Прецизионные резисторы
Резистори належать до найбільш поширених компонентів радіоелектронної апаратури. На них припадає від 20 до 45%, тобто майже до половини загальної кількості усіх компонентів електричних кіл. Вони заслужили це завдяки їх фізичній властивості - опору.
Прецизійними є резистори підвищеної точності ±(0,05 ч 5)% і стабільності (ТксЌ10-4 1/ос), номінальні опори яких складають від 1 Ом до 1 МОм, гранична робоча напруга - не більше сотень вольт, діапазон номінальних потужностей розсіювання - від 0,05 до 2 Вт, частотний діапазон - до одиниць мегагерц, а зміна опору до кінця терміну служби - декілька відсотків. Більше 40% відмови РЕА відбувається унаслідок відмови резисторів, тому актуальною залишається тема використання високоточних і надійних прецизійних резисторів. Не дивлячись на високу вартість і технологічну складність виготовлення, вони незамінні в багатьох точних пристроях, але про використання прецизійних резисторів йтиметься далі.
Прецизійні резистори можуть бути дротяними і недротяними (товстоплівкові, тонкоплівкові і композиційні). У обох випадках для забезпечення їх високої точності виконують технологічну підгонку під заданий допуск номінального опору. У першому випадку змінюють число витків при намотуванні, а в другому - юстують струмопровідний елемент, наприклад, додатково нарізуючи витки на каркасі. Щоб забезпечити високу стабільність прецизійних резисторів, використовують різні методи. У недротяних резисторах зменшують перегрів струмопровідного шару, збільшуючи поверхню тепловіддачі, резистори піддають тривалому електротермотренуванню.
Очевидно що ці заходи не є найбільш раціональними, тому в даний час використовується лише обмежена кількість недротяних прецизійних резисторів: з раніше випущених типів - УЛІ (вуглецеві лаковані для вимірювальної техніки) і БЛП (боровуглецеві лаковані прецизійні) і які випускаються в даний час С2-13, С2-14.
Як прецизійні резистори найчастіше використовують дротяні. Їх виготовляють з дроту, що має позитивний малий температурний коефіцієнт питомого опору, вони не змінюють своїх властивостей в процесі старіння і є стійкими до дії навколишнього середовища.
Основними недоліками дротяних резисторів є досить висока вартість, великі габарити і часто обмежений частотний діапазон. Проте розвиток мікрометалургії (отримання мікродроту в скляній ізоляції) дозволив виготовляти дротяні резистори, розміри яких подібні до розмірів прецизійних недротяних резисторів і навіть менше. В результаті ухвалення ряду конструктивних заходів(зустрічне намотування, намотування подвійним дротом, застосування металевих каркасів) паразитна індуктивність і ємність дротяних резисторів можуть бути зведені до необхідного мінімуму, а тим самим може бути забезпечена робота цих резисторів в мегагерцевому діапазоні. Дротяні прецизійні резистори є дуже точними і стабільними (0.05%, <10ppm/°c). Вони використовуються тільки в дуже критичних схемах, таких як схеми підстроювання і прецизійних аттенюатори. Типові номінали - від 0.1 Ом до 1.2 МОм.
Металоплівкові резистори зазвичай вибирають для прецизійних схем, де потрібна висока точність, низький температурний коефіцієнт, і низький шум. Такі резистори зазвичай складаються з ніхрому, оксиду олова або нітриду танталу і випускаються в герметичних або, опресованих фенольних корпусах. Типове їх використання в мостових схемах, RC- генераторах і активних фільтрах. Початкова точність варіюється від 0.1 до 1%, температурний коефіцієнт від 10 до 100 ppm/°c. Стандартні номінали від 10 Ом до 301 КОм з кроком 2% (для допусків 0.5% і 1%). Металоплівкові маркіруються послідовністю з чотирьох цифр (три перших - число, четверта - кількість нулів. Приклад "4991" - 4990ом, "49R9" - 49.9 Ом).
У резисторі С5 встановлюються в мікроелектронній апаратурі на друкованих платах і підкладках гібридних ІС. Резистори С5-5 звичайного і тропічного виконання виконують намотуванням з кроком манганієвого дроту на керамічний каркас, який ущільнюють кремнійорганічною гумою, фторопластовою стрічкою і захищають металевим кожухом, а з торців - керамічними шайбами. Діаметр цих резисторів від 6,15 до 11,2 мм, а довжина від 20 до 52 мм.
Резистори С5-15 прямокутної форми, виконані з мікродроту в скляній ізоляції, мають найменші розміри (4 х 3, 6 х 2,5 мм), масу, номінальну потужність, вібронайміцніші і встановлюються на підкладках гібридних ІС. Резистори С5-22, призначені для роботи в умовах високого вакууму, мають широкий діапазон номінальних опорів і розміри 8 х 8 х 3,6 мм. Резистори С5-25в діаметром від 7 до 11 мм і завдовжки від 17 до 22,5 мм на відміну від резисторів С5-5 не мають металевого корпусу і захищені від дії зовнішнього середовища лише кампаундом. Тому верхня межа їх робочої температури менша.
Резистори С5-41 (високочастотні - до 1МГц) прямокутної форми (27 х 10 х 3,5 мм) використовуються тільки для друкованого монтажу. Резистори С5-53 і С5-54, що використовуються на частотах до 1кГц, мають діаметр від 9 до 19 мм і довжину від 20 до 56 мм.
Вуглецеві прецизійні резистори - це тонкошарові резистори, резистивний елемент якого являє собою плівку піролітичного вуглецю на керамічній підставці, отриману розкладанням вуглеводнів у вакуумі або в середовищі інертного газу при високій температурі. В даний час вуглецеві резистори є одним з найбільш поширених типів постійних резисторів. Вони широко застосовуються в електронній апаратурі завдяки високій стабільності параметрів, стійкості до імпульсних перевантажень, низькому рівню шумів, невеликому температурному коефіцієнту опору, малій залежності опору від напруги і частоти та щодо низької собівартості.
Вказані особливості вуглецевих резисторів обумовлені властивостями піролітичного вуглецю - його термостійкістю, хімічною стійкістю, порівняно великим питомим опором, можливістю отримання провідних шарів з різним опором і низьким ТКР, причому за значенням ТКР піролітічного вуглецю може бути значно понижений при введені в нього певного відсоткового змісту бору, що і використовується у виробництві вуглецевих прецизійних резисторів.
Дуже тонкі шари піролітичного вуглецю, що використовуються для отримання високоомних резисторів, мають порівняно малу стабільність параметрів, тому граничні значення опорів вуглецевих прецизійних резисторів складають 104-105 Ом.
Піролітичний вуглець отримують шляхом термічного розкладання пари вуглеводнів без доступу повітря.
Найбільш поширені способи виготовлення композиційних резисторів засновані на змішуванні провідного компонента, наприклад графіту або сажі з органічними чи неорганічними сполуками, що їх пов’язують приклад фенольними або ефірними смолами (епоксидною, гліфтальовою, кремнійорганічною), наповнювачів пластифікатором і затверджувачем. Такі системи називаються гетерогенними.
Сучасна технологія виробництва складних гетерогенних систем дозволяє отримати резистори з широким діапазоном значень опорів від десятків ом до декількох мегаом.
Завдяки використанню композицій отримують резистивні елементи будь-якої форми - у вигляді масивного тіла або плівки, нанесеної на ізоляційну підставку. Композиційні високоомні резистори з великою площею поперечного перерізу резистивного елемента надійно працюють в різних режимах і умовах експлуатації. Технологія виготовлення композиційних резисторів не вимагає складного устаткування і дорогих матеріалів. Змінюючи склад композицій і умови їх обробки, можна варіювати опір і значення ТКС резистивного елемента.
Невисока вартість композиційних резисторів, простота технологічних процесів виробництва сприяли їх широкому застосуванню. Композиційні матеріали успішно використовуються для створення постійних прецизійних резисторів і потенціометрів.
Як провідні компоненти в композиціях використовуються в більшості випадків порошкоподібні провідники - сажа і графіт.
Сажа - продукт неповного згорання або термічного розкладу вуглецевих речовин. Сировиною для отримання сажі слугують газоподібні, рідкі і тверді вуглеводні (природні гази, антрацен, нафталін і т. п.). Загальною технологічною операцією у виробництві сажі з різних початкових матеріалів є спалювання сировини за допомогою пальників або форсунок в печах при обмеженому доступі повітря або його термічне розкладання за відсутності повітряного середовища.
Як провідний компонент в композиціях також широко використовується графіт - алотропна форма вуглецю. До складу графіту входять зазвичай механічні домішки різних мінеральних речовин, а також летючі (С02, СН) та ін. У технології виробництва композицій застосовуються різні види колоїдного графіту, який є продуктом термохімічної переробки натурального графіту.
Параметри прецизійних резисторів, виготовлених за технологією BULK METAL FOIL, найбільш близькі до параметрів "ідеального резистора". Услід за науковим відкриттям доктора ф. Зандмана в 1962г. відбулось створення і промислове впровадження технології званої BULK METAL FOIL(BMF). Сьогодні ця технологія дозволяє створювати резистори найвищої точності, стабільності і надійності, максимально наближені до "ідеального опору". Запатентований метод з'єднання металевої фольги і керамічної підкладки дозволяє отримувати резистор з параметрами, недоступними для інших резисторів, - дротяних, товсто- і тонкоплівкових. Технологія BMF має три ключові відмінності. Перше - висока температурна стабільність і стабільність під навантаженням. Друге - висока точність отримуваного опору. І, нарешті, третє - висока надійність. В порівнянні з резисторами BMF, тонкоплівковим резисторам властивий ряд недоліків. Наприклад, при механічній або температурній деформації частинки, що формують плівку, розширюються. В процесі охолоджування вони не повертаються до початкового положення. Таким чином, кожна температурна дія або цикл деформації викликають зміну величини опору. Завдяки можливостям технології BMF можна досягти високих параметрів резисторів: температурного коефіцієнта опору(ТКR), коефіцієнта потужності опору, точність виготовлення номінального опору і його стабільності в часі під навантаженням, високої швидкодії, низького рівня шумів, ТЕРМО-ЕДС, малій залежності опору від напруги. З складного комплексу зовнішніх діючих чинників найбільший вплив на резистори створюють кліматичні і механічні навантаження. До них належать температура і вологість навколишнього середовища, атмосферний тиск, домішки в навколишньому середовищі, біологічні чинники, вібрація, удари, прискорення, що постійно діє, акустичні шуми. Окрім цього, при певних умовах можуть позначатися радіаційні дії (потік нейтронів, гамма-промені, сонячна радіація і т. п.) і чинники космічного простору. Температура і вологість навколишнього середовища є найважливішими чинниками, що впливають на надійність, строк дії і збереженість резисторів. Тривала дія підвищеної температури викликає старіння провідникових, контактних і ізоляційних матеріалів, внаслідок чого параметри резисторів зазнають необоротних змін. Добре ілюструє залежність потужності електричного навантаження від температури навколишнього середовища графік приведений нижче.
Залежність допустимої потужності електричного навантаження від температури навколишнього середовища
Pt - допустима потужність розсіяння, Вт; Pн - номінальна потужність розсіяння, Вт; t - температура навколишнього середовища °С.
В умовах підвищеної вологості на електричні параметри резисторів впливає як плівка води, що утворюється на поверхні, так і внутрішнє поглинання вологи. Підвищена вологість середовища викликає корозію металевих деталей і контактної арматури резисторів, погіршує електричні властивості ізоляції, сприяє розвитку грибкової цвілі.
Старіння резисторів виявляється головним чином в зміні їх основного параметра – опору. При цьому, як правило, відбуваються необоротні зміни, викликані електричним навантаженням, підвищеною температурою і підвищеною вологістю навколишнього середовища.
Характер і інтенсивність старіння резисторів залежить від їх конструкції, умов експлуатації і зберігання. У експлуатаційних умовах часто має місце складне поєднання різних зовнішніх кліматичних і механічних чинників, що діють одночасно або в різній послідовності з різною інтенсивністю.
Найбільш стійкими до дії чинників старіння є, дротяні резистори, а серед недротяних - тонкошарові металодіелектричні і металоксидні. Менш стійкими вважаються композиційні лакосажеві. Зміна опору цих резисторів залежить від співвідношення між інтенсивностями старіння різних компонентів, які можуть приводити як до зменшення (за рахунок структурних змін провідного елементу, виділення з нього летючих речовин, твердіння захисного покриття), так і до збільшення опору (за рахунок окислення провідного матеріалу і перехідних контактів, абсорбції газів і пари з навколишнього середовища)1.
Стабільність товстоплівкових композиційних резисторів визначається в основному стабільністю діелектричних матеріалів, що входять до складу резистивної композиції. У початковий період, як правило, вони мають негативний коефіцієнт старіння, тобто їх опір зменшується, при чому основна зміна відбувається в перших 300-500 годинах роботи. Надалі, до кінця терміну служби, опір збільшується.
Старіння дротяних резисторів визначається стійкістю до окислювальних процесів дроту, і контактних вузлів. У початковий період експлуатації при невеликих теплових і електричних навантаженнях, коли процеси окислення сповільнені, може мати місце зменшення опору, пов'язане із зняттям внутрішньої напруги в дроті і зміною її мікроструктури. Зниження електричної міцності емалевого покриття проводів в результаті його термоокислювальної деструкції призводить до замикання витків намотування і зменшення опору резисторів з багатошаровим намотуванням.
Збереженість дротяних резисторів порівняно висока. При зберіганні в складських умовах протягом ряду років у більшості типів дротяних резисторів зміна опору не перевищує 1-3 %.
Підвищена вологість викликає, як правило, збільшення опору резистора. Найбільші необоротні зміни характерні для композиційних (на органічній зв'язці) і вуглецевих резисторів. У вологому середовищі відбувається набухання тих, які пов’язують органічні сполуки; волога, упроваджуючись в структуру резистивного матеріалу недротяних резисторів, порушує контакти між міжкристалічними прошарками або зернами провідного елементу, проникає в контактні вузли, викликаючи корозію контактної арматури.
Як мовилося раніше прецизійні резистори, не дивлячись на свою вартість, дуже широко застосовуються в електроніці і техніці. В основному в точних вимірювальних приладах, мікросхемах, програмованих інтегральних схемах, військовій, космічній, авіаційній, медичній апаратурі і так далі.
Застосування прецизійних резисторів як датчиків струму в додатках середньої і малої потужності як і раніше є привабливим вибором через їх простоту і не високу вартість в порівнянні з датчиками, заснованими на інших принципах. Для вимірювання струму застосовуються товстоплівкові і дротяні резистори. У тонкоплівкових і композиційних резисторах дуже складно, за малим виключенням, досягти значень опору декілька мОм, які потрібні для вимірювання струму в додатках середньої потужності6.
Типовий товстоплівковий резистор потужністю 1 Вт виготовляють за стандартною технологією чип-резисторів. Як провідний матеріал використовують сплав срібла з палладієм або платиною. Як резистивний елемент при малому значенні опору застосовують сплав 40% срібла і 60% палладія. Товстоплівкові резистори мають дуже малий опір і низьку вартість, але їх габарити обмежені розміром 2512, а потужність розсіяння величиною 2 Вт. Величина потужності розсіювання може бути збільшена при використанні конструкції резистора з бічними виводами. В цьому випадку резистор розміром 1225 здатний розсіювати потужність 3 Вт. Крім того, така конструкція забезпечує краще узгодження температурного коефіцієнта резистора і плати, а також вищу надійність паяного з'єднання6. Дротяні резистори використовують, коли потрібний наднизький опір менше 1 мОм.
Далі розглянуті новинки ринку прецизійних резисторів за останній рік, їх характеристики і області застосування.Cеред новинок ринку прецизійних резисторів за останній рік найбільш значущими були відмічені наступні:
Компанія Vishay Intertechnology Inc. запустила у виробництво нову серію мініатюрних прецизійних резисторів Z202
Пропоновані вироби об'єднують в собі значення TCR - 0.05 ppm, PCR - 5 ppm і точність виконання номінала - 0,01%.Серія резисторів Z202 є мініатюрізірованим аналогом серії Z201.
Технічні характеристики:
- Величина TCR при температурі 0...60 °C - 0,05 ppm/°c; при температурі -55...125 °C - 0,2 ppm/°c - Точність виконання номінала - 0,01% - Величина PCR - 5 ppm при повному навантаженні - Стійкість до електростатичного розряду понад 25 кв - Діапазон опорів від 5 Ом до 30 ком - Розсіювана потужність - 0,25 Вт при 70 °C; 0,125 Вт при 125 °C - Стабільність номінала впродовж життєвого циклу - 0,01% - Відсутність паразитних ємкостей і індуктивностей - Величина струмових шумів менш -40 дб - Що наводиться термо-ЕДС - менше 0,1 мкв/°c - Зміна опору під впливом прикладеної напруги - менше 0,1 ppm/в - Максимальна робоча напруга - 250 В
Області застосування: прецизійні підсилювачі, високопрецизійний інструментарій, медичне і вимірювальне устаткування, стереообладнання класу high-end, електронно-променеві сканери і апаратура звукозапису, військова техніка, аерокосмічна техніка, добувне устаткування.
Прецизійні потужні резистори компанії EBG. Резистори серії LXP. Корпус To-220.
Компанія EBG - це міжнародний лідер у виробництві електронних компонентів, що спеціалізується на випуску високотехнологічних резистивних елементів. Штаб-квартира EBG розташована в Австрії. Додатково компанія має в своєму розпорядженні офіси продажів в Європі, США і в Азії. Починаючи з 1977 року, компанія EBG розробила і випускає широкий спектр високоякісних електронних компонентів. Компанія EBG не виготовляє продукції масового попиту; компанія спеціалізується на випуску компонентів високотехнологічного спектру. Резистивні елементи EBG пропонують такі характеристики, як дуже низький керований ТКС і коефіцієнт зміни опору від прикладеної напруги, високу стабільність, високу термостійкість і точність опору. Вся продукція, що випускається, проходить відповідні перевірки, як того вимагають європейські і американські військові стандарти. Напрями продукції EBG містять достатньо широкий спектр метал-оксидних виробів, що випускаються із застосуванням фірмового композиту METOX – FILM. Компанія пропонує різні типи резисторів: плоскі, циліндрові, резистивні дільники і складки резисторів.
Потужні резистори серії LXP 18 і LXP 20, в корпусі TО-220. Товстоплівкові потужні резистори для імпульсних і високочастотних застосувань EBG пропонує повністю герметизовані і ізольовані резистори в корпусі TО-220 з низьким опором і в безіндуктивному виконанні для високочастотних і імпульсних застосувань. Ідеально підходять для застосування в джерелах живлення. Резистори рекомендується встановлювати на тепловідвід із застосуванням теплопровідної пасти. LXP 18 LXP 20.
Особливості: - Потужність 18 Ватів при температурі корпусу 25 °C для LXP 18 і 20 Ватів при температурі корпусу 25 °C для LXP 20; - Корпус To-220; - Кріплення на тепловідвід LXP 18 здійснюється за допомогою всього одного гвинта, для LXP 20 потрібна притискна скоба; - Повністю ізольований пластмасовий корпус для захисту від зовнішніх дій. - Безіндуктивного виконання; - Корпус резистора повністю ізольований від тепловідводу.
Технічні характеристики: - Діапазон опорів: від 0,05 Ом до 1мОм, інші значення опорів на вимогу замовника; - Точність: ;1%, ;2%, ;5%, ;10% (0.5% на вимогу замовника).
Температурний коефіцієнт: - від 1 Ом до 10 Ом: ;(100x10-6+0.002 Ом)/°c при 25°c ;R узято при +105°C; - 10 Ом і більше: ;50x10-6/°C при 25°c ;R узято при +105°C. - Максимальна робоча напруга: 350 В; - Електрична міцність діелектрика: 1800 В змінного струму; - Номінальна потужність залежить від температури корпусу (див. графік зниження номінальних значень); - Опір ізоляції: мінімум 10 Гом; - Миттєве перевантаження: у два рази що перевищує номінальну потужність при напрузі, що не перевищує в півтора рази максимальну тривалу робочу напругу протягом 5 секунд ; (0.3% + 0.001ом) макс; - Довговічність: відповідно до Mil-r-39009, 2000 годин при номінальній потужності ; (1.0%+0.001 Ом); - Вологостійкість: відповідно до Mil-std-202, методика 106 ;(0.5%+0.001 Ом) макс.; - Теплова дія: відповідно до Mil-std-202, методика 107, умова F ;(0.3%+0.001 Ом) макс.; - Міцність виводів: відповідно до Mil-std-202, методика 244, умова A (випробування методом відриву) 2.4 Н ;(0.2%+0.001 Ом) макс.; - Вібрація, висока частота: відповідно до Mil-std-202, методика 204, умова D ;(0.2%+0.001 Ом) макс.; - Матеріал виводів: луджена мідь; - Максимальний момент, що крутить (для LXP 18): при використанні гвинта і компресійної шайби. Зниження номінальних значень LXP 18: Зниження номінальних значень (тепловий опір): 0.144вт/°к(6.94k/вт). Без тепловідводу потужність 2,25 Bт при температурі 25°К. Зниження номінальних значень при температурі вище 25°c 0.018вт/°k. LXP 20: Зниження номінальних значень (тепловий опір): 0.16вт/°к(6.25k/вт). Без тепловідводу потужність 3Вт при температурі 25°c. Потужність резистора при використанні тепловідводу у вигляді кришки – 5Вт. Зниження номінальних значень при температурі вище 25°c 0.018вт/°k.
Компанія Panasonic анонсувала випуск прецизійних металплівкових чіп- резисторів з низьким значенням ТКС.
Загальний опис: Серія Era6ar/6ap - це прецизійні резистори, призначені для областей застосування, де потрібні висока точність і низький ТКС. Серія Era8a - це високонадійні чіп - резистори для автомобільної електроніки на потужність 0,25ватт. Обидві серії випускаються по ряду номінальних опорів E24.
Технічні характеристики:
- Серія Era6ar/6ap (чіп-розмір 0805) висока точність до 0,05% і низький ТКС до 10ppm/c;
- Серія Era8a (чіп-розмір 1206) . потужність 0,25ватт;
- Висока термостабільність - зміна номіналу опору менш ніж на 0.1% при 155с ;
- Висока вологостійкість . зміна номіналу опору менш ніж на 0.1% при 85с і відносній вологості 85%.
прецизійний резистор напруга дротяний
Прецизійні резистори, як неодмінні компоненти мостових схем, вимірювальних систем, аналогових ланцюгів, в значній мірі визначають точність процесів вимірювання і регулювання в цілому. Прецизійні резистори MEGATRON