3551

Для низкоомных резисторов предельное рабочее напряжение определяется тепловым нагревом, т. е. допускаемой мощностью Рном. Его величина определяется из соотношения

Для высокоомных резисторов максимальное допустимое напряжение Uäîï определяется опасностью пробоя или пере-

крытия по поверхности резистивного элемента. Оно обычно меньше предельного напряжения Uäîï < Uïðåä , установленного

для резисторов данного типа.

Допускаемое напряжение зависит от условий эксплуатации, состояния окружающей среды, требований к надежности и т. п. Оно тем ниже, чем меньше размер резистора, меньше толщина резистивной пленки и более неравномерная структура этой пленки.

1.4.5. Стабильность параметров резисторов

Стабильность параметров резистора обычно характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), которое определяется как относительное изменение величины сопротивления при изменении температуры на один градус. Сопротивление резистора может изменяться под влиянием температуры, влажности, процессов старения, напряжения и т.д.

Под влиянием температуры возникают обратимые и необратимые изменения сопротивления резистора. Разнообразие конструктивных решений, применяемых при изготовлении резисторов, обуславливает многообразный характер зависимости сопротивления от температуры.

У чистых металлов повышение температуры приводит к уменьшению подвижности электронов вследствие взаимодействия их с ионами решетки. При этом сопротивление материала возрастает примерно пропорционально абсолютной темпе-

21

ратуре. При введении примесей в металлы величина их сопротивления возрастает, а температурный коэффициент удельного сопротивления уменьшается.

Композиционные материалы имеют сложную зависимость сопротивления от температуры. Одной из причин является влияние контактов между проводящими частицами, преодоление которых носителями зарядов и зависит от температуры. Изменение проводимости материала резистора при изменении температуры определяется также температурными коэффициентами расширения проводящего материала основания.

Температурные коэффициенты сопротивления проводящих материалов представлены в табл. 1.3.

Таблица 1.3 Температурные коэффициенты сопротивления проводящих

материалов

Обратимые изменения характеризуются ТКС ( Ò), вели-

чина которого определяется свойствами материала резистивного элемента

22

до 20 ·10-4 К-1 , для группы пленочных металлодиэлектрических и металлооксидных составляет ± ( от 7 до 16) ·10-4 К-1, для группы пленочных композиционных имеет значение

± (от 10 до 25) ·10-4 К-1, для группы объемных композиционных находится в пределах (от минус 20 до + 6) ·10-4 К-1 и для группы проволочных составляет (от минус 5 до +10) · 10-4 К-1 в том числе для прецизионных - ± ( от 0,15 до 1,5) ·10-4 К-1.

Для большинства групп резисторов зависимость сопротивления от температуры является линейной, а в случаях, когда она изменяется по резко нелинейному закону, в ТУ указывают не ТКС, а предельные относительные изменения сопротивления при крайних значениях рабочих температур.

Значение и знак ТКС определяются в основном температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТКρ) материала токопроводящего слоя. Так, проволочные резисторы имеют малый положительный ТКС; углеродистые - отрицательный среднего значения (с увеличением температуры увеличивается контактируемость «зерен» слоя и сопротивление уменьшается); полупроводниковые — большой отрицательный, а металлизированные и композиционные — знакопеременный средний и большой (в зависимости от того, что преобладает: контактируемость «зерен» или увеличение сопротивления под действием хаотического движения электронов в «зернах»).

Необратимые температурные изменения сопротивления резистора возникают после длительного воздействия повышенных температур или после нескольких температурных циклов. Эти изменения вызываются структурными изменениями резистивного элемента и наблюдаются только у непроволочных резисторов.

23

При воздействии влаги усиливаются окислительные и электрохимические процессы, которые сопровождаются необратимыми изменениями сопротивления. Для зашиты резисторов применяют покрытия: лаками, эмалями, опрессовку пластмассами и герметизацию. Поэтому резисторы могут работать при влажности, достигающей значения от 90 до 98%.

С течением времени происходит изменение сопротивления резистора, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет кристаллизации, окисления и различных электрохимических процессов, а также за счет изменения свойств переходных контактов. Эти явления называются старением. Они в основном проявляются у непроволочных резисторов.

1.4.6. Шумы

При приложении к резисторам постоянного или переменного напряжения в них наблюдаются шумы. Шум представляет собой переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения резистора, что создает помехи для прохождения сигнала и ограничивает, в частности, чувствительность радиоприемных трактов РЭА. Они представляют собой переменное напряжение, характеризующееся непрерывным широким спектром и одинаковой интенсивностью всех составляющих.

Особенно вредны шумы резисторов, используемых во входных цепях радиоприемников. так как они усиливаются вместе с принимаемым полезным сигналом.

Собственные шумы резисторов имеют двоякую природу. Это так называемые тепловые и токовые шумы.

Источником электрической энергии тепловых шумов являются разнесенные в пространстве разноименные электрические заряды. Носителями зарядов в твердых телах, к которым относятся резистивные материалы, являются ионы и электроны. Число положительных и отрицательных зарядов в электрически нейтральном теле равно и в достаточно малом объе-

24

ме, соизмеримом с размерами атомов они компенсируют друг друга. Вследствие теплового движения флуктуация плотности носителей заряда одного знака в некоторой области возрастает, что автоматически приводит к возникновению другой области вещества с противоположным зарядом. Налицо процесс образования источника электрической энергии, где в качестве силы для разнесения зарядов в пространстве выступает флуктуация тепловой энергии kТ, где k – постоянная Больцмана, а Т – абсолютная температура.

Таких источников по объему тела наберется очень много и, суммируясь по законам электротехники с учетом знака и мгновенного значения, на поверхности получается результирующее напряжение. Причем величина этого напряжения тем больше, чем меньше шунтирующее действие сопротивления материала и чем больше спектральных составляющих попадают на регистрирующее устройство, то есть чем шире полоса наблюдения. Учитывая, что напряжение и мощность источника электрической энергии связаны через квадратный корень напряжение теплового шума определяется выражением

Åø .ò . 4k T R f , (1.6)

где k - постоянная Больцмана, равная 1,38 · 10-23 Дж/К; T - температура, К;

R - сопротивление, Ом;

f - полоса частот при измерении, Гц.

Тепловые шумы присущи всем видам резисторов и при увеличении температуры возрастают.

Токовые шумы возникают в резисторах с зернистой структурой — углеродистых, металлизированных и композиционных. Путь прохождения тока носит случайный характер и наиболее вероятен там, где в данный момент соприкасаемость «зерен» повышена. Величина шума зависит от длины проводящего элемента, размера зерен и сопротивления. Чем

больше сопротивление, чем дисперснее структура, чем длиннее резистивный элемент, тем токовые шумы больше.

Таким образом, на концах резистора проявляется переменная составляющая напряжения различных частот. Действующее значение этой переменной составляющей напряжения Åø , отнесенного к постоянному напряжению UR , прило-

женной к резистору, называется уровнем собственных шумов D (мкВ/В) и выражается как

С увеличением приложенного напряжения токовые шумы возрастают.

Уровень шумов D обычно указывается для полосы частот от 50 Гц до 5 кГц и делится на 2 группы:

-А, для которой D < 1 мкВ/В;

-Б, для которой D < 5 мкВ/В.

Для резисторов специального применения D < 1 мкВ/В. Уровень собственных шумов в значительной степени за-

висит от качества контакта между резистивным элементом и выводами.

Наиболее шумящими резисторами являются композиционные, поэтому применение их во входных цепях приемных устройств ограничено. По уровню токовых шумов резисторы делятся на следующие группы:

- углеродистые, бороуглеродистые, металлодиэлектрические и металлооксидные имеют параметр D < 1,5 мкВ/В;

- пленочные композиционные - D < 40 мкВ/В;

- объемные композиционные - D < 45 мкВ/В. Проволочные резисторы группы обладают лишь тепловы-

ми шумами, гораздо меньшими (на порядок), чем токовые.

1.4.7. Частотные свойства резисторов

При работе резисторов в диапазоне частот сопротивление может измениться относительно его номинала при постоянном токе, что приводит к изменению выходных параметров и устойчивости работы функциональных узлов, блоков и РЭА в целом. Эти изменения, особенно для мегагерцового диапазона частот, могут составлять единицы децибел.

В общем случае упрощенная эквивалентная схема резистора для высоких частот (рис. 1.10) кроме собственно активного сопротивления R включает реактивные составляю-

они ухудшают частотные свойства резисторов, их часто называют паразитными. В различных типах резисторов паразитные индуктивности и емкость образуются по-разному, поэтому и меры, предусматривающие их уменьшение, также отличаются.

Рис. 1.10. Эквивалентная схема резистора для высоких частот

В проволочных резисторах паразитные индуктивности образуются в обмотке провода и в выводах, а паразитная емкость - между витками обмотки. В непроволочных резисторах паразитные индуктивности образуются индуктивностями выводов и длиной резистивного слоя, а паразитная емкость между выводами и участками резистивного слоя с разными потенциалами.

Паразитные параметры резисторов SMD по сравнению с обычными резисторами имеют существенно меньшее значение

27

ввиду отсутствия проволочных выводов и относительно малых габаритных размеров. На паразитные параметры электрических цепей с использованием SMD технологии большее влияние оказывают проводники печатной платы, чем сами элементы. Поэтому рассматривать паразитные параметры SMD резисторов не имеет смысла в большинстве практических случаев.

1.4.8. Коэффициент напряжения

Непроволочные высоковольтные и высокомегомные резисторы, для которых характерен неоднородный зернистый проводящий слой, могут изменять величину сопротивления в зависимости от приложенного напряжения. Причиной возникающей при этом нелинейности является зависимость концентрации носителей тока и их подвижности от напряженности поля. Для оценки степени нелинейности сопротивления резистора вводится коэффициент напряжения (чувствительность)

где R1 и R2 - сопротивления резистора, измеренные при подведении к нему напряжений, соответствующих 10 и 100% номинальной мощности рассеяния.

1.4.9. Надежность

Экспериментально установлено, что 50 % отказов резисторов происходит из-за нарушения контактного соединения выводов с резистивным элементом и его обрыва, до 40 % - изза перегорания резистивного элемента, и 10 % - из-за недопустимого изменения сопротивления. Отказы вызываются как недостатками конструкции и технологии производства, так и

28

неправильной эксплуатацией (электрические перегрузки, перегрев, слишком плотный монтаж и т.д.).

Для повышения надежности и увеличения периода работы, резисторы используют в облегченных (по мощности и напряжению) режимах в условиях хорошего охлаждения. Для этого выбирают коэффициент нагрузки от 0,2 до 0,5.

Наибольшей надежностью обладают непроволочные объемные резисторы постоянного сопротивления, а также высокостабильные углеродистые и металлопленочные термостойкие. Проволочные резисторы отличаются невысокой надежностью.

1.5. Резисторы переменного сопротивления

Резисторы переменного сопротивления применяются для регулировки силы тока и напряжения [12] .

1.5.1. Классификация резисторов переменного сопротивления

По функциональному назначению переменные резисторы подразделяют на регулировочные резисторы, допускающие изменение электросопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре, и подстроечные резисторы, сопротивление которых изменяется, как правило, при разовой или периодической регулировке и не меняется в процессе функционирования аппаратуры.

Подстроечные резисторы рассчитаны на периодические подстройки аппаратуры, их износоустойчивость невелика — до 1000 циклов перемещения подвижкой системы резистора.

Регулировочные резисторы используются при многократных регулировках аппаратуры, обладают большей износоустойчивостью — более 5000 циклов.

Токопроводящий элемент в них бывает тонкослойным металлическим или металлоксидным (резисторы типа СП2), пленочным композиционным (резисторы типа СП4).

Объемные резисторы имеют аналогичную конструкцию, только у них объемный токопроводящий слой запрессован в канавку изоляционного основания.

Помимо переменных резисторов с круговым перемещением существуют резисторы с прямолинейным перемещением подвижного контакта. В этом случае контактный ползун укрепляется не на поворотной, а на червячной оси.

Регулировочные резисторы должны выдерживать без ухудшения параметров от 5000 до 10 000 поворотов оси. Конструкция оси должна позволять надеть на нее ручку. Подстроечные резисторы рассчитывают на 250 - 500 поворотов оси; на конце оси делают шлиц и поворачивают ее с помощью отвертки. Кроме того, подстроенные резисторы должны быть выполнены так, чтобы при механических воздействиях, которые могут возникнуть при эксплуатации и транспортировке изделия, ось не поворачивалась самопроизвольно. Для этой цели некоторые типы резисторов при необходимости комплектуют специальными стопорящими устройствами.

На рисунке 1.11 представлена классификация переменных резисторов по конструктивному исполнению [13].

По конструктивным особенностям различают непроволочные и проволочные переменные резисторы с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта, одноэлементные и многоэлементные (сдвоенные, строенные и т.д.), однооборотные и многооборотные, с выключателем и без выключателя, с фиксацией и без фиксации положения подвижной системы, с дополнительными и без дополнительных отводов. Общий вид некоторых переменных резисторов представлен на рисунках 1.12 - 1.15.

Рис. 1.11. Классификация переменных резисторов по конструктивному исполнению

31

Рис. 1.12. Отечественные регулировочные переменные резисторы: а – одинарные; б – сдвоенные; в – движковые;

г – проволочные

Рис. 1.13. Импортные регулировочные переменные резисторы:

а– одинарные; б – сдвоенные; в – с выключателем;

г– движковые

32

Рис. 1.14. Отечественные подстроечные переменные резисторы

Рис. 1.15. Импортные подстроечные переменные резисторы

33

1.5.2. Конструкции резисторов переменного сопротивления

Конструкции переменных резисторов гораздо сложнее, чем постоянных. На рис. 1.16 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы [6].

Рис. 1.16. Устройство переменного резистора со стороны резистивного слоя (защитная крышка снята)

Он состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть представляет собой пластмассовый корпус, в котором смонтирован токопроводящий элемент, имеющий подковообразную форму.

Посредством заклепок он крепится к круглому корпусу. Эти заклепки соединены с внешними выводами.

Подвижная часть представляет собой вращающуюся ось, с торцом которой посредством чеканки соединена изоляционная планка, на которой смонтирован подвижный контакт (токосъемник), соединенный с внешним выводом. Угол поворота оси составляет 270° и ограничивается стопором. Существуют и другие конструкции переменных непроволочных резисторов.

Пример конструкции однооборотного проволочного резистора показан на рис.1.17 [14]. Он состоит из пластмассового корпуса 7, в который запрессована втулка 2. В канавке, имею-

34

Регулировочный винт 9 имеет винтовую нарезку и вращает шестерню 7, на которой закреплен ползун 6. Ползун, в свою очередь, скользит по намотке, сделанной на кольцевом каркасе. Для полного изменения сопротивления требуется сделать 40 оборотов регулировочного винта 9, благодаря чему достигается точная установка требуемого сопротивления.

На рис. 1.19 показан многооборотный резистор с поступательным перемещением подвижного контакта [13]. В этом случае резистивный элемент 1 намотан на прямолинейном каркасе. При вращении винта 4 ползун 3 и закрепленный на нем подвижной контакт 2 перемещаются вдоль резистивного элемента.

Рис. 1.19. Регулировочный резистор с поступательным перемещением:

1— резистивный элемент; 2 — подвижной контакт; 3 — ползун; 4 — микрометрический винт; 5 — корпус

Многооборотные резисторы могут иметь разную конструкцию выходных контактов: для печатного или для объемного монтажа.

Проволочные резисторы переменного сопротивления отличаются повышенной термостойкостью, нагрузочной способностью, высокой износостойкостью, стабильностью, низкими шумами и малым ТКС. Однако они имеют ограниченный диапазон номинальных сопротивлений, высокие собственные емкость и индуктивность, высокую стоимость.

37

Резистивным элементом непроволочных резисторов служит углеродистый или композиционный состав, нанесенный на плоскую основу (стеклотекстолит, керамика, гетинакс).

1.5.3.Параметры переменных резисторов

Вотличие от постоянных резисторов переменные обладают, кроме вышеперечисленных, дополнительными характеристиками и параметрами. К ним относятся: функциональная характеристика, разрешающая способность, шумы скольжения

идр.

1.5.3.1.Функциональная характеристика

Функциональная характеристика переменного резистора определяет зависимость величины сопротивления между подвижным контактом и одним из неподвижных контактов от угла поворота - R(φ) (или координаты для линейных резисторов).

По характеру функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные — типа А и нелинейные

— типов Б, В, Е и др. Наиболее распространенные зависимости показаны на рис. 1.20.

Резисторы группы А имеют линейную зависимость сопротивления от угла поворота

где r0 - начальное сопротивление резистора; К - постоянный коэффициент.

Резисторы с логарифмической зависимостью (группа Б) характеризуются постоянным приростом сопротивления на единицу смещения подвижного контакта

38

где K - постоянная прироста сопротивления. Переменные резисторы с обратнологарифмической зави-

симостью (группа В) характеризуются плавным изменением величины сопротивления в начале регулировки

где Rmax - максимальное сопротивление резистора.

Рис.1.20. Функциональные характеристики переменных

резисторов

Характер нелинейной зависимости определяется схемными задачами, для решения которых предназначен резистор. Наиболее распространенные нелинейные зависимости — логарифмические (Б) и обратно-логарифмические (В). Резисторы с такими зависимостями используются для регулировок громкости и тембра звука, яркости свечения индикаторов и т. п.

У резисторов типов Б и В удельное сопротивление разных участков токопроводящего слоя различается и рас-

39

пределение мощности по токопроводящему слою получается неравномерное. Поэтому у них допустимая мощность всегда ниже, чем у линейных резисторов той же конструкции.

Встречаются резисторы с характеристиками типа И или Е, а также с синусными, косинусными зависимостями, используемые для специальных целей в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Необходимая функциональная характеристика может быть получена различными способами:

-нанесением в направлении перемещения щетки резистивных слоев с различным удельным сопротивлением;

-применением резистивных элементов с переменным по длине сечением;

-использованием профилированных концевых неподвижных контактов двухслойных резистивных элементов, получающихся при параллельном соединении основного и дополнительного резистивных слоев.

Наиболее употребителен первый способ получения функциональных характеристик. Его недостатком является невозможность обеспечения плавно изменяющихся характеристик и трудность изготовления низкоомных резисторов.

Отклонения от заданной кривой определяются допусками (границами). Для переменных резисторов общего применения эти границы устанавливаются в пределах от 5 до 20 %, а для прецизионных в пределах от 0,05 до 1 %. Отклонение может иметь скачкообразный характер, в результате чего нарушается плавность регулирования. Причинами таких отклонений могут быть неоднородность и дефекты проводящего элемента и подвижного контакта, а также наличие начального скачка и минимального сопротивления.

1.5.3.2. Разрешающая способность

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем изменении угла поворота или перемещении подвижной системы может быть различимо изменение сопро-

40