Классификация и конструкции резисторов

По назначению дискретные резисторы делят на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокоомные и специальные. По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяют на постоянные, переменные и специальные. Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, у переменных резисторов предусмотрена возможность изменения сопротивления в процессе эксплуатации, сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов: протекающего тока или приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещения (фоторезисторы) и т. д.

По виду токопроводящего элемента различают проволочные и непроволочные резисторы. По эксплуатационным характеристикам дискретные резисторы делят на термостойкие, влагостойкие, вибро- и ударопрочные, высоконадежные и т. д.

Основным элементом конструкции постоянного резистора является резистивный элемент, который может быть либо пленочным, либо объемным. Величина объемного сопротивления материала определяется количеством свободных носителей заряда в материале, температурой, напряженностью поля и т. д. и выражается известным соотношением

(2.1)

где ρ — удельное электрическое сопротивление материала;

l — длина резистивного слоя;

s — площадь поперечного сечения резистивного слоя.

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

Для расчета сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления р_s, под которым понимают сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина p_s связана с величиной р и легко может быть получена из (2.1), если принять в ней s = δ*ώ, где ώ — ширина резистивнойпленки, δ — толщина резистивнойпленки.

Тогда

(2.2)

Где - удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки δ. Если l = ώ, то R = ρ_s, причем значение сопротивления не зависит от размеров сторон квадрата.

На рис. 2.1 представлено устройство пленочного резистора. На диэлектрическое цилиндрическое основание 1 нанесена резистивная пленка 2. На торцы цилиндра надеты 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

(2.3)

где l — длина резистора (расстояние между контактными колпачками);

D — диаметр цилиндрического стержня.

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. 2.2).

Сопротивление такого резистора определяется соотношением

(2.4)

где t — шаг спирали;

ά — ширина канавки (расстояние между соседними витками спирали);

число витков спирали.

На рис. 2.3 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 (2.1).

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

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. 2.4 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 выводом. Угол поворота оси составляет 270° 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. 2.5),

У линейных резисторов (типа А) сопротивление зависит от угла поворота линейно. У логарифмических резисторов (тин 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 Б).

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.

На рис. 2.6 показана конструкция переменного проволочного резистора с круговым перемещением токосъемника. В пластмассовом корпусе 7 с помощью цанговой втулки 3 укреплена поворотная ось 2, на которой закреплен изоляционный диск с контактной пружиной (ползуном) 4, скользящей по проводу обмотки 9, укрепленной на гетинаксовой дугообразной пластине 6. Концы обмотки соединены с выводами 8, а ползун через контактное кольцо соединен с внешним контактным лепестком 10. Положение оси может быть зафиксировано стопорной разрезной гайкой 1, а угол поворота оси ограничен выступами корпуса, в которые упирается планка-ограничитель 5, закрепленная на 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. Эквивалентная схема постоянного резистора представлена на рис. 2.7.

На схеме R_R — сопротивление резистивного элемента, R_из — сопротивление изоляции, определяемое свойством защитного покрытия и основания, R_K — сопротивление контактов, L_R — эквивалентная индуктивность резистивного слоя и выводов резистора, C_R — эквивалентная емкость резистора, С_к1, и С_к2 — емкости выводов. Активное сопротивление резистора определяется соотношением

(2.5)

Сопротивление R_K имеет существенное значение только для низкоомных резисторов. Сопротивление R_us практически влияет на общее сопротивление только высокоомных резисторов. Реактивные элементы определяют частотные свойства резистора. Из-за их наличия сопротивление резистора на высоких частотах становится комплексным. Относительная частотная погрешность определяется соотношением

(2.6)

где Z — комплексное сопротивление резистора на частоте ώ.

На практике, как правило, величины L и С неизвестны. Поэтому для некоторых типов резисторов указывают значение обобщенной постоянной времени τ_max, которая связана с относительной частотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением:

(2.7)

Частотные свойства непроволочных резисторов значительно лучше, чем проволочных.

Параметры резисторов

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

Номинальное сопротивление R _ном и его допустимое отклонение от номинала ±ΔR 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. 2.1).

Таблица 2.1. Числовые коэффициенты для определения номинальных значений сопротивлении

E24 E12 E6

1,0 1,0 1,0

1,1 - -

1,2 1,2 -

1,3 - -

1,5 1,5 1,5

1,6 - -

1,8 1,8 -

2,0 - -

2,2 2,2 2,2

2,4 - -

2,7 2,7 -

3,0 - -

3,3 3,3 3,3

3,6 - -

3,9 3,9 -

4,3 - -

4,7 4,7 4,7

5,1 - -

5,6 5,6 -

6,2 - -

6,8 6,8 6,8

7,5 - -

8,2 8,2 -

9,1 - -

Номинальные значения сопротивлений определяются числовыми коэффициентами, входящими в табл. 2.1, которые умножаются на 10ⁿ, где п — 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 ±20 %, для ряда Е12 — ±10 %, для ряда Е24 — ±5 %. 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 ±2 %; ±1 %; ±0,5 %; ±0,2 %; ±0,1 %; ±0,05 %; ±0,02 % и ±0,01 %.

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

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 U и протекающего тока I и равна

(2.8)

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

(2.9)

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

Из условия баланса мощностей можно определить температуру резистора, что наглядно показано на рис. 2.8, а.

Если Р_ВЫД=Р_ОТВ, то , откуда

(2.10)

Следовательно, при увеличении мощности, выделяемой в резисторе, возрастает его температура T_R, что может привести к выходу резистора из строя. Для того чтобы этого не произошло, необходимо уменьшить R_T, что достигается увеличением размеров резистора. Для каждого типа резистора существует определенная максимальная температура Т_max, превышать которую нельзя.

Температура T_R, как следует из вышеизложенного, зависит также от температуры окружающей среды. Если она очень высока, то температура T_R может превысить максимальную. Чтобы этого не произошло, необходимо уменьшать мощность, выделяемую в резисторе (рис. 2.8, б). Для всех типов резисторов в ТУ оговаривают указанные зависимости мощности от температуры окружающей среды (рис. 2.8, в). 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 U _ПРЕД определяет величину допустимого напряжения, которое может быть приложено к резистору. Для резисторов с небольшой величиной сопротивления (сотни ом) эта величина определяется мощностью резистора и рассчитывается по формуле

(2.11)

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 витками спиральной нарезки. Напряжение пробоя зависит от длины резистора и давления воздуха. При длине резистора не превышающей 5 см оно определяется по формуле

(2.12)

где Р — давление, мм. рт. ст.;

l — длина резистора, см.

Значение U_ПРЕД указывается в ТУ, оно всегда меньше U_ПРОБ. При испытании резисторов на них подают испытательное напряжение U_ИСП, которое больше U_ПРЕД и меньше U_ПРОБ.

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

(2.13)

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 ±(7 - 12)*10^-4.

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

(2.14)

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

Коэффициент напряжения К_Н 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;

(2.15)

где R₁₀₀ — сопротивление резистора при напряжении U_ПРЕД;

R₁₀— сопротивление резистора при напряжении 0,1 U_ПРЕД.

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. Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением

, (2.16)

где К= 1,38*10^-23Дж/ К— постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура, К;

R — сопротивление, Ом;

Δf — полоса частот, в которой измеряются шумы.

При комнатной температуре (Т= 300 К)

(2.17)

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

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.

Поскольку значения тока, протекающего через резистор, зависит от значения приложенного напряжения U, то в первом приближении можно считать

(2.18)

где K_i — коэффициент, зависящий от конструкции резистора, свойств резистивного слоя и полосы частот. Величина К_i указывается в ТУ и лежит в пределах от 0,2 до 20 мкВ/В. Чем однороднее структура, тем меньше токовый шум. У металлопленочных и углеродистых резисторов величина К_i < 1,5 мкВ/B, у композиционных поверхностных резисторов К_i < 40 мкВ/В, у композиционных объемных резисторов К_i, < 45 мкВ/В. У проволочных резисторов токовый шум отсутствует. Токовый шум измеряется в полосе частот от 60 до 6000 Гц. Его величина значительно превышает величину теплового шума.