книги из ГПНТБ / Зайцев Ю.В. Переменные резисторы

Ю. В. ЗАЙЦЕВ

Переменные

резисторы

«ЭНЕРГИЯ»

МОСКВА 1974

6Ф2.13

3-17

УДК 621.316.8

А

Зайцев Ю. В.

3-17 Переменные резисторы. М., «Энергия», 1974.

360 с. с ил.

В книге рассмотрены основы конструирования, особенности технологии и основные параметры переменных резисторов. Основное вни­ мание уделяется современным типам резисторов, разработанным в по­ следние годы. Рассмотрены вопросы расчета основных электрических характеристик переменных резисторов и методы их экспериментального определения.

Книга предназначена для инженеров, занимающихся разработкой

переменных резисторов, а также для специалистов, работающих в обла­ сти конструирования электронной аппаратуры.

(6) Издательство «Энергия», 1974 г.

Предисловие

Интенсивное развитие электроники, расширение про­ изводства радиокомпонентов — одно из главных направ­ лений технического прогресса второй половины XX в. Отечественная электроника успешно развивается во всех многогранных направлениях. Производство элементов электронной техники — транзисторов, резисторов, кон­ денсаторов и других — приобрело в последнее десяти­ летие массовый характер. «И впредь быстрыми темпами будет развиваться электроника, радиопромышленность, приборостроение, т. е. весь комплекс отраслей, создаю­ щих техническую базу для автоматизации производства и управления», — говорилось в отчетном докладе ЦК КПСС XXIV съезду партии. Этот комплекс по праву может быть назван катализатором технического про­ гресса.

Переменные резисторы относятся к важнейшим эле­ ментам современной электронной аппаратуры.

Интенсивное развитие радиопромышленности и при­ боростроения, разработка аппаратуры на интегральных и больших интегральных схемах, создание ЭЦВМ треть­ его и четвертого поколений с колоссальными возможно­ стями переработки информации, а также автоматических систем управления стимулируют расширение производ­ ства существующих и создание новых типов переменных резисторов для регулирования режимов и подстройки электронных цепей к заданным параметрам. По оцен­ кам советских и зарубежных специалистов потребности промышленности в радиокомпонентах (в том числе и в переменных резисторах) в несколько раз превышают масштабы современного производства.

Разработка переменных резисторов — это решение совокупности сложных технических задач по синтезу про­ водящих и изолирующих материалов, расчету элементов конструкции и определению оптимальных технологиче­ ских режимов их изготовления.

В последние годы как в нашей стране, так и за рубе­ жом проведены важные исследования по технологии и конструированию переменных резисторов, совершенст­ вуется технология их производства, разрабатываются новые изделия. Наиболее полно в литературе освещены конструирование и технология производства нелинейных полупроводниковых резисторов (в работах В. В. Пасынкова, Б. Т. Коломийца, И. Т. Шефтеля, А. О. Олеска), а также вопросы расчета параметров и их применения (в работах А. Г. Шашкова, И. Ф. Волошина, Н. П. Уда­ лова). Что касается переменных резисторов, то можно указать лишь несколько работ, [Л. 12, 70], в которых частично рассмотрены технология их производства и па­ раметры. Более полно в советской технической литера­ туре освещены вопросы конструирования переменных проволочных резисторов [Л. 30].

Данная монография посвящена научно-технической проблеме создания переменных резисторов. Эта про­ блема в свою очередь складывается из трех основных звеньев: а) разработка и внедрение в производство но­ вых типов переменных резисторов, отвечающих настоя­ щим и перспективным требованиям промышленности; б) унификация конструкций (создание базовых конст­ рукций) и типизация технологических процессов произ­ водства переменных резисторов, отвечающие задачам, изложенным в Директивах XXIV съезда КПСС; в) раз­ работка теории расчета основных электрических пара­ метров и создание методики расчета элементов конструк­ ции переменного резистора.

В книге отражены достижения современной отечест­ венной и зарубежной науки, рассмотрены вопросы полу­ чения, конструкции и параметры переменных резисторов. Изложенные в настоящей монографии материалы в зна­ чительной мере необходимы для подготовки инженеров, специализирующихся в области радиотехники и электро­ ники, и, в частности, используются автором при чтении курса лекций «Технология производства резисторов» на электромеханическом факультете МЭИ.

Автор считает своим долгом выразить глубокую бла­ годарность проф. К. И. Мартюшову, инженерам: А. Н. Марченко, А. И. Тихонову, Н. В. Станеву, Л. И. Сурогину и ведущим специалистам конструкторского бюро, совместная работа с которыми позволила успешно завер­ шить исследование данной научно-технической проблемы.

4

Введение

Переменные резисторы — массовые элементы совре­ менной электронной аппаратуры, предназначенные для регулирования напряжения и тока в ее электрических цепях или подстройки их сопротивления к заданному

Рис. В-1. Схемы включения переменных резисторов.

а, б, в — потенциометрические; г, д — реостатные.

значению. Основным элементом конструкции переменно­ го резистора является проводящий элемент (ПЭ) с оп­ ределенным сопротивлением. Регулировка сопротивления резистора осуществляется плавным перемещением сколь­ зящего контакта по поверхности ПЭ. Переменные рези­ сторы обычно используются в потенциометрических схе­ мах — для регулировки напряжения и в реостатных схе­ мах— для регулировки тока (рис. В-1). В схеме, показанной на рис. В-1,а, напряжение подается на вы­ воды 1 и 3, а выходное напряжение снимается с вывода 1 и скользящего контакта 2. Для ненагруженного рези­ стора

Если при перемещении скользящего контакта сопро­ тивление резистора изменяется по линейному закону, то выходное напряжение прямо пропорционально переме-

5

щению скользящего контакта. В случае, когда сопротив­ ление резистора изменяется по закону R/Rn=f(l/ln), где f — некоторая функция, резистор позволяет осуществить регулирование напряжения в цепи по заданному закону.

В-1. Классификация переменных резисторов

Переменные резисторы являются широко распростра­ ненными элементами современной электронной аппара­ туры. Отечественная промышленность выпускает пере­ менные резисторы с сопротивлением от нескольких ом до 4,7 МОм с допускаемым отклонением действительных сопротивлений от номинальных ±5, ±10; ±20 и ±30% . Резисторы с допускаемыми отклонениями менее 1 % при­ меняются в аппаратуре сравнительно редко.

Для получения ПЭ в резисторах используются тон­ кие пленки полупроводниковых композиций, сплавы с высоким удельным сопротивлением, полупроводниковые монокристаллические материалы. В зависимости от ма­ териалов ПЭ резисторы могут быть разделены на сле­ дующие группы:

а) композиционные полупроводниковые резисторы с ПЭ, представляющим собой гетерогенную систему из не­ скольких компонентов, один из которых является про­ водящим;

б) металлопленочные и металлоокисные (полупровод­ никовые) резисторы с ПЭ в виде пленки сплава или оки­ си металла;

г) проволочные резисторы, имеющие проволочный ПЭ, выполненный из сплава с высоким удельным сопротив­ лением;

д) полупроводниковые резисторы с монокристаллическим ПЭ, выполненным на основе полупроводниковых материалов.

По конструктивному исполнению резисторы можно разделить следующим образом:

а) резисторы с ПЭ, представляющим собой пленку, осажденную на поверхность изоляционного основания;

б) резисторы с объемным ПЭ; в) резисторы с проволочным ПЭ.

Обозначения переменных резисторов обычно состоят из двух букв СП — (резистор переменный) и двух цифр, первая из которых указывает на вид ПЭ, а вторая — номер конструктивной разработки изделия.

Переменные резисторы в зависимости от вида прово­ дящего элемента классифицируются следующим об­ разом:

Так, например, обозначение СП2-1 — расшифровы­ вается следующим образом: резистор переменный металлоокисный (полупроводниковый), конструктивное испол­ нение — первое.

По назначению резисторы можно разделить на регу­ лировочные резисторы с ресурсом работы 104—106 цик­ лов, используемые для регулировки режимов цепей элек­ тронной аппаратуры в процессе ее работы и подстроеч­ ные резисторы — с ресурсом работы 500—1 000 циклов, предназначенные для разовой или периодической регули­ ровки сопротивления цепей электронной аппаратуры.

В-2. Эквивалентные схемы переменных резисторов

Общее сопротивление переменного резистора можно рассматривать как совокупность активных и реактив­ ных сопротивлений. Наличие реактивных параметров обусловливает комплексный характер проводимости ре­ зисторов на переменном токе (особенно на высоких ча­ стотах). При работе резистора в цепи постоянного тока реактивные составляющие могут не учитываться; в этом случае можно ограничиться учетом активных компонен­ тов сопротивления (рис. В-2,а).

Сопротивление изоляционного основания Ru можно не учитывать при нормальных климатических условиях (от­ носительная влажность окружающего воздуха 65+15%, температура 25+10 °С, атмосферное давление 105 Н/м2 в случае, когда сопротивление резистора не превышает Ю7 Ом. С повышением температуры окружающей среды проводимость изоляционного основания сказывается и при меньших сопротивлениях. Сопротивление переходно­ го контакта Rn.к — сопротивление между ПЭ и выводом резистора — определяется конструкцией контактного уз­ ла, величиной контактной поверхности между выводом

7

и ПЭ резистора. В конструкциях резисторов с объемным ПЭ металлические выводы непосредственно запрессовы­ ваются в массу проводящего элемента; в этом случае практически вся поверхность вывода, расположенная внутри ПЭ, является контактной. Сопротивление пере­ ходных контактов в конструкциях объемных проводящих элементов снижают, увеличивая размеры выводов, а так-

Рис. В-2. Эквивалентная схема переменного резистора на посто­

же предусматривая его защиту от коррозии. У резисторов с пленочным ПЭ металлические колпачки насаживаются на проводящий слой с некоторым натяжением, величина которого определяется прочностью основания резистора и контактной арматуры. Вследствие шероховатости со­ прикасающихся поверхностей контактирование происхо­ дит по площади, значительно меньшей по сравнению с геометрическими размерами контакта, это приводит к увеличению контактного сопротивления резистора Rn.K.

Сопротивление Rn.K наиболее сильно сказывается в низкоомных переменных резисторах. Для снижения пе­ реходных сопротивлений в резисторах поверхностного типа применяют шлифованные основания и арматуру с малыми допусками по размерам. Обычно контактное сопротивление уменьшают путем создания между про­ водящим слоем и выводом промежуточного контактного слоя с высокой проводимостью. Контактные слои с высо­ кой проводимостью создаются на концах ПЭ вжиганием,

8

термическим испарением, катодным распылением, а так­ же гальваническими методами. В композиционных пере­ менных резисторах контактные слои с высокой прово­ димостью создаются на основе композиций, выполняемых на соответствующей связующей основе (смоле) с прово­ дящими компонентами — мелкодисперсным серебром,

сажей и графитом.

Контактное сопротивление между ПЭ и скользящим контактом резистора RK определяется конструкцией скользящего контакта, электрофизическими и механи­ ческими свойствами контактирующих материалов, а так­ же в значительной мере величиной давления скользяще­ го контакта на ПЭ.

Сопротивление резистора в цепи переменного тока носит комплексный характер. У проволочных переменных резисторов реактивные компоненты сопротивления ска­ зываются уже на частотах в несколько килогерц. Прово­ дящий элемент переменного резистора, как и всякий про­ водник, обладает распределенными реактивными пара­ метрами •— емкостью и индуктивностью. Кроме того, во всех конструкциях имеют место сосредоточенная емкость концевых выводов резистора С0 и емкость по отношению к каркасу устройства или к соединенным с ним объек­

в области звуковых частот. При повышенных частотах необходимо учитывать, что ПЭ обладает реактивными параметрами — емкостью и индуктивностью, а также ем­ костью между концевыми выводами.

Полная эквивалентная схема переменного резистора на переменном токе высокой частоты показана на рис.

В-2, б.

Проведенные исследования показали, что для широко распространенных типов переменных резисторов (СП-1, СП-П и т. п.) емкости Ci2, С2з определяются положением скользящего контакта и составляют 1—10 пФ. На высо­ ких частотах (25—30 МГц) необходимо учитывать индук­ тивность выводов LB; индуктивное сопротивление вы­ водов на частотах 25—30 МГц равно 3—6 Ом, что со­ ставляет значительный процент от номинального сопро­ тивления, поскольку в высокочастотных цепях обычно применяются низкоомные резисторы. Частотные зави­ симости резисторов СП-I и СПЗ-9а приведены на рис. В-3,

9