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长篇连载:第一章 电阻的基础知识(4)

作者:睿思电阻     发表日期:2020-04-14 14:20:52

电抗/阻抗


电抗:由电流和电压之间相移产生的交流阻抗的分量

阻抗:交流电路中有效电压与有效电流的比率

电抗可以是感性的,也可以是容性的。在低阻值电阻(10欧姆以下)中,感性电抗通常大于容性电抗,而具有双线绕制的高阻值的电阻则更有可能是容性电抗,可以采用PI型双线绕制来改善电抗。

下图以矢量表示法显示了电阻器对交流信号响应的各个分量。“R”是器件的直流电阻, “XL”和“XC”分别是感抗和容抗。

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下图显示了“XL”和“XC”的总和,留下了一个有效的净值电抗“XT”。 阻抗“Z”的平方等于“R”和“XT”的平方和。除非“XL”恰好等于“XC”,否则交流阻抗始终大于直流阻抗。

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频率在兆赫兹以下,低阻值分流器和电流检测电阻器对“XT”的响应很小,甚至没有响应。因此,电抗的影响在很大程度上可以忽略不计。


热电动势

不同的金属相互接触时,接触面的两端会产生很小的电压。该电压会随温度变化而变化,因此称为热电动势或热电偶效应。热电动势的值是不同金属组合的函数,产生的电压的极性是正的还是负的,取决于组合的金属连接件哪一侧被认为是输入端。几乎所有的电阻器都有金属组合,且通常用铜作为电极的端部。因此,铜是典型的参考金属。以下是电阻器结构中使用的各种金属和合金在以铜作为参考时的热电动势的简表。

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在电流检测电路中,由于热电动势可能大于被识别的信号,所以热电动势是直流电路中使用的低阻电阻需要考虑的一个重要因素。热电动势在交流电路中通常不那么重要。

如前所述,热电动势具有极性,因此当电流流过一个电阻从铜到锰铜再回到铜,一端会产生+3uV/ºC热电动势,另一端产生 -3uV/ºC 热电动势。在电阻两端温度相同的理想情况下,热电动势是相互抵消的。制造商通过使用适当的金属组合将热电动势效应降至最低,但用户应考虑产品的安装方式,以确保电阻器不会被其他组件影响,造成不均匀的加热。下面左图是电阻两端温度相同时的等效电路,右图是一端受热时的等效电路。请注意,当电阻器两端允许存在10℃的温差时,下面左图中测得的100 uV 电压降在右图中变为130 uV电压降。

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噪声

噪声是电阻器内部有害的交流信号。噪声分为两种类型,在某些条件下它们是限制产品可用性的主要原因。
热噪声:通常被称为“约翰逊噪声”,是由于电子在电阻性材料中的随机运动,在两极之间产生的微小波动电势差。
热噪声具有连续频谱的特点,其大小与导电元件的材料或形状无关,只随温度和电阻变化。

热噪声可以用下面公式表示:

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K = 玻耳兹曼常数(1.38×10-23焦耳/开尔文)。
T = 绝对温度(ºC+273)。
R = 导体的电阻。
E = 热噪声电压的均方根值。
(f2-f1) = 带宽,单位为赫兹。


由热运动产生的噪声电压对可以放大且不会在噪声背景中丢失的最小信号电压设置了限制。

电流噪声:由金属或金属合金(线绕等)构成的电阻的综合噪声非常低,基本上可以忽略。然而,当直流电流流过电阻时,如果电阻是由分散在绝缘基体中的导电粒子或由不完美晶格结构和杂质形成的薄膜所构成的产品,电流流过时所产生的电流噪声将远远超过热噪声。

这种类型的噪声由矩阵内导电粒子之间接触电阻值的波动引起,并且在导电粒子较少的地方数值较大。它也可能出现在不良的金属连接上,如冷焊。电流噪声的频谱不连续,出现在较低的音频频率范围内。这使得厚膜电阻器在中频应用环境下很难辨别非常小的信号。


噪声指数 - 根据以下公式计算噪声指数:

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其中,噪声电压是电阻器产生的电流噪声的均方根,直流电压是在给定温度下流经电阻器的电流所产生的电压。

噪声指数通常以uV/V或电压比的分贝数来表示,这些参数可以互换,如下图所示。

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下期预告:下期将进入第二章,主要介绍如何做好电阻选型,敬请期待