|
Проволочные резисторы обычно предназначены для установки в те цепи, где на них происходит рассеяние значительных мощностей,
причем, компонент, рассчитанный
на мощность 50 Вт, является достаточно распространенным, возможно найти компоненты, рассчитанные на мощности до 1 кВт.
Значения сопротивлений таких резисторов перекрывают несколько разрядов, как и у пленочных металлизированных резисторов,
однако предельное значение сопротивления составляет, как правило, около 100 Ом.
В процессе производства проволочных резисторов также в качестве основы для нанесения резистивного материала используются
керамические прутки или трубочки. Однако в качестве резистивного материала используется высокоомная проволока или лента,
которая навивается на стержень, а затем ее концы привариваются к торцевым колпачкам, к которым впоследствии привариваются
выводы резистора. Резисторы, имеющие небольшую мощность рассеяния (до 20 Вт) затем покрываются керамической глазурью, предотвращающей
смещение витков проволоки, а также герметизирующей сам элемент. Резисторы, рассчитанные на большие мощности, могут иметь
навинчивающиеся торцевые колпачки и устанавливаться в прессованные алюминиевые экраны, обеспечивающие хороший теплоотвод
от резистивного элемента к внешнему теплоотводящему радиатору. Однако резисторы с высокими значениями сопротивлений имеют,
как правило, большое количество плотно расположенных витков из тонкого высокоомного провода, поэтому вероятность развития
дугового разряда между соседними витками определяет величину рабочего напряжения, а этот фактор может оказать большее влияние
на максимально допустимую мощность рассеяния.
Процесс старения проволочных резисторов
Скроджи (Scroggie) в своей работе указал, что в силу того, что проволока резистора в процессе намотки должна иметь определенное
натяжение для обеспечения равномерной намотки витков, то такое натяжение вызывает в проволоке напряжения, которые ослабевают
со временем, вызывая изменения в сопротивлении резистора. Он также предположил, что этот процесс может быть ускорен путем
прогрева резистора в печи при температуре 135 °С в течение 24 часов. Автор попытался проверить эту гипотезу. Он предварительно
замерил сопротивления партии плакированных алюминием, проволочных резисторов, затем поместил их в бытовую электропечь на
день, установив минимальный нагрев, после этого охладил их вместе с печью до комнатной температуры. После всех манипуляций
автор вновь замерил сопротивления. Использование даже простого цифрового 3,5 разрядного измерителя позволило установить существенное
изменение сопротивления: для резисторов, хранящихся после изготовления свыше четырех лет, разницы при измерении сопротивлений
обнаружено не было, однако для свежеизготовленных резисторов такая разница достигала 0,5% величины сопротивления. Поэтому
представляется достаточно разумным проводить искусственное старение проволочных резисторов, которые предполагается использовать
в качестве анодной нагрузки в дифференциальном усилителе, до того, как проводить операцию по согласованию нагрузок.
Шумы и индуктивность проволочных резисторов
Так как резистивным элементом пленочных резисторов является тонкая спиралеобразная дорожка, то величина избыточного шума
в них пропорциональна падению на них постоянного напряжения (примерно 0,1 мкВ/В). В противоположность этому, влияние дефектов
поверхностных слов (если их рассматривать относительно площади поперечного сечения проволоки, используемой в проволочных
резисторах) будет составлять незначительную долю, поэтому влияние избыточных шумов можно считать несущественным, что позволяет
с успехом использовать их в качестве идеальной анодной нагрузки в малошумящих предусилительных каскадах.
Проволочные резисторы наматываются подобно катушке дросселя, и даже в случае, когда для керамического сердечника относительная
магнитная проницаемость μ ≈ 1 (что делает ее сравнимой с дросселем, не имеющим магнитного сердечника),
все равно каждый проволочный резистор имеет индуктивное реактивное сопротивление, величина которого может достигать больших
значений по сравнению с активным сопротивлением.
Активное сопротивление проводника определяется выражением:
в котором,
ρ — удельное объемное сопротивление проводника,
L — длина проводника,
А — поперечное сечение проводника.
Подставляя площадь в первое выражение, получим:
Так как поперечное сечение проводника представляет круг, то его площадь выражается:
Чтобы удешевить производство резисторов, высокоомная проволока наматывается на сердечники со стандартными размерами.
Для того, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла в окружающую среду и уменьшить вероятность образования перегретых областей,
на сердечник полностью, от одного конца до другого, наматывается один слой проволоки с бесконечно малым межвитковым зазором.
Количество витков проволоки, необходимой для полного заполнения сердечника, имеющего длину С, определяется выражением:
Общая длина высокоомного провода составит:
Подставляя полученные соотношения в формулу для расчета сопротивления R, получим для однослойного проволочного
резистора:
Индуктивность L пропорциональна n2, а так как п пропорционально 1/d, то
Для простоты можно считать, что величина сопротивления обратно пропорционально d3:
Как уже указывалось в предыдущих разделах, имеет значение отношение величин L к R, а не их абсолютные значения.
Поэтому:
Полученный результат имеет очень большое значение, так как он наглядно показывает, что величина соотношения L/R будет
возрастать, если использовать более толстый провод. Поэтому можно ожидать, что проволочные резисторы с малым значением сопротивления
будут обладать более высокими значениями индуктивности. Эта теория была подвергнута проверке с использованием измерителя
параметров компонентов, который позволяет использовать различные эквивалентные схемы замещения и модели для проволочных
резисторов. Так как резисторы имели алюминиевые обкладки, можно было бы ожидать, что на снижение индуктивности влияет эффект
трансформаторного взаимодействия с короткозамкнутым витком обкладки, однако последующее вскрытие резистора показало, что
диаметр катушки составлял лишь половину значения внутреннего диаметра обкладки, что подразумевает слабую связь и незначительное
трансформаторное взаимодействие (рис. 5.1).
Рис. 5.1 Эквивалентные схемы замещения для реальных проволочных резисторов различных типов
Как видно из приведенных моделей резисторов, выполненные измерения подтверждают теорию тем фактом, что только низкоомные
проволочные резисторы имеют значительную величину индуктивности. Помимо расчета моделей каждый резистор был протестирован
в диапазоне изменения частоты от 100 Гц до 100кГц с целью определить угол сдвига фазы по сравнению с идеальным резистором.
Только для резистора 220 Ом было зафиксировано измеряемое приборами отклонение, составившее 0,2%.
Для всех эквивалентных схем замещения присутствует небольшой шунтирующий конденсатор (паразитная емкость резистора),
при этом, если значения сопротивления были характерны для резисторов, используемых в качестве анодной нагрузки, значение
емкости этого параллельно включенного конденсатора чаще всего стремится к значению 3 ± 1 пФ, то есть значению, соизмеримому
со значением паразитных емкостей, которые характерны для реальных схем.
Суммируя все изложенное, следует отметить, что индуктивность проволочных резисторов пренебрежимо мала, если значение
их сопротивлений превышает 10 кОм, однако, при снижении значения сопротивления резистора, величина индуктивности становится
значительной. Этот вывод является очень благоприятным, так как для стандартных каскадов, использующих электронные лампы,
величина сопротивления нагрузки RL > 10 кОм, при этом необходим резистор, имеющий значительную
мощность рассеяния. Тогда как резисторы катодного смещения имеют сопротивления, как правило, Rk< 1
кОм, но на них выделяется небольшая мощность, поэтому в качестве таковых можно использовать металло-пленочные резисторы,
а также специальные безиндуктивные компоненты, которые обычно предназначаются для применения в измерительных мостах.
Основные критерии подбора резисторов для схемы
Точность изготовления
• Прежде всего, необходимо ответить на вопрос, действительно ли требуется компонент с абсолютно точным значением сопротивления.
Если резистор используется в цепях, определяющих работу схемы фильтра, или эквалайзера, то
необходимо использовать резисторы, имеющие высокую точность изготовления (возможно, допуск на номинальное значение должен
составлять 0,1 %). Это необходимо, чтобы свести к минимуму неточности коррекции частотной характеристики.
• Точный подбор. Является ли используемый компонент частью согласованной по
своим параметрам пары? Анодные нагрузки в дифференциальном усилителе должны быть согласованными, такими же согласованными
должны подбираться соответствующие элементы в схемах фильтров для каждого стереоканала.
• Точность всех остальных резисторов вполне может составлять 5%. Резисторы
с такой точностью являются наиболее распространенными.
Температурный режим
Будет ли нагреваться резистор за счет других близко расположенных компонентов? Насколько будет изменяться при нагреве
величина его сопротивления? Будут ли носить такие изменения критический характер? Пользуясь рекомендациями, приведенными
выше, многих проблем, возможно, удастся избежать!
Рабочее напряжение
• Рассчитан ли используемый компонент схемы на напряжение, используемое в схеме,
особенно при условии максимального значения сигнала? (Рассмотрение данного фактора может оказаться весьма важным в случае
резистора сеточного смещения для мощных радиоламп, имеющих низкое значение усиления, например, таких, как лампа 845.)
• Не вызовет ли падение напряжения постоянного тока на резисторе неприемлемо
высокий уровень избыточных шумов? Если это так, необходимо рассмотреть вопрос применения объемных фольговых, либо проволочных
резисторов.
Мощность рассеяния резистора
Будет ли уровень мощности, рассеиваемой резистором, достаточен при всех режимах работы? Сможет ли переменный сигнал звуковой
частоты значительно нагреть резистор, чтобы вызвать изменение номинального значения и вызвать нарушения в работе схемы?
Если необходимо использовать компонент с высоким значением мощности рассеяния, то какие необходимо предпринять меры, чтобы
обеспечить эффективный отвод тепла, выделяемого этим компонентом схемы? Не будет ли этот компонент нагревать другие, близко
расположенные компоненты, которые могут оказаться очень чувствительными к выделяющемуся теплу?
|
