Движение электронов по проводнику встречает определённое препятствие. Оно зависит от удельного сопротивления материала (ρ), из которого изготовлен проводник, его длины (L) и площади поперечного сечения (S). Эта физическая характеристика была использована для создания резистора. С его помощью выполняются регулирование и распределение тока на различных участках электрических и электронных схем. Среди других пассивных элементов этот выделяется тем, что на нём происходят падение напряжения и преобразование энергии электричества в энергию тепла, которое рассеивается.
Формула сопротивления проводника
Виды резисторов
Резистор – инертный (пассивный) элемент цепи, у которого сопротивление может быть как постоянным, так и переменным. Это зависит от его конструкции. Он применяется для регулирования силы тока и напряжения в цепях, рассеивания мощности и иных ограничений. Дословный перевод с английского слова «резистор» – сопротивляюсь.
Общий вид элементов
Классификацию резисторов можно провести по следующим критериям:
- назначение элемента;
- тип изменения сопротивления;
- материал изготовления;
- вид проводника в элементе;
- ВАХ – вольт-амперная характеристика;
- способ монтажа.
Устройства делятся на элементы общего и специального назначения. У специальных деталей повышенные характеристики сопротивления, частоты, рабочего напряжения или особые требования к точности.
Тип изменения сопротивления делит их на постоянные и переменные. Переменные резисторы конструктивно отличаются не только от элементов, имеющих постоянное сопротивление, но и между собой. Они различны по конструкции: бывают регулировочные и подстроечные.
Регулировочные элементы переменного типа предназначены для частого изменения сопротивления. Это входит в процесс работы схемы устройства.
Подстроечный тип предназначен для того, чтобы выполнить подстройку и регулировку схемы при первичном запуске. После этого изменение положения регулятора не выполняют.
При изготовлении резистивных тел (рабочей поверхности) используются такие материалы, как:
- графитовые смеси;
- металлопленочные (окисные) ленты;
- проволока;
- композиционные компоненты.
Особое место занимают в этом ряду интегральные элементы. Это резисторы, выполненные в виде p-n перехода, который представляет собой зигзагообразный канал, интегрируемый в кристалл микросхемы.
Внимание! Интегральные элементы всегда отличаются повышенной нелинейностью своей ВАХ. Поэтому они применяются там, где использование других типов не представляется возможным.
Вид вольт-амперной характеристики делит рассматриваемые элементы на линейные и нелинейные. Особенность нелинейности заключается в том, что компонент меняет своё сопротивление в зависимости от следующих характеристик:
- напряжения (варисторы);
- температуры (терморезисторы);
- уровня магнитного поля (магниторезисторы);
- величины освещённости (фоторезисторы);
- коэффициента деформации (тензорезисторы).
Нелинейность вольт-амперной характеристики расширило возможности их применения.
Способ монтажа может быть:
- печатным;
- навесным;
- интегрированным.
При печатном монтаже выводы детали вставляются в отверстие на плате, после чего припаиваются к контактной дорожке панели. Такой способ установки автоматизирован, и пайка происходит путём погружения контактных площадок в ванну с припоем.
Навесной монтаж, в большинстве своём, ручной. Выводы соединяемых деталей сначала скручиваются между собой, потом спаиваются для улучшения контакта. Сама пайка не предназначена для выдерживания механических нагрузок.
Интегрированный монтаж проводится в процессе изготовления кристаллов микросхем.
Параметры резисторного элемента
Сопротивление тока: формула
При нанесении на схемы графического обозначения элемента сопротивления на нём указывается некоторые из его параметров.
Графическое обозначение резистора на схемах
К главным параметрам и элементарным характеристикам относятся:
- номинальное значение сопротивления;
- температурный коэффициент;
- максимальная рассеиваемая мощность;
- допустимое рабочее напряжение;
- коэффициент шума;
- относительное отклонение от номинала;
- устойчивость элемента к высокой температуре и влажности.
На чертежах и схемах резистор обозначается буквой R, с нанесением его порядкового номера.
Обозначение резисторов на принципиальных схемах.
На принципиальных схемах постоянные резисторы, независимо от их типа, изображают в виде прямоугольника
, а выводы резистора изображают в виде линий, проведенных от боковых сторон прямоугольника. Такое обозначение принято повсеместно, однако в некоторых зарубежных схемах используется обозначение резистора в форме зубчатой линии (пилы).
Рядом с условным обозначением ставят латинскую букву «R
» и порядковый номер резистора в схеме, а также указывают его номинальное сопротивление в единицах измерения Ом, кОм, МОм.
Значение сопротивления от 0 до 999 Ом обозначают в омах
, но единицу измерения не ставят:
15
— 15 Ом
680
– 680 Ом
920
— 920 Ом
На некоторых зарубежных схемах для обозначения Ом ставят букву R
:
1R3
— 1,3 Ом
33R
– 33 Ом
470R
— 470 Ом
Значение сопротивления от 1 до 999 кОм обозначают в килоомах
с добавлением буквы «
к
»:
1,2к
— 1,2 кОм
10к
— 10 кОм
560к
— 560 кОм
Значение сопротивления от 1000 кОм и больше обозначают в единицах мегаом
с добавлением буквы «
М
»:
1М
— 1 МОм
3,3М
— 3,3 МОм
56М
— 56 МОм
Резистор применяют согласно мощности, на которую он рассчитан, и которую может выдержать без риска быть испорченным при прохождении через него электрического тока. Поэтому на схемах внутри прямоугольника прописывают условные обозначения, указывающие мощность резистора: двойной косой чертой обозначают мощность 0,125 Вт; прямой чертой, расположенной вдоль значка резистора, обозначают мощность 0,5 Вт; римскими цифрами обозначается мощность от 1 Вт и выше.
Расчет резисторов
Для подбора и установки элементов в схему необходимо предварительно рассчитать номинал и мощность компонентов.
Формула для расчета сопротивления и мощности
Внутреннее сопротивление — формула
Используют Закон Ома для участка цепи, чтобы вычислить сопротивление резистора, формула имеет вид:
R = U/I,
где:
- U – напряжение на выводах элемента, В;
- I – сила тока на участке цепи, А.
Эта формула применима для токов постоянного направления. В случае расчётов для переменного тока берут в расчёт импеданс цепи Rz.
Важно! Строение схем не ограничивается установкой только одного резистора. Обычно их множество, соединены они между собой параллельно и последовательно. Для нахождения общего показателя применяют отдельные методы и формулы.
Последовательное соединение
При таком соединении «выход» одного элемента соединяется с «входом» другого, они идут последовательно друг за другом. Как рассчитать резистор в этом случае? Можно использовать электронный онлайн-калькулятор, можно применить формулу.
Общее значение будет составлять сумму сопротивлений компонентов, входящих в последовательное соединение:
R123 = R1+R2+R3.
На каждом из них произойдёт одинаковое падение напряжения: U1, U2, U3.
Параллельное соединение
При выполнении данного вида соединения одноимённые выводы соединяются попарно, формула имеет вид:
R = (R1 x R2)/ (R1 + R2).
Обычно полученное значение R бывает меньше меньшего из всех значений соединённых элементов.
Последовательное и параллельное соединения
Информация. На практике параллельное или последовательное присоединение применяют, когда нет детали необходимого номинала. Элементы для таких случаев подбирают одинаковой мощности и одного типа, чтобы не получить слабого звена.
Смешанное соединение
Рассчитывать общее сопротивление смешанных соединений возможно, применяя правило объединения. Сначала выбирают все параллельные и последовательные присоединения и составляют эквивалентные схемы замещения. Их начинают рассчитывать, используя формулы для каждого случая. Из полученной более простой схемы вновь выделяют параллельные и последовательные звенья и опять производят расчёты. Делают это до тех пор, пока не получат самое элементарное соединение или один эквивалентный элемент. Вычисленный результат будет являться искомым.
Метод расчёта при смешанном соединении
Мощность
Одного поиска значения сопротивления недостаточно для того, чтобы применить деталь. Необходимо узнать, на какую мощность должен быть рассчитан элемент. В противном случае он будет перегреваться и выйдет из строя. Мощные детали при поверхностном монтаже лучше устанавливать на радиатор.
Расчет мощности резистора выполняется по формуле:
Р = I² * R = U²/R,
где:
- Р – мощность, Вт;
- I – ток, А;
- U – напряжение, В;
- R – сопротивление, Ом.
После определения мощности резисторов по формуле подбирают комплектующие, исходя из графического обозначения на схемах.
Основные обозначения мощности резисторов
Схема соединения
Чтобы рассмотрение схемы не вызывало особых затруднений, лучше делать это на примере. Поэтому поговорим о том, как выглядит схема соединения, которая характерна для обычного громкоговорителя.
Такая конструкция обычно оснащена усилителем мощности. И эта особенность напрямую влияет на то, как нужно выполнять подключение.
Ведь в таком случае следует выполнить подключение не сразу двух динамиков, а лишь одного.
Важно! Если используется последовательный тип соединения, то одинаковый ток обязательно будет протекать сразу по двум устройствам.
Делитель напряжения
Наиболее применяемые готовые блоки питания рассчитаны на выходные напряжения: 9, 12 или 24 вольта. В то же время большинство электронных схем и устройств использует напряжение питания в интервале от 3 до 5 В. В этом случае возникает потребность снизить величину Uпит до необходимого значения. Сделать это можно, используя делитель напряжения, который имеет много вариантов исполнения. Самый простой – делитель на резисторах.
Схема делителя, выполненного на резисторах
Мощность резистора
Подобные делители напряжения применяются исключительно в маломощных контурах. Это обусловлено их низким КПД. Часть мощности блока питания рассеивается на делителе, превращаясь в тепло. Эти потери тем больше, чем больше нужно уменьшить исходное напряжение. Подключение нагрузки параллельно одному плечу требует того, чтобы Rн было намного больше резистора, установленного в этом плече. Иначе делитель будет выдавать нестабильное питание.
При такой схеме напряжение по плечам делителя распределяется согласно полученным соотношениям между R1 и R2. Величина сопротивлений при этом роли не играет. Но следует помнить, что при низких значениях R1 и R2 увеличивается и мощность на нагрузке, и величина потерь на нагревание элементов.
Внимание! Перед тем, как вычислять точные параметры, нужно помнить, как подобрать резисторы. При их равном значении напряжение на выходе делится пополам. Если равенство не соблюдается, снимать поделенное напряжение нужно с элемента, имеющего больший номинал.
Пример схемы делителей на резисторах с малыми и большими значениями
Ток, протекающий в цепи параллельно соединенных резисторах
В ходе рассмотрения соответствующих участков разветвленных схем необходимо помнить о равенстве токов на входе и выходе из каждого узла, а также до и после группы из параллельных резисторов. Это правило поможет проверить правильность расчетов. Если отмеченное соответствие не соблюдено, устраняют ошибку вычислений.
С применением рассмотренных выше исходных данных для двух сложных схем можно сделать расчет для каждой отдельной ветки.
Пример 1:
- общий ток в цепи составляет 0,8 А;
- распределение напряжений на отдельных участках несложно определить по рассчитанным эквивалентным сопротивлениям: U12 = I * Rэкв1 = 0,8 * (2*4)/ (2 4) = 0,8 * 1,3 = 1,04 V;
- по стандартному алгоритму вычисляют значения токов: I1 = U12/R1 = 0,52 А, I2 = U12/R2 = 0,26 А;
- суммированием проверяют корректность вычислений: I = I1 I2 = 0,52 0,26 ≈ 0,8 А.
Пример 2 (смешанный способ соединения резисторов):
- ток в этом варианте – 1,2 А;
- напряжение на участке с группой параллельных резисторов составляет Uав = I * Rэкв(12345) = 1,2*2,5 =3V;
- по аналогии с предыдущим примером несложно вычислить ток в каждой отдельной ветке: I12 = Uав/(R1 R2) = 3/ (15 5) = 0,15 А;
- I3 = Uав/ R3 = 3/ 5 = 0,6 А;
- I4 = Uав/ R4 = 3/ 10 = 0,3 А;
- I5 = Uав/ R5 = 3/20 = 0,15 А;
- по правилу равенства токов на входе и выходе из узла проверяют правильность сделанных расчетов: I = I12 I3 I4 I5 = 0,15 0,6 0,3 0,15 = 1,2 А.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: Наполнители для торфяных туалетов: сравнительный обзор лучших
P = I2 *R = U2/ R.
К сведению. Конструкция каждого элемента рассчитана на определенный рабочий температурный диапазон. Превышение порога способно разрушить деталь, место пайки, соседние компоненты. Следует не забывать об одновременном существенном изменении сопротивления, которое способно нарушить функциональное состояние электрической схемы.
Для расчета выбирают подходящую формулу с учетом известных исходных параметров (данные из примера 2 в предыдущем разделе):
- ток – 1,2 А;
- на сопротивлении R6=7,5 Ом мощность рассеивания составит: P6 = I2 *R = 1,44 * 7,5 = 10,8 Вт;
- найти такой резистор сложно, так как в стандартном ряду предлагаются номиналы от 0,05 до 5Вт;
- в другой цепи (R5=20 Ом) расчетный ток составит 0,15 А, поэтому P5= 0,0225 * 20 = 0,45 Вт;
- в этом случае можно выбрать изделие с подходящей мощностью рассеивания в стандартной номенклатуре 0,5 Вт (специалисты рекомендуют делать 1,52 кратный запас, поэтому лучше использовать резистор на 1 Вт).
Стандартные обозначения на электрических схемах и типовые номиналы по мощности
К сведению. При выборе резисторов следует учитывать класс изделия по точности электрического сопротивления. В серийных деталях допустимы отклонения 5-20%.
Выбирают подходящий вариант (комбинацию) с учетом имеющихся исходных данных. Следует помнить о едином напряжении на входе и выходе и разных токах в отдельных ветках. Технология вычислений рассмотрена в предыдущих разделах.
Общий ток I протекающий в цепи параллельных резисторов равняется сумме отдельных токов, протекающих во всех параллельных ветвях, причем ток в отдельно взятой ветви не обязательно должен быть равен току в соседних ветвях.
Несмотря на параллельное соединение, к каждому резистору приложено одно и то же напряжение. А поскольку величина сопротивлений в параллельной цепи может быть разной, то и величина протекающего тока через каждый резистор тоже будет отличаться (по определению закона Ома).
Рассмотрим это на примере двух параллельно соединенных резисторов. Ток, который течет через каждый из резисторов ( I1 и I2 ) будет отличаться друг от друга поскольку сопротивления резисторов R1 и R2 не равны.Однако мы знаем, что ток, который поступает в цепь в точке «А» должен выйти из цепи в точке «B» .
I = I1 I2
Ток, протекающий в R1 = U ÷ R1 = 12 ÷ 22 кОм = 0,545 мА
Ток, протекающий в R 2 = U ÷ R2 = 12 ÷ 47 кОм = 0,255 мА
I = 0,545 мА 0,255 мА = 0,8 мА
I = U ÷ R = 12 В ÷ 15 кОм = 0,8 мА (то же самое)
где 15кОм — это общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов (22 кОм и 47 кОм)
И в завершении хочется отметить, что большинство современных резисторов маркируются цветными полосками и назначение ее можно узнать здесь.
Зависимость сопротивления от температуры
Использование резисторов, как термометров, обусловлено почти линейной зависимостью их сопротивления от температуры. Это касается тех резисторов, у которых в качестве резистивного материала используется проволока или металл. Формула зависимости:
R = R0+α(t-t0),
- α – температурный коэффициент, К-1;
- R0 – сопротивление проводника при 00К;
- t0 – температура проводника при 00К.
Речь идёт о значении температуры в Кельвинах. При температурах, приближающихся к нулю по Кельвину (-273°С), у множества металлов при охлаждении R скачком падает до нулевой отметки. В этом случае можно говорить о сверхпроводимости.
Интересно. Металлы, имеющие хорошую проводимость при нормальной температуре, могут не быть сверхпроводниками при критической отметки этой физической величины. Сверхпроводники в нормальном состоянии имеют сопротивление большее, чем традиционные тоководы: медные, серебряные или золотые.
При нагревании проводников изменение сопротивления происходит в основном за счёт изменения его удельного значения и имеет линейную зависимость.
Цветовая маркировка резисторов с проволочными выводами
Для резисторов применяют цветовую кодировку, которая наносится 3, 4, 5, 6 цветовыми кольцами. Если кольца смещены к одному из выводов, то первым (с него и начинается расшифровка кода) считается кольцо, находящееся к выводу ближе всего. Если кольца расположены приблизительно равномерно, то следует помнить, что первое кольцо не делают серебристым или золотистым. В некоторых моделях чтение кода начинают с той стороны, где находятся парные кольца, отдельно стоящее кольцо обычно находится в конце шифра.
Таблица расшифровки цветовых колец
| Цвет | Число | Десятичный множитель | Класс точности, % | Температурный коэффициент сопротивления | % отказов |
| Черный | 0 | 1*100 | — | — | — |
| Коричневый | 1 | 1*101 | 1 | 100 | 1 |
| Красный | 2 | 1*102 | 2 | 50 | 0,1 |
| Оранжевый | 3 | 1*103 | — | 15 | 0,01 |
| Желтый | 4 | 1*104 | — | 25 | 0,001 |
| Зеленый | 5 | 1*105 | 0,5 | — | — |
| Синий | 6 | 1*106 | 0,25 | 10 | — |
| Фиолетовый | 7 | 1*107 | 0,1 | 5 | — |
| Серый | 8 | 1*108 | 0,05 | — | — |
| Белый | 9 | 1*109 | — | 1 | — |
| Серебристый | — | 1*10-2 | 10 | — | — |
| Золотой | — | 1*10-1 | 5 | — | — |
В четырехполосном коде первые две полосы означают два знака номинала, третья полоска – это десятичный множитель, то есть это степень, в которую нужно возвести число, обозначающее номинал. Четвертая полоска указывает класс точности элемента. В пятиполосном шифре третья полоса обозначает знак номинала, четвертая – десятичный множитель, а пятая – класс точности. Если присутствует шестая полоса, то она обозначает температурный коэффициент. Если же это кольцо шире остальных в полтора раза, то оно характеризует процент отказов.
В расшифровке кодов проволочных резисторов помогут удобные онлайн-программы. Тем более имеет смысл к ним обратиться при расшифровке кода SMD-резистора, поскольку существует несколько вариантов маркировок, с которыми самостоятельно разобраться будет очень непросто.
Величина напряжения, обеспеченная резисторным элементом
Идеальный элемент, который превращает электричество в другой вид энергии, называют резистивным. Электроэнергия может преобразовываться в световую, тепловую или механическую виды. Величина напряжения на таком элементе зависит от разности потенциалов на концах резистора. Это значит, чем больше значение его сопротивления, тем больше значение напряжения на нём.
Изменение такой характеристики резистора, как сопротивление, позволяет реализовывать схематические решения в разных отраслях радиотехники и электроники. При выборе элементов следует учитывать удельное значение этой величины и изменение вольт-амперной характеристики при разных режимах работы.
Видео
Кофе капсульный Nescafe Dolce Gusto Капучино, 3 упаковки по 16 капсул
1305 ₽ Подробнее
Кофе в капсулах Nescafe Dolce Gusto Cappuccino, 8 порций (16 капсул)
435 ₽ Подробнее
Смартфоны Xiaomi Mi
