Резисторы:назначение, классификация и параметры
Резисторы предназначены для перераспределения ирегулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действиярезисторов основан на способности радиоматериалов оказывать сопротивлениепротекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов являетсято, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеиваетсяв окружающую среду.
Классификация и конструкциирезисторов
По назначению дискретные резисторыделят на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные,высоковольтные, высокоомные и специальные. По постоянству значениясопротивления резисторы подразделяют на постоянные, переменные и специальные.Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, у переменныхрезисторов предусмотрена возможность изменения сопротивления в процессе эксплуатации,сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов:протекающего тока или приложенного напряжения (варисторы), температуры(терморезисторы), освещения (фоторезисторы) и т. д.
По виду токопроводящего элементаразличают проволочные и непроволочные резисторы. По эксплуатационнымхарактеристикам дискретные резисторы делят на термостойкие, влагостойкие,вибро- и ударопрочные, высоконадежные и т. д.
Основным элементом конструкциипостоянного резистора является резистивный элемент, который может быть либопленочным, либо объемным. Величина объемного сопротивления материалаопределяется количеством свободных носителей заряда в материале, температурой,напряженностью поля и т. д. и выражается известным соотношением
/>(2.1)
где ρ — удельное электрическоесопротивление материала;
l — длина резистивного слоя;
S — площадь поперечного сечения резистивногослоя.
В чистых металлах всегда имеетсябольшое количество свободных электронов, поэтому они имеют малое ρ и дляизготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторовприменяют сплавы никеля, хрома и т. д., имеющие большое ρ.
Для расчета сопротивления тонкихпленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления ρs под которым понимают сопротивлениетонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина ρs связана с величиной ρ и легкоможет быть получена из (2.1), если принять в нейS = δw где w — ширинарезистивной пленки. δ — толщина резистивной пленки.
Тогда
/> (2.2)
Где /> -удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки δ. Еслиl=w, то R=ρS,причем значение сопротивления не зависит от размеров сторон квадрата.
На рис. 2.1 представлено устройствопленочного резистора. На диэлектрическое цилиндрическое основание 1 нанесенарезистивная пленка 2. На торцы цилиндра надеты контактные колпачки 3 изпроводящего материала с припаянными к ним выводами 4. Для защиты резистивнойпленки от воздействия внешних факторов резистор покрывают защитной пленкой 5.
Сопротивление такого резистораопределяется соотношением
/>(2.3)
где l — длина резистора (расстояние между контактными колпачками);D — диаметр цилиндрического стержня.
/>
Такая конструкция резистораобеспечивает получение сравнительно небольших сопротивлений (сотни Ом). Дляувеличения сопротивления резистивную пленку 2 наносят на поверхность керамическогоцилиндра 1 в виде спирали (рис. 2.2).
Сопротивление такого резистораопределяется соотношением
/> (2.4)
где t — шагспирали;
α — ширина канавки (расстояниемежду соседними витками спирали);
/> - число витков спирали.
/>
На рис. 2.3 показана конструкцияобъемного резистора, представляющего собой стержень 1 из токопроводящейкомпозиции круглого или прямоугольного сечения с запрессованными проволочнымивыводами 2. Снаружи стержень защищен стеклоэмалевой или стеклокерамическойоболочкой 3. Сопротивление такого резистора определяется соотношением (2.1).
/>
Постоянный проволочный резисторпредставляет собой изоляционный каркас, на который намотана проволока с высокимудельным электрическим сопротивлением. Снаружи резистор покрывают термостойкойэмалью, опрессовывают пластмассой или герметизируют металлическим корпусом,закрываемым с торцов керамическими шайбами.
Выбор типа для конкретной схемыпроизводится с учетом условий работы и определяется параметрами резисторов.Резистор нельзя рассматривать как элемент, обладающий только активнымсопротивлением, определяемым его резистивным элементом. Помимо сопротивлениярезистивного элемента он имеет емкость, индуктивность и дополнительныепаразитные сопротивления. Эквивалентная схема постоянного резисторапредставлена на рис. 2.7.
/>
На схеме RR— сопротивление резистивногоэлемента, Rиз — сопротивление изоляции, определяемое свойством защитногопокрытия и основания, Rк — сопротивление контактов, LR — эквивалентная индуктивностьрезистивного слоя и выводов резистора, СR — эквивалентная емкость резистора, Ск1 и Ск2 —емкости выводов. Активное сопротивление резистора определяется соотношением
/> (2.5)
Сопротивление Rк имеет существенное значение только для низкоомныхрезисторов. Сопротивление Rизпрактически влияетна общее сопротивление только высокоомных резисторов. Реактивные элементыопределяют частотные свойства резистора. Из-за их наличия сопротивлениерезистора на высоких частотах становится комплексным. Относительная частотнаяпогрешность определяется соотношением
/> (2.6)
где Z — комплексноесопротивление резистора на частоте ω.
На практике, как правило, величины L и С неизвестны. Поэтому для некоторых типов резисторовуказывают значение обобщенной постоянной времени τmах, которая связана с относительнойчастотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением:
/> (2.7)
Частотные свойства непроволочныхрезисторов значительно лучше, чем проволочных.
Параметры резисторов
Параметры резисторов характеризуют эксплуатационныевозможности применения конкретного типа резистора в конкретной электрическойсхеме.
Номинальное сопротивление Rном и его допустимое отклонение от номинала ±∆Rявляются основными параметрамирезисторов. Номиналы сопротивлений стандартизованы в соответствии с ГОСТ 28884 — 90. Для резисторов общего назначенияГОСТ предусматривает шесть рядов номинальных сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48,Е96 и Е192. Цифра указывает количество номинальных значений в данном ряду,которые согласованы с допустимыми отклонениями (табл. 2.1).
/>
Номинальные значения сопротивленийопределяются числовыми коэффициентами, входящими в табл. 2.1, которыеумножаются на 10n,где п — целое положительное число. Так, например, числовому коэффициенту 1,0соответствуют резисторы с номинальным сопротивлением, равным 10, 100, 1000 Ом ит. д.
Номинальная мощность рассеивания Рномопределяет допустимуюэлектрическую нагрузку, которую способен выдержать резистор в течениедлительного времени при заданной стабильности сопротивления.
Как уже отмечалось, протекание токачерез резистор связано с выделением тепла, которое должно рассеиваться вокружающую среду. Мощность, выделяемая в резисторе в виде тепла, определяетсявеличиной приложенного к нему напряжения U и протекающего тока I и равна
/> (2.8)
Мощность, рассеиваемая резистором вокружающую среду, пропорциональна разности температур резистора ТR и окружающей среды Т0:
/> (2.9)
Эта мощность зависит от условийохлаждения резистора, определяемых значением теплового сопротивления RT, которое тем меньше, чем больше поверхность резистора итеплопроводность материала резистора.
Из условия баланса мощностей можноопределить температуру резистора, что наглядно показано на рис. 2.8, а.
Если
/>
/> (2.10)
Следовательно, при увеличениимощности, выделяемой в резисторе, возрастает его температура ТR, что может привести к выходу резистора из строя. Для тогочтобы этого не произошло, необходимо уменьшить RT, что достигается увеличением размеров резистора. Для каждоготипа резистора существует определенная максимальная температура Tmax, превышать которую нельзя.Температура ТR, как следует из вышеизложенного,зависит также от температуры окружающей среды. Если она очень высока, тотемпература ТRможет превыситьмаксимальную. Чтобы этого не произошло, необходимо уменьшать мощность,выделяемую в резисторе (рис. 2.8, б). Для всех типов резисторов в ТУ оговариваютуказанные зависимости мощности от температуры окружающей среды (рис. 2.8, в).Номинальные мощности стандартизованы (ГОСТ 24013-80 и ГОСТ 10318-80 ) исоответствуют 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.
/>
Предельное рабочее напряжение Uпред определяет величину допустимогонапряжения, которое может быть приложено к резистору. Для резисторов снебольшой величиной сопротивления (сотни Ом) эта величина определяетсямощностью резистора и рассчитывается по формуле
/> (2.11)
Для остальных резисторов предельноерабочее напряжение определяется конструкцией резистора и ограничиваетсявозможностью электрического пробоя, который, как правило, происходит поповерхности между выводами резистора или между витками спиральной нарезки.Напряжение пробоя зависит от длины резистора и давления воздуха. При длинерезистора не превышающей 5 см оно определяется по формуле
/> (2.12)
где Р — давление, мм рт. ст.;
l — длина резистора, см.
ЗначениеUпред указывается в ТУ, оно всегда меньше Uпроб. Прииспытании резисторов на них подают испытательное напряжение Uисп которое больше Uпред и меньше Uпроб.
Температурный коэффициентсопротивления (ТКС)характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры:
/> (2.13)
Этот коэффициент может быть какположительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка толстая, то онаведет себя как объемное тело, сопротивление которого с ростом температурывозрастает. Если же резистивная пленка тонкая, то она состоит из отдельных«островков», сопротивление такой пленки с ростом температуры уменьшается, таккак улучшается контакт между от дельными «островками». У различных резисторовэта величина лежит в пределах ±(7‑12)·10-4.
Коэффициент старения βRхарактеризует изменение сопротивления, котороевызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет процессовокисления, кристаллизации и т. д:
/> (2.14)
В ТУ обычно указывают относительноеизменение сопротивления в процентах за определенное время (1000 или 10 000 ч).
ЭДС шумов резистора. Электроны в резистивном элементенаходятся в состоянии хаотического теплового движения, в результате которогомежду любыми точками резистивного элемента возникает случайно изменяющеесяэлектрическое напряжение и между выводами резистора появляется ЭДС тепловыхшумов. Тепловой шум характеризуется непрерывным, широким и практическиравномерным спектром. Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением
/>(2.16)
где К= 1,38-10-23Дж/ К—постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура, К;
R — сопротивление, Ом;
∆f— полоса частот, в которой измеряются шумы.
При комнатной температуре (T= 300 К)
/>(2.17)
Если резистор включен на входевысокочувствительного усилителя, то на его выходе будут слышны характерныешумы. Снизить уровень этих шумов можно, лишь уменьшив сопротивление К или температуруТ.
Помимо тепловых шумов существуеттоковый шум, возникающий при прохождении через резистор тока. Этот шумобусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При прохождении токавозникают местные перегревы, в результате которых изменяется сопротивлениеконтактов между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно,флюктуирует (изменяется) значение сопротивления, что ведет к появлению междувыводами резистора ЭДС токовых шумов Ei. Токовый шум, так же как и тепловой, имеет непрерывныйспектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот.
Поскольку значения тока, протекающегочерез резистор, зависит от значения приложенного напряжения U, то в первом приближении можно считать
/> (2.18)
где Ki — коэффициент, зависящий отконструкции резистора, свойств резистивного слоя и полосы частот. Величина Ki указывается в ТУ и лежит в пределахот 0,2 до 20 мкВ/В. Чем однороднее структура, тем меньше токовый шум. У металлопленочныхи углеродистых резисторов величина Ki ≤ 1,5 мкВ/В, у композиционных поверхностных резисторов Кi ≤ 40 мкВ/В, у композиционных объемныхрезисторов Кi≤ 45 мкВ/В. Упроволочных резисторов токовый шум отсутствует. Токовый шум измеряется в полосечастот от 60 до 6000 Гц. Его величина значительно превышает величину тепловогошума.
Получить у преподавателя исследуемыйэлемент и произвести расчет его конструктивных параметров по вариантам и даннымв табл 1.
Определить следующие параметры резистора:
· требуемоеудельное сопротивление материалов для резистивного слоя ρ,
· удельноеповерхностное сопротивление ρs,
· предельное(пробивное)рабочее напряжение Uпред(проб),
· ТКС,
· βR
· ЭДС шума Ет
· ЭДС токового шумаEi
Таблица 1.Вариант Тип резистора\типоразмер δ толщина пленки t шаг спирали \ ширина канавки α=1/2t Изменение сопротивления при увеличении температуры на +10 С Изменение сопротивления при наработке 10000 часов Полоса частот ∆ F, кГц
Ki мкВ\В На Uпроб 1 Пленочный рис 2.1 0,12 мм - -12 Ом 31,4 Ом 30 3,8 2 Пленочный рис 2.2 0,14 мм 1,2мм — 5 Ом 56,3 Ом 29 0,8 3 Пленочный рис 2.2 0,16 мм 1,6мм -1,2 Ом 56,4 Ом 10 17,3 4 Пленочный рис 2.2 0,18 мм 2,2 мм — 19 Ом -10 Ом 11 0,7 5 Обьемный рис 2.3 - - -4,2 Ом -12 Ом 27 3,8 6 Обьемный рис 2.3 - - -8,6 Ом 37,4 Ом 3 19,4 7 Пленочный рис 2.1 0,19 мм - -29 Ом 50 Ом 14 5,5