Podstawy rezystorów

Czym jest rezystor?

Rezystor jest najpowszechniejszym i najbardziej znanym z pasywnych elementów elektrycznych. Rezystor stawia opór lub ogranicza przepływ prądu elektrycznego w obwodzie. Rezystory mają wiele zastosowań: służą do obniżania napięcia, ograniczania prądu, tłumienia sygnałów, działają jako elementy grzejne, bezpieczniki topikowe, dostarczają obciążenia elektryczne i dzielą napięcia.

Wprowadzenie

Niniejsza publikacja poświęcona podstawom rezystorów zawiera omówienie typów rezystorów firmy Vishay i powszechnie stosowanej terminologii, a w dalszej części podsumowanie produktów i różnych technologii wytwarzania rezystorów.

Czym jest prawo Ohma?

Prawo Ohma to proste równanie, które pokazuje zależność między rezystancją, napięciem i prądem na metalowym drucie lub materiale rezystancyjnym innego rodzaju. W kategoriach matematycznych prawo Ohma jest zapisane jako:

gdzie: I to prąd (A), V to napięcie a R to rezystancja.

Prawo Ohma może również pokazać zależność między rezystancją, napięciem i mocą za pomocą następującego równania:

gdzie P to moc (W), V to napięcie a R to rezystancja.

Typy rezystorów

Rezystory stałe

Rezystor stały to taki, którego wartość rezystancji nie może się zmieniać.

Rezystory nastawne

Rezystor nastawny to rezystor, którego wartość można regulować obracając wał lub przesuwając regulator. Nazywane są również potencjometrami lub reostatami i umożliwiają ręczną zmianę rezystancji urządzenia.

Rezystory nieliniowe

Rezystor nieliniowy to rezystor, którego rezystancja zmienia się znacznie wraz z przyłożonym napięciem, temperaturą lub światłem. Typami rezystorów nieliniowych są warystory, termistory i fotorezystory.

Często stosowane terminy dotyczące rezystorów

Krytyczna wartość rezystancji

Maksymalna nominalna wartość rezystancji, przy której można przyłożyć moc znamionową bez przekraczania maksymalnego napięcia roboczego. Napięcie znamionowe jest równe maksymalnemu napięciu roboczemu przy krytycznej wartości rezystancji.

Krzywa obniżania wartości znamionowych

Krzywa wyrażająca zależność między temperaturą otoczenia a maksymalną wartością mocy, którą można obciążać element w trybie ciągłym w danej temperaturze, zazwyczaj jest wyrażana w procentach.

Napięcie wytrzymałości dielektrycznej

Napięcie znamionowe, które można przyłożyć do wyznaczonego punktu pomiędzy elementem rezystancyjnym a powłoką zewnętrzną lub elementem rezystancyjnym a powierzchnią montażową, nie powodując uszkodzenia dielektryka.

Maksymalne napięcie przeciążenia

Maksymalna wartość napięcia, jaką można przyłożyć do rezystorów przez krótki czas podczas próby przeciążenia. Zazwyczaj przyłożone napięcie w krótkotrwałym badaniu przeciążenia jest 2,5 raza większe niż napięcie znamionowe. Nie powinno jednak przekraczać maksymalnego napięcia przeciążenia.

Maksymalne napięcie robocze (lub maksymalne napięcie elementu ograniczającego)

Maksymalna wartość napięcia prądu stałego lub wartość skuteczna (RMS) napięcia prądu zmiennego, którą można w sposób ciągły przykładać do rezystorów lub elementów. Jednak maksymalna wartość przykładanego napięcia to napięcie znamionowe przy krytycznej wartości rezystancji lub niższej.

Szumy

Szumy są niepożądanymi sygnałami prądu zmiennego z rezystora. Szumy rezystancyjne mogą mieć szkodliwy wpływ na sygnały o niskim poziomie, wzmacniacze ładunku, wzmacniacze o dużym wzmocnieniu i inne elementy wrażliwe na szum. Najlepszym podejściem jest stosowanie w urządzeniach wrażliwych na szumy typów rezystorów o niskich lub minimalnych szumach.

Moc znamionowa

Moc znamionowa jest uzależniona od rozmiarów fizycznych, dopuszczalnej zmiany rezystancji w okresie użytkowania, przewodności cieplnej materiałów, materiałów izolacyjnych i rezystancyjnych oraz warunków roboczych otoczenia. Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy zastosować rezystory o największych rozmiarach fizycznych przy temperaturze i mocy niższej niż ich maksymalna znamionowa temperatura i moc.

Znamionowa temperatura otoczenia

Maksymalna temperatura otoczenia, w której rezystory mogą być używane w sposób ciągły z zalecaną mocą znamionową. Znamionowa temperatura otoczenia odnosi się do temperatury wokół rezystorów wewnątrz urządzenia, a nie do temperatury powietrza na zewnątrz urządzenia.

Często stosowane terminy dotyczące rezystorów

Moc znamionowa

Maksymalna moc, którą można w sposób ciągły obciążać rezystor w znamionowej temperaturze otoczenia. Urządzenia sieciowe i macierzowe mają zarówno moc znamionową na zestaw, jak i na element.

Napięcie znamionowe

Maksymalna wartość napięcia prądu stałego lub wartość skuteczna (RMS) napięcia prądu zmiennego, która może być stale przyłożona do rezystorów w znamionowej temperaturze otoczenia.

Niezawodność

Niezawodność to prawdopodobieństwo, że rezystor (lub dowolne inne urządzenie) spełni żądaną funkcję. Istnieją dwa sposoby definiowania niezawodności. Jednym z nich jest średni czas między awariami (MTBF), a drugi to wskaźnik awarii na 1000 godzin pracy. Oba te sposoby oceny niezawodności należy określić za pomocą określonej grupy testów i definicji końca życia urządzenia, takiej jak maksymalna zmiana rezystancji lub krytyczna awaria (zwarcie lub przerwanie obwodu). W celu określenia tych wskaźników awaryjności stosuje się różne badania statystyczne, a duże próbki są testowane w maksymalnej temperaturze znamionowej przy obciążeniu znamionowym przez maksymalnie 10 tysięcy godzin (24 godziny na dobę przez około 13 miesięcy). Niezawodność jest generalnie wyższa przy niższych poziomach mocy.

Tolerancja rezystora

Tolerancja rezystora wyrażana jest jako odchylenie od wartości nominalnej w procentach i zwykle mierzona w temperaturze 25°C. Wartość rezystora zmienia się również wraz z przyłożonym napięciem (VCR) i temperaturą (TCR). W przypadku sieci bezwzględna tolerancja rezystora odnosi się do ogólnej tolerancji sieci. Tolerancja współczynnika odnosi się do relacji poszczególnych rezystorów w zestawie do pozostałych.

Stabilność

Stabilność to zmiana rezystancji w czasie przy określonym obciążeniu, poziomie wilgotności, naprężeniu lub temperaturze otoczenia. Im niższe naprężenia, tym lepsza jest stabilność.

Temperaturowy współczynnik rezystancji (TCR znany również jako RTC)

TCR wyraża się jako zmianę rezystancji w częściach na milion (ppm, 0,0001%) z każdym stopniem Celsjusza zmiany temperatury. TCR jest zwykle określany w temperaturze 25°C i zmienia się wraz ze wzrostem (lub spadkiem) temperatury. Rezystancja przy TCR wynoszącym 100ppm/°C zmieni się o 0,1% przy zmianie temperatury o 10°C i o 1% przy zmianie temperatury o 100°C. W kontekście sieci rezystorów wartość TCR nazywana jest bezwzględnym TCR, ponieważ definiuje TCR określonego elementu rezystora. Termin śledzenia TCR odnosi się do różnicy w TCR pomiędzy poszczególnymi rezystorami w sieci.

Temperatura znamionowa

Temperatura znamionowa to maksymalna dopuszczalna temperatura, w której można używać rezystora. Na ogół określa się ją dwiema temperaturami. Na przykład, rezystor może mieć wartość znamionową przy pełnym obciążeniu do temperatury 70°C, przy obniżonej wartości znamionowej do zerowego obciążenia przy 125°C. Oznacza to, że przy pewnych dopuszczalnych zmianach rezystancji w okresie eksploatacji rezystora, może on pracować w temperaturze 70°C przy mocy znamionowej. Może być również eksploatowany w temperaturach przekraczających 70°C, jeśli obciążenie zostanie zmniejszone, ale w żadnym wypadku temperatura nie powinna przekraczać temperatury projektowej 125˚C w przypadku łącznego wpływu temperatury otoczenia i samonagrzewania na skutek przyłożonego obciążenia.

Współczynnik napięciowy rezystancji (VCR)

Współczynnik napięciowy to zmiana rezystancji przy przyłożonym napięciu. Jest to zupełnie inna sprawa niż efekt samonagrzewania się po włączeniu zasilania. Rezystancja przy VCR wynoszącym 100ppm/V zmieni się o 0,1% przy zmianie napięcia o 10V i o 1% przy zmianie napięcia o 100V. W kontekście sieci rezystorów wartość VCR nazywana jest bezwzględnym VCR, ponieważ definiuje VCR określonego elementu rezystora. Termin śledzenia VCR odnosi się do różnicy w VCR pomiędzy poszczególnymi rezystorami w sieci.

* Technologia rezystorowa oferowana również przez inne oddziały firmy Vishay

Tabela 1: rezystory do montażu powierzchniowego / podłożowe / drutowe

*Technologia rezystorowa oferowana również przez inne oddziały firmy Vishay

Tabela 2: rezystory z odprowadzeniami osiowymi / przewlekane

Technologie rezystorów stałych

Drutowe (do montażu powierzchniowego / z odprowadzeniami)

Rodzaj rezystora wykonanego przez nawinięcie metalowego drutu, takiego jak nichrom, na izolacyjnej formie, takiej jak rdzeń z ceramiki, tworzywa sztucznego lub z włókna szklanego.

Power Metal Strip® / element metalowy (do montażu powierzchniowego / z odprowadzeniami)

Rodzaj rezystora zbudowany z litego stopu metalu, takiego jak nichrom lub miedź manganowa, jako elementu rezystancyjnego, który jest następnie spawany do miedzianych zacisków. Używany w pomiarze prądu i zastosowaniach bocznikowych.

Warstwowe (do montażu powierzchniowego / z odprowadzeniami)

Warstwowe metalowe (z odprowadzeniami / MELF)

Typ cylindrycznego rezystora wykonanego przez osadzanie elementu rezystancyjnego wykonanego z cienkiej warstwy przewodzącej z metalu lub stopu metalu, takiego jak nichrom, na cylindrycznym rdzeniu ceramicznym lub szklanym. Rezystancja jest kontrolowana przez wycięcie spiralnego rowka w warstwie przewodzącej.

Tlenek metalu (z odprowadzeniami)

Rodzaj cylindrycznego rezystora, który jako element rezystancyjny wykorzystuje materiały takie jak tlenek rutenu lub tlenek cyny. Rezystory te mogą być doskonałymi urządzeniami wysokiego napięcia lub dużej mocy.

Grubowarstwowe (rezystory mikroelektroniczne / układy mikroelektroniczne / sieci)

Specjalnie zbudowany rezystor warstwowy do montażu powierzchniowego, który przenosi wysoką moc jak na rozmiar elementu. W przypadku rezystorów grubowarstwowych „warstwa” tlenku rutenu jest nakładana przy użyciu tradycyjnej technologii sitodruku.

Cienkowarstwowe (rezystory mikroelektroniczne / układy mikroelektroniczne / sieci)

Rodzaj rezystora warstwowego do montażu powierzchniowego ze stosunkowo cienkim elementem rezystancyjnym o grubości mierzonej w angstremach (milionowych części cala). Rezystory cienkowarstwowe są wytwarzane przez napylanie (znane również jako powlekanie próżniowe) materiału rezystancyjnego, takiego jak nichrom lub azotek tantalu na powierzchni podłoża.

Warstwowe węglowe (z odprowadzeniami / MELF)

Ogólny opis klasy rezystorów cylindrycznych wykonanych przez nakładanie warstwy węglowej na powierzchni izolatora rdzenia centralnego.

Z folii metalowej (do montażu powierzchniowego / z odprowadzeniami)

Rodzaj rezystora wykonanego fotograficznie w postaci jednorodnego metalu o określonym wzorze na podłożu ceramicznym. Unikalne połączenie materiałów i konstrukcji daje produkt o niezrównanych właściwościach użytkowych i wysokiej niezawodności.

Kompozytowe (z odprowadzeniami)

Kompozytowe węglowe

Ogólny opis klasy rezystorów składających się z rdzenia rezystancyjnego z mieszanki węglowej i formowanego zewnętrznego rdzenia izolacyjnego.

Kompozytowe ceramiczne

Rodzaj rezystora, który składa się z mieszanki gliny, tlenku glinu i węgla, które zostały zmieszane i sprasowane w rdzeń rezystancyjny, a następnie pokryte formowanym zewnętrznym rdzeniem izolacyjnym.