電抗的組合表達(dá)，因此在這種情況下，電阻器用于匹配源與電抗電路，或兩個(gè)或更多連接的電抗電路，或負(fù)載的電抗電路的阻抗。

在下一篇文章中，我們將討論可用的不同類型的商用電阻器并檢查它們的電氣特性。