книги из ГПНТБ / Зайцев Ю.В. Переменные резисторы

в конструкциях ПЭ стеклотекстолита, имеющего более высокую нагревостойкость по сравнению с гетинаксом. Стеклотекстолит имеет более высокую стоимость по сравнению с гетинаксом и. естественно, высокий процент потерь этого материала в процессе производства приво­ дит к повышению стоимости изделий.

Рис. 3-31. Конструкция тропикоустойчивого переменного рези­

При вырубке подковообразных ПЭ на штампах кро­ ме потерь изоляционных материалов имеет место высо­ кий процент потерь проводящего материала (компози­ ции), составляющий 50—60%. Хотя стоимость лакоса­ жевых композиций невысока, в современном производстве резисторов, обеспечивающем выпуск изделий сотня­ ми миллионов штук в год, сам факт, что непосредственно в изделиях используется только 40—50% от всего объе­ ма производимых композиционных материалов, вселяет сомнение в целесообразности столь широкого использо­ вания ПЭ данной конструкции. Когда в технологии про­ изводства элементов контактная суспензия наносится ■одновременно с основной проводящей суспензией, при вырубке элементов имеют место высокий процент отхо­ дов (30—40%) драгоценного металла — серебра, входя­

204

щего в состав контактной суспензии. Последующая реге­ нерация серебра из отходов не является технически сложной и всегда производится, однако это дополнитель­ ная операция, влекущая за собой повышение стоимости изделий. В связи с этим представлялось актуальным провести цикл исследовательских работ по созданию та­ ких конструкций, в которых можно было бы свести к ми­ нимуму потери изоляционных, проводящих и контактных материалов. Результатом таких исследований явилось создание конструкций с прямоугольными ПЭ. Использо­ вание прямоугольного ПЭ позволяет значительно сни­ зить отходы изоляционных материалов (до 4—6%), по­ скольку элементы получают последовательной вырубкой из полосы, покрытой проводящими композиционными слоями.

Электрические контакты к ПЭ создаются в процессе нанесения основной проводящей суспензии. Это нанесе­ ние производится из контейнера, в боковые отсеки кото­ рого поступает контактная суспензия па основе мелко­ дисперсного серебра. Тем самым процесс нанесения основной и контактной композиции, а также их термооб­ работка совмещаются, что существенно упрощает весь технологический процесс.

Конструкция многооборотного пленочного резистора с прямоугольным ПЭ приведена на рис. 3-32, а. Проводя­ щий элемент резистора установлен на пластмассовой стенке корпуса, укрепляемого непосредственно на шас­ си устройства. Такое конструктивное решение обеспечи­ вает интенсивный отвод тепла от элемента. Тепловое сопротивление между ПЭ и шасси в этом случае неболь­ шое, что позволяет получить миниатюрный резистор с повышенной мощностью рассеяния. Для получения по­ вышенных эксплуатационных характеристик в конст­ рукции резистора использованы термостойкие материа­ лы. Проводящий элемент выполнен на эпоксидной смоле, изоляционным основанием служит стеклотекстолит марки СТЭФ. Корпус резистора выполнен из пресс-ма­ териала АГ-4. Скользящий контакт и токосъемник выполнены из сплава палладия с серебром, втулка, распо­ ложенная на регулировочном винте, выполняется из фто- ропласта-4. В приведенной конструкции тепловое сопро­

205

А -А

Рис. 3-32. Конструкции резисторов с прямоугольным (а) и кольцевым (б) ПЭ.

Номинальная мощность рассеяния выпускаемых про­ мышленностью пленочных переменных резисторов не превышает 1—2 Вт. Анализ потребностей электронной аппаратуры показал актуальность создания переменных пленочных резисторов с номинальной мощностью рас­ сеяния 2—10 Вт. Поскольку пленочные резисторы с мощ­ ностью рассеяния более 2 Вт промышленностью не вы-

Рис. 3-33. Тепловые харак­ теристики резисторов.

резистора, не укрепленного на шасси; 3 — для ИЭ и 4 — корпу­ са при креплении резистора на шасси.

пускаются, разработчики электронной аппаратуры выну­ ждены использовать проволочные резисторы, имеющие, как будет показано, ограниченную шкалу номинальных сопротивлений, невысокую разрешающую способность и более высокую стоимость. Отметим, что несколь­ кими зарубежными фирмами выпускаются пленочные резисторы на основе лакосажевых композиций с но­ минальной мощностью до 5 Вт (в основном американ­ скими фирмами «Combined Electronic Services, Clasastat CIS»).

В связи с изложенным представлялось актуальным проведение исследований в этом направлении. Результа­

207

том работ явилось создание конструкций пленочных переменных резисторов с номинальной мощностью рассея­ ния 3 и 5 Вт. Проводящий элемент резистора выполня­ ется на эпоксидном лаке Э-4041, изоляционным основа­ нием служит стеклотекстолит марки СТЭФ толщиной 0,1 мм. Прямоугольный ПЭ вырезается из изоляционной полосы, сгибается в кольцо и приклеивается к внутрен­ ней поверхности корпуса резистора, представляющего собой металлический цилиндр. С торца корпус закрыва­ ется крышкой, а через противоположную стенку корпуса выведена регулировочная ось. Приведенная конструкция обеспечивает интенсивный отвод тепла выделяющегося в ПЭ при креплении резистора на шасси электронного устройства.

Для исследования тепловых характеристик конструк­ ций были выполнены резисторы с кольцевым ПЭ разме­ ром 90X15 мм2. При подаче на резистор различных электрических нагрузок измерялась температура ПЭ, а также температура боковой и торцевой поверхностей корпуса. Экспериментальные кривые, а также зависи­ мость, получения расчетным путем (для ПЭ; резистор не установлен на шасси), приведены на рис. 3-33,в.

При установке резисторов на дюралюминиевом шас­ си температура перегрева отдельных элементов конст­ рукции значительно снижается вследствие интенсивного теплоотвода выделяющейся мощности от корпуса рези­ стора к шасси устройства. Проведенные исследования показали, что в конструкции с кольцевым ПЭ целесооб­ разно выполнять резисторы с номинальной мощностью рассеяния 3—5 Вт. При номинальной мощности рассея­ ния в 0,5—1 Вт радиус изгиба изоляционного основания становится столь малым, что может иметь место разру­ шение изоляционного основания при установке элемента в конструкцию.

Для разработанных конструкций перспективны труб­ чатые изоляционные основания (керамические или пласт­ массовые). В этом случае изоляционная трубка заполня­ ется под -давлением суспензией, которая в дальнейшем стекает из ее внутренней полости, после чего трубку раз­ резают на элементы заданного размера.

В последние годы разработан ряд промышленных пе- ■ременных резисторов с прямоугольными ПЭ, выполнен-- ных на основе полупроводниковых лакосажевых компо­ зиций. Номинальная мощность рассеяния резисторов

208

составляет 0,5—1 Вт. Резисторы имеют линейную и нели­ нейные функциональные характеристики (логарифмиче­ скую и обратно логарифмическую). Конструкция рези­ стора с номинальной мощностью 0,5 Вт приведена на рис. 3-34. Регулирование сопротивления резистора осу­ ществляется продольным перемещением регулировочно­ го штифта, на котором укреплен скользящий контакт. Важным моментом при конструировании резистора яв-

Рис. 3-34. Конструкция переменного резистора с прямоуголь­ ным ПЭ.

ляется выбор размеров ПЭ и метода его крепления к изо­ ляционному основанию. Разработанные конструкции предусматривают непосредственное крепление ПЭ (по­ лупроводниковой композиционной пленки, нанесенной на стеклотекстолитовое основание) на металлический корпус резистора или на пластмассовую крышку, как показано на рис. 3-34. С точки зрения облегчения тепло­ вых режимов конструируемого резистора целесообразно увеличивать размеры ПЭ, поскольку это приводит к уменьшению, при прочих равных условиях, теплового сопротивления между ПЭ и корпусом резистора. Одна­ ко, как показали проведенные исследования тепловых

характеристик ПЭ и их электрических параметров, уве­ личение ширины ПЭ приводит, как правило, к возраста­ нию начального скачка сопротивления переменного ре­ зистора. Поскольку требования по начальному скачку сопротивления на конструируемые изделия довольно же­ сткие (Дн.с должен быть не более 5% для резисторов с линейной функциональной характеристикой и не бо­ лее 0,4% для резисторов с нелинейными функциональ­ ными характеристиками) приходится уменьшать шири­ ну ПЭ до некоторых оптимальных размеров, обеспечи­ вающих удовлетворительный теплоотвод от ПЭ.

Исключительно важным моментом является конст­ руктивное выполнение контактного узла резистора. С целью обеспечения малого начального скачка сопро­

на изоляционную полосу 1 наносится низкоомный компо­ зиционный слой 2 (до нанесения основного проводящего слоя 3), затем в месте контакта наносится низкоомный контактный слой 4, выполняемый из композиции на ос­ нове мелкодисперсного серебра. Предварительно рас­ считывается по методике, рассмотренной в гл. 2, длина слоев с высокой проводимостью (второго и четвертого) для обеспечения заданной величины RH.с.

Рассмотренная конструкция контактного узла позво­ ляет получать RH.c в сотые доли процента. Отметим, что проведенные в последние годы исследования показали возможность установки в неподвижном контактном уз­ ле ПЭ упругой контактной шайбы (она может быть ус­ тановлена между выводом 5 и низкоомным контактным слоем 4). Такая конструкцияобеспечивает более высо­ кую надежность работы резистора при колебаниях тем­ пературы окружающей среды в широком интервале: уп­ ругая контактная шайба компенсирует изменение раз­ меров вывода 5 при колебаниях температуры окружаю­ щей среды.

Исследования электрических характеристик перемен­

корпусе помещаются два ПЭ) целесообразно их выпол­ нять из смежных участков изоляционной полосы, покры­ той полупроводниковой композиционной пленкой, т. е. вырубку элементов целесообразно проводить одновре­

210

менно. Вырубается эквивалентный элемент, который разделяется на два ПЭ уже непосредственно перед уста­ новкой в конструкцию резистора. В этом случае разба­ ланс сопротивления сочлененных резисторов, как по­ казали исследования, не превышает 1,5 дБ. Для исследования рассогласования сопротивления пе­ ременных резисторов с прямоугольным ПЭ была разра­ ботана установка, приведенная на рис. 1-9,6.

Рис. 3-35. Расчетные значения температуры перегрева в различ­ ных точках по длине прямоугольных ПЭ с линейной (а) и нели­ нейной (б) функциональной характеристиками.

Исследовались нагрузочные характеристики разра­ ботанных резисторов. Анализ теплового режима конст­ рукций переменных резисторов и прямоугольных ПЭ был проведен по разработанной блок-программе (рис. 1-12) в Вычислительном центре 1-го Московского завода радиодеталей. Программа позволила получить распреде­ ление температуры по длине ПЭ резисторов с различны­ ми функциональными характеристиками и соответствен­ но проанализировать их режим работы при заданной электрической нагрузке.

В качестве примера на рис. 3-35 показана температу­ ра перегрева в различных точках по длине ПЭ перемен­ ного резистора с номинальной мощностью рассеяния 1 Вт (при линейной функциональной характеристике).

П риведенны е данны е получены расчетны м путем на

ЭЦ В М «М инск-22».

Перем енны е резисторы СПЗ-23 с прям оугольны м ПЭ

имею т ди а п а зо н номинальны х сопротивлений от 470 Ом

14*

резисторов: разработана методика расчета ПЭ по заданной функциональной характеристике, методика расчета упругих элементов при статических и динамических на­ грузках. Создана методика расчета тепловых харак­ теристик, разработаны программы для ЭЦВМ, позволяю­ щие рассчитывать температурные поля в ПЭ различной конфигурации. Разработанная методика позволила про­ извести математический анализ элементов конструкции и была положена в основу создания унифицированных базовых элементов конструкции. Разработанная унифи­ цированная (базовая) конструкция переменного рези­ стора приведена на рис. 3-36, а. Конкретные геометри­ ческие размеры отдельных элементов конструкции опре- ' деляются номинальной мощностью рассеяния. Элемен­ ты унифицированной конструкции выполняются прогрес­ сивными технологическими методами: штамповкой, ли­ тьем под давлением и т. п.

В разработанных унифицированных конструкциях выполняются переменные резисторы с номинальной мощностью рассеяния 0,5—2 Вт. Диапазон номинальных сопротивлений резисторов 470 Ом — 4,7 МОм; ТКС=10~4— 10~3 1/К, уровень собственных шумов не более 10 мкВ/В для резисторов с линейной функциональ­ ной характеристикой и 15 мкВ/В для резисторов с нели­ нейными функциональными характеристиками. Допу­ скаемое число циклов перемещения скользящего контак­ та составляет 105— 106. Переменные резисторы, выпол­ няемые в унифицированных конструкциях, имеют интер­ вал рабочих температур —70-М25°С, работоспособны при относительной влажности 98% при 40 °С. Унифици­ рованные конструкции обеспечивают резисторам работо­ способность при значительных вибрационных и ударных нагрузках: при вибрации в диапазоне частот 5—3 000 Гц с ускорением до 30 g и при ударной нагрузке с ускорени­ ем до 100 g. Проведены исследования в области конструи­ рования переменных резисторов с повышенным рабочим напряжением (1 200—2 000 В). Такие резисторы необхо­ димы для схем цветного телевидения. Конструктивной особенностью резисторов является наличие выключате­

2 1 2

ля, приводимого в действие от оси резистора, что позво­ ляет производить поочередную настройку нескольких каналов и упрощает общую конструкцию регулирующе-

Рис. 3-36. Унифицированная конструкция переменного пленочного ре­ зистора (а) и конструкция пленочного высоковольтного резистора с осевым выключателем (б).

го устройства. На рис. 3-36,6 показан один из вариантов конструкции переменного пленочного резистора с осе­ вым выключателем.

3-6. Технология и параметры резисторов с объемным ПЭ

Наиболее широко распространенными резисторами с объемным ПЭ являются резисторы типа СПО. Объем­ ные ПЭ резисторов СПО выполняют на неорганической связке, вследствие чего они имеют высокую термостой­ кость, перегрузочную способность и влагостойкость. В качестве проводящих компонентов композиции в рези­ сторах СПО используют диффузионную газовую и лам­ повую сажи, наполнителями служат микропорошки из плавленого белого электрокорунда А120з марок КВК, КВ, К-1, обычно используемые для изоляционных по­ крытий подогревателей катодов электровакуумных при­ боров. В последние годы проведен интересный цикл ра­ бот по использованию в объемных ПЭ в качестве прово­ дящего компонента сложных карбидов циркония и вольфрама [Л. 91].

Основания резисторов выполняют из стеатита СК-1. Объемные элементы резисторов СПО получают горячим прессованием на керамических основаниях композици­ онного проводящего порошка. Керамические основания резисторов выполняют с подковообразной канавкой, ко­ торая служит для создания в ней объемного проводяще­

2 1 3