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九月 9 2019

电阻在电路中有什么作用

  电阻(Resistance,通常用“R”表示),是一个物理量,在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种特性。而且电阻在电路上的主要作用有分流、限流、分压、偏置、滤波(与电容器组合使用)、阻抗匹配、将电能转化为内能等。下面我们来详细的了解其的作用:

  一、分流作用

  当在电路的干路上需同时接入几个额定电流不同的用电器时,可以在额定电流较小的用电器两端并联接入一个电阻,这个电阻的作用是“分流”。例如:有甲、乙两个灯泡,额定电流分别是0.2A 和0.4A,显然两灯泡不能直接串联接入同一电路。但若我们在甲灯两端并联一个合适的分流电阻(如图1所示),则当开关S闭合时,甲、乙两灯便都能正常工作了。

分流电阻

  图1 分流电阻

  再如,在缺电压表测电阻的实验设计中,可设计如图2所示的实验电路,利用分流电阻R与待测电阻并联,借助于电流表测干路电流和分流电阻R中的电流,利用并联分流公式,可求出待测电阻 的阻值。如果只有一个电流表,可将电流表先后接在干路或不同的支路中测出I和 (或和或和),也可求出 。

实验电路

  图2 实验电路

  图1所示,在给蓄电池充电的电路中,为了使充电电流不超过规定值,可在电路中接入限流的电阻。在充电过程中,适当调节接入电阻的大小,可使电流的大小保持稳定。再如在可调光台灯的电路中,为了控制灯泡的亮度,也可在电路中接入一个限流电阻,通过调节接入电阻的大小,来控制电路中电流的大小,从而控制灯泡的亮度。

  二、限流作用

  通过用电器的电流不超过额定值或实际工作需要的规定值,以保证用电器的正常工作,通常可在电路中串联一个可变电阻。当改变这个电阻的大小时,电流的大小也随之改变。我们把这种可以限制电流大小的电阻叫做限流电阻。图3所示,在给蓄电池充电的电路中,为了使充电电流不超过规定值,可在电路中接入限流的电阻。在充电过程中,适当调节接入电阻的大小,可使电流的大小保持稳定。再如在可调光台灯的电路中,为了控制灯泡的亮度,也可在电路中接入一个限流电阻,通过调节接入电阻的大小,来控制电路中电流的大小,从而控制灯泡的亮度。

限流电路

  图3 限流电路

  三、分压作用

  一般用电器上都标有额定电压值,若电源比用电器的额定电压高,则不可把用电器直接接在电源上。在这种情况下,可给用电器串接一个合适阻值的电阻,让它分担一部分电压,用电器便能在额定电压下工作。我们称这样的电阻为分压电阻。如图4所示的电路,当接入合适的分压电阻后,额定电压为3V 的电灯便可接入电压为12V 的电源上。又如我们常用的测电笔里有一个阻值很大的高电阻,它也是一个分压电阻。人体的电阻一般为高电阻的 ,这样人站在地面上用测电笔接触220的电源,那么测电笔中高电阻分压约为200V,人体承受的电压就只有20V,低于36V,这样就没有触电的危险了。再如在缺电流表测待测电阻的实验设计中,也常使用分压电阻与待测电阻串联,再利用分压公式,便可求出待测电阻的阻值了。(电路图设计如图5所示)

分压电阻电路

  图4 分压电阻电路

实验电路设计

  图5 实验电路设计

  电阻在串联电路中起到分压作用,在我们所用的 USB 转串口的线上面,一般的厂家就是用两颗电阻分压得到3.3V 或者2.8V电平的串口。

  四、偏置作用

  晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大,就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。即应该设置它的工作点。所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位(可根据计算获得)。这些外部电路就称为偏置电路(可理解为,设置PN结正、反偏的电路),偏置电路向晶体管提供的电流就称为偏置电流。

  对共射放大电路来说,主流是从发射极到集电极的IC,偏流就是从发射极到基极的IB。相对与主电路而言,为基极提供电流的电路就是所谓的偏置电路。偏置电路往往有若干元件,其中有一重要电阻,往往要调整阻值,以使集电极电流在设计规范内。这要调整的电阻就是偏置电阻。

  偏置:在电路某点给一个参考分量,使电路能适应工作需要。 偏置可以是DC偏置,也可以是AC偏置。也可分为电流偏置和电压偏置。常见的是DC偏置。即电路某点经过一个起偏置作用的元件接到某个DC电源上。例如单级三极管发射极放大电路,至少需要一个基极偏置电阻。由于三极管放大电路经常用电流放大系数来计算放大效果。因此偏置电阻定义为电流偏置电阻,以便于计算和分析。CMOS 门电路输入端,接的上拉电阻或下拉电阻,一般可认为是电压偏置电阻。因为通过这个电阻的电流很少,电阻基本上是给门输入端一个静态参考电压。交流偏置的一个典型应用例子:录音机的交流偏磁。

  简言之,偏置电阻用来调节基极偏置电流,使晶体管有一个适合的工作点。

  稳定静态工作点原理:

  设流过基极偏置电阻的电流 IR>>IB,因此可以认为基极电位 VB 只取决于分压电阻、,VB 与三极管参数无关,不受温度影响。

  静态工作点的稳定是由 VB 和 Re 共同作用实现,稳定过程如下:

  设温度升高→IC↑→IE↑→VBE↓→IB↓→IC↓

  其中:IC↑→IE↑是由电流方程 IE = IB+IC 得出,IE↑→VBE↓是由电压方程VBE= VB-IERe 得出,IB↓→IC↓是由 IC =βIB 得出。

  由上述分析不难得出,Re 越大稳定性越好。但事物总是具有两面性,Re太大其功率损耗也大,同时 VE 也会增加很多,使 VCE 减小导致三极管工作范围变窄。因此 Re 不宜取得太大。在小电流工作状态下,Re 值为几百欧到几千欧;大电流工作时,Re 为几欧到几十欧。

  一般情况下,三极管三个极的电阻功能有:

  基极电阻主要是限压,控制基极电位正偏值不能过大,过大容易使三极管饱和发射极电阻主要是限流,因为电流过大,容易使三极管产生饱和集电极电阻主要是限幅,限制输出信号过大而产生失真偏置电阻的大小有很多种组合,并且与三极管的放大系数β有关。在工厂生产中,为了适应不同β的三极管,在三极管的直流回路中,都会引入负反馈:在发射极中串联一个电阻 Re(Re 上要并联电容器,仅对直流工作点有效),Re 越大,工作点越稳定(除了适应电压变化外,还能适应β不同的三极管),但直流电压降也越大,降低了电源的有效电压;基极采用电阻分压式偏置电路,由 Rb1与 Rb2对电源分压后接基极,下偏电阻 Rb2越小,稳定效果也越好,但降低了输入电阻。上偏置电阻 Rb1用来调整工作电流大小。

  电阻的偏置作用在手机原理中典型用法就在MIC回路。如图6中的R1和R2。

MIC回路

  图6 MIC回路

  五、滤波作用

  电阻的滤波作用一般是和电容组成 RC 滤波电路,可分为低通和高通电路。

滤波电路

  六、阻抗匹配作用

  阻抗匹配概念

  阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。

  在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。

  当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

  阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主要用于上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。大体上,阻抗匹配有两种,一种是透过改变阻抗力(lumped-circuit matching),另一种则是调整传输线的波长(transmission line matching)。

  要匹配一组线路,首先把负载点的阻抗值,除以传输线的特性阻抗值来归一化,然后把数值划在史密夫图表上。

  图7中R为负载电阻,r为电源 E 的内阻,E为电压源。由于r的存在,当R很大时,电路接近开路状态;而当R很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。

阻抗匹配电路

  图7 阻抗匹配电路

  根据式:

公式

  从上式可看出,当 R=r 时式中的(公式1)式中分母中的(R-r)的值最小为0,此时负载所获取的功率最大。所以,当负载电阻等于电源内阻时,负载将获得最大功率。这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。

  七、将电能转化为内能的作用

  电流通过电阻时,会把电能全部(或部分)转化为内能。用来把电能转化为内能的用电器叫电热器。如电烙铁、电炉、电饭煲、取暖器等等。

电阻

  图8 电阻

  本文介绍了电阻在电路中起到的作用。不同导体的电阻按其性质的不同还可分为两种类型。一类称为线性电阻或欧姆电阻,满足欧姆定律; 另一类称为非线性电阻,不满足欧姆定律。而且电阻的量值与导体的材料、形状、体积以及周围环境等因素有关。

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