电阻的意义是什么?

原创 Keysight射频测试资料分 2025-02-06 06:53

“电阻”是电子电路中的一个重要元件。通常情况下,电阻用来限流或者隔离, 例如保护LED, 例如运放的输入保护, 试电笔的保护电阻。通常情况下,电阻用来限流或者隔离, 例如保护LED, 例如运放的输入保护, 试电笔的保护电阻。

电阻基本概念

  • 电阻是某种材料所固有的,在一定程度上阻碍电流通过,并将所消耗的电能转化为热能的一种物理性质。电阻单位是欧姆。

  • 电阻器是在电路中起电阻性能的电子元件。

  • 电阻值是衡量某种该材料物体电阻性能大小的一个物理量。

什么是欧姆定律?欧姆定律三个公式?

欧姆定律(Ohm's law)是指在同一电路中,通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。通过电流表测量电流,象限电位表测量电位差,则依据测量结果,导体的电流强度与电位差成正比。

1.欧姆定律的基本公式:I = U/R
这个公式表示电流(I)等于电压(U)除以电阻(R)。它是欧姆定律的核心,揭示了电流与电压和电阻之间的直接比例关系。在已知电压和电阻的情况下,可以通过此公式计算电流大小。

2.电压公式:U = IR
这个公式表示电压等于电流乘以电阻。它揭示了电压与电流和电阻之间的乘积关系。在已知电流和电阻的情况下,可以通过此公式计算电压值。

3.电阻公式:R = U/I
这个公式表示电阻等于电压除以电流。我们可以简单的理解电阻是电压对电流的变化率。它揭示了电阻与电压和电流之间的反比例关系。在已知电压和电流的情况下,可以通过此公式计算电阻值。

电动机电阻是指电动机中的电阻器,它可以控制电流的流动和电动机的转速。电动机电阻的大小取决于电动机的类型、功率和设计。电动机电阻对电动机的性能有很大的影响。电动机电阻的增加会导致电动机的效率下降,因为电流会消耗在电阻上而不是用于推动电动机转动。此外,电动机电阻的变化还会导致电动机的转速和扭矩发生变化。

纯电阻电路和非纯电阻电路的区别

纯电阻电路是什么意思?

纯电阻电路就是在通电的状态下,只发热的电路,即通电状态下电能全部转化为电路电阻的内能,不对外做功。換句話的意思就是纯电阻电路是电流通过导体时,因导体的电阻把电能转化为热能的电路。

电吹风就是纯电阻用电器。电灯,电烙铁,熨斗等等,他们只是发热。它们都是纯电阻电路。纯电阻电路中只有电阻、电源、导线,电能不能转化为热能以外的能量形式。电能只转化为热能。而焦耳定律就是探究电流通过电阻产生的热量,与电流、电阻和时间的关系。所以热能的多少,我们可以通过计算电能得出,也可以用焦耳定律的公式,以及它们的推导公式,都可以算出产生热量的多少。

在我们的生活中,经常见到的如电风扇、微波炉等家用电器,电能不只是转化为热能。如电风扇的电动机主要是把电能转化为机械能,而微波炉电能转化热的方式不是通过电阻来实现的,所以它们都不是纯电阻电路。

非纯电阳电路其实是因为负载工作的时候产生了反向电动势,因而不能直接使用外接电源加在非纯电阻负载两端的电压除以电阻来计算电流。如果算进去反向电动势,实际上欧姆定律,焦耳定律也是能够使用的。

焦耳定律的公式

焦耳是能量和做功的国际单位(符号为J)。1焦耳能量相等于1牛顿力的作用点在力的方向上移动1米距离所做的功。

1焦=1牛·米,也等于1瓦的功率在1秒内所做的功,1焦=1瓦·秒。

焦耳定律定律内容:

电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,
跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律( Joule law)。

焦耳定律公式

焦耳定律可以用下面的公式表示

Q=I²Rt

Q—热量—焦耳(J)
R—电阻—欧姆(Ω)
I—电流—安掊(A)
t—时间—秒(s)

焦耳定律的适用范围
在纯电阻电路中,电流通过导体时,如果电能全部转化为热,而没有同时转化为其他形式的能量。那么,电流产生的热量Q就等于消耗的电能W=UIt, 即Q=W=UIt=I²Rt

电阻的定义

电阻器(Resistor),一般简称电阻,泛指所有用以产生电阻的电子或电机配件。电阻器的运作跟随欧姆定律,其电阻值定义为其电压与电流相除所得的商数。电阻是描述导体导电性能的物理量,用R表示。

电阻由导体两端的电压U与通过导体的电流I的比值来定义,即:当导体两端的电压一定时,电阻愈大,通过的电流就愈小;反之,电阻愈小,通过的电流就愈大。因此,电阻的大小可以用来衡量导体对电流阻碍作用的强弱,即导电性能的好坏。

我们还要分清电阻、阻抗、特性阻抗的区别

电阻(Resistance) - 这里所说的电阻不一定是指电阻器件,而是描述一个器件或材料对流过其中的电流的阻碍作用,其本质是不可逆的将电能转换为其它形式的能量。比如电热毯的发热丝将电能转为热能耗散出去,白炽灯将热能转换为热与光。这个过程的本质是在电压下运动的电子与材料原子碰撞并将能量传给原子,原子再以辐射或传导方式将能量耗散掉。

阻抗(Impedance) - 阻抗的定义就是瞬时的电压除以电流,跟电阻的定义很像,区别就是阻抗中除了阻性外还有电感(L)和电容(C)。

首先阻抗是一个矢量。通常,阻抗是指器件或电路对流经它的给定频率的交流电流的抵抗能力。它用矢量平面上的复数表示。一个阻抗矢量包括实部(电阻R)和虚部(电抗X)。如图1所示,阻抗在直角坐标系中用Z=R+jX表示。那么在极坐标系中,阻抗可以用幅度和相角表示。直角坐标系中的实部和虚部可以通过数学换算成极坐标系中的幅度和相位。

其次,要记住阻抗的单位是欧姆。另外,要思考一下我们所熟知的电阻(R)、电感(L)和电容(C)分别对应由于复阻抗平面中的位置。其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电所引起的阻碍作用总称为电抗。

图2 阻抗的公式

什么是导纳呢?

导纳(admittance)是电导和电纳的统称, 在电力电子学中导纳定义为阻抗(impedance)的倒数,符号Y,单位是西门子,简称西(S)。

图3 导纳的公式

为什么要有阻抗和导纳两种表述方式呢?

主要是为了非常简单的表述两种常用串连和并联连接方式。对于电阻和电抗串联连接时,采用阻抗的表述非常简单易用。但是对于电阻和电抗并联连接时,阻抗的表述非常复杂,这时候,采用导纳就非常简单易用了。

图4 阻抗和导纳的关系

阻抗同电感和电容的关系

电抗有两种形式——感抗(XL)和容抗(XC)。电感对应的是感抗,电容对应的是容抗。对于理想的电感和电容,它们分别和感抗、容抗之间满足正比和反比的关系。按照定义,

XL=2pfL=wL

XC= 1/2pfC=1/wC

f是交流信号的频率, L 是电感,C是电容。电感的单位时亨,电容的单位是法。w为角速度, w= 2pf。

图5 阻抗同电容/电感的关系

复数的实部代表耗散电能的电阻(Resistance),虚部代表储存电能的电抗(Reactance)。

为什么用复数,电阻代表对信号幅值的衰减,电抗代表对信号相位的改变。

因为电抗(电容、电感)是可逆的电场磁场能量形式的转换,而根据电磁场理论,这个转换过程是与电场或磁场的变化率相关的,体现在信号上就是信号的频率。即阻抗中的电抗部分是与频率相关的,下面是电阻部分、电容部分、电感部分的阻抗表达式:

如果将电感的阻抗Vs频率图也画在同一个阻抗图中,不难发现,电感的阻抗随频率增加而增加,电容的阻抗随频率的增加而减小。即便是理想的电感或电容,它们的阻抗也随入射交流信号的频率不同而改变。

特性阻抗(Characteristic Impedance)- 特性阻抗不是个基础概念,而是应用于传输线的概念。在高速应用场景,信号传输线已经不能看作理想导线,不能忽略传输线上的一些寄生参数,如寄生电阻、寄生电容、寄生电感。特性阻抗就是一个综合传输线场景下这些参数的合成参数。

单位长度的传输线可以等效为以下模型:

该模型的阻抗表达式为:

理论上精确的特性阻抗是一个与频率相关的量。而在实际应用中,传输线的电阻部分,即耗散能量的部分往往可以忽略不计,即上式中的R和G为0。近似为无损传输线。对于无损传输线,阻抗表达式可以表示为:

这也就是我们常说的PCB走线控制50ohm,同轴线阻抗50ohm或75ohm所说的阻抗。这个阻抗在不精确的要求下,是与频率不相关的。

阻抗是基础概念,描述的是一个电路或器件,加上特定的电压,电流会是什么样子。阻抗包含阻性、容性与感性。阻性描述耗散电能,容性与感性描述储存电能。阻抗与频率相关。
电阻是阻抗在电抗部分为0时的特例。电阻与频率无关。
特性阻抗是描述传输线的单位长度阻抗的参数,对于无损传输线,阻抗与频率无关。

电阻测量方法

电阻测量是针对材料、电子器件和电路的基本测试之一。

直流情况下,电阻R按伏安特性定义,即

R=U/I

其中U 为电阻两端的电压,I 为流过电阻的电流。

记住,这个公式只有在纯电阻电路中才能用。带电机、电风扇、电泵、电塔、电解槽的电路都不是纯电阻电路。

交流情况下,电阻R 按功率P 来定义,即

R=P/I2

在我们的日常工作中检修电气设备时,往往要测量设备、元件和线路的电阻值。我们把阻值在1Ω以下的电阻称为小电阻,阻值在1Ω~100Ω之间的电阻称为中值电阻,阻值在100Ω以上的电阻称为大电阻。

由于被测电阻的阻值的不同,因而有不同的测量方法。尽管世界上有多种多样的电阻测量方法,但我们更倾向于使用简单方便的数字万用表DMM)。初看起来,电阻测量非常简单和易于操作,似乎只要按照欧姆定律采集并测量电压或电流即可。然而事实上,各种误差源的存在会妨碍我们进行精确的电阻测量。与此同时,电阻范围的不相同也会导致测量结果存在差异。

因此,要获得可靠的测量结果,根据被测器件(DUT)的具体特性选择合适的仪器至关重要。

多功能电阻测量解决方案

方便易用的数字万用表 DMM 是很常用的电阻测量工具。数字万用表 DMM测量的参数包括电压(V), 电流(I), 电阻(R)等更多参数。

数字万用表 DMM


是德科技数字万用表(DMM)——高性能,三位半到八位半分辨率。数字万用表测试速度高达 100,000 读数/秒。

是德科技提供有各种 DMM,如手持式和台式仪表。这使您能够针对自己的测量要求和使用环境来选择最适合的型号。

大多数DMM 只支持自动电阻测量模式,每个量程上的测试电流基本上是固定的。手持式 DMM 通常仅支持 2 线连接,而大多数台式DMM 可以支持 2 线和 4 线连接。是德科技还提供Keysight B2900A 精密电源/测量单元(SMU),带来一种通用的电阻测量解决方案,支持 10 fA 到 3 A(直流)/10.5 A(脉冲)的电流范围和 100 nV 到 210 V 电压范围。

SMU兼具电流源、电压源、电流计和电压计功能,这些功能可在单台仪器内轻松切换。这样,您无需任何额外设备即可评估电流-电压(IV)特性,包括器件的电阻。

万用表提供两种电阻测量:2线和 4线电阻测量。在这两种电阻测量方法中,测试电流都从输入高端子流向被测电阻。对于 2线制电阻,所测量电阻器上的电压将被内部感应到万用表。因此,测试引线中的电阻也被测量。对于 4线制电阻,需要使用独立“感应”连接。由于没有电流流过感应引线,这些引线中的电阻不会造成测量误差。

两线法测电阻

1.两线法连线简单

2.采用归零方法(Math Null)可以消除引线电阻影响


四线法测电阻

四线法测电阻的特點是两组引线分别用于电流回路和电压测量。

四线法测电阻

使用四线法测量小电阻获得的结果最精确,此电阻测量方法可以降低测试引线和触点电阻。

四线法电阻测量方法通常用于在万用表和被测设备之间存在阻抗和/或长电缆、大量的连接或开关的情况下进行自动化测试。

四线电阻测量接线如图所示

四线电阻测量去除测试引线电阻误差

要消除 2线电阻测量中存在的与测试引线电阻相关的偏移误差,请按照这些步骤进行操作:

将测试引线两端短接在一起,然后对所显示的测试引线电阻读数。

按 Null。万用表将测试引线电阻保存为 2 线电阻归零值,并从以后的测量结果中减去该值。

如何将功耗影响降到最低?

当测量用于温度测量的电阻器(或具有大温度系数的电阻设备)时请注意,万用表会在被测设备上耗散一定的功率。

如果功耗对测量有很大影响,您应选择万用表的下一个更高的测量量程以将误差降低到可接受的水平。下表给出了几个实例。


偏置补偿法测电阻

当偏置补偿功能启动时,数字万用表首先进行一次正常的电阻测试,然后再进行一次偏置电压测试用于确定电路中的偏置电压值。通过这个值修正最终的测量结果并显示出来。开启偏置补偿功能将延长测试时间。

低电阻测量解决方案

Keysight 34420A 7 ½ 数字纳伏表/微欧表是一款高灵敏度万用表,专为实现低电平测量进行了优化。它将低噪声电压测量与电阻和温度函数相结合,建立了低电平灵活度和高性能的新标准。它支持 1 欧姆到 1 兆欧的电阻测量范围。

数字纳伏表/微欧表

高电阻测量解决方案

在对旋转机器、线缆、开关、变压器和电力机械的预防性维护计划中,绝缘电阻测试通常是电气测试环节中的一部分,而在这些测试中,绝缘完整性是一项必然要求。预防性维护计划中的绝缘电阻测试有助于识别潜在的电气问题,从而减少不可预测的和过早的设备维修和更换成本。

高电阻测量中的误差

当您测量较大电阻时,可能会由于绝缘体的电阻以及表面的干净程度而产生重大误差。您应采取必要的预防措施,以维持一个“干净的”高电阻系统。

如果绝缘材料或“不洁”表面薄膜中吸收了水气,则测试引线和夹具容易泄露。与 PTFE绝缘体 (1013 Ω) 相比,尼龙和聚氯乙烯绝缘体相对较差 (109 Ω)。在潮湿环境下测量 1 MΩ 电阻时,由尼龙或聚氯乙烯绝缘体所导致的泄露很容易产生 0.1% 的误差。

请下载此应用指南,了解更多知识: 电阻测量方案 

电阻测量是针对材料、电子器件和电路的基本测试之一。尽管世界上有多种多样的电阻测量方法,但我们更倾向于使用简单方便的数字万用表DMM)。初看起来,电阻测量非常简单和易于操作,似乎只要按照欧姆定律采集并测量电压或电流即可。然而事实上,各种误差源的存在会妨碍我们进行精确的电阻测量。与此同时,电阻范围的不相同也会导致测量结果存在差异。因此,要获得可靠的测量结果,根据被测器件(DUT)的具体特性选择合适的仪器至关重要。

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