Билет №20 (Ответы на экзамен 2)

9

Билет №20

2.1. Резисторы

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

R = ρl/S, (2.1)

где р — 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 р и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т. д., имеющие большое р.

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

Тогда

R = ρs l/w, (2.2)

где ρs = ρ/ δ удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки δ. Если l=w,ToR = ρs, 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

R= ρs l/πD

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

Р ис.2.1

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

R = ρsND/t-απ,

где t — шаг спирали; α — ширина канавки (расстояние между соседними витками спирали); N = l/t число витков спирали.

Рис.2.2

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).

Р ис.2.3

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

Для гибридных ИМ С выпускают микромодульные резисторы, представляющие собой стержень из стекловолокна с нанесенным на поверхность тонким слоем то­копроводящей композиции. Такие резисторы приклеивают к контактным пло­щадкам подложек токопроводящим клеем — контактолом.

Резисторы гибридных ИМС изготавливают в виде резистивных пленок, наноси­мых на поверхность диэлектрической подложки. Эти резисторы могут быть тон­копленочными (толщина пленки порядка 1 мкм) и толстопленочными (толщина пленки порядка 20 мкм).

Резисторы полупроводниковых ИМС представляют собой тонкую (толщиной 2-3 мкм) локальную область полупроводника, изолированную от подложки и за­щищенную слоем SiO2.

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

Э тот резистор состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть представляет собой пластмассовый круглый 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 представляет собой тонкую графитовую, металлическую, металлооксидную или композиционную пленку.

Переменные резисторы могут иметь разный закон изменения сопротивления в за­висимости от угла поворота оси (рис. 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 обратнологарифмическому.

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.

Выбор типа резистора (постоянного или переменного) 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.

Рис. 2.7

На схеме R_R — сопротивление резистивного элемента, Rиз — сопротивление изо­ляции, определяемое свойством защитного покрытия и основания, Rк — сопро­тивление контактов, L_R — эквивалентная индуктивность резистивного слоя и выводов резистора, C_R — эквивалентная емкость резистора, Ск1 и Ск2 — емкости выводов. Активное сопротивление резистора определяется соотношением

R = (R_R + Rк)Rиз/ (R_R+Rк+Rиз) (2.5)

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. Относительная частотная погрешность определяется соотношением

α_R=(Z-R)/R100%, (2.6)

где Z — комплексное сопротивление резистора на частоте со.

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

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 Rном 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).

Таблица 2.1. Числовые коэффициенты для определения номинальных значений сопротивлений
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 - -

Номинальные значения сопротивлений определяются числовыми коэффициен­тами, входящими в табл. 2.1, которые умножаются на 10ⁿ, где n — целое положи­тельное число. Так, например, числовому коэффициенту 1,0 соответствуют резис­торы с номинальным сопротивлением, равным 10,100,1000 Ом и т. д. Допустимые oтклонения от номинала для ряда Е6 составляют ±20 %, для ряда Е12 — ±10 %, Для ряда Е24 — ±5 %. Это значит, что резистор с сопротивлением 1,5 кОм из ряда Е12 Может обладать сопротивлением в пределах от 1,35 до 1,65 кОм, 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, то есть максимально возможное сопротивление какого-либо номинала совпадает (или несколько больше) с минимальной вели­чиной сопротивления соседнего более высокого номинала.

Прецизионные резисторы имеют отклонения от номинала ±2 %; ±1 %; ±0,5 %; ±0,2 %; ±0,1 %; ±0,05 %; ±0,02 % и ±0,01 %.

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 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

Pвыд = UI. (2.8)

Мощность, рассеиваемая резистором в окружающую среду, пропорциональна раз­ности температур резистора Tr и окружающей среды Тo:

P = (Tr – To)/R

Эта мощность зависит от условий охлаждения резистора, определяемых значе­нием теплового сопротивления Rт, которое тем меньше, чем больше поверхность резистора и теплопроводность материала резистора.

При увеличении мощности, выделяемой в резисторе, возрастает его температура Tr, что может привести к выходу резистора из строя. Для того чтобы этого не произошло, необходимо уменьшить Rт, что достигается увеличе­нием размеров резистора. Для каждого типа резистора существует определенная максимальная температура Тмах, превышать которую нельзя. Температура Тк, как следует из вышеизложенного, зависит также от темпера­туры окружающей среды. Если она очень высока, то температура TR 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.