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.