基础电子学系列05 – 固定电阻器：成分、薄膜类型和金属陶瓷

在上一篇文章中，我们了解了与电阻有关的各种性能指标。现在，让我们了解不同类型的电阻器以及它们如何在各种性能指标上得分。该评估将有助于确定不同类型电阻器对特定电子应用的适用性和相关性。有以下类型的电阻器：

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固定值电阻器应该在电路中提供固定电阻。他们的抵抗不能以任何方式改变。这些是两端组件，可以与电路中的另一个电子组件串联或并联配置。有以下类型的固定值电阻可用：

1) 合成电阻器——这些电阻器由导电和非导电材料的混合物制成。组合电阻器有两种类型：

• 碳素电阻器

• 陶瓷复合电阻器

碳素电阻器

碳复合电阻器是最古老的电阻器类型。这些电阻器是最常用的电阻器，因为它们易于设计、价格低廉并且适用于大多数“常见”应用。这些电阻器由碳粉和陶瓷填充材料的混合物制成。混合物被模制成由绝缘涂层封闭的轴向电阻器封装，导线或引线连接在封装的两个终端。碳与陶瓷材料的比例以及端子引线之间的距离决定了电阻器的电阻。混合物中碳的比例越大，其电阻率越小。混合物中使用的陶瓷填料主要是酚醛树脂，类似于塑料。这些电阻器采用带颜色编码的轴向封装，用于指示电阻值和容差。碳成分电阻器具有以下关键参数：

标称值：碳成分电阻器可以具有非常低的电阻 (1Ω) 到极高的电阻 (22MΩ)。它们的电阻随混合物中碳和陶瓷填料的成分变化而变化。这些电阻器的标称值由颜色编码表示。

额定功率：这些电阻器的额定功率取决于电阻器的物理尺寸。物理尺寸越大，额定功率就越大。这些电阻通常有 1/4 和 1/2 瓦系列。还有 1/8 瓦系列可用于低功率、微型电路。对于电力电子应用，还提供 1 Watt 和 2 Watt 系列，尽管 1 Watt 和 2 Watt 系列封装的尺寸相当大。

容差：这些电阻器具有 5% 至 20% 的宽容差水平。由于宽容差，这些电阻器不适合精密应用。

额定电压：额定电压与这些电阻器的额定功率有关。通常，额定功率越高，额定电压越高。像 1/4 瓦、1/2 瓦和 1 W 碳复合电阻器通常分别具有 250V、350V 和 500V 最大额定电压。1/4W、1/2W、1W碳素电阻的最大过载电压分别为400V、700V、1000V。

温度等级：碳成分电阻器的工作温度范围通常为 -55°C 至 125°C。满载最高温度通常取决于电阻器系列的额定功率，并且可能因制造商而异。额定功率越高，满载最高温度越高。温度额定值通常由制造商针对不同额定功率系列的温度额定值曲线表示。

脉冲稳定性：碳成分电阻器以高脉冲稳定性而著称。因此，这些电阻器非常适合涉及高压脉冲和频繁电压波动的应用。

频率响应、噪声和稳定性：碳成分电阻器提供非常纯净的电阻和几乎可以忽略不计的电感或电容。因此，它们通常具有良好的频率响应、低噪声和可接受的稳定性。这使得这些电阻器适用于高频应用以及低功率电路。然而，在过载条件下，它们会因过度散热而产生噪音和稳定性差。

尺寸：这些电阻器的尺寸从中到大，具体取决于它们的额定功率。这些电阻器最常采用轴向封装，但也可提供 SMD/SMT 封装。

可靠性：如果在合适的应用中使用这些电阻器，它们的可靠性很高。由于高可靠性、低成本和容易获得，这些电阻器使用最普遍。

碳成分电阻器示例（来源：Ohmite）

碳成分电阻器具有以下优点和缺点：
优点– 电阻范围宽、纯电阻、高度可靠、脉冲稳定性
缺点– 宽容差、物理尺寸、工作温度有限、仅适用于低额定功率

因此，碳碳电阻器适用于直流或 RMS 电压保持在 250V 以下且工作温度必须为 -55°C 至 125°C 的普通电子应用、低功率应用以及旨在处理低功率信号的高频电路，例如射频接收器。但是，它们不适用于精密应用、大功率电路、部署在极端环境条件下的电路，或尺寸必须非常紧凑的低功率电路。

2) 陶瓷复合电阻器
陶瓷复合电阻器类似于碳复合电阻器，只是它们是由固体陶瓷复合物构成的。这提高了它们的脉冲稳定性和工作温度范围。陶瓷电阻器可在高达 250°C 的环境温度下工作。这些通常有 1/2 瓦、1 瓦和 2 瓦系列，电阻值范围从 3.3Ω 到 1MΩ。有额定功率高达 1000 W 的陶瓷复合电阻器。陶瓷电阻器在电力电子应用中提供碳复合电阻器的优点（纯电阻、稳定性、可靠性和脉冲稳定性），尽管这些电阻器的容差水平也很差（通常10%)。这些电阻器有许多类型的封装，如轴向、管状、平板、圆盘和垫圈、封装、负载组、

陶瓷复合电阻器示例（来源：Token）

这些类型的电阻器是通过在陶瓷基板上沉积一层纯金属或金属氧化物制成的。沉积的薄膜被激光切割成长的螺旋电阻路径。薄膜电阻器有四种类型：

• 碳膜

• 金属膜

• 金属氧化物

• 金属陶瓷电阻器（厚膜和薄膜）

碳膜电阻器
碳膜电阻器是通过在圆柱形陶瓷基板或棒上沉积碳膜而构成的。在碳膜上进行螺旋切割，以在电阻器的两个端子引线之间创建一个长的螺旋电阻路径。碳膜电阻的关键参数如下：

标称值：碳膜电阻器的螺旋电阻路径有助于实现更宽的电阻范围。这些电阻器的阻值范围从几毫欧到 100MΩ。它们的阻力取决于螺旋路径的厚度和长度。高值碳膜电阻具有薄膜和更长的电阻路径。这些电阻器的标称值用颜色编码表示。

额定功率：碳膜电阻器的额定功率为 1/4 瓦到 3 瓦。在高值碳膜电阻器中，由于碳膜过热，电阻路径可能会开路。因此，碳膜电阻器仅适用于低功率应用（最高 3 瓦）。宽容– 由于电阻路径较长，这些电阻器比碳成分电阻器具有更好的耐受性。这些通常具有 1% 至 5% 的公差。

额定电压：同样，这些电阻器的额定电压与其额定功率有关。碳膜电阻器的最大额定电压范围为200V至500V，而最大过载电压范围为400V至1000V。额定功率越大，这些电阻器的额定电压就越大。

温度等级：膜电阻器的工作温度范围与碳成分电阻器相似。它通常在 -55°C 到 155°C 之间变化。在高环境温度下，由于碳层薄，高值碳膜电阻器仍然存在分解的风险。这些电阻器通常具有负温度系数。

脉冲稳定性：这些电阻器与碳成分电阻器一样显示出良好的脉冲稳定性。

频率响应、噪声和稳定性：由于螺旋电阻路径，这些电阻会产生一些电容或电感。因此，由于其设计的性质，它们不提供纯粹的阻力。可以看出，当电阻值小于 100Ω 且施加的信号频率超过 250MHz 时，这些电阻器中的电容会超过标称电阻。由于电抗性，这些电阻器会受到噪声的影响，可能不适合低功率信号。如果电路在有限温度范围内以低于 250MHz 的频率运行，这些电阻器可稳定运行中高值标称电阻。

尺寸：与碳成分电阻器一样，这些电阻器也通常采用轴向封装。由于电阻路径较长，它们比典型的碳成分电阻器略小。

可靠性：如果电路在有限的温度范围、中等功率和有限的信号频率（低于 250MHz）下运行，这些电阻器可以被认为是可靠的中值电阻器。

碳膜电阻器具有以下优点和缺点：
优点– 公差级别低，尺寸略小，可靠稳定
缺点– 电抗性，温度范围有限，频率范围有限

因此，碳膜电阻器适用于“普通”电路，在这些电路中，具有低公差的中等电阻值是首选。它们不适合涉及高阻值电阻的功率密集型应用、涉及低功率信号或高频信号的电路或对温度敏感的应用。

金属膜电阻器

金属膜电阻器是通过在圆柱形陶瓷基板或棒上沉积一层金属膜（镍铬合金或氮化钽）制成的。与碳膜电阻器一样，涂层被激光切割成长螺旋形电阻路径。碳膜电阻的关键参数如下：

标称值：这些电阻器适用于范围从几毫欧到 68 MΩ 的各种电阻。电阻值取决于电阻路径的厚度和长度。电阻路径的厚度越小，电阻路径的长度越长，电阻值越高。这些电阻器的标称值由标签而不是颜色代码表示。

额定功率：金属膜电阻器的额定功率范围很广，从 1/20 瓦到 20 瓦不等。与碳膜电阻器不同，金属膜电阻器具有更好的温度稳定性。

精度：这些电阻器通常具有大约 1% 或 2% 的公差。也有公差低至 0.01% 的精密金属膜电阻器可供选择。然而，具有精确公差的金属膜电阻器通常具有较低的额定功率。

额定电压：金属膜电阻器的额定电压范围为 100V 至 10kV，具体取决于电阻器系列的额定功率。

温度额定值：金属膜电阻器的工作温度范围为 -65°C 至 250°C。与碳成分和碳膜电阻器相比，它们具有更低的温度系数，从而提供更好的温度稳定性。重要的是这些电阻器具有正温度系数。脉冲稳定性– 这些电阻器具有与碳膜电阻器相似的脉冲稳定性。

频率响应、噪声和稳定性：与碳膜电阻器不同，金属膜电阻器可用于高频或射频电路。它们确实表现出一些电抗，但与碳膜类型相比要小得多。这些电阻具有更低的噪声和更好的稳定性。

尺寸：金属膜电阻器的尺寸取决于它们的额定功率。这些通常在轴向封装中提供，尽管它们有标签而不是颜色代码。

可靠性：金属膜电阻器比碳膜电阻器更可靠，可以放心地用于电源应用和高频应用。

金属膜电阻示例（来源：KOA Speer）

金属膜电阻器具有以下优点和缺点：
优点– 更好的温度稳定性、低噪声、更好的耐受性，可用于各种额定功率
缺点– 反应性质，尽管有优点，但仍然不是高功率应用的最佳选择

因此，金属膜电阻器非常适合“普通”低功率信号应用，在这些应用中需要精确的公差、低温度系数和宽范围的额定功率而不受温度限制。它们不适用于涉及高压脉冲的典型电源应用和电路。

金属氧化膜电阻器

金属氧化膜电阻器与金属膜电阻器类似，只是其中的电阻材料是金属氧化物（如氧化锡）而不是金属。这些电阻器具有更高的工作温度范围（高达 450°C）、更低的温度系数（通常为 300PPM）和高脉冲稳定性。与金属膜电阻器相比，这些电阻器更可靠、更稳定。这些电阻器是防火的，并且耐环境热和湿度。这些电阻器的额定功率通常为 1/4 W 至 140 W，公差通常为 0.5% 至 20%。这些电阻器的额定电压高达 37.5 kV。这些电阻器最适合脉冲电源应用。

金属氧化膜电阻示例（来源：Ohmite）

金属陶瓷电阻器

金属陶瓷电阻器是通过将陶瓷和金属的导电膏沉积到氧化铝陶瓷基板上而制成的。电阻路径在电阻器的端子之间绘制成之字形线。有两种类型的金属陶瓷电阻器 - 电阻路径约为 20 微米宽的厚膜电阻器和电阻路径只有几微米宽的薄膜电阻器。这些电阻器在性能上与金属膜电阻器相似。不过，它们更稳定、能效更高、尺寸更紧凑、噪音更低、温度稳定性更好。这些电阻器提供通孔和表面贴装封装。这些电阻器通常用于高频应用的表面贴装芯片型封装或电阻器网络。然而，它们的脉冲稳定性不太令人满意。

金属陶瓷电阻器示例（来源：TE Connectivity）

在下一篇文章中，我们将继续讨论固定电阻器。