Резистор

Резистор
Слева — постоянные резисторы, справа — потенциометр
Тип	Пассивный электронный элемент
Символьное обозначение	Сверху: стандарты IEC (ГОСТ); снизу: стандарт ANSI.

Рези́стор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым постоянным или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение, разделения напряжения, ограничения и регулирования силы тока в электрической цепи.

Существуют резисторы как с постоянным по величине сопротивлением, так и с переменным. Величина сопротивления переменного резистора может изменяться в результате механического перемещения движка переменного резистора (реостат, потенциометр), либо вследствие нелинейной зависимости между током и напряжением в электронном устройстве (варистор).

Зачастую в качестве синонима термина «резистор» используется слово «сопротивление».

Физические основы

Если рассмотреть участок цепи, состоящий из двух последовательно соединённых резисторов $R_{1}$ и $R_{2}$, то можно обнаружить, что при прохождении тока на каждом из них образуется падение напряжения $U_{1}$ и $U_{2}$ соответственно, причём величина этого напряжения прямо пропорциональна величине сопротивления каждого из резисторов.
Суть явления заключается в том, что при протекании тока через проводник с ненулевым сопротивлением (в данном случае через резистор) в силу того, что материал резистора препятствует прохождению тока, на его концах создаётся разность потенциалов, которая совершает работу по переносу (условно говоря, «проталкиванию») зарядов. Величина этой разности потенциалов будет тем больше, чем выше сопротивление резистора.
Работа, затрачиваемая на перенос зарядов внутри тела резистора, приводит к выделению тепла, количество которого также зависит от величины сопротивления.

Закон Ома

Чтобы вычислить падение напряжения на резисторе при известных значениях тока и сопротивления, необходимо воспользоваться законом Ома для участка цепи:

$I\!={U \over R}$, где

$I$ — сила тока в цепи;

$U$ — падение напряжения на участке цепи;

$R$ — электрическое сопротивление участка цепи.

Тогда падение напряжения на резисторе будет равно:

$U=I\cdot R.$

Основные характеристики резисторов

К основным характеристикам резисторов можно отнести рассеиваемую мощность, зависимость сопротивления от температуры и вольт-амперную характеристику.

Рассеиваемая мощность

При протекании через резистор тока в токопроводящем слое выделяется тепловая энергия, мощность которой можно представить в виде следующих зависимостей:

$P=IU=I^{2}R={\frac {U^{2}}{R}}$, где $P$ — мощность, (ватт); $I$ — ток (ампер); $U$ — напряжение, (вольт).

Если средняя мощность, рассеиваемая резистором, превышает его расчётную (номинальную) мощность, резистор перегревается и может выйти из строя.

Зависимость сопротивления от температуры

Сопротивление металлических, в том числе проволочных, резисторов зависит от температуры практически линейно:

$R=R_{0}(1+\alpha (t-t_{0}))$, где $R$ и $R_{0}$ — соответственно сопротивления резистора при температурах t и t₀ (обычно t₀ = 20 °С).

Коэффициент $\alpha$ называется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который показывает насколько меняется сопротивление резистора при изменении температуры на 1 °C или 1 кельвин. Для большинства металлов и металлических сплавов ТКС положителен. У полупроводниковых резисторов ТКС отрицательный, однако модуль ТКС выше, чем у металлических, что позволяет использовать их в качестве термодатчиков. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового терморезистора (термистора) приведена ниже.

Вольт-амперная характеристика

По характеру вольт-амперной характеристики все резисторы делятся на линейные и нелинейные. Сопротивление линейных резисторов не зависит от приложенного напряжения или протекающего тока. Сопротивление нелинейных резисторов изменяется в зависимости от значения приложенного напряжения или протекающего через них тока (варисторы и бареттеры), либо от температуры (термисторы) или освещённости (фоторезисторы). На иллюстрации приведены примеры ВАХ:

• Для варистора (слева). Синие — на основе ZnO, красные — на основе SiC;
• Для термистора (справа). Тангенс углов наклона прямых, проведённых из начала координат в точки $A$, $B$ и $C$ на кривой равен статической проводимости термистора в этих точках.

В линейных резистивных цепях форма тока совпадает с формой напряжения.

Классификация резисторов

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, характеру изменения сопротивления, материалу резистивного элемента, способу защиты от влаги, способу монтажа, виду ВАХ, технологии изготовления.

По назначению:

• резисторы общего применения;
• резисторы специального применения:
  • высокоомные (сопротивления от десятка МОм до единиц ТОм, рабочие напряжения 100—400 В);
  • высоковольтные (рабочие напряжения — десятки кВ);
  • высокочастотные (имеют малые собственные индуктивности и ёмкости, рабочие частоты до сотен МГц);
  • прецизионные и сверхпрецизионные (отличаются повышенной точностью номинального значения и стабильностью: допуск по сопротивлению находится в диапазоне 0,01 % — 1 %).

По характеру изменения сопротивления:

• постоянные резисторы;
• переменные регулировочные резисторы;
• переменные подстроечные резисторы.

По материалу резистивного элемента:

• тонкослойные на изоляционном основании:
  • углеродистые;
  • металлоплёночные:
    • металлизированные;
    • металлоокисные;
    • керметные;
• композиционные (объёмные);
• проволочные и микропроволочные;
• полупроводниковые.

По способу защиты от влаги:

• неизолированные;
• изолированные-лакированные;
• компаундированные;
• опрессованные в пластмассу;
• герметизированные;
• вакуумные.

По способу монтажа:

• для печатного монтажа;
• для навесного монтажа;
• для микросхем и микромодулей.

Типы резисторов

Ниже приведены основные типы резисторов и их описание.

Постоянные резисторы

Постоянные резисторы по конструкции и технологии изготовления можно разделить на следующие типы:

Бифилярная намотка

Проволочные резисторы

Проволочные резисторы наматываются из проволоки или ленты с высоким удельным сопротивлением на какой-либо каркас. Величина сопротивления резистора зависит от удельного сопротивления материала провода, его длины и поперечного сечения. В качестве резистивной проволоки используется такие сплавы, как константан или хромоникель. К достоинствам проволочного резистора следует отнести возможность рассеивать большую мощность. Недостаток — значительная паразитная индуктивность. Для её снижения проволочные резисторы почти всегда выполняются с бифилярной намоткой.
Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.

Непроволочные резисторы

Схема конструкции непроволочного резистора

В металлоплёночных и металлоокисных резисторах в качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.

Резистивный элемент непроволочных резисторов представляет собой объёмную структуру физического тела или поверхностного слоя, образованного на изоляционных деталях (тонкую плёнку металлического сплава или композитного материала с высоким удельным сопротивлением, нанесённую на цилиндрический керамический сердечник).

Углеродистые резисторы изготавливаются в виде плёночных и объёмных. Плёнки или резистивные тела представляют собой смесь графита с органическими или неорганическими веществами.
Корпус резистора защищен краской или пластиком, концы сердечника снабжены напрессованными металлическими колпачками с проволочными выводами для монтажа.

Резисторы для поверхностного монтажа на печатных платах

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют технологией монтажа на поверхность (ТМП) или SMD-технологией (от англ. surface mounted device — устройство, монтируемое на поверхности), а компоненты для поверхностного монтажа называют «чип-компонентами». Резисторы, предназначенные для подобного монтажа, конструктивно отличаются и выглядят следующим образом:

• SMD-резисторы
• 

  Резистор-перемычка с нулевым сопротивлением

• 

  Резистор номиналом 10 кОм

• 

  Резистор номиналом 390 Ом

• 

  Сборка 4,7 кОм

• 

  Пример монтажа SMD-элементов на печатной плате

Интегральные резисторы

Резистивный элемент интегральных резисторов — слаболегированный полупроводник, формируемый в кристалле микросхемы, обычно в виде зигзагообразного канала, изолированного от других цепей микросхемы p-n-переходом. В основном используются в составе интегральных монокристаллических микросхем, где применить другие типы резисторов принципиально невозможно.

Переменные резисторы

Схематичное изображение переменного резистора как управляемого делителя напряжения

Переменные резисторы можно представить в виде плавного делителя напряжения (см. иллюстрацию), управляемого посредством специального механизма — ползунка, создающего третью точку для съёма части напряжения, поступившего на резистор. Переменный резистор обычно имеет два фиксированных контакта и один ползунок, а также может быть выполнен в виде сдвоенного резистора с одним ползунком.

По схеме включения переменные резисторы можно условно разделить на следующие типы:

• реостаты — включаются последовательно с нагрузкой и регулируют ток в цепи;
• потенциометры — выполняют роль делителя напряжения.

Реостаты

Мощный реостат номиналом 100 Ом и мощностью 40 Вт

Как правило, это мощные резисторы с проволочной обмоткой, со скользящей вдоль резистивного элемента точкой отвода, что позволяет использовать бо́льшую или меньшую часть полного сопротивления реостата.

На иллюстрации приведён ползунковый реостат, в котором проволока из материала с высоким удельным сопротивлением виток к витку наматывается на стержень из изолирующего материала. Проволока покрыта слоем окалины, специально создаваемой при производстве и играющей роль межвиткового изолятора. При перемещении ползунка с присоединённым к нему контактом слой окалины соскабливается и между проволокой и ползунком создается электрический контакт. Чем больше витков включено в схему, тем больше сопротивление реостата. Подобные реостаты часто применяются в учебном процессе и в лабораториях.

Потенциометры

Типовая конструкция потенциометра

Потенциометр представляет собой трёхполюсный резистор малой мощности с плавно регулируемой точкой отвода, управляемой вращением вала, ручки или перемещением линейного ползунка.
На иллюстрации:

• А — вал;
• B — стационарный резистивный элемент из углеродного состава;
• C — ползунок из фосфористой бронзы;
• D — крепление ползунка к валу;
• E, G — клеммы, соединенные с концами резистивного элемента;
• F — клемма, подключенная к ползунку.

Примеры использования потенциометров — в качестве регуляторов громкости и тембра в радио- и усилительной аппаратуре. Малогабаритные потенциометры, встраиваемые на монтажную плату и имеющие функцию регулировки параметров с последующей фиксацией положения, называются подстроечными резисторами.

• Внешний вид резисторов разного назначения
• 

  Постоянные резисторы с проволочными выводами

• 

  Потенциометр для монтажа на передней панели

• 

  Подстроечный резистор

• 

  Подстроечные резисторы для монтажа на печатных платах

• 

  Мощный проволочный резистор, способный выдерживать большие нагрузки

Номиналы и класс точности резисторов

Существуют специальные ряды номиналов, представляющие собой множества значений от 1 до 10. Номинал резистора определённого ряда является значением из соответствующего множества, умноженным на десятичный множитель (10 в целой степени).

Название ряда указывает общее число элементов в нём, то есть ряд E24 содержит 24 числа в интервале от 1 до 10, E12 — 12 чисел и так далее. Каждый ряд соответствует определённому классу точности — допуску в номиналах резисторов.

Например:

• резисторы из ряда E6 имеют допустимое отклонение от номинала ±20 %;
• из ряда E12 — (±10 %);
• из ряда E24 — (±5 %).

Собственно, ряды устроены таким образом, что следующее значение в ряду отличается от предыдущего несколько меньше, чем на двойной допуск.

Маркировка резисторов и обозначение на схеме

На резисторах, габариты которых позволяют прочесть нанесённые на них обозначения, применяется буквенно-цифровая маркировка, нанесённая на корпус резистора. Маркировка состоит из двух, трех или четырех цифр и буквы. Буква играет роль запятой и одновременно обозначает, в каких единицах измеряется номинал резистора: R — в омах; К — в килоомах; М — в мегаомах.

Например:

• 150R — 150 Ом;
• 4К7 — 4,7 кОм;
• 33К — 33 кОм;
• 2М2 — 2.2 МОм.

Рядом с номиналом проставляется значение допустимой рассеиваемой мощности и класс точности резистора.

Цветовая маркировка резисторов

Наносить буквенно-цифровую маркировку на маленькие резисторы затруднительно, для них применяют маркировку цветными полосками. Для резисторов с допуском ±20 % используют маркировку с тремя полосками, для резисторов с допуском ±10 % и ±5 % — маркировку с четырьмя полосками, для более точных резисторов — с пятью или шестью полосками. Первые две полоски всегда означают первые два знака номинала. Если полосок три или четыре, третья полоска означает десятичный множитель, то есть степень десятки, которая умножается на число из двух цифр, указанное первыми двумя полосками. Четвёртая полоска указывает точность резистора. Если полосок пять, третья означает третий знак сопротивления, четвёртая — десятичный множитель, пятая — точность. Шестая полоска, при наличии, указывает температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Пример цветовой маркировки резисторов с разным количеством полос

	Цвет	Число	Множитель	Точность в %	ТКС в ppm/°C
1e-06	серебристый	—	0,01	10	—
2e-06	золотой	—	0,1	5	—
3e-06	чёрный	0	1	—	—
4e-06	коричневый	1	10	1	100
5e-06	красный	2	100	2	50
6e-06	оранжевый	3	1000	—	15
7e-06	жёлтый	4	10 000	—	25
8e-06	зелёный	5	100 000	0,5	—
9e-06	синий	6	1000 000	0,25	10
1e-05	фиолетовый	7	10 000 000	0,1	5
1.1e-05	серый	8	100 000 000	0,05	—
1.2e-05	белый	9	1000 000 000	—	1
1.3e-05	отсутствует	—	—	20	—

Маркировка SMD-резисторов

Резисторы со стандартным допуском для поверхностного монтажа (SMD) маркируются трехзначным кодом, в котором первые две цифры представляют собой первые две значащие цифры значения сопротивления, а третья цифра представляет собой степень десяти (количество нулей). Например:

• 334 = 33 × 10⁴ Ом = 330 кОм
• 222 = 22 × 10² Ом = 2,2 кОм
• 473 = 47 × 10³ Ом = 47 кОм
• 105 = 10 × 10⁵ Ом = 1 МОм

Обозначение на схеме

Ниже в таблицах приведены обозначения на схемах резисторов согласно ГОСТ 2.728-74.

Обозначение постоянных резисторов:

	Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
1e-06		Постоянный резистор без указания номинальной мощности рассеивания
2e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,05 Вт
3e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,125 Вт
4e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,25 Вт
5e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,5 Вт
6e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 1 Вт
7e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 2 Вт
8e-06		Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 5 Вт

Обозначение переменных резисторов:

	Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
1e-06		Переменный резистор (потенциометр)
2e-06		Переменный резистор в реостатном (двухполюсном) включении
3e-06		Подстроечный резистор
4e-06		Подстроечный резистор в реостатном (двухполюсном) включении

Обозначение резисторов с нелинейными вольт-амперными характеристиками:

	Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
1e-06		Варистор
2e-06		Терморезистор

Обозначение фоторезистора — резистора, изготовленного из полупроводникового материала, сопротивление которого зависит от интенсивности падающего на его поверхность света:

Резистивные цепи

Различают следующие способы соединения резисторов в электрических схемах: последовательное, параллельное и смешанное.

• При последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются:

Значение $R_{tot}=R_{1}+R_{2}+\ldots +R_{n}$

Если $R_{1}=R_{2}=...=R_{n}$, то общее сопротивление будет равно $R_{tot}=n\cdot R_{1}$.

• При параллельном соединении резисторов складываются их проводимости $G={\frac {1}{R}}$ (величины, обратные сопротивлению):

Значение суммарной проводимости будет равно $G_{tot}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+\ldots +{\frac {1}{R_{n}}}$, сопротивление будет равно $R_{tot}={\frac {1}{G_{tot}}}$
Если $R_{1}=R_{2}=...=R_{n}$, то общее сопротивление будет равно $R_{tot}={\frac {R}{n}}$.

• В случае смешанного (параллельно-последовательного) соединения резисторов по приведённой ниже схеме
  суммарная проводимость будет равна $G_{tot}={\frac {1}{R_{1}+R_{2}}}+{\frac {1}{R_{3}}}$, а общее сопротивление в этом случае составит: $R_{tot}={\frac {(R_{1}+R_{2})R_{3}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}}}$.

Делитель напряжения

Делитель напряжения на резисторах

Резистивный делитель напряжения представляет собой два последовательно включённых резистора $R_{1}$ и $R_{2}$, подключённых к источнику напряжения U. Поскольку резисторы соединены последовательно, ток через них будет одинаков. Согласно закону Ома:

$U=IR$.

Соответственно падение напряжения на каждом резисторе составит:

$U_{1}=IR_{1}$,

$U_{2}=IR_{2}$.

Следует обратить внимание на то, что в данном случае делитель играет роль источника напряжения, выходное сопротивление которого должно быть много меньше сопротивления нагрузки, то есть сопротивление нагрузки должно быть много больше $R_{2}$.

Резистивная нагрузка

Транзисторный усилитель сигнала

Резистор, включенный в анодную цепь электронной лампы или в цепь коллектора полупроводникового транзистора, служит активной нагрузкой, с которой снимается полезный сигнал. Кроме того, резисторами задаются режимы работы усилительных и ключевых каскадов.

Многие компоненты электронных схем, например, светодиоды, требуют ограничения протекающего через них тока. В этом случае резисторы используются для ограничения силы тока и предотвращают токовые перегрузки, которые могут вывести светодиод из строя.