3. Резисторы

3.1.Основные характеристики резисторов

Резистор - элемент, основное функциональное назначение которого обеспечивать определенное соотношение между током и приложенным напряжением, что позволяет регулировать уровень разнообразных электрических сигналов, поступающих на различные участки в схемах.

Основными элементами конструкции любого резистора являются: резистивный материал (токонесущая часть), основание и контактные узлы, обеспечивающие надежный электрический контакт с резистивным элементом и возможность монтажа резистора в аппаратуру.

Учитывая закон Ома, из определения резистора следует, что важнейшей его характеристикой является сопротивление R

,

где U – приложенное к резистору напряжение, I- протекающий ток.

Отметим, что до 1962 года термин «резистор» в нашей стране не употреблялся и соответствующий элемент называли просто сопротивлением. Это приводило к неоднозначности понятия сопротивления, поскольку последнее имеет значение физической величины, причем может не только активным, но и реактивным, присущим емкостным и индуктивным элементам на переменном токе, а также нулевым и отрицательным.

Резистор обладает исключительно активным положительным по величине сопротивлением, которое проявляется при протекании любого тока (постоянного или переменного) при переходе части электрической энергии в тепловую. Это позволяет регулировать и распределять электрическую энергию между узлами, цепями и элементами электрических схем.

Основными электрическими параметрами постоянных резисторов являются:

1. номинальное сопротивление R – сопротивление, на которое рассчитан резистор и которое указывается на корпусе резистора.

Сопротивление резистора определяется удельным сопротивлением резистивного материала  и геометрией токонесущей части (конструкцией изделия) ,

где - протяженность пути прохождения тока от одного контактного узла к другому;

S – площадь поперечного сечения токонесущей части.

Сопротивление резисторов цилиндрической формы с пленочным резистивным элементом толщиной b < D определяется формулой

Отношение называют коэффициентом формы и обозначают через к. Как правило, значение к выбирается близкой к единице (0,6-1,5), что отвечает необходимым эксплуатационным характеристикам изделий.

Поскольку величина удельного сопротивления резистивных пленок зависит не только от используемого материала, но и от толщины слоя, на практике часто пользуются понятием сопротивления квадрата пленки R_КВ

R_КВ= (Ом)

При этом полное сопротивление резистора можно определить по формуле R = К R_КВ

2. Допуск на величину сопротивления, приводимая в технической документации на изделие. Он часто указывается вместе с номинальным сопротивлением на поверхности резистора в его маркировке.

3. Номинальная мощность Р_ном – максимально допустимая мощность, которую резистор может рассеивать в виде тепла в заданных условиях при непрерывной работе в течение всего гарантированного срока службы сохраняя свои параметры в указанных пределах. Зависит от термостабильности резистивного материала, а также от условий отвода тепла, определяемых конструкцией резистора и узла аппаратуры, куда он монтируется и режима эксплуатации.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), характеризует обратимое изменение сопротивления вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки, приводящие к изменению температуры резистора.

По определению

Среднее значение ТКС резистора в заданном интервале температур обычно определяют по формуле ,

где R - сопротивление резистора при определенной температуре;

ΔR – изменение сопротивления при изменении температуры на ΔТ;

ΔТ – интервал температур, в котором определяется ТКС.

5. Номинальное напряжение (предельное) – максимальное значение напряжения, приложенного к резистору, при котором он в течение срока службы сохраняет свои параметры в заданных пределах

Для создания резисторов, удовлетворяющих требованиям современного электронного приборостроения, необходимы резистивные материалы, обладающие удельным сопротивлением от 10^-3 до 10⁷ Ом∙см. По этому параметру резистивные материалы относятся к классу полупроводников. Однако в отличие от последних они должны обладать малыми изменениями сопротивления при воздействии таких факторов, как температура, что необходимо для достижения малых значений ТКС, а также напряженность электрического поля и освещенность, так что использование материалов полупроводниковой электроники в качестве резистивных исключено.

Резистивные материалы должны обладать низким уровнем токовых шумов, долговременной стабильностью свойств в различных и широко меняющихся внешних условиях, в том числе при экстремальных условиях эксплуатации.

При этом, предлагая тот или иной резистивный материал на основе физических и физико-химических подходов, необходимо чтобы он был технологичен и отвечал требованиям производственного технологического процесса.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИСТОРОВ

Прежде всего резисторы разделяют на постоянные (нерегулируемые) и переменные (регулируемые), сопротивление которых меняется перемещением подвижного контакта. На рис.3.1 представлены принятые обозначения в электрических схемах. Переменные резисторы включаются в схему двумя способами: потенциометрическим и реостатным.

Рис.3.1. Условные графические обозначения резисторов: а - постоянный резистор, б - переменный резистор (потенциометр)

Постоянные резисторы, в зависимости от конструктивного исполнения токонесущей части, разделяются на проволочные и непроволочные.

Обязательными составными частями любого нерегулируемого резистора являются основание, на которое наносится слой резистивного материала (резист) или наматывается проволока, а также два электрических вывода, при помощи которых резистор подключается к схеме. Постоянные резисторы бывают незащищенные, покрытые огнестойкой краской, лакированные, опрессованные пластмассой, покрытые эмалью, керамикой, помещенные в стеклянный вакуумный или газонаполненный баллон.

Внешний вид постоянных проволочных и непроволочных резисторов различной формы показан на рис.3.2

а

б

Рис.3.2. Основные типы корпусов постоянных непроволочных (а) и проволочных резисторов (б)

Переменные резисторы разделяют на регулировочные, предназначенные для многократных оперативных регулировок, и установочные (подстроечные), предназначенные для периодической подстройки аппаратуры.

Конструкции изделий этого класса предусматривают возможность плавного или ступенчатого изменения значения сопротивления. Для этих целей используются потенциометры, принципиальная схема которых представлена на рис.3.3.

Рис.3.3. Принципиальная схема устройства переменного резистора

Один из контактов регулировочного резистора выполняется подвижным, так что его перемещение по поверхности токонесущей части позволяет изменять сопротивление резистора. Переменные резисторы по конструкции разделяют на одно- и многоэлементные, с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта. Основные типы корпусов переменных резисторов показаны на рис.3.4.

В качестве установочных резисторов, предназначенных для установления точных значений питающих напряжений на электродах активных радиокомпонентов и необходимых уровней полезных сигналов в электрических схемах, используются как потенциометры, конструктивно выполненные как регулировочные, так и резисторы, предназначенные для печатного монтажа.

а

б

Рис. 3.4. Основные типы корпусов переменных непроволочных (а) и проволочных (б) резисторов

Для характеристики переменных резисторов, кроме указанных выше основных параметров, используют дополнительные:

- минимальное сопротивление;

• начальный скачок, возникающий при вращении подвижной шкалы от упора до начала плавного изменения сопротивления и обусловленный наличием удельных сопротивлений резистивного элемента и контактного узла;

• функциональная характеристика (кривая регулирования), отражающая зависимость сопротивления переменного резистора от положения подвижного контакта; по виду этой характеристики различают линейные (тип А) и нелинейные с логарифмической характеристикой (тип Б), обратнологарифмической характеристикой (тип В) и другие переменные резисторы;

• разрешающая способность, так как наименьшее изменение угла поворота (перемещение) подвижной системы, которое может быть различимо и отвечает минимально возможному изменению сопротивления;

• шумы вращения;

• износоустойчивость, оцениваемая количеством циклов перемещения подвижной системы в течение срока службы при сохранении параметров в пределах установленных допусков.

3.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗИСТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ.

Рассмотрим основные функции, которые выполняют линейные резисторы в радиоэлектронной, измерительной и другой аппаратуре.

Одной из главных функций резисторов является уменьшение имеющегося напряжения источника U_ИСТ до необходимого значения U_ПОТР. Это можно осуществить двумя способами.

Во-первых, с помощью так называемого «гасящего» резистора, который включается последовательно между источником питания и схемой-потребителем, сопротивлением

,

где I_ПОТР - установившееся значение потребляемого схемой постоянного тока.

Во-вторых, с помощью аттенюатора – устройства, которое позволяет производить деление напряжения в заданное число раз.

Схема простейшего аттенюатора, предназначенного для ослабления постоянного напряжения, состоит из ряда последовательно включенных резисторов и переключателя (рис.3.5, а)

Рис. 3.5. Электрическая схема делителя напряжения (аттенюатора) (а), эквивалентная схема замещения (б)

Роль аттенюатора может играть потенциометрический делитель (переменное сопротивление, которое можно рассматривать как два последовательно соединенных резистора. Принцип действия аттенюатора становится ясным, если воспользоваться эквивалентной схемой (рис.4.5, б), где R^'- суммарное сопротивление всех резисторов аттенюатора, находящихся выше точек подключения, а R" – ниже ее.

Потребляемое напряжение, снимаемое с R", определяется как

,

или U_ПОТР=nU_{ИСТ ,}

где - коэффициент, показывающий, во сколько раз делится напряжение источника.

Для нормальной работы аттенюатора необходимо, чтобы сумма сопротивлений R' и R" была велика по сравнению с внутренним сопротивлением источника (в противном случае падение напряжения на цепочке сопротивлений будет близким к нулю), а величина сопротивления рабочего плеча делителя R" была мала по сравнению с сопротивлением нагрузки (в противном случае U_потр резко уменьшается).

Применение делителей обеспечивает стабильность снимаемого напряжения при значительных изменениях уровня потребляемого тока (полярного сигнала), что одиночный гасящий резистор обеспечить не может.

Отметим, что при работе аттенюатора на переменном сигнале коэффициент ослабления оказывается зависящим от частоты f из-за наличия паразитной емкости С" на выходе устройства, так что для сохранения формы входного синусоидального напряжения резисторы, составляющие R', шунтируют конденсатором с емкостью С' так, чтобы R'С'= R"С". Такой аттенюатор называют частотно-компенсированным.

Другая важнейшая сфера применения резисторов - использование их в качестве нагрузки. Нагрузочные резисторы, как правило, включают последовательно в цепь тока, представляющего собой сумму постоянной составляющей источника питания и переменной составляющей полезного сигнала. Назначение нагрузочного резистора - разделить эти две составляющие.

Для того, чтобы понять, каким образом нагрузочный резистор решает эту задачу, рассмотрим RC-цепочку, на которую поступает последовательность прямоугольных импульсов длительностью t_и и периодом повторения Т и выходное напряжение снимается с резистора (рис.3.6, а,б).

Рис. 3.6. Электрическая схема с нагрузочным резистором (а); импульсное входное и выходное напряжение на R-C-цепочке (б)

Допустим, что постоянная времени цепочки  = RC  t_и. В интервале времени 0  t  t_и происходит зарядка конденсатора с источника напряжения Е_о. При этом в первый момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, все входное напряжение оказывается приложенным к резистору и U_вых = Е_о (рис.3.6, б). По мере зарядки напряжение на конденсаторе растет, а напряжение U_вых падает по экспоненте. Поскольку   t_и , за время действия первого импульса конденсатор зарядится незначительно и к моменту окончания импульса выходное напряжение близко к Е_о (величина  показывает, через какое время с момента подключения к источнику незаряженного конденсатора напряжение на нем достигает 63 % от напряжения источника).

По окончании импульса (t_и  t  t_и + T) вход RC-цепочки оказывается закороченным, а конденсатор емкостью С разряжается через резистор R. К началу следующего импульса конденсатор не успевает полностью разрядиться, и напряжение на резисторе (U_вых) отлично от нуля. Поэтому, хотя в момент начала второго импульса и происходит скачок входного напряжения, равный Е_о, выходное напряжение при этом меньше Е_о.

К началу третьего импульса остаточное напряжение конденсатора будет еще больше и т.д. до тех пор, пока в RC-цепочке будет достигнут установившийся режим, при котором на выходе отсутствует постоянная составляющая. При   t_и процессы в RC-цепочке будут такими же, но за время каждого импульса конденсатор успевает полностью зарядиться до напряжения Е_о, а за время паузы между импульсами - полностью разрядиться. Форма выходного напряжения при этом имеет вид, показанный на рис.3.7 .

Таким образом, RC-цепочка при   t_и производит дифференцирование входного сигнала. Точность дифференцирования зависит от соотношения между  и t_и. Если RC-цепь подключена к источнику постоянного напряжения, то она выполняет роль времязадающей цепи с постоянной времени .

Учитывая разнообразие электрических схем, входных сигналов, уровня потребляемых токов и напряжений, ясно, что для осуществления указанных функций необходима широкая номенклатура резисторов по номинальному сопротивлению и высокая стабильность последнего.

Следующая распространенная функция резисторов - шунтирование. Под шунтом понимают резистор, включенный параллельно каким-либо радиоэлементам. Важной областью использования резисторов-шунтов является регулирование добротности резонансных систем.

Рис.3.7. Входное напряжение на R-C-цепочке (а); выходное напряжение на резисторе (б)

Рассмотрим в этой связи параллельный колебательный контур (рис.3.8).

Известно, что при частоте напряжение на контуре максимально (реактивное сопротивление индуктивного и емкостного элементов одинаковы и общее сопротивление максимально). Это явление называют резонансом, а частоту _р – резонансной частотой контура.

Рис. 3.8. Электрическая схема резонансного контура

При отклонении от резонансной частоты проводимость контура возрастает, а напряжение на контуре падает. Для учета изменения напряжения используется понятие полосы пропускания контура – полосы частот вблизи резонанса, на границах которого амплитуда напряжения снижается до от резонансного значения (рис.3.9).

2₀

Q₂

Q₁

_p



Q₂<Q₁

Рис.3.9. Резонансные характеристики контура с различной добротностью Q₁ и Q₂

Ширина полосы пропускания определяется как

,

где Q – добротность контура, пропорциональная активному сопротивлению.

Если зашунтировать контур резистором малого сопротивления, величина R в эквивалентной схеме контура уменьшается, и добротность Q упадет. Это приводит к расширению полосы пропускания, что используется с этой целью в радиовещательной аппаратуре.

Для осуществления этой функции необходимы резисторы сопротивлением единицы-десятки Ом, устойчивые к изменению температуры, (то есть с малым ТКС), к влажности окружающей среды, а также низким уровнем токовых шумов.

3.4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К

РЕЗИСТИВНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Требования, предъявляемые к резистивным материалам, вытекают из назначения и условий эксплуатации резисторов.

Для создания резисторов, удовлетворяющих требованиям современного электронного приборостроения, необходимы резистивные материалы, обладающие удельным сопротивлением от 10^-3 до 10⁷ Ом∙см. По этому параметру резистивные материалы относятся к классу полупроводников. Однако в отличие от последних они должны обладать малыми изменениями сопротивления при воздействии таких факторов, как температура, что необходимо для достижения малых значений ТКС, а также напряженность электрического поля и освещенность, так что использование материалов полупроводниковой электроники в качестве резистивных исключено.

Резистивные материалы должны обладать низким уровнем токовых шумов, долговременной стабильностью свойств в различных и широко меняющихся внешних условиях, в том числе при экстремальных условиях эксплуатации.

При этом, предлагая выбор того или иного резистивного материала на основе физических и физико-химических подходов, необходимо чтобы материал был технологичен и отвечал требованиям производственного технологического процесса.