電阻器的參數(shù)特性與應(yīng)用分析

Riedon Inc.工程副總裁Phil Ebbert解釋了為什么了解應(yīng)用的系統(tǒng)要求以及能夠理解當(dāng)今高性能電阻器的關(guān)鍵特性非常重要。

電阻器是電子元件世界的灰姑娘，從未像微處理器或其他數(shù)字或模擬集成電路那樣富有魅力，甚至像電容器或電感器這樣的無(wú)源器件也不像神秘或有趣。因此，電阻器的性能要求經(jīng)常被忽略，直到設(shè)計(jì)周期的后期才能讓工程師意識(shí)到他或她需要一些特別的東西。可以理解的是，這是因?yàn)槭种牛蠓浅＿m中，通常，基本碳組成（或等效）電阻器以標(biāo)準(zhǔn)值提供，具有10％容差和1/4 W額定功率，滿足所需目的。然而，事情已經(jīng)發(fā)生了變化，因?yàn)樘汲煞蛛娮枋浅B(tài)，而碳膜，金屬膜和厚膜等新技術(shù)現(xiàn)在無(wú)處不在，特別是后者類(lèi)型，目前大多數(shù)電路板需要表面 - 安裝組件。

這很好，但如果你的應(yīng)用程序要求更高怎么辦？您可能需要一個(gè)在更高極端溫度（高或低），高電壓下工作的電阻器，或者提供更接近，更精確的公差值，并且隨時(shí)間，溫度和其他應(yīng)力條件穩(wěn)定的電阻器。其他考慮因素可能是高功耗，低電感和其他環(huán)境性能問(wèn)題，如防潮或避免在真空中除氣。

通過(guò)考慮專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商Riedon提供的先進(jìn)電阻技術(shù)，本文將確定滿足這些要求的解決方案。

了解電阻器參數(shù)和特性

為任何給定應(yīng)用選擇電阻器通常從一些非?；镜臉?biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，當(dāng)然由電路要求定義，但也受機(jī)械和物理限制。最初了解設(shè)計(jì)是否需要通孔或表面貼裝元件可能優(yōu)先于其他任何因素，甚至是電阻值。幸運(yùn)的是，由于兩種安裝類(lèi)型的電阻都可以達(dá)到幾百歐姆到幾TeraOhms的值，因此這不太可能成為一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題。

選擇過(guò)程的下一步通常涉及電阻容差或額定功率考慮因素。首先采用電源，目前大多數(shù)電子電路設(shè)計(jì)用于低電壓和低功率系統(tǒng)，因此，它們的大多數(shù)電阻器要求都是類(lèi)似的低功率。采用流行的0402（1.0 mm x 0.5 mm）和0603（1.6 mm x 0.8 mm）尺寸的商品厚膜表面貼裝電阻可提供1Ω至10MΩ范圍內(nèi)的電阻，在70°C時(shí)通?？商幚砀哌_(dá)0.1 W的電阻。較高的溫度操作需要降低電阻器的額定負(fù)載或選擇具有適當(dāng)較高額定功率的設(shè)備，這通常意味著物理上更大的設(shè)備。

電阻容差的重要性顯然取決于應(yīng)用，但在許多情況下，通孔碳膜電阻器或厚膜表面貼裝類(lèi)型的相對(duì)便宜的技術(shù)，公差為±5％將是足夠的;例如，用于邏輯電平設(shè)置或網(wǎng)絡(luò)終端的上拉或下拉電阻。但是，對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)等應(yīng)用，或者需要精確的電阻比或精確匹配的應(yīng)用，則需要更嚴(yán)格的公差。此外，對(duì)于公差需要遠(yuǎn)低于±1％的設(shè)計(jì)，需要考慮線繞，金屬膜，薄膜或金屬箔等替代技術(shù)。

更重要的是，耐受性不是可以孤立地確定的。相反，它需要考慮導(dǎo)致電阻變化的其他因素，包括在高溫或濕度下操作，負(fù)載下以及受到?jīng)_擊，振動(dòng)或其他極端環(huán)境時(shí)引起的應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，電阻漂移是另一個(gè)因素，并且這些應(yīng)力條件會(huì)累積，從而加劇。因此，在設(shè)計(jì)壽命期間實(shí)現(xiàn)±1％的容差實(shí)際上可能需要一個(gè)初始容差為±0.1％的電阻，低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1：有這么多不同類(lèi)型的電阻器，了解每種電阻的優(yōu)勢(shì)非常重要，以便為您的應(yīng)用找到合適的產(chǎn)品。

這讓我們了解了一些可能不是每個(gè)設(shè)計(jì)師都熟悉的電阻器規(guī)格。電阻溫度系數(shù)（TCR）是電阻如何隨溫度變化的量度。對(duì)于諸如金屬的導(dǎo)電材料，電阻率隨溫度增加，被稱為具有正溫度系數(shù)（PTC）。某些其他導(dǎo)體如碳和硅表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)（NTC）。熱敏電阻是利用這種TCR特性進(jìn)行溫度測(cè)量或熱保護(hù)的特殊器件;然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，希望具有低TCR的電阻器。

大多數(shù)導(dǎo)體的TCR特性是相當(dāng)線性的，計(jì)算為在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的平均斜率，并以ppm/°C（百萬(wàn)分之一攝氏度）表示。像電阻器這種流行的合金Nichrome這樣的材料具有非線性特性，這可能意味著所引用的TCR圖形在指定溫度范圍內(nèi)是更差的情況值。精密電阻器制造商將使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)為目標(biāo)應(yīng)用提供所需的TCR性能，例如：薄膜電阻器可達(dá)到±5 ppm/°C，金屬膜±3 ppm/°C，線繞和金屬箔電阻器可降至±1 ppm/°C及以下。

除了上面討論的參數(shù)之外，我們還進(jìn)入了一個(gè)更加稀薄的專(zhuān)業(yè)電阻領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需要滿足要求苛刻的應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn)。這包括高壓類(lèi)型，除了它們?cè)诟唠妷合鹿ぷ鞯哪芰χ?，通過(guò)仔細(xì)的電阻器設(shè)計(jì)可以減小電阻與電壓的不希望的變化（指定為電阻或VCR的電壓系數(shù)）。對(duì)更極端環(huán)境的進(jìn)一步考慮可能需要非磁性的電阻器或不含有機(jī)材料的電阻器，如果在真空中使用則會(huì)釋放氣體。其他可能對(duì)高性能電阻器與其同類(lèi)產(chǎn)品區(qū)分開(kāi)來(lái)的重要因素包括防腐蝕，防潮，低噪音，汽車(chē)鑒定，電流檢測(cè)，阻燃，無(wú)感，脈沖耐受，和RF或高頻類(lèi)型。為了更好地理解這一切，下一節(jié)概述了特定電阻器技術(shù)的關(guān)鍵屬性，Riedon公司的產(chǎn)品說(shuō)明了這一點(diǎn)，該公司50多年來(lái)一直處于電阻解決方案的最前沿。

高性能電阻解決方案

與大多數(shù)電阻制造商一樣，Riedon提供了多種方式，客戶可以根據(jù)具體任務(wù)確定最合適的電阻。 Riedon的網(wǎng)站允許已經(jīng)知道他們感興趣的部件號(hào)的用戶（Riedon部分或競(jìng)爭(zhēng)者的部分）獲取該產(chǎn)品系列的信息。也可以從安裝類(lèi)型，電阻值，容差，功率和TCR的基本元件參數(shù)中進(jìn)行選擇，以幫助縮小電阻器對(duì)特定技術(shù)或類(lèi)型的選擇范圍。在這里，我們將研究這些技術(shù)，以了解它們?nèi)绾巫詈玫貪M足這些和其他性能要求。

線繞電阻器

盡管許多新型電阻器技術(shù)得到了發(fā)展，但傳統(tǒng)的線繞電阻器仍然可以在許多具有卓越性能的領(lǐng)域發(fā)揮作用。它們耗散大量功率，處理高電平脈沖和瞬變的能力是其設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面，因?yàn)樗鼈兡軌蛞詷O高的精度制造，隨著時(shí)間的推移可以保持這種能力，因?yàn)樗鼈兪怯煞€(wěn)定的材料。高功率型，如Riedon的UAL系列，采用鋁制設(shè)計(jì)，可處理高達(dá)300 W的功率，具有出色的脈沖處理能力，可在寬溫度范圍（-55°C至+ 275°C）內(nèi)工作。該系列還提供低至±0.01％的容差和±20 ppm/°C的低TCR，并提供用于電流檢測(cè)應(yīng)用的四種端子版本。

圖2：在傳統(tǒng)的軸向引線繞線電阻器中，電阻絲纏繞在陶瓷芯上并焊接到金屬端蓋上。然后將其封裝，通常用硅樹(shù)脂包裹，以防止受潮和物理?yè)p壞。

Riedon的其他線繞系列包括表面貼裝選項(xiàng)和精度類(lèi)型，其公差為±0.005％，TCR為±1 ppm/°C。此外，對(duì)于重要的應(yīng)用，還可以使用特殊的繞組技術(shù)來(lái)確保線繞電阻器是無(wú)感的。與使用粒狀導(dǎo)電粒子結(jié)構(gòu)的技術(shù)相比，線繞電阻器還具有低噪聲性能的固有優(yōu)勢(shì)，其中電流可受到熱應(yīng)力的影響，尤其是在高價(jià)值器件中。

厚膜貼片電阻

如前所述，厚膜電阻技術(shù)廣泛用于生產(chǎn)價(jià)格低廉，小型化的表面貼裝元件。然而，厚膜芯片設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行優(yōu)化，以提供高性能，精確的電阻值高達(dá)10TΩ（TeraOhms）。通過(guò)適當(dāng)選擇其結(jié)構(gòu)中使用的其他材料可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。例如，避免端子中的鎳或錫具有許多益處。首先，鎳將工作溫度限制在160°C，錫的峰值溫度為230°C。因此，通過(guò)使用由銀/鈀制成的內(nèi)部端子和鉑/銀的外部端子，Riedon能夠提供工作溫度高達(dá)300°C的器件。鎳也是磁性的，因此具有鎳/錫端子的電阻器不能用于具有強(qiáng)磁場(chǎng)的磁共振成像（MRI）等應(yīng)用中。鎳/錫端子也不適用于使用銀環(huán)氧樹(shù)脂的電路板組裝，這阻止了它們?cè)谑褂勉y環(huán)氧樹(shù)脂而非焊料附著的高可靠性，高溫應(yīng)用中的使用。此外，對(duì)于許多航空航天應(yīng)用，由于可能產(chǎn)生“錫須”，因此禁止含錫的終端表面。

圖3：厚膜芯片技術(shù)提供精確的高值電阻，也可以在高溫和高電壓的惡劣環(huán)境中工作。

厚膜電阻能夠在高達(dá)6000 V的電壓下工作。但是，VCR性能可能成為問(wèn)題。影響VCR的因素很多，包括芯片尺寸，布局，端接材料和修整幾何。通過(guò)特別注意這些，Riedon的高壓芯片電阻可以最大限度地降低VCR的影響。最后，許多標(biāo)準(zhǔn)芯片電阻器涂覆有可在真空中脫氣的聚合物材料。 Riedon避免使用其電阻器中的任何有機(jī)材料，因此在沒(méi)有排氣的同時(shí)仍能提供良好的防潮性能。

薄膜貼片電阻器

薄膜電阻器為小尺寸表面貼裝器件提供了經(jīng)濟(jì)的解決方案，其中需要具有合理精度的高值電阻（高達(dá)幾MΩ）（公差為±0.01％，TCR為±5 ppm/°C，具體取決于電阻值）。另外，用于制造薄膜電阻器的濺射工藝產(chǎn)生均勻的金屬膜，其在高頻下比厚膜類(lèi)型穩(wěn)定得多。薄膜電阻也是低電感。此外，通過(guò)在導(dǎo)熱氧化鋁基板上形成薄膜，該導(dǎo)熱氧化鋁基板被金屬化并焊接到散熱銅板接頭上，可以在較小的TO型封裝中制造低成本，高功率的薄膜電阻器。

圖4：Riedon的低成本TO型薄膜功率電阻器提供通孔和表面安裝選項(xiàng)，可處理高達(dá)140 W.

金屬箔電阻器

金屬箔電阻器可以為小尺寸也很重要的表面貼裝應(yīng)用提供極致的精度。該技術(shù)使用特殊的鎳鉻合金（Ni/Cr），將其作為箔施加到陶瓷基板上，然后光刻成圖案以產(chǎn)生所需的電阻。通過(guò)從蝕刻圖案中去除短路棒可以使初始電阻值非常精確，同時(shí)圖案本身被設(shè)計(jì)為確保低電容和低電感。 Riedon的UHPC系列精密箔片電阻器提供高達(dá)125kΩ的電阻值，額定功率為0.75 W，容差為±0.01％，TCR為±0.05 ppm/°C，尺寸為0805至2512.該系列提供了操作-55°C至150°C，電感《0.08μH，典型電容為0.5 pF，VCR 《0.1 ppm/V.

結(jié)論

并非所有電阻都相同，選擇電阻比定義電阻要多得多，并決定是否需要表面貼裝或板載封裝類(lèi)型。本文討論了電阻器特性和參數(shù)以及這些特性如何受特定制造技術(shù)的影響。這包括更基本的標(biāo)準(zhǔn)，如功率或容差，以及更具異國(guó)情調(diào)的高性能要求，這些要求通常只能由專(zhuān)業(yè)制造商的設(shè)備來(lái)滿足。 Riedon就是這樣一家公司，提供全面的零件，滿足苛刻的應(yīng)用需求。 Riedon還可以在選擇合適的組件時(shí)提供幫助和建議，如有必要，還可以利用其設(shè)計(jì)能力和對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的深入了解，提供定制解決方案。結(jié)果