Rezystory

W mądrych książkach piszą, że rezystory dzielą się na objętościowe (masowe), warstwowe, drutowe. Pewnie słyszałeś, że mogą być rezystory węglowe, albo węglowe kompozytowe, metalowe, metalizowane itd.

To wszystko prawda, ale czy te wiadomości są ci potrzebne? Z pewnością nie wszystkie.

Nie lekceważ jednak wszystkich jajogłowych specjalistów, pisarzy lubujących się w takich klasyfikacjach i uczonych grzebiących się w teorii.

Wielu z nich rzeczywiście ma dobrze i gęsto poukładane pod sufitem, jednak większość ich wiedzy nie jest potrzebna, praktykowi chcącemu budować użyteczne układy lub zajmować się naprawianiem sprzętu elektronicznego. Jeśli wejdziesz głęboko w elektronikę, docenisz i tych jajogłowych teoretyków.

Gdzie kupić dobry rezystor?

Co każdy elektronik musi wiedzieć o rezystorach?

Niektóre materiały, na przykład metale, węgiel (sadza, grafit) przewodzą prąd elektryczny – jedne lepiej drugie gorzej. Tylko tzw. nadprzewodniki idealnie przewodzą prąd elektryczny. Kawałek drutu, wałek grafitowy stwarzają przepływającemu prądowi pewien opór -mówimy, że mają one jakąś rezystancję. W artykule terminy rezystancja i opór używane są wymiennie, choć nie jest to do końca ścisłe. A co to jest rezystor? To najpopularniejszy element elektroniczny, zwykle zbudowany w postaci wałeczka z dwoma wyprowadzeniami osiowymi, w układzie służący najczęściej do ograniczenia prądu lub uzyskania wymaganych napięć.

Najważniejszym parametrem rezystora jest, jak by nie było, rezystancja, oznaczana literą R, jest to w uproszczeniu zdolność do przeciwstawiania się przepływowi prądu. Bardzo dobrą analogią jest tu… rura wodociągowa. Ciśnienie wody odpowiada napięciu elektrycznemu (oznaczenie U), przepływ wody to natężenie prądu (I), potocznie zwane po prostu prądem. Gruba rura o dużym przekroju stawia przepływającej wodzie niewielki opór. Cieniutka rurka o małym przekroju stawia oczywiście znaczny opór. Również zawór hydrauliczny lub zwykły kran wodociągowy jest odpowiednikiem naszej rezystancji, i to nawet zmiennej. Jeśli ciśnienie w instalacji (napięcie zasilające obwód) jest stałe, to przepływ wody (prądu) zależy od oporu (rezystancji).

Przykład ten znakomicie ilustruje słynne prawo Ohma głoszące, że prąd w obwodzie jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia, a odwrotnie proporcjonalny do rezystancji (oporu). Zgadza się to z intuicją, potwierdza to także analogia hydrauliczna: czym większe ciśnienie tym więcej wody przepływa przez odkręcony kran, czym większy opór – tym mniej wody. Prawo Ohma i związane z tym trzy wzory należy zrozumieć i pamiętać o każdej porze dnia i nocy.

Warto zapamiętać trzy fundamentalne zależności wynikające z prawa Ohma:

l = U/R

R = U/I

U = I * R

Na cześć pana Ohma jego imieniem nazwano jednostkę rezystancji (Ω to jakby V / A, wolt podzielony przez amper). Dany element ma opór jednego oma jeśli napięcie jednego wolta wywołuje w nim przepływ prądu o wartości jednego ampera.

Ponieważ 1Ω to mała rezystancja, w elektronice powszechnie używa się jednostek będących wielokrotnościami oma: 1 kΩ = 1000Ω = 10³Ω  1MΩ = 1000kΩ = 1000000Ω = 10⁶Ω
1 GΩ = 1000MΩ = 1000000kΩ = 10⁹Ω

Analogia hydrauliczna prowadzi do wniosku, że taki sam opór możemy uzyskać stosując krótką rurkę o małym przekroju, jak też długą rurę o przekroju znacznie większym. Jest to prawda, w elektronice jest podobnie.

Rozumowanie to prowadzi do kolejnego wzoru potrzebnego często w praktyce do obliczenia rezystancji danego odcinka przewodu:

R = (p*|)/S

gdzie I – długość przewodu, S – pole przekroju, p – stała charakterystyczna dla danego materiału zwana rezystywnością. Elektronik stosuje przewody miedziane; jeśli długość podana jest w metrach,

pole przekroju w mm², to dla Cup = 0,017Wmm²/m.

Analogia hydrauliczna pomaga też zrozumieć co się dzieje przy łączeniu oporów szeregowo lub równolegle. Przy połączeniu szeregowym rezystancje po prostu się dodają:

R = R1 +R2+…

Przy połączeniu równoległym wypadkowy opór jest na pewno mniejszy od najmniejszego oporu składowego. Niestety nie jest to zależność aż tak prosta jak poprzednio:

R = 1 /(1/R1 +1/R2 + 1/R3 + …)

Dla dwóch rezystorów wypadkową rezystancję oblicza się w praktyce ze wzoru:

R = R1*R2/(R1+R2)

Podczas przepływu prądu przez opór wydziela się pewna moc strat w postaci ciepła. Moc ta zależy zarówno od napięcia, jak i prądu według zależności:

P = U * I

W praktyce często potrzebne są wzory pochodne:

P = I² * R

P = U²/R

U = (P/R)^1/2

R = U²/P itd…

Parametry rezystorów najważniejsze dla praktyka

Rezystancja nominalna – jest to rezystancja, jaką powinien mieć rezystor. Przyjęto standardowe wartości nominalne określane według szeregów E1 2…E192.

Tolerancja (klasa dokładności) – ponieważ ze względu na rozrzuty produkcyjne rezystory nie mają rezystancji dokładnie zgodnej z rezystancją znamionową, podaje się maksymalne dopuszczalne odchyłki. Wyraża się to w procentach wartości znamionowej.

Moc znamionowa– jest to największa dopuszczalna moc wydzielana na rezystorze przy pracy ciągłej przy temperaturze otoczenia mniejszej niż +70°C (dla niektórych typów +40°C).

Napięcie graniczne – maksymalne napięcie stałe (lub amplituda napięcia zmiennego), jakie może być dołączone do rezystora w sposób ciągły, (w praktyce parametr ten dotyczy tylko rezystorów o nominałach rzędu setek i tysięcy kiloomów).

Temperaturowy współczynnik rezystancji – oznaczany w krajowych źródłach TWR, lub z angielska TCR, określa zmiany rezystancji pod wpływem temperatury. Czym mniejsza wartość TCR, tym bardziej stabilny rezystor. Wartość TCR podaje się w %/K, ppm/K lub lO^-6K^-1.

Współczynnik szumów – określa szumy wprowadzane przez rezystor. Ponieważ szumy zależą od przyłożonego napięcia stałego, wartość współczynnika szumów wyraża się zazwyczaj w mV/V. Oprócz tego w katalogach można znaleźć szereg innych parametrów: moc kategorii, napięcie izolacji lub rezystancję izolacji, rezystancję krytyczną, napięciowy współczynnik rezystancji, rezystancję termiczną, współczynniki niezawodności, współczynnik nieliniowości, współczynnik stabilności długoczasowej, dopuszczalne zmiany rezystancji po próbach termicznych, klimatycznych itp.

Teraz dobrze byłoby postawić pytanie: czy dokładnie rozumiesz sens mocy związanej z rezystancją? Warto zapamiętać, że prąd elektryczny niesie pewną energię. Przy przepływie prądu przez rezystancję część tej energii zostaje wydzielona w postaci energii cieplnej. Czy to dobrze, czy źle?

Tylko w przypadku grzejników elektrycznych cieszymy się z zamiany energii elektrycznej na ciepło. W elektronice jest inaczej. Czy słyszałeś o pierwszych komputerach zbudowanych z wykorzystaniem tysięcy lamp elektronowych, pobierających (i jednocześnie wydzielających w postaci ciepła) tyle energii elektrycznej co średniej wielkości miasto? Dziś pierwszy lepszy kilkunastolatek ma na biurku komputer o nieporównywalnie większej mocy obliczeniowej i szerszych możliwościach, pobierający kilka watów mocy. Informacja nie niesie energii, ale do jej przetworzenia trzeba zużyć jakąś energię. I co najgorsze traci się ją w postaci ciepła.

Straty energii elektrycznej

Inny przykład: wzmacniacz klasy A w studiu melomana zużywa kilkaset watów energii elektrycznej. Tymczasem dla zaspokojenia wyrafinowanych potrzeb tego melomana potrzeba co najwyżej kilka, kilkadziesiąt miliwatów energii akustycznej trafiającej do jego ucha. Skąd taka rozrzutność i marnotrawstwo? Po prostu nie umiemy w inny sposób odtworzyć dźwięku o odpowiedniej jakości. Podobnie jest we wszystkich urządzeniach elektronicznych: nie umiemy zrealizować naszych celów bez zużywania energii, nie jest to zresztą do końca możliwe. Tak działają wszystkie funkcjonujące układy: żywe i martwe.

W organizmach żywych ktoś zrealizował wspaniałe funkcje znikomym nakładem energii: nie wspominając już o ludzkim mózgu nadmieńmy, że węże i żmije mają „wbudowane” termometry rozróżniające temperatury rzędu 0,01 °C, nietoperze mają super-precyzyjne sonary zużywające mikro, czy miliwaty energii. Nasze opracowania długo jeszcze nie dorównają takim genialnym konstrukcjom, zapamiętajmy jednak raz na zawsze: energia cieplna wydzielająca się w urządzeniach elektronicznych to zło konieczne, które należy jak najbardziej minimalizować. Celem nie jest zużywanie energii elektrycznej, tylko zrealizowanie jakichś zadań. A w układach elektronicznych właśnie rezystancje odpowiedzialne są za większość strat cieplnych.

Kontynuując ten artykuł należałoby napisać o oznaczeniach paskowych, szeregach itp. ale uważam, że to się mija z celem. W internecie jest tyle opisów oznaczania, odczytywania rezystorów itd., że nie ma sensu tutaj tego powielać.

Porównywarka cen sprzętu RTV