Spis treści:
Rezystory należą do najprostszych oraz najliczniej występujących elementów elektronicznych – ale czy na pewno wiesz o nich wszystko, co powinieneś?
Trudno chyba o prostszy element elektroniczny, niż opornik – komponent pasywny, którego zadaniem jest tylko i wyłącznie wprowadzenie do obwodu dodatkowej rezystancji o określonej wartości. Rzecz jasna, cele takiego zabiegu mogą być diametralnie różne w zależności od konkretnego zastosowania układowego, ale bez względu na to, w jakim charakterze nasz dzisiejszy bohater ma pracować, jego podstawowe działanie zawsze jest takie samo. Czy oznacza to jednak, że opornik przedstawia sobą tylko i wyłącznie czysty opór elektryczny? Czy istnieją jakieś istotne różnice pomiędzy identycznie wyglądającymi rezystorami, w tym samym rozmiarze i o tej samej wartości nominalnej? O tym wszystkim przeczytasz w naszym dzisiejszym wpisie.
Technologie produkcji rezystorów
Rezystory, podobnie jak większość innych elementów elektronicznych, są dostępne w dwóch głównych odmianach. Oporniki przewlekane (THT) mają najczęściej konstrukcję opartą na ceramicznym rdzeniu w postaci niewielkiego walca, na którym naniesiony został materiał przewodzący, podłączony do dwóch wyprowadzeń lutowniczych. W roli przewodnika może występować zarówno zwój metalowego drutu (wtedy mówimy o rezystorach drutowych), jak i cienka warstwa przewodzącej pasty bądź metalu (nacięta spiralnie tak, by wynikowa wartość rezystancji mieściła się w przewidzianej przez producenta tolerancji). Rezystory dużej mocy są często fabrycznie umieszczane w aluminiowych radiatorach, zapewniających odpowiednie rozpraszanie mocy strat do otoczenia, co pozwala chronić przewodnik przed przepaleniem. Oporniki przewlekane są zwykle dość spore – ich zalety to łatwość lutowania (co jest szczególnie ważne zwłaszcza dla początkujących) i wyższa odporność na uszkodzenia mechaniczne.
Oporniki do montażu powierzchniowego, czyli SMD (ang. Surface Mount Device) różnią się od swoich przewlekanych odpowiedników zarówno technologią produkcji, jak i zakresem zastosowań.
Większość elementów z tej grupy jest zazwyczaj produkowana w technologii warstwowej, chociaż istnieją też (znacznie rzadziej spotykane) wersje drutowe, przeznaczone specjalnie do montażu powierzchniowego.
Rezystory SMD są znacznie mniejsze od wersji przewlekanej, nawet przy tym samym poziomie dopuszczalnej mocy strat. Główne rozgraniczenie pomiędzy różnymi seriami rezystorów warstwowych SMD bazuje na zastosowanej metodzie produkcji.
Najpopularniejsze i zarazem najtańsze są rezystory grubowarstwowe, w których na ceramiczne podłoże w postaci cienkiej płytki, nanoszona jest pasta, będąca mieszaniną drobin szkła oraz tlenków metali. Taka technologia wiąże się jednak z gorszymi parametrami – większym rozrzutem produkcyjnym, mniejszą stabilnością oraz dość znaczną podatnością na zmiany temperatury.
Oporniki cienkowarstwowe są natomiast produkowane przez napylenie niezwykle delikatnej warstwy metalu (o grubości na poziomie 100 nm) na podłoże ceramiczne – tak wykonane elementy mają lepszą tolerancję i są bardziej odporne na zmiany temperatury, doskonale nadają się więc m.in. do stabilnych układów pomiarowych. Niestety, są też bardziej wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne, a w dodatku – wielokrotnie droższe od rezystorów grubowarstwowych.
Cztery główne parametry
Wiesz już, że rodzaj zastosowanego materiału przewodzącego ma wpływ na termiczne właściwości i stabilność rezystorów. Ale czy to wszystko, co różni dwa, z pozoru identyczne oporniki? Niestety, okazuje się, że nie, a do głosu dochodzą tutaj zjawiska fizyczne, o których początkujący elektronicy często zupełnie zapominają.
Jako jaskrawy przykład podamy tutaj zwykły opornik drutowy średniej mocy (np. 1-watowy). Jak w przypadku każdego innego rezystora, także i tutaj mamy do czynienia z czterema najważniejszymi wielkościami, scharakteryzowanymi przez producenta:
- rezystancja nominalna to deklarowana przez wytwórcę wartość odniesienia, w pobliżu której „znajduje się” rzeczywisty opór danego elementu;
- tolerancja to dopuszczalna odchyłka procentowa od rezystancji nominalnej – w tym zakresie musi znaleźć się rzeczywista wartość oporu,
- dopuszczalna moc strat to maksymalny iloczyn prądu płynącego przez rezystor oraz panującego na nim spadku napięcia; przekroczenie tej wartości może spowodować przegrzanie, a w efekcie nieodwracalne uszkodzenie elementu,
- temperaturowy współczynnik rezystancji – im jest on niższy, tym słabiej wartość oporu rezystora zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury otoczenia. Współczynnik ten, określany skrótem TCR, jest wyrażany w ppm/oC (ang. parts per million), przykładowo: rezystancja opornika o TCR = 5 ppm/oC, przy wzroście temperatury o 20 oC, zwiększy się o 0.000005*20 * 100% = 0,01 %.
Diabeł tkwi w szczegółach – czarna magia, pasożytnictwo i modele zastępcze
Z pozoru wydawałoby się, że nie ma większej różnicy, czy do naszego urządzenia elektronicznego wybierzemy rezystor metalizowany, czy też prosty, tani opornik drutowy, o ile tylko będą one miały takie same wartości opisanych powyżej parametrów. Czy to prawda?
Częściowo tak, ale tylko wtedy, gdy obydwa komponenty będą pracowały z prądem stałym lub zmiennym o niskiej częstotliwości. Okazuje się bowiem, że próba wstawienia rezystora drutowego do obwodu o wysokiej częstotliwości spowoduje niespodziewane zaburzenia w jego pracy. Przypadek? Absolutnie nie – zwróć uwagę, że rezystor drutowy to nic innego, jak… „niechciana” cewka. Wszak odcinek drutu, nawinięty na rdzeń, tworzy przecież prosty dławik – co prawda, o dość niewielkiej indukcyjności, ale wystarczającej, aby zaburzyć pracę urządzeń wysokoczęstotliwościowych. Ta indukcyjność pasożytnicza dotyczy nawet rezystorów metalizowanych THT – przy naprawdę wysokich częstotliwościach, nawet drutowe wyprowadzenie lutownicze ukaże swój indukcyjny charakter. Z tego też względu, w układach radiowych wysoce zalecane jest stosowanie rezystorów SMD, w których efekt indukcyjności pasożytniczej jest zredukowany do minimum.
