長篇連載：第一章 電阻的基礎知識（1）
作者：開步睿思 發表日期：2020-03-31 12:05:50
說在前面
盡管電阻器是電子電路設計中最普通最常用的器件，但在日常客戶拜訪過程中，同電子設計工程師的交流讓我們發現電阻器經常會被錯誤的理解和使用，希望這次的長篇連載可以對電子電路設計中電阻的使用提供一個實際的指導和啟發。第一章節是關于電阻元器件的基礎知識，接下來的章節會介紹不同類型的電阻，對于每一類型的電阻， 我們都會先討論其結構和原理，然后再介紹在電路中實際的應用。
額定功率和散熱
電阻器是電路中普通卻關鍵的電子元件，它是根據公式P=E*I將電能轉換為熱能的能量轉換器，其中消耗的功率（P）是在電阻器上施加電壓（E）并產生電流（I）的結果。
同樣根據歐姆定律，為了方便起見，這里還引用了這些附加公式：
P=I2R，P=E2/R
1瓦時相當于3.413BTUs
電阻器轉換的能量不能持續積累并以熱的形式儲存在電阻器內，最終必須將其傳遞到其他物體，使電阻器內產生的熱量等于傳遞到其他物體的熱量，從而產生穩定的內部溫度。此溫度不能超過可容忍的極限，因為進一步升高溫度會改變電阻器的完整性，甚至會破壞它。這個在電阻內部的極限溫度，被稱為“最高的內部熱點溫度”，就好像器件內有一個可能過熱的點。
內部熱點溫度必須限制在某一溫度范圍內， 這一溫度不會造成電阻合金的冶金退化或金屬陶瓷及其他非金屬元素的化學變化而導致的永久性性能變化。通常情況下，它受限于電阻保護涂層所能容忍的較低溫度。
在沒有散熱器的情況下，熱量從內部熱點流過電阻器本體，并通過電阻器本體的輻射和對流傳遞到另一種介質。有了散熱器，熱量通過傳導可以更快地傳遞出去。引線充當了電阻器本體到電路板(充當散熱器)的導熱體，幫助了電阻器散失掉總熱量中的大部分。
在靜止空氣中使用電阻器可以最快地達到平衡溫度。如果有空氣循環，熱量中的一大部分就可以在達到最高溫度之前被耗散掉。為了在最高內部熱點溫度以下消耗更大的功率，散熱片、油浴、冷卻水循環等附加的扇熱設施就變得非常必要。
電阻器制造商為了將電阻的內部熱點溫度限制在令人滿意的水平而確定的在靜止空氣中和使用散熱器條件下電阻可以承受的最大功率就是額定功率，不得超過。也可以為在靜止空氣中或使用散熱器條件下的電阻單獨標定額定功率。另外，電阻工作的環境溫度可能并不總是處于室溫，如果電阻工作的環境溫度處于較高水平，則電阻工作時能被環境耗散掉的功率就會較少。在使用時，可以參考電阻的功率降額曲線，以便了解如何在不超過電阻的最大內部熱點溫度的高溫環境中使用電阻器。降額曲線顯示在溫度升高到某一點時功率降至零，這個溫度就稱為“最高熱點溫度”。
雖然每一家制造商都會規定電阻器的額定功率，但并不能簡單地將這個額定功率應用在所有的實際工況中，一些應用中的散熱可能需要進一步分析。從“內部熱點溫度”到電阻器本體上的某個“測試點溫度”的溫降通常是已知的，為了減少熱分析的計算量，可僅限于對電阻器本體與散熱介質之間相關的因素進行分析，可用“測試點溫度”直接進行熱分析。這個“測試點”及其“最高外部熱點溫度”經常被識別為“熱點”。
電流額定值
許多電阻分流器和電流傳感器是“受限于電流”，而不是受限于功率。這是因為隨著電壓的增加，電子流量也持續增加，直到出現一個點，電流將不再遵循歐姆定律。這一“臨界電流密度”因電阻材料的不同而不同，但必須記住，引線和電阻附件也是有一個臨界電流密度的。特定金屬可以承受高達40KA/cm2的電流密度，但出于安全原因，制造商的額定值可能會大大低于這一限值。