Переменный не проволочный резистор

Федеральное агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

  Кафедра физической электроники  (ФЭ)

НЕПРОВОЛОЧНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ РЕЗИСТОР

Курсовая работа

по дисциплине «Материалы и элементы

электронной техники»

2012

Федеральное агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

Студенту   Усольцеву Сергею Сергеевичу

группы 310 факультета электронной техники

Тема: Непроволочный  переменный резистор

Исходные  данные: 1.  Номинальное сопротивление резистора 0-140 кОм

   2.  ТКС<0.001 К^-1

   3.  Мощность рассеяния 0.1 Вт

Перечень  вопросов, подлежащих разработке:

1. Материалы для переменных резисторов и технология их получения.
2. Электрические свойства материалов.
3. Выбор материала резистивного элемента и размеров резистора.
4. Выбор материала и конструкции подвижного контакта.
5. Проверочный расчет.

Дата выдачи задания __________ 2012г. Руководитель Битнер Л.Р.

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ          2

ВВЕДЕНИЕ         4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЗИСТОРАХ      5

1.1 Основные понятия       5

1.2 Основные параметры      6

1.3 Область применения      8

1.4 Классификация и типы      8

1.5 Характеристики переменных резисторов   12

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТРОВ  14 

2.1 Резистивные материалы      14

2.2 Материалы подвижного контакта    15

3. РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА        20

3.1 Выбор и расчет резистивного  материала   20

3.2 Расчет и выбор контактного  материала   21

3.3 Расчет размеров корпуса      21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ         23

СПИСОК  ИЗПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ   24

ВВЕДЕНИЕ

Все электронные компоненты делятся  на два класса активные и пассивные. Резисторы относятся к классу пассивных элементов, так же к  наиболее распространенным деталям  радиоэлектронной аппаратуры. Принцип  работы резисторов основан на использовании  свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Функция резисторов - регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О Резисторах

1.1 Основные понятия

Резистор представляет собой  радиоэлемент, используемый в радиоэлектронных схемах в качестве активного электрического сопротивления и предназначенный для регулирования или ограничения тока в электрических цепях. Резисторы используются для создания требуемого режима питания ламп, транзисторов и микросхем. Принцип их действия основан на свойстве токопроводящих материалов с большим удельным электрическим сопротивлением. 
 В зависимости от конструкции и материала токопроводящего элемента резисторы подразделяются на непроволочные и проволочные. В непроволочных резисторах токопроводящий элемент изготовляют методом нанесения на керамическое основание тонкого слоя углерода или сплава металлов, обладающих высоким удельным сопротивлением, а в проволочных — его выполняют из проволоки высокоомного материала (константан, манганин, нихром). 
          По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные и переменные, в том числе подстроечные. На электрических принципиальных схемах резисторы изображаются как представлено на

рисунке 1.1 и обозначаются латинской буквой R, далее идет число, указывающее порядковый номер резистора в схеме.

.

Рисунок 1.1 Изображение резисторов на электрических  принципиальных схемах.

1.2 Основные параметры

Основными параметрами резисторов являются: номинальное сопротивление  и его допустимое отклонение, номинальная  мощность рассеивания, предельное рабочее  напряжение, температурный коэффициент  сопротивления и шумы.

Номинальное сопротивление постоянных и переменных резисторов указывает значение их сопротивления в омах (Ом), килоомах (кОм) или мегаомах (мОм) и проставляется на резисторах. Установлено шесть рядов номинальных значений сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифры после букв указывают число номинальных значений в данном ряду.

Допустимое отклонение сопротивления указывает на наибольшее возможное отклонение от номинального значения в сторону увеличения или уменьшения действительного значения активного сопротивления резисторов и выражается в процентах.

Номинальная мощность рассеивания указывает максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке, нормальных атмосферном давлении и температуре. Непроволочные резисторы изготовляют на номинальную мощность 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и 10 Вт, а проволочные — 0,2—150 Вт. Как показано на

pисунке 1.2, на принципиальных электрических схемах номинальную мощность рассеивания обозначают условно чёрточками на изображении резистора для мощностей менее одного Ватта и римскими цифрами пpи мощностях, превышающих один Ватт. Номинальная мощность рассеивания резисторов должна быть на 20—30 % больше рабочей рассеиваемой мощности.

Рисунок 1.2 Обозначение номинальной мощности рассеивания.

Предельное рабочее напряжение — это максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий (ТУ) на электрические параметры. Эта величина задается для нормальных условий эксплуатации и зависит от длины резистора, шага спиральной нарезки, температуры, давления окружающей среды и атмосферного давления. Чем выше температура и ниже атмосферное давление, тем выше вероятность теплового или электрического пробоя и выхода из строя резистора.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С. У непроволочных резисторов, ТКС не превышает ±0,04-0,2 %, а у проволочных — ±0,003-0,2 %.

1.3 Область  применения

Непроволочные переменные резисторы  используются для плавного изменения  напряжений постоянного и переменного  токов или других параметров, в  частности в качестве регуляторов  громкости и тембра радиоприемников, радиол и других радиоаппаратов.

1.4 Классификация и типы

Наибольшее применение получили непроволочные  переменные резисторы типа СП, СПО, ТК, ВК и СПЗ. Токопроводящий слой в  этих резисторах выполняют из углеродистого  или композиционного состава (сажа, бакелитовая смола). Основной элемент  конструкции — подковообразная  гетинаксовая пластинка с токопроводящим слоем в виде тонкой пленки рисунок 1.3. На концы токопроводящего слоя

Рисунок 1.3 Общее строение непроволочного переменного резистора

нанесены контакты из серебряной пасты, к которым присоединяются выводы. По токопроводящему слою в пределах заданного угла поворота скользит щетка  ползуна, приводимая в движение от оси.

Для удобства изменения угла поворота ползуна конец оси резистора  выполняется со шлицем под отвертку или с риской для закрепления ручек управления. Полный угол поворота в таких резисторах не менее 250°, а износоустойчивость не менее 20 000 поворотов оси от упора до упора.

По характеру изменения сопротивления  в зависимости от угла поворота оси  непроволочные переменные резисторы  выпускают со следующими функциональными  характеристиками рисунок 1.4:

А — сопротивление между средним и любым из крайних выводов резистора изменяется линейно;

Б — сопротивление между средним и левым выводом при вращении оси по часовой стрелке изменяется по логарифмическому закону;

В — сопротивление между средним и левым выводом при вращении оси по часовой стрелке изменяется по обратнологарифмическому закону;

Е — в пределах первой половины полного угла поворота оси введенное сопротивление изменяется незначительно и далее резко увеличивается;

И — в пределах, первой половины угла поворот а оси. в веденное сопротивление резко уменьшается, а при дальнейшем повороте оси изменяется незначительно.

Подстроечные пленочные и объемные резисторы изготавливают только с функциональной характеристикой вида А. Регулировочные пленочные резисторы могут, иметь функциональную характеристику любого вида.

Рисунок 1.4 Функциональные характеристики переменных резисторов.

С функциональными характеристиками видов Е и И изготавливают только композиционные сдвоенные регулировочные резисторы с общей осью, причем один из резисторов имеет характеристику вида Е, другой — вида И. Такие резисторы применяют в регуляторах стереобаланса двухканальных стереофонических устройств; один из них включают в левый канал, другой — в правый.

Рассмотрим основные типы непроволочных  переменных резисторов. Резисторы СП изготавливают на допустимые мощности рассеяния 0,25; 0,5; 1 и 2 Вт с номинальными величинами сопротивления от 470 Ом до 5 МОм. Допустимое отклонение от номинала составляет для резисторов до 250 кОм ± 20 %; выше 250 кОм — ± 30 %,

По конструктивному исполнению резисторы СП подразделяются на пять видов: СП-1 — одинарные без стопора  оси с фиксатором корпуса; СП-Н  — одинарные со стопором оси с  фиксатором корпуса; СП -III - сдвоенные  без стопора оси с фиксатором корпуса; СП-IV — сдвоенные со стопором оси с фиксатором корпуса; СП-V — без стопора оси и без фиксатора корпуса.

Резисторы СПО (переменные объемные) выпускаются следующих видов: СПО-0,15; СПО-0,5; СПО-1 и СПО-2 (цифры обозначают рассеиваемую мощность в ваттах) по III классу точности. Номинальные значения их: СПО-1 и СПО-2— от 47 Ом до 4,7 МОм; СПО-0,15 —от 100 Ом до 1 МОм; СПО-0,5 — от 100 Ом до 4,7 МОм. Все виды резисторов СПО имеют только линейную зависимость  изменения сопротивления от угла поворота оси и обеспечивают нормальную работу в интервале температур от —60 до + 80.°С при относительной влажности окружающей среды до 100 %. Допустимое рабочее напряжение постоянного и переменного тока резисторов: СПО-0,15 —100В , СПО-0,5 — 250 В, СПО-1 — 350 В, СПО-2 — 600 В. .

Резисторы СП-К (поверхностные композиционные) предназначены для работы в цепях  постоянного, переменного и пульсирующего  тока. Выпускаются нескольких видов  с номинальным сопротивлением от 470 Ом до 4,7 МОм, с допустимым отклонением  от номинальных значений .±10, ±20 и  ±30 %

Резисторы СПЗ. Резисторы СПЗ-1а  и СПЗ-16 представляют собой неэкранированные резисторы и применяются в  качестве подстроечных в радиовещательных и телевизионных приемниках с печатным монтажом. Резисторы СПЗ-3 выпускаются дисковыми небольших габаритов, с выключателем. Резисторы СПЗ-4 применяются в транзисторных радиоприемниках в качестве регулятора громкости и тембра. Они имеют выключатель питания. Резисторы СПЗ-6 и СПЗ-6А применяются для радиоприемников с печатным монтажом. Резисторы СПЗ-7 состоят из двух переменных резисторов, управляемых общей осью. Они используются в стереофонических двухканальных радиоприемниках и усилителях низкой частоты. Резисторы для регулирования тембра выпускаются с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота оси, а для регулирования громкости — с обратнологарифмической зависимостью. Резисторы СПЗ-8 применяются в автомобильных радиоприемниках в качестве регулятора тембра, громкости и выключателя питания. Регулятор громкости изготовляется с дополнительным отводом для тонкоррекции , Резисторы СПЗ-12 выполняют одинарными без выключателя источника питания. Используются они для регулирования громкости и тембра в радиоприемниках и радиолах I и высшего классов. Резисторы СПЗ-126 и СПЗ-12в, применяемые для регулирования громкости, выпускаются с одним или двумя дополнительными отводами для подключения цепей ток коррекции.

Изготавливают различные конструктивные варианты непроволочных переменных резисторов: одинарные и сдвоенные (СП, СПЗ-10, СПЗ-17), без стопорения и со стопорением оси (СПЗ-9, СПЗ-6, СПЗ-16, СПУ-1, СПУ-2, СП2-1), для навесного и печатного монтажа (СП4-1, СПЗ-13, СПЗ-16).

Резисторы ТК и В К отличаются от резисторов СП большими размерами и бывают с линейной, логарифмической и обратнологарифмической зависимостью. Резисторы ТК изготовляются с однополюсным выключателем, а ТКД— с двухполюсным. Резисторы типа ВК выпускаются без выключателя с одним или двумя дополнительными отводами. Угол поворота оси составляет около 250°. Номинальная рассеиваемая мощность этих резисторов — 0,2; 0,4 и 0,5 Вт при сопротивлении от 2,5 кОм до 7,5 МОм.

1.5 Характеристики переменных  резисторов

Отклонения от заданной кривой определяются допусками. Для резисторов общего применения допуск устанавливается в пределах 2 - 20%, а для прецизионных - в пределах 0,05 - 1%.

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем изменении  угла поворота или перемещении подвижной  системы может быть различимо  изменение сопротивления резистора. У непроволочных резисторов разрешающая  способность очень высокая и  ограничивается дефектами резистивного элемента и контактной щетки, а также  переходным сопротивлением между проводящим слоем и подвижным контактом.

Разрешающая способность переменных проволочных резисторов зависит  от числа витков резистивного элемента и определяется изменением сопротивления  при перемещении подвижного контакта на один виток. Чем больше витков содержит резистивный элемент, тем выше разрешающая  способность. Разрешающая способность  резисторов общего применения находится  в пределах 0,1 - 3%, а прецизионных - до тысячных долей процента.

Шумами скольжения переменных резисторов принято считать шумы (напряжение помех), возникающие при движении (скольжении) подвижного контакта по резистивному элементу. Причиной таких шумов являются контактная разность потенциалов между щеткой и резистивным элементом, неоднородность структуры переходного контакта и э.д.с., возникающая при быстром вращении подвижной системы. Уровень этих шумов выше уровня тепловых и токовых шумов резистора.

Под износоустойчивостью понимают способность резистора сохранять  свои параметры при многократных перемещениях подвижной системы. Износоустойчивость в основном определяется материалом и формой подвижного контакта и резистивного элемента и контактным давлением. При движении происходит износ резистивного элемента и подвижного контакта, интенсивность которого возрастает с увеличением контактного давления. Однако уменьшение контактного давления способствует увеличению шумов вращения и снижению стойкости к механическим воздействиям. Количественно износоустойчивость оценивается максимально допустимым числом циклов перемещения подвижной системы, при котором параметры резистора остаются в пределах норм. Износоустойчивость прецизионных резисторов 10⁵ - 10⁷ циклов, но их вибрационная и ударная стойкость ниже, чем резисторов общего назначения. Регулировочные резисторы общего назначения обладают износоустойчивостью 5000 - 100000 циклов, а подстрочные - не больше 1000.

2. МАТЕРИАЛЫ   ДЛЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ  РЕЗИСТРОВ 

Переменный резистор состоит минимум из трех конструктивных частей: основного резистивного элемента, создающего заданную величину сопротивления в электрической цепи, и двух соединительных элементов (выводов), один из которых находится на подвижной системе, обеспечивающих получение хорошего электрического контакта, а так же изменение сопротивления для нужных элементов электрической схемы устройства.

2.1 Резистивные материалы

Основным узлом любого резистора  является резистивный элемент. Технические  характеристики резистора, в значительной мере зависят от правильного выбора конструкции и материала элемента.

В качестве резистивных материалов непроволочных резисторов используются разнообразные сочетания металлов, полупроводников и диэлектриков. В непроволочных резисторах металлы  и сплавы используются в виде очень  тонких пленок.

В современных конструкциях резисторов стремятся использовать материалы с большой величиной удельного сопротивления и малым сечением проводящего элемента. Кроме того, они должны обладать высокой стабильностью сопротивления, низким уровнем шумов, повышенной термостойкостью, технологичностью и низкой стоимостью. На практике используют различные материалы, обладающие комплексом необходимых свойств и позволяющие получить резисторы, в лучшей мере удовлетворяющие техническим требованиям.

Точное процентное содержание примесей зависит от требуемого удельного  сопротивления в заданном диапазоне.

Резистивные материалы  на основе кремния.

Кремневые резистивные сплавы выпускаются  марок: РС-4800, РС-3710, РС-3001, РС-1714, РС-1004. В  обозначении марок буквы и  цифры обозначают: РС – резистивный сплав, две первые цифры – номинальное содержание основного легирующего компонента, две последующие – номинальное содержание второго легирующего компонента.

Сплавы выпускаются в виде порошков, размеры частиц которых: не более 0,040 мм для марки РС-1714; 0,040…0,071 мм для  остальных марок (по требованию потребителя  сплав марки РС-4800 допускается  выпускать с размерами частиц менее 0,040 мм). Количество порошка с размерами частиц, выходящими за указанные пределы, не должно превышать 5% от массы навески, взятой от середины пробы. Порошок не должен содержать посторонних включений.

Химический состав кремневых сплавов  приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Химический состав кремниевых резистивных сплавов

Резистивные кремниевые сплавы предназначены для  изготовления методом испарения  и конденсации в высоком вакууме  тонкопленочных резисторов и различных  вспомогательных слоев изделий  электронной техники. Пленки сплавов  РС-4800, РС-3710 и РС-1004 получают методом  взрывного испарения, а сплавов  РС-3001 и РС-1714 методом испарения  навесок порошка (для сплава РС-1714 так же спиртовой суспензии порошка). Материал испарителя – вольфрам, реже углеграфитовая ткань, покрытая полеграфитом. Конфигурация пленочных элементов создается с помощью масок или фотографией. Параметры плеочных резисторов из сплавов РС приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Технологические характеристики и параметры тонких резистивных  пленок РС сплавов

2.2 Материалы подвижного контакта

В переменных резисторах используется механизм со скользящим контактом. К скользящим контактам относятся подвижные контакты, в которых контактирующие части скользят друг по другу без отрыва. Одним из основных факторов для выбора материала является износостойкость. Износ скользящих контактов подразделяют на механический — связан с износом от трения упругого контакта по резистивному материалу; химический (коррозия) — связан с окислением контактной поверхности и образованием непроводящих пленок, зависит от коррозионных свойств материала в условиях нормальной и повышенной температуры (до +300 °С); усиливается от повышения влажности и наличия в атмосфере некоторых вызывающих коррозию примесей. В зависимости от назначения, условий эксплуатации и характера износа скользящих контактов к материалам, предназначенным для их изготовления, предъявляют следующие требования: высокая износоустойчивость в соответствующем эксплуатационном режиме за срок службы устройства или прибора; высокая коррозионная устойчивость, обеспечивающая надежность и продолжительность работы в определенных средах; малая величина переходного сопротивления и ее стабильность в процессе работы и длительного хранения в различных условиях внешней среды; малая термо-э.д.с. в паре с медью; технологичность (легкая обрабатываемость, возможность пайки).

Сопротивление в переменных резисторах регулируется с помощью пружин со скользящим контактом. Под скользящим контактом следует понимать ту часть пружины, которая непосредственно скользит по резистивному элементу, осуществляя тем самым электрический контакт со средним выводом переменного резистора.

В одних случаях скользящий контакт  выполняется совместно с пружиной из одного и того же материала, в  других – в виде накладок, которые  в дальнейшем надежно крепятся к  пружинам, изготовленным из другого  материала. Иногда пружина частично или полностью гальваническим или химическим путем покрывается каким либо металлом, служащим скользящим контактом.

Материалы скользящих контактов должны иметь: высокую коррозийную стойкость  в условиях промышленной атмосферы  при повышенной температуре и  влажности; высокую эрозийную стойкость; малое удельное сопротивление; малую  термо-Э.Д.С.; высокую износоустойчивость в паре с выбранной резистивной проволокой; малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с резистивным материалом.

Износоустойчивость - один из важных параметров переменного резистора, характеризующий его работоспособность при большом количестве циклов движения подвижного контакта.

Как известно, для снижения переходных контактных сопротивлений в конструкциях переменных резисторов часто предусматривается  значительное давление подвижного контакта на проводящий элемент. Однако это приводит к увеличению износа последнего при  большом числе циклов движения контакта.

Износоустойчивость проводящего  элемента резистора зависит от материалов элемента и подвижного контакта, состояния  их поверхностей, величины давления подвижного контакта на элемент и т. д.

Наиболее полно вышеперечисленным  требованиям удовлетворяют благородные  металлы или сплавы на их основе, характеристики которых приведены  в таблице 2.1 и которые широко применяются в скользящих контактах.

Табл. 2.1 – основные характеристики контактных сплавов  
на основе благородных материалов

3. РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА

Задание:

   1.  Номинальное сопротивление резистора 0-140 кОм

   2.  ТКС<0.001 К^-1

   3.  Мощность рассеяния 0.1 Вт

3.1 Выбор и расчет размеров нанесения резистивного материала:

В непроволочных резисторах:

R = ρl/a

R – максимальное сопротивление резистора.

ρ – удельное сопротивление резистивного материала.

l – длина, a – ширина.

площадь сечения  не учитывается, т.к. наносимый резистивный  слой имеет очень тонкую толщину, поэтому важна только ширина нанесенного слоя.

Требуемое R = 140кОм. Размер нанесенного резистивного элемента я выбрал 1*7 см. (1 – ширина; 7 – длина).

Подставляем значения в формулу и рассчитываем значение требуемого резистивного сплава.

140 = ρ*7/1

ρ = 20 кОм.

В качестве резистивного элемента я выбрал кремневый сплав «PC – 1004» в состав которого входит Ni (9-12%) Fe (3-6%), и удельное сопротивление которого находится в пределах 3 – 50 кОм на квадрат. Наше рассчитанное ρ входит в этот диапазон.

Расчет  ТКС:

Рассчитаем  максимальное напряжение для нашего резистора:

Из формулы  расчета мощности: P = U*I

P = 0,7 Вт,

I = U/R,

P = /R, 0.1 = /140000

U = 313 ≈ 310В

3.2 Выбор и расчет подвижного контакта:

Ширину  контактного элемента возьмем равной ширине нанесенного резистивного слоя – h(контакта) = 1 см = м. В качестве элемента выберем сплав – паладия, серебра и меди. Характеристики:

3.3 Расчет корпуса

В качестве подложки для резистивной пленки я использовал ситалл:

Ситалл (СТ-50-1) представляет собой стеклокерамический материал на основе стекла, отличающийся от последнего кристаллической структурой, подобной керамической, но с более мелкими кристаллами и более плотной их упаковкой, исключающей какую-либо пористость материала.

Геометрические  размеры - 60х30х0,6мм

Плотность - 2,65 г/см3 ±0,05

Микротвердость - 705 кгс/мм2

Термостойкость - 210°С

Диэлектрическая проницаемость Е при частоте 1,0 МГц - 8,5 ±0,5

Удельное  объемное электрическое сопротивление  при температуре 100°С - 1014 Ом.см

Температурный коэффициент линейного расширения Альфа х 10 7Л-1 в интервале температур от 20 до 300°С - 52 ±2,0