Резистором называется элемент схемы, используемый для ограничения тока в электрических цепях. Изобретателем резистора считается английский физик Генри Кавендиш (Henry Cavendish): в 1776 г. он начал изучать удельное сопротивление проводников и впоследствии разработал первые проволочные резисторы. Спустя 150 лет, в конце 1920 г., физик Б. И. Каминский создал первые непроволочные углеродистые резисторы, а спустя еще несколько лет появились металлизированные резисторы с улучшенными тепловыми свойствами. Совершенствование резисторов продолжается и в наши дни.
Основные требования к резисторам приведены в ГОСТ 28608-90 (МЭК 115-1-82) в этом же стандарте можно найти ссылки к другим стандартам, в которых рассматриваются частные требования и методы испытаний.
Виды резисторов
Постоянные резисторы классифицируются по нескольким признакам. Первый из них — по способу монтажа. Выделяются SMD-резисторы и резисторы для навесного монтажа и монтажа в отверстия. В последнее время к этим двум группам добавляют третью — резисторы, встраиваемые в печатную плату. Максимальная мощность рассеивания SMD-резисторов типоразмеров 01005…2512 составляет 0,031–1 Вт соответственно, а резисторов для навесного монтажа и монтажа в отверстия — 0,125–1000 Вт.
Также резисторы делятся на изолированные и неизолированные. Неизолированные виды резисторов не допускают контакта с другими компонентами и токоведущими частями изделия, в то время как изолированные имеют изоляционное покрытие и защищены от электрического контакта. Для защиты от воздействия окружающей среды доступны герметизированные типы резисторов.
Классифицируются резисторы и по технологии изготовления. Существуют два вида — проволочные и непроволочные. Непроволочные резисторы подразделяются на следующие типы:
- углеродистые
- металлоуглеродистые
- металлодиэлектрические
- металлоокисные;
- металлофольговые
- пленочные:
- тонкопленочные;
- толстопленочные.
Кроме того, предусмотрена классификация резисторов в зависимости от назначения:
- прецизионные и сверхпрецизионные резисторы с допустимым отклонением сопротивления от номинального значения в пределах 0,0005–0,5 %;
- высокочастотные резисторы с минимальной величиной паразитной индуктивности и емкости;
- высоковольтные резисторы для работы в цепях с напряжением вплоть до десятков киловольт;
- высокоомные резисторы с сопротивлением до нескольких ТОм;
- токочувствительные резисторы и резисторы со сверхнизким сопротивлением вплоть до 100 мкОм;
- высокотемпературные резисторы с рабочей температурой до +200–300 °С.
Цветовая маркировка резисторов
Маркировка резисторов для монтажа в отверстия показана на рис. 1. На рис 2 показана расшифровка цветовой кодировки. Первые три полосы, расположенные слева, означают величину сопротивления, четвертая полоса это множитель, пятая отображает отклонение величины сопротивления от номинального значения, а шестая кодирует температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Если используется 5-полосная маркировка, то информация о ТКС отсутствует. При 4-полосной маркировке также отсутствует кодировка ТКС, а величина сопротивления кодируется только двумя левыми полосами. При 5- и 6-полосной маркировке, в мантиссе числа сопротивления используется 3 цифры, что дает возможность маркировать все значения сопротивлений резисторов из рядов E48, E96 и E192. Например, сопротивления 332 кОм можно промаркировать только с помощью 5- и 6-полосная маркировка и нельзя с помощью 4-полосной маркировки.
Рис. 1. Цветовая маркировка резисторов
Рис. 2. Расшифровка цветовой кодировки
Иначе производится маркировка SMD-резисторов. При трехзначной маркировке резисторов с сопротивлением свыше 10 Ом первые две цифры отображают начальное значение сопротивления, а последняя цифра —число нулей. Например, маркировка «473» означает сопротивление 47000 Ом = 47 кОм. Если используется четырехзначная маркировка, то первые три цифры отображают начальное значение, а последняя цифра — число нулей. Например, маркировка «4703» кодирует сопротивление 470 000 Ом = 470 кОм. При маркировке резисторов с сопротивлением менее 10 Ом в качестве запятой используется символ R. Так, маркировка «4R7» кодирует сопротивление 4,7 Ом, а маркировка «R47» означает сопротивление 0,47 Ом. Обратите внимание, что при трехзначной маркировке допустимое отклонение от номинального значения может быть ±2%, ±5% или ±10%, а при четырехзначной маркировке допустимое отклонение составляет ±1%.
Нюансы выбора
Обычно при выборе резистора разработчики руководствуются номинальным значением сопротивления, допустимым отклонением сопротивления от номинального значения и рассеиваемой мощностью. Как правило, подобный подход оправдан, но бывают и исключения. Рассмотрим два особенных случая.
Для начала обратим внимание на упрощенную эквивалентную схему резистора, показанную на рис. 3. На ней приняты следующие обозначения: RН — идеальный резистор; RК — сопротивление контактов резистора, RИЗ — сопротивление изоляции резистора (в нашем случае этим сопротивлением можно пренебречь); LR и CR — паразитная индуктивность и емкость резистора.
К сожалению, избавиться от паразитных параметров резисторов невозможно. Проводник с током порождает магнитное поле, следовательно, имеет индуктивность. Нетрудно увидеть, что наибольшей индуктивностью обладают обычные проволочные резисторы, которые представляют собой катушку с воздушным сердечником. Этот же тип резисторов имеет и наибольшую паразитную емкость из-за дополнительной межвитковой емкости. Минимальные паразитные параметры имеют специальные СВЧ резисторы. Обычно это пленочные резисторы или резисторы, выполненные в виде тонкой квадратной металлизированной пластины
Иногда можно встретить термин «безиндуктивный резистор», но это лишь маркетинговая уловка, такой резистор имеет минимальную, но не равную нулю индуктивность. «Безиндуктивными» резисторами обычно называют проволочные резисторы с бифилярной (встречно параллельной) намоткой. Стоимость таких резисторов выше из-за увеличенного расхода проволоки.
Таким образом, эквивалентная схема резистора представляет собой колебательный контур. Собственная частота колебательного контура описывается известным выражением ω0 = √1/(LR×CR), а степень затухания — β =(RН/2) × √CR/LR.
Рис. 3. Упрощенная эквивалентная схема резистора
Для применения в цепях СВЧ с частотами несколько гигагерц или несколько десятков гигагерц используются специальные высокочастотные резисторы с минимальными паразитными индуктивностями и емкостями. В этом случае значение резонансной частоты крайне велико и она не сказывается на работе схемы. Казалось бы, в цепях с частотами несколько десятков или сотен мегагерц паразитными параметрами можно пренебречь, но дело не только в частоте: при крутых фронтах импульсов даже небольшой частоты резонансная цепь может породить звон на фронте импульса, который добавится к пульсациям на шинах распределенной системы питания.
Следует помнить, что при плотном монтаже у резистора возникает дополнительная индуктивная и емкостная связь с соседними компонентами и проводниками. Наименьшие паразитные параметры у SMD-резисторов из-за минимальной длины выводов.
Еще одним примером случая, когда некорректный выбор вида резистора может привести к неприятностям, являются измерительные цепи с микровольтовым уровнем сигналов. Важно, чтобы в таких цепях входной каскад измерительного тракта генерировал как можно меньше шумов. Напомним, что резистор R также является генератором шума, определяемого выражением:
E = √4KTR,
где: Е — спектральная плотность шума, измеряется в нВ/√Гц; K — константа Больцмана (= 1,38×10−25); T — температура в градусах Кельвина.
Тепловой шум зависит только от номинального значения сопротивления резистора. Но есть два типа шумов, которые зависят от вида резистора. Первый из них — шум 1/f, иногда его называют фликкер-шумом или розовым шумом, а второй — NI, добавочный шум. На данный момент нет единого мнения о природе шума 1/f, он присущ всем без исключения элементам электрической схемы. Предполагается, что он вызван неоднородностью материала и несовершенством технологии производства. Шум NI зависит только от материала резистора. Например, самый большой шум NI у карбоновых и толстопленочных резисторов, а самый низкий — у металлизированных и проволочных резисторов. Производитель, как правило, приводит сведения о шумах, но если их не найти в документации, рекомендуем обратиться в техподдержку компании.
Применение резисторов
В заключение приведем два примера использования резисторов.
Делитель напряжения (рис. 4) является самым простым и наиболее распространенным элементом схемы. Выходное напряжение делителя V2 рассчитывается по формуле:
Рис. 4. Схема делителя напряжения
V2 = V× [R2/(R1 + R2)].
Менее тривиальным примером служит матрица R-2R. В качестве примера на рис. 5 приведена 4-каскадная матрица. Подобная матрица используется в ЦАП, число каскадов матрицы определяет его разрядность. Выходное напряжение матрицы, изображенной на рис. 4, определяется из следующего соотношения:
Рис. 5. Схема 4-каскадной матрицы
Vвых = V × [A0 × (1/16) + A1 × (1/8) + A2 × (1/4) + A3 × (1/2)].
В этом соотношении Ai = 1, если соответствующий ключ Ki замкнут, и Ai = 0, если соответствующий ключ Ki разомкнут.