ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ о РЕЗИСТОРАХ

Классификация резисторов

Резисторы применяются практически во всех видах радиоэлектронной аппаратуры для регулирования и распределения электрической энергии. Они классифицируются по назначению, способам монтажа и защиты, виду вольт-амперной характеристики (ВАХ), характеру изменения сопротивления, материалу резистивного (токопроводящего) элемента.

В зависимости от назначения резисторы делятся на общего и специального (прецизионные, сверхпрецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокоомные) назначения.

Резисторы общего назначения имеют диапазон номинальных сопротивлений от 1 Ом до 10 МОм, допускаемые отклонения от номинального сопротивления ±1, ±2, ±5, ±10, ±20, ±30%, номинальные мощности рассеяния от 0,062 до 100 Вт.

Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются более высокими стабильностью параметров и точностью изготовления (допуск от ±0,0001 до 5%) и имеют более широкий диапазон номинальных сопротивлений, но меньшие мощности рассеяния (до 2 Вт); применяются в измерительных приборах и вычислительных устройствах.

Цветовая маркировка резисторов

Высокочастотные резисторы отличаются небольшими собственными индуктивностью и емкостью и способны работать на частотах до сотен мегагерц (непроволочные) и до сотен килогерц (проволочные); применяются для работы в высокочастотных цепях, кабелях и волноводах.

Высоковольтные резисторы имеют рабочие напряжения до десятков киловольт и применяются в качестве искрогасителей, поглотителей и делителей в высоковольтных цепях.

Высокоомные резисторы имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом, малые рабочие напряжения (100...400 В) и мощности (до 0,5 Вт); применяются в электрических цепях с малыми рабочими токами.

По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные (с фиксированным сопротивлением) и переменные (подстроечные и регулировочные). Переменные регулировочные резисторы допускают изменение сопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре. Сопротивление переменных подстроечных резисторов изменяется, как правило, при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Переменные резисторы выполняются одноэлементными и многоэлементными (сдвоенные, строенные, счетверенные и спятеренные), с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта, однооборотными и многооборотными, с выключателем и без выключателя, с упором и без упора, с фиксацией и без фиксации положения подвижной системы, с дополнительными и без дополнительных отводов.

В зависимости от материала резистивного элемента резисторы подразделяются на проволочные (резистивный элемент из волоченой или литой проволоки с высоким удельным сопротивлением), металлофольговые (резистивный элемент из фольги) и непроволочные. Непроволочные резисторы подразделяются на тонкопленочные (металлодиэлектрические, металлоокисные и металлизированные с резистивным элементом в виде композиционного слоя; углеродистые и бороуглеродистые), толстопленочные (лакосажевые, лакопленочные, керметные и на основе проводящих пластмасс) и объемные. Объемные резисторы обладают большим уровнем шумов, но хорошо выдерживают импульсные перегрузки.

Металлоокисные резисторы имеют меньшие значения температурного коэффициента сопротивления, чем углеродистые.

Металлопленочные резисторы могут рассеивать относительно большую мощность при небольших размерах, малый уровень шумов и положительный температурный коэффициент.

Проволочные резисторы изготовляются с обычной или безындуктивной намоткой и применяются в тех случаях, когда требуется высокая стабильность и большая рассеиваемая мощность. Из-за конструктивных особенностей они не выпускаются на большие сопротивления. При работе с большими токами проволочные резисторы могут сильно нагреваться, поэтому их необходимо располагать на плате так, чтобы можно было обеспечивать вентиляцию и устранять влияние высокой температуры на соседние элементы.

В зависимости от способа монтажа постоянные и переменные резисторы могут выполняться для печатного и навесного монтажа (с жесткими или мягкими, аксиальными или радиальными выводами, в виде лепестков), для микромодулей и микросхем.

В зависимости от способа защиты от внешних воздействий резисторы конструктивно выполняются изолированными, неизолированными (не допускают касания своим корпусом шасси), герметизированными (в керамических, металлических и пластмассовых корпусах) и вакуумными (в стеклянных колбах).

В зависимости от вида вольт-амперной характеристики резисторы подразделяются на линейные и нелинейные (варисторы, магнито- и терморезисторы, Рис. 1).

Рис.1. Вольт-амперные характеристики терморезистора (а) и варистора (б)

По виду вольт-амперной характеристики (зависимость тока от приложенного напряжения) различают резисторы линейные (постоянного и переменного сопротивления) и нелинейные. В нелинейных резисторах в качестве токопроводящего элемента применяются разные полупроводниковые материалы. По конструкции резисторы подразделяются на пленочные, объемные и проволочные, а по материалу токопроводящего (резистивного), элемента — на пленочные углеродистые, металлопленочные, металлоокисные, металлодиэлектрические, композиционные и полупроводниковые. По способу защиты резистивного элемента различают резисторы неизолированные, изолированные (лакированные), компаундированные, опрессованные пластмассой, герметизированные, и вакуумированные.

В зависимости от назначения резисторы подразделяются на резисторы общего и специального применения. К резисторам общего применения не предъявляются повышенные требования в отношении точности их изготовления и стабильности параметров. К резисторам специального применения можно отнести резисторы повышенной стабильности, высокочастотные, высокомегаомные, а также резисторы для микромодулей и микросхем.

Номинальное сопротивление резистора — значение сопротивления, которое должен иметь резистор в соответствии с нормативной документацией (ГОСТом, техническими условиями). Фактическое сопротивление каждого экземпляра резистора может отличаться от номинального, но не более чем на допустимое отклонение. Cопротивление, которое обозначено на корпусе резистора и является исходным для отсчета его отклонений. Номинальные сопротивления резисторов, выпускаемых отечественной промышленностью в соответствии с рекомендациями МЭК, стандартизованы. Согласно ГОСТ 2825—67 для постоянных резисторов установлено шесть рядов: Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192, а для переменных резисторов в соответствии с ГОСТ 10318—80 установлен ряд Е6. Кроме этого допускается использовать ряд ЕЗ. Цифра после буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном интервале (табл. 4.1 и 4.2).

Таблица 4.1

Номинальные сопротивления по ряду ЕЗ, Е6, E12, Е24

Таблица 4.2

Номинальные сопротивления по ряду Е48, Е96, Є192

Конкретные значения сопротивлений получают умножением соответствующих чисел рядов на 10ⁿ, где n — целое положительное или отрицательное число. Номинальные значения сопротивлений резисторов с допустимыми отклонениями более ±20% выбираются из ряда Е6.

Например, по ряду Е6 номинальные сопротивления в каждой декаде должны соответствовать числам 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 или числам, полученным умножением или делением этих чисел на 10ⁿ (n — целое положительное или отрицательное число).

Для прецизионных и сверхпрецизионных резисторов с допусками ±0,01; ±0,005; ±0,002; ±0,001 % номинальные сопротивления устанавливаются из ряда, полученного умножением чисел 1, 2, 3, 4, 5, 8 или 9 на 10ⁿ, где n — целое положительное число от 1 до 6.

Резисторы выпускаются с таким значением номинального сопротивления, чтобы вместе с его допуском оно было приблизительно равно значению сопротивления следующего номинала минус его допуск. Установлены следующие диапазоны номинальных сопротивлений: для постоянных — от долей Ома до единиц Тераом; для переменных проволочных — от 0,47 Ом до 1 МОм; для переменных непроволочных — от 1 Ом до 10 МОм. Иногда допускается отклонение от указанных пределов.

Переменные резисторы (кроме номинального сопротивления) характеризуются также значениями: полного сопротивления (сопротивление между крайними выводами); установленного сопротивления (сопротивление между одним из выводов резистивного элемента и выводом подвижного контакта); минимального сопротивления (сопротивление между выводом подвижного контакта и любым выводом резистивного элемента при положении вала, обеспечивающем наименьшее сопротивление); сопротивления дополнительного отвода (сопротивление между крайним выводом резистивного элемента и выводом дополнительного отвода); переходного или контактного сопротивления (сопротивление между резистивным элементом и подвижным контактом); сопротивления контактов выключателя (сопротивление контакт-деталей и переходного сопротивления контакта); начального скачка (резкое изменение сопротивления при перемещении подвижной системы - от упора или положения «включено» до начала плавного изменения сопротивления); сопротивления изоляции (сопротивление между токоведущими частями и корпусом). Переменные резисторы дополнительно характеризуются функциональной характеристикой, разрешающей способностью (наименьшее изменение угла поворота и перемещения подвижной системы, при котором различимо изменение сопротивления), шумами скольжения (напряжение помех, возникающее при движении контакта по резистивному элементу), моментом статического трения подвижной системы (момент, прикладываемый к валу для обеспечения начала перемещения подвижной системы из любого положения), разбалансом сопротивления многоэлементного (блочного) резистора (отношение выходных напряжений, снимаемых с разных резисторных секций при перемещении их подвижной системы), износоустойчивостью (способностью сохранять свои параметры при многократных перемещениях подвижной системы).

По характеру функциональной зависимости переменные резисторы делятся на линейные (типа А) и нелинейные (типа Б — логарифмические и В — обратно логарифмические, применяемые для регулировки громкости и тембра звука, яркости свечения индикаторов, а также для специального назначения И или Е). Функциональные характеристики переменных резисторов представлены на Рис. 2. Встречаются также переменные резисторы с синусными и косинусными зависимостями. Отклонения от заданной характеристики определяются допусками: для переменных резисторов общего назначения 2,..20 %, для прецизионных 0,05... 1 %.

Рис.2. Функциональные характеристики переменных резисторов

Разрешающая способность переменных резисторов общего назначения находится в пределах 0,1—3 %, а прецизионных — от тысячных долей процента.

Количественно разрешающая способность переменных резисторов рассчитывается в процентах или тысячных долях напряжения, подводимого к резистору. У непроволочных резисторов она высокая и ограничивается дефектами резистивного элемента контактной щетки и значением переходного сопротивления между проводящим слоем и подвижным контактом. У проволочных резисторов она зависит от числа витков (обратно пропорционально числу витков), часто выражается в угловых единицах

Электрическая разрешающая способность Δ_э=(U_вых/U_вх)*100%, где U_вх и U_вых — входное и выходное напряжение.

Угловая разрешающая способность Δ_у=α/n, где α — угол поворота подвижной системы в пределах угла намотки резистивного элемента.

Шумы перемещения (вращения) включают шумы короткого замыкания, шумы от перемещения контакта с одного витка на другой, шумы контактного сопротивления, генераторные шумы от трения двух контактных металлов, шумы от термоэлектрического эффекта, вибрационные шумы. Они выражаются для переменных проволочных резисторов через эквивалентное шумовое сопротивление или в Омах, для непроволочных — через напряжение шумов в милливольтах. Напряжение шумов вращения для непроволочных резисторов достигает 15...50 мВ, а эквивалентное шумовое сопротивление проволочных резисторов 50...5000 Ом.

Разбаланс сопротивлений многоэлементного переменного резистора оценивается обычно в децибелах и допускается для резисторов общего назначения с линейной характеристикой до 3 дБ, а для резисторов с нелинейной характеристикой — до 6 дБ.

Износоустойчивость оценивается максимально допустимым числом поворотов (или циклов перемещения от упора до упора и обратно) подвижной системы, при достижении которого параметры резистора еще остаются в пределах норм ТУ. У * прецизионных резисторов (потенциометров), имеющих низкие контактные сопротивления и малые моменты трения, износоустойчивость равна 10⁵... 10⁷ циклов, у регулировочных резисторов — 10³...10⁵, у подстроечных резисторов (используются для разовых регулировок) — до 10³.

Номинальная мощность резистора — максимально допустимая мощность, рассеиваемая на резисторе, при которой параметры резистора сохраняются в установленных пределах в течение длительного времени, называемого сроком службы. Напряжение на резисторе не должно превышать U_ном, соответствующего номинальной мощности: U_ном=√Р_номR, где Р_ном — номинальная мощность, Вт; R — сопротивление, Ом.

Мощность, рассеиваемая резистором в конкретной электрической цепи, зависит от проходящего через него тока и падения напряжения.

При эксплуатации резистора значение номинальной мощности ограничивается температурой окружающей среды и электрической нагрузкой. Обычно номинальная мощность приводится для конкретной температуры. С повышением температуры окружающей среды теплоотдача ухудшается и может произойти нагрев резистора до предельно допустимой температуры. В ТУ на резисторы приводятся зависимости допустимой мощности электрической нагрузки от температуры окружающей среды По этим зависимостям выбирается электрическая нагрузка для определенных условий применения резистора и устанавливаются нижняя отрицательная и верхняя положительная температуры, при которых обеспечивается работоспособность при номинальной электрической нагрузке, а также предельная положительная температура, при которой резистор должен работать со снижением электрической нагрузки. Таким образом, если температура окружающей среды оказывается выше предельной, то рассеиваемую мощность необходимо уменьшать. Номинальная мощность определяется расчетным путем с учетом использованных материалов и конструкции резистора.

Кроме номинальной мощности рассеяния часто используется удельная мощность (отношение номинальной мощности к теплопроводящей поверхности, Вт/см², или к объему резистора, Вт/см³). Согласно ГОСТ 24013—80 и ГОСТ 10318—80 значения номинальных мощностей рассеяния в ваттах устанавливаются следующие: 0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 16; 25; 40; 63, 80; 100; 160; 250; 500.

Температурный коэффициент сопротивления — относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (или Кельвина). Он характеризует обратимое изменение сопротивления из-за изменения температуры окружающей среды (от положительной до отрицательной) или изменения электрической нагрузки. ТКС может изменяться в интервале температур. У некоторых резисторов изменяется и знак ТКС. Большим номинальным сопротивлениям резистора соответствует больший ТКС. Чем меньше значение ТКС, тем лучше температурная стабильность резистора в интервале рабочих температур. Например, значения ТКС для прецизионных резисторов от единиц до 100●10^~6 1/°С, а для резисторов общего назначения от десятков до ± 2000●10^~6 1/°С.

Рабочее напряжение не должно превышать значения, рассчитанного по формуле значения от долей микровольта до сотен микровольт на вольт.

Для высоковольтных и высокоомных резисторов, изменяющих свое сопротивление и линейность ВAХ от приложенного напряжения, используют для оценки степени нелинейности коэффициент напряжения, измеряемый при испытательных напряжениях, соответствующих 10 и 100 % его номинальной мощности. У разных типов резисторов он изменяется от единиц до десятков процентов.

Электрическая прочность резистора характеризуется предельным напряжением, при котором резистор может работать в течение срока службы без электрического пробоя. Предельное рабочее напряжение резистора зависит от атмосферного давления, температуры и влажности воздуха.

Уровень собственных шумов резисторов определяется случайными колебаниями разности потенциалов, возникающими на резистином элементе вследствие флуктуации объемной концентрации носителей заряда и флуктуации его электрического сопротивления. ЭДС шумов проволочных резисторов, а также непроволочных, к которым не приложено напряжение, при 20° С в полосе частот ∆f определяется по формуле:

Е_ш » 0,125 ∆fR,

где Е_ш — ЭДС шумов, мкВ; ∆f — полоса частот, кГц; R — сопротивление резистора, кОм.

Уровень шумов непроволочных резисторов, к которым приложено постоянное напряжение (U₀, характеризуется отношением среднеквадратического (эффективного) значения ЭДС шумов Е_ш к напряжению U₀. По уровню шумов стандартные непроволочные резисторы делятся на две группы, К первой (группа А) относятся резисторы, уровень шумов которых не более 1 мкВ/В, ко второй — резисторы, уровень шумов которых не более 5 мкВ/В в полосе частот 60 Гц - 6 кГц.