Проволочный резистор

Министерство образования  и науки Российской Федерации (РФ)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 
Кафедра физической электроники (ФЭ) 

ПРОВОЛОЧНЫЙ РЕЗИСТОР 
 
Курсовая работа по дисциплине

«Материалы и элементы электронной техники» 
 
 

Проверил: Выполнил:

Преподаватель:                                                                      Студент гр.310

Битнер Л.Р.___                                                                      Федкевич М.В.___

«__»______2012г.               «__»________2012г. 

2012

Министерство образования  и науки Российской Федерации (РФ)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

Студентке Федкевич Марии  Владимировне

группы 310 факультета электронной техники

Тема: Проволочный резистор

Исходные данные:      1.  Сопротивление 4 КОм

        2. Мощность рассеяния 50 Вт

Перечень вопросов, подлежащих разработке:

1. Основные параметры резисторов и их классификация.
2. Конструктивное оформление резистора.
3. Резистивные материалы, материалы для проволочных резисторов.
4. Выбор состава материала резистивного элемента, размеров резистора.
5. Проверочный расчет.

Дата выдачи задания  «____»  ______ 2012г.

Руководитель Битнер Лилия Райнгольдовна

Содержание:

Задание…………………………………………………………………………...2

Введение……………………………………………………………….................4

1. Общие сведения о резисторах………………………….……….................5

1.1. Классификация резисторов ………………………………………..........6

1.2. Параметры резисторов ……………………………………………..........7

2. Резисторы…………………………………………………………............10

2.1. Проволочный резистор………………………………………………….........10

2.2. Постоянный проволочный резистор……………………………….......11

2.3. Переменный проволочный резистор……………………………….......13

3.Резистивные материалы, материалы для проволочных резисторов……………………………………………………………………14

3.1. Резистивные материалы…………………………………………………13

3.2. Принцип конструирования……………………………………………...16

3.3. Резистивные материалы на  основе благородных материалов………..17

4. Выбор материала резистивного элемента и расчет размеров……...20

5. Заключение………………………………………………………………..23

6. Список литературы………………………………………………………24

Введение:

 Резисторы предназначены для создания в электрической цепи заданного активного сопротивления и относятся к классу пассивных элементов. За последние годы широкое развитие получила радиоэлектронная техника, в комплектацию которых входят сотни тысяч изделий, среди которых резисторы составляют значительную часть.

Из всех типов резисторов, первыми  были разработаны проволочные резисторы. Для их изготовления применялась  в основном медно-никелевая проволока, которая наматывалась на изоляторы различной конфигурации. Такие резисторы имели узкие пределы сопротивления и низкий эксплуатационный характер.

Развитие радиоэлектроники, выдвинуло задачу  повысить технические и эксплуатационные характеристики проволочных резисторов. В процессе были усовершенствованны конструкция  резистора и использование в резисторах новых материалов улучшающие их параметры. Были разработаны никель – хром – алюминиево - медные и никель – хром - алюминиевые резистивные сплавы, обладающие высоким удельным электрическим  сопротивлением, малым температурным коэффициентом сопротивления и высокой коррозионной стойкостью.

Применение проволок из этих сплавов, улучшили сопротивление проволочных резисторов, уменьшили габариты, повысили температурную стабильность и расширили интервал рабочих температур. Применение защитных покрытий и новых термостойких корпусов, существенно повысило влагостойкость и интервал рабочих температур.

 В данной курсовой  работе будет рассмотрен проволочный резистор: его параметры, классификация, резистивные материалы, так же будет проведен расчет проволочного резистора.

1.Классификация резисторов и основные параметры

1. Классификация резисторов

Проволочные резисторы  можно классифицировать по двум основным признакам: назначению и конструкции.

 По назначению проволочные резисторы подразделяются на постоянные и переменные.

Постоянные проволочные  резисторы: подразделяются на резисторы общего применения, которые служат для распределения мощности в обычных электрических схемах и высокоточные резисторы, применяемые в качестве делителей напряжения и калибровочных сопротивлений в измерительной технике.

Переменные проволочные  резисторы: подразделяются на подстроечные резисторы, предназначенные для регулировки параметров электросхем при их изготовлении. Регулировочные резисторы, предназначенные для регулировки параметров радиоэлектронной аппаратуры в процессе ее работы.

По конструкции постоянные и переменные проволочные резисторы подразделяют на: резисторы для навесного монтажа, печатного монтажа, микросхем и микромодулей.

 Таблица 1.1.1. – Классификация резисторов

1.2 Параметры резисторов

Параметры резисторов характеризуют  эксплуатационные возможности применения конкретного типа резистора в  конкретной электрической схеме.

  Проволочные резисторы имеют ряд электрических и эксплуатационных параметров, общих для постоянных и переменных резисторов: это номинальное сопротивление, допуск на номинальную величину сопротивления, мощность рассеяния, ТКС, электрическая прочность и др.

Номинальное значение сопротивления резистора Rном. Измеряется в Омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм). Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе резистора. Фактические величины могут отличаться от номинальных в пределах определенных допусков. Номиналы сопротивлений стандартизованы в соответствии с ГОСТ 10318-74, а допустимые отклонения - в соответствии с ГОСТ 9664-74.

Разница между номинальным и  действительным сопротивлением, выраженная в процентах по отношению к номинальному сопротивлению, называется допуском на номинальное сопротивление.

 Для резисторов общего назначения ГОСТ предусматривает шесть рядов номинальных сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 и Е192. Цифра указывает количество номинальных значений в данном ряду, которые согласованы с допустимыми отклонениями, указаны в таблице 1.2

Таблица 1.2.1. – Ряды Е12, Е24.

Коэффициент напряжения : характеризует влияние приложенного напряжения на сопротивление. В некоторых типах резисторов при высоких  напряжениях изменяется сопротивление. В проволочных резисторах это обусловлено дополнительным разогревом проволоки при повышенных напряжениях.

,

где  - сопротивление резистора при напряжении ;

        - сопротивление резистора при напряжении 0,1 .

Номинальная мощность: максимально допустимая температура нагрева, при которой резистор в течении длительного времени может надежно работать, выбирается с учетом двух факторов: теплостойкости материалов резисторов; надежности работы контактной пары «резистивная проволока – скользящий контакт».

Выбирая максимально  допустимую температуру нагрева, необходимо учесть, что она складывается из двух составляющих:

где - температура окружающей среды, которая в зависимости от условий эксплуатации для различных типов проволочных резисторов может изменяться в пределах от (-60 0) до (+30 200⁰С);

- температура перегрева, зависящая  от рассеивания мощности, размеров  и материалов резистора.

Таким образом, электрическая  мощность резистора ограничивается максимально допустимой температурой нагрева и зависит от температуры окружающей среды.

ЭДС шумов резистора: Электроны в резистивном элементе находятся в состоянии хаотического теплового движения, в результате которого между любыми точками резистивного элемента возникает случайно изменяющееся электрическое напряжение и между выводами резистора появляется ЭДС тепловых шумов. Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением:

,

где  k – постоянная Больцмана;

       Т – абсолютная температура:

      R – сопротивление;

       - полоса частот, в которой измеряются шумы.

При комнатной температуре (Т=300К):

.

Помимо тепловых шумов существует и токовый шум. Возникает за счет прохождения тока через резистор. При прохождении тока возникают местные перегревы, в результате  которых изменяется сопротивление контактов между отдельными частицами токопроводящего слоя и значение сопротивления изменяется, что приводит к образованию между выводами резистора ЭДС токовых шумов .

,

где  - коэффициент, зависящий от конструкции резистора, свойств резистивного слоя и полосы частот.

Величина  указывается в ТУ и лежит в пределах от 0,2 до 20 мкВ/В. У проволочных резисторов токовый шум отсутствует. В таблице 1.2.2. представлены ЭДС шумы для различных резисторов.

Таблица 1.2.2. – ЭДС шумов резистора

Предельное  рабочее напряжение : величина допустимого напряжения, которое может быть приложено к резистору.

Предельное напряжение ограничено поверхностным пробоем или перегревом.

Для резисторов с небольшой величиной сопротивления (сотни ОМ) эта величина определяется конструкцией резистора и рассчитывается по формуле:

Сопротивление изоляции проволочных резисторов измеряются между закороченными выводами и  корпусом резистора при заданной величине приложенного напряжения, которое  обычно равно 100,200 или 500 В.

Сопротивление изоляции для большинства типов резисторов в номинальных условиях лежат в пределах от 10⁷ до 10¹³ Ом.

Температурный коэффициент сопротивления резистора (ТКС): характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры. Величина ТКС зависит в основном от величины температурного коэффициента материала резистивного элемента.

Он может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная  пленка толстая, то она ведет себя как объемное тело, сопротивление которого с ростом температуры возрастает. Если же резистивная пленка тонкая, то она состоит из отдельных "островков", сопротивление такой пленки с ростом температуры уменьшается, так как улучшается контакт между отдельными "островками". Значения ТКС для наиболее широко используемых резисторов приведены в таблице 1.2.3.

Коэффициент старения : характеризует изменение сопротивления, которое вызывается структурными изменениями резистивного элемента за счет процессов окисления, кристаллизации и т.д.

В ТУ обычно указывается относительное  изменение сопротивления в процентах  за определенное время (1000 или 10000 ч).

Таблица 1.2.4. - Стабильность параметров

2. Резисторы
1. Проволочный резистор

Проволочные резисторы  широко применялись в аппаратуре в самом начале становления и  развития электроники и электротехники.

Современные проволочные резисторы отличаются высокой стабильностью электрических параметров, малым температурным коэффициентом сопротивления, незначительным уровнем собственных шумов и повышенной точностью.

Все элементы конструкции  проволочных резисторов выполняются  из термостойких материалов, а проводящий элемент защищен  от воздействия внешней среды плотным слоем стеклоэмали, компаунда или герметичным чехлом, что обеспечивает работоспособность резисторов при высоких температурах и повышенной влажности.

Основным элементом проволочных резисторов является тонкая проволока из высокоомного сплава, закрепленная на изолирующем каркасе. Создание миниатюрных проволочных резисторов с высоким значением сопротивления стало возможно благодаря успехам микрометаллургии.

В технологии производства проволочных резисторов применяются сплавы с высоким удельным сопротивлением, достаточной механической прочностью, гибкостью и термостойкостью. Температурный коэффициент сопротивления сплавов должен быть низким, чтобы изменения сопротивления резистора в интервале рабочих температур было незначительным. Необходимо, чтобы эти сплавы способны были протягиваться в проволоку диаметром порядка сотых долей миллиметра. Среди них надо отметить следующие сплавы: манганин, константан, нихром.

2.  Постоянный проволочный резистор

К наиболее распространенным постоянным проволочным резисторам относятся резисторы типов ПЭ (проволочные эмалированные), ПВЭ (проволочные  эмалированные влагостойкие), ПЭВТ (проволочные эмалированные влагостойкие и термостойкие)  и др. мощностью от 3 до 150 Вт.

По конструкции представляют собой  керамический каркас, на который с  шагом намотана неизолированная константановая либо нихромовая проволока. После намотки каркас покрывается защитным слоем стеклоэмали, которая изолирует друг от друга витки обмотки и защищает ее от влаги, загрязнений и механических повреждений. В зависимости от вида резистора, выводы от резистивного элемента выполняются в виде гибких жгутов, свитых из тонких медных проволок, либо латунных пластинок с отверстиями для подпайки внешних проводников схемы, либо пластинки из нержавеющей стали.

Конструкции постоянных проволочных резисторов приведены  на рис. 2.1.

Рис. 2.2.1. Резисторы типа ПЭ (а), ПЭВ (б) и ПЭВР (в).

При относительно небольших  размерах проволочные резисторы  обладают высокой допустимой мощность рассеяния, высокой точностью и хорошей температурной стабильностью.  Так как резисторы изготавливают путем намотки провода на каркас, то они имеют большую индуктивность и собственную емкость. Для уменьшения индуктивности применяют бифилярную намотку, при которой обмотку резистора выполняют сдвоенным проводом, благодаря чему поля расположенных рядом витков направлены навстречу друг другу и вычитаются. Уменьшение индуктивности достигается так же путем намотки на плоский каркас. Недостатком бифилярной намотки является большая собственная емкость. Для получения малой индуктивности и емкости применяют разбивку обмотки на секции, в каждой из которых поочередно меняется направление намотки. Проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных, поэтому применяют их в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявленным требованиям.

2.3 Переменные проволочные резисторы

Переменные проволочные  резисторы выполняются  на тороидальных каркасах и трубчатых каркасах круглого, прямоугольного и квадратного сечения. В технологии производства переменных проволочных резисторов широко используются пластмассовые  и керамические кольцевые каркасы, а также плоские каркасы из гетинакса и текстолита, которые после намотки свертываются в кольцо. Для равномерного соприкосновения скользящего контакта с обмоткой необходима плотная укладка провода с одинаковым усилием натяжения. Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент проволочных переменных резисторов.

На рис 2.3.1. представлены крепления переменных резисторов.

              Рис 2.3.1. Крепления переменных резисторов

а – гайкой за штуцер; в,б – винтами; г,д – приклеиванием; е – групповой способ с помощью  винтов и шпилек; ж,з – пайкой за выводы;

Для регулировки в  электрических цепях электротехнических и радиотехнических устройств используют резисторы типов РП и ППБ.

Проводящие элементы  этих резисторов получают из нихромового  провода. Резисторы типа РП выполняются  на керамических каркасах, резисторы типа ППБ выполняются бескаркасным способом. Конструкция резисторов ППБ контакта, узлы и детали ее прочны и позволяют применять прогрессивные технологические методы.

3. Резистивные материалы, материалы для проволочных резисторов

3.1. Резистивные материалы

В настоящее время проволочные  резисторы изготавливаются с  сопротивлением от сотых долей ома  до мегаома и выше.

Резистивная проволока, применяемая в постоянных проволочных резисторах, должна иметь следующие основные свойства:

• Высокую стабильность сопротивления;
• Малый температурный коэффициент сопротивления;
• Высокую коррозионную устойчивость;

В таблице3.1.1. приведены резистивные материалы применяемые в постоянных и переменных проволочных резисторах.

Таблица 3.1.1. – Характеристики резистивных сплавов

Манганин

Манганин – это  медно-марганцевый сплав, состоящий  из 83-86,5% меди, 11-13,5% марганца и 2,5-3,5% никеля. В большинстве случаев в проволочных  резисторах используют эмалированные  манганиновые провода марок ПЭМГ,ПЭММ. Манганиновая проволока выпускается марок: ПМТ – твердая, ПММ – мягкая, ПМС – стабилизированная.

Манганин можно легко  получить в виде тонкой проволоки  диаметром 0.02 мм. Малый ТКС и повышенная стабильность сопротивления во времени  достигается путем термической  обработки манганина – отжигом при температуре 650 - 800К в вакууме с последующим медленным охлаждением. Обладая высокой стабильностью сопротивления, низким ТКС, малой термо- э.д.с.  по отношению к меди, манганиновая проволока широко используется в точных постоянных проволочных резисторах, работающих при температуры, близкой к нормальной.

Нихром

Хромоникелевые сплавы (нихромы) используют для получения  для получения проводящих элементов с повышенной термостойкостью. Нихром отличается значительной стойкостью к окислению на воздухе при высоких температурах. В результате нагрева на его поверхности образуется защитный слой устойчивых окислов NiO, Cr₂O₃ с температурным коэффициентом линейного расширения близким к коэффициенту сплава. При резких изменениях температуры происходит частичное разрушение слоя окислов, кислород проникает в трещины, вызывая  дополнительное окисление. Поэтому при многократных кратковременных включениях проводящего элемента, выполненного из нихрома, под нагрузку его срок службы значительно меньше, чем при непрерывной электрической нагрузке.

В состав константана  и нихрома входит большое количество дорогого металла – никеля. В некоторых случаях эти сплавы заменяют более дешевым – фехралем, основными компонентами которого являются железо, хром и алюминий. По сравнению с нихромом данный сплав более твердый, хрупкий и с трудом вытягивается в проволоку малого диаметра.

Одним из основных требований к сплавам, применяемым в технологии производства  резисторов с повышенной точностью является высокая стабильность сопротивления во времени.

Высокое удельное сопротивление  проволоки и их малый диаметр  делают возможным создание миниатюрных  высокоомных  постоянных и переменных проволочных резисторов, отличающихся высокими технологическими характеристиками.  Нихромовая проволока имеет высокую твердость и отличается большой износоустойчивостью, что позволяет применять ее для переменных резисторов с большим ресурсом работы.

2. Принцип конструирования

Основным узлом любого проволочного резистора является резистивный  элемент. Технологические характеристики резистора в значительно мере зависят от правильного выбора конструкции и материалов этого элемента. Обычно резистивный элемент состоит из каркаса и обмотки, к концам которой крепятся проводник, соединяющие ее с выводами резистора. Исключением являются бескаркасные резистивные элементы. Для резистивных элементов проволочных резисторов наиболее часто используются следующие виды обмоток:

• однослойная с фиксированным шагом;
• однослойная плотная;
• многослойная

На рисунке 3.2.1. представлены виды обмоток проволочных резисторов

Рисунок 3.2.1. – Виды обмоток проволочных резисторов

а - однослойная с фиксированным шагом;  б – однослойная плотная;

в – многослойная;   г – многослойная свободная.

3.3. Резистивные  материалы на основе благородных материалов

Оксидные пленки, которые образуются на поверхности проволок из сплавов  на основе неблагородных металлов, являются причиной повышенных контактных сопротивлений в переменных проволочных резисторах. Под влиянием времени, воздействия повышенных температур и влажности контактные сопротивления могут резко возрастать, и в некоторых случаях это приводит к нарушению электрического контакта.

Проволоки из благородных  материалов позволяют создавать  низкоомные миниатюрные переменные резисторы с высокой электрической разрешающей способностью.

В таблице 3.3.1. представлены характеристики благородных сплавов применяемые в переменных проволочных резисторах.

Таблица 3.3.1. – Благородные сплавы

Продолжение таблицы 3.3.1.

Наиболее полно вышеперечисленным требованиям удовлетворяют благородные металлы или сплавы на их основе, характеристики которых приведены в таблице 3.3.1.

Платина и ее сплавы.

Платина имеет большое  удельное электрическое сопротивление  и низкую теплопроводность, не окисляется на воздухе, не тускнеет в любых условиях и легко поддается механической обработке. Однако вследствие малой твердости она редко применяется для скользящих контактов в чистом виде.

Наибольший интерес  для скользящих контактов представляют сплавы платины с иридием и никелем. Платина-иридиевый сплав не окисляется, обладает высокой твердостью и механически меньше изнашивается, чем платина, допуская высокие контактные усилия. Для скользящих контактов в основном используются сплавы платины с 5—30% иридия.

Сплав платина-никель образует непрерывный ряд твердых растворов. Никель значительно повышает удельное сопротивление и твердость сплава. Сплавы платины с никелем пластичны и их легко обрабатывать. В качестве контактов наиболее известен сплав с 5% никеля, который обладает высокой коррозионной стойкостью и незначительно увеличивает свое контактное сопротивление при образовании сернистых пленок.

Иногда для скользящих контактов используют сплав платины  с 14% рутения. Рутений вдвое повышает твердость сплава по сравнению с иридием. Однако при нагревании в воздухе рутений окисляется, и сплав теряет в весе вследствие улетучиваемых окислов рутения.

Необходимо отметить, что платина и ее сплавы склонны  к образованию игл и мостиков при малых токах.

Палладий и  его сплавы.

Среди металлов платиновой группы палладий является наиболее перспективным материалом для контактов. По стоимости палладий в 4—5 раз дешевле платины, а по многим свойствам очень близок к ней, заметная разница имеется только в температуре плавления. На Воздухе палладий тускнеет быстрее платины, но окислы его нестойки и при температуре свыше 350°С быстро разлагаются. Палладий стоек к образованию сульфидных пленок. Чистый палладий идет на покрытия для скользящих контактов, работающих при небольших контактных усилиях. Сплавы палладия с серебром, иридием широко применяются для маломощных скользящих контактов. В сплаве палладий оказывает защитное действие по отношению к серебру. При наличии палладия (более 50%) сплав стоек к образованию сернистых пленок. Серебряно-палладиевые сплавы пластичны и хорошо поддаются механической обработке. Большое распространение для скользящих контактов малогабаритных резисторов получил сплав палладия, серебра (36%) и меди <(4%). Высокая коррозионная стойкость этого сплава обеспечивает хорошие упругие свойства, что позволяет использовать его для контактных пружин в миниатюрных подстроенных резисторах, когда вследствие малых размеров пружин скользящий контакт и пружину целесообразно выполнять из одного и того же материала.