为什么在PCB中使用电阻器？

电阻器是印刷电路板 (PCB) 中使用的最基本元件之一。它们是阻止电路中电流流动的无源器件。PCB 电阻器可以控制、划分、稳定、连接电路等。它们具有各种电阻值、尺寸、额定功率和容差，以满足不同的电路要求。 

电阻值（以欧姆为单位测量）表示对电流的抵抗力。电阻器遵守欧姆定律，该定律规定：

V = 红外

其中 V 是以伏特为单位的电压，I 是以安培为单位的电流，R 是以欧姆为单位的电阻

因此，对于给定的电压，较高的电阻会导致较小的电流。电阻器将电能转化为热量，并且必须将其消散。它们是纯粹的无源器件，不能放大或增加功率。

为什么在 PCB 中使用电阻器？ 

以下是电阻器在PCB电路中的一些主要应用：

电流限制——电阻器通过限制精密 LED、集成电路和其他组件的电流来防止损坏。

分压——串联电阻形成分压器，以从电源获得较低的电压。

上拉/下拉 –与数字逻辑电路一起使用，以确保在未驱动输入时有已知的逻辑电压电平。

偏置——为晶体管放大器和其他模拟电路提供适当的直流偏置电压或电流。

反馈——对于运算放大器、ADC、DAC 和其他模拟电路控制增益和响应至关重要。

脉冲整形——与电容器结合形成用于脉冲生成的 RC 定时电路。

ESD 保护 –防止静电放电损坏。

加热器 –线绕功率电阻器将电能转化为热量。

总之，电阻器可以调节、稳定和保护电子电路。如果没有它们，现代 PCB 将无法正常工作。

PCB 电阻器的类型

有多种电阻器类型可供选择，以满足不同的应用。它们可以根据结构、材料成分、尺寸和其他因素进行分类。

以下是一些最常见的 PCB 电阻器类型：

碳质电阻器

碳成分电阻器是最古老的电阻器类型。它们由陶瓷和碳颗粒的实心圆柱形棒制成。碳质电阻器的主要特性：

成本低，但由于温度影响，耐受性较差（±10%）

用于精度要求不高的地方

提供 1/4 至 2 瓦额定功率

商业级稳定性

与其他类型相比噪音较大

容易出现电压系数问题

碳膜电阻器

碳膜电阻器在陶瓷棒上有一层薄薄的碳沉积膜。它们表现出比碳成分更好的性能：

提高容差 (±5%) 和稳定性

低温电阻系数

提供 1/8 至 1 瓦额定功率

极低的电感和电容

低噪音运行

更好地承受电压浪涌

金属膜电阻器

为了获得更好的精度和稳定性，使用金属膜电阻。它们是通过在陶瓷基板上沉积一层薄薄的镍铬或氧化锡薄膜而制成的。金属膜电阻器的主要特点：

更好的容差 (±1%) 和温度稳定性

比碳组合物和碳膜噪音更低

额定功率范围为 1/10 瓦至 1 瓦

能够处理更高的峰值电压

电压系数低，稳定性好

金属氧化膜电阻器

金属氧化膜电阻器不使用金属膜，而是使用氧化锡等金属氧化物材料。这提供了进一步的改进：

出色的容差低至 ±0.5%

随着时间和温度的变化极其稳定

低热电动势，降低噪音

高频能力高达 GHz 范围

高可靠性和脉冲处理能力

应用于高精度测试设备

线绕电阻器

线绕电阻器通过将电阻丝缠绕在陶瓷芯上来获得电阻。主要特征包括：

高功率处理能力，高达 100 瓦或更高

可实现浅电阻值

电感性，不适合高频使用

商业公差约为±5%

通常封装在铝壳或陶瓷外壳中

在冲击/振动下容易产生热电动势效应

箔电阻器

对于低于 1 欧姆的浅电阻值，使用箔电阻。它们由粘合到陶瓷基板上的金属合金薄箔组成。

特点包括：

电阻值低至毫欧

提供 ±0.005% 公差的高精度

低 TCR，稳定性极佳

高载流能力

全焊接结构，无螺旋线

常见于航空航天应用

陶瓷电阻器

陶瓷成分电阻器由熔合到陶瓷体上的氧化钌釉层制成。它们提供卓越的性能：

极其严格的公差低至 ±0.02%

超低温度系数

随着时间的推移和环境压力的高稳定性

承受反复的热冲击而不漂移

用于高可靠性航空航天和军事应用

熔断电阻器

可熔功率电阻器包含一个内置熔断线，在电流过大时会烧断。在正常情况下，它们的行为与任何其他固定电阻器一样。可熔电阻器的主要特性包括：

为电路提供过载保护

额定功率为 1 至 5 瓦

保险丝在主电阻体过热之前安全断开

可通过更换保险丝手动复位

常用于电源、配电电路

微调电阻器

微调电阻器具有通过机械方式（螺钉或滑动触点）获得的可调电阻值。这允许在电路校准和测试期间“微调”电阻。

微调电阻器的特性：

在有限范围内可变，通常为 20-30%

使用螺丝刀或小型调节工具设置为精确值

密封结构可防止环境污染

提供通孔和SMD封装

广泛应用于模拟或精密电路微调

热敏电阻

热敏电阻是采用具有显着电阻温度系数的半导体材料的电阻器。这意味着它们的电阻值随温度变化而变化很大。

热敏电阻特性：

用于温度测量、补偿和控制

NTC 类型的电阻会随着温度升高而降低

PTC 类型随着温度升高而增加电阻

响应时间从秒到分钟不等

电阻与温度的关系是高度非线性的

压敏电阻

压敏电阻是由特殊配方的金属氧化物材料制成的电压相关电阻器。

它们的基本功能是瞬态电压抑制：

电阻随施加电压急剧下降

吸收并限制 ESD 或浪涌期间的瞬态电压尖峰

用于保护敏感电子设备免受损坏

交流或直流电路的双向操作

由焦耳额定值指定的能量处理能力

响应时间（纳秒）

光敏电阻

光敏电阻器，也称为光敏电阻器 ( LDR )，其电阻在暴露于光线时会减小。它们由硒化镉或硫化镉等半导体材料制成。主要特征：

在黑暗和光照条件下，电阻可能会发生几个数量级的变化

对可见光和红外波长具有出色的灵敏度

用于使用光传感和激活的电子产品

响应时间慢使得它们不适合快速光信号

包装必须允许光照射到感光区域

磁电阻

磁电阻器是由电阻随磁场变化的材料制成的电阻器。一些类型包括：

使用镍铁薄膜的坡莫合金磁电阻

砷化镓镁半导体

巨磁阻多层器件

利用磁性隧道结的隧道磁电阻

磁电阻器的有用特性包括：

检测磁场强度和方向

提供与感测介质的电气隔离

坚固耐用，可在宽温度范围内运行

用于磁场传感器、电流传感器、隔离器

对微小的磁性变化表现出高灵敏度

贴片电阻

表面贴装器件 (SMD) 电阻器专为表面贴装 PCB 组件而不是通孔安装而设计。它们要小得多，并且允许电路板上的元件密度非常高。 

贴片电阻的一些特点：

矩形、方形或椭圆形陶瓷体，底部有端子

端子为厚膜、焊料涂层镍带

标有数字电阻代码而不是色带

电阻范围通常为 10 ohm 至 22 Mohm

额定功率从 0.05 瓦到 1 瓦

公差低至±0.1%

以英制 (01005) 或公制 (0402) 代码指定的尺寸

SMD 电阻器的微小尺寸使得能够将更多元件安装到越来越小的 PCB 中。与通孔电阻器相比，自动化组装和节省成本是额外的优势。

电阻器标记代码

通过颜色代码查找电阻

由于电阻器很小，因此必须使用色带、字母数字代码或直接印在电阻体上的其他标记来指示其电阻值和公差。

色带

自 20 年代以来，色环系统一直被用来表示电阻值。

三环电阻器有两个重要的数值电阻色环和第三个乘数环

四环电阻器添加了第四个容差色环以实现更高的精度

还存在五环和六环电阻器以满足高稳定性要求

SMD 标记代码

由于尺寸较小，SMD 电阻器使用紧凑的数字电阻和乘数代码而不是色环。

一些典型的方案是：

三位数代码 – 前两位数字表示电阻，第三位数字表示乘数

四位数字代码 – 前三位数字为电阻，第四位数字为乘数

EIA-96系统 – 2位数字电阻，字母表示乘数

因此 472 等于 47 x 100 = 4.7KΩ。15R2 = 15 x 0.01 = 150 欧姆。

电阻层的激光微调也用于实现非常严格的公差 SMD 电阻值。

如何选择合适的电阻器

为特定 PCB 应用选择合适的电阻器需要考虑几个重要因素：

电阻值

最佳电阻取决于电路设计要求，并使用欧姆定律计算。通常选择标准 EIA 十年值。

宽容

容差表示电阻器标称值的准确度。±1% 或更好的更严格容差用于精密电路。对于非关键应用来说，可以接受约 ±5% 或 ±10% 的较大公差，以降低成本。

额定功率

额定功率必须超过电阻器的最大预期功耗。额定功率取决于物理尺寸。1/4 瓦（或 250mW）可以处理大多数低功率电路。电源或加热器可能需要更高的瓦数。

温度系数

每度温度变化的固有电阻变化。较低的系数可在精密电路中提供更好的稳定性。还必须考虑最高工作温度。

额定电压

必须超过电阻器两端的最大压降，并留有安全余量。电源和其他高压应用需要更高的额定电压。

尺寸

物理尺寸可以决定 SMD 与通孔形式。高度限制可能适用于密集板。大功率电阻比小功率电阻大。

噪音

高增益模拟电路和射频/数据传输线应使用低噪声薄膜电阻。线绕线圈具有一定的电感，会产生噪声。

响应时间

为定时电路、脉冲操作和高频应用选择具有适当瞬态响应的电阻器。

考虑到这些因素，可以选择最佳的 PCB 电阻器类型和规格。

PCB 电阻器应用

电阻符号

电阻器在各种印刷电路板应用中无处不在，包括：

分压器

两个或多个串联连接在电压源上的电阻器形成一个简单但有用的分压器电路。这会从较高的电源电压生成较低的电压抽头。 

分压器用于电源、晶体管放大器的偏置网络、ADC 接口以及许多其他需要一小部分电压轨的地方。仔细选择合适的电阻值可以获得所需的分压比。

限流

将电阻器与 LED、集成电路和其他精密电子元件串联可以限制流过它们的电流。电阻值经过计算，可将多余的电压降低到超出设备所需的电压。它可以防止浪涌电流、过载或短路造成的损坏。

上拉/下拉

上拉和下拉电阻器连接在集成电路逻辑输出和正或负电源轨（地）之间。当 IC 输出为高电平时，它可确保已知的逻辑电压电平。

上拉/下拉电阻提供了定义的默认条件，可防止逻辑错误和误触发。它们对于所有数字逻辑系列的可靠运行至关重要。

偏置网络

通过电阻器提供适当的直流偏置电压或电流水平，允许晶体管放大器和运算放大器等模拟集成电路在其线性区域运行。偏置电阻有助于将这些有源器件稳定在最佳静态条件下，以满足电路设计要求。

反馈电路

电阻器是运算放大器、ADC、DAC 和其他模拟电路的反馈环路中不可或缺的组件。它们根据预期功能控制增益、频率响应、稳定性和输出阻抗。

定时电路

将电阻器与电容器组合形成 RC 定时电路，可生成已知的时间常数。它们用于振荡器、定时器、脉冲发生器和其他需要延迟、波形整形或频率控制的电路。

终止

电阻器通常用于端接RF、视频、数字数据、USB等信号的传输线和布线。端接电阻器与线路阻抗相匹配，以最大限度地减少信号反射。它允许最大功率传输，以提高信号完整性。

浪涌保护

压敏电阻和熔断电阻有助于保护精密半导体器件免受高压瞬变的影响。它们会钳位或吸收危险的电压尖峰，以免损坏 IC、芯片和其他组件。电阻器还有助于限制静电放电 (ESD) 事件期间的电流。

温度补偿

热敏电阻测量温度变化并适当改变其电阻，以补偿由热效应引起的其他组件的变化。这保持了电路的稳定性和性能。

电压调节

电阻器与齐纳二极管、晶体管和其他有源元件结合使用，有助于构建稳定的直流稳压器电路。这些电阻器可实现可调输出电压、限制电流并耗散电源的多余功率。

过滤

电阻器与电容器组合形成低通、高通、带通和带阻模拟滤波器。它们过滤掉不需要的信号并传递感兴趣的频率。滤波有助于消除噪声、谐波和干扰。

放血器

设备断电后，高阻值功率电阻器会缓慢地对电容器放电。泄放器可以安全地排出储存的能量，以防止电击危险。它们常见于电源、除颤器和工业电子产品中。

分裂的网络

串并联电阻梯网络通过单个参考提供多个精确的抽头电压。它为 A/D 转换器、校准、电压缩放等应用创建电阻分压器。

通过利用电阻器可以发挥的各种作用，PCB 设计人员利用它们来构建强大、可靠且高效的电子电路。

PCB电阻焊接

带引线电阻器通过 PCB 孔插入并焊接到位。它牢固地固定组件并建立牢固的电气连接。在板上手工焊接电阻的一些技巧：

使用适当的烙铁温度（含铅元件为 650-700°F）

在元件引线和PCB 焊盘上涂抹助焊剂以帮助润湿

焊接前确保电阻引线完全插入电路板孔中

加热两个电阻

自动拾放组装

大批量PCB 制造采用适合 SMD 人群的专用贴片机。它实现了装配过程的自动化，实现了令人难以置信的速度、精度和可靠性。 

一些功能包括：

高速真空吸嘴从送料器或料带上拾取元件

机器每小时贴装数千个零件，精度高达 0.01 毫米

头部光学器件可对齐组件并验证零件是否存在

消除人为错误和放置变化

与手动组装相比，减少了制造缺陷

适用于任何元件封装的定制吸嘴、送料器和编带尺寸

该软件与 CAD 数据集成以生成程序

降低总体组装成本并缩短上市时间

先进的取放系统可实现复杂、紧凑的 PCB 极其密集的元件装载。

嵌入式薄膜电阻器

由于寄生电感和电容问题，分立电阻器不适合射频和微波板等特殊应用。相反，嵌入式薄膜电阻器可以直接激光修整到内板层上。

好处包括：

电阻容差低至 ±1%

超出 GHz 范围的出色高频特性

在温度波动下具有稳定的电阻

薄型外形不占用板上的垂直空间

与 FR-4 等标准 PCB 层压板兼容

适用于数字和高速模拟信号

通过消除分立元件来提高信号完整性

通过将无源部件集成到 PCB 中降低装配成本

嵌入式电阻器不断推进 PCB 的小型化和性能，特别是满足高频需求。

PCB 电阻测试

验证组装板上电阻的正确性对于可靠性至关重要。一些重要的测试方法包括：

在线测试检查安装在电路板上的电阻器

连续性测试以确认连接并检测开路

电阻器上的电压测量可验证正确的压降

自动光学检查寻找可见缺陷和异常

X 射线检查可揭示裂纹或空隙等隐藏问题

温度循环、振动和功率循环资格条件下的压力测试

应用 ESD 冲击检查稳健性和浪涌处理能力

在裸板和组装板阶段对电阻器进行彻底测试，在发货前发现故障。它可以防止过早的现场故障。

PCB 电阻器失效模式

尽管电阻器很简单，但它仍然可能因过应力、污染、磨损或设计不当等因素而出现故障。需要注意的一些标准故障模式：

功耗过大导致过热

由于引线断裂或内部保险丝烧断而导致开路

热应力或机械应力引起的电阻值变化

电阻体或元件破裂导致间歇性故障

导电碎片造成短路或电弧

焊接损坏，例如焊盘翘起或热冲击

参数随时间和环境暴露的变化

机械冲击/振动引起触点开路

电阻膜材料剥落导致电阻增加

电阻器额定功率不足以满足应用需求

了解电阻器如何发生故障并在设计过程中考虑可靠性风险可以减少潜在的现场故障。

结论

电阻器是必不可少的元件，由于它们能够控制电流和电压降，因此几乎每个电子印刷电路板都能正常运行。从高精度应用到基本上拉需求，电阻器通过其多功能性、低成本和可靠性为 PCB 提供了支持。

电气工程师可以通过使用提供的指南选择适当的电阻器类型、尺寸和特性，充分利用这些基本的无源器件来构建高性能、耐用的电路板和系统。随着材料和制造的不断进步，电阻器在未来仍将是电子设计的支柱。 

审核编辑：黄飞