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沒有簡單的被動元件 – 以電阻為例

作者： Bill Schweber 2021-03-09

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任何一門電機工程課程，都會先教學生認識電阻、電容和電感等被動元件的基本定律，而且通常從歐姆定律開始 (電壓等於電流乘以電阻；V = I × R)。除了方程式，也會提供線路圖及其北美標準表示法 (圖 1)。(世界其他地區使用不同的符號，但容後再介紹。)

圖 1：此線路圖顯示三種基本被動元件 (電阻、電容、電感)，但未顯示各元件在特定應用的細微之處。(圖片來源：Solved Problems)

圖中的鋸齒線代表電阻。看著這條線並瞭解其作用時，您可能會想：「還有什麼比這更簡單？」電阻主要是由電阻值所定義 (單位為歐姆)，也許還包括額定功率等其他幾個參數，而這就是學生所見的全部內容。即使在實際動手操作的實驗室裡，幾乎所有專案的功率和電壓都很低，因此電阻採用兩種形式之一，即「引線式」(又稱為「通孔式」)，便於製作試驗電路板。Stackpole Electronics 的 RC14KT100K 是此類元件的範例之一 (圖 2)。

圖 2：這種引線式電阻很容易處理，便於在試驗電路板上使用。(圖片來源：Stackpole Electronics)

另一種形式為基本「晶片」表面黏著元件 (SMD) 封裝，例如 Bourns 的 CR1206-JW-104ELF (圖 3)。表面黏著元件雖然位於電路板最上方，但處理或探測的難度高出許多。

圖 3：表面黏著元件體積小很多，是一種晶片電阻，其電阻值和通孔式電阻相同，但徒手處理和探測的難度高出許多。(圖片來源：Bourns Inc.)

工程系學生在找到工作後，會面對各種真實電路，可能還必須協助填寫物料清單 (BOM)。這就是真正困難的地方了。

為什麼呢？如果在 DigiKey 的搜尋方塊中輸入「電阻」這個基本搜尋詞，即會出現五大類固定值電阻：

這只是初步分類，深入探索還會發現有更多細項。例如，「專用電阻」範疇包括用於電流感測的高功率、低電感、毫歐姆級電阻，以及高電感、電阻值數十 kΩ 的功率處理型繞線電阻。

挑選合適的電阻

哪一款電阻「最適合」專案呢？有時這很容易判斷。如果是採用標準電路板的低功率、低電壓基本設計，晶片電阻可能是首選。即使如此，還是要考量一些問題：

可接受的初始容差為何？±20%、±1%，還是介於這兩者？
當 I²R 功率耗散量超過某個低於 1 W 的較小數值時，會怎麼樣？
電阻溫度係數 (TCR) 呢？此係數最高可達 1000 ppm/⁰C，最低可達幾 ppm/⁰C。
自感呢？自感在 DC 電路中也許不是個問題，但在工作頻率為數十或數百 kHz 以及更高的電路中，卻是個很大的問題。
是否應該使用個別的電阻，或是能節省空間和追蹤溫度係數的電阻陣列，但可能需要更複雜的電路板走線佈線呢？

此外，還有可靠性、耐用性和應力這些微妙的問題：

在一般正常或有時可能異常的使用情況下，此電阻會面臨哪些內外部工作條件？
電阻是否將用於汽車應用，必須符合 AEC-Q200 規格「被動元件應力測試鑑定」¹？若是如此，應是五個溫度級別 (0 至 4) 的哪一種？
許多與軍事有關的可靠性標準呢？例如「與可靠性有關的軍事指令、手冊及標準」中所規範的標準²。

許多大型公司都有「元件工程師」這類專業人才，其專業在於評估將所選元件用於應用的適宜性，而不只是頂級規格而已。通常，這些工程師並未獲得許多尊敬，因為他們並未參與設計及除錯的「創意」部分。不過，設計期間如果不及早和他們合作，您可能會很後悔。他們能提醒您可能的陷阱，像是「是否有針對產品的現場使用，考慮某些因素；例如極端溫度、濕度、振動、鹽霧、ESD、EMI/RF 等其中一或多項因素」等等。

舉例而言，KOA Speer Electronics 推出 RK73-RT 系列扁平晶片電阻 (圖 4)。此系列不僅符合 AEC-Q200 標準，還因採用高抗硫化內頂電極材料，可提供抗硫化特性；具有厚金屬釉膜，因此耐熱性與耐天候性極佳；並採用三層電極結構，十分穩定可靠 (圖 5)。請注意，這不是個「特異」的電阻：由於其 AEC-Q200 額定值和其他因素，此電阻有高需求性。

圖 4：KOA Speer Electronics 的 RK73-RT 系列扁平晶片電阻可能看似一般的晶片電阻，但也符合 AEC-Q200 標準，並能防禦環境危害。(圖片來源：KOA Speer Electronics)

圖 5：材料、設計與製造技術，一同造就 KOA Speer Electronics 的 RK73-RT 系列電阻的效能表現。(圖片來源：KOA Speer Electronics)

人們容易因為無知，甚至些許的自負，而把元件的挑選看得太簡單。幾年前，我任職於一家製造大型材料測試系統的公司，這些系統涉及重大的機械設計層面。一位資深的機械工程師 (ME) 對其中一個結構樑中的某個潛在長期問題，表達了他的擔憂。其中一位電機工程師 (EE) 打趣地回了一句：「有什麼大不了？拿個鋁擠型件撐住就好了。」機械工程師到自己的辦公室，拿了一本很厚的書，裡頭列了每個業界標準的鋁擠型件，及其外形、抗拉強度、脆性、抗腐蝕性和其他因素。他把書扔到桌上，向那位工程師說：「來呀！要是這麼簡單的話，你挑一個吧。」

結論

我們明顯學到一課，即便是「看似簡單」的元件，甚至是基本的電阻，背後都有許多事情需要考量。某些設計在容差、功率、尺寸和工作條件方面的關鍵規格要求較為少，使用相當普通的基本電阻應該就夠了。但除了那些案例之外，還有許多第二和第三層規格，可能會造成設計的評估成敗，甚或更糟的是，用於現場時可能會失敗。

要處理這個問題，接受相關教育是個不錯的起點。做些搜尋，即會找到許多有關這些主題的文章和應用說明。廠商應用說明也是個很重要的資源，雖然某些人可能較偏袒廠商的產品，但優秀的工程師應該能過濾各種說法，擷取出合理的訊息。經銷商應用工程師也是非常好的資源，因為他們視野廣闊，並提供大方向，以及和各種客戶群共事後所累積的經驗。掌握「停、問、看、聽」的原則，就有希望避免發生問題。