Резистор. Нелинейные резисторы

Проволочные резисторы

Основным элементом конструкций прово­лочных резисторов является проводящий элемент, состоящий из провода (изолированного или неизолированного), намотанного на изоляционный каркас.

Для обеспечения высоких эксплуатационных параметров проволочного резистора необходимо, чтобы проводящий материал обладал следу­ющими свойствами: высокой стабильностью удельного сопротивления во времени, малым температурным коэффициентом сопротивления, высокой корро­зионной устойчивостью, малой термо-ЭДС, способностью протягиваться в провод диамет­ром в десятые – сотые доли миллиметра. Комплексом перечисленных свойств обладают специальные сплавы на основе никеля, хрома, меди, марганца, а также сплавы на основе благородных металлов. Для изготовления проволочных резисторов используются сплавы никеля с хромом (Х15Н60, Х20Н80 и др.); медно-марганцевые и медно-никелевые сплавы (манганин и константан); палладиево-вольфрамовый сплав (80 % палладия, 20 % вольфрама); серебряно-палладиевый сплав (80 % серебра, 20 % палладия) и др. Более подробно проволочные резисторы описаны в учебной литературе /3/.

Непроволочные резисторы

К непроволочным резисторам постоянного сопротивления относятся углеродистые, металлопленочные, металлодиэлектрические, металлоокисные, полупроводниковые и пленочные композиционные. Рассмотрим некоторые особенности непроволочных рези­сторов различных типов.

Углеродистые резисторы . Резистивный элемент таких резисторов представляет со­бой тонкую пленку пиролитического углеро­да (толщиной в десятые доли микрометра), полученного путем разложения углеводородов при высокой температуре в вакууме или в среде инертного газа, и осажденную на изоляционное основание. В качестве ос­нований углеродистых резисторов исполь­зуются керамические стержни или трубки.

Углеродистые резисторы отличаются повышенной стабильностью параметров, низким уровнем шумов, небольшим отри­цательным температурным коэф­фициентом, малой зависимостью сопротив­ления от частоты электрического поля и приложенного напряже­ния. Углеродистые резисторы предназ­начены для работы в импульсных схемах. Полупрецизионные резисторы работают в том же диапазоне темпе­ратур, что и углеродистые резисторы БЛП. Высокочастотные углеродистые резисторы изготовляют в виде трубок, стержней, дисков, пластинок и т.п. Резисторы УНУ (углеродистые незащищенные ультравысокочастотные) рассчитаны на работу при температурах 210 – 400 К.

Резистив­ный элемент металлопленочных резисторов представляет собой очень тонкую (десятые доли микро­метра) токопроводящую пленку, осажден­ную на изоляционное основание, в качестве которого используют керамику, стекло, сло­истые пластики, ситаллы и другие матери­алы.

Наиболее распространенные постоян­ные металлопленочные резисторы – резисто­ры типа МЛТ – имеют резистивный слой из металлосилициевых сплавов, состоящих из нескольких компонентов. Эти резисторы имеют примерно в 2 – 3 раза меньшие раз­меры, чем углеродистые резисторы типа ВС (в обычном исполнении), имеющие такую же номинальную мощность, обладают боль­шей тепло- и влагостойкостью, более ста­бильны. Недостатком металлопленочных ре­зисторов типа МЛТ является их низкая на­дежность, особенно при импульсной нагрузке, в результате перегрева в местах микронеоднородностей.

Промышленность выпускает ряд метал­лопленочных резисторов: МЛТ – металло­пленочные лакированные теплостойкие, ОМЛТ – особые (с повышенной надеж­ностью) металлопленочные лакированные теплостойкие, МТ – металлопленочные теплостойкие с повышенной механической прочностью, МУН – металлопленочные ультравысокочастотные незащищенные и др.

Металлодиэлектрические резисторы – это резисторы по типу контактолов или керметов различного состава.

Металлоокисные резисторы . В качестве электропроводящего слоя в них используется окись металла, чаще всего двуокись олова, нанесенная на поверхность керамического стержня. Металлоокисные резисторы отличаются большим постоянством параметров при воздействии переменных факторов внешней среды, по сравнению с металлопленочными.

Полупроводниковые резисторы . Освоение промышленностью монокристаллических по­лупроводн

Делятся на линейные и нелинейные. Линейными называются резисторы, сопротивления которых не зависят (т. е. не изменяются) от значения протекающего тока или приложенного напряжения. В аппаратуре связи и других электронных устройствах (радиоприемниках, транзисторах, магнитофонах и т. п.) широко используются малогабаритные линейные резисторы, например типа МЛТ (металлизированные, лакированные, термостойкие). Сопротивление этих резисторов остается неизменным при изменении приложенных к ним напряжений или протекающих через них токов и поэтому данные резисторы являются линейными.

Нелинейными называются резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от значения, приложенного напряжения или протекающего тока. Так, сопротивление осветительной лампы накаливания при отсутствии тока в 10-15 раз меньше, чем при нормальном горении. К относятся многие полупроводниковые приборы.

Экспериментально было установлено, что в линейных резистивных цепях мгновенные напряжения и токи пропорциональны друг другу . Это означает, что при изменении напряжения в некоторое число раз ток в цепи изменяется в такое же число раз и, следовательно, форма тока, протекающего в цепи, повторяет форму напряжения, приложенного к этой цепи. Например, если к резистивной цепи приложено напряжение треугольной формы, то ток будет также треугольной формы, постоянное во времени напряжение вызывает постоянный во времени ток и т. д.

Таким образом, в линейных резистивных цепях форма тока повторяет форму напряжения, вызвавшего этот ток .

Могут возникнуть вопросы: "А разве не очевидно, что ток и напряжение имеют одну и ту же форму? Разве такое само собой не разумеется? Почему это обстоятельство следует оговаривать особо?". Ответим сразу на эти вопросы. Дело в том, что форма тока повторяет форму напряжения только в одном частном случае, именно в линейных резистивных цепях.

В цепях с иными элементами, например с конденсаторами, форма тока, в общем случае, всегда отличается от формы приложенного напряжения, поэтому совпадение форм напряжения и тока - скорее исключение, нежели правило.

Следует запомнить, что линейная резистивная цепь - это частный случай, при котором формы тока и напряжения идентичны и наличие такой идентичности оказывается сравнительно редко и вовсе не является само собой разумеющейся.

Кроме того, экспериментально было установлено, что в линейной резистивной цепи ток обратно пропорционален сопротивлению, т. е. при увеличении сопротивления в некоторое число раз (при неизменном напряжении) ток уменьшается в такое же число раз. Связь между мгновенными токами i, мгновенными напряжениями и и сопротивлением цепи R выражается формулой

Данное соотношение называется . Поскольку наибольшие мгновенные значения называются максимальными, закон Ома может иметь вид

где Im и Um - максимальные значения тока и напряжения соответственно; Ip и Up - размах тока и напряжения.

В частном случае напряжения и токи могут не меняться во времени (режим постоянного тока), тогда мгновенные значения напряжения становятся величинами постоянными и их обозначают не и (т. е. малой буквой, как всякую переменную величину), a U (большая буква, величина постоянная), в этом частном случае закон Ома записывается так:

Постоянные резисторы

В постоянных резисторах токопроводящим элементом служат металлы и их сплавы, окислы металлов, материалы на основе углерода, а также вещества сложного состава в виде так называемой композиции, состоящей из размельченной смеси проводя­щих веществ и изоляционной связки.

В зависимости от конструк­тивного оформления токопроводящего элемента различают проволочные и непроволочные резисторы

Проволочные резисторы начали применяться в электро- и радиотехнике значительно раньше непроволочных. И сейчас они широко применяются в низкочастотных цепях РЭА и измерительной технике. Проволочные резисторы отличаются весь­ма высокой стабильностью сопротивления, малым уровнем собст­венных шумов, высокой механической прочностью. Однако они более дорогие, имеют довольно большие габариты и массу, обла­дают довольно значительными величинами L R и C R .

Постоянные проволочные резисторы (см. кадр2) имеют каркас из изоля­ционного материала (керамики, пластмассы, эмалированного ме­талла и др.), а в качестве проводящего элемента в них исполь­зуются изолированные или неизолированные провода из сплавов с высоким значением r (манганина, константана, нихрома и др.) Применение манганина и константана позволяет получить ТКС, близкий к нулю. Резисторы с нихромовой проволокой по сравнению с другими проволочными резисторами более теплостойки, имеют меньшие габариты, однако обладают пониженной стабильностью.

Постоянные проволочные резисторы можно подразделить на регулируемые и нерегулируемые. Величина сопротив­ления регулируемых резисторов может изменяться при настройке аппаратуры в процессе изготовления или после ремонта. Намотанный на изоляционный каркас провод обычно покрывают сили­катной эмалью или кремнийорганическими материалами, предохра­няющими проволоку от механических повреждений и коррозии, а также улучшающими теплоотвод. У регулируемых резисторов защитный слой наносится так, чтобы оставалась продольная полос­ка оголенной проволоки. Перемещением вдоль этой полоски хому­тика с зажимным винтом можно подбирать требуемое сопротивление.

В последние годы разработаны прецизионные постоянные проволочные резисторы на номинальные сопротивления 1 Ом...10 МОм (однослойные и многослойные) с намоткой из микропровода диаметром около 1 мкм . Они имеют стеклянную изоляцию на основе свинцово-боросиликатных стекол. В качестве материала микропровода применяются медь, серебро, никель, манганин и некоторые сплавы, причем сопротивление одного метра микропровода из этих сплавов может достигать 200 кОм .

Непроволочные резисторы различают на резисторы поверхностного типа и объемные непроволоч­ные резисторы. Возможная конструкция токопроводящих элементов непроволочных резисторов показана на рис.(см. кадры 6‑10 ).

В непроволочных резисторах поверхностного типа токопроводящий элемент выполнен в виде тонкого полупроводящего слоя (или пленки), нанесенного на изоляционное основание из высо­кокачественной керамики или ситаллов, имеющее вид стрежня или трубки (см. кадр 6 ). На концах основания укреплены контакты. Для защиты токопроводящего элемента от внешних воздействий резистор по­крывается лаком или опрессовывается пластмассой. Свойства та­ких резисторов определяются составом токопроводящего слоя.

Получить резисторы с широкой шкалой номинальных значений (например, от десятков ом до сотен мегом) только на счет выбора материала токопроводящего слоя и его толщины при неизмен­ных габаритах резистора технологически сложно и экономически невыгодно. Кроме того, при весьма тонком проводящем слое, ко­торый необходим для резисторов больших номиналов, резко воз­растает ТКС резистора. Поэтому для получения больших величин сопротивлений меняют длину и сечение токопроводящего слоя резистора нарезанием на этом слое изолирующей спиральной канавки (см. кадры 6,7) . Чем меньше шаг спирали, тем больше длина токопроводяще­го слоя, тем меньше его ширина (и сечение) и тем больше со­противление резистора. Следует, однако, заметить, что при нарезании канавки резко возрастает собственная индуктивность резистора. Поэтому в цепях высокой частоты необходимо исполь­зовать резисторы без спиральной нарезки.

К непроволочным резисторам поверхностного типа относятся углеродистые, металлопленочные (их еще называют металлизиро­ванными, металлофольговыми), металлоокисные и пленочные ком­позиционные.

Проводящим элементом углеродистых резисто­ров является пленка пиролитического углерода, в который часто добавляют до 4% бора для стабилизации характеристик резисто­ра во времени. Такие резисторы имеют небольшой уровень соб­ственных шумов и малый отрицательный ТКС, стойки к импульсным перегрузкам, величина их сопротивления незначительно изменяется от величины и частоты приложенного напряжения. Углеродис­тые резисторы изготовляются прецизионными и высокочастотными на частоты до 1 ГГц (в виде шайб, стержней, пластинок).

В металлопленочных резисторах проводя­щим элементом является пленка специального сплава из несколь­ких компонентов (Fe , Si, Ni , Cr ) в различных процентных соотношениях. Пленка наносится на основание резистора метода­ми вакуумного испарения или катодного распыления. По основным электрическим характеристикам металлопленочные резисторы несколько превосходят углеродистые: они более стабильны и тепло­стойки, имеют при одинаковой мощности рассеяния меньшие разме­ры. К их недостаткам относятся пониженная устойчивость к им­пульсным нагрузкам (из-за неоднородности токопроводящей плен­ки), худшие, чем у углеродистых резисторов, частотные свойства и знакопеременный ТКС.

В металлоокисных резисторах проводящим элементом чаще всего служит осажденная химическим путем плен­ка двуокиси олова Sn O 2 , обладающая хорошей адгезией к основа­нию резистора. Такие резисторы отличаются повышенными стабильностью, теплостойкостью и электрической прочностью, стойкостью по отношению к химическим воздействиям и малым уровнем собствен­ных шумов. Металлоокисные резисторы выпускаются в высокочас­тотном и высоковольтном вариантах, однако их номиналы не пре­вышают сотен ом - единиц килоом.

В пленочных композиционных резисторах роль про­водящего элемента выполняет пленка из полупроводящей компози­ции - смеси проводящего материала (сажа, графит) со связующим материалом (полиэфирная смола). Пленка наносится на стеклян­ный стержень методом накатки с последующей термообработкой. Достоинствами таких резисторов являются простота их изготовле­ния и высокая надежность, обусловленная значительной толщиной токопроводящего слоя (до 50 мкм ), недостатками - низкая ста­бильность и довольно высокий уровень собственных шумов.

В объемных непроволочных резисторах токопроводящий элемент выполнен в виде стержня из проводящей композиции. Проволочные выводы резистора впрессованы в концы токопроводя­щего элемента, а весь резистор опрессован стеклокерамикой или пластмассой (см. кадр 8) . В зависимости от состава композиции различают резисторы углекерамические, металлокерамические, лакосажевые и т.п.

Объемные резисторы более дешевы и просты в производстве, чем резисторы поверхностного типа. Наружная изоляционная опрессовка дает возможность сделать монтаж радиосхемы более компак­тным без опасения короткого замыкания между соседними деталями. Большое сечение токопроводящего элемента обеспечивает по­ниженную чувствительность резистора к кратковременным пере­грузкам и повышенную надежность, особенно при длительной ра­боте в тяжелых климатических условиях. Существенным недостат­ком объемных композиционных резисторов является высокий уро­вень собственных шумов.

Переменные резисторы

Регулировка величины сопротивления переменного резистора осуществляется плавным перемещением скользящего контакта, по­мещаемого на изолирующей пластине его подвижной системы, по поверхности проводящего элемента. В зависимости от назначения переменные резисторы подразделяются на построечные и регули­ровочные. Построечные резисторы используются для установки требуемого режима работы аппаратуры после ее изготовления, ремонта или в процессе регламентных работ. Их подвижная ось обычно выводится под шлиц, а иногда и стопорится. Регулировоч­ные резисторы используются в качестве рабочих органов управ­ления РЭА в процессе ее эксплуатации.

В дополнение к ранее рассмотренным характеристикам приме­нительно к переменным резисторам вводятся понятия функцио­нальной характеристики (кривой регулирования), разрешающей способности, износоустойчивости и шумов вращения.

Функциональная характеристика переменного резистора пока­зывает зависимость величины сопротивления R между подвижным контактом и одним из неподвижных контактов проводящего эле­мента от угла поворота a подвижной системы резистора.

Разрешающая способность переменного резистора - это его способность различать наименьшее изменение угла поворота по­движной системы. Ее характеризуют минимально допустимым изме­нением сопротивления при весьма малом перемещении контакта. Количественно разрешающую способность выражают отношением скачка сопротивления или напряжения к общему сопротивлению или к общему напряжению, подводимому к резистору. Для пере­менных проволочных резисторов разрешающая способность зави­сит от числа витков и определяется тем перемещением подвижного контакта, при котором происходит изменение величины сопротивления. Разрешающая способность переменных резисторов общего применения составляет 0,1...1,5% .

Износоустойчивость - это способность переменного резистора сохранять свои параметры при многократных вращениях подвижной системы. У подстроечных резисторов, использующихся для разовых регулировок, износоустойчивость не превышает 10 3 поворотов. Износоустойчивость регулировочных резисторов, а особенно точных потенциометров, может достигать 10 5 ...10 7 поворотов.

Наряду с тепловыми и флюктуационными шумами при вращении подвижной системы переменного резистора на выходное напряжение накладывается дополнительная составляющая - напряжение шумов вращения, уровень которых значительно выше тепловых я флюктуационных шумов.

Переменные резисторы делят­ся на непроволочные и проволоч­ные . Непроволочные резисторы, в свою очередь, делятся на тонко­слойные и объемные. Их отличие заключается в характере токопроводящего элемента.

Переменные проволочные резисторы можно подразделить на резисторы общего назначения и специальные. Резисторы общего назначения получили наибольшее применение в РЭА, они выпол­няют те же функции, что и непроволочные резисторы. Такие ре­зисторы обычно имеют изоляционный каркас кольцевого типа (из керамики, стеклотекстолита, оксидированного металла и др.) с однослойной намоткой и поворотного ползунка с контактом из фосфористой или бериллиевой бронзы (см. кадр 3 ). Маломощные резисторы иног­да изготовляются бескаркасными. Проводящие элементы у низкоомных резисторов выполняются из константанового провода, а у высокоомных - из нихромового.

К специальным переменным проволочным резисторам относят­ся, например, различные фунциональные потенциометры, реали­зующие заданную нелинейную зависимость R (a ) в аналоговых счетно-решающих устройствах. Необходимую функциональную характерис­тику можно получить различными способами: применением профи­лированных каркасов, использованием обмотки с переменным шагом, применением проводов различного удельного сопротивле­ния на отдельных участках обмотки, шунтированием отдельных участков обмотки и т.д. К специальным также относятся много­оборотные и многообмоточные переменные проволочные резисторы.

Основным элемен­том конструкции переменного непроволочного резистора является расположенная на изоляционном осно­вании пластинка подковообраз­ной формы из гетинакса с нанесенным на нее токопроводящим слоем, состоящим из композиции графита и бакелитового лака с добавлением наполнителей (см. кадр 3,4 ). В качестве токопроводящего слоя могут также использоваться металлоокисные и металлические пленки, металлостеклянные пленочные композиции. Концы подков­ки покрыты серебряной суспензией с низким удельным сопротивлением, обеспечивающей надежный контакт подковки с металли­ческими токопроводящими деталями резистора. Изменение величины сопротивления резистора осуществляется вращением оси, на которой закреплен ползунок с контактной щеткой, скользящей по токопроводящему слою подковки и имеющей электрический контакт со средним выводом резистора

В отличие от тонкослойных объемные переменные резисторы имеют керамическое основание с подковообразной канавкой, за­полненной токопроводящим слоем толщиной 1 мм и более, который представляет собой композицию из проводящей среды, наполните­ля и связки. В качестве проводящей среды применяют углерод в виде сажи и графита. Наполнителем чаще всего служит алунд - чистый глинозем Al 2 O 3 , а связкой - стеклоэмаль.

Объемные резисторы отличаются небольшими размерами, повышенной влаго­стойкостью и более высокой рабочей температурой, так как плот­ность тока в токопроводящем слое у них значительно меньше, чем у тонкослойных резисторов, а условия теплоотвода лучше.

Переменные резисторы выпускаются одинарными и двойными. В двойных конструкциях с помощью одной оси одновременно враща­ются ползунки двух отдельных резисторов.

Для непроволочных переменных резисторов основные функциональные характеристики R (a ) - кривые регу­лирования - линейная, логарифмическая и обратнологарифмическая (показательная).

Переменные непроволочные резисторы имеют небольшие габа­риты и массу, невысокую стоимость. Для них характерны слабая зависимость сопротивления от частоты в довольно широких пре­делах ее изменения и возможность реализации больших номиналов. Однако им присущи и недостатки: малая мощность рассеивания (не более 2 Вт ), довольно значительная зависимость сопротив­ления от температуры, технологическая трудность изготовления резистора с заданной функциональной характеристикой. Прово­лочные переменные резисторы в значительной степени свободны от этих недостатков, хотя они дороже и имеют более высокие массу и габариты.

Устройство, характеристики и параметры нелинейных резисторов

Принцип действия нелинейных резисторов основан на свойстве ряда полупроводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление под воздействием температуры (терморезисторы ), электрического напряжения (варисторы ), и магнитно­го поля (магниторезисторы ).

Терморезисторы (термочувствительные ре­зисторы, термисторы ) представляют собой объемные полупровод­никовые нелинейные элементы, отличающиеся ярко выраженной за­висимостью сопротивления от температуры, примерно в 10...25 раз более сильной, чем у металлов. Промышленностью выпускают­ся терморезисторы с номинальным сопротивлением от нескольких ом до десятков мегом.

Терморезисторы, у которых изменение сопротивления термо­чувствительного элемента происходит вследствие выделяющейся в нем мощности или изменения температуры окружающей среды, на­зываются терморезисторами прямого подогрева . Имеются также терморезисторы косвенного подогрева , у которых нагревание термочувствительного элемента осуществляется от специальной по­догревающей спирали.

Как правило, терморезисторы изготовляются из полупровод­никовых материалов (окислов металла, смеси окислов, сульфидов, селенидов и др.) с примесной проводимостью, имеющих отрица­тельный ТКС , и применяются в цепях постоянного и переменного тока. Исключение составляют терморезисторы на основе окислов урана, называемые урдоксами , которые на постоянном токе применять нельзя, так как они обладают ионной проводимо­стью и подвержены электролизу.

Некоторые терморезисторы изготовляются на основе титано-бариевой керамики (с примесями таких редкоземельных элементов, как церий, лантан, самарий и др.), имеющей в определенном тем­пературном интервале положительный ТКС . Они называются позисторами .

Терморезисторы в сильной степени подвержены воздействию кислорода воздуха, поэтому их часто заключают в вакуумные или наполненные инертным газом баллоны, а также герметизируют. Конструктивное оформление терморезисторов (см. кадр 12 ) отли­чается разнообразием. Они находят широкое применение в РЭА и устройствах автоматики в качестве датчиков для электрического измерения неэлектрических величин, измерителей мощности сла­бых потоков электромагнитной энергии (от микроватт до милли­ватт), измерителей, регуляторов и сигнализаторов температуры, реле теплового контроля, реле времени, бесконтактных выключа­телей, элементов стабилизаторов напряжения, термокомпенсато­ров и т.д.

Варисторы. Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых резко и нелинейно зависит от приложенного напряжения, называются варисторами .

В качестве токопроводящего элемента в варисторах использу­ется порошок карбида кремния Si C со средними размерами зерен 40...50 мкм , скрепленными в монолит с помощью различных связу­ющих материалов. Отечественные варисторы на основе карбида кремния с добавкой глины и графита получили название тиритовых , с добавкой ультрафарфоровой связки - лэтиновых , с добавкой жидкого стекла.

Электро­проводность варистора определяется многими параллельными це­почками контактирующих зерен Si C , причем пробивное напряже­ние материала связки между контактами в различных цепочках имеет значительный разброс. По мере возрастания приложенно­го напряжения включаются друг за другом остальные цепочки зерен и вольт-амперная характери­стика будет представлять возрастающую нелинейную функцию. В реальном же варисторе таких цепочек бесчисленное множество, поэтому и ре­альная вольт-амперная характеристика будет представлять собой плавную кривую. Свойства варистора не зависят от полярности приложенного напряжения, поэтому его вольт-амперная характе­ристика симметрична относительно начала координат.

Конструктивно варисторы оформляются в виде дисков, шайб или трубок. После спекания заготовок на контактные поверхно­сти методом вжигания серебряной пасты наносится металлизиро­ванный слой, к которому припаивают выводы варистора. Для за­щиты от механических и атмосферных воздействий варистор по­мещается в фарфоровый или металлический корпус и покрывается лаком.

Вольт-амперная характеристика варистора аналитически мо­жет быть выражена в виде

I=B U b или U=A I a

где U - напряжение, приложенное к варистору; I - ток, протекающий через варистор; A , a , B , b - коэффициенты, зависящие от материала и теплового режима обработки варистора при его изготовлении

Для варистора имеют место следующие соотношения: b = 1 / a ; B = А - b . Величина b = U dU / dI называется коэффициентом не­линейности варистора. Обычно b ³ 2 (для элементов с линейной характеристикой b = 1 ).

Так как варисторы являются неполярными, то они могут при­меняться в цепях переменного тока. Однако на частотах порядка 10 кГц и выше их вольт-амперная характеристика принимает вид петли гистерезиса, что объясняется наличием довольно значительной собственной емкости варистора.

Варисторы на основе Si C обычно имеют b ³ 2...4,5 , ТКС<0, номинальную мощность рассеяния 0,8...2,5 Вт и рабо­тают в температурном интервале ­‑40...+100 O C . Варисторы на основе селена имеют b = 5...8 , работают в интервале темпе­ратур ­‑60...+100 O C , хорошо выдерживают перегрузки и являют­ся более дешевыми.

Варисторы применяются в схемах стабилизации напряжения, регулирования числа оборотов и реверсирования электродвига­телей, умножения частоты и в схемах модуляторов. Они приме­няются также в аналоговых счетно-решающих устройствах для выполнения таких математических операций над электрическими сигналами, как возведение в степень, извлечение корня, умно­жение, и для многих других целей.

Магниторезисторы . При внесении проводника или полупроводника, по которому течет электрический ток, в магнитное поле изменяется его сопротивление. Это явление носит название эффекта Гаусса, который особенно отчетливо проявляется в полупроводниковых материалах с большой подвижностью носителей заряда. Такими материалами являются некоторые антимониды (In Sb, Ga Sb ), арсениды (In As , Ga As ), селенид ртути Hg Se, германий, сплавы In Sb ‑ Ni Sb , In Sb ‑ Ga Sb и др. Их сопротивление возрастает при увеличении индукции магнитного поля, и они применяются при изготовлении магнитореэисторов в качестве токопроводящих элементов. В то же время указанные полупроводниковые материалы обладают, как правило, невысоким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому для повышения величины сопротивления магниторезистора его токопроводящий элемент изготовляют в виде пленки толщиной около 20 мкм , располагаемой на изоляционной подложке толщиной 0,1...0,5 мм (обычно из алунда - чистого глинозема Al 2 O 3 ).

Магниторезисторы имеют ТКС<0 . Их сопротивление при отсутствии магнитного поля (в зависимости от материала и конструкции) лежит в пределах от десятых долей ома до десятков килоом, а при наличии поля с индукцией B = 1 Тл возрастает примерно в десять раз.

Магниторезисторы применяются в измерительной технике для измерения магнитной индукции, малых механических перемещений, добротности колебательных контуров, мощности в цепях постоянного и переменного тока. Они используются в аналоговых счетно-решающих устройствах для сложения, умножения, деления двух или нескольких сигналов, для возведения в квадрат и получения обратных величин, а также в схемах генераторов, модуляторов и усилителей.

Выбор типа резистора для конкретной радиосхемы нужно про­изводить с учетом условий его работы (величины рассеиваемой мощности, температуры окружающей среды и т.д.), а также требований, предъявляемых к характеристикам резистора.

Вы­бор следует начинать с изучения директивных документов, в ре­зультате чего определяется номенклатура резисторов, разрешен­ных к применению в данной категории аппаратуры. Некоторые типы новых резисторов содержат особо дефицитные и дорогосто­ящие материалы, а поэтому их следует применять только в осо­бо ответственной аппаратуре.

На практике приходится встречаться с несколькими системами обозначения типов резисторов, как и конденсаторов, - старой и новой.

Многие рези­сторов, разработанные до 1969 года, выпускаются и по настоящее время, и за ними сохранены их прежние обозначения. Например: резисторы МЛТ (металлизи­рованные лакированные теплостойкие), резисторы КОИ (компози­ционные объемные изолированные), резисторы ПЭВ (проволочные эмалированные влагостойкие) и др.

В 1969 г. была введена система обозначения типов ре­зисторов . Обозначение сос­тоит из трех индексов.

Первый индекс содержит одну или две буквы и означает:

С - резистор постоянный;

СП - резистор пе­ременный;

СТ - терморезистор;

СН

СМ - магниторезистор;

СФ - фоторезистор.

Второй индекс (цифровой) означает группу резисторов по характеру токопроводящего элемента.

Для постоянных и пере­менных проводниковых резисторов цифры означают:

1 - непро­волочные поверхностные углеродистые и бороуглеродистые;

2 ‑ непроволочные поверхностные металлопленочные и металлоокисные;

3 ‑ непроволочные композиционные поверхностные;

4 - непроволочные композиционные объемные;

5 - проволочные.

Для терморезисторов :

1 - кобальто-марганцевые;

2 - медно-марганцевые;

3 - медно-кобальто-марганцевые;

4 - никель- ко­бальто-марганцевые.

Для фоторезисторов :

1 - сернистосвинцовые;

2 - сернисто-кадмиевые;

3 ‑ селенисто‑кадмиевые.

Для варисторов :

1 - карбидокремниевые;

2 - на основе селена.

Третий индекс (цифровой) пишется через дефис и для всех резисторов означает порядковый номер конструктивной разра­ботки.

Четвертый индекс необязателен .

Приведем несколько при­меров новых обозначений: С1-1 (резистор постоянный непрово­лочный поверхностный углеродистый первого порядкового номера исполнения), СП4-2 (резистор переменный непроволочный компо­зиционный объемный второго порядкового номера исполнения), СТ2-1 (терморезистор медно-марганцевый первого порядкового номера исполнения).

В 1980 г. принята ныне действующая система сокращенных и полных условных обозначений, в которой введены ряд новых элементов и устранена избыточная информация. В соответствии с ней сокращенное условное обозначение , присваемое резисторам, должно состоять из следующих элементов:

Первый элемент - буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резисторов

Р - резистор постоянный;

РП - резистор пе­ременный;

НР - набор резисторов;

ТР - терморезистор;

МР - магниторезистор;

НР - резистор нелинейный (варистор);

ФР - фоторезистор.

Второй элемент - цифра, обозначающая группу резисторов по материалу резистивного элемента

1 - непроволочные;

2 - проволочные или металлофольговые.

Третий элемент - регистрационный номер конкретного типа резистора.

Четвертый индекс (буквенный или цифровой) определяет специфические особенности конструкции - необязателен .

Между вторым, третьим и четвертым индексом ставится дефис .

В зависимости от размеров маркируемых резисторов и вида технической документации могут применяться полны е и сокращенные (кодированные ) обозначения номинальных сопротивлений и допусков.

Полное обозначение номинальных сопротивлений состоит из значения номинального сопротивления и обозначения единицы измерения (Ом ‑ омы, кОм ‑ килоомы, МОм ‑ мегаомы, ГОм ‑ гигаомы, ТОм ‑ тераомы). Например, 215 Ом; 150 кОм; 2,2 МОм; 6,8 ГОм; 1 ТОм

Кодированное обозначение номинальных сопротивпений состоит из трех или четырех знаков, включай цифры и букву или три цифры к букву. Буква кода из русского или латинского (в скобках) алфавита определяет множитель, составляющий сопротивление, и определяет положение запятой десятичного знака. Буквы, R , К , M, G, T обозначают соответственно множители 1, 10 3 , 10 6 , 10 12 для сопротивлений, выраженных в омах. Для приведенного выше примере следует писать: 215 R , 150К, 1М2, 6 G 8, 1Т0 .

Полное обозначение допускаемого отклонения состоит из цифр, кодированное - из буквы.

Кодированные обозначения допусков совпадают с международными стандартами.

На постоянных резисторах допускается маркировка цветным кодом. . Ее наносят знаками в виде кругов или точек.

Для маркировки цветным кодом номинальное сопротивление резисторов в омах выражается двумя или тремя цифрами (в случае трех цифр последняя цифра не равна нулю) и множителем 10 n , где n - любое число от 0 до 9.

Маркировочные знаки сдвигают к одному из торцов резистора и располагают слева направо в следующем порядке:

первая полоса - первая цифра;

вторая полоса - вторая цифра;

третья полоса - множитель;

четвертая полоса - допуск на номинальное сопротивление.

Цвета знаков (12 цветов) маркировки номинального сопротивления и допусков должны соответствовать стандарту.

Для резисторов с номинальным сопротивлением, выраженным тремя цифрами и множителем, цветная маркировка состоит из пяти знаков (полос). Первые три полосы - три цифры, четвертая и пятая - множитель и допуск.

Если размеры резистора не позволяют разместить маркировку ближе к одному из торцов резистора, площадь первого знака (ширина первой полосы) делается примерно в 2 раза больше другие знаков.

Литература

СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

ЛЕКЦИЯ

Ставрополь 1998 г.

Учебные и воспитательные цели:
	Анализ физических и электрических свойств пассивных элементов РЭА. Введение основных понятий, свойств и принципов классификации резисторов.
Время..............................................................................................
Учебно-материальное обеспечение
	ЛЭТИ диафильм 2.1. Резисторы
Распределение времени лекции
Вступительная часть......................................................................
Проверка готовности курсантов к лекции...................................
Учебные вопросы лекции
	Классификация и параметры резисторов.......................... Устройство и применение линейных резисторов.............. Устройство, характеристики и параметры нелинейных резисторов............................................................................
Заключение....................................................................................
Задание курсантам для самостоятельной работы........................

Заключение

Краткий обзор рассмотренного материала, ответы на вопросы.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендованной литературы и методические указания

Полупроводниковые резисторы (датчики проникающих излучений) изготовляют на основе пленок из поликристаллических материалов - сульфида кадмия, селенида кадмия и др. - путем возгонки в вакууме и осаждения полупроводниковой пленки на металлическую подложку, которая является одним из выводов. Второй вывод наносится поверх полупроводникового слоя также напылением в вакууме.

Полупроводниковые резисторы характеризуются большим положительным ТК. Температурная зависимость сопротивления обусловлена двумя процессами - генерацией носителей заряда и уменьшением подвижности их с ростом температуры.

Классификация и условное обозначение полупроводниковых резисторов

• · линейные резисторы;
• · нелинейные резисторы:
• · варисторы -- сопротивление зависит от приложенного напряжения;
• · терморезисторы -- сопротивление зависит от температуры;
• · фоторезисторы -- сопротивление зависит от освещённости;
• · тензорезисторы -- сопротивление зависит от деформации резистора;
• · магниторезисторы -- сопротивление зависит от величины магнитного поля;
• · Переменный резистор (реостат);
• · Подстроечный резистор.

Линейный резистор - полупроводниковый прибор, в котором обычно используется слаболегированный кремний или арсенид галлия. Удельное сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряжённости электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного резистора практически постоянно в широком диапазоне изменения напряжений и токов. Линейные резисторы нашли широкое применение в интегральных микросхемах.

Нелинейными называются резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от значения, приложенного напряжения или протекающего тока. Так, сопротивление осветительной лампы накаливания при отсутствии тока в 10--15 раз меньше, чем при нормальном горении. К нелинейным элементам относятся многие полупроводниковые приборы.

Варистор -- полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать свое сопротивление с десятков и (или) тысяч Ом - до единиц Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Свойства

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов. Один из основных параметров варистора -- коэффициент нелинейности -- определяется отношением его статического сопротивления к динамическому сопротивлению:

где и -- напряжение и ток варистора.

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Температурный коэффициент сопротивления варистора -- отрицательная величина.

Терморезистор -- полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например, в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1--10 микрометров до нескольких сантиметров.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

• · номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;
• · температурного коэффициента сопротивления.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор с гальванически изолированным нагревательным элементом, задающего температуру терморезистора, и, соответственно, его сопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого напряжением, приложенным к нагревательному элементу такого терморезистора. Температура рассчитывается при помощи уравнения Стейнхарта -- Харта:

Фоторезистор -- полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Не имеет p-n перехода, поэтому обладает одинаковой проводимостью независимо от направления протекания тока.

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку, или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Важнейшие параметры фоторезисторов:

• · интегральная чувствительность -- отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);
• · порог чувствительности -- величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

Тензорезисторы -- резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии -- наоборот.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10-3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее -- в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

Реостат -- электрический аппарат, изобретённый Иоганном Христианом Поггендорфом, служащий для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления. Как правило, состоит из проводящего элемента с устройством регулирования электрического сопротивления. Изменение сопротивления может осуществляться как плавно, так и ступенчато.

Изменением сопротивления цепи, в которую включен реостат, возможно достичь изменения величины тока или напряжения. При необходимости изменения тока или напряжения в небольших пределах реостат включают в цепь параллельно или последовательно. Для получения значений тока и напряжения от нуля до максимального значения применяется потенциометрическое включение реостата, являющего в данном случае регулируемым делителем напряжения.

Использование реостата возможно, как в качестве электроизмерительного прибора, так и прибора в составе электрической или электронной схемы.

Основные типы реостатов

• 1. Проволочный реостат. Состоит из проволоки из материала с высоким удельным сопротивлением, натянутой на раму. Проволока проходит через несколько контактов. Соединяя с нужным контактом, можно получить нужное сопротивление.
• 2. Ползунковый реостат. Состоит из проволоки из материала с высоким удельным сопротивлением, виток к витку натянутой на стержень из изолирующего материала. Проволока покрыта слоем окалины, который специально получается при производстве. При перемещении ползунка с присоединённым к нему контактом слой окалины соскабливается, и электрический ток протекает из проволоки на ползунок. Чем больше витков от одного контакта до другого, тем больше сопротивление. Такие реостаты применяются в учебном процессе. Разновидностью ползункового реостата является агометр , в котором роль ползунка выполняет колёсико из проводящего материала, двигающееся по поверхности диэлектрического барабана с намотанной на него проволокой.
• 3. Жидкостный реостат, представляющий собой бак с электролитом, в который погружаются металлические пластины. Обеспечивается плавное регулирование. Величина сопротивления реостата пропорциональна расстоянию между пластинами и обратно пропорциональна площади части поверхности пластин, погруженной в электролит.
• 4. Ламповый реостат. Состоит из набора параллельно включённых ламп накаливания. Изменением количества включённых ламп изменялось сопротивление реостата. Недостатком лампового реостата является зависимость его сопротивления от степени разогрева нитей ламп.

Подстроечный резистор -- переменный резистор, предназначенный для тонкой настройки радиоэлектронного устройства в процессе его монтажа или ремонта. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства и недоступны для пользователя при нормальной эксплуатации.

Сопротивление линейных ни от чего не зависит. Сопротивление нелинейных может зависеть от напряжения, температуры, освещенности…
Резистор называют линейным, когда ток в нем изменяется пропорционально приложенному напряжению, т.е. если функция I =f(U) – прямолинейная.

Зависимость тока резистора I от подводимого напряжения U называется его вольтамперной характеристикой (ВАХ). Если сопротивление резистора не зависит от тока, то его ВАХ представляет собой прямую линию (рис. 1а), проходящую через начало координат. Такой резистор называется линейным. Резистор, ВАХ которого не является прямой линией (рис. 1б), называется нелинейным. Электрические цепи, содержащие только линейные элементы, называют линейными. Если в цепи имеется хотя бы один нелинейный элемент, вся цепь называется нелинейной.

15. Делитель напряжения на резисторах при работе вхолостую: нерегулируемые и регулируемые. Расчет выходного напряжения.
Делитель напряжения используется в электрических цепях, если необходимо понизить напряжение и получить несколько его фиксированных значений. Состоит из двух и более элементов (резисторов, реактивных сопротивлений).
Делитель напряжения - устройство, в котором входное и выходное напряжение связаны коэффициентом передачи 0 <= a <= 1.

В качестве делителя напряжения обычно применяют регулируемые сопротивления (потенциометры). Можно представить как два участка цепи, называемые плечами, сумма напряжений на которых равна входному напряжению.