Резистор, или как он переводится с нерусского, сопротивление – это пассивный элемент электроники, входящий в четвёрку основных. Определение «пассивный» означает, что он ничего не генерирует и ничем не управляет, хотя ни один генератор, ключ или усилитель, очень часто, не может без них обойтись. В одном каскаде с активным элементом, обычно, используется несколько резисторов.
В этой статье объясняется, что они там делают и какие функции могут выполнять.
Основные функции резисторов
Все резисторы, используемые в электрике или электронике, выполняют такие задачи:
· Ограничение тока;
· Деление напряжения.
Для разбора первого типа функций следует вспомнить закон Ома:
· Для участка цепи – I=U/R, где I – ток, U – напряжение, R – сопротивление (основной номинал резистора);
· Для полной цепи – I=U/(R+r), где r– это эквивалентное сопротивление источника энергии (гальванического элемента, аккумуляторной батареи, электронных компонентов адаптера питания и др.).
Для разбора функции деления напряжения представим и рассмотрим схематическое подключение резисторов. Также задействуем правила определения общего сопротивления, не учитывая, а затем учитывая, входные сопротивления вольтметров или входов электронных каскадов управления.
Примеры расчёта сопротивлений ограничивающих резисторов
Итак, сопротивление r источника энергии, согласно закона Ома для полной цепи, ограничивает максимальный ток, который может возникнуть при замыкании или подключении определённой нагрузки. Для автомобильных аккумуляторов внутреннее сопротивление представлено в таблице.
Возьмём, например, аккумулятор с внутренним сопротивлением 5 мОм и проводами с клеммами 2 мОм. Итак, I=U/(0,002+0,005), при напряжении 12,7В ток I=12,7/0,007≈1815 А. Это слишком большой ток, который может вскипятить аккумулятор. По паспорту смотрим пусковой ток 600 А. Значит нам надо рассчитать ограничивающий резистор нагрузочной вилки, который бы смог ослабить максимальный ток до номинального значения.
Для этого пользуемся формулой Ома R=U/I=12,7/600=0,02 Ом. Это значит 20 мОм должно быть сопротивление цепи, чтобы аккумулятор выдавал пусковой ток не выше номинального. Если сопротивление батареи равно 5 мОм, то добавочное Rдоб.=20-5=15 мОм или 0,015 Ом. Такое сопротивление можно изготовить из проволоки металла, который обладает относительно высоким сопротивлением.
Это может быть не обязательно нихром, для сравнительно малоомных сопротивлений подходит стальная проволока. А вот толщина её должна соответствовать условиям расчёта мощности. Об этом мы разберём в разделе ниже. Так как нагрев металла, свыше определённого значения изменяет его сопротивление в сторону увеличения, то толщину проволоки выбирают такой, чтобы она вызывала допустимый нагрев при протекании через неё требуемого тока. Значит для получения требуемого сопротивления увеличивают длину провода-резистора.
Но в электронике, в основном, используются уже готовые резисторы, мощностью от 0,125 до 2 Вт, реже более.
Попробуем подобрать резистор для таких случаев. Например, предварительный каскад усилителя содержит маломощные транзисторы, поэтому нужно ограничить ток их питания до 100мА, то есть 0,1А при напряжении 6В. R=U/I=6/0,1=60 Ом. Округляем до примерного значения и выбираем готовый резистор 67Е или 67R, что соответствует номиналу 67 Ом. Если добавить конденсатор, то такой резистор будет служить дополнительно фильтром сглаживания помех питающего напряжения (см. картинку 5).
Расчёт ограничивающих резисторов необходим для недопущения превышения тока через:
· Стабилитрон в параметрических стабилизаторах напряжения;
· Светодиод;
· Цепь базы, эмиттера, коллектора биполярного или затвора, стока либо истока полевого транзистора;
· Цепи других электронных компонентов, в том числе интегральных.
Расчёт резисторных делителей напряжения
Если включить 2 последовательно соединённых резистора, то получится делитель напряжения с выходом на точке их соединения. Напряжение в таких схемах делится по принципу соотношения их сопротивлений. Но, это если не учитывать входное сопротивление вольтметра, которым мы это напряжение будем измерять.
Если же оно близко по величине с используемым в делителе, то общее сопротивление следует рассчитывать по хитроумной формуле расчёта общего сопротивления 2-х соединённых параллельно резисторов:
Rобщ=R1×R2/(R1+R2). При последовательном соединении резисторов их сопротивление складывается. А вот внутреннее сопротивление есть в усилителях, ключах и других электронных системах, узлах и модулях. Так, что при расчёте нужно учитывать его, если оно близко по номиналам используемых в схеме делителях. Имеется ввиду, что внутреннее сопротивление не на много больше. Ну, а тем более, если меньше.
К примеру, мы имеем усилительный каскад с входным внутренним сопротивлением 1 кОм. Максимальное входное напряжение у него не должно превышать 1В. Предварительный усилитель может достигать максимальную амплитуду ⁓3В. В этой ситуации для сопряжения входа оконечного усилителя с выходом предварительного, можно применить 1 резистор, сопротивлением 3 кОм. В паре со входным сопротивлением (1 кОм) он будет образовывать делитель напряжения с параметрами 1 к 3.
Но можно использовать и делитель из 2-х резисторов: 1 кОм и 500 Ом. В этом случае общее сопротивление нижнего плеча резистора будет Rобщ=500×1000/(500+1000)=500 000/1500≈333. Итак, получился делитель напряжения с сопротивлениями 1 кОм и 333 Ом, а значит коэффициент деления 1000/333≈3. В итоге получились 2 схемы с одинаковыми свойствами ограничения.
Но, являются ли эти 2 варианта согласования идентичными? Нет! У них большая разница по току. Сопротивление в 1 кОм пропускает больший ток, чем 3 кОм. Поэтому для усилителя мощности схема с 2-я резисторами 1 кОм и 500 Ом является более предпочтительной. Вот почему в усилителях в качестве регулятора громкости используют потенциометр.
Виды резисторов
Кроме сопротивления, важным параметром для резистора является мощность и напряжение, а также другие характеристики.
Максимальная мощность рассеивания резисторов
Проводя расчёт ограничительного резистора для аккумулятора, мы вычислили его сопротивление. Но мы не рассчитали мощность рассеивания, которая непременно выделится на нём при включении его в цепь с такими значениями тока и напряжения.
Итак, если не учитывать падения напряжения на проводах (можно измерить экспериментально или рассчитать), то получим мощность, по формуле:
P=U×I=12,7×600=7620 Вт. Это ≈ 7,6 кВт – целая печка!
Конечно, такой резистор должен иметь целую систему охлаждения или же использоваться лишь для кратковременного включения. Именно так используется резистор нагрузочной вилки, если его передержать, то он может получит температурный перегрев и выйти из строя. Правда на практике используются вилки с температурным предохранителем, который разрывает цепь при достижении определённой температуры. Времени в несколько секунд достаточно, чтобы зафиксировать пусковой ток.
Из всего этого понятно, что использовать мощные резисторы попросту неэффективно, большая часть энергии отправляется в нагрев. На практике, в электронике используются резисторы, мощностью менее ватта, реже в несколько ватт. Максимальная мощность рассеивания маркируется габаритами самого резистора (см. картинку 6). В микросборках и микросхемах стараются применять топологию с мощностями резисторов в несколько милливатт. Иначе микросхемы, содержащие их миллионами не смогли бы функционировать по причине их перегрева.
Как же рассчитать мощность, которая выделиться на резисторе? Для этого нужно максимальный ток через резистор умножить на напряжение, которое образовалось на его выводах.
К примеру, если взять схему, то мощность резистора R1 будет равна P=Uпадения×I=4×0,1=0.4В, округляем до 0,5Вт, а R2 – составит P=Uпадения×I=1×0,1=0,1Вт, округляем до 0,125Вт.
Высоковольтные резисторы
На платах старых советских телевизоров можно встретить большие подстроечные резисторы, там же имеются постоянные, но отличающиеся увеличенной длиной. Это высоковольтные резисторы. Их увеличенные размеры позволяют выдерживать высокое напряжение без разрядов, которые могут повредить устройство.
Переменные резисторы
Существуют резисторы, сопротивление которых можно изменить путём поворота или сдвига рукоятки управления. Если такое устройство предполагается использовать для оперативного изменения сопротивления, то он называется переменным. Для временной настройки – подстроечный.
Основная их разница в том, что в качестве последнего можно использовать регулируемый резистор с меньшим ресурсом регулировки. В качестве переменного лучше использовать устройство, которое имеет максимально большой ресурс скольжения щётки по токопроводящему слою без значимого его повреждения. На этот ресурс ещё влияет характер эксплуатации. Подстроечный компонент можно легко сломать чрезмерным усилием, когда токосъёмный лепесток находится в оконечном положении.
Переменные резисторы, обычно, более устойчивы к механическим перегрузкам. Хотя они тоже зависят от пользователей и бояться умельцев выводить их из строя. Впрочем, если качество материалов посредственное, то долгого ресурса эксплуатации от них ожидать не стоит.
У переменных и подстроечных резисторов есть отличительная характеристика – тип зависимости изменения сопротивления от угла поворота или процента сдвига рукоятки управления относительно всей зоны регулирования. Отличительные их особенности хорошо поясняют эквивалентные схемы и соответствующие графики зависимости сопротивления от изменения положения элементов управления.
Переменные или подстроечные резисторы тоже могут служить в качестве ограничителей тока. Причём изменение их сопротивления будет менять параметры ограничения. Подключают их в ограничительную цепь по реостатной схеме А или Б, изображённых на картинке 7. При соединении отвода от щётки резистора с одним из его концов (схема Б), зависимость сопротивления от угла поворота или сдвига ползунка приобретает логарифмический характер.
Если же резистор уже имеет логарифмическую зависимость, то данная схема подключения увеличит его крутизну. А вот у переменного или подстроечного резистора с обратно-логарифмической зависимостью, подключение схемой Б (картинка 7) выровняет зависимость изменения положения органа управления от итогового сопротивления. Включение переменных или подстроечных резисторов по схеме потенциометра (см. картинку 7) позволит построить делитель напряжения с переменным (регулируемым) коэффициентом деления.
Эквивалентные сопротивления резисторов
На практике для переменных и импульсных токов имеет место эквивалентное сопротивление:
· Индуктивное;
· Ёмкостное.
Поэтому, если резистор выполнен в виде катушки провода или слоя напыления, то он будет обладать индукцией. На высоких частотах это может привести к увеличению его реального сопротивления. Вот из-за чего существуют специальные высокочастотные резисторы, у которых эти моменты учитываются.
Также при монтаже, например, smd-резисторов на плату над самой дорожкой, может образоваться ёмкостная связь. Так как чип резистора выполнен в виде пластины, относительно большой площади, то его поверхность может, в паре с дорожкой платы или с соседним компонентом, создать «паразитный» конденсатор. Его влияние, особенно в высокочастотном каскаде, может иметь значительное действие.
Маркировка резисторов
На резисторах маркируется только номинал сопротивления и процент его возможного отклонения. Для буквенно-числового обозначения используются буквы R или Е, которые указывают сопротивление в омах, К – в килоомах, М – в мегаомах. Если буква находится по середине цифр, то она означает запятую, если в начале, то как множитель своего разряда. Более подробно о маркировке резисторов описано здесь, в этой статье.
