Благодаря постоянности взаимоотношения между напряжением, силой тока и сопротивлением мы можем управлять любой из этих величин, зная другие две. Пожалуй, проще всего управлять сопротивлением цепи. Это можно делать, меняя материал, размер и форму проводниковых компонентов (помните, как тонкая металлическая нить лампы накаливания дала больше сопротивления, чем толстая?).
Что такое резистор?
Резисторы – это специальные компоненты, подключаемые к цепи и созданные с целью создать в участке, куда их подключают, нужное сопротивление. Они обычно создаются из металлического провода или графита, чтобы поддерживать стабильное напряжение в широком диапазоне внешних условий. В отличие от ламп, они не генерируют свет, но производят тепло из-за того, что рассеивают в рабочей цепи электрическую мощность. Но цель резистора – это, как правило, не генерирование тепла, а добавление в цепь необходимого сопротивления.
Обозначения и символы сопротивления в схемах
Самый распространенный символ резистора в схемах – это зигзаг:
Само значение сопротивления (в омах) обычно указывается рядом в виде числа, и если в цепи находится несколько резисторов, каждому из них будет дан уникальный идентификатор вроде R1, R2, R3 и т.д. Как видите, знак резистора может быть показан и горизонтально, и вертикально:
Но в реальности резисторы не выглядят как зигзаги. Они, скорее, похожи на трубочки или маленькие цилиндры, с двух сторон которых идут провода для подключения к цепи. На фото ниже – несколько разных видов резисторов:
Есть еще один символ резистора, который больше похож на то, что они из себя представляют на самом деле – маленький прямоугольник:
Кроме того, на схеме можно изобразить резистор не только с постоянным, но и с регулируемым сопротивлением. Это может быть физическое устройство, созданное специально для того, чтобы менять сопротивление в цепи, или же это просто может быть компонент с нестабильным сопротивлением.
По сути, всякий раз, когда вы видите компонент, «перечёркнутый» диагональной стрелкой, то у него не фиксированное, а переменное значение. Это стандартный символ переменного значения в электрических схемах.
Регулируемые резисторы
У регулируемых резисторов есть механическое средство для изменения сопротивления – это либо вращающийся вал, либо рычажок, который можно двигать и тем самым менять электрическое сопротивление. На фото ниже – несколько устройств, именуемых «потенциометрами», и их можно использовать в качестве регулируемых резисторов:
Мощность резисторов
Когда через резисторы проходит электроток, преодолевая «трение» их сопротивления, они рассеивают тепловую энергию, и поэтому одной из характеристик резисторов является то, сколько энергии они могут рассеять до того, как перегреются и повредятся. Естественно, эта величина указывается в ваттах. Мощность большинства резисторов, установленных в маленькие электронные устройства вроде портативных радиоприёмников, составляет 0.25 Ватт и меньше. Мощностьрезистора примерно соответствует его размеру. Это видно по фото выше – чем больше резистор, тем выше высвобождаемая им мощность. Также обратите внимание, что сопротивление (в омах) от размера никак не зависит. Вам наверно сейчас кажется, что устройство, которое лишь добавляет в цепь сопротивление, бессмысленно, но на самом деле польза резисторов неоценима. Поскольку это простые и распространённые в мире электроники устройства, мы немало времени проведём, анализируя цепи, состоящие из одних лишь резисторов и батарей.
В чём польза резисторов?
Чтобы продемонстрировать пользу резисторов на практике, изучите фото ниже. На ней изображена печатная плата – эдакий «бутерброд» из нескольких слоёв изоляционного материала и медных проводниковых полосок, куда можно вставить и закрепить компоненты при помощи низкотемпературного процесса плавления, называемого «пайкой». На плате есть надписи – ими помечены различные компоненты платы. В частности, резисторы помечаются надписями, в начале которых стоит буква «R».
Конкретно эта плата является компьютерным устройством, известным как «модем», который позволяет передавать цифровую информацию по телефонным линиям. На этой плате установлено не менее дюжины резисторов (мощностью 0.25 Ватт). Кроме того, каждый чёрный треугольник (их также называют «интегральными микросхемами» или «чипами») на ней оснащён собственными резисторами, необходимыми для его внутренних задач. На плате ниже резисторы установлены в еще более маленькие устройства, которые называются «компонентами поверхностного монтажа». Конкретно эта плата стоит в нижней части компьютерного жёсткого диска и, опять же, здешние резисторы можно найти по надписям с буквой «R»:
На этой печатной плате установлено более сотни резисторов поверхностного монтажа, и в это число, разумеется, не входит огромное количество резисторов, установленных в чёрные «чипы». Две этих фотографии призваны убедить вас, что резисторы – устройства, которые «всего лишь» препятствуют перемещению электротока – это очень важные компоненты в мире электроники!
«Нагрузка» в схемах
Кроме того, в схемах символ резистора иногда используется, чтобы изобразить какое-либо стандартное устройство, выполняющее с помощью электричества какую-то полезную работу. Это не указанное конкретно электрическое устройство обычно называют «нагрузкой». Поэтому если вы увидите в схеме символ резистора, помеченный как «нагрузка» (особенно в обучающих схемах, где объясняются концепты, не имеющие отношения к практическому применению), то он может быть просто условным обозначением чего-то более серьёзного и навороченного, чем обычный резистор.
Анализ схем с резисторами
Чтобы суммировать всё, чему мы научились в этой главе, давайте проанализируем цепь ниже и воспользуемся известными данными, чтобы узнать неизвестные:
На данный момент нам известны только напряжение батареи (10 Вольт) и сила тока цепи (2 Ампера). Мы не знаем ни сопротивлениерезистора в омах, ни высвобождаемой мощности в ваттах. Порыскав в многочисленных формулах закона Ома, мы находим две, которые помогут нам найти искомые величины на основе уже известных напряжения (E) и силы тока (I):
Таким образом, имея 10 Вольт и 2 Ампера, мы получаем сопротивление в 5 Ом. То есть, создавая цепь, которая будет работать с этими величинами, мы должны будем воспользоваться резистором мощностью не менее 20 Ватт. В противном случае он перегреется и сломается.
Виды резисторов (из чего делают резисторы)
Резисторы делают из самых разных материалов – у каждого из них свои свойства и области применения. Большинство инженеров-электриков используют вот такие:
Проволочные резисторы (ПР)
Эти резисторы создаются путём спиральной обмотки провода с высоким сопротивлением вокруг не проводящей ток сердцевины. Они используются, как правило, в ситуациях, когда нужна высокая точность и большая мощность. Сердцевина, как правило, сделана из керамики или стеклопластика, а провод – из хромоникелевого сплава и не подходит для ситуаций, когда частота тока превышает 50 кГц. Проволочные резисторы славятся низким шумом, стабильностью и устойчивостью к изменениям температуры. Сопротивление таких резисторов составляет от 0.1 до 100 кОм, а допуск – между 0.1% и 20%.
Металлоплёночные резисторы (МР)
В этих резисторах используется, как правило, нихром или нитрид тантала. Резистивный материал обычно делается из смеси керамического материала и металла. Вариативность сопротивления задается при помощи спиральных надрезов на плёнке, выполняемых (как и при изготовлении углеродных плёночных резисторов) с помощью лазерной или алмазной резки. Металлоплёночные резисторы, как правило, имеют более слабую, чем проволочные резисторы, температурную устойчивость, но лучше справляются с высокими частотами.
Эти резисторы были разработаны в 60-ых и по-прежнему остаются одними из самых точных и стабильных резисторов. Они используются в ситуациях, когда требуется высокая точность. Резистивный компонент в них – это керамический субстрат, в который вклеена толстая металлическая фольга. Они имеют очень низкую температурную устойчивость.
Углеродные композиционные резисторы (УКР)
До 60-ых годов эти резисторы были стандартными резисторами почти везде. Они надёжные, но не очень точные (их допуск не падает ниже 5%). Их резистивный компонент создается из смеси углеродных частиц и не проводящего ток керамического материала. Вся эта субстанция отформовывается в цилиндр, а затем спекается. В итоге значение сопротивления определяется размерами резистора и соотношением углерода/керамики. Чем больше углерода, тем меньше сопротивление. Этот тип резисторов по-прежнему применим в некоторых ситуациях, т.к. они способны выдерживать высокие частоты (например, в энергообеспечении).
Ниже показаны KPI для каждого из этих типов резисторов:
Характеристика
МПР
МПР(толстая плёнка)
МПР (прецезиозн.)
УКР
УПР
Темп. диапазон
-55 / +125
-55 / +130
-55 / +155
-40 / +105
-55 / +155
Макс. ТКС
100
100
15
1200
250-1000
Макс. напряжение
200-350
250
200
350-500
350-500
Шум (мкВ/В приложенного напряжения)
0.5
0.1
0.1
4
5
Сопротивление изоляции
10000
10000
10000
10000
10000
Тест пайкой (изменение сопротивления в %)
0.2%
0.15%
0.02%
2%
0.5%
Тест влажным теплом (изменение сопротивления в %)
0.5%
1%
0.5%
15%
3.5%
Тест хранением (изменение сопротивления в %)
0.1%
0.1%
0.0%
5%
2%
Тест работой на пределе (изменение сопротивления в %)
1%
1%
0.03%
10%
4%
Итого
Устройства, называемые резисторами, созданы для того, чтобы добавлять в цепь нужное сопротивление. Характеристиками для резисторов является не только само сопротивление (оно выражается в омах), но и их способность рассеивать энергию (в ваттах).
Значение сопротивлениярезистора нельзя определить по его размерам, а мощность – можно. Чем больше резистор, тем больше мощности он может рассеять, не получая повреждений.
Любое устройство, выполняющее при помощи электроэнергии полезную задачу, как правило, называется «нагрузкой». Иногда знаком резистора на схеме обозначается именно такое устройство, а не, собственно, сам резистор.
