Учебное пособие 2130

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Ю.В. Худяков

РЕЗИСТОРЫ И КОНДЕНСАТОРЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2016

УДК 621.396.662.1

Худяков Ю.В. Резисторы и конденсаторы: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (6,6 Мб) / Ю.В. Худяков. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. – 1 электрон. опт. диск (СD-ROM) : цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024 × 768; Adobe Acrobat; СD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

В учебном пособии представлены назначение, области применения, конструктивное устройство различных типов резисторов и конденсаторов, их основные электрические и конструктивные параметры, обозначение и порядок записи в конструкторских документах.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандартавысшего образования по направлению 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»), дисциплине «Элементная база электронных средств».

Может быть использовано при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Табл. 28. Ил. 107. Библиогр.: 50 назв.

Рецензенты: методическая комиссия факультета информационных систем Международного института компьютерных технологий (декан факультета канд. техн. наук О.С. Хорпяков); д-р техн. наук, проф. О.Ю. Макаров

Худяков Ю.В., 2016

Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

ВВЕДЕНИЕ

Конструкция электронного средства – это совокупность элементов и деталей с различными физическими свойствами и формами, находящихся в определенной пространственной, механической, тепловой, электромагнитной и энергетической взаимосвязи, которая обеспечивает выполнение электронной аппаратурой заданных функций с необходимой точностью и надежностью в условиях воздействия на нее различных факторов: эксплуатационных, производственных, человеческих.

В общем случае любое электронное средство состоит из элементной базы и несущих конструкций. К элементной базе современных электронных средств относятся различные компоненты, непосредственно участвующих в преобразовании сигналов и информации, то есть в выполнении основной функции конкретного электронного средства. Эти компоненты и взаимосвязи между ними отображаются на электрической схеме электронного средства. Несущие конструкции предназначены для размещения элементной базы в электронном средстве, обеспечения ее устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации.

К элементной базе относятся пассивные дискретные электрорадиоэлементы — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и простейшие устройства на их основе, например: LC-фильтры или коммутационные устройства с механическим или магнитным управлением; активные дискретные элементы — полупроводниковые и электровакуумные приборы, интегральные микросхемы; устройства функциональной электроники и некоторые другие.

Пассивные электрорадиоэлементы выполняют в электронных средствах различные операции над сигналами. Принцип действия таких элементов основан на физических процессах различной природы (взаимодействия электрического и магнитного полей, образования разности потенциалов, протекания электрического тока, накопления электрического заряда и др.)

Наибольшее применение в электронных средствах находят такие пассивные компоненты как резисторы и конденсаторы. Их называют элементами (радиокомпонентами) общего применения.

С момента появления первых резисторов и конденсаторов как электрорадиоизделий по настоящее время они прошли несколько основных этапов развития и определили различные направления своей физической реализации.

Развитие электронных средств от поколения к поколению идет в сторону их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры. Конструкции резисторов и конденсаторов стали чрезвычайно разнообразны, что связано, в первую очередь, с индивидуальными особенностями каждого пассивного элемента.

К общим характерным особенностям конструкции резисторов и конденсаторов необходимо отнести большое разнообразие типов, определяемое назначением, электрическими и эксплуатационными характеристиками электрорадиоэлементов конкретного типа, сложность типизации и унификации конструкций и применение широкой номенклатуры различных материалов.

Однако, резисторы и конденсаторы являются изделиями массового производства, поэтому они подверглись достаточно широкой нормализации и стандартизации. Стандартами и нормами установлены технико-экономические и качественные показатели, параметры и размеры. Такие элементы называют типовыми. Выбор типовых элементов производится по параметрам и характеристикам, которые описывают их свойства как при нормальных условиях эксплуатации, так и при различных воздействиях (климатических, механических и др.).

1.РЕЗИСТОРЫ

1.1.Определение резистора

Основой всех электронных устройств являются электрические цепи. Согласно ГОСТ Р 52002-2003 «Электротехника. Термины и определения основных понятий» [1] электрическая цепь - совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении. Электрическая цепь состоит из участков.

Участок (электрической) цепи - это часть электрической цепи,содержащаявыделеннуюсовокупность ееэлементов.

Элемент (электрической) цепи - это отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи, выполняющее в ней определенную функцию.

Резистор – это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления.

Согласно ГОСТ Р 52002-2003 различают полное, активное и реактивное сопротивления.

Полное (электрическое) сопротивление - параметр пассивного двухполюсника, равный отношению действующего значения электрического напряжения на выводах этого двухполюсника к действующему значению электрического тока через двухполюсник при синусоидальных электрическом напряжении и электрическом токе.

Активное (электрическое) сопротивление - параметр пассивного двухполюсника, равный отношению активной мощности, поглощаемой в этом двухполюснике, к квадрату действующего значения электрического тока через этот двухполюсник.

Реактивное сопротивление - параметр пассивного двухполюсника, равный квадратному корню из разности квадратов полного и активного электрических сопротивлений двухполюсника, взятому со знаком плюс, если электрический ток от-

5

стает по фазе от электрического напряжения, и со знаком минус, если электрический ток опережает по фазе напряжение.

В подавляющем большинстве практических случаев под резистором понимается элемент электрической цепи, предназначенный для использования его активного электрического сопротивления.

Резисторы относятся к числу наиболее массовых изделий электронной техники. Они составляют около половины всех комплектующих элементов радиоэлектронном аппаратуры. В связи с быстрым развитием современной радиоэлектроники производство резисторов непрерывно расширяется. Созданы и разрабатываются новые типы резисторов с высокими электрическими и эксплуатационными характеристиками.

Основное назначение резисторов — регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем вследствие того, что они оказывают известное сопротивление электрическому току. На основании этого на базе резисторов строятся делители и регуляторы напряжения, нагрузочные и токоограничивающие элементы, элементы фильтров, добавочные сопротивления и шунты, цепи формирования импульсов. Основной особенностью резистора является то, что электрическая энергия превращается в нем в тепловую и рассеивается.

1.2. Классификация резисторов

Резисторы классифицируются по назначению, способам монтажа и защиты, виду вольт-амперной характеристики (ВАХ), характеру изменения сопротивления, материалу резистивного (токопроводящего) элемента [2].

В зависимости от назначения (рис.1.1) резисторы делятся на общего и специального (прецизионные, сверхпрецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокоомные) назначения.

Резисторы общего назначения имеют диапазон номинальных сопротивлений от 1 Ом до 10 МОм, допускаемые от-

6

клонения от номинального сопротивления ± 1, ± 2, ± 5, ± 10,

± 20, ± 30%, номинальные мощности рассеяния от 0,062 до

100 Вт.

Рис. 1.1. Классификация резисторов по назначению

Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются высокой стабильностью параметров при эксплуатации и большой точностью .изготовления (допуск от ± 0,0005 до

± 0,5 %). Применяются они в основном в измерительных приборах, в различных счетно-решающих устройствах, вычислительной технике и системах автоматики. Диапазон их номинальных сопротивлений в ряде случаев шире, чем резисторов общего назначения. Например, в качестве шунтов используют резисторы с номинальным сопротивлением менее 1 Ом, а в эталонных катушках и магазинах сопротивлений применяют резисторы с номинальным сопротивлением до сотен гигаом. Зато мощности рассеяния их сравнительно небольшие и, как правило, не превышают 2 Вт. Объясняется это высокими тре-

7

бованиями к стабильности, которые трудно выполнить при больших мощностях рассеяния [3].

Высокочастотные резисторы отличаются небольшими собственными индуктивностью и емкостью и способны работать на частотах до сотен мегагерц (непроволочные) и до сотен килогерц (проволочные); применяются для работы в высокочастотных цепях, кабелях и волноводах.

Высоковольтные резисторы имеют рабочие напряжения до десятков киловольт и применяются в качестве искрогасителей, поглотителей и делителей в высоковольтных цепях.

Высокоомные резисторы имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом, малые рабочие напряжения ( от 100 до 400 В) и мощности (до 0,5 Вт); применяются в электрических цепях с малыми рабочими токами.

По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные (с фиксированным сопротивлением) и переменные (подстроечные и регулировочные). Переменные регулировочные резисторы допускают изменение сопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре. Сопротивление переменных подстроенных резисторов изменяется, как .правило, при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Переменные резисторы выполняются одноэлементными и многоэлементными (сдвоенные, строенные, счетверенные и спятеренные), с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта, однооборотными и многооборотными,

с выключателем и без выключателя, с упором и без упора,

сфиксацией и без фиксации положения подвижной системы,

сдополнительными и без дополнительных отводов.

Взависимости от материала резистивного элемента резисторы подразделяются (рис. 1.2) на проволочные (резистивный элемент из волоченой или литой проволоки с высоким удельным сопротивлением), металло-фольговые (резистивный элемент из фольги) и непроволочные [4].

8

Непроволочные резисторы подразделяются на тонкопленочные, толстопленочные и объемные.

Рис. 1.2. Классификация резисторов по материалу резистивного слоя

Толщина слоя тонкопленочных резисторов составляет нанометры, толстопленочных - доли миллиметра, объемных - единицы миллиметра. Разумеется, приведенное разделение слоев весьма условное. Четкой градации по толщине, вообще говоря, не существует.

Тонкопленочные резисторы подразделяются: на металлодиэлектрические, металлооксидные и металлизированные с резистивным элементом в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика и металла, или тонкой пленки окиси металла, или сплава металла; углеродистые и бороуглеродистые,

9

проводящий элемент которых — пленка пиролитического углерода или бороорганических соединений.

К толстопленочным резисторам относят лакосажевые, керметные и резисторы на основе проводящих пластмасс.

Объемные резисторы могут быть с органическим и неорганическим связующим диэлектриком.

Проводящие резистивные слои толстопленочных и объемных резисторов представляют собой гетерогенную систему (композицию) из нескольких фаз, получаемую механическим смешением проводящего компонента, например графита или сажи, металла или окисла металла, с органическими или неорганическими связующими (смолы, стеклоэмали), наполнителем, пластификатором и отвердителем. После соответствующей термообработки образуется гетерогенный монолитный слой с необходимым комплексом резистивных параметров. Объемные резисторы обладают большим уровнем шумов, но хорошо выдерживают импульсные перегрузки.

Лакосажевые композиции формируются на основе синтетических смол в виде лаковых растворов. Проводящим компонентом является сажа. Резисторы на основе этих композиций называют лакосажевыми, лакопленочными или пленочными композиционными. В объемных резисторах в качестве связующего компонента используют органические смолы или стеклоэмали. Проводящей фазой является сажа.

Врезистивных керметных слоях основным проводящим компонентом являются металлические порошки и их смеси, представляющие собой керамическую, стеклянную или полимерную основу с равномерно распределенными частицами металла. Широкое применение нашли системы палладий — окись палладия — серебро — стекло и системы на основе рутения.

Врезисторах на основе проводящих пластмасс резистивный элемент формируется горячим прессованием из проводящей композиции в виде пресспорошков, изготовленных на основе связующих полимеров (диаллилфталатных, фенольных и других смол) и сажи. Возможны металлопластмассовые ком-

10

позиции, проводящим компонентом которых являются металлы.

Металлооксидные резисторы имеют меньшие значения температурного коэффициента сопротивления, чем углеродистые.

Металлопленочные резисторы могут рассеивать относительно большую мощность при небольших размерах, имеют малый уровень шумов и положительный температурный коэффициент.

Проволочные резисторы изготовляются с обычной или безиндуктивной намоткой и применяются в тех случаях, когда требуется высокая стабильность и большая рассеиваемая мощность. Из-за конструктивных особенностей они не выпускаются на большие сопротивления. При работе с большими токами проволочные резисторы могут сильно нагреваться, поэтому их необходимо располагать на плате так, чтобы можно было обеспечивать вентиляцию и устранять влияние высокой температуры на соседние элементы.

Взависимости от способа монтажа резисторы могут выполняться с жесткими или мягкими, аксиальными или радиальными выводами, в виде лепестков, для микромодулей и микросхем [5], как показано на рис. 1.3.

Взависимости от способа защиты от внешних воздействий резисторы конструктивно выполняются изолированными, неизолированными (не допускают касания своим корпусом шасси), герметизированными (в керамических, металлических

ипластмассовых корпусах) и вакуумными (в стеклянных колбах).

Взависимости от вида вольт-амперной характеристики резисторы подразделяются на линейные и нелинейные.

К нелинейным резисторам относится широкий класс приборов, принцип действия которых основан на использовании свойств ряда полупроводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление (в отличие от линейных) под воздействием различных управляющих факторов: температуры (терморезисторы-термисторы, позисторы), электриче-

11

ского поля (варисторы), электромагнитного и теплового излучения (фоторезисторы, болометры), магнитного поля (магниторезисторы), состав газа (газорезисторы).

Рис. 1.3. Внешний вид нерегулируемых (постоянных) резисторов:

1 - цилиндрические с осевыми выводами лакированные; 2 – для монтажа на поверхность; 3 - с покрытием огнестойкой

краской; 4 - высокомегаомные на стеклянной подложке влагозащищенные; 5 - проволочные на трубчатом керамическом основании; 6 - с кольцевыми контактными выводами;

7 - с гофрированным ленточным радиатором; 8 - различные резисторы-датчики; 9 - опрессованные в пластмассу; 10 – цельнокерамические; 11 - дисковые и шайбовые термисторы; 12 - «бусинковые» термисторы;

13 – в стеклянном вакуумном баллоне

12

1.3. Устройство постоянных резисторов

Устройство пленочного резистора представлено на рис. 1.4 [6].

Рис. 1.4. Устройство пленочного резистора

На диэлектрическое цилиндрическое основание нанесена резистивная пленка. На торцы цилиндра надеты контактные колпачки из проводящего материала с припаянными к ним выводами. Для защиты резистивной пленки от воздействия внешних факторов резистор покрывают защитной пленкой.

Такая конструкция резистора обеспечивает получение сравнительно небольших сопротивлений (сотни Ом). Для увеличения сопротивления резистора резистивную пленку наносят на поверхность керамического цилиндра в виде спирали

(рис. 1.5) [6].

Рис. 1.5. Устройство пленочного резистора с повышенной величиной сопротивления

На рис. 1.6 показана конструкция объемного резистора, представляющего собой стержень из токопроводящей компо-

13

зиции круглого или прямоугольного сечения с запрессованными проволочными выводами [6]. Снаружи стержень защищен стеклоэмалевой или стеклокерамической оболочкой.

Рис. 1.6. Устройство объемного резистора

Постоянный проволочный резистор представляет собой изоляционный каркас, на который намотана проволока с высоким удельным электрическим сопротивлением. Снаружи резистор покрывают термостойкой эмалью, спрессовывают пластмассой либо герметизируют металлическим корпусом, закрываемым с торцов керамическими шайбами.

На рис. 1.7 показаны устройства различных проволочных постоянных резисторов [7].

Рис. 1.7. Устройство проволочных резисторов:

а — ПЭВ; б — ПЭВР; в — прецизионный резистор в защитном футляре;

1 - намотка; 2 — вывод; 3 — каркас; 4 — стеклоэмаль

14

Главным преимуществом поверхностно монтируемых (SMD) резисторов являются их маленькие габариты. На рис. 1.8 показана конструкция резистора для поверхностного монтажа [8].

Рис. 1.8. Устройство резистора для поверхностного монтажа

Основным несущим элементом резистора является подложка, изготовленная из оксида алюминия. Этот материал обладает хорошими диэлектрическими свойствами, но помимо этого имеет очень высокую теплопроводность, что необходимо для отвода тепла, выделяющегося в резистивном слое, в окружающую среду.

Основные электрические характеристики резистора определяются резистивным элементом, в качестве которого чаще всего используется пленка металла или окисла, например чистого хрома или двуокиси рутения, нанесенная на подложку.

Для соединения резистивного элемента с проводниками печатной платы служат несколько слоев контактных элементов. Внутренний контактный слой обычно выполнен из серебра или палладия, промежуточный слой представляет собой тонкую пленку никеля, а внешний – свинцово-оловянный припой. Такая сложная контактная конструкция предназначена для обеспечения надежной взаимной адгезии слоев, уменьшение контактной разности потенциалов между слоями и устра-

15

нению диффузии серебра в припой. От качества выполнения контактных элементов резистора зависят такие его характеристики, как надежность и токовые шумы.

Последним элементом конструкции резистора является защитный слой, обеспечивающий предохранение всех элементов конструкции резистора от воздействия факторов окружающей среды и в первую очередь от влаги. Этот слой выполняется из стекла или полимерных материалов.

1.4. Основные параметры резисторов

Свойства резисторов характеризуются следующими основными параметрами [9, 10]:

-номинальным сопротивлением;

-допускаемым отклонением;

-номинальной мощностью;

-предельное рабочее напряжение;

-стабильностью;

-уровнем собственных шумов;

-надежностью, размерами, массой, стоимостью.

1.4.1.Номинальное сопротивление

Величина сопротивления (Ríîì ) является основным па-

раметром и определяется размерами проводящего элемента и свойствами его материалов.

Номинальные величины сопротивлений стандартизова-

ны.

Для резисторов постоянного сопротивления согласно ГОСТ 2825-67 установлено 6 рядов номинальных сопротивлений: Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192. Кроме этих рядов допускается использовать ряд Е3.

Ряды Е представляют собой десятичные ряды геометрической прогрессии со знаменателем прогрессии, равным

16

qN N10 , для ряда EN. Цифра после буквы Е указывает чис-

ло номинальных величин в каждом десятичном интервале. Для ряда Е мантиссу любого i- го номинального значения резистора Ri можно определить согласно выражению

Полученный результат округляется до второго знака.

В табл. 1.1 представлены номинальные значения мантисс для рядов Е6, Е12 и Е24 [2].

Таблица 1.1 Ряды номинальных величин сопротивлений резисторов общего

применения

1.4.2. Допускаемое отклонение

При изготовлении резисторов производственный разброс сопротивлений регламентируется допустимым отклонение или допуском.

Допустимое отклонение или допуск указывается либо на корпусе самого резистора, либо в паспорте на электрорадиоэлемент, в зависимости от типа маркировки.

Допуск представляется в относительных единицах и указывается в процентах согласно формуле

17

где RiE - i- тое номинальное значение ряда Е, Ом;

RiE - абсолютное значение максимально допустимого отклонения от номинального значения RiE для ряда Е, Ом.

Для каждого ряда номинальных значений допуск в относительных единицах единый и не зависит от номинала. Величину этого допуска можно определить согласно выражения

Согласно ГОСТ 9664-74 установлен ряд допусков: ±0,001; ±0,002; ±0,005; ±0,01;±0,02; ±0,05; ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1;±2; ±5; ±10; ±20; ±30 (%). Каждому отклонению соответ-

ствует свой класс точности, обозначаемый соответствующей буквой латинского алфавита (табл.1.2) [11]. На ЭРЭ маркируется либо отклонение, либо класс точности.

Таблица 1.2

Обозначение классов точности

Допуск устанавливается таким образом, что сопротивление любого изготовленного резистора всегда будет находиться в поле допуска какого-либо номинального значения. В этом случае имеет место безотходная технология изготовления резисторов. На рис. 1.9 представлена числовая шкала мантисс номинальных значений сопротивлений для ряда Е6 с указанием полей допусков для каждого номинального значения.

18

Рис. 1.9. Распределение номинальных значений и полей допусков на числовой оси для ряда Е6

На числовой оси точками указаны номинальные значения ряда Е6: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7 и 6,8. Число 10 является первым членом продолжения числовой оси. Для ряда Е6 значение поля допуска в относительных единицах составляет Å6 = 0,2

(20 %). Абсолютные значения полей допусков будут зависеть от номинального значения и составляют для каждого i- го значения 2 Å6,i . Поле допуска для каждого номинала выделя-

ется на рис. 1.9 направлением штриховки, а числовые значения этих полей показаны на размерных линиях. Из рис. 1.9 видно, что поля допусков заполняют всю числовую ось от 1 до 10, поэтому всегда изготовленный резистор с любым сопротивлением находится в пределах поля допуска какого-либо номинала и, следовательно, не является бракованным изделием.

1.4.3. Номинальная мощность

Мощность Р, которая выделяется на резисторе в конкретной электрической цепи, определяют через проходящий через него ток I и падение напряжения U :Ð UI или через номинальное сопротивление Ð I2R или Ð U2 / R.

Под действием этой мощности по закону Джоуля – Ленца происходит нагрев резистора, его температура растет до тех пор, пока подводимая мощность не уравновешивается отводимой (рассеиваемой) от него вследствие конвекции и теплопередачи в окружающее пространство.

Номинальная мощность (Рном) - наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать при заданных условиях в течение гарантированного срока службы при сохранении параметров в условленных пределах при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды.

Величина Рном определяется конструкцией, физическими свойствами материалов проводящего элемента и защитного слоя. С повышением температуры окружающей среды Рном снижается. С целью увеличения срока службы необходим запас по Рном что позволяет уменьшить изменение сопротивления в течение длительного периода времени и снизить влияние температуры.

Конкретные значения Рном в Вт устанавливаются согласно ГОСТ 24013-80 и ГОСТ 10318-80 и выбираются из ряда

- для маломощных резисторов: 0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0 и 2 Вт;

-для резисторов средней мощности: 3, 4, 5, 8, 10, 16 и

25 Вт;

-для резисторов большой мощности: 40, 63, 80, 100, 250

и500 Вт.

1.4.4. Предельное рабочее напряжение

Каждая конструкция резистора характеризуется предельным рабочим напряжением (Uïðåä ), которое может быть при-

ложено к резистору, не вызывая нарушения его работоспособности.