Тема 1. Пассивные элементы электронных устройств

1.1. Резисторы.

Компоненты по своему назначению подразделяют на пассивные и активные. К пассивным компонентам относятся: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, переключатели, реле и др. К активным компонентам относятся приборы на базе p-n переходов, МОП-структур, вторичные источники питания.

Резисторы - это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. В цепях переменного тока резисторы не вносят сдвига фаз между током и напряжением и в связи с этим их сопротивление часто называют «активным».

Классификация.

По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяют на:

- постоянные — с фиксированным сопротивлением;

- переменные — с изменяющимся сопротивлением;

- специальные — сопротивление зависит от действия внеш­них факторов.

Постоянные резисторы подразделяются на две группы.

1. Общего назначения (диапазон номиналов 1...1х10⁶ Ом, номинальные мощности рассеивания 0,062... 100 Вт).

2. Специального назначения:

а) прецизионные (допуск номиналов 0,001...1 %, диапазон номиналов 0,1...10х10⁶ Ом, мощность рассеивания до 2 Вт);

б) высокочастотные — обладают малыми собственными ем­костями и индуктивностями;

в) высоковольтные (сопротивление до 10¹¹ Ом, рабочее на­пряжение от единиц до 100 кВ);

г) высокоомные (сопротивление от десятков МОм до сотен ТОм, рабочее напряжение 100...400 В).

Переменные резисторы подразделяются на подстроечные (сопротивление изменяется при регулировке электрических ре жимов цепи) и регулировочные (со­противление изменяется во время функционирования аппаратуры, более 5000 циклов).

В зависимости от изменения со­противления при изменении угла поворота подвижной части перемен­ные резисторы имеют линейную ха­рактеристику А и нелинейную: логарифмическую Б и антилогарифмическую В, специальные ха­рактеристики типа Г, Д (рис.1.1).

Рисунок 1.1- Зависимость относительного изменения сопротивления резистора от угла поворота подвижной части

К специальным резисторам отно­сятся:

а) варисторы — сопротивление зависит от напряженности электри­ческого поля;

б) терморезисторы — сопротивле­ние зависит от температуры;

в) фоторезисторы — сопротивление зависит от освещения резистора;

г) магниторезисторы — сопротив­ление зависит от магнитного поля.

Условно-графическое обозначение резисторов приведено на рис.1.2

Рисунок 1.2 - Условное обозначение резисторов: a — постоянные, б — подстроечные, в — переменные, г — терморезисторы, д — варисторы

По эксплуатационным характеристикам резисторы могут быть термостойкими, влагостойкими, вибро- и ударопрочными, высоконадежными.

В зависимости от вида проводя­щего резистивного элемента рези­сторы бывают проволочные и не­проволочные. В проволочных резисторах токопроводящим элементом является намотанная на каркас проволока, изготовленная из материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением. Наибольшее примене­ние нашли непроволочные резисто­ры, которые в свою очередь подразделяются на пленочные и объемные. Пленочные и объемные резисторы обладают меньшими соб­ственной емкостью, индуктивностью и значительно дешевле про­волочных.

Резистор наряду с активным сопротивлением обладает экви­валентной емкостью С и индуктивностью L (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Эквивалентные схемы резисторов

Индуктивность резистора определяется его размерами и размерами выводов, составляет примерно 3х10^-9 Гн/см. Емкость резистора появляется между его различными участками, а также определяется конструкцией выводов и их размерами. У малогаба­ритных резисторов емкость невелика и составляет десятые доли пФ. Переменные резисторы обладают значительно большими емкостями и индуктивностями, чем постоянные. Наличие емкости и индуктивности вызывает появление реактивной составляющей полного сопротивления, которая приводит к изменению активной составляющей сопротивления. У проволочных резисторов с уве­личением рабочей частоты изменяется сопротивление за счет по­верхностного эффекта.

При длительном сроке эксплуатации происходит старение резисторов, что приводит к изменению их сопротивления. Старе­ние зависит от физической природы резистивного элемента. Ему наиболее подвержены композиционные резисторы и меньше всего металлопленочные. Стабильность сопротивления резисторов во времени характеризуется коэффициентом старения

где t — время; R₀ — сопротивление резистора непосредственно после изготовления. Коэффициент старения резисторов суще­ственно изменяется от партии к партии. Поэтому в технических условиях (ТУ) указывают коэффициент значительно меньший, чем у большей части резисторов.

Например, сопротивление С2-6 может измениться до 20 % после 15 тыс. часов эксплуатации.

К основным параметрам резисторов относятся:

1. Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение.

Под номинальным сопротивлением понимают значение сопротивления, на которое рассчитан резистор и которое указывается на резисторе или в сопроводительной документации. Выпускаются резисторы по стандартным шкалам номинальных значений с регламентированными классами точности. Класс точности резисторов определяется относительным отклонением от номинала в процентах. Основная единица измерения сопротивления резисторов – Ом и кратные ей в сторону увеличения : килоом - КОм (множитель 10³ или буква Е), мегаом (10⁶ или М), гигаом (10⁹ или Г), тераом (10¹² или Т).

Различают шесть рядов сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192 (табл. 1.1).Число указывает на число номиналов в ряде. Классы точности резисторов также стандартизованы и находятся в пределах от ±0,001% до ±20%, наиболее употребительны классы ±5 – 10%.

Таблица 1.1 - Числовые коэффициенты первых трех рядов номиналов сопротивлений

Е6	Е12	Е24		Е6	Е12	Е24
±20%	±10%	±5%		±20%	±10%	±5%
1,0	1,0	1,0		3,3	3,3	3,3
_	-	1,1		-	-	3,6
-	1,2	1,2		-	3,9	3,9
-	-	1,3		-	-	4,3
1,5	1,5	1,5		4,7	4,7	4,7
_	-	1,6		-	-	5,1
-	1,8	1,8		-	5,6	5,6
-	-	2,0		-	-	6,2
2,2	2,2	2,2		6,8	6,8	6,8
-	-	2,4		-	-	7,5
-	2,7	2,7		-	8,2	8,2
-	_	3,0		-		9,1

2. Номинальная мощность рассеивания. Под номинальной мощностью рассеивания понимают максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке в нормальных условиях без изменения электрических параметров выше норм, указанных в технических условиях на него. Промышленность выпускает резисторы с номинальными мощностями рассеивания от 0,001 до 500 Вт. Значения мощностей стандартизированы, наиболее часто используются в электронных схемах резисторы мощностью 0,125 –0,25 –0,5 –1 –2 Вт.

3. Предельное рабочее напряжение. Под предельным рабочим напряжением понимают максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий на электрические параметры.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этот параметр характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в 1/°С.

где ΔR - абсолютное изменение сопротивления резистора (Ом) под влиянием температуры, R₀ - сопротивление резистора (Ом) при нормальной температуре t₀.

5. Уровень собственных шумов. Шум представляет собой переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения резистора, что создает помехи для прохождения сигнала и ограничивает чувствительность приемных трактов электронной аппаратуры. Собственные шумы резисторов имеют двоякую природу: это так называемые «тепловые» и «токовые» шумы. В переменных резисторах наблюдаются шумы, вызванные изменением сопротивления контактной пары за счет меняющегося во времени давления между контактами.

Система обозначения резисторов.

Различают две системы обозначения до и после 80-го года.

1. Система до 80-го года.

А) Буква С – сопротивление;

СП – переменный резистор;

СТ – терморезистор;

СН – варистор;

СР – фоторезистор;

Б) Материал резистивного элемента.

1. углеродистый (пиролитический углерод);

2. металлоокисные или металлопленочные;

3. пленочные композиционные;

4. объемные композиционные;

5. проволочные резисторы;

В) Номер разработки.

Пример обозначения: С2-1.

2. Система после 80-го года.

А) Буква Р – резистор постоянный;

РП – переменный;

ТР – терморезистор;

ТРП – позистор;

ВР – варистор;

Б) Цифра 1- непроволочный;

2- проволочный;

(эти цифры указываются для Р и РП)

В) Порядковый номер разработки.

Пример обозначения: Р1-26

Полное обозначение в конструкторской документации КД имеет следующий вид, например: Р1-33Н-0, 25 Вт - 100 кОм ± 2% А⋅ 0.467 - 0.27 ТУ. Оно состоит из сопроводительного обозначения Р1-33Н-0 и обозначения основных параметров резистора 25 Вт - 100 кОм ± 2% А, А − группа по уровню шумов. 0.467 - 0.27 ТУ − документ на поставку.

Цветовая и кодовая маркировка резисторов.

Буква обозначает множитель, на который умножаются цифровые обозначения. Например, резистор с номинальным сопротивлением 475 Ом и допуском ±2 % обозначается К475G.

Кроме всего, маломощные резисторы с допуском от ±2 до 10 % имеют стандартные значения сопротивления и стандартную цветовую маркировку (рисунок 1.4).

Две первые цифры и множитель определяют номинальное сопротивление.

Рисунок 1.4 – Цветовая маркировка резисторов

Например: красный – желтый – оранжевый – золотой, это 24 кОм с 5 % допуском.

Отечественная промышленность выпускает следующие резисторы:

- общего назначения (МЛТ, ОМЛТ, С2-6, С2-8, С2-11, С2-22 и др.),

- прецизионные (ОМЛТ, МГП, С2-1, С2-13, С2-14, С2-31 и др.),

- высокомегомные (КВМ, КЛМ, С3-10, С3-14 и др.),

- высоковольтные (КЭВ, С3-9, С3-14 и др.),

- высокочастотные (С2-10, С2-34, С3-8 и др.).

Номенклатура подстроечных и регулировочных резисторов также достаточно велика (СП5-1, СП5-6, РП-25, РП-80, СП5-21 и др.).

Непроволочные резисторы обладают широкой номенклатурой сопротивлений и мощностей, малой величиной L и C, малыми габаритами и стоимостью.

Разновидности:

• ­углеродистые (пленочного типа). Пленка пиролитического углерода (толщина сотые, десятые доли мкм). Дешевые и высокостабильные, обладают низким уровнем шумов. Недостаток это низкая стабильность высокоомных резисторов. Пример резисторов – ВС, С1- 8.

• металлоокисные, металлопленочные (пленка сплава металла, либо окисла металла). Достоинством таких резисторов является повышенная термостойкость и низкий уровень шумов. Недостаток это малая устойчивость к импульсным перегрузкам. Пример резисторов – МЛТ, МТ.

• композиционные резисторы (смесь проводящего материала – углерода и диэлектрической связки). Такие резисторы могут быть объемного типа и пленочного типа. Достоинство – малая стоимость. Недостаток – зависимость сопротивления от напряжения и тока, высокий уровень шумов, низкая стабильность. Пример резисторов –ТВО, С3- 2.

Проволочные резисторы обладают повышенной температурной стабильностью и термостойкостью. Основными недостатками проволочных резисторов являются ограниченный диапазон сопротивления (до сотен кОм) и высокая стоимость.

Прецизионные резисторы применяют в точной измерительной аппаратуре и ответственных цепях аппаратуры специального назначения. Часто их используют как элементы магазинов сопротивлений, в цепях делителей и шунтов повышенной точности.

К группе высокочастотных относятся резисторы, выполняющие свои функции без существенного изменения сопротивления на частотах более 10 МГц.