电阻器的参数特性与应用分析

Riedon Inc.工程副总裁Phil Ebbert解释了为什么了解应用的系统要求以及能够理解当今高性能电阻器的关键特性非常重要。

电阻器是电子元件世界的灰姑娘，从未像微处理器或其他数字或模拟集成电路那样富有魅力，甚至像电容器或电感器这样的无源器件也不像神秘或有趣。因此，电阻器的性能要求经常被忽略，直到设计周期的后期才能让工程师意识到他或她需要一些特别的东西。可以理解的是，这是因为十分之九，要求非常适中，通常，基本碳组成（或等效）电阻器以标准值提供，具有10％容差和1/4 W额定功率，满足所需目的。然而，事情已经发生了变化，因为碳成分电阻是常态，而碳膜，金属膜和厚膜等新技术现在无处不在，特别是后者类型，目前大多数电路板需要表面 - 安装组件。

这很好，但如果你的应用程序要求更高怎么办？您可能需要一个在更高极端温度（高或低），高电压下工作的电阻器，或者提供更接近，更精确的公差值，并且随时间，温度和其他应力条件稳定的电阻器。其他考虑因素可能是高功耗，低电感和其他环境性能问题，如防潮或避免在真空中除气。

通过考虑专业供应商Riedon提供的先进电阻技术，本文将确定满足这些要求的解决方案。

了解电阻器参数和特性

为任何给定应用选择电阻器通常从一些非常基本的标准开始，当然由电路要求定义，但也受机械和物理限制。最初了解设计是否需要通孔或表面贴装元件可能优先于其他任何因素，甚至是电阻值。幸运的是，由于两种安装类型的电阻都可以达到几百欧姆到几TeraOhms的值，因此这不太可能成为一个显而易见的问题。

选择过程的下一步通常涉及电阻容差或额定功率考虑因素。首先采用电源，目前大多数电子电路设计用于低电压和低功率系统，因此，它们的大多数电阻器要求都是类似的低功率。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贴装电阻可提供1Ω至10MΩ范围内的电阻，在70°C时通常可处理高达0.1 W的电阻。较高的温度操作需要降低电阻器的额定负载或选择具有适当较高额定功率的设备，这通常意味着物理上更大的设备。

电阻容差的重要性显然取决于应用，但在许多情况下，通孔碳膜电阻器或厚膜表面贴装类型的相对便宜的技术，公差为±5％将是足够的;例如，用于逻辑电平设置或网络终端的上拉或下拉电阻。但是，对于测量系统等应用，或者需要精确的电阻比或精确匹配的应用，则需要更严格的公差。此外，对于公差需要远低于±1％的设计，需要考虑线绕，金属膜，薄膜或金属箔等替代技术。

更重要的是，耐受性不是可以孤立地确定的。相反，它需要考虑导致电阻变化的其他因素，包括在高温或湿度下操作，负载下以及受到冲击，振动或其他极端环境时引起的应力。随着时间的推移，电阻漂移是另一个因素，并且这些应力条件会累积，从而加剧。因此，在设计寿命期间实现±1％的容差实际上可能需要一个初始容差为±0.1％的电阻，低一个数量级。

图1：有这么多不同类型的电阻器，了解每种电阻的优势非常重要，以便为您的应用找到合适的产品。

这让我们了解了一些可能不是每个设计师都熟悉的电阻器规格。电阻温度系数（TCR）是电阻如何随温度变化的量度。对于诸如金属的导电材料，电阻率随温度增加，被称为具有正温度系数（PTC）。某些其他导体如碳和硅表现出负温度系数（NTC）。热敏电阻是利用这种TCR特性进行温度测量或热保护的特殊器件;然而，对于大多数应用，希望具有低TCR的电阻器。

大多数导体的TCR特性是相当线性的，计算为在规定温度范围内的平均斜率，并以ppm/°C（百万分之一摄氏度）表示。像电阻器这种流行的合金Nichrome这样的材料具有非线性特性，这可能意味着所引用的TCR图形在指定温度范围内是更差的情况值。精密电阻器制造商将使用适当的技术为目标应用提供所需的TCR性能，例如：薄膜电阻器可达到±5 ppm/°C，金属膜±3 ppm/°C，线绕和金属箔电阻器可降至±1 ppm/°C及以下。

除了上面讨论的参数之外，我们还进入了一个更加稀薄的专业电阻领域，这些领域需要满足要求苛刻的应用的特定标准。这包括高压类型，除了它们在高电压下工作的能力之外，通过仔细的电阻器设计可以减小电阻与电压的不希望的变化（指定为电阻或VCR的电压系数）。对更极端环境的进一步考虑可能需要非磁性的电阻器或不含有机材料的电阻器，如果在真空中使用则会释放气体。其他可能对高性能电阻器与其同类产品区分开来的重要因素包括防腐蚀，防潮，低噪音，汽车鉴定，电流检测，阻燃，无感，脉冲耐受，和RF或高频类型。为了更好地理解这一切，下一节概述了特定电阻器技术的关键属性，Riedon公司的产品说明了这一点，该公司50多年来一直处于电阻解决方案的最前沿。

高性能电阻解决方案

与大多数电阻制造商一样，Riedon提供了多种方式，客户可以根据具体任务确定最合适的电阻。 Riedon的网站允许已经知道他们感兴趣的部件号的用户（Riedon部分或竞争者的部分）获取该产品系列的信息。也可以从安装类型，电阻值，容差，功率和TCR的基本元件参数中进行选择，以帮助缩小电阻器对特定技术或类型的选择范围。在这里，我们将研究这些技术，以了解它们如何最好地满足这些和其他性能要求。

线绕电阻器

尽管许多新型电阻器技术得到了发展，但传统的线绕电阻器仍然可以在许多具有卓越性能的领域发挥作用。它们耗散大量功率，处理高电平脉冲和瞬变的能力是其设计的一个关键方面，因为它们能够以极高的精度制造，随着时间的推移可以保持这种能力，因为它们是由稳定的材料。高功率型，如Riedon的UAL系列，采用铝制设计，可处理高达300 W的功率，具有出色的脉冲处理能力，可在宽温度范围（-55°C至+ 275°C）内工作。该系列还提供低至±0.01％的容差和±20 ppm/°C的低TCR，并提供用于电流检测应用的四种端子版本。

图2：在传统的轴向引线绕线电阻器中，电阻丝缠绕在陶瓷芯上并焊接到金属端盖上。然后将其封装，通常用硅树脂包裹，以防止受潮和物理损坏。

Riedon的其他线绕系列包括表面贴装选项和精度类型，其公差为±0.005％，TCR为±1 ppm/°C。此外，对于重要的应用，还可以使用特殊的绕组技术来确保线绕电阻器是无感的。与使用粒状导电粒子结构的技术相比，线绕电阻器还具有低噪声性能的固有优势，其中电流可受到热应力的影响，尤其是在高价值器件中。

厚膜贴片电阻

如前所述，厚膜电阻技术广泛用于生产价格低廉，小型化的表面贴装元件。然而，厚膜芯片设计也可以进行优化，以提供高性能，精确的电阻值高达10TΩ（TeraOhms）。通过适当选择其结构中使用的其他材料可以实现进一步的改进。例如，避免端子中的镍或锡具有许多益处。首先，镍将工作温度限制在160°C，锡的峰值温度为230°C。因此，通过使用由银/钯制成的内部端子和铂/银的外部端子，Riedon能够提供工作温度高达300°C的器件。镍也是磁性的，因此具有镍/锡端子的电阻器不能用于具有强磁场的磁共振成像（MRI）等应用中。镍/锡端子也不适用于使用银环氧树脂的电路板组装，这阻止了它们在使用银环氧树脂而非焊料附着的高可靠性，高温应用中的使用。此外，对于许多航空航天应用，由于可能产生“锡须”，因此禁止含锡的终端表面。

图3：厚膜芯片技术提供精确的高值电阻，也可以在高温和高电压的恶劣环境中工作。

厚膜电阻能够在高达6000 V的电压下工作。但是，VCR性能可能成为问题。影响VCR的因素很多，包括芯片尺寸，布局，端接材料和修整几何。通过特别注意这些，Riedon的高压芯片电阻可以最大限度地降低VCR的影响。最后，许多标准芯片电阻器涂覆有可在真空中脱气的聚合物材料。 Riedon避免使用其电阻器中的任何有机材料，因此在没有排气的同时仍能提供良好的防潮性能。

薄膜贴片电阻器

薄膜电阻器为小尺寸表面贴装器件提供了经济的解决方案，其中需要具有合理精度的高值电阻（高达几MΩ）（公差为±0.01％，TCR为±5 ppm/°C，具体取决于电阻值）。另外，用于制造薄膜电阻器的溅射工艺产生均匀的金属膜，其在高频下比厚膜类型稳定得多。薄膜电阻也是低电感。此外，通过在导热氧化铝基板上形成薄膜，该导热氧化铝基板被金属化并焊接到散热铜板接头上，可以在较小的TO型封装中制造低成本，高功率的薄膜电阻器。

图4：Riedon的低成本TO型薄膜功率电阻器提供通孔和表面安装选项，可处理高达140 W.

金属箔电阻器

金属箔电阻器可以为小尺寸也很重要的表面贴装应用提供极致的精度。该技术使用特殊的镍铬合金（Ni/Cr），将其作为箔施加到陶瓷基板上，然后光刻成图案以产生所需的电阻。通过从蚀刻图案中去除短路棒可以使初始电阻值非常精确，同时图案本身被设计为确保低电容和低电感。 Riedon的UHPC系列精密箔片电阻器提供高达125kΩ的电阻值，额定功率为0.75 W，容差为±0.01％，TCR为±0.05 ppm/°C，尺寸为0805至2512.该系列提供了操作-55°C至150°C，电感《0.08μH，典型电容为0.5 pF，VCR 《0.1 ppm/V.

结论

并非所有电阻都相同，选择电阻比定义电阻要多得多，并决定是否需要表面贴装或板载封装类型。本文讨论了电阻器特性和参数以及这些特性如何受特定制造技术的影响。这包括更基本的标准，如功率或容差，以及更具异国情调的高性能要求，这些要求通常只能由专业制造商的设备来满足。 Riedon就是这样一家公司，提供全面的零件，满足苛刻的应用需求。 Riedon还可以在选择合适的组件时提供帮助和建议，如有必要，还可以利用其设计能力和对现有技术的深入了解，提供定制解决方案。结果