Для чего нужен резистор: основные применения и принципы работы

При проектировании электрических цепей и их практической реализации требуются пассивные элементы, основной характеристикой которых является сопротивление. Подобные компоненты нужны, например, для расчетного ограничения тока или для деления напряжений. В электронике и электротехнике носителем такой характеристики является резистор (бытовое название – сопротивление).

Внешний вид и общие сведения

Резистор традиционной конструкции выглядит, как цилиндр или вытянутый параллелепипед с двумя проволочными выводами. Выводы равнозначны (за исключением переменных резисторов), цоколевку или полярность подключения соблюдать не надо.

Основная характеристика – сопротивление – измеряется в Омах. Часто применяются кратные и дольные величины – килоомы, мегаомы, миллиомы, микроомы.

Как устроена работа резистора

Проще всего разобраться в устройстве резистора на примере элемента проволочной конструкции. Для уменьшения габаритов проводник навивается в виде спирали на керамическое основание.

Чтобы изготовить такой резистор, берется проволока с большим удельным сопротивлением (манганин, нихром, константан и т.п.). Как известно сопротивление проводника зависит от его длины, сечения и материала, из которого он изготовлен. Варьируя эти три величины, можно изготовить резистор с заданным номиналом.

Обычно на такие элементы наносят защитный слой из стекла и керамики.

Изготовленный таким способом электронный компонент будет иметь большие габариты, поэтому проволочная конструкция применяется только для элементов, на которых рассеивается большая мощность.

Чтобы уменьшить габариты, на керамическую трубку наносят слой токопроводящего материала в виде пленки. Так же, как и в предыдущем случае изменением толщины, ширины, длины пленки и ее составом можно добиваться различных значений сопротивления. За счет применения тонкопленочных материалов, размеры элемента получаются гораздо меньше (но и рассеиваемая мощность меньше).

Схожим образом устроен СМД-элемент. У него проводящая пленка наносится в виде змейки.

Основные типы сопротивлений и их применение

Резисторы можно классифицировать по различным признакам. Эти признаки определяют область применения.

По способу монтажа

По способу монтажа резисторы можно разделить на выводные (для монтажа through hole – в отверстия) и для поверхностного монтажа (SMD). Вторые стремительно вытесняют первых, но не там, где нужны мощные элементы (в несколько ватт).

По возможности изменения характеристик

Здесь выделяется две группы элементов – постоянные и переменные. Ко второй группе относят и подстроечные.

По классу точности

На корпус электронного компонента наносят номинал, но фактически он может отличаться в ту или иную сторону. Класс точности характеризует диапазон этого отклонения. Чем выше класс точности, тем ближе фактическое значение сопротивления к заявленному.

Обычно класс точности обозначают в процентах.

По реакции на внешнее воздействие

Существуют элементы, значение сопротивления которых зависит от внешних факторов. Элементы, нормированно изменяющие характеристики в зависимости от температуры, называются терморезисторами, в зависимости от освещения – фоторезисторами, от приложенного напряжения – варисторами и т.д. Определить тип такого компонента можно по внешнему виду.

Разница между реостатом и резистором

В некоторых случаях заранее неизвестно точное значение сопротивления, которое потребуется на данном участке схемы. Иногда приходится подбирать резистор с большой точностью, чего не может обеспечит стандартный шаг сопротивления.

В других ситуациях значение сопротивления надо оперативно изменять (регулирование громкости, изменение тока в цепи и т.п.). В подобных случаях применяют резисторы, сопротивление которых можно изменять. Один из первых типов таких элементов был реостат. Он представляет собой проволочную спираль, по которой может двигаться контактный ползунок. Так как сопротивление зависит от длины проводника, изменяя положение движка можно выбирать сопротивление от нуля (начальное положение) до полного сопротивления (конечное положение).

Реостатом пользоваться неудобно из-за его габаритов, поэтому их применяют там, где нужны резисторы большой мощности или для демонстрационных целей. В технике же применяют другой конструктив переменного резистора, который называют потенциометром. Токопроводящая дорожка (или проволочная спираль) в нем выполнена в виде дуги окружности (подковы), по ней скользит токосъемный движок, который приводится в действие посредством оси.

Для разовой настройки применяются подстроечные резисторы. Их орган управления не выводится в удобное место, так как после запуска аппаратуры необходимость в изменении их параметров отсутствует.

Маркировка и обозначение на схемах

Для обозначения постоянных резисторов на схеме используется два варианта УГО:

1. В виде прямоугольника (более распространен).
2. В виде спирали.

Первый вариант предпочтительнее, так как он проще при ручном вычерчивании (в настоящее время не очень актуально). Другая причина – на схемах часто указывают мощность элемента. Это принято делать внутри прямоугольника.

Виды резисторов на схеме обычно не обозначают. Это делают в описании к схеме или в отдельном поле (указывают тип компонента – проволочный, выводной, SMD и т.п.), поэтому УГО для всех категорий исполнения одинаковый.

Условно-графическое обозначение переменного или подстроечного резистора имеет дополнительный элемент. Он обозначает вывод движка.

Номинал резистора обычно наносят на корпус в виде прямого буквенно-цифрового обозначения величины сопротивления. Буква означает множитель:

• E, R, J – единица, используется при обозначении номиналов до 1000 Ом (75E – 75 Ом, 27R – 10 Ом, 2J – 2 Ома);
• K – 1000, обозначает количество килоом (100K – 100 килоом или 100 000 Ом, 10К – 10 килоом или 10000 Ом).
• M – 1000 000, обозначает количество мегаом (1M – 1 МОм или 1000 000 Ом).

Буква используется в качестве десятичного разделителя. Например, 2K7 означает номинал 2,7 КОм, 6R8 – 6,8 Ом, 1M2 – 1,2 МОм.

В последнее время все большее распространение получает цветовая маркировка номиналов – в виде разноцветных колец. Определить сопротивление такого резистора можно по таблице или с помощью онлайн-калькулятора. И то, и другое можно найти в интернете.

Мощность иногда наносится в явном виде (например, 10W означает десятиваттный компонент), иногда эта величина «зашита» в тип резистора (МЛТ-2 – двухваттный элемент, ПЭВ-10 – десятиваттный и т.п.).

Во многих случаях ваттность определяется «на глаз», по размерам устройства.

Иная система принята для маркировки SMD-элементов. На их корпусах недостаточно места для нанесения нескольких символов, поэтому для них используется иная система обозначений. Обычно на СМД-резистор наносят три цифры:

• первые две обозначают мантиссу номинала;
• третья – множитель (проще говоря – сколько нулей надо приписать к первым двум цифрам).

Например, маркировка 103 означает, что к цифре 10 надо приписать три нуля. Получается 10000 ом или 10 кОм.

Тот же принцип применим для более точных SMD-элементов с 4 цифрами. Так, маркировка 7921 означает, что к цифре 792 надо приписать один ноль – получится 7920 Ом.

Проверка мультиметром

Проверка мультиметром проводится, обычно, в трех случаях:

• когда требуется проверить соответствие сопротивления резистора и маркировки (диагностика исправности);
• когда маркировка на корпусе отсутствует (стерлась и т.п.), и надо выяснить номинал элемента;
• когда под рукой нет калькулятора для «полосатой» маркировки.

Если тестирование проводится мультиметром с автоматическим выбором предела, то надо просто подключить щупы прибора к выводам резистора. На дисплее возникнет цифра, соответствующая значению сопротивления.

Если предел измерения надо выбирать вручную, то в первом случае устанавливается значение, заведомо выше, чем обозначено на резисторе. Например, если надо проверить элемент, на котором написано 2к7, надо установить переключатель в положение 20 кОм, а если проверяется резистор номиналом 1,5 кОм, то достаточно предела 2 кОм. В этом случае индикация уровня превышения (OL, =1 и т.п.) однозначно указывает на неисправность.

Во втором и третьем случаях можно поставить тестер на наибольший предел, а потом снижать его для более точного измерения. А можно начать с самого нижнего предела до исчезновения сигнала выхода за границы.

При проверке потенциометра щупы тестера подключаются к крайним (неподвижным) выводам. При подключении щупа к выводу движка, тестер покажет промежуточное значение (меньше или равное номиналу).

Более подробно читайте в статье: Как тестером замерять сопротивление

Как подобрать подходящий резистор

В первую очередь резистор выбирают по номинальному сопротивлению. Для выбора надо знать допустимое отклонение для конкретной схемы, на случай, если подходящего номинала не будет, но будет ближайший.

Дальше надо посмотреть на мощность электронного компонента. Она должна быть такая, как указана на схеме или была у заменяемого элемента. Если мощность будет ниже, то элемент будет греться и может сгореть. Если мощность будет выше, это допустимо, но могут возникнуть проблемы с установкой резистора на плате или на посадочном месте.

Имеет значение и исполнение элемента. SMD-резисторы и выводные при равенстве номиналов глобальных преимуществ друг перед другом не имеют, но установить на плату один тип вместо другого хоть теоретически и возможно, но потребует серьезных усилий и, возможно, переделок.

Примеры расчетов сопротивлений при параллельном и последовательном соединении

При отсутствии элементов с необходимым номиналом или мощностью, резисторы можно соединять последовательно или параллельно. При последовательном соединении сопротивления складываются, и можно набрать любое большее сопротивление, суммируя меньшие номиналы. Общее сопротивление для последовательной цепочки из n элементов находится по формуле Rобщ=R1+R2+..+Rn. Если все элементы имеют одинаковый номинал R, то формула упрощается до Rобщ=n х R.

Например, можно составить цепочку, последовательно включив резисторы с номиналами:

• 2,7 кОм;
• 3,6 кОм;
• 10 кОм.

Общее сопротивление такой цепочки будет равно 10+2,7+3,6=16,3 кОм. Если последовательно соединить три идентичных элемента по 5,6 кОм каждый, общий результат будет равен 5,6*3=16,8 кОм.

Основной принцип последовательного соединения – общее сопротивление будет больше, чем сопротивление любого из элементов. То есть, последовательным включением общее сопротивление можно лишь увеличить.

Если несколько резисторов соединяются параллельно, их общее сопротивление вычисляется по довольно сложной формуле:

1/R=1/R1+1/R2+..1/Rn.

Если параллельно соединяются два элемента, то формула упрощается до вида R=(R1*R2)/(R1+R2).

Если параллельная батарея состоит из n одинаковых резисторов R1, то формула общего значения выглядит, как R=R1/n.

Основной принцип параллельного соединения – общее сопротивление будет меньше, чем сопротивление элемента с наименьшим номиналом. То есть, параллельным включением общее сопротивление можно лишь уменьшить.

Несмотря на простоту устройства резистора, знание конструктивных различий помогает применить каждый элемент по своему по назначению. Путаница типов может привести к проблемам.