REZISTOARE LINIARE FIXE

1. Scopul lucrarii: Cunoasterea structurii constructive a diverselor tipuri de rezistoare, a parametrilor caracteristici si realizarea unor masuratori specifice.

2. Notiuni teoretice: Rezistorul este o componenta electronica pasiva, cu caracter predominant rezistiv pina la o anumita frecventa. Rezistenta, parametru esential al rezistorului, reprezinta raportul dintre tensiunea de la bornele sale si curentul ce strabate rezistorul.

Rezistoarele pot fi liniare sau neliniare, fixe sau variabile. In prezenta lucrare se studiaza rezistoarele fixe liniare, care prezinta o caracteristica U(I) liniara si valoarea rezistentei nu poate fi modificata in timpul utilizarii rezistorului.

Unitatea de masura a rezistentei este ohmul (1W = 1V / lA) cu multiplii si submultiplii sai:

mW W, 1mW W, 1kW W, 1MW W, 1GW W

2.1 Parametrii rezistoarelor

Rezistenta nominala R_n, reprezinta valoarea rezistentei rezistorului dorita a se obtine in procesul de fabricatie si este inscrisa pe corpul rezistorului. Valorile nominale sunt standardizate international si sunt prezentate in anexa 13.

Toleranta t[%], reprezinta abaterea maxima relativa a valorii reale R a rezistentei fata de valoarea nominala R_n. Se poate determina cu relatiile:

, toleranta pozitiva, (1)

, toleranta negativa, (2)

(3)

unde R reprezinta valoarea reala a rezistentei rezistorului.

Valorile tolerantelor sunt standardizate si sunt prezentate in anexa A1. Toleranta t reprezinta toleranta rezultata in procesul de fabricatie. Atit P_n cit si t se masoara la temperatura camerei (20⁰ sau 25C).

Intervalul de temperatura maxim, [ T_m, T_M ], constituie domeniul maxim al valorilor temperaturii in care poate fi utilizat rezistorul T_m, respectiv T_M, reprezinta temperatura minima, respectiv maxima la care poate ajunge orice punct al rezistorului in timpul functionarii.

Puterea nominala P_n[W], este puterea maxima la care poate fi supus un rezistor la o functionare indelungata intr‑un mediu ambiant cu temperatura egala cu temperatura nominala T_N. Este data de relatia:

(4)

Coeficientul de disipatie termica D[W/C];

Rezistenta termica R_t[C/W], caracterizeaza transmisia caldurii de la elementul rezistiv la mediul ambiant. Relatia de determinare rezulta din (1.4):

(5)

Temperatura nominala T_N [C], reprezinta temperatura maxima a mediului ambiant in care poate functiona un rezistor un timp indelungat fiind solicitat la puterea nominala P_n.

Puterea admisibila P_a[W], este puterea maxima la care poate fi solicitat un rezistor la o functionare indelungata intr‑un mediu ambiant cu temperatura T_a I[T_m ,T_M].

Se determina cu relatiile:

P_a = P_n, pentru T_a £ T_N

(6)

Tensiunea maxima (limita) V_M [V], reprezinta tensiunea maxima ce poate fi aplicata la bornele unui rezistor la functionare indelungata, fiind limitata din considerente de strapungere dielectrica.

Tensiunea nominala V_n[V], reprezinta tensiunea maxima ce poate fi aplicata la bornele unui rezistor de valoare nominala R_n si care este solicitat la puterea nominala P_n la o functionare indelungata.

(7)

Rezistenta critica R_c[ W ], este acea valoare a rezistentei unui rezistor caruia i se aplica la borne tensiunea maxima V_M si este solicitat la puterea nominala P_n.

(8)

Coeficientul de variatie cu temperatura a_R, [ppm/C], exprima abaterea relativa a rezistentei rezistorului la modificarea temperaturii. Se defineste cu relatia:

(9)

Rezistenta rezistoarelor are o variatie liniara cu temperatura, rezultind in acest caz:

(10)

unde: DR este variatia valorii rezistentei R₀ la variatia temperaturii corpului sau cu 1C.

Factorul de zgomot F [mV/V], reprezinta raportul dintre valoarea medie a tensiunii de zgomot ce apare la bornele rezistorului la aplicarea unei tensiuni continue de 1 V.

Elemente reactive parazite L, C

Orice rezistor prezinta elemente reactive de tip inductanta si capacitate ce depind de structura constructiva a rezistorului. Schema echivalenta a rezistorului cu valoarea rezistentei R la frecventa inalta este data in figura 1.

Fig.1 Schema echivalenta a unui rezistor.

2.2 Structura constructiva a rezistoarelor

Rezistoarele prezinta in general o structura constructiva conform figurii 2.

Fig.2 Structura constructiva a rezistorului.

Principala clasificare a rezistoarelor fixe liniare o constituie tehnologia de realizare a elementului rezistiv, diferentiindu‑se din acest punct de vedere rezistoarele peliculare, bobinate si de volum. Cele mai utilizate sunt rezistoarele peliculare, al caror element rezistiv este o pelicula rezistiva cu grosimi de la mm la sute mm. Se disting mai multe tipuri si anume: pelicula de carbon, pelicula metalica, glazura metalica, pelicula obtinuta prin tehnologia straturilor groase, pelicula obtinuta prin tehnologia straturilor subtiri.

Rezistoarele cu pelicula de carbon prezinta o structura conform figurii 3.

Fig.3 Structura constructiva a rezistoarelor

cu pelicula de carbon.

Conform figurii 3 rezistorul cu pelicula de carbon are urmatoarele parti constituente:

1 ‑ suportul izolant, sub forma cilindrica de diverse dimensiuni in functie de puterea nominala a viitorului rezistor. Se realizeaza din materiale ceramice.

2 ‑ elementul rezistiv, o pelicula de carbon depusa prin piroliza pe suportul izolant. Pentru cresterea valorii rezistentei, pelicula rezistiva, initial sub forma cilindrica, se fileteaza cu discuri abrazive, rezultind in final un element rezistiv spiralat cu efecte asupra cresterii inductantei si capacitatii parazite a viitorului rezistor.

3 ‑ o pelicula de nichel depusa electrochimic la capetele suportului izolant, in scopul realizarii conexiunii terminal ‑ element rezistiv.

4 ‑ zona de lipire, ce realizeaza conexiunea terminalului la pelicula de Ni. Se realizeaza prin lipire cu aliaj Sn-Pb.

5 ‑ terminal, din Cu cositorit, sub forma cilindrica de diverse diametre.

6 ‑ elementul de protectie realizat dintr‑un lac termorezistent.

Structura constructiva prezentata in figura 3.a corespunde rezistoarelor cu pelicula de carbon cu PnI[0,25;2] W. Cele cu puterea nominala de 0,125 W, au structura constructiva din figura 3.b, diferind doar prin zona de contactare si anume terminalul se sudeaza la un capacel de Ni(7), iar acesta la pelicula de Ni(3).

Rezistoare cu pelicula de Ni

Rezistoarele cu pelicula de carbon depusa prin piroliza se pot obtine numai pentru Rn > 330 W. Pentru completarea seriilor de valori pina la 1 W, se utilizeaza rezistoarele cu pelicula de nichel depusa chimic pe suprafata suportului izolant. Structura constructiva a acestor rezistoare este asemanatoare cu cea prezentata in figura 3, singura diferenta fiind doar elementul rezistiv realizat din pelicula de nichel.

Rezistoarele cu glazura metalica au structura constructiva prezentata in figura 4.

Fig.4 Structura constructiva a rezistorului cu glazura metalica.

Conform figurii 4, rezistorul cu glazura metalica este alcatuit din urmatoarele elemente:

1 ‑ suportul izolant este realizat din alumina, un material cu o mare rezistenta mecanica, ceea ce permite obtinerea lui sub o forma aproape plana, grosimea fiind relativ mica, iar celelalte dimensiuni sunt proportionale cu puterea nominala a viitorului rezistor.

2 ‑elementul rezistiv, format dintr‑o pelicula obtinuta prin depunerea serigrafica a unei paste rezistive. Este de forma dreptunghiulara sau palarie. Dupa depunerea serigrafica, tratament termic si alte operatii tehnologice, pelicula rezistiva se ajusteaza la valoarea dorita cu ajutorul unui praf abraziv, adica se inlatura o anumita portiune din pelicula pina cind se obtine valoarea nominala cu toleranta dorita.

Aceasta ajustare are uneori ca efect obtinerea peliculei sub forma de semispirala ceea ce influenteaza comportarea in frecventa a viitorului rezistor.

3‑ pelicula de Ag‑Pd, depusa serigrafic in scopul conectarii terminalului la elementul rezistiv.

4 ‑ ambaza, o placuta de pertinax, utilizata in scopul cresterii rezistentei mecanice a rezistorului. Nu toate rezistoarele sunt prevazute cu ambaza.

5 ‑ terminal din cupru cositorit, cu diametru de 0,64 mm.

6 ‑ element de protectie din rasina termodura.

Terminalele se conecteaza la pelicula de Ag‑Pd prin lipire.

O structura similara prezinta rezistoarele de inalta tensiune si retelele rezistive (la acestea sunt evidente deosebirile ce rezulta conform numarului de rezistente continute de retea).

Rezistoarele bobinate se obtin prin bobinarea unui conductor de inalta rezistivitate (aliaje Cr‑Ni, Cu‑Ni) pe un suport izolant sub forma cilindrica. Constructiv prezinta o mai mare diversitate, putandu‑se clasifica astfel: cimentate, in corp ceramic si glazurate.

Rezistoarele bobinate cimentate prezinta structura constructiva din figura 5

Fig.5 Structura constructiva a rezistorului bobinat cimentat.

Conform figurii 5, rezistorul bobinat cimentat este constituit din:

1 ‑ suportul izolant, realizat din fibra de sticla, sub forma cilindrica, de diverse dimensiuni in functie de puterea nominala a viitorului rezistor.

2 ‑ elementul rezistiv, obtinut prin infasurarea unui conductor de Cr‑Ni pe suportul izolant.

3 ‑ capacelul de Ni, prin intermediul caruia se conecteaza terminalul la elementul rezistiv. Terminalul este sudat de capacel, iar conexiunea capacel‑element rezistiv se realizeaza prin strangere.

4 ‑ terminal realizat din Cu cositorit.

5 ‑ elementul de protectie realizat din ciment siliconic.

Fig.6 Rezistor bobinat in corp ceramic.

In fig.6 este data structura constructiva a unui rezistor bobinat in corp ceramic, in care:

1 ‑ suport izolant din fibra de sticla

2 ‑ elementul rezistiv obtinut prin bobinarea unui conductor de inalta rezistivitate.

3 ‑ ciment siliconic pentru rigidizarea elementului rezistiv (protectie impotriva vibratiilor).

4 ‑ capacel de Ni, avind acelasi rol ca si la rezistorul bobinat cimentat.

5 ‑ terminal

6 ‑ nisip cuartos, cu ajutorul caruia se umple spatiul din interiorul corpului ceramic dupa introducerea tronsonului rezistiv, pentru imbunatatirea conductiei termice.

7 ‑ corp ceramic avind dublu rol, pentru protectia rezistorului impotriva factorilor externi si scaderea rezistentei termice de convectie. Poate avea sectiunea circulara, patrata, sau profilata, de diverse dimensiuni, in functie de puterea nominala a rezistorului.

8 ‑ ciment pentru etansarea la capete a rezistorului.

Rezistoarele bobinate glazurate sint de puteri mari (ajung la sute de W) si sunt prezentate in figura 7.a. Suportul izolant este tubular din ceramica, pe care se bobineaza elementul rezistiv. Terminalele radiale sint realizate din coliere plate la care se pot atasa cabluri litate flexibile cu papuci la capete. Sint protejate cu glazura.

Asemanator acestor rezistoare, sint realizate si rezistoare de putere cimentate, care difera doar prin protectia ce se realizeaza din ciment siliconic (vezi figura 7.b).

Fig.7 Rezistoare bobinate de mare putere

Rezistoarele pentru montarea pe suprafata (tip SMD), au o structura constructiva conform figurii 8.

Fig.8 Structura constructiva a unui rezistor de tip SMD cu pelicula groasa.

1 ‑ suport izolant

2 ‑ pelicula rezistiva

3 ‑ pelicula de Ag‑Pd.

4 ‑ capacel de Ni.

5 ‑ strat de aliaj de lipit (Pb 60%, Sn 40%).

6 ‑ pelicula de lac electroizolant.

2.3 Codificarea rezistoarelor

Rezistoarele sunt caracterizate de un cod specific tuturor componentelor electronice. Cele de productie romaneasca au codul de forma:LLLCCCC, in care L reprezinta o litera si C o cifra.

Partea literala a codului (LLL) este puternic dependenta de tipul elementului rezistiv al rezistorului, iar partea cifrica (CCCC) de puterea nominala.

Citeva exemple, concludente in acest sens, sunt prezentate in tabelul 1

Tabelul 1

2.4 Marcarea rezistoarelor

Pe corpul oricarui rezistor se inscriptioneaza o parte din parametrii ce il caracterizeaza.

Rezistenta nominala se marcheaza pe corpul oricarui rezistor, utilizindu‑se fie codul culorilor (prezentat in anexa 13), fie marcarea in clar, cand pe corpul rezistorului nu se marcheaza simbolul W ci numai cifrele corespunzatoare valorii; pentru valori mari, de ordinul KW sau MW, in locul virgulei se pune ordinul de multiplicare K, respectiv M. In tabelul 2 sunt prezentate citeva exemple.

Tabelul 2

Toleranta se marcheaza pe corpul oricarui tip de rezistor, utilizindu‑se marcarea in codul culorilor (conform anexei 13), codul literal conform tabelului 3 sau marcarea in clar, cind se inscriptioneaza pe corpul rezistorului valoarea tolerantei cu sau fara simbolul %.

Tabelul 3

Coeficientul de variatie cu temperatura, a_R, se marcheaza pe corpul rezistoarelor la care a_R poate avea mai multe valori. Pentru marcare se utilizeaza codul culorilor (conform anexei 13) sau codul literal:

a pentru 50ppm/ C, b pentru 100ppm/C si c pentru 250 ppm/ C.

Puterea nominala se marcheaza (in clar) numai la rezistoarele bobinate.

Pe corpul unui rezistor cu pelicula de carbon (RCG) sau cu pelicula de Ni (RMG) se marcheaza rezistenta nominala in clar si toleranta in clar sau cod literal. Pe corpul unui rezistor cu glazura metalica (RPM) se marcheaza rezistenta nominala in clar, toleranta in clar si coeficientul de variatie cu temperatura in cod literal. La rezistoarele bobinate se marcheaza rezistenta nominala, toleranta si puterea nominala, toate in clar.

2.5. Influenta tolerantei globale a rezistoarelor asupra parametrilor circuitelor electronice

Valoarea unui rezistor utilizat intr-un circuit electronic poate avea o abatere mai mare sau mai mica fata de valoarea nominala, dependenta de toleranta rezistorului, variatia temperaturii si a coeficientului de variatie cu temperatura precum si alte abateri datorate diversilor factori cum sunt: umiditatea, vibratiile, socurile termice si electrice, etc.

Toate aceste influente pot fi puse in evidenta prin toleranta globala, data de relatia:

unde:

t_g este toleranta globala;

t_f - toleranta de fabricatie;

t_i - toleranta datorata influentei factorului i;

t_T - toleranta datorata variatiei temperaturii ce se determina cu relatia: t_T = a_R D T_max

D T_max=max

unde: T_o = 25C, temperatura la care se masoara valoarea nominala R_n.

T_max, T_min reprezinta temperatura maxima, respectiv minima la care poate ajunge tempearatura unui rezistor functionind intr-un mediu ambiant cu T_a I [T_amin, T_amax] si disipind puterea P.

Considerand un circuit electronic caracterizat de un parametru f, dependent de valorile rezistentelor utilizate in circuit prin relatia:

(12)

Cunoscindu-se tolerantele rezistoarelor se poate determina toleranta parametrului f cu relatia:

(13)

unde t_f este toleranta parametrului f datorata tolerantelor t_i ale rezistoarelor R_i.

Cunoscindu-se coeficientii de variatie cu temperatura a_i ale rezistoarelor R_i, coeficientul de variatie cu temperatura al parametrului f se determina cu relatia:

(14)

3. Desfasurarea lucrarii:

3.1.Cu ajutorul mostrelor existente in laborator se evidentiaza principalele faze de realizare a rezistoarelor cu pelicula de carbon, cu pelicula de nichel, cu glazura metalica si a celor bobinate.

3.2.Se masoara rezistenta rezistoarelor plantate pe montajul a carui vedere frontala este prezentata in figura 9

Fig.9 Schema electrica a montajului pentru masurarea rezistoarelor.

Pentru aceleasi tipuri de rezistoare prezentate in figura 9 se determina parametrii marcati si ceilalti parametri ce caracterizeaza rezistoarele respective cu ajutorul catalogului. Toate datele, atit cele masurate, cit si cele determinate se trec intr‑un tabel de forma celui prezentat in 4.

Tabelul 4

In tabelul 4 s‑a notat cu R_m, valoarea rezistentei masurate si cu t_m toleranta rezultata in urma masurarii si se determina cu relatia:

3.3 Se determina influenta tolerantei de fabricatie a rezistoarelor unui divizor rezistiv, asupra tensiunii divizorului. Se foloseste un montaj realizat conform schemei din figura 10.

Fig.10 Schema electrica pentru determinarea influentei tolerantei

rezistoarelor asupra tensiunii divizorului.

Rezistoarele sunt de tip RCG 1050 si au valorile rezistentei:

R₁ = 18 KW

R₁‑ = 18 KW ‑ 20% = 14,4 KW

R₁+ = 18 KW + 20% = 21,6 KW

R₂ = 3,3 KW

R₂‑ = 3,3 KW ‑ 20% = 2,64 KW

R₂+ = 3,3 KW + 20% = 3,96 KW

Cu ajutorul montajului se pun in evidenta situatiile cele mai dezavantajoase ale tolerantelor t₁ = 20%, respectiv t₂ = 20%, ale rezistoarelor R₁, respectiv R₂, asupra tensiunii divizorului U:

La bornele +, ‑ se conecteaza o sursa de c.c reglind tensiunea sursei U₀ = 10 V. Se masoara tensiunea U cu ajutorul unui voltmetru, pentru diverse conexiuni conform tabelului 5

Tabelul 5

Toleranta t_u se determina cu relatia:

unde U_n reprezinta valoarea tensiunii masurata pentru conexiunile 12-9, 16-13, adica R₁ si R₂ au rezistenta egala cu valoarea nominala.

3.4.Se evidentiaza, cu ajutorul montajului din fig.10, influenta variatiei rezistentei cu temperatura.

4.Intrebari, concluzii:

4.1. Avand in vedere rezultatele obtinute la punctul 3.2 (tabelul 1.4) comparati din punct de vedere al parametrilor tipurile de rezistoare masurate.

4.2. Comparati toleranta masurata t_m cu cea marcata t, conform datelor obtinute in tabelul 1.4. De ce exista diferente intre t_m si t?

4.3. Determinati coeficientii de disipatie termica D, respectiv rezistentele termice de convectie pentru rezistoarele: RCG 2012, RCG 1100, RPM 3012 si RPM 3100. Comparati coeficientii de disipatie termica ai rezistoarelor de acelasi tip, dar de puteri diferite si cei ai rezistoarelor de tipuri diferite, dar de aceeasi putere. De ce exista diferente intre acesti coeficienti?

4.4. Determinati tensiunea nominala U_n a rezistoarelor de tip RMG masurate.

4.5. Determinati puterea admisibila P_a a rezistoarelor de tip RCG 1100 si RPM 3100, considerind ca acestea functioneaza la temperatura de 100C.

4.6. Determinati tolerantele globale ale rezistoarelor de tip RCG si RPM, de valoare maxima dintre cele masurate, considerind ca acestea au tolerantele de fabricatie t = 2,5% si ca functioneaza intr‑un mediu ambiant cu temperatura T_aI[‑10,100]C. De ce toleranta globala a rezistorului de tip RCG este mult mai mare decit cea a rezistorului de tip RPM ? Ce concluzie rezulta din aceasta comparatie ?

4.7. Explicati influenta solutiei constructive asupra elementelor parazite ale tipurilor de rezistoare masurate. Comparati din acest punct de vedere rezistoarele, incercind o aproximare a inductantei si capacitatii parazite.

4.8. Determinati influenta puterii disipate de rezistoarele R₁ si R₂ asupra masuratorilor realizate la punctul 3.3. Refaceti calculele pentru aceleasi conditii dar considerind R₁ = R₂ = 68W

4.9. Determinati coeficientrul de variatie cu temperatura al tensiunii U in functie de coeficientul de variatie cu temperatura ale rezistoarelor R₁ si R₂.

4.10. De ce rezistoarele bobinate se contacteaza prin stringere si nu prin lipire?

4.11. In functie de frecventa semnalului la care este utilizat un rezistor, acesta poate avea:

1) o comportare rezistiva;

2) o comportare inductiva;

3) o comportare capacitiva;

4) realizeaza o amplificare a semnalului.

4.12. Puterea nominala a unui rezistor este dependenta de:

1) tensiunea aplicata la bornele rezistorului;

2) dimensiunile geometrice ale rezistorului;

3) rezistenta nominala;

4) tipul materialului utilizat la realizarea elementului rezistiv.

5. Intrebari suplimentare

a. Explicati influenta elementului rezistiv asupra parametrilor unui rezistor.

b. Explicati influenta elementelor componente ale unui rezistor, realizate din materiale izolante (suportul izolant, elementul de protectie) asupra parametrilor sai.

c. Explicati influenta zonei de contactare asupra parametrilor unui rezistor.

d. Ce influenta are asupra functionarii unui rezistor depasirea puterii nominale? Dar depasirea tensiunii nominale, respectiv a tensiunii maxime?

e. Cum influenteaza functionarea unui rezistor depasirea temperaturii minime?

f. Cum considerati ca este influentata functionarea unui rezistor de socurile termice, respectiv electrice?

6. Continutul referatului

6.1. Datele experimentale, prelucrarea lor, concluzii, interpretari, determinari.

6.2. Raspunsuri la intrebari

Bibliografie

1.Catuneanu V. s.a., Tehnologie electronica, Ed.Didactica si Pedagogica Bucuresti 1984.

2.Svasta P. s.a., Tehnologie electronica, Componente pasive (indrumar de laborator) editura IPB 1990

3.Svasta P. s.a., Componente electronice pasive ‑ probleme, editura IPB,1992

4.x x Rezistoare, catalog IPEE ‑ Curtea de Arges

5. Svasta P. s.a , Componente electronice pasive - Intrebari si raspunsuri, editura UPB, 1996