Основні електричні параметри і властивості резисторів
При використанні резистора в ланцюгах змінного струму і напруги, особливо на високих частотах, резистор можна розглядати як елемент, що володіє тільки активним опором, необхідно враховувати його паразитні реактивні складові.
Опір резистора в ланцюзі постійного струму
Опір RК має істотне значення тільки для низькоомних резисторів, проте в процесі функціонування резистора через перегрів, недостатнє контактного зусилля, дії вологи воно може значно зрости.
Опір Rиз визначається якістю діелектрика, що використовується для заснування і захисного ізоляційного покриття, і практично впливає на загальний опір R тільки для високоомних резисторів (RR T> 10 9 - 10 10 Ом).
Постійні резистори характеризуються номінальним опором і допуском, номінальною потужністю, електричною міцністю, ТКС, рівнем власних шумів, стабільністю, частотними властивостями.
Номінальний опір - це електричний опір, значення якого позначено на резисторі або вказано в супровідній документації і яке є вихідним для відліку відхилення від цього значення.
Діапазон номінальних опорів для резисторів: постійних - від часток ома до одиниць Тера; змінних недротяних - від 0,47 Ом до 1 МОм; змінних не дротяних від 1 Ом до 10 МОм.
Номінальні опору резисторів стандартизовані і встановлюються рядами переважних чисел. Це десяткові ряди геометричних прогресій, перший член яких дорівнює одиниці, а знаменник прогресії qN = 10 1 / N для ряду EN. Цифра після букви E вказує число номіналів в кожному десятковому інтервалі. Будь-член ряду a n = q n-1. де n - номер шуканого члена. Найбільш споживані переважні числа E6, E12, E24 і т. Д. Знаменники цих рядів відповідно будуть: q6 = 10 (1/6) = 1,47; q12 = 10 (1/12) = 1,21; q24 = 10 (1/24) = 1,1. Для постійних резисторів встановлені ряди E6, E12, E24, E48, E96, E192, а для змінних - ряд Е6.
Дійсні значення опорів резисторів внаслідок технологічних похибок можуть відрізнятися від номінальних в межах допусків. Величини допусків також нормовані і задаються рядом: 0.001; 0.002; 0.005; 0.01; 0.02; 0.05; 0.1; 0.25; 0.5; 1; 2; 5; 10; 20; 30%.
У резисторах загального застосування номінали опорів узгоджені з допусками таким чином, що виходить так звана "безвідходна шкала": номінали і допустимі відхилення опору одного резистора примикають до номіналу і допустимим відхиленням сусіднього. Тому виготовлений резистор обов'язково потрапить в одну з груп.
Номінальна потужність - найбільша потужність, яку може розсіювати резистор в заданих умовах протягом гарантованого терміну служби при збереженні параметрів у встановлених межах. Найбільш часто використовуються постійні резистори, що володіють номінальною потужністю 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0 Вт, а змінні - 0,5; 1,0; 2.0 Ват.
Значення номінальної потужності залежить від конструкції резистора, геометричних розмірів і фізичних властивостей матеріалів. Чим вище теплостійкість конструкційних і резистивних матеріалів, тим вище допустима розсіює потужність для даної конструкції. З підвищенням температури навколишнього середовища тепловіддача погіршується і відбувається нагрів резистора понад допустимої температури. Тому необхідно зменшувати електричне навантаження. Для кожного типу резистора встановлюється гранична температура, при якій його можна навантажувати номінальною потужністю. Для недротяних резисторів це 100 - 120 ° С, для дротяних - вище.
Гранична робоча напруга резистора - це максимальне напруження для даного типу резистора, при якому він може працювати тривалий час, не змінюючи своїх параметрів. Потужність, що виділяється при цьому резистором, не повинна перевищувати номінальну. Для високоомних резисторів максимальна напруга обмежується напругою пробою, а для низькоомних резисторів - припустимою потужністю розсіювання Рдоп. Uмакс = (Pдоп · R) 1/2.
Температурний коефіцієнт опору (ТКС) - величина, що характеризує відносну зміну опору резистора при зміні температури на 1 ° C.
ТКС характеризує оборотні зміни опору резистора. У діапазоні температур ТКС може змінювати свою величину і знак. ТКС недротяних резисторів загального призначення лежить в межах + (0.5-20) · 10 -4 1 / ° C, прецизійних - + (0.05-10) · 10 -4 1 / ° C, а дротяних - від 0 до + 2 · 10 -4 1 / ° C.
Необоротні температурні зміни опору резистора виникають після тривалого впливу підвищених температур або після декількох температурних циклів. Більшість типів недротяних резисторів допускає роботу при температурах від -60 до + (100 - 150) ° C і вище. Дротяні резистори можуть працювати при більш високих температурах.
Старіння резисторів проявляється головним чином в зміні опору, яке викликається структурними змінами резистивного елемента за рахунок кристалізації, окислення і різних електрохімічних процесів, а також за рахунок зміни властивостей перехідних контактів. Процеси старіння прискорюються в умовах підвищених температур, вологості і при електричної навантаженні. Найбільш стійкими до дії факторів старіння є дротяні резистори, а серед недротяних - тонкошарові металодіелектричних і металлоокісние, менш стійкими вважаються композиційні лакопленочние. Процеси старіння можуть змінити опір резистора на кілька відсотків.
Власні шуми резисторів складаються з теплових шумів і струмових шумів. Рівень шумів вимірюється Е.Д.С. шумів.
Виникнення теплових шумів пов'язано з флуктуаційними змінами об'ємної концентрації вільних електронів в резистивном елементі, зумовленими їх тепловим рухом. Теплові шуми характеризуються безперервним, практично рівномірним спектром. Напруга теплових шумів Ет не залежить від матеріалу, а визначається температурою і величиною опору:
де k - постійна Больцмана, к = 1,38 × 10 23 Дж / K; Т - температура, К;
R - опір, Ом; F - ширина смуги частот, Гц.
При Т = 300К можна користуватися формулою:
де R - опір, кОм; F - ширина смуги частот, кГц.
Теплові шуми не можна виключити або зменшити, вони існують незалежно від струму, що протікає в резисторі. Теплові шуми визначають шумові характеристики дротяних резисторів. Високоомні резистори можуть мати напруга теплових шумів значно вище шумів підсилюючих приладів.
При проходженні струму по недротяних резистору додатково виникають струмові шуми. Вони обумовлені дискретної структурою резистивного елемента. Інтенсивність струмових шумів залежить від проходить струму. При проходженні електричного струму відбуваються локальні нагріви, що супроводжуються руйнуванням контактів між одними частками і появою контактів між іншими в результаті їх спікання, виникненням нових проводять ланцюжків. Це викликає флуктуації опору і струму і на резисторі з'являється шумова складова напруги. Токовий шум має безперервний спектр, спектральна щільність якого пропорційна величині 1 / f. Оскільки Е.Д.С. шуму залежить від струму, то вона залежить і від напруги U, прикладеної до резистору:
Ei = ki · U, де ki - коефіцієнт, що залежить від конструкції резистора, властивостей резистивного шару, смуги частот, в межах якої визначається шум; для різних типів резисторів ki змінюється від 0,2 до 50 мкВ / В.
Рівень шуму визначається в смузі частот 60-6000 Гц.
Якщо напруга, прикладена до резистору, відповідає номінальній потужності, то
звідси випливає, що струмовий шум пропорційний Rном 1/2. Токовий шум значно перевищує теплової. Рівень струмових шумів у композиційних резисторів в кілька разів більше, ніж у плівкових. Чим однорідніше структура резистивного шару, тим менше струмовий шум. За рівнем шумів резистори поділяють на групу А, що володіють ki 1 мкВ / В і групу Б - ki 5 мкВ / В.
Частотні характеристики резисторів. Опір резистора має комплексний характер і залежить від частоти. Це викликано наявністю розподілених по довжині резистивного елемента ємності й індуктивності, поверхневим ефектом, діелектричними втратами в каркасі і покриттях. Змінюються активні і реактивні складові повного опору, і відповідно фазові зрушення, створювані резистором в електричному ланцюзі.
Дротяні резистори відрізняються великими значеннями розподілених ємності й індуктивності, тому їх реактивність проявляється вже на частотах в декілька кілогерц. Недротяні резистори мають значно менші значення розподілених параметрів і можуть застосовуватися на частотах в сотні і навіть тисячі мегагерц.
Індуктивність резистора визначається конструкцією і розмірами резистивного елемента і висновків. Зазвичай вона невелика і погонне індуктивність становить приблизно 3 нГн / см крім випадків, коли для збільшення опору резистора резистивного шару надається вигляд спіралі. В цьому випадку погонна індуктивність збільшується до десятих часток мікрогенрі на сантиметр. Індуктивність висновків тим менше, чим вони коротші і товщі. Тому високочастотні резистори не мають дротяних висновків, вони забезпечуються плоскими контактами, розташованими безпосередньо на резистивном елементі, контакти впаюються в відповідні ділянки схеми.
Ємність резистора залежить від його форми, розмірів, конструкції висновків, від діелектричної проникності матеріалів каркаса і захисного покриття. Поширені типи резисторів мають погонной ємністю від 0,05 до 0,15 пФ / см. Ємність залежить і від розташування резистора щодо інших елементів конструкції.
Активний опір Rf і ємність Cf є частотнозавісімой. При f · C · R0 0,1 (де C - повна ємність резистора, пФ; R0 - опір постійному струму, Мом; f - частота, МГц). Ця залежність виражена слабо і може не враховуватися. З точністю до 1% можна вважати Rf = R0. На більш високих частотах, коли f · C · R0> 0,1, опір резистора падає і до значення f · CR0 0,5 може бути визначено за формулою
З цієї формули можна визначити граничну частоту резистора fгр. на якій активний опір зменшується на 1%.
На частотах вище 1МГц додаткове зменшення активної складової викликається діелектричними втратами в каркасі і в захисному покритті. Тому каркаси високочастотних резисторів виготовляють зі спеціальної кераміки з малими величинами діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат, не застосовують захисне покриття.
Переважний вплив індуктивності проявляється у резисторів мають опір нижче 300 Ом. Опір збільшується зі зростанням частоти до виникнення шунтирующего впливу ємності.
Найменше значення реактивності мають металодіелектричних і метало плівкові резистори.
В імпульсному режимі через резистор проходять повторювані імпульси струму, миттєві значення яких можуть перевищувати величини режиму безперервного навантаження.
Паразитні ємності і індуктивності спотворюють форму імпульсів, зменшують максимальне значення сигналу за рахунок зміни модуля опору. Форма імпульсу зберігається задовільною при виконанні умови
де Fмакс - частота, на якій модуль повного опору зменшується в 1,41 разів;
ф - тривалість фронту імпульсу.
Імпульсна потужність може значно перевищувати потужність розсіювання при безперервної навантаженні. Для імпульсів прямокутної форми середня потужність визначається виразом
де Uі - амплітуда імпульсу; і - тривалість імпульсу;
Fи - частота повторення імпульсів; Ті = 1 / Fи - період повторення імпульсів;
Q = Tи / і - шпаруватість; Pи - імпульсна потужність.
Для нормальної роботи резистора необхідно, щоб середня потужність не перевищувала номінальну потужність резистора. Максимально допустима тривалість імпульсу обмежується температурою нагріву резистивного елемента за час дії імпульсу, тобто обмежується допустимої енергією кожного окремого імпульсу і середньою температурою резистора. Напруга на резисторі під час імпульсу не повинно перевищувати напруга пробою ізоляційних матеріалів і повітряних зазорів. Резистори, призначені для роботи в імпульсному режимі, повинні мати високий ступінь однорідності резистивного елемента, щоб виключити локальні перегріви в місцях неоднорідностей.