8.5. Изготовление проволочных резисторов
Постоянные и переменные проволочные резисторы находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, различных системах автоматического управления и регулирования, в электрооборудовании транспортных средств и в измерительной технике. Все элементы конструкций прополочных резисторов выполняются из термостойких материалов, а проводящий элемент защищен от воздействия окружающей среды плотным слоем электроэмали, компаунда, или герметичным чехлом, что обеспечивает безотказную работу резисторов при высоких температурах и повышенной влажности.
Современные проволочные резисторы отличаются высокой стабильностью электрических параметров, малым температурным коэффициентом, незначительным уровнем собственных шумов и повышенной точностью. Однако резисторы этого типа имеют значительные индуктивность и емкость, большие габариты и сравнительно дороги, поэтому по объем у производства они уступают металлопленочным, углеродистым и композиционным резисторам.
Основным элементом проволочных резисторов является тонкая проволока (диаметром в несколько сотых долей миллиметра) из сплавов, обладающих высоким удельным сопротивлением, достаточной механической прочностью, пластичностью и термостойкостью, низким температурным коэффициентом сопротивления.
Основной операцией при изготовлении проволочных резисторов является процесс наматывания проволоки на каркас. Каркасы изготовляют главным образом из пластмассы или керамики в зависимости от допустимой температуры нагрева. При бескаркасном способе изготовления резисторов каркас-оправку, на который наматывают провод, изготовляют разъемным.
Рис. 8.8. Схема перемещения диска по обмотке потенциометра:
1 – движок; 2 – провод; 3 – изоляционный слой (эмаль); 4 – каркас
Проводящий элемент резистора защищают от климатических и механических воздействий стеклоэмалевыми и другими электроизоляционными покрытия ИИ.
Переменные проволочные резисторы широко применяют в радиоэлектронной промышленности для различных регулировочных и подстроечных операций. Каркасы таких резисторов изготавливают из пластмасс, гетинакса, текстолита и керамики, они имеют кольцевую, трубчатую, пластинчатую и стержневую конструкцию с различной формой поперечного сечения.
Проволочные потенциометры применяют для работы и цепях постоянного тока в качестве делителей напряжения или переменных активных резисторов. Они бывают однооборотными и многооборотными.
Проволочный однооборотный потенциометр конструктивно представляет собой устройство из тонкого изолированного провода с высоким омическим сопротивлением, намотанного в один ряд на изолированный каркас. По очищенной от изоляции поверхности провода (дорожке) (рис. 8.8) скользит движок — металлическая ленточка или проволока, изогнутая на конце. Движок делают из упругих материалов; при перемещении по обмотке потенциометра его изогнутый конец касается следующего витка провода прежде, чем сходит с предыдущего, поэтому в момент К.перехода с витка на виток контакт не нарушается. Потенциометр имеет три вывода: два от концов сопротивления и третий — от движка (рис. 8.9, а).
Рис. 8.9. Однооборотный (а) и многооборотный (б) потенциометры
Наиболее ответственным элементом, определяющим надежность работы потенциометра, является электрический контакт нары: обмотка потенциометра — движок. Материалы проволоки и движка должны быть устойчивы против электрической эрозии и коррозии, которые приводят к снижению проводимости контактной поверхности. Материал контакта должен быть износоустойчивым, иметь высокую тепло и электропроводность.
Потенциометры характеризуются величиной омического сопротивления резистивного элемента, геометрическими размерами, законом изменения сопротивления, и линейностью характеристики, допуском на общее сопротивление, стабильностью сопротивления и режима работы, сопротивлением изоляции обмотки относительно корпуса, максимальной и рабочей мощностью рассеяния, величиной рабочего момента вращения оси, сроком службы при заданных условиях, а также необходимой скоростью вращения оси и рабочим режимом в различных условиях эксплуатации.
Потенциометры разделяются в основном на два класса:
- обычные радиотехнические потенциометры — малогабаритные дешевые устройства сравнительно невысокой точности, которыми пользуются для регулирования громкости и других подобных целей в радиоприемниках и электронном оборудовании;
- высокоточные малогабаритные потенциометры, широко применяемые в приборостроении, автоматике и вычислительной технике, которые появились сравнительно недавно.
Общее омическое сопротивление проволочных потенциометров зависит от их размеров, марки и диаметра провода. Неточные, так называемые подстроенные, потенциометры обычно имеют сопротивление от 5 до 20 000 ом, потенциометры повышенной точности, как правило, имеют общее сопротивление в пределах от 500 до 50000 ом и, реже, от 100 до 100 000 ож; в отдельных случаях — до 1 000 000 ом. Минимальное общее сопротивление потенциометров составляет 1 ом.
Размеры проволочных потенциометров зависят от величины общего сопротивления, заданного значения линейности и номинальной мощности рассеяния. Наружный диаметр корпуса кольцевых потенциометров обычно 10—80 мм, в отдельных случаях он может достигать 450 мм. Высота их корпуса 5—20 мм. Пластинчатые потенциометры имеют длину 60—175 мм, в отдельных случаях — до 250 мм, ширина их корпуса 10—30 мм и лишь изредка достигает 100 мм, а толщина обычно 0,5—1 мм, иногда доходит и до 2,5 мм.
Закон изменения сопротивления. При конструировании радиоприборов, устройств автоматики и вычислительной техники часто возникает необходимость выразить какую-либо функцию в виде изменения электрического напряжения. Современные потенциометры позволяют это сделать: они могут изменять напряжение по различным законам. Самой существенной характеристикой таких потенциометров считают функцию изменения напряжения при перемещении токосъемного движка по резистивному элементу. В зависимости от конструкции потенциометра выходное напряжение может изменяться по различным законам: линейному, логарифмическому, синуса, косинуса, секанса и т. д.
По виду функции потенциометры разделяются на линейные и функциональные. Выходное напряжение линейных потенциометров пропорционально напряжению, подаваемому на потенциометр, и длине (углу) перемещения движка. При перемещении движка на единицу длины на любом участке обмотки сопротивление изменяется на постоянную величину. В функциональных потенциометрах в режиме холостого хода выходное напряжение между движком и началом обмотки находится в заданной функциональной зависимости от длины (угла) перемещения движка, а при перемещении последнего на единицу длины сопротивление изменяется по закону, определяемому конструкцией потенциометра.
Функциональные потенциометры в зависимости от отрабатываемой функции разделяются на тригонометрические, степенные, логарифмические и т. д. По пределам изменения функций различают функциональные потенциометры с неограниченными и с ограниченными пределами. В радиотехнической аппаратуре в схемах автоматики и вычислительных устройствах чаще всего применяют линейные потенциометры. Объем производства их составляет почти 60% от общего числа изготовляемых потенциометров.
Линейность. В идеальном случае линейный потенциометр должен обладать постоянной величиной изменении выходного напряжения при равных перемещениях движка, И действительности этого никогда не происходит, т. е. равные по величине перемещения движка вызывают неодинаковые приращения выходного Напряжения (сопротивления). Поэтому под линейностью, или линейной точностью, иногда понимается величина отклонения выходного напряжения или сопротивления в любой точке обмотки от прямой графика зависимости «сопротивления от углового (или линейного) перемещения движка».
Допуск на общее сопротивление. Потенциометры различного назначения изготовляют с определенной точностью по общему омическому сопротивлению. Для потенциометров широкого применения эта точность составляет 5—10% от номинального значения сопротивления, а для потенциометров повышенной точности — 0,1 — 1%. Допустимое отклонение общего сопротивления прецизионных потенциометров, работающих в радиолокационных устройствах и вычислительных схемах, не должно превышать 0,1% от номинального.
Стабильность. Сопротивление потенциометра в течение всего срока службы и режим его работы при нормальной нагрузке не должны существенно изменяться. Этим и определяется понятие стабильности. Допуск па стабильность проволочного потенциометра зависит главным образом от материалов обмотки и токосъемного движка (стабильности переходного сопротивления контактов), от условий эксплуатации, а также от назначения. Обычно он равен допуску на общее сопротивление, в отдельных случаях — на точность линейной (или функциональной) характеристики.
Сопротивление изоляции обмотки относительно корпуса при комнатной температуре (+25° С) и относительной влажности 30—80% должно быть не менее 100 Мом.
Мощность рассеяния. Максимальная рабочая мощность рассеяния зависит от допустимого нагрева обмотки потенциометра. В условиях эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды мощность рассеяния потенциометра может достигать номинальной величины — от 0,1 до 10 вт, а в отдельных случаях 15—20 вт.
Рабочий момент вращения, точнее, момент трогания — это усилие, которое требуется для начала перемещения движка из любой произвольной точки на контактной дорожке потенциометра. Момент вращении небольших проволочных потенциометров общего применения равен 50—360 Г-см. .
Скорость вращения. Износ, а следовательно, и срок службы потенциометра зависят от скорости вращения оси движка и его контактного
давления на обмотку, поэтому оно должно быть не слишком большим. Потенциометр безотказно работает при скорости вращения, не превышающей 100—150 об/мин. При более высоких скоростях вследствие ударов токосъемного элемента движка о витки провода контакт частично или полностью нарушается. Это явление можно устранить, увеличивая контактное давление и повышая чистоту поверхности контактной дорожки. Однако такой путь хотя и позволяет увеличить угловую скорость подвижной контактной системы, но приводит к резкому сокращению сроив службы потенциометра.
Срок службы потенциометра зависит от свойств материала резистивного элемента и материала токосъемного элемента движка, контактного давления, условий эксплуатации и других факторов. Срок службы потенциометров широкого применения при постоянной нагрузке — от десяти тысяч до нескольких миллионов циклов (т. е. двойных перемещений движка от одного конца к другому), потенциометров, применяемых в вычислительных устройствах, — от 100 000 до 500 000 циклов. Некоторые высокоточные проволочные потенциометры (с низким контактным давлением и небольшим током нагрузки) имеют срок службы от 1 до 2 млн. циклов, а в отдельных случаях — до 10 млн. циклов.
Технологический процесс изготовления проволочных потенциометров включает следующие этапы: изготовление каркасов, элемента сопротивления с анализом точности процесса наматывания проволоки на каркас, зачистку контактной дорожки, сборку, монтаж и регулировку, защиту деталей и узлов потенциометров от внешней среды и способы их герметизации. После изготовления потенциометры подвергают тщательному контролю основных параметров: разрешающей способности, линейности, надежности контакта, общего сопротивления.
Резистивный элемент — каркас с обмоткой - является основным уз лом потенциометра; его изготовление - одна из самых ответственных операций, связанная с целым рядом технологических трудностей, которые особенно сильно проявляются при наматывании провода высокого сопротивления. От точности намоточных станков и процесса наматывания непосредственно зависит точность общего сопротивления и характеристики потенциометра. Здесь действует множество факторов, определяющих иногда самую возможность получения высокоточных резистивных элементов.
Эти вопросы, а также технология изготовления каркасов, являются предметом специального рассмотрения.
В последние годы появились многооборотные потенциометры (рис. 8.9, б), которые имеют небольшие габариты при высокой разрешающей способности и точности. Точность многооборотных потенциометров достигает сотых долей процента от общего сопротивления. Каркасом многооборотного потенциометра служит изолированный медный провод диаметром 1—2 мм, свитый в спираль с 3,5; 10; 15; 20; 25 или 40 витками, залитую компаундом. Обмотку этих потенциометров в отличие от однооборотных ведут голой (неизолированной) проволокой. Заданную функцию сопротивления обеспечивают, изменяя шаг обмотки.
Выходное напряжение снимают посредством ролика, перекатывающегося по внутренней стороне спирали и одновременно скользящего по валику, расположенному параллельно ее оси. С валика тон поступает на цилиндрическое токосъемное кольцо, ось которого совпадает с осью спирали. Таким образом, вместо одного подвижного контакта обмотка — движок, как в однооборотном потенциометре, здесь имеются три подвижных контакта: обмотка — ролик, ролик — валик и кольцо — движок, поэтому в многооборотных потенциометрах особенно важно обеспечить надежный контакт.