Резистор — это пассивный двухполюсный электрический компонент , который реализует электрическое сопротивление как элемент схемы. В электронных схемах резисторы используются для уменьшения тока, регулировки уровней сигнала, для деления напряжений , смещения активных элементов и завершения линий передачи , среди прочего. Высокомощные резисторы, которые могут рассеивать много ватт электроэнергии в виде тепла, могут использоваться как часть управления двигателем, в системах распределения электроэнергии или в качестве испытательных нагрузок для генераторов . Постоянные резисторы имеют сопротивление, которое лишь незначительно изменяется в зависимости от температуры, времени или рабочего напряжения. Переменные резисторы могут использоваться 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 реализованы 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 допуска на изготовление , указанного на компоненте.
Ниже приведены два типичных символа принципиальной схемы :
,_and_Potentiometer_symbols.svg/1280px-Resistor,_Rheostat_(variable_resistor),_and_Potentiometer_symbols.svg.png){kind=small}
Обозначения номинала резистора на принципиальной схеме различаются.
Одной из распространенных схем является код RKM , следующий IEC 60062. Вместо использования десятичного разделителя эта нотация использует букву, свободно связанную с префиксами СИ, соответствующими сопротивлению детали. Например, 8K2 как код маркировки детали, на принципиальной схеме или в спецификации материалов (BOM) указывает на значение резистора 8,2 кОм. Дополнительные нули подразумевают более жесткий допуск, например 15M0 для трех значащих цифр. Когда значение можно выразить без необходимости в префиксе (то есть множитель 1), вместо десятичного разделителя используется «R». Например, 1R2 указывает на 1,2 Ом, а 18R указывает на 18 Ом.
Идеальный резистор (т.е. сопротивление без реактивного сопротивления ) подчиняется закону Ома :
Закон Ома гласит, что напряжение ( ) на резисторе пропорционально току ( ) , проходящему через него, где константой пропорциональности является сопротивление ( ). Например, если резистор сопротивлением 300 Ом подключен к клеммам 12-вольтовой батареи, то через этот резистор протекает ток силой 12 / 300 = 0,04 ампера .
Ом (символ: Ω ) — единица измерения электрического сопротивления в системе СИ , названная в честь Георга Симона Ома . Ом эквивалентен вольту на ампер . Поскольку резисторы специфицируются и производятся в очень большом диапазоне значений, также широко используются производные единицы миллиом (1 мОм = 10−3 Ом ), килоом (1 кОм = 103 Ом ) и мегаом (1 МОм = 106 Ом). [2] [3] : стр.20
Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их индивидуальных сопротивлений.
Общее сопротивление резисторов, соединенных параллельно, является обратной величиной суммы обратных величин отдельных резисторов. [3] : стр.20 и далее
Например, резистор сопротивлением 10 Ом, соединенный параллельно с резистором сопротивлением 5 Ом и резистором сопротивлением 15 Ом, создает 1/1/10 + 1/5 + 1/15 Ом сопротивления, или 30/11 = 2,727 Ом.
Резисторная сеть, которая представляет собой комбинацию параллельных и последовательных соединений, может быть разбита на более мелкие части, которые являются либо тем, либо другим. Некоторые сложные сети резисторов не могут быть решены таким образом, требуя более сложного анализа схемы. Обычно для решения таких задач можно использовать преобразование Y-Δ или матричные методы . [4] [5] [6]
В любой момент времени мощность P (ватт), потребляемая резистором с сопротивлением R (ом), рассчитывается как: где V (вольт) — напряжение на резисторе, а I (ампер) — ток, протекающий через него. Используя закон Ома , можно вывести две другие формы. Эта мощность преобразуется в тепло, которое должно быть рассеяно корпусом резистора до того, как его температура чрезмерно поднимется. [3] : стр.22
Резисторы оцениваются в соответствии с их максимальной рассеиваемой мощностью. Дискретные резисторы в твердотельных электронных системах обычно оцениваются как 1 ⁄ 10 , 1 ⁄ 8 или 1 ⁄ 4 Вт. Обычно они поглощают гораздо меньше ватта электроэнергии и не требуют особого внимания к своей номинальной мощности.
Мощные резисторы необходимы для рассеивания значительного количества мощности и обычно используются в источниках питания, схемах преобразования мощности и усилителях мощности; это обозначение в широком смысле применяется к резисторам с номинальной мощностью 1 Вт или более. Мощные резисторы физически больше и могут не использовать предпочтительные значения, цветовые коды и внешние корпуса, описанные ниже.
Если средняя рассеиваемая резистором мощность больше его номинальной мощности, может произойти повреждение резистора, что навсегда изменит его сопротивление; это отличается от обратимого изменения сопротивления из-за его температурного коэффициента при нагревании. Чрезмерное рассеивание мощности может повысить температуру резистора до точки, когда он может сжечь печатную плату или соседние компоненты или даже вызвать пожар. Существуют огнестойкие резисторы, которые не будут создавать пламя при любой перегрузке любой продолжительности.
Резисторы могут быть указаны с более высоким номинальным рассеиванием, чем наблюдается в эксплуатации, с учетом плохой циркуляции воздуха, большой высоты над уровнем моря или высокой рабочей температуры .
Все резисторы имеют максимальное номинальное напряжение; это может ограничивать рассеиваемую мощность для более высоких значений сопротивления. [7] Например, среди резисторов мощностью 1 ⁄ 4 Вт (очень распространенный вид резисторов с выводами ) указан один с сопротивлением 100 МОм [8] и максимальным номинальным напряжением 750 В. Однако даже постоянная подача 750 В на резистор сопротивлением 100 МОм приведет только к рассеиваемой мощности менее 6 мВт, что делает номинальную мощность 1 ⁄ 4 Вт бессмысленной.
Практические резисторы имеют последовательную индуктивность и небольшую параллельную емкость ; эти характеристики могут быть важны в высокочастотных приложениях. И хотя даже идеальный резистор изначально имеет шум Джонсона , некоторые резисторы имеют худшие шумовые характеристики и поэтому могут быть проблемой для малошумящих усилителей или другой чувствительной электроники.
В некоторых прецизионных приложениях температурный коэффициент сопротивления также может иметь значение.
Нежелательная индуктивность, избыточный шум и температурный коэффициент в основном зависят от технологии, используемой при производстве резистора. Обычно они не указываются индивидуально для конкретного семейства резисторов, изготовленных с использованием конкретной технологии. [9] Семейство дискретных резисторов также может быть охарактеризовано в соответствии с его форм-фактором, то есть размером устройства и положением его выводов (или клемм). Это имеет значение при практическом изготовлении схем, которые могут их использовать.
Практические резисторы также указываются как имеющие максимальную номинальную мощность , которая должна превышать предполагаемую рассеиваемую мощность этого резистора в конкретной цепи: это в основном касается приложений силовой электроники. Резисторы с более высокими номинальными мощностями физически больше и могут потребовать радиаторов . В высоковольтной цепи иногда следует уделять внимание номинальному максимальному рабочему напряжению резистора. Хотя для данного резистора не существует минимального рабочего напряжения, невыполнение учета максимального номинала резистора может привести к возгоранию резистора при прохождении через него тока.
Компоненты сквозного монтажа обычно имеют «выводы» (произносится как / l iː d z / ), выходящие из корпуса «аксиально», то есть на линии, параллельной самой длинной оси детали. У других выводы выходят из корпуса «радиально». Другие компоненты могут быть SMT (технология поверхностного монтажа), в то время как резисторы высокой мощности могут иметь один из выводов, спроектированных в радиаторе .
Углеродные композиционные резисторы (CCR) состоят из твердого цилиндрического резистивного элемента со встроенными проволочными выводами или металлическими концевыми заглушками, к которым прикреплены выводные провода. Корпус резистора защищен краской или пластиком. Углеродные композиционные резисторы начала 20 века имели неизолированные корпуса; выводные провода были обернуты вокруг концов стержня резистивного элемента и спаяны. Готовый резистор был окрашен для цветовой кодировки его значения.
Резистивный элемент в резисторах из углеродного состава изготавливается из смеси тонко измельченного углерода и изолирующего материала, обычно керамики. Смола удерживает смесь вместе. Сопротивление определяется соотношением наполнителя (порошкообразной керамики) к углероду. Более высокие концентрации углерода, который является хорошим проводником, приводят к более низким сопротивлениям. Резисторы из углеродного состава широко использовались в 1960-х годах и ранее, но сейчас не пользуются популярностью для общего использования, поскольку другие типы имеют лучшие характеристики, такие как допуск, зависимость от напряжения и напряжение. Резисторы из углеродного состава изменяют значение при нагрузке с перенапряжением. Более того, если внутреннее содержание влаги, например, от воздействия влажной среды в течение некоторого времени, является значительным, тепло пайки создает необратимое изменение значения сопротивления. Резисторы из углеродного состава имеют плохую стабильность со временем и, следовательно, были отсортированы на заводе, в лучшем случае, только с допуском 5%. [10] Эти резисторы являются неиндуктивными, что дает преимущества при использовании в приложениях снижения импульсов напряжения и защиты от перенапряжения. [11] Резисторы из углеродного композита обладают более высокой способностью выдерживать перегрузки относительно размера компонента. [12]
Углеродные композитные резисторы все еще доступны, но относительно дороги. Значения варьируются 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 сварочных контроллерах. [12] Они также востребованы для ремонта старинного электронного оборудования, где подлинность является фактором.
Углеродный стержневой 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. Углеродный стержневой резистор также может использоваться в качестве регулятора скорости для небольших двигателей в бытовых приборах (швейные машины, ручные миксеры) с номинальными значениями до нескольких сотен ватт. [13] Углеродный стержневой резистор может быть включен в автоматические регуляторы напряжения для генераторов, где углеродный стержень управляет током поля для поддержания относительно постоянного напряжения. [14] Этот принцип также применяется в углеродном микрофоне .
При изготовлении углеродных пленочных резисторов углеродная пленка наносится на изолирующую подложку, и в ней вырезается спираль для создания длинной узкой резистивной дорожки. Различные формы в сочетании с удельным сопротивлением аморфного углерода (в диапазоне от 500 до 800 мкОм м) могут обеспечить широкий диапазон значений сопротивления. Углеродные пленочные резисторы характеризуются более низким уровнем шума по сравнению с углеродными композитными резисторами из-за точного распределения чистого графита без связывания. [15] Углеродные пленочные резисторы имеют диапазон номинальной мощности от 0,125 Вт до 5 Вт при 70 °C. Доступный диапазон сопротивлений составляет от 1 Ом до 10 МОм. Углеродный пленочный резистор имеет диапазон рабочих температур от −55 °C до 155 °C. Он имеет максимальный рабочий диапазон напряжения от 200 до 600 вольт. Специальные углеродные пленочные резисторы используются в приложениях, требующих высокой импульсной стабильности. [12]
Резисторы из углеродного состава могут быть напечатаны непосредственно на подложках печатных плат (ПП) в рамках процесса производства ПП. Хотя эта технология более распространена на гибридных модулях ПП, ее также можно использовать на стандартных ПП из стекловолокна. Допуски обычно довольно велики и могут составлять порядка 30%. Типичным применением будут некритические подтягивающие резисторы .
Толстопленочные резисторы стали популярными в 1970-х годах, и большинство резисторов SMD (устройство поверхностного монтажа) сегодня относятся к этому типу. Резистивный элемент толстых пленок в 1000 раз толще, чем тонких пленок, [16] но принципиальное различие заключается в том, как пленка наносится на цилиндр (осевые резисторы) или на поверхность (резисторы SMD).
Тонкопленочные резисторы изготавливаются путем распыления (метод вакуумного осаждения ) резистивного материала на изолирующую подложку. Затем пленка протравливается аналогично старому (субтрактивному) процессу изготовления печатных плат; то есть поверхность покрывается фоточувствительным материалом , накрывается пленкой с рисунком, облучается ультрафиолетовым светом, затем экспонированное фоточувствительное покрытие проявляется, а лежащая под ним тонкая пленка протравливается.
Толстопленочные резисторы изготавливаются с использованием процессов трафаретной и экранной печати. [12]
Поскольку время, в течение которого осуществляется распыление, можно контролировать, можно точно контролировать толщину тонкой пленки. Тип материала также варьируется, состоящие из одного или нескольких керамических ( керметных ) проводников, таких как нитрид тантала (TaN), оксид рутения ( RuO
2), оксид свинца (PbO), рутенат висмута ( Bi
2Ру
2О
7), никель-хром (NiCr) или иридат висмута ( Bi
2Ир
2О
7).
Сопротивление как тонкопленочных, так и толстопленочных резисторов после изготовления не отличается высокой точностью; обычно их подгоняют до точного значения абразивной или лазерной обрезкой . Тонкопленочные резисторы обычно имеют допуски 1% и 5% и температурные коэффициенты от 5 до 50 ppm/K . Они также имеют гораздо более низкие уровни шума , на уровне в 10–100 раз меньше, чем толстопленочные резисторы. [17] Толстоплёночные резисторы могут использовать ту же проводящую керамику, но они смешиваются со спеченным (порошкообразным) стеклом и жидкостью-носителем, так что композит можно наносить методом трафаретной печати . Затем этот композит из стекла и проводящего керамического (керметного) материала сплавляется (запекается) в печи при температуре около 850 °C.
На момент первого производства толстопленочные резисторы имели допуски 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 толстоплёночных. Например, тонкоплёночные резисторы SMD с допусками 0,5% и температурными коэффициентами 25 ppm/K при покупке в количестве полноразмерной катушки стоят примерно в два раза дороже толстоплёночных резисторов 1%, 250 ppm/K.
Распространенным типом резистора с аксиальными выводами сегодня является металлопленочный резистор. Резисторы с металлическим электродом и безвыводным поверхностным слоем ( MELF ) часто используют ту же технологию.
Металлопленочные резисторы обычно покрываются никель-хромовым покрытием (NiCr), но могут быть покрыты любым из перечисленных выше керметных материалов для тонкопленочных резисторов. В отличие от тонкопленочных резисторов, материал может быть нанесен с использованием других методов, нежели распыление (хотя это один из используемых методов). Значение сопротивления определяется путем прорезания спирали через покрытие, а не травлением, 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 из-за низкого коэффициента напряжения. Они также выгодны из-за долговременной стабильности. [12]
Металлооксидные пленочные резисторы изготавливаются из оксидов металлов, что обеспечивает более высокую рабочую температуру и большую стабильность и надежность, чем у металлопленочных резисторов. Они используются в приложениях с высокими требованиями к выносливости.
Проволочные резисторы обычно изготавливаются путем намотки металлической проволоки, обычно нихромовой , вокруг керамического, пластикового или стекловолоконного сердечника. Концы проволоки припаиваются или привариваются к двум колпачкам или кольцам, прикрепленным к концам сердечника. Сборка защищена слоем краски, формованного пластика или эмалевого покрытия, запеченного при высокой температуре. Эти резисторы рассчитаны на то, чтобы выдерживать необычно высокие температуры до 450 °C. [12] Провода в маломощных проволочных резисторах обычно имеют диаметр от 0,6 до 0,8 мм и луженые для удобства пайки. Для более мощных проволочных резисторов используется либо керамический внешний корпус, либо алюминиевый внешний корпус поверх изолирующего слоя. Если внешний корпус керамический, такие резисторы иногда называют «цементными» резисторами, хотя на самом деле они не содержат никакого традиционного цемента . Типы с алюминиевым корпусом предназначены для крепления к радиатору для рассеивания тепла; номинальная мощность зависит от использования с подходящим радиатором, например, резистор с номинальной мощностью 50 Вт перегревается при доле рассеиваемой мощности, если не используется с радиатором. Большие проволочные резисторы могут быть рассчитаны на 1000 Вт и более.
Поскольку проволочные резисторы являются катушками, они имеют более нежелательную индуктивность , чем другие типы резисторов. Однако намотка провода секциями с попеременно обратным направлением может минимизировать индуктивность. Другие методы используют бифилярную намотку или плоский тонкий каркас (для уменьшения площади поперечного сечения катушки). Для наиболее требовательных схем используются резисторы с намоткой Айртона-Перри .
Применение проволочных резисторов аналогично применению композиционных резисторов, за исключением высокочастотных применений. Высокочастотный отклик проволочных резисторов существенно хуже, чем у композиционного резистора. [12]
В 1960 году Феликс Зандман и Сидней Дж. Штейн [19] представили разработку резистивной пленки с очень высокой стабильностью.
Основным элементом сопротивления фольгового резистора является фольга из сплава хрома и никеля толщиной в несколько микрометров . Хромоникелевые сплавы характеризуются большим электрическим сопротивлением (примерно в 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 составляет 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn, а хромель C — 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. Температура плавления этих сплавов составляет 1350 °C и 1390 °C соответственно. [20] [ необходима полная цитата ]
С момента своего появления в 1960-х годах фольговые резисторы обладали лучшей точностью и стабильностью среди всех доступных резисторов. Одним из важных параметров стабильности является температурный коэффициент сопротивления (ТКС). ТКС фольговых резисторов чрезвычайно низок и с годами совершенствовался. Одна линейка сверхточных фольговых резисторов обеспечивает ТКС 0,14 ppm/°C, допуск ±0,005%, долговременную стабильность (1 год) 25 ppm, (3 года) 50 ppm (еще больше улучшено в 5 раз за счет герметичного уплотнения), стабильность под нагрузкой (2000 часов) 0,03%, термоЭДС 0,1 мкВ/°C, шум −42 дБ, коэффициент напряжения 0,1 ppm/В, индуктивность 0,08 мкГн, емкость 0,5 пФ. [21]
Термическая стабильность этого типа резистора также связана с противоположными эффектами электрического сопротивления металла, которое увеличивается с температурой и уменьшается из-за теплового расширения, что приводит к увеличению толщины фольги, другие размеры которой ограничены керамической подложкой. [ необходима цитата ]
Шунт амперметра — это особый тип резистора, измеряющего ток, имеющий четыре клеммы и значение в миллиомах или даже микроомах. Сами по себе приборы для измерения тока обычно могут принимать 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 и припаянными или припаянными к ним, находятся одна или несколько полосок из сплава манганина с низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR) . Большие болты, ввинченные в блоки, обеспечивают токовые соединения, в то время как гораздо меньшие винты обеспечивают соединения вольтметра. Шунты рассчитаны на полный ток и часто имеют падение напряжения 50 мВ при номинальном токе. Такие счетчики адаптированы к полному току шунта с помощью соответствующим образом обозначенного циферблата; вносить изменения в другие части счетчика не требуется.
В тяжелых промышленных приложениях с высоким током сеточный резистор представляет собой большую охлаждаемую конвекцией решетку из штампованных полос металлического сплава, соединенных рядами между двумя электродами. Такие промышленные резисторы могут быть размером с холодильник; некоторые конструкции могут выдерживать ток более 500 ампер, с диапазоном сопротивлений ниже 0,04 Ом. Они используются в таких приложениях, как динамическое торможение и распределение нагрузки для локомотивов и трамваев, заземление нейтрали для промышленного распределения переменного тока, управление нагрузками для кранов и тяжелого оборудования, нагрузочное тестирование генераторов и гармоническая фильтрация для электрических подстанций. [22]
Термин «сетчатый резистор» иногда используется для описания резистора любого типа, подключенного к управляющей сетке вакуумной лампы . Это не технология резистора; это топология электронной схемы.
Резистор может иметь одну или несколько фиксированных точек ответвления, так что сопротивление можно изменять, перемещая соединительные провода к разным клеммам. Некоторые проволочные резисторы имеют точку ответвления, которая может скользить вдоль элемента сопротивления, позволяя использовать большую или меньшую часть сопротивления.
В случае, когда требуется непрерывная регулировка величины сопротивления в процессе работы оборудования, скользящий кран сопротивления может быть подключен к ручке, доступной оператору. Такое устройство называется реостатом и имеет два вывода.
Потенциометр (в просторечии pot ) — это трехконтактный резистор с плавно регулируемой точкой ответвления, управляемой вращением вала или ручки или линейным ползунком. [23] Название потенциометр происходит от его функции как регулируемого делителя напряжения для обеспечения переменного потенциала на клемме, подключенной к точке ответвления. Регулятор громкости в аудиоустройстве — это распространенное применение потенциометра. Типичный маломощный потенциометр (см. рисунок) состоит из плоского резистивного элемента ( B) из углеродного состава, металлической пленки или проводящего пластика с пружинистым контактом из фосфористой бронзы (C), который перемещается по поверхности. Альтернативная конструкция — это резистивная проволока, намотанная на форму, при этом скользящий скользящий элемент осевом направлении вдоль катушки. [23] Они имеют более низкое разрешение, поскольку при перемещении скользящего элемента сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. [23]
Многооборотные потенциометры высокого разрешения используются в прецизионных приложениях. Они имеют проволочные резистивные элементы, обычно намотанные на спиральную оправку, при этом движок движется по спиральной дорожке при повороте элемента управления, обеспечивая непрерывный контакт с проводом. Некоторые включают в себя провод с покрытием из проводящего пластика для улучшения разрешения. Они обычно предлагают десять оборотов своих валов, чтобы охватить весь свой диапазон. Они обычно устанавливаются с помощью циферблатов, которые включают простой счетчик оборотов и градуированный циферблат, и обычно могут достигать трехзначного разрешения. Электронные аналоговые компьютеры использовали их в большом количестве для установки коэффициентов, а осциллографы с задержанной разверткой последних десятилетий включали один на своих панелях.
.jpg/1280px-Odporov%C3%A1_dek%C3%A1da_KURBELWIDERSTAND_(A).jpg)
Декадный магазин сопротивления или магазин замены резистора — это блок, содержащий резисторы многих значений, с одним или несколькими механическими переключателями, которые позволяют набирать любое из различных дискретных сопротивлений, предлагаемых магазином. Обычно сопротивление имеет высокую точность, варьирующуюся от лабораторной/калибровочной точности 20 частей на миллион до полевой точности 1%. Также доступны недорогие магазины с меньшей точностью. Все типы предлагают удобный способ выбора и быстрой смены сопротивления в лабораторных, экспериментальных и опытно-конструкторских работах без необходимости прикреплять резисторы по одному или даже хранить каждое значение. Магазин характеризуется диапазоном сопротивления, максимальным разрешением и точностью. Например, один магазин предлагает сопротивления от 0 до 100 МОм, максимальным разрешением 0,1 Ом, точностью 0,1%. [24]
Существуют различные устройства, сопротивление которых изменяется в зависимости от различных величин. Сопротивление термисторов NTC демонстрирует сильный отрицательный температурный коэффициент, что делает их полезными для измерения температур. Поскольку их сопротивление может быть большим, пока они не нагреются из-за прохождения тока, их также обычно используют для предотвращения чрезмерных скачков тока при включении оборудования. Аналогично, сопротивление хумистора 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, который изменяет значение в зависимости от приложенной деформации. Можно использовать один резистор или пару (полумост) или четыре резистора, соединенных в мостовую схему Уитстона . Тензометрический резистор приклеивается клеем к объекту, который подвергается механической деформации . С помощью тензодатчика и фильтра, усилителя и аналого-цифрового преобразователя можно измерить деформацию объекта.
Связанное, но более позднее изобретение использует квантовый туннельный композит для измерения механического напряжения. Он пропускает ток, величина которого может изменяться в 10 12 раз в ответ на изменения приложенного давления.
Значение резистора можно измерить с помощью омметра , что может быть одной из функций мультиметра . Обычно зонды на концах измерительных проводов подключаются к резистору. Простой омметр может подавать напряжение от батареи на неизвестный резистор (с внутренним резистором известного значения последовательно), создавая ток, который приводит в движение счетчик . Ток, в соответствии с законом Ома , обратно пропорционален сумме внутреннего сопротивления и проверяемого резистора, что приводит к аналоговой шкале счетчика, которая является очень нелинейной, калиброванной от бесконечности до 0 Ом. Цифровой мультиметр, использующий активную электронику, может вместо этого пропускать определенный ток через испытательное сопротивление. Напряжение, генерируемое на испытательном сопротивлении в этом случае, линейно пропорционально его сопротивлению, которое измеряется и отображается. В любом случае диапазоны низкого сопротивления счетчика пропускают гораздо больше тока через испытательные провода, чем диапазоны высокого сопротивления. Это позволяет поддерживать напряжение на разумном уровне (обычно ниже 10 вольт), но при этом поддаваться измерению.
Измерение резисторов с низким значением, таких как резисторы с дробным сопротивлением, с приемлемой точностью требует четырехконтактных соединений . Одна пара клемм подает известный, калиброванный ток на резистор, в то время как другая пара определяет падение напряжения на резисторе. Некоторые омметры лабораторного качества, миллиомметры и даже некоторые из лучших цифровых мультиметров используют для этой цели четыре входных клеммы, которые могут использоваться 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, в то время как другие соединения предназначены только для определения падения напряжения. Сопротивление снова рассчитывается с использованием закона Ома как измеренное напряжение, деленное на приложенный ток.
Характеристики резистора количественно определяются 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 закупок вооружений США.
Основной стандарт сопротивления, «ртутный ом», был первоначально определен в 1884 году как столбик ртути длиной 106,3 см и поперечным сечением 1 квадратный миллиметр при температуре 0 градусов Цельсия . Трудности точного измерения физических констант для воспроизведения этого стандарта приводят к отклонениям до 30 ppm. С 1900 года ртутный ом был заменен прецизионной обработанной пластиной манганина . [27] С 1990 года международный стандарт сопротивления был основан на квантованном 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, используя одну пару для переноса рабочего тока, а другую пару для измерения падения напряжения; это устраняет ошибки, вызванные падением напряжения на сопротивлениях выводов, поскольку заряд не течет через выводы для измерения напряжения. Это важно в резисторах малого номинала (100–0,0001 Ом), где сопротивление выводов является значительным или даже сопоставимым по отношению к стандартному значению сопротивления. [29]
Корпуса осевых резисторов обычно желтовато-коричневого, коричневого, синего или зеленого цвета (хотя иногда встречаются и другие цвета, такие как темно-красный или темно-серый), и имеют от трех до шести цветных полос, которые указывают сопротивление (и, соответственно, допуск), и могут включать полосы для указания температурного коэффициента и класса надежности. В четырехполосных резисторах первые две полосы представляют первые две цифры сопротивления в омах , третья представляет множитель , а четвертая — допуск (который, если отсутствует, обозначает ±20%). Для пяти- и шестиполосных резисторов третья полоса — это третья цифра, четвертая — множитель, а пятая — допуск; шестая полоса представляет температурный коэффициент. Номинальная мощность резистора обычно не маркируется и выводится из его размера.
Резисторы для поверхностного монтажа имеют цифровую маркировку.
Резисторы начала 20-го века, по сути неизолированные, окунались в краску, чтобы покрыть весь их корпус для цветовой кодировки. Этот базовый цвет представлял первую цифру. Второй цвет краски наносился на один конец элемента для представления второй цифры, а цветная точка (или полоса) в середине обеспечивала третью цифру. Правило было «корпус, наконечник, точка», предоставляя две значимые цифры для значения и десятичный множитель, в этой последовательности. Допуск по умолчанию составлял ±20%. Резисторы с более близким допуском имели серебряную (±10%) или золотую (±5%) краску на другом конце.
Ранние резисторы изготавливались в более или менее произвольных круглых числах; серия могла иметь 100, 125, 150, 200, 300 и т. д. [30] Ранние мощные проволочные резисторы, такие как коричневые стекловидно-эмалированные типы, изготавливались с системой предпочтительных значений, как некоторые из упомянутых здесь. Резисторы в том виде, в котором они изготовлены, подлежат определенному процентному допуску , и имеет смысл производить значения, которые коррелируют с допуском, так что фактическое значение резистора немного перекрывается с его соседями. Более широкий интервал оставляет зазоры; более узкий интервал увеличивает производственные и складские расходы, чтобы обеспечить резисторы, которые являются более или менее взаимозаменяемыми.
Логическая схема заключается в производстве резисторов в диапазоне значений, которые увеличиваются в геометрической прогрессии , так что каждое значение больше своего предшественника на фиксированный множитель или процент, выбранный для соответствия допуску диапазона. Например, для допуска ±20% имеет смысл иметь каждый резистор примерно в 1,5 раза больше своего предшественника, покрывая 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 декады 1–10 (декада — это диапазон, увеличивающийся в 10 раз; 0,1–1 и 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 которым 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 постепенно увеличивающимся разрешением, с 12, 24, 48, 96 и 192 различными значениями в каждой декаде. Фактически используемые значения указаны в списках предпочтительных чисел IEC 60063.
Резистор сопротивлением 100 Ом ±20% будет иметь значение между 80 и 120 Ом; его соседи E6 — 68 (54–82) и 150 (120–180) Ом. Разумный интервал, E6 используется для компонентов ±20%; E12 для ±10%; E24 для ±5%; E48 для ±2%, E96 для ±1%; E192 для ±0,5% или лучше. Резисторы изготавливаются со значениями от нескольких миллиом до примерно гигаом в диапазонах IEC60063, соответствующих их допускам. Производители могут сортировать резисторы по классам допуска на основе измерений. Соответственно, выборка резисторов 100 Ом с допуском ±10% может не лежать около 100 Ом (но не более чем на 10% ниже), как можно было бы ожидать (колоколообразная кривая), а скорее быть в двух группах — либо на 5–10% выше или на 5–10% ниже (но не ближе к 100 Ом), поскольку любые резисторы, измеренные на заводе как имеющие допуск менее 5%, были бы маркированы и проданы как резисторы с допуском всего ±5% или лучше. При проектировании схемы это может стать соображением. Этот процесс сортировки деталей на основе измерения после производства известен как «биннинг» и может применяться к другим компонентам, помимо резисторов (например, к скоростным классам для ЦП).
Резисторы для поверхностного монтажа больших размеров (метрические 1608 и выше) печатаются с числовыми значениями в коде, связанном с тем, который используется на осевых резисторах. Резисторы для поверхностного монтажа (SMT) со стандартным допуском маркируются трехзначным кодом, в котором первые две цифры являются первыми двумя значащими цифрами значения, а третья цифра — степенью десяти (количеством нулей). Например:
Сопротивления менее 100 Ом обозначаются как 100, 220, 470. Последний ноль представляет десять в нулевой степени, то есть 1. Например:
Иногда эти значения обозначаются как 10 или 22, чтобы избежать ошибки.
Сопротивления менее 10 Ом имеют 'R' для указания положения десятичной точки ( точки основания ). Например:
000 и 0000 иногда появляются как значения на поверхностных монтируемых линиях с нулевым сопротивлением , поскольку они имеют (приблизительно) нулевое сопротивление.
Более современные резисторы для поверхностного монтажа имеют слишком малые физические размеры, что не позволяет наносить на них практичную маркировку.
Многие прецизионные резисторы, включая резисторы поверхностного монтажа и аксиально-выводные, маркируются четырехзначным кодом. Первые три цифры — это значимые цифры, а четвертая — степень числа десять. Например:
Прецизионные резисторы с аксиальными выводами часто используют цветные кодовые полосы для обозначения этого четырехзначного кода.
Бывшая система маркировки EIA-96, теперь включенная в IEC 60062:2016, является более компактной системой маркировки, предназначенной для физически небольших высокоточных резисторов. Она использует двухзначный код плюс букву (всего три буквенно-цифровых символа) для обозначения 1% значений сопротивления до трех значащих цифр. [31] Две цифры (от «01» до «96») представляют собой код, который указывает на одну из 96 «позиций» в стандартной серии E96 1% значений резисторов. Заглавная буква представляет собой код, который указывает на степень множителя десяти . Например, маркировка «01C» представляет 10 кОм; «10C» представляет 12,4 кОм; «96C» представляет 97,6 кОм. [32] [33] [34] [35] [36]
Шаги для определения значений сопротивления или емкости: [37]
Если резистор закодирован:
Существует несколько распространенных схем использования, в которых обычно конфигурируются резисторы. [38]
Резисторы обычно используются для ограничения величины тока, протекающего через цепь. Многие компоненты цепи (например, светодиоды) требуют ограничения тока, протекающего через них, но сами по себе не ограничивают величину тока. Поэтому часто резисторы добавляются для предотвращения ситуаций перегрузки по току. Кроме того, часто цепи не нуждаются в величине тока, который в противном случае протекал бы через них, поэтому резисторы могут быть добавлены для ограничения энергопотребления таких цепей.
Часто схемы должны обеспечивать различные опорные напряжения для других схем (например, компараторов напряжения). Фиксированное напряжение можно получить, включив два резистора последовательно между двумя другими фиксированными напряжениями (например, напряжением источника и землей). Клемма между двумя резисторами будет находиться под напряжением, которое находится между двумя напряжениями, на линейном расстоянии, основанном на относительном сопротивлении двух резисторов. Например, если резистор 200 Ом и резистор 400 Ом помещены последовательно между 6 В и 0 В, клемма между ними будет под напряжением 4 В.
Когда цепь не подключена к источнику питания, напряжение этой цепи не равно нулю, а не определено (на него могут влиять предыдущие напряжения или окружающая среда). Подтягивающий или стягивающий резистор обеспечивает напряжение для цепи, когда она в противном случае отключена (например, когда кнопка не нажата или транзистор не активен). Подтягивающий резистор подключает цепь к высокому положительному напряжению (если цепь требует высокого положительного напряжения по умолчанию), а стягивающий резистор подключает цепь к низкому напряжению или заземлению (если цепь 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 функцию цепи, но достаточно низким, чтобы он «подтягивался» достаточно быстро, когда цепь деактивируется, и не изменял значительно напряжение от исходного значения.
При усилении слабых сигналов часто необходимо минимизировать электронный шум , особенно на первом этапе усиления. Как рассеивающий элемент, даже идеальный резистор естественным образом производит случайно флуктуирующее напряжение или шум на своих клеммах. Этот шум Джонсона-Найквиста является фундаментальным источником шума, который зависит только от температуры и сопротивления резистора и предсказывается теоремой о флуктуации-рассеивании . Использование большего значения сопротивления создает больший шум напряжения, тогда как меньшее значение сопротивления создает больший шум тока при заданной температуре.
Тепловой шум практического резистора также может быть больше теоретического предсказания, и это увеличение обычно зависит от частоты. Избыточный шум практического резистора наблюдается только при протекании через него тока. Он указывается в единицах мкВ/В/декада — 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 1 мкВ (среднеквадратичное значение) избыточного шума на каждый вольт на резисторе в каждой декаде частоты. Избыточный шум, таким образом, является примером шума 1/ f . Толстопленочные и углеродные композиционные резисторы генерируют больше избыточного шума, чем другие типы на низких частотах. Проволочные и тонкопленочные резисторы часто используются из-за их лучших шумовых характеристик. Углеродные композиционные резисторы могут демонстрировать индекс шума 0 дБ, в то время как массивные металлофольговые резисторы могут иметь индекс шума −40 дБ, что обычно делает избыточный шум металлофольговых резисторов незначительным. [39] Тонкопленочные резисторы поверхностного монтажа обычно имеют меньший шум и лучшую термическую стабильность, чем толстопленочные резисторы поверхностного монтажа. Избыточный шум также зависит от размера: в целом, избыточный шум уменьшается по мере увеличения физического размера резистора (или при параллельном использовании нескольких резисторов), поскольку независимо колеблющиеся сопротивления меньших компонентов имеют тенденцию к усреднению.
Хотя это и не пример «шума» как такового, резистор может действовать как термопара , создавая небольшую разность постоянного напряжения на нем из-за термоэлектрического эффекта , если его концы находятся при разных температурах. Это индуцированное постоянное напряжение может ухудшить точность измерительных усилителей , в частности. Такие напряжения появляются в соединениях выводов резистора с печатной платой и с корпусом резистора. Обычные металлопленочные резисторы показывают такой эффект при величине около 20 мкВ/°C. Некоторые резисторы из углеродного состава могут демонстрировать термоэлектрические смещения до 400 мкВ/°C, тогда как специально сконструированные резисторы могут уменьшить это число до 0,05 мкВ/°C. В приложениях, где термоэлектрический эффект может стать важным, необходимо соблюдать осторожность и устанавливать резисторы горизонтально, чтобы избежать температурных градиентов и следить за потоком воздуха над платой. [40]
Частота отказов резисторов в правильно спроектированной схеме низкая 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 (указанную номинальной мощностью резистора ). Это может быть вызвано неисправностью, внешней по отношению к схеме, но часто вызвано отказом другого компонента (например, транзистора, который замыкает) в цепи, подключенной к резистору. Эксплуатация резистора слишком близко к его номинальной мощности может ограничить срок службы резистора или вызвать значительное изменение его сопротивления. Безопасная конструкция обычно использует завышенные номинальные резисторы в силовых приложениях, чтобы избежать этой опасности.
Маломощные тонкопленочные резисторы могут быть повреждены длительным воздействием высокого напряжения, даже ниже максимального указанного напряжения и ниже максимальной номинальной мощности. Это часто касается пусковых резисторов, питающих интегральную схему импульсного источника питания . [ необходима цитата ]
При перегреве сопротивление углеродно-пленочных резисторов может уменьшаться или увеличиваться. [41] Углеродно-пленочные и композитные резисторы могут выйти из строя (разомкнуть цепь), если работают близко к своему максимальному рассеиванию. Это также возможно, но менее вероятно для металлопленочных и проволочных резисторов.
Также может произойти отказ резисторов из-за механического напряжения и неблагоприятных факторов окружающей среды, включая влажность. Если не закрыть, проволочные резисторы могут подвергнуться коррозии.
Известно, что резисторы поверхностного монтажа выходят из строя из-за попадания серы во внутреннюю структуру резистора. Эта сера химически реагирует с серебряным слоем, образуя непроводящий сульфид серебра. Сопротивление резистора стремится к бесконечности. Серостойкие и антикоррозионные резисторы продаются для автомобильных, промышленных и военных приложений. ASTM B809 — это отраслевой стандарт, который проверяет восприимчивость детали к сере.
Альтернативный режим отказа может возникнуть при использовании резисторов с большим номиналом (сотни килоом и выше). Резисторы указываются не только с максимальной рассеиваемой мощностью, но и с максимальным падением напряжения. Превышение этого напряжения приводит к тому, что резистор медленно деградирует, уменьшая сопротивление. Напряжение, падающее на резисторах с большим номиналом, может быть превышено до того, как рассеиваемая мощность достигнет своего предельного значения. Поскольку максимальное напряжение, указанное для обычно встречающихся резисторов, составляет несколько сотен вольт, это является проблемой только в приложениях, где встречаются эти напряжения.
Переменные резисторы также могут деградировать по-другому, обычно из-за плохого контакта между скользящим контактом и корпусом сопротивления. Это может быть вызвано грязью или коррозией и обычно воспринимается как «треск», поскольку сопротивление контакта колеблется; это особенно заметно при настройке устройства. Это похоже на треск, вызванный плохим контактом в переключателях, и, как и переключатели, потенциометры в некоторой степени самоочищаются: перемещение скользящего контакта по сопротивлению может улучшить контакт. Потенциометры, которые редко регулируются, особенно в грязных или суровых условиях, чаще всего подвержены этой проблеме. Когда самоочистка контакта недостаточна, улучшение обычно можно получить с помощью спрея для очистки контактов (также известного как «очиститель тюнера»). Треск, связанный с поворотом вала грязного потенциометра в аудиосхеме (например, регуляторе громкости), значительно усиливается при наличии нежелательного постоянного напряжения, что часто указывает на неисправность конденсатора блокировки постоянного тока в схеме.
