Глава 6 пассивные компоненты радиоэлектронной аппаратуры

 

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) содержит огромное количество радиокомпонентов, то есть самостоятельных (комплектующих) изделий, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, обеспечивающей необходимую обработку электрических сигналов. Радиокомпоненты являются неделимой составной частью радиоэлектронной аппаратуры, их устанавливают при выполнении сборочно-монтажных операций. В качестве радиокомпонентов выступают транзисторы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д. К радиокомпонентам относятся также интегральные микросхемы (ИМС), которые, в свою очередь, состоят из большого числа радиоэлементов, реализующих функции транзисторов, резисторов и т.д.

Понятия «радиоэлемент» и «радиокомпонент» во многом тождественны. Во всяком случае, функции, выполняемые ими, одинаковы. Транзистор в полупроводниковой ИМС, выступающий как элемент интегральной схемы, неотделимый от нее, выполняет те же функции, что и дискретный транзистор, выступающий как компонент радиоэлектронной аппаратуры. Принцип действия радиокомпонентов основан на взаимодействии с электрическим или магнитным полем, то есть базируется на электрофизических свойствах радиоматериалов.

Радиокомпоненты делят на две группы: активные и пассивные. К активным компонентам относят диоды, транзисторы, электронные лампы, микросхемы, то есть такие компоненты, которые способны преобразовывать электрические сигналы и усиливать их мощность. К пассивным компонентам относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, коммутационные элементы, то есть такие компоненты, которые предназначены для перераспределения электрической энергии. Несмотря на то, что ИМС имеют большой удельный вес в РЭА, пассивные компоненты являются самыми распространенными изделиями электронной промышленности. В современной РЭА доля дискретных резисторов составляет от 15 до 50%всех элементов принципиальной схемы, доля дискретных конденсаторов составляет около 25%, практически все катушки индуктивности и трансформаторы являются дискретными компонентами.

 

6.1. Резисторы

Резисторы предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действия резисторов основан на способности радиоматериалов оказывать сопротивление протекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду.

6.1.1. Классификация и конструкции резисторов

По назначению дискретные резисторы делят на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокоомные и специальные. По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяют на постоянные, переменные и специальные. Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, у переменных резисторов предусмотрена возможность изменения сопротивления в процессе эксплуатации, сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов: протекающего тока или приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещения (фоторезисторы) и т.д.

По виду токопроводящего элемента различают проволочные и непроволочные резисторы. По эксплуатационным характеристикам дискретные резисторы делят на термостойкие, влагостойкие, вибро- и ударопрочные, высоконадежные.

Основным элементом конструкции постоянного резистора является резистивный элемент, который может быть либо пленочным, либо объемным. Величина объемного сопротивления материала определяется количеством свободных носителей заряда в материале, температурой, напряженностью поля и выражается известным соотношением

                                         (6.1)

где ρ – удельное электрическое сопротивление материала; l – длина резистивного слоя; s – площадь поперечного сечения резистивного слоя.

В чистых металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, поэтому они имеют малое ρ и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т.д., имеющие большое ρ.

Для расчета сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления r_s, под которым понимают сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина ρ_s связана с величиной ρ и легко может быть получена из (6.1), если принять в ней s = δ·w, где w – ширина резистивной пленки. δ – толщина резистивной пленки. Тогда

                                       (6.2)

где – удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки δ. Если l = w, то R = ρ_s, причем значение сопротивления не зависит от размеров сторон квадрата.

На рис. 6.1 представлено устройство пленочного резистора. На диэлектрическое цилиндрическое основание 1 нанесена резистивная пленка 2. На торцы цилиндра надеты контактные колпачки 3 из проводящего материала с припаянными к ним выводами 4. Для защиты резистивной пленки от воздействия внешних факторов резистор покрывают защитной пленкой 5.

Рис. 6.1. Конструкция постоянного пленочного резистора

Сопротивление такого резистора определяется

                                            (6.3)

где l – длина резистора (расстояние между контактными колпачками); D – диаметр цилиндрического стержня.

Такая конструкция резистора обеспечивает получение сравнительно небольших сопротивлений (сотни Ом). Для увеличения сопротивления резистивную пленку 2 наносят на поверхность керамического цилиндра 1 в виде спирали (рис. 6.2). Сопротивление такого резистора определяется

,                                       (6.4)

где t – шаг спирали; а – ширина канавки (расстояние между соседними витками спирали); N – число витков спирали.

Рис. 6.2. Конструкция постоянного резистора с пленкой в виде спирали

На рис. 6.3 показана конструкция объемного резистора, представляющего собой стержень 1 из токопроводящей композиции круглого или прямоугольного сечения с запрессованными проволочными выводами 2. Снаружи стержень защищен стеклоэмалевой или стеклокерамической оболочкой 3. Сопротивление такого резистора определяется (6.1).

Рис. 6.3. Конструкция объемного резистора

Постоянный проволочный резистор представляет собой изоляционный каркас, на который намотана проволока с высоким удельным электрическим сопротивлением. Снаружи резистор покрывают термостойкой эмалью, опрессовывают пластмассой или герметизируют металлическим корпусом, закрываемым с торцов керамическими шайбами.

Для гибридных ИМС выпускают микромодульные резисторы, представляющие собой стержень из стекловолокна с нанесенным на поверхность тонким слоем токопроводящей композиции. Такие резисторы приклеивают к контактным площадкам подложек токопроводящим клеем – контактолом.

Резисторы гибридных ИМС изготавливают в виде резистивных пленок, наносимых на поверхность диэлектрической подложки. Эти резисторы могут быть тонкопленочными (толщина пленки порядка 1 мкм) и толстопленочными (толщина пленки порядка 20 мкм).

Резисторы полупроводниковых ИМС представляют собой тонкую (толщиной 2–3 мкм) локальную область полупроводника, изолированную от подложки и защищенную слоем SiO₂.

Конструкции переменных резисторов гораздо сложнее, чем постоянных. На рис. 6.4 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

Рис. 6.4. Переменный непроволочный резистор

Этот резистор состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть представляет собой пластмассовый круглый корпус 2, в котором смонтирован токопроводящий элемент 3, имеющий подковообразную форму. Посредством заклепок 6 он крепится к круглому корпусу. Эти заклепки соединены с внешними выводами 4. Подвижная часть представляет собой вращающуюся ось, с торцом которой 7 посредством чеканки соединена изоляционная планка 8, на которой смонтирован подвижный контакт 1 (токосъемник), соединенный с внешним выводом. Угол поворота оси составляет 270° и ограничивается стопором 5.

Существуют и другие конструкции переменных непроволочных резисторов. Токопроводящий элемент в них представляет собой тонкую графитовую, металлическую, металлооксидную или композиционную пленку.

Переменные резисторы могут иметь разный закон изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси (рис. 6.5).

Рис. 6.5 Зависимость изменения сопротивления переменных резисторов от угла поворота

У линейных резисторов (типа А) сопротивление зависит от угла поворота линейно. У логарифмических резисторов (тип Б) сопротивление изменяется по логарифмическому закону, а у резисторов типа В – по обратнологарифмическому.

Кроме того, существуют резисторы, у которых сопротивление изменяется по закону синуса или косинуса.

Некоторые типы переменных резисторов состоят из двух переменных резисторов, объединенных в единую конструкцию, в которой токосъемники расположены на общей оси. Существуют переменные резисторы, содержащие выключатель, контакты которого разомкнуты, если ось резистора повернута в крайнее положение при вращении против часовой стрелки. При повороте оси по часовой стрелке на небольшой угол контакты выключателя замыкаются. Некоторые типы резисторов комплектуются специальными стопорящими устройствами, жестко фиксирующими положение оси.

Рассмотрим переменный проволочный резистор с круговым перемещением токосъемника (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Конструкция переменного проволочного резистора с круговым перемещением токосъемника

В пластмассовом корпусе 7 с помощью цанговой втулки 3 укреплена поворотная ось 2, на которой закреплен изоляционный диск с контактной пружиной (ползуном) 4, скользящей по проводу обмотки 9, укрепленной на гетинаксовой дугообразной пластине 6. Концы обмотки соединены с выводами 8, а ползун через контактное кольцо соединен с внешним контактным лепестком 10. Положение оси может быть зафиксировано стопорной разрезной гайкой 1, а угол поворота оси ограничен выступами корпуса, в которые упирается планка-ограничитель 5, закрепленная на оси.

Помимо переменных резисторов с круговым перемещением существуют резисторы с прямолинейным перемещением подвижного контакта. В этом случае контактный ползун укрепляется не на поворотной, а на червячной оси.

Выбор типа резистора (постоянного или переменного) для конкретной схемы производится с учетом условий работы и определяется параметрами резисторов. Резистор нельзя рассматривать как элемент, обладающий только активным сопротивлением, определяемым его резистивным элементом. Помимо сопротивления резистивного элемента он имеет емкость, индуктивность и дополнительные паразитные сопротивления (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Эквивалентная схема постоянного резистора

На схеме (рис. 6.7) R_R – сопротивление резистивного элемента, R_из – сопротивление изоляции, определяемое свойством защитного покрытия и основания, R_к – сопротивление контактов, L_R – эквивалентная индуктивность резистивного слоя и выводов резистора, C_R – эквивалентная емкость резистора, С_в1 и С_в2 – емкости выводов. Активное сопротивление резистора определяется соотношением

                                       (6.5)

Сопротивление R_к имеет существенное значение только для низкоомных резисторов. Сопротивление R_из практически влияет на общее сопротивление только высокоомных резисторов. Реактивные элементы определяют частотные свойства резистора. Из-за их наличия сопротивление резистора на высоких частотах становится комплексным. Относительная частотная погрешность определяется соотношением

                                     (6.6)

где Z – комплексное сопротивление резистора на частоте ω.

На практике, как правило, величины L и С неизвестны. Поэтому для некоторых типов резисторов указывают значение обобщенной постоянной времени τ_max, которая связана с относительной частотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением:

                                                     (6.7)

Частотные свойства непроволочных резисторов значительно лучше, чем проволочных.

 

6.1.2. Параметры резисторов

Параметры резисторов характеризуют эксплуатационные возможности применения конкретного типа резистора в конкретной электрической схеме.

6.1.2.1.Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение от номинала. Номинальное сопротивление R_ном и его допустимое отклонение от номинала ±ΔR являются основными параметрами резисторов. Номиналы сопротивлений стандартизованы в соответствии с ГОСТ 28884–90. Для резисторов общего назначения ГОСТ предусматривает шесть рядов номинальных сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 и Е192. Цифра указывает количество номинальных значений в данном ряду, которые согласованы с допустимыми отклонениями (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Числовые коэффициенты для определения номинальных значений сопротивлений

E24	E12	E6
1,0	1,0	1,0
1,1	–	–
1,2	1,2	–
1,3	–	–
1,5	1,5	1,5
1,6	–	–
1,8	1,8	–
2,0	–	–
2,2	2,2	2,2
2,4	–	–
2,7	2,7	–
3,0	–	–
3,3	3,3	3,3
3,6	–	–
3,9	3,9	–
4,3	–	–
4,7	4,7	4,7
5,1	–	–
5,6	5,6	–
6,2	–	–
6,8	6,8	6,8
7,5	–	–
8,2	8,2	–
9,1	–	–

Номинальные значения сопротивлений определяются числовыми коэффициентами, входящими в табл. 6.1, которые умножаются на 10ⁿ, где п – целое положительное число. Так, например, числовому коэффициенту 1,0 соответствуют резисторы с номинальным сопротивлением, равным 10,100,1000 Ом и т.д. Допустимые отклонения от номинала для ряда Е6 составляют ±20%, для ряда Е12 – ±10%, для ряда Е24 – ±5%. Это значит, что резистор с сопротивлением в пределах 1,5 кОм из ряда Е12 может обладать сопротивлением в пределах от 1,35 до 1,65 кОм, а тот же резистор из ряда Е6 – в пределах от 1,2 до 1,8 кОм. Числовые коэффициенты, определяющие номинальные значения сопротивлений, подобраны так, что образуется непрерывная шкала сопротивлений, то есть максимально возможное сопротивление какого-либо номинала совпадает (или несколько больше) с минимальной величиной сопротивления соседнего более высокого номинала.

Прецизионные резисторы имеют отклонения от номинала ±2%; ±1%; ±0,5%; ±0,2%; ±0,1%; ±0,05%; ±0,02%и ±0,01%.

6.1.2.2. Номинальная мощность рассеивания. Р_ном определяет допустимую электрическую нагрузку, которую способен выдержать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления.

Протекание тока через резистор связано с выделением тепла, которое должно рассеиваться в окружающую среду. Мощность, выделяемая в резисторе в виде тепла, определяется величиной приложенного к нему напряжения U и протекающего тока I и равна

P_выд=U·I                                       (6.8)

Мощность, рассеиваемая резистором в окружающую среду, пропорциональна разности температур резистора T_R и окружающей среды Т_о:

                                   (6.9)

Эта мощность зависит от условий охлаждения резистора, определяемых значением теплового сопротивления R_Т, которое тем меньше, чем больше поверхность резистора и теплопроводность материала резистора.

Следовательно, при увеличении мощности, выделяемой в резисторе, возрастает его температура T_R,что может привести к выходу резистора из строя. Для того чтобы этого не произошло, необходимо уменьшить R_Т, что достигается увеличением размеров резистора. Для каждого типа резистора существует определенная максимальная температура T_max, превышать которую нельзя.

Температура T_R зависит также от температуры окружающей среды. Если она очень высока, то температура T_R может превысить максимальную. Чтобы этого не произошло, необходимо уменьшать мощность, выделяемую в резисторе. Для всех типов резисторов в ТУ оговаривают указанные зависимости мощности от температуры окружающей среды. Номинальные мощности стандартизованы (ГОСТ 24013–80 и ГОСТ 10318–80) и соответствуют ряду: 0,01;0,025;0,05;0,125;0,25;0,5;1;1,2;5;8;10;16;25;50;75;100;160;250;500 Вт.

6.1.2.3. Предельное рабочее напряжение. U_пред определяет величину допустимого напряжения, которое может быть приложено к резистору. Для резисторов с небольшой величиной сопротивления (сотни Ом) эта величина определяется мощностью резистора и рассчитывается по формуле

                            (6.10)

Для остальных резисторов предельное рабочее напряжение определяется конструкцией резистора и ограничивается возможностью электрического пробоя, который, как правило, происходит по поверхности между выводами резистора или между витками спиральной нарезки. Напряжение пробоя зависит от длины резистора и давления воздуха. При длине резистора не превышающей 5 см оно определяется по формуле

                              (6.11)

где Р – давление, мм рт.ст.; l – длина резистора, см.

Значение U_пред указывается в ТУ, оно всегда меньше U_npoб. При испытании резисторов на них подают испытательное напряжение U_исп, которое больше U_пред и меньше U_npo6.

6.1.2.4. Температурный коэффициент сопротивления. ТКС характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры:

                                   (6.12)

Этот коэффициент может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка толстая, то она ведет себя как объемное тело, сопротивление которого с ростом температуры возрастает. Если же резистивная пленка тонкая, то она состоит из отдельных «островков», сопротивление такой пленки с ростом температуры уменьшается, так как улучшается контакт между отдельными «островками». У различных резисторов эта величина лежит в пределах ±(7 –12)∙10^–4.

6.1.2.5. Коэффициент старения. β_R характеризует изменение сопротивления, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет процессов окисления, кристаллизации и т.д:

                                             (6.13)

В ТУ обычно указывают относительное изменение сопротивления в процентах за определенное время (1000 или 10 000 ч).

6.1.2.6. Коэффициент напряжения. К_н характеризует влияние, приложенного напряжения на сопротивление. В некоторых типах резисторов при высоких напряжениях изменяется сопротивление. В непроволочных резисторах это обусловлено уменьшением контактного сопротивления между отдельными зернами резистивной пленки. В проволочных резисторах это обусловлено дополнительным разогревом проволоки при повышенных напряжениях:

                                         (6.14)

где R₁₀₀ – сопротивление резистора при напряжении U_пред; R₁₀ – сопротивление резистора при напряжении 0,1· U_пред.

6.1.2.7. ЭДС шумов резистора.Электроны в резистивном элементе находятся в состоянии хаотического теплового движения, в результате которого между любыми точками резистивного элемента возникает случайно изменяющееся электрическое напряжение и между выводами резистора появляется ЭДС тепловых шумов. Тепловой шум характеризуется непрерывным, широким и практически равномерным спектром. Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением

                                  (6.15)

где К= 1,38·10^–23Дж/К– постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, К; R – сопротивление, Ом; Δf – полоса частот, в которой измеряются шумы.

При комнатной температуре (T=300 К)

                                            (6.16)

Если резистор включен на входе высокочувствительного усилителя, то на его выходе будут слышны характерные шумы. Снизить уровень этих шумов можно, лишь уменьшив сопротивление R или температуру Т.

Помимо тепловых шумов существует токовый шум, возникающий при прохождении через резистор тока. Этот шум обусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При прохождении тока возникают местные перегревы, в результате которых изменяется сопротивление контактов между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно, изменяется значение сопротивления, что ведет к появлению между выводами резистора ЭДС токовых шумов E_i. Токовый шум, так же как и тепловой, имеет непрерывный спектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот.

Поскольку величина тока, протекающего через резистор, зависит от значения приложенного напряжения U, то в первом приближении можно считать

E_i =K_i·U,                                      (6.17)

где K_i – коэффициент, зависящий от конструкции резистора, свойств резистивного слоя и полосы частот.

Величина K_i, указывается в ТУ и лежит в пределах от 0,2–20 мкВ/В. Чем однороднее структура, тем меньше токовый шум. У металлопленочных и углеродистых резисторов K_i< 1,5 мкВ/В, у композиционных поверхностных резисторов K_i< 40 мкВ/В, у композиционных объемных резисторов K_i< 45 мкВ/В. У проволочных резисторов токовый шум отсутствует. Токовый шум измеряется в полосе частот от 60 до 6000 Гц. Его величина значительно превышает величину теплового шума.

6.1.3. Система обозначений и маркировка резисторов

До 1968 г. обозначение резисторов состояло из букв, отражающих конструктивно-технологические особенности данного типа резистора, например, МЛТ – металлопленочный лакированный теплостойкий.

С 1968 г. в соответствии с ГОСТ 13453–68 постоянные резисторы стали обозначаться буквой С, а переменные – буквами СП. По конструкции токонесущей части резисторы разделены на шесть групп:

1. непроволочные углеродистые или бороуглеродистые;

2. непроволочные металлопленочные или металлооксидные;

3. непроволочные тонкопленочные композиционные;

4. непроволочные объемные композиционные;

5. проволочные;

6. резисторы для сверхвысоких частот.

Согласно ГОСТ, в обозначении резисторов после букв С или СП стоит цифра, указывающая номер группы, а затем через дефис – номер конкретной конструкции резистора. Например, обозначение С2–8 означает: резистор постоянный второй группы, восьмой вариант конструкции.

С 1980 г. стала применяться другая система обозначений, также состоящая из трех элементов:

1. первый элемент – буквенный: Р – постоянный резистор,
РП – переменный резистор, РН – набор резисторов;

2. второй элемент – цифра: 1 – непроволочный резистор,
2 – проволочный резистор;

3. третий элемент – цифра, обозначающая разновидность конструкции.

Например, Р2-15 означает: резистор постоянный, проволочный, 15-й вариант конструкции. В конструкторской документации помимо типа резистора указывают номинальную мощность, номинальное сопротивление, допуск на сопротивление и ряд других параметров.

На принципиальных схемах резисторы изображают в виде прямоугольника с указанием сопротивления, мощности и порядкового номера (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Условные графические изображения резисторов на схемах электрических принципиальных

Мощность указывают наклонными, продольными или поперечными линиями внутри прямоугольника: а –0,125 Вт; б –0,25 Вт; в –0,5 Вт; г –1 Вт; д –2 Вт. Изображение переменных резисторов показано на рис. 6.8, е, а подстроенных – на рис. 2.9, ж.

Основные параметры резисторов указывают на его корпусе, но для миниатюрных резисторов не хватает места на корпусе, поэтому ГОСТ 11076–69 предусматривает сокращенную буквенно-кодовую маркировку. При такой маркировке вместо запятой в наборе цифр, означающих номинальное значение сопротивления, ставят букву, указывающую, в каких единицах выражено сопротивление: R (или Е) – в омах, К – в килоомах, М – в мегаомах, G – в гигаомах, Т – в тераомах. При этом ноль, стоящий до или после запятой, не ставят. После указания величины номинального сопротивления ставят букву, обозначающую допуск, в соответствии с табл. 6.2.

Таблица 6.2

Маркировка резисторов по ГОСТ 11076–69

Допустимое отклонение, %	±0,1	±0,2	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	±30
Обозначение	Ж	У	Д	Р	Л	И	С	В	Ф

В последнее время стала применяться международная система обозначений в соответствии с табл. 6.3.

Таблица 6.3

Маркировка резисторов по международной системе обозначений

Допустимое отклонение, %	±0,001	±0,002	±0,005	±0,01	±0,02	±0,05	±0,1
Обозначение	E	L	R	P	U	X	B
Допустимое отклонение, %	±0,25	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	±30
Обозначение	C	D	F	G	I	K	M	N

Например, резистор с сопротивлением 0,47 кОм и допуском ±20% маркируют К47В или К47М.

Помимо буквенно-цифровой применяется цветовая индексация номинального сопротивления и допуска на корпусе резистора (ГОСТ 28883–90). Вблизи одного из торцов корпуса наносят 4 цветных полоски: первая обозначает первую цифру номинала; вторая – вторую цифру номинала; третья – множитель; четвертая – величину допуска, цвет полосок стандартизован (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Цветовой код для маркировки радиоэлементов

Цвет кольца	Первое кольцо	Второе кольцо	Третье кольцо	Четвертое кольцо
Черный	–	0	,0	–
Коричневый	1	1	0	±1%
Красный	2	2	00	±2%
Оранжевый	3	3	000	–
Желтый	4	4	0000	–
Зеленый	5	5	00000	–
Синий	6	6	000000	–
Феолетовый	7	7	–	–
Серый	8	8	–	–
Белый	9	9	–	–
Золотистый	–	–	0,1	±5%
Серебристый	–	–	0,01	±10%

 

6.1.4. Конструктивно-технологические разновидности резисторов

В зависимости от конкретных условий работы в РЭА применяются различные типы резисторов.

6.1.4.1. Непроволочные тонкослойные постоянные резисторы.У резисторов группы С1 токопроводящий слой представляет собой пленку пиролитического углерода, а у резисторов группы С2 – пленку сплава металла или оксида металла. Эти резисторы являются резисторами широкого применения с допусками ±5, ±10 или ±20% и мощностью от 0,125 до 2 Вт. Помимо резисторов С1 и С2 к этой категории резисторов относятся резисторы типов МЛТ, МТ и ВС.

Поскольку металл обладает более высокой теплостойкостью, чем углерод, то резисторы С2,при равной мощности имеют меньшие, чем С1, габариты. Резисторы С2 обладают более высокой стабильностью при циклических изменениях температуры. Недостатком металлопленочных резисторов является небольшая стойкость к импульсной нагрузке и меньший частотный диапазон, чем у углеродистых. Объясняется это тем, что токопроводящий слой у металлопленочных резисторов толще, чем у углеродистых резисторов, поэтому увеличивается паразитная емкость между витками резистивной спирали. На основе резисторов С2 создаются также прецизионные резисторы с допусками ±(0,1–1)%. Прецизионные резисторы имеют большие габариты, чем резисторы общего применения. Это облегчает тепловые режимы и повышает стабильность свойств проводящего слоя.

6.1.4.2. Композиционные резисторы.У этих резисторов токопроводящий материал получают путем смешивания проводящего компонента (графита или сажи) со связующими компонентами, наполнителем, пластификатором и отвердителем. В резисторах группы С3 полученную композицию наносят на поверхность изоляционного основания, а в резисторах группы С4 спрессовывают в виде объемного цилиндра или параллелепипеда. В зависимости от состава композиционные материалы имеют очень широкий диапазон удельных сопротивлений. Объемные композиционные резисторы С4 имеют прямоугольную форму и предназначены для установки на печатных платах. Они обладают высокой теплостойкостью (до 350°С) и имеют небольшие габариты. Недостатком композиционных резисторов является высокий уровень токовых шумов, что объясняется крупнозернистой структурой проводящего материала.

6.1.4.3. Проволочные постоянные резисторы. Для изготовления этих резисторов используют провод из специальных сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление, хорошую теплостойкость и малый температурный коэффициент сопротивления. Эти резисторы обладают очень высокой допустимой мощностью рассеивания (десятки Вт) при относительно небольших размерах, высокой точностью и хорошей температурной стабильностью. Так как резисторы изготавливают путем намотки провода на каркас, то они имеют большую индуктивность и собственную емкость. Для уменьшения индуктивности применяют бифилярную намотку, при которой обмотку резистора выполняют сдвоенным проводом, благодаря чему поля расположенных рядом витков направлены навстречу друг другу и вычитаются. Уменьшение индуктивности достигается также путем намотки на плоский каркас. Недостатком бифилярной намотки является большая собственная емкость. Для получения малых значений индуктивности и емкости применяют разбивку обмотки на секции, в каждой из которых поочередно меняется направление намотки.

Проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных, поэтому применяют их в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявляемым требованиям.

6.1.4.4. Высокочастотные резисторы и резисторы СВЧ.Эти резисторы обладают небольшими собственными индуктивностью и емкостью, что обеспечивается отсутствием спиральной нарезки, но при этом сопротивление не превышает 200–300 Ом. Однако это не является недостатком, так как на СВЧ высокие номиналы сопротивлений не применяют. В ряде случаев высокочастотные резисторы изготавливают без проволочных выводов и эмалевого покрытия, что уменьшает паразитную индуктивность и шунтирующее действие диэлектрика. На сверхвысоких частотах применяют резисторы группы С6, способные работать на частотах до 10 ГГц. К категории высокочастотных относятся также резисторы типов: С2–11, С2–34, МОН (металлоокисидные незащищенные) и МОУ (металлоокисидные ультравысокочастотные). На высоких частотах находят применение, кроме того, микропроволочные малогабаритные резисторы типа С5–32 Т, имеющие длину 6 мм, диаметр 2,6 мм и паразитную индуктивность не более 0,1 мкГн. Эти резисторы имеют мощность 0,125 Вт и номинальное сопротивление от 0,24 до 300 Ом с точностью 0,5;1;2 и 5%.

 

6.1.5. Специальные резисторы

К категории специальных резисторов относят резисторы, сопротивление которых зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, магнитного поля и т.д.

6.1.5.1. Варисторы.Это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Варисторы изготавливают путем спекания кристаллов карбида кремния и связующих веществ. В готовой структуре варистора между кристаллами кремния существуют мельчайшие зазоры. При приложении к варистору внешнего напряжения происходит перекрытие этих зазоров, в результате чего сопротивление варистора уменьшается. Типичный вид вольт-амперной характеристики показан на рис. 6.9.

Рис. 6.9 Вольт-амперная характеристика варистора

Параметрами варистора являются:

1. номинальное напряжение U_ном;

2. номинальный ток I_ном;

3. статическое сопротивление ;

4. дифференциальное сопротивление ;

5. коэффициент нелинейности .

Поскольку сопротивление варисторов значительно меняется с изменением приложенного напряжения, то они находят применение в качестве регулирующих элементов в устройствах автоматики. В обозначении варисторов содержатся буквы СН (сопротивление нелинейное).

6.1.5.2. Терморезисторы.Это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от температуры (рис. 6.10, а). Вследствие нелинейности температурной характеристики вольт-амперная характеристика будет также нелинейной (рис. 6.10, б).

Рис. 6.10 Зависимость сопротивления терморезистора от температуры (а) и его
вольт-амперная характеристика (б)

При малых токах ВАХ практически линейна (участок ОМ), поскольку мощность, выделяемая в терморезисторе, недостаточна для того, чтобы заметно нагреть его. При больших токах сопротивление резистора уменьшается, что сопровождается уменьшением напряжения на нем.

Основными параметрами терморезисторов являются:

1. номинальное сопротивление R_н при Т=20°С;

2. температурный коэффициент сопротивления ТКС;

3. максимально допустимая мощность рассеяния Р_max;

4. постоянная времени τ, численно равная времени, в течение которого температура резистора при перенесении его из воздушной среды с температурой 0°С в воздушную среду с температурой 100°С изменяется на 63%.

Терморезисторы используют в системах измерения и регулирования температуры. В обозначении терморезисторов содержатся буквы СТ.

Также к специальным резисторам можно отнести:

Фоторезисторы – это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется под воздействием света. Они используются в качестве датчиков освещенности.

Тензорезисторы – это резисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием механических воздействий.