电阻、电容、电感

2022/06/02

1. 本专栏内容为哔哩哔哩up主 唐老师讲电赛 的视频笔记。个人感觉唐老师的视频条理性很强，讲的知识点也很细，视频质量还是很高的，看过一遍后能收获不少东西，刚好学习硬件的小伙伴们不妨赶紧戳蓝字关注一波~
2. 文章中的图片部分来自于网络（侵删），部分来自于原视频截图，部分使用立创EDA绘制
3. 由于个人能力以及时间等因素，文章中的内容难免会出现错误，欢迎各位小伙伴批评指正

一、电阻

电阻的选用时除了阻值外还常常注意三个参数，即精度、温漂和功率。

精度

1. 电阻的精度有很多种，同时电阻的精度也可以做的较高，电阻的精度通常有 0.1% 1% 2% 5% 10%等等。
2. 通常在运算放大器的倍数计算、需要精确的电阻分压等地方使用高精度的电阻，例如以下示意图中，由于 R 与 R_f 关系到输入和输出的比例关系，因此使用高精度的电阻，而 R_p 为一个平衡电阻，大体取值为 R 并联 R_f ，因此 R_平 使用一个精度较差的电阻即可。
   
3. 在水泥电阻上可以看到有例如 10W1RJ 的标识，在此处的标识中，10W即该水泥电阻的功率，1R即水泥电阻的电阻，J为水泥电阻的精度，具体的字母与精度之间的对应关系可以参考下图：
   

温漂

1. 电阻在温度不同时，自身的阻值也是会发生变化的，电阻的阻值在温度变化的情况下发生改变即温漂。
2. 温漂通常使用 PPM 为单位，PPM 即百万分之一的单位，例如，一个10K的电阻，假设其温漂为20PPM，则该电阻可以计算为
   $$\delta =10\times 10^3\times \frac{20}{10^6}=2\Omega$$
   在该式子中 $10\times 10^3$ 即电阻的阻值， $\frac{20}{10^6}$ 即百万分之二十，也就是上面提到的20PPM，由此可以计算得出，在温度变化1℃的情况下，该电阻会变化 2Ω。

功率

1. 当电阻上有电流流经时，由 $I^{2}R$ 可以得知电阻是会发热的，当发热量很大时，电阻就会不正常工作，甚至烧毁，因此我们在自己设计电路的时候，也要注意电阻功率的选取。
2. 通常来说，电阻功率的选取时至少要保证有20%的余量，例如，一个电阻在某一特定的电压下标定允许流过的电流为1A，我们通常使它工作在0.6A左右，最大不会超过0.8A，以保证电阻使用时的稳定性和安全性。
3. 贴片电阻的功率于其封装的大小有关系，一般而言越大封装的电阻，功率是越大的，具体可以参考下图：
   
   由此可以看出，即使2512大封装的电阻最大功率也只有1W，因此，当电路中可能会使用到功率很大的电阻时，可以考虑使用插件式电阻，除此之外，也可以考虑使用晶圆电阻。

贴片电阻的读数

1. 贴片电阻中常用三位数和四位数的标记方式，两者最后一位均为10的幂次。
   例如在三位数的表示方式中 221 即 $22\times 10^1$ 为 220Ω
   例如在四位数的表示方式中 1002 即 $100\times 10^2$ 为 10KΩ
2. 对于三位数和四位数的表示方式有何区别，有一说法为当电阻的阻值误差小于1%时使用四位数的表示方式，当电阻的阻值误差大于1%时使用三位数的表示方式。
3. 除此之外，我们有时可能会见到在数字中包含R的表示方式，R可以看做小数点。
   例如 2R20 即 $2.2\times 10^0$，R100 即 $0.10\times 10^0$
4. 关于色环的识别，色环中的误差环于其他表示数值的环之间间隔会稍微大一些，仔细辨别可以发现。
5. 此外，在极少数场所中可能会出现EIAJ表示电阻的方式，由于出现概率极小，在此不做赘述。

温度敏感的电阻

1. PTC电阻在温度升高时阻值也会升高，因此可以用作温敏电阻来测量温度，用作发热器件来自己控制温度（例如PTC陶瓷发热器件电熨斗），串联在电路中充当保险丝的作用（当电路中的电流增大时，阻值升高，从而限制电路中的电流进一步增大）。
2. NTC电阻在温度升高时阻值会降低，最为典型的一个应用即串联在含有大电容的电路中。例如，一个电路中含有一个大电容，当上电的一瞬间，瞬时电流是非常大的。而此时可以考虑将NTC电阻串联在该电路中，在常温下，NTC阻值较大，我们给该电路上电时NTC可以限制大电容充电时产生的大电流，而当电路开始工作时，由于电流的作用，NTC电阻升温，导致其阻值下降，电路可以恢复到正常工作的状态。

二、电容

电容选取时除了容值常常考虑电压、精度、ESR、温漂和极性（非极性电容除外）。

电压

电容的参数中含有电压一项，理论上来说，当电阻使用时两侧的电压超过其额定电压时会造成电容的损害（电解液电容可能会比贴片式的陶瓷电容耐压性好一丢丢），但为了安全，我们常常为电容的电压留出 20% 的余量（钽电容按 50% 的余量计算），例如，某一个电容的标注额定电压为10V，我们使用时通常不会使其两端最大电压超过8V。（倘若是钽电容标注10V，通常不会使其两端电压超过5V）

精度

1. 电容不同于电阻，可以把精度做到很高很高，在我们常见的电容中，5% 就可以看做较高精度的电容（当然，具体也要看使用场景）。
2. 常见的电容类型有NP0、C0G、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。
   NP0与C0G为同一类型的不同名称，特点是精度比其它几个类型的电容精度高，常常用作晶振处。但缺点是价格较高，容量小。

ESR

ESR即等效串联电阻。我们使用电容时，电容自身实际上是存在阻值的，在某些场合中，该阻值也需要考虑，为了减小该阻值，我们在条件允许的情况下可以采用多个电容并联的方式。例如某处我们需要使用50uF的电容，为了获取更小的ESR我们可以使用五个10uF电容进行并联。

温漂

类似于电阻，电容的温漂同样使用PPM。例如有一个0.1uF的电容为250PPM，由此我们可以计算
$$\delta =0.1uF\times \frac{250}{10^6}=25pF$$
此时可以得出该电容在温度变化1℃的情况下容值会发生20pF的变化。

极性

1. 通常来说，贴片的陶瓷电容是没有极性的，但铝电解液电容、钽电容等都含有极性，不能反接。
2. 在插件的铝电解液电容中，短脚的一侧为负极，若引脚同长度，可以查看侧面的标识，有银色边的一侧且银色边上绘制着“-”号为负极；在贴片的铝电解液电容中，含有黑色标识的一侧为负极（如下图左侧），且上表面的数字分别为容值和额定电压（如下图中电容的容值为1000uF，电容的额定电压为16V）。
   
3. 在黑色和黄色的钽电容中，含有横杠的一侧为正极，在红色的钽电容中，含有尖角的一侧为正极，需要注意的是钽电容非常危险，千万不能反接或超压使用，否则可能会直接起火。
4. 在常见的黄色钽电容中，我们常常会见到例如227A的形式，227类似于电阻的阻值表示方式，此处为 $22\times 10^7$ uF，A为额定电压的标识，可以参考下图：
   

其它注意事项

除了以上的几点，电容的使用还需要注意以下的几点：

1. 通常而言多个容量的电容并联使用时，容量小的电容应该越靠近器件的引脚（具体要分电容在电路中的作用）。
2. 电容应当尽可能的靠近器件的引脚，以此保证经过电容滤波后的平稳的直流电在输入到器件内部时不会再次受到干扰。
3. 100K-10M常使用0.1uF电容
   10M-100M常使用0.01uF电容
   ＞100M常使用0.001uF电容

三、电感

电感除了自身的感值外还要注意直流电阻、通流能力和饱和电流三个参数。

1. 直流电阻即电感通过直流电时等效的电阻，直流电阻越大，电感发热量越严重，功耗也就越大。
2. 通流能力即电感通过电流的能力，通流能力越强的电感，允许通过的电流越大，也就意味着该电感可以使用在功率越大的场合里。
3. 饱和电流即电感在使用时，通过的电流当大于某一个数值时，其自身的感值会出现迅速下降的趋势，因此电感的使用时也要注意其饱和电流。
4. 除了以上的几点，还需要注意在线艺（Coilcraft）的电感中，其单位是以nH计算的（其他品牌为uH）；电感参数中出现的127R意义为电感的尺寸为12×12×7 （长宽高）；电感在线圈外侧有东西包裹的一般为屏蔽电感，没有东西包裹的为非屏蔽电感，屏蔽电感泄露的磁会更少一些，对其它的器件影响更小。