4.5. Исследование параметров резисторов

Цель работы: исследование термостабильности сопротивления резисторов и разброса параметров радиоэлементов в одной партии, изучение статических методов обработки опытных данных.

Приборы и принадлежности: мост сопротивлений измерительный, термостат, электронный термометр, набор резисторов.

Теоретическая часть

Резисторы - это пассивные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами электрических схем.

Классификация резисторов

По функциональному признаку [6,7,8,9]резисторы делятся на:

• постоянные, сопротивление которых остается неизменным,

• переменные, сопротивление которых можно плавно менять в процессе эксплуатации или регулировки аппаратуры.

В зависимости от назначения постоянные резисторы подразделяются на две группы:

• общего назначения (R_ном = 1 Ом - 10 Мом, Р_ном = 0.062 - 100 Вт),

• специального назначения:

• высокоомные резисторы (R_ном = 10 МОм - 100 ТОм, U_раб = 100 - 400 В),

• высоковольтные (R_ном = 10¹¹ Ом, U_раб = 10 кВ),

• высокочастотные,

• прецизионные, характеризуемые повышенной точностью, высокой стабильностью (R_ном = 0,1 Ом - 10 Мом, Р_ном = 2 Вт.)

Переменные резисторы подразделяются на:

• подстрочные,

• регулировочные.

Подстрочные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные - для проведения многократных регулировок. Они отличаются большей износоустойчивостью (более 5000 циклов) и в зависимости от характера изменения их сопротивлений при перемещении подвижной части делятся на резисторы с линейной и нелинейной функциональными характеристиками (рис. 4.5.1, а - линейная (А), логарифмическая (Б ), антилогарифмическая (В); б - характеристики типа И, Е; _n и  - полный и текущий углы поворота подвижной части; R_П и R - полное и текущее значения сопротивления).

Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки, осажденной на поверхность изоляционного основания, проволоки или микропроволоки, объемной конструкции (рис. 4.5.2).

О

Рис. 4.5.1. Функциональные характеристики переменных резисторов

Рис. 4.5.2. Конструкция непроволочного постоянного резистора

снованием для тонкослойного или пленочного резистора служит керамический стержень или трубка (1), на поверхность которого нанесен тонкий слой проводящего материала (2). Для подключения резистора к схеме на стержень напрессовывают два металлических колпачка (3), выводы (4) которых могут быть припаяны к аппаратуре. Для защиты токопроводящего слоя от воздействия влаги и механических повреждений резистор покрывают слоем эмали (5).

В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяются на:

• непроволочные,

• проволочные,

• металлофольговые, проводящий элемент которых, выполнен из фольги, нанесенный на непроводящие основания.

Непроволочные резисторы можно подразделить на следующие группы:

• углеродистые и бороуглеродистые (проводящий элемент - пленка пиролитического углерода или его соединений, осажденная на непроводящее основание);

• металлодиэлектрические, металлопленочные или металлооксидные (проводящий элемент - микрокомпозиционный слой из диэлектрика и металла или пленки из металла, оксида металла или его сплавов;

• композиционные (проводящий элемент - гетерогенная система из нескольких компонентов, один из которых проводящий, например, графит или сажа);

• полупроводниковые (проводящий элемент выполнен из полупроводникового материала).

Непроволочные резисторы бывают:

• постоянные,

• переменные.

Непроволочные постоянные резисторы по сравнению с проволочными менее стабильны и имеют большие шумы, не обладают идеальной вольтамперной характеристикой. Однако они имеют меньшие габариты, их сопротивление менее зависит от частоты, они значительно дешевле. По назначению подразделяют на резисторы широкого применения и специальные.

Непроволочные постоянные резисторы можно подразделить на следующие группы:

 тонкослойные резисторы (резисторы группы С1 и С2). У резисторов группы С1 токопроводящий слой - пленка пиролитического углерода, полученная разложением углеводородов в вакууме или в среде инертного газа при высокой температуре. У резисторов группы С2 токопроводящий слой - тонкая пленка сплава металлов или оксида металла.. Большая теплостойкость металла и его сплавов позволяет изготовлять резисторы группы С2 со значительно меньшими габаритами, чем С1 при равной мощности рассеяния. Резисторы типа С2 обладают большей стабильностью при циклическом воздействии температуры, механических перегрузок, и абсолютное значение температурного коэффициента сопротивления у резисторов типа С2 несколько меньше, чем у резисторов типа С1. Большинство резисторов широкого применения - это резисторы групп С1 и С2.

 композиционные резисторы (резисторы группы СЗ и С4). Материал токопроводящего слоя в таких резисторах получают смешиванием проводящего компонента (графита или сажи) с органическими или неорганическими связующими компонентами, наполнителем, пластификатором и отвердителем. Полученную композицию наносят в виде пленки на поверхность изоляционного основания (резисторы СЗ) или спрессовывают в виде объемного цилиндра или параллелепипеда (резисторы С4). Композиционные материалы имеют широкий диапазон удельных сопротивлений, что позволяет получить на их основе резисторы с сопротивлениями от долей Ом до нескольких ТОм. Недостатком композиционных резисторов является большая, чем у резисторов групп С1 и С2, зависимость значения сопротивления от приложенного напряжения. Кроме того, они имеют большую ЭДС шумов. Композиционные резисторы используют в качестве резисторов широкого применения и специальных резисторов.

 высокомегаомные резисторы - резисторы, имеющие сопротивление R = 10⁷ - 10¹² Ом. Обычно в качестве высокомегаомных используют резисторы группы СЗ (СЗ - 10, СЗ - 13, СЗ - 14 и др.). Их применяют в специальных физических приборах, и в измерительной технике.

 прецизионные резисторы,

 высокочастотные резисторы,

 высоковольтные резисторы.

Непроволочные переменные резисторы по конструкции токонесущего слоя можно подразделить на:

• тонкослойные металлические или металлооксидные (СП2),

• пленочные композиционные (СПЗ),

• объемные композиционные (СП4).

По конструкции выводов переменные резисторы подразделяются на: резисторы, используемые при объемном и при печатном монтаже.

Проволочные резисторы бывают:

• постоянные,

• переменные.

Для проволочных постоянных резисторов используют провода из специальных сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление, хорошую теплостойкость, малый температурный коэффициент сопротивления (например, манганин, константан, сплав Х15Н60, сплав Х20Н80 и др.). Проволочные резисторы могут иметь практически любое сопротивление в диапазоне R = 0,001 Ом - 10 кОм, большую допустимую мощность рассеяния при относительно небольших размерах, высокую точность и хорошую температурную зависимость. Так как резисторы изготавливают намоткой провода на каркас, то они имеют большую индуктивность и собственную емкость. Для уменьшения индуктивности используют бифилярную обмотку (обмотка выполняется сдвоенным проводом, благодаря чему поля расположенных рядом витков направлены навстречу друг другу и вычитаются). Недостаток бифилярной обмотки – большая собственная емкость. Для получения малой индуктивности и емкости резисторов можно применять разбивку обмотки на секции, меняя по очереди направления намотки в них на противоположные. Проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных и применяют их в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявленным требованиям.

Проволочные переменные резисторы по конструкции можно подразделить на:

• однооборотные, с круговым перемещением подвижного контакта;

• многооборотные, с круговым перемещением подвижного контакта;

• многооборотные, с прямолинейным перемещением подвижного контакта.

В зависимости от размера и теплостойкости используемых материалов допустимая мощность рассеяния для проволочных переменных резисторов составляет от единиц до нескольких десятков ватт. Многооборотные резисторы могут иметь разную конструкцию выходных контактов: для печатного или навесного монтажа. У проволочных и металлофольговых резисторов в качестве материала проводящего элемента используют манганин и нихром.

По конструктивному исполнению резисторы изготовляют в нормальном и тропическом (все климатическом) вариантах и выполняют неизолированными (касание токоведущих частей не допускается), изолированными (касание токоведущих частей допускается), герметизированными, в том числе и вакуумными (герметично изолированными от окружающей среды).

Параметры резисторов[6,7,9,8]

У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений носителей зарядов (электронов) внутри твердого тела. Их среднюю мощность определяют по формуле:

Р_Ш = 4КТ∆f, (4.5.1)

где К - постоянная Больцмана, К = 1,38 10^-23 Дж/К; Т - абсолютная температура; ∆f = f₂ - f₁ – полоса частот, в которой измеряется мощность.

Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер. Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении к нему электрического напряжения. Действующее значение напряжения этих шумов находят из уравнения:

U_Ш  K₁U , (4.5.2)

где К₁ - постоянный для данного резистора параметр; U – постоянное напряжение на резисторе; f₂ и f₁ - высшая и низшая частоты, в полосе которых определяется шум.

Уровень токовых шумов оценивают отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе, измеренной в полосе частот ∆f = f₂ - f₁ , к постоянному напряжению на нем U:

D = U_Ш/U. (4.5.3)

Основная причина появления этого шума - временное изменение объемной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами проводника, имеющего зернистую структуру.

Значения шумов у непроволочных резисторов находятся в пределах 1 мкВ/В - 5 мкВ/В. У регулируемых резисторов этот показатель значительно выше и достигает 50 мкВ/В. Приведенные значения обычно задаются для полосы частот от f₁ = 60 Гц до f₂= 6 кГц.

В

Рис. 4.5.3. Эквивалентные схемы резисторов

эквивалентную схему резистора (рис.4.5.3) кроме сопротивления R входят конденсатор С и индуктивность L . Это обусловлено тем, что любой реальной резистор, даже выполненный в виде прямоугольного бруска, имеет определенную индуктивность. Емкость появляется между участками резистора, а также между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность и емкость имеют распределенный характер. Однако для упрощения это обычно не учитывают и используют одну из эквивалентных схем, показанных на рис. 4.5.3.

Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей, так и к некоторому изменению эквивалентного значения активной составляющей. Кроме того, в проволочных резисторах из-за проявления поверхностного эффекта сопротивление изменяется при повышении частоты [10]. Это существенно проявляется на частоте в несколько МГц. Но в точных устройствах поверхностный эффект следует учитывать на частоте в несколько кГц. (Пример, сопротивление медного провода диаметром 1 мм при f = 10 кГц увеличивается на 0,01%).

Относительная частотная погрешность  резистора

 = % , (4.5.4)

где Z - полное сопротивление резистора на интересующей частоте f.

При длительной эксплуатации происходит старение резисторов и их сопротивление изменяется. Так, например, у резисторов типа С2-6 сопротивление может изменяться до  20% после 15 000 ч работы. У некоторых типов резисторов после их выдержки в течение нескольких часов при повышенной температуре сопротивление не возвращается к начальному значению.

Значение сопротивления некоторых типов резисторов может меняться в зависимости от приложенного напряжения. Причиной этого является зависимость концентрации носителей тока и их подвижности от напряженности электрического поля. Учитывают это явление с помощью коэффициента напряжения

К_U = % , (4.5.5)

где R₁ и R₂ - сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих 10% -ной и 100% -ной номинальной мощности рассеяния резистора. Значение К_U может достигать единиц десятков процентов.

Надежность резистора существенно зависит также от температуры окружающей среды. Изменение сопротивления резистора при изменении температуры, характеризуется температурным коэффициентом сопротивления ТКR:

, (4.5.6)

где Т₁,Т₂ - температурный диапазон работы резистора, R₁ - сопротивление резистора при температуре Т₁, R₂ - сопротивление резистора при температуре Т₂.

Среди рассмотренных выше параметров можно выделить основные, которые указываются в справочных данных на резисторы, таковыми являются:

• Номинальные сопротивления - ГОСТ 2825-67.

• Допускаемые отклонения сопротивлений от номинальных величин.

• Номинальные мощности рассеивания Р (максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров свыше значений, указанных в технической документации, при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды).

• Предельное рабочее напряжение U (напряжение, которое может быть приложено к резистору без нарушения его работоспособности).

• Температурный коэффициент сопротивления ТКR.

• Уровень собственных шумов D.

• Максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания.

• Коэффициент напряжения К_U.

• Влагоустойчивость и термостойкость.