Проволочный резистор

 

2. Резисторы
1. Проволочный резистор

Проволочные резисторы  широко применялись в аппаратуре в самом начале становления и  развития электроники и электротехники.

Современные проволочные резисторы отличаются высокой стабильностью электрических параметров, малым температурным коэффициентом сопротивления, незначительным уровнем собственных шумов и повышенной точностью.

Все элементы конструкции  проволочных резисторов выполняются  из термостойких материалов, а проводящий элемент защищен  от воздействия внешней среды плотным слоем стеклоэмали, компаунда или герметичным чехлом, что обеспечивает работоспособность резисторов при высоких температурах и повышенной влажности.

Основным элементом проволочных резисторов является тонкая проволока из высокоомного сплава, закрепленная на изолирующем каркасе. Создание миниатюрных проволочных резисторов с высоким значением сопротивления стало возможно благодаря успехам микрометаллургии.

В технологии производства проволочных резисторов применяются сплавы с высоким удельным сопротивлением, достаточной механической прочностью, гибкостью и термостойкостью. Температурный коэффициент сопротивления сплавов должен быть низким, чтобы изменения сопротивления резистора в интервале рабочих температур было незначительным. Необходимо, чтобы эти сплавы способны были протягиваться в проволоку диаметром порядка сотых долей миллиметра. Среди них надо отметить следующие сплавы: манганин, константан, нихром.

 

2.  Постоянный проволочный резистор

К наиболее распространенным постоянным проволочным резисторам относятся резисторы типов ПЭ (проволочные эмалированные), ПВЭ (проволочные  эмалированные влагостойкие), ПЭВТ (проволочные эмалированные влагостойкие и термостойкие)  и др. мощностью от 3 до 150 Вт.

По конструкции представляют собой  керамический каркас, на который с  шагом намотана неизолированная константановая либо нихромовая проволока. После намотки каркас покрывается защитным слоем стеклоэмали, которая изолирует друг от друга витки обмотки и защищает ее от влаги, загрязнений и механических повреждений. В зависимости от вида резистора, выводы от резистивного элемента выполняются в виде гибких жгутов, свитых из тонких медных проволок, либо латунных пластинок с отверстиями для подпайки внешних проводников схемы, либо пластинки из нержавеющей стали.

Конструкции постоянных проволочных резисторов приведены  на рис. 2.1.

Рис. 2.2.1. Резисторы типа ПЭ (а), ПЭВ (б) и ПЭВР (в).

При относительно небольших  размерах проволочные резисторы  обладают высокой допустимой мощность рассеяния, высокой точностью и хорошей температурной стабильностью.  Так как резисторы изготавливают путем намотки провода на каркас, то они имеют большую индуктивность и собственную емкость. Для уменьшения индуктивности применяют бифилярную намотку, при которой обмотку резистора выполняют сдвоенным проводом, благодаря чему поля расположенных рядом витков направлены навстречу друг другу и вычитаются. Уменьшение индуктивности достигается так же путем намотки на плоский каркас. Недостатком бифилярной намотки является большая собственная емкость. Для получения малой индуктивности и емкости применяют разбивку обмотки на секции, в каждой из которых поочередно меняется направление намотки. Проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных, поэтому применяют их в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявленным требованиям.

 

 

 

 

 

 

2.3 Переменные проволочные резисторы

Переменные проволочные  резисторы выполняются  на тороидальных каркасах и трубчатых каркасах круглого, прямоугольного и квадратного сечения. В технологии производства переменных проволочных резисторов широко используются пластмассовые  и керамические кольцевые каркасы, а также плоские каркасы из гетинакса и текстолита, которые после намотки свертываются в кольцо. Для равномерного соприкосновения скользящего контакта с обмоткой необходима плотная укладка провода с одинаковым усилием натяжения. Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент проволочных переменных резисторов.

На рис 2.3.1. представлены крепления переменных резисторов.

      

              Рис 2.3.1. Крепления переменных резисторов

а – гайкой за штуцер; в,б – винтами; г,д – приклеиванием; е – групповой способ с помощью  винтов и шпилек; ж,з – пайкой за выводы;

Для регулировки в  электрических цепях электротехнических и радиотехнических устройств используют резисторы типов РП и ППБ.

Проводящие элементы  этих резисторов получают из нихромового  провода. Резисторы типа РП выполняются  на керамических каркасах, резисторы типа ППБ выполняются бескаркасным способом. Конструкция резисторов ППБ контакта, узлы и детали ее прочны и позволяют применять прогрессивные технологические методы.

3. Резистивные материалы, материалы для проволочных резисторов

3.1. Резистивные материалы

В настоящее время проволочные  резисторы изготавливаются с  сопротивлением от сотых долей ома  до мегаома и выше.

Резистивная проволока, применяемая в постоянных проволочных резисторах, должна иметь следующие основные свойства:

• Высокую стабильность сопротивления;
• Малый температурный коэффициент сопротивления;
• Высокую коррозионную устойчивость;

В таблице3.1.1. приведены резистивные материалы применяемые в постоянных и переменных проволочных резисторах.

 

Таблица 3.1.1. – Характеристики резистивных сплавов

Манганин

Манганин – это  медно-марганцевый сплав, состоящий  из 83-86,5% меди, 11-13,5% марганца и 2,5-3,5% никеля. В большинстве случаев в проволочных  резисторах используют эмалированные  манганиновые провода марок ПЭМГ,ПЭММ. Манганиновая проволока выпускается марок: ПМТ – твердая, ПММ – мягкая, ПМС – стабилизированная.

Манганин можно легко  получить в виде тонкой проволоки  диаметром 0.02 мм. Малый ТКС и повышенная стабильность сопротивления во времени  достигается путем термической  обработки манганина – отжигом при температуре 650 - 800К в вакууме с последующим медленным охлаждением. Обладая высокой стабильностью сопротивления, низким ТКС, малой термо- э.д.с.  по отношению к меди, манганиновая проволока широко используется в точных постоянных проволочных резисторах, работающих при температуры, близкой к нормальной.

 

Нихром

Хромоникелевые сплавы (нихромы) используют для получения  для получения проводящих элементов с повышенной термостойкостью. Нихром отличается значительной стойкостью к окислению на воздухе при высоких температурах. В результате нагрева на его поверхности образуется защитный слой устойчивых окислов NiO, Cr₂O₃ с температурным коэффициентом линейного расширения близким к коэффициенту сплава. При резких изменениях температуры происходит частичное разрушение слоя окислов, кислород проникает в трещины, вызывая  дополнительное окисление. Поэтому при многократных кратковременных включениях проводящего элемента, выполненного из нихрома, под нагрузку его срок службы значительно меньше, чем при непрерывной электрической нагрузке.

В состав константана  и нихрома входит большое количество дорогого металла – никеля. В некоторых случаях эти сплавы заменяют более дешевым – фехралем, основными компонентами которого являются железо, хром и алюминий. По сравнению с нихромом данный сплав более твердый, хрупкий и с трудом вытягивается в проволоку малого диаметра.

Одним из основных требований к сплавам, применяемым в технологии производства  резисторов с повышенной точностью является высокая стабильность сопротивления во времени.

Высокое удельное сопротивление  проволоки и их малый диаметр  делают возможным создание миниатюрных  высокоомных  постоянных и переменных проволочных резисторов, отличающихся высокими технологическими характеристиками.  Нихромовая проволока имеет высокую твердость и отличается большой износоустойчивостью, что позволяет применять ее для переменных резисторов с большим ресурсом работы.

2. Принцип конструирования

Основным узлом любого проволочного резистора является резистивный  элемент. Технологические характеристики резистора в значительно мере зависят от правильного выбора конструкции и материалов этого элемента. Обычно резистивный элемент состоит из каркаса и обмотки, к концам которой крепятся проводник, соединяющие ее с выводами резистора. Исключением являются бескаркасные резистивные элементы. Для резистивных элементов проволочных резисторов наиболее часто используются следующие виды обмоток:

• однослойная с фиксированным шагом;
• однослойная плотная;
• многослойная

На рисунке 3.2.1. представлены виды обмоток проволочных резисторов

Рисунок 3.2.1. – Виды обмоток проволочных резисторов

 

 

 

 

 

 

а - однослойная с фиксированным шагом;  б – однослойная плотная;

в – многослойная;   г – многослойная свободная.

3.3. Резистивные  материалы на основе благородных материалов

Оксидные пленки, которые образуются на поверхности проволок из сплавов  на основе неблагородных металлов, являются причиной повышенных контактных сопротивлений в переменных проволочных резисторах. Под влиянием времени, воздействия повышенных температур и влажности контактные сопротивления могут резко возрастать, и в некоторых случаях это приводит к нарушению электрического контакта.

Проволоки из благородных  материалов позволяют создавать  низкоомные миниатюрные переменные резисторы с высокой электрической разрешающей способностью.

В таблице 3.3.1. представлены характеристики благородных сплавов применяемые в переменных проволочных резисторах.

 

Таблица 3.3.1. – Благородные сплавы

 

Продолжение таблицы 3.3.1.

 

Наиболее полно вышеперечисленным требованиям удовлетворяют благородные металлы или сплавы на их основе, характеристики которых приведены в таблице 3.3.1.

Платина и ее сплавы.

Платина имеет большое  удельное электрическое сопротивление  и низкую теплопроводность, не окисляется на воздухе, не тускнеет в любых условиях и легко поддается механической обработке. Однако вследствие малой твердости она редко применяется для скользящих контактов в чистом виде.

Наибольший интерес  для скользящих контактов представляют сплавы платины с иридием и никелем. Платина-иридиевый сплав не окисляется, обладает высокой твердостью и механически меньше изнашивается, чем платина, допуская высокие контактные усилия. Для скользящих контактов в основном используются сплавы платины с 5—30% иридия.

Сплав платина-никель образует непрерывный ряд твердых растворов. Никель значительно повышает удельное сопротивление и твердость сплава. Сплавы платины с никелем пластичны и их легко обрабатывать. В качестве контактов наиболее известен сплав с 5% никеля, который обладает высокой коррозионной стойкостью и незначительно увеличивает свое контактное сопротивление при образовании сернистых пленок.

Иногда для скользящих контактов используют сплав платины  с 14% рутения. Рутений вдвое повышает твердость сплава по сравнению с иридием. Однако при нагревании в воздухе рутений окисляется, и сплав теряет в весе вследствие улетучиваемых окислов рутения.

Необходимо отметить, что платина и ее сплавы склонны  к образованию игл и мостиков при малых токах.

Палладий и  его сплавы.

Среди металлов платиновой группы палладий является наиболее перспективным материалом для контактов. По стоимости палладий в 4—5 раз дешевле платины, а по многим свойствам очень близок к ней, заметная разница имеется только в температуре плавления. На Воздухе палладий тускнеет быстрее платины, но окислы его нестойки и при температуре свыше 350°С быстро разлагаются. Палладий стоек к образованию сульфидных пленок. Чистый палладий идет на покрытия для скользящих контактов, работающих при небольших контактных усилиях. Сплавы палладия с серебром, иридием широко применяются для маломощных скользящих контактов. В сплаве палладий оказывает защитное действие по отношению к серебру. При наличии палладия (более 50%) сплав стоек к образованию сернистых пленок. Серебряно-палладиевые сплавы пластичны и хорошо поддаются механической обработке. Большое распространение для скользящих контактов малогабаритных резисторов получил сплав палладия, серебра (36%) и меди <(4%). Высокая коррозионная стойкость этого сплава обеспечивает хорошие упругие свойства, что позволяет использовать его для контактных пружин в миниатюрных подстроенных резисторах, когда вследствие малых размеров пружин скользящий контакт и пружину целесообразно выполнять из одного и того же материала.