Резистори: призначення, класифікація і параметри

Резистори: призначення, класифікація і параметри

Резистори призначені для перерозподілу і регулювання електричної енергії між елементами схеми. Принцип дії резисторів заснований на здатності радиоматериалов чинити опір протікає через них електричного струму. Особливістю резисторів є те, що електрична енергія в них перетворюється в тепло, яке розсіюється в навколишнє середовище.

Класифікація та конструкції резисторів

За призначенням дискретні резистори ділять на резистори загального призначення, прецизійні, високочастотні, високовольтні, високоомні і спеціальні. За постійності значення опору резистори поділяють на постійні, змінні і спеціальні. Постійні резистори мають фіксовану величину опору, у змінних резисторів передбачена можливість зміни опору в процесі експлуатації, опір спеціальних резисторів змінюється під дією зовнішніх чинників: що протікає струму або прикладеної напруги (варистори), температури (терморезистори), освітлення (фоторезистори) і т. Д.

По виду токопроводящего елемента розрізняють дротові і недротяні резистори. За експлуатаційними характеристиками дискретні резистори ділять на термостійкі, вологостійкі, вібро-та ударостійкі, високонадійні і т. Д.

Основним елементом конструкції постійного резистора є резистивний елемент, який може бути або плівковим, або об'ємним. Величина об'ємного опору матеріалу визначається кількістю вільних носіїв заряду в матеріалі, температурою, напруженістю поля і т. Д. І виражається відомим співвідношенням

(2.1)

де ρ - питомий електричний опір матеріалу;

l - довжина резистивного шару;

S - площа поперечного перерізу резистивного шару.

В чистих металах завжди є велика кількість вільних електронів, тому вони мають мале ρ і для виготовлення резисторів не застосовуються. Для виготовлення дротяних резисторів застосовують сплави нікелю, хрому і т. Д., Що мають велике ρ.

Для розрахунку опору тонких плівок користуються поняттям питомої поверхневого опору ρ _s під яким розуміють опір тонкої плівки, що має в плані форму квадрата. Величина ρ _s пов'язана з величиною ρ і легко може бути отримана з (2.1), якщо прийняти в ній S = δw де w - ширина резистивної плівки. δ - товщина резистивной плівки.

тоді

(2.2)

де - питомий поверхневий опір, залежне від товщини плівки δ. Якщо l = w, то R = ρ _S, причому значення опору не залежить від розмірів сторін квадрата.

На рис. 2.1 представлено пристрій плівкового резистора. На діелектричне циліндричне підстава 1 нанесена резистивная плівка 2. На торці циліндра надіті контактні ковпачки 3 з провідного матеріалу з припаяними до них висновками 4. Для захисту резистивной плівки від впливу зовнішніх факторів резистор покривають захисною плівкою 5.

Опір такого резистора визначається співвідношенням

(2.3)

де l - довжина резистора (відстань між контактними ковпачками); D - діаметр циліндричного стрижня.

Така конструкція резистора забезпечує отримання порівняно невеликих опорів (сотні Ом). Для збільшення опору резистивную плівку 2 наносять на поверхню керамічного циліндра 1 в вигляді спіралі (рис. 2.2).

Опір такого резистора визначається співвідношенням

(2.4)

де t - крок спіралі;

α - ширина канавки (відстань між сусідніми витками спіралі);

- число витків спіралі.

На рис. 2.3 показана конструкція об'ємного резистора, що представляє собою стрижень 1 з струмопровідної композиції круглого або прямокутного перерізу з запресованими дротяними висновками 2. Зовні стрижень захищений стеклоемалевим або склокерамічною оболонкою 3. Опір такого резистора визначається співвідношенням (2.1).

Постійний дротяний резистор являє собою ізоляційний каркас, на який намотана дріт з високим питомим електричним опором. Зовні резистор покривають термостійкої емаллю, обпресовують пластмасою або герметизують металевим корпусом, що закривається з торців керамічними шайбами.

Вибір типу для конкретної схеми проводиться з урахуванням умов роботи і визначається параметрами резисторів. Резистор можна розглядати як елемент, що володіє тільки активним опором, визначеним його резистивним елементом. Крім опору резистивного елемента він має ємність, індуктивність і додаткові паразитні опору. Еквівалентна схема постійного резистора представлена ​​на рис. 2.7.

На схемі R _R - опір резистивного елемента, R _з - опір ізоляції, яке визначається властивістю захисного покриття і підстави, R _к - опір контактів, L _R - еквівалентна індуктивність резистивного шару і висновків резистора, С _R - еквівалентна ємність резистора, С _к1 і С _к2 - ємності висновків. Активний опір резистора визначається співвідношенням

(2.5)

Опір R _до має істотне значення тільки для низькоомних резисторів. Опір R _з практично впливає на загальний опір тільки високоомних резисторів. Реактивні елементи визначають частотні властивості резистора. Через їх наявності опір резистора на високих частотах стає комплексним. Відносна частотна похибка визначається співвідношенням

(2.6)

де Z - комплексний опір резистора на частоті ω.

На практиці, як правило, величини L і С невідомі. Тому для деяких типів резисторів вказують значення узагальненої постійної часу τ _{m ах,} яка пов'язана з відносною частотної похибкою опору наближеним рівнянням:

(2.7)

Частотні властивості недротяних резисторів значно краще, ніж дротяних.

параметри резисторів

Параметри резисторів характеризують експлуатаційні можливості застосування конкретного типу резистора в конкретної електричної схеми.

Номінальний опір R _ном і його допустиме відхилення від номіналу ± Δ R є основними параметрами резисторів. Номінали опорів стандартизовані відповідно до ГОСТ 28884 - 90. Для резисторів загального призначення ГОСТ передбачає шість рядів номінальних опорів: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 і Е192. Цифра вказує кількість номінальних значень в даному ряду, які узгоджені з допустимими відхиленнями (табл. 2.1).

Номінальні значення опорів визначаються числовими коефіцієнтами, що входять в табл. 2.1, які множаться на 10 ^n, де п - ціле позитивне число. Так, наприклад, числовому коефіцієнту 1,0 відповідають резистори з номінальним опором, рівним 10, 100, 1000 Ом і т. Д.

Номінальна потужність розсіювання Р _ном визначає допустиму електричне навантаження, яку здатний витримати резистор протягом тривалого часу при заданій стабільності опору.

Як уже зазначалося, протікання струму через резистор пов'язано з виділенням тепла, яке має розсіюватися в навколишнє середовище. Потужність, що виділяється в резисторі у вигляді тепла, визначається величиною прикладеної до нього напруги U і струму, що протікає I і дорівнює

(2.8)

Потужність, що розсіюється резистором в навколишнє середовище, пропорційна різниці температур резистора Т _R і навколишнього середовища Т _0:

(2.9)

Ця потужність залежить від умов охолодження резистора, що визначаються значенням теплового опору R _T, яке тим менше, чим більше поверхня резистора і теплопровідність матеріалу резистора.

З умови балансу потужностей можна визначити температуру резистора, що наочно показано на рис. 2.8, а.

якщо

(2.10)

Отже, при збільшенні потужності, що виділяється в резисторі, зростає його температура Т _R, що може привести до виходу резистора з ладу. Для того щоб цього не сталося, необхідно зменшити R _T, що досягається збільшенням розмірів резистора. Для кожного типу резистора існує певна максимальна температура T _max, перевищувати яку не можна. Температура Т _R, як випливає з вищевикладеного, залежить також від температури навколишнього середовища. Якщо вона дуже висока, то температура Т _R може перевищити максимальну. Щоб цього не сталося, необхідно зменшувати потужність, що виділяється в резисторі (рис. 2.8, б). Для всіх типів резисторів в ТУ обумовлюють зазначені залежності потужності від температури навколишнього середовища (рис. 2.8, в). Номінальні потужності стандартизовані (ГОСТ 24013-80 і ГОСТ 10318-80) і відповідають ряду: 0,01; 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 1,2; 5; 8; 10; 16; 25; 50; 75; 100; 160; 250; 500.

Гранична робоча напруга U _визна чає величину допустимого напруги, яке може бути докладено до резистору.Для резисторів з невеликою величиною опору (сотні Ом) ця величина визначається потужністю резистора і розраховується за формулою

(2.11)

Для інших резисторів граничне робоча напруга визначається конструкцією резистора і обмежується можливістю електричного пробою, який, як правило, відбувається по поверхні між висновками резистора або між витками спіральної нарізки. Напруга пробою залежить від довжини резистора і тиску повітря. При довжині резистора що не перевищує 5 см воно визначається за формулою

(2.12)

де Р - тиск, мм рт. ст .;

l - довжина резистора, см.

ЗначеніеU _перед вказується в ТУ, воно завжди менше U _проб. При випробуванні резисторів на них подають випробувальну напругу U _ісп яке більше U _перед і менше U _проб.

Температурний коефіцієнт опору (ТКС) характеризує відносну зміну опору при зміні температури:

(2.13)

Цей коефіцієнт може бути як позитивним, так і негативним. Якщо резистивная плівка товста, то вона поводиться як об'ємне тіло, опір якого з ростом температури зростає. Якщо ж резистивная плівка тонка, то вона складається з окремих «острівців», опір такої плівки з ростом температури зменшується, так як поліпшується контакт між від діловими «острівцями». У різних резисторів ця величина лежить в межах ± (7-12) · 10 ^-4.

Коефіцієнт старіння β _R характеризує зміну опору, яке викликається структурними змінами резистивного елемента за рахунок процесів окислення, кристалізації і т. Д:

(2.14)

В ТУ зазвичай вказують відносну зміну опору у відсотках за певний час (1000 або 10 000 ч).

ЕРС шумів резистора. Електрони в резистивном елементі знаходяться в стані хаотичного теплового руху, в результаті якого між будь-якими точками резистивного елемента виникає випадково змінюється електрична напруга і між висновками резистора з'являється ЕРС теплових шумів. Тепловий шум характеризується безперервним, широким і практично рівномірним спектром. Величина ЕРС теплових шумів визначається співвідношенням

(2.16)

де К = 1,38-10- ²³ Дж / К постійна Больцмана;

Т - абсолютна температура, К;

R - опір, Ом;

Δ f- смуга частот, в якій вимірюються шуми.

При кімнатній температурі (T = 300 К)

(2.17)

Якщо резистор включений на вході високочутливого підсилювача, то на його виході будуть чутні характерні шуми. Знизити рівень цих шумів можна, лише зменшивши опір До або температуру Т.

Крім теплових шумів існує струмовий шум, що виникає при проходженні через резистор струму. Цей шум обумовлений дискретної структурою резистивного елемента. При проходженні струму виникають місцеві перегріви, в результаті яких змінюється опір контактів між окремими частинками струмопровідного шару і, отже, флюктуирует (змінюється) значення опору, що веде до появи між висновками резистора ЕРС струмових шумів E _i. Токовий шум, так само як і теплової, має безперервний спектр, але інтенсивність його збільшується в області низьких частот.

Оскільки значення струму, що протікає через резистор, залежить від значення прикладеної напруги U, то в першому наближенні можна вважати

(2.18)

де K _i - коефіцієнт, що залежить від конструкції резистора, властивостей резистивного шару і смуги частот. Величина K _i вказується в ТУ і лежить в межах від 0,2 до 20 мкВ / В. Чим однорідніше структура, тим менше струмовий шум. У металоплівкових і вуглецевих резисторів величина K _i ≤ 1,5 мкВ / В, у композиційних поверхневих резисторів До _i ≤ 40 мкв / В, у композиційних об'ємних резисторів До _i ≤ 45 мкв / В. У дротяних резисторів струмовий шум відсутній. Токовий шум вимірюється в смузі частот від 60 до 6000 Гц. Його величина значно перевищує величину теплового шуму.

Отримати у викладача досліджуваний елемент і провести розрахунок його конструктивних параметрів за варіантами і даними в табл 1.

Визначити наступні параметри резистора:

· Необхідний питомий опір матеріалів для резистивного шару ρ,

· Питомий поверхневий опір ρs,

· Граничне (пробивну) робоча напруга Uпред (проб),

· ТКС,

· Β _R

· ЕРС шуму Ет

· ЕРС токового шуму Ei

Таблиця 1.