Десять причин выбрать фольговые резисторы Vishay для вашего проекта

Технология Bulk Metal Foil была разработана в 1962 году Феликсом Зандманом (Dr. Felix Zandman) — основателем компании Vishay. Результатом работы компании стали фольговые резисторы с низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и высокой стабильностью параметров вне зависимости от изменений температуры [1]. Технология Bulk Metal Foil вывела компанию на рынок прецизионных сопротивлений и приборов на их основе и сделала ее одним из явных лидеров в этой области.

Технология Z-Foil, успешно реализованная в 2000 году, стала новым прорывом компании Vishay. Впервые было достигнуто абсолютное значение ТКС ±0,2 ppm/°С.

Стратегия развития компании [2] сфокусирована на вертикальной интеграции продуктов — применение технологии изготовления фольговых резисторов для датчиков (сопротивления, деформации, тока и др); применение датчиков в электронно-измерительных устройствах; интеграция датчиков и электронно-измерительных устройств, а также программного обеспечения в модули и измерительные системы.

Основные свойства резисторов Vishay и их ассортимент

На сегодняшний день фольговые резисторы превосходят резистивные компоненты других типов по точности, стабильности и надежности. Все это стало возможным благодаря уникальной конструкции, включающей использование специального резистивного сплава (C-Foil, K-Foil, а с 2000 года — Z-Foil), обеспечивающего уникальные свойства — предельно низкие температурные и мощностные коэффициенты сопротивления (ТКС и МКС меньше 10 ppm/°C) [3-5].

Типовые технические характеристики фольговых резисторов:

• Низкий температурный коэффициент сопротивления: ±0,05ppm/°C (0…60°C), ±0,2 ppm/°C (-55…125°C);
• Широкий диапазон номинальной мощности;
• Высокое предельное рабочее напряжение 180В;
• Высокая точность ±0,01…0,001%;
• МКС в результате самонагрева 5ppm при номинальной мощности;
• Защита от электростатики до 25кВ;
• Стабильность при работе под нагрузкой ±0,005% (70°C, порядка 2000 часов работы при номинальной мощности);
• Широкий диапазон номинальных сопротивлений;
• Неиндуктивный, неемкостной дизайн;
• Низкие значения токового шума -40дБ;
• Коэффициент напряжения менее 0,1ppm/В;
• Диапазон рабочих температур -55…125°C;
• Возможность изготовить ЛЮБОЙ (1К892346) номинал в пределах номиналов сопротивления данной серии.

Компанией предлагаются прецизионные резисторы практически для любой области применения, в любом конструктивном исполнении [3, 5]. Ассортимент фольговых резисторов (таблица 1) включает в себя:

• Резисторы для поверхностного монтажа (SMD);
• Дискретные резисторы для монтажа в отверстия;
• Делители напряжения (для монтажа в отверстия и SMD);
• Резисторные сборки (для монтажа в отверстия и SMD);
• Резисторы- датчики тока (current-sensing resistors);
• Герметичные резисторы;
• Потенциометры;
• Гибридные микросхемы;
• Герметичные резисторные сборки под заказ потребителя;
• Высокотемпературные резисторы (рабочая температура более 220°C);
• Резисторы для аудио.

Таблица 1. Ассортимент фольговых резистров Vishay Precision Group

В качестве услуги Vishay предлагает уникальный сервис Prototype Fastlane Service (PFS), позволяющий потребителю получить резисторы технологии Bulk Metal Foil любого номинала (например, 123,455487 Ом) в течение 76 часов.

Постоянные резисторы

Основной параметр постоянного резистора – номинальное сопротивление, может меняться во время эксплуатации под воздействием различных факторов.

Это изменение должно происходить в контролируемых пределах. Другими словами, такое изменение должно быть просчитано ещё на стадии проектирования.

Возможных причин такого штатного изменения несколько: погрешность округления и изготовления, температурное воздействие окружающей среды, саморазогрев резистора, старение, изменение параметра после перегрузок. Дадим некоторые пояснения.

Резистор это серийное изделие и производится он ограниченным числом номинальных значений сопротивления. Выбор номинала осуществляется в соответствии с таблицами (приведены далее). При выборе мы вынужденно округляем нужное нам значение до ближайшего серийного, тем самым вносим на этой стадии некоторую погрешность. Вторая составляющая погрешности – неточность изготовления резистора, о которой заявляет производитель в технических документах.

Но этого мало: сопротивление резистора меняется под воздействием окружающей среды. Наиболее сильным дестабилизирующим фактором при этом является температура. Прописанные в технических документах характеристики резистора позволяют рассчитать и учесть такое изменение. Следует иметь также в виду, что резистор сам нагревается при протекании через него тока.

При использовании прецизионных (особо точных) резисторов такой саморазогрев может приводить к существенным метрологическим ошибкам. Другой случай, менее контролируемый: сопротивление изменяется после перегрузкирезистора. Перегрузка это такое явление, когда электрическая (электронная) схема кратковременно работает в нештатном режиме при повышенных рабочих напряжениях и/или токах.

Такие режимы не приводят ещё к разрушению схемы, но параметры компонентов при этом несколько меняются. Частичная деградация прецизионных резисторов может приводить к существенным метрологическим искажениям. Её можно уменьшить на стадии производства.

Для этого производитель для некоторых партий или на заказ проводит термотренировку резисторов.

Итак, рассмотрим детальнее основные характеристики постоянных резисторов.

Точность изготовления номинальных значений резисторов

Точность изготовления описывается относительной погрешностью изготовления (допуском), выражаемой в процентах: δ=100ΔRном/Rном.

Серийные резисторы изготавливаются в широком диапазоне точностей: от самых грубых ±20% (редко используются; обычно для переменных резисторов) до прецизионных ±0,01% (используются в средствах измерений). Наиболее широко используются резисторы с допуском ±5%. Они выпускаются с номинальными значениями, которые соответствуют ряду Е24 (представлены в таблице 1.2).

Число 24 в названии ряда это число различимых производственных номиналов среди соответственно единиц, десятков и сотен Ом, а также кОм, МОм … .

Например, с различимым значением 2,4 выпускаются резисторы следующих номиналов: … 2,4 Ом; 24 Ом; 240 Ом; 2,4 кОм; 24 кОм, 240 кОм; 2,4 МОм и т.д.

Таблица 1. 2 – Ряд Е24 номинальных значений резисторов

Резисторы с допуском ±1% и менее принято относить к точным и прецизионным. Они выпускаются в соответствии с другими рядами: Е48, Е96 и/или Е192 (представлены в таблице 1.3).

Таблица 1.3 – Ряды Е48, Е96, Е192 номинальных значений точных резисторов

Маркировка резисторов

Современные резисторы имеют относительно малые габаритные размеры. На их поверхности затруднительно проставлять идентификационные метки (номинальное сопротивление, допуск, ТКС, тип).

Для широко используемых цилиндрических резисторов был введен и широко используется международный способ обозначений. Так для маркировки резисторов малой точности применяют четыре цветных полоски, кольца или точки (показано на рисунке 1.6): первые две полоски задают двухзначное номинальное значение из ряда Е24.

Третья полоска – десятичный множитель, а пятая – допуск в процентах. В маркировку точных и прецизионных резисторов добавляют пятую цветную полоску (не показано). Существуют маркировки с семью полосками.

Для чипрезисторов, размеры которых ещё меньше цилиндрических, применяют трёх- или четырёхзначную цифровую маркировку, которая может отличаться у разных производителей. Типовая маркировка чипрезисторов малой точности (2%, 5%, 10%) осуществляется посредством трёх цифр, где номинал рассчитывается умножением первых двух цифр, взятых из ряда Е24, на 10 в степени, равной третьей цифре.

Например, число 273 означает номинал 27 кОм, число 270 означает 27 Ом, а код 2R7 означает 2,7 Ом.

Номинальная мощность рассеивания

Это такая мощность, которую допустимо рассеивать на резисторе бесконечно долго. Резистор при этом не выйдет из строя под воздействием выделяемой тепловой энергии. Производители выпускаю резисторы в широких диапазонах мощностей. Для наших задач интересны резисторы с диапазоном мощностей от 2 Вт до 0,062 Вт.

Мощность, рассеиваемая в резисторе, рассчитывается по формулам P=U2/R = I2R. С рассеиваемой мощностью связаны и габаритные размеры резисторов: при прочих равных условиях размеры более мощных резисторов больше. В таблице 1.4 для сравнения представлены размеры отечественных цилиндрических резисторов С2-29В.

Таблица 1.4 – Габаритные размеры резисторов С2-29В

При выборе мощности резистора следует иметь в виду следующие замечания и рекомендации:

• при использовании резисторов в цепях переменного тока мощность рассеивания и номинальная мощность считаются по среднеквадратическому значению приложенного напряжения;
• выбирать номинальную мощность резистора необходимо с 20%-м запасом, чтобы не снижать функциональную надёжность резистора. Если резистор во время работы рассеивает номинальную мощность, то срок службы резистора снижается;
• в ряде случаев номинальная мощность прецизионных резисторов выбирается с 10-кратным запасом. Только в этом случае саморазогрев резистора не приведёт к недопустимым погрешностям номинала;
• при возрастании температуры окружающей среды допустимая мощность рассеивания резистором снижается. В технической документации даётся график зависимости допустимой мощности от температуры среды;
• при рассеивании мощности, близкой к номинальной, резистор на ощупь может быть достаточно горячим – это ещё не является признаком аварийной его работы;
• при прочих равных условиях следует выбирать более высокоомные резисторы, имея в виду, что они будут рассеивать меньшую мощность, повышая экономичность схемы.

С целью повышения информативности принципиальных схем часто используют графемы резисторов, в теле которых обозначены их номинальные мощности в соответствии с ГОСТ 2.728-74 (показано на рисунке 1.7).

Предельное рабочее напряжение

Этот параметр, который следует учитывать обычно в случае использования высокоомных резисторов. Дело в том, что в выражении P=U2/R при выбранном допустимом Pном и возрастании Rном значение напряжения U=√(Pном/Rном) резко растёт. Например, при Pном=1 Вт и Rном=1 МОм имеем из расчёта U=1000 В.

Если выбранный резистор относится к группе резисторов широкого применения (не специальных), то ошибочно считать, что такое напряжение может к нему прикладываться без последствий – резистор обязательно выйдет из строя в результате диэлектрического пробоя. Это важно, что в нашем случае при номинальной мощности рассеивания теплового пробоя не возникнет, но возникнет пробой именно диэлектрический (межвитковый).

Предельное рабочее напряжение также как и номинальная мощность зависит от габаритов резистора (представлено в таблице 1.5).

Таблица 1.5 – Предельное рабочее напряжение резисторов С2-29В

Температурный коэффициент сопротивления

Этот параметр позволяет рассчитать предельное изменение номинального сопротивления под воздействием температуры. ТКС (KT) измеряется, обычно, в единицах [ppm/ºC], где ppm – читается как «миллионная часть».

Пусть ТКС некоторого резистора равно ±100 ppm/ºC. Это значит, что при изменении температуры на 1ºС его номинальное сопротивление меняется (увеличивается или уменьшается) на сто миллионных частей. Для прецизионных резисторов полезно такое изменение представить также в %: умножим на 100 и получим ±0,01%/ºС.

Формула для расчёта предельного изменения номинального значения резистора под воздействием температуры ΔRT.п= KT ×Rном×ΔT, где ΔT=|20ºС — Tсреды|. 20ºС – нормальная температура (температура, при которой задаётся номинальное значение).

Пример: пусть Rном= 10 кОм, ΔT=20-5 = 15ºС, KT=±100 ppm/ºC.

Имеем: ΔRT.п= (100/106)× 10 000 × 15 = ±15 Ом.

Типовые расчётные соотношения

1. Закон Ома: R=U/I (1.1)
2. Обобщённый закон Ома (закон Ома для участка цепи): I=(Uba+E1 — E2)/(R1+R3+R2) (1.2)

3. Последовательное соединение резисторов Rэ = R1+R2+R3

4. Параллельное соединение резисторов Rэ = R1*R2/(R1+R2)

5 Полезные выражения для упрощения вычисления Rэ для ряда практических случаев:

Rab= Ra+Rb+Ra*Rb/Rc ; Ra= Rca*Rab/(Rca+Rab+Rbc)

Области применения

Характеристики фольговых резисторов позволяют применять их в областях с высокой степенью ответственности, повышенными требованиями к качеству, точности или сроку службы, а также в тяжелых климатических условиях — медицинское оборудование, высокопроизводительное аудио оборудование, прецизионные измерительные системы, аэрокосмические или военные приложения [3, 5, 6].

Мостовые схемы

Данный тип приложений требует наличия четырех резисторов — три строятся по наиболее стабильной технологии, а четвертый работает в качестве чувствительного элемента, преобразуя значение физической величины в изменение напряжения на выходе мостовой схемы. При этом резисторы монтируются как можно ближе друг к другу, и их температуру во время измерений также стремятся сделать одинаковой. Фольговые резисторы идеально подходят для данной области применения благодаря исключительно низкому температурному и мощностному коэффициенту сопротивления, низкому шуму термоЭДС, малому времени рассасывания заряда.

Датчики тока

Резистор с очень низким сопротивлением с четырьмя точками подключения позволяет минимизировать потери мощности на измерительном сопротивлении, и применять для измерения тока тепловое излучение. Измерение очень больших токов данным методом требует от резистора достаточно больших размеров для обеспечения рассеяния тепла. Резисторы технологии Vishay Foil являются прекрасным решением, т.к. тонкий плоский слой фольги располагается на керамической подложке, которая в состоянии рассеять и отвести в нижележащую плату достаточное количество тепла. Низкий ТКС предотвращает дрейф параметров резистора при изменении температуры в результате нагрева при протекании большого тока.

Дифференциальные усилители

Коэффициент усиления обычного усилителя должен быть по возможности постоянным вне зависимости от условий внешней среды. Входной резистор и резистор обратной связи в данных схемах имеют отличные характеристики рассеяния тепла и протекающего тока, разогревающего резисторы. В дифференциальном усилителе речь идет уже о четырех, а иногда и о большем количестве резисторов — это означает, что все они должны проявлять практически идентичные характеристики в широком диапазоне значений. Резисторы технологии Vishay Bulk Foil отвечают этим требованиям лучше других.

Гироскопы в системах навигации

В электростатических гироскопах применяется электронное управление для перестройки гироскопа во время изменения его ориентации. Гироскопы других типов также критичны к точности резисторов, применяемых в их схемах. Чаще всего в схемах применяются резисторные сборки, используемые для определения и реализации функций «включено-выключено», «контроль азимута» и других. Данные функции являются критичными с точки зрения управления воздушными, водными судами, космическими аппаратами. Это только одна из причин, по которой применение прецизионных фольговых резисторов является практически обязательным.

Датчики давления

Давление воздуха в воздушных и подводных судах, как правило, является вопросом жизни и смерти, в этой связи от систем его измерения требуется высокая точность и еще большая отказоустойчивость. Чаще всего выход датчика зависит от приложенной к нему силы, и для точной обработки сигнала необходима мостовая схема, значения сопротивлений которой находятся в среднем диапазоне значений, что минимизирует потребляемую мощность, и, соответственно, нагрев резисторов. Фольговые резисторы в подобных схемах, кроме температурной, добавляют временную стабильность параметров.

Импульсные источники питания

Эта область применений требует наборов сопротивлений с минимальной реактивностью. Любая паразитная индуктивность или емкость резисторов может негативно сказаться на работе схемы из-за влияния на крутизну фронта переключения. Благодаря своей конструкции и технологии изготовления фольговые резисторы Vishay Foil обладают минимальной реактивностью по сравнению с другими.

Телекоммуникации

В телекоммуникационной инфраструктуре наиболее важными параметрами являются широкий диапазон рабочих частот и высокая временная стабильность. Конструкция фольговых резисторов Vishay является планарной со смежными проводниками, ток по которым течет в противоположных направлениях. Данное решение уменьшает индуктивность резистора, и паразитные емкости при этом оказываются в параллельном включении, что уменьшает результирующую емкость — все это снижает реактивную составляющую полного сопротивления резистора и улучшает его частотные характеристики.

Медицина

В данной области фольговые резисторы обеспечивают стабильность параметров даже в условиях переменной температуры и влажности. К основным применениям можно отнести: кардиографы; томографы; миниатюрные датчики для систем трехмерного изображения для очной диагностики и хирургии; имплантаты.

Переменные регулировочные резисторы

Переменные (регулирующие) резисторы предназначены для интенсивной регулировки так, как это делается при изменении громкости в аудиоусилителях.

Основная характеристика таких резисторов – тип зависимости сопротивления от регулирующего воздействия (угла поворота вала или перемещения движка). Реализуются три типа зависимости (показано на рисунке 1.8): А – линейная, Б – логарифмическая и В – обратно-логарифмическая.

Переменные резисторы имеют разные конструктивные решения. Но все они должны обеспечивать вывод регулирующего стержня (вала) сквозь корпус прибора. Принцип устройства переменных резисторов и функциональный прототип (реостат) представлены на рисунках 1.9а, 1.9б.

а) – принцип устройства переменных резисторов;

б) – функциональный прототип (реостат);

в) – и) – отличия переменных резисторов по способу крепления в приборе с помощью гайки и резьбы на корпусе прибора;

к) – н) – отличия переменных резисторов по способу впаивания в печатную плату и дополнительному закреплению также с помощью накидной гайки;

п) – переменный резистор как конструктивная имитация реостата при впаивании в плату.

Рисунок 1.9 – Конструктивные виды переменных резисторов

Конструктивные отличия связаны со способом крепления переменных резисторов в приборе:

• одни крепятся с помощью гайки и резьбы на корпусе прибора, связь с электрической схемой реализуется с помощью навесных проводников (представлены на рисунках 1.9в … 1.9и);
• другие впаиваются в печатную плату и дополнительно закрепляются также с помощью накидной гайки (представлены на рисунках 1.9к … 1.9н);
• третьи впаиваются в плату и конструктивно имитируют реостат (представлены на рисунке 1.9п), в котором изменение сопротивления осуществляется не вращением вала, а поступательным движением движка, выводимым наружу.

Другие возможные отличия – тип резистивного материала: провод или слой износоустойчивого проводника.

Примечание – Обычно регулировка сопротивления осуществляется по линейному закону: равномерное перемещение якоря (движка) приводит к равномерному изменению сопротивления.

Для регулировки громкости в аудиоусилителях осуществляется регулировка по логарифмическому закону. В наших устройствах второй способ не применяется.

Характеристики переменных резисторов.

Характеристики аналогичны характеристикам постоянных резисторов:

• номинальное сопротивление, номинальная мощность, предельное рабочее напряжение, ТКС, конструктивные особенности и габаритные размеры. Но есть и специфические параметры:
• диапазон изменения (регулирования) и минимальное устанавливаемое значение;
• точность установки сопротивления;
• гарантированное число полных оборотов без изменения характеристик и др.

В качестве примера рассмотрим общий вид и основные характеристики регулировочного резистора типа PTD901-2015K-B103, которые приведены на рисунке 1.10.

Схемы подключения переменных резисторов

Различают два способа подключения переменных резисторов: реостатное и потенциометрическое (показано на рисунке 1.11).

Литература

1. Г.Келл. Vishay Intertechnology: портрет компании // Новости Электроники №9/06, с 23-25.

2. Vishay Precision Group. Company Overview. // https://www.vishaypg.com/docs/75012/vpg_co.pdf

3. Ultra-High-Precision Bulk Metal® Foil Resistors. Advanced Medical Applications, Treatment Solutions, and Biotechnology// https://www.vishay.com/docs/49466/pl_cap_b.pdf

4. Introduction to High Precision Resistors. Vishay Foil Resistors// https://cimail15.blh.com/docs/49787/intro.pdf

5. Bulk Metal® Foil Resistors. Complete resource guide.// https://images.vishaypg.com/vpgdocs/49789VMN-PL0373.pdf

6. 10 Technical Reasons Why to Choose Foil Resistors for Your Circuit Vishay Foil Resistors// https://vishaypg.com/docs/49788/10reasns.pdf

7. Thermal EMF for Low Ohmic Value Resistors// https://www.vishay.com/docs/30175/thermal.pdf

8. Yuval Hernik. Component selection and layout strategies for avoiding thermal EMF.// https://www.eetimes.com/design/power-management-design/4214897/Component-selection-and-layout-strategies-for-avoiding-thermal-EMF.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

•••

Стандартный ряд мощностей резисторов и их обозначение на схемах

Не забывайте, что резисторные компоненты одного номинала, могут иметь разную мощность. Все зависит от техники создания, материала корпуса. Ниже указан ряд мощностей и их официальное обозначение.

Графическая кодировка мощностей резисторов на электросхеме — черточки и римские символы. Самое маленькое типовое значение 0,05 Ватт, максимальное — 25 Ватт, но есть и помощнее. Как указывается мощность слабых деталей необходимо запомнить. Это косого типа линии на прямоугольниках, которыми выделяют сопротивления. При номиналах сопротивлений от 1 Ватта на схеме выставляются определенные римские символы: I, II, III, и так далее. Цифровые обозначения выделяют мощность резисторного компонента в ваттах. О том как определить сопротивление резистора по цвету читайте здесь.