Transcript Elektrick odpor a rezistory

„Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpo čtem
České republiky.“
ELEKTROTECHNIKA
Téma :
Elektrický odpor a rezistory
Autor projektu :
Číslo projektu :
Jan Stříž
236
Menu projektu
Rezistory
Elektrická vodivost
Otázky k tématu
Elektrický odpor
Metody měření odporu
Ohmův zákon
Rezistory
- druhy rezistorů
- charakteristické vlastnosti
- rezistory s více než dvěma vývody
- řazení rezistorů
Galerie obrázků :
- schematické značky
- rezistory se uhlíkové a vrstvové
- termistor, pozistor, varistor a fotoodpor
- reostat
- rezistory s více než dvěma vývody
- barevné značení rezistorů
Elektrická VODIVOST a elektrický
ODPOR
Elektrická vodivost (též konduktivita, konduktance - reálná vodivost el. obvodu)
Schopnost vodiče vést elektrický proud vyjadřuje veličina elektrická vodivost, což je převrácená hodnota
elektrického odporu. Jednotkovou vodivost látky (vodivost 1 m vodiče o průřezu 1 m²) udává veličina
konduktivita látky, převrácenou hodnotou (jednotkový odpor vodiče) udává veličina rezistivita látky.
Vodivost je označována velkým písmenem G, jednotkou je 1 S (siemens, odvození v soustavě SI: S =
m−2·kg−1·s3·A2 = Ω−1) , kde σ (sigma) je konduktivita vodiče, r (ró) je rezistivita vodiče, S (průřez) je obsah
průřezu vodiče, l je délka vodiče.
Elektrická vodivost je určena vztahem :
kde I je elektrický proud protékající vodičem a
U je elektrické napětí na koncích vodiče.
Elektrickou vodivost G lze vypočítat z vlastností vodiče podle vztahu:
kde σ je konduktivita látky, S je obsah
průřezu vodiče a l je délka vodiče
Elektrická vodivost je převrácená hodnota elektrického odporu R, to znamená :
Menu
Elektrický odpor
V kovových vodičích je velký počet volných elektronů, které zprostředkují průchod elektrického proudu
Vodičem.Tyto elektrony se však při svém pohybu vodičem přibližují k jiným částicím, z nichž je kov složen,
především ke kmitajícím atomům a iontům. Vlivem vzájemného působení sil mezi těmito částicemi a
elektrony se volné elektrony při svém průchodu vodičem brzdí. Projevuje se tzv. elektrický odpor
Mezi elektrickým napětím a elektrickým proudem existuje ve velké většině případů přímá úměrnost.
Tato konstanta úměrnosti se nazývá také elektrický odpor a je označovaná písmenem R (
zangl.Resistance). Základní jednotkou elektrického odporu je 1W (ohm). Pro označení jednotky se používá
řecké písmeno W (omega). Dalšími jednotkami jsou : 1mW (0,001W), 1KW (1000W), 1MW (1 000 000W).
Elektrický odpor jako veličinu měříme měřícím přístrojem tzv.OHMETREM. Elektrický odpor daného materiálu
závisí na druhu materiálu, jeho teplotě, průřezu (nepřímo úměrně) a délky (přímo úměrně). U kovových
vodičů elektrický odpor narůstá se zvyšující se teplotou, u polovodičů je tomu naopak, klesá i u některých
nekovových vodičů a nevodičů (tato je závislost opačná). Změnu odporu z hodnoty R0 při teplotě T0 na
hodnotu R při teplotě T je možno popsat vztahem :
R = R0 [1 + a * (T -T0)] kde a je teplotní součinitel odporu [1/°C]
Ohmova metoda měření elektrického odporu je klasický způsob měření, při němž vypočítáváme velikost
odporu měřené zátěže pomocí Ohmova zákona. Platí zde vztah:
Ux – úbytek napětí na měřeném odporu[ W ; V; A ]
Ix - proud protékající měřeným odporem
Menu
ZPĚT
Výkonová ztráta odporu
Teče-li tělesem s odporem R proud I dochází k přeměně elektrické energie na teplo. Tuto přeměnu lze
vyjádřit vztahem :
kde P je výkon měřený ve wattech, I je proud měřený v ampérech a R je odpor měřený v ohmech.
Tento jev je užitečný u zařízení jako žárovka nebo elektrické topení (přímotop), ale je nežádoucí při přenosu
energie. Obvyklým způsobem redukce výkonové ztráty je užívání silnějších vodičů a vyšších napětí. Ve
speciálních aplikacích se používají supravodiče.
Ohmovy metody měření elektrického odporu
Zapojení pro měření malých odporů :
Pro velikost měřeného odporu platí:
Ampérmetr měří proud, který prochází měřeným odporem a zároveň
proud, který prochází voltmetrem. Voltmetr měří přímo napětí
Zapojení pro měření malých odporů
na zátěži Ux. Nyní bude vzorec pro měřený odpor vypadat takto:
Pro proud protékající voltmetrem platí:
Rv = vnitřní odpor voltmetru pro daný napěťový rozsah.
Pokud bychom počítali odpor zátěže pouze jako podíl hodnot naměřených voltmetrem a ampérmetrem,
dopustili bychom se určité chyby metody.
Menu
Zpět
Zapojení pro měření velkých odporů :
Pro velikost měřeného odporu platí:
Ampérmetr měří přímo proud tekoucí zátěží Ix.
Voltmetr měří součet úbytků napětí na ampérmetru i na zátěži.
Zapojení pro měření velkých odporů
Měřený odpor vypočítáme ze vztahu :
Pro úbytek napětí na ampérmetru platí:
RA – je vnitřní odpor ampérmetru pro zvolený rozsah
Pro velikost měřeného odporu můžeme napsat vztah:
Pokud bychom počítali odpor zátěže pouze jako podíl hodnot naměřených voltmetrem a ampérmetrem,dopustili
bychom se určité chyby metody.
Menu
Zpět
Srovnávací metoda
Při měření odporu srovnávací metodou porovnáváme neznámý odpor s odporem známé velikosti.
Zapojení pro malé odpory
Velikost neznámého odporu zjistíme změřením úbytků napětí na jednotlivých rezistorech. Proud v obvodu
musí být konstantní.
Protože oběma rezistory teče stejný proud, platí:
Pro relativní chybu měření platí:
Zapojení pro měření malých odporů
srovnávací metodou
Čím více se budou hodnoty Rx a RN sobě přibližovat, tím větší bude chyba měření. Bude-li RV > > Rx, bude
chyba metody prakticky zanedbatelná. Tato metoda je velmi přesná, velikost odporu můžeme zjistit s
přesností až na několik setin procenta.
Menu
Zpět
Zapojení pro velké odpory
Rezistory jsou zapojené paralelně. Napětí musí být po celou dobu měření konstantní. Velikost odporu se
zjišťuje srovnáním proudů tekoucích jednotlivými rezistory.
Platí že :
Pro relativní chybu měření platí:
Zapojení pro měření velkých odporů
srovnávací metodou
Čím menší bude vnitřní odpor ampérmetru, tím menší bude chyba měření. Měření bude přesnější, když
budou hodnoty RN a Rx blíže u sebe. Pro tuto metodu měření je vhodné, aby byl měřený odpor v rozsahu
1 kΩ až 1 MΩ.
Menu
Zpět
Ohmův zákon
vyjadřuje vztah mezi elektrickým odporem, napětím a proudem. Je pojmenován podle svého objevitele
Georga Ohma. Zákon říká, že elektrický proud v elektricky vodivém předmětu je přímo úměrný elektrickému
napětí přiloženému na tento předmět, konstantou úměrnosti je vodivost:
Elektrický proud v kovovém vodiči je při stálém odporu přímo úměrný napětí na koncích vodiče. Je-li
napětí na koncích vodiče stálé, je proud nepřímo úměrný odporu vodiče.
respektive
kde I je elektrický proud, U je elektrické napětí a R je elektrický odpor.
Odpor většiny látek je závislý na jejich teplotě, která se průchodem proudu může měnit. Rovněž lze náročným
technologickým postupem vyrobit látky, jejichž odpor může mít za určitých podmínek výrazně nelineární
charakter - polovodiče. Při vedení elektrického proudu dochází i k jiným elektrickým jevům - běžné materiály
mají kromě odporu také elektrickou permitivitu, může se projevovat vliv elektrické indukce.
Alternativním způsobem zápisu Ohmova zákona je tzv. diferenciální tvar:
kde j je hustota elektrického proudu, σ je měrná elektrická vodivost a E je intenzita elektrického pole.
Diferenciální tvar vyjadřuje vztah elektrického pole a elektrického proudu. Toto je původní tvar Ohmova
zákona.
Menu
ZPĚT
Řazení a základní výpočty odporů
Sériové zapojení odporů
V sériovém zapojení jsou odpory zapojeny za sebou, jak
je znázorněno na obrázku.
Celkový odpor je roven součtu dílčích odporů:
Paralelní zapojení odporů
Druhé základní zapojení je paralelní. Odpory jsou v něm zapojeny
vedle sebe, podobně jako na obrázku. V paralelním zapojení se proud
dělí do jednotlivých větví, dle jmenovité hodnoty odporu.
Toto zapojení můžeme využít ke snížení výkonové zátěže jednotlivých
odporů - pokud přehřívající se rezistor nahradíme několika paralelně
zapojenými rezistory odpovídající velikosti, bude každým z nich protékat
jen část celkového proudu a tím pádem se bude i méně zahřívat.
V paralelním zapojení odporu platí, že celková vodivost G (jednotka siemens, zn. S) je rovna součtu
vodivostí všech paralelně zapojených odporů: G = G1 + G2 + ... + Gn. Protože vodivost G je převrácená
hodnota odporu, tedy G = 1 / R = R-1, můžeme celý vzorec zapsat i takto:
Menu
Zpět
Odporové děliče napětí a proudu
Nejprve je potřeba vypočítat vnitřní odpor děliče Ri ze zadaných změn
napětí a proudu.
Dle Théveninovy věty se vnitřní odpor děliče napětí složeného z rezistorů R1 a R2,
rovná paralelnímu spojení těchto rezistorů a proto platí :
Druhou rovnicí potřebnou potřebnou pro výpočet R1 a R2
získáme vyjádřením dělícího poměru děliče:
MENU
ZPĚT
(U20 je výstupní napětí děliče na
prázdno)
Rezistory
Rezistory jsou základní lineární součástky elektronických obvodů. Jejich základní požadovanou vlastností je
elektrický odpor požadované velikosti. Podle konstrukčního provedení je dělíme na dvě velké skupiny :
1). Rezistory se dvěma vývody ( pevné a reostaty )
2). Rezistory s více než dvěma vývody ( rezistory s odbočkami a potenciometry )
Nezávisle na předchozím dělení můžeme z technologického hlediska rozdělit rezistory na :
1). Vrstvové ( odporový materiál ve formě vrstvy )
2). Drátové ( vinuté odporovým drátem )
3). Bifilární ( plošné )
Schematické značky rezistorů
MENU
ZPĚT
Pevné vrstvové rezistory
Základem je keramické nosné tělísko, obvykle tvaru válce, na jehož povrchu je nanesena vrstva z
odporového materiálu. Dle použitého materiálu lze rozlišit dva druhy rezistorů :
1) uhlíkové (odporovým materiálem je zde uhlík s vhodným plnidlem)
2) metalizované (odporovým materiálem jsou zde kysličníky kovů nebo slitin)
Rezistory s odporem větším než 4kW mají délku odporové vrstvy zvětšenou probroušením drážky ve tvaru
šroubovice. Její délka dovoluje při výrobě nastavit požadovanou hodnotu rezistoru. Vývody rezistoru jsou
provedeny pocínovanými dráty, které jsou v podélném směru napařeny na kovové čepičky a nalisované na
konce keramického tělíska. Rezistory konstruované pro velké výkony mají vývody ve formě příčně uložených
sponek z kovového, pocínovaného pásku.
Povrch rezistorů je chráněn speciálními laky
nebo smalty, popřípadě zastříknutím
do plastu.
Pevné drátové rezistory
Jsou navinuty odporovým drátem na nosné keramické tělísko tvaru válce nebo trubičky. Konce odporového
drátu jsou přivařeny k vývodům, které mají podobnou konstrukci jako vývody vrstvových odporů. Povrch je
chráněn vrstvou speciálního tmelu nebo smaltu odolávajícího teplotám až několik set stupňů Celsia.
Drátové rezistory mají značnou indukčnost, proto se nedají použít ve VF obvodech. Mimo vlastního odporu
Mají rezistory i parazitní indukčnost a parazitní kapacitu vývodů.
MENU
ZPĚT
Náhradní schéma rezistoru
Charakteristické vlastnost rezistorů
Jmenovitý odpor rezistoru je výrobcem předpokládaný odpor součástky v ohmech. Jmenovité odpory
rezistorů jsou stanoveny mezinárodně normalizovanými řadami součástek pro elektroniku. Nejpoužívanější
řady jsou E6, E12, E24
Řada E6 obsahuje v každé dekádě 6 hodnot : 1 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8
Řada E12 obsahuje v každé dekádě 12 hodnot : 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2
Řada E24 obsahuje v každé dekádě 24 hodnot : 1 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6
3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Jmenovitý odpor byl dříve na součástce vyznačen kódem tvořeným skupinou číslic a písmen, dnes jsou
rezistory značeny barevnými proužky dle mezinárodních norem. Identifikace hodnoty a vlastností rezistoru
Se provádí dle barevné kódovací tabulky.
Tolerance jmenovitého odporu rezistoru je také uváděna pomocí písmenného kódu u staršího provedení :
B = ± 0,1%, C = ± 0,25%, D = ± 0,5%, F = ± 1%, G = ± 2%, J = ± 5%, K = ± 10%, M = ± 20%, N = ± 30%
nebo pomocí barevných proužků.
Jmenovité zatížení rezistorů je výkon, který se smí za určitých podmínek stanovených normou přeměnit v
rezistoru na teplo, aniž by teplota jeho povrchu překročila přípustnou mez. Konkrétní teploty jsou závislé na
Konstrukčním provedení.
MENU
ZPĚT
Největší dovolené napětí je udáváno výrobcem pro jednotlivá provedení rezistorů, měřené mezi jeho
vývody. Po překročení tohoto napětí může dojít k poškození. Tímto napětím je značně omezeno dovolené
provozní zatížení rezistorů s velkými hodnotami odporu.
Teplotní součinitel odporu rezistoru dovoluje určit změnu odporu rezistoru způsobenou změnou jeho
teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky odpovídající vzrůstu teploty o 1oC v rozsahu
teplot, ve kterých je změna odporu vratná. Uhlíkové rezistory mají součinitel záporný (- 0,7 až -1) * 10-3 K-1 .
Složení odporové vrstvy metalizovaných rezistorů je voleno tak, aby jejich teplotní součinitel byl pokud možno
malý. Výrobci uvádějí hodnoty řádu (10-4 až 10-5) K-1. Drátové rezistory vinuté z manganinu mají 2 * 10-5 K-1.
Šumové napětí vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky vznikají mezi vývody
rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu. Příčinou šumu je šumové napětí, které má dvě hlavní
složky, tepelné šumové napětí a povrchové šumové napětí. Povrchové šumové napětí závisí na velikosti
stejnosměrného napětí U přiloženého na rezistor. Indukční ani kapacitní reaktace nejsou příčinou vzniku
šumového napětí. Udává se v mikrovoltech (mV) na jeden volt přiloženého napětí.
Šumové napětí se přidává k užitečnému signálu, který prochází obvodem. Je-li užitečný signál slabý,
je obtížné ho od šumového napětí odlišit. Proto je velikost šumového napětí činitelem omezujícím pro
dosažitelnou citlivost elektronických zařízení.
MENU
ZPĚT
Rezistory s více než dvěma vývody
Rezistory s více než dvěma vývody pracují jako napěťové děliče. Lze je rozdělit na dvě skupiny :
1. děliče s pevným, popřípadě nastavitelným dělícím poměrem (rezistory s odbočkou)
2. děliče s plynule proměnným dělícím poměrem (potenciometry a odporové trimry)
Dělící poměr A lze v obou případech určit ze stejného vztahu :
Potenciometry
Jsou tvořeny odporovou dráhou a sběračem. Sběrač, který tvoří odbočku, lze plynule přesouvat podél
odporové dráhy. Na potenciometry se kladou tyto požadavky :
a) plynulost průběhu odporové dráhy
b) stabilita odporu
c) minimální šelest při regulaci
Názorná ukázka potenciometrů a potenciometrických trimrů
d) malý šum
e) dlouhá životnost
MENU
ZPĚT
Vrstvové potenciometry se vyrábějí z tzv.cermetu (ceramic – metal), je to speciální sklo v němž je
rozptýlen prášek z drahých kovů, nebo je dráha vyrobena z tzv.tvrdého uhlíku. Tyto potenciometry mají
velkou stabilitu hodnoty, malý šum a dlouhou životnost.
Vyrábějí se jako jednoduché ( jeden systém – mono ) nebo jako dvojité ( dva systémy ovládané jednou
hřídelí – tandemový - stereo), u těchto potenciometrů je kladen důraz na přesnost souběhu obou systémů.
Podle závislosti dělícího poměru A na úhlu a natočení osy otočných
potenciometrů nebo na poloze unašeče posuvných potenciometrů,
rozlišujeme různé průběhy. Nejčastěji používané potenciometry jsou s
lineárními průběhy ( N ), následně pak s logaritmickými průběhy ( G )
Konstrukce otočného potenciometru
Potenciometry s logaritmickým průběhem (G) jsou
vhodné k regulaci veličin, které závisí na regulaci
logaritmicky, například regulace hlasitosti.
MENU
ZPĚT
Odporové trimry (potenciometrické trimry) jsou vyráběny otočné, posuvné a víceotáčkové. Liší se od
potenciometrů konstrukčním provedením, které není určeno k mnohonásobnému přesouvání polohy sběrače.
Odporová dráha je vyrobena ze stejného materiálu jako u vrstvových potenciometrů. Tato odporová vrstva je
Nanesena na podkladový materiál z tvrzeného papíru nebo keramiky, případně i umělé hmoty. Vývody jsou
provedeny tak, aby je bylo možné zapájet do plošných spojů.
Řazení rezistorů
Sériové zapojení rezistorů (za sebou)
Napětí U mezi vnějšími svorkami dvou rezistorů spojených za sebou se rovná součtu napětí U1 a U2
mezi svorkami jednotlivých rezistorů:
U = U1 + U2 + …..
Výsledný odpor R dvou spotřebičů spojených za sebou (sériově) se rovná součtu odporů R1 a R2 obou
R = R1 + R2 + …..
rezistorů:
MENU
ZPĚT
Paralelní zapojení rezistorů (vedle sebe)
Převrácená hodnota celkového elektrického odporu R paralelně zapojených součástek se rovná
součtu převrácených hodnot odporů R1, R2, … součástek v jednotlivých větvích:
Při paralelním zapojení elektrických zdrojů zůstává celkové elektromotorické napětí stejné, zdroje
však mohou dodávat celkově větší elektrický proud. Jako symbol paralelního spojení rezistorů se
používají dvě čárky „||“. Pro dva rezistory spojené paralelně lze použít zjednodušený vztah:
Sérioparalelní zapojení rezistorů (kombinované)
Při řešení složitějších obvodů provádíme jeho zjednodušení
podle pravidel o sériovém a paralelní řazení rezistorů.
MENU
ZPĚT
Schematické značky pro různé druhy rezistorů
Základní značka pro rezistor
Reostat
Rezistor s výkonem 0,5W
Termistor
Rezistor s výkonem 6W
Pozistor
Rezistor s dvěma odbočkami
Varistor
Nastavitelný rezistor
(potenciometrický trimr)
Laditelný rezistor
(potenciometr)
Fotorezistor
Základní značka používaná v USA, Japonsku a
v některých státech asie
Menu
ZPĚT
Rezistory uhlíkové a vrstvové
Uhlíkový rezistor
Rezistory technologie SMD
Vrstvové rezistory
Rezistorové sítě
(vrstvové)
Výkonové, vinuté (drátové) rezistory
Rezistorové sítě SMD
Schematická značka rezistoru
Metal-oxidové výkonové
rezistory (vrstvové)
MENU
ZPĚT
Reostat
Různé typy reostatů
Technické řešení reostatu
Schematická značka pro reostat
MENU
ZPĚT
Termistory pozistory a varistory
Termistory (NTC)
Pozistory (PTC)
MENU
ZPĚT
Fotorezistory
Varistory
Pozistor (PTC) v provedení SMD
Varistor v provedení SMD
Rezistory s více než dvěma vývody
Různé typy potenciometrických trimrů (nastavitelných rezistorů)
Potenciometr tahový mono
Potenciometry otočné stereo
Potenciometry otočné mono
(tandemové)
MENU
ZPĚT
Potenciometry otočné mono
s vypínačem
Barevné značení rezistorů
MENU
ZPĚT
Špatná odpověď
Správná odpověď
Kontrolní otázky k tématu
1). Vysvětlete, proč se při průchodu proudu kovovým vodičem projevuje elektrický odpor?
a) volné elektrony jsou závislé na teplotě a okolním prostředí
b) vlivem vzájemného působení elektronů a ostatních částic kovu
c) vlivem nekmitajících atomů a iontů kovového materiálu
2). Jakým měřícím přístrojem měříme elektrický odpor?
a) voltmetr
b) watmetr
c) ohmetr
3). Čemu je přímo úměrná hodnota elektrického odporu?
a) okolní teplotě
b) elektrické vodivosti
c) délce a průřezu vodiče
MENU
4). Jaká schematická značka představuje reostat?
a)
b)
c)
5). Určete hodnotu rezistoru z barevného kódování
a)
= 27kW
b)
= 220W
c)
= 220kW
6). Příčinou šumu na rezistorech je šumové napětí, jaké dvě hlavní složky obsahuje?
a) dotykové šumové napětí a povrchové šumové napětí
b) tepelné a povrchové šumové napětí
c) odrazové šumové napětí a tepelné šumové napětí
MENU
ZPĚT
7). Co definuje zápis vzorce R = R0 [1 + a * (T -T0)] ?
a) výpočet neznámého odporu
b) výpočet výkonového zatížení rezistoru
c) změnu hodnoty odporu při změně teploty
8). Jednotkovou vodivost látky (vodivost 1 m vodiče o průřezu 1 m²) udává veličina :
a) rezistivita látky
b) proudová hustota
c) konduktivita látky
9). Co definuje veličina elektrická vodivost ?
a) schopnost vodiče vést elektrický proud
b) elektrický proud protékající vodičem
c) elektrické napětí na koncích vodiče
10). Jakým způsobem můžeme ovlivnit výkonové ztráty v obvodech?
a) použitím slabších vodičů a vyšších napětí
b) použitím silnějších vodičů, případně vyšších napětí
c) použitím silnějších vodičů a nižších napětí
MENU
ZPĚT
TEST