Основные параметры и свойства резисторов

1 2 3 4 5 6

К основным электрическим параметрам и свойствам резисторов относятся:

1) номинальная величина сопротивления

2) допустимое отклонение от номинала,

3) номинальная величина мощности рассеивания,

4) предельное рабочее напряжение,

5) температурный коэффициент сопротивления,

6) величина собственных шумов,

7) частотные свойства резисторов.

Номинал сопротивления и допуск. В общем случае величина сопротивления резистора R определяется формулой:

(1)

где ρ — удельное сопротивление токопроводящего элемента, Ом-мм²/м;

l — длина пути прохождения тока, м;

S — площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, мм².

Для резисторов поверхностного типа цилиндрической формы:

без спиральной нарезки

(2)

со спиральной нарезкой

(3)

где l — длина образующей цилиндра токопроводящего слоя резистора без нарезки, м;

h — толщина токопроводящего слоя, мм;

D — наружный диаметр стержня, мм в формуле (2), м в формуле (3);

N — число витков спиральной нарезки;

t — шаг спиральной нарезки, мм;

а — ширина спиральной нарезки, мм.

Для резисторов объемного типа с композиционным токопроводящим слоем прямоугольной формы:

(4)

где ρ —удельное сопротивление композиции, Ом-мм²/м;

l —длина столбика композиции, м;

b, с — размеры сторон столбика композиции, мм.

Для резисторов проволочного типа:

(5)

где ρ — удельное сопротивление проволоки, Ом-мм²/м;

l — длина намотанной проволоки, м;

d — диаметр проволоки, мм.

Для переменных резисторов непроволочного типа с подковообразной формой токопроводящего слоя:

(6)

где ρ —удельное поверхностное сопротивление композиции. Ом-см;

r₂, г₁ — внешний и внутренний радиусы подковы, (см);

h — толщина токопроводящей композиции, см;

φ — угол в градусах, соответствующий длине токопроводящего слоя.

Для тонкопленочного резистора ИМС:

R=R k_Ф (7)

где R_□ — удельное поверхностное сопротивление пленки, Ом/□;

к_Ф — коэффициент формы тонкопленочного резистора.

Для резистора прямоугольной формы

к_Ф = l/b,

где l – длина тела резистора,

b – ширина тела резистора.

Для резистора формы «меандр»

к_Ф = l_СР /b,

l_СР = n (B+a),

n − число звеньев,

В – ширина контура резистора,

а -расстояние между резистивными звеньями:

n=L/t,

где L – длина контура резистора,

t – шаг меандра.

Из формул (1-7) видно, что изменить величину сопротивления можно следующими способами: изменением удельного сопротивления токопроводящего слоя, изменением геометрических размеров сечения токопроводящего слоя, изменением длины токопроводящего слоя.

Для резисторов поверхностного типа в пределах одной и той же группы, например углеродистых, наиболее рациональным способом изменения величины сопротивления является изменение длины токопроводящего слоя путем применения спиральной нарезки. Это позволяет при одних и тех же габаритах получить резисторы с различными величинами сопротивлений, но с одной и той же мощностью рассеивания. С этой же целью для резисторов объемного типа и переменных непроволочных применяют вариацию составом композиции или изменение площади сечения слоя.

В проволочных резисторах изменение величины сопротивления при одних и тех же габаритах достигается в основном изменением числа витков и сечения провода, реже — марки провода.

Изменение величины сопротивления пленочных резисторов ИМС осуществляют изменением геометрических размеров резисторов, так как смена рабочего материала приводит к значительному увеличению технологического времени (увеличению числа циклов).

Заводы-изготовители выпускают резисторы по стандартным шкалам номинальных значений и с регламентированными классами точности.

ГОСТом устанавливается 6 рядов сопротивлений (ГОСТ 2825-67). Е6, Е12, Е24,…Е192. Ряд сопротивлений это определенное число номиналов резисторов, которые повторяются в каждой декаде.

Ряд Е6 (1,0; 1,5; 2,4; 3,3; 4,7; 6,8)_*10ⁿ

Класс точности резисторов определяется допуском. Допуск – это относительное отклонение от номинала, выраженное в процентах. Согласно ГОСТ 9664-74 устанавливаются следующие допуски ±0,001%; ±0,02; ±0,05; ±0,1; ±0,2; 30%.

Номинальная мощность рассеивания. При прохождении тока через токопроводящий элемент в нем выделяется тепловая энергия, которая внешней поверхностью резистора рассеивается в окружающую среду или передается другим элементам конструкции РЭА благодаря теплопроводности. Эта тепловая энергия оценивается мощностью рассеивания резистора:

Р=I²R, Вт, (8)

где I — величина протекающего через резистор тока, А.

В зависимости от факторов внешней среды (температуры, давления, конвекции воздуха, влажности), конструкции резистора, формы и величины приложенного напряжения на резисторе будет выделяться и отводиться от него большая или меньшая мощность. Поэтому одной из основных характеристик резистора является номинальная мощность рассеивания.

Под номинальной мощностью рассеивания понимают максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке в нормальных условиях без изменения электрических параметров выше норм, указанных в технических условиях на него.

Эксплуатация резисторов, как правило, проводится при мощностях рассеивания, в 3—10 раз меньше номинальных, что обеспечивает более высокую надежность работы устройств. Однако некоторые резисторы в аппаратуре могут быть нагружены на номинальную и даже на 10—20% выше мощность. При этом срок их службы уменьшается иногда до 10 раз и более.

Отношение реально рассеиваемой мощности резистора к его номинальной называют коэффициентом загрузки резистора.

Промышленность выпускает резисторы с номинальными мощностями рассеивания 0,01, 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 8; 10; 16; 25; 50; 75; 100; 160; 250; 500 (Вт). Как правило, чем выше номинальная мощность рассеивания, тем больше габариты резистора. В большинстве радиоэлектронных изделий применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания не выше 2 Вт.

Предельное рабочее напряжение — это максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий на электрические параметры.(величины сопротивления, уровня собственных шумов и т.д.)

Эта величина обычно задается для нормальных условий эксплуатации. Она зависит от длины резистора, шага спиральной нарезки, температуры и давления внешней среды.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение величины сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С.

ТКС = a_R = (9)

где ΔR — абсолютное изменение величины сопротивления резистора в диапазоне температур Δt, Ом;

R₀ — сопротивление резистора при нормальной температуре t₀, Ом.

Δt = t –t₀, °С, (10)

где t — положительная или отрицательная предельная температура эксплуатации резистора по техническим условиям, °С.

Для большинства резисторов в указанных диапазонах закон ТКС представляется линейным, а величина ТКС — постоянной.

Величина и знак ТКС определяются в температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТКр) и температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) материала токопроводящего слоя. Для проволочных резисторов справедлива формула:

ТКС = ТК_r - ТКЛР (11)

Величина собственных шумов. При приложении к резистору постоянного напряжения в нем появляются «шумы». Шум представляет собой некоторую переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения на резисторе. Собственные шумы резисторов имеют двоякую природу: это так называемые «тепловые» и «токовые» шумы.

Тепловые шумы возникают под действием хаотического движения электронов в токопроводящем слое. Это приводит к случайным микроизменениям величины сопротивления резистора и, следовательно, к появлению переменных пульсаций напряжения в нем. С увеличением температуры тепловые шумы возрастают. Они присущи всем видам резисторов и по своей величине гораздо меньше токовых шумов.

Токовые шумы возникают в резисторах с зернистой структурой токопроводящего слоя — в непроволочных углеродистых, металлизированных и композиционных. Путь тока при его прохождении через токопроводящий слой этих резисторов может быть случаен. Он наиболее вероятен там, где в данный момент контактируемость зерен повышена. Это приводит к появлению случайной составляющей напряжения на выводах резистора.

Уровень токовых шумов D мкВ/В определяется отношением действующего значения случайной составляющей Ет к постоянному напряжению U, приложенному к резистору:

D= (12)

С увеличением приложенного напряжения токовые шумы возрастают.

Наиболее шумящими резисторами являются композиционные, поэтому применение их в приемных устройствах ограничено. По уровню шумов резисторы делят на две группы: группу А (D ≤ 1 мкВ/В) и группу В (≤ 5 мкВ/В)

Частотные свойства резисторов. При работе резисторов в диапазоне частот величина сопротивления может изменяться относительно его номинала при постоянном токе.

В общем случае упрощенная эквивалентная схема резистора для высоких частот может кроме собственно активного сопротивления R включать реактивные составляющие — индуктивности L'_ПАР и L"_ПАР и емкость С_ПАР.

Наличие последних ухудшает частотные свойства резисторов, поэтому часто их называют «паразитными». Для разных типов конструкций резисторов паразитные индуктивность и емкость образуются по-разному.

- Для проволочных резисторов паразитная индуктивность образуется за счет индуктивности выводов, а паразитная емкость — за счет межвитковой емкости.

С увеличением частоты, как известно, индуктивная составляющая полного сопротивления растет, а емкостная уменьшается, поэтому сопротивление проволочного резистора может в принципе изменяться и в ту и другую сторону. Однако с увеличением частоты сопротивление проволочного резистора всегда увеличивается. Объясняется это другой, более важной причиной — действием поверхностного эффекта. При этом действующее сечение проводника по сравнению с сечением для постоянного тока (полным сечением проводника) уменьшается. Чем выше частота, тем меньше площадь кольца и тем выше величина сопротивления проволочного резистора.

- У непроволочных резисторов действием поверхностного эффекта можно пренебречь, так как они имеют зернистую структуру и диаметр их зерен, как правило, гораздо меньше глубины проникновения. Для них частотные зависимости величины сопротивления в основном определяются величинами паразитной емкости и индуктивности. Для непроволочных резисторов без спиральной нарезки (низкоомных) величина сопротивления увеличивается с частотой, так как в их эквивалентной схеме нет паразитной емкости, а есть паразитная индуктивность. Для непроволочных резисторов со спиральной нарезкой, наоборот, влиянием паразитной индуктивности можно пренебречь. Уменьшение величины их сопротивления обусловлено шунтирующим действием паразитной емкости, образуемой как распределенная емкость в пазах нарезки. Чем толще поверхностный токопроводящий слой, выше диэлектрическая проницаемость покрытия и больше число витков нарезки, тем больше паразитная емкость и хуже частотные свойства резистора.