3.3. Резисторы

1. Общие сведения. Характеристики

Резисторы могут быть постоянными (сопротивление которых нельзя изменить) и переменными (сопротивление которых можно менять от нуля до некоторого максимального значения).

По конструкции различают пленочные, объемные и проволочные резисторы. В зависимости от материала, из которого выполняется токопроводящий (резистивный) элемент, резисторы подразделяются на углеродистые,

металлопленочные, металлооксидные, металлодиэлектрические, композиционные и полупроводниковые. Резисторы, выполненные из полупроводниковых материалов, в отличие от остальных, характеризуются нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Основной характеристикой резисторов является их номинальное сопротивление - значение сопротивления, которое должен иметь резистор в соответствии с нормативной документацией. Фактическое же значение сопротивления каждого резистора может отличаться от номинального. Выраженное в процентах отклонение фактического значения сопротивления от номинального называется допуском. Оно определяет класс точности резистора:

1 класс - отклонение  ± 5 %,

2 класс - отклонение  ±10 %,

3 класс - отклонение ± 20 %.

Постоянные резисторы имеют ограниченное число номинальных значений. Для каждого из классов они образуют ряды из 24 (для 1 класса), 12 (для 2 класса) и 6 (для 3 класса) чисел.

Для резисторов с меньшими допустимыми отклонениями установлены ряды номинальных значений из 48, 96 и 192 чисел.

 Для резисторов третьего класса точности номинальные значения сопротивления образуют следующий ряд чисел: 10, 15, 22, 33, 47, 68. Для резисторов второго класса точности в этот ряд входят еще шесть чисел: 12, 18, 27, 39, 56, 82. У резисторов первого класса ряд номинальных значений образует 24 числа. К ряду для второго класса добавляются следующие числа: 11, 13, 16, 20, 24, 30, 36, 43, 51, 62, 75, 91. Конкретные значения сопротивлений получают умножением соответствующих чисел рядов на 10ⁿ, где n - любое целое число.

Следует помнить, что допустимые отклонения указываются для определенной температуры и влажности.

Следующая важная характеристика резисторов - номинальная мощность рассеяния - максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна (выделена) на резисторе при сохранении его параметров в установленных пределах в течение длительного времени (срока службы). Этот параметр связан с выделением в проводнике теплоты при протекании по нему электрического тока. Количество выделяющейся в проводнике теплоты по закону Джоуля-Ленца прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению резистора и времени протекания тока. Эта теплота рассеивается в окружающую среду. Чем больше площадь поверхности резистора, тем быстрее отводится тепло и тем меньше он нагревается. Если теплоотвод осуществляется плохо, то возможно изменение сопротивления резистора и даже его сгорание.

В зависимости от геометрических размеров резисторы могут иметь мощность рассеяния от 0,01 до 500 Вт. На условных обозначениях мощность рассеяния показывается с помощью горизонтальных, вертикальных и наклонных линий внутри прямоугольника резистора (рис. 3.7).

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) - это параметр, характеризующий относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1⁰ С.

Частотные свойства резисторов определяются тем, что кроме активного сопротивления они обладают и реактивным сопротивлением (емкостным и индуктивным), которое зависит от формы и строения резистора. В связи с этим полное сопротивление резисторов зависит от частоты протекающего по ним переменного тока.

К характеристикам резисторов относятся также их электрическая прочность и уровень собственных шумов.

На корпусах резисторов указывается их номинальное сопротивление, класс точности (допустимые отклонения сопротивления от номинального) и тип резистора. Сопротивления до 100 Ом выражаются в омах, вместо запятой десятичной дроби ставится буква R, E или ничего не ставится. Сопротивления от 100 Ом до 100 кОм выражаются в килоомах и вместо запятой десятичной дроби ставится буква К. Сопротивления от 100 кОм до 100 МОм выражаются в мегаомах и вместо запятой десятичной дроби ставится буква М.

Например,  4,7 Ом - 4Е7;   47 Ом - 47 Е;   4,7 кОм - 4К7;   47 кОм - 47 К;  0,47 МОм - М47;  4,7 МОм - 4М7;  47 МОм - 47 М.

Допустимые отклонения сопротивления от номинального обозначаются буквами:

В последнее время все чаще применяют цветовую маркировку постоянных резисторов. Она представляет собой совокупность точек или круговых полос, нанесенных на поверхность резистора. Эти точки и полосы ставятся вместо цифр, обозначающих номинальное сопротивление резистора и допустимое отклонение его сопротивления от номинального. Перед применением цветового кода номинальное сопротивление выражают в омах двумя или тремя цифрами (последняя из которых не должна равняться нулю) и множителем 10ⁿ, где n - любое целое число от -2 до +9.

Маркировочные знаки располагают на резисторе слева направо в следующем порядке:

первый знак - первая цифра в значении сопротивления;

второй знак -  вторая цифра;

третий знак - третья цифра (или множитель, если значение номинального сопротивления выражено двумя цифрами);

четвертый знак - множитель (или допускаемое отклонение);

пятый знак - допускаемое отклонение.

Приняты следующие цвета маркировочных знаков:

Маркировочные знаки наносят ближе к одному из торцов резистора. Первым считается знак, расположенный рядом с торцом. Если длина резистора не позволяет сдвинуть маркировку к одному из концов, то последний знак делают в 1,5 раза крупнее остальных (рис. 3.8).

Переменные резисторы характеризуются следующими основными величинами сопротивления:

·       полное сопротивление – сопротивление между крайними выводами резистивного элемента;

·       установленное сопротивление – сопротивление между одним из крайних выводов резистивного элемента и выводом подвижного контакта.

Функциональная характеристика переменного резистора определяет зависимость его установленного сопротивления от положения подвижного контакта. По характеру  функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные (типа А) и нелинейные (логарифмические (Б), обратно-логарифмические (В) и др.).

Для определения среднего вывода переменного резистора нужно омметр подключать поочередно к двум различным выводам и наблюдать изменение сопротивления при вращении оси резистора. Необходимо найти два таких вывода, сопротивление между которыми не изменяется при вращении оси резистора. Тогда третий вывод будет средним.

2.Измерение сопротивления

Иногда в практике возникают ситуации, когда по маркировке на резисторе трудно определить его сопротивление. Тогда сопротивление измеряют. Для этого существуют различные способы. Рассмотрим основные из них: использование омметра, метод амперметра-вольтметра, мостовой метод.

Измерение сопротивлений с помощью омметра рассмотрено в приложении (ампервольтомметр АВО-63), а принцип работы омметра в главе 2.

Метод амперметра-вольтметра для измерения активных сопротивлений описан в главе 2 при рассмотрении способов подключения электроизмерительных приборов к участку цепи в зависимости от его сопротивления.

Измерение сопротивлений с помощью мостика Уитстона основано на балансировке электрической цепи, схема которой изображена на рисунке 3.9. Мостик состоит из трех резисторов сопротивлением R, R₁, R₂, которые вместе с резистором или прибором неизвестного сопротивления R_x образуют четырехугольник АВСD. В одну из диагоналей четырехугольника включается источник постоянного тока, в другую – магнитоэлектрический гальванометр с нулем посредине (индикатор нуля).

В качестве резистора R обычно используется магазин сопротивлений, в качестве резисторов R₁ и R₂ – реохорд (рис. 3.9) или градуированный переменный резистор с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота оси резистора (рис. 3.10 б). Сопротивления резисторов R, R₁, R₂ подбирают так, чтобы при замыкании ключей ток в цепи гальванометра отсутствовал. Пусть I₁ – сила тока, протекающего через резисторы R_x и R, а I₂ – сила тока, протекающего через резисторы R₁ и R_2.  При отсутствии тока через гальванометр потенциалы точек В и D одинаковы. Поэтому разности потенциалов на участках АВ и AD, а также на участках ВС и DC попарно равны: I₁R_x=I₂R₁  и  I₁R=I₂R₂. Разделив почленно первое равенство на второе, получим: R_x=RR₁/R₂. Если в качестве резисторов R₁ и R₂ используется реохорд, то отношение сопротивлений R₁/R₂ можно заменить отношением  длин частей реохорда L₁/L₂. Тогда получим R_x=R L₁/L₂.

При проведении измерений устанавливают движок реохорда или переменного резистора примерно в среднее положение. На магазине  устанавливают некоторое ненулевое сопротивление. Сначала замыкают цепь источника, затем на короткое время замыкают цепь гальванометра. Изменяя сопротивление магазина, добиваются, чтобы ток через гальванометр почти полностью прекратился. Далее, плавно перемещая движок реохорда, точнее устанавливают стрелку гальванометра на нуль.  После этого определяют сопротивления R, R₁, R₂ и высчитывают сопротивление R_x.

Если в распоряжении исследователя имеются три магазина сопротивлений, то их можно использовать в качестве всех известных резисторов – R, R₁ и R₂ (рис. 3.10а). Удобно установить одинаковыми сопротивления резисторов R и R₂. Тогда при балансе моста сопротивление резистора R_x равно сопротивлению магазина R₁.

Описанный мост (он называется одинарным четырехплечным) применяют для измерения больших сопротивлений, от десятков ом и выше; при измерении малых сопротивлений возникают погрешности, обусловленные влиянием соединительных проводов и сопротивлений контактов.