Учебное пособие 2130

тивления резистора. Ее характеризуют минимально различимым изменением сопротивления резистора при весьма малом перемещении подвижного контакта. Количественно разрешающую способность выражают отношением скачка сопротивления или напряжения при перемещении (повороте) подвижного контакта к общему сопротивлению или к общему напряжению и рассчитывают, как правило, в процентах или в тысячных долях напряжения, подводимого к резистору.

У непроволочных резисторов разрешающая способность очень высокая и лимитируется дефектами резистивного эле-

резисторов зависит от числа витков проводящего элемента и определяется как изменение сопротивления (или напряжения) при перемещении подвижного контакта на один виток. Часто разрешающую способность выражают в угловых величинах.

Угловая разрешающая способность — это тот угол, на который должен переместиться подвижный контакт, чтобы перейти с витка на виток (угловой градус обмотки).

Угловая разрешающая способность y при равномерном

где — угол поворота подвижной системы в пределах угла намотки резистивного элемента;

n— число витков.

Иными словами, угловая разрешающая способность показывает, какая часть угла приходится на один виток обмотки.

Рабочий электрический угол в отличие от механического угла (от упора до упора) представляет собой угол поворота

41

подвижной системы, в пределах которого происходит изменение сопротивления (напряжения) и обеспечивается получение заданной характеристики. Как известно, часть витков на концах обмотки оказывается вне зоны активного участка. Поэтому и существует разница между рабочим электрическим и механическим углами.

При перемещении подвижного контакта с витка на виток величина наименьшего приращения выходного напряженияUâûõ равна Uâõ /n, где Uâõ— рабочее или входное напряжение, подводимое к резистору, n — число витков. Тогда так называемая электрическая разрешающая способность, выраженная в процентах, будет равна

Uâõ nUâõ n

Отсюда видно, что разрешающая способность обратно пропорциональна числу витков обмотки. Чем больше витков содержит резистивный элемент, тем выше разрешающая способность, меньше скачки напряжения и выше точность воспроизведения функциональной характеристики.

Разрешающая способность переменных проволочных резисторов общего применения находится в пределах от 0,1 до 3%, а прецизионных — до тысячных долей процента.

Для переменных резисторов с выключателем введено понятие «угол срабатывания выключателя» — угол поворота подвижной системы от упора (в положении «выключено») до положения, при котором происходит срабатывание выключателя.

1.5.3.3. Шумы скольжения (вращения)

При работе переменного резистора в динамическом режиме, когда подвижный контакт перемещается по контактной дорожке резистивного элемента, появляются нежелательные

42

флюктуации выходного напряжения (шумы скольжения), вызываемые либо изменениями переходного сопротивления между подвижным контактом и резистивным элементом, либо мгновенным прерыванием контакта из-за «подскакивания» подвижною контакта, когда он перескакивает с одного витка на другой. Иными словами, шумы скольжения определяют качество контактирования.

Причинами шума проволочных резисторов могут быть также замыкание соседних витков подвижным контактом при его перемещении, ступенчатый характер изменения сопротивления, нагрев подвижного контакта и проволоки обмотки и возникновение термо-ЭДС, разнородность металлов контактной пары и т. д.

Уровень шумов скольжения значительно превышает уровень тепловых и токовых шумов в резисторе и достигает от 30 до 40 дБ.

1.5.3.4. Момент трогания и момент вращения

Момент трогания подвижной системы переменного резистора определяется как минимальный момент, необходимый для обеспечения начала перемещения подвижной системы. Момент трогания показывает, какая механическая мощность необходима для приведения в движение вала резистора.

Момент вращения определяется как минимальный момент, необходимый для обеспечения непрерывного перемещения подвижной системы после начала ее перемещения.

Значения моментов трогания и вращения определяются массой и способом крепления элементов подвижной системы, а также контактным давлением. С уменьшением массы момент уменьшается. Иначе обстоит дело с контактным давлением. Устанавливая определенное давление, приходится удовлетворять двум противоречивым требованиям:

- контактное давление должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить надежный электрический контакт между скользящим контактом и резистивным элементом;

43

- контактное давление должно быть достаточно малым для получения малых моментов и высокой износоустойчивости.

Значения моментов трогания и вращения для разных типов переменных резисторов лежат в пределах от единиц до сотен грамм-сантиметров и более.

1.5.3.5. Износоустойчивость

Под износоустойчивостью понимают способность резистора сохранять свои параметры (противостоять изнашиванию) при многократных перемещениях подвижной системы. Износоустойчивость зависит от многих причин, но в основном определяется материалом и формой подвижного контакта и резистивного элемента и контактным давлением. На износоустойчивость оказывают влияние также конструкция подвижной системы, скорость вращения и т. п.

При вращении подвижной системы происходит износ как самого резистивного элемента, так и подвижного контакта. Этот процесс износа тем интенсивнее, чем больше контактное усилие. Отсюда следует, что для повышения износоустойчивости и увеличения срока службы необходимо уменьшить контактное давление. Но это требование вступает в противоречие с требованием снижения шумов вращения и повышения стойкости к механическим нагрузкам. Так как одновременно удовлетворить оба эти требования практически невозможно, то необходимо выбирать оптимальное контактное давление и наиболее износоустойчивые контактные пары.

Количественно износоустойчивость оценивается максимально допустимым числом поворотов (или циклов) подвижной системы, при достижении которого параметры резистора еще остаются в пределах норм.

Для прецизионных резисторов, работающих в следящих системах, характерны низкие контактные давления и соответственно малые моменты вращения. Их износоустойчивость достигает величины от 105 до 107 поворотов, но при этом виб-

44

рационная и ударная стойкость ниже, чем у резисторов общего применения,

Регулировочные резисторы общего применения обладают хорошей механической стойкостью, но их износоустойчивость сравнительно низкая и лежит в пределах от 5000 до 20 000 поворотов.

Для подстроечных резисторов, поскольку они используются для разовых регулировок, высокая износоустойчивость не требуется. Число циклов перемещений подвижной системы для них не превышает 1000.

1.5.3.6. Начальный скачок сопротивления

На начальном участке функциональной характеристики при перемещении подвижной системы сопротивление резистора резко изменяется.

Начальным скачком сопротивления называют его величину, начиная с которой сопротивление резистора плавно изменяется по функциональному закону. Его выражают в процентах от максимального сопротивления резистора ( от 2 до

7%).

1.5.3.7. Начальное сопротивление

Принято цифрой 1 обозначать вывод, у которого останавливается скользящий контакт при вращении подвижной системы против часовой стрелки до упора; цифрой 3 — противоположный вывод и цифрой 2 — вывод от скользящего контакта.

Минимальным (начальным) сопротивлением резистора называют его величину (в Омах) между выводами 1 и 2 при установке подвижной системы в крайнее (против часовой стрелки) положение. В непроволочных резисторах его величина составляет обычно от 50 до 200 Ом; в проволочных оно может быть очень мало.

1.5.3.8. Диапазон регулирования

Отношение полного сопротивления резистора к минимальному называют диапазоном регулирования и выражают его в децибелах

Этот параметр важен для регуляторов громкости, так как определяет диапазон ее изменения (от 40 до 60 дБ).

1.6.Резисторы специального назначения

Взависимости от вида вольт-амперной характеристики резисторы подразделяются на линейные и нелинейные.

Кнелинейным резисторам относится широкий класс приборов, принцип действия которых основан на использовании свойств ряда полупроводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление (в отличие от линейных) под воздействием различных управляющих факторов: температуры (терморезисторы - термисторы, позисторы), электрического поля (варисторы), электромагнитного и теплового излучения (фоторезисторы, болометры), магнитного поля (магниторезисторы), состав газа (газорезисторы) [4] .

Впоследнее время их стали относить к управляемым полупроводниковым резисторам. Иными словами, это элементы, чувствительные к воздействию определенного управляющего фактора.

1.6.1.Варисторы

Варисторы — полупроводниковые резисторы с нелинейной ВАХ, значительно изменяющие свое электрическое сопротивление при изменении подаваемого на них напряжения, т.е.

их сопротивление зависит от напряженности электрического поля [15].

Зависимость сопротивления от напряжения наблюдается у ряда окислов и сульфидов металлов, диборита титана, карбида кремния и у многих материалов сложного состава. Для изготовления варисторов чаще применяют технический карбид кремния (SiC) различных аллотропических модификаций в виде порошка, смешанного со специальным связующим диэлектрическим веществом (связкой). В качестве связки применяют керамику, жидкое стекло, кремнийорганические лаки и другие материалы.

Варисторы на основе карбида кремния имеют невысокий коэффициент нелинейности от 5 до 7 единиц, поэтому в настоящее время для изготовления варисторов применяется оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью, величина которой составляет от 50 до 70 единиц.

Рабочая область варистора (рис. 1.21) состоит из поликристаллов карбида кремния или другого полупроводника, разделённых диэлектрической связкой.

Рис. 1.21. Структура рабочего тела варистора:

1- электроды; 2 - зёрна карбида кремния, 3 - связующий материал

47

Под действием приложенного напряжения в локальных местах соприкосновения отдельных зёрен карбида кремния (точечных контактах) или в оксидных плёнках на поверхности зёрен развиваются тепловые эффекты или эффекты сильного поля (лавинный или туннельный пробой). При увеличении плотности тока и выделяемой мощности возможен переход эффектов сильного поля в тепловые. Из–за нерегулярности площадей и сопротивлений контактов зерен, варистор обладает нелинейной и, практически, симметричной ВАХ (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Симметричная ВАХ варистора

Вольт-амперная характеристика варисторов описывается приближенным уравнением для узкого диапазона токов и напряжений

где B— постоянный коэффициент;— коэффициент нелинейности.

48

Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов - разогрева и охлаждения этих областей (постоянная времени τ составляет от 10-6 до 10-8 с). Поэтому варисторы практически безынерционны: при увеличении напряженности электрического поля у них практически сразу же уменьшается сопротивление. Вследствие этого варисторы могут использоваться до частоты 500 кГц.

По характеру изменения сопротивления варисторы подразделяются на постоянные и переменные. По конструкции корпуса они выполняются цилиндрическими, стержневыми и дисковыми. Внешний вид некоторых варисторов представлен на рис. 1.23.

.

Рис. 1.23. Внешний вид некоторых варисторов

Варисторы применяются для защиты различных элементов электронной аппаратуры от периодических и случайных коммутационных напряжений, а также предохранения от износа контактов и искрогашения, защиты контактов от разруше-

49

ния в момент размыкания цепей с индуктивными элементами (варистор включается параллельно контактам или источнику превышения напряжения и играет роль нелинейного шунта), защиты межвитковой изоляции обмоток от коммутационных превышений напряжений в электромагнитных устройствах, ограничения напряжения на первичной обмотке трансформатора в каскадах кадровой развертки телевизионных систем (варисторы шунтируют обмотку трансформатора), защиты элементов и устройств РЭА и средств автоматики, связи от превышений напряжений, обусловленных грозовыми разрядами, коммутационными процессами и внешними электромагнитными полями.

Варисторы характеризуются рядом специфических параметров. Основными характеристиками и параметрами варисторов являются [29]:

- статическое сопротивление, т.е. сопротивление при определенном значении приложенного напряжения (Uêë ) - классифи-

кационном напряжении (обычно Uêë указывают при токе

1мА);

-динамическое сопротивление

- отношение двух вышеприведенных величин называется коэффициентом нелинейности в данной точке ВАХ, в широком диапазоне напряжений

где В - константа; - рабочее напряжение (для постоянного тока и переменно-

го);

50

- диапазон от нескольких вольт до нескольких десятков

кВ:

-рабочий ток от 0,1 мА до 1 А;

-максимальный импульсный ток;

-поглощаемая энергия, Дж;

-максимальное напряжение ограничения - это максимальное напряжение между выводами варистора в течение длительности импульса тока (0,4 мкс - предполагается, что это грозовой импульс);

-допускаемая мощность рассеивания - характеризует возможность рассеивать поглощаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора;

-ток перегрузки - максимальный пиковый ток варистора при изменении напряжения варистора на 10% при стандартном импульсе тока (0,4 мкс) приложенный один или два раза с интервалом 5 мин;

-температурные коэффициенты статического сопротивления, напряжения и тока. В связи с нелинейностью ВАХ различают температурные коэффициенты статического сопротивления варистора, измеренные при постоянных напряжении или токе, а также температурные коэффициенты напряжения и тока;

-частотные свойства варисторов могут определяться либо инерционностью процессов, приводящих к нелинейности ВАХ, либо собственной емкостью варистора. Инерционность разогрева и охлаждения активных областей под точечными контактами между кристаллами очень мала. Поэтому частотные свойства варисторов определяются временем перезаряда их собственной емкости [30];

-коэффициент защиты варистора - это отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (т.е. к классификационному напряжению). Коэффи-

51

циент защиты характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения. Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент находится в диапазоне от 1,4 до 1,6.

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А, а высоковольтные варисторы - на рабочее напряжение до 20 кВ.

1.6.2. Терморезисторы

Терморезистор это линейный и нелинейный резистор, сопротивление которого значительно зависит от температуры. Таким свойством обладают и металлы, и полупроводники [16].

Линейные терморезисторы из платины, меди и других металлов изготавливают в форме проволоки диаметром от 0,04 до 0,08 мм, бифилярно намотанной на изоляционный каркас и помещенной в герметический корпус. Такие терморезисторы имеют небольшой температурный коэффициент сопротивления (4 ·10-3 К-1) и значительные габаритные размеры.

Нелинейные терморезисторы на основе полупроводников имеют достаточно большое сопротивление, по сравнению с металлическими, меньшие габаритные размеры (десятые доли миллиметра) и в от 10 до 20 раз больший ТКС. Они проще по конструкции и надежнее в эксплуатации. Поэтому полупроводниковые терморезисторы имеют более широкое применение.

С ростом температуры сопротивление металла увеличивается, что объясняется увеличением рассеяния свободных электронов на различных дефектах кристалла. Поэтому температурный коэффициент сопротивления металлических терморезисторов положительный.

Большинство полупроводниковых терморезисторов имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (термисторы) за счет генерации дополнительного числа электронов и дырок с ростом температуры.

52

Температурная зависимость сопротивления является основной характеристикой терморезистора, в значительной мере определяющей остальные характеристики этих изделий. Характер изменения сопротивления при этом определяется температурной зависимостью удельного сопротивления терморезистора. Сопротивление многих типов терморезисторов с отрицательным ТКС в интервале температур в несколько десятков градусов (рис. 1.24,а) изменяется по экспоненциальному закону [9]

где А и В — постоянные, характеризующие материал и конструкцию, для данного типа резистора,

Т — температура в градусах Кельвина. Позистором называется терморезистор с положительным

ТКС. Для позисторов (рис. 1.24,б) зависимость сопротивления от температуры имеет вид [9]

где — ТКС при температуре Т.

Рис. 1.24. Температурные зависимости сопротивления терморезисторов с отрицательным (а) и (б) положительным

ТКС

53

Важной характеристикой полупроводниковых терморезисторов является их статическая вольтамперная характеристика. ВАХ таких терморезисторов - нелинейные. Они представляют собой зависимости протекающего через терморезистор тока от приложенного напряжения в условиях теплового равновесия между ним и внешней средой [21].

Вид нелинейной статической ВАХ (рис. 1.25) зависит от сопротивления термочувствительного элемента, его конструкции, габаритных размеров, степени тепловой связи с окружающей средой и внешней температуры [9].

Рис. 1.25. ВАХ терморезистора

На начальном участке характеристики терморезистора с отрицательным ТКС соблюдается линейная зависимость, так как при малых токах выделяющаяся в термочувствительном элементе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры, сопротивление не меняется, поэтому соблюдается закон Ома. При увеличении тока нагрев становится заметным, сопротивление терморезистора начинает уменьшаться и крутизна характеристики снижается. Достигнув некоторого максимального значения, падение напряжения на терморезисторе при дальнейшем росте тока начинает уменьшаться.

54

Терморезисторы классифицируют по характеру ТКС (отрицательный или положительный), по способу защиты (изолированные, неизолированные, герметизированные, негерметизированные, незащищенные), по способу подогрева (прямой или косвенный), по конструкции корпуса (стержневые, трубчатые, дисковые, шайбовые, пластинчатые, прямоугольные, бусинковые, в корпусах транзисторов или вакуумных ламп), а также по назначению.

Терморезисторы применяются для измерения и регулирования температуры, температурной компенсации различных элементов электрических цепей, в схемах стабилизации напряжения, уровня сигнала на выходе усилителя и других целей. В зависимости от этого они делятся на следующие группы:

-терморезисторы для измерения и регулировки темпера-

туры;

-термокомпенсаторы;

-терморезисторы для теплового контроля;

-терморезисторы для стабилизации напряжения;

-измерительные терморезисторы (термисторы), в частности, болометры (для индикации и измерения теплового излучения).

Терморезисторы могут быть с прямым подогревом (за счет протекающих через них токов) или с косвенным подогревом (за счет специального подогревающего элемента).

Конструктивно рабочий элемент терморезистора делается в виде пластин, стержней, трубок, шариков или проволоки для металлических терморезисторов. Рабочий элемент защищается влагостойким покрытием, стеклянным, металлическим или металлостеклянным герметичным корпусом.

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливают на основе медномарганцевых (ММТ и СТЗ), кобальтомарганцевых (КМТ и СТ1) и медно-кобальто-марганцевых (СТЗ) оксидных полупроводников.

По конструктивному исполнению терморезисторы можно разделить на следующие типы [9]:

55

-в виде цилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1,

КМТ-4, ММТ-4) от 3 до 40 мм (рис. 1.26,а);

-в виде дисков (СТ1-17, СТЗ-17, СТ5-1) диаметром от 2,5

до 18 мм (рис. 1.26,б);

в виде миниатюрных бусинок (СТ1-18, СТ1-19 и др.) от

0,1 до 1 мм (рис. 1.26,в);

Рис. 1.26. Внешний вид терморезисторов различной конструкции

К основным параметрам терморезисторов (ТР) относятся следующие.

Номинальное сопротивление RÍ — электрическое со-

противление, значение которого обозначено на ТР или указано в нормативной документации, измеренное при определенной температуре окружающей среды (для большинства типов ТР при 20 °С).

Температурный коэффициент сопротивления ТКС — так же как и в обычных линейных резисторах характеризует обратимое изменение сопротивления на один градус Кельвина или

Для терморезисторов с отрицательным ТКС

то есть, зная постоянную B, можно определить Ò для любой температуры.

Максимально допустимая мощность рассеяния

наибольшая мощность, которую длительное время может рассеивать ТР, не вызывая необратимых изменений характеристик, при этом его температура не должна превышать максимальной рабочей температуры.

Коэффициент температурной чувствительности B — определяет характер температурной зависимости данного типа ТР. Этот коэффициент наиболее известен как постоянная B, зависящая от физических свойств полупроводникового материала, из которого выполнен термочувствительный элемент.

Постоянная времени — характеризует тепловую инерционность. Она равна времени, в течение которого температура ТР изменяется на 63 % при перенесении его из воздушной среды с температурой 0°С в воздушную среду с температурой 100 °С. Типичное значение постоянной времени от 0,5 до

130 с.

1.6.3. Магниторезисторы

Магниторезисторы — полупроводниковые резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля [9].

Действие таких резисторов основано на использовании магниторезистивного эффекта, который заключается в изменении сопротивления резистора при внесении его в магнитное поле. Регулируя напряженность управляющего магнитного поля или перемещая резистор в поле постоянного магнита, можно управлять сопротивлением. Наиболее сильно магниторези-

57

стивный эффект проявляется в полупроводниковых материалах, при этом относительное изменение сопротивления может достигать 10 000 раз и больше.

Их используют в регуляторах громкости высококачественной радиоаппаратуры, в качестве датчиков угла поворота в специальных устройствах автоматики и т. п.

Основной характеристикой магниторезистора является зависимость его сопротивления от индукции воздействующего магнитного поля. Качественно магниторезистивный эффект можно объяснить следующим образом. При отсутствии магнитного поля В носители заряда в полупроводнике движутся прямолинейно между двумя столкновениями вдоль электрического поля Е. Если приложено магнитное поле В, то траектория носителей изменяется и представляет циклоиду, а столкновения носителей будут происходить чаще, так как время и длина свободного пробега носителей уменьшится. А это равносильно уменьшению скорости дрейфа, или подвижности носителей, и, в итоге, проводимости.

Магниторезистивный эффект зависит не только от направления магнитного поля, но и от размеров и формы образца.

Эффект наиболее ярко выражен у пластин, имеющих форму диска Корбино (рис. 1.27), а также у некоторых сложных конфигураций, например, в форме меандра.

Диск Корбино представляет собой полупроводниковый диск с отверстием в центре и двумя контактами: к внутренней стенке отверстия и к торцу диска. Если плоскость диска перпендикулярна внешнему магнитному полю Ву то тогда при пропускании электрического тока из-за осевой симметрии диска электрическое поле имеет только радиальную составляющую I , а холловское поле отсутствует, из-за чего не происхо-

58

Рис. 1.27. Конструкция диска Корбино

дит частичной компенсации искривления траекторий носителей заряда холловским полем, и относительное изменение сопротивления у диска Корбино оказывается значительно большим, чем у длинной нитевидной формы образца. Например, для полупроводника n-InSb при 300 К и В = 1 Тл относительное изменение сопротивления для нитевидной формы составляет 0,48, а для диска Корбино 17,7.

Следует также отметить, что при увеличении сопротивления элемента в форме диска Корбино, величина относительного изменения сопротивления не стремится к насыщению, что делает возможным использование таких структур для измерения сильных магнитных полей в магнитометрах.

Полупроводниковый магниторезистор состоит из изоляционной подложки толщиной от 0,1 до 0,5 мм, на которую наклеена пластина толщиной около 20 мкм. К полупроводниковой пластине подпаиваются или привариваются токоподводы. Для увеличения активного сопротивления и уменьшения габаритов магниторезисторов полупроводниковая пластина изготавливается в форме меандра. Такая конструкция магниторезистора представлена на рис. 1.28.

59

Рис. 1.28. Магниторезистор с полупроводниковой пластиной в форме меандра

При такой конструкции можно путем изменения геометрических размеров меандра и путем выбора полупроводникового материала варьировать сопротивлением магниторезистора при отсутствии магнитного поля в широких пределах - от десятых долей Ом до десятков кОм.

Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как:

-номинальное сопротивление;

-магнитная чувствительность;

-рабочий ток;

-термостабильность;

-быстродействие;

-диапазон рабочих температур.

Основным параметром магниторезисторов является начальное сопротивление R0 при отсутствии магнитного поля

(B= 0).

Для оценки магниторезисторов используется магниторезистивное отношение RB /R0 представляющее собой отноше-