Điện trở là gì?

Điện trở (Resister) là một linh kiện điện tử thụ động hai cực, sử dụng điện trở như một phần tử mạch điện. Trong mạch điện tử, điện trở được sử dụng để giảm dòng điện, điều chỉnh mức tín hiệu, phân chia điện áp, phân cực các phần tử chủ động và kết thúc đường dây truyền tải, cùng nhiều ứng dụng khác.

Tính chất không lý tưởng

Điện trở thực tế có độ tự cảm nối tiếp và điện dung song song nhỏ; những thông số này có thể quan trọng trong các ứng dụng tần số cao. Mặc dù ngay cả điện trở lý tưởng cũng có nhiễu Johnson, một số điện trở có đặc tính nhiễu tệ hơn và do đó có thể là vấn đề đối với các bộ khuếch đại nhiễu thấp hoặc các thiết bị điện tử nhạy cảm khác.

Điện trở cố định

Bố trí chân dẫn

Các linh kiện xuyên lỗ thường có “chân dẫn” (phát âm là /liːdz/) rời khỏi thân linh kiện “theo trục”, tức là trên một đường thẳng song song với trục dài nhất của linh kiện. Một số linh kiện khác lại có chân dẫn tách khỏi thân linh kiện “theo hướng xuyên tâm”. Các linh kiện khác có thể sử dụng công nghệ SMT (công nghệ gắn bề mặt), trong khi các điện trở công suất cao có thể có một chân dẫn được thiết kế nằm trong bộ tản nhiệt.

Thành phần cacbon

Điện trở thành phần cacbon (CCR) bao gồm một phần tử điện trở hình trụ đặc, có dây dẫn nhúng hoặc nắp kim loại để gắn dây dẫn. Thân điện trở được bảo vệ bằng sơn hoặc nhựa. Điện trở thành phần cacbon đầu thế kỷ 20 có thân không cách điện; dây dẫn được quấn quanh các đầu của thanh điện trở và hàn lại. Điện trở hoàn chỉnh được sơn màu để mã hóa giá trị của nó.

Điện trở cọc carbon

Điện trở cọc carbon được tạo thành từ một chồng đĩa carbon được nén giữa hai tấm tiếp xúc kim loại. Việc điều chỉnh áp suất kẹp sẽ thay đổi điện trở giữa các tấm. Những điện trở này được sử dụng khi cần tải có thể điều chỉnh, chẳng hạn như trong thử nghiệm ắc quy ô tô hoặc máy phát vô tuyến. Điện trở cọc carbon cũng có thể được sử dụng làm bộ điều khiển tốc độ cho các động cơ nhỏ trong các thiết bị gia dụng (máy khâu, máy trộn cầm tay) với công suất lên đến vài trăm watt.

Điện trở cọc carbon có thể được tích hợp trong bộ điều chỉnh điện áp tự động cho máy phát điện, trong đó cọc carbon điều khiển dòng điện kích từ để duy trì điện áp tương đối ổn định. Nguyên lý này cũng được áp dụng trong micro carbon.

Màng carbon

Trong sản xuất điện trở màng carbon, một màng carbon được phủ lên một lớp nền cách điện, và một đường xoắn ốc được cắt trên đó để tạo ra một đường dẫn điện trở dài và hẹp. Hình dạng đa dạng, kết hợp với điện trở suất của carbon vô định hình (dao động từ 500 đến 800 μΩ m), có thể tạo ra một dải giá trị điện trở rộng.

Điện trở màng carbon có độ nhiễu thấp hơn so với điện trở thành phần carbon nhờ sự phân bố chính xác của than chì nguyên chất mà không bị liên kết.

Điện trở màng carbon có dải công suất định mức từ 0,125 W đến 5 W ở 70 °C. Điện trở có sẵn từ 1 ohm đến 10 megaohm. Điện trở màng carbon có dải nhiệt độ hoạt động từ -55 °C đến 155 °C. Nó có dải điện áp làm việc tối đa từ 200 đến 600 volt. Điện trở màng carbon đặc biệt được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định xung cao.

Điện trở carbon in

Điện trở thành phần carbon có thể được in trực tiếp lên đế mạch in (PCB) trong quy trình sản xuất PCB. Mặc dù kỹ thuật này phổ biến hơn trên các mô-đun PCB lai, nhưng nó cũng có thể được sử dụng trên PCB sợi thủy tinh tiêu chuẩn. Dung sai thường khá lớn và có thể lên đến 30%. Một ứng dụng điển hình là điện trở kéo lên không tới hạn.

Điện trở màng dày và màng mỏng

Điện trở màng dày trở nên phổ biến vào những năm 1970, và hầu hết các điện trở SMD (thiết bị gắn bề mặt) ngày nay đều thuộc loại này. Phần tử điện trở của màng dày dày hơn màng mỏng 1000 lần,[16] nhưng điểm khác biệt chính là cách màng được áp dụng vào trụ (điện trở trục) hoặc bề mặt (điện trở SMD).

Điện trở màng mỏng được chế tạo bằng cách phun (một phương pháp lắng đọng chân không) vật liệu điện trở lên một đế cách điện. Sau đó, màng được khắc theo cách tương tự như quy trình cũ (trừ) để chế tạo bảng mạch in; nghĩa là, bề mặt được phủ một vật liệu nhạy sáng, phủ một lớp màng hoa văn, chiếu tia cực tím, sau đó lớp phủ nhạy sáng được phơi sáng được phát triển và lớp màng mỏng bên dưới được khắc đi.

Màng kim loại

Một loại điện trở dẫn hướng trục phổ biến hiện nay là điện trở màng kim loại. Điện trở bề mặt không chì điện cực kim loại (MELF) thường sử dụng cùng công nghệ.

Điện trở màng kim loại thường được phủ niken crom (NiCr), nhưng cũng có thể được phủ bằng bất kỳ vật liệu gốm kim loại nào được liệt kê ở trên cho điện trở màng mỏng. Không giống như điện trở màng mỏng, vật liệu này có thể được áp dụng bằng các kỹ thuật khác ngoài phương pháp phún xạ (mặc dù đây là một kỹ thuật được sử dụng). Giá trị điện trở được xác định bằng cách cắt một đường xoắn ốc qua lớp phủ thay vì khắc, tương tự như cách chế tạo điện trở carbon. Kết quả là dung sai hợp lý (0,5%, 1% hoặc 2%) và hệ số nhiệt độ thường nằm trong khoảng từ 50 đến 100 ppm/K. Điện trở màng kim loại có đặc tính nhiễu tốt và độ phi tuyến tính thấp do hệ số điện áp thấp. Chúng cũng có lợi thế nhờ độ ổn định lâu dài.

Điện trở màng oxit kim loại

Điện trở màng oxit kim loại được làm từ oxit kim loại, cho nhiệt độ hoạt động cao hơn, độ ổn định và độ tin cậy cao hơn so với màng kim loại. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao.

Điện trở quấn dây

Điện trở quấn dây thường được chế tạo bằng cách quấn một sợi kim loại, thường là nicrom, quanh lõi gốm, nhựa hoặc sợi thủy tinh. Các đầu dây được hàn hoặc hàn vào hai nắp hoặc vòng, gắn chặt vào hai đầu lõi. Toàn bộ cụm dây được bảo vệ bằng một lớp sơn, nhựa đúc hoặc lớp phủ men nung ở nhiệt độ cao. Những điện trở này được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao bất thường lên đến 450 °C. Dây dẫn trong điện trở quấn dây công suất thấp thường có đường kính từ 0,6 đến 0,8 mm và được mạ thiếc để dễ hàn.

Điện trở lá kim loại

Năm 1960, Felix Zandman và Sidney J. Stein đã trình bày một phát triển về màng điện trở có độ ổn định rất cao.

Thành phần điện trở chính của điện trở lá là một lá hợp kim crom-niken dày vài micromet. Hợp kim crom-niken được đặc trưng bởi điện trở lớn (khoảng 58 lần so với đồng), hệ số nhiệt độ nhỏ và khả năng chống oxy hóa cao.

Ví dụ là Chromel A và Nichrome V, với thành phần điển hình là 80 Ni và 20 Cr, với nhiệt độ nóng chảy là 1420 °C. Khi thêm sắt, hợp kim crom-niken trở nên dẻo hơn. Nichrome và Chromel C là ví dụ về hợp kim chứa sắt. Thành phần điển hình của Nichrome là 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn và Chromel C, 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. Nhiệt độ nóng chảy của các hợp kim này lần lượt là 1350 °C và 1390 °C.

Điện trở shunt ampe kế

Điện trở shunt ampe kế là một loại điện trở cảm biến dòng điện đặc biệt, có bốn cực và giá trị tính bằng miliôm hoặc thậm chí microôm. Các thiết bị đo dòng điện, tự thân chúng, thường chỉ có thể đo được dòng điện giới hạn. Để đo dòng điện lớn, dòng điện đi qua shunt, qua đó điện áp rơi được đo và được hiểu là dòng điện. Một shunt điển hình bao gồm hai khối kim loại đặc, đôi khi bằng đồng thau, được gắn trên một đế cách điện.

Điện trở lưới

Trong các ứng dụng công nghiệp nặng, dòng điện cao, điện trở lưới là một mạng lưới lớn làm mát bằng đối lưu gồm các dải hợp kim kim loại dập được kết nối thành hàng giữa hai điện cực. Các điện trở cấp công nghiệp này có thể lớn bằng một tủ lạnh; một số thiết kế có thể chịu được dòng điện hơn 500 ampe, với dải điện trở mở rộng xuống dưới 0,04 ohm. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng như phanh động và phân tải cho đầu máy xe lửa và xe điện, nối đất trung tính cho phân phối điện xoay chiều công nghiệp, điều khiển tải cho cần cẩu và thiết bị hạng nặng, thử tải máy phát điện và lọc sóng hài cho trạm biến áp điện.

Thuật ngữ điện trở lưới đôi khi được sử dụng để mô tả bất kỳ loại điện trở nào được kết nối với lưới điều khiển của đèn điện tử chân không. Đây không phải là công nghệ điện trở; mà là một cấu trúc mạch điện tử.

Các loại đặc biệt

• Gốm kim loại
• Phenolic
• Tantalum
• Điện trở nước

Điện trở thay đổi được

Điện trở điều chỉnh được

Một điện trở có thể có một hoặc nhiều điểm điều chỉnh cố định, cho phép thay đổi điện trở bằng cách di chuyển dây kết nối đến các đầu nối khác nhau. Một số điện trở công suất quấn dây có điểm điều chỉnh có thể trượt dọc theo phần tử điện trở, cho phép sử dụng phần điện trở lớn hơn hoặc nhỏ hơn.

Khi cần điều chỉnh liên tục giá trị điện trở trong quá trình vận hành thiết bị, đầu điều chỉnh điện trở trượt có thể được kết nối với một núm vặn mà người vận hành có thể tiếp cận. Thiết bị này được gọi là biến trở và có hai đầu nối.

Biến trở

Biến trở (thường gọi là nồi) là một điện trở ba cực với điểm điều chỉnh liên tục, được điều khiển bằng cách xoay trục, núm vặn hoặc thanh trượt tuyến tính. Tên gọi biến trở xuất phát từ chức năng của nó như một bộ chia điện áp có thể điều chỉnh để tạo ra điện thế thay đổi tại cực được kết nối với điểm điều chỉnh. Điều khiển âm lượng trong thiết bị âm thanh là một ứng dụng phổ biến của biến trở.

Hộp thập phân điện trở

Hộp thập phân điện trở hoặc hộp thay thế điện trở là một thiết bị chứa các điện trở với nhiều giá trị, với một hoặc nhiều công tắc cơ học cho phép điều chỉnh bất kỳ điện trở riêng biệt nào trong hộp. Điện trở thường có độ chính xác đến cao, từ độ chính xác cấp phòng thí nghiệm/hiệu chuẩn là 20 phần triệu, đến cấp hiện trường là 1%.

Thiết bị đặc biệt

Có nhiều loại thiết bị có điện trở thay đổi theo các đại lượng khác nhau. Điện trở của nhiệt điện trở NTC thể hiện hệ số nhiệt độ âm mạnh, rất hữu ích cho việc đo nhiệt độ. Vì điện trở của chúng có thể lớn cho đến khi chúng được phép nóng lên do dòng điện chạy qua, chúng cũng thường được sử dụng để ngăn ngừa dòng điện tăng đột biến khi thiết bị được bật nguồn. Tương tự, điện trở của điện trở ẩm thay đổi theo độ ẩm. Một loại cảm biến quang, điện trở quang, có điện trở thay đổi theo cường độ chiếu sáng.

Tiêu chuẩn

Điện trở sản xuất

Đặc tính điện trở được định lượng và báo cáo bằng nhiều tiêu chuẩn quốc gia khác nhau. Tại Hoa Kỳ, MIL-STD-202 bao gồm các phương pháp thử nghiệm liên quan mà các tiêu chuẩn khác tham chiếu đến.

Có nhiều tiêu chuẩn khác nhau quy định các đặc tính của điện trở để sử dụng trong thiết bị:

• IEC 60062 (IEC 62) / DIN 40825 / BS 1852 / IS 8186 / JIS C 5062, v.v. (Mã màu điện trở, mã RKM, mã ngày)
• EIA RS-279 / DIN 41429 (Mã màu điện trở)
• IEC 60063 (IEC 63) / JIS C 5063 (Giá trị tiêu chuẩn dòng E)
• MIL-PRF-26
• MIL-PRF-39007 (Công suất cố định, độ tin cậy đã được thiết lập)
• MIL-PRF-55342 (Màng dày và mỏng gắn bề mặt)
• MIL-PRF-914

Tiêu chuẩn MIL-R-11 đã bị hủy bỏ

• MIL-R-39017 (Cố định, Mục đích chung, Độ tin cậy đã được thiết lập)
• MIL-PRF-32159 (không cầu nối ohm)
• UL 1412 (điện trở giới hạn nhiệt độ và cầu chì)

Có các tiêu chuẩn MIL-R- mua sắm quân sự khác của Hoa Kỳ.

Các mô hình sử dụng phổ biến

Có một số mô hình sử dụng phổ biến mà điện trở thường được cấu hình

Giới hạn dòng điện

Điện trở thường được sử dụng để giới hạn dòng điện chạy qua mạch. Nhiều linh kiện mạch điện (chẳng hạn như đèn LED) yêu cầu giới hạn dòng điện chạy qua chúng, nhưng bản thân chúng không giới hạn dòng điện. Do đó, điện trở thường được thêm vào để ngăn ngừa tình trạng quá dòng. Ngoài ra, mạch điện thường không cần dòng điện chạy qua chúng, vì vậy có thể thêm điện trở để giới hạn mức tiêu thụ điện năng của các mạch điện đó.

Bộ chia điện áp

Các mạch điện thường cần cung cấp nhiều điện áp tham chiếu khác nhau cho các mạch khác (chẳng hạn như bộ so sánh điện áp). Có thể đạt được điện áp cố định bằng cách mắc nối tiếp hai điện trở giữa hai điện áp cố định khác (chẳng hạn như điện áp nguồn và đất). Cực giữa hai điện trở sẽ có điện áp nằm giữa hai điện áp, ở khoảng cách tuyến tính dựa trên điện trở tương đối của hai điện trở. Ví dụ, nếu một điện trở 200 ohm và một điện trở 400 ohm được mắc nối tiếp giữa 6 V và 0 V, cực giữa chúng sẽ là 4 V.

Điện trở kéo lên và kéo xuống

Khi một mạch không được kết nối với nguồn điện, điện áp của mạch đó không phải bằng không mà là không xác định (nó có thể bị ảnh hưởng bởi điện áp trước đó hoặc môi trường).

Điện trở kéo lên hoặc kéo xuống cung cấp điện áp cho mạch khi mạch bị ngắt kết nối (chẳng hạn như khi không nhấn nút hoặc transistor không hoạt động).

Điện trở kéo lên kết nối mạch với điện áp dương cao (nếu mạch yêu cầu điện áp mặc định dương cao) và điện trở kéo xuống kết nối mạch với điện áp thấp hoặc đất (nếu mạch yêu cầu điện áp mặc định thấp).

Giá trị điện trở phải đủ cao để khi mạch hoạt động, nguồn điện áp mà nó được kết nối không ảnh hưởng quá mức đến chức năng của mạch, nhưng đủ thấp để nó “kéo” đủ nhanh khi mạch bị vô hiệu hóa và không làm thay đổi đáng kể điện áp từ giá trị nguồn.

Các chế độ hỏng hóc

Tỷ lệ hỏng hóc của điện trở trong một mạch được thiết kế đúng cách thấp hơn so với các linh kiện điện tử khác như chất bán dẫn và tụ điện phân. Hư hỏng điện trở thường xảy ra do quá nhiệt khi công suất trung bình truyền đến điện trở vượt quá khả năng tản nhiệt của nó (được xác định bởi công suất định mức của điện trở). 

Điều này có thể do lỗi bên ngoài mạch, nhưng thường do lỗi của một linh kiện khác (chẳng hạn như transistor bị ngắn mạch) trong mạch được kết nối với điện trở. Vận hành điện trở quá gần với công suất định mức có thể làm giảm tuổi thọ của điện trở hoặc gây ra sự thay đổi đáng kể về điện trở. Một thiết kế an toàn thường sử dụng điện trở có công suất định mức quá cao trong các ứng dụng điện để tránh nguy cơ này.