Scurt ghid asupra rezistoarelor

Rolul diferitelor tipuri de rezistoare. Pentru mulți ingineri, alegerea rezistenței potrivite pentru aplicația lor este pur și simplu o chestiune de calculare a valorii și toleranței corecte, apoi de a căuta soluția cea mai rentabilă. Atunci de ce există atât de multe tipuri diferite de rezistențe?
Acest ghid își propune să ofere o perspectivă asupra lumii rezistențelor și a parametrilor cheie ai acestora.

Începe de la elementele de bază, definind rezistența, trecând apoi la principalele tipuri de rezistențe, evidențiind caracteristicile cheie ale acestora, apoi va analiza succint specificațiile pe care le va întâlni un inginer în timpul procesului de proiectare.

Ce este un rezistor și care este simbolul său?

Un rezistor este o componentă electrică pasivă care restricționează fluxul de curent electric într-un circuit. Analogia folosită adesea pentru a explica funcționarea sa este aceea de a considera curentul ca fiind apa care curge într-un furtun; un rezistor poate fi considerat ca o construcție a conductei care limitează curgerea apei.

Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu legea lui Ohm: U=I*R, unde U este căderea de tensiune pe un rezistor, I este curentul care circulă în rezistor și R este valoarea rezistenței. Aceasta este ecuația care conectează curentul, tensiunea și rezistența și stă la baza lucrului cu rezistențe (dar și alte componente pasive).

La nivel microscopic, rezistențele sunt realizate dintr-o varietate de materiale care sunt conductoare, dar nu perfecte, astfel încât capacitatea de curgere a electronilor este împiedicată de structura atomică a materialelor alese. Variind caracteristicile conductorului, cum ar fi conductivitatea materialului, suprafața și lungimile materialului utilizat, este posibil să se controleze rezistența la precizia dorită. Rezistența este măsurată în ohmi, iar simbolul unității este Ω.

Trebuie menționat că există rezistențe a căror valoare este variabilă în funcție de o mărime fizică (de exemplu temperatură, intensitate luminoasă, etc.). Acestea sunt utilizate ca elemente senzoriale și nu fac parte directă din subiectul de față.

Rolul efectiv al rezistoarele într-un circuit?

Rezistoarele au multe utilizări în circuitele electrice și electronice. Mai jos sunt enumerate câteva dintre cele mai des utilizate configurații; majoritatea aplicațiilor necesită mai multe rezistențe în configurații seriale sau paralele:

Divizoare de tensiune. Două sau mai multe rezistențe în serie vor oferi tensiune la punctul lor de joncțiune proporțională cu raportul dintre valorile lor. Această funcționalitate este utilizată pe scară largă în circuitele în care este necesară generarea unor tensiuni intermediare.
Rezistoare de polarizare. Pentru tranzistoare, dar și pentru alte dispozitive electronice, trebuie stabilite puncte de funcționare conform caracteristicilor lor de funcționare AC și DC, având stabilite de exemplu valorile de amplificare pentru tranzistoare. Acest lucru se poate realiza prin utilizarea mai multor rezistențe și poartă numele de polarizare.
Amplificare și reacție pentru amplificatoarele operaționale. Majoritatea circuitelor cu amplificatoare operaționale trebuie să aibă stabilite funcționalitățile de amplificare și reacție (feedback) prin utilizarea unor componente externe cipului amplificatorului; componentele primare necesare cel mai adesea utilizate sunt rezistoarele.
Limitare de curent. Rezistoarele pot fi utilizate pentru a limita curentul ce străbate un circuit. Aceasta este o funcție de siguranță utilă în multe circuite, de exemplu limitând curentul printr-un LED pentru a-i gestiona luminozitatea.
Potrivire de impedanță. Pentru a maximiza transmisia de putere la frecvențe înalte, impedanța capetelor de recepție și transmisie ale unui circuit trebuie să fie aceeași. Rezistoarele pot îndeplini cel puțin o parte din această cerință.
Măsurarea curentului. În cazul multor circuite electronice este nevoie să se cunoască curenții ce le străbat, iar acest lucru este mult mai ușor prin măsurarea unei căderi de tensiune. Inserarea unui rezistor în circuit pentru a „dezvolta” o cădere de tensiune – amintiți-vă legea lui Ohm – este o tehnică uzuală pentru măsurarea curentului.
Rezistențe de pull-up, pull-down pentru magistrale de date și de adrese. Rezistențele de pull-up sau pull-down sunt de fapt rezistoare simple ce ajută la definirea stării intrării atunci când nu este un semnal sursă conectat. Această funcționalitate ajută la reducerea problemelor de zgomot pe magistralele computerizate de mare viteză.

Tipuri de rezistoare

Există multe tipuri diferite de rezistențe și pot fi fabricate din diverse materiale, toate având propriile avantaje și dezavantaje unice. Înainte de a analiza materialele, merită să luați în considerare diferitele configurații disponibile.

Rezistoare de valoare fixă

Acestea sunt tipul predominant de configurație de rezistență și, după cum sugerează și numele, au o valoare fixă a rezistenței. Este posibil să cumpărați un rezistor de orice valoare ohmică de care aveți nevoie, cu toate acestea, în marea majoritate a cazurilor, este posibil să „ajustați” circuitul pentru a modifica valoarea necesară. Din acest motiv, toți producătorii vor furniza familii de rezistențe.

RS PRO: 131-1318

RS PRO: 739-7538

RS PRO: 804-8845

Deci, de exemplu, o familie uzuală este familia E24. Acesta are 24 de valori între 100Ω și 1000Ω sau între 10KΩ și 100KΩ. Valorile din interval sunt alese astfel încât atunci când luați în considerare toleranțele pentru fiecare valoare, aveți acoperire peste cele mai multe valori posibile. Numărul de valori dintr-o familie depinde de precizia și toleranța necesară, astfel încât familia E192 are mult mai multe valori din care să aleagă, cu toleranțe de până la 0,1%. Acest lucru, desigur, poate crește costul rezistențelor.

Rezistoare variabile

În practică sunt întâlnite mai multe categorii de rezistoare variabile: potențiometre, trimmere și reostate. Acestea sunt rezistențe a căror valoare poate fi modificată prin rotirea unui arbore / buton sau cu ajutorul unei șurubelnițe pentru stabilirea unei poziții.

Bourns: 522-0899 (Trimmer)

Arcol: 131-1318 (Reostat)

RS PRO: 173-0747 (potențiometru)

Un rezistor variabil este un dispozitiv cu trei terminale. Dispozitivele vin sub forma unui contact mobil care rulează de-a lungul unei piste rezistive sau, în cazul dispozitivelor cu mai multe ture, un fir înfășurat strâns. Deși sunt utile pentru reglarea valorilor rezistenței într-un circuit, potențiometrele pot fi predispuse la mișcarea părții mobile din cauza vibrațiilor și, prin urmare, pot fi problematice dacă sunt alese greșit.

Rețele de rezistoare

Bourns: 522-4071

Vishay: 684-5802

Se întâmplă adesea cazuri în care sunt necesare mai multe rezistențe de aceeași valoare, în aplicațiile de tip pull-up magistrală de date, de exemplu. Pentru aceste aplicații, este posibil să achiziționați pachete de rezistențe, fie ca pachete SIL (single inline) sau DIL (dual inline). Ele pot veni ca rezistențe multiple neconectate sau cu un pin din fiecare rezistor conectat la un singur contact de pe pachet. Deși această soluție poate fi mai costisitoare față de soluția bazată pe rezistențe individuale, costurile de montare sunt desigur mai mici, deoarece este necesară o singură inserție. Această considerație a condus și la disponibilitatea rezistențelor duble într-un singur pachet pentru aplicații potențiale de divizoare de tensiune.

Marcarea valorii rezistenței

Rezistoarele au valoarea marcată pe ele într-o formă sau alta. Pot fi marcaje sub formă de text propriu-zis, putând fi un cod de 3 sau 4 digiți cu o valoare și un sistem de multiplicare. De exemplu, 102 va reprezenta 10×10² sau 1kΩ, iar tipul cu 4 digiți 1002 reprezintă 100 x 10² sau 10KΩ. Pentru valori mici, 4R7 reprezintă 4,7Ω.

Având în vedere dimensiunea redusă a rezistențelor cu lipire pe suprafață, textul poate fi extrem de dificil de văzut, mai ales acum că rezistențele SMD sunt disponibile cu toleranțe mai strânse și cu mai multe valori. Din acest motiv, se folosește sistemul EIA96. Acesta implică un tabel de căutare în care o valoare din trei cifre este utilizată pentru a indica o valoare și un multiplicator, prin urmare specificând valoarea într-un număr minim de cifre.

Sistemul este puțin mai simplu pentru rezistențele cu lipire prin găuri. Un cod de culoare este în vigoare de mulți ani și este încă actual. Fiecare rezistor are trei sau patru benzi care specifică valoarea, plus o bandă de toleranță. Pentru un rezistor cu 4 benzi, primele două benzi sunt valori numerice, iar a treia bandă este un multiplicator.

Codul de culori pentru marcarea rezistoarelor

Dacă, de exemplu, am avea un caz în care primele două benzi erau roșii, iar a treia bandă era portocalie, atunci valoarea rezistenței ar fi 22KΩ. Dacă a patra bandă ar fi și roșie, atunci rezistența ar avea o toleranță de 2%. Dacă luăm cazul unui rezistor cu 5 benzi cu primele trei culori ca roșu, iar a patra maro, am avea o valoare de 2,22KΩ.

Materiale rezistive

După ce au fost analizate elementele de bază ale designului rezistenței și configurațiile posibile, acum este momentul în care se definesc materialele utilizate la construcția rezistențelor și se evidențiază avantajele și dezavantajele acestora.

Rezistoarele cu peliculă de carbon au fost în mare parte înlocuite cu tipuri de metal pentru aplicații de uz general, datorită toleranței lor mai slabe și caracteristicilor de zgomot. Cu toate acestea, ele sunt încă utilizate în unele aplicații.

Rezistoare cu peliculă de carbon

Rezistorul este construit prin formarea unui film de carbon pe un substrat ceramic. Acest lucru are multiple avantaje. În primul rând, filmul este în mare parte non-inductiv, în al doilea rând, ceramica este un izolator excelent pentru căldură și electricitate, iar în al treilea rând, aspectul are o secțiune transversală mare. Deci, inductanța lor scăzută le face utile pentru aplicații de înaltă frecvență, iar secțiunea lor transversală mai mare se pretează la tensiuni de funcționare mai mari și o rezistență mai bună la tensiuni tranzitorii decât multe alte tipuri. Drept urmare, deși sunt mai puțin utilizate pe scară largă, sunt încă disponibile în mod obișnuit.

Rezistoare cu peliculă metalică

Rezistoarele cu film metalic sunt realizate prin plasarea unui strat metalic, cum ar fi ruteniul, pe un substrat izolator. Sunt disponibile într-un număr mare de tipuri și capsule, iar în comparație cu rezistențele cu peliculă de carbon, construcția lor este mai simplă de produs în masă și mai mică din punct de vedere fizic.

Rezistorii cu peliculă metalică au înlocuit în mare măsură rezistențele cu peliculă de carbon în majoritatea aplicațiilor standard datorită zgomotului lor mai scăzut, toleranțelor mai strânse și, în general, coeficienților de temperatură mai buni. Deși adesea percepuți ca un rezistor „standard”, au evoluat de la o bază de performanță mai scăzută până la punctul în care sunt oferite cu o precizie destul de ridicată (0,1%) și TCR-uri scăzute în intervalul PPM/C cu o singură cifră. Este demn de remarcat faptul că rezistențele cu peliculă metalică sunt oferite atât în varianta cu montare prin găuri, cât și cu lipire pe suprafață.

Rezistoare bobinate

Rezistoarele bobinate au unele caracteristici care sunt atractive în anumite aplicații, cum ar fi instrumentele de înaltă precizie, unde sunt necesare toleranțe mult mai bune de 0,01% și coeficienți de temperatură foarte mici (TCR).

Ele sunt, de asemenea, alese ca fiind tipul de rezistență pentru aplicații de mare putere (sunt disponibile rezistoare de până la 100 de wați). Cu toate acestea, merită remarcat faptul că, deoarece constau dintr-un fir înfășurat în jurul unui miez izolat, care este un inductor prin definiție, aceste rezistențe nu sunt recomandate pentru aplicații de înaltă frecvență și, în general, nu sunt disponibile sub formă capsulă cu lipire pe suprafață.

Rezistoare cu oxid metalic

Aceste rezistoare sunt similare cu rezistențele cu peliculă metalică, cu excepția că elementul rezistiv este un oxid (adesea staniu). Performanța lor este subtil diferită de pelicula metalică prin faptul că sunt de obicei mai bune pentru aplicații cu tensiune mai mare și putere mai mare.

Rezistoarele cu oxizi metalici sunt de obicei oferite în plaje mai mici de valori și pot oferi toleranțe și TCR reduse. Și acestea sunt oferite atât cu lipire pe suprafață, cât și cu montare prin găuri.

Rezistoare cu bandă metalică

Aceste tipuri de rezistoare specializate sunt în general utilizate pentru aplicații de măsurare a curentului în surse de tensiune. Rezistoarele cu bandă metalică sunt caracterizate prin valori foarte mici ale rezistenței, astfel încât acestea sunt oferite cu coeficienți de temperatură relativ mici și cu putere medie de disipare pentru a afecta minim funcționarea generală a circuitului.

După cum sugerează și numele, acestea sunt efectiv o bandă de metal tăiată cu laser. O altă caracteristică cheie pentru aceste dispozitive este o rezistență termică scăzută, deoarece pot transporta curenți mari care pot duce la necesitatea de a disipa căldura generată în funcționare.

Caracteristicile ce afectează alegerea unui rezistor

Care sunt caracteristicile și specificațiile cheie care afectează alegerea rezistenței? Parametrii de bază care trebuie luați în considerare reprezintă valoarea rezistenței electrice și toleranța. Cu toate acestea, nu este întotdeauna suficient, deoarece parametrii menționați pot fi afectați și de alte caracteristici, așa cum se explică în cele ce urmează.

Coeficient de temperatură

Aceasta este o măsură a variației valorii nominale ca urmare a schimbărilor de temperatură. În general, citată ca valoare unică în părți pe milion pe grad centigrad (sau Kelvin), poate fi o valoare pozitivă sau negativă. Ecuația de calcul a rezistenței la o anumită temperatură este:

Rt=Ro[1+α(T-To)]

Unde Ro este valoarea nominală a rezistenței la temperatura camerei, To este temperatura la care este dată rezistența nominală, Teste temperatura de operare, iar α este coeficientul de temperatură TCR.

Mai simplu spus, un rezistor de 1 MΩ cu un TCR de 50 ppm/K se va schimba cu 50Ω pe 1 grad de creștere sau scădere a temperaturii. Acest lucru poate să nu spună prea mult, dar luați în considerare dacă utilizați acest rezistor ca rezistență de amplificare într-un circuit amplificator neinversor x10 cu 0,3V pe intrarea +. Cea mai defavorabilă modificare a ieșirii ar putea fi de până la 7,5 mV, ceea ce este echivalent cu aproximativ 5LSB-uri într-un circuit ADC de 5V pe 12 biți. Acest tip de schimbare poate fi destul de vizibilă în designul de precizie. Amintiți-vă, de asemenea, că TCR este cotat ca ±x ppm/C, așa că este posibil, deși puțin probabil, ca cel de-al doilea rezistor din circuit să se schimbe în direcția opusă, conducând la dublarea erori. În cele din urmă, merită remarcat faptul că unele rezistențe de precizie indică TCR variabile pe intervalul de temperatură în care funcționează circuitul, iar acest lucru poate complica semnificativ procesul de proiectare.

Îmbătrânirea sau stabilitatea rezistenței

Îmbătrânirea și stabilitatea sunt un amalgam complex de modificări multiple ale valorii unei valori de rezistență în timp și reprezintă rezultatul ciclului de temperatură, al funcționării la temperatură ridicată, al pătrunderii umidității și așa mai departe. De obicei, valoarea va duce la o creștere a rezistenței în timp, pe măsură ce atomii de conducție migrează în interiorul dispozitivului.

Rezistența termică

Rezistența termică reprezintă măsura rezistorul despre cât de bine poate disipa puterea în mediu. În practică, inginerii folosesc rezistența termică pentru a modela disiparea căldurii pentru un sistem – aceasta este gândită ca un set de „rezistoare termice” în serie, fiecare reprezentând un element al disipării căldurii a sistemului.

Acest lucru este important în principal dacă proiectarea înseamnă că rezistența funcționează la sau aproape de valoarea sa maximă și poate afecta în mod semnificativ fiabilitatea pe termen lung a sistemului. Un exemplu de utilizare a acestui parametru este calcularea dimensiunii unei plăci PCB sau a cerinței planului de masă care ar fi utilizată pentru a menține valoarea rezistenței și temperatura de funcționare în limite acceptabile.

Evaluare termică și de putere

Toate rezistențele vin cu o putere nominală maximă, specificată în wați. Într-o analiză de primă trecere, inginerul ar verifica dacă rezistorul funcționează în limitele valorii sale nominale. Ecuația de calcul este P=I² R, unde P este puterea disipată în rezistor, I este curentul și R este rezistența. Din păcate, lucrurile pot fi mai complicate decât atât; pentru lucru exact, inginerul trebuie să țină cont de curba de reducere termică a rezistenței. Aceasta specifică valoarea cu care proiectantul trebuie să reducă puterea maximă disipată peste o anumită temperatură.

Acest lucru ar putea părea mai mult teoretic, deoarece fenomenul se simte de la temperaturi destul de ridicate, dar un circuit de alimentare într-o carcasă închisă într-o regiune călduroasă poate depăși adesea pragul superior și disiparea maximă a puterii va trebui redusă în mod corespunzător. De asemenea, merită remarcat faptul că tensiunea maximă de funcționare a unui rezistor este redusă odată cu disiparea puterii.

Zgomotul Rezistorului

Orice componentă electronică care are electroni în flux va fi o sursă de zgomot, iar rezistențele nu sunt diferite în acest sens. În sistemele de amplificare cu câștig mare sau atunci când aveți de-a face cu semnale de foarte joasă tensiune, fenomenul trebuie luat în considerare.

Contribuția majoră la zgomotul dintr-un rezistor este zgomotul termic cauzat de fluctuația aleatorie a electronilor din materialul rezistiv. Este în general modelat ca zgomot alb (adică o tensiune RMS constantă în intervalul de frecvență) și este dat de ecuația E=√4RkT∆F, în care Eeste tensiunea de zgomot RMS, R este valoarea rezistenței, k este constanta Boltzmann, T este temperatura și ΔF este lățimea de bandă a sistemului.

Este posibil să se reducă zgomotul sistemului prin reducerea rezistenței, a temperaturii de funcționare sau a lățimii de bandă a sistemului. În plus, există un alt tip de zgomot de rezistență numit zgomot de curent, care este rezultatul fluxului de electroni în dispozitive. Este rar specificat, dar poate fi comparat dacă numerele standard care utilizează IEC60195 sunt disponibile de la producător.

Comportamentul la frecvență ridicată

Ultima provocare de luat în considerare este performanța la înaltă frecvență a unui anumit rezistor. În termeni simpli, puteți modela un rezistor ca inductor în serie, alimentând rezistorul care are un condensator parazit în paralel cu acesta.

La frecvențe de până la 100 Mhz (chiar și pentru rezistențele cu lipire pe suprafață, care au valori parazite mai mici decât componentele cu montare prin găuri de trecere) capacitatea paralelă poate începe să domine, iar impedanța va scădea sub valoarea nominală. La o frecvență mai mare, inductanța poate predomina, iar impedanța va începe să crească de la minimele sale și poate ajunge peste valoarea nominală.

Deși rândurile de față au acoperit mulți dintre parametrii importanți care pot fi întâlniți la proiectarea unui circuit ce utilizează rezistențe, există și alții care pot să influențeze funcționarea și uneori nu ar trebui trecuți cu vederea. În multe cazuri, un rezistor standard de 1%, cu film metalic, 0,125 W va fi foarte bun pentru aplicație. Cu toate acestea, există multe produse pentru care ar fi necesară o apreciere mai detaliată a caracteristicilor rezistenței. Acestea includ modele de surse de alimentare, aplicații audio, design de înaltă frecvență și produse care trebuie să facă față temperaturilor ambientale ridicate. În aceste cazuri, o inspecție detaliată a specificațiilor și o atenție specială la selectarea produsului va duce la un design mai fiabil și, eventual, va evita o reproiectare ce necesită din păcate timp costisitor.

Aurocon COMPEC vă pune la dispoziție o gamă completă de rezistoare din toate categoriile menționate anterior. Pe lângă acestea vă sunt oferite și elemente senzoriale (dintre care unele se bazează pe variația valorii rezistenței odată cu variația mărimii monitorizate). De asemenea vă sunt oferite și toate accesoriile necesare, scule și dispozitive de măsurare. Pentru gamele complete de produse vă invităm să accesați ro.rsdelivers.com.

Autor: Grămescu Bogdan

Aurocon COMPEC SRL