Резистор: принцип работы, характеристики и применение.
Resistor
Резисторы: пассивные электронные компоненты для регулировки тока, напряжения и создания цепей. Фиксированные и переменные типы, применение в электронике и силовых системах.
Резистор – это пассивный двухвыводный электрический компонент, реализующий электрическое сопротивление как элемент схемы. В электронных схемах резисторы используются для ограничения тока, регулировки уровней сигнала, деления напряжения, создания смещения для активных элементов и согласования линий передачи, среди прочего. Резисторы большой мощности, способные рассеивать значительную мощность в виде тепла, могут применяться в системах управления двигателями, в системах распределения электроэнергии или в качестве нагрузок для испытаний генераторов. Фиксированные резисторы имеют сопротивление, которое незначительно изменяется с температурой, временем или рабочим напряжением. Переменные резисторы могут использоваться для регулировки параметров схемы (например, регулятора громкости или диммера лампы) или в качестве датчиков тепла, света, влажности, силы или химической активности. Резисторы являются распространенными элементами электрических цепей и электронных схем и широко используются в электронном оборудовании. Конструктивно дискретные резисторы могут быть выполнены из различных материалов и иметь различные формы. Резисторы также могут быть интегрированы в интегральные схемы. Электрическая функция резистора определяется его сопротивлением: коммерчески доступные резисторы производятся в диапазоне, охватывающем более девяти порядков величины. Номинальное значение сопротивления находится в пределах допустимого отклонения, указанного на компоненте.
A resistor is a passive two terminal electrical component that implements electrical resistance as a circuit element. In electronic circuits, resistors are used to reduce current flow, adjust signal levels, to divide voltages, bias active elements, and terminate transmission lines, among other uses. High power resistors that can dissipate many watts of electrical power as heat may be used as part of motor controls, in power distribution systems, or as test loads for generators. Fixed resistors have resistances that only change slightly with temperature, time or operating voltage. Variable resistors can be used to adjust circuit elements (such as a volume control or a lamp dimmer), or as sensing devices for heat, light, humidity, force, or chemical activity. Resistors are common elements of electrical networks and electronic circuits and are ubiquitous in electronic equipment. Practical resistors as discrete components can be composed of various compounds and forms. Resistors are also implemented within integrated circuits. The electrical function of a resistor is specified by its resistance: common commercial resistors are manufactured over a range of more than nine orders of magnitude. The nominal value of the resistance falls within the manufacturing tolerance, indicated on the component.
Резисторы серийные и параллельные
Общее сопротивление резисторов, соединенных последовательно, равно сумме их индивидуальных сопротивлений. Общее сопротивление резисторов, соединенных параллельно, равно величине, обратной сумме величин, обратных индивидуальным сопротивлениям.
The total resistance of resistors connected in series is the sum of their individual resistance values. The total resistance of resistors connected in parallel is the reciprocal of the sum of the reciprocals of the individual resistors.
Неидеальные свойства
Практические резисторы обладают последовательной индуктивностью и небольшой параллельной ёмкостью; эти параметры могут быть важны в высокочастотных приложениях. В малошумящем усилителе или предусилителе шумовые характеристики резистора могут представлять собой проблему. В некоторых прецизионных приложениях температурный коэффициент сопротивления также может вызывать опасения. Нежелательная индуктивность, повышенный шум и температурный коэффициент в основном зависят от технологии, используемой при производстве резистора. Как правило, они не указываются по отдельности для конкретной серии резисторов, изготовленных по определённой технологии. Серию дискретных резисторов также можно характеризовать по форм-фактору, то есть по размеру корпуса и расположению выводов (или контактов). Это важно при практическом производстве схем, в которых они используются. Практические резисторы также характеризуются максимальной рассеиваемой мощностью, которая должна превышать ожидаемое рассеяние мощности резистора в конкретной схеме: это особенно важно в приложениях силовой электроники. Резисторы с большей рассеиваемой мощностью имеют большие физические размеры и могут требовать радиаторов. В схемах высокого напряжения иногда необходимо учитывать максимально допустимое рабочее напряжение резистора. Хотя минимального рабочего напряжения для конкретного резистора не существует, игнорирование максимальной допустимой мощности может привести к возгоранию резистора при протекании через него тока.
Practical resistors have a series inductance and a small parallel capacitance; these specifications can be important in high frequency applications. In a low noise amplifier or pre amp, the noise characteristics of a resistor may be an issue. In some precision applications, the temperature coefficient of the resistance may also be of concern. The unwanted inductance, excess noise, and temperature coefficient are mainly dependent on the technology used in manufacturing the resistor. They are not normally specified individually for a particular family of resistors manufactured using a particular technology. A family of discrete resistors may also be characterized according to its form factor, that is, the size of the device and the position of its leads (or terminals). This is relevant in the practical manufacturing of circuits that may use them. Practical resistors are also specified as having a maximum power rating which must exceed the anticipated power dissipation of that resistor in a particular circuit: this is mainly of concern in power electronics applications. Resistors with higher power ratings are physically larger and may require heat sinks. In a high voltage circuit, attention must sometimes be paid to the rated maximum working voltage of the resistor. While there is no minimum working voltage for a given resistor, failure to account for a resistor's maximum rating may cause the resistor to incinerate when current is run through it.
Свинцовые устройства
Компоненты для монтажа в сквозные отверстия обычно имеют "выводы" (произносится /l//iː//d//z/), отходящие от корпуса "аксиально", то есть по линии, параллельной самой длинной оси детали. У других выводы отходят от корпуса "радиально". Другие компоненты могут быть выполнены по технологии поверхностного монтажа (SMT), а у высокомощных резисторов один из выводов может быть интегрирован в радиатор.
Through hole components typically have "leads" (pronounced /l//iː//d//z/) leaving the body "axially", that is, on a line parallel with the part's longest axis. Others have leads coming off their body "radially" instead. Other components may be SMT (surface mount technology), while high power resistors may have one of their leads designed into the heat sink.
Состав углерода
Углеродные резисторы (CCR) состоят из твердого цилиндрического резистивного элемента со встроенными выводами или металлическими наконечниками, к которым прикреплены провода. Корпус резистора защищен краской или пластиком. В начале XX века углеродные резисторы имели неизолированные корпуса; провода обматывались вокруг концов стержня сопротивления и припаивались. Готовый резистор окрашивался для цветовой маркировки его номинала. Резистивный элемент в углеродных резисторах изготавливается из смеси мелкодисперсного порошка углерода и изоляционного материала, обычно керамики. Смола связывает смесь воедино. Сопротивление определяется соотношением наполнителя (порошковой керамики) к углероду. Более высокая концентрация углерода, являющегося хорошим проводником, приводит к меньшему сопротивлению. Углеродные резисторы широко использовались в 1960-х годах и ранее, но в настоящее время не пользуются популярностью для общего применения, поскольку другие типы обладают лучшими характеристиками, такими как допуск, зависимость от напряжения и устойчивость к нагрузкам. Углеродные резисторы изменяют свое значение при воздействии перенапряжения. Более того, если содержание внутренней влаги, например, вследствие длительного воздействия влажной среды, значительно, тепло при пайке вызывает необратимое изменение сопротивления. Углеродные резисторы обладают плохой стабильностью во времени и, следовательно, на заводе сортировались с допуском не более 5%. Эти резисторы неиндуктивны, что дает преимущества при использовании в схемах подавления импульсов напряжения и защиты от скачков напряжения. Углеродные резисторы обладают более высокой способностью выдерживать перегрузки по отношению к своим размерам. Углеродные резисторы все еще доступны, но относительно дороги. Их номиналы варьировались от долей ома до 22 мегомов. Из-за высокой цены эти резисторы больше не используются в большинстве приложений. Однако они применяются в блоках питания и системах управления сваркой. Углеродный столб может быть включен в автоматические регуляторы напряжения генераторов, где он контролирует ток возбуждения для поддержания относительно постоянного напряжения. Этот принцип также применяется в углеродных микрофонах.
Carbon composition resistors (CCR) consist of a solid cylindrical resistive element with embedded wire leads or metal end caps to which the lead wires are attached. The body of the resistor is protected with paint or plastic. Early 20th century carbon composition resistors had uninsulated bodies; the lead wires were wrapped around the ends of the resistance element rod and soldered. The completed resistor was painted for color coding of its value. The resistive element in carbon composition resistors is made from a mixture of finely powdered carbon and an insulating material, usually ceramic. A resin holds the mixture together. The resistance is determined by the ratio of the fill material (the powdered ceramic) to the carbon. Higher concentrations of carbon, which is a good conductor, result in lower resistances. Carbon composition resistors were commonly used in the 1960s and earlier, but are not popular for general use now as other types have better specifications, such as tolerance, voltage dependence, and stress. Carbon composition resistors change value when stressed with over voltages. Moreover, if internal moisture content, such as from exposure for some length of time to a humid environment, is significant, soldering heat creates a non reversible change in resistance value. Carbon composition resistors have poor stability with time and were consequently factory sorted to, at best, only 5% tolerance. These resistors are non inductive, which provides benefits when used in voltage pulse reduction and surge protection applications. Carbon composition resistors have higher capability to withstand overload relative to the component's size. Carbon composition resistors are still available, but relatively expensive. Values ranged from fractions of an ohm to 22 megohms. Due to their high price, these resistors are no longer used in most applications. However, they are used in power supplies and welding controls. A carbon pile resistor can be incorporated in automatic voltage regulators for generators, where the carbon pile controls the field current to maintain relatively constant voltage. This principle is also applied in the carbon microphone.
Углеродная пленка
При производстве углеродных пленочных резисторов углеродная пленка наносится на изолирующую подложку, и в ней вырезается спираль для создания длинного, узкого резистивного пути. Различные формы, в сочетании с удельным сопротивлением аморфного углерода (от 500 до 800 мкОм·м), позволяют получить широкий диапазон значений сопротивления. Углеродные пленочные резисторы характеризуются меньшим уровнем шума по сравнению с углеродными композиционными резисторами благодаря точному распределению чистого графита без связующего вещества. Диапазон мощности углеродных пленочных резисторов составляет от 0,125 до 5 Вт при 70 °C. Доступные значения сопротивлений варьируются от 1 Ом до 10 МОм. Рабочий диапазон температур углеродного пленочного резистора составляет от -55 °C до 155 °C. Максимальное рабочее напряжение составляет от 200 до 600 В. Специальные углеродные пленочные резисторы применяются в устройствах, требующих высокой импульсной устойчивости. Однако принципиальное различие заключается в способе нанесения пленки на цилиндр (для осевых резисторов) или на поверхность (для SMD-резисторов). Тонкопленочные резисторы изготавливаются методом магнетронного распыления (процесс вакуумного осаждения) резистивного материала на изолирующую подложку. Затем пленка травлится аналогично старому (субтрактивному) процессу изготовления печатных плат: поверхность покрывается фоточувствительным материалом, на который наносится шаблон, облучается ультрафиолетовым светом, после чего проявляется экспонированный фоточувствительный слой и удаляется нижний слой тонкой пленки. Толстопленочные резисторы производятся с использованием методов трафаретной и стеночной печати. Для изготовления толстопленочных резисторов могут использоваться те же проводящие керамические материалы, но они смешиваются со спеченным (порошкообразным) стеклом и жидким носителем, чтобы полученный композит можно было наносить методом трафаретной печати. Этот композит из стекла и проводящей керамики (цермета) затем спекается (обжигается) в печи при температуре около 850 °C. Первые толстопленочные резисторы имели допуск 5%, но в последние десятилетия стандартные допуски были улучшены до 2% или 1%. Температурные коэффициенты толстопленочных резисторов обычно составляют ±200 или ±250 ppm/K; изменение температуры на 40 Кельвинов (70 °F) может изменить сопротивление на 1%. Тонкопленочные резисторы, как правило, значительно дороже толстопленочных. Например, SMD-резисторы тонкой пленки с допуском 0,5% и температурным коэффициентом 25 ppm/K, при покупке большими партиями, стоят примерно вдвое дороже толстопленочных резисторов с допуском 1% и температурным коэффициентом 250 ppm/K.
In manufacturing carbon film resistors, a carbon film is deposited on an insulating substrate, and a helix is cut in it to create a long, narrow resistive path. Varying shapes, coupled with the resistivity of amorphous carbon (ranging from 500 to 800 μΩ m), can provide a wide range of resistance values. Carbon film resistors feature lower noise compared to carbon composition resistors because of the precise distribution of the pure graphite without binding. Carbon film resistors feature a power rating range of 0.125 W to 5 W at 70 °C. Resistances available range from 1 ohm to 10 megaohm. The carbon film resistor has an operating temperature range of −55 °C to 155 °C. It has 200 to 600 volts maximum working voltage range. Special carbon film resistors are used in applications requiring high pulse stability. but the principal difference is how the film is applied to the cylinder (axial resistors) or the surface (SMD resistors). Thin film resistors are made by sputtering (a method of vacuum deposition) the resistive material onto an insulating substrate. The film is then etched in a similar manner to the old (subtractive) process for making printed circuit boards; that is, the surface is coated with a photo sensitive material, covered by a pattern film, irradiated with ultraviolet light, and then the exposed photo sensitive coating is developed, and underlying thin film is etched away. Thick film resistors are manufactured using screen and stencil printing processes. Thick film resistors may use the same conductive ceramics, but they are mixed with sintered (powdered) glass and a carrier liquid so that the composite can be screen printed. This composite of glass and conductive ceramic (cermet) material is then fused (baked) in an oven at about 850 °C. When first manufactured, thick film resistors had tolerances of 5%, but standard tolerances have improved to 2% or 1% in the last few decades. Temperature coefficients of thick film resistors are typically ±200 or ±250 ppm/K; a 40 kelvin (70 °F) temperature change can change the resistance by 1%. Thin film resistors are usually far more expensive than thick film resistors. For example, SMD thin film resistors, with 0.5% tolerances and with 25 ppm/K temperature coefficients, when bought in full size reel quantities, are about twice the cost of 1%, 250 ppm/K thick film resistors.
Металлическая пленка
Общим типом осевого свинцового резистора сегодня является металлопленочный резистор. Резисторы с металлическими электродами и бесвыводным корпусом (MELF) часто используют ту же технологию. Металлопленочные резисторы обычно покрыты никель-хромом (NiCr), но могут быть покрыты любым из вышеперечисленных материалов, используемых для тонкопленочных резисторов. В отличие от тонкопленочных резисторов, материал может наноситься с использованием методов, отличных от напыления (хотя это один из используемых методов). Значение сопротивления определяется путем прорезания спирали в покрытии, а не травлением, подобно тому, как изготавливаются углеродные резисторы. Это обеспечивает разумную точность (0,5%, 1% или 2%) и температурный коэффициент, обычно находящийся в диапазоне от 50 до 100 ppm/K. Металлопленочные резисторы обладают хорошими шумовыми характеристиками и низкой нелинейностью благодаря низкому вольтамперному коэффициенту. Они также отличаются долгосрочной стабильностью. Была разработана резисторная пленка с очень высокой стабильностью. Основным сопротивляющим элементом фольгового резистора является фольга из сплава хром-никель толщиной в несколько микрометров. Сплавы хром-никель характеризуются высоким электрическим сопротивлением (примерно в 58 раз выше, чем у меди), небольшим температурным коэффициентом и высокой устойчивостью к окислению. Примеры включают хром A и нихром V, типичный состав которых – 80% Ni и 20% Cr, с температурой плавления 1420 °C. Добавление железа повышает пластичность сплава хром-никель. Нихром и хром C являются примерами сплавов, содержащих железо. Типичный состав нихрома – 60% Ni, 12% Cr, 26% Fe, 2% Mn, а хрома C – 64% Ni, 11% Cr, 25% Fe. Температуры плавления этих сплавов составляют 1350 °C и 1390 °C соответственно. С момента их появления в 1960-х годах фольговые резисторы демонстрируют наивысшую точность и стабильность среди доступных резисторов. Важным параметром стабильности является температурный коэффициент сопротивления (ТКC). ТКC фольговых резисторов чрезвычайно низок и со временем продолжает улучшаться. Одна из моделей сверхточных фольговых резисторов предлагает ТКC 0,14 ppm/°C, допуск ±0,005%, долгосрочную стабильность (1 год) 25 ppm, (3 года) 50 ppm (еще более улучшенную в 5 раз благодаря герметизации), стабильность под нагрузкой (2000 часов) 0,03%, термическое ЭДС 0,1 мкВ/°C, шум −42 дБ, вольтамперный коэффициент 0,1 ppm/V, индуктивность 0,08 мкГн, емкость 0,5 пФ. Термическая стабильность этого типа резисторов обусловлена противоположным влиянием увеличения электрического сопротивления металла с повышением температуры и его уменьшением из-за теплового расширения, приводящего к увеличению толщины фольги, в то время как другие ее размеры ограничены керамической подложкой.
A common type of axial leaded resistor today is the metal film resistor. Metal Electrode Leadless Face (MELF) resistors often use the same technology. Metal film resistors are usually coated with nickel chromium (NiCr), but might be coated with any of the cermet materials listed above for thin film resistors. Unlike thin film resistors, the material may be applied using different techniques than sputtering (though this is one technique used). The resistance value is determined by cutting a helix through the coating rather than by etching, similar to the way carbon resistors are made. The result is a reasonable tolerance (0.5%, 1%, or 2%) and a temperature coefficient that is generally between 50 and 100 ppm/K. Metal film resistors possess good noise characteristics and low non linearity due to a low voltage coefficient. They are also beneficial due to long term stability. presented a development of resistor film of very high stability. The primary resistance element of a foil resistor is a chromium nickel alloy foil several micrometers thick. Chromium nickel alloys are characterized by having a large electrical resistance (about 58 times that of copper), a small temperature coefficient and high resistance to oxidation. Examples are Chromel A and Nichrome V, whose typical composition is 80 Ni and 20 Cr, with a melting point of 1420 °C. When iron is added, the chromium nickel alloy becomes more ductile. The Nichrome and Chromel C are examples of an alloy containing iron. The composition typical of Nichrome is 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn and Chromel C, 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. The melting temperature of these alloys are 1350 °C and 1390 °C, respectively. Since their introduction in the 1960s, foil resistors have had the best precision and stability of any resistor available. One of the important parameters of stability is the temperature coefficient of resistance (TCR). The TCR of foil resistors is extremely low, and has been further improved over the years. One range of ultra precision foil resistors offers a TCR of 0.14 ppm/°C, tolerance ±0.005%, long term stability (1 year) 25 ppm, (3 years) 50 ppm (further improved 5 fold by hermetic sealing), stability under load (2000 hours) 0.03%, thermal EMF 0.1 μV/°C, noise −42 dB, voltage coefficient 0.1 ppm/V, inductance 0.08 μH, capacitance 0.5 pF. The thermal stability of this type of resistor also has to do with the opposing effects of the metal's electrical resistance increasing with temperature, and being reduced by thermal expansion leading to an increase in thickness of the foil, whose other dimensions are constrained by a ceramic substrate.
Шанты амперметров
Шант амперметра – это специальный тип шунтирующего резистора для измерения тока, имеющий четыре вывода и сопротивление в миллиоммах или даже микрооммах. Сами по себе измерительные приборы тока обычно могут принимать лишь ограниченные токи. Для измерения больших токов ток проходит через шунт, на котором измеряется падение напряжения, которое интерпретируется как значение тока. Типичный шунт состоит из двух массивных металлических блоков, часто латунных, установленных на изолирующей основе. Между этими блоками, припаянные или спаянные к ним, располагаются одна или несколько полосок сплава марганца с низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR). Для подключения тока используются большие болты, ввинченные в блоки, а для подключения вольтметра – значительно меньшие винты. Шунты характеризуются полным током шкалы и часто имеют падение напряжения 50 мВ при номинальном токе. Адаптация прибора к полному току шанта осуществляется путем использования циферблата с соответствующей маркировкой; вносить изменения в другие части прибора не требуется.
An ammeter shunt is a special type of current sensing resistor, having four terminals and a value in milliohms or even micro ohms. Current measuring instruments, by themselves, can usually accept only limited currents. To measure high currents, the current passes through the shunt across which the voltage drop is measured and interpreted as current. A typical shunt consists of two solid metal blocks, sometimes brass, mounted on an insulating base. Between the blocks, and soldered or brazed to them, are one or more strips of low temperature coefficient of resistance (TCR) manganin alloy. Large bolts threaded into the blocks make the current connections, while much smaller screws provide volt meter connections. Shunts are rated by full scale current, and often have a voltage drop of 50 mV at rated current. Such meters are adapted to the shunt full current rating by using an appropriately marked dial face; no change need to be made to the other parts of the meter.
Резистор сетки
В тяжелых промышленных применениях с высоким током, решетчатый резистор представляет собой большую конвекционно охлаждаемую решетку из штампованных полос металлического сплава, соединенных рядами между двумя электродами. Такие промышленные резисторы могут достигать размеров холодильника; некоторые конструкции способны выдерживать ток более 500 ампер, с диапазоном сопротивлений, простирающимся ниже 0,04 ома. Они применяются в таких областях, как динамическое торможение и нагрузочное банковское оборудование для локомотивов и трамваев, заземление нейтрали в промышленных сетях переменного тока, управляющие нагрузки для кранов и тяжелой техники, испытания генераторов под нагрузкой и гармоническая фильтрация для электрических подстанций. Термин "решетчатый резистор" иногда используется для обозначения любого типа резистора, подключенного к управляющей сетке вакуумной лампы. Это не технология резисторов, а топология электронных схем.
In heavy duty industrial high current applications, a grid resistor is a large convection cooled lattice of stamped metal alloy strips connected in rows between two electrodes. Such industrial grade resistors can be as large as a refrigerator; some designs can handle over 500 amperes of current, with a range of resistances extending lower than 0.04 ohms. They are used in applications such as dynamic braking and load banking for locomotives and trams, neutral grounding for industrial AC distribution, control loads for cranes and heavy equipment, load testing of generators and harmonic filtering for electric substations. The term grid resistor is sometimes used to describe a resistor of any type connected to the control grid of a vacuum tube. This is not a resistor technology; it is an electronic circuit topology.
Регулируемые резисторы
Сопротивление может иметь одну или несколько фиксированных точек подключения, позволяющих изменять сопротивление путем перемещения соединительных проводов к разным выводам. Некоторые проволочные силовые резисторы имеют отвод, который может скользить вдоль сопротивляющего элемента, позволяя использовать большую или меньшую его часть. Если требуется непрерывная регулировка значения сопротивления в процессе работы оборудования, скользящий отвод может быть соединен с ручкой управления, доступной оператору. Такое устройство называется реостатом и имеет два вывода.
A resistor may have one or more fixed tapping points so that the resistance can be changed by moving the connecting wires to different terminals. Some wirewound power resistors have a tapping point that can slide along the resistance element, allowing a larger or smaller part of the resistance to be used. Where continuous adjustment of the resistance value during operation of equipment is required, the sliding resistance tap can be connected to a knob accessible to an operator. Such a device is called a rheostat and has two terminals.
Потенциометры
Потенциометр (в разговорной речи – "резистор с отводом") – это трехвыводный резистор с непрерывно регулируемой точкой съема, управляемой вращением вала или ручки, либо линейным ползунком. Название "потенциометр" происходит от его функции регулируемого делителя напряжения, обеспечивающего переменную величину потенциала на выводе, подключенном к точке съема. Регулировка громкости в аудиоаппаратуре – распространенное применение потенциометра. Типичный маломощный потенциометр (см. рисунок) состоит из плоского сопротивляющего элемента (B) из углерода, металлической пленки или токопроводящего пластика, с пружинящим бронзовым подвижным контактом (C), который перемещается по поверхности. Альтернативная конструкция – это намотанная на каркас проволочная обмотка с подвижным контактом, скользящим вдоль оси катушки.
A potentiometer (colloquially, pot) is a three terminal resistor with a continuously adjustable tapping point controlled by rotation of a shaft or knob or by a linear slider. The name potentiometer comes from its function as an adjustable voltage divider to provide a variable potential at the terminal connected to the tapping point. Volume control in an audio device is a common application of a potentiometer. A typical low power potentiometer (see drawing) is constructed of a flat resistance element (B) of carbon composition, metal film, or conductive plastic, with a springy phosphor bronze wiper contact (C) which moves along the surface. An alternate construction is resistance wire wound on a form, with the wiper sliding axially along the coil.
Специальные устройства
Существуют различные устройства, сопротивление которых изменяется в зависимости от различных величин. У NTC-термисторов ярко выраженный отрицательный температурный коэффициент, что делает их полезными для измерения температуры. Поскольку их сопротивление может быть высоким, пока они не прогреются под воздействием протекающего тока, они также часто используются для предотвращения чрезмерных скачков тока при включении оборудования. Аналогично, сопротивление гигрорезистора изменяется в зависимости от влажности. Один из видов фотодетекторов, фоторезистор, имеет сопротивление, которое меняется под воздействием освещения. Тензодатчик, изобретенный Эдвардом Э. Симмонсом и Артуром С. Руджем в 1938 году, представляет собой тип резистора, изменяющего свое значение при приложении деформации. Можно использовать один резистор, пару (полумост) или четыре резистора, соединенных в мостовой схеме Уитстона. Тензорезистор приклеивается к объекту, подвергающемуся механической деформации. С помощью тензодатчика, фильтра, усилителя и аналого-цифрового преобразователя можно измерить деформацию объекта. Более позднее, но связанное изобретение использует квантовый туннельный композит для определения механического напряжения. Он пропускает ток, величина которого может изменяться в 10¹² раз в зависимости от изменения давления.
There are various devices whose resistance changes with various quantities. The resistance of NTC thermistors exhibit a strong negative temperature coefficient, making them useful for measuring temperatures. Since their resistance can be large until they are allowed to heat up due to the passage of current, they are also commonly used to prevent excessive current surges when equipment is powered on. Similarly, the resistance of a humistor varies with humidity. One sort of photodetector, the photoresistor, has a resistance which varies with illumination. The strain gauge, invented by Edward E. Simmons and Arthur C. Ruge in 1938, is a type of resistor that changes value with applied strain. A single resistor may be used, or a pair (half bridge), or four resistors connected in a Wheatstone bridge configuration. The strain resistor is bonded with adhesive to an object that is subjected to mechanical strain. With the strain gauge and a filter, amplifier, and analog/digital converter, the strain on an object can be measured. A related but more recent invention uses a Quantum Tunnelling Composite to sense mechanical stress. It passes a current whose magnitude can vary by a factor of 1012 in response to changes in applied pressure.
Измерение
Значение резистора можно измерить с помощью омметра, который может быть одной из функций мультиметра. Обычно щупы на концах измерительных проводов подключаются к резистору. Простой омметр может подавать напряжение от батареи через неизвестный резистор (с внутренним резистором известного значения, включенным последовательно), создавая ток, который отклоняет стрелку прибора. Ток, в соответствии с законом Ома, обратно пропорционален сумме внутреннего сопротивления и сопротивления измеряемого резистора, что приводит к нелинейной шкале аналогового прибора, откалиброванной от бесконечности до 0 Ом. Цифровой мультиметр, использующий активную электронику, вместо этого может пропускать через измеряемый резистор заданный ток. В этом случае напряжение, возникающее на измеряемом резисторе, линейно пропорционально его сопротивлению, которое измеряется и отображается. В обоих случаях диапазоны измерения низких сопротивлений пропускают через измерительные провода значительно больший ток, чем диапазоны измерения высоких сопротивлений. Это позволяет поддерживать напряжения на разумном уровне (обычно ниже 10 вольт), но при этом измеримыми. Для измерения резисторов с низким номиналом, таких как резисторы с долями Ома, с приемлемой точностью требуется четырехпроводное подключение. Одна пара выводов подает известный, откалиброванный ток на резистор, а другая пара измеряет падение напряжения на резисторе. Некоторые лабораторные охмометры, миллиомметры и даже некоторые из лучших цифровых мультиметров используют для этой цели четыре входных терминала, которые могут использоваться со специальными измерительными проводами, называемыми зажимами Кельвина. Каждый из двух зажимов имеет пару губок, изолированных друг от друга. Одна сторона каждого зажима подает измерительный ток, а другие соединения предназначены только для измерения падения напряжения. Сопротивление снова вычисляется по закону Ома как измеренное напряжение, деленное на приложенный ток.
The value of a resistor can be measured with an ohmmeter, which may be one function of a multimeter. Usually, probes on the ends of test leads connect to the resistor. A simple ohmmeter may apply a voltage from a battery across the unknown resistor (with an internal resistor of a known value in series) producing a current which drives a meter movement. The current, in accordance with Ohm's law, is inversely proportional to the sum of the internal resistance and the resistor being tested, resulting in an analog meter scale which is very non linear, calibrated from infinity to 0 ohms. A digital multimeter, using active electronics, may instead pass a specified current through the test resistance. The voltage generated across the test resistance in that case is linearly proportional to its resistance, which is measured and displayed. In either case the low resistance ranges of the meter pass much more current through the test leads than do high resistance ranges. This allows for the voltages present to be at reasonable levels (generally below 10 volts) but still measurable. Measuring low value resistors, such as fractional ohm resistors, with acceptable accuracy requires four terminal connections. One pair of terminals applies a known, calibrated current to the resistor, while the other pair senses the voltage drop across the resistor. Some laboratory quality ohmmeters, milliohmmeters, and even some of the better digital multimeters sense using four input terminals for this purpose, which may be used with special test leads called Kelvin clips. Each of the two clips has a pair of jaws insulated from each other. One side of each clip applies the measuring current, while the other connections are only to sense the voltage drop. The resistance is again calculated using Ohm's Law as the measured voltage divided by the applied current.
Стандарты сопротивления
Основной стандарт сопротивления, "ртутный ом", был первоначально определён в 1884 году как столб ртути длиной 106,3 см и поперечным сечением 1 квадратный миллиметр при 0 градусах Цельсия. Трудности с точным измерением физических констант для воспроизведения этого стандарта приводили к отклонениям до 30 ppm. Начиная с 1900 года, ртутный ом был заменён на прецизионно обработанную пластину из манганина. С 1990 года международный стандарт сопротивления основан на квантовом эффекте Холла, открытом Клаусом фон Клицингом, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1985 году. Резисторы с исключительно высокой точностью изготавливаются для калибровки и лабораторного использования. Они могут иметь четыре вывода, где одна пара используется для пропускания рабочего тока, а другая – для измерения падения напряжения; это устраняет ошибки, вызванные падением напряжения на сопротивлении выводов, поскольку через измерительные провода ток не протекает. Это особенно важно для резисторов с малыми значениями (100–0,0001 Ом), где сопротивление выводов существенно или даже сопоставимо со значением эталонного сопротивления.
The primary standard for resistance, the "mercury ohm" was initially defined in 1884 in as a column of mercury 106.3 cm long and 1 square millimeter in cross section, at 0 degrees Celsius. Difficulties in precisely measuring the physical constants to replicate this standard result in variations of as much as 30 ppm. From 1900 the mercury ohm was replaced with a precision machined plate of manganin. Since 1990 the international resistance standard has been based on the quantized Hall effect discovered by Klaus von Klitzing, for which he won the Nobel Prize in Physics in 1985. Resistors of extremely high precision are manufactured for calibration and laboratory use. They may have four terminals, using one pair to carry an operating current and the other pair to measure the voltage drop; this eliminates errors caused by voltage drops across the lead resistances, because no charge flows through voltage sensing leads. It is important in small value resistors (100–0.0001 ohm) where lead resistance is significant or even comparable with respect to resistance standard value.
Маркировка резистора
Осевые резисторы обычно имеют цвет от песочного до коричневого, синего или зеленого (хотя иногда встречаются и другие цвета, такие как темно-красный или темно-серый), и имеют от трех до шести цветных полос, указывающих сопротивление (и, следовательно, точность), а также могут включать полосы для обозначения температурного коэффициента и класса надежности. В четырехполосных резисторах первые две полосы обозначают первые две цифры сопротивления в омах, третья – множитель, а четвертая – точность (которая, при отсутствии, означает ±20%). Для пяти- и шестиполосных резисторов третья полоса – это третья цифра, четвертая – множитель, а пятая – точность; шестая полоса обозначает температурный коэффициент. Номинальная мощность резистора обычно не указывается и определяется по его размеру. Резисторы для поверхностного монтажа маркируются числовыми значениями. В начале 20-го века резисторы, по сути, неизолированные, погружались в краску для цветовой маркировки всего корпуса. Основной цвет представлял первую цифру. Второй цвет наносился на один конец элемента для обозначения второй цифры, а цветная точка (или полоса) в середине указывала третью цифру. Правило было "корпус, конец, точка", обеспечивая две значащие цифры для значения и десятичный множитель в такой последовательности. Стандартная точность составляла ±20%. Резисторы с более высокой точностью имели серебряную (±10%) или золотистую (±5%) краску на другом конце.
Axial resistor cases are usually tan, brown, blue, or green (though other colors are occasionally found as well, such as dark red or dark gray), and display three to six colored stripes that indicate resistance (and by extension tolerance), and may include bands to indicate the temperature coefficient and reliability class. In four striped resistors, the first two stripes represent the first two digits of the resistance in ohms, the third represents a multiplier, and the fourth the tolerance (which if absent, denotes ±20%). For five and six striped resistors the third band is the third digit, the fourth is the multiplier and the fifth is the tolerance; a sixth stripe represents the temperature coefficient. The power rating of the resistor is usually not marked and is deduced from its size. Surface mount resistors are marked numerically. Early 20th century resistors, essentially uninsulated, were dipped in paint to cover their entire body for color coding. This base color represented the first digit. A second color of paint was applied to one end of the element to represent a second digit, and a color dot (or band) in the middle provided the third digit. The rule was "body, tip, dot", providing two significant digits for value and the decimal multiplier, in that sequence. Default tolerance was ±20%. Closer tolerance resistors had silver (±10%) or gold colored (±5%) paint on the other end.
Предпочтительные значения
Ранние резисторы изготавливались в более или менее произвольных круглых числах; серия могла включать 100, 125, 150, 200, 300 и т. д. Ранние мощные проволочные резисторы, такие как коричневые стекловидные эмалированные типы, производились с использованием системы предпочтительных значений, подобных некоторым из упомянутых здесь. Изготовленные резисторы подвержены определенному процентному допуску, и логично производить номиналы, соответствующие этому допуску, чтобы фактическое значение резистора незначительно перекрывалось со значениями соседних резисторов. Большие интервалы приводят к пробелам; меньшие интервалы увеличивают затраты на производство и хранение для обеспечения большей взаимозаменяемости резисторов. Рациональная схема заключается в производстве резисторов в диапазоне значений, увеличивающихся в геометрической прогрессии, так что каждое значение больше предыдущего в фиксированное количество раз или на фиксированный процент, подобранный для соответствия допуску диапазона. Например, при допуске ±20% имеет смысл, чтобы каждое значение было примерно в 1,5 раза больше предыдущего, охватывая декаду в 6 значениях. Более точно, используемый коэффициент равен 1,4678 ≈, что дает значения 1,47, 2,15, 3,16, 4,64, 6,81, 10 для декады от 1 до 10 (декада – это диапазон, увеличивающийся в 10 раз; 0,1–1 и 10–100 – другие примеры); на практике они округляются до 1,5, 2,2, 3,3, 4,7, 6,8, 10; далее следуют 15, 22, 33, а перед ними – 0,47, 0,68, 1. Эта схема была принята как серия E6 предпочтительных значений стандарта IEC 60063. Существуют также серии E12, E24, E48, E96 и E192 для компонентов с прогрессивно более высоким разрешением, содержащие 12, 24, 48, 96 и 192 различных значений в каждой декаде. Фактические значения указаны в списках предпочтительных значений стандарта IEC 60063. Ожидается, что резистор 100 Ом с допуском ±20% будет иметь значение от 80 до 120 Ом; его ближайшие значения по E6 – 68 (54–82) и 150 (120–180) Ом. Разумный шаг: E6 для ±20%, E12 для ±10%, E24 для ±5%, E48 для ±2%, E96 для ±1%, E192 для ±0,5% или лучше. Резисторы производятся с номиналами от нескольких миллиом до примерно гигаома в диапазонах, соответствующих их допуску согласно IEC 60063. Производители могут сортировать резисторы по классам допусков на основе измерений. Следовательно, выбор резисторов 100 Ом с допуском ±10% может не распределяться равномерно вокруг 100 Ом (но не более чем на 10% от номинала), как можно было бы ожидать (по нормальному распределению), а скорее состоять из двух групп – либо на 5–10% выше, либо на 5–10% ниже номинала (но не ближе к 100 Ом), поскольку любые резисторы, измеренные заводом с отклонением менее 5%, были бы маркированы и продавались как резисторы с допуском ±5% или лучше. При проектировании схемы это следует учитывать. Этот процесс сортировки компонентов на основе измерений после производства известен как "биннинг" и может применяться не только к резисторам, но и к другим компонентам (например, к степеням производительности процессоров).
Early resistors were made in more or less arbitrary round numbers; a series might have 100, 125, 150, 200, 300, etc. Early power wirewound resistors, such as brown vitreous enameled types, were made with a system of preferred values like some of those mentioned here. Resistors as manufactured are subject to a certain percentage tolerance, and it makes sense to manufacture values that correlate with the tolerance, so that the actual value of a resistor overlaps slightly with its neighbors. Wider spacing leaves gaps; narrower spacing increases manufacturing and inventory costs to provide resistors that are more or less interchangeable. A logical scheme is to produce resistors in a range of values which increase in a geometric progression, so that each value is greater than its predecessor by a fixed multiplier or percentage, chosen to match the tolerance of the range. For example, for a tolerance of ±20% it makes sense to have each resistor about 1.5 times its predecessor, covering a decade in 6 values. More precisely, the factor used is 1.4678 ≈ , giving values of 1.47, 2.15, 3.16, 4.64, 6.81, 10 for the 1–10 decade (a decade is a range increasing by a factor of 10; 0.1–1 and 10–100 are other examples); these are rounded in practice to 1.5, 2.2, 3.3, 4.7, 6.8, 10; followed by 15, 22, 33, and preceded by 0.47, 0.68, 1. This scheme has been adopted as the E6 series of the IEC 60063 preferred number values. There are also E12, E24, E48, E96 and E192 series for components of progressively finer resolution, with 12, 24, 48, 96, and 192 different values within each decade. The actual values used are in the IEC 60063 lists of preferred numbers. A resistor of 100 ohms ±20% would be expected to have a value between 80 and 120 ohms; its E6 neighbors are 68 (54–82) and 150 (120–180) ohms. A sensible spacing, E6 is used for ±20% components; E12 for ±10%; E24 for ±5%; E48 for ±2%, E96 for ±1%; E192 for ±0.5% or better. Resistors are manufactured in values from a few milliohms to about a gigaohm in IEC60063 ranges appropriate for their tolerance. Manufacturers may sort resistors into tolerance classes based on measurement. Accordingly, a selection of 100 ohms resistors with a tolerance of ±10%, might not lie just around 100 ohm (but no more than 10% off) as one would expect (a bell curve), but rather be in two groups – either between 5 and 10% too high or 5 to 10% too low (but not closer to 100 ohm than that) because any resistors the factory had measured as being less than 5% off would have been marked and sold as resistors with only ±5% tolerance or better. When designing a circuit, this may become a consideration. This process of sorting parts based on post production measurement is known as "binning", and can be applied to other components than resistors (such as speed grades for CPUs).
Маркировка по EIA-96
Прежняя система маркировки EIA 96, теперь включенная в IEC 60062:2016, представляет собой более компактную систему, предназначенную для физически небольших высокоточных резисторов. Она использует двухзначный код и букву (всего три буквенно-цифровых символа) для указания сопротивления с точностью 1% и тремя значащими цифрами. Две цифры (от "01" до "96") кодируют одну из 96 "позиций" в стандартном ряду E96 значений резисторов с точностью 1%. Заглавная буква обозначает множитель, равный степени десятки. Например, маркировка "01C" соответствует 10 кОм; "10C" – 12,4 кОм; "96C" – 97,6 кОм.
The former EIA 96 marking system now included in IEC 60062:2016 is a more compact marking system intended for physically small high precision resistors. It uses a two digit code plus a letter (a total of three alphanumeric characters) to indicate 1% resistance values to three significant digits. The two digits (from "01" to "96") are a code that indicates one of the 96 "positions" in the standard E96 series of 1% resistor values. The uppercase letter is a code that indicates a power of ten multiplier. For example, the marking "01C" represents 10 kOhm; "10C" represents 12.4 kOhm; "96C" represents 97.6 kOhm. CodeSeriesLetterDigitsE96Y / SX / RAB / HCDE011.001R0010R0100R1K0010K0100K1M00021.021R0210R2102R1K0210K2102K1M02031.051R0510R5105R1K0510K5105K1M05041.071R0710R7107R1K0710K7107K1M07051.101R1011R0110R1K1011K0110K1M10061.131R1311R3113R1K1311K3113K1M13071.151R1511R5115R1K1511K5115K1M15081.181R1811R8118R1K1811K8118K1M18091.211R2112R1121R1K2112K1121K1M21101.241R2412R4124R1K2412K4124K1M24111.271R2712R7127R1K2712K7127K1M27121.301R3013R0130R1K3013K0130K1M30131.331R3313R3133R1K3313K3133K1M33141.371R3713R7137R1K3713K7137K1M37151.401R4014R0140R1K4014K0140K1M40161.431R4314R3143R1K4314K3143K1M43171.471R4714R7147R1K4714K7147K1M47181.501R5015R0150R1K5015K0150K1M50191.541R5415R4154R1K5415K4154K1M54201.581R5815R8158R1K5815K8158K1M58211.621R6216R2162R1K6216K2162K1M62221.651R6516R5165R1K6516K5165K1M65231.691R6916R9169R1K6916K9169K1M69241.741R7417R4174R1K7417K4174K1M74251.781R7817R8178R1K7817K8178K1M78261.821R8218R2182R1K8218K2182K1M82271.871R8718R7187R1K8718K7187K1M87281.911R9119R1191R1K9119K1191K1M91291.961R9619R6196R1K9619K6196K1M96302.002R0020R0200R2K0020K0200K2M00312.052R0520R5205R2K0520K5205K2M05322.102R1021R0210R2K1021K0210K2M10332.152R1521R5215R2K1521K5215K2M15342.212R2122R1221R2K2122K1221K2M21352.262R2622R6226R2K2622K6226K2M26362.322R3223R2232R2K3223K2232K2M32372.372R3723R7237R2K3723K7237K2M37382.432R4324R3243R2K4324K3243K2M43392.492R4924R9249R2K4924K9249K2M49402.552R5525R5255R2K5525K5255K2M55412.612R6126R1261R2K6126K1261K2M61422.672R6726R7267R2K6726K7267K2M67432.742R7427R4274R2K7427K4274K2M74442.802R8028R0280R2K8028K0280K2M80452.872R8728R7287R2K8728K7287K2M87462.942R9429R4294R2K9429K4294K2M94473.013R0130R1301R3K0130K1301K3M01483.093R0930R9309R3K0930K9309K3M09CodeSeriesLetterDigitsE96Y / SX / RAB / HCDE493.163R1631R6316R3K1631K6316K3M16503.243R2432R4324R3K2432K4324K3M24513.323R3233R2332R3K3233K2332K3M32523.403R4034R0340R3K4034K0340K3M40533.483R4834R8348R3K4834K8348K3M48543.573R5735R7357R3K5735K7357K3M57553.653R6536R5365R3K6536K5365K3M65563.743R7437R4374R3K7437K4374K3M74573.833R8338R3383R3K8338K3383K3M83583.923R9239R2392R3K9239K2392K3M92594.024R0240R2402R4K0240K2402K4M02604.124R1241R2412R4K1241K2412K4M12614.224R2242R2422R4K2242K2422K4M22624.324R3243R2432R4K3243K2432K4M32634.424R4244R2442R4K4244K2442K4M42644.534R5345R3453R4K5345K3453K4M53654.644R6446R4464R4K6446K4464K4M64664.754R7547R5475R4K7547K5475K4M75674.874R8748R7487R4K8748K7487K4M87684.994R9949R9499R4K9949K9499K4M99695.115R1151R1511R5K1151K1511K5M11705.235R2352R3523R5K2352K3523K5M23715.365R3653R6536R5K3653K6536K5M36725.495R4954R9549R5K4954K9549K5M49735.625R6256R2562R5K6256K2562K5M62745.765R7657R6576R5K7657K6576K5M76755.905R9059R0590R5K9059K0590K5M90766.046R0460R4604R6K0460K4604K6M04776.196R1961R9619R6K1961K9619K6M19786.346R3463R4634R6K3463K4634K6M34796.496R4964R9649R6K4964K9649K6M49806.656R6566R5665R6K6566K5665K6M65816.816R8168R1681R6K8168K1681K6M81826.986R9869R8698R6K9869K8698K6M98837.157R1571R5715R7K1571K5715K7M15847.327R3273R2732R7K3273K2732K7M32857.507R5075R0750R7K5075K0750K7M50867.687R6876R8768R7K6876K8768K7M68877.877R8778R7787R7K8778K7787K7M87888.068R0680R6806R8K0680K6806K8M06898.258R2582R5825R8K2582K5825K8M25908.458R4584R5845R8K4584K5845K8M45918.668R6686R6866R8K6686K6866K8M66928.878R8788R7887R8K8788K7887K8M87939.099R0990R9909R9K0990K9909K9M09949.319R3193R1931R9K3193K1931K9M31959.539R5395R3953R9K5395K3953K9M53969.769R7697R6976R9K7697K6976K9M76
Обычные модели использования
Существует несколько типичных схем включения, в которых обычно используются резисторы.
There are several common usage patterns that resistors are commonly configured in.
Ограничение тока
Резисторы обычно используются для ограничения силы тока, протекающего в цепи. Многие компоненты схемы (например, светодиоды) требуют ограничения тока, но сами по себе не ограничивают его. Поэтому резисторы часто добавляют для предотвращения возникновения перегрузки по току. Кроме того, зачастую схемам не требуется такой большой ток, который протекал бы без них, поэтому резисторы могут использоваться для снижения энергопотребления этих схем.
Resistors are commonly used to limit the amount of current flowing through a circuit. Many circuit components (such as LEDs) require the current flowing through them to be limited, but do not themselves limit the amount of current. Therefore, oftentimes resistors will be added to prevent overcurrent situations. Additionally, oftentimes circuits do not need the amount of current that would be otherwise flowing through them, so resistors can be added to limit the power consumption of such circuits.
Разделитель напряжения
Часто схемам требуется обеспечивать различные опорные напряжения для других схем (например, компараторов напряжения). Фиксированное напряжение можно получить, соединив последовательно два резистора между двумя другими фиксированными напряжениями (например, напряжением питания и землей). Точка соединения между двумя резисторами будет находиться под напряжением, которое лежит между этими двумя напряжениями, на линейном расстоянии, определяемом отношением сопротивлений этих двух резисторов. Например, если резистор 200 Ом и резистор 400 Ом соединены последовательно между 6 В и 0 В, то точка соединения между ними будет находиться на уровне 4 В.
Oftentimes circuits need to provide various reference voltages for other circuits (such as voltage comparators). A fixed voltage can be obtained by taking two resistors in series between two other fixed voltages (such as the source voltage and ground). The terminal between the two resistors will be at a voltage that is between the two voltages, at a linear distance based on the relative resistances of the two resistors. For instance, if a 200 ohm resistor and a 400 ohm resistor are placed in series between 6V and 0V, the terminal between them will be at 4V.
Сопротивления для отвода вниз и для отвода вверх
Когда схема не подключена к питанию, её напряжение не равно нулю, а неопределено (на него могут влиять предыдущие напряжения или внешние факторы). Подтягивающий или оттягивающий резистор обеспечивает наличие напряжения в схеме, когда она иным образом отключена (например, когда кнопка не нажата или транзистор неактивен). Подтягивающий резистор соединяет схему с высоким положительным напряжением (если схеме требуется высокий положительный уровень по умолчанию), а оттягивающий резистор соединяет схему с низким напряжением или землей (если схеме требуется низкий уровень по умолчанию). Номинал резистора должен быть достаточно высоким, чтобы при активной схеме источник напряжения, к которому он подключен, не оказывал чрезмерного влияния на её работу, но и достаточно низким, чтобы он достаточно быстро "подтягивал" или "оттягивал" схему при её отключении и не вносил существенных изменений в напряжение относительно значения источника.
When a circuit is not connected to power, the voltage of that circuit is not zero but undefined (it can be influenced by previous voltages or the environment). A pull up or pull down resistor provides a voltage for a circuit when it is otherwise disconnected (such as when a button is not pushed down or a transistor is not active). A pull up resistor connects the circuit to a high positive voltage (if the circuit requires a high positive default voltage) and a pull down resistor connects the circuit to a low voltage or ground (if the circuit requires a low default voltage). The resistor value must be high enough so that, when the circuit is active, the voltage source it is attached to does not over influence the function of the circuit, but low enough so that it "pulls" quickly enough when the circuit is deactivated, and does not significantly alter the voltage from the source value.
Электрический и тепловой шум
При усилении слабых сигналов часто необходимо минимизировать электронный шум, особенно на первой ступени усиления. Как диссипативный элемент, даже идеальный резистор естественным образом генерирует случайные флуктуации напряжения, или шум, на своих выводах. Этот шум Джонсона–Найквиста является фундаментальным источником шума, зависящим только от температуры и сопротивления резистора и предсказываемым теоремой о флуктуациях и диссипации. Использование резистора с большим сопротивлением приводит к увеличению шумового напряжения, в то время как резистор с меньшим сопротивлением генерирует больший шумовой ток при заданной температуре. Термический шум реального резистора может быть выше теоретического предсказания, и это увеличение обычно зависит от частоты. Избыточный шум реального резистора наблюдается только при протекании через него тока. Он измеряется в единицах мкВ/В/декада – мкВ шума на вольт приложенного напряжения к резистору в каждом десятилетии частоты. Значение мкВ/В/декада часто приводится в децибелах (дБ), так что резистор с индексом шума 0 дБ демонстрирует 1 мкВ (среднеквадратичное значение) избыточного шума на каждый вольт напряжения на резисторе в каждом десятилетии частоты. Таким образом, избыточный шум является примером 1/f шума. Резисторы с толстой пленкой и углеродным составом генерируют больше избыточного шума, чем другие типы, на низких частотах. Проволочные и тонкопленочные резисторы часто используются благодаря своим лучшим шумовым характеристикам. Углеродные резисторы могут иметь индекс шума 0 дБ, а металлофольговые резисторы – индекс шума -40 дБ, что обычно делает избыточный шум металлофольговых резисторов незначительным. Тонкопленочные резисторы для поверхностного монтажа обычно имеют более низкий уровень шума и лучшую термическую стабильность, чем толстопленочные резисторы для поверхностного монтажа. Избыточный шум также зависит от размера: в целом, он уменьшается с увеличением физического размера резистора (или при использовании нескольких резисторов параллельно), поскольку независимо флуктуирующие сопротивления меньших компонентов имеют тенденцию к усреднению. Хотя сам по себе резистор не является примером "шума", он может функционировать как термопара, создавая небольшую разность постоянного напряжения на своих концах из-за термоэлектрического эффекта, если концы находятся при разных температурах. Это индуцированное постоянное напряжение может снизить точность прецизионных операционных усилителей. Такие напряжения возникают в местах соединения выводов резистора с платой и с корпусом резистора. Типичные металлопленочные резисторы демонстрируют такой эффект величиной около 20 мкВ/°C. Некоторые углеродные резисторы могут проявлять термоэлектрические смещения до 400 мкВ/°C, в то время как специально разработанные резисторы могут снизить это значение до 0,05 мкВ/°C. В приложениях, где термоэлектрический эффект может быть значимым, необходимо следить за горизонтальным монтажом резисторов, чтобы избежать температурных градиентов, и учитывать воздушный поток над платой.
In amplifying faint signals, it is often necessary to minimize electronic noise, particularly in the first stage of amplification. As a dissipative element, even an ideal resistor naturally produces a randomly fluctuating voltage, or noise, across its terminals. This Johnson–Nyquist noise is a fundamental noise source which depends only upon the temperature and resistance of the resistor, and is predicted by the fluctuation–dissipation theorem. Using a larger value of resistance produces a larger voltage noise, whereas a smaller value of resistance generates more current noise, at a given temperature. The thermal noise of a practical resistor may also be larger than the theoretical prediction and that increase is typically frequency dependent. Excess noise of a practical resistor is observed only when current flows through it. This is specified in unit of μV/V/decade – μV of noise per volt applied across the resistor per decade of frequency. The μV/V/decade value is frequently given in dB so that a resistor with a noise index of 0 dB exhibits 1 μV (rms) of excess noise for each volt across the resistor in each frequency decade. Excess noise is thus an example of 1/f noise. Thick film and carbon composition resistors generate more excess noise than other types at low frequencies. Wire wound and thin film resistors are often used for their better noise characteristics. Carbon composition resistors can exhibit a noise index of 0 dB while bulk metal foil resistors may have a noise index of −40 dB, usually making the excess noise of metal foil resistors insignificant. Thin film surface mount resistors typically have lower noise and better thermal stability than thick film surface mount resistors. Excess noise is also size dependent: in general, excess noise is reduced as the physical size of a resistor is increased (or multiple resistors are used in parallel), as the independently fluctuating resistances of smaller components tend to average out. While not an example of "noise" per se, a resistor may act as a thermocouple, producing a small DC voltage differential across it due to the thermoelectric effect if its ends are at different temperatures. This induced DC voltage can degrade the precision of instrumentation amplifiers in particular. Such voltages appear in the junctions of the resistor leads with the circuit board and with the resistor body. Common metal film resistors show such an effect at a magnitude of about 20 μV/°C. Some carbon composition resistors can exhibit thermoelectric offsets as high as 400 μV/°C, whereas specially constructed resistors can reduce this number to 0.05 μV/°C. In applications where the thermoelectric effect may become important, care has to be taken to mount the resistors horizontally to avoid temperature gradients and to mind the air flow over the board.
Режимы отказов
Уровень отказов резисторов в правильно спроектированной схеме невелик по сравнению с другими электронными компонентами, такими как полупроводники и электролитические конденсаторы. Повреждение резисторов чаще всего происходит из-за перегрева, когда средняя мощность, потребляемая резистором, значительно превышает его способность рассеивать тепло (определяемую номинальной мощностью резистора). Это может быть вызвано неисправностью вне схемы, но часто является следствием выхода из строя другого компонента (например, транзистора, замыкающего на корпус) в цепи, подключенной к резистору. Эксплуатация резистора вблизи его номинальной мощности может ограничить срок его службы или привести к значительному изменению сопротивления. В безопасных конструкциях обычно используются резисторы с запасом по мощности в силовых приложениях, чтобы избежать этой опасности. Низкоомные тонкопленочные резисторы могут быть повреждены при длительном воздействии высокого напряжения, даже ниже максимального допустимого напряжения и максимальной номинальной мощности. Это часто встречается в пусковых резисторах, питающих интегральные схемы импульсных источников питания. При перегреве углеродно-пленочные резисторы могут как уменьшать, так и увеличивать свое сопротивление. Углеродно-пленочные и композиционные резисторы могут выходить из строя (обрывом цепи), работая вблизи максимальной рассеиваемой мощности. Это также возможно, но менее вероятно для металлопленочных и проволочных резисторов. Отказы резисторов могут быть вызваны и механическими напряжениями, и неблагоприятными факторами окружающей среды, включая влажность. Негерметичные проволочные резисторы подвержены коррозии. Известно, что поверхностно-монтируемые резисторы выходят из строя из-за проникновения серы внутрь резистора. Сера химически реагирует с серебряным слоем, образуя непроводящий сульфид серебра. Импеданс резистора стремится к бесконечности. Резисторы, устойчивые к воздействию серы и коррозии, применяются в автомобильной, промышленной и военной технике. ASTM B809 – это отраслевой стандарт, определяющий устойчивость компонентов к воздействию серы. Возможен альтернативный режим отказа при использовании резисторов большого номинала (сотни килоом и выше). Резисторы характеризуются не только максимальной рассеиваемой мощностью, но и максимальным падением напряжения. Превышение этого напряжения приводит к постепенной деградации резистора и снижению его сопротивления. Падение напряжения на резисторах большого номинала может быть превышено до достижения предельного значения рассеиваемой мощности. Поскольку максимальное напряжение, указанное для распространенных резисторов, составляет несколько сотен вольт, эта проблема актуальна только в приложениях, где встречаются такие напряжения. Переменные резисторы также могут выходить из строя иным образом, обычно из-за плохого контакта между ползунком и сопротивляющим слоем. Это может быть вызвано загрязнением или коррозией и обычно проявляется в виде "треска", поскольку сопротивление контакта колеблется; это особенно заметно при регулировке устройства. Этот треск аналогичен треску, возникающему при плохом контакте в переключателях, и, как и переключатели, потенциометры в некоторой степени самоочищаются: перемещение ползунка по сопротивляющему слою может улучшить контакт. Потенциометры, которые редко регулируются, особенно в загрязненных или агрессивных средах, наиболее подвержены этой проблеме. Если самоочистка контакта недостаточна, улучшение обычно достигается с помощью спрея для очистки контактов (также известного как "очиститель для настройки"). Треск, связанный с поворотом вала загрязненного потенциометра в аудиосхеме (например, регулятора громкости), значительно усиливается при наличии нежелательного постоянного напряжения, что часто указывает на неисправность блокирующего конденсатора в схеме.
The failure rate of resistors in a properly designed circuit is low compared to other electronic components such as semiconductors and electrolytic capacitors. Damage to resistors most often occurs due to overheating when the average power delivered to it greatly exceeds its ability to dissipate heat (specified by the resistor's power rating). This may be due to a fault external to the circuit but is frequently caused by the failure of another component (such as a transistor that shorts out) in the circuit connected to the resistor. Operating a resistor too close to its power rating can limit the resistor's lifespan or cause a significant change in its resistance. A safe design generally uses overrated resistors in power applications to avoid this danger. Low power thin film resistors can be damaged by long term high voltage stress, even below maximum specified voltage and below maximum power rating. This is often the case for the startup resistors feeding a switched mode power supply integrated circuit. When overheated, carbon film resistors may decrease or increase in resistance. Carbon film and composition resistors can fail (open circuit) if running close to their maximum dissipation. This is also possible but less likely with metal film and wirewound resistors. There can also be failure of resistors due to mechanical stress and adverse environmental factors including humidity. If not enclosed, wirewound resistors can corrode. Surface mount resistors have been known to fail due to the ingress of sulfur into the internal makeup of the resistor. This sulfur chemically reacts with the silver layer to produce non conductive silver sulfide. The resistor's impedance goes to infinity. Sulfur resistant and anti corrosive resistors are sold into automotive, industrial, and military applications. ASTM B809 is an industry standard that tests a part's susceptibility to sulfur. An alternative failure mode can be encountered where large value resistors are used (hundreds of kilohms and higher). Resistors are not only specified with a maximum power dissipation, but also for a maximum voltage drop. Exceeding this voltage causes the resistor to degrade slowly reducing in resistance. The voltage dropped across large value resistors can be exceeded before the power dissipation reaches its limiting value. Since the maximum voltage specified for commonly encountered resistors is a few hundred volts, this is a problem only in applications where these voltages are encountered. Variable resistors can also degrade in a different manner, typically involving poor contact between the wiper and the body of the resistance. This may be due to dirt or corrosion and is typically perceived as "crackling" as the contact resistance fluctuates; this is especially noticed as the device is adjusted. This is similar to crackling caused by poor contact in switches, and like switches, potentiometers are to some extent self cleaning: running the wiper across the resistance may improve the contact. Potentiometers which are seldom adjusted, especially in dirty or harsh environments, are most likely to develop this problem. When self cleaning of the contact is insufficient, improvement can usually be obtained through the use of contact cleaner (also known as "tuner cleaner") spray. The crackling noise associated with turning the shaft of a dirty potentiometer in an audio circuit (such as the volume control) is greatly accentuated when an undesired DC voltage is present, often indicating the failure of a DC blocking capacitor in the circuit.