Набор резисторов с осевыми выводами | |
Тип | Пассивный |
---|---|
Принцип работы | Электрическое сопротивление |
Электронный символ | |
Два общих условных обозначения |
Резистор является пассивным двухполюсником электрического компонента, который реализует электрическое сопротивление в качестве элемента схемы. В электронных схемах резисторы используются, среди прочего, для уменьшения протекания тока, регулировки уровней сигналов, разделения напряжений, смещения активных элементов и завершения линий передачи. Резисторы большой мощности, которые могут рассеивать много ватт электроэнергии в виде тепла, могут использоваться как часть управления двигателями, в системах распределения энергии или в качестве испытательных нагрузок для генераторов. Постоянные резисторы имеют сопротивление, которое незначительно изменяется в зависимости от температуры, времени или рабочего напряжения. Переменные резисторы можно использовать для регулировки элементов схемы (например, регулятора громкости или регулятора яркости лампы) или в качестве датчиков тепла, света, влажности, силы или химической активности.
Резисторы являются обычными элементами электрических сетей и электронных схем и повсеместно используются в электронном оборудовании. Практические резисторы как дискретные компоненты могут состоять из различных соединений и форм. Резисторы также реализованы в интегральных схемах.
Электрическая функция резистора определяется его сопротивлением: обычные коммерческие резисторы производятся в диапазоне более девяти порядков величины. Номинальное значение сопротивления находится в пределах производственного допуска, указанного на компоненте.
Два типичных символа схематического представления:
(а) резистор, (б) реостат (переменный резистор) и (в) потенциометр
Обозначение резистора IEC
Обозначения для обозначения номинала резистора на принципиальной схеме различаются.
Одна из распространенных схем - это код RKM в соответствии с IEC 60062. Он избегает использования десятичного разделителя и заменяет десятичный разделитель буквой, слабо связанной с префиксами SI, соответствующими сопротивлению детали. Например, 8K2 в качестве кода маркировки детали, на принципиальной схеме или в ведомости материалов (BOM) указывает номинал резистора 8,2 кОм. Дополнительные нули означают более жесткий допуск, например 15M0 для трех значащих цифр. Когда значение может быть выражено без префикса (то есть, множитель 1), вместо десятичного разделителя используется буква «R». Например, 1R2 означает 1,2 Ом, а 18R означает 18 Ом.
Поведение идеального резистора описывается законом Ома :
Закон Ома гласит, что напряжение () на резисторе пропорционально току (), проходящему через него, где константа пропорциональности - это сопротивление (). Например, если резистор 300 Ом подключен к клеммам 12-вольтовой батареи, то через этот резистор протекает ток 12/300 = 0,04 ампера.
На практике резисторы отклоняются от идеального поведения, определяемого законом Ома. Например, у них есть индуктивность и емкость, которые влияют на соотношение между напряжением и током в цепях переменного тока.
Ом (обозначение: Ω ) является СИ единица электрического сопротивления, названный в честь Георга Симона Ома. Ом эквивалентен вольт на ампер. Поскольку резисторы специфицированы и производятся в очень большом диапазоне значений, производные единицы миллиом (1 мОм = 10 −3 Ом), килоом (1 кОм = 10 3 Ом) и мегаом (1 МОм = 10 6 Ом) являются также широко используется.
Общее сопротивление резисторов, соединенных последовательно, складывается из значений их индивидуальных сопротивлений.
Общее сопротивление резисторов, соединенных параллельно, обратно пропорционально сумме обратных сопротивлений отдельных резисторов.
Например, резистор 10 Ом, подключенный параллельно резистору 5 Ом, и резистор 15 Ом дает 1/1/10 + 1/5 + 1/15 Ом сопротивления, или 30/11 = 2,727 Ом.
Сеть резисторов, которая представляет собой комбинацию параллельного и последовательного соединения, может быть разбита на более мелкие части, которые являются одним или другим. Некоторые сложные сети резисторов не могут быть решены таким образом, что требует более сложного анализа схем. Как правило, для решения таких проблем можно использовать преобразование Y-Δ или матричные методы.
В любой момент мощность P (ватт), потребляемая резистором с сопротивлением R (Ом), рассчитывается как: где V (вольт) - это напряжение на резисторе, а I (амперы) - ток, протекающий через него. Используя закон Ома, можно получить две другие формы. Эта мощность преобразуется в тепло, которое должно быть отведено корпусом резистора, прежде чем его температура чрезмерно возрастет.
Резисторы рассчитаны в соответствии с их максимальной рассеиваемой мощностью. Дискретные резисторы в твердотельных электронных системах обычно имеют номинальную мощность 1/10, 1/8 или 1/4 Вт. Обычно они потребляют намного меньше, чем ватт электроэнергии, и не требуют особого внимания к их номинальной мощности.
Резистор мощности в алюминиевом корпусе с мощностью рассеивания 50 Вт при установке на радиаторе.Резисторы, необходимые для рассеивания значительного количества энергии, особенно используемые в источниках питания, схемах преобразования мощности и усилителях мощности, обычно называются силовыми резисторами ; это обозначение свободно применяется к резисторам с номинальной мощностью 1 Вт или выше. Резисторы мощности физически больше и могут не использовать предпочтительные значения, цветовые коды и внешние пакеты, описанные ниже.
Если средняя мощность, рассеиваемая резистором, превышает его номинальную мощность, может произойти повреждение резистора, необратимо изменив его сопротивление; это отличается от обратимого изменения сопротивления из-за его температурного коэффициента при нагревании. Чрезмерное рассеивание мощности может привести к повышению температуры резистора до точки, при которой он может сжечь печатную плату или соседние компоненты или даже вызвать пожар. Существуют взрывобезопасные резисторы, которые выходят из строя (разрыв цепи) до того, как они перегреются.
Поскольку возможна плохая циркуляция воздуха, большая высота над уровнем моря или высокие рабочие температуры, резисторы могут быть указаны с более высоким номинальным тепловыделением, чем при эксплуатации.
Все резисторы имеют максимальное номинальное напряжение; это может ограничить рассеиваемую мощность для более высоких значений сопротивления. Например, среди 1/4 ватт резисторы (очень распространенный вид этилированного резистора) один перечислен с сопротивлением 100 МОм и максимальным номинальным напряжением 750v. Однако даже постоянная подача напряжения 750 В на резистор 100 МОм приведет только к рассеиваемой мощности менее 6 мВт, что делает номинальное значение 1/4 Вт бессмысленным.
Резистор силовой ВЗР 1,5кОм 12Вт, изготовлен в 1963 году в Советском Союзе.Практические резисторы имеют последовательную индуктивность и небольшую параллельную емкость ; эти характеристики могут быть важны в высокочастотных приложениях. В малошумящего усилителя или предварительного усилителя, то шумовые характеристики резистора может быть проблемой.
Температурный коэффициент сопротивления также может представлять интерес в некоторых прецизионных приложениях.
Нежелательная индуктивность, избыточный шум и температурный коэффициент в основном зависят от технологии, используемой при производстве резистора. Обычно они не указываются отдельно для определенного семейства резисторов, изготовленных с использованием определенной технологии. Семейство дискретных резисторов также характеризуется своим форм-фактором, то есть размером устройства и положением его выводов (или выводов), что важно при практическом изготовлении схем с их использованием.
Практические резисторы также определяются как имеющие максимальную номинальную мощность, которая должна превышать ожидаемую рассеиваемую мощность этого резистора в конкретной цепи: это в основном вызывает озабоченность в приложениях силовой электроники. Резисторы с более высокой номинальной мощностью физически больше и могут потребовать радиаторов. В высоковольтной цепи иногда необходимо обращать внимание на номинальное максимальное рабочее напряжение резистора. Хотя для данного резистора не существует минимального рабочего напряжения, неучет максимального номинала резистора может привести к сгоранию резистора при прохождении через него тока.
Компоненты со сквозным отверстием обычно имеют «выводы» (произносится как / l iː d z / ), выходящие из корпуса «в осевом направлении», то есть по линии, параллельной самой длинной оси детали. У других провода отходят от тела «радиально». Другие компоненты могут быть SMT (технология поверхностного монтажа), в то время как резисторы высокой мощности могут иметь один вывод, встроенный в радиатор.
Резисторы из углеродного состава (CCR) состоят из сплошного цилиндрического резистивного элемента с заделанными проволочными выводами или металлическими торцевыми крышками, к которым прикреплены выводные провода. Корпус резистора защищен краской или пластиком. У резисторов из углеродного состава начала 20-го века были неизолированные тела; подводящие провода были намотаны на концы стержня резистивного элемента и припаяны. Готовый резистор был окрашен для цветовой маркировки его номинала.
Резистивный элемент изготовлен из смеси мелкодисперсного порошка углерода и изоляционного материала, обычно керамического. Смола скрепляет смесь. Сопротивление определяется соотношением наполняющего материала (порошковой керамики) и углерода. Более высокая концентрация углерода, который является хорошим проводником, приводит к более низкому сопротивлению. Резисторы из углеродного состава обычно использовались в 1960-х годах и ранее, но сейчас они не популярны для общего использования, поскольку другие типы имеют лучшие характеристики, такие как допуск, зависимость от напряжения и напряжение. Резисторы из углеродистого состава изменяют свое значение при воздействии перенапряжения. Более того, если внутреннее содержание влаги в результате воздействия влажной среды в течение некоторого времени является значительным, высокая температура пайки вызывает необратимое изменение значения сопротивления. Резисторы из углеродного состава имеют плохую стабильность со временем и, следовательно, на заводе-изготовителе в лучшем случае допускаются только 5%. Эти резисторы являются неиндуктивными, что дает преимущества при использовании в приложениях для уменьшения импульсов напряжения и защиты от перенапряжения. Резисторы из углеродного состава обладают большей способностью выдерживать перегрузки по сравнению с размером компонента.
Резисторы из углеродного состава все еще доступны, но относительно дороги. Значения варьировались от долей Ом до 22 МОм. Из-за своей высокой цены эти резисторы больше не используются в большинстве приложений. Однако они используются в источниках питания и средствах управления сваркой. Они также востребованы при ремонте старинного электронного оборудования, где аутентичность является важным фактором.
Углеродный резистор состоит из набора углеродных дисков, сжатых между двумя металлическими контактными пластинами. Регулировка давления зажима изменяет сопротивление между пластинами. Эти резисторы используются, когда требуется регулируемая нагрузка, например, при тестировании автомобильных аккумуляторов или радиопередатчиков. Углеродный резистор также может использоваться в качестве регулятора скорости для небольших двигателей в бытовой технике (швейные машины, ручные миксеры) мощностью до нескольких сотен ватт. Резистор с углеродным стержнем может быть включен в автоматические регуляторы напряжения для генераторов, где углеродный стержень контролирует ток возбуждения для поддержания относительно постоянного напряжения. Этот принцип также применяется в угольном микрофоне.
Углеродная пленка наносится на изолирующую подложку, и в ней вырезается спираль, чтобы создать длинный узкий резистивный путь. Различные формы, в сочетании с сопротивлением из аморфного углерода ( в диапазоне от 500 до 800 мкОм м), может обеспечить широкий диапазон значений сопротивления. По сравнению с углеродным составом они обладают низким уровнем шума благодаря точному распределению чистого графита без связующего. Углеродные пленочные резисторы имеют диапазон номинальной мощности от 0,125 Вт до 5 Вт при 70 ° C. Доступные значения сопротивления находятся в диапазоне от 1 Ом до 10 МОм. Углеродный пленочный резистор имеет диапазон рабочих температур от -55 ° C до 155 ° C. Максимальный диапазон рабочего напряжения составляет от 200 до 600 В. Специальные углеродные пленочные резисторы используются в приложениях, требующих высокой импульсной стабильности.
Резисторы из углеродного состава могут быть напечатаны непосредственно на подложках печатных плат (PCB) как часть процесса производства печатных плат. Хотя этот метод более распространен на гибридных модулях печатных плат, он также может использоваться на стандартных печатных платах из стекловолокна. Допуски обычно довольно велики и могут составлять порядка 30%. Типичное применение - некритичные подтягивающие резисторы.
Толстопленочные резисторы стали популярными в 1970-х годах, и сегодня большинство резисторов SMD (устройства для поверхностного монтажа) относятся к этому типу. Резистивный элемент толстых пленок в 1000 раз толще тонких пленок, но принципиальная разница заключается в том, как пленка наносится на цилиндр (осевые резисторы) или на поверхность (резисторы SMD).
Тонкопленочные резисторы изготавливаются напылением (методом вакуумного напыления ) резистивного материала на изолирующую подложку. Затем пленка протравливается аналогично старому (субтрактивному) процессу изготовления печатных плат; то есть поверхность покрывается фоточувствительным материалом, затем покрывается пленкой с рисунком, облучается ультрафиолетовым светом, а затем проявляется экспонированное фоточувствительное покрытие и стравливается нижележащая тонкая пленка.
Толстопленочные резисторы изготавливаются с использованием процессов трафаретной и трафаретной печати.
Поскольку время, в течение которого выполняется распыление, можно контролировать, можно точно контролировать толщину тонкой пленки. Тип материала также обычно бывает разным и состоит из одного или нескольких керамических ( металлокерамических ) проводников, таких как нитрид тантала (TaN), оксид рутения ( RuO 2), оксид свинца (PbO), рутенат висмута ( Bi 2RU 2О 7), хром никеля (NiCr) или иридат висмута ( Bi 2Ir 2О 7).
Сопротивление как тонких, так и толстопленочных резисторов после изготовления не является очень точным; они обычно обрезаются до точного значения абразивной или лазерной обработкой. Тонкие пленочные резисторы обычно определяются с допусками 1% и 5%, а также с температурными коэффициентами от 5 до 50 частей на миллион / K. Также они имеют гораздо более низкий уровень шума, в 10–100 раз меньше, чем у толстопленочных резисторов. В толстопленочных резисторах может использоваться та же проводящая керамика, но они смешаны со спеченным (порошкообразным) стеклом и жидкостью-носителем, так что композит можно печатать методом трафаретной печати. Этот композит из стекла и проводящей керамики (металлокерамики) затем плавится (запекается) в печи при температуре около 850 ° C.
Толстопленочные резисторы при первом изготовлении имели допуски 5%, но стандартные допуски улучшились до 2% или 1% за последние несколько десятилетий. Температурные коэффициенты толстопленочных резисторов высоки, обычно ± 200 или ± 250 ppm / K; изменение температуры на 40 кельвинов (70 ° F) может изменить сопротивление на 1%.
Тонкопленочные резисторы обычно намного дороже толстопленочных резисторов. Например, тонкопленочные резисторы SMD с допусками 0,5% и температурным коэффициентом 25 ppm / K при покупке в полноразмерных барабанах примерно в два раза дороже толстопленочных резисторов 1%, 250 ppm / K.
Распространенным типом резисторов с осевыми выводами сегодня является металлопленочный резистор. Торцевые резисторы с металлическими электродами без свинца ( MELF ) часто используют ту же технологию.
Металлопленочные резисторы обычно покрыты никель-хромом (NiCr), но могут быть покрыты любым из металлокерамических материалов, перечисленных выше для тонкопленочных резисторов. В отличие от тонкопленочных резисторов, этот материал можно наносить иным способом, чем распыление (хотя это один из методов). Кроме того, в отличие от тонкопленочных резисторов, значение сопротивления определяется путем вырезания спирали через покрытие, а не травления. (Это похоже на способ изготовления углеродных резисторов.) Результатом является разумный допуск (0,5%, 1% или 2%) и температурный коэффициент, который обычно составляет от 50 до 100 ppm / K. Металлопленочные резисторы обладают хорошими шумовыми характеристиками и малой нелинейностью за счет низкого коэффициента напряжения. Также выгодны их жесткая переносимость, низкий температурный коэффициент и долговременная стабильность.
Металлооксидные пленочные резисторы изготовлены из оксидов металлов, что обеспечивает более высокую рабочую температуру, большую стабильность и надежность, чем металлическая пленка. Они используются в приложениях с высокими требованиями к долговечности.
Резисторы с проволочной обмоткой обычно изготавливаются путем наматывания металлической проволоки, обычно из нихрома, на керамический, пластиковый или стекловолоконный сердечник. Концы проволоки припаивают или приваривают к двум колпачкам или кольцам, прикрепленным к концам сердечника. Сборка защищена слоем краски, формованного пластика или эмалевого покрытия, запеченного при высокой температуре. Эти резисторы спроектированы так, чтобы выдерживать необычно высокие температуры до 450 ° C. Проволочные выводы в проволочных резисторах малой мощности обычно имеют диаметр от 0,6 до 0,8 мм и покрыты оловом для облегчения пайки. Для резисторов с проволочной обмоткой большей мощности используется либо керамический внешний корпус, либо внешний алюминиевый корпус поверх изолирующего слоя - если внешний корпус керамический, такие резисторы иногда называют «цементными» резисторами, хотя на самом деле они не содержат никаких традиционный цемент. Типы с алюминиевым корпусом предназначены для крепления к радиатору для отвода тепла; номинальная мощность зависит от использования с подходящим радиатором, например, резистор номинальной мощностью 50 Вт перегревается на долю рассеиваемой мощности, если не используется с радиатором. Резисторы с проволочной обмоткой большого размера могут быть рассчитаны на 1000 Вт и более.
Поскольку резисторы с проволочной обмоткой представляют собой катушки, они имеют более нежелательную индуктивность, чем другие типы резисторов, хотя намотка провода секциями с попеременно обратным направлением может минимизировать индуктивность. В других методах используется бифилярная намотка или плоский тонкий формирователь (для уменьшения площади поперечного сечения катушки). Для наиболее требовательных схем используются резисторы с обмоткой Айртона – Перри.
Применение резисторов с проволочной обмоткой аналогично применению композитных резисторов, за исключением высокой частоты. Высокочастотная характеристика резисторов с проволочной обмоткой существенно хуже, чем у композиционных резисторов.
В 1960 году Феликс Зандман и Сидней Дж. Стейн представили разработку резистивной пленки с очень высокой стабильностью.
Основным элементом сопротивления фольгового резистора является фольга из хромоникелевого сплава толщиной несколько микрометров. Хромоникелевые сплавы характеризуются большим электрическим сопротивлением (примерно в 58 раз больше, чем у меди), небольшим температурным коэффициентом и высокой стойкостью к окислению. Примерами являются хромель A и нихром V, типичный состав которых - 80 Ni и 20 Cr, с температурой плавления 1420 ° C. При добавлении железа хромоникелевый сплав становится более пластичным. Нихром и хромель С являются примерами сплава, содержащего железо. Типичный состав нихрома: 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn и Chromel C, 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. Температура плавления этих сплавов составляет 1350 ° и 1390 ° C соответственно.
С момента своего появления в 1960-х годах резисторы из фольги обладают лучшей точностью и стабильностью среди всех доступных резисторов. Одним из важных параметров устойчивости является температурный коэффициент сопротивления (ТКС). TCR фольговых резисторов чрезвычайно низок и с годами постоянно улучшался. Один диапазон сверхточных фольговых резисторов предлагает TCR 0,14 ppm / ° C, допуск ± 0,005%, долгосрочную стабильность (1 год) 25 ppm, (3 года) 50 ppm (дополнительно улучшено в 5 раз за счет герметичного уплотнения), стабильность под нагрузкой (2000 часов) 0,03%, термо-ЭДС 0,1 мкВ / ° C, шум -42 дБ, коэффициент напряжения 0,1 ppm / В, индуктивность 0,08 мкГн, емкость 0,5 пФ.
Термическая стабильность этого типа резистора также связана с противоположными эффектами: электрическое сопротивление металла увеличивается с температурой и уменьшается из-за теплового расширения, что приводит к увеличению толщины фольги, другие размеры которой ограничены керамической подложкой..
Амперметр шунт представляет собой особый тип тока измерительного резистора, имеющие четыре терминала и значение в мЫх или даже микро-Оме. Сами по себе приборы для измерения тока обычно могут принимать только ограниченные токи. Для измерения больших токов ток проходит через шунт, на котором измеряется падение напряжения, которое интерпретируется как ток. Типичный шунт состоит из двух твердых металлических блоков, иногда из латуни, установленных на изолирующем основании. Между блоками, припаянными или припаянными к ним, находятся одна или несколько полос из манганинового сплава с низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR). Большие болты, вкрученные в блоки, служат для подключения тока, а винты меньшего размера - для подключения вольтметра. Шунты рассчитаны на полный ток и часто имеют падение напряжения 50 мВ при номинальном токе. Такие измерители адаптируются к номинальному полному току шунта с помощью соответственно маркированного циферблата; в другие части счетчика вносить изменения не требуется.
В тяжелых промышленных сильноточных устройствах сеточный резистор представляет собой большую решетку из штампованных полос из металлического сплава, охлаждаемую конвекцией, соединенных рядами между двумя электродами. Такие резисторы промышленного класса могут быть размером с холодильник; некоторые конструкции могут выдерживать ток более 500 ампер с диапазоном сопротивлений ниже 0,04 Ом. Они используются в таких приложениях, как динамическое торможение и накопление нагрузки для локомотивов и трамваев, заземление нейтрали для промышленного распределения переменного тока, управление нагрузками для кранов и тяжелого оборудования, нагрузочные испытания генераторов и фильтрация гармоник для электрических подстанций.
Термин сетка резистор иногда используются для описания резистора любого типа, подключенного к управляющей сетке из в вакуумной трубке. Это не резисторная технология; это топология электронной схемы.
Резистор может иметь одну или несколько фиксированных точек отвода, так что сопротивление можно изменять, перемещая соединительные провода к разным клеммам. Некоторые силовые резисторы с проволочной обмоткой имеют точку отвода, которая может скользить по резистивному элементу, что позволяет использовать большую или меньшую часть сопротивления.
Если требуется постоянная регулировка значения сопротивления во время работы оборудования, отвод сопротивления скольжению можно подключить к ручке, доступной оператору. Такое устройство называется реостатом и имеет два вывода.
Потенциометр (просторечие, горшок) представляет собой три-концевой резистор с непрерывно регулируемым постукиванием точкой контролируемого вращением вала или ручек, или с помощью линейного ползунка. Название потенциометра связано с его функцией регулируемого делителя напряжения, обеспечивающего переменный потенциал на клемме, подключенной к точке отвода. Регулятор громкости в аудиоустройстве - это обычное применение потенциометра. Типичный потенциометр малой мощности (см. Рисунок) состоит из плоского резистивного элемента (B) из углеродного состава, металлической пленки или проводящего пластика с пружинящим контактом грязесъемника из фосфористой бронзы (C), который перемещается по поверхности. Альтернативная конструкция - это резистивный провод, намотанный на форму, при этом грязесъемник скользит в осевом направлении вдоль катушки. Они имеют более низкое разрешение, поскольку при перемещении стеклоочистителя сопротивление изменяется ступенчато, равное сопротивлению одного витка.
Многооборотные потенциометры высокого разрешения используются в точных приложениях. У них есть элементы сопротивления с проволочной обмоткой, обычно намотанные на спиральную оправку, при этом грязесъемник движется по спиральной дорожке при повороте регулятора, обеспечивая непрерывный контакт с проволокой. Некоторые из них включают в себя резистивное покрытие из токопроводящего пластика поверх провода для улучшения разрешения. Обычно они предлагают десять оборотов вала, чтобы охватить весь диапазон. Они обычно оснащены циферблатами, которые включают простой счетчик оборотов и градуированный циферблат, и обычно могут достигать трехзначного разрешения. Электронные аналоговые компьютеры использовали их в большом количестве для установки коэффициентов, а осциллографы с задержкой развертки последних десятилетий включали один на своих панелях.
Десятичный блок сопротивления или блок замены резистора - это блок, содержащий резисторы многих номиналов с одним или несколькими механическими переключателями, которые позволяют набирать любое из различных дискретных сопротивлений, предлагаемых блоком. Обычно сопротивление является точным с высокой точностью в диапазоне от лабораторной / калибровочной точности 20 частей на миллион до полевой точности 1%. Доступны и недорогие коробки с меньшей точностью. Все типы предлагают удобный способ выбора и быстрого изменения сопротивления в лабораторных, экспериментальных и опытно-конструкторских работах без необходимости подключать резисторы по одному или даже хранить каждое значение. Коробку характеризуют диапазон обеспечиваемого сопротивления, максимальное разрешение и точность. Например, одна коробка предлагает сопротивления от 0 до 100 МОм, максимальное разрешение 0,1 Ом, точность 0,1%.
Существуют различные устройства, сопротивление которых изменяется в зависимости от величины. Сопротивление термисторов NTC имеет сильный отрицательный температурный коэффициент, что делает их полезными для измерения температуры. Поскольку их сопротивление может быть большим, пока они не нагреются из-за прохождения тока, они также обычно используются для предотвращения чрезмерных скачков тока при включении оборудования. Точно так же сопротивление гумистора зависит от влажности. Один вид фотодетекторов, фоторезистор, имеет сопротивление, которое изменяется в зависимости от освещенности.
Тензодатчик, изобретенный Эдвард Э. Симмонс и Артур Руга в 1938 году, представляет собой тип резистора, который изменяет значение с приложенным напряжением. Можно использовать один резистор, пару (полумост) или четыре резистора, соединенных по схеме моста Уитстона. Тензорезистор прикреплен клеем к объекту, который подвергается механической нагрузке. С помощью тензодатчика и фильтра, усилителя и аналого-цифрового преобразователя можно измерить деформацию объекта.
В родственном, но более недавнем изобретении используется композит для квантового туннелирования для измерения механического напряжения. Он пропускает ток, величина которого может изменяться в 10 12 раз в ответ на изменения приложенного давления.
Значение резистора можно измерить с помощью омметра, который может быть одной из функций мультиметра. Обычно щупы на концах измерительных проводов подключаются к резистору. Простой омметр может подавать напряжение от батареи на неизвестный резистор (с внутренним резистором известного значения, включенным последовательно), создавая ток, который приводит в движение измеритель. Ток, в соответствии с законом Ома, обратно пропорционален сумме внутреннего сопротивления и тестируемого резистора, что приводит к очень нелинейной шкале аналогового измерителя, откалиброванной от бесконечности до 0 Ом. Цифровой мультиметр, использующий активную электронику, может вместо этого пропускать указанный ток через испытательное сопротивление. Напряжение, генерируемое на тестовом сопротивлении в этом случае, линейно пропорционально его сопротивлению, которое измеряется и отображается. В любом случае диапазоны с низким сопротивлением измерителя пропускают через измерительные провода гораздо больше тока, чем диапазоны с высоким сопротивлением, чтобы имеющиеся напряжения были на разумных уровнях (обычно ниже 10 вольт), но все же были измеримыми.
Для измерения резисторов с малым сопротивлением, таких как резисторы с дробным сопротивлением, с приемлемой точностью требуются четырехконтактные соединения. Одна пара клемм подает на резистор известный калиброванный ток, а другая пара определяет падение напряжения на резисторе. Некоторые омметры лабораторного качества, особенно миллиомметры, и даже некоторые из лучших цифровых мультиметров определяют использование для этой цели четырех входных клемм, которые могут использоваться со специальными измерительными проводами. У каждого из двух так называемых зажимов Кельвина есть пара зажимов, изолированных друг от друга. Одна сторона каждого зажима подает измерительный ток, а другие соединения предназначены только для измерения падения напряжения. Сопротивление снова рассчитывается с использованием закона Ома как измеренное напряжение, деленное на приложенный ток.
Характеристики резисторов количественно оцениваются и сообщаются с использованием различных национальных стандартов. В США MIL-STD-202 содержит соответствующие методы испытаний, к которым относятся другие стандарты.
Существуют различные стандарты, определяющие свойства резисторов для использования в оборудовании:
Существуют и другие стандарты MIL-R для военных закупок США.
Первичный стандарт для сопротивления, «ртуть Ом» был первоначально определен в 1884 году в качестве столба ртути длинной 106,3 см и 1 квадратный миллиметр в поперечном сечении, при 0 градусов по Цельсию. Трудности с точным измерением физических констант для воспроизведения этого стандарта приводят к колебаниям до 30 ppm. С 1900 г. ртутный ом был заменен на прецизионно обработанную пластину из манганина. С 1990 года международный стандарт сопротивления был основан на квантованном эффекте Холла, открытом Клаусом фон Клитцингом, за который в 1985 году он получил Нобелевскую премию по физике.
Резисторы чрезвычайно высокой точности производятся для калибровки и лабораторного использования. Они могут иметь четыре клеммы, одна пара используется для передачи рабочего тока, а другая пара - для измерения падения напряжения; это исключает ошибки, вызванные падением напряжения на сопротивлениях проводов, поскольку через провода измерения напряжения не проходит заряд. Это важно для резисторов небольшого номинала (100–0,0001 Ом), где сопротивление выводов является значительным или даже сопоставимым по сравнению со стандартным значением сопротивления.
Корпуса осевых резисторов обычно желто-коричневого, коричневого, синего или зеленого цвета (хотя иногда встречаются и другие цвета, например, темно-красный или темно-серый), и на них отображаются 3–6 цветных полос, обозначающих сопротивление (и допуск на расширение), и может быть расширен для указания температурного коэффициента и класса надежности. Первые две полосы представляют первые две цифры сопротивления в омах, третья представляет собой множитель, а четвертая - допуск (который, если он отсутствует, означает ± 20%). Для пяти- и шестиполосных резисторов третья - это третья цифра, четвертая - множитель и пятая - допуск; шестая полоса представляет температурный коэффициент. Номинальная мощность резистора обычно не указывается и определяется размером.
Резисторы для поверхностного монтажа имеют цифровую маркировку.
Резисторы начала 20-го века, по существу неизолированные, были погружены в краску, чтобы покрыть весь их корпус для цветовой маркировки. Краска второго цвета была нанесена на один конец элемента, а цветная точка (или полоса) в середине обеспечила третью цифру. Правило было «тело, кончик, точка», предоставляющее две значащие цифры для значения и десятичный множитель в этой последовательности. Допуск по умолчанию составлял ± 20%. Резисторы с меньшим допуском имели на другом конце серебряную (± 10%) или золотую (± 5%) окраску.
Ранние резисторы изготавливались в более или менее произвольных круглых числах; серия может иметь 100, 125, 150, 200, 300 и т. д. Резисторы при изготовлении подлежат определенному процентному допуску, и имеет смысл производить значения, которые коррелируют с допуском, так что фактическое значение резистора немного перекрывается со своими соседями. Более широкий интервал оставляет зазоры; более узкий интервал увеличивает затраты на производство и инвентаризацию для обеспечения более или менее взаимозаменяемых резисторов.
Логическая схема состоит в том, чтобы производить резисторы в диапазоне значений, которые увеличиваются в геометрической прогрессии, так, чтобы каждое значение было больше своего предшественника на фиксированный множитель или процент, выбранный в соответствии с допуском диапазона. Например, для допуска ± 20% имеет смысл иметь каждый резистор примерно в 1,5 раза больше, чем его предшественник, что позволяет покрыть декаду в 6 значениях. Точнее, используемый коэффициент равен 1,4678 ≈, что дает значения 1,47, 2,15, 3,16, 4,64, 6,81, 10 для 1–10-декады (декада - это диапазон, увеличивающийся в 10 раз; 0,1–1 и 10– 100 - другие примеры); на практике они округляются до 1,5, 2,2, 3,3, 4,7, 6,8, 10; за которыми следуют 15, 22, 33,... и предшествуют... 0,47, 0,68, 1. Эта схема была принята как серия E48 для предпочтительных числовых значений IEC 60063. Существуют также серии E12, E24, E48, E96 и E192 для компонентов с постепенно более высоким разрешением, с 12, 24, 96 и 192 различными значениями в каждой декаде. Фактические используемые значения указаны в списках предпочтительных номеров IEC 60063.
Ожидается, что резистор сопротивлением 100 Ом ± 20% будет иметь значение от 80 до 120 Ом; его соседи по E6 имеют сопротивление 68 (54–82) и 150 (120–180) Ом. Разумный интервал E6 используется для компонентов ± 20%; Е12 на ± 10%; Е24 на ± 5%; E48 для ± 2%, E96 для ± 1%; E192 на ± 0,5% или лучше. Резисторы производятся номиналом от нескольких миллиомов до гигаома в диапазонах IEC60063, соответствующих их допускам. Производители могут сортировать резисторы по классам допусков на основе измерений. Соответственно, выбор резисторов на 100 Ом с допуском ± 10% может не лежать около 100 Ом (но не более 10%), как можно было бы ожидать (кривая колокола), а скорее быть в двух группах: либо на 5-10% выше, либо на 5-10% ниже (но не ближе к 100 Ом, чем это), потому что любые резисторы, измеренные на заводе как имеющие менее 5% отклонение, были бы маркированы и проданы как резисторы только с ± Допуск 5% или лучше. При разработке схемы это может стать предметом рассмотрения. Этот процесс сортировки деталей, основанный на измерениях постпроизводства, известен как «биннинг» и может применяться к другим компонентам, кроме резисторов (например, к классам скорости для процессоров).
Однако более ранние силовые резисторы с проволочной обмоткой, такие как резисторы с коричневой стекловидной эмалью, изготавливались с другой системой предпочтительных значений, например, некоторые из тех, которые упомянуты в первом предложении этого раздела.
На резисторах поверхностного монтажа больших размеров (метрическая 1608 и выше) напечатаны числовые значения в коде, относящемся к тому, который используется на осевых резисторах. Стандарт-допуск технологии поверхностного монтажа (SMT) резисторы отмечены три-значный код, в котором первые две цифры являются первые две значащие цифры по стоимости и третья цифра сила десяти (число нулей). Например:
Сопротивления менее 100 Ом записываются: 100, 220, 470. Последний ноль представляет десять до нуля мощности, который равен 1. Например:
Иногда эти значения помечаются как 10 или 22, чтобы избежать ошибки.
Для сопротивлений менее 10 Ом есть символ «R», обозначающий положение десятичной точки ( точка счисления ). Например:
000 и 0000 иногда появляются как значения на линках с нулевым сопротивлением для поверхностного монтажа, поскольку они имеют (приблизительно) нулевое сопротивление.
Более современные резисторы для поверхностного монтажа физически слишком малы, чтобы их можно было нанести на практике.
Многие прецизионные резисторы, включая резисторы для поверхностного монтажа и с осевым выводом, имеют четырехзначный код. Первые три цифры - значащие цифры, а четвертая - степень десяти. Например:
Прецизионные резисторы с осевыми выводами часто используют полосы цветового кода для представления этого четырехзначного кода.
Система маркировки EIA-96 - более компактная система маркировки, предназначенная для физически небольших высокоточных резисторов. В нем используется двухзначный код плюс буква (всего 3 буквенно-цифровых символа) для обозначения значений сопротивления 1% до трех значащих цифр. Две цифры (от «01» до «96») представляют собой код, который указывает одну из 96 «позиций» в стандартной серии E96 с номиналами резистора 1%. Буква - это код, обозначающий степень десятичного множителя. Например, маркировка «01C» обозначает 10 кОм; «10C» представляет 12,4 кОм; «96C» соответствует 97,6 кОм.
Формат: [две буквы] lt;пробелgt; [значение сопротивления (три цифры)] lt;пространствоgt; [код допуска (числовой - одна цифра)]
Тип № | Мощность рейтинг (Вт) | Стиль MIL-R-11 | Стиль MIL-R-39008 |
---|---|---|---|
BB | 1 ⁄ 8 | RC05 | RCR05 |
CB | 1 ⁄ 4 | RC07 | RCR07 |
EB | 1 ⁄ 2 | RC20 | RCR20 |
ГБ | 1 | RC32 | RCR32 |
HB | 2 | RC42 | RCR42 |
GM | 3 | - | - |
HM | 4 | - | - |
Обозначение промышленного типа | Толерантность | Обозначение MIL |
---|---|---|
5 | ± 5% | J |
2 | ± 20% | M |
1 | ± 10% | K |
- | ± 2% | грамм |
- | ± 1% | F |
- | ± 0,5% | D |
- | ± 0,25% | C |
- | ± 0,1% | B |
Шаги, чтобы узнать значения сопротивления или емкости:
Если резистор закодирован:
При усилении слабых сигналов часто необходимо минимизировать электронный шум, особенно на первом этапе усиления. В качестве рассеивающего элемента даже идеальный резистор, естественно, создает на своих выводах случайно колеблющееся напряжение или шум. Этот шум Джонсона – Найквиста является основным источником шума, который зависит только от температуры и сопротивления резистора и предсказывается теоремой флуктуации-диссипации. Использование большего значения сопротивления создает больший шум напряжения, тогда как меньшее значение сопротивления создает больше шума тока при данной температуре.
Тепловой шум практического резистора также может быть больше теоретического прогноза, и это увеличение обычно зависит от частоты. Избыточный шум практического резистора наблюдается только при протекании через него тока. Это указывается в единицах мкВ / В / декада - мкВ шума на вольт, приложенный к резистору на декаду частоты. Значение мкВ / В / декада часто указывается в дБ, поэтому резистор с индексом шума 0 дБ демонстрирует 1 мкВ (среднеквадратичное значение) избыточного шума на каждый вольт на резисторе в каждой декаде частоты. Таким образом, избыточный шум является примером шума 1 / f. Толстопленочные резисторы и резисторы из углеродного состава генерируют больше избыточного шума, чем другие типы на низких частотах. Резисторы с проволочной обмоткой и тонкопленочные резисторы часто используются из-за их лучших шумовых характеристик. Резисторы из углеродного состава могут иметь индекс шума 0 дБ, в то время как резисторы из массивной металлической фольги могут иметь индекс шума -40 дБ, что обычно делает незначительным избыточный шум резисторов из металлической фольги. Тонкопленочные резисторы для поверхностного монтажа обычно имеют более низкий уровень шума и лучшую термическую стабильность, чем толстопленочные резисторы для поверхностного монтажа. Избыточный шум также зависит от размера: как правило, избыточный шум уменьшается при увеличении физического размера резистора (или при параллельном использовании нескольких резисторов), поскольку независимо флуктуирующие сопротивления более мелких компонентов имеют тенденцию к усреднению.
Хотя резистор не является примером «шума» как таковой, он может действовать как термопара, создавая небольшой перепад постоянного напряжения на нем из-за термоэлектрического эффекта, если его концы находятся при разных температурах. Это индуцированное постоянное напряжение может, в частности, ухудшить точность инструментальных усилителей. Такие напряжения возникают в местах соединения выводов резистора с печатной платой и с корпусом резистора. Обычные металлопленочные резисторы демонстрируют такой эффект при величине около 20 мкВ / ° C. Некоторые резисторы из углеродного состава могут иметь термоэлектрические сдвиги до 400 мкВ / ° C, тогда как специально сконструированные резисторы могут уменьшить это число до 0,05 мкВ / ° C. В приложениях, где термоэлектрический эффект может стать важным, необходимо позаботиться о том, чтобы установить резисторы горизонтально, чтобы избежать температурных градиентов и учитывать воздушный поток над платой.
Частота отказов резисторов в правильно спроектированной цепи мала по сравнению с другими электронными компонентами, такими как полупроводники и электролитические конденсаторы. Повреждение резисторов чаще всего происходит из-за перегрева, когда средняя мощность, подаваемая на них, значительно превышает его способность рассеивать тепло (определяется номинальной мощностью резистора). Это может быть вызвано внешней неисправностью схемы, но часто вызвано отказом другого компонента (например, закорачивающего транзистора) в цепи, подключенной к резистору. Эксплуатация резистора слишком близко к его номинальной мощности может ограничить срок службы резистора или вызвать значительное изменение его сопротивления. В безопасных конструкциях обычно используются резисторы с завышенными номиналами в силовых приложениях, чтобы избежать этой опасности.
Маломощные тонкопленочные резисторы могут быть повреждены длительным высоковольтным напряжением, даже ниже максимального указанного напряжения и ниже максимальной номинальной мощности. Это часто имеет место в случае пусковых резисторов, питающих интегральную схему импульсного источника питания.
При перегреве резисторы с углеродной пленкой могут уменьшаться или увеличиваться в сопротивлении. Углеродные пленочные и композиционные резисторы могут выйти из строя (разрыв цепи), если они работают близко к своему максимальному рассеиванию. Это также возможно, но менее вероятно, с резисторами с металлической пленкой и проволочной обмоткой.
Также возможен выход из строя резисторов из-за механического воздействия и неблагоприятных факторов окружающей среды, включая влажность. Резисторы с проволочной обмоткой, если они не прилагаются, могут подвергнуться коррозии.
Известно, что резисторы для поверхностного монтажа выходят из строя из-за попадания серы внутрь резистора. Эта сера химически реагирует со слоем серебра с образованием непроводящего сульфида серебра. Импеданс резистора стремится к бесконечности. Серопрочные и антикоррозионные резисторы продаются для автомобильной, промышленной и военной промышленности. ASTM B809 - это промышленный стандарт, который проверяет восприимчивость деталей к сере.
Альтернативный режим отказа может возникнуть при использовании резисторов большого номинала (сотни кОм и выше). Резисторы рассчитаны не только на максимальную рассеиваемую мощность, но и на максимальное падение напряжения. Превышение этого напряжения приводит к постепенному ухудшению сопротивления резистора с уменьшением сопротивления. Падение напряжения на резисторах большого номинала может быть превышено до того, как рассеиваемая мощность достигнет своего предельного значения. Поскольку максимальное напряжение, указанное для часто встречающихся резисторов, составляет несколько сотен вольт, это проблема только в приложениях, где встречаются такие напряжения.
Переменные резисторы также могут ухудшаться по-разному, обычно это связано с плохим контактом между стеклоочистителем и корпусом сопротивления. Это может быть вызвано грязью или коррозией и обычно воспринимается как «потрескивание» при колебаниях контактного сопротивления ; это особенно заметно при настройке устройства. Это похоже на треск, вызванный плохим контактом в переключателях, и, как и переключатели, потенциометры в некоторой степени самоочищаются: движение стеклоочистителя через сопротивление может улучшить контакт. Потенциометры, которые редко регулируются, особенно в грязных или суровых условиях, чаще всего вызывают эту проблему. Когда самоочистка контакта недостаточна, улучшение обычно достигается за счет использования спрея для очистки контактов (также известного как «очиститель тюнера»). Шум потрескивания, связанный с вращением вала грязного потенциометра в звуковой цепи (например, регулятора громкости), сильно усиливается, когда присутствует нежелательное напряжение постоянного тока, что часто указывает на выход из строя блокирующего конденсатора постоянного тока в цепи.