Из чего сделан резистор

8. Изготовление резисторов

Резисторы принадлежат к числу наиболее массовых элементов радиоаппаратуры. Масштабы производства и номенклатура их расширяются с каждым годом. Резисторы составляют от 16 до 50% общего числа элементов схемы радиоприборов. Их изготовление осуществляется в основном на специализированных предприятиях.

Радиопромышленность выпускает резисторы сопротивлением от нескольких ом до 10 Мом с допускаемыми отклонениями действительного значения сопротивления от номинала в пределах ±1, 2, 3, 5, 10 и 20%. Резисторы с допускаемыми отклонениями менее 1% применяются в радиоаппаратуре сравнительно редко.

Одним из самых массовых видов радиодеталей являются непроволочные резисторы; их количество в современной радиоаппаратуре достигает более одной трети (40%) от общего числа резисторов. Следовательно, надежность работы радиотехнических устройств в значительной степени зависит от качества этих элементов. Основной тенденцией в разработках непроволочных резисторов за последние годы является повышение допустимой эксплуатационной температуры окружающей среды и удельной мощности рассеяния, позволяющих уменьшить размеры изделий, а также увеличение точности изготовления резисторов заданного номинального значения.

Большое внимание уделяется также работам по снижению собственных шумов непроволочных резисторов.

В последнее время созданы малогабаритные резисторы, получившие название «миниатюрных», «субминиатюрных» и «микроминиатюрных», предназначенные главным образом для работы в схемах с полупроводниковыми приборами.

По назначению все резисторы — проволочные; и непроволочные — могут быть разделены на резисторы общего и специального назначения.

Резисторы общего назначения применяются в качестве анодных нагрузок ламп, поглотителей и делителей в цепях питания элементов фильтров, генераторов шумов, регуляторов громкости и тембра, в цепях формирования импульсов, в измерительных приборах невысокой точности и т. п. Диапазон величин сопротивлений таких резисторов от 10 ом до 10 Мом. Номинальные мощности рассеяния от 0,125 до 100 вт.

Резисторы специального назначения, обладающие определенными специфическими свойствами и параметрами, в свою очередь разделяются на выскоомные резисторы с сопротивлением до 10 13 ом и рабочим напряжением 100—300 в; высоковольтные с сопротивлением до 10 11 ом и рабочим напряжением от 10 до 60 кв; высокочастотные, работающие на частотах свыше 10 Мгц (при искусственном охлаждении перечисленные резисторы имеют номинальные мощности рассеяния 5; 20 и 50 кет); прецизионные и полупрецизионные резисторы с величиной номинальных сопротивлений от 0,1 до 1 Мом и номинальной мощностью рассеяния не более 10 вт; миниатюрные резисторы с номинальным сопротивлением до 5 Мом и мощностью рассеяния 0,01—0,125 am.

Резисторы специального назначения применяются в устройствах для измерения очень малых токов, в дозиметрах различного рода излучений, в делителях напряжения и поглотителях в высоковольтных установках, в цепях искрогашения, разряда конденсаторов фильтров, в качестве согласующих нагрузок, аттенюаторов, эквивалентов антенн, в точных измерительных приборах, вычислительных машинах, релейных системах, магазинах сопротивлений и в малогабаритной радиоаппаратуре.

В зависимости от материала проводящего элемента непроволочные резисторы разделяют на следующие группы: углеродистые, металлопленочные и металлоокисные, композиционные, проволочные и полупроводниковые.

Конструкция резисторов и используемые материалы

Конструкция резистора учитывает назначение резистора дан­ного типа, условия эксплуатации, особенности используемых мате­риалов.

Рис. 8. Осевые и радиальные тапы выводов непроволочных резисторов

Конструктивно непрово­лочный резистор, чаще всего, представляет собой изделие, состоящее из неразъемно со­единенных основания, с укреп­ленным на нем резистивным элементом и электрическими выводами, которые могут иметь осевое или радиальное (рис. 8.8) расположение.

По способу защиты от внешних воздействий резисторы под­разделяются на неизолированные (не допускают касания своим кор­пусом металлических частей РЭС), изолированные (имеют изоляци­онное покрытие и допускают касание корпуса), герметизированные (имеют защитный герметичный корпус из прессованного компаунда), вакуумные (резистивный элемент помещен в стеклянную колбу).

Для металлопленочных резисторов в качестве материалов резистивного элемента применяют металлы и сплавы толщиной несколько микрометров. Углеродистые и бороуглеродистые рези­сторы имеют в качестве резистивного элемента пленку пиролитического углерода или борорганических соединений. К толстопленочным материалам резистивных элементов относятся керметы (спеченная композиция порошков керамики и сплавов металлов), сажа с наполни­телями, проводящие пластмассы, получаемые специальной термообработкой.

Материалами резистивного элемента композиционных рези­сторов является гетерогенная смесь проводящего вещества (например, графита или сажи) с органическими или неорганическими связующими смолами (например, эпоксидными, кремнийорганическими), наполнителем, пластификатором и отвердителем. Таким способом удается изготавливать композиционные резисторы с элек­трическим сопротивлением от долей ома до нескольких тераом. Не­достатками композиционных резисторов следует считать заметную зависимость электрического сопротивления от приложенного напря­жения и рассеиваемой мощности, а также значительный уровень собственных шумов из-за зернистости структуры резистивного эле­мента. Эта же особенность является причиной постепенного изме­нения электрического сопротивления (старения) при длительной нагрузке.

Проволочные постоянные ре­зисторы имеют наиболее простую конструкцию (рис. 9), включающую проволочный резистивный элемент, керамическую основу, электрические выводы и покрытие (глазурованная эмаль).

Рис. 9. Типовые конструкции постоянных проволочных ре­зисторов общего применения

В проволочных резисторах при­меняется проволока из сплавов с вы­соким удельным сопротивлением, до­статочной механической прочностью, термостойкостью, технологич­ностью (способностью протягиваться в проволоку диаметром поряд­ка сотых долей миллиметра). Наиболее часто в производстве про­волочных резисторов используются сплавы: манганин (Сu 86%; Mn 12%; Ni 2%), нихром (Ni 60%; Сr 15%; Fe 25%), константан (Сu 60%; Ni 40%).

Существенным достоинством проволочных резисторов явля­ется стабильность ТКС в широком диапазоне температур, хотя име­ет место заметный разброс начальных значений ТКС в партии рези­сторов.

Сплавы с высоким удельным сопротивлением из-за окисной пленки на поверхности проволоки плохо поддаются пайке и поэтому соединение с выводами производится сваркой. Места сварки оказы­ваются хрупкими и, вследствие пористости, подверженными разру­шению от коррозии во время эксплуатации РЭС. что требует специ­альных мер защиты.

Проволочные резисторы характеризуются относительно высо­кой стоимостью, значительной собственной индуктивностью и емко­стью. Кроме того, в нагретом контакте константана с медными выво­дами возникает заметный уровень термоЭДС. что препятствует ис­пользованию таких проволочных резисторов в измерительных цепях.

Резисторы переменного электрического сопротивления предна­значены для регулирования тока во время эксплуатации РЭС (много­кратное изменение сопротивления) или для относительно редкого изменения сопротивления (при настройке и профилактике РЭС).

Рис. 10. Конструкция переменного непроволочного резистора

Конструкция переменных непроволочных резисторов об­щего назначения (рис. 10) включает резистивный элемент, укрепленный на основании, ось с’ поводком и контактной щеткой, резьбовую втулку с крепежной гайкой и защитный кожух. Последний электрически соединен с корпусом блока через втулку и предназначен для электрического экранирования и защиты от пыли. К сожалению, защита не является герметичной. У движковых перемен­ных непроволочных резисторов отсутствуют пылезащита и оболочка эк­ранирования.

Рис. 11. Функциональные характеристики переменных резисторов: а — линейная; б — логарифмическая; в — обратнологарифмическая

Функциональная характеристика переменного непроволочного резистора отражает зависимость электрического сопротивления меж­ду подвижным контактом (контактной щеткой поводка) и одним из не­подвижных контактов подковообразного резистивного элемента от угла поворота оси резистора с поводком. Чаще других используются резисторы с линейной зависимостью (рис. 8.11, кривая а). Резисторы с логарифмической зависимостью (рис. 11 кривая 6) характеризу­ются постоянным приростом (константа к) сопротивления R на еди­ницу угла поворота ,где -начальное сопротивление.

Рис. 12. Внешний вид некоторых типов полупроводниковых резисторов:

а — терморезистор: б — варистор; б-фоторезистор

Переменные непроволоч­ные резисторы с обратнологарифмической зависимостью име­ют характерный начальный уча­сток при малых углах поворота:

В реальных переменных непроволочных резисторах функ­циональные зависимости сопро­тивления от угла поворота не имеют столь плавного изменения (пунктирные линии), поскольку, из-за особенностей технологиче­ского процесса их производства, осуществляется сопряжение от­дельных участков резистивного слоя с отличающимися сопротивле­ниями.

В процессе перемещения подвижного контакта переменного резистора возникают шумы, уровень которых составляет единицы милливольт на вольт. По мере износа резистивного элемента шумы возрастают и могут достигнуть 10. 100 мВ/В.

Полупроводниковые резисторы, предназначенные для спе­цифического применения (терморезисторы, фоторезисторы и варисторы), имеют в своем составе в качестве материалов резистивного элемента сложные композиции веществ, исходными составляющими которых являются оксидные полупроводники вида: Mn₃O₄;Co₃O₄; СuО;СоО; NiO; CdS; CdSe; PbS.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) значи­тельно изменяют свое электрическое сопротивление (линейно или нелинейно) при изменении температуры их корпуса (рис. 12, а). Они используются, в основном, в качестве термочувствительных элементов систем управления и контроля. Важнейшими характери­стиками терморезисторов являются: коэффициент энергетической чувствительности (тепловую мощность, которую необходимо под­вести для изменения его электрического сопротивления на 1%): по­стоянная времени (интервал времени, в течение которого темпера­тура терморезистора повышается до +63°С при перенесении его из воздушной среды с температурой 0°С в воздушную среду с темпера­турой +100°С); максимальная рабочая температура.

Терморезисторы имеют обозначение ММТ (медно-марганцевые), КМТ (кобальто-марганцевые) и СТ (сопротивление термо­чувствительное).

Фоторезисторы — светочувствительные компоненты РЭС, (Рис. 12, в) в которых электрическая проводимость полупроводни­кового материала изменяется под воздействием электромагнитного излучения (от инфракрасного до ультрафиолетового). Основное применение фоторезисторов в составе РЭС — датчики светового по­тока. Важнейшими характеристиками фоторезисторов являются: темновое сопротивление (сопротивление в отсутствие внешнего облучения); темновой ток (ток при рабочем напряжении в отсутст­вие внешнего облучения); кратность изменений сопротивления (отношение сопротивлений при воздействии и отсутствии облуче­ния); постоянной времени (интервал времени нарастания и спада тока при воздействии прямоугольного импульса облучения); блина волны максимальной чувствительности.

Варисторы — полупроводниковые резисторы (рис. 12, б) с ярко выраженной нелинейной зависимостью электрического со­противления от приложенного напряжения. Они используются в це­пях стабилизации напряжений и токов, защиты от перенапряжений, в преобразователях частоты и напряжений, для регулировки в сис­темах автоматического управления, измерителях и др. Основными характеристиками варисторов являются: коэффициент нелинейно­сти (отношение статического сопротивления в рабочей точке к ди­намическому сопротивлению в этой же точке); допустимая мощ­ность рассеяний; рабочие ток и напряжение.

Материалы, применяемые при производстве резисторов

Материалы, применяемые при производстве резисторов, должны иметь следующие свойства:

1. высокое удельное электрическое сопротивление;
2. возможно низкий температурный коэффициент;
3. большая температура плавления;
4. хорошая механическая прочность и легкость в обработке;
5. стойкость к воздействию коррозии.

Такими свойствами обладают разнообразные сплавы металлов: хромоникелевые — нихром; железохромовые – фехраль; медноникелевые – константан и никелин ( табл.1 ).

Таблица 1. Физические свойства материалов резисторов

Ni – 87, Cr – 11, Mn – 2

Ni – 61, Cr – 15, Fe – 20,

Fe – 80, Cr – 15, Al – 5

Cu – 62, Ni – 18, Zn — 20

В судовых электроприводах применяют как силовые резисторы мощностью от со-

тен ватт до нескольких киловатт, так и резисторы в цепях управления мощностью от не-

скольких ватт до сотен ватт.

Силовые резисторы, применяемые в электроприводах, выполняются в виде отдель-

ных элементов: чугунного , фехралевого и константанового ( рис. 57 ).

Рис. 70. Общий вид элементов силовых резисторов: чугунный ( а ); фехрале-

вый ( б ); константановый ( в )

При необходимости отдельные элементы конструктивно объединяются в ящики резисторов ( рис. 71 ).

Рис. 71. Общий вид ящика резисторов с чугунными элементами

Такие ящики применяют в качестве части пусковых реостатов типа РП и РЗП для двигателей мощностью от 0,52 до 42 кВт и токами от 30 до 200 А.

Резисторы небольшой мощности для цепей управления делят на 2 группы:

1. трубчатые;
2. бескаркасные.

Рис. 72. Трубчатый ( а ) и бескаркасный ( б ) резисторы

Трубчатые резисторы ( рис.72, а ) выполняются в виде фарфоровой трубки со спи

ральной канавкой на наружной поверхности, в которую укладывают проволоку диаметром 0,3…2,0 мм. Такая конструкция исключает сдвиг проволоки по цилиндру. Через осевое отверстие пропускается плоский стрежень для крепления резистора в ящиках.

При обслуживании трубчатых резисторов надо соблюдать особую осторожность, потому что случайное прикосновение к открытой проволоке может привести к поражению электрическим током и ожогу.

Бескаркасные резисторы ( рис.72, б ) выполняются в виде цилиндрической кера-

мической трубки с гладкой наружной поверхностью, на которую наматывается нихромо-

вая или константановая проволока диаметром менее 0,3 мм.

Поверхность намотанной проволоки заливается стекловидной эмалью темнокорич-

невого или зеленого цвета. Эмалевое покрытие улучшает теплоотдачу, предохраняет про-

волоку от сползания и защищает проволоку от атмосферных и механических воздействий. Такие резисторы называют трубками сопротивлений.

Для крепления этих резисторов через трубку пропускают шпильку, с резьбой на обоих концах. Шпилька при помощи гаек закрепляется на двух Г-образных уголках, кото-

рые, в свою очередь, жестко прикрепляются к корпусу станции управления.

У некоторых типов бескаркасных резисторов часть поверхности может не заливать

ся эмалью, как на рис. 72, б. В этом случае на трубку надевается металлический хомут, который можно перемещать вдоль трубки и тем самым изменять сопротивление резисто-

ра. Такие резисторы используются в качестве установочных ( настроечных ) ( см. рис.

Бескаркасные резисторы изготовляют на мощности 5…150 Вт и сопротивления 1 Ом…50 кОм.

Из чего состоит резистор и принцип его работы в электрической цепи

Чайники, лампы накаливания, электрооборудование машины и многие другие электроприборы содержат резисторы. Они настолько видоизменились, что без знания отличительных признаков их порой трудно определить. В справочниках дается определение: резистор — это элемент с заданным постоянным или переменным сопротивлением. На практике — это множество элементов, которые используются в самых неожиданных конструкциях. Чтобы понять из чего состоит резистор, необходимо узнать, из какого материала он изготавливается.

Устройство резистора изнутри

Самый простой резистор — это реостат. На каркас наматывается проволока с большим сопротивлением и подключается к источнику питания. Исходя из этого можно сделать вывод: первое требование для этого элемента — высокоомный проводник. Для производства этого элемента используют:

• проволоку;
• металлическую пленку, металлическую фольгу;
• композитный материал;
• полупроводник.

Проволочные сопротивления просты в изготовлении, способны рассеивать максимальную мощность, но имеют существенный недостаток: у них самая большая индуктивность. Диаметр проволоки колеблется от нескольких микрон до нескольких миллиметров.

Металлическую фольгу из высокоомного материала наматывают на каркас. При необходимости увеличить сопротивление ее разрезают на дорожку, тем самым увеличивая длину, и соответственно, сопротивление. Металлопленочный резистор получают напылением металла на основу.

В качестве композитного материала используют графит с органическими или неорганическими добавками. Резистор может полностью состоять из такого материала или из дорожки, на которую нанесен этот материал.

С началом производства микросхем появились новые резисторы, которые называются интегральные. Производство выполняется на молекулярном уровне. На высоколегированный полупроводник напыляют тонкий слой высокоомного металла, что и выполняет функцию резистора.

Разделение по видам

Поскольку сопротивление — одна из самых используемых форм деталей, то и применение его очень разнообразно. В зависимости от назначения резистора его можно разделить на три категории:

• постоянные;
• подстроечные;
• регулирующие.

Первая категория — постоянные резисторы — имеют заданное сопротивление и больше остальных используются в электрических схемах. Тем не менее сопротивление все равно зависит от внешних факторов. По этому признаку их квалифицируют на следующие виды:

Линейные названы так, потому что их сопротивление меняется плавно, то есть линейно, в зависимости от внешнего влияния. У нелинейных такой плавности нет. Например, если измерить сопротивление лампы накаливания в холодном состоянии, то оно будет одно, а в горячем — совсем другое, причем в 10—15 раз больше.

Если существует такое многообразие, то возникает закономерный вопрос — как понять где резистор? На самом деле резистор может выглядеть как круг, трубка или квадрат. Они выпускаются различных форм, размеров, окрасок. Порой чтобы определить, что это резистор, необходимо посмотреть электрическую принципиальную схему.

Вторая категория — подстроечные. Имеют регулирующий механизм, который плавно меняет сопротивление. Используется для точной настройки аппаратуры.

Следующая категория — регулировочные. Название здесь говорит само за себя. Они предназначены для регулировок, а значит, должны менять свое сопротивление. В отличие от постоянных, у которых два вывода, у этих имеется три вывода. Два из них подключаются к самому резистору, а третий — к подвижному контакту, который соединен с вращающимся элементом. Если подключить питание к двум выводам, то на подвижном контакте будет другое напряжение, которое будет отличаться от напряжения на выводах этого элемента.

Если подключить регулировочный (переменный) резистор последовательно с батарейкой, соединить лампочку одним выводом с минусовой клеммой батарейки, а другой с выводом подвижного контакта, то при вращении рукоятки переменного резистора будет заметно, как меняется яркость лампочки. Почему такое происходит можно понять, если разобраться что делает резистор.

Использование в электрической схеме

Яркость лампочки зависит от тока, протекающего по нити накаливания — чем больше ток, тем ярче горит лампочка. По закону Ома ток можно высчитать разделив напряжение на сопротивление, значит, чем меньше сопротивление, тем больше ток. На практике работать это будет следующим образом.

Допустим, лампочка рассчитана на напряжение в 9 В, имеет сопротивление 70 Ом (в рабочем, горячем состоянии), батарея на 9 в и переменное сопротивление 100 Ом. Для нормальной работы ток, проходящий через лампочку, должен быть примерно 0,13 А (напряжение батареи 9 В делится на сопротивление лампочки 70 Ом). В эту цепь последовательно подсоединяется переменный резистор в 100 Ом, ток цепи составит примерно 0,05 А (напряжение батареи 9 В делится на общее сопротивление 170 Ом), — это примерно треть от требуемого тока и лампочка, следовательно, не будет гореть.

В этом случае резистор помогает плавно гасить свет. Подобный принцип используется, например, в кинотеатрах. Если батарея на 9 В, а лампочка рассчитана на 2,5 В, то для ее нормальной работы необходим делитель или гаситель напряжения. В чем суть? В цепи необходимо создать нормальный для лампочки ток.

Если используется гаситель, то к источнику тока последовательно подключаются 2 или более резистора и лампочка. Общее сопротивление выбирается с таким расчетом, чтобы ток, протекающий по цепи, соответствовал номинальному току лампочки. Допустим, имеются: источник постоянного тока 9 В, лампочка напряжением 2,5 В и номинальным током 0,12 А.

Рассчитывается сопротивление лампочки, для этого напряжение делится на ток и получается примерно 20,8 Ом. Чтобы по цепи шел ток в 0,12 А, рассчитывается общее сопротивление: 9 В делённое на 0,12 А дает 75 Ом. Вычитается сопротивление лампочки и получится 54,2 Ом — такое сопротивление необходимо добавить к лампочке.

Если используется делитель, то тогда берутся два и более резистора и подключаются последовательно источнику питания. Параллельно какой-то части делителя подключается нагрузка, получается схема со смешанным подключением: источник — часть делителя — параллельно подключенные часть делителя и нагрузка — источник тока. Это только один вариант, на самом деле схем подключения множество, но всегда идет смешанное подключение.

Далее делается расчет нужного сопротивления. При параллельном подключении ток идет по двум цепям, значит, на нагрузке его будет меньше (подключенный последовательно резистор ограничивает ток). Для нормальной работы нагрузки высчитываются все токи, проходящие по делителю, а затем подбирается ограничивающий.

При последовательном подключении, чтобы отключить лампочку — нужно отключить питание, а при использовании делителя достаточно отключить цепь лампочки. Если необходимо к источнику подключить несколько нагрузок с разным напряжением, то без делителя (его еще называют делитель напряжения) не обойтись.

Области применения

Кроме своего обычного назначения — оказывать влияние на ток и напряжение, резисторы при использовании различных материалов приобретают совершенно другие свойства и название. Зачем они нужны, видно из следующего списка:

• зависит от напряжения, — это варистор;
• от температуры — терморезистор, термистор;
• от освещенности — фоторезистор;
• от деформации — тензорезистор;
• от действия магнитного поля — магниторезистор;
• разрабатывается новый, называется мемристор, сопротивление зависит от количества, проходящего через него заряда.

Варисторы чаще всего используют в качестве защиты от перенапряжения. В виде датчиков температуры используют терморезисторы. Если необходимо автоматизировать включение уличного освещения, то без фоторезистора это будет сделать сложно. Остальные указанные приборы используются в узкой специализации.

Обозначение на схеме

На электрической принципиальной схеме все резисторы обозначаются прямоугольником. Рядом ставится буква R и число, указывающее сопротивление. Если это постоянный, то внутри прямоугольника могут стоять римские цифры, соответствующие мощности этого элемента в ваттах. При мощности менее 1 Вт применяются следующие условные обозначения:

• одна продольная линия внутри прямоугольника указывает на мощность в 0,5 Вт;
• одна косая линия говорит о мощности в 0,25 Вт;
• две косых — 0,125 Вт;
• три косых — 0,05 Вт.

Для того чтобы можно было отличать один прибор от другого, например, варистор от термистора также используются условные обозначения:

• постоянный резистор обозначается только прямоугольником;
• регулировочный — стрелка перечеркивает прямоугольник, центральный вывод подключается к одному из выводов резистора;
• переменный — к прямоугольнику сверху под прямым углом подходит стрелка, к ней подключаются другие приборы;
• подстроечный — на прямоугольник сверху ложится буква «т», к этому выводу подключаются другие приборы;
• подстроечный, как реостат, центральный вывод соединен с одним из выводов прибора — прямоугольник перечеркивает косая буква «т»;
• термистор (терморезистор) — на прямоугольник под наклоном ложится хоккейная клюшка;
• варистор — обозначается как термистор, но над рабочей поверхностью клюшки ставится буква U;
• фоторезистор — сверху к прямоугольнику подходят две наклонные стрелки.

Виды маркировок

На больших постоянных резисторах в сокращенной форме пишутся мощность, сопротивление и допуск (на сколько процентов может отклоняться указанная величина). Детали малого размера имеют цветовую, буквенную или цифровую маркировку, причем буквы и цифры могут дополнять друг друга. Каждый производитель сам выбирает способ маркировки.