Articolul începe de la elementele de bază, definind rezistența, trecând apoi la principalele tipuri de rezistențe, evidențiind caracteristicile cheie ale acestora, apoi va analiza succint specificațiile pe care le va întâlni un inginer în timpul procesului de proiectare.
Ce este un rezistor și care este simbolul său?
Un rezistor este o componentă electrică pasivă care restricționează fluxul de curent electric într-un circuit. Analogia folosită adesea pentru a explica funcționarea sa este aceea de a considera curentul ca fiind apa care curge într-un furtun; un rezistor poate fi considerat ca o construcție a conductei care limitează curgerea apei.
RS PRO: 739-7538
Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu legea lui Ohm: U=I*R, unde U este căderea de tensiune pe un rezistor, I este curentul care circulă prin rezistor și R este valoarea rezistenței. Aceasta este ecuația care conectează curentul, tensiunea și rezistența și stă la baza lucrului cu rezistențe (dar și alte componente pasive).
RS PRO: 804-8845
La nivel microscopic, rezistențele sunt realizate dintr-o varietate de materiale care sunt conductoare, dar nu perfecte, astfel încât capacitatea de curgere a electronilor este împiedicată de structura atomică a materialelor alese. Variind caracteristicile conductorului, cum ar fi conductivitatea materialului, suprafața și lungimile materialului utilizat, este posibil să se controleze rezistența la precizia dorită. Rezistența este măsurată în ohmi, iar simbolul unității este Ω.
Trebuie menționat că există rezistențe a căror valoare este variabilă în funcție de o mărime fizică (de exemplu temperatură, intensitate luminoasă etc.). Acestea sunt utilizate ca elemente senzoriale și nu fac parte directă din subiectul de față.
Rolul efectiv al rezistoarelor într-un circuit
RS PRO: 131-1318
Rezistoarele au multe utilizări în circuitele electrice și electronice. Mai jos sunt enumerate câteva dintre cele mai des utilizate configurații; majoritatea aplicațiilor necesită mai multe rezistențe în configurații seriale sau paralele:
Divizoare de tensiune. Două sau mai multe rezistențe în serie vor oferi tensiune la punctul lor de joncțiune proporțională cu raportul dintre valorile lor. Această funcționalitate este utilizată pe scară largă în circuitele în care este necesară generarea unor tensiuni intermediare.
Rezistoare de polarizare. Pentru tranzistoare, dar și pentru alte dispozitive electronice, trebuie stabilite puncte de funcționare conform caracteristicilor lor de operare AC și DC, având stabilite, de exemplu, valorile de amplificare pentru tranzistoare. Acest lucru se poate realiza prin utilizarea mai multor rezistențe și poartă numele de polarizare.
RS PRO: 173-0747
Amplificare și reacție pentru amplificatoarele operaționale. Majoritatea circuitelor cu amplificatoare operaționale trebuie să aibă stabilite funcționalitățile de amplificare și reacție (feedback) prin utilizarea unor componente externe cipului amplificatorului; componentele primare necesare și cel mai adesea utilizate sunt rezistoarele.
Limitare de curent. Rezistoarele pot fi utilizate pentru a limita curentul ce străbate un circuit. Aceasta este o funcție de siguranță utilă în multe circuite, de exemplu limitând curentul printr-un LED pentru a-i gestiona luminozitatea.
Potrivire de impedanță. Pentru a maximiza transmisia de putere la frecvențe înalte, impedanța capetelor de recepție și transmisie ale unui circuit trebuie să fie aceeași. Rezistoarele pot îndeplini cel puțin o parte din această cerință.
Bourns: 522-0899
Măsurarea curentului. În cazul multor circuite electronice este nevoie să se cunoască curenții ce le străbat, iar acest lucru este mult mai ușor prin măsurarea unei căderi de tensiune. Inserarea unui rezistor în circuit pentru a „dezvolta” o cădere de tensiune – amintiți-vă legea lui Ohm – este o tehnică uzuală pentru măsurarea curentului.
Rezistențe de ‘pull-up’, ‚pull-down’ pentru magistrale de date și de adrese. Rezistențele de ‚pull-up’ sau ‚pull-down’ sunt, de fapt, rezistoare simple care ajută la definirea stării intrării atunci când nu este conectat un semnal sursă. Această funcționalitate ajută la reducerea problemelor de zgomot pe magistralele computerizate de mare viteză.
Tipuri de rezistoare
Arcol: 131-1318
Există multe tipuri diferite de rezistoare și pot fi fabricate din diverse materiale, toate având propriile avantaje și dezavantaje. Înainte de a analiza materialele, merită să luați în considerare diferitele configurații disponibile.
Rezistoare de valoare fixă
Acestea reprezintă tipul predominant de configurație de rezistor și, după cum sugerează și numele, au o valoare fixă a rezistenței. Este posibil să cumpărați un rezistor de orice valoare ohmică de care aveți nevoie, cu toate acestea, în marea majoritate a cazurilor, este posibil să „ajustați” circuitul pentru a modifica valoarea necesară. Din acest motiv, toți producătorii vor furniza familii de rezistoare.
Bourns: 522-4071
Deci, de exemplu, o familie uzuală este familia E24. Acesta are 24 de valori între 100Ω și 1000Ω sau între 10KΩ și 100KΩ. Valorile din interval sunt alese astfel încât, atunci când luați în considerare toleranțele pentru fiecare valoare, aveți acoperire peste cele mai multe valori posibile. Numărul de valori dintr-o familie depinde de precizia și toleranța necesară, astfel încât familia E192 are mult mai multe valori din care să se aleagă, cu toleranțe de până la 0,1%. Acest lucru, desigur, poate crește costul rezistoarelor.
Rezistoare variabile
Vishay: 684-5802
În practică sunt întâlnite mai multe categorii de rezistoare variabile: potențiometre, trimmere și reostate. Acestea sunt dispozitive a căror valoare poate fi modificată prin rotirea unui arbore / buton sau cu ajutorul unei șurubelnițe pentru stabilirea unei poziții.
Un rezistor variabil este o componentă cu trei terminale. Dispozitivele vin sub forma unui contact mobil care rulează de-a lungul unei piste rezistive sau, în cazul dispozitivelor cu mai multe ture, un fir înfășurat strâns. Deși sunt utile pentru reglarea valorilor rezistenței într-un circuit, potențiometrele pot fi predispuse la mișcarea părții mobile din cauza vibrațiilor și, prin urmare, pot fi problematice dacă sunt alese greșit.
Rețele de rezistoare
Se întâmplă adesea cazuri în care sunt necesare mai multe rezistențe de aceeași valoare, în aplicațiile de tip ‘pull-up’ magistrală de date, de exemplu. Pentru aceste aplicații, este posibil să achiziționați pachete de rezistoare, fie ca pachete SIL (Single InLine) sau DIL (Dual InLine). Ele pot veni ca rezistoare multiple neconectate sau cu un pin din fiecare rezistor conectat la un singur contact de pe pachet. Deși această soluție poate fi mai costisitoare față de soluția bazată pe rezistoare individuale, costurile de montare sunt desigur mai mici, deoarece este necesară o singură inserție. Această considerație a condus și la disponibilitatea rezistoarelor duble într-o singură capsulă pentru aplicații potențiale de divizoare de tensiune.
Marcarea valorii rezistenței
Rezistoarele au valoarea marcată pe ele într-o formă sau alta. Pot fi marcaje sub formă de text propriu-zis, putând fi un cod de 3 sau 4 digiți cu o valoare și un sistem de multiplicare. De exemplu, 102 va reprezenta 10×10² sau 1kΩ, iar tipul cu 4 digiți 1002 reprezintă 100×10² sau 10KΩ. Pentru valori mici, 4R7 reprezintă 4,7Ω.
Având în vedere dimensiunea redusă a rezistoarelor cu montare pe suprafață (SMD), textul poate fi extrem de dificil de văzut, mai ales acum că acestea sunt disponibile cu toleranțe mai strânse și cu mai multe valori. Din acest motiv, se folosește sistemul EIA96. Acesta implică un tabel de căutare în care o valoare din trei cifre este utilizată pentru a indica o valoare și un multiplicator, prin urmare specificând valoarea într-un număr minim de cifre.
Codul de culori pentru marcarea rezistoarelor
Sistemul este puțin mai simplu pentru rezistoarele cu lipire prin găuri (THT). Un cod de culoare este în vigoare de mulți ani și este încă actual. Fiecare rezistor are trei sau patru benzi care specifică valoarea, plus o bandă de toleranță. Pentru un rezistor cu 4 benzi, primele două benzi sunt valori numerice, iar a treia bandă este un multiplicator.
Dacă, de exemplu, am avea un caz în care primele două benzi sunt roșii, iar a treia bandă este portocalie, atunci valoarea rezistenței este de 22KΩ. Dacă a patra bandă este tot roșie, atunci rezistorul ar avea o toleranță de 2%. Dacă luăm cazul unui rezistor cu 5 benzi cu primele trei culori, roșu, iar a patra maro, am avea o valoare de 2,22KΩ.
Materiale rezistive
După ce au fost analizate elementele de bază ale designului rezistorului și configurațiile posibile, acum este momentul în care se definesc materialele utilizate la construcția rezistoarelor și se evidențiază avantajele și dezavantajele acestora.
Rezistoare cu peliculă de carbon
Rezistoarele cu peliculă de carbon au fost în mare parte înlocuite cu tipuri de metal pentru aplicații de uz general, datorită toleranței lor mai slabe și caracteristicilor de zgomot. Cu toate acestea, ele sunt încă utilizate în unele aplicații.
Rezistorul este construit prin formarea unui film de carbon pe un substrat ceramic. Acest lucru are multiple avantaje. În primul rând, filmul este în mare parte non-inductiv, în al doilea rând, ceramica este un izolator excelent pentru căldură și electricitate, iar în al treilea rând, aspectul are o secțiune transversală mare. Deci, inductanța lor scăzută le face utile pentru aplicații de înaltă frecvență, iar secțiunea lor transversală mai mare se pretează la tensiuni de funcționare mai mari și o rezistență mai bună la tensiuni tranzitorii decât multe alte tipuri. Drept urmare, deși sunt mai puțin utilizate pe scară largă, sunt încă disponibile în mod obișnuit.
Rezistoare cu peliculă metalică
Rezistoarele cu film metalic sunt realizate prin plasarea unui strat metalic, cum ar fi ruteniul, pe un substrat izolator. Sunt disponibile într-un număr mare de tipuri și capsule, iar în comparație cu rezistoarele cu peliculă de carbon, construcția lor este mai simplă de produs în masă și mai mică din punct de vedere fizic.
Rezistoarele cu peliculă metalică au înlocuit în mare măsură rezistoarele cu peliculă de carbon în majoritatea aplicațiilor standard datorită zgomotului lor mai scăzut, toleranțelor mai strânse și, în general, coeficienților de temperatură mai buni. Deși adesea percepute ca rezistoare „standard”, au evoluat de la o bază de performanță mai scăzută până la punctul în care sunt oferite cu o precizie destul de ridicată (0,1%) și TCR-uri scăzute în intervalul PPM/C cu o singură cifră. Este demn de remarcat faptul că rezistoarele cu peliculă metalică sunt oferite atât în varianta cu montare prin găuri, cât și cu montare pe suprafață.
Rezistoare bobinate
Rezistoarele bobinate au unele caracteristici care sunt atractive în anumite aplicații, cum ar fi instrumentele de înaltă precizie, unde sunt necesare toleranțe mult mai bune de 0,01% și coeficienți de temperatură foarte mici (TCR).
Ele sunt, de asemenea, alese ca fiind tipul de rezistor pentru aplicații de mare putere (sunt disponibile rezistoare de până la 100 de wați). Cu toate acestea, merită remarcat faptul că, deoarece constau dintr-un fir înfășurat în jurul unui miez izolat, care este un inductor prin definiție, aceste rezistoare nu sunt recomandate pentru aplicații de înaltă frecvență și, în general, nu sunt disponibile sub formă de capsulă cu montare pe suprafață.
Rezistoare cu oxid metalic
Aceste rezistoare sunt similare cu rezistoarele cu peliculă metalică, cu excepția că elementul rezistiv este un oxid (adesea staniu). Performanța lor este subtil diferită de pelicula metalică prin faptul că sunt de obicei mai bune pentru aplicații cu tensiune mai mare și putere mai mare.
Rezistoarele cu oxizi metalici sunt, de obicei, oferite în plaje mai mici de valori și pot oferi toleranțe și TCR reduse. Și acestea sunt oferite atât cu montare pe suprafață, cât și cu montare prin găuri.
Rezistoare cu bandă metalică
Aceste tipuri de rezistoare specializate sunt, în general, utilizate pentru aplicații de măsurare a curentului în surse de tensiune. Rezistoarele cu bandă metalică sunt caracterizate prin valori foarte mici ale rezistenței, astfel încât acestea sunt oferite cu coeficienți de temperatură relativ mici și cu putere medie de disipare pentru a afecta minim funcționarea generală a circuitului.
După cum sugerează și numele, acestea sunt efectiv o bandă de metal tăiată cu laser. O altă caracteristică cheie pentru aceste dispozitive este o rezistență termică scăzută, deoarece pot transporta curenți mari, care pot duce la necesitatea de a disipa căldura generată în timpul operării.
Caracteristicile care afectează alegerea unui rezistor
Care sunt caracteristicile și specificațiile cheie care afectează alegerea rezistorului? Parametrii de bază care trebuie luați în considerare reprezintă valoarea rezistenței electrice și toleranța. Cu toate acestea, nu este întotdeauna suficient, deoarece parametrii menționați pot fi afectați și de alte caracteristici, așa cum se explică în cele ce urmează.
Coeficient de temperatură
Aceasta este o măsură a variației valorii nominale ca urmare a schimbărilor de temperatură. În general, citată ca valoare unică în părți pe milion pe grad centigrad (sau Kelvin), poate fi o valoare pozitivă sau negativă. Ecuația de calcul a rezistenței la o anumită temperatură este:
Rt=Ro[1+α(T-To)]
Unde Ro este valoarea nominală a rezistenței la temperatura camerei, To este temperatura la care este dată rezistența nominală, T este temperatura de operare, iar α este coeficientul de temperatură TCR.
Mai simplu spus, un rezistor de 1 MΩ cu un TCR de 50 ppm/K se va schimba cu 50Ω pe 1 grad de creștere sau scădere a temperaturii. Acest lucru poate să nu spună prea mult, dar luați în considerare dacă utilizați acest rezistor ca rezistență de amplificare într-un circuit amplificator neinversor x10 cu 0,3V pe intrarea +. Cea mai defavorabilă modificare a ieșirii ar putea fi de până la 7,5 mV, ceea ce este echivalent cu aproximativ 5LSB-uri într-un circuit ADC de 5V pe 12-biți. Acest tip de schimbare poate fi destul de vizibilă în proiectele de precizie. Amintiți-vă, de asemenea, că TCR este cotat ca ±x ppm/C, așa că este posibil, deși puțin probabil, ca cel de-al doilea rezistor din circuit să se schimbe în direcția opusă, conducând la dublarea erori. În cele din urmă, merită remarcat că unele rezistoare de precizie indică TCR variabile pe intervalul de temperatură în care funcționează circuitul, iar acest lucru poate complica semnificativ procesul de proiectare.
Îmbătrânirea sau stabilitatea rezistorului
Îmbătrânirea și stabilitatea sunt un amalgam complex de modificări multiple ale unei valori de rezistență în timp și reprezintă rezultatul ciclului de temperatură, al funcționării la temperatură ridicată, al pătrunderii umidității și așa mai departe. De obicei, valoarea va duce la o creștere a rezistenței în timp, pe măsură ce atomii de conducție migrează în interiorul dispozitivului.
Rezistența termică
Rezistența termică reprezintă cât de bine poate un rezistor să disipe puterea în mediu. În practică, inginerii folosesc rezistența termică pentru a modela disiparea căldurii pentru un sistem – aceasta este gândită ca un set de „rezistoare termice” în serie, fiecare reprezentând un element de disipare a căldurii sistemului.
Acest lucru este important, în principal, dacă proiectarea presupune că rezistorul operează la sau aproape de valoarea sa maximă și poate afecta în mod semnificativ fiabilitatea pe termen lung a sistemului. Un exemplu de utilizare a acestui parametru este calcularea dimensiunii unei plăci PCB sau a cerinței planului de masă care ar fi utilizată pentru a menține valoarea rezistenței și temperatura de operare în limite acceptabile.
Evaluare termică și de putere
Toate rezistoarele vin cu o putere nominală maximă, specificată în wați. Într-o primă analiză, inginerul verifică dacă rezistorul funcționează în limitele valorii sale nominale. Ecuația de calcul este P = I² R, unde P este puterea disipată în rezistor, I este curentul și R este rezistența. Din păcate, lucrurile pot fi mai complicate decât atât; pentru o anumită aplicație, inginerul trebuie să țină cont de curba de reducere termică a rezistenței. Aceasta specifică valoarea cu care proiectantul trebuie să reducă puterea maximă disipată peste o anumită temperatură.
Acest lucru ar putea părea mai mult teoretic, deoarece fenomenul se simte de la temperaturi destul de ridicate, dar un circuit de alimentare într-o carcasă închisă într-o regiune călduroasă poate depăși adesea pragul superior și disiparea maximă a puterii va trebui redusă în mod corespunzător. De asemenea, merită să remarcăm că tensiunea maximă de operare a unui rezistor este redusă odată cu disiparea puterii.
Zgomotul rezistorului
Orice componentă electronică care are electroni în flux va fi o sursă de zgomot, iar rezistoarele nu sunt diferite în acest sens. În sistemele de amplificare cu câștig mare sau atunci când aveți de-a face cu semnale de foarte joasă tensiune, fenomenul trebuie luat în considerare.
Contribuția majoră la zgomotul dintr-un rezistor este zgomotul termic cauzat de fluctuația aleatorie a electronilor din materialul rezistiv. Este în general modelat ca zgomot alb (adică o tensiune RMS constantă în intervalul de frecvență) și este dat de ecuația E = √4RkT∆F, în care E este tensiunea de zgomot RMS, R este valoarea rezistenței, k este constanta Boltzmann, T este temperatura și ΔF este lățimea de bandă a sistemului.
Este posibil să se reducă zgomotul sistemului prin reducerea rezistenței, a temperaturii de funcționare sau a lățimii de bandă a sistemului. În plus, există un alt tip de zgomot de rezistență numit zgomot de curent, care este rezultatul fluxului de electroni în dispozitive. Este rar specificat, dar poate fi comparat dacă numerele standard care utilizează IEC60195 sunt disponibile de la producător.
Comportamentul la frecvență ridicată
Ultima provocare de luat în considerare este performanța la înaltă frecvență a unui anumit rezistor. În termeni simpli, puteți modela un rezistor ca inductor în serie, alimentând rezistorul care are un condensator parazit în paralel cu acesta.
La frecvențe de până la 100 Mhz (chiar și pentru rezistoarele cu montare pe suprafață, care au valori parazite mai mici decât componentele cu montare prin găuri) capacitatea paralelă poate începe să domine, iar impedanța va scădea sub valoarea nominală. La o frecvență mai mare, inductanța poate predomina, iar impedanța va începe să crească de la minimele sale și poate ajunge peste valoarea nominală.
Deși rândurile de față au acoperit mulți dintre parametrii importanți care pot fi întâlniți la proiectarea unui circuit în care se utilizează rezistoare, există și alții care pot să influențeze funcționarea și uneori nu ar trebui trecuți cu vederea. În multe cazuri, un rezistor standard de 1%, cu film metalic, 0,125 W va fi foarte bun pentru aplicație. Cu toate acestea, există multe produse pentru care ar fi necesară o apreciere mai detaliată a caracteristicilor rezistorului. Acestea includ modele de surse de alimentare, aplicații audio, design de înaltă frecvență și produse care trebuie să facă față temperaturilor ambientale ridicate. În aceste cazuri, o inspecție detaliată a specificațiilor și o atenție mărită la selectarea produsului va duce la un proiect mai fiabil și, eventual, va evita o reproiectare care necesită, din păcate, timp costisitor.
Aurocon COMPEC vă pune la dispoziție o gamă completă de rezistoare din toate categoriile menționate anterior. Pe lângă acestea, vă sunt oferite și elemente senzoriale (dintre care unele se bazează pe variația valorii rezistenței odată cu variația mărimii monitorizate). De asemenea, vă sunt oferite și toate accesoriile necesare, scule și dispozitive de măsurare. Pentru gamele complete de produse vă invităm să accesați ro.rsdelivers.com.
Autor: Bogdan Grămescu
Aurocon Compec
https://www.compec.ro
