Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5/E
趙和昌 審閱 林愷‧李俊良 編譯
簡 介
│本│章│重│點│
3.1 導體的電阻值
3.2 線徑表
3.3 電線電阻──圓密爾
3.4 溫度效應
3.5 電阻器的種類
3.6 電阻器的色碼
3.7 電阻值的測量──
歐姆計
3.8 熱敏電阻
3.9 光導電阻
3.10 非線性電阻
3.11 電 導
3.12 超導體
前言
在導體中,電子的移動是因為外在施加的
電壓所造成。當這些電子穿越材料時,它們會不斷的碰撞原子
或是其它的電子。就像遇到了摩擦力一樣,移動中的電子消耗
了部分的能量並變成為熱能。這些碰撞代表了阻擋這些電荷的
阻力, 稱為電阻 (resistance) 。阻力越大 ( 也就是阻抗越
大 ),在相同的電壓下,所能通過的電流也就越小。
電路元件 [ 稱為電阻器 (resistors) ] 在幾乎所有的電路
中都會被應用來產生阻抗。雖然電阻是所有電路中最簡單的元
件,但是在決定電路是否能夠動作卻占有舉足輕重的地位。
3.1 導體的電阻值
如同前章所提,導體是允許電荷流動的材料。但是導體的
行為並非都一樣,我們發現材料的電阻值 (resistance) 決定於
幾個因素:
‧材料的種類
‧導體的長度
‧截面積
‧溫度
3.1 導體的電阻值
在固定溫度下,支配導體電阻值的因素可以用下面數學式
表示:
(3-1)
這裡的 電阻率,歐姆 - 米( -m)
長度,米(m)
截面積,平方米(m2 )
在上式中,希臘小寫字母 為比例常數,稱為材料的電阻率
(resistivity)。電阻率為材料的物理特性,在SI 制以歐姆 - 米
( -m) 表示。表3-1 列出在 時不同材料的電阻率。電阻
值的溫度效應將在3.4 節說明。
歐姆RA
,
A
20 C
3.1 導體的電阻值
3.1 導體的電阻值
3.1 導體的電阻值
3.1 導體的電阻值
3.2 線徑表
即使表3-2 列出了至AWG 4/0 的固態導體資料,大部分的
應用並不會使用到超過AWG 10 的固態導體。固態導體是不容
易彎折的,所以它們很容易因為機械應力的關係而損壞。為
此,大直徑的電線大部分是用絞線的方式而非單芯的線。如圖
3-5 為一種七絞線,其可承受超過一百次的搓、絞。
有人可能會想,絞線也會跟實心線一樣使用AWG 來標
記。結果AWG 10 的絞線與AWG 10 的實心線擁有相同的橫切面
。然而,因為導體間額外的空間損失,絞線的直徑會比單芯
線來的大。另外絞線中每個個別的線,它們是呈螺旋狀互相纏
繞,因此它們個別的長度會比繞好的絞線總長還要長一些。
3.2 線徑表
3.2 線徑表
3.2 線徑表
3.2 線徑表
從表3-2 中,我們可以發現一些重要的事情:
• 如果線的尺寸增加了三個 AWG 單位,則切面面積將增
加兩倍。因為阻值與切面面積成反比,在同樣的長度下,
大直徑電線阻值差不多會是小直徑電線阻值的一半。
• 如果說有兩條相差三個 AWG 單位的線,粗的那條能夠
處理的電流將會是細的那條的兩倍左右。導體能夠安全
處理的電流的大小正比於它的截面面積。
• 如果線的大小增加了十個 AWG 單位,其截面面積將會
增加約十倍。因為阻值為截面積的反比,粗的線阻值會
比細的線阻值小十倍。
• 對相差十個 AWG 單位的線來說,相較於細的線來說,
粗的線可以處理大十倍的電流。
3.2 線徑表
3.2 線徑表
美國線規系統為電線直徑發展出一稱為圓密爾 (circular
mil, CM) 之單位,它定義為直徑為1 密爾(1mil = 0.001 inch)
圓的區域內部。平方密爾 (square mil) 定義為邊長為1 密爾正
方形的區域內部。由圖3-6 可以看出圓密爾之面積小於平方密
爾之面積。
3.3 電線電阻──圓密爾
2
2
4
(1 mil)
4
sq. mil4
dA
3.3 電線電阻──圓密爾
1 CM sq. mil4
(3-3)
(3-4)
(3-5)
41 sq. mil CM
2
sq. mil4
平方密爾d
A
,
2
mil CM圓密爾CMA d ,
3.3 電線電阻──圓密爾
3.3 電線電阻──圓密爾
3.3 電線電阻──圓密爾
RA
3.3 電線電阻──圓密爾
3.3 電線電阻──圓密爾
3.4 溫度效應
3.1 節說明導體電阻值並非在所有溫度下皆是定值。當
溫度增加,更多的電子會脫離其軌道,致使在導體內碰撞增加。
對於多數金屬導體,碰撞次數的增加會轉換成電阻值線性增加
的關係。如圖3-7 所示。
3.4 溫度效應
3.4 溫度效應
3.4 溫度效應
3.4 溫度效應
3.4 溫度效應
3.5 電阻器的種類
固定電阻
如同名稱所顯示的,固定電阻 (fixed resistors) 是電阻值
為不變常數的電阻。有數種固定電阻,大小的範圍從極微小
( 如在積體電路內 ) 到能消耗數瓦特功率的高功率電阻。圖3-
8 說明一個碳混合物電阻模型 (molded carbon composition
resistor) 的基本結構。
3.5 電阻器的種類
3.5 電阻器的種類
電路常需電阻來消耗大量的熱。在這種情形,繞線式電
阻常被使用。這類電阻由金屬合金繞一空心瓷器心,然後由一
薄瓷覆蓋封起來。因電流經過繞線陶瓷,所以能很快的散熱。
圖3-11 所示為不同形式的功率電阻。
如果電路的熱消耗不是主要的設計考慮時,由迷你包裝
的固定電阻 ( 稱為積體電路或IC ) 含有很多個別的電阻,這類
包裝的明顯優點在於可為電路板節省空間。圖3-12 說明典型電
阻IC 的包裝。
3.5 電阻器的種類
可變電阻
可變電阻 (variable resistors) 在日常的各種場合提供不可
或缺的功能。這些元件用來調整收音機音量、家用電燈大小與
調整火爐熱量。圖3-13 所示為典型可變電阻的內部與外部圖
形。
3.5 電阻器的種類
3.6 電阻器的色碼
繞線電阻或陶瓷外殼功率電阻的大電阻都將其電阻值與
容許誤差寫在外殼上。至於小電阻,不論是碳混合物或金屬膜,
皆因太小而無法將值寫在上面。因此,這些小電阻都以氧化物
或絕緣層覆蓋其上,再以色碼 (color code) 印在上面,如圖3-
16 所示。
3.6 電阻器的色碼
3.6 電阻器的色碼
3.7 電阻值的測量──歐姆計
3.7 電阻值的測量──歐姆計
當使用歐姆計測量正在工作的電路電阻時,需注意下列步驟:
1. 如圖3-20(a) 所示,從電路或待測元件移開所有電源。若
此步驟未做,運氣好一點僅是讀值錯誤,運氣差者電表
嚴重損毀。
2. 若想測量一特定電阻元件時,必須於電路將元件隔離開。
此作法至少需於電路中將元件移去一端,如圖3-20(b) 所
示。若未做此步驟,所讀之值為相鄰電路之值,而非所
欲測之元件。
3. 如圖3-20(b) 所示,連接歐姆表兩測棒和元件,黑棒與紅
棒於測量電阻時可被交換。當測量其它元件電阻時,所
測電阻值視待測電路方向而定。
3.7 電阻值的測量──歐姆計
3.7 電阻值的測量──歐姆計
除測量電阻外,歐姆計也能指示電路有否連接導通。許
多數位歐姆計用於指示電路一端到另一端是否完整地連接在一
起時會發出聲音來。如圖3-21(a) 所示,此聲音可讓使用者眼睛
專注在待測電路而不須轉頭看歐姆計。
短路 (short circuit) 發生於一段低電阻的導體或任何其
它電路兩端點被接在一起時。因為短路電阻非常低,電流將繞
過電路的其它部分而走短路路徑。當使用歐姆計測量一短路電
阻時,其顯示值非常低。
開路 (open circuit) 發生於當導體在待測點被打開時。測
量開路時歐姆計將顯示電阻無窮大。
3.8 熱敏電阻
任何儀器或元件,若它會因為物理的改變而改變它的電
性,我們稱為轉換器(transducer)。
熱敏電阻 (thermistor) 是一個兩端式的轉換器。它的阻
值會因為溫度而產生明顯的變化 ( 因此熱敏電阻我們也叫它為
熱電阻 )。熱敏電阻的阻值會隨著外界的溫度改變以及因為流
經此元件電流的改變導致溫度的改變而改變。因為這種特性,
熱敏電阻在電路中會被使用來控制電流以及量測或控制溫度。
一般的應用為電子溫度計以及火爐的溫度控制系統。
圖3-23 顯示了熱敏電阻如何跟著溫度改變它的阻值。
3.9 光導電阻
3.10 非線性電阻
如果一個裝置它的電流與電壓的關係是線性的 ( 直線 ),
我們稱它為歐姆裝置 (ohmic device)。
通常在電子學裡,我們會使用沒有線性的電流 - 電壓關
係元件,而這些元件我們就稱為非歐姆裝置 (nonohmic
devices)。
3.10 非線性電阻
二極體
二極體 (diode) 是一個只容許電流流經一固定方向的半導
體元件。
一般來說流經二極體的方向為從陽極至陰極 ( 有在上面
畫了一條橫線的那端 )。當電流為這個方向時,二極體為正向
偏壓 (forward biased) 並處於正向區 (forward region)。當二
極體在正向區時,它有非常小的阻值,通常我們直接近似於短
路。
如果電路的連接導致於電流從二極體的陰極流到陽極 ( 相
反於圖3-26 的箭頭方向 ),這時二極體為反向偏壓 (reverse
biased) 並處於反向區 (reverse region)。因為二極體在反向區
時有非常大的阻值,所以我們通常近似於開路。
3.10 非線性電阻
3.10 非線性電阻
壓敏陶瓷
壓敏陶瓷 (varistor),如圖3-29,為一半導體裝置。當跨
過它的電壓並未超過它的崩潰電壓時,壓敏陶瓷有非常高的阻
抗。然而當跨過它的電壓 ( 不管是正極還是負極 ) 超過了額
定的值,它的阻值瞬間就會變得非常小,允許電流通過。圖3-
30 顯示了它的I -V 圖。
壓敏陶瓷通常會在較敏感的電路中使用,例如電腦,確認
如果電壓忽然超出了預期的值,壓敏陶瓷可以有效地對這個不
想要的訊號變成短路,因而保護了其它的電路不被過大或過小
的電壓所破壞。
3.11 電 導
電導 (conductance, G),定義為材料允許電荷流動的能
力,SI 制符號為西門斯 (siemens, S)。大電導表示材料能良好
地傳導電流。反之,低電導表示電荷傳導的能力較差。電導的
數學式為電阻的倒數,即
(3-10)
R 為電阻,單位為歐姆( )。
1
SGR
西門斯,
3.11 電 導
3.12 超導體