Устройство и применение резистора в электрической цепи

Самым распространённым элементом в электрических схемах является резистор. Эта несложная в изготовлении радиодеталь используется для ограничения проходящего через него тока, а также изменения напряжения. По своей сути она является пассивным элементом, преобразующим электрическую энергию в тепло.

История открытия

Существование электричества было обнаружено ещё в VII веке до н. э. греческими философами, но сам термин «электричество» появился только в 1600 году. Учёный Уильям Гилберт, проводя эксперименты с янтарём, обнаружил его способность притягивать другие вещества (электростатический заряд). Это явление получило название «янтарность». А уже через 60 лет Отто фон Герике создал конструкцию с шаром, надетым на металлический стержень, и фактически изготовил первую электростатическую машину.

В течение следующих лет учёные, экспериментаторы и инженеры открывали всё новые и новые свойства электричества, изучая его природу возникновения. Так, в 1800 году итальянец Алессандро Вольта изобрёл источник тока. Через 20 лет датчанин Кристиан Эрстед открыл электромагнитное взаимодействие, а Андре-Мари Ампер установил связь между электричеством и магнетизмом.

Продолжая исследования Джоуля, Ленца, Фарадея, Гаусса, Ома и Майкла Фарадея, будущий лауреат Нобелевской премии Джозеф Томсон охарактеризовал понятие электричества, введя термин «электрон». Таким образом было установлено, что электричество — это способность физических тел создавать вокруг себя поле, воздействующее на предметы. В каждом теле существуют элементарные частички, которые могут быть как свободными, хаотично перемещающимися, так и привязанными к атомам.

Если же к материалу, имеющему свободные электроны, поднести электромагнитное поле, то движение частичек становится направленным, и возникает электрический ток. Чтобы заряд переместился из одной точки в другую, необходимо затратить работу, которая называется напряжением. При перемещении частички сталкиваются с различными неоднородностями кристаллической решётки. В результате часть их потенциала передаётся этим дефектам, величина заряда электронов уменьшается, а сила тока снижается.

Способность электронов беспрепятственно перемещаться по структуре материала была названа проводимостью, а величина обратная ей — резистори́ (сопротивление).

Физическая сущность

Изучение учёными электричества привело к пониманию, что существует что-то, мешающее свободным зарядам проходить через вещество. Способность тела пропускать через себя электрический ток была названа электропроводимостью. Как выяснилось позже, она определяется количеством свободных зарядов, присутствующих в структуре элемента, характером внешнего воздействия и физическими размерами тела. Все существующие вещества были разделены на три вида:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики.

К первой группе отнесли материалы, при прохождении через которые значение электрического тока практически не уменьшается. Это все металлы и электролиты. Ко второй — элементы, проводимость которых существенно изменяется при воздействии на них внешних факторов, таких как температура, свет, электромагнитное излучение. Например, кремний, германий, селен. Диэлектриками назвали вещества, практически полностью поглощающие энергию электронов, то есть преобразовывающие электрическую мощность в тепловую. Яркими представителями этой группы являются: каучук, пластмассы, композиционные материалы (текстолит, гетинакс, второпласт).

По мере развития электротехники и создания различных радиоэлектронных устройств разрабатывались как пассивные, так и активные элементы. При этом важнейшей их характеристикой всегда являлось сопротивление. Радиодеталь, использующую способность материалов по-разному проводить ток, назвали резистором.

Это слово произошло от латинского resisto, что в дословном переводе на русский язык звучит как «сопротивляюсь». Правильное его определение, которое можно встретить в специализированной литературе, звучит следующим образом: «Резистор, или сопротивление, представляет собой пассивную радиодеталь в электрической цепи, характеризующуюся постоянной или изменяемой величиной проводимости. Он предназначен для преобразования силы тока в разность потенциалов или наоборот».

Закон Ома

Опыты, проводимые в 1825 году Георгом Симоном Омом, позволили установить связь между силой тока и напряжением. Связующим элементом оказалось сопротивление (резистор).

В 1826 году экспериментатор сформулировал свой закон: ток прямо пропорционален разности потенциалов и обратно пропорционален сопротивлению цепи. Первоначально учёным миром этот закон не был принят, и лишь после его смерти специальной комиссией была определена его истинность.

Математически закон был записан в виде выражения:

X = a / (b+l), где:

X — измерения, показываемые гальванометром;

a — значение, определяющее параметры источника напряжения;

l — длина проводника;

b — коэффициент, характеризующий электроустановку.

В современном же понятии закон описывается формулой:

I = U/R, где:

I — электрический ток, А;

U — разность потенциалов, В;

R — сопротивление на участке цепи, Ом.

Таким образом, была экспериментально установлена связь между тремя фундаментальными значениям электротехники. Согласно формуле величина резистора прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна току. То есть ток, проходя через резистор, уменьшается. Математически же сопротивление выглядит так: R = I/U.

Учитывая, что мощность цепи равна произведению тока на напряжение, P = I*U, и используя закон Ома, можно записать: P = I2*R = U2/R. То есть мощность также зависит и от величины сопротивления.

Физически эти формулы можно объяснить следующим образом. Электрический ток, обусловленный направленным движением свободных электронов, встречая сопротивление, теряет часть мощности. При этом уменьшается и значение потенциала (падение напряжения). Энергия, отданная электронами, переходит кристаллической решётки вещества, вызывая тепловые колебания атомов или нагрев резистора. Выделенное количество тепла характеризуется мощностью, рассеиваемой на резисторе.

Виды резисторов

Резистор относится к виду простых пассивных элементов. То есть к радиодеталям, для работы которых не требуется активный источник питания. Основным элементом конструкции радиоэлемента является резистивная составляющая, которая может быть как плёночного, так и объёмного вида. Значение же её определяется количеством свободных носителей заряда.

По своему виду резисторы разделяются на постоянные и переменные. Первые обладают постоянным значением сопротивления, а у вторых существует возможность его изменять. Например, приложением напряжения (варисторы), температурой (терморезисторы), освещением (фоторезисторы).

Кроме этого, элементы различают по назначению. Они могут быть:

• прецизионными — особо точными;
• высокочастотными — не изменяющими сопротивление при воздействии на них импульсов с малым периодом сигнала;
• высоковольтными — выдерживающими напряжение более десяти киловольт;
• высокоомными — значение сопротивлений которых составляет сотни мегаом.

Кроме этого, резисторы отличаются по виду конструкции и бывают проволочными и непроволочными. В первом случае для их изготовления используют нихром, константан или никель. Применяются они в высокоточных радиоприборах, где существуют повышенные требования к уровню шумов. Во втором — плёнка, которой обматывается жаропрочное основание, например, керамика. Этот тип характеризуется небольшими габаритами и меньшими значениями паразитных составляющих (ёмкость, индуктивность).

А также сопротивления бывают термо- и вибростойкими, ударопрочными и высоконадёжными. По типу используемых материалов для изготовления резисторов их разделяют на группы. Наиболее часто в радиоприборах используются следующие три группы элементов:

• металлизированные лакированные теплостойкие (МЛТ);
• металлоокисные низкоомные (МОН);
• углеродистые лакированные малогабаритные (УЛМ).

Основные типы

В процессе развития электротехники открывались новые свойства различных материалов. Так, были созданы резисторы, сопротивление которых зависит от вида воздействия, оказываемого на них. Эти типы резисторов нашли широкое применение в качестве всевозможных датчиков или ограничителей напряжения.

Существуют следующие виды таких резисторов:

1. Варисторы. Их сопротивление зависит от величины приложенного напряжения. Выполняются они путём спекания кремния или цинка со склеивающим веществом. Изготавливаются они в форме таблетки или стержня. Основное их назначение — защита от перенапряжений.
2. Терморезисторы. Относятся к полупроводникам. Параметры таких резисторов изменяются от величины температуры. Изготавливаются они методом диффузии из галогенидов и оксидов. В свою очередь, их разделяют на два типа: реагирующие на высокие значения температуры и на низкие. Применяются терморезисторы в пусковых устройствах, реле времени и в системах контроля мощности.
3. Фоторезисторы. Их характеристики зависят от освещённости. При производстве этого вида используются селениды и сульфиды, которые наносятся на подложку. Сверху выполняется специальное окошко, через которое на резистивный слой попадает световой поток.
4. Тензорезисторы. В зависимости от механического воздействия изменяют своё сопротивление. То есть при деформации изменяется поперечное сечение, значение которого влияет на сопротивление. Их сфера применения приборы измерения сил, например, давления, крутящего момента, механического напряжения.
5. Магниторезисторы. Изменяют свою главную характеристику в зависимости от изменения магнитного поля. В их принципе действия используется взаимосвязь между магнитосопротивлением вещества и расположением доменов. Изготавливаются из полупроводников и применяются в датчиках магнитного поля.
6. Мемристоры. Элементы, сопротивление которых зависит от количества протекающих через них элементарных частиц. На начало 2018 года находятся на стадии прототипа. Разрабатываются для использования в искусственных нейросетях и как устройства защиты информации.

Конструкции элементов

При изготовлении резисторов используются не только различные материалы, но и технологии. Самая простая конструкция резистора выглядит в виде стержня с высоким электрическим удельным сопротивлением. С внешней стороны он защищается оболочкой, выполненной из стеклоэмалевого или стеклокерамического материала. Снаружи резистор покрывается термостойкой эмалью, спрессованной пластмассой, или просто металлическим корпусом.

Конструкция плёночного резистора предполагает использование диэлектрика, на который наносится резистивная плёнка. На торцы конструкции одеваются проводящие ток колпачки с припаянными к ним выводами. Сверху же на элемент наносится защитный слой. Такое же строение имеют и проволочные резисторы, но вместо резистивной плёнки для их изготовления используется токопроводящая проволока. Для повышения сопротивления она накручивается на основание витками.

В микроэлектронике часто используются плёночные резисторы, располагающиеся на подложке создаваемой микросхемы. В одном из её слоёв методом напыления и осаждения наносится тонкий резистивный слой. Для увеличения сопротивления он делается в виде зигзага.

Самой сложным из всех видов конструкций резисторов считается радиодеталь, предназначенная для поверхностного монтажа. В её состав входит защитный и резистивный слой, подложка из керамики, внутренний и внешний вывод, никелированный электрод. Для изготовления подложки применяется окись алюминия. В качестве резистивного слоя используется плёнка, полученная из чистого хрома или оксида рутения. Внутренний вывод может состоять из серебра или палладия. А защитная оболочка (резисторный слой) выполняется из полимерного материала.

От размеров резистивного слоя зависит сопротивление резистора, расчёт которого выполняется по формуле

R = ρ*ι/s, где:

• ρ — удельное сопротивление вещества;
• ι — длина слоя;
• s — площадь сечения резистивного покрытия.

Используя формулу, можно выполнить необходимые расчеты, а по ним сделать резистор своими руками. Для этого понадобится проводящий элемент и справочник радиолюбителя, в котором будет указано значение его удельного сопротивления. Например, для меди оно составляет 0.0171 Ом*м.

Техническое обозначение

В радиоэлектронных схемах и технической документации принято условное обозначение резистора в виде латинской буквы R, вне зависимости от того, как он устроен. Возле буквы подписывается номинал элемента в соответствии с международной системой единиц (СИ) и его порядковый номер. Например, R21 150к означает, что радиодеталь имеет 21 номер в спецификации к схеме, а значение её сопротивления составляет 150 килоом.

Условно графическое обозначение принято изображать по ГОСТ 2 .728−74 ЕСКД. Согласно ему резистор изображается как прямоугольник, с каждой середины боковых граней которого выводится прямая линия, обозначающая вывод.

Если необходимо дополнительно указать мощность рассеивания элемента, то в середине прямоугольника ставятся чёрточки или римские цифры. Например, одна косая черта обозначает максимально допустимое рассеивание энергии 0,25 Вт, а римская двойка — 2 Вт. Такое обозначение резистора принято в странах Европы и бывшего СССР, в то время как в США он изображается в виде ломаной линии.

В случае изображения регулируемого резистора сверху чертится стрелка, обозначающая подвижный контакт. Кроме этого, для подчёркивания особенности конструкции прямоугольник перечёркивается наклонной линией, внизу которой рисуется полочка. Возле неё ставится буква, служащая классификатором элемента. Например, U — для варистора, P — для тензорезистора.

На самом корпусе резистора проставляется цифробуквенный код или рисуются цветные полоски. Такая маркировка нужна для того, чтобы можно было определить, какой у резистора номинал, не прибегая к измерениям и схемам.

Число в коде обозначает сопротивление в омах, а буква, стоящая после него, указывает на множитель. В полосочном же обозначении используется принцип того, что каждый цвет полоски соответствует своему порядку. Например, красный — двойке, зелёный — пятёрке. Первые две полоски обозначают номинал, третья — множитель, а четвёртая и пятая — допуск.

Характеристики и параметры

Резистор, как и любой другой радиоэлемент, характеризуется различными параметрами, определяющими его свойства. Основным из них, известным даже «чайникам», является номинальное сопротивление. Но мало кто из начинающих радиолюбителей знает, что кроме него существует ещё ряд важных характеристик.

К основным параметрам резистора относят:

1. Рабочее сопротивление. Основной параметр, величина которого обозначает, какое сопротивление оказывает элемент прохождению тока.
2. Граничная рассеиваемая мощность. Показывает, какую максимальную энергию может поглотить радиодеталь без изменения своих остальных характеристик.
3. Температурный коэффициент. Изображается в виде функции и указывается в справочниках производителей. Характеризует изменение значения сопротивления в зависимости от температуры.
4. Допуск погрешности. Обозначает процентное содержание, в пределах которого может изменяться сопротивление в зависимости от заявленного.
5. Рабочее напряжение. Величина, которую может выдержать элемент, сохранив правильную работоспособность.
6. Избыточный шум. Этот коэффициент обозначает, какие искажения получает сигнал после прохождения через резистор.
7. Влагоустойчивость и термостойкость. Показывают, как влияет воздействие влаги и тепла на изменение параметров элемента.
8. Коэффициент напряжения. Учитывает зависимость сопротивления от приложенного напряжения.
9. Паразитная составляющая. Характеризуется значением ёмкости и индуктивности.

При этом некоторые характеристики могут являться несущественными, а для других отводится главная роль. Зависит это от режима работы схемы, в которой он применяется. Например, от частоты сигнала. Если резистор работает на высоких частотах, то из-за наличия посторонних составляющих величина сопротивления может увеличиваться или уменьшаться.

Делитель напряжения

Чаще всего резистор применяется как ограничивающий элемент тока или напряжения. Кроме этого, используя последовательное соединение двух резисторов, можно сделать простейший делитель напряжения. Точка соединения их контактов между собой называется общей, а противоположные контакты — плечами.

При таком включении напряжение, измеренное по отношению к общей точке и контакту плеча, будет отличаться от выдаваемого источником питания. Связано это с тем, что падение напряжения на каждом резисторе, в соответствии с законом Ома, пропорционально сопротивлению. Такой делитель у начинающего радиолюбителя нужен для использования в электрическом фильтре. Но этим его применение не ограничивается.

Делитель имеет большое значение и используется практически в 90% сложных схем. Он применяется в качестве параметрического стабилизатора напряжения, в цепях усилительных каскадов и даже как элемент памяти в аналого-вычислительных машинах.

Таким образом, резистор — важный пассивный элемент электрической цепи. Основной его параметр — сопротивление. Предназначен резистор для ограничения тока или уменьшения напряжения на определённом участке. При этом он также может использоваться в качестве датчика, следящего за изменением интенсивности света, давления, температуры или электромагнитного поля.