Резистор: устройство, принцип работы, назначение

Параллельное и последовательное соединение резисторов, решение задач

Алгоритм расчёта смешанных подключений находится в тех же правилах, что и в элементарных схемах расчета последовательного и параллельного соединения резисторов. Ничего нового нет: нужно правильно разбить предложенную схему на пригодные для расчета участки. Участки, с элементами, подключены поочередно либо параллельно. Для решения задачи на последовательное и параллельное соединение резисторов необходимо правильно оценить цепи элементов. На схеме присутствует параллельная и последовательная часть соединения элементов

Для расчета очень важно аккуратно, шаг за шагом упрощать цепи и не брать сразу всю схему (рис.1). Как же правильно определить параллельное и последовательное соединение резисторов?

Будет интересно Что такое фоторезистор?

Для примера расчета возьмем резисторы R3, R4, которые подключены параллельно. Эквивалентный резистор этих элементов, будет равенRэ. = 1/R34 =1/R3 + 1/R4, после преобразования формулы и приведения к одному знаменателю получим R34 = R3 · R4 / (R3 + R4). Э. = 1/3+1/4 /(3+4) =1,7 Ом.

Далее видно, что приведённая эквивалентное R эк и R6 соединены последовательно, чтобы узнать сопротивление их необходимо сложить, тогда общее сопротивление будет равно R346 = R34 + R6, тогда Rэк346 = 1,7 + 6 = 7, 7 Ом.

Заменяем на схеме одним общим элементом, теперь, позиция упрощается еще больше. Теперь образовалась ситуация — включение трех элементов в //. Как вычисляется такое соединение нам уже известно, 1/ R23465 = 1/ R2 +1/R346 + 1/R5 после вычисления правой части получаем 0,82 Ом. После окончательного вычисления получаем R23465 = 2,1 Ом

Здесь следует обратить внимание, что общее сопротивление получилось меньше самого меньшего из трех. Заменяем эти сопротивление одним эквивалентным R23465

В конечном итоге все выглядит уже намного проще. Rц = Rэк + R1+ R2. R об. = R ц = 1,21 +7+1 =9,21 Ом.

Из приведенного алгоритма расчёта видно, как из сложной схемы путем простого математического вычисления и применения правил сокращения резисторов участок становится простой и понятной.

При параллельном соединении приемников, все они находятся под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из них не зависит от остальных. Это означает, что ток, проходящий по какому-либо из приемников, не будет оказывать существенного влияния на другие приемники. При всяком выключении или выходе из строя любого приемника остальные приемники остаются включенными.

Поэтому параллельное соединение имеет существенные преимущества перед последовательным, вследствие чего оно получило наиболее широкое распространение. В частности, электрические лампы и двигатели, предназначенные для работы при определенном (номинальном) напряжении, всегда включают параллельно. На электровозах постоянного тока и некоторых тепловозах тяговые двигатели в процессе регулирования скорости движения нужно включать под различные напряжения, поэтому они в процессе разгона переключаются с последовательного соединения на параллельное.

Возможно, вам будет проще, если знать, что соединив два одинаковых резистора параллельно, получим результат в два раза меньше. Например, соединив параллельно два резистора по 100 Ом получим составное сопротивление 50 Ом. Проверим? Считаем: 100*100 / (100+100) = 10000 / 200 = 50 Ом.

Давайте сначала рассчитаем параллельное соединение двух резисторов разного номинала и посмотрим что получится.

Соединили параллельно 150 Ом и 100 Ом. Считаем результирующее: 150*100 / (150+100) = 15000/250 = 60 Ом.
Если соединить 150 Ом и 50 Ом, получим: 150*50 / (150+50) = 7500 / 200 = 37,5 Ом.

Как видим, в обоих случаях результат оказывается меньше чем самый низкий номинал соединенных деталей. Этим и пользуются, если в наличии нет сопротивления небольшого номинала. Проблема только в том, что подбирать сложновато: надо каждый раз считать используя калькулятор.

Типы подключений.

Обозначения резисторов в схемах

Постоянные резисторы в электронных схемах обозначают прямоугольниками (отечественное обозначение) или ломаной линией (зарубежное обозначение).

Если придерживаться отечественного ГОСТ, то необходимо указывать еще и мощность резистора посредством черточек внутри прямоугольника.

Переменные и подстроечные резисторы обозначаются теми же прямоугольниками или ломаными линиями и стрелкой, символизирующей подвижный контакт.

Рядом с графическим изображением указывается значение сопротивления резистора и его порядковый номер в схеме.

Иногда указывается мощность резистора и его допустимое процентное отклонение сопротивления от номинала.

Величина сопротивления указывается в Омах, килоомах (кОм), мегомах (Мом).

Иногда в зарубежных схемах для обозначения Ом используется символ Ω (греческая буква «омега»).

Отметим, что в конструкторской документации в схемах зачастую указывают только порядковый номер резистора, а его номинал, отклонение, тип и другие данные сводят в отдельный документ.

Напомним, что о всех параметрах конкретного типа резистора можно почитать в соответствующем даташите (data sheet).

Примеры обозначений:

— 27 Ом, 27 Ohm, 27Ω, 27R, 27 – 27 Ом,

— 1,5 кОм, 1,5 к, 1,5 kOhm, 1,5 кΩ, 1k5 – 1,5 килоом,

— 3,3 Мом, 3,3 МOhm, 3,3 MΩ, 3M3, 3,3 – 3,3 мегом (мегаом)

Обратите внимание: если в обозначении стоит маленькая буква «м» – то это будут миллиомы, а не мегомы!

Если в обозначении стоит просто цифра без букв, то это могут быть и омы, и мегомы. В этом случае, если в цифре нет запятой – это будут омы, если есть – мегомы.

Что такое резистор

Наиболее простое определение выглядит так: резистор — это элемент электрической цепи, оказывающий сопротивление протекающему через него току. Название элемента происходит от латинского слова «resisto» — «сопротивляюсь», радиолюбители эту деталь часто так и называют — сопротивление.

Рассмотрим, что такое резисторы, для чего нужны резисторы. Ответы на эти вопросы подразумевают знакомство с физическим смыслом основных понятий электротехники.

Для разъяснения принципа работы резистора можно использовать аналогию с водопроводными трубами. Если каким-либо образом затруднить протекание воды в трубе (например, уменьшив ее диаметр), произойдет повышение внутреннего давления. Убирая преграду, мы снижаем давление. В электротехнике этому давлению соответствует напряжение — затрудняя протекание электрического тока, мы повышаем напряжение в цепи, снижая сопротивление, понижаем и напряжение.

Изменяя диаметр трубы, можно менять скорость потока воды, в электрических цепях путем изменения сопротивления можно регулировать силу тока. Величина сопротивления обратно пропорциональна проводимости элемента.

Свойства резистивных элементов можно использовать в следующих целях:

преобразование силы тока в напряжение и наоборот;
ограничение протекающего тока с получением его заданной величины;
создание делителей напряжения (например, в измерительных приборах);
решение других специальных задач (например, уменьшение радиопомех).

Пояснить, что такое резистор и для чего он нужен, можно на следующем примере. Свечение знакомого всем светодиода происходит при малой силе тока, но его собственное сопротивление настолько мало, что если светодиод поместить в цепь напрямую, то даже при напряжении 5 В текущий через него ток превысит допустимые параметры детали. От такой нагрузки светодиод сразу выйдет из строя. Поэтому в схему включают резистор, назначение которого в данном случае — ограничение тока заданным значением.

Все резистивные элементы относятся к пассивным компонентам электрических цепей, в отличие от активных они не отдают энергию в систему, а лишь потребляют ее.

Разобравшись, что такое резисторы, необходимо рассмотреть их виды, обозначение и маркировку.

Цветовая маркировка резисторов

Зачастую резисторы — очень небольшие по размерам элементы, на которые не нанесешь какие-либо надписи. Поэтому, наверное, изобрели цветовую маркировку. Ну, и еще, как вариант объяснения — цвета интернациональны. Так что нет необходимости думать о стране-производителе и держать в уме особенности. Если разберетесь в принципе, эта маркировка резисторов тоже не будет вас ставить в тупик.

Цветовая маркировка резисторов: количество полосок и значение их местоположения

Давайте разбираться что значат цветные полоски на корпусе резистора. Полосок может быть три, четыре, пять или шесть. Первые две-три — это значимые данные, то есть под цветами закодированы цифры. Именно по ним определяют номинал. После них идет полоска, по которой определяют множитель. Далее часто (но не всегда) следует разрыв — значительно большее расстояние чем было между кольцами до этого. Нанесенные после этого пустого промежутка полосы — это допуск и температурный коэффициент. Причем температурный коэффициент есть только при шестиэлементной цветовой кодировке, так как таким «широким» кодом шифруются только высокоточные элементы. В остальных он просто не указан. Вот и вся цветовая маркировка резисторов.

Чтобы определить номинал сопротивления, надо знать какая цифра соответствует каждому цвету. Если это значащие цифры, соответствие одинаковое. Оно представлено в таблице.

Что обозначают цветные кольца на резисторе

Отдельно только надо запомнить значение множителя и допуска, а также температурного коэффициента

Но два последних пункта, как правило, принимаются во внимание не всегда, так что достаточно запомнить только два столбца таблицы выше

Примеры чтения цветовых кодов на резисторах

Для примера возьмем несколько резисторов с цветной маркировкой.

Пример 1. На первом рисунке (см. ниже) — пять полосок, одна из них нанесена через отступ — это точно допуск. Цвет этого кольца — красный, что соответствует погрешности 1% от номинального значения. Рассматриваем остальные полосы — это значимые цифры и множитель. Смотрим по таблице:

первая — красная — 2
вторая — черная — 0
третья — черная — 0
четвертая — коричневая — множитель 10 Ом.

Итого получаем: 200 надо умножить на 10 Ом. Получается 2000 Ом или 2 кОм. Допуск определили раньше и он равен 2%.

Как расшифровывать полоски на резисторах

Пример 2. Вторая картинка содержит шесть полос. Первые четыре — это про номинал и множитель, пятая — допуск и шестая — температурный коэффициент сопротивления (насколько изменяется сопротивление при нагреве).

Разбираемся с номиналом:

первая — коричневая — 1;
вторая — черная — 0;
третья — черная — 0;
множитель — красная 100 Ом;

Получаем что 100 надо умножить на 100 Ом. Итого: 100*100 Ом = 10 000 Ом или 10 кОм.

Пример 3. Сразу приступим к определению номинала.

первая — красная — 2;
вторая — черная — 0;
третья — красная — множитель — 100 Ом.

Почему третью цифру определили как множитель? Потому что в маркировке две последние цифры (если их меньше шести) это множитель и допуск. В таком случае получаем: 20 * 100 Ом = 2000 Ом или 2 кОм. Допустимые отклонения номинала — желтая — 0,2%.

Еще два примера

Пример 4. Всего три полоски на резисторе. Так маркируются резисторы с возможными отклонениями от номинала до 20%. Все три полосы — на расшифровку номинала. Первые две — цифры, третья — множитель.

первая — красная — 2;
вторая — черная — 0;
третья — множитель — коричневая — 10 Ом.

Итого получаем номинал: 20 * 10 Ом = 200 Ом с допустимым отклонением 20%.

Проводники, полупроводники и диэлектрики

С точки зрения прохождения электрического тока (движения заряженных частиц) все вещества можно условно разделить на три большие группы — проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники — это вещества, которые, в первом приближении, хорошо проводят ток, полупроводники — это вещества, которые плохо проводят ток, диэлектрики — не проводят ток вообще. Класс вещества определяется степенью сопротивление электрическому току.

Степень сопротивления вещества определяется строением его молекул и наличием различного количества свободных заряженных частиц.

Меньше всего сопротивляются прохождению электрического тока проводники, больше всего — диэлектрики.

Большинство металлов и их сплавов являются проводниками.

Проводники используются для доставки электрической энергию от генератора к потребителю.

Чтобы энергия доходила без больших потерь, необходимо, чтобы проводники (провода и кабели) обладали низким сопротивлением. Лучшими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Полупроводники в чистом виде плохо проводят электрический ток.

Но при добавлении определенных веществ в них появляется избыток заряженных частиц того или иного знака (p – положительно заряженных частиц и n – отрицательно заряженных).

При соединении двух полупроводников различного знака получается такая фундаментальная вещь как p-n переход.

P-n переход является основой большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т.п.)

В компьютере присутствуют и проводники, и полупроводники, и диэлектрики.

Так, например, материнская плата вашего компьютера сделана из диэлектрического материала (стеклотекстолита), на поверхности которого расположены медные проводники, к которым припаяны различные детали.

Процессор вашего компьютера содержит в себе несколько миллионов полупроводниковых транзисторов.

Кроме того, на плате полно отдельных (дискретных) диодов, транзисторов, конденсаторов и резисторов.

На один меньше

Простые полупроводники американских производителей маркируются по системе JEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council) и имеют префикс, состоящий из цифры, за которой следует буква N . Цифра на единицу меньше количества выводов, которое имеет устройство, что на практике означает 1 — для диодов и стабилитронов (т.е. два вывода), «2» для обычных транзисторов и «3» или более для специальных устройств, таких как двухзатворные МОП-транзисторы и прочее.

Таким образом, 1N4148 является устройством, которое имеет два вывода, что обычно означает диод. Это на самом деле небольшой диод, но эта информация не отображается в маркировке типа JEDEC, которая получается менее информативна, чем европейская Pro Electron.

Сейчас не часто встречается маркировка японской системы JIS (Японские промышленные стандарты), но первая цифра в ней снова является числом, которое на один меньше, чем количество выводов у элемента. Затем следуют две буквы, которые идентифицируют общий тип устройства:

Маркировка	Тип устройства
SA	Высокочастотный PNP транзистор
SB	Высокочастотный NPN транзистор
SC	PNP транзистор для аудио
SD	NPN транзистор для аудио
SE	Диод
SJ	P-канальный полевой транзистор (в том числе и MOSFET)
SK	N-полевой транзистор (в том числе и MOSFET)
SR	Фильтр

Как нетрудно заметить, для обычных типов транзисторов первые две цифры всегда получаются «2S» и, возможно, они немного бесполезны, поэтому эти две цифры часто опускаются при маркировке элементов.

Цифро-буквенная маркировка

Стандартная таблица маркировки:

Маркировка помогает использовать треугольник мощности, который отлично подходит для расчета мощности, рассеиваемой в резисторе, если мы знаем значения напряжения на нем и тока, протекающего через него. Но мы также можем рассчитать мощность, рассеиваемую сопротивлением, используя закон Ома. Ряды резисторов невозможно было бы установить без таких рассчетов.

Закон Ома позволяет нам рассчитать рассеиваемую мощность с учетом значения сопротивления резистора. Используя закон Ома, можно получить два альтернативных варианта приведенного выше выражения для мощности резистора, если нам известны значения только двух, напряжения, тока или сопротивления, следующим образом:

Мощность = Вольт х Ампер

Мощность = ток 2 x Ом

Мощность = Вольт 2 ÷ Ом

Рассеивание электрической мощности любого резистора в цепи постоянного тока может быть рассчитано с использованием одной из следующих трех стандартных формул:

где:

V – напряжение на резисторе в вольтах
Я в ток, протекающий через резистор в амперах
R – сопротивление резистора в омах (Ом)

Поскольку номинальная мощность рассеиваемого резистора связана с его физическим размером, резистор 1/4 (0,250) Вт физически меньше, чем резистор 1 Вт, и резисторы с одинаковым омическим значением также доступны в различных номиналах мощности. Углеродные резисторы, например, обычно изготавливаются с номинальной мощностью 1/8 (0,125) Вт, 1/4 (0,250) Вт, 1/2 (0,5) Вт, 1 Вт и 2 Вт.

Вообще говоря, чем больше их физический размер, тем выше его номинальная мощность. Однако всегда лучше выбрать резистор определенного размера, который способен рассеивать в два или более раз больше расчетной мощности. Когда требуются резисторы с более высокой номинальной мощностью, резисторы с проволочной обмоткой обычно используются для отвода избыточного тепла.

Номиналы резисторов. Таблица:

Тип	Оценка мощности	Стабильность
Металлическая пленка	Очень низкий, менее 3 Вт	Высокий 1%
углерод	Низкая, менее 5 Вт	Низкий 20%
Проволочный	Высокая до 500 Вт	Высокий 1%

Типоразмеры SMD резисторов

В основном термин типоразмер включает в себя размер, форму и конфигурацию выводов (тип корпуса) какого-либо электронного компонента. Например, конфигурация обычной микросхемы, которая имеет плоский корпус с двусторонним расположением выводов (перпендикулярно плоскости основания), называется DIP.

Типоразмер SMD резисторов стандартизированы, и большинство производителей используют стандарт JEDEC. Размер SMD резисторов обозначается числовым кодом, например, 0603. Код содержит в себе информацию о длине и ширине резистора. Таким образом, в нашем примере код 0603 (в дюймах) длина корпуса составляет 0,060 дюйма, шириной 0,030 дюйма.

Такой же типоразмер резистора в метрической системе будет иметь код 1608 (в миллиметрах), соответственно длина равна 1,6 мм, ширина 0,8мм. Чтобы перевести размеры в миллиметры, достаточно размер в дюймах перемножить на 25,4.

Размеры SMD резисторов и их мощность

Размер резистора SMD зависит главным образом от необходимой мощности рассеивания. В следующей таблице перечислены размеры и технические характеристики наиболее часто используемых SMD резисторов.

Общие положения

В соответствии с ГОСТ 28883-90 и международным стандартом, сопротивление резисторов маркируется в виде цветных колец. Каждому цветному кольцу соответствует определенный цифровой код. Маркировка с тремя полосками используется для резисторов с точностью 20%, с четырьмя полосками – с точностью 5% и 10%, с пятью – с точностью до 0.005%. Шестая полоска на резистора показывает температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Цветная маркировка на резисторах сдвинута к одному из выводов и читается слева направо. Первая полоса при этом – ближайшая к выводу резистора. Если из-за малого размера резистора цветную маркировку нельзя сдвинуть к одному из выводов, то первый знак делается полосой с шириной приблизительно вдвое большей, чем остальные. Цветовая маркировка резисторов зарубежных производителей, которые имеют наибольшее распространение в нашей стране, состоит чаще всего из четырех цветовых колец. Сопротивление резистора определяют по первым трем кольцам. Первые два кольца – это цифры, а третье кольцо – множитель. Четвертое кольцо представляет допустимое отклонение сопротивления резистора от его номинального значения.

Цветовая маркировка резисторов с 3 полосами.

Сопротивление резистора с тремя полосами можно найти по формуле:

R=(10A+B)10C,

где R – сопротивление резистора, Ом; A – номер цвета первой полосы; B – номер цвета второй полосы; C – номер цвета третьей полосы.

Цветовая маркировка резисторов с 4 полосами.

Цвет первых двух полос означает первые цифры сопротивления. Третья полоса означает множитель в виде степени десяти, на который надо умножить число, состоящее из первых двух цифр. Четвертая полоса означает точность резистора в процентах. Она может быть серебристого или золотистого цвета, что значит допуск в 10% или 5% соответственно.

Сопротивление резистора с четырьмя полосами можно найти по формуле:

R=(10A+B)10C,

Цветовая маркировка резисторов с 5 полосами.

Цвет первых трех полос означает цифры сопротивления. Четвертая полоса означает множитель в виде степени десяти, на который надо умножить число, состоящее из первых трех цифр. Пятая полоса означает точность резистора в процентах.

Сопротивление резистора с пятью полосами можно найти по формуле:

R=(100A+10B+C)10D,

где R – сопротивление резистора, Ом; A – номер цвета первой полосы; B – номер цвета второй полосы; C – номер цвета третьей полосы; D – номер цвета четвертой полосы.

Цветовая маркировка резисторов с 6 полосами.

Сопротивление резистора с шестью полосами можно найти по формуле:

R=(100A+10B+C)10D,

Устройство и принцип работы

Конструкция постоянных резисторов довольно простая. Они состоят из керамической трубки, поверх которой намотана проволока или нанесена резистивная плёнка с определённым сопротивлением. На концы трубки вставлены металлические колпачки с припаянными выводами для поверхностного монтажа. Для защиты слоя используется лакокрасочное покрытие.

Устройство таких элементов можно понять из рисунка 2 ниже.

В большинстве моделей такая конструкция традиционно сохраняется, но сегодня существуют различные виды сопротивлений с использованием резистивного материала, устройство которых немного отличается от конструкции описанной выше.

Рис. 2. Строение резистора

Современную электронную аппаратуру наполняют платы, начинённые миниатюрными деталями. Поскольку тенденция к уменьшению размеров электронных приборов сохраняется, то требования к уменьшению габаритов коснулись и резисторов. Для этих целей идеально подходят непроволочные сопротивления. Они просты в изготовлении, а их номинальные мощности хорошо согласуются с параметрами маломощных цепей.

Казалось бы, что эра проволочных резисторов постепенно уходит в прошлое. Однако это не так. Спрос на проволочные сопротивления остаётся в тех сферах, где транзисторы с металлоплёночным или с композитным резистивным слоем не справляются с мощностями электрических цепей.

Для непроволочных резисторов используются следующие резистивные материалы:

Перечисленные вещества обладают высокими показателями удельного сопротивления. Это позволяет изготавливать электронные компоненты с очень маленькими корпусами, сохраняя при этом значения номинальных величин.

Размеры и формы корпусов, проволочных выводов современных резисторов соответствуют стандартам, разработанным для автоматической сборки печатных плат. С целью надёжного соединения выводов способом пайки, выводы деталей проходят процесс лужения.

Конструкция регулировочных (рис. 3) и подстроечных резисторов (рис.4) немного сложнее. Эти переменные транзисторы состоят из кольцевой резистивной пластины, по которой скользит бегунок. Перемещаясь по кругу, подвижный контакт изменяет расстояние между точками на резистивном слое, что приводит к изменению сопротивления.

Рис. 3. Регулировочные резисторы

Рис. 4. Подстроечные резисторы

Принцип действия.

Подбирая резисторы соответствующего номинала, можно изменять на участках цепей величины тока и напряжения. Например, увеличивая сопротивление последовательно включённого резистора на участке цепи, можно пропорционально уменьшить силу тока.

Условно резистор можно представить себе в виде узкого горлышка на участке трубки, по которой течёт некая жидкость (см. рис. 5). На выходе из горлышка давление будет ниже, чем на его входе. Примерно, то же самое происходит и с потоком заряженных частиц – чем больше сопротивление, тем слабее ток на выходе резистора.