РЕЗИСТОРЫ 2

Резисторы (сопротивления) — это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. В зависимости от назначения резисторы подразделяются на две группы: I) общего назначения (диапазоны номиналов 10м—10 МОм, номинальные мощности рассеивания 0,062— 100 Вт); 2) специального назначения, которые подразделяются на: а) высокоомные резисторы (от десятков мегаом до сотен тераом, рабочее напряжение 100—400 В); б) высоковольтные (сопротивления до 10 Ом, рабочее напряжение единицы—десятки кВ); в) высокочастотные (имеют малые собственные емкости и индуктивности); г) прецизионные (повышенная точность—допуск 0,001—1%, стабильность, номиналы 0,10м—10 МОм, номинальные мощности рассеивания до 2 Вт). Переменные резисторы подразделяются на подстрочные и регулировочные. Подстрочные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные— для проведения многократных регулировок. Они отличаются большей износоустойчивостью (более 5000 циклов) и в зависимости от характера изменения их сопротивлений при перемещении подвижной части делятся на резисторы с линейной А и нелинейной функциональными характеристиками: логарифмической Б, обратнологарифмической В, характеристиками типа И, Е (рис. 1.1, а, б). Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки, осажденной на поверхность изоляционного основания; проволоки или микропроволоки; объемной конструкции. В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяют на проволочные, непроволочные, металлофольговые (проводящий элемент выполнен из фольги, нанесенной на непроводящие основания). У проволочных и металлофольговых резисторов в качестве материала проводящего элемента используют манганин и нихром. Непроволочные резисторы можно подразделить на следующие группы: а) углеродистые и бороуглеродистые (проводящий элемент—пленка пиролитического углерода или его соединений, осажденная на непроводящее основание); б) металлодиэлектрические, металлопленочные или металлооксидные (проводящий элемент—микрокомпозиционный слой из диэлектрика и металла или пленки из металла, оксида металла или его сплавов; в) композиционные (проводящий элемент—гетерогенная система из нескольких компонентов, один из которых проводящий, например графит или сажа); полупроводниковые (проводящий элемент выполнен из полупроводникового материала).

Рис. 1.1. Функциональные характеристики переменных резисторов: а—линейная(А); логарифмическая (Б); антилогарифмическая (В); б — характеристика типа И, Е; и — полный и текущий углы поворота подвижной части; R и R полное и -текущее значения сопротивления

По конструктивному исполнению резисторы изготовляют в нормальном и тропическом (всеклиматическом) вариантах и выполняют неизолированными (касание токоведущих частей не допускается), изолированными (касание токоведущих частей допускается), герметизированными, в том числе и вакуумными (герметично изолированными от окружающей среды). У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений носителей зарядов (электронов) внутри твердого тела. Их среднюю мощность определяют из формулы Найквиста

P =4KT f,

где К—постоянная Больцмана (1,38 10 ²³ Дж/К); Т—абсолютная температура; f —полоса частот, в которой измеряется мощность.

Действующее значение напряжения шумов связано с их мощностью уравнением

P ,

откуда

или

При температуре Т=293К это уравнение имеет вид

где R—в кОм, в кГц, ( —в мкВ.

Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер. Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении к нему электрического напряжения. Действующее значение напряжения этих шумов в первом приближе­ нии находят из уравнения

где —постоянный для данного резистора параметр; U— постоянное напряжение на резисторе; — высшая и низшая частоты, в полосе которых определяется шум. Уровень токовых шумов оценивают отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе, измеренной в полосе частот , к постоянному напряжению на нем U:

Основная причина появления этого шума—временное изменение объемной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами проводника, имеющего зернистую структуру. Значения шумов у непроволочных резисторов в зависимости от группы, на которые их иногда разделяют, находятся в пределах 1 мкВ/В (группа А), 5 мкВ/В (никак не обозначается). У регулируемых резисторов этот показатель значительно выше и достигает значений 50 мкВ/В (у резисторов типа СП). Приведенные цифры обычно задаются для полосы частот от =60 Гц до =6кГц, т.е. для двух декад. У проволочных резисторов значения шумов при тех же и порядка 0,1 мкВ/В.

При расчете суммарного шума электрической цепи, содержащей несколько резисторов, источники шумов обычно считают некоррелированными и при этом пользуются уравнением

—напряжения тепловых шумов n-го резистора (n=1, ...,n); — напряжения токовых шумов n-го резистора.

Рис.2.1 Эквивалентные схемы резисторов

В эквивалентную схему резистора (рис. 1.2) кроме сопротивления R

входят конденсатор С и индуктивность L. Это обусловлено тем, что любой реальный резистор, даже выполненный в виде прямолинейного бруска, имеет определенную индуктивность. Емкость появляется между участками резистора, а также между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность и емкость имеют распределенный характер. Однако для упрощения это обычно не учитывают и используют одну из эквивалентных схем, показанных на рис. 1.2, а, б. Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей, так и к некоторому изменению эквивалентного значения активной составляющей. Кроме того, в проволочных резисторах из-за проявлений поверхностного эффекта сопротивление изменяется при повышении частоты. Это существенно проявляется с частоты в несколько МГц. Но в точных устройствах поверхностный эффект следует учитывать с частоты в несколько кГц. Так, сопротивление медного провода диаметром 1 мм при f=10кГц увеличивается на 0,01%.

Относительная частотная погрешность резистора

R

где Z—полное сопротивление резистора на интересующей частоте f. На практике, как правило, значения L и С неизвестны. Поэтому для некоторых резисторов в технических условиях приводят значение обобщенной постоянной времени

( ), которая связана с относительной частотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением . Частотные характеристики у непроволочных резисторов значительно лучше, чем у проволочных. Так, у высокоомного проволочного резистора С5-15 1 мкс, а у резистора типа МЛТ 1,3 мкс. При длительной эксплуатации происходит старение резисторов и их сопротивление изменяется. Так, например, у резисторов типа С2-6 сопротивление может измениться до ±20% после 15000ч работы. ~ У некоторых типов резисторов после их выдержки в течение нескольких часов при повышенной температуре сопротивление не возвращается к начальному значению.

Номинальное сопротивление резистора должно соответствовать одному из шести рядов (ГОСТ 2825—67, 10318—80): Е6, Е12, Е24; Е48; Е96; Е192. Значение сопротивления находят умножением или делением на 10 , где n—целое положительное число или нуль чисел номинальных величин, входящих в состав ряда. Их количество определяется цифрой, стоящей после буквы Е. Так, например, для ряда Е6 эти числа равны 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8. Ряд допускаемых отклонений также нормализован. Допуски указываются в процентах в соответствии с рядом ± 0,001; ± 0,002; ± 0,005; ±0,02; ±0,05; ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1,0; ±2,0; ±5,0; ±10; ±20; ±30. Значение сопротивления некоторых типов резисторов может меняться в зависимости от приложенного напряжения. Причиной этого является зависимость концентрации носителей тока и их подвижности от напряженности электрического поля. Учитывают это явление с помощью коэффициента напряжения

где R и R —сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих 10%-ной и 100%-ной номинальной мощности рассеяния резистора. Значение К может достигать единиц—десятков процентов.

Система условных обозначений предусматривает как полные, так и сокращенные условные обозначения. Полное обозначение обычно используется в технической документации, например Р1-ЗЗИ-0, 25ВТ—100 кОм±2%А-0,467-027 ТУ. Оно состоит из сокращенного обозначения (Р1-33 И), обозначений и величин основных параметров и характеристик (0,25Вт—100кОм±2%А), A— группа по уровню шумов, обозначений документа на поставку (0.467.027 ТУ). Сокращенное условное обозначение состоит из трех элементов: первый—буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резистора; Р—постоянные резисторы; РП—переменные резисторы; HP—наборы резисторов; второй—цифра 1 для непроволочных или 2 для проволочных резисторов; третий—цифра, обозначающая регистрационный номер каждого типа. Например, резисторы постоянные непроволочные с номером 26 имеют обозначение Р1-26. На практике используются резисторы, обозначение которых выполнено в соответствии с ГОСТами и принципами, которые в новых разработках не применяются, например, С2-26, СП5-40, МЛТ, ПКВ, СПО и др. Так как они выпускаются промышленностью, у них оставлены ранее дей­ствовавшие обозначения. Маркировка резисторов содержит полное или кодированное обозначение номинальных сопротивлений и их допускаемых отклонений. Полное обозначение состоит из значения номинального сопротивления и обозначения единицы измерения (Ом—ом, кОм—килоом, МОм—мегаом; ГОм—гигаом; ТОм—тераом). Например, 365 Ом, 100 кОм; 4,7 МОм; 3,3 ГОм; 1 ТОм. Кодированное обозначение состоит из трех или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква обозначает множитель, на который умножается цифровое обозначение. Буквы R, К, М, G, Т, соответствуют множителям 1, 10³, 10⁶, 10⁹, 10¹². Например, 0,1 OM-RI(EI); 100M—10R(10E); 1000м—IOOR(IOOE) или К10; 100кОм— 100K или М10; 1 МОм—1 МО; 33,2 МОм—ЗЗМ2; 100 МОм— 100 М или G10; 590 МОм—590 М или G59 (Г59); 1 ГОм—1 GO (1ГО); ЮОГОм—lOOG (100Г) или Т10; 1 ТОм— 1 ТО. Полное обозначение допускаемого отклонения состоит из цифр, а кодированное—из букв (СТ СЭВ 1810—79), приведенных на рис. 1.3. Кодированное обозначение резистора с номинальным сопротивлением 475 Ом с допускаемым отклонением + 2% — K475G.

Основные параметры резисторов

1. Номинальные сопротивления—по ГОСТ 2825-67.

2. Допускаемые отклонения сопротивлений от номинальных величин.

3. Номинальные мощности рассеивания (максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров свыше значений, указанных в технической документации, при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды).

4. Предельное рабочее напряжение (напряжение, которое может быть приложено к резистору без нарушения его работоспособности).

5. Температурный коэффициент сопротивления (характеризует изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1 °С)

ТКС= 100,

где R —сопротивление резистора при нормальной темпера-. туре; —предельная разность между предельной положительной (отрицательной) и нормальной температурами; —алгебраическая разность между значениями сопротивлений, измеренными при предельной положительной (отрицательной) и нормальной температуре.

6. Уровень собственных шумов D (мкВ/В).

7. Максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания.

8. Коэффициент напряжения Кu.

9. Влагоустойчивость и термостойкость.

Промышленность выпускает резисторы общего назначения (МЛТ, ОМЛТ, С2-6, С2-8, С2-11, С2-22 и др.), прецизионные (ОМЛТ, МГП, С2-1, С2-13, С2-14, С2-31 и т.д.), высокомега- омные (КВМ, КЛМ, СЗ-10, СЗ-14 и т. п.), высоковольтные (КЭВ, СЗ-9, СЗ-14 и пр.), высокочастотные (С2-10, С2-34, СЗ-8 и др.). Номенклатура подстроечных и регулировочных резисторов также достаточно велика (СП5-1, СП5-6, РП-25, РП-80; СП5-21, СП-5-30, СП5-54, СПО, СПЗ-10 и пр.). В практике кроме линейных иногда используются термозависимые (терморезисторы) и нелинейные (варисторы) резисторы. Терморезисторы выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменениях температуры (медь, платина), или на основе полупроводников. Для этой группы основной характеристикой является температурная. В полупроводниковых терморезисторах она достаточно точно опи сывается уравнением

где R(То)—номинальное значение сопротивления при тем­пературе То (обычно То =293 К); Т—температура; В—коэф­фициент, постоянный для данного экземпляра терморезистора; е—основание натурального логарифма

Рис. 1.4. Характеристики терморезистора:

а)—температурная; б)—вольт-амперная

При прохождении электрического тока в терморезисторе выделяется теплота и он нагревается. Это приводит к изменению сопротивления (рис. 1.4, а). Вследствие нелинейности температурной характеристики вольт-амперная характеристика (зависимость между протекающим током и падением напряжения) будет также нелинейной (рис. 1.4,6). Для каждой точки статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) можно записать уравнение энергетического баланса

UI=I²R=U² /R =b(T-To),

где b—коэффициент рассеивания, учитывающий распростране­ние теплоты от рабочего тела в окружающую среду за счет конвенции, теплопроводности, излучения; To и Т—температура окружающей среды и терморезистора. При малых токах ВАХ практически линейна (рис. 1.4,6), а при больших—существенно нелинейна.

В некоторых случаях сопротивление терморезистора меняют за счет его нагрева от специального подогревателя, электрически изолированного от терморезистора. Такие терморезисторы называются подогревными или терморезисторами с косвенным подогревом.

Основное применение компонентов этого типа—параметрическая термостабилизация электронных цепей, компенсация температурных погрешностей, измерение температуры, регулирование в электрических цепях. Типы терморезисторов: СТ1-21, СТЗ-21, СТ1-27, СТЗ-27, СТЗ-31 и др., причем терморезисторы с косвенным подогревом типа СТ1-31 предназначены для использования в качестве бесконтактных управляемых сопротивлений в цепях постоянного и переменного токов. Зависимость их сопротивления от тока подогревателя приведена на рис. 1.5. Нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от напряженности электрического поля, называют варисторами. Как правило, их изготовляют из карбида кремния. Нелинейность появляется из-за явлений, наблюдаемых на поверхностях зерен кристалла, из которого спрессован варистор (автоэлектронная эмиссия из острых углов и граней кристалла; увеличение электропроводимости за счет пробоев оксидных пленок, покрывающих зерна, в сильных электрических полях напряженностью свыше 10 В/см; микронагрев точек контакта между зернами; наличие n-p-переходов, обусловленных различной электропроводностью отдельных зон, и пр.)

ВАХ варистора приведены на рис. 1.6. Характеристика 2 имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Варисторы с таким ВАХ называют негисторами. Их ВАХ аппроксимируется с помощью уравнения

где а—постоянная нелинейности; —начальное статическое сопротивление, измеренное при малой напряженности поля, значение которого зависит от температуры.

В технических условиях на варисторы обычно приводятся номинальное напряжение U (напряжение, при превышении которого на 20% не наблюдается заметного разогрева), ток протекающий при U , коэффициент нелинейности b, равный отношению статического сопротивления R= U / к дифференциальному

Расчет цепей с терморезисторами и варисторами проводится любым из известных методов расчета нелинейных цепей. Условные обозначения резисторов показаны на рис. 1.7.

КОНДЕНСАТОРЫ

Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является емкость конденсатора. В простейшем случае конденсатор представляет собой две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого конденсатора, пФ

где ε- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (ε>1),

S - площадь обкладок конденсатора (см²),

d - расстояние между обкладками (см).

Конденсаторы широко используются в РЭА для самых различных целей. На их долю приходится примерно 25% всех элементов принципиальной схемы.