Работа резистора: что это такое, устройство, принцип работы, виды

alexxlabРазное

1.1. Использование резисторов . Самоучитель по радиоэлектронике

1.1.1. Выбор постоянного резистора

При выборе резистора нужно учитывать как его параметры, так и условия среды, где он будет работать — температуру, влажность, вибрацию и т. д. Параметры резистора должны соответствовать условиям его применения по нагрузке и внешней среде. Следует также знать, что у резистора существует максимальная частота работы, при которой его сопротивление начинает меняться, и максимальное допустимое напряжение. Фактическая мощность, рассеиваемая на резисторе, и его рабочая температура должны быть ниже предельных значении по техническим условиям.

Резистор выбирают с учетом особенностей цепей, где он работает, учитывая величину отклонения сопротивления от номинального. Если большое отклонение сопротивления мало влияет на работу устройства, то можно применять резисторы с допуском 20 %. Это могут быть резисторы в цепях управляющих сеток ламп, в цепи коллекторов транзисторов. Если от величины сопротивления зависит режим работы цепи, то следует применять резисторы с допуском 5 или 10 %. К ним относятся резисторы в цепях эмиттера и базы транзистора. В цепях, где требуется постоянство сопротивления, применяются резисторы с допуском не более 2 %.

Работа резистора в схеме проявляется его нагревом. Относительно сильный нагрев (до 300 °C) для резистора не опасен, но выделяющееся тепло может отрицательно повлиять на соседние детали. В таких случаях для уменьшения нагрева его нужно заменить на более мощный.

1.1.2. Нелинейный резистор

Полупроводниковый нелинейный резистор, в отличие от линейного, обладает способностью изменять свое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и др.

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) бывают двух видов: стержневые (типа КМТ-1, СТЗ-1, ММТ-4) и дисковые (типа СТ1-2, КМТ-12, ММТ-12).

Подобные чувствительные элементы используются для создания различных приборов — от электронных термометров до детекторов — в тех или иных промышленных системах управления, в которых должен осуществляться текущий контроль (мониторинг) и/или управление температурой.

Термисторы с положительным ТКС увеличивают свое сопротивление при возрастании температуры. При этом их сопротивление изменяется более резко и круто, чем у терморезисторов с отрицательным ТКС. Хорошим примером терморезистора с положительным температурным коэффициентом является нить лампы накаливания. Когда лампа выключена, нить накала имеет очень низкое сопротивление. Однако когда через лампу протекает ток, нить сильно накаляется и быстро нагревается до температуры белого каления. Это значительно увеличивает сопротивление нити. Например, стандартная лампа накаливания 100 Вт имеет в холодном состоянии сопротивление приблизительно 10 Ом. Когда же на лампу подается напряжение 120 В, нить нагревается с увеличением сопротивления до 144 Ом, то есть отмечается рост сопротивления более чем в 14 раз.

Такая характеристика лампы накаливания может использоваться для целей регулирования в некоторых типах электрических и электронных схем.

1.1.3. Температурный дрейф подстроенного резистора

У всех резисторов, в особенности у подстроечных, номиналы могут изменяться в зависимости от температуры. Необходимо учитывать это явление как при разработке, так и при изготовлении схемы. По обе стороны от подстроечного резистора следует поместить постоянные резисторы (рис. 1.1), а также расположить подстроечный резистор как можно дальше от всех источников тепла.

Рис. 1.1.

Устранение температурного дрейфа подстроенного резистора

Желательно удалить на максимальное расстояние охлаждающие радиаторы, стабилизаторы, мощные резисторы и трансформаторы. Дополнительные резисторы позволяют свести диапазон регулировки сопротивления к минимуму.

Кстати, к этой мере рекомендуется прибегать всегда, даже когда нет опасности перегрева. Как правило, после тестирования схемы необходимо уточнить рассчитанные параметры.

1.1.4. Многооборотный потенциометр

Многооборотные потенциометры (полное перемещение движка происходит за десять оборотов регулировочного винта) очень полезны, когда нужно отрегулировать какую-либо величину, например выходное напряжение источника питания, с высокой точностью. К сожалению, цена устройств часто слишком высока для любителей. В продаже имеются механические переключатели, объединенные с переменными резисторами, позволяющие трансформировать однооборотную модель потенциометра в многооборотную. Такие компоненты также дорого стоят и занимают много места. Есть простой и эффективный способ, позволяющий достичь точной и плавной регулировки: последовательное включение двух однооборотных переменных резисторов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Использование двух резисторов для грубой и точной регулировки

Один из них имеет требуемое сопротивление (или чуть ниже), а второй, значительно меньший по номиналу, позволяет точно регулировать суммарное сопротивление. Вначале с помощью первого резистора получают приблизительную ((грубую) настройку, а окончательный результат обеспечивает тонкая настройка вторым резистором. Такой подход неприменим для потенциометрической схемы регулировки (со средней точкой).

1.1.5. Резисторная матрица

Резисторная матрица содержит несколько одинаковых резисторов. Любители используют этот компонент сравнительно редко. Однако у таких матриц есть некоторые преимущества по сравнению с эквивалентным набором дискретных резисторов. В частности, они позволяют ускорить сборку схем. Резисторные матрицы удобно использовать в цифровых устройствах для создания делителей, обеспечивающих набор калиброванных напряжений, или для ограничения тока нескольких светодиодов, расположенных близко друг от друга.

В аналоговых схемах матрицы могут применяться в сочетании с операционным усилителем, в частности в качестве резисторов в цепи отрицательной обратной связи. В этом случае гарантируется высокая стабильность коэффициента усиления и точность его задания, так как разброс параметров у резисторов матрицы, как правило, незначителен.

Существующие матрицы содержат четыре, семь или восемь резисторов, подключенных к выводам независимо или по схеме с общей точкой (рис. 1.3).

При наличии общего вывода он помечается маркировочной точкой на корпусе. Если есть сомнения по поводу типа матрицы или параметров резисторов, нетрудно проверить микросхему при помощи омметра.

Рис. 1.3. Резисторная матрица с общей точкой (а) и с независимыми выводами (б)

1.1.6. Прецизионный резистор

Иногда возникает необходимость в использовании прецизионных резисторов с допуском 1 % или даже меньше. Эти компоненты довольно дороги, не всегда можно найти нужный номинал, кроме того, они обычно продаются только в наборах.

Наиболее часто такие резисторы применяются для построения прецизионного делителя (например, при калибровке измерительного прибора) или если требуется набор идентичных резисторов, для которых абсолютная величина сопротивления не слишком важна.

В последнем случае при помощи цифрового мультиметра можно провести сортировку обычных резисторов одного номинала и отобрать те из них, что имеют одинаковые сопротивления (например, 99,8 кОм при номинальном значении 100 кОм). Однако при этом стабильность параметров во времени, особенно в случае колебаний температуры, не гарантируется. Гарантию стабильности дает только использование прецизионных резисторов.

1.1.7. Рассеиваемая мощность резистора

Мощность, рассеиваемая резистором, является важным показателем, о котором при разработке схемы иногда забывают. В этом случае первое включение схемы может вызвать неприятные последствия. Например, нетрудно рассчитать, что резистор 2,2 кОм, предназначенный для ограничения до 20 мА тока, потребляемого светодиодом, при напряжении источника питания 48 В рассеивает мощность около 1 Вт. Если в схеме использован резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт, через короткое время он выйдет из строя. Поэтому при проектировании надо предусмотреть место на печатной плате для более мощного резистора.

При создании схем с мощными резисторами следует быть особенно внимательным. Необходимо учитывать, что допустимые значения мощности, указанные производителями, обычно гарантируются для рабочей температуры 25 °C. Но при работе мощного устройства эта температура может быть существенно выше. Бывает, что резистор с номинальной рабочей мощностью 10 Вт при 25 °C перегревается при рассеивании всего лишь 2,5 Вт, если температура окружающей среды составляет 70 °C. В подобных случаях следует выбирать резисторы в специальном корпусе, оснащенном пластинами для охлаждения, размещать их на радиаторе и обеспечивать адекватную вентиляцию. Отметим, что выбор заведомо более мощного резистора не всегда позволяет избежать перегрева, так как рассеиваемая мощность при этом остается прежней.

1.1.8. Рабочее напряжение резистора

Резистор, как и конденсатор, имеет максимально допустимое рабочее напряжение. Необходимость учитывать этот параметр ярко проявляется при работе со схемами, непосредственно подключенными к электрической сети. Примерами могут служить RC-цепи, служащие для подавления помех, или бестрансформаторные источники питания.

Классический резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт обычно имеет допустимое рабочее напряжение порядка 200 В. В упомянутых выше устройствах при номинальном эффективном напряжении сети 220 В возможны режимы, при которых пиковое значение напряжения на резисторах может достигать 650 В. Даже если требованию по рассеиваемой мощности удовлетворяет один резистор, в данном случае необходимо использовать по меньшей мере три последовательно соединенных компонента, чтобы напряжение на каждом из них всегда оставалось в допустимых пределах. Из этого можно сделать вывод, что, если в схеме, подключенной к сети, есть несколько последовательных резисторов, их нельзя заменять одним резистором соответствующего номинала (рис. 1.4). В противном случае возникает опасность его разрушения.

1.1.9. Переменный цифровой резистор

Часто регулирующие устройства должны имитировать изменяющееся сопротивление, для чего можно использовать цифровой (наборный) резистор, сопротивление которого варьируется в широких пределах с малым шагом в соответствии с заданным цифровым сигналом. Есть программируемые интегральные цифровые потенциометры, которые помогают в решении данной задачи. Однако такие микросхемы сравнительно дороги и не всегда обладают нужными параметрами, поэтому их часто заменяют дискретными компонентами.

Схема, приведенная на рис. 1.5, позволяет имитировать переменный резистор, характеристики которого можно выбирать исходя из конкретных требований. Переключения выполняются с помощью контактов реле, что обеспечивает полную изоляцию управляющей (цифровой) части устройства от исполнительной (аналоговой).

Рис. 1.5. Переменный управляемый резистор

Принцип работы схемы очень прост. В ней используется набор последовательно включенных резисторов, сопротивления которых при переходе от одного к другому изменяются путем умножения на 2, что соответствует изменению веса разрядов двоичного управляющего сигнала. Параллельно выводам каждого резистора подключен нормально замкнутый контакт реле, на обмотку которого подается цифровой сигнал соответствующего разряда. В состоянии покоя общее сопротивление равно нулю. Появление управляющего сигнала, соответствующего единице младшего разряда, размыкает контакт, шунтирующий первый резистор. В рассматриваемом примере на выходе появляется сопротивление 500 Ом. Включение второго реле, соответствующего следующему разряду двоичного сигнала (при отключении первого), дает на выходе сопротивление 1000 Ом. Дальнейшее увеличение двоичного слова на единицу (переход от 2 к 3 в десятичном коде) обеспечивает увеличение выходного сопротивления до 1500 Ом и т. д. Максимальное значение сопротивления составляет 7,5 кОм (все контакты разомкнуты), оно реализуется при подаче двоичного слова 0FH. Таким образом, получается переменный резистор 7,5 кОм с 16 дискретными значениями сопротивления с шагом 500 Ом.

Число разрядов и наименьшее сопротивление в наборе могут задаваться с учетом конкретных требований. Управление реле осуществляется с помощью дискретных транзисторов или микросхем. Подобный вариант схемы можно использовать в сочетании с двоичным счетчиком, реализующим счет вперед или назад, или с микроконтроллером. Очевидно, что при управлении с помощью механического реле выходное сопротивление будет изменяться сравнительно медленно.

Резисторы для силовой электроники Danotherm. ВЕСТ-ЭЛ официальный поставщик.

ГлавнаяТехнические статьи и рекомендации инженеров компанииРезисторы для силовой электроники Danotherm

Мощные резисторы для различных применений в изделиях силовой электроники выпускаются рядом фирм, среди которых одно из ве­дущих мест занимает датская компания Danotherm. Про­дукция компании Danotherm перекрывает наиболее широкий спектр применений в данной области. Компания была основана в 1919 году в Копенгагене. С тех пор фирма занимается производством высококачественных надежных резистивных компонентов и систем для различных отраслей промыш­ленности. В данной статье речь пойдёт о не совсем обычных тормозных резисторах Тера, нашедших применение в силовых приводах с тяжёлыми условиями эксплуатации.

Чтобы удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к приводной технике, большинство разработчиков для управления двигателями переменного тока используют схемы с частотно регулируемым выходом. Когда необходимо изменить скорость или в результате торможения, например, идущего поезда, частота вращения двигателя становится больше, чем выходная частота частотного конвертера. В этом случае мотор работает как генератор и источник энергии, которая, в большинстве случаев, переходит в тепло через тормозной резистор.

То, как тормозной резистор себя ведёт, определяется условиями работы двигателя. Как правило, тормозной резистор включается только на короткое время для того, чтобы погасить избыток энергии двигателя. В остальное время эта накопленная энергия отдаётся в виде тепла в окружающую среду. Такой прерывистый режим работы привода характеризуется временем активной работы (ON-time) и продолжительностью всего цикла (cycle duration). Продолжительность рабочего цикла рассчитывается как сумма времени, затраченного на торможение и времени покоя.

Работа тормозного резистора состоит из серии подобных циклов. Если мы при компоновке изделия имеем время торможения и отнесём эту величину к определённому времени всего цикла работы, то получим относительную продолжительность цикла (cyclic duration factor). В течение периода покоя резистор охлаждается в зависимости от температуры окружающей среды, т. е. после определённого количества последовательных циклов резистор как бы адаптируется к некоей средней температуре. Данные параметры используются при расчетах конструкции тормозных резисторов, чтобы не допустить неприемлемого перегрева резистивных элементов.

Для определения размеров тормозных резисторов Danotherm разработал тепловые модели для всех типов резисторов. С помощью этих моделей можно имитировать все возможные поведения нагрузки и, следовательно, рассчитать повышение температуры в активной зоне резистора. Результаты моделирования гарантируют надёжную работу тормозного резистора при оптимальной конструкции.

Конструкция и характеристики

Резисторы Тера представляют собой наборную конструкцию из стальных пластин, активная зона в которых сформирована штамповкой в виде определённого извилистого рисунка (меандра). Для механической прочности продольные боковые стороны пластин укреплены, чтобы их можно было смонтировать в блок при помощи изолированных резьбовых болтов. Благодаря большой площади поверхности, такая структура позволяет обеспечить особенно хорошее тепловыделение и поэтому подходит для тяжёлых и продолжительных режимов работы. Кроме того, большая масса такого резисторного «пакета» допускает очень высокие импульсные нагрузки. В табл. 1 показаны электрические параметры одной ячейки Тера, а на рис. 1 представлены её геометрические размеры.

Рис. 1. Геометрические размеры ячейки Тера (в мм. )

Табл. 1. Электрические параметры ячейки Тера:

  HWS
Нержавеющая сталь 		HWS
Хромо-никеливый сплав
Материал X 10 CrAL 13 X 5 CrNi 189
Температурный коэффициент, 1/°С 0.00025 0.0009
Мощность для режима естественной конвекции, Вт 500 500
Мощность для режима принудительной вентиляции, Вт 1300 1300
Сопротивление при 20°С, Ом 0.0088…3.58 0. 0088…2.36

Стальные нержавеющие пластины резисторов Danotherm, как уже отмечалось, штампуются в форме меандра. Такая конструкция пластин позволяет достичь точного значения величины сопротивления. Различные формы выштамповки дают возможность комбинировать ширину активной зоны и размера щелей, тем самым позволяя получать различные значения сопротивления для одного и того же размера пластин.

Стандартные номиналы одной стальной ячейки Тера варьируются в пределах от 8,8 мОм до 3,58 Ом при мощности рассеивания примерно 500 Вт. Поэтому все возможные варианты сопротивлений могут быть реализованы быстро и легко. Материал резисторов можно выбрать между стандартной нержавеющей сталью или высокотехнологичным хромо-никеливым сплавом. Чтобы ещё более увеличить прочность ячейки Тера, пластина по длинным сторонам усилена стальной скобой с изоляцией из слюды. Такая конструкция обеспечивает большую площадь поверхности, а с учётом того, что активная зона резистора имеет непосредственный контакт с окружающей средой, хорошую теплоотдачу. Резисторы Тера характеризуются жёсткой и прочной конструкцией, отлаженной технологией производства и, как следствие, хорошим соотношением «цена/качество». На рис. 2 показан блок Тера, собранный из восемнадцати (а) и тридцати (б) ячеек.

Рис. 2. Стандартная конструкция резисторного блока Тера.

В целях поддержки различных классов защиты резисторные блоки Тера встраиваются в корпус, изготовленный из оцинкованной листовой стали. Конструкция корпуса предполагает как естественную конвекцию, так и принудительную вентиляцию. На рис. 3 представлены стандартные конструкции резисторных блоков Тера в исполнении: а — IP00, б — IP20, в — IP23.

Рис. 3. Блок Тера в исполнениях IP00, IP20, IP23.

Основные применения:

  • Тормозные резисторы в частотных приводах средней и большой мощности (от 3 кВт до нескольких мВт).
  • Заземляющие резисторы в высоковольтных распределительных сетях
  • Разрядные резисторы для аккумуляторных установок

Преимущества:

  • Высокие технические характеристики в импульсном режиме
  • Возможность эффективного принудительного охлаждения для повышения мощности рассеяния
  • Прочная стальная конструкция
  • Простая установка и подключение

Стандартные типы резисторных блоков Тера и их габаритные размеры представлены в табл. 2 и на рис. 4.

Основные технические параметры:

  • Диапазон сопротивлений резисторного блока, Ом: 0,1…50
  • Допустимое отклонение от номинала, %: ±10
  • Диапазон номинальной мощности, Pn, кВт/модуль: 0,5…15
  • Диэлектрическая прочность изоляции, В: ~3500
  • Рабочее напряжение, В: ~1000/=1100
  • Сопротивление изоляции, мОм, не менее: 20
  • Температура окружающей среды, °С: -40…+90
  • Импульсная нагрузочная способность: Pn х 10 / 10 сек.
  • Максимальная температура нагрева поверхности, °С: 850
  • Класс защиты: IP00…IP23

Табл. 2. Стандартные типы резисторных блоков Тера.

Тип Кол-во ячеек на блок Мощность, кВт для ON-time/cycle duration
(длительность цикла 120 сек. ) 		B,
мм 		T,
мм 		H,
мм 		F,
мм 		Вес,
кг
100% 60% 40% 20%
С13 10 5,0 7,0 10,0 16,0 390 500 500 380 20
С15 20 10,0 14,0 20,0 32,0 590 500 500 380 30
С17 30 15,0 21,0 30,0 48,0 800 500 500 380 35
С25 40 20,0 28,0 40,0 64,0 590 500 800 380 40
С27 60 30,0 42,0 60,0 96,0 800 500 800 380 65
С37 90 45,0 63,0 90,0 144,0 800 500 1100 380 90
С47 120 60,0 84,0 120,0 192,0 800 500 1400 380 125
С57 150 75,0 105,0 150,0 240,0 800 500 1700 380 150
С67 180 90,0 126,0 180,0 288,0 800 500 2000 380 170

Рис. 3. Габаритные размеры резисторных блоков Тера.

Заключение

Несмотря на то, что резисторы являются одними из самых «древних» пассивных компонентов, а резистивное (реостатное) торможение в наш век тотальной «экономии» электроэнергии может показаться чуть ли не анахронизмом, они до сих пор активно применяются в силовых приложениях. Скорее всего, им ещё долго не будет альтернативы, особенно там, где необходимо за короткое время погасить значительную избыточную мощность, используя её не иначе как для обогрева Вселенной.

Литература:

  1. www.danotherm.dk

Как работают резисторы? – 42 Электроника

Как работают резисторы? – 42 Электроника

Эта запись в блоге о резисторах является выдержкой из уровня A нашей программы «Введение в робототехнику». Уровень A охватывает создание схем с использованием Raspberry Pi и написание общих команд кода на Python. Он содержит 18 уроков, в том числе более 70 видео и 45 проектов и мероприятий. Примеры уроков, а также их полный объем и последовательность для уровня А можно найти здесь.

 

В своей простейшей форме резистор обеспечивает электрическое сопротивление: он ограничивает поток электронов через цепь. Думайте об этом как о том, что происходит с плотностью движения, когда дорога временно сокращается до одной полосы, а затем снова открывается после аварии. Вся автострада резко замедляется из-за необходимости двигаться вниз по одной полосе. Точно так же при использовании резистора поток электронов уменьшается за счет резистора. Поскольку задача резистора состоит просто в том, чтобы ограничить скорость прохождения электронов по цепи в целом, резистор можно разместить в любом месте последовательности (серии) компонентов. В любом месте цепи резистор будет замедлять поток электронов.

Резисторы полезны по нескольким причинам. Во-первых, если позволить электричеству течь от положительного заряда к отрицательному без каких-либо препятствий, это создает большую угрозу безопасности, известную как короткое замыкание. Резистор сдерживает поток электронов, поэтому ток не распространяется слишком быстро и не может повредить макетную плату, провода, батарею и т. д. Вторая причина использования резистора — замедлить ток, протекающий к компоненту. Такие компоненты, как светодиоды, вентиляторы, лампочки и т. д., предназначены для работы с определенным количеством электрического тока. Слишком мало, и они не будут работать, слишком много, и вы можете повредить или разрушить компонент.

 

Использование резисторов для построения цепей

Резисторы разного размера (номинала) можно использовать для разных проектов. Например, светодиод имеет ограничения по максимальному напряжению и току. Большинство батарей обеспечивают гораздо больший ток, чем может выдержать светодиод, поэтому вам следует использовать соответствующий резистор с батареей и светодиодом, чтобы уменьшить поток электронов и обеспечить безопасную работу светодиода. Вы узнаете больше о том, как рассчитать величину сопротивления, необходимого для компонента и батареи, в уроке A-3, когда мы научим вас использовать закон Ома при разработке проектов электроники.

Резисторы не поляризованы, поэтому нет опасности их неправильного использования. Когда компонент поляризован, это означает, что электричество должно течь в одном направлении и выходить в другом. Резисторы можно использовать последовательно (последовательность) или параллельно, когда несколько резисторов получают электричество одновременно.

 

Эта запись в блоге о резисторах является выдержкой из уровня A нашей программы «Введение в робототехнику». Уровень A охватывает создание схем с использованием Raspberry Pi и написание общих команд кода на Python. Он содержит 18 уроков, в том числе более 70 видео и 45 проектов и мероприятий. Примеры уроков, а также их полный объем и последовательность для уровня А можно найти здесь.

Эрик Фейкерт

  • Электроника /
  • Уровень А