МЯУ!
МУР-Р-Р...

РАДИОКОМПОНЕНТЫ:

РЕЗИСТОР

1. ВВЕДЕНИЕ В ИСТОРИЮ ВОПРОСА
Поглаживая кошку [1], мы электризуем шерсть и руку. В темноте можно видеть мерцание электрических разрядов, когда электрончики перескакивают с одного предмета (тела) на другой. Снимая свитер через голову, иногда удаётся получить весьма чувствительный «щелчок» в нос при проскакивании электрической искры. В этих (да и многих других) случаях происходит электризация трением поверхностей соприкасающихся тел.
Электризация – это перераспределение электрических зарядов между физическими телами.
Поскольку соприкасаются поверхности твёрдых тел, то «перескочить» с одного тела на другое могут лишь электроны.

Электрон – элементарная частица. Из электронов состоят «оболочки» атомов [2], которые так и называют – электронные. Электрон несёт в себе «элементарный» отрицательный электрический заряд. Этот заряд есть неотъемлемое свойство электрона. Заряд никакими способами «снять» с электрона нельзя. Поэтому при переходе электронов на данное физическое тело, его общий отрицательный заряд (суммарный электронов) увеличивается. Соответственно, тело, с которого «убежали» электроны, получает равный по величине положительный заряд. Между телами возникает электрическое поле, которое стремится вернуть электроны назад. Именно переход электронов с одного заряженного тела на другое мы и видим как «искрение», сопровождающееся потрескиванием. В природе подобное явление имеет колоссальный масштаб – это молния. Упорядоченное перемещение электронов в пространстве (от одного тела к другому или внутри одного тела) есть не что иное, как электрический ток.

В середине XVIII века появилось много различных конструкций электростатических генераторов (подробнее о таких генераторах см. мою статью «КОНДЕНСАТОР») – устройств, которые посредством трения, могли наэлектризовывать различные физические тела. Потомком этих генераторов является электрофорная машина из кабинета физики [3]. Экспериментаторы очень хотели научиться накапливать электрический заряд с целью его дальнейшего использования.

В 1745г было изобретено устройство для накопления заряда – лейденская БАНКА [4]. (Подробнее о ней см. мою статью «КОНДЕНСАТОР»). А поскольку о строении атома и, тем более, об электронах в те далёкие времена представления не имели, то умные люди придумали следующее объяснение электрических явлений (кстати, аналогичное объяснению тепловых).
Существует невидимая и невесомая жидкость – «электрический флюид», которая может перетекать от одного тела к другому под действием особой «электродвижущей» силы. Соответственно, различные тела могут накапливать то или иное количество флюида, подобно сосудам разного объёма с обычной водой. Таким образом, возникло понятие «электрической ёмкости». Чем она больше, тем больший заряд может накопить тело.
И хотя с тех пор много воды утекло (каламбурец!), водосточная терминология так прижилась, что и в XXI веке мы говорим «электрический ток течёт», «электродвижущая сила» батарейки, «электрическая ёмкость» конденсатора, хотя к физической сути электрических явлений эти словосочетания отношения не имеют.
Спрашивается: а какое отношение ко всему вышеизложенному имеет резистор?!
Попытаюсь объяснить.
Экспериментаторы XVIII века, разряжая лейденскую банку, проводили весьма важные исследования, связанные с «протеканием электрического флюида» через различные материалы и жидкости. Английский учёный В. Ватсон [5] заметил, что наилучшим образом проводят электричество металлы (1747г), хотя, например, обычная вода также является хорошим проводником. Э. Делаваль в своей работе, опубликованной в Трудах Лондонского королевского общества в 1759 г, показал, что хотя металлы как токовые являются проводниками, их оксиды в виде порошка «оказывают сопротивление прохождению флюида», т.е. представляют собой «резистеры» (resisters в написании Делаваля, от латинского глагола resisrere – «сопротивляться»). Следует отметить также, что Делаваль говорит о разной степени сопротивления разных веществ. Что касается материала «резистеров», то учёный сделал пророческое предсказание: плёночные металлооксидные резисторы (далее буду употреблять это слово в современном написании и без кавычек) – весьма распространённые в настоящее время радиокомпоненты.

Изготовленные Делавалем резисторы [6] состояли из стеклянных трубок, наполненных сухим порошком оксида (окалины) свинца, олова или другого металла. В торцы трубок Делаваль вставил по отрезку проволоки, которую залил сургучом. Один проволочный вывод он подсоединял к кондуктору электростатического генератора, а другой держал в руке. Отводя заряд в землю через своё тело, учёный оценивал величину проводимости (а значит и сопротивления) по искре и по собственному ощущению протекания «флюида».
Дело в том, что в те годы ещё не было изобретено никаких электроизмерительных приборов, и экспериментаторы полностью полагались на свои ощущения.
Продолжая исследования электрических свойств материалов, друг и коллега Б. Франклина по электрическим опытам Э. Киннерслей [7] писал в 1770 г о хорошей проводимости угля из некоторых древесных пород (углеродистые резисторы типа ВС не так давно широко применялись в различных радиоконструкциях). Он сообщал также, что успешно разряжал лейденсую банку через своё тело и жирную линию, проведённую на бумаге графитовым карандашом (вот он прообраз плёночной технологии!).
В 1772 г. итальянский учёный Д. Беккариа [8] констатировал существенный факт: «Металлы, хотя они значительно более податливы (т.е. проводящи), чем все другие тела, всё же оказывают некоторое сопротивление, пропорциональное длине пути, который пробегает в них искра». Стоит включить соображение и сразу станет понятно, что речь идёт о зависимости сопротивления от длины проводника и его материала.

Ещё в 1746 г., сразу после воспроизведения «лейденского» опыта в классическом виде (разряд лейденской банки через своё тело), французский физик Ж. Ноле [9] разряжал банку через цепочку людей, взявшихся за руки. Во время разрядки все как один вскрикивали и подпрыгивали. В одном из своих опытов Ноле пометил между двумя людьми, стоящими в цепочке, стеклянную трубку с водой. Во время разрядки в трубке наблюдалось свечение.

Вероятно, от этого опыта отталкивался английский физик Г. Кавендиш в первой половине 70-х годов XVIII века. По неизвестным причинам результаты его исследований оказались неопубликованными более века. Ознакомившись с рукописями Кавендиша в 1871 г. другой великий английский физик Д. Максвелл написал: «В своих рукописях он обнаруживает знакомство с законами параллельного и последовательного соединений… Он провёл весьма обширные исследования в области проводимости соляных растворов в трубках, которые можно уподобить проволокам из разных металлов. Создаётся впечатление, что он достоин ещё больших почестей, так как превзошёл Ома задолго до того, как были открыты постоянные токи».

2. О СОПРОТИВЛЕНИИ ПО-ПРОСТОМУ
Как я уже упоминал выше, в любых опытах по электричеству происходит перемещение заряженных частиц. Если оно упорядоченное – возникает электрический ток.
Рассмотрим упрощённое строение металла: в узлах кристаллической решётки  находятся положительные ионы, а между ними хаотично движутся свободные электроны, сорвавшиеся с внешних электронных оболочек атомов [11]. Таким образом, атомы стали ионами, а электроны образовали электронный газ. Ионы совершают хаотичные колебания в узлах решётки [12].

Если в металле создать электрическое поле, то электроны, сохраняя хаотичность  движения, будут одновременно смещаться в сторону, противоположную направлению линий напряжённости [13]. Примерно так, как смещается кучка хаотично мечущейся мошкары под порывом ветра. Именно поэтому средняя скорость упорядоченного движения электронов – скорость дрейфа – составляет миллиметры в секунду [14] .

Попробуем разобраться с качественных позиций, что влияет на упорядоченное движение электронов в металле? В первую очередь – это положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Электроны притягиваются к ним в процессе движения, теряют часть своей кинетической энергии и, следовательно,  тормозятся. Значит, чем больше влияние ионов на движение электронов, тем больше сопротивление данного проводника. Не следует забывать, что ионы не «вклеены» намертво в пространство решётки. Они колеблются около положения равновесия подобно маятникам, но колебания их в пространстве хаотичны, т.е. происодят по всем направлениям, а не только влево-вправо как обычный маятник.
Куда же «теряется» часть кинетической энергии электронов процессе движения? Никуда. Энергия не теряется и, кстати, не исчезает. В данном случае она передаётся ионам, интенсивность хаотичных колебаний которых за счёт этого возрастает, а, следовательно, возрастает внутренняя энергия проводника и его температура. Вывод: при протекании тока проводник всегда нагревается [15].
Всё вышеизложенное нисколько не противоречит истине и результатам опытов. Но это простое объяснение сложных вещей с точки зрения «классической» теории. Без упоминаний об электронной теории твёрдого тела и квантовомеханических эффектах.
Завершая экскурс в природу электрического сопротивления металлов хочу отметить, что если проводник нагревать с помощью внешнего источника [16], то интенсивность хаотических колебаний ионов будет возрастать, будет возрастать «тормозящее» влияние ионов на электроны, скорость упорядоченного движения будет уменьшаться. Следовательно, при нагревании металла его сопротивление возрастает.
Кто бы спорил! – скажете вы и будете правы. При охлаждении, соответственно, сопротивление уменьшается. Но вблизи абсолютного нуля оно – сопротивление – ведёт себя не так, как предсказывает наше упрощённое «классическое» толкование. Причина в том, что не все законы макромира применимы к микромиру. Сверхпроводимость металлов, когда их электрическое сопротивление равно нулю, необъяснима с точки зрения классической теории. Здесь требуется квантовая механика, но я не вижу смысла даже пытаться изложить здесь её азы по-простому. У меня речь идёт о РЕЗИСТОРЕ.

3. ЗАЧЕМ НУЖНЫ РЕЗИСТОРЫ?
Из того, что было рассказано ранее, должно быть понятно, что основное свойство резистора – сопротивление. Спрашивается, зачем электрическому току создавать ещё какое-то сопротивление с помощью специальных элементов – резисторов, если проводники и так его имеют? Ведь  с ростом сопротивления сила тока уменьшается?
Ответ на эти вопросы не так прост, как может показаться на первый взгляд. Вспомним знаменитый закон Ома: (в простейшей форме), который неразрывно связывает ТРИ электрических величины: силу тока I, напряжение U и сопротивление R. Меняя сопротивление, мы можем управлять силой тока и напряжением!
Включая резисторы разного сопротивления на различных участках электрической цепи, мы можем устанавливать нужные нам значения силы тока и напряжения.
Сопротивление является свойством проводника и зависит от его материала, длины, поперечного сечения и температуры.
Единицы измерения сопротивления: основная - 1 Ом; 1 кОм = 1 000 Ом, 1 Мом = 1 000 000 Ом.
Из школьного курса физики известны два способа соединения проводников, а у нас...

4. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ
Нелирическое отступление.
Как-то ко мне обратился молодой человек – руководитель дискотеки (высшее архитектурное образование) с просьбой помочь ему разобраться, как можно рассчитать общее сопротивление нескольких одинаковых  динамиков в звуковой колонке. Для него было настоящим откровением то, что описано ниже. Он даже чуть было не воскликнул «Эврика!». А на самом деле это – элементарные вещи.

Последовательное соединение – это соединение двух или более резисторов в форме цепи, в которой каждый отдельный резистор соединяется с другим отдельным резистором только в одной точке [17].

При таком соединении, через все резисторы проходит один и тот же электрический ток. Чем больше элементов на данном участке электрической цепи, тем «труднее» току протекать через него. Следовательно, при последовательном соединении резисторов их общее сопротивление увеличивается, и оно равно сумме всех сопротивлений.

Напряжение при последовательном соединении распределяется на каждый резистор согласно закону Ома [18]:

Т.е. чем больше сопротивление резистора, тем больше на нём напряжение.
Посдедовательно, например, соединены лампочки в гирлянде [19]:

Параллельное соединение – это соединение, при котором резисторы соединяются между собой обоими контактами [20]. В результате к одной точке (электрическому узлу) может быть присоединено несколько резисторов.

При таком соединении, через каждый резистор потечет отдельный ток. Сила данного тока будет обратно пропорциональна сопротивлению резистора. В результате общая проводимость такого участка электрической цепи увеличивается, а общее сопротивление в свою очередь уменьшается.
Таким образом, при параллельном подсоединении резисторов с разным сопротивлением, общее сопротивление будет всегда меньше наименьшего сопротивления отдельного резистора.
Для параллельного соединения вводится понятие проводимости – величины, обратной сопротивлению. Формула общей проводимости при параллельном соединении резисторов:

Формула эквивалентного общего сопротивления при параллельном соединении резисторов:

Для двух одинаковых резисторов общее сопротивление будет равно половине одного отдельного резистора:

Соответственно, для n одинаковых резисторов общее сопротивление будет равно значению одного резистора, разделенного на n.
Напряжение между точками A и B является как общим напряжением для всего участка цепи, так и напряжением на каждом резисторе в отдельности [21]. Поэтому при параллельном соединении на всех резисторах одинаковое напряжение.

Через каждый резистор течет ток, сила которого обратно пропорциональна сопротивлению резистора. Для того чтобы узнать какой ток течет через определенный резистор, можно воспользоваться законом Ома:

Параллельно, например, соединены лампочки в люстре [22]:

Все другие способы соединения резисторов представляют ни что иное как СМЕШАННОЕ СОЕДИНЕНИЕ, а уж чего там больше – последовательности или параллельности, вам решать!
Смешанным соединением называют участок цепи, где часть резисторов соединяются между собой последовательно, а часть параллельно. В свою очередь, смешанное соединение бывает последовательного и параллельного типов.

Я не буду рассматривать расчёты общего сопротивления, силы тока и напряжения при смешанном соединении.

5. РЕЗИСТОРЫ В СХЕМАХ
Нелирическое отступление.
Можно подумать, что обозначения резисторов в электрических схемах весьма разнообразны. Особенно в СЕТИ, где далеко не все придерживаются стандартов и, зачастую, рисуют схемы «от балды». Мне, например, не совсем понятно, почему такие авторы» считают, что их «гениальные» схемные творения должны быть понятны всем остальным? Наверное, изображая схему по-своему, они считают, что именно в этом заключается их «оригинальность»? Думаю, они просто НЕ ЗНАЮТ, как правильно изображаются элементы электрических схем.

Как это должно быть [24]:


[25] Пример схемы, выполненной в sPlan 7.0:

На схеме имеют место быть постоянные резисторы разной мощности, переменный и подстроечный резисторы.

6. ВИДЫ И ТИПЫ РЕЗИСТОРОВ
Информации по этому вопросу в сети неимоверные объёмы, поэтому приведу примеры:

Подробно разные типы резисторов описаны на сайте http://rezistori.narod.ru
Рекомендую.
[27] - постоянные резисторы

[28] - подстроечные и переменные резисторы

[29] - программа для определения номинала резистора (и не только) по цветовому коду
на сайте http://www.ntpo.com/electronics/programm

7. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗИСТОРОВ
СОПРОТИВЛЕНИЕ – главный параметр резистора. На резисторе указано номинальное сопротивление. Реальное сопротивление меньше/больше номинального в соответствии с допуском.
ТКС (температурный коэффициент сопротивления) определяет относительное изменение величины сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°C. ТКС может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка имеет относительно большую толщину, то она обладает свойствами объемного тела, сопротивляемость которого с увеличением температуры становится больше. Если же резистивная пленка имеет относительно небольшую толщину, то она состоит как бы из небольших «островков», расположенных отдельно друг от друга, и сопротивление такой пленочной структуры с увеличением температурных значений становится меньше, так как взаимодействие между отдельными «островками» улучшается. Для непроволочных резисторов, применяемых в радиоэлектронике и телевизионной промышленности, температурный коэффициент сопротивления не больше ±0,04 - 0,2 %, у проволочных деталей -±0,003 - 0,2 %.
НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ РАССЕИВАНИЯ, или рассеиваемая мощность резистора показывает предельно значимую мощность, которую сопротивление может рассеивать при долговременной электрической нагрузке, нормальных атмосферном давлении и температуре (101 325 Па, 20°С.
Непроволочные резисторы [30] подразделяются на мощность по номиналу от 0,05 до 10 Вт

[31] резисторы проволочного типа от 0,2 до 150 Вт


8. РЕЗИСТОРЫ В РЕАЛЬНОЙ РЭА (РадиоЭлектронной Аппаратуре)
Детекторный приёмник на одном транзисторе с 1 резистором:

Детекторный приёмник на двух транзисторах с 2 резисторами:

Приёмник прямого усиления на трёх транзисторах с 5 резисторами:

КВ-приёмник прямого усиления на четырёх транзисторах с 7 резисторами;

Приёмник прямого усиления с УНЧ с 10 резисторами:

Простой УНЧ с 7 резисторами:

Простой автомат световых эффектов с 6 резисторами:

Простая ЦМП с 7 резисторами:

[40] - миниатюрные резисторы для поверхностного монтажа (SMD) на плате:

[41] резисторы на шасси лампового усилителя (зелёные)

Данная статья совершенно не претендует на энциклопедичность. Её цель - поближе познакомить молодых людей (не профессионалов!) с этим самым РЕЗИСТОРОМ, собрав азы воедино.

22 сентября 2014г.

НАЗАД на страницу РАДИОкомпоненты