Высокоомный резистор

 

Министерство образования  и науки РФ

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

 

 

Высокоомный резистор

 

Курсовая работа

по дисциплине «Материалы и элементы

электронной техники»

 

 

 

	Студент группы 310                           ____________Н.Ф.Старостина
	Руководитель:                                             доцент кафедры ФЭ                           ____________Л.Р. Битнер

 

 

2013

Министерство образования и  науки РФ

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой ФЭ _________Троян П.Е.

 

Задание

на курсовую работу

Студенту   Старостиной  Нюргуяне Федотовне

группы 310 факультета электронной  техники

Тема: высокоомный резистор

Исходные данные:

• Номинальное сопротивление резистора 15 Мом.
• Мощность 0,5 Вт.

 

Перечень вопросов:

• Основные параметры резисторов и их классификация.
• Конструктивное оформление резисторов.
• Резистивные материалы, материалы для высокоомных резисторов
• Выбор материала резистивного элемента, расчет размеров.
• Выбор способа защиты резистора.
• Проверочный расчет.

 

Дата выдачи задания __________ 2012г.

 Руководитель Битнер  Л.Р.

 

Содержание:

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

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

1. Классификация резисторов и их основные параметры…………….……….............................................................5

1.1. Классификация резисторов ………………………………………........5

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

2. Высокоомные резисторы ………………………………………………...11

2.1. Проволочный резистор………………………………………………….........11

2.2. Непроволочный резистор………………………………………….......12

3. Конструктивное оформление резисторов и резистивные материалы для высокоомных резисторов…………………………………………12

3.1. Принцип конструирования……………………………………………12

3.2. Материал резистивного  элемента……………………………………..13

4. Выбор материала резистивного элемента и расчет высокоомного резистора.........................................................................................17

5. Заключение………………………………………………………………..19

6. Список литературы………………………………………………………20

 

 

 

 

 

Введение

Все электронные компоненты делятся на два класса активные и  пассивные. К классу пассивных элементов относятся резисторы. Резисторы относятся к числу самых массовых изделий электронной техники. Они составляют около 40% всех комплектующих элементов электронной аппаратуры.

Функция резисторов  регулирование  и распределение электрической  энергии между цепями и элементами схем. Они применяются в аппаратуре практически любого назначения и  области применения. От правильности выбора резисторов, согласно условиям эксплуатации и назначения устройства, во многом зависит безаварийная работа аппаратуры в течении всего срока  службы.

В данной курсовой работе будет  рассмотрен высокоомный резистор: его  параметры, классификация, резистивные  материалы, так же будет проведен расчет высокоомного резистора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация резисторов и их основные параметры

1.1 Классификация  резисторов

Общая классификация резисторов составлена по ряду признаков присущих многим изделиям электронной техники: назначению, способу монтажа, способу  защиты и т.п. В основу конкретной классификации положен материал резистивного элемента.

Классификация по назначению:

• Общего назначения - используются в качестве различных нагрузок, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильтров и шунтов, в цепях формирования импульсов и т.п. Диапозон номинальных сопротивлений этих резисторов 1 Ом – 10 Мом, номинальные мощности рассеяния 0,062 – 100 Вт. Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения  ±1; ±2; ±5; ±10; ±20 %.
• Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы - отличаются высокой стабильностью параметров при эксплуатации   и большой точностью изготовления (допуск от ±0,0005 до 0,5 %). Применяются в основном в измерительных приборах, в различных счетно-решающих устройствах, вычислительной технике и системах автоматики.
• Высокомегаомные - резисторы, имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом и рассчитываются на  небольшие рабочие напряжения (100-400 В) и мощности их составляют иногда  менее 0,5 Вт. Применяют в электрических цепях с малыми токами, в приборах ночного видения, дозиметрах.
• Высокочастотные – резисторы, отличающиеся малой собственной индуктивностью и емкостью, предназначены для работы в высокочастотных цепях, кабелях и т.д.
• Высоковольтные - рассчитаны на высокие рабочие напряжения (от единиц до десятков киловольт). Применяются в качестве делителей напряжения, искрогасителей, поглотителей.
• Специальные (варисторы, терморезисторы, фоторезисторы).

 

Классификация по характеру  изменения сопротивления:

• Постоянные - имеют фиксированное сопротивление, которое в процессе эксплуатации не регулируется.
• Переменные – регулировочные, допускают изменение сопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре.
• Подстроечные – сопротивление изменяется под действием внешних факторов.

 

Классификация по материалу  резистивного элемента:

• Проволочные– резисторы, резистивным элементом которых является высокоомная проволока (изготавливается из высокоомных сплавов: константан, нихром, манганин).
• Непроволочные - резисторы, резистивным элементом которых являются толстые или тонкие пленки. 
• Металлофольговые - резисторы, в которых резистивным элементом является фольга определенной конфигурации.

 

Классификация по способу  защиты:

• Изолированные - имеют изоляционное покрытие (лак, компаунд, пластмасса) и допускают касание корпусом шасси и токоведущих частей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)
• Неизолированные - с покрытием или без него не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры.
• Герметизированные - имеют герметичную конструкцию корпуса, которая исключает влияние окружающей среды на его внутреннее пространство. Герметизация осуществляется с помощью керамических  или металлических корпусов, а также с помощью опрессовки специальным компаундом.
• Вакуумные -  имеют резистивный элемент, помещенный в стеклянную вакуумную колбу.

По конструкции постоянные и переменные резисторы подразделяют на резисторы для навесного монтажа, печатного монтажа, микросхем и  модулей.

 

2. Параметры резисторов

 

Номинальным сопротивлением R_ном резистора  называют значение сопро-тивления, соответствующее числу из определенного ряда. Ряды номинальных значений сопротивлений регламинтируются стандартом. Номинальное сопро-тивление обычно обозначаются на корпусе резистора. Фактические величины сопротивлений могут отличатся от номинальных в пределах определенных допус-ков. Ряд допускаемых отклонений от номинальных величин также нормализован. Допуски указываются в процентах в соответствии с рядом ±0,01, ±0,02, ±0,05, ±0,1, ±0,2, ±0,5, ±10, ±20, ±30.  Номинальные величины сопротивлений с допускаемыми отклонениями , ±0,5, ±10, ±20% должны соответствовать числам, приведенным в таблице 1.2.1, и числам, полученным путем умножения этих чисел на , где n – целое положительное или отрицательное число.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.2.1

Номинальная мощность рассеивания Р_ном определяет допустимую электрическую нагрузку, которую способен выдержать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления.

Мощность, выделяемая в резисторе  в виде тепла, определяется величиной  приложенного к нему напряжения U и протекающего тока I и равна:

P_ВЫД = U*I

Мощность, рассеиваемая резистором в окружающую среду, пропорциональна  разности температур резистора T_R и окружающей среды Т_O

и зависит от условий охлаждения резистора, определяемых величиной  теплового сопротивления R_т которое тем меньше, чем больше поверхность резистора и теплопроводность материала резистора.

Предельное рабочее  напряжение U_ПРЕД  - максимальное напряжение для данного типа резистора, которое устанавливается, исходя из его конструкции, размеров и обеспечения длительной работоспособности.

При нормальном и повышенном атмосферном давлении предельное напряжение ограничивается тепловыми процессами в проводящем элементе и электрической  прочностю резистора, а при пониженных давлениях основным ограничивающим фактором является электрическая прочность, которая уменьшается со снижением  атмосферного давления. Здесь возможны электрический пробой или поверхностное перекрытие.

Температурный коэффициент  сопротивления (ТКС) –называется величина, характеризующая относительное изменение сопротивления на один градус Кельвина  или Цельсия. ТКС характеризует обратимое изменение сопротивления резистивного элемента вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки. Чем меньше ТКС, тем лучшей температурной стабильностью обладает резистор.

 
\Таблица 1.2.2

ЭДС шумов резистора. Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов. Возникновение тепловых шумов связано с флуктуационными изменениями объемной концентрации свободных электронов в резистивном элементе, обусловленными их тепловым движением.

Величина ЭДС тепловых шумов определяется соотношением:

где k = 1,38 · 10 ^-23 Дж/град - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура в градусах шкалы Кельвина,

R - сопротивление. Ом,

- полоса частот, в которой  измеряются шумы.

При комнатной температуре (Т =300° К)

В резистивном элементе при  подключении к нему электрической  нагрузки возникают специфические  токовые шумы, обусловленные флуктуациями контактных сопротивлений между  поводящими частицами, а также трещинами  и неоднородностями резистивного элемента.

Токовые шумы зависят от материала и конструкции резистивного элемента и наиболее характерны для  непроволочных резисторов. Они значительно  больше тепловых шумов. Их спектр частот также непрерывен и не подчиняется  периодическому закону. Поэтому собственные  шумы измеряют действующим значением  ЭДС шумов и выражают  в микровольтах  на вольт приложенного напряжения.

Собственные шумы резисторов тем выше, чем больше температура  и напряжение.

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

Обратимые изменения	Температурный коэффициент сопротивления	R=
Необратимые изменения	Коэффициент старения

 

2. Высокоомные резисторы

Высокоомные резисторы имеют  диапазон номинальных значений сопротивлений  от десятков мегаом до сотен тераом. По сравнению с высоковольтными  высокоомные резисторы рассчитываются на небольшие рабочие напряжения. Мощность рассеяния их мала. В основном они используются в электрических  цепях с малым электрическими токами, в приборах ночного видения, дозиметрах и в измерительной  аппаратуре.

Высокоомные резисторы могут быть как проволочными так и пленочными.

1. Проволочный резистор

Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Основной элемент проволочных резисторов — тонкая проволока (диаметром в несколько сотых долей миллиметра) из сплавов, обладающих высоким удельным сопротивлением, достаточной механической прочностью, пластичностью и термостойкостью. Все элементы конструкций проволочных резисторов выполняют из термостойких материалов (так как при прохождении электрического тока резистор нагревается), а проводящий элемент (проволоку) защищают от климатических и механических воздействий стеклоэмалевыми и другими электроизоляционными покрытиями. Основной операцией при изготовлении проволочных резисторов является процесс наматывания проволоки на керамический или пластмассовый каркас.

Промышленность выпускает  следующие типы проволочных резисторов: с однослойной намоткой — ПЭ (проволочные  эмалированные); ПЭВ (проволочные эмалированные  влагостойкие); ПЭВТ (проволочные эмалированные  и влаго- и термостойкие); ПЭВР (проволочные  эмалированные влагостойкие регулируемые), имеющие латунный подвижный с  зажимным винтом хомутик, который можно  перемещать в доль корпуса резистора по виткам проволоки, свободной от изоляции; регулируемые с многослойной намоткой — ПТ (проволочные точные); ПТН, ПТМ, ПТК (проволочные точные, соответственно из нихромовой, магнаниновой и константановой проволоки); малогабаритные ПТМН, ПТММ, ПТМК (проволочные т очные малогабаритные, соответственно из нихрома, манганина и константана). Резисторы с однослойной намоткой имею т допустимые отклонения от номинала ±5; ±10%, а резисторы с многослойной намоткой — ±0,25; ±0,5; ±1%.

2. Непроволочный резистор

Непроволочные резисторы – это тип резисторов, в которых резистивным элементом являются либо пленки либо объемные композиции с высоким удельным сопротивлением. Тонкая пленка наносится на цилиндрический керамический корпус и герметизируется эпоксидным либо стеклянным покрытием.

 

3. Конструктивное оформление резисторов и резистивные материалы для высокоомных резисторов
1.   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.

3.2 Материал резистивного элемента

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;
• малую термоэлектродвижущую силу по отношению к меди.

В технологии производства проволочных резисторов наиболее широко применяют такие сплавы, как манганин, константан и нихром.

Основные характеристики резистивных сплавов приведены  в таблице 3.1:

 

Таблица 3.1 – Характеристики резистивных сплавов.

 

Наименование сплава	Удельный вес,	Удельное электрическое сопротивление,	ТКС,10 1/град	Термо -Э.Д.С., МкВ/град	Предел прочности, кГ/мм
Манганин	8,4	0,42 – 0,48		+1	43 - 65
Константан	8,9	0,45 – 0,52	-0,5	-40	45 - 65
Нихром	8,4	0,98 – 1,4	35 - 20	+15	60 - 90
80 % Pd, 20 %  W	11,4	0,36 – 0,45	25	-39,4	80 - 100
60 % Pd, 40 %  Ag	11,4	0.36 – 0,45	25	-39,4	50
80 % Ag, 20 %  Pd	10,7	0,102	58	-1,0	25,6

 

Манганин-это медно-марганцевый сплав, состоящий из 83 – 86,5 % меди, 11 – 13,5 % марганца и 2,5 – 3,5 % никеля.

Манганиновая проволока  выпускается марок: ПМТ - твердая, ПММ  – мягкая и ПМС – стабилизированная.

Температурный коэффициент  сопротивления (ТКС)  низкий в интервале  температур + 5 ÷+60 ºС. Вне этого интервала  температур ТКС возрастает и ухудшается стабильность омического сопротивления  проволок. Окисные пленки на поверхности  манганиновой проволоки имеют высокие  контактные сопротивления, что резко  ограничивает применение в переменных  проволочных резисторах.

Обладая в пределах указанных  температур высокой стабильностью  сопротивления, низким ТКС,  малой  термоэлектродвижущей силой по отношению  к меди, манганиновая проволока применяется  в  точных постоянных проволочных  резисторах, работающих при температурах близких к нормальной.

Константан-это медно-никелевый сплав, состоящий из 60 - 65% меди и 40-35% никеля. Сплав отличается низким ТКС, но имеет высокую термоэлектродвижущую силу  по отношению к меди, что значительно ограничивает его применение для точных постоянных проволочных резисторов.

Оксидные пленки, образующиеся на поверхности  константановой проволоки, имеют значительное контактное сопротивление, которое особенно увеличивается  при длительном воздействии на проволоку  температур выше 100-150 ºС. Поэтому в  малогабаритных переменных проволочных  резисторах, в которых нельзя обеспечивать больших контактных усилий, константан используется редко.

Константановая проволока  в основном идет на изготовления постоянных проволочных резисторов, к которым  не предъявляют высокие требования по точности, а также переменных резисторов, работающих в нормальных условиях и в неответственной  аппаратуре. Термообработка  константановой проволоки при температуре 800-900 ºС  в течение нескольких секунд  позволяет получить на ее поверхности  прочную электроизоляционную оксидную пленку, которая может служить  достаточно надежной межвитковой  изоляцией  при плотной однорядовой намотке  проволоки на каркас.

Нихром-это никель - хромовый сплавы(Х20Н80, Х15Н60 и др.)широко применяется и в постоянных и переменных проволочных резисторах. Это объясняется тем, что указанные сплавы имеют малый ТКС в большом интервале температур, небольшую термо-э.д.с., высокую стабильность сопротивления во времени. Оксидные пленки  на проволоках из этих сплавов  имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур контактные сопротивления даже при малых контактных усилиях(50-100 г).

Высокое удельное сопротивление  проволок, и их малый диаметр делают возможным создание миниатюрных  высокоомных постоянных и переменных проволочных резисторов, отличающихся высокими техническими характеристиками. Для  постоянных проволочных резисторов используются эмалированный нихромовый провод ПЭВНХ.

Нихромовая проволока  имеет высокую твердость и  отличается большой износоустойчивостью, что позволяет применять ее для  переменных резисторов с большим  ресурсом работы.

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

Палладиево - вольфрамовый сплав - содержит 20 % вольфрама. Сплав отличается высокой коррозийной стойкостью, что обеспечивает небольшое по величине и стабильное во времени и в широком интервале температур контактное сопротивление, имеет большое удельное  электрическое сопротивление и низкий ТКС. Из этого сплава изготавливают проволоки диаметром от 0,018 до 0,03 мм, которые имеют большую твердость и износоустойчивость, что и определяет их для малогабаритных переменных транзисторов с большим ресурсом работы и низким уровнем контактных шумов.

Палладиево – серебряный сплав – содержит 40 % серебра. Отличается также высокой коррозийной стойкостью и низким ТКС. Однако этот сплав недостаточно тверд и износостоек. Из него изготавливают проволоки диаметром от 0,03 до 0,4 мм. Сравнительно невысокое удельное сопротивление проволок  позволяет использовать их для малогабаритных низкоомных переменных резисторов с небольшим ресурсом работы и низким уровнем контактных шумов.

Серебряно – палладиевый сплав с 20 % палладия обладает хорошими контактными свойствами и имеет малое удельное сопротивление. Но большой процент серебра в сплаве делает его не стойким к воздействию сероводорода, особенно при повышенной влажности.

Поволоки из этого материала  позволяют создавать низкоомные миниатюрные переменные резисторы  с высокой электрической разрешающей  способностью.

Однако, учитывая нестойкость  проволок к сероводороду, резистивные  элементы должны быть надежно защищены от воздействия внешней среды  закрытыми  корпусами.

Кроме перечисленных, для  переменных проволочных резисторов применяют и другие резистивные  проволоки из сплавов на основе благородных  металлов. Так, например, для особо  ответственных случаев в переменных резисторах используют проволоки из сплавов золота и платины, имеющие  хорошие контактные свойства и высокую  коррозийную  стойкость. Но из –  за высокой цены и дефицитности их применяют ограниченно.

 

4. Выбор материала резистивного элемента и расчет высокоомного резистора.

Исходные данные:       

- Номинальное сопротивление  резистора  R = 15 МОм

   - Мощность рассеяния Р = 0.5 Вт

 

В качестве материала  резистивного элемента выберем сплав нихром, так  как этот материал имеет малый  ТКС в большом интервале температур, небольшую термо-э.д.с. ( ) и высокую стабильность сопротивления во времени. Кроме того, окисные пленки из этих сплавов имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур контактные сопротивления.

Для заданного значения мощности рассеяния определим площадь  каркаса по формуле:

,

 где  - электрическая мощность рассеяния, -перегрев обмотки, - средний коэффициент теплоотдачи резисторов, лежащий в пределах

В качестве проводящего элемента будем использовать нихромовую микропроволоку.

d= 1 мкм

Определим площадь сечения этой проволоки:

 

 

Зная площадь  сечения, диаметр и материал проволоки. Вычислим её длину.

 

 

 

Рассчитаем геометрические размеры цилиндрического каркаса, изображенного на рисунке 4.1. Для  этого примем диаметр каркаса 

 

 

 

 

Рисунок 4.1 - Цилиндрический каркас.

примем немного большим, чем  ,

Рассчитаем  шаг намотки, зная диаметр и длину  проволоки, 

Зная шаг намотки, можно  рассчитать количество витков:

 

Проверочный расчет:

 

 

5. Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен высокоомный резистор. Был выбран материал резистивного элемента, в нашем случае это нихром. Так же был выбран материал для расчета контактов, в качестве контактного материала был выбран палладий-иридиевый сплав так как этот материал дешевле сплавов платины. Рассчитали габаритные размеры для высокоомного проволочного резистора. Проверили выполнение параметров задания, проведя проверочный расчет. Представим полученные расчеты в виде таблицы 5.1

Таблица 5.1 – Габаритные размеры постоянного проволочного резистора 

Габаритные размеры каркаса
Длина каркаса  , мм		Диаметр , мм
7		5
Резистивный материал
Материал	Длина L, м	Диаметр d, м
Нихром	11,7

 

Список  используемой литературы:

 

1.Мартюшов К.И., Зайцев  Ю.В. Технология производства  резисторов. - М.:Высшая школа, 1972. –  312 с.

2. Резисторы. Справочник / Под ред. Четверткова И.И. - М.: Энергоиздат, 1981. – 527 с.

3. Л.Р. Битнер Материалы и элементы электронной техники 2007г

4. Проволочные резисторы/ М.Т.Железнов, Л.Г. Ширшева- М: Радио и связь, 5. Малинин Р.М. Резисторы. - М.: Энергия, 1969. - 78 с.

5. http://knowledge.allbest.ru/radio/d-2c0a65625a2ac78b5c53b89421316c27.html - Технология производства резистора

6. Д.М. Иванов, В.В. Стабольский Переменные резисторы 1976г.

7.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%E5%E7%E8%F1%F2%EE%F0– Резисторы. Материал из Википедии - свободной энциклопедии.