5.Тепловые и токовые шумы.

Собственные шумы. На концах любого резистора всегда существует переменное напряжение, характеризующееся непрерывным широким спектром и примерно одинаковой интенсивностью всех составляющих.

В проволочных резисторах появление шумового на­пряжения обусловлено тепловым движением свободных электронов. Действующее значение напряжения тепловых шумов определяется известной формулой Найквиста

U²_ш = 4kTRΔf,

где k — постоянная Больцмана, равная 1,38 •10^-23 Дж/К; Т — абсолютная температура, К; R — сопротивление, Ом; Δf — полоса частот, в пределах которой определяется шу­мовое напряжение, Гц;U_ш — шумовое напряжение, В.

Е сли сопротивление резистора комплексно, то в фор­муле Найквиста под R следует понимать активную состав­ляющую полного сопротивления.

Для практических расчетов напряжения тепловых шу­мов, возникающих в резисторе при комнатной температуре (Т= 290 К или 17°С), удобно пользоваться следующим соотношением:

, где U_ш выражается в микровольтах; R — в килоомах;Δf— в килогерцах.

Следует отметить, что тепловые шумы резисторов, особенно высокоомных, могут быть выше шумов усили­тельных приборов и существенно влиять на чувствитель­ность РЭА.

В непроволочных резисторах .кроме тепловых еще воз­никает так называемые токовые шумы, обусловлен­ные мелкозернистой структурой резистивного элемента. При прохождении электрического тока по такому эле­менту происходят местные нагревы, сопровождающиеся;' разрушением контактов между одними частицами и спека­нием других, а также возникают электрохимические процессы, механические вибрации частиц и т. п. Это вызывает непрерывное хаотическое изменение пути электрического тока, т. е. флюктуацию сопротивления, в результате чего на проходящий постоянный ток накладывается перемен­ная шумовая составляющая. Шумовое напряжение, созда­ваемое этим током на концах резистора, оказывается значительно больше теплового и имеет непрерывный спектр, наиболее интенсивные составляющие которого лежат в об­ласти низких частот.

Напряжение токовых шумов зависит от материала ком­позиции и конструкции резистивного элемента. Установлено, что чем дисперснее структура проводящего компонента и больше его сопротивление и чем длиннее резистивный элемент, тем шумы меньше.

Шумовое напряжение пропорционально приложенному постоянному напряжению и квадратному корню из полосы пропускания. Действующее значение этого напряжения, измеренное в пределах определенной полосы частот и отне­сенное к величине приложенного постоянного напряжения Е_о

называют уровнем собственных (электродвижущей силой) шумов Е_ш. Ее выражают обычно в микровольтах на вольт. Полное напряжение токовых шумов определяется следующим образом:

U _ш = Е_шЕ_о.

Уровень собственных шумов обычно указывают для полосы частот от 50 Гц до 5 кГц при нагрузке низкоомных резисторов номинальной мощностью, а высокоомных — предельным рабочим напряжением.

Типовые непроволочные резисторы по величине э. д. с. шумов делятся на две группы: группа А с Е_ш≤ 1 мкВ/В и группа Б с Е_ш≤ 5 мкВ/В; специальные типы резисторов имеют э. д. с. шумов меньше 1 мкВ/В.

Уровень шумов зависит также от качества контакта между резистивным элементом и выводами, а в резисторах переменного сопротивления — от качества скользящего контакта (шумы вращения).

Интенсивность отказов

Почти четверть всех отказов РЭА происходит из-за отказов резисторов. Это объясняется тем, что резисторы составляют около половины общего числа элементов схем РЭА.

Экспериментально установлено, что более 50% отказов резисторов происходит из-за нарушения контактного соединения выводов с резистивным элементом и его обрыва; до 40% - из-за перегорания резистивного элемента и до 10% - из-за недопустимых изменений сопротивления. Отказы резисторов вызываются как недостатками конструкции и технологии производства, так и неправильной эксплуатацией - электрическими перегрузками, перегревом за счет окружающей среды, плотного монтажа и т.п.

Интенсивность отказов увеличивается при повышенных электрических нагрузках и температурах. Поэтому типоразмеры резисторов выбираются так. Чтобы при наиболее тяжелых условиях эксплуатации их температура не превышала предельно допустимых значений, которые определяются наступлением необратимых изменений сопротивления.

При работе в нормальных условиях коэф-т нагрузки для резисторов с допускаемым отклонением ±5% и больше выбирают порядка 0,5; для резисторов с допускаемым отклонением меньше ±5% - порядка 0,2.

Охлаждение резисторов в РЭА обеспечивается их расположением и способом монтажа. Рекомендуется мощные резисторы располагать вертикально. При групповом монтаже зазоры между отдельными резисторами должны быть не менее величины их диаметра, а нагрузка снижена до 30% допускаемой; не рекомендуется совместный монтаж мощных и маломощных резисторов.

Наибольшей надежностью обладают непроволочные объемные резисторы постоянного сопротивления, особенно при работе в тяжелых климатических условиях. Высокой надежностью обладают также резисторы поверхностного типа ВС и МЛТ. Несколько меньшей надежностью обладают высокоомные резисторы, поэтому желательно применение резисторов сопротивлением не более 0,5-1 Мом. Проволочные резисторы отличаются невысокой надежностью; она тем ниже, чем тоньше провод.

Для сценки надежности резисторов используются один из основных расчетных показателей надежности – интенсивность отказов [ ]=[r^-1]. На интенсивность отказов резисторов сильно влияет режим их работы. Исследования показали, что интенсивность отказов резисторов как и других РЭ элементов уменьшается. Если используется облегченные режимы их работы. С этой целью у резисторов рассеиваемая мощность должна быть не более половины ее номинальной величины. т.е. Р _н. Помимо режима работы на интенсивность отказов также сильно влияют условия их эксплуатации. Например, с увеличением температуры, влажности и т.д. интенсивность отказов резисторов возрастает при увеличении температуры.