Методичка: Изучение резисторов и конденсаторов

Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением

,

где - постоянная Больцмана; - абсолютная температура, К; - сопротивление, Ом; - полоса частот, в которой измеряются шумы.

При комнатной температуре (Т = 300 К)

Если резистор включен на входе высокочувствительного усилителя, то на его выходе будут слышны характерные шумы. Снизить уровень этих шумов можно, лишь уменьшив сопротивление или температуру .

Основная причина появления этого шума временное изменение объемной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами проводника, имеющего зернистую структуру.

Помимо тепловых шумов существует токовый шум, возникающий при прохождении через резистор тока. Этот шум обусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При прохождении тока возникают местные перегревы, в результате которых изменяется сопротивление контактов между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно, флюктуирует (изменяется) значение сопротивления, что ведет к появлению между выводами резистора ЭДС токовых шумов Е. Токовый шум, так же как и тепловой, имеет непрерывный спектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот. Токовый шум измеряется в полосе частот от 60 до 6000 Гц. Его величина значительно превышает величину теплового шума.

Максимальная частота. Наличие собственной индуктивности и емкости у резисторов 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 увеличивается на 0,01%.

На практике, как правило, значения и неизвестны. Поэтому для некоторых резисторов в технических условиях приводят значение обобщенной постоянной времени.

Частотные характеристики у непроволочных резисторов значительно лучше, чем у проволочных.

Максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания.

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.), высокомегаомные (КВМ, КЛМ, СЗ-10, СЗ-14 и т. п.), высоковольтные (КЭВ, С3-9, СЗ-14 и пр.), высокочастотные (С2-10, С2-34, С3-8 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, СГТЗ-10 и пр.).

1.4 Система обозначений и маркировка резисторов

До 1968 года обозначение резисторов состояло из букв, отражающих конструктивно-технологические особенности данного типа резистора, например, МЛТ - металлопленочный лакированный теплостойкий.

С 1968 года в соответствии с ГОСТ 13453 - 68 постоянные резисторы стали обозначаться буквой С, а переменные - буквами СП. По конструкции токонесущей части резисторы были разделены на шесть групп:

- непроволочные углеродистые или бороуглеродистые;

- непроволочные металлопленочные или металлооксидные;

- непроволочные тонкопленочные композиционные;

- непроволочные объемные композиционные;

- проволочные;

- резисторы для сверхвысоких частот.

Согласно ГОСТ, в обозначении резисторов после букв С или СП стоит цифра, указывающая номер группы, а затем через дефис - номер конкретной конструкции резистора. Например, обозначение С2 - 8 означает: резистор постоянный второй группы, восьмой вариант конструкции.

С 1980 года стала применяться другая система обозначений, также состоящая из трех элементов:

- первый элемент - буквенный: Р - постоянный резистор, РП - переменный резистор, РН - набор резисторов;

- второй элемент - цифра: 1 - непроволочный резистор, 2 - проволочный резистор;

- третий элемент - цифра, обозначающая разновидность конструкции.

Например, Р2-15 означает: резистор постоянный, проволочный, 15-й вариант конструкции.

В конструкторской документации помимо типа резистора указывают номинальную мощность, номинальное сопротивление, допуск на сопротивление и ряд других параметров.

На принципиальных схемах резисторы изображают в виде прямоугольника с указанием сопротивления, мощности и порядкового номера (рис.1.15).

Рис.1.15. Обозначения резисторов на принципиальных схемах.

Мощность указывают наклонными, продольными или поперечными линиями внутри прямоугольника: а - 0,125 Вт; б - 0,25 Вт; в - 0,5 Вт; г - 1 Вт; д - 2 Вт. Изображение переменных резисторов показано на рис. 1.15е, а подстроечных - на рис.1.15 ж.

Основные параметры резисторов указывают на его корпусе, но для миниатюрных резисторов не хватает места на корпусе, поэтому ГОСТ 11076 - 69 предусматривает сокращенную буквенно - кодовую маркировку. При такой маркировке вместо запятой в наборе цифр, означающих номинальное значение сопротивления, ставят букву, указывающую, в каких единицах выражено сопротивление: (или ) - в Омах, К - в килоОмах, М - в мегаОмах, Г - в гигаОмах, Т - в тераОмах. При этом ноль, стоящий до или после запятой, не ставят. После указания величины номинального сопротивления ставят букву, обозначающую допуск, в соответствии с табл.5.

В последние голы в соответствии с СТ СЭВ 1810 - 79 стала применяться международная система обозначений в соответствии с табл.6.

Например, резистор с сопротивлением 0,47 кОм и допуском маркируют К47В или К47М.

Помимо буквенно-цифровой применяется цветовая индексация номинального сопротивления и допуска на корпусе резистора (ГОСТ 28883 - 90). Вблизи одного из торцов корпуса наносят 4 цветных полоски: первая обозначает первую цифру номинала, вторая - вторую цифру номинала, третья - множитель; четвертая - величину допуска, цвет полосок стандартизован (табл.7).

Таблица5 Маркировка резисторов по ГОСТ 11076 - 69

Таблица 6 Маркировка резисторов по СТ СЭВ 1810 - 79

Таблица 7 Цветовой код для обозначения номиналов и допусков резисторов и конденсаторов

Примечание. Номиналы элементов с допуском 5% и более обозначаются двумя значащими цифрами, а элементов с допуском 2% и менее - тремя значащими цифрами.

1.5 Конструктивно - технологические разновидности резисторов

В зависимости от конкретных условий работы в РЭА применяются различные типы резисторов (рис.1.16).

Непроволочные тонкослойные постоянные резисторы. У резисторов группы С1 токопроводящий слой представляет собой пленку пиролитического углерода, а у резисторов группы С2 - пленку сплава металла или оксида металла. Эти резисторы являются резисторами широкого применения с допусками , или и мощностью от 0,125 до 2 Вт. Помимо резисторов С1 и С2 к этой категории резисторов относятся резисторы типов МЛТ, МТ и ВС.

Рис. 1.16. Типы резисторов по конструктивному исполнению

Поскольку металл обладает более высокой теплостойкостью, чем углерод, то резисторы С2 при равной мощности имеют меньшие, чем С1, габариты. Резисторы С2 обладают более высокой стабильностью при циклических изменениях температуры. Недостатком металлопленочных резисторов является небольшая стойкость к импульсной нагрузке и меньший частотный диапазон, чем у углеродистых. Объясняется это тем, что токопроводящий слой у металлопленочных резисторов толще, чем у углеродистых резисторов, поэтому увеличивается паразитная емкость между нитками резистивной спирали. На основе резисторов С2 создаются также прецизионные резисторы с допусками . Прецизионные резисторы имеют большие габариты, чем резисторы общего применения. Это облегчает тепловые режимы и повышает стабильность свойств проводящего слоя.

Композиционные резисторы. У этих резисторов токопроводящий материал получают путем смешивания проводящего компонента (графита или сажи) со связующими компонентами, наполнителем, пластификатором и отвердителем. В резисторах группы С3 полученную композицию наносят на поверхность изоляционного основания, а в резисторах группы С4 спрессовывают в виде объемного цилиндра или параллелепипеда. В зависимости от состава композиционные материалы имеют очень широкий диапазон удельных сопротивлений. Объемные композиционные резисторы С4 имеют прямоугольную форму и предназначены для установки печатных платах. Они обладают высокой теплостойкостью (до 350°С) и имеют небольшие габариты. Недостатком композиционных резисторов является высокий уровень токовых шумов, что объясняется крупнозернистой структурой проводящего материала.

Проволочные постоянные резисторы. Для изготовления этих резисторов используют провод из специальных сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление, хорошую теплостойкость и малый температурный коэффициент сопротивления. Эти резисторы обладают очень высокой допустимой мощностью рассеивания (десятки ватт) при относительно небольших размерах, высокой точностью и хорошей температурной стабильностью. Так как резисторы изготавливают путем намотки провода на каркас, то они имеют большую индуктивность и собственную емкость. Для уменьшения индуктивности применяют бифилярную намотку, при которой обмотку резистора выполняют сдвоенным проводом, благодаря чему поля расположенных рядом витков направлены навстречу друг другу и вычитаются. Уменьшение индуктивности достигается также путем намотки на плоский каркас. Недостатком бифилярной намотки является большая собственная емкость. Для получения малых индуктивности и емкости применяют разбивку обмотки на секции, в каждой из которых поочередно меняется направление намотки. Проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных, поэтому применяют их в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Высокочастотные резисторы и резисторы СВЧ. Эти резисторы обладают небольшими собственными индуктивностью и емкостью, что обеспечивается отсутствием спиральной нарезки, но при этом сопротивление не превышает 200 - 300 Ом. Однако это не является недостатком, так как на СВЧ высокие номиналы сопротивлений не применяют. В ряде случаев высокочастотные резисторы изготавливают без проволочных выводов и эмалевого покрытия, что уменьшает паразитную индуктивность и шунтирующее действие диэлектрика. На сверхвысоких частотах применяют резисторы группы С6, способные работать на частотах до 10 ГГц. К категории высокочастотных относятся также резисторы типов: С2-1 1, С2-34, МОН (металлоокисидные незащищенные) и МОУ (металлоокисидные ультравысокочастотные). На высоких частотах находят применение, кроме того, микропроволочные малогабаритные резисторы типа С5-32 Т, имеющие длину 6 мм, диаметр 2,6 мм и паразитную индуктивность не более 0,1 мкГн. Эти резисторы имеют мощность 0,125 Вт и номинальное сопротивление от 0,24 до 300 Ом с точностью 0,5; 1; 2 и 5%.

1.6 Специальные резисторы

К категории специальных резисторов относят резисторы, сопротивление которых зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, магнитного поля и т. д.

Резисторы с нелинейной ВАХ

В практике кроме линейных иногда используются термозависимые (терморезисторы) и нелинейные (варисторы) резисторы. Терморезисторы будут рассмотрены нами ниже.

Варисторы - полупроводниковые нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Варисторы изготавливают путем спекания кристаллов карбида кремния и связующих веществ. В готовой структуре варистора между кристаллами кремния существуют мельчайшие зазоры. 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 ; микронагрев точек контакта между зернами; наличие р-n - переходов, обусловленных различной электропроводностью отдельных зон, и пр.). При приложении к варистору внешнего напряжения происходит перекрытие этих зазоров, в результате чего сопротивление варистора уменьшается.

Рис.1.17. Вольт - амперные характеристики варисторов.

Рис.1.18. ВАХ обычного варистора.

Типичный вид вольт - амперной характеристики показан на рис.1.17.