Резисторы: назначение, классификация и параметры

Резисторы: назначение, классификация и параметры

Резисторы предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действия резисторов основан на способности радиоматериалов оказывать сопротивление протекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду.

Классификация и конструкции резисторов

По назначению дискретные резисторы делят на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокоомные и специальные. По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяют на постоянные, переменные и специальные. Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, у переменных резисторов 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 элемента различают проволочные и непроволочные резисторы. По эксплуатационным характеристикам дискретные резисторы делят на термостойкие, влагостойкие, вибро- и ударопрочные, высоконадежные и т. д.

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. и выражается известным соотношением

(2.1)

где ρ — удельное электрическое сопротивление материала;

l — длина резистивного слоя;

S — площадь поперечного сечения резистивного слоя.

В чистых металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, поэтому они имеют малое ρ и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т. д., имеющие большое ρ.

Для расчета сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления ρ_s под которым понимают сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина ρ_s связана с величиной ρ и легко может быть получена из (2.1), если принять в ней S = δw где w — ширина резистивной пленки. δ — толщина резистивной пленки.

Тогда

(2.2)

Где - удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки δ. Если l=w, то R=ρ_S, причем значение сопротивления не зависит от размеров сторон квадрата.

На рис. 2.1 представлено устройство пленочного резистора. На диэлектрическое 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 защитной пленкой 5.

Сопротивление такого резистора определяется соотношением

(2.3)

где l — длина резистора (расстояние между контактными колпачками); D — диаметр цилиндрического стержня.

Такая конструкция резистора обеспечивает получение сравнительно небольших сопротивлений (сотни Ом). Для увеличения сопротивления резистивную пленку 2 наносят на поверхность керамического цилиндра 1 в виде спирали (рис. 2.2).

Сопротивление такого резистора определяется соотношением

(2.4)

где t - шаг спирали;

α - ширина канавки (расстояние между соседними витками спирали);

- число витков спирали.

На рис. 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. Сопротивление такого резистора определяется соотношением (2.1).

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

Выбор типа для конкретной схемы производится с учетом условий работы и определяется параметрами резисторов. 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 рис. 2.7.

На схеме R_R— сопротивление резистивного элемента, R_из — 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, С_к1 и С_к2 — емкости выводов. Активное сопротивление резистора определяется соотношением

(2.5)

Сопротивление R_к имеет существенное значение только для низкоомных резисторов. Сопротивление R_из 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. Относительная частотная погрешность определяется соотношением

(2.6)

где Z — комплексное сопротивление резистора на частоте ω.

На практике, как правило, величины L и С неизвестны. Поэтому для некоторых типов резисторов указывают значение обобщенной постоянной времени τ_mах, которая связана с относительной частотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением:

(2.7)

Частотные свойства непроволочных резисторов значительно лучше, чем проволочных.

Параметры резисторов

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

Номинальное сопротивление R_ном и его допустимое отклонение от номинала ±∆R являются основными параметрами резисторов. Номиналы сопротивлений стандартизованы в соответствии с ГОСТ 28884 - 90. 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 (табл. 2.1).

Номинальные значения сопротивлений определяются числовыми коэффициентами, входящими в табл. 2.1, которые умножаются на 10ⁿ, где п — целое положительное число. Так, например, числовому коэффициенту 1,0 соответствуют резисторы с номинальным сопротивлением, равным 10, 100, 1000 Ом и т. д.

Номинальная мощность рассеивания Р_ном 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 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

(2.8)

Мощность, рассеиваемая резистором в окружающую среду, пропорциональна разности температур резистора Т_R и окружающей среды Т₀:

(2.9)

Эта мощность зависит от условий охлаждения резистора, определяемых значением 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 рис. 2.8, а.

Если

(2.10)

Следовательно, при увеличении мощности, выделяемой в резисторе, возрастает его температура Т_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 T_max, превышать которую нельзя. Температура Т_R, как следует из вышеизложенного, зависит также от температуры окружающей среды. Если она очень высока, то температура Т_R может превысить максимальную. Чтобы этого не произошло, необходимо уменьшать мощность, выделяемую в резисторе (рис. 2.8, б). Для всех типов резисторов в ТУ оговаривают указанные зависимости мощности от температуры окружающей среды (рис. 2.8, в). Номинальные мощности стандартизованы (ГОСТ 24013-80 и ГОСТ 10318-80 ) и соответствуют 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 U_пред определяет величину допустимого напряжения, которое может быть приложено к резистору. Для резисторов с небольшой величиной сопротивления (сотни Ом) эта величина определяется мощностью резистора и рассчитывается по формуле

(2.11)

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. Напряжение пробоя зависит от длины резистора и давления воздуха. При длине резистора не превышающей 5 см оно определяется по формуле

(2.12)

где Р — давление, мм рт. ст.;

l — длина резистора, см.

ЗначениеU_пред указывается в ТУ, оно всегда меньше U_проб. При испытании резисторов на них подают испытательное напряжение U_исп которое больше U_пред и меньше U_проб.

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

(2.13)

Этот коэффициент 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 от дельными «островками». У различных резисторов эта величина лежит в пределах ±(7‑12)·10^-4.

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

(2.14)

В ТУ обычно указывают относительное изменение сопротивления в процентах за определенное время (1000 или 10 000 ч).

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 и практически равномерным 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 входе высокочувствительного усилителя, то на его выходе будут слышны характерные шумы. Снизить уровень этих шумов можно, лишь уменьшив сопротивление К или температуру Т.

Помимо тепловых шумов существует токовый шум, возникающий при прохождении через резистор тока. Этот шум обусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При прохождении тока возникают местные перегревы, в результате которых изменяется сопротивление контактов между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно, флюктуирует (изменяется) значение сопротивления, что ведет к появлению между выводами резистора ЭДС токовых шумов E_i. Токовый шум, так же как и тепловой, имеет непрерывный спектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот.

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

(2.18)

где K_i — коэффициент, зависящий от конструкции резистора, свойств резистивного слоя и полосы частот. Величина K_i указывается в ТУ и лежит в пределах от 0,2 до 20 мкВ/В. Чем однороднее структура, тем меньше токовый шум. У металлопленочных и углеродистых резисторов величина K_i ≤ 1,5 мкВ/В, у композиционных поверхностных резисторов К_i ≤ 40 мкВ/В, у композиционных объемных резисторов К_i ≤ 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.

Получить у преподавателя исследуемый элемент и произвести расчет его конструктивных параметров по вариантам и данным в табл 1.

Определить следующие параметры резистора:

· требуемое удельное сопротивление материалов для резистивного слоя ρ,

· удельное поверхностное сопротивление ρs,

· предельное(пробивное) рабочее напряжение Uпред(проб),

· ТКС,

· β_R

· ЭДС шума Ет

· ЭДС токового шума Ei

Таблица 1.