ГЛАВА 1. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

§ 1.1. РЕЗИСТОРЫ

Резисторы (сопротивления) — это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

В зависимости от назначения резисторы подразделяются на две группы: 1) общего назначения (диапазоны номиналов , номинальные мощности рассеивания специального назначения, которые подразделяются на: а) высокоомные резисторы (от десятков мегаом до сотен тераом, рабочее напряжение 100—400 В); б) высоковольтные (сопротивления до 10 Ом, рабочее напряжение единицы — десятки ); в) высокочастотные (имеют малые собственные емкости и индуктивности); г) прецизионные (повышенная точность — допуск 0,001 — 1%, стабильность, номиналы 0,1 Ом — , номинальные мощности рассеивания до .

Переменные резисторы подразделяются на подстрочные и регулировочные.

Подстрочные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные — для проведения многократных регулировок. Они отличаются большей износоустойчивостью (более 5000 циклов) и в зависимости от характера изменения их сопротивлений при перемещении подвижной части делятся на резисторы с линейной А и нелинейной функциональными характеристиками: логарифмической Б, обратнологарифмической В, характеристиками типа И, Е (рис. 1.1, а, б).

Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки, осажденной на поверхность изоляционного основания; проволоки или микропроволоки; объемной конструкции.

Рис. 1.1. Функциональные характеристики переменных резисторов: а — линейная логарифмическая (Б); антилогарифмическая (В); б - характеристика типа И, и а — полный и текущий углы поворота подвижной части; и R — полное и текущее значения сопротивления

В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяют на проволочные, непроволочные, металлофольговые (проводящий элемент выполнен из фольги, нанесенной на непроводящие основания). У проволочных и металлофольговых резисторов в качестве материала проводящего элемента используют манганин и нихром.

Непроволочные резисторы можно подразделить на следующие группы: а) углеродистые и бороуглеродистые (проводящий элемент — пленка пиролитического углерода или его соединений, осажденная на непроводящее основание); б) металлодиэлектрические, металлопленочные или металлооксидные (проводящий элемент — микрокомпозиционный слой из диэлектрика и металла или пленки из металла, оксида металла или его сплавов; в) композиционные (проводящий элемент — гетерогенная система из нескольких компонентов, один из которых проводящий, например графит или сажа); полупроводниковые (проводящий элемент выполнен из полупроводникового материала).

По конструктивному исполнению резисторы изготовляют в нормальном и тропическом (всеклиматическом) вариантах и выполняют неизолированными (касание токоведущих частей не допускается), изолированными (касание токоведущих частей допускается), герметизированными, в том числе и вакуумными (герметично изолированными от окружающей среды).

У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений носителей зарядов (электронов) внутри твердого тела. Их среднюю мощность определяют из формулы Найквисга

где К — постоянная Больцмана, ; Т — абсолютная температура; - полоса частот, в которой измеряется мощность, .

Действующее значение напряжения шумов связано с их мощностью уравнением

откуда

или

При температуре это уравнение имеет вид

где .

Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер. Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении к нему электрического напряжения. Действующее значение напряжения этих шумов в первом приближении находят из уравнения

где — постоянный для данного резистора параметр; — постоянное напряжение на резисторе; и - высшая и низшая частоты, в полосе которых определяется шум.

Уровень токовых шумов оценивают отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе, измеренной в полосе частот постоянному напряжению на нем :

Основная причина появления этого шума — временное изменение объемной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами проводника, имеющего зернистую структуру.

Значения шумов у непроволочных резисторов в зависимости от группы, на которые их иногда разделяют, находятся в пределах (группа А), (никак не обозначается). У регулируемых резисторов этот показатель значительно выше и достигает значений (у резисторов типа СП). Приведенные цифры обычно задаются для полосы частот от до , т. е. для двух декад. У проволочных резисторов значения шумов при тех же порядка .

При расчете суммарного шума электрической цепи, содержащей несколько резисторов, источники шумов обычно считают некоррелированными и при этом пользуются уравнением

где — напряжения тепловых шумов резистора — напряжения токовых шумов резистора .

В эквивалентную схему резистора (рис. 1.2) кроме сопротивления R входят конденсатор С и индуктивность L. Это обусловлено тем, что любой реальный резистор, даже выполненный в виде прямолинейного бруска, имеет определенную индуктивность. Емкость появляется между участками резистора, а также между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность и емкость имеют распределенный характер. Однако для упрощения это обычно не учитывают и используют одну из эквивалентных схем, показанных на рис. 1.2, а, б.

Рис. 1.2. Эквивалентные схемы резисторов

Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей, так и к некоторому изменению эквивалентного значения активной составляющей. Кроме того, в проволочных резисторах из-за проявлений поверхностного эффекта сопротивление изменяется при повышении частоты. Это существенно проявляется с частоты в несколько МГц. Но в точных устройствах поверхностный эффект следует учитывать с частоты в несколько . Так, сопротивление медного провода диаметром при увеличивается на 0,01%.

Относительная частотная погрешность у резистора

где - полное сопротивление резистора на интересующей частоте .

На практике, как правило, значения L и С неизвестны. Поэтому для некоторых резисторов в технических условиях приводят значение обобщенной постоянной времени

, которая связана с относительной частотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением

Частотные характеристики у непроволочных резисторов значительно лучше, чем у проволочных. Так, у высокоомного проволочного резистора , а у резистора типа МЛТ с.

При длительной эксплуатации происходит старение резисторов и их сопротивление изменяется.

Таблица 1.1.

(см. оригинал)

Так, например, у резисторов типа сопротивление может измениться до после 15 000 ч работы. У некоторых типов резисторов после их выдержки в течение нескольких часов при повышенной температуре сопротивление не возвращается к начальному значению.

Номинальное сопротивление резистора должно соответствовать одному из шести рядов (ГОСТ 2825—67, 10318 — 80): .

Значение сопротивления находят умножением или делением на , где n — целое положительное число или нуль чисел номинальных величин, входящих в состав ряда. Их количество определяется цифрой, стоящей после буквы Е. Так, например, для ряда эти числа равны 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8.

Ряд допускаемых отклонений также нормализован. Допуски указываются в процентах в соответствии с рядом .

Значение сопротивления некоторых типов резисторов может меняться в зависимости от приложенного напряжения. Причиной этого является зависимость концентрации носителей тока и их подвижности от напряженности электрического поля. Учитывают это явление с помощью коэффициента напряжения

где — сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих -ной и -ной номинальной мощности рассеяния резистора.

Значение может достигать единиц — десятков процентов.

Система условных обозначений предусматривает как полные, так и сокращенные условные обозначения. Полное обозначение обычно используется в технической документации, например ТУ. Оно состоит из сокращенного обозначения (-ЗЗИ), обозначений и величин основных параметров и характеристик ), А — группа по уровню шумов, обозначений документа на поставку (0.467.027 ТУ).

Сокращенное условное обозначение состоит из трех элементов: первый — буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резистора; P — постоянные резисторы; РП — переменные резисторы; HP — наборы резисторов; второй — цифра 1 для непроволочных или 2 для проволочных резисторов; третий — цифра, обозначающая регистрационный номер каждого типа. Например, резисторы постоянные непроволочные с номером 26 имеют обозначение .

На практике используются резисторы, обозначение которых выполнено в соответствии с ГОСТами и принципами, которые в новых разработках не применяются, например, , МЛТ, ПКВ, СПО и др. Так как они выпускаются промышленностью, у них оставлены ранее действовавшие обозначения.

Маркировка резисторов содержит полное или кодированное обозначение номинальных сопротивлений и их допускаемых отклонений.

Полное обозначение состоит из значения номинального сопротивления и обозначения единицы измерения (Ом — ом, кОм — килоом, — мегаом; — гигаом; ТОм — тераом). Например, 365 Ом, 100 кОм; ТОм.

Кодированное обозначение состоит из трех или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква обозначает множитель, на который умножается цифровое обозначение. Буквы R, К, М, G, Т, соответствуют множителям 1, 103, 106, 109, 1012. Например, 0,1 Ом — .

Полное обозначение допускаемого отклонения состоит из цифр, а кодированное — из букв (СТ СЭВ 1810—79), приведенных в табл. 1.1.

Кодированное обозначение резистора с номинальным сопротивлением 475 Ом с допускаемым отклонением .