63326 (Устройство, характеристика и виды резисторов)

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЗИСТОРАХ. КЛАССИФИКАЦИЯ, СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И МАРКИРОВКА

Резистор - это компонент радиоэлектронного устройства, предназначенный для перераспределения и регулировки энергии между элементами схемы.

Резисторы используют для формирования заданных величин токов и напряжений в электрической цепи радиоэлектронных устройств, создания необходимых электрических режимов активных компонентов, согласования электрических цепей, поглощения электрической мощности, для применения в частотозадающих цепях генераторов и фильтров и т.д.

В настоящее время наравне с дискретными резисторами получают все большее распространение наборы резисторов. Конструктивно наборы, как правило, оформляются в корпусах микросхем.

Резисторы делят на две большие группы: постоянные и переменные резисторы. По назначению постоянные резисторы подразделяют на резисторы общего применения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные, а переменные резисторы - на подстроечные (их сопротивление изменяют при технологических регулировках) и регулировочные, сопротивление которых изменяют во время функционирования аппаратуры.

По принципу создания резистивного элемента различают проволочные, непроволочные и металлофольговые резисторы. Основное применение находят непроволочные резисторы - тонкопленочные (металлокерамические, металлоокисные, металлизированные, углеродистые, бороуглеродистые), толстопленочные (лакопленочные, керметные, на проводящей пластмассе) и объемные (с добавлением органических и неорганических диэлектриков).

По способу монтажа подразделяют резисторы для навесного монтажа, печатного монтажа и используемые в составе микросхем и микросборок.

Набор резисторов представляет совокупность резисторов, объединенных в единую конструкцию в корпусах микросхем или корпусах сопрягающихся с микросхемами. Их классифицируют по назначению (общего назначения, прецизионные, высоковольтные, высокомегаомные), типу резистивного элемента и схемотехническому построению (простой набор, функциональный набор, комбинированный набор, который состоит из постоянных и переменных резисторов).

Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение резистора, указываются в определенной последовательности. Для резисторов постоянного сопротивления указываются: тип резистора; номинальная мощность рассеяния, номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения (Ом, кОм, МОм, ГОм, ТОм); допускаемое отклонение сопротивления в процентах (допуск); группа по уровню шумов (для непроволочных резисторов); группа по температурному коэффициенту сопротивления (ТКС).

Для резисторов переменных указываются номинальная мощность рассеяния; номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения (Ом, кОм, МОм); допускаемое отклонение сопротивления в процентах; функциональная характеристика (для непроволочных резисторов); обозначение конструктивных особенностей вала. Например, постоянный непроволочный резистор с регистрационным номером 4, номинальной мощностью рассеяния 0.5 Вт, номинальным сопротивлением 10 кОм, с допуском 1%, группой по уровню шумов А, группой ТКС - Б, все климатического исполнения В, обозначается: P1-4-0.5-10кОм 1% А-Б-В ОЖО.467.157 ТУ.

Резистор имеет также буквенно-цифровую маркировку. В зависимости от размеров резистора она может быть полной и сокращенной. Полная маркировка содержит: вид, номинальную мощность, номинальное сопротивление, допуск и дату изготовления. Сокращенная - номинальное сопротивление, допуск или дату изготовления.

Обозначение номинальных сопротивлений может быть полным (215 Ом, 150 кОм, 2,2 МОм, 6,8 ГОм, 1 ТОм) или кодированным (215R, 150K, 2M2, 6 G8, 1T), где буквы R, K, M, G, T обозначают соответственно множители 1, 10 ³, 10⁶, 10⁹, 10¹² для сопротивлений, выраженных в омах.

Полное обозначение допускаемого отклонения состоит из цифр, кодированное - из букв. Применяется и цветная маркировка резисторов, которая выполняется в виде цветных точек или полос.

Обозначение наборов резисторов, выполненных по тонкопленочной технологии состоит из следующих элементов: первый элемент - цифра 3 обозначающая группу микросхем; второй элемент - две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем; третий элемент - две буквы, обозначающие подгруппу и вид микросхемы: НР - набор резисторов, НФ - наборы функциональные (в том числе и матрицы резисторов типа R-2R);четвертый элемент - условный номер разработки микросхемы по функциональному признаку в данной серии. Например, 301НР2...ТУ. Для наборов резисторов, не отнесенных к классу интегральных микросхем, обозначение может быть сокращенным и полным. Сокращенное обозначение состоит из следующих элементов: первый элемент - буквы НР (набор резисторов); второй элемент - цифра, обозначающая вид материала резистивных элементов (1 - непроволочные, 2 - проволочные или металлофольговые); третий элемент - регистрационный номер конкретного набора резисторов.

В состав основных параметров и характеристик наборов резисторов входят: обозначение типовой схемы построения набора; число резисторов или разрядов в наборе; номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения сопротивления (Ом, кОм, МОм); допускаемое отклонение сопротивления в процентах и коэффициент отношения (деления); погрешность коэффициента отношения (деления); группа по ТКС.

2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА РЕЗИСТОРОВ

При использовании резистора в цепях переменного тока и напряжения, особенно на высоких частотах, резистор нельзя рассматривать как элемент, обладающий только активным сопротивлением, необходимо учитывать его паразитные реактивные составляющие.

Сопротивление резистора в цепи постоянного тока

(R_R+R_К)·R_ИЗ

R = .

R_R + R_К + R_ИЗ

Сопротивление R_К имеет существенное значение только для низкоомных резисторов, однако в процессе функционирования резистора из-за перегрева, недостаточного контактного усилия, действия влаги оно может значительно возрасти.

Сопротивление Rиз определяется качеством диэлектрика, используемого для основания и защитного изоляционного покрытия, и практически влияет на общее сопротивление R только для высокоомных резисторов (R_R > 10⁹ - 10¹⁰ Ом).

Постоянные резисторы характеризуются номинальным сопротивлением и допуском, номинальной мощностью, электрической прочностью, ТКС, уровнем собственных шумов, стабильностью, частотными свойствами.

Номинальное сопротивление - это электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в сопроводительной документации и которое является исходным для отсчета отклонения от этого значения.

Диапазон номинальных сопротивлений для резисторов: постоянных - от долей ома до единиц тераом; переменных непроволочных - от 0,47 Ом до 1 МОм; переменных не проволочных от 1 Ом до 10 МОм.

Номинальные сопротивления резисторов стандартизованы и устанавливаются рядами предпочтительных чисел. Это десятичные ряды геометрических прогрессий, первый член которых равен единице, а знаменатель прогрессии q_N = 10^1/N для ряда EN. Цифра после буквы E указывает число номиналов в каждом десятичном интервале. Любой член ряда aⁿ = q^n-1, где n - номер искомого члена. Наиболее употребительны ряды предпочтительных чисел E6, E12, E24 и т. д. Знаменатели этих рядов соответственно будут: q₆ = 10^(1/6) = 1,47; q₁₂ = 10^(1/12) = 1,21; q₂₄ = 10^(1/24) = 1,1. Для постоянных резисторов установлены ряды E6, E12, E24, E48, E96, E192, а для переменных - ряд Е6.

Действительные значения сопротивлений резисторов вследствие технологических погрешностей могут отличаться от номинальных в пределах допусков. Величины допусков также нормированы и задаются рядом: 0.001; 0.002; 0.005; 0.01; 0.02; 0.05; 0.1; 0.25; 0.5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 %.

В резисторах общего применения номиналы сопротивлений согласованны с допусками таким образом, что получается так называемая "безотходная шкала": номиналы и допустимые отклонения сопротивления одного резистора примыкают к номиналу и допустимым отклонениям соседнего. Поэтому изготовленный резистор обязательно попадет в одну из групп.

Номинальная мощность - наибольшая мощность, которую может рассеивать резистор в заданных условиях в течении гарантированного срока службы при сохранении параметров в установленных пределах. Наиболее часто используются постоянные резисторы, обладающие номинальной мощностью 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0 Вт, а переменные - 0,5; 1,0; 2,0 Вт.

Значение номинальной мощности зависит от конструкции резистора, геометрических размеров и физических свойств материалов. Чем выше теплостойкость конструкционных и резистивных материалов, тем выше допустимая рассеиваемая мощность для данной конструкции. С повышением температуры окружающей среды теплоотдача ухудшается и происходит нагрев резистора сверх допустимой температуры. Поэтому необходимо уменьшать электрическую нагрузку. Для каждого типа резистора устанавливается предельная температура, при которой его можно нагружать номинальной мощностью. Для непроволочных резисторов это 100 - 120°С, для проволочных - выше.

Предельное рабочее напряжение резистора - это максимальное напряжение для данного типа резистора, при котором он может работать длительное время, не изменяя своих параметров. Мощность, выделяемая при этом резистором, не должна превышать номинальную. Для высокоомных резисторов максимальное напряжение ограничивается напряжением пробоя, а для низкоомных резисторов - допустимой мощностью рассеивания Р_доп:

U_макс = (P_доп·R)^1/2.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) - величина, характеризующая относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1°C.

(R₂-R₁)

ТКС = , 1/°C,

R₁·(T₂-T₁)

где R₁ и R₂ - сопротивление резистора, измеренное при температуре Т₁ и Т₂ соответственно.

ТКС характеризует обратимые изменения сопротивления резистора. В диапазоне температур ТКС может менять свою величину и знак. ТКС непроволочных резисторов общего назначения лежит в пределах +(0.5-20)·10^-4 1/°C, прецизионных - +(0.05-10)·10^-4 1/°C, а проволочных - от 0 до +2·10^-4 1/°C.

Необратимые температурные изменения сопротивления резистора возникают после длительного воздействия повышенных температур или после нескольких температурных циклов. Большинство типов непроволочных резисторов допускает работу при температурах от -60 до +(100 - 150)°C и выше. Проволочные резисторы могут работать при более высоких температурах.

Старение резисторов проявляется главным образом в изменении сопротивления, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет кристаллизации, окисления и различных электрохимических процессов, а также за счет изменения свойств переходных контактов. Процессы старения ускоряются в условиях повышенных температур, влажности и при электрической нагрузке. Наиболее устойчивыми к действию факторов старения являются проволочные резисторы, а среди непроволочных - тонкослойные металлодиэлектрические и металлоокисные, менее стойкими считаются композиционные лакопленочные. Процессы старения могут изменить сопротивление резистора на несколько процентов.

Собственные шумы резисторов складываются из тепловых шумов и токовых шумов. Уровень шумов измеряется Э.Д.С. шумов.

Возникновение тепловых шумов связано с флуктуационными изменениями объемной концентрации свободных электронов в резистивном элементе, обусловленными их тепловым движением. Тепловые шумы характеризуются непрерывным, практически равномерным спектром. Напряжение тепловых шумов Ет не зависит от материала, а определяется температурой и величиной сопротивления:

Ет = (4·k·Т·R·F)^1/2, B,

где k - постоянная Больцмана, к = 1,38·10²³ Дж/K;

Т - температура, К;

R - сопротивление, Ом;

F - ширина полосы частот, Гц.

При Т = 300К можно пользоваться формулой:

Е_Т =(R F)^1/2 / 8, мкв,

где R - сопротивление, кОм;

F - ширина полосы частот, кГц.

Тепловые шумы нельзя исключить или уменьшить, они существуют независимо от тока, протекающего в резисторе. Тепловые шумы определяют шумовые характеристики проволочных резисторов. Высокоомные резисторы могут иметь напряжение тепловых шумов значительно выше шумов усилительных приборов.

При прохождении тока по непроволочному резистору дополнительно возникают токовые шумы. Они обусловлены дискретной структурой резистивного элемента. Интенсивность токовых шумов зависит от проходящего тока. При прохождении электрического тока происходят локальные нагревы, сопровождающиеся разрушением контактов между одними частицами и появлением контактов между другими в результате их спекания, возникновением новых проводящих цепочек. Это вызывает флуктуацию сопротивления и тока и на резисторе появляется шумовая составляющая напряжения. Токовый шум имеет непрерывный спектр, спектральная плотность которого пропорциональна величине 1/f. Поскольку Э.Д.С. шума зависит от тока, то она зависит и от напряжения U, приложенного к резистору: