Пассивные компоненты электронных устройств и вспомогательные устройства электрических схем

1. Резисторы

Резистор — устройство на основе проводника с нормированным постоянным или регулируемым активным сопротивлением, используемое в электрических цепях для обеспечения требуемого распределения токов и напряжений между отдельными участками цепи.

Резисторы представляют собой неотъемлемую и наиболее распространенную группу элементов любой системы автоматики. Отличительной особенностью резисторов при протекании через них электрического тока является способность осуществлять необратимое преобразование энергии источника электрической энергии в тепловую энергию рассеяния.

На электрических схемах резисторы обозначаются буквой R (от англ. Resistor — сопротивление). Этой же буквой обозначают и численное значение его сопротивления — основной характеристики резистора, измеряемого в омах.

Вид закона Ома не меняется при переходе от записи тока и напряжения как функций времени к их преобразованиям по Лапласу

, ;

Отметим, что в этих формулах вид исходных функций и их изображений никогда не совпадает между собой. Например, единичный скачок напряжения u(t) = 1(t) отображается в u(р) = 1/р. Этим обусловлена особенность записи как изображений тока и напряжения с использованием символов i(p) и u(р), так и самой сокращенной записи преобразования

Линейная зависимость тока от приложенного напряжения является принципиальным свойством резисторов и положена в основу их использования в качестве делителей напряжения, линейных нагрузочных сопротивлений, измерителей тока и напряжения, балластных сопротивлений и т.п.

Выпускается более 500 наименований резисторов, различающихся по назначению, способам монтажа и защиты от внешних воздействий, токопроводящему (резистивному) материалу, конструктивному исполнению (или характеру изменения сопротивления), электрическим параметрам, а также по некоторым другим классификационным признакам. Кроме того, специальными технологическими приемами и подбором резистивного материала добиваются нелинейной зависимости тока от приложенного к резистору напряжения (рис. 1.1, б), и в этом случае резисторы классифицируются по виду вольтамперной характеристики (ВАХ).

По конструктивному исполнению резисторы подразделяются на нерегулируемые и регулируемые. Нерегулируемые резисторы делятся на две основные группы: проволочные и непроволочные, так как именно различие в свойствах проводящего материала определяет и особенности конструкции.

Рис. 1.1 Вольт-амперные характеристики линейного (а) и нелинейного (б) резисторов

Все нерегулируемые резисторы имеют только два вывода. Исключение составляют проволочные резисторы, имеющие в защитном эмалевом покрытии щелевидный разрыв, который делает доступной проволочную обмотку (рис. 1.3). Снаружи на такой резистор устанавливают контактный хомут со стопорящим винтом, что позволяет использовать резистор как реостат, допускающий настройку точного начального значения сопротивления, не предусмотренного шкалой номинальных значений.

Рис. 1.4 Схемы замещения реальных: а) резистора; б) катушки индуктивности; в) конденсатора

В схемах замещения резистора (рис. 1а-б.) элемент R основной, он учитывает сопротивление токопроводящего слоя, а элементы L_R и С_R – распределенную реактивного составляющую резистора. Индуктивность резистора определяется его размерами и размерами выводов, составляет примерно 310^–9 Гн/см. Емкость резистора появляется между его различными участками, а также определяется конструкцией выводов и их размерами. У малогабаритных резисторов емкость невелика и составляет десятые доли пФ. Переменные резисторы обладают значительно большими емкостями и индуктивностями, чем постоянные.

В основе классификации резисторов лежат различные признаки: постоянство значения сопротивления, способ создания резистивного слоя, конструктивное исполнение. По постоянству значения сопротивления резисторы различают на: постоянные — с фиксированным сопротивлением; переменные — с изменяющимся сопротивлением; специальные — сопротивление зависит от действия внешних факторов.

Постоянные резисторы подразделяются на две группы.

1. Общего назначения (диапазон номиналов 1... 110⁶ Ом, номинальные мощности рассеивания 0,062...100 Вт).

Специального назначения: а) прецизионные (допуск номиналов 0,001...1%, диапазон номиналов 0,1...1010⁶ Ом, мощность рассеивания до 2 Вт); б) высокочастотные — обладают малыми собственными емкостями и индуктивностями; в) высоковольтные (сопротивление до 10¹¹ Ом, рабочее напряжение от единиц до десятков кВ); г) высокоомные (сопротивление от десятков МОм до сотен ТОм, рабочее напряжение 100...400 В).

Прецизионные резисторы очень широко используются в устройствах автоматики, связанных с передачей и преобразование информации о физических параметрах технологических процессов.

К специальным резисторам относятся: а) варисторы – сопротивление зависит от напряженности электрического поля (варисторы, имеющие участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (кривая 2, рис.1.5) на вольтамперной характеристике (ВАХ), называют негисторами); б) терморезисторы – сопротивление зависит от температуры; в) фоторезисторы – сопротивлениезависит от освещения резистора; г) магниторезисторы – сопротивление зависит от магнитного поля д) тензорезисторы – сопротивление зависит от давления или силы.

Рис.1.1. Зависимость относительного изменения сопротивления резистора от угла поворота подвижной части: 1 – линейная; 2 – логарифмическая; 3 – антилогарифмическая; 4, 5 характеристики типа И, Е

Переменные резисторы подразделяются на подстроечные (сопротивление изменяется при регулировке электрических режимов цепи) и регулировочные (сопротивление изменяется во время функционирования аппаратуры). Реостатами обычно называю переменные резисторы с возможность рассеивания большой мощности. В зависимости от изменения сопротивления при изменении угла поворота подвижной части переменные резисторы имеют линейную характеристику 1 и нелинейную: логарифмическую 2 и антилогарифмическую 3, характеристики типа И, Е (рис.1).

Рис. 1.2. Проволочный резистор ПЭВР с возможностью точной установки сопротивления перемещением хомутика

Рис. 1.3. 5 резисторов различных типов и мощностей. Самый маленький SMD. Мощность самого большого 25 Вт.

Для современных устройств автоматики характерно стремление к миниатюризация. Старые типы резисторов, которые широко используются в радиолюбительских схемах, в лабораторных схема, для маломощных схем заменяются на SMD резисторы, которые имеют малые размеры и у них отсутствуют выводы. Они запаиваются на специальные площадки. В старых схемах для монтажа предусматривались специальные отверстия.

Рис. SMD резисторы. Расположение на плате и подход к обозначению номинала.

В зависимости от вида проводящего резистивного элемента резисторы бывают проволочные и непроволочные (пленочные и объемные). Пленочные и объемные резисторы обладают меньшими собственной емкостью, индуктивностью и значительно дешевле проволочных. Стабильность сопротивления резисторов во времени характеризуется коэффициентом старения

Номинальная мощность рассеивания P_RSM указывает, какую максимальную мощность может рассеивать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления, Она определяется размерами резистора, конструкцией и свойствами резистивного слоя. Резисторы изготавливаются разных номиналов, которые в соответствии с рекомендациями МЭК (Международной электротехнической комиссии) стандартизованы.

Собственные шумы резистора имеют две составляющие: тепловую и токовую. Тепловые шумы появляются вследствие тепловых движений носителей заряда (электронов) в резистивном слое. Напряжение теплового шума не зависит от материала, а зависит от температуры и сопротивления и определяется по формуле

,

где k – постоянная Больцмана (k = 1,3810^–23 Дж/К); Т – абсолютная температура, К; R – сопротивление, Ом; f = f₂ – f₁ – полоса частот, Гц, в которой измеряется тепловой шум.

Тепловые шумы существуют независимо от тока, протекающего по резистору, и характеризуются непрерывным, широким и практически равномерным спектром.

При протекании тока по непроволочному резистору возникают еще и токовые шумы, которые обусловлены дискретной структурой резистивного слоя. Токовый шум имеет непрерывный спектр, а плотность мощности шума зависит от рабочей частоты. Принято определять уровень шума на композиционных (объемных) резисторах в полосе частот от f₁ = 60 Гц до f₁ = 6 кГц, т.е. для двух декад.

Напряжение токового шума можно определить через величину номинальной мощности P_nom, рассеиваемой резистором R_nom:

,

где k – коэффициент, зависящий от конструкции резистора, свойств резистивного слоя, полосы частот. Уровень токовых шумов оценивается отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе к постоянному напряжению на нем. Чем однороднее структура резистивного элемента, тем меньше токовый шум. Поэтому его значение часто используется для прогнозирования физических свойств резистивных материалов. У регулируемых резисторов уровень токовых шумов достигает 50 мкВ/В.

В электрической цепи, содержащей несколько резисторов, источники шумов обычно считаются некоррелированными и напряжение суммарного шума определяется уравнением

,

где п – количество резисторов.

В переменных резисторах, помимо тепловых и токовых шумов, на выходное напряжение влияет напряжение шумов вращения, которые значительно выше тепловых и токовых и достигают примерно 30...40 дБ.

Основные параметры резисторов следующие: номинальное сопротивление; допустимое отклонение сопротивления от номинальной величины (измеряется в процентах); номинальная мощность рассеивания; температурный коэффициент сопротивления; максимальная температура окружающей среды; коэффициент старения; уровень собственных шумов; разрешающая способность; шумы вращения; износоустойчивость; надежность.

Рис. Характеристики нелинейных резисторов: ВАХ варисторов (а) (1 – варистор, 2 – негистор) температурная (б) и вольтамперная (в) терморезистора

У варисторов сопротивление изменяется с изменением приложенного напряжения. Они используются как стабилизаторы и ограничители напряжения. Варисторы изготавливаются на рабочее напряжение 15...25х10³ В, токи 0,05...10 мА и мощности 0,8—3 Вт. Из-за нелинейности характеристики сопротивление варисторов на постоянном и переменном токах различно.

Терморезисторы характеризуются рядом параметров: номинальное сопротивление R_nom – сопротивление, измеренное при комнатной температуре (20 °С) и указанное в нормативной документации; максимальная допустимая мощность рассеяния; коэффициент температурной чувствительности; постоянная времени , которая характеризуется тепловую инерционность резистора от температуры при разогреве.

Магниторезисторы – полупроводниковые резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля. Их используют в регуляторах громкости высококачественной радиоаппаратуры, в качестве датчиков угла поворота в устройствах автоматики.

Позисторы – это терморезисторы с большой величиной положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС). Скачок сопротивления в области ПТКС может составлять 5...7 порядков. Важнейшей характеристикой позистора является зависимость сопротивления от температуры R = f(T) (рис. 1.7). Сопротивление позисторав отличие от обычного терморезистора определяется не только его температурой, но и величиной приложенного кнему напряжения.

Рис. Зависимость сопротивления позистора от температуры при разогреве позистора окружающей средой (1), при нагреве протекающим током (2)

Позисторы применяют в качестве чувствительных элементов датчиков систем регулирования температуры, тепловой защиты обмоток электрических машин от недопустимого перегрева. За счет высокого положительного ТКС позисторы эффективно работают в качестве автостабилизирующихся нагревательных элементов. На их основе изготавливают предельно простые по устройству и высоконадежные саморегулирующиеся термостаты и усилительно-преобразующие термостаты без каких-либо реле и дополнительных усилительно-преобразующих устройств. Широко используют позисторы в качестве автоматических переключающих устройств.