第2章 基本元器件的识别与应用

2.1 电阻器

2.1.1 电阻器概述

电阻的英文名称为Resistance，通常缩写为R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。欧姆定律指出电压、电流和电阻三者之间的关系为

R=UI

电阻的基本单位是欧姆，欧姆常简称为欧，用希腊字母“Ω”来表示。对于电阻的单位（欧姆）有这样的定义：导体上加上1V电压时，产生1A电流所对应的阻值。电阻的主要作用就是阻碍电流流过。

事实上，“电阻”说的是一种性质，而通常所说的电阻，是指电阻器这样一种电子元器件。电阻器是电气、电子设备中用得最多的基本元件之一，主要用于控制和调节电路中的电流和电压，或用做消耗电能的负载。

2.1.2 电阻器的分类

电阻器的分类方法有很多，通常分为3大类：固定电阻、可变电阻、特种电阻。在电子设计竞赛中固定电阻的应用最多，一般固定电阻根据不同需求有很多种分类形式：通过电阻材料分类、按照电阻值的精度分类、按照所承受功率分类、按照封装形式分类等。

按制造电阻的材料分类，有碳膜电阻、金属膜电阻、水泥电阻和线绕电阻等不同类型，电阻的制造材料分类基本上可以通过外观形状识别，常用常见以碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻居多。碳膜电阻价格特别低廉，温度特性一般，电阻精度有限，在一些对电阻值精度要求不高的场合应用广泛，能满足一般民用产品要求；金属膜电阻虽然精度高、温度特性好，但制造成本也相对较高；水泥电阻制造成本相对较低，其额定功率相对碳膜电阻、金属膜电阻要大得多，因此应用在具有一定功率要求的环境中；线绕电阻可以根据需要制作任意精度的电阻。如图2.1所示为水泥电阻、图2.2为碳膜电阻、图2.3为线绕电阻。

按阻值的精确度分类，有精确度为±5%、±10%、±20%等的普通电阻，还有精确度为±0.1%、±0.2%、±0.5%、±1%和±2%等的精密电阻。按阻值分类的电阻可以通过外观的标记识别。

电阻器也可以按照额定功率分类，有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等额定功率的电阻；1/16W额定功率的电阻一般都是应用在一些微型电子产品中，在电子设计竞赛中用得很少。

按照封装形式分类，有引脚式、贴片式、特殊形式等几大类不同封装形式的电阻，这里需要注意的是，即使是引脚式也有很多不同的封装形式，一般都是根据引脚间距进行分类的。同样贴片式的封装形式一般都是按照外形尺寸进行标定的，常用的有0603、0805、1206等，如1206指的是外形尺寸12（英制单位）×6（英制单位）大小的电阻，如图2.4所示。

2.1.3 固定电阻器的识别

1. 符号

在电路图中最常见的电子元器件就是电阻器，而在不同的电路标准中又有很多形式。常见的有如图2.5所示两种形式，通用国家标准固定电阻符号是RES2。

2. 电阻器的材料特征识别

电阻器的型号命名方法的根据是GB 2471—1981，对于初学者而言不需要对国家标准有很深入的了解，只要能够了解其中的常用规则，能够识别常用电阻就可以，要更深入地了解器件性能可以查阅相应的专业数据手册，其中给出详细的数据参数，本书不涉及此部分的内容。电阻器的型号命名方法见表2.1。

例如，一个RJ73的电阻就可以通过表格查出，主称R代表电阻器、材料J代表金属膜、特征73代表精密超高频，综合起来就是精密超高频金属膜电阻器。这个标号都是标注在整包电阻器的外包装上，我们可以通过它了解电阻的材料及应用场合。

3. 电阻器的阻值精度识别

对于电阻器我们往往最关心的不是电阻的材料，而是电阻的阻值和精度，然而并不是所有的阻值型号都能找到，因此不论什么类型的电阻，所生产的固定电阻阻值都在国家标准中已经做了规定，阻值允许偏差越小的电阻器同样级别的种类越多。E系列允许偏差及计算方法见表2.2。

其中E6、E12、E24的电阻器有两位标称有效值，市场上较为常见，价格也相对便宜。更加精确的电阻E48、E96其标称值都是三位有效数字，相对来说不是很好买到，价格也相对较高，见表2.3。

那么如何识别一个电阻器的阻值大小和精度呢？对于电阻的阻值和允许偏差的标注通常有直标法和色标法两种标注方法。

（1）直标法

一般情况下，电阻的阻值是通过数字或字母数字混合的形式进行标注的，这种标注方法称为直标法。现在生产的贴片式电阻器一般采用这种标注方法，如电阻器标注224，其中22表示标称值，4表示权位（倍乘数）即104。因此224所代表的阻值为22×104Ω=220kΩ。另外直标法还有一种字母与数字混合标注形式，如标注为220k的电阻器也表示的是阻值为220kΩ的电阻器。

老式直标法将电阻器阻值的精度也称为允许误差分为三级：Ⅰ级（±5%）、Ⅱ级（±10%）、Ⅲ级（±20%）。一般情况都是跟在数字后面标注的，而没有标注的通常为Ⅲ级（±20%）允许误差。正如上面所举的例子，没有标注其精度，说明是220kΩ（1±20%）的电阻。

下面举例说明：

4R3Ⅰ，表示电阻值为4.3Ω、允许误差为±5%。

1K5，表示电阻值为1.5kΩ、允许误差为±20%。

5M6Ⅱ，表示电阻值为5.6MΩ、允许误差为±10%。

现在常见的电阻器阻值允许偏差均采用字母作为标志符号，例如，图2.1中的水泥电阻阻值为8.2kΩ，承受功率7W，精度10%。允许偏差与字母的对应关系见表2.4。

（2）色标法

现在的引脚式电阻通常采用将不同颜色的色环涂在电阻器上来表示电阻的标称值及允许误差。带有四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。带有五个色环的其中第一、二、三环分别代表阻值的前三位数；第四环代表倍率；第五环代表误差。快速识别的关键在于根据第三环（四个色环电阻，对于五色环电阻看第四环）的颜色把阻值确定在某一数量级范围内；例如是几点几千欧（几点几几千欧）、还是几十几千欧（几十几点几千欧）的，再将前两环（前三环）读出的数“代”进去，这样就可很快读出数来。固定电阻器色环标志读数识别规则如图2.6所示，各种颜色所对应的数值见表2.5。

例如，红红棕金，表示220Ω（1±5%）；黄紫橙银，表示47kΩ（1±10%）；棕紫绿金棕，表示17.4Ω（1±1%）。

需要注意的是，辨别电阻器的色环标志最好在日光环境下观察，而不要在荧光灯下观察色环。由于荧光灯等冷光源的光谱范围较窄，观察色环时容易产生颜色偏差，错误颜色对应的值也就不能准确地反映出其电阻真实值。

4. 电阻器额定功率的识别

电阻器的额定功率是指电阻器在直流或交流电路中，长期连续工作所允许消耗的最大功率。有两种标志方法：2W以上的电阻，直接用数字印在电阻体上；2W以下的电阻，以自身体积大小来表示功率。在电路图上表示电阻功率时，采用如图2.7所示的电路符号。

而对于实际电阻器的功率通常情况下是标注在外包装上的，用户在购买时只要告诉商家需要什么功率的即可。识别电阻器的功率通常是观察电阻器的外形尺寸，对于同一种类的电阻器，体积大的通常功率级别较高，体积小的功率级别则较低。

5. 特殊的固定电阻——排电阻器

排电阻器（简称排阻）是按一定规律排列的分立电阻器，并将这些电阻器集成在一起的组合型电阻器，也称集成电阻器或电阻器网络。排电阻器有单列式（SIP）和双列直插式（DIP）两种外形结构，内部电阻器的的排列又有多种形式。排电阻器具有体积小、安装方便等优点，广泛应用于各种电子电路中，与大规模集成电路（如CPU芯片等）配合使用。常见的排电阻器多为单列式，其外形如图2.8所示。

图2.8中A表示产品型号，10表示有效数字，2表示倍乘数，即在有效数字后边加“0”的个数，102即1000Ω（1k），J表示电阻精度为5%。常见的排电阻以9个引脚的居多，其中的一个引脚是公共引脚，一般都在两边，用色点标志。

排电阻器适合多个电阻阻值相同，而且其中的每一个引脚都连在同一电位的场合，如图2.9所示为51单片机P0口上拉电阻。相比引脚式的分离电阻，排电阻器的体积较小，安装方便，但价格稍贵。

2.1.4 可调电阻器的识别

可调电阻器一般称为电位器，电路符号如图2.10所示，从形状上分有圆柱形、长方体形等多种形状；从结构上分有直滑式、旋转式、带开关式、带紧锁装置式、多连式、多圈式、微调式和无接触式等多种形式；从材料上分有碳膜、合成膜、有机导电体、金属玻璃釉和合金电阻丝等多种电阻材料。碳膜电位器是较常用的一种。电位器在旋转时，其相应的阻值依旋转角度而变化。变化规律有3种不同形式，如图2.11所示。

X型为直线型，其阻值按角度均匀变化。它适于作分压、调节电流等用。例如，在电视机中做场频调整。

Z型为指数型，其阻值按旋转角度依指数关系变化（阻值变化开始缓慢，以后变快），它普遍使用在音量调节电路里。由于人耳对声音响度的听觉特性是接近于对数关系的，当音量从零开始逐渐变大的过程中，人耳对音量变化的听觉最灵敏，当音量大到一定程度后，人耳听觉逐渐变迟钝。所以音量调整一般采用指数式电位器，使声音变化听起来显得平稳、舒适。

D型为对数型，其阻值按旋转角度依对数关系变化（即阻值变化开始快，以后缓慢），这种方式多用于仪器设备的特殊调节。在电视机中采用这种电位器调整黑白对比度，可使对比度更加适宜。

电路中进行一般调节时，采用价格低廉的碳膜电位器；在进行精确调节时，宜采用多圈电位器或精密电位器。

2.1.5 光敏电阻器的识别

光敏电阻是一种电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的元件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大，电路符号如图2.12所示。如果把光敏电阻的两个引脚接在万用表的表笔上，用万用表的R×1k挡测量在不同的光照下光敏电阻的阻值，将光敏电阻从较暗的抽屉里移到阳光下或灯光下，万用表读数将会发生变化。在完全黑暗处，光敏电阻的阻值可达几兆欧姆以上（万用表指示电阻为无穷大，即指针不动），而在较强光线下，阻值可降到几千欧姆，甚至1kΩ以下。

利用这一特性，可以制作出各种光控的小型电路来。通常街边的路灯大多是用光控开关自动控制的，其中一个重要的元器件就是光敏电阻（或者是光敏三极管，一种功能相似的带放大作用的半导体器件）。光敏电阻是在陶瓷基座上沉积一层硫化镉（CdS）膜后制成的，实际上也是一种半导体元件。住宅或公寓里声控楼道灯在白天不会点亮，也是因为光敏电阻在起作用。

光敏电阻主要有CdS元件、CdSe元件和PbS元件。它们的电阻率对某段波长的照度变化很敏感，当照度增加时，电阻率急剧减小，并在一定条件下，照度和电阻率可呈现线性关系。在完全无光照时，光敏电阻也会呈现一定的电阻值，称为暗电阻，而光照时的电阻称为光电阻。对CdS光敏电阻，暗电阻约几兆欧姆，而光电阻可小到几百欧姆。光敏电阻的温度系数和照度有关，强光照射条件下为正，弱光照射条件下为负。

在上述三种光敏电阻中，以CdS光敏电阻应用最广。它可以工作在交流状态，对可见光敏感，输出信号较大，价格便宜，抗噪声能力比光敏二极管强，但响应速度较慢。表2.6列出了几种CdS光敏电阻的参数，其中峰值波长指光谱响应中最敏感的波长值；响应时间指光敏电阻两端加电压后，从受光照开始，电阻中的光电流从0增加到正常电流值的63%所经历的时间t，遮光后，光电流从正常值衰减到37%时所经历的时间tf。当选用CdS光敏电阻作开关元件时，应注意它的允许功耗和响应速度能否满足要求。

2.1.6 热敏电阻器的识别

半导体热敏电阻器是利用半导体材料的热敏特性工作的半导体电阻器。它是由对温度变化极为敏感的半导体材料制成的，其阻值随温度变化发生极明显的变化。

热敏电阻主要用在温度测量、温度控制、温度补偿、自动增益调整、微波功率测量、火灾报警、红外探测及稳压、稳幅等方面，是自动控制设备中的重要元件。热敏电阻按其结构分为直热式和旁热式两大类。直热式热敏电阻一般是用锰、镁、钴、镍铁等金属氧化物粉料挤压成杆状、片状、垫圈状或珠状的电阻体，经1000～1500℃高温烧结后，再烧制附银电极和焊接引线，加热电流直接通过电阻体。旁热式热敏电阻由电阻体和加热器构成。电阻体旁装有金属丝绕制的加热器（加热线圈），二者紧密耦合在一起，但又彼此绝缘。电阻体和加热器密封在内部抽成高真空的玻璃外壳中，引出电极。加热器通过加热电流时，电阻体周围温度变化，导致阻值改变。按电阻温度系数的不同，热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧增大，负温度系数电阻的阻值随温度升高而急剧减小。后者应用较为广泛。此外，热敏电阻由于具有热敏特性，其电压和电流之间不再保持线性关系，而成为一种非线性元件。

2.1.7 电阻器的测量方法

在高中物理中已经介绍了伏安法测量电阻值的大小，用此种方法测量电阻值在实际应用时比较麻烦，既需要稳压电源，还需要电流表、电压表，不适宜对未知阻值的电阻器进行测量，下面介绍电阻的简单测量方法和在测量过程中需要注意的问题。

测量电阻最简单直接的方法就是用万用表来测量，无论是指针式万用表，还是数字式万用表，测量电阻时都要选用电阻测量挡位进行测量。将万用表两表笔（不分正负）分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值，如图2.13所示。

为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。对于指针式万用表由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20%～80%弧度范围内，以使测量更准确。由于数字式万用表的现实位数限制，因此也要选择合适的挡位，否则不能显示出电阻的真实值。另外根据电阻误差等级不同，读数与标称阻值之间分别允许有±5%、±10%或±20%的误差。若不相符，超出误差范围，则说明该电阻器损坏了或质量不合格。

不论采用指针式万用表还是数字式万用表测试时需要注意以下几个问题：

①使用指针式万用表测量电阻之前一定要调零，每一次变换挡位之后都需要重复调零过程，否则将会有很大的测量误差。

②在测量电阻时，特别是在测量几十千欧以上阻值的电阻时，手不要触及表笔和电阻的导电部分，由于人体电阻的引入将导致电阻测量的误差。

③在需要测量电路中的电阻时，需要将被测电阻从电路中焊下来，至少也要焊开一个头让其与电路断开，以免电路中的其他元件引入对测量产生影响，造成测量误差。

④对于未知阻值范围的电阻测量时，通常将万用表测量挡位置于小阻值挡，测量观察其读数是否合适，如不合适向高阻值挡位逐步变换、校准、测量，直到读值合适为止。

⑤色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，但在使用时如不能明确其阻值的时候，最好还是用万用表测试一下其实际阻值，如误读则很可能导致整个电路瘫痪而又不能很快找出原因，导致设计失败，在电子设计竞赛这样紧张的情况下，还是应防患于未然。

2.1.8 固定电阻器的应用场合

①用做数字电路中的上拉电阻、下拉电阻。数字电路及单片机电路中，有很多引脚需要使用上拉、下拉电阻，用做上、下拉电阻都是在1～10kΩ之间选择的，电阻的精度要求不是很高。另外，很多单片机电路中多使用电阻排作为I/O接口的上、下拉电阻。

②在很多场合电阻是用做限流的。例如，在发光二极管用于指示的场合，通常用电阻串联发光二极管，电阻的选值范围也相对较宽，因此对于电阻的精度要求也不是很高。也有需要高精度电阻的限流场合，如用LM317构成一个恒流源电路中，电阻端电压恒定，通过适当调整电阻得到所需的电流，若电流精度有要求，则需要所选电阻精度达到一定标准。

③用于分压。很多场合中利用串联电阻的分压特性得到一个所需电压，此时作为分压电阻就需要相对精确的电阻值，否则真实电路中分压得到的电压很有可能与计算值相差很多。因此要想得到精确的分压值，就要对分压电阻的精度有很高的要求。

④电阻在电路中工作始终是消耗能量的，利用这个性质很多场合电阻都作为负载。在很多开关电源电路中，为了保证输出电压稳定，需要在输出端并联一个负载电阻，保证没有输出电流情况下开关电源正常工作，这个负载电阻就是假负载，它消耗一部分能量。

⑤另外由于电阻器都有固定的额定电压，使用时不能超过这个电压，否则会造成电路失效或使电路安全性能下降。在超过电阻额定电压的场合下使用电阻时，通常采用多个电阻串联的方式来降低每个电阻所分得的电压值，使其在额定电压下工作。由于电子设计竞赛中不会使用高压，因此这种情况一般不会在电子设计竞赛中出现，但对于电子工程师在高压环境中应用电阻时需要注意这个问题。例如，在IC卡电度表中，相电压采样使用的就是多个常规贴片电阻串联方式，使每一个电阻分压值都小于其自身额定电压。

2.1.9 固定电阻器的应用技巧

在电子设计竞赛中，很多电阻的阻值都需要通过计算得到，而实际中却往往找不到这样特殊阻值的电阻，这时候很多人会想到应用可调电阻（电位器）进行精确调节。这样做的好处在于不需要搭配计算精确的电阻值，就可以很快调整电路参数。然而采用可调电阻（电位器）调整后的电路，经过封包运输或环境变化，很容易产生偏差。这个电路偏差主要是由于采用的可调电阻（电位器）的触点变动或氧化而导致的，这样的偏差将直接降低电路的稳定性，甚至使电路失效。

分压电路也存在这样的问题，电路中需要一个精度很高的电阻，而手头却没有这样高精度的电阻，下面举例介绍一种利用常用低精度电阻得到所需高精度电阻的方法，满足比赛过程中对于电阻的高精度要求。

如图2.14所示为用LM317制作一个恒流源，电路中的电阻就是通过计算而得到的，要想得到100mA的电流，电阻两端的电压为1.25V，可以计算出需要12.5Ω的电阻。实际中我们却买不到12.5Ω的电阻器，另外即使得到12.5Ω的电阻，又由于LM317的器件差异，使我们很难得到精确的100mA电流。

在遇到这样问题时，我们只要采用多个电阻串联、并联的方式就可以逐渐逼近精确值，如上面例子电阻阻值相对较小，而且电阻上还要承担100mA的电流，可以计算出电阻上消耗的能量约为P=I2·R=0.125W，因此选用1/4W的常用电阻就可以满足设计要求。15Ω的电阻很常见，我们先将阻值为15Ω的电阻焊接到电路中，可以通过电阻并联公式计算出并联电阻的阻值，但这样做比较麻烦，尤其是在紧张的比赛过程中时间紧迫，即使计算出并联电阻的阻值以后也还需要调整。

简单来看，采用几欧或几十欧电阻产生的电流是100mA，如果实际测量时发现电流值偏小在几毫安或几十毫安时我们就并联几十欧到几百欧的电阻；如果电流值偏小为几毫安就并联几百欧姆到几千欧姆的电阻。依次类推，逐级并联大阻值的电阻，最终达到用户所需的电流精度。

正如上例所示，使用15Ω的电阻实际测量的电流约为84mA，与我们要求的100mA有16mA的差距，需要并联几十欧姆的电阻，大概需要并联电阻值为的电阻，这个电阻值也不是我们能找到的，因此要找我们现有的常用电阻并联使用，比这个阻值大且接近82Ω的电阻，并联以后，测量电流为99mA，已经很接近要求值了。这时的偏差只有1mA了，只要并联一个几百欧姆到几千欧姆的电阻即可，大概需要并联一个电阻值约为 的电阻，选一个接近这个值的1.2kΩ电阻并联，实际测量值为100mA。

当然，实际测量的精度也取决于测量设备的精度，上述实验中的电流表为普通2.5级指针式万用表，测量精度不高，要想得到更高精度要求的实验值可以采用高精度的测量设备，如存在偏差，我们只要依次并联下去就会得到所需的电流。

这种利用常规电阻替代高精度电阻的方法不仅适用于电子设计竞赛，也适用于工程实验及工程应用，电子爱好者和电子工程师应掌握这种技巧，可以在实际应用中摸索，总结经验，在很大程度上可缩短计算时间。因此设计印制电路板时，在需要调整电阻的地方，多设置几个电阻并联的位置，方便日后对电阻值的大小进行调整。