Что такое резистор, виды и роль в электроцепи, проверка мультиметром

Что такое резистор?

Специальные компоненты, называемые резисторами, созданы специально для создания точного количества сопротивления, добавляемого в схему. Обычно они изготавливаются из металлической проволоки или углерода и спроектированы так, чтобы поддерживать стабильное значение сопротивления в широком диапазоне условий окружающей среды. В отличие от ламп, они не излучают свет, но выделяют тепло, поскольку в работающей схеме ими рассеивается электрическая энергия. Однако обычно резистор предназначен не для выработки полезного тепла, а просто для обеспечения точного количества электрического сопротивления.

Шумы резисторов и способы их уменьшения

Собственные шумы резистивных элементов состоят из тепловых и токовых шумов. Тепловые шумы, спровоцированные движением электронов в токопроводящем слое, усиливаются при повышении температуры нагрева детали и температуры окружающей среды. При протекании тока генерируются токовые шумы. Токовые шумы, значение которых существенно выше тепловых, в основном характерны для непроволочных резисторов.

Способы борьбы с шумами:

• Применение в схеме типов резисторов, в которых шумы невелики, благодаря технологии изготовления.
• Переменные резисторы шумят больше постоянных, поэтому в схеме стараются использовать элементы с переменным сопротивлением минимального номинала или не применять их вообще.
• Использование резюков с бОльшей мощностью, чем требуется по технологии.
• Принудительное охлаждение элемента путем установки поблизости вентилятора.

Условные обозначения и номиналы резисторов на схеме

Условное обозначение резистора на схеме согласно ГОСТу – прямоугольник размером 4 мм x 8 мм. В англоязычной литературе распространено обозначение резистора в виде пилообразной линии:

Номиналы резисторов в омах обычно отображаются на схеме в виде чисел рядом с условным обозначением, а если в цепи присутствует несколько резисторов, они будут помечены уникальным идентификационным номером, таким как R1, R2, R3 и т.д. Как видите, обозначения резисторов могут быть показаны горизонтально или вертикально:

Рисунок 2 – Обозначение номиналов резисторов на схеме (резисторы 150 Ом и 25 Ом)

Ниже показано несколько примеров резисторов разных типов и размеров:

Также на схеме можно показать, что резистор имеет переменное, а не фиксированное сопротивление. Это может быть сделано с целью описания реального физического устройства, разработанного для обеспечения регулируемого сопротивления, или может быть для того, чтобы показать какой-то компонент, который просто имеет нестабильное сопротивление:

Рисунок 4 – Условное графическое обозначение переменного резистора

Фактически, каждый раз, когда вы видите обозначение компонента с нарисованной по диагонали стрелкой, это означает, что этот компонент имеет переменное, а не фиксированное значение. Этот символ «модификатор» (диагональная стрелка) является стандартным дополнением к обозначению электронных компонентов.

Маркировка SMD резисторов по EIA-96

SMD резисторы с более большей точностью и более малыми размерами привели к созданию компактной маркировке. Был придуман стандарт EIA-96. Этот стандарт создан для резисторов с допуском по сопротивлению в 1%.

Эта система маркировки состоит из трех символов: две первые цифры это код номинала резистора, а следующий за ними символ это множитель. Берем SMD резистор смотрим первые 2 цифры и находим соответствующее сопротивление по таблице, далее смотрим на цифру и также по таблице смотри множитель на который на нужно умножиться. Все довольно просто.

02А = 200 Ом ±1%

10S = 1 Ом ±1%

10C = 1000 Ом ±1%

Таблица маркировки резисторов по по EIA-96 (коды номиналов)

Переменные резисторы

Переменные резисторы должны иметь какие-то физические средства регулировки, либо вращающийся вал, либо рычаг, который можно перемещать, чтобы изменять величину электрического сопротивления. На фотографии ниже показаны устройства, называемые потенциометрами, которые можно использовать как переменные резисторы:

Номинальная мощность резисторов

Поскольку резисторы рассеивают тепловую энергию по мере того, как электрические токи через них преодолевают «трение» их сопротивления, то резисторы также оцениваются с точки зрения того, сколько тепловой энергии они могут рассеять без перегрева и повреждения. Естественно, эта номинальная мощность указывается в физических единицах измерения, «ватт». Большинство резисторов, используемых в небольших электронных устройствах, таких как портативные радиоприемники, рассчитаны на 1/4 (0,25) Вт или меньше. Номинальная мощность любого резистора примерно пропорциональна его физическому размеру. Обратите внимание на первую фотографию резисторов, как номинальная мощность соотносится с размером: чем больше резистор, тем выше его номинальная мощность. Также обратите внимание на то, что сопротивление (в омах) не имеет ничего общего с размером! Хотя сейчас может показаться бессмысленным иметь устройство, которое не делает ничего, кроме сопротивления электрическому току, резисторы – чрезвычайно полезные устройства в схемах. Поскольку они просты и так часто используются в мире электричества и электроники, мы потратим много времени на анализ схем, состоящих только из резисторов и источноков питания.

Типы включения и примеры использования

Основные типы включения это последовательные и параллельные соединения.

Последовательно сопротивление рассчитывается просто. Достаточно все сложить.

При последовательном соединении напряжение распределяется по резисторам согласно их сопротивлениям.

Это второе правило Кирхгофа. Например, напряжение 12 В, а пара резисторов по 1 кОм.

Соответственно, на каждом из них по 6 В. Это простой пример делителя напряжения. Здесь пара деталей делит напряжение, и благодаря этому можно получить необходимое напряжение.

Однако, если вы хотите использовать делитель напряжения для питания цепи, то должны помнить, что нужно согласовать сопротивления. В этой схеме сопротивление 1 кОм. Если вы подключите к ней нагрузку меньше этого сопротивления, то она не получит напряжения на свои выводы в полном объеме. Поэтому, все схемы с делителями напряжения должны быть рассчитаны и согласованы друг с другом.

Рассмотрим пример усилителя на транзисторе.

Это необходимо для того, чтобы он работал без искажений.

Параллельное включение

При параллельном соединении радиодеталей, общее сопротивление цепи снижается. Если два резистора по 1 кОм соединены параллельно, то общее будет равно меньше 0,5 кОм, т.е. сопротивление цепи (эквивалентное) равно половине самого наименьшего.

В таком соединении наблюдается первое правило Кирхгофа. В точку соединения направляется ток в 1 А, а в узле он расходится на два направления по 0,5 А.

Формулы расчета

Для двух резисторов: Для более:

Для тока параллельное соединение — это как вторая дорога или обходной путь. Еще такой тип соединения называют шунтированием. В качестве примера можно привести амперметр. Чтобы увеличить его шкалу показаний, достаточно подключить параллельно резистору еще один шунтирующий.

Его сопротивление рассчитывается по формуле:

Эквивалентное соединение

В схеме усилителя к эмиттеру транзистора VT1 подключена пара из резистора R3 и конденсатора C2.

В этом случае VT1 и R3 подключены последовательно друг к другу. Зачем это надо? Когда усилитель работает, транзистор начинает нагреваться и его сопротивление снижается. R3, как и в случае со светодиодом, не позволяет транзистору перегреваться. Он балансирует общее сопротивление, чтобы транзистор не вносил искажения в сигнал. Это называется режим термостабилизации.

А конденсатор C2 подключен к R3 параллельно. И это нужно для того, чтобы при нормальном режиме работы усилителя, переменный сигнал прошел без потерь. Так работает параллельный фильтр.

Если бы был только один R3, то мощность усилителя была намного меньше из-за того, что он забирает переменное напряжение на себя. А конденсатор пропускает без потерь, но не пропускает постоянное напряжение.

Чем полезны резисторы?

Для практической иллюстрации полезности резисторов посмотрите фотографию ниже. Это изображение печатной платы: сборка, состоящая из изолирующих слоев стеклотекстолита и слоем проводящих медных дорожек, в которую можно вставлять компоненты и закреплять их с помощью процесса низкотемпературной сварки, называемого «пайкой». Различные компоненты на этой печатной плате обозначены напечатанными метками. Резисторы обозначаются любой меткой, начинающейся с буквы «R».

Эта конкретная печатная плата представляет собой дополнение к компьютеру, называемое «модемом», которое позволяет передавать цифровую информацию по телефонным линиям. На плате этого модема можно увидеть, как минимум, дюжину резисторов (все с номинальной рассеиваемой мощностью 0,25 Вт). Каждый из черных прямоугольников (называемых «интегральными схемами» или «микросхемами», или «чипами») также содержит свой собственный массив резисторов, необходимый для работы. На другом примере печатной платы показаны резисторы, упакованные в еще меньшие корпуса, называемые SMD («surface mount device», «устройство поверхностного монтажа»). Эта конкретная печатная плата является нижней стороной жесткого диска компьютера; и снова припаянные к ней резисторы обозначены метками, начинающимися с буквы «R»:

На этой печатной плате более сотни резисторов поверхностного монтажа, и это количество, конечно, не включает резисторы, встроенные в черные «чипы». Эти две фотографии должны убедить любого, что резисторы (устройства, которые «просто» препятствуют прохождению электрического тока) – очень важные компоненты в области электроники!

Способ монтажа

По технологии монтажа резисторы разделяют на выводные и SMD.

Выводные резисторы

Аксиальный выводной резистор

Предназначены для монтажа сквозь печатную плату. Выводы могут располагаться аксиально и радиально. Такие детали использовались в старой аудио- и видеоаппаратуре. Сейчас они применяются в простых аппаратах и в тех случаях, когда использование SMD-резисторов по каким-либо причинам невозможно.

Выводные резисторы по конструкции бывают проволочными, металлопленочными и композитными.

Из чего состоит резистор проволочного типа

В проволочных резисторах резистивным компонентом является проволока, намотанная на сердечник. Бифилярная намотка (двумя параллельными проводами, изолированными друг от друга, или обычным двужильным проводом) снижает паразитную индуктивность. К концам обмотки присоединяют выводы из многожильной меди или латунных пластин. Для защиты от влаги, механических повреждений и загрязнений, проволочные резюки покрывают неорганической эмалью, устойчивой к повышенным температурам.

Чем отличается металлопленочный резистор от проволочного

У металлопленочного резистора резистивным элементом является не проволока, а пленка из металлосплава. Резистивные компоненты (проволока или пленка) в резисторе изготавливаются из сплавов с высоким удельным сопротивлением: манганина, константана, нихрома, никелина.

SMD-резисторы

SMD-резисторы (или чип-резисторы) рассчитаны на поверхностный монтаж и выводов не имеют. Эти миниатюрные детали малой толщины изготавливаются прямоугольной или овальной формы. Имеют небольшие контакты, впаянные в поверхность. Их преимущества – экономия места на плате, упрощение и ускорение процесса сборки платы, возможность использования для автоматизированного монтажа.

SMD-резисторы изготавливают по пленочной технологии. Они могут быть тонко- и толстопленочными. Резистивную толстую или тонкую пленку наносят на изоляционную подложку. Подложка выполняет две функции: основания и теплоотводящего компонента.

Из чего делают чип-резисторы

Тонкопленочные элементы, к которым предъявляются особые требования по влагостойкости, изготавливаются из нихрома. При производстве толстопленочных моделей используются диоксид рутения, рутениты свинца и висмута.

«Нагрузка» на принципиальных схемах

На схемах символы резисторов иногда используются для иллюстрации обобщенного типа устройств, выполняющих что-то полезное с электрической энергией. Любое неконкретизированное электрическое устройство обычно называется нагрузкой, поэтому, если вы видите схему с символом резистора с пометкой «нагрузка», особенно в учебной принципиальной схеме, объясняющей какие-либо концепции, не связанные с фактическим использованием электроэнергии, этот символ может просто быть своего рода сокращением чего-то еще более практичного, чем резистор.

Анализ резисторных схем

Чтобы обобщить то, что мы узнали в этой статье, давайте проанализируем следующую схему, определив всё, что можем, исходя из предоставленной информации:

Всё, что нам здесь дано для начала, – это напряжение батареи (10 вольт) и сила тока в цепи (2 ампера). Нам неизвестно сопротивление резистора в омах или рассеиваемая им мощность в ваттах. Вспоминая формулы закона Ома, мы находим два уравнения, которые дают нам ответы на основе известных значений напряжения и силы тока:

\(R=\frac{E}{I} \qquad и \qquad P=IE\)

Подставляя известные значения напряжения (E) и силы тока (I) в эти два уравнения, мы можем определить сопротивление цепи (R) и рассеиваемую мощность (P):

\(R = \frac{10 \ В}{2 \ А} = 5 \ Ом\)

\(P = (2 \ А)(10 \ В) = 20 \ Вт\)

Для заданных условий цепи (10 В и 2 А) сопротивление резистора должно быть 5 Ом. Если бы мы проектировали схему для работы при этих значениях, нам пришлось бы использовать резистор с минимальной номинальной мощностью 20 Вт, иначе бы он перегрелся и вышел из строя.

Для чего нужен резистор в электрической цепи

Наглядный пример работы резистора

С помощью резистора в электроцепи ограничивают ток, получая нужную его величину. В соответствии с законом Ома, чем больше сопротивление при стабильном напряжении, тем меньше сила тока.

Закон Ома выражается формулой U = I*R, в которой:

• U – напряжение, В;
• I – сила тока, А;
• R – сопротивление, Ом.

Также резисторы работают как:

• преобразователи тока в напряжение и наоборот;
• делители напряжения, это свойство применяется в измерительных аппаратах;
• элементы для снижения или полного удаления радиопомех.

Материалы, из которых изготавливаются резисторы

В мире можно найти резисторы, изготовленные из самых разных материалов, каждый из которых имеет свои свойства и определенные области применения. Большинство инженеров-электронщиков используют типы, указанные ниже.

Проволочные резисторы

Металлопленочные резисторы

Металлооксидные пленочные резисторы

Рисунок 11 – Металлооксидные пленочные резисторы
В металлооксидных резисторах используются оксиды металлов, такие как оксид олова, что немного отличает их от металлопленочных резисторов. Эти резисторы надежны и стабильны и работают при более высоких температурах, чем металлопленочные резисторы. По этой причине металлооксидные пленочные резисторы используются в приложениях, требующих высокой износостойкости.

Фольговые резисторы

Рисунок 12 – Фольговые резисторы
Фольговый резистор, разработанный в 1960-х годах, по-прежнему остается одним из самых точных и стабильных типов резисторов, которые вы найдете, и которые используются в приложениях с высокими требованиями к точности. Резистивный элемент составляет тонкая объемная металлическая фольга, которая приклеена на керамическую подложку. Фольговые резисторы имеют очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Углеродные композиционные резисторы

Углеродные пленочные резисторы

Углеродные пленочные резисторы представляют собой тонкую углеродную пленку (разрезанную по спирали для увеличения резистивного пути) на изолирующем цилиндрическом сердечнике. Такая конструкция позволяет получить более точное значение сопротивления, а также увеличивает величину сопротивления. Углеродные пленочные резисторы намного точнее, чем углеродные композиционные резисторы. В приложениях, требующих стабильности на высоких частотах, используются специальные углеродные пленочные резисторы.

Ключевые показатели эффективности (KPI)

Ключевые показатели эффективности резисторов для каждого материала можно найти ниже:
Ключевые показатели эффективности резисторов в зависимости от материала

Резюме

• Устройства, называемые резисторами, предназначены для обеспечения точного значения сопротивления в электрических цепях. Резисторы оцениваются как по их сопротивлению (Ом), так и по их способности рассеивать тепловую энергию (Вт).
• Номинальное сопротивление резистора не может быть определено по его физическому размеру, хотя судя по размеру можно сказать о приблизительном значении номинальной мощности. Чем больше резистор, тем большую мощность он может рассеять без повреждений.
• Любое устройство, которое выполняет с помощью электроэнергии какую-либо полезную задачу, обычно называют нагрузкой. Иногда символ резисторов используется в схемах для обозначения неконкретизированной нагрузки, а не для реального резистора.

Оригинал статьи:

• Resistors

Назначение

Резисторы ‒ пассивный элемент электрической цепи, не преобразующий энергию из одного вида в другой. Они обладают активным сопротивлением. Их основной характеристикой является номинальная резистентность. Не менее важна такая характеристика, как мощность.

Переменные резисторы могут менять сопротивление с помощью доступного регулировочного органа. Выступают регулятором тока или напряжения.

У подстроечных резисторов имеется орган управления, с помощью которого изменяется сопротивление, но он недоступен для ручной настройки. Для этого надо применять специальную отвёртку. Эти резисторы применяются только для настройки режимов работы технического устройства и не предназначены для частого использования.