8. Плёночные резисторы и конденсаторы

Плёночные резисторы и конденсаторы самые массовые элементы электронных схем. Резисторы предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду [29].

8.1.Конструкции и основные характеристики 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, выражается соотношением

, (8.1)

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.п., имеющие большое удельное электрическое сопротивление ρ [29].

Для расчёта сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления ρ_s, под которым понимают сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина ρ_s связана с величиной р и легко может быть получена из (8.1), если принять в ней , где w — ширина резистивной пленки, δ — толщина резистивной плёнки.

Тогда

, (8.2)

где удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки δ. Если ,тo , причем значение сопротивления не зависит от размеров сторон квадрата.

На рис. 8.1 представлено устройство плёночного 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

(8.3)

где — длина резистора (расстояние между контактными колпачками); D — диаметр цилиндрического стержня.

Рис. 8.1. Плёночный постоянный резистор [29]

Такая конструкция резистора обеспечивает получение сравнительно небольших сопротивлений (сотни ом). Для увеличения сопротивления резистивную плёнку 2 наносят на поверхность керамического цилиндра 1 в виде спирали (рис. 8.2).

Сопротивление такого резистора определяется соотношением

,где t — шаг спирали; α — ширина канавки (расстояние между соседними витками спирали); - число витков спирали.

Рис. 8.2. Высокоомный плёночный резистор

Для сравнения на рис. 8.3 показана конструкция объёмного 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 (8.1) [29].

Рис. 8.3. Объёмный резистор

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

Для гибридных интегральных микросхем (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 60 мкм).

Резисторы полупроводниковых ИМС представляют собой тонкую локальную область полупроводника, изолированную от подложки и защищенную слоем .

Конструкции переменных резисторов гораздо сложнее, чем постоянных. На рис. 8.4 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

Рис. 8.4. Переменный пленочный резистор

Переменный 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, 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 ограничивается стопором 8. Существуют и другие конструкции переменных непроволочных резисторов. Токопроводящий элемент в них представляет собой тонкую металлическую, металлооксидную или композиционную плёнку [29].

Переменные резисторы могут иметь разный закон изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Закон изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси

У линейных резисторов (типа А) сопротивление зависит от угла поворота линейно. У логарифмических резисторов (тип Б) сопротивление изменяется по логарифмическому закону, а у резисторов типа В — по обратнологарифмическому.

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. 8.6.

Рис. 8.6. Эквивалентная схема постоянного резистора

На схеме — сопротивление резистивного элемента, — сопротивление изоляции, определяемое свойством защитного покрытия и основания, — сопротивление контактов, L_R — эквивалентная индуктивность резистивного слоя и выводов резистора, C_R — эквивалентная емкость резистора — ёмкости выводов. Активное сопротивление резистора определяется соотношением

(8.4)

Сопротивление имеет существенное значение только для низкоомных резисторов. Сопротивление 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

, (8.5)

где — комплексное сопротивление резистора на частоте ω.

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

Частотные свойства непроволочных резисторов значительно лучше, чем проволочных.