根本就没有所谓的简单元器件 – 以电阻器为例

在任何电气工程课程中，学生首先要学习与无源元器件（电阻器、电容器和电感器）相关的基本定律，通常从欧姆定律开始（电压等于电流乘以电阻，或 V = I × R）。除了各种等式，还会提供原理图及其北美标准表示法（图 1）。（世界其他地区使用不同的符号，但下次会进行相关介绍。）

图 1：这张原理图展示了三种基础无源元器件（电阻器、电容器和电感器），但未给出每种元器件在具体应用中的细微差别。（图片来源：Solved Problems）

看着代表电阻器的锯齿线并了解其作用后，您可能会想“还有什么比这更简单的么？”电阻器主要由电阻值（以欧姆为单位）以及其他一些可能的参数来定义，比如额定功率，这就是学生们看到的全部内容。即使是在动手实践活动中，所有的项目几乎都是低功率和低电压，因此其电阻器采用两种形式之一：“引线式”（也称为“通孔式”）电阻器，便于制作试验板。Stackpole Electronics 的 RC14KT100K 就是这种器件的一个实例（图 2）。

图 2：这种引线式电阻器易于抓取并在试验板上使用。（图片来源：Stackpole Electronics）

另一种形式是基础“芯片”式表面贴装设器件 (SMD) 封装，比如 Bourns 的 CR1206-JW-104ELF（图 3）。这个 SMD 器件虽然位于印刷电路板最表层，但更难抓取或探测。

图 3：这种小很多的表面贴装器件就是一个片式电阻器，与通孔版本具有相同的电阻值，但在用手抓取和探测方面更具挑战性。（图片来源：Bourns Inc.）

接下来，这个工程专业的学生参加工作了，遇到了各种真实电路，可能还要帮助填写物料清单 (BOM)。现实来的就是这么猛烈。

为什么这样说？如果在 DigiKey 的搜索框中输入“电阻器”这个基本搜索词，将会获得五大类固定值电阻器：

• 片式电阻器 - 表面贴装
• 通孔式电阻器
• 底座安装电阻器
• 电阻器网络，阵列
• 特种电阻器

这只是开始：如果深入查询，就会发现更多细项。例如，“特种电阻器”下包括用于电流检测的高功率、低电感、毫欧级电阻器，还有功率容量出色的高电感绕线式电阻器（数万欧姆）。

选择合适的电阻器

哪种电阻器更适合项目呢？有时很容易作出决定。如果是一个采用标准印刷电路板的低功耗、低电压的基本设计，那可能要从片式电阻器开始。即便如此，仍有一些问题需要考虑：

• 可接受的初始公差是多少：±20%、±1%，还是介于两者之间的数值？
• 当 I²R 功率耗散超过一个小数值，比如低于 1 瓦，会发生什么？
• 电阻温度系数 (TCR) 呢？它可以高达每摄氏度 1000 ppm，也可以低至几个 ppm/℃？
• 自电感呢？自电感在直流电路中可能不是问题，但在工作频率为几十或几百千赫兹甚至更高的电路中，却是一个很大的问题。
• 是否应该使用单个电阻器或是可节省空间并追踪温度系数的电阻阵列，但可能需要更复杂的印刷电路板走线？

此外，还有一些关于可靠性、稳健性和应力的微妙问题：

• 在正常或个别非正常使用中，这个电阻器会面临怎样的内部和外部工作条件呢？
• 电阻器是否将用于汽车应用，且必须满足 AEC-Q200 规范“无源元器件应力测试鉴定”¹？如果是，其五个温度等级（0 到 4）哪个合适？
• 许多与军事有关的可靠性标准如何？例如“与可靠性有关的军事指令、手册和标准”² 中所提到的标准呢？

许多大型公司都有称为“元器件工程师”的专家，他们擅长评估应用中所选元器件的适合性，而不仅仅是直接顶格使用。通常，这些工程师得不到足够的尊重，因为他们不参与设计和调试的“创造性”部分。不过，如果在早期设计阶段没有同他们沟通，后面您可能会很后悔。他们可能通过以下问题提醒您有那些潜在陷阱：“产品在现场使用时，将会受到（选择一个或多个）极端温度、湿度、振动、盐雾、ESD、EMI/RF……的影响，您考虑过这些吗？”这样的例子不胜枚举。

例如，KOA Speer Electronics 的 RK73-RT 系列扁平片式电阻器（图 4）。这些产品不仅满足 AEC-Q200 标准，还因采用高抗硫化内顶电极材料而提供抗硫化特性；金属釉膜厚，耐热性、耐候性极佳；三层电极结构，稳定性好、可靠性高（图 5）。请注意，这种电阻器并非“少见”：由于其 AEC-Q200 等级和其他因素，因此需求量很大。

图 4：KOA Speer Electronics 的 RK73-RT 系列扁平片式电阻器可能看起来像常规片式电阻器，但其满足 AEC-Q200 标准，且具备抵抗环境危害的能力。（图片来源：KOA Speer Electronics）

图 5：KOA Speer Electronics 的 RK73-RT 系列电阻器性能是通过材料、设计和制造技术共同实现的。（图片来源：KOA Speer Electronics）

人们很容易因为无知和自大而过于简化元器件的选型。几年前，我在一家制造大型材料测试系统的公司工作，这些系统涉及重要的机械设计方面。一位资深机械工程师 (ME) 表达了对其中一根结构梁长期存在的潜在问题的担忧。对此，我们的一位电气工程师 (EE) 打趣道：“这有什么大不了的？找个铝型材来支撑一下不就好了。”ME 去他办公室拿来一本厚厚的书，上面列出每个工业标准的铝型材，及其外形、拉伸强度、脆性、耐腐蚀性和其他因素。他把书仍在桌上，对 EE 说：“来吧！如果真这么简单，你选一个就行了。”

结语

这个教训很明显：每个“看似简单”的元器件（即便是基础电阻器）背后都有很多因素要考虑。对于某些设计来说，在公差、功率、尺寸和工作条件方面的关键规格要求相对适度，使用基础型普通的电阻器应该就足够了。但如果不属于这种情况，在评估时就需要考虑许多二、三级的规格，因为可能是设计的重要影响因素，选择不当会破坏设计，甚至在现场使用时造成故障。

这个问题只能靠多学习、多培训来解决了。网上搜索一下，就会找到很多关于这些主题的文章和应用说明。厂家应用说明也是有价值的资源，虽然有些人可能会对厂家的宣传有偏见，但优秀的工程师应该能够对厂家的说明进行分类，并从中提取出有用的内容。分销商应用工程师也是非常好的资源，因为他们有全局观念，角度全面，并且具备与不同客户群打交道的工作经验。多看、多问、多听，相信您定能避免出现这些问题。

参考资料：

1 – http://www.aecouncil.com/Documents/AEC_Q200_Rev_D_Base_Document.pdf

2 – https://www.weibull.com/knowledge/milhdbk.htm