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3.9 元器件插曲之六：电阻
电阻是最基础的电子元器件，任何电子设备中都能找到电阻的应用。在中学物理时所接触的欧姆定律就是用来描述电阻、电压、电流之间的关系的。在单片机系统中，电阻自然也是一个使用频率很高的器件，它在分压、限流中经常用到。
电阻器（resistor，电路符号
），简称电阻，是一种两端电子器件，当电流流过时，其两端的电压与电流成正比。
任何材料都会对流经的电流产生一定的“阻力”，这种阻碍电流的作用叫阻抗，电阻就是利用材料的这一特性制作出来的。电阻是电路中使用得最多的器件，由于电流流经它时会在其两端形成不同的电压，于是可利用电阻改变电路节点的电压。
欧姆（Ohm）是电阻阻值的单位，用来描述电阻阻值的大小。通常用希腊字母Ω（欧）来表示。比Ω更大的阻值单位有kΩ（千欧）和MΩ（兆欧）。以下是它们之间的换算关系。
拿到一支电阻，我们会看到电阻的表面有五颜六色的色环，这不是出于美观而设计的，它标示着电阻的阻值。如图3-31所示为常用的5（色）环电阻及颜色所代表的数值。5（色）环电阻使用前4个色环标示电阻的阻值，第5个色环标示电阻的允许误差。
图3-31 5（色）环电阻的色环含义
比如有如图3-32所示的5（色）环电阻，其色环颜色依次为：红、黑、黑、棕、金。那么它的阻值应该如何计算呢？对照图3-32的颜色对应数值关系表：第1环红色代表数值2；第2环和第3环都是黑色代表数值0；第4环棕色代表的是×10（倍数）。所以图3-32所示电阻的阻值为前3环代表的数值200乘以倍数10，单位是Ω，结果是2000Ω，即2 kΩ。另外，第5环金色代表的允许误差是±5%，于是该电阻的准确读数是：2kΩ，误差±5%。±5%的误差说明该2kΩ电阻的阻值与标称值有±5%的偏差，即在1.9～2.1 kΩ范围之内都是允许的。
图3-32 5（色）环电阻阻值
除了使用图3-31中色环与数值关系表判断电阻阻值外，还可以用万用表直接测量电阻两端，直接得到阻值的读数。
在电路设计选择电阻时应该知道阻值是不可任意选定的，比如标称值为122Ω的电阻就不存在。原因是在大部分电路中并不要求极其精确的电阻值，于是为了便于工业上大量生产和使用者在一定范围内选用，EIA（美国电子工业联盟，Electronic Industries Alliance）规定了若干系列的阻值取值基准，其中以E12基准和E24基准最为常用。
E12（允许误差±10%）基准中电阻阻值为1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2乘以10、100、1000……所得到的数值。
E24（允许误差±5%）基准中电阻阻值为1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1乘以10、100、1000……所得到的数值。
E24基准显然提供更精确、阻值更多的选择。拿基准值1.0为例，电阻的阻值就有1.0Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ、10MΩ等供选择。再比如基准值4.7，电阻的阻值就有4.7Ω、47Ω、470Ω、4.7kΩ、47kΩ、470kΩ、4.7MΩ、47MΩ等供选择。在E24基准外还有一些特殊的电阻阻值供选择，这些器件价格往往较高。
除了阻值之外，电阻的功率也是常常需要考虑的。电路设计时需要明确电阻在电路中会获得多大的实际功率，从而选择一个额定功率比这个实际功率还要大的电阻。电阻的额定功率一般有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W等几种，如果电阻功率大于1/4W，应该在电路图中按照如图3-33所示的大功率电阻电路符号标明，否则很容易让自己或他人因误用电阻而导致事故的发生。如果电路中使用的是电阻的一般符号
，则可使用额定功率为1/16W、1/8W、1/4W的电阻。
图3-33 标有额定功率值的电阻电路符号
一般来说，电阻的功率越大，体积也就越大，价格也就越高。1/8W金属膜电阻的市场价格约为0.01元/支（MΩ级的电阻价格稍高），而1W的电阻则为0.05元/支。通常3W以上的电阻，由于体积较大，其表面可以直接印上阻值和功率，而不再使用色环作为阻值标记。如图3-34所示为阻值为3.3Ω（误差±5%）、功率为5W电阻。
电阻还按制作材料和结构等特征，分成了绕线电阻、非绕线电阻、敏感电阻等几种。
绕线电阻（wire-wound）是用电阻丝在绝缘的骨架上绕制而成的。电阻丝一般采用具有一定电阻率的镍铬、锰铜等合金制成。绝缘骨架则是由陶瓷、塑料等材料制成，有管形、扁形等各种形状，如图3-35所示。这种电阻误差小（精度高）、稳定性高、体积大，一般在大功率场合中考虑使用。
非绕线电阻包括了我们常用的碳膜电阻（carbon film）和金属膜电阻（metal film）。此外，还有金属氧化膜电阻（metal oxide）、金属玻璃釉电阻（metal glaze）、厚膜电阻（thick film）、薄膜电阻（thin film）等。实际应用中，如果电路没有特别说明，我们一般都采用1/8W或1/4W的金属膜电阻。金属膜电阻的精度高、成本低，使得它在现代电子电路中应用最为广泛。
还有一类电阻，其阻值会随着环境中的某一物理参数（如温度、湿度、压力、光强等）变化而改变。如光敏电阻，其阻值随着光线的强度变化而改变；再如热敏电阻，其阻值随着温度的变化而改变等。
图3-34 大功率电阻
图3-35 绕线电阻
今天，随时各种便携电子产品，如手机、MP3、数码相机等的普及，贴片电子器件（SMD）需求直线增长。电子产品中往往使用帖片式电子器件来节省电路板空间。常用的贴片器件有贴片电阻（SMD resistor，见图3-36）、贴片电容（SMD capacitor）、贴片晶体管（SMD transistor）、贴片集成电路（SMD IC）等，各种贴片器件只是个头较小，其功能与一般直插式是相同的。
电阻常常在单片机系统中实现分压、限流、上拉等作用。分压，顾名思义就是分担电压。假如有如图3-37所示的电路，电阻R1、R2串联，电流
I
从3V电源正极流出，从A点流向P点，继而流向B点后回到电源负极。接地符号（
）定义电源负极（也就是节点B）为电势零点，于是B点电压
V
B
=0V。因电源为3V，得A点电压
V
A
=3V。根据欧姆定律，可计算电路的干路电流
，则P点电压
V
P
=
I
·
R
2=1mA×2kΩ=2V。
P点电压为2V，小于电源电压，这是通过电阻R1和R2组成的分压器实现的。这说明电阻可以在电路中通过分压作用产生电路节点所需的电压值。
电阻的另一个角色是限流，顾名思义就是限制电流。如图3-38所示，由于单片机系统常常使用+5V电源，而发光二极管D1只需要2V左右的电压就可以被点亮，点亮时电流约为15mA。如果在发光二极管D1两端直接加+5V电压将有可能烧毁它。于是我们常常串联一个限流电阻R1。
图3-36 贴片电阻
图3-37 分压器
假设发光二极管工作电流为15mA，正常工作时两端的压降 V F =2V，所以电阻R1上应该分担的电压为3V。于是得电阻R1的阻值为： R 1=3V/15mA=200Ω。
除了分压、限流作用之外，电阻还常常作为上拉电阻存在于开集电极输出的电路中。如图3-40所示，三极管Q1的集电极作为非门输出端，如果没有上拉电阻R1，无论IC输出是高电平或低电平，也就是无论三极管Q1的基极是高电平或低电平，它都因为集电极没有电压而不工作。如果Q1不工作，其集电极输出就像开路一样，没有什么状态可言。这个像“开路一样”就是“开集电极输出”的由来。
图3-38 电阻的限流
图3-39 开集电极输出和上拉电阻
当上拉电阻R1接到开集电极输出和+5V上时情况就不同了，三极管Q1的集电极获得偏置电压，当IC输入为高电平时Q1导通，输出 V out 为低电平；当IC输入为低电平时Q1截止，输出 V out 因电阻R1的上拉呈高电平。