信號(hào)線上，為什么要接電阻？你一定想不到小小電阻，竟然有這么大的作用。本期貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室，就讓我們一起來(lái)重新認(rèn)識(shí)——電阻。

01電阻是什么？

我們常說(shuō)的電阻是簡(jiǎn)稱，可代表電阻值或電阻器。

當(dāng)作為電阻值時(shí)，通過(guò)歐姆定律(R=U/I)，定義其數(shù)值（外部特性）。線性電阻的電阻值不隨電壓/電流變化；非線性電阻的電阻值會(huì)隨電壓/電流變化，如晶體管的R(DS)，會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整以維持恒流。

當(dāng)作為電阻器出現(xiàn)時(shí)，就是一個(gè)實(shí)體，其電阻大小與材料的電阻率和長(zhǎng)度成正比，與材料的截面面積成反比（R=p*L/S）。它表示一個(gè)物體的電阻物理屬性，是不隨外部電壓或者電流變化而變化的，例如我們常用的這種貼片或者插件電阻，不論電阻兩端的電壓是1V還是100V，1KΩ就是1KΩ。

022個(gè)實(shí)驗(yàn)感受電阻對(duì)電路的影響

電阻大概是電子世界里極不起眼的器件了，它既沒(méi)有MCU或SOC那般“高端”，也不像其他集成電路那樣被視作“核心”，活脫脫像個(gè)默默無(wú)聞的NPC?？赡銊e小看它，要是少了這個(gè)小元件，整個(gè)電子世界怕是要亂了套。不信？咱們來(lái)看下面這兩個(gè)電路。

首先是電路中常見(jiàn)的LED指示燈電路：

圖1

LED燈是電路工作狀態(tài)的重要指示之一，LED的亮滅、不同顏色可顯示電路當(dāng)前的狀態(tài)。在電路中，LED電路中通常會(huì)串聯(lián)一個(gè)電阻。那如果去掉這個(gè)電阻會(huì)怎么樣呢？

圖2

去掉電阻之后，看似堅(jiān)固的LED，居然直接冒煙燒掉了。

LED的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，標(biāo)明LED燈的正向電壓為1.6V-2.6V，正向電流可達(dá)25mA。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，電流可選10mA，正向電壓可選2V。

圖3

電路電源通常為3.3V、5V或者更高電壓，這個(gè)時(shí)候如果直接接入LED，LED必壞無(wú)疑呀。

串聯(lián)一個(gè)小小的電阻，就能解決了。比如5V的電源，LED正向電壓2V，電流10mA，那么電阻上需要分壓3V，所以計(jì)算可以得到電阻的阻值（5V-2V）/10mA=300Ω。只要將300Ω的電阻與LED串聯(lián)，就可以正常工作了。

另外一個(gè)電路是NE555延時(shí)開(kāi)關(guān)電路：

圖4

當(dāng)電路通電時(shí)，NE555的3腳輸出處于關(guān)閉狀態(tài)，NE555的7腳在內(nèi)部接地，因此電容C2完全放電。當(dāng)SW1被按下時(shí)，NE555的2腳被接地，由于NE555的2腳電壓小于VCC的1/3，3腳輸出開(kāi)啟，LED亮了，NE555的7腳在內(nèi)部和GND斷開(kāi)了，不再接地。同時(shí)電容C2通過(guò)電阻VR1開(kāi)始充電。NE555的6腳連接電容正極，當(dāng)電容充電到VCC的2/3時(shí)，就會(huì)關(guān)閉3腳的輸出，LED滅，NE555的7腳在內(nèi)部重新連接到GND，電容開(kāi)始放電，直到電壓歸0。

每次按下按鈕開(kāi)關(guān)時(shí)，重復(fù)上述步驟，C2電容從0V充電到2/3VCC的這段時(shí)間, 就是延遲斷電時(shí)間。

重點(diǎn)來(lái)了，當(dāng)電容C2的值一定時(shí)，通過(guò)改變VR1的阻值，就可以修改延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)間。比如調(diào)大VR1的阻值，充電電流就會(huì)變小，那么電容C2充電到VCC的2/3的時(shí)間就會(huì)拉長(zhǎng)，那么LED燈亮起的時(shí)間也會(huì)拉長(zhǎng)。

圖5

03盤點(diǎn)電阻的作用

上面的LED電路中，電阻的作用是極基本的分壓限流，而在NE555延時(shí)開(kāi)關(guān)電路中，電阻可以調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)。電阻的作用遠(yuǎn)不止這兩個(gè)，下面就盤點(diǎn)幾種電阻常見(jiàn)的作用。

1）阻抗匹配和終端匹配

在一些電子產(chǎn)品中，比如單片機(jī)的I/O口會(huì)串接一個(gè)22Ω或33Ω的電阻到線路末端，很多小伙伴不理解，為什么要串一個(gè)這么小阻值的電阻？

圖6

這是因?yàn)樵?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，在PCB設(shè)計(jì)中，單端線路的阻抗通常會(huì)控制在50Ω，而單片機(jī)的IO口作為輸出時(shí)，本質(zhì)是控制內(nèi)部的晶體管導(dǎo)通與關(guān)斷，晶體管是有導(dǎo)通電阻的，這個(gè)也就是IO口的輸出內(nèi)阻，通常是10Ω到30Ω。

圖7

為了驗(yàn)證是否存在這個(gè)輸出電阻，我們通過(guò)內(nèi)阻儀實(shí)測(cè)了STM32的單片機(jī)IO口內(nèi)阻，確實(shí)在這個(gè)范圍內(nèi)。

圖8

串聯(lián)一個(gè)22Ω或33Ω的電阻，這樣串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)端輸出阻抗的總和近似50Ω，達(dá)到阻抗匹配的效果，同時(shí)，可以消除線路中的信號(hào)二次反射，提高信號(hào)傳輸效率。

而在485通訊和CAN通訊中，可以看到在信號(hào)傳輸側(cè)會(huì)并聯(lián)一個(gè)120Ω的電阻，這是電阻的終端匹配作用。

圖9

根據(jù)傳輸線理論，信號(hào)在電纜中傳播時(shí)，若末端阻抗與電纜特性阻抗不匹配，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射。反射波與原信號(hào)疊加會(huì)引發(fā)波形畸變，如振鈴現(xiàn)象，增加誤碼率。所以CAN總線和RS485總線在末端并聯(lián)120Ω電阻的核心原因是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而消除信號(hào)反射、確保信號(hào)完整性。

2）特殊傳感器

電阻本身雖不是傳統(tǒng)意義上的傳感器，但某些特殊類型的電阻能通過(guò)自身電阻值隨外界物理量的變化而改變，間接實(shí)現(xiàn)“傳感”功能。這類電阻利用材料的物理特性將非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電阻變化），成為電路中的“特殊傳感器”。

比如熱敏電阻，電阻值會(huì)隨著溫度變化而變化，在電路中可以作為溫度傳感器使用；光敏電阻的電阻值會(huì)隨著光線強(qiáng)度而變化，在自動(dòng)路燈控制電路中，就可以使用它作為光照傳感器使用；還有壓敏電阻、氣敏電阻等等。

3）熱效應(yīng)利用

電阻還可將電能轉(zhuǎn)化為熱能，用于加熱元件，簡(jiǎn)稱熱效應(yīng)利用。家里使用的電陶爐、電熱毯、電熱水器都是利用電阻的熱效應(yīng)，還有我們工程師用的電烙鐵和加熱臺(tái)等焊接工具，在設(shè)計(jì)電熱器的時(shí)候需要注意額定功率是P=I2R，實(shí)際功率是P=UI。

4）電路調(diào)試與測(cè)試

有些電路設(shè)計(jì)可能包含很多模塊或功能選擇，就會(huì)在設(shè)計(jì)電路時(shí)保留電阻跳接位置，通過(guò)焊接不同位置的電阻，來(lái)選擇不同的模塊或模式參數(shù)，這個(gè)時(shí)候的跳接電阻就是一個(gè)可斷測(cè)試點(diǎn)，便于硬件調(diào)試。比如下圖中的兩個(gè)電阻，在調(diào)試階段方便調(diào)試，在批量的時(shí)候就可以去掉。

圖10

這里只是分享了電阻的部分常用的使用方法。作為基礎(chǔ)器件，電路各個(gè)部分都有電阻的身影，大家不妨打開(kāi)手邊電路圖，分析一下電阻的作用。

文末，雖然電阻很簡(jiǎn)單，但還是有幾點(diǎn)注意事項(xiàng)再和大家強(qiáng)調(diào)一下：

1）在選擇電阻時(shí)，除了阻值，功率也是要注意的，電阻的額定功率需要大于實(shí)際功耗，避免過(guò)熱燒毀。

2）在精密電路中，選擇電阻時(shí)，需要注意電阻是否是高精度、低溫漂的電阻。

3）在高頻電路中，電阻的寄生電感和電容是不能忽視的。