电阻器的基本参数和性能构造
电阻在近代无缘电设备中是应用最广的元件之一,它在整机中常占元件总数的一个很大比例。电阻质量的好坏,直接影响着无线电设备的性能,因此研究和制造出质量优良的电阻器也是近代无线电工业的重要任务之一。这里简单地谈谈电阻器的基本参数和几种主要的电阻的性能构造。
电阻的种类
电阻的种类很多。按照它的结构特征,可以分为下列几类:
线绕电阻
这是用一种特殊合金拉成的细丝绕制成的电阻。它具有良好的电气性能,例如精密度高,温度系数小,不易老化,对湿度的敏感小等优良特性。但线绕电阻的价格比较贵,一般只用于精密的电子仪器和无线电设备中。线绕电阻能耐受比较高的温度,因此也常作为大功率电阻使用。但是它有一个缺点,就是具有比较大的电感,除非使用特殊的缠绕方法,减小电感量,否则不宜用于高频率电路中。线绕电阻可以制成阻值按角度分布得很精密的可变电阻,这样的可变电阻器在仪器中应用很广。
合成型非线绕电阻
这是一种以分散成细粒的导电体(如石墨、炭黑)、填充料、粘结剂和混合成的半导电性合成物制成的电阻,例如碳质实心电阻和漆膜电阻。这类电阻的特点是制造工艺简单、价格低廉。缺点是电气性能低,噪声大,容易老化,阻值易随温度、湿度等变化。合成电阻不能制成精密的电阻,它适宜用于需要大量电阻而要求不高的设备中。合成电阻的结构粗壮结实,不易损坏。合成型电阻也可以制成为可变的型式,这就是一般常用的电位器。
表面型非线绕电阻
用某些特殊工艺,把导电成分(如碳、金属、金属氧化物等)淀积在电阻基体的表面上,形成一层非常薄的导电性薄膜。这种薄膜有非常良好电阻性能,精密度高,性能稳定,温度系数小,噪声小,高频性能好。属于这类的电阻有碳膜电阻、硼碳膜电阻,金属膜电阻和氧化金属膜电阻等。
电阻的质量参数
标称阻值和公差
在工厂里,电阻的阻值并不是根据每一专门用途要求而设计制造的,因为实际上不可能满足所有用途中各个阻值的需要,在制造上阻值不可能精确到与用户设计的数值完全符合,因此规定出一系列的阻值,作为产品的标准,使对生产单位来说,规格不致于太多,而对使用者来说,又可以在一定的允许误差范围内选用自己所需的电阻。这种规定了的一系列阻值称为“标称阻值”。
实际上制造出的电阻值也不会精确到与标称数值完全相符,在一定范围内的误差是允许的。这种范围称为公差。对不同精密度的电阻有不同等级的公差,如:±2%、±5%、±10%、±20%
在使用方面,可以按照自己的设计要求选择一定的公差范围。
标准功率
电阻要消耗一定的功率,因此会发出热量。这些热量必须通过电阻的表面和引线向外散耗。电阻所能散耗的功率是由电阻的表面面积、表面状态、允许温升和引线结构所决定的。对于一定种类的电阻,允许散耗功率仅决定于几何尺寸。与标称阻值的意义一样,电阻也规定有一定的散耗功率,这就是所谓“标称功率”。一般标称功率分为下列数值:0.12,0.25,0.5,1,2,5,10瓦
在使用中可以根据电路的要求选用适当标称功率的电阻。如果电阻实际消耗的功率大于选用的值,那么电阻就会过热,以致烧毁。如果选用的值过分大于实际消耗的值,那么又是一种浪费,而且使机器的体积庞大。
温度系数
一般说,电阻的阻值会随温度的变化而变化。为了表明电阻的这一性质,常用下式公式求得温度系数(TKR)来表示:
其中R1为在温度为T1时的阻值,R2为在温度为T2时的阻值。电阻温度系数的意义是:温度每升高一度时阻值的相对变化。金属和合金温度系数常为正的,因为金属中离子的势振动会引起电子的散射,阻碍电子的定向运动。温度越高,离子振动越厉害,它对电子的定向运动的阻碍也越大,因此电阻变大,也就是说温度系数为正。半导体的温度系数是负的,因为温度升高,半导体中的电子和空穴增多了,因而电阻降低。对分散性的导电物如炭黑、石墨和表面型电阻的薄膜也具有负的温度系数。因为在分散状的导电物的微粒与微粒之间的接触处,存在有一个位叠,电子不能很顺利的通过,必须象跳高一样越过这些部分,温度越高,电子的能量越大,跳高的本领也越大,因此电阻就小。
电压系数
电阻在加上电压后一段很短的时间内,虽然温度并未升高,但其阻值已经有了变化。这是由于导电微粒的接触处局部发热,和粘结剂材料在电压作用下发生局部导电现象引起的。阻值随电压变化的性质可用下式求得的电压系数(KH)表示:
式中R2为加上较高电压后(一般很短的时间内)的电阻值;R1为电压很小时的电阻值,一般为上述电压的1/10。
电阻随电压变化的现象,在合成型电阻中表现得较为严重;而在表面型电阻中,几乎测量不出这种现象。线绕电阻中则完全不存在这种现象。
电阻的噪声电势电阻的噪声可以分为两类。第一类为热激噪声。第二类为电流噪声。热激噪声是由于电子的不规则热运动引起的。在某一时刻在某一区域电子密度较大,而在另一时刻又成为密度较小。这种电子密度的忽大忽小,引起一种不规则的噪声电势,对于微弱的信号来说,是一种很大的干扰。热激躁声存在于所有的电阻中,阻值越大,噪声也越大,而且这种噪声几乎分布在所有的频率上,因此也不可能用任何滤波器把它清除掉。
电流噪声只存在于分散性的导电物中,因为分散性导电微粒会产生热振动,因此它们的接触点电阻就因振动而变化。当电流通过接触点时就产生随电阻变化的电压降,也就是形成了噪声电势。这种噪声电势与电流大小有关,它的频率只是分布在一定范围内,可以用滤波器消除。这种噪声仅出现于质量低劣的合成型电阻中,在表面型电阻中很小,在线绕电阻中没有这种噪声。
电阻的老化和寿命电阻在储藏或使用过程中会逐渐改变其阻值和品质,这种现象称为“老化”。引起老化的因素有:导电成分因结晶或氧化而变质、粘结剂的氧化变质,吸附气体或水分、电解过程以及接触电阻的变化等。表面型电阻会因氧化或电解而老化。合成型电阻的老化是由于粘结剂的变质和吸附水气和气体等造成。
电阻保持工作能力的期间称为“寿命”。寿命不是对每一电阻都一样的。这里所称“寿命”是对许多同类电阻作出的统计值,在寿命期间内能保持工作的电阻的百分数称为“可靠性”。可靠性大,说明电阻发生偶然损坏的可能性小。可靠性最大的是碳质实心电阻,只有对它进行结构上的破坏(例如断裂),才能使电阻损坏,而表面型的电阻在受到强烈氧化、潮湿或过热时,便可能引起损坏。
各种电阻
合成型碳质实心电阻这是一种由半导电性的混合物制成的电阻。混合物的成分有三部分;①导电成分常用炭黑,有时用石墨;②粘结剂常用酚醛树脂;③填充料常用性能稳定的四轴飞行器物,如滑石粉、瓷粉等。把导电成分和填充料分别加以研磨,与粘结剂混合,然后放入模子内加压加热,使粘结剂聚合,而混合物凝结成为一块固体。在加热过程中同时放入引线,这样便成为电阻(图1、b)。引线也可以不直接压入合成物内,而在合成物电阻体两端喷以金属,然后焊上铜线(如图1、a)。为了防止合成物电阻体在机器内和其他另件接触,形成电气短路,电阻外面加涂一层由酚醛树脂制塑料制成的绝缘保护层(图2、a)。保护外壳也可以用瓷管制成(图2、b)。有保护层的电阻性能比较好,它可以防止潮气等侵入而引起老化。
合成型漆膜电阻
制造这种电阻的混合物成分与上面的大致相同,但加入的稀释剂较多,混合物成漆状,可以涂在电阻基体的表面上,形成一层具有导电性能的漆膜。这种电阻器的基体用很细的玻璃管制成,管外涂上漆膜,两端引线插入管中,并与漆膜相联接,电阻体外有塑料保护层,结构如图3。
碳膜电阻
这种表面型电阻结构见图4。制造过程是把表面完整的陶瓷体放入一管状的炉中,管状炉用瓷管做成,它的两端密封,管中抽成真空。在真空状态下,将炉管用高温加热,然后通入庚烷。这是一种类似汽油的碳氢化合物。当庚烷蒸气进入炉管中遇到炽热的陶瓷基体时,就将碳和氢分解,碳淀积在基体的表面,成为电阻膜。基体取出后装上引线,并在它的表面上刻制螺纹槽,以增加和调整阻值,然后经过涂漆和最后处理,便成为品质优良的电阻器。它的特点是:稳定性高、温度系数小、电压系数小、噪声电势低、高频特性优良、阻值并可制得很精密。缺点是不易制成高欧姆值的电阻,因为碳膜太薄会因氧化而损坏。
硼炭膜电阻
制造和碳膜电阻一样,但在热分解物庚烷中加入硼的化合物,分解后炭膜除了有碳以外,还有硼的成分。这种电阻的阻值更加稳定,温度系数更小,一般用于精密仪器中代替精密线绕电阻。
金属膜电阻
金属在真空中加热,可以蒸发出金属的蒸气。这种蒸气遇到表面清洁的陶瓷基体,会很牢固地附着在它的表面上,而形成一层很薄的金属膜。这种膜具有良好的电阻性能。常用的金属为金、铂等贵金属或镍铬合金等其他合金。金属膜的形成,还可以用阴极溅射的方法。使用这种方法的真空度要求比蒸发法低些。把要加工的金属作为阴极,在阴极的对面放置一块阳极,电阻基体置于两极之间。电极上加以数千伏的高压。因为真空度低,还存在有一部分气体。这些气体分子在电压作用下发生电离,并产生正离子打击阴极,使金属的分子受到局部加热而蒸发出金属体外,这些分子淀积到电阻基体上,便形成了金属膜。调整不同金属的成分和膜的厚度,可以得到温度系数很低的金属膜。
金属膜电阻结构和碳膜电阻相似,表面也需刻槽。金属膜的耐热性能很好,稳定性和精密度都很高,体积可以造成很小,因此它是一种质量高超的电阻。
金属氧化物电阻
一般的说,金属氧化物是一种半导体,但选择一定的成分,也同使它的温度系数达到很低。常用的氧化物电阻是以二氧化锡(SnO2)为基础的,制造过程是把陶瓷体加热到摄氏几百度,然后急速浸入二氯化锡(SnCl2)溶液中,经水解二氧化锡便淀积在陶瓷基体表面上。在二氯化锡溶液中加入适量的三氯化锡,可使氧化物薄膜的温度系数降低。
金属氧化物电阻的结构和碳膜电阻相类似,表面也需刻槽,它的性能稳定,能耐高温,也是一种优越的电阻,用氧化物直接烧成的实心电阻,耐热性能更高,可以用在300℃下工作。
由于无线电电子学的迅速发展,给电阻这类无线电元件也提出了新的要求,例如星际交通工具就要求它的无线电电子学装备上使用的电阻元件必须是超小型化和能耐高温等,这些要求导致对电阻的研究和发展走向新的方向,因此性能更好的新型电阻也在不断的出现。
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