2.2. Основные параметры и свойства резисторов

Свойства резисторов характеризуются следующими основными параметрами:

• номинальным сопротивлением;

• допускаемым отклонением;

• номинальной мощностью;

• электрической прочностью;

• стабильностью;

• уровнем собственных шумов;

• надежностью, размерами, массой, стоимостью.

Рассмотрим их более подробно.

Величина сопротивления (R_ном) является основным параметром и определяется размерами проводящего элемента и свойствами его материалов.

Т ипичные конструкции проводящих элементов приведены на рисунке 2.2.

Для резисторов цилиндрической формы с проводящим элементом, нанесенным на изоляционную поверхность, когда толщина проводящей пленки мала по сравнению с диаметром основания (см. рис. 2.2. (а)), величина сопротивления определяется по формуле:

,

где:  – удельное сопротивление пленки;

h – толщина пленки;

L – длина пленки;

D – диаметр основания.

a

t

D

а) б)

в) г)

д)

е)

Рис. 2.2. Основные конструкции резисторов (пояснения смотри в тексте)

Величину сопротивления поверхностного типа можно изменить, если последовательно снимать части слоя проводящего элемента путем спиральной нарезки (рис. 2.2 (б)) или прорезанием изолирующих канавок (рис. 2.2 (в)). Это позволяет увеличивать сопротивление резисторов и свести к минимуму влияние переходного сопротивления в контактном узле на полное сопротивление резистора.

Для объемной конструкции (рис. 2.2 (г)) величина сопротивления определяется формулой:

,

где D – диаметр проводящего элемента.

Сопротивление проволочных резисторов определяется длиной проволоки, ее удельным сопротивлением и площадью поперечного сечения (рис. 2.2 (д)):

.

В конструкциях резисторов переменного сопротивления применяются обычно подковообразные проводящие элементы (рис. 2.2 (е)).

Номинальные величины сопротивлений стандартизованы.

Для резисторов постоянного сопротивления согласно ГОСТ 2825-67 установлено 6 рядов: Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192, а для резисторов переменного сопротивления согласно ГОСТ 10318-80 установлен ряд Е6. Число после буквы Е указывает количество значений номиналов в каждом десятичном интервале.

На резисторы наносится буквенно-цифровая маркировка. Интересно, что систем маркировки достаточно много, а у некоторых производителей она своя. С другой стороны, с уменьшением размеров резисторов, громоздкие системы маркировки постепенно были вытеснены более компактными. В результате на резисторах в настоящее время маркируется только отклонение и номинал.

Проследим историю маркировок, от старых, которые еще могут встретиться, до современных.

1. Буквенно-цифровая маркировка содержала номинальную мощность, номинальное сопротивление, допуск или класс точности и дату изготовления. Нередко на резисторе умещался и логотип завода-изготовителя. Номинальное сопротивление обозначалось цифрами с указанием единицы измерения следующим образом: Ом обозначались буквой "R", или "Е", или вообще без буквы; кОм обозначались буквой "К", МОм – буквой "М", ГОм – буквой "Г", или "G", ТОм – буквой "Т" (тераомы).

Например, надпись "220Е", или "220", или "220R", или "220Ω" обозначала номинал 220 Ом, 68К – 68 кОм, "3,3М" или "3М3" – 3,3 МОм, "4Г7" – 4,7 ГОм, "1Т", или "1ТО" – 1 ТОм и т.д. (см. рис. 2.3 (а)-(в)).

Рис. 2.3. а)

Рис. 2.3. б)

в)

Рис. 2.3 в). Примеры обозначения параметров на корпусах резисторов

2. Затем появилась система маркировки с помощью линейчатого набора полосок различного цвета, с помощью которых кодировалось отклонение и сопротивление, а также ТКС. Расшифровка параметров в этом случае производилась так, как указано на рисунке 2.4. Сразу появилась кодировка из трех, четырех, пяти и шести колец. Это сильно затруднило расшифровку нанесенного спектра полосок без специальных средств (каталога или специального электронного расшифровщика). Вдобавок к этому такая система обладает еще рядом недостатков. Во-первых, необходимо сильно напрягать зрение, чтобы отличать полоски, например серого от белого цвета, или голубого от серого, особенно у резистора, установленного на плате внутри корпуса, или при искусственном освещении. Цвета со временем изменяются (выцветают), что может внести ошибку при определении параметров ЭРЭ. Во-вторых, при потере цвета хотя бы одной полоски, например, стирание или перегорание краски, информация о резисторе теряется безвозвратно. В-третьих, у некоторых резисторов (отечественных с допуском 20 %) пятиполосной системы, пятая полоса, обозначающая допуск не ставится; аналогично при четырехполосной системе с таким же допуском последняя полоска отсутствует. В результате система, соответственно, становится в первом случае четырехполосной, а во втором – трехполосной. Если во втором случае путаницы не происходит, так как зарубежной трехполосной кодировки не существует, то получившаяся четырехполосная кодировка может дать ошибочное значение номинала резистора. В-четвертых, выигрыш по размеру у такой системы – небольшой.

В цветовую кодировку некоторые производители включают и тип резисторов и ТКС, но такие системы еще более сложны для расшифровки.

По перечисленным выше причинам, такая система маркировки резисторов очень неудобна, но она используется некоторыми производителями.

Рис. 2.4. Маркировка параметров резисторов с помощью цветных полосок

3. Современные резисторы для поверхностного монтажа (бескорпусные и безвыводные) потребовали другой системы маркировки. При размерах корпуса в несколько миллиметров имеется возможность размесить всего несколько знаков. Поэтому производители чип-компонентов используют преимущественно числовую кодировку и только номинала резисторов (см. примеры на рис. 2.5 (а)-(в)). Для этого используется или трехпозиционный, или четырехпозиционный код, включающий основание, показатель степени и положение запятой. Резисторы с близким к нулю сопротивлением (перемычки) обозначаются, как показано на рисунке 2.5 (г).

а)

б)

в)

Рис. 2.5 а) – в).

г)

Рис. 2.5 г). Варианты кодировки номиналов резисторов для поверхностного монтажа

Допустимое отклонение или допуск указывается либо на ЭРЭ, либо в паспорте на электроэлемент, в зависимости от типа маркировки (см. рис. 2.3 (а)–(в) и 2.4). Согласно ГОСТ 9664-74 установлен ряд допусков: 0,001; 0,002; 0,005; 0,01;0,02; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1;2; 5; 10; 20; 30 (%). Каждому отклонению соответствует свой класс точности, обозначаемый соответствующей буквой латинского алфавита. На ЭРЭ маркируется либо отклонение, либо класс точности.

В каждом конкретном случае выбираются резисторы с необходимым допуском, обеспечивая с заданной точностью режимы в электрических цепях.

Номинальная мощность (Р_ном) – наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать при заданных условиях в течение гарантированного срока службы при сохранении параметров в условленных пределах при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды. Величина Р_ном определяется конструкцией, физическими свойствами материалов проводящего элемента и защитного слоя. С повышением температуры окружающей среды Р_ном снижается. С целью увеличения срока службы необходим запас по Р_ном, что позволяет уменьшить изменение сопротивления в течение длительного периода времени и снизить влияние температуры.

Конкретные значения Р_ном в Вт устанавливаются согласно ГОСТ 24013-80 и ГОСТ 10318-80 и выбираются из ряда:

0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 8; 10;

16; 25; 40; 63; 80; 100; 250; 500.

Удельная мощность рассеяния Р_о (Вт/см²) определяется по формуле:

.

Каждая конструкция резистора характеризуется предельным рабочим напряжением (U_пред), которое может быть приложено к резистору, не вызывая нарушения его работоспособности. Величина U_пред зависит от условий эксплуатации и рассчитывается по формуле:

.

Предельное напряжение при нормальном атмосферном давлении в большинстве случаев ограничивается тепловыми процессами в проводящем элементе. При понижении давления U_пред снижается.

Стабильность параметров резистора обычно характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), которое определяется как относительное изменение величины сопротивления при изменении температуры на один градус. Сопротивление резистора может изменяться под влиянием температуры, влажности, процессов старения, напряжения и т.д.

Температура. Под ее влиянием возникают обратимые и необратимые изменения сопротивления резистора.

Обратимые изменения характеризуются ТКС (_r), величина которого определяется свойствами материала элемента.

.

Для проволочных резисторов ТКС имеет малое значение, практически не зависимое от температуры (0...2)·10^-4 1/С.

Необратимые температурные изменения сопротивления резистора возникают после длительного воздействия повышенных температур или после нескольких температурных циклов. Эти изменения вызываются структурными изменениями резистивного элемента и наблюдаются только у непроволочных резисторов.

Влажность. При воздействии влаги усиливаются окислительные и электрохимические процессы, которые сопровождаются необратимыми изменениями сопротивления. Для защиты резисторов применяют покрытия: лаками, эмалями, опрессовку пластмассами и герметизацию. Поэтому резисторы могут работать при влажности 90...98 %.

Старение. С течением времени происходит изменение сопротивления резистора, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет кристаллизации, окисления и различных электрохимических процессов, а также за счет изменения свойств переходных контактов. Эти явления называются старением. Они в основном проявляются у непроволочных резисторов.

Собственные шумы – важный параметр, представляющий помехи для полезного сигнала и накладывающий ограничения на чувствительность различных схем. Они представляют собой переменное напряжение, характеризующееся непрерывным широким спектром и одинаковой интенсивностью всех составляющих.

Имеют место два вида шумов.

1. Тепловые шумы – возникают в связи с изменением объемной концентрации электронов в проводнике за счет их теплового движения, поэтому между любыми точками проводника возникает напряжение колебательного характера.

ЭДС тепловых шумов определяется величиной сопротивления резистора, температурой и в полосе частот Δf может быть определена по формуле:

,

где: k –постоянная Больцмана 1,38·10^-23Дж/К;

T – абсолютная температура, К;

R – сопротивление, Ом;

f – полоса частот, Гц.

Тепловые шумы имеют место во всех типах резисторов.

2. Токовые шумы – возникают в проводниках с зернистой структурой из-за изменения контактных сопротивлений между зернами проводящего элемента (разрушение контакта, спекание частиц, электрохимические процессы, механические вибрации). Величина шума зависит от длины проводящего элемента, размера зерен и сопротивления. Чем больше сопротивление, чем дисперснее структура, чем длиннее резистивный элемент, тем токовые шумы меньше.

Таким образом, на концах резистора проявляется переменная составляющая напряжения различных частот. Действующее значение этой переменной составляющей напряжения Е_m, отнесенного к постоянному напряжению U_R, приложенной к резистору, называется уровнем собственных шумов D (мкВ/В) и выражается как:

.

Уровень шумов D обычно указывается для полосы частот от 50 Гц до 5 кГц и делится на 2 группы:

A, для которой D  1 мкВ/В;

Б, для которой D  5 мкВ/В.

Для резисторов специального применения D  1 мкВ/В.

Уровень собственных шумов в значительной степени зависит от качества контакта между резистивным элементом и выводами.

Надежность. Экспериментально установлено, что 50 % отказов резисторов происходит из-за нарушения контактного соединения выводов с резистивным элементом и его обрыва, до 40 % – из-за перегорания резистивного элемента, и 10 % – из-за недопустимого изменения сопротивления. Отказы вызываются как недостатками конструкции и технологии производства, так и неправильной эксплуатацией (электрические перегрузки, перегрев, слишком плотный монтаж и т.д.).

Для повышения надежности и увеличения периода работы, резисторы используют в облегченных (по мощности и напряжению) режимах в условиях хорошего охлаждения. Для этого выбирают К_н  0,2...0,5.

Наибольшей надежностью обладают непроволочные объемные резисторы постоянного сопротивления, а также высокостабильные углеродистые и металлопленочные термостойкие. Проволочные резисторы отличаются невысокой надежностью.

В следующем разделе будут рассмотрены основные виды резисторов по типу их резистивного элемента.

Контрольные вопросы

1. Как производится классификация резисторов?

2. Что содержит маркировка резисторов?

3. Как обозначается степень для обозначения сопротивления?

4. Как обозначается отклонение резисторов?

5. Перечислите основные виды кодирования параметров резисторов. В чем их отличия? Каковы свойства и область применения каждого из них?

6. Чем отличаются резисторы общего назначения от специального?

7. Для чего предназначены высокоомные резисторы. Какого типа они могут быть?

8. Где используются высоковольтные резисторы?

9. Для чего используются прецизионные и миниатюрные резисторы. В чем будет различие в их параметрах?

10. В чем отличие подстроечных от регулируемых резисторов переменного сопротивления?

11. Как можно защитить резистор от внешних воздействий?

12. Каков размах сопротивлений современных резисторов?

13. Что характеризует стабильность параметров сопротивления резисторов?

14. Что представляют собой шумы и чем они опасны?

15. В чем отличие теплового от токового шума?

16. Как уменьшить уровень шумов каждого типа?

17. Как определяется и в чем измеряется уровень шума?

18. Какова статистика отказов резисторов?

19. Что определяет коэффициент нагрузки?

20. Какие резисторы обладают высокой надежностью, низкой? Почему?