Резистор — это пассивный двухконтактный электрический компонент , который реализует электрическое сопротивление как элемент схемы. В электронных схемах резисторы используются, среди прочего, для уменьшения тока, регулировки уровней сигнала, разделения напряжения , смещения активных элементов и завершения линий передачи . Резисторы высокой мощности, которые могут рассеивать многие ватты электрической мощности в виде тепла, могут использоваться в составе средств управления двигателем, в системах распределения электроэнергии или в качестве испытательной нагрузки для генераторов . Постоянные резисторы имеют сопротивления, которые незначительно изменяются в зависимости от температуры, времени или рабочего напряжения. Переменные резисторы можно использовать для регулировки элементов схемы (например, регулятора громкости или диммера лампы) или в качестве датчиков тепла, света, влажности, силы или химической активности.
Резисторы являются обычными элементами электрических сетей и электронных схем и повсеместно используются в электронном оборудовании . Практические резисторы как дискретные компоненты могут состоять из различных соединений и форм. Резисторы также реализуются в интегральных схемах .
Электрическая функция резистора определяется его сопротивлением: обычные коммерческие резисторы производятся в диапазоне более девяти порядков величины . Номинальное значение сопротивления находится в пределах производственного допуска , указанного на компоненте.
Два типичных символа схематических представлений следующие:
,_and_Potentiometer_symbols.svg/1280px-Resistor,_Rheostat_(variable_resistor),_and_Potentiometer_symbols.svg.png){kind=small}
Обозначения для указания значения резистора на принципиальной схеме различаются.
Одной из распространенных схем является код RKM, соответствующий IEC 60062 . Вместо использования десятичного разделителя в этом обозначении используется буква, слабо связанная с префиксами SI, соответствующими сопротивлению детали. Например, 8K2 в качестве кода маркировки детали на принципиальной схеме или в спецификации (BOM) указывает на значение резистора 8,2 кОм. Дополнительные нули подразумевают более жесткий допуск, например 15M0 для трех значащих цифр. Когда значение может быть выражено без префикса (то есть множителя 1), вместо десятичного разделителя используется буква «R». Например, 1R2 означает 1,2 Ом, а 18R — 18 Ом.
Поведение идеального резистора описывается законом Ома :
Закон Ома гласит, что напряжение ( ) на резисторе пропорционально протекающему через него току ( ), где константой пропорциональности является сопротивление ( ). Например, если к клеммам 12-вольтовой батареи подключить резистор сопротивлением 300 Ом , то через этот резистор течет ток силой 12/300 = 0,04 ампера .
Ом (обозначение: Ω ) — единица электрического сопротивления в системе СИ , названная в честь Георга Симона Ома . Ом эквивалентен вольту на ампер . Поскольку резисторы специфицируются и производятся в очень широком диапазоне номиналов, производными единицами миллиом (1 мОм = 10 -3 Ом), килоом (1 кОм = 10 3 Ом) и мегаом (1 МОм = 10 6 Ом) являются также в обычном использовании. [2] [3] : стр. 20
Суммарное сопротивление резисторов, соединенных последовательно, представляет собой сумму значений их отдельных сопротивлений.
Общее сопротивление резисторов, соединенных параллельно, обратно пропорционально сумме обратных величин отдельных резисторов. [3] : стр. 20 и далее
Например, резистор сопротивлением 10 Ом, подключенный параллельно с резистором 5 Ом и резистором 15 Ом, дает1/1/10 + 1/5 + 1/15Ом сопротивления или30/11= 2,727 Ом.
Сеть резисторов, представляющая собой комбинацию параллельных и последовательных соединений, может быть разбита на более мелкие части, которые являются либо одним, либо другим. Некоторые сложные сети резисторов невозможно решить таким способом, что требует более сложного анализа схемы. Как правило, для решения таких задач можно использовать преобразование Y-Δ или матричные методы . [4] [5] [6]
В любой момент мощность P (Вт), потребляемая резистором сопротивления R (Ом), рассчитывается как:
Резисторы оцениваются в соответствии с их максимальной рассеиваемой мощностью. Дискретные резисторы в твердотельных электронных системах обычно имеют номинал 1/10 , 1/8 или 1/4 Вт . Обычно они потребляют гораздо меньше ватта электроэнергии и не требуют особого внимания к своей номинальной мощности.
Силовые резисторы необходимы для рассеивания значительного количества мощности и обычно используются в источниках питания, схемах преобразования мощности и усилителях мощности; это обозначение широко применяется к резисторам с номинальной мощностью 1 Вт или выше. Силовые резисторы физически больше и могут не использовать предпочтительные номиналы, цветовые коды и внешние корпуса, описанные ниже.
Если средняя мощность, рассеиваемая резистором, превышает его номинальную мощность, может произойти повреждение резистора, что приведет к необратимому изменению его сопротивления; это отличается от обратимого изменения сопротивления из-за его температурного коэффициента при нагревании. Чрезмерное рассеивание мощности может повысить температуру резистора до такой степени, что это может привести к ожогу печатной платы или соседних компонентов или даже вызвать пожар. Существуют взрывозащищенные резисторы, которые не создают пламени при любой перегрузке любой продолжительности.
Резисторы могут быть рассчитаны на более высокую номинальную рассеиваемую мощность, чем это наблюдается при эксплуатации, с учетом плохой циркуляции воздуха, большой высоты или высокой рабочей температуры .
Все резисторы имеют максимальное номинальное напряжение; это может ограничить рассеиваемую мощность при более высоких значениях сопротивления. [7] Например, среди резисторов номиналом 1 ⁄ Вт (очень распространенный вид резисторов с выводами ) указан резистор с сопротивлением 100 МОм [8] и максимальным номинальным напряжением 750 В. Однако даже если разместить 750 В на 100 В, Непрерывное использование резистора МОм приведет к рассеиваемой мощности менее 6 мВт, что делает номинальную мощность 1 ⁄ Вт бессмысленной.
Практические резисторы имеют последовательную индуктивность и небольшую параллельную емкость ; эти характеристики могут быть важны в высокочастотных приложениях. В малошумящих усилителях или предусилителях шумовые характеристики резистора могут быть проблемой.
В некоторых прецизионных приложениях температурный коэффициент сопротивления также может иметь значение.
Нежелательная индуктивность, избыточный шум и температурный коэффициент в основном зависят от технологии, использованной при изготовлении резистора. Обычно они не указываются индивидуально для конкретного семейства резисторов, изготовленных по определенной технологии. [9] Семейство дискретных резисторов также можно охарактеризовать по его форм-фактору, то есть размеру устройства и положению его выводов (или клемм). Это актуально при практическом производстве схем, в которых они могут использоваться.
Практические резисторы также имеют максимальную номинальную мощность , которая должна превышать ожидаемую рассеиваемую мощность этого резистора в конкретной цепи: это в основном вызывает беспокойство в приложениях силовой электроники. Резисторы с более высокими номинальными мощностями физически больше и могут потребовать радиаторов . В высоковольтной цепи иногда необходимо обращать внимание на номинальное максимальное рабочее напряжение резистора. Хотя для данного резистора не существует минимального рабочего напряжения, неучет максимального номинала резистора может привести к его возгоранию при прохождении через него тока.
Компоненты со сквозными отверстиями обычно имеют «выводы» (произносится / l iː d z / ), выходящие из корпуса «аксиально», то есть на линии, параллельной самой длинной оси детали. У других электроды отходят от тела «радиально». Другие компоненты могут быть SMT (технология поверхностного монтажа), а у мощных резисторов один из выводов может быть встроен в радиатор .
Резисторы из углеродного состава (CCR) состоят из твердого цилиндрического резистивного элемента со встроенными проволочными выводами или металлическими торцевыми крышками, к которым прикреплены выводы. Корпус резистора защищен краской или пластиком. Резисторы из углеродного состава начала 20-го века имели неизолированный корпус; подводящие провода наматывались на концы стержня резистивного элемента и припаивались. Готовый резистор покрасили для цветовой маркировки его номинала.
Резистивный элемент в резисторах из углеродного состава изготавливается из смеси мелкодисперсного углерода и изоляционного материала, обычно керамики. Смола скрепляет смесь. Сопротивление определяется соотношением материала наполнителя (порошковой керамики) и углерода. Более высокие концентрации углерода, который является хорошим проводником, приводят к снижению сопротивления. Резисторы из углеродного состава широко использовались в 1960-х годах и раньше, но сейчас они не популярны для общего использования, поскольку другие типы имеют лучшие характеристики, такие как допуск, зависимость от напряжения и нагрузка. Резисторы из углеродного состава меняют значение при воздействии перенапряжения. Более того, если внутреннее содержание влаги, например, в результате воздействия в течение некоторого времени во влажной среде, является значительным, тепло пайки приводит к необратимому изменению значения сопротивления. Резисторы из углеродного состава имеют плохую стабильность во времени и, следовательно, отсортированы на заводе с допуском в лучшем случае только 5%. [10] Эти резисторы не являются индуктивными, что обеспечивает преимущества при использовании в устройствах снижения импульсов напряжения и защиты от перенапряжений. [11] Резисторы из углеродного состава обладают более высокой способностью выдерживать перегрузку в зависимости от размера компонента. [12]
Резисторы из углеродного состава все еще доступны, но относительно дороги. Значения варьировались от долей Ома до 22 МОм. Из-за своей высокой цены эти резисторы больше не используются в большинстве приложений. Однако они используются в источниках питания и средствах управления сваркой. [12] Они также востребованы при ремонте старинного электронного оборудования, где подлинность является важным фактором.
Углеродный резистор состоит из стопки углеродных дисков, сжатых между двумя металлическими контактными пластинами. Регулировка давления зажима изменяет сопротивление между пластинами. Эти резисторы используются, когда требуется регулируемая нагрузка, например, при тестировании автомобильных аккумуляторов или радиопередатчиков. Угольный резистор также можно использовать в качестве регулятора скорости небольших двигателей бытовой техники (швейных машин, ручных миксеров) мощностью до нескольких сотен Вт. [13] Угольный резистор может быть включен в автоматические регуляторы напряжения для генераторов, где угольный резистор контролирует ток возбуждения для поддержания относительно постоянного напряжения. [14] Этот принцип также применяется в угольных микрофонах .
При производстве углеродных пленочных резисторов углеродная пленка наносится на изолирующую подложку, и в ней разрезается спираль , чтобы создать длинный и узкий резистивный путь. Различная форма в сочетании с удельным сопротивлением аморфного углерода ( от 500 до 800 мкОм · м) может обеспечить широкий диапазон значений сопротивления. Углеродные пленочные резисторы имеют более низкий уровень шума по сравнению с резисторами из углеродного состава благодаря точному распределению чистого графита без примесей. [15] Углеродные пленочные резисторы имеют диапазон номинальной мощности от 0,125 Вт до 5 Вт при 70 °C. Доступные сопротивления варьируются от 1 Ом до 10 МОм. Углеродный пленочный резистор имеет диапазон рабочих температур от -55 °C до 155 °C. Максимальный диапазон рабочего напряжения составляет от 200 до 600 В. Специальные резисторы из углеродной пленки используются в приложениях, требующих высокой импульсной стабильности. [12]
Резисторы из углеродного состава можно печатать непосредственно на подложках печатных плат (PCB) в рамках процесса производства печатных плат. Хотя этот метод более распространен в модулях гибридных печатных плат, его также можно использовать и на стандартных печатных платах из стекловолокна. Допуски обычно довольно велики и могут составлять порядка 30%. Типичным применением являются некритические подтягивающие резисторы .
Толстопленочные резисторы стали популярными в 1970-х годах, и сегодня большинство резисторов SMD (устройств поверхностного монтажа) относятся к этому типу. Резистивный элемент толстых пленок в 1000 раз толще тонких пленок [16] , но принципиальная разница заключается в том, как пленка наносится на цилиндр (осевые резисторы) или на поверхность (резисторы SMD).
Тонкопленочные резисторы изготавливаются путем напыления (метод вакуумного осаждения ) резистивного материала на изолирующую подложку. Затем пленку травят аналогично старому (субтрактивному) процессу изготовления печатных плат; то есть поверхность покрывается фоточувствительным материалом , покрывается узорчатой пленкой, облучается ультрафиолетовым светом, а затем проявляется открытое светочувствительное покрытие, а подлежащая тонкая пленка вытравливается.
Толстопленочные резисторы производятся с использованием процессов трафаретной и трафаретной печати. [12]
Поскольку время, в течение которого осуществляется напыление, можно контролировать, можно точно контролировать толщину тонкой пленки. Тип материала также различается: он состоит из одного или нескольких керамических ( керметных ) проводников, таких как нитрид тантала (TaN), оксид рутения ( RuO
2), оксид свинца (PbO), рутенат висмута ( Bi
2RU
2О
7), никель-хром (NiCr) или иридат висмута ( Bi
2ИК
2О
7).
Сопротивление как тонкопленочных, так и толстопленочных резисторов после изготовления не является очень точным; их обычно подрезают до точной величины с помощью абразивной или лазерной обрезки . Тонкопленочные резисторы обычно имеют допуски 1% и 5% и температурный коэффициент от 5 до 50 ppm/K . Они также имеют гораздо меньший уровень шума , в 10–100 раз меньший, чем толстопленочные резисторы. [17] В толстопленочных резисторах может использоваться та же проводящая керамика, но она смешана со спеченным (порошковым) стеклом и жидкостью-носителем, чтобы на композит можно было наносить трафаретную печать . Этот композит из стекла и проводящего керамического (кермета) материала затем плавится (обжигается) в печи при температуре около 850 °C.
При первом производстве толстопленочные резисторы имели допуск 5%, но за последние несколько десятилетий стандартные допуски улучшились до 2% или 1%. [ временные рамки? ] Температурные коэффициенты толстопленочных резисторов обычно составляют ±200 или ±250 ppm/K; изменение температуры на 40 кельвинов (70 °F) может изменить сопротивление на 1%.
Тонкопленочные резисторы обычно намного дороже толстопленочных резисторов. Например, тонкопленочные резисторы SMD с допуском 0,5% и температурным коэффициентом 25 ppm/K при покупке в полноразмерных катушках стоят примерно в два раза дороже толстопленочных резисторов 1% и 250 ppm/K.
Распространенным типом резисторов с осевыми выводами сегодня является металлопленочный резистор. В резисторах с металлическими электродами без выводов ( MELF ) часто используется та же технология.
Металлопленочные резисторы обычно покрываются никель-хромовым (NiCr), но для тонкопленочных резисторов могут быть покрыты любым из керметных материалов, перечисленных выше. В отличие от тонкопленочных резисторов, материал можно наносить с использованием других методов, кроме напыления (хотя это один из используемых методов). Значение сопротивления определяется путем прорезания спирали через покрытие, а не путем травления, аналогично тому, как изготавливаются углеродные резисторы. Результатом является разумный допуск (0,5%, 1% или 2%) и температурный коэффициент, который обычно составляет от 50 до 100 ppm/K. [18] Металлопленочные резисторы обладают хорошими шумовыми характеристиками и низкой нелинейностью благодаря низкому коэффициенту напряжения. Они также выгодны из-за долгосрочной стабильности. [12]
Металлооксидные пленочные резисторы изготовлены из оксидов металлов, что приводит к более высокой рабочей температуре, большей стабильности и надежности, чем металлопленочные. Они используются в приложениях с высокими требованиями к выносливости.
Проволочные резисторы обычно изготавливаются путем намотки металлической проволоки, обычно нихрома , на керамический, пластиковый или стекловолоконный сердечник. Концы проволоки припаиваются или привариваются к двум колпачкам или кольцам, прикрепленным к концам жилы. Сборка защищена слоем краски, формованного пластика или эмалевого покрытия, закаленного при высокой температуре. Эти резисторы рассчитаны на выдерживание необычно высоких температур до 450 °C. [12] Проволочные выводы в резисторах с проволочной обмоткой малой мощности обычно имеют диаметр от 0,6 до 0,8 мм и луженые для облегчения пайки. Для резисторов с проволочной обмоткой большей мощности используется либо керамический внешний корпус, либо алюминиевый внешний корпус поверх изолирующего слоя. Если внешний корпус выполнен из керамики, такие резисторы иногда называют «цементными», хотя на самом деле они не содержат традиционного цемента . Типы с алюминиевым корпусом предназначены для крепления к радиатору для рассеивания тепла; номинальная мощность зависит от использования подходящего радиатора, например, резистор номинальной мощности 50 Вт перегревается при незначительной рассеиваемой мощности, если он не используется с радиатором. Большие проволочные резисторы могут иметь мощность 1000 Вт и более.
Поскольку проволочные резисторы представляют собой катушки , они имеют более высокую нежелательную индуктивность , чем резисторы других типов. Однако намотка провода секциями с поочередно обратным направлением может минимизировать индуктивность. В других методах используется бифилярная намотка или плоский тонкий каркас (для уменьшения площади поперечного сечения катушки). Для наиболее требовательных схем используются резисторы с обмоткой Айртона-Перри .
Применение проволочных резисторов аналогично применению композиционных резисторов, за исключением высокочастотных применений. Высокочастотная характеристика проволочных резисторов существенно хуже, чем у композиционного резистора. [12]
В 1960 году Феликс Зандман и Сидни Дж. Стейн [19] представили разработку пленочного резистора очень высокой стабильности.
Основным резистивным элементом фольгового резистора является фольга из хромоникелевого сплава толщиной несколько микрометров . Хромоникелевые сплавы характеризуются большим электрическим сопротивлением (около 58 раз больше, чем у меди), малым температурным коэффициентом и высокой стойкостью к окислению. Примерами являются хромель А и нихром V, типичный состав которых составляет 80 Ni и 20 Cr, с температурой плавления 1420 °C. При добавлении железа хромоникелевый сплав становится более пластичным. Нихром и хромель C являются примерами сплава, содержащего железо. Типичный состав нихрома — 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn и хромеля C, 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. Температура плавления этих сплавов 1350 °С и 1390 °С соответственно. [20] [ нужна полная цитата ]
С момента своего появления в 1960-х годах фольговые резисторы имели лучшую точность и стабильность среди всех доступных резисторов. Одним из важных параметров стабильности является температурный коэффициент сопротивления (TCR). TCR фольговых резисторов чрезвычайно низок и с годами улучшался. Одна линейка сверхточных фольговых резисторов обеспечивает TCR 0,14 ppm/°C, допуск ±0,005%, долговременную стабильность (1 год) 25 ppm, (3 года) 50 ppm (дополнительное улучшение в 5 раз за счет герметизации) , стабильность под нагрузкой (2000 часов) 0,03%, термоЭДС 0,1 мкВ/°С, шум −42 дБ, коэффициент напряжения 0,1 ppm/В, индуктивность 0,08 мкГн, емкость 0,5 пФ. [21]
Термическая стабильность резистора этого типа также связана с противоположным эффектом электрического сопротивления металла, увеличивающегося с температурой и уменьшающегося из-за теплового расширения, что приводит к увеличению толщины фольги, другие размеры которой ограничены керамической подложкой. . [ нужна цитата ]
Шунт амперметра — это особый тип токоизмерительного резистора, имеющий четыре вывода и номинал в миллиомах или даже микроомах. Приборы для измерения тока сами по себе обычно могут воспринимать только ограниченные токи. Для измерения больших токов ток проходит через шунт, на котором измеряется падение напряжения и интерпретируется как ток. Типичный шунт состоит из двух цельных металлических блоков, иногда латунных, установленных на изолирующем основании. Между блоками припаяна или припаяна к ним одна или несколько полосок из манганинового сплава с низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR) . Большие болты, ввинченные в блоки, обеспечивают подключение тока, а винты гораздо меньшего размера обеспечивают подключение вольтметра. Шунты рассчитаны на полный ток и часто имеют падение напряжения 50 мВ при номинальном токе. Такие счетчики адаптируются к номинальному полному току шунта путем использования циферблата с соответствующей маркировкой; в другие части счетчика вносить изменения не требуется.
В промышленных сильноточных приложениях, работающих в тяжелых условиях, сеточный резистор представляет собой большую решетку из штампованных полос металлического сплава, охлаждаемых конвекцией, соединенных рядами между двумя электродами. Такие резисторы промышленного класса могут быть размером с холодильник; некоторые конструкции могут выдерживать ток более 500 ампер с диапазоном сопротивлений менее 0,04 Ом. Они используются в таких приложениях, как динамическое торможение и распределение нагрузки для локомотивов и трамваев, нейтральное заземление для промышленного распределения переменного тока, управление нагрузками для кранов и тяжелого оборудования, нагрузочные испытания генераторов и фильтрация гармоник для электрических подстанций. [22]
Термин «сеточный резистор» иногда используется для описания резистора любого типа, подключенного к управляющей сетке вакуумной лампы . Это не резисторная технология; это топология электронной схемы.
Резистор может иметь одну или несколько фиксированных точек отвода, поэтому сопротивление можно изменять, перемещая соединительные провода к различным клеммам. Некоторые мощные резисторы с проволочной обмоткой имеют точку отвода, которая может скользить вдоль резистивного элемента, позволяя использовать большую или меньшую часть сопротивления.
Если требуется плавная регулировка величины сопротивления в процессе работы оборудования, отвод сопротивления скольжения может быть подсоединен к ручке, доступной оператору. Такое устройство называется реостатом и имеет два вывода.
Потенциометр (в просторечии , потенциометр ) представляет собой трехполюсный резистор с плавно регулируемой точкой отвода, управляемой вращением вала или ручки или линейным ползунком. [23] Название « потенциометр» происходит от его функции регулируемого делителя напряжения , обеспечивающего переменный потенциал на клемме, подключенной к точке ответвления. Регулировка громкости в аудиоустройстве — это распространенное применение потенциометра. Типичный потенциометр малой мощности (см. рисунок) состоит из плоского резистивного элемента (B) из углеродного состава, металлической пленки или проводящего пластика с пружинистым грязесъемным контактом из фосфористой бронзы (C) , который перемещается по поверхности. Альтернативная конструкция представляет собой резистивную проволоку, намотанную на форму, при этом грязесъемник скользит в осевом направлении вдоль катушки. [23] Они имеют более низкое разрешение, поскольку при движении стеклоочистителя сопротивление изменяется с шагом, равным сопротивлению одного оборота. [23]
Многооборотные потенциометры высокого разрешения используются в прецизионных приложениях. Они имеют проволочные резистивные элементы, обычно намотанные на спиральную оправку, при этом грязесъемник движется по винтовой направляющей при повороте органа управления, обеспечивая постоянный контакт с проволокой. Некоторые из них имеют на проводе токопроводящее пластиковое покрытие для улучшения разрешения. Обычно они предлагают десять оборотов вала для покрытия всего диапазона. Обычно они оснащены циферблатами, которые включают в себя простой счетчик оборотов и градуированный циферблат и обычно могут достигать трехзначного разрешения. Электронно-аналоговые компьютеры в большом количестве использовали их для установки коэффициентов, а осциллографы с замедленной разверткой последних десятилетий включали один на свои панели.
.jpg/1280px-Odporov%C3%A1_dek%C3%A1da_KURBELWIDERSTAND_(A).jpg)
Блок декады сопротивлений или блок замены резисторов представляет собой блок, содержащий резисторы многих номиналов, с одним или несколькими механическими переключателями, которые позволяют настраивать любое из различных дискретных сопротивлений, предлагаемых блоком. Обычно сопротивление определяется с высокой точностью, в диапазоне от лабораторной/калибровочной точности 20 частей на миллион до полевой точности 1%. Также доступны недорогие коробки с меньшей точностью. Все типы предлагают удобный способ выбора и быстрого изменения сопротивления в лабораторных, экспериментальных и опытно-конструкторских работах без необходимости подсоединения резисторов один за другим или даже хранения каждого номинала. Диапазон сопротивления, максимальное разрешение и точность характеризуют коробку. Например, одна коробка предлагает сопротивления от 0 до 100 МОм, максимальное разрешение 0,1 Ом, точность 0,1%. [24]
Существуют различные устройства, сопротивление которых меняется на различные величины. Сопротивление термисторов NTC имеет сильный отрицательный температурный коэффициент, что делает их полезными для измерения температуры. Поскольку их сопротивление может быть большим до тех пор, пока они не нагреются из-за прохождения тока, они также обычно используются для предотвращения чрезмерных скачков тока при включении оборудования. Точно так же сопротивление гумистора меняется в зависимости от влажности. Один из видов фотодетекторов — фоторезистор — имеет сопротивление, которое меняется в зависимости от освещенности.
Тензометр , изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром К. Руге в 1938 году, представляет собой тип резистора, значение которого меняется в зависимости от приложенного напряжения . Можно использовать один резистор, пару (полумост) или четыре резистора, соединенных по схеме моста Уитстона . Тензорезистор прикрепляется клеем к объекту, подвергающемуся механической нагрузке . С помощью тензодатчика, фильтра, усилителя и аналого-цифрового преобразователя можно измерить деформацию объекта.
В родственном, но более позднем изобретении используется квантовый туннельный композит для определения механического напряжения. По нему проходит ток, величина которого может меняться в 10 12 раз в зависимости от изменений приложенного давления.
Значение резистора можно измерить с помощью омметра , который может выполнять функцию мультиметра . Обычно щупы на концах измерительных проводов подключаются к резистору. Простой омметр может подать напряжение от батареи на неизвестный резистор (с внутренним резистором известного номинала, включенным последовательно), создавая ток, который приводит в движение счетчик . Ток, в соответствии с законом Ома , обратно пропорционален сумме внутреннего сопротивления и тестируемого резистора, в результате чего шкала аналогового измерителя очень нелинейна и откалибрована от бесконечности до 0 Ом. Вместо этого цифровой мультиметр, использующий активную электронику, может пропускать определенный ток через испытательное сопротивление. Напряжение, создаваемое на испытательном сопротивлении, в этом случае линейно пропорционально его сопротивлению, которое измеряется и отображается. В любом случае диапазоны низкого сопротивления измерителя пропускают гораздо больший ток через измерительные провода, чем диапазоны высокого сопротивления. Это позволяет поддерживать напряжение на разумном уровне (обычно ниже 10 В), но при этом его можно измерить.
Для измерения резисторов малого номинала, таких как резисторы с дробным сопротивлением, с приемлемой точностью требуются четырехклеммные соединения . Одна пара клемм подает на резистор известный калиброванный ток, а другая пара измеряет падение напряжения на резисторе. Некоторые омметры, миллиомметры и даже некоторые из лучших цифровых мультиметров лабораторного качества используют для этой цели четыре входные клеммы, которые можно использовать со специальными измерительными проводами, называемыми зажимами Кельвина . Каждый из двух зажимов имеет пару изолированных друг от друга зажимов. Одна сторона каждого зажима подает измерительный ток, а другие соединения предназначены только для измерения падения напряжения. Сопротивление снова рассчитывается по закону Ома как измеренное напряжение, деленное на приложенный ток.
Характеристики резисторов оцениваются количественно и сообщаются с использованием различных национальных стандартов. В США MIL-STD-202 [25] содержит соответствующие методы испытаний, на которые ссылаются другие стандарты.
Существуют различные стандарты, определяющие свойства резисторов для использования в оборудовании:
Существуют и другие стандарты MIL-R для военных закупок США.
Основной стандарт сопротивления, «ртутный ом», был первоначально определен в 1884 году как ртутный столбик длиной 106,3 см и поперечным сечением 1 квадратный миллиметр при температуре 0 градусов Цельсия . Трудности в точном измерении физических констант для воспроизведения этого стандарта приводят к отклонениям до 30 частей на миллион. С 1900 года ртутный ом был заменен прецизионно обработанной пластиной из манганина . [27] С 1990 года международный стандарт сопротивления основан на квантовом эффекте Холла , открытом Клаусом фон Клитцингом , за который он получил Нобелевскую премию по физике в 1985 году. [28]
Резисторы чрезвычайно высокой точности производятся для калибровки и лабораторного использования. Они могут иметь четыре клеммы: одна пара используется для передачи рабочего тока, а другая пара — для измерения падения напряжения; это устраняет ошибки, вызванные падением напряжения на сопротивлениях выводов, поскольку заряд не протекает через выводы измерения напряжения. Это важно для резисторов небольшого номинала (100–0,0001 Ом), где сопротивление выводов значительно или даже сопоставимо по сравнению со стандартным значением сопротивления. [29]
Корпуса осевых резисторов обычно имеют коричневый, коричневый, синий или зеленый цвет (хотя иногда встречаются и другие цвета, например темно-красный или темно-серый), и имеют 3–6 цветных полос, обозначающих сопротивление (и допуск на растяжение). и может включать полосы для обозначения температурного коэффициента и класса надежности. В четырехполосных резисторах первые две полосы представляют собой первые две цифры сопротивления в Омах , третья представляет собой множитель , а четвертая — допуск (который, если его нет, обозначает ±20%). Для пяти- и шестиполосных резисторов третья полоса — третья цифра, четвертая — множитель и пятая — допуск; шестая полоса представляет температурный коэффициент. Номинальная мощность резистора обычно не указывается и определяется из его размера.
Резисторы для поверхностного монтажа имеют цифровую маркировку.
Резисторы начала 20-го века, по сути, неизолированные, были окунаны в краску, чтобы покрыть весь корпус для цветовой маркировки. Этот базовый цвет представлял собой первую цифру. На один конец элемента был нанесен второй цвет краски, обозначающий вторую цифру, а цветная точка (или полоса) в середине обозначала третью цифру. Правило было «тело, кончик, точка», предусматривающее две значащие цифры для значения и десятичный множитель в этой последовательности. Допуск по умолчанию составлял ±20%. Резисторы с более жестким допуском имели на другом конце серебряную (± 10%) или золотую (± 5%) краску.
Ранние резисторы изготавливались в более или менее произвольных круглых количествах; серия может иметь 100, 125, 150, 200, 300 и т. д. [30] Ранние мощные резисторы с проволочной обмоткой, такие как коричневые типы со стекловидной эмалью, изготавливались с системой предпочтительных номиналов, подобной некоторым из упомянутых здесь. Резисторы в том виде, в котором они изготовлены, имеют определенный процентный допуск , и имеет смысл производить значения, которые коррелируют с допуском, чтобы фактическое значение резистора слегка перекрывалось с его соседями. Более широкий интервал оставляет пробелы; более узкое расстояние увеличивает затраты на производство и складские запасы, необходимые для создания более или менее взаимозаменяемых резисторов.
Логическая схема состоит в том, чтобы производить резисторы в диапазоне значений, которые увеличиваются в геометрической прогрессии , так чтобы каждое значение было больше, чем предыдущее, на фиксированный множитель или процент, выбранный в соответствии с допуском диапазона. Например, при допуске ±20% имеет смысл иметь каждый резистор примерно в 1,5 раза больше, чем его предшественник, охватывая декаду в 6 значениях. Точнее, используемый коэффициент равен 1,4678 ≈ , что дает значения 1,47, 2,15, 3,16, 4,64, 6,81, 10 для десятилетия 1–10 (десятилетие — это диапазон, увеличивающийся в 10 раз; 0,1–1 и 10–10). 100 – другие примеры); на практике они округляются до 1,5, 2,2, 3,3, 4,7, 6,8, 10; за которыми следуют 15, 22, 33, ... и предшествуют ... 0,47, 0,68, 1. Эта схема была принята как серия E6 предпочтительных числовых значений IEC 60063 . Существуют также серии E12 , E24 , E48 , E96 и E192 для компонентов с более высоким разрешением, с 12, 24, 48, 96 и 192 различными значениями в течение каждого десятилетия. Фактические используемые значения указаны в списках предпочтительных номеров IEC 60063.
Ожидается, что резистор сопротивлением 100 Ом ± 20% будет иметь значение от 80 до 120 Ом; его соседи E6 имеют сопротивление 68 (54–82) и 150 (120–180) Ом. Разумное расстояние: E6 используется для компонентов ±20%; E12 для ±10%; E24 для ±5%; E48 для ±2%, E96 для ±1%; E192 для ±0,5% или выше. Резисторы изготавливаются номиналами от нескольких миллиом до примерно гигаома в диапазонах IEC60063, соответствующих их допускам. Производители могут сортировать резисторы по классам допуска на основе измерений. Соответственно, выбор резисторов сопротивлением 100 Ом с допуском ±10% может не лежать примерно в районе 100 Ом (но не более чем на 10%), как можно было бы ожидать (колокольчатая кривая), а скорее быть разделен на две группы: либо на 5–10 % слишком высоко, либо на 5–10 % слишком низко (но не ближе к 100 Ом), поскольку любые резисторы, которые, по измерениям завода, имеют погрешность менее 5 %, были бы маркированы и проданы как резисторы с отклонением только ± Допуск 5% или выше. При проектировании схемы это может стать соображением. Этот процесс сортировки деталей на основе измерений после производства известен как «группировка» и может применяться к другим компонентам, помимо резисторов (например, к классам скорости для процессоров).
На резисторах поверхностного монтажа больших размеров (метрические 1608 и выше) числовые значения напечатаны в коде, соответствующем коду, используемому на осевых резисторах. Резисторы со стандартным допуском для поверхностного монтажа (SMT) маркируются трехзначным кодом, в котором первые две цифры представляют собой первые две значащие цифры значения, а третья цифра представляет собой степень десяти (количество нулей). . Например:
Сопротивления менее 100 Ом обозначаются: 100, 220, 470. Последний ноль представляет собой десять в нулевой степени, что равно 1. Например:
Иногда эти значения обозначаются цифрами 10 или 22, чтобы избежать ошибки.
Сопротивления менее 10 Ом имеют букву R, обозначающую положение десятичной точки ( точки системы счисления ). Например:
000 и 0000 иногда появляются как значения на каналах поверхностного монтажа с нулевым сопротивлением , поскольку они имеют (приблизительно) нулевое сопротивление.
Более поздние резисторы для поверхностного монтажа физически слишком малы, чтобы можно было наносить практическую маркировку.
Многие прецизионные резисторы, в том числе резисторы для поверхностного монтажа и с осевым выводом, маркируются четырехзначным кодом. Первые три цифры — значащие цифры, а четвертая — степень десяти. Например:
Прецизионные резисторы с осевыми выводами часто используют цветные полосы для обозначения этого четырехзначного кода.
Бывшая система маркировки EIA-96, которая теперь включена в IEC 60062:2016, представляет собой более компактную систему маркировки, предназначенную для физически небольших высокоточных резисторов. Он использует двухзначный код плюс букву (всего три буквенно-цифровых символа) для обозначения значений сопротивления 1% до трех значащих цифр. [31] Две цифры (от «01» до «96») представляют собой код, который указывает одну из 96 «позиций» стандартной серии E96 с номиналами резисторов 1%. Заглавная буква — это код, обозначающий множитель степени десяти . Например, маркировка «01С» обозначает 10 кОм; «10С» соответствует 12,4 кОм; «96C» соответствует 97,6 кОм. [32] [33] [34] [35] [36]
Действия по выяснению значений сопротивления или емкости: [37]
Если резистор закодирован:
Существует несколько распространенных схем использования, в которых обычно настраиваются резисторы. [38]
Резисторы обычно используются для ограничения силы тока, протекающего через цепь. Многие компоненты схемы (например, светодиоды) требуют ограничения тока, протекающего через них, но сами по себе не ограничивают величину тока. Поэтому часто добавляются резисторы для предотвращения ситуаций перегрузки по току. Кроме того, часто схемам не требуется ток, который в противном случае протекал бы через них, поэтому можно добавить резисторы, чтобы ограничить энергопотребление таких цепей.
Часто схемам необходимо обеспечивать различные опорные напряжения для других цепей (например, компараторов напряжения). Фиксированное напряжение можно получить, подключив два резистора последовательно между двумя другими фиксированными напряжениями (например, напряжением источника и землей). На клемме между двумя резисторами будет напряжение, находящееся между этими двумя напряжениями, на линейном расстоянии, основанном на относительных сопротивлениях двух резисторов. Например, если резистор сопротивлением 200 Ом и резистор сопротивлением 400 Ом включены последовательно между 6 В и 0 В, на клемме между ними будет напряжение 4 В.
Когда цепь не подключена к источнику питания, напряжение этой цепи не равно нулю, а неопределенно (на него могут влиять предыдущие напряжения или окружающая среда). Подтягивающий или понижающий резистор обеспечивает напряжение для цепи, когда она в противном случае отключена (например, когда кнопка не нажата или транзистор не активен). Подтягивающий резистор подключает схему к высокому положительному напряжению (если схема требует высокого положительного напряжения по умолчанию), а понижающий резистор подключает схему к низкому напряжению или земле (если схема требует низкого напряжения по умолчанию). Значение резистора должно быть достаточно высоким, чтобы, когда цепь активна, источник напряжения, к которому он подключен, не оказывал чрезмерного влияния на работу схемы, но и достаточно низким, чтобы он достаточно быстро «тянул» при отключении цепи. и существенно не изменяет напряжение по сравнению с исходным значением.
При усилении слабых сигналов часто необходимо минимизировать электронный шум , особенно на первом этапе усиления. Будучи рассеивающим элементом, даже идеальный резистор естественным образом создает на своих выводах случайно изменяющееся напряжение или шум. Этот шум Джонсона-Найквиста является фундаментальным источником шума, который зависит только от температуры и сопротивления резистора и предсказывается теоремой о флуктуации-диссипации . Использование большего значения сопротивления приводит к большему шуму напряжения, тогда как меньшее значение сопротивления генерирует больший шум тока при данной температуре.
Тепловой шум практического резистора также может превышать теоретический прогноз, и это увеличение обычно зависит от частоты. Избыточный шум практического резистора наблюдается только при протекании через него тока. Это указывается в единицах мкВ/В/декаду – мкВ шума на вольт, приложенный к резистору, на декаду частоты. Значение мкВ/В/декада часто указывается в дБ, так что резистор с индексом шума 0 дБ демонстрирует избыточный шум 1 мкВ (среднеквадратичное значение) на каждый вольт на резисторе в каждой декаде частоты. Таким образом, избыточный шум является примером шума 1/ f . Толстопленочные и углеродные резисторы создают больше избыточного шума, чем другие типы на низких частотах. Часто используются проволочные и тонкопленочные резисторы из-за их лучших шумовых характеристик. Резисторы из углеродного состава могут иметь индекс шума 0 дБ, в то время как резисторы из объемной металлической фольги могут иметь индекс шума -40 дБ, что обычно делает избыточный шум резисторов из металлической фольги незначительным. [39] Тонкопленочные резисторы для поверхностного монтажа обычно имеют меньший уровень шума и лучшую термическую стабильность, чем толстопленочные резисторы для поверхностного монтажа. Избыточный шум также зависит от размера: как правило, избыточный шум снижается по мере увеличения физического размера резистора (или параллельного использования нескольких резисторов), поскольку независимо колеблющиеся сопротивления меньших компонентов имеют тенденцию усредняться.
Хотя резистор сам по себе не является примером «шума», он может действовать как термопара , создавая на нем небольшой перепад постоянного напряжения из-за термоэлектрического эффекта , если его концы имеют разные температуры. Это индуцированное постоянное напряжение может , в частности, ухудшить точность инструментальных усилителей . Такие напряжения возникают в местах соединения выводов резистора с платой и с корпусом резистора. Обычные металлопленочные резисторы демонстрируют такой эффект при величине около 20 мкВ/°C. Некоторые резисторы из углеродного состава могут иметь термоэлектрическое смещение до 400 мкВ/°C, тогда как резисторы специальной конструкции могут уменьшить это значение до 0,05 мкВ/°C. В приложениях, где термоэлектрический эффект может стать важным, необходимо позаботиться о горизонтальном монтаже резисторов, чтобы избежать температурных градиентов и учитывать поток воздуха над платой. [40]
Частота отказов резисторов в правильно спроектированной схеме невелика по сравнению с другими электронными компонентами, такими как полупроводники и электролитические конденсаторы. Повреждение резисторов чаще всего происходит из-за перегрева, когда средняя мощность, подаваемая на него, значительно превышает его способность рассеивать тепло (заданную номинальной мощностью резистора ). Это может быть связано с неисправностью, внешней по отношению к цепи, но часто вызвано неисправностью другого компонента (например, короткого замыкания транзистора) в цепи, подключенной к резистору. Использование резистора слишком близко к его номинальной мощности может ограничить срок службы резистора или вызвать значительное изменение его сопротивления. Чтобы избежать этой опасности, в безопасной конструкции в силовых приложениях обычно используются резисторы с завышенными номиналами.
Маломощные тонкопленочные резисторы могут быть повреждены в результате длительного воздействия высокого напряжения, даже при напряжении ниже максимально указанного и ниже максимальной номинальной мощности. Это часто случается с пусковыми резисторами, питающими интегральную схему импульсного источника питания . [ нужна цитата ]
При перегреве сопротивление пленочных углеродных резисторов может уменьшаться или увеличиваться. [41] Углеродные пленочные и композиционные резисторы могут выйти из строя (разомкнутая цепь), если их рассеивание близко к максимальному. Это также возможно, но менее вероятно при использовании металлопленочных и проволочных резисторов.
Выход из строя резисторов также может быть вызван механическим воздействием и неблагоприятными факторами окружающей среды, в том числе влажностью. Если они не закрыты, проволочные резисторы могут подвергнуться коррозии.
Известно, что резисторы для поверхностного монтажа выходят из строя из-за попадания серы во внутреннюю структуру резистора. Эта сера химически реагирует со слоем серебра с образованием непроводящего сульфида серебра. Сопротивление резистора стремится к бесконечности. Серостойкие и антикоррозионные резисторы продаются в автомобильной, промышленной и военной технике. ASTM B809 — это отраслевой стандарт, проверяющий восприимчивость детали к сере.
Альтернативный режим отказа может возникнуть при использовании резисторов большого номинала (сотни кОм и выше). Резисторы рассчитаны не только на максимальную рассеиваемую мощность, но и на максимальное падение напряжения. Превышение этого напряжения приводит к медленному ухудшению характеристик резистора, уменьшению его сопротивления. Падение напряжения на резисторах большого номинала может быть превышено до того, как рассеиваемая мощность достигнет предельного значения. Поскольку максимальное напряжение, указанное для часто встречающихся резисторов, составляет несколько сотен вольт, это проблема только в тех приложениях, где встречаются такие напряжения.
Переменные резисторы также могут разрушаться по-другому, обычно это связано с плохим контактом между грязесъемником и корпусом резистора. Это может быть связано с грязью или коррозией и обычно воспринимается как «треск» из-за колебаний контактного сопротивления ; особенно это заметно при настройке устройства. Это похоже на потрескивание, вызванное плохим контактом в переключателях, и, как и переключатели, потенциометры в некоторой степени самоочищаются: перемещение дворника поперек сопротивления может улучшить контакт. Потенциометры, которые редко регулируются, особенно в грязных или суровых условиях, чаще всего вызывают эту проблему. Если самоочистки контактов недостаточно, улучшения обычно можно добиться с помощью спрея для очистки контактов (также известного как «очиститель тюнера»). Треск, связанный с вращением вала грязного потенциометра в аудиосхеме (например, в регуляторе громкости), значительно усиливается при наличии нежелательного напряжения постоянного тока, что часто указывает на выход из строя блокирующего конденсатора постоянного тока в цепи.
