Jak działa rezystor (budowa)?

[Majtas]

Witam wszystkich ! Na początku chciałem powiedzieć, że kurs z elektroniki bardzo mi się podoba, a chyba najbardziej cenne komentarze na forum. Polecam świeżym elektronikom czytanie także komentarzy do kursu - można naprawdę dużo się dowiedzieć! Teraz pytanie do fragmentu z książki Pana Lothara Sabrowskiego. Z racji, że troche się interesuję (amatorka) fizyką ciała stałego, czy mógłby mi ktoś wyjaśnić na jakiej zasadzie działają wspomniane we fragmencie rurki porcelanowe/ceramiczne z których zbudowane są rezystory. Skoro oporniki są elementami obwodów elektrycznych, to jak każdy wie, muszą posiadać nośniki (najlepiej swobodne) prądu elektrycznego (czyli dobrze by było, żeby miały budowę sieci krystalicznej metalu, półmetalu), w takim razie po co daje się rurki z porcelany/ceramiki skoro tlenki nie przewodzą dobrze prądu( nawet wgl. wszystkie wiązania elektrony są przekazane na koszt wiązania kowalencyjnego), czy raczej te rurki to obudowa odprowadzajaca ciepło od elementu "głównego" rezystora, który tworzy zamknięty obwód elektryczny po podłączeniu i przewodzi prąd.

Kolejne pytanie po co przy produkcji rezystorów, "upiększa się je" metodami podanymi w tekście. Dalej było napisane, że ta biżuteria ma określone zastosowanie np. W zależności od prądu przeplywajacego przez rezystor taka jest używana warstwa (dla przykładu było podane, iż przy większych wartościach prądu i wiekszej mocy używane są rezystory drutowe, natomiast przeważnie warstwowe). Z góry dziękuję za odpowiedź!

[marek1707]

Ceramiczna rurka jest tylko elementem konstrukcyjnym rezystora THT - czyli takiego z wyprowadzeniami z drutu, do montażu przewlekanego. To "szkielet" elementu. Na końcach rurki zaciśnięte są metalowe kapsle do których zgrzane są czołowo miedziane wyprowadzenia. Ceramika jest stabilna wymiarowo, chemicznie, ma dobrą tolerancję na wysokie temepratury i jest doskonałym izolatorem więc ma wszelkie cechy dobrego materiału na "bazę" np. opornika. Tak jak napisano w książce (nie czytałem), przed zaciśnięciem krańcowych kapsli na rurkę nakłada się powierzniowo materiał oporowy najczęściej w postaci wypalanej potem w piecu pasty lub poprzez próżniowe naparowanie cienkiej warstwy. Taki proces nie pozwala bardzo ściśle kontrolować rezystancji końcowej więc gdzieś w dalszych etapach do rurki zamocowanej dwustronnie w odpowiednim wrzecionie pomiarowym podjeżdża nóż tokarski (lub laser) i wycina (wypala) spiralną przerwę w materiale oporowym. Im więcej zwojów "nawinie" tym dłuższa powstaje ścieżka wokół rurki. Ponieważ jednocześnie z nacinaniem mierzona jest rezystancja, maszyna przestaje ciąć gdy rezystancja osiąga zadaną wartość i tyle. Potem rurka pokrywana jest lakierem odpornym na temperaturę (bo materiał oporowy często jest higroskopijny lub choćby tylko czuły na wilgoć lub delikatny mechanicznie) i nanoszone są oznaczenia literowe (lub paski kodowe) rezystancji, tolerancji wykonania, czasem też typu, mocy. itp.

W opornikach przeznaczonych do montażu powierzchniowego (SMT) mamy podobny proces, ale odbywający się na płaskiej płytce ceramicznej. Tutaj materiał oporowy nanoszony jest tylko na jedną (najczęściej górną) stronę tej płytki, potem - po stabilizacji parametrów materiału w piecu - laser nacina z boku (i czasem wzdłuż, w formie litery 'L') przewężenie kalibrujące rezystancję, nanoszona jest warstwa lakieru pasywującego, drukowane literki oznaczeń i tyle.

[Majtas]

Dobra, proces produkcji już znany, wszystko wyjaśniłeś :). A teraz co z tymi warstwami wegla, warstwami metali szlachetnych czy nawinietymi drutami. W dalszej części jest opisane to tak (jak na zdjeciach). Ale na jakiej zasadzie to warstwy dają opornikowi dodatkowe właściwości?

[marek1707]

Chyba nie rozumiem pytania. To warstwa naniesiona na rurkę jest rezystorem właściwym. To cechy tego materiału, sposób jego przygotowania (uzyskania), naniesienia na ceramikę i późniejszej obróbki cieplnej plus technologia produkcji całego elemetu dają pełnię parametrów. Nie ma żadnych "dodatkowych właściwości". A rezystory wiadomo, powinny być:

- stabilne w czasie,

- stabilne w temperaturze,

- stabilne napięciowo,

- stabilne udarowo.

A przecież każdy materiał - tak samo czysty metal jak jego stopy czy mieszanki wegla i domieszek - ma jakieś cechy elektryczne. Przede wszysystkim ma jakąś rezystancję właściwą od której zależy jak długa i jak gruba musi być ścieżka by uzyskać daną rezystancję opornika, oraz ma jakiś współczynnik temperaturowy (tempco, liczony w milionowych na stopień: ppm) który definiuje jak bardzo rezystancja zmienia się pod wpływem temperatury. Do tego - w przypadku rzeczywistych rezystorów a nie rozważań akademickich o materiałach - dochodzą aspekty technologiczne: jak bardzo rezystor będzie "płynął" z czasem (np. w ciągu pierwszego miesiąca, roku czy 10 lat) z powodu wpływu wilgotności, zmian temperatury, które tworzą mikrouszkdzenia tak w samej warstwie jak i w miejscach styku np. z wyprowadzeniami. Jak jest trudny w zrobieniu, ile to kosztuje itd. No i do każdej aplikacji wykonuje się i stosuje inne rezystory. Jeżeli ktoś wydał mnóstwo kasy na megastabilną mieszankę o współczynniku temperaturowym np. 10ppm to nie będzie z tego robił chłamu tylko kupi maszynę do precyzjnego nacinania i będzie sprzedawał rezystory 0.1% po 2zł/szt. Z dobrych materiałów można zrobić bardzo precyzyjne rezystory bo wiesz, że będą one stabilne i nie zawiodą kupującego. W końcu tolerancja którą dostajesz w parametrach jest zobowiązaniem producenta, że np. rezystancja nie popłynie o więcej niż ileśtam w całym zakresie warunków użytkowania. Z kiepskiej masy oporowej o współczynniku np. 500ppm robi się rezystory 20% tanie jak piach. W wielu przypadkach takie wystarczają.

A jeśli potrzebujesz rezystora wytracającego dużo mocy, to warstwy na ceramice przestają sie sprawdzać, bo miejscowe temperatury mogą przekraczać np. 200C a to wciąż musi działać. I dlatego zamiast napylania czegoś chemicznego, na rurkę nawija się wtedy drut oporowy, zgrzewa go do wyprowadzeń, czasem także od zewnątrz "lakieruje" specjalną ceramiką wypalaną ponownie w piecu i masz rezystor, który zwęgli Ci skórę na palcu a wciąż utrzyma swoją rezystancję. Za to niestety takie coś jest już trochę cewką i do częstoliwości radiowych się nie nadaje lub trzeba to zrobić specjalnie inaczej.

Każdy materiał generuje też jakieś szumy i nie mówię tu tylko o szumach termicznych, bo te są stałe i zależne od temperatury i rezystancji, ale niektóre materiały - szczególnie te niehomogeniczne (spieki węgla) szumią bardziej a inne mniej. To też jest parametr który musisz znać gdy projektujesz precyzyjne układy audio, radiowe czy pomiarowe.

Do tego dochodzą paramtery związane np. z przeciążaniem mocą lub napięciem. Jedne rezystory tego nie lubią i padają szybko a inne (np. węglowe) radzą sobie z tym o wiele lepiej. Można też trochę podkręcać w technologii, bo np. szersza szczelina w naciętej spirali daje większe odstępu między zwojami materiału i wyższe napięcie przebicia. Krytuczne też są momenty uskoów, np. przy kapslach doprowadzeń. tam materiał jest zgnieciony a między jego ziarnami może być "wąskie gardło" gdzie płynący prąd może napotkać miejscowo zwiększoną rezystancję, tam robi się cieplej i w tym miejscu rezystor się przepala mimo że całkowita moc nie została przekroczona.

Jeśli powyższe co napisałem Cię nie zadowala, zadawaj bardziej szczegółowe pytania lub poszukaj czegoś o technologii wytwarzania elementów. Ja technologiem nie jestem a oporników nie robię tylko używam. Od 35 lat

 

 

Edytowano Wrzesień 23, 2018 przez marek1707

[Majtas]

W 2 akapicie znalazlem odpowiedz :) Dzięki bardzo za tak wnikliwą odpowiedź. Nie ma to jak posłuchać wieloletniego praktyka