Методичка: Изучение резисторов и конденсаторов

где - удельное электрическое сопротивление материала; - длина резистивного слоя; - площадь поперечного сечения резистивного слоя.

В чистых металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, поэтому они имеют малое и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т.д., имеющие большое .

Для расчета сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления , под которым понимают сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина , связана с величиной , и легко может быть получена из (1.1), если принять в ней , где - ширина резистивной пленки, - толщина резистивной пленки.

Тогда

где - удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки . Если , то , причем значение сопротивления не зависит от размеров сторон квадрата.

На рис.1.10 представлено устройство пленочного резистора. На диэлектрическое цилиндрическое основание 1 нанесена резистивная пленка 2. На торцы цилиндра налеты 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

где - длина резистора (расстояние между контактными колпачками); - диаметр цилиндрического стержня.

Рис.1.10. Устройство пленочного резистора.

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.1.11).

Сопротивление такого резистора определяется соотношением

,

где - шаг спирали; - ширина канавки (расстояние между соседними нитками спирали); - число витков спирали.

Рис.1.11. Пленочный резистор с резистивной пленкой в виде спирали.

На рис. 1.12 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 (1.1).

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

Рис.1.12. Конструкция объемного резистора.

Для гибридных ИМС 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.1.13 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

Этот 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

Рис.1.13. Конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

выводом. Угол поворота оси составляет 2700 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.1.14).

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.

Кроме того, существуют резисторы, у которых сопротивление изменяется по закону синуса (тип И) или косинуса (тип Е).

Рис.1.14. Закон изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси.

Некоторые типы переменных резисторов состоят из двух переменных резисторов, объединенных в единую конструкцию, в которой токосъемники расположены на общей оси. Существуют переменные резисторы, содержащие выключатель, контакты которого разомкнуты, если ось резистора повернута в крайнее положение при вращении против часовой стрелки. При повороте оси по часовой стрелке на небольшой угол контакты выключателя замыкаются. Некоторые типы резисторов комплектуются специальными стопорящими устройствами, жестко фиксирующими положение оси.

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.

1.3 Параметры резисторов

Параметры резисторов характеризуют эксплуатационные возможности применения конкретного типа резистора в конкретной электрической схеме.

Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение от номинала 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). Так, например, для ряда Е6 эти числа равны 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8.

Номинальное сопротивление резистора должно соответствовать одному из шести рядов Е3, Е6, Е12, Е24; Е48; Е96; Е192.

Ряд допускаемых отклонений также нормализован. Допуски указываются в процентах в соответствии с рядом ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

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, значение которого может достигать единиц - десятков процентов.

При длительной эксплуатации происходит старение резисторов и их сопротивление изменяется. Так, например, у резисторов типа С2 - 6 сопротивление может измениться до после 15000 ч работы. У некоторых типов резисторов после их выдержки в течение нескольких часов при повышенной температуре сопротивление не возвращается к начальному значению.

Номинальные значения сопротивлений определяются числовыми коэффициентами, входящими в табл. 4, которые умножаются на , 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 отклонения от номинала для ряда Е6 составляют , для ряда Е12 - , для ряда Е24 - . 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 ; ; ;;; ; и .

Номинальная мощность рассеивания определяет допустимую электрическую нагрузку, которую способен выдержать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления.

Номинальная мощность рассеивания определяет максимальную мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров свыше значений, указанных в технической документации, при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды.

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 и протекающего тока и равна

Таблица 4 Числовые коэффициенты для определения номинальных значений сопротивлений

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

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

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.

Предельное рабочее напряжение определяет величину допустимого напряжения, которое может быть приложено к резистору. Предельное рабочее напряжение определяет напряжение, которое может быть приложено к резистору без нарушения его работоспособности.

Для резисторов с небольшой величиной сопротивления (сотни Ом) эта величина определяется мощностью резистора и рассчитывается по формуле

Для остальных резисторов предельное рабочее напряжение определяется конструкцией резистора и ограничивается возможностью электрического пробоя, который, как правило, происходит по поверхности между выводами резистора или между нитками спиральной нарезки. Напряжение пробоя зависит от длины резистора и давления воздуха. При длине резистора не превышающей 5 см оно определяется по формуле

где - давление, мм.рт.ст.; - длина резистора, см.

Значение указывается в технических условиях (ТУ), оно всегда меньше . При испытании резисторов на них подают испытательное напряжение , которое больше и меньше .

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры:

Этот коэффициент может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка толстая, то она ведет себя как объемное тело, сопротивление которого с ростом температуры возрастает. Если же резистивная пленка тонкая, то она состоит из отдельных «островков», сопротивление такой пленки с ростом температуры уменьшается, так как улучшается контакт между отдельными «островками». У различных резисторов эта величина лежит в пределах .

Коэффициент старения характеризует изменение сопротивления, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет процессов окисления, кристаллизации и т.д.:

В ТУ обычно указывают относительное изменение сопротивления в процентах за определенное время (1000 или 10 000 ч).

Коэффициент напряжения характеризует влияние приложенного напряжения на сопротивление. В некоторых типах резисторов при высоких напряжениях изменяется сопротивление. В непроволочных резисторах это обусловлено уменьшением контактного сопротивления между отдельными зернами резистивной пленки. В проволочных резисторах это обусловлено дополнительным разогревом проволоки при повышенных напряжениях:

где - сопротивление резистора при напряжении; - сопротивление резистора при напряжении .

ЭДС шумов резистора. Электроны в резистивном элементе находятся в состоянии хаотического теплового движения, в результате которого между любыми точками резистивного элемента возникает случайно изменяющееся электрическое напряжение и между выводами резистора появляется ЭДС тепловых шумов. Тепловой шум характеризуется непрерывным, широким и практически равномерным спектром.

Уровень собственных шумов измеряется [мкВ/В]. У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений носителей зарядов (электронов) внутри твердого тела.

Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер. Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении к нему электрического напряжения.

Уровень токовых шумов оценивают отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе, измеренной в полосе частот, к постоянному напряжению на нем.