1,电阻率
说到电阻器的电阻,就必须要明确材料“体阻率” 的概念,所谓体阻率:是材料的固有特性,用来表示材料电阻特性的物理量,反映了材料对电流阻碍作用的属性。用字母ρ表示,单位是:Ω.m;它有两个特性:
1. 与材料尺寸无关。
它表明的是这种物质本身的导电特性,但这并不是说不会受到环境的影响,例如温度。
2. 材料导电性能越差,其体阻率越高。
那我们如何通过电阻率来计算电阻值呢?对于横截面恒定材料的电阻值,可以用如下公式计算:R = ρ*Len/A;R:电阻值; ρ:体电阻率;Len:材料长度;A:材料横截面积。
对电阻的另一个描述是电导,它描述了导体导电性能的物理量,即对于某一种导体允许电流通过它的容易性的量度。它是电阻的倒数G=1/R,单位是S(西门子)。相应的也就有电导率:用来描述物质中电荷流动难易程度的参数;用字母σ表示,σ=1/ρ,单位是:S/m。
电阻表现的是材料对电流导通的阻力,而电导表现的是材料对电流的导通容易性;我们平时也会用到电导,举个例子:电容器、PCB走线与GND层之间等的漏电性能描述。
如上图所示,为20℃温度条件下,各种材料的电阻率;我们看到铜的导电性能足够好,同时延展性和热传导性好,而且价格相对低,所以在器件、连接器、PCB、散热器等设计中成为最佳的导电材料。
好,我们再来重温下电流通过材料时,为什么会有阻力呢?
当材料中的原子周期性势场受到破坏,自由电子的运动才受到阻力,其原因是自由电子在运动过程中受到了各种因素的散射;而自由电子散射的原因是:在一定温度下,材料内部的大量自由电子,即使在没有电场作用也不是静止不动,而是永不停息地作着无规则的、杂乱无章的运动(热运动的速度比我们想象的要快很多,远远大于电场作用下的自由电子定向移动速度),同时晶格上的原子也在不停地围绕格点作热振动。
2,电阻器参数
电阻器的应用相对电容器和电感器来说都简单的多,所需考虑的参数相对较少,主要涉及可靠性(电应力和环境应力)参数,老化、噪声参数等。
1. 电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance):表示电阻当温度改变1℃时,电阻值的相对变化,单位为ppm/℃;平均电阻温度系数定义式:TCR(平均)= [(R2-R1)/R1]*[1/(T2-T1)]。
那么就有一个问题了:为什么温度的变化会导致电阻值的变化呢?这个问题同样也关系到其它元件随温度变化的问题。
1,关于这个问题,我们首先需要探究下“温度”这一物理量是个啥玩意?
从宏观来说:温度是表示物体冷热程度的物理量(七大基本物理量之一);
从微观来说:温度是表示物体原子/分子热运动的剧烈程度。那什么又是原子/分子热运动呢?举个栗子:一瓶水在高速飞行的飞机上或者放在家里,水分子运动的速度是不一样的(相对于地球),那么高速中的水与静止水的温度会不一样么?这显然不符合常识;所以热运动指的是:原子/分子的无规则运动(布朗运动)。
巨量原子/分子的无规则运动呈现在宏观上就是温度,那么1个原子/分子的无规则运动能呈现温度么?如果不能,10个,1万个,1亿个呢?界限在哪里?
太阳系外围有一圈温度高达5万度的“高温火墙”,当我们有一天穿越它的时候是否会被烧毁?据说当旅行者系列探测器穿越时,其吸收的能量甚至连一杯水都烧不开;说到底这跟物质的密度相关,有人能在桑拿房中忍受90℃的空气高温,但泡在90℃的水中呢~
2,对于固体来说原子/分子被固定在晶格(又是晶格,如下图所示:原子在晶体结构中的排列规律。)中,其原子/分子热运动表现为晶格的振动,同时自由电子随着温度的增加而热运动更加剧烈;当外加电场时驱使自由电子产生有序的规则运动:1,自由电子热运动越剧烈,产生的阻力越大;2,晶格振动越剧烈,自由电子被碰撞散热的概率越大(电能转化为热能),产生的阻力越大。
3,在具有严格周期性势场的理想晶体(晶格结构无缺陷的理想晶体)中的自由电子,绝对0度下(热运动停止)的自由电子运动像理想气体分子在真空中的运动一样,不受阻力,迁移率为无限大,这就是理想的超导体。
我们希望电阻器电阻值是稳定的(除了一些特殊应用场景,例如:PTC,NTC等),正常情况下我们希望电阻器随温度的变化越小越好;不同类型电阻器的温度稳定性是不一样的,从优到次排序是:金属箔、线绕、金属膜、金属氧化膜、碳膜、有机实芯;其中纯金属材料电阻率的温度系数都非常大,只有几款合金电阻材料的温度系数才比较小。如下图所示为不同金属和合金的导电性及温度系数。
2. 电阻额定功率:该参数体现了电阻器的散热能力,与电阻器的封装、尺寸相关;如下为片状电阻的尺寸及对应封装功耗。
1,稳态功率降额:在相应工作温度下的降额,即器件符合曲线所规定的环境温度下功率的降额,采用P=V2/R公式进行计算;是器件长期稳定的工作条件,如下图所示。
2,瞬态功耗降额:电阻器脉冲功耗和稳态功率的转换曲线不同,需要查询转换曲线,将瞬态功率转换为稳态功率,然后在此基础上降额。
3.额定电压:电阻器的工作电压一般有两个,需要选择其小值作为电路实际工作电压;
1,由阻值和额定功率换算出的电压。
该电压由电阻器封装的最大散热功耗(例如:0402封装,1/16w功耗)决定:最大连续工作电压和最大脉冲电压。
2,电阻器的封装耐压。
该电压由电阻器封装所能承受的最大击穿电压决定。
4. 老化系数:电阻器在额定功率的长期负荷下,阻值相对变化的百分数,表示电阻器寿命长短的参数。
5. 电压系数:在规定的电压范围内,电压每变化1V,电阻器阻值的相对变化量。
6. 噪声:产生于电阻器中的一种不规则的电压起伏,包括热噪声和电流噪声两部分。
1,热噪声:由于导体内部不规则的电子自由运动,使导体任意两点的电压不规则变化,属于电阻器的本征噪声。
2,电流噪声:来源于电阻器内部结构不连续性和非完整性,与电阻器类型有非常大关系。
电流噪声与电阻材料强相关:如果导电材料晶格结构完整缺陷小(举个栗子:金属的电流噪声必然较小);另外,同一类型电阻阻值越大说明电子受到散射或阻碍的概率越大,其电流噪声越大。
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