Что такое резистивный элемент
Резистивный элемент
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для создания, транспортировки, потребления электрической энергии.
В электрических цепях следует выделить источники электрической энергии и приемники, которые соединяются между собой каналами связи или соединительными проводами.
Источникамиэлектрической энергии называютустройства, в которых, какой-либо вид энергии (механическая, световая, химическая и пр.) преобразуется в электрическую. Источниками электрической энергии являются генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи и пр. Например, механическая энергия паровых турбин либо гидротурбин на электростанциях преобразуется в электрическую, в аккумуляторах – химическая энергия преобразуется в электрическую.
Приемниками электрической энергии называют устройства, в которых, электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии. Приемниками электрической энергии являются двигатели, нагревательные элементы и пр.
Электромагнитные процессы в электрической цепи могут быть описаны с помощью понятий электродвижущей силы e(t), тока i(t), напряжения u(t) и др. В общем случае эти параметры электрической цепи являются функцией времени и их величины в произвольным момент времени называются мгновенными значениями.
Электрические цепи в которых ток I, напряжение U, электродвижущая сила E не являются функцией времени, называются цепями постоянного тока.
Одной из характеристик электрической цепи является потенциал φ.
Элементы электрической цепи
Любое электротехническое устройство может быть описано с помощью электрических схем, которые формируются с помощью идеализированных элементов. Они могут быть пассивными и активными. Пассивные элементы электрической цепи потребляют электрическую энергию, а активные – генерируют ее.
Пассивные элементы
К пассивным элементам относятся резистивный, индуктивный и емкостной элементы.
Резистивный элемент
Резистивным называют идеализированный элемент, в котором электрическая энергия преобразуется в тепловую или в другой вид полезной энергии.
Обозначение резистивного элемента в электрических схемах приведено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Условное графическое обозначение
Функциональная зависимость между током i и напряжением u на зажимах резистивного элемента описывается законом Ома:
, 
.
Эта зависимость может быть оценена с помощью вольт-амперной характеристики (ВАХ), представленной на рисунке 1.2. В общем случае сопротивление резистивного элемента может быть функцией напряжения или тока.
Вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, когда сопротивление резистивного элемента r не зависит от тока i и напряжения u, и нелинейная, когда r является функциональной зависимостью либо тока i либо напряжения u.
Резистивный элемент характеризуется мощностью.
.
Средняя мощность, потребляемая резистивным элементом за промежуток времени T равна:
.
Рисунок 1.2 – Вольт-амперные характеристики резистивных
Для цепей постоянного тока средняя мощность определяется выражением:
.
Дата добавления: 2016-08-23 ; просмотров: 5719 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Что такое резистивный элемент
Идеализированные элементы электрических цепей
Электротехническое устройство с происходящими в нем и в окружающем его пространстве физическими процессами в теории электрических цепей заменяется некоторым расчетным эквивалентом –электрической цепью (ЭЦ). Такая цепь состоит из идеализированных элементов активных и пассивных, которым теоретически приписываются определенные и магнитные свойства, так что процессы в электрической цепи приближенно отражают процессы в реальном устройстве, но могут быть проанализированы с использованием законов Ома и Кирхгофа.
Среди идеализированных элементов различают активные и пассивные элементы. К активным элементам относятся источники энергии (источники напряжения и источники тока). К пассивным элементам относятся резистивный элемент, индуктивный элемент и емкостной элемент.
Идеальный источник напряжения представляет собой элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от сопротивления нагрузки ( или от тока нагрузки). Условное обозначение источника и его вольт-амперная характеристика представлены на рис.1.1, а,б сплошными линиями.
Идеальный источник тока представляет собой элемент с двумя зажимами, ток во внешней цепи которого не зависит от сопротивления нагрузки ( или от напряжения на нагрузке). Условное обозначение источника и его вольт-амперная характеристика представлены на рис.1.2, а,б сплошными линиями.
Стрелкой на рис. 1.2, а указано направление перемещения положительных зарядов в источнике. Идеальный источник тока представляет источник бесконечно большой мощности. Источник конечной мощности изображается в виде идеального источника с подключенным к нему параллельно элементом R, который ограничивает мощность, отдаваемую источником во внешнюю цепь. Вольт-амперная характеристика источника конечной мощности показана на рис.1.2,б штриховой линией.
так и для количественной оценки отношения напряжения на его зажимах к току, через него протекающему.
Эта формула выражает закон Ома, экспериментально установленный в 1826 году. Величина g=1/R называется проводимостью и измеряется в Сименсах..
Если вольт-амперная характеристика (ВАХ) резистивного элемента линейна (рис.1.3,б),
то резистивный элемент называется линейным. Если задана ВАХ линейного резистивного элемента, то величина сопротивления его пропорционально тангенсу угла a наклона ВАХ к оси токов, т.е.
.
В силу пропорциональной зависимости (1.1) ток в линейном резистивном элементе всегда совпадает по форме с напряжением на его зажимах.
Мгновенная мощность может быть положительной либо отрицательной в зависимости от соотношения знаков напряжения и тока. Если p > 0, то энергия поступает в элемент из внешней цепи. Если p 0, то энергия запасенная в элементе возвращается во внешнюю цепь. Сама энергия W всегда положительна и определяется интегралом от мгновенной мощности.
Для резистивного элемента мгновенная мощность всегда положительна и определяется как
р=u i =u 2 /R= i 2 R=u 2 g.
Электрическая энергия, поступившая в резистивный элемент и превращенная в тепло, начиная с некоторого момента времени t=0 и до рассматриваемого момента t определяется интегралом
Дж.
Графики зависимостей i (t), p(t) и W R (t) при произвольной форме напряжения на зажимах резистивного элемента представлены на рис. 1.3,в.
Условное обозначение индуктивного элемента приведено на рис. 1.4,а.
Если магнитный поток катушки формируется в ферромагнитной среде, то зависимость потокосцепления самоиндукции от тока Y ( i ) в общем случае нелинейна (кривая 1 на рис. 1.4,б) и, следовательно, индуктивность катушки зависит от тока, через нее протекающего.
Это обстоятельство связано с непостоянством магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника. Если сердечник неферромагнитный, то магнитная проницаемость его постоянна. В этом случае зависимость Y ( i ) линейна и индуктивность L является постоянной величиной.
Для линейного индуктивного элемента напряжение на зажимах u L связано с током следующей зависимостью
u L =- e L =d y /dt=d(L i )/dt=L d i /dt,
т.е. напряжение на индуктивном элементе пропорционально скорости изменения тока, через него протекающего.
Если i =I=Const, то u L =0, и следовательно индуктивный элемент в цепи с источниками постоянного напряжения и тока в установившемся режиме можно заменить проводником с нулевым сопротивлением.
Если ток изменяется линейно ( i =At), то напряжение на индуктивном элементе постоянно (u L =LA).
Если известно напряжение на индуктивном элементе, то ток через него определяется интегралом
,
,
.
p L =uL i =L i d i /dt
.
Как видно, в любой момент времени энергия пропорциональна индуктивности и квадрату тока, протекающего через индуктивный элемент. Графики зависимостей u L (t), p(t) и W L (t) при произвольной форме тока i L (t) через индуктивный элемент представлены на рис. 1.4,в.
Емкостной элемент- идеализированный элемент ЭЦ, сходный по своим свойствам с конденсатором, способным запасать энергию электрического поля.
Условное обозначение емкостного элемента приведено на рис. 1.5,а.
Буквенное обозначение С применяется как для обозначения на схеме самого емкостного элемента, так и для количественной оценки отношения заряда q к напряжению на конденсаторе u c Это отношение называется емкостью элемента и измеряется в Фарадах. Таким образом
Зависимость q(u c ) в общем случае нелинейна (кривая 1 на рис. 1.5,б) и, следовательно, емкость конденсатора зависит от от напряжения на его обкладках.
Если зависимость q(u c ) линейна, то емкость С является постоянной величиной и говорят о линейном емкостном элементе.
Для линейного емкостного элемента ток связан с напряжением u c следующей зависимостью
i =dq/dt=d(C u c )/dt=C du c /dt,
т.е. ток через емкостной элемент пропорционален скорости изменения напряжение на нем. Если du c /dt > 0, то ток положителен. Если du c /dt 0, то ток отрицателен.
Если u c =U =Const, то i =0, и следовательно, в цепи с источниками постоянного напряжения и тока в установившемся режиме ветвь с емкостным элементом можно исключить (разорвать).
Если напряжение изменяется линейно (u c =At), то ток в емкостном элементе постоянен ( i =СA).
,
,
.
р с =u с i =Сu с du с /dt
.
Как видно, в любой момент времени энергия пропорциональна емкости элемента и квадрату напряжения на его зажимах. Графики зависимостей i (t), p(t) и W c (t) при произвольной форме u с (t) представлены на рис. 1.5,в.
Что такое резистор и для чего он нужен?
При передаче электрического тока на расстояние из-за сопротивления проводов теряется часть энергии. В таких случаях сопротивление является негативным фактором и его стараются свести к минимуму.
Другое дело электрические цепи в электронных устройствах. Там резистор выполняет много полезных функций. В электронных схемах используется свойства этих пассивных компонентов для ограничения тока в многочисленных цепях. С их помощью обеспечивается нужный режим работы усилительных каскадов.
Что такое резистор?
Название этого электронного элемента произошло от латинского слова resisto — сопротивляюсь. То есть – это пассивный элемент применяемый в электрических цепях, действие которого основано на сопротивлении току. Основной характеристикой этого электронного компонента является величина его электрического сопротивления.
Пассивность данного электронного компонента означает то, что основной его функцией является поглощение электрической энергии. В отличие от активных элементов электроники, он ничего не генерирует, а только пассивно рассеивает электричество, преобразуя его в тепло. В схемах замещения сопротивление является основным параметром, в то время как ёмкость и индуктивность – паразитные величины.
Применение
Резисторы применяются во всех электрических схемах для установления нужных значений тока в цепях, с целью демпфирования колебаний в различных фильтрах, в качестве делителей напряжений и т. п.
Резисторы выполняют функции нагрузки в резистивных цепях, используются в качестве делителя напряжения (см. рисунок ниже) и тока, являются элементами фильтров, применяются для формирования импульсов, выполняют функции шунтов и многое другое. Сегодня трудно себе представить электрическую схему, в которой не задействованы несколько резистивных элементов.
Без резисторов не работает ни один электронный прибор.
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.
Рис. 5. Принцип работы
Мы уже упомянули два типа резисторов, отличающиеся по конструкции: постоянные, у которых сопротивление статичное (допускается мизерное отклонение параметров при нагреве элемента) и переменные. К последним можно добавить подвид переменных сопротивлений (полупроводниковых резисторов) – нелинейные.
Сопротивление нелинейных компонентов изменяется в широких пределах под воздействием различных факторов:
За видом резистивного материала классификация может быть следующей:
Отличие плёночных smd компонентов от композиционных деталей состоит в способах их изготовления. Композиционные детали производятся путём прессования композитных смесей, а плёночные – путём напыления на изоляционную подложку.
В интегральных монокристаллических микросхемах методом трафаретной печати или способом напыления в вакууме создают встроенные интегральные резисторы.
По назначению сопротивления подразделяются на детали общего назначения и на компоненты специального назначения:
Можно классифицировать детали и по другим признакам, например по типу защиты от влаги или по способу монтажа: печатный либо навесной.
Номиналы резисторов
Элементы имеют свой допуск в отклонениях номинальных сопротивлений. В соответствии с допусками номиналы резисторов разбиты на 3 ряда, которые обозначаются: Е6, Е12, и Е24.
Компоненты ряда Е6 имеют допуск отклонения ± 20%; ряда Е12 – ± 10%, а ряда Е24 – ± 5%.
Номиналы резисторов каждого ряда представлены в справочных таблицах, которые можно найти в интернете.
Маркировка
Раньше на корпусах сопротивлений проставляли номинал, ряд, мощность и серийный номер. В связи с миниатюризацией деталей перешли на цветовую маркировку. Параметры сопротивлений кодируют с помощью цветных колец (см. рис. 8).
Если на корпусе присутствует 3 кольца, то первые два обозначают величину сопротивления, третье – множитель, а допустимое отклонение составляет 20%.
Если на корпусе 4 кольца, то значения первых трёх из них такие же, как в предыдущем примере, а четвёртое кольцо указывает на величину отклонения.
Пять колец: первые 3 указывают величину сопротивления, на четвёртой позиции – множитель, а на пятой – допуск.
На сверхточных деталях наносятся 6 цветовых полос: три первых указывают величину сопротивления, полоса на четвёртой позиции – множитель, а пятое кольцо — допустимое отклонение.
Каждому цвету присвоена конкретная цифра (от 0 до 9). Учитывая позицию кольца и его цвет, можно с точностью определить параметры изделия. Для этого удобно пользоваться таблицей цветов (рис. 9).
Рис. 9. Таблица цветов
В некоторых случаях вместо сопротивления используют обычные перемычки. Считается что у них нулевое сопротивление. Вместо перемычек иногда устанавливают резистор с нулевым сопротивлением (по сути та же перемычка, только адаптирована под размеры резистора). На корпус такого сопротивления наносят 1 чёрную полоску.
Маркировка SMD-резисторов
Сопротивления, предназначенные для поверхностного монтажа маркируют цифрами (см. рис. 10). Кодировка сложна для запоминания. В ней учитывается количество цифр и их позиции. Цифрами кодируют типоразмеры изделий и значения основных параметров. Для расшифровки кодов данного типа маркировки существуют справочные таблицы или калькуляторы.
Рис. 10. Цифровая маркировка
Код на рисунке расшифровывается так: номинальное сопротивление 120×10 6 Ом (последняя цифра показывает количество нулей, то есть степень числа 10). Резистор из ряда Е96 с допуском 1%, типоразмер 0805 либо 1206 (значения, выделенные курсивом, определяются по справочнику).
Обозначение на схемах
Традиционно резисторы на схемах обозначают в виде прямоугольника (по ГОСТ 2.728-74) или ломаной линии (рис. 12 — в основном на схема западного образца). В прямоугольнике иногда указывают мощность, используя для этого условные обозначения в виде вертикальных, косых или горизонтальных чёрточек (см. рисунок ниже):
Возле значка проставляют букву R и номинал резистора.
Рис. 12. Обозначение на схемах
В отличие от постоянных деталей, обозначение переменных резисторов имеет особенность: над прямоугольником добавляется стрелка, указывающая, что в конструкции детали есть скользящий контакт (бегунок).
Например, УГО потенциометра выгляди так:
Характеристики и параметры
Пределы границ сопротивлений для деталей общего назначения находятся в промежутке от 10 Ом до 10 МОм. Для таких компонентов номинальная мощность рассеивания составляет 0,125 – 100 Вт.
Сопротивление высокоомных деталей составляет порядка 10 13 Ом. Такие изделия применяются в измерительных устройствах, предназначенных для малых токов. Величины номинальных мощностей на корпусах таких компонентов могут не указываться. Рабочее напряжение от 100 до 300 В.
Класс высоковольтных деталей предназначен для работы под напряжением 10 – 35 кВ. Их сопротивление достигает 10 11 Ом.
Для высокочастотных резисторов важен номинал рабочей частоты. Они способны работать на частотах свыше 10 МГц. Высокочастотные токи сильно нагревают детали. При интенсивном охлаждении номинальные мощности таких компонентов достигают величин 5, 20, 50 кВт.
В точных измерительных и вычислительных устройствах, а также в релейных системах применяются прецизионные резисторы. Они обладают высокой стабильностью параметров. Мощность рассеивания у таких деталей не превышает 2 Вт, а номинальное сопротивление лежит в пределах 1 – 10 6 Ом.
Кроме основных характеристик иногда важно знать уровень напряжений шума, зависимость сопротивления реальных резисторов от нагревания (температурный коэффициент сопротивления) и некоторые другие.
Соединение резисторов
Сопротивления можно соединять двумя способами – параллельно либо последовательно.
Для расчета последовательно и параллельно соединенных резисторов удобно воспользоваться нашими калькуляторами: