Заметка о резисторах
Резистор является простейшим дискретным компонентом в электронике и электротехнике. Здесь я собрал описание важнейших свойств и особенностей этого распространенного устройства.
Резистор (он же сопротивление), применяется для ограничения тока в электрической цепи.
Основные параметры
Резистор имеет следующие параметры:
- номинальное сопротивление (номинал);
- допустимое отклонение от номинала;
- номинальная рассеиваемая мощность;
- температурный коэффициент сопротивления;
- уровень собственных шумов.
Номинал измеряется в Омах, а с десятичными приставками: килоОмах и мегаОмах. Формальное определение одного Ома гласит: "сопротивление равно 1 Ом, если при напряжении на концах проводника 1 Вольт сила тока через него составляет 1 Ампер". При нагреве значение сопротивления резистора уменьшается в зависимости от его способности рассеивать тепловую энергию (см. ниже про рассеиваемую мощность).
Пример: нагрев пламенем спички старого советского резистора на 300 Ом и 2 Вт дал снижение сопротивления на 1-2 Ома; нагрев более современного (наверное, китайского) резистора на 10 кОм и 0.125 Вт снизил сопротивление почти на 1 кОм.
Допустимое отклонение резистора измеряется в процентах и связано с его классом точности. Кроме упомянутых в указанной заметке трех классов, есть и другие, но, мне кажется, представители их редко встречаются и предназначены для особо точной техники, например, в медицине или военной промышленности. Тем не менее, при проектировании и расчете схемы устройства нужно учитывать, что вычисленный для данного конкретного случая номинал может не выпускаться промышленностью и, таким образом, использовать знания о допустимых отклонениях для выбора наиболее приемлемого варианта. Кроме этого, можно взять несколько резисторов одного номинала и выбрать из них тот, который наиболее точно соответствует расчитанному значению сопротивления.
Рассеиваемая мощность - это количество электрической энергии, которое резистор может преобразовать в тепловую без саморазрушения. Измеряется в Ваттах (Вт). Нередко размеры корпуса резистора могут сказать об относительно большем или меньшем значении рассеиваемой мощности. Чем крупнее корпус, тем больше энергии он может преобразовать. А с повышением температуры допустимая рассеиваемая мощность снижается. Резистор для конкретной схемы следует выбирать с запасом мощности в 20% (по-крайней мере я встречал такие рекомендации в литературе).
Примечание: размер корпуса резистора обычно ничего не говорит о значении его номинала, т.к. это зависит в первую очередь от материала, из которого изготовлен резистор.
Температурный коэффициент сопротивления - это величина отклонения (в процентах) от номинала при изменении температуры на 1 градус Цельсия.
Уровень собственных шумов (или индекс шума) является важным для очень точных устройств. Он является следствием несовершенства как самого резистора (его конструкции и материалов), окружающих его компонентов, напряжения в цепи и даже окружающей среды. Одним из факторов, влияющих на увеличение "шумности" резистора является температура - чем она выше, тем более не точной будет работа компонента.
Физическое исполнение
Пожалуй, можно классифицировать физическое исполнение резисторов по возможности изменения их номинала и по способу монтажа.
По изменению значения номинала
- Постоянные
Это, наверное, наиболее часто используемые резисторы. Корпус с двумя выводами. Размеры и форма корпуса могут отличаться, но в настоящее время чаще всего встречаются резисторы в форме цилиндра с выводами на его торцах.
- Переменные (в том числе подстроечные)
Переменные резисторы (или потенциометры) применяются там, где необходимо в процессе эксплуатации устройства менять значение сопротивления. Самый простой пример - регулировка громкости звука.
Подстроечные резисторы обычно не предназначены для регулярного изменения сопротивления, но их значение можно довольно точно подстроить под требования данного устройства или условий его эксплуатации.
По способу монтажа
- Поверхностного монтажа (Surface Mount Device - SMD)
Обычно достаточно маленькие, порой даже очень маленькие. Несмотря на это, встречаются достаточно мощные (Ватты и даже десятки Ватт). Для обозначения размеров корпусов используются две наиболее распространенные системы: EIC (Electronic Industries Association - размеры измеряются в миллиметрах) и EIA (Electronic Components Industry Association - размеры измеряются в дюймах). Перечислю основные типоразмеры:
| EIA | EIC | L (мм) | W (мм) | H (мм) |
|---|---|---|---|---|
| 0402 | 1005 | 1.0±0.1 | 0.5±0.05 | 0.35±0.05 |
| 0603 | 1608 | 1.6±0.1 | 0.85±0.1 | 0.45±0.05 |
| 0805 | 2012 | 2.1±0.1 | 1.3±0.1 | 0.5±0.05 |
| 1206 | 3216 | 3.1±0.1 | 1.6±0.1 | 0.55±0.05 |
| 1210 | 3225 | 3.1±0.1 | 2.6±0.1 | 0.55±0.05 |
| 2010 | 5025 | 5.0±0.1 | 2.5±0.1 | 0.55±0.05 |
| 2512 | 6332 | 6.35±0.1 | 3.2±0.1 | 0.55±0.05 |
- Выводные (Through-Hole Technology - THT)
Это просто резисторы с выводами, которые впаиваются в отверстия на печатной плате. Четкой системы типоразмеров нет.
Условные обозначения
Условное графическое обозначение (УГО) резистора, думаю, знакомо очень многим. Нужно только отметить, что встречаются УГО "по ГОСТ" (на рисунке сверху) и "иностранные" (на рисунке, снизу):
УГО переменных резисторов:
УГО подстроечных:
Маркировка
Мне кажется, что буквенно-цифровая маркировка использовалась когда размеры резисторов позволяли наносить на их корпуса более-менее различимые невооруженным глазом надписи. Тем не менее, резисторы с такой маркировкой можно встретить и сейчас.
Когда на корпусе указано просто числовое значение, то наверняка это значение в Омах. Если после числа есть буква К, то это килоОмы. Если эта буква между цифрами, например, 4K7 - это 4.7 кОм. Если же буква перед значением, то это доли Ома (я про это читал, но сам такие не встречал). Также, на таких резисторах можно найти указание их точности в процентах и мощность в Ваттах.
Цветовая маркировка встречается часто. Но на маленьких корпусах, которые к тому же часто окрашены в какой-либо цвет, бывает непросто различить цвета самой маркировки. Я просто приведу здесь картинку с маркировкой из интернета:
Особенности соединения
Последовательное:
Формула расчета сопротивления при последовательном соединении резисторов:
$$ R_{последов.} = R_1 + R_2 + ... + R_n $$
Параллельное:
Формула расчета сопротивления при параллельном соединении резисторов:
$$ R_{параллел.} = \frac{1}{\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}} $$
Расчеты
При разработке электрической схемы обязательными расчетами для резисторов являются: расчет мощности, допустимого напряжения, точности и температурного дрейфа.
Расчет мощности является, пожалуй, самым главным, т.к. если здесь будет допущена грубая ошибка, резистор превратится в нагреватель или даже может сгореть (с дымом, как положено). Целью этого расчета является убежденность в том, что тепловая энергия, выделяющаяся на резисторе, не превышает его номинальную мощность. Обычно значение номинальной мощности можно найти в техническом описании к резистору. Если же такого документа нет, можно прочитать маркировку.
Для расчета потребуется знание номинала резистора и величины тока, который через него потечет. Формула расчета следующая:
$$ P=I^2*R $$
Например, если имеется резистор на 100 Ом и ток 0.1 А, то мощность будет 1 Вт. Таким образом, в данном случае резистор нужно брать на 1.5 или 2 Вт. Если для данного резистора есть техническое описание, настоятельно рекомендуется свериться с ним и особенно заострить внимание на зависимости температуры окружающего воздуха на допустимую мощность.
Расчет допустимого напряжения следует выполнять для того, чтобы убедиться в том, что резистор выдерживает приложенное к его выводам напряжение и он не будет пробит. В данном случае расчет может быть только приблизительным и наиболее правильно - взять значение из технического описания.
Если же описания нет, то можно лишь примерно оценить допустимое напряжение, например, по типоразмеру. Для выводных резисторов длиной до 6мм это 150-200 В, для резисторов длиной 7 мм - 250-350 В, для резисторов длиной 15 мм - 500-700 В. Если это SMD-резистор, то для них есть таблица типовых значений:
| EIA | (мм) | Макс. напряжение |
|---|---|---|
| 0201 | 0.6x0.3 | 15-25 |
| 0402 | 1.0x0.5 | 50 |
| 0603 | 1.6x0.8 | 50 |
| 0805 | 2.0x1.25 | 100-150 |
| 1206 | 3.2x1.6 | 150-200 |
| 1210 | 3.2x2.5 | 200 |
| 2010 | 5.0x2.5 | 200-300 |
| 2512 | 6.3x3.2 | 300-400 |
Наверное лучшим советом будет, если в схеме будет напряжение больше 100 В, то следует купить проверенный резистор к которому есть техническое описание.
Меры предосторожности
При измерении сопротивления мультиметром не следует браться руками за оба вывода резистора. Дело в том, что человеческое тело является проводником и тоже имеет сопротивление, и взяв резистор в руки вы, фактически, подключаете параллельно резистору еще один резистор. В этом случае мультиметр покажет сопротивление меньше, чем на самом деле номинал резистора.