Особенности применения резисторов

РАБОТА РЕЗИСТОРА В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Некоторые сведения по областям применения резисторов наи­более распространенных типов сведены в табл. 6, в которой указа­ны их ключевые свойства и основные технические характеристики.

Резисторы могут успешно выполнять свои функции как в цепях постоянного, так и переменного токов. Однако включение резистора в цепь переменного тока требует учета некоторых особенностей.

Идеальный резистор в цепи переменного тока гармонической формы имеет чисто активное сопротивление. Из этого следует, что на этом сопротивлении происходит падение напряжения при протекании тока . Временные зависимости и показывают, что напряжение и ток идеаль­ного резистора являются синфазными (рис. 13, а).

Векторная диаграмма в поле действительной и мнимой частей напряжения и тока (рис. 13, б) отражает совпадение фаз.

Электрическое сопротивление реального резистора на пере­менном токе зависит от частоты тока из-за наличия распределенных емкости и индуктивности резистивного элемента, поверхностных яв­лений и диэлектрических потерь в изоляционных материалах.

Рис. 13. Временные и векторная диаграммы тока и напряжения в цепи идеального резистора

Таблица 6. Области применения постоянных и переменных резисторов

Область применения	Тип резистивного элемента	Ключевое свойство	Рассеиваемая мощность	ТКР	Диапазон сопротивлений
Общее применение Погрешность > ±5% ТКР > 200 10-6, 1/°С	Композиционные Проволочные Фольговые	Низкая стоимость Малый ТКР Мощные низковольтные Стабильность Низкая стоимость	0,125…2 Вт 0,5…2 Вт 2…50 Вт 0,25…5 Вт 0,125…2 Вт	> ± 500 > ± 200 > ± 200 > 200 ± 150	1 Ом … 100 МОм 0,1 Ом … 30 кОм 0,1 Ом … 30 кОм 10 Ом … >1 МОм 10 Ом … 10 МОм
Высокая мощность	Проволочные остеклованные	Невысокая стоимость	2…50 Вт	> ± 200	0,1 Ом … 30 кОм
Погрешность < ±1% ТКР > 100 10-6, 1/°С	Тонкопленочные Проволочные остеклованные	Точность Устойчивость к воздействиям	0,1…2 Вт 0,1…2 Вт	± 20 < ± 200	0,1 Ом … 1 МОм 1 Ом … 1 МОм
Сверхточные < ±0,5% ТКР < 25 10-6, 1/°С	Тонкопленочные	Точность	0,05…0,5 Вт	<± 25
Проволочные	Проволочные Объемные композиционные Углеродистые	Малый ТКР Устойчивость к воздействиям Низкая стоимость	5 Вт (+70°С) 12 Вт (+70°С) 5 Вт (+70°С)	± 20 ± 250… 500 ± 300… 2000	10 Ом…100 кОм 500 Ом…2 МОм 100 Ом…2 кОм
Резистивные сборки	Толстопленочные Тонкопленочные	Низкая стоимость Устойчивость	< 2 Вт / сборка < 2 Вт / сборка	<± 200 <± 100	10 Ом…10 МОм 10 Ом…1 МОм

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Собственная емкость резистора присутствует в резистивном элементе и выводах. Собственная индуктивность резистора опреде­ляется длиной резистивного элемента и конфигурацией выводов. Наименьшие значения собственных емкостей и индуктивностей при­сущи непроволочным резисторам (пленочным и объемным), наи­большие - проволочным, поэтому они в высокочастотных цепях ис­пользуются редко.

На рис. 14 представлены изменения полного сопротивления R относительно сопротивления постоянному току Ro для компози­ционных (кривая 1), металлопленочных (кривая 2) и углеродистых (кривая 3) резисторов, из которых видна широкополосность углеро­дистых резисторов.

Рис. 14. Относительное изменение полного сопротивления непроволочных резисторов от частоты

КОЭФФИЦИЕНТ НАПРЯЖЕНИЯ

Приложение к резистору значительных по амплитуде напря­жений изменяет его электрическое сопротивление, которое характе­ризуют относительным изменением: ; где - сопро­тивление резистора при напряжении, соответствующем 10% номинальной мощности рассеяния; - сопротивление резистора при напряжении, соответствующем 100% номинальной мощности пас сеяния (если напряжение 100% мощности рассеяния превышает предельное рабочее напряжение на резисторе, то измерения прово­дят при 10 и 100% предельного напряжения).

Коэффициент напряжения оценивают по вольтамперной ха­рактеристике (ВАХ) резистора:

, где φ-угол наклона ВАХ (рис. 15.).

Рис. 15. Вольтамперная характеристика резистора

Наиболее чувствительны к при­ложенному напряжению элек­трическое сопротивление композици­онных резисторов. Причины, вызы­вающие отклонение ВАХ от закона Ома, определяются материалами ре­зистивного элемента, их однородно­стью, дисперсностью структуры, каче­ством контактного узла. Значительное влияние на уровень оказывают размеры зерен резистивного элемента и градиента напряжения из-за сильной зависимости проводимости зазоров между зернами и диэлектрических прослоек от приложенно­го напряжения. Под действием непрерывной электрической нагрузки возможно возникновение локальных перегревов в местах с дефек­тами и рост величины .

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

В составе РЭС резисторы применяются при электрических на­грузках, имеющих значительное разнообразие (постоянная, им­пульсная, смешанная нагрузка). Протекающий ток вызывает нагрев резистора (нагрев выделяющейся тепловой энергией). Кроме того, резистор испытывает тепловое воздействие от соседних компонен­тов и окружающей среды. Наименее термостойкими являются резистивный элемент и контактный узел.

В свою очередь, выделяющаяся на резисторе тепловая энер­гия передается в среду его размещения путем теплопроводности, термоизлучения и конвекции. У резисторов средней и большой мощ­ности рассеяния преобладают конвекция и термоизлучение. Отвод тепловой мощности у малогабаритных резисторов (особенно рези­сторов для поверхностного монтажа) в наибольшей степени опреде­ляется теплопроводностью электрических выводов.

Рис. 16. Изменение температу­ры вдоль образующей резистора

Даже в условиях стационар­ного теплового режима (термиче­ского равновесия) температура нагрева вдоль образующей резистивного элемента неодинакова (рис. 16, кривая а) вследствие различий в теплоотдаче. Электри­ческие выводы резистора отводят часть его тепловой энергии рас­сеяния. Для интенсификации их теплопередающей способности шаг нарезки резистивного слоя де­лают крупным на краях, примы­кающих к контактному узлу. (В этом случае распределение температу­ры по длине резистора соответст­вует кривая б.)

В импульсном режиме возмо­жен выход из строя резистора вследствие локальных перегревов резистивной дорожки и пробоя воз­душного промежутка между смеж­ными витками спиральной ленты из-за неоднородности пленки.

Для каждого типа резисторов известна максимальная температу­ра окружающего воздуха, при кото­рой его можно нагружать номиналь­ной мощностью без существенного изменения свойств резистивного элемента. Например, у непроволоч­ных резисторов эта температура составляет 100...120°С. При более высоких температурах рассеиваемая мощность должна быть сниже­на (рис. 17).

Рис. 17. Кривая снижения рассеиваемой мощности непроволочных резисторов

Наличие принудительного охлаждения (например, обдува) по­зволяет повысить нагрузку. При снижении атмосферного давления нагрузку непроволочных резисторов необходимо корректировать уменьшением рассеиваемой мощности приблизительно на 1% на каждые 10 мм рт.ст. (приблизительно 10³ Па).

СТАРЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ

В течение эксплуатации происходят структурные изменения материала резистивного элемента из-за продолжающегося (после изготовления) процесса кристаллизации, электрохимического окисления зерен, изменения переходных контактов. Эти явления вызывают старение - постепенное изменение электрического сопротивления. Величина такого изменения составляет единицы процентов в год. Скорость старения возрастает в условиях повышенных темпе­ратур, уровней влажности воздушной среды и при высокой электри­ческой нагрузке. Качественно изготовленные проволочные резисто­ры практически не подвержены старению.