И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Резистор как элемент схемы

Резистор — элемент схемы, вносящий в цепь определенное постоянное или переменное (регулируемое) сопротивление. Элементы с постоянным сопротивлением чаще всего изготавливают в виде проволочных и пленочных резисторов. Проволочные резисторы выполняют путем навивки провода с высоким сопротивлением на керамический корпус, а пленочные — посредством напыления соответствующих металлических сплавов на керамические столбики (цилиндрики) или трубки. Резистор (рис. 2.3) характеризуют в основном следующие параметры: сопротивление и его допуск; допустимая мощность (рассеяния).

Рис. 2.3. Графическое изображение постоянного (а) и переменного (б) резисторов

Основной единицей сопротивления является ом (Ом]. Часто используется в тысячу раз большая единица, называемая килоомом [кОм] и в миллион раз большая — мегом [МОм]. В электронике используют резисторы с сопротивлениями от нескольких ом до нескольких десятков мегом.

В СССР и ПНР в крупносерийном производстве находятся резисторы с допусками на номинальное значение ±30, ±20, ±10, ±5 % и менее. Для каждого допуска существует подобранный ряд номинальных сопротивлений. Так, для допуска ± 20 % выпускают резисторы с сопротивлениями 10, 15, 22, 33, 47, 68 Ом и сопротивлениями, полученными путем умножения этих номиналов на 0,1, 10, 100, 1000 и более. Для допусков ± 10 % ряд номинальных сопротивлений в 2 раза больше.

Аналогично стандартизованы номинальные значения максимально допустимой мощности резисторов, связанные с допустимой рабочей температурой. Различают резисторы, для которых максимальная выделяющаяся мощность при температуре окружающей среды 20 °C может иметь значения: 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 3 Вт и более. Выделяющаяся мощность в резисторе, работающем в цепи, рассматривается обычно по току, протекающему в ней (Р = I2R). В случае, если в цепи течет только переменный ток, учитывается его действующее значение, а при протекании постоянного и переменного тока значение тока, требующееся для определения мощности, выделяемой в резисторе в виде тепла, определяют с учетом постоянной составляющей тока и действующего значения переменной составляющей[5]. Допустимое значение тока при определенной мощности резистора при заданной температуре окружающей среды можно рассчитать по закону Ома.

Помимо резисторов с постоянным сопротивлением существуют переменные или регулируемые резисторы (потенциометры). Они допускают плавную регулировку сопротивления путем вращения оси, связанном с движком, скользящим по поверхности, покрытой резистивным слоем. Изменения сопротивления в зависимости от угла поворота могут происходить по линейному, логарифмическому или экспоненциальному закону. Переменные, так же как и постоянные, резисторы могут быть выполнены проволочными или пленочными.

Реальные резисторы помимо чисто активного сопротивления обладают также некоторой собственной емкостью и индуктивностью, которые образуют паразитные реактивности. Особенно это относится к проволочным элементам. Во многих случаях применения существование реактивностей крайне нежелательно.

Определение результирующего сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов поясняется на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Определение результирующего сопротивления при последовательном (а) и параллельном (б) соединении резисторов

Что можно сказать о конденсаторе как элементе цепи?

Конденсатор — это элемент, вносящий в цепь определенную постоянную или регулируемую емкость. Он состоит из двух проводящих обкладок, изолированных одна от другой диэлектриком.

В зависимости от конструкции и вида диэлектрика различают конденсаторы с воздушным зазором, бумажные, полистироловые, керамические, электролитические и т. п. Они имеют разные свойства и габаритные размеры, разное назначение и области применения. Конденсаторы (рис. 2.5) характеризуются в основном следующими параметрами: емкость и ее допуск, рабочее напряжение диапазон рабочих температур и температурный коэффициент емкости, потери и добротность.

Рис. 2.5. Графическое изображение постоянного (а), электролитического (б), переменного (в) и подстроечного (г) конденсаторов

Основная единица емкости — фарада [Ф]. Это очень большая емкость, и поэтому на практике обычно используют значительно меньшие единицы: 10-12 Ф, 1 пФ — пикофарада, 10-9 Ф — 1 нФ — нанофарада, 10-6 Ф, 1 мкФ — микрофарада.

В электронике применяют элементы с емкостями от нескольких пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Емкость конденсатора возрастает при увеличении площади обкладок и убывает при увеличении расстояния между ними. Увеличение площади обкладок приводит к свернутой или многослойной конструкции конденсатора.

При производстве конденсаторов применяются такие же допуски и ряды номинальных значений емкости, как для резисторов. Для электролитических конденсаторов используется укороченный ряд значений.

Конструкция конденсатора ограничивает рабочее напряжение поскольку при очень большом напряжении происходит пробой диэлектрика и конденсатор выходит из строя. Интервал рабочих напряжений конденсаторов обусловлен их назначением и конструкцией.

Так, электролитические конденсаторы с емкостью порядка сотен микрофарад, используемые в цепях питания постоянного тока, предназначены для работы при напряжениях в несколько десятков или даже сотен вольт.

Диапазон рабочих температур конденсатора зависит прежде всего от вида его диэлектрика. Изменение температуры влияет также на емкость конденсатора. Это очень важно, и поэтому выбор конденсатора часто определяется температурным коэффициентом емкости, который в зависимости от используемых материалов и технологий может иметь положительное или отрицательное значение. В цепях, где важен «результирующий» температурный коэффициент, температурный коэффициент конденсатора выбирается таким, чтобы изменения емкости в функции температуры компенсировали изменения индуктивности; благодаря этой компенсации сопротивление цепи RLC остается постоянным.

Помимо емкости конденсаторы обладают некоторой собственной индуктивностью и активным сопротивлением. Наличие последнего вызывает потери, связанные с преобразованием электрической энергии в тепловую. Потери энергии в конденсаторе характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ; величина, обратная этому коэффициенту, называется добротностью конденсатора.

Во многих применениях добротность является решающим фактором при выборе типа конденсатора. Помимо конденсаторов с постоянной емкостью существуют переменные (регулируемые) конденсаторы с плавной регулировкой емкости, обычно до нескольких десятков или сотен пикофарад. Они служат главным образом для перестройки резонансных контуров.

Определение результирующей емкости при последовательном и параллельном соединении конденсаторов поясняется на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Определение результирующей емкости при последовательном (а) и параллельном (б) соединении конденсаторов

Как рассчитывается реактивное сопротивление конденсатора?

Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле

Хс = 1/2πfС.

Если емкость выражается в фарадах, а частота в герцах, то реактивное сопротивление получается в омах. Результат в омах получается также при подстановке емкости в микрофарадах и частоты в мегагерцах. Для других единиц необходим пересчет. Например, для С = 100 нФ и f = 100 кГц следует его произвести по формуле

Хс = 1/6,28·(102·103)·(102·10-9) = 1/6.28·10-2 ~= 16 Ом.

Как маркируются резисторы и конденсаторы?

Существует два способа маркировки или обозначения на резисторах и конденсаторах их значений и допусков. Один из них — цветовой, второй — буквенно-цифровой.

В цветовом коде (табл. 2.4) используются четыре цветные полоски или точки. Цвета первой и второй полосок определяют первую и вторую цифры, а цвет третьей полоски — коэффициент кратности для величины, выраженной в омах или пикофарадах. Последняя полоска или точка определяет своим цветом допуск на эту величину.

На рис. 2.7 приведен пример обозначения резисторов.

Рис. 2.7. Пример цветового обозначения резистора с сопротивлением 22кОм±10 %