Параметры резисторов

Эквивалентная схема резистора

Классификация резисторов

Резисторы

Резисторы являются элементами РЭА и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Они предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действия резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду.

По назначению дискретные резисторы делятся на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные и высокоомные.

По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные, переменные и специальные.

Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления. У переменных резисторов предусмотрена возможность изменения сопротивления в процессе эксплуатации. Переменные резисторы делятся на подстроечные (сопротивление изменяется при регулировке электрических режимов цепи) и регулировочные (сопротивление изменяется во время функционирования аппаратуры).

Сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов: протекающего тока или приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещения (фоторезисторы) и т.д.

По виду токопроводящего элемента резисторы делятся на проволочные и непроволочные.

По эксплуатационным характеристикам дискретные резисторы делятся на термостойкие, влагостойкие, вибро- и ударопрочные, высоконадежные и т.д.

2.2. Конструкция резисторов

Основным элементом конструкции постоянного резистора является резистивный элемент, который может быть либо пленочным, либо объемным. Величина объемного сопротивления материала определяется количеством свободных носителей заряда в материале, температурой, напряженностью поля и т.д.

В чистых металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, поэтому они имеют малую величину удельного электрического сопротивления и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т.д.

На рисунке 2.1 представлено устройство пленочного резистора. На керамическое цилиндрическое основание 1 нанесена резистивная пленка 2. На торцы цилиндра надеты контактные колпачки 3 из проводящего материала с припаянными к ним выводами 4. Для защиты резистивной пленки от воздействия внешних факторов резистор покрывают термостойкой эмалью 5.

Такая конструкция резистора обеспечивает получение сравнительно небольших сопротивлений (сотни Ом). Для увеличения сопротивления резистора резистивную пленку 2 наносят на поверхность керамического цилиндра в виде спирали (рисунок 2.2).

На рисунке 2.3 показана конструкция объемного резистора, представляющего собой стержень 1 из токопроводящей композиции круглого или прямоугольного сечения с запрессованными проволочными выводами 2. Снаружи стержень защищен стеклоэмалевой или стеклокерамической оболочкой 3.

Постоянный проволочный резистор представляет собой изоляционный каркас, на который намотана проволока с высоким удельным электрическим сопротивлением. Снаружи резистор покрывают термостойкой эмалью, спрессовывают пластмассой либо герметизируют металлическим корпусом, закрываемым с торцов керамическими шайбами.

Резисторы полупроводниковых ИМС представляют собой тонкую (толщиной 2…3 мкм) локальную область полупроводника, изолированную от подложки и защищенную слоем SiO ₂.

Для гибридных ИМС выпускаются микромодульные резисторы, представляющие собой стержень из стекловолокна с нанесенным на поверхность тонким слоем токопроводящей композиции. Такие резисторы приклеиваются к контактным площадкам подложек токопроводящим клеем - контактолом.

Конструкции переменных резисторов гораздо сложнее, чем постоянных. На рисунке 2.4 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

Он состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть представляет собой пластмассовый корпус 2, в котором смонтирован токопроводящий элемент 3, имеющий подковообразную форму. Посредством заклепок 6 он крепится к круглому корпусу. Эти заклепки соединены с внешними выводами 4. Подвижная часть представляет собой вращающуюся ось, с торцом которой 7 посредством чеканки соединена изоляционная планка 8, на которой смонтирован подвижный контакт 1 (токосъемник), соединенный с внешним выводом. Угол поворота оси составляет 270° и ограничивается стопором 5.

Существуют и другие конструкции переменных непроволочных резисторов.

Токопроводящий элемент в них бывает тонкослойным металлическим или металлоксидным (резисторы типа СП2), пленочным композиционным (резисторы типа СП4).

Переменные резисторы могут иметь разный закон изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси (рисунок 2.5).

У линейных резисторов (типа А) сопротивление зависит от угла поворота линейно. У логарифмических резисторов (тип Б) сопротивление изменяется по логарифмическому закону, а у резисторов типа В – по обратно логарифмическому. Кроме того, существуют резисторы, у которых сопротивление изменяется по закону синуса (тип И) или косинуса (тип Б).

Некоторые типы переменных резисторов состоят из двух переменных резисторов, объединённых в единую конструкцию, в которой токосъемники расположены на общей оси. Существуют переменные резисторы, содержащие выключатель, контакты которого разомкнуты, если ось резистора повернута в крайнее положение при вращении против движения часовой стрелки. При повороте оси по движению часовой стрелки на небольшой угол контакты выключателя замыкаются. Некоторые типы резисторов комплектуются специальными стопорящими устройствами, жестко фиксирующими положение оси. На рисунке 2.6 показана конструкция переменного проволочного резистора с круговым перемещением токосъемника. В пластмассовом корпусе 7 с помощью цанговой втулки 3 укреплена поворотная ось 2, на которой закреплен изоляционный диск с контактной пружиной (ползуном) 4, скользящей по проводу обмотки 9, укрепленной на гетинаксовой дугообразной пластине 6. Концы обмотки соединены с выводами 8, а ползун через контактное кольцо соединен с внешним контактным лепестком 10. Положение оси может быть зафиксировано стопорной разрезной гайкой 1, а угол поворота оси ограничен выступами корпуса, в которые упирается планка-ограничитель 5, закрепленная на оси.

Помимо переменных резисторов с круговым перемещением существуют резисторы с прямолинейным перемещением подвижного контакта. В этом случае контактный ползун укрепляется не на поворотной, а на червячной оси.

Резистор нельзя рассматривать как, элемент, обладающий только активным сопротивлением, определяемым его резистивным элементом.

Помимо сопротивления резистивного элемента он имеет емкость, индуктивность и дополнительные паразитные сопротивления. Эквивалентная схема постоянного резистора представлена на рисунке 2.7.

На схеме RR – сопротивление резистивного элемента, Rиз – сопротивление изоляции, определяемое свойством защитного покрытия и основания, R_к – сопротивление контактов, L_R – эквивалентная индуктивность резистивного слоя и выводов резистора, С_R – эквивалентная емкость резистора, C_B1 и C_B2 – емкости выводов.

Активное сопротивление резистора определяется соотношением

(2.1)

Сопротивление Rк имеет существенное значение только для низкоомных резисторов. Сопротивление Rиз практически влияет на общее сопротивление только высокоомных резисторов. Реактивные элементы определяют частотные свойства резистора. Из-за их наличия сопротивление резистора на высоких частотах становится комплексным.

Индуктивность и ёмкость являются распределёнными параметрами. Индуктивность резистора определяется его конструкцией, размерами и размерами выводов. Ёмкость резистора появляется между его различными участками, а также определяется конструкцией выводов и их размерами. Наличие ёмкости и индуктивности вызывает появление реактивной составляющей полного сопротивления, которая приводит к изменению активной составляющей сопротивления.

Параметры резисторов характеризуют эксплуатационные возможности применения конкретного типа резистора в конкретной электрической схеме.

1 .Номинальное сопротивление Rном и его допустимое отклонение от номинала ±DR являются основными параметрами резисторов. Номиналы сопротивлений стандартизованы в соответствии с ГОСТ 10318, а допустимые отклонения - в соответствии с ГОСТ 9664. Для резисторов общего назначения ГОСТ 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 (смотри таблицу 2.1). Номинальные значения сопротивлений определяются числовыми коэффициентами, входящими в таблицу 2.1, которые умножаются на 10ⁿ, где п – целое положительное число. Так, например, числовому коэффициенту 1,5 соответствуют резисторы с номинальным сопротивлением, равным 15, 150, 1500 Ом и т.д.

Таблица 2.1

Е24	Е12	Е6
1,0	1,0	1,0
1,1	-	-
1,2	1,2	-
1,3	-	-
1,5	1,5	1,5
1,6	-	-
1,8	1,8	-
2,0	-	-
2,2	2,2	2,2
2,4	-	-
2,7	2,7	-
3,0	-	-
3,3	3,3	3,3
3,6	-	-
3,9	3,9	-
4,3	-	-
4,7	4,7	4,7
5,1	-	-
5,6	5,6	-
6,2	-	-
6,8	6,8	6,8
7,5	-	-
8,2	8,2	-
9,1	-	-

Допустимые отклонения от номинала для ряда Е6 составляют ±20%, для ряда Е12 – ± 10%, для ряда Е24 – ± 5%. Это значит, что резистор с сопротивлением 1,5кОм из ряда Е12 может обладать сопротивлением в пределах от 1,35 до 1,65кОм, а тот же резистор из ряда Е6 – в пределах от 1,2 до 1,8 кОм. Числовые коэффициенты, определяющие номинальные значения сопротивлений, подобраны так, что образуется непрерывная шкала сопротивлений, т.е. максимально возможное сопротивление какого-либо номинала совпадает (или несколько больше) с минимальной величиной сопротивления соседнего номинала. Прецизионные резисторы имеют отклонения от номинала ±2%; ±1%; ±0,5%; ±0,2%; ±0,1%; ±0,05%; ±0,02% и ±0,01%.

2 .Номинальная мощность рассеивания Рном определяет допустимую электрическую нагрузку, которую способен выдержать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления.

Как уже отмечалось, протекание тока через резистор связано с выделением в нем тепла, которое должно рассеиваться в окружающую среду. Мощность, выделяемая в резисторе в виде тепла, определяется величиной приложенного к нему напряжения U и протекающего тока I и равна

Рвыд= UI

(2.2)

Мощность, рассеиваемая резистором в окружающую среду, пропорциональна разности температур резистора T_R и окружающей среды Т_O

(2.3)

и зависит от условий охлаждения резистора, определяемых величиной теплового сопротивления R_T которое тем меньше, чем больше поверхность резистора и теплопроводность материала резистора.

Из условия баланса мощностей можно определить температуру резистора, что наглядно показано на рисунке 2.8а.

(2.4)

откуда T_R=UIR.

Следовательно, при увеличении мощности, выделяемой в резисторе, возрастает его температура T_{R ,} что может привести к выходу резистора из строя. Для того чтобы этого не произошло, необходимо уменьшить R_T, что достигается увеличением размеров резистора. Для каждого типа резистора существует определенная максимальная температура Тмах, превышать которую нельзя.

Температура T_R, как следует из вышеизложенного, зависит также от температуры окружающей среды. Если она очень высока, то температура T_R может превысить максимальную, чтобы этого не произошло, необходимо уменьшать мощность, выделяемую в резисторе (рисунок 2.8, б). Для всех типов резисторов в технических условиях оговариваются указанные зависимости мощности от температуры окружающей среды (рисунок 2.8, в). Номинальные мощности стандартизованы (ГОСТ 9663) и соответствуют ряду: 0,01; 0,025; 0,05; 0,121; 0,25; 0,5; 1; 1,2; 5; 8; 10; 16; 25; 50; 75; 100; 160; 250; 500.

3. Предельное рабочее напряжение Uпред определяет величину допустимого напряжения, которое может быть приложено к резистору. Для резисторов с небольшой величиной сопротивления (сотни Ом) эта величина определяется конструкцией резистора и рассчитывается по формуле:

(2.5)

Для остальных резисторов предельное рабочее напряжение определяется конструкцией резистора и ограничивается возможностью электрического пробоя, который, как правило, происходит по поверхности между выводами резистора или между витками спиральной нарезки.

4 .Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры

(2.6)

Он может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка толстая, то она ведет себя как объемное тело, сопротивление которого с ростом температуры возрастает. Если же резистивная пленка тонкая, то она состоит из отдельных "островков", сопротивление такой пленки с ростом температуры уменьшается, так как улучшается контакт между отдельными "островками". У различных резисторов эта величина лежит в пределах ± (7…12)10^-4.

5 .Коэффициент старения β_R характеризует изменение сопротивления, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет процессов окисления, кристаллизации и т.д.

(2.7)

В ТУ обычно указывается относительное изменение сопротивления в процентах за определенное время (1000 или 10000 ч).

6 .ЭДС шумов резистора. Электроны в резистивном элементе находятся в состоянии хаотического теплового движения, в результате которого между любыми точками резистивного элемента возникает случайно изменяющееся электрическое напряжение и между выводами резистора появляется ЭДС тепловых шумов. Тепловой шум характеризуется непрерывным, широким, практически равномерным спектром. Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением:

U т =

(2.8)

где k = 1,38 · 10 ^-23 Д ж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура в градусах шкалы Кельвина; R – сопротивление. Ом; D f – полоса частот, в которой измеряются шумы.

Если резистор включен на входе высокочувствительного усилителя, то на его выходе будет слышен характерный шум. Уменьшить уровень этих шумов можно лишь, уменьшая величину сопротивления R или температуру T.

Помимо тепловых шумов существует токовый шум, возникающий при протекании через резистор тока. Этот шум обусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При протекании тока возникают местные перегревы, в результате которых изменяются контакты между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно, флюктуирует (изменяется) величина сопротивления, что ведет к появлению между выводами резистора токовой составляющей шума. Токовый шум, также как и тепловой, имеет непрерывный спектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот.

Поскольку величина тока, протекающего через резистор, зависит от величины приложенного напряжения U, то в первом приближении можно считать, что

UI = KIU,

(2.9)

где K_I – коэффициент, зависящий от конструкции резистора, свойств резистивного слоя и полосы частот.

Величину K_I указывают в технических условиях (ТУ) и лежит она в пределах от 0,2 до 20 мкВ/В. Чем однороднее структура, тем меньше токовый шум. У металлопленочных и углеродистых резисторов величина Кi £ 1,5 мкВ/В. У композиционных поверхностных Кi £40 мкВ/В, у композиционных объемных Кi £45 мкВ/В. У проволочных резисторов токовый шум отсутствует. Токовый шум измеряется в полосе частот от 60 до 6000 Гц. Его величина значительно превышает величину теплового шума.

В электрической цепи, содержащей несколько резисторов, напряжение суммарного шума определяется уравнением:

U∑ =

(2.10)

где n – количество резисторов.

Дата добавления: 2015-05-09