Резисторы: виды, характеристики и типовые схемы включения
Зачем нужен резистор, какими они бывают, как подобрать и скомбинировать номиналы и где применяются делители напряжения, шунты и RC-цепи.
Что делает резистор в цепи
Резистор — простейший элемент электрической цепи, который вносит в неё сопротивление. С его помощью ограничивают силу тока, а также преобразуют ток в напряжение и обратно. Связь между этими величинами описывает закон Ома: U = I*R, где U — напряжение в вольтах, I — сила тока в амперах, R — сопротивление в омах.
Классический пример — светодиод. Его собственное сопротивление очень мало, и при прямом подключении к питанию ток окажется настолько большим, что это фактически короткое замыкание: светодиод сгорит. Последовательно включённый резистор снижает ток до безопасного уровня. Номинал зависит от напряжения питания и параметров светодиода; для сигнального светодиода, подключаемого к Arduino, обычно хватает 220–240 Ом.
Основные параметры
- Номинальное сопротивление — измеряется в омах и производных единицах (кОм, МОм).
- Точность — на сколько процентов реальное сопротивление может отличаться от заявленного.
- Предельная рассеиваемая мощность — сколько ватт резистор выдерживает при длительной работе. Считается по формуле P = I^2*R; чем мощнее резистор, тем крупнее корпус и толще выводы.
- Предельное рабочее напряжение.
Кроме того, резисторы различаются способом монтажа (выводные DIP и поверхностные SMD) и конструкцией — проволочные или металлоплёночные.
Постоянные, переменные и зависящие от внешних условий
- Постоянный — с фиксированным номиналом, который не меняется в допустимых режимах работы.
- Переменный — регулятор в виде ручки или ползунка, также служит датчиком положения.
- Подстроечный — близок к переменному, но точнее и не рассчитан на частую регулировку; обычно мельче и настраивается отвёрткой.
- Термистор — сопротивление зависит от температуры; грубый, но надёжный датчик для измерительных приборов и автоматики.
- Фоторезистор — реагирует на освещённость; применяется от управления светом до охранных датчиков.
- Тензорезистор — сопротивление меняется при деформации, то есть под нагрузкой; основа весов и подобных приборов.
- Варистор — сопротивление зависит от приложенного напряжения; срабатывает при превышении заданного порога и защищает остальные элементы цепи.
Маркировка и измерение
На выводных постоянных резисторах номинал, класс точности и температурный коэффициент закодированы цветными полосами; расшифровать их помогают онлайн-калькуляторы. На SMD-корпусах номинал нанесён цифрами и буквами. Переменные резисторы, термисторы и варисторы маркируются по-разному в зависимости от типа и производителя, чаще всего надписью на корпусе. Номинал всегда можно измерить омметром мультиметра: для сопротивлений ниже 1 Ом и выше 1 МОм существуют миллиомметры и мегаомметры, которыми, например, проверяют заземление и изоляцию.
Ряды номиналов и соединение резисторов
Резисторы выпускаются стандартными рядами: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Число после буквы указывает количество логарифмических шагов, и у каждого следующего ряда шаг вдвое мельче. С рядом связана и точность: от 20% у Е6 до 0,1% и лучше у Е192. Для большинства любительских проектов достаточно ряда Е24 (5%). Более точные резисторы, 1% и лучше, нужны там, где это прямо указано в схеме или где прибор не допускает заметного разброса.
Если нужного номинала под рукой нет, его набирают из имеющихся. При последовательном соединении сопротивления складываются: R = R1 + R2 + R3 и так далее. Для двух параллельных резисторов результат равен произведению сопротивлений, делённому на их сумму. Смешанное соединение считают в два этапа: сначала вычисляют участки с чисто последовательным или параллельным включением, затем заменяют их эквивалентными сопротивлениями и считают схему целиком.
Делитель напряжения и измерение тока
Два резистора, включённые последовательно между питанием и землёй, образуют делитель: Uout = Uin * R2/(R1+R2). При равных плечах на выходе получается половина входного напряжения. Это самый простой способ получить нужный уровень в пределах имеющегося, но надо учитывать мощность резисторов при заметном токе и невысокий КПД такого решения. По этому принципу работает потенциометр, а фоторезистор, тензодатчик и другие резистивные датчики включают одним из плеч делителя в паре с постоянным резистором — выходное напряжение затем измеряют АЦП.
Частный случай делителя — измеритель тока. Одним плечом служит нагрузка, вторым — шунт, токоизмерительный резистор с очень малым сопротивлением, от 0,1 Ом, установленный между нагрузкой и землёй. Он вызывает падение напряжения в несколько десятых процента; если и это критично, берут 0,01 Ом. Напряжение на шунте составляет милливольты, поэтому его усиливают неинвертирующим операционным усилителем до уровня, удобного для АЦП. Мощность шунта выбирают с запасом по формуле P = I^2*R: при токе 1 А и сопротивлении 0,1 Ом рассеивается 0,1 Вт.
RC-цепь для сглаживания сигнала
Если одно плечо делителя заменить конденсатором, получится RC-цепь. На заряд и разряд конденсатора через резистор уходит время, которое характеризуется постоянной времени T = RC. Например, 1 кОм и 100 мкФ дают 100 мс. Такая инерционность сглаживает резкие перепады: помехи, пульсации, дребезг контактов. Аппаратное подавление дребезга особенно уместно, когда сигнал приходит на вход прерывания.
Показательный пример — сигнал нагрузки вентилятора со всплесками длительностью около миллисекунды. Постоянную времени выбирают в два-три раза больше длительности всплеска: конденсатор 10 мкФ и резистор 220 Ом дают 2,2 мс, и на осциллограмме сигнал превращается в практически ровную линию.