Rezystory – rodzaje, parametry, kod paskowy i łączenie

Czym jest rezystor

Rezystor (potocznie: opornik) to najczęściej spotykany element w układach elektronicznych. Ogranicza przepływ prądu i dzięki temu zapewnia właściwe napięcia i prądy w pozostałych częściach obwodu. Składa się z izolacyjnego korpusu z wyprowadzeniami oraz części oporowej wykonanej z materiału o znanej rezystywności ρ – w postaci pręta, rurki, folii, warstwy lub drutu o długości l i przekroju S:

R = ρ · l / S

Jednostką rezystancji jest om (Ω). Rezystancję 1 Ω ma element, przez który przy napięciu 1 V płynie prąd 1 A. Zależność tę opisuje prawo Ohma: U = I · R.

Rezystor, którego rezystancja nie zależy od prądu, napięcia ani czynników zewnętrznych (temperatury, światła), nazywamy liniowym. Jeśli rezystancja zmienia się pod wpływem któregoś z tych czynników, mówimy o rezystorze nieliniowym – i zwykle nazywamy go od tego czynnika (termistor, warystor, fotorezystor).

Materiały oporowe

Materiały oporowe dzielą się na dwie grupy:

• metalowe – mają dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR): wraz ze wzrostem temperatury ich rezystywność rośnie,
• niemetalowe – mają ujemny TWR.

Dobry materiał oporowy powinien mieć dużą rezystywność, mały TWR, odporność na utlenianie i czynniki chemiczne, wysoką temperaturę topnienia i dużą trwałość. Do typowych materiałów oporowych należą: manganin, konstantan, kanthal, nikielina, nichrom i silit. Stosuje się je w rezystorach, elementach grzejnych i termoelementach.

Rodzaje rezystorów

Ze względu na budowę rezystory dzielimy na drutowe, warstwowe, objętościowe i cienkowarstwowe. W rezystorach drutowych na cylinder lub płytkę z izolatora nawija się drut oporowy (np. z nikieliny, konstantanu, manganinu, kanthalu), a w warstwowych nanosi się warstwę oporową ze stopów metali lub węgla pirolitycznego. Końce łączy się z metalowymi kapturkami z wyprowadzeniami. Rezystory objętościowe wykonuje się z masy oporowej, w którą zaprasowano wyprowadzenia.

Rezystory mogą być stałe (nienastawne) lub nastawne. Do płynnej regulacji, np. głośności w radiu, służą potencjometry. Potencjometr ma trzy wyprowadzenia: dwa skrajne (początek i koniec ścieżki oporowej) oraz suwak, który przesuwa się po ścieżce. Rezystancja między początkiem a suwakiem może zmieniać się liniowo, logarytmicznie lub wykładniczo – do regulacji głośności stosuje się zwykle potencjometry logarytmiczne, bo tak odbiera dźwięk ludzkie ucho.

Najważniejsze parametry

Rezystancja znamionowa

Wartość podawana razem z dopuszczalną odchyłką (tolerancją), zwykle w przedziale od 0,1% do 20%.

Moc znamionowa

Największa moc, jaką rezystor może bezpiecznie wydzielić w postaci ciepła. Liczymy ją ze wzoru P = U · I = I² · R.

Napięcie znamionowe

Największe napięcie, które nie zmienia właściwości rezystora ani go nie uszkadza – dla większości rezystorów od kilkudziesięciu do kilkuset woltów.

Wskazówka: przy wymianie spalonego rezystora dobierz element o tej samej rezystancji i mocy co najmniej takiej jak oryginał. Spalony rezystor to często objaw innej usterki – warto sprawdzić, co go przeciążyło.

Szeregi wartości E i R

Aby uprościć produkcję i dystrybucję, rezystory wytwarza się w znormalizowanych wartościach. Najpopularniejsze są szeregi E: E6, E12, E24, E48, E96 i E192. Liczba w nazwie mówi, ile wartości przypada na jedną dekadę (np. od 1 do 10). Kolejne wartości tworzą ciąg geometryczny – każda jest większa od poprzedniej o czynnik równy pierwiastkowi N-tego stopnia z 10:

wartość_k = 10^k/N, k = 0, 1, …, N−1

Szeregi są zagnieżdżone: w E96 występuje co druga wartość z E192, w E48 co czwarta, a E12 zawiera co drugą wartość z E24. Szereg E12 to: 1,0 · 1,2 · 1,5 · 1,8 · 2,2 · 2,7 · 3,3 · 3,9 · 4,7 · 5,6 · 6,8 · 8,2.

Szereg R (od nazwiska Renard, np. R40) buduje się tak samo, ale stosuje się go rzadziej – przy rezystorach mocy i reostatach, a częściej w innych elementach, np. bezpiecznikach czy cewkach filtrów. Starszy szereg dekadowy (1,0; 1,5; 2,0 …) wciąż spotyka się w rezystorach precyzyjnych.

Oznaczenia i kod paskowy

Małe rezystory oznacza się zwykle 4–6 kolorowymi paskami. W kodzie 4-paskowym dwa pierwsze paski to cyfry, trzeci – mnożnik, a czwarty (zwykle odsunięty) – tolerancja. Gdy pasków są tylko trzy, tolerancja wynosi ±20%. Uwaga: cewki, kondensatory, termistory i bezpieczniki potrafią wyglądać podobnie i mieć podobne oznaczenia barwne.

Przykład: żółty – fioletowy – czerwony – złoty oznacza 4, 7 i mnożnik ×100, czyli 4700 Ω = 4,7 kΩ ±5%.

Kod literowy

Na większych rezystorach i na schematach często stosuje się zapis, w którym litera zastępuje przecinek: R lub E dla omów, k dla kiloomów i M dla megaomów.

• 0R1 = 0,1 Ω
• 0E1 = 0,1 Ω
• 4k7 = 4,7 kΩ
• 22M = 22 MΩ

Kod cyfrowy (SMD)

W kodach 3- i 4-cyfrowych pierwsze dwie lub trzy cyfry to wartość, a ostatnia – liczba zer:

• 100 = 10 Ω
• 101 = 100 Ω
• 103 = 10 kΩ
• 4754 = 4,75 MΩ

Łączenie szeregowe

W połączeniu szeregowym punkty styku rezystorów nie są rozgałęzieniami. Wynikają z tego trzy zasady:

• przez wszystkie rezystory płynie ten sam prąd,
• napięcie całkowite jest sumą napięć na poszczególnych rezystorach,
• rezystancja zastępcza jest sumą rezystancji:

R_z = R₁ + R₂ + R₃ + …

Przykład: rezystory 2 Ω, 3 Ω i 4 Ω połączone szeregowo zastąpimy jednym o rezystancji R_z = 2 + 3 + 4 = 9 Ω.

Dzielnik napięcia

Ponieważ w połączeniu szeregowym napięcie rozkłada się na rezystory proporcjonalnie do ich rezystancji, układ ten nazywa się też dzielnikiem napięcia. Dzielniki buduje się z rezystorów stałych albo z potencjometru. Napięcie na dolnym rezystorze (R₂) wynosi:

U_wy = U_we · R₂ / (R₁ + R₂)

Dzielnik przyda się m.in. przy ustalaniu napięcia bazy tranzystora – pokazujemy to w poradniku o tranzystorach.

Łączenie równoległe

• na wszystkich rezystorach jest to samo napięcie,
• prąd dopływający do połączenia jest sumą prądów poszczególnych gałęzi,
• odwrotność rezystancji zastępczej to suma odwrotności rezystancji:

1 / R_z = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / R₃ + …

Dla dwóch rezystorów wygodniej użyć wzoru R_z = R₁ · R₂ / (R₁ + R₂). Rezystancja zastępcza jest zawsze mniejsza od najmniejszej z rezystancji. Te same rezystory 2 Ω, 3 Ω i 4 Ω połączone równolegle dają ok. 0,92 Ω.

Rezystor przy wysokich częstotliwościach

Rzeczywisty rezystor to nie tylko rezystancja. Ma też pojemność własną C_L (upływność), indukcyjność elementu oporowego L_R oraz indukcyjność wyprowadzeń L_s. Przy prądzie stałym można je pominąć, ale w obwodach wielkiej częstotliwości (w.cz.) – np. w radiotelefonach CB – reaktancje razem z rezystancją tworzą impedancję, którą trzeba uwzględnić.

Przykład: rezystor cienkowarstwowy 10 kΩ z pojemnością własną 0,1 pF przy 400 MHz. Reaktancja pojemnościowa wynosi X_C = 1 / (2π · f · C) ≈ 3979 Ω, a reaktancje indukcyjne (ok. 21 Ω i 17 Ω) można pominąć. Impedancja połączenia równoległego:

Z = R · X_C / √(R² + X_C²) ≈ 3,7 kΩ

Rezystor 10 kΩ zachowuje się więc przy 400 MHz jak element o impedancji zaledwie ok. 3,7 kΩ. W praktyce rezystory warstwowe poniżej 100 Ω mają przy w.cz. charakter indukcyjny, od 100 do 470 Ω są bliskie idealnej rezystancji, a powyżej 470 Ω nabierają charakteru pojemnościowego. Rezystory drutowe mają dużą indukcyjność i pojemność, więc do w.cz. się nie nadają.

Matryce rezystorowe i rezystory drutowe

Matryce rezystorowe (drabinki) wykonuje się w technologii grubo- lub cienkowarstwowej na ceramicznym podłożu. Do montażu przewlekanego produkuje się obudowy jednorzędowe SIL (4–14 wyprowadzeń) i dwurzędowe DIL (14–20 wyprowadzeń); do montażu powierzchniowego – wiele typów obudów SMD. Matryce zajmują mało miejsca na płytce i upraszczają montaż.

Rezystory drutowe nawija się drutem o dużej rezystywności (np. CrNi, kanthal, konstantan) na korpus z ceramiki, szkła lub włókna szklanego. Stosuje się je tam, gdzie potrzebna jest duża moc albo wysoka precyzja i stabilność. Uwaga przy montażu: powierzchnia drutowego rezystora mocy może nagrzewać się nawet do 200–400 °C, co wpływa na sąsiednie elementy, przewody i luty – zostaw mu wolną przestrzeń.

Termistory, warystory i fotorezystory

Termistor NTC

Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) ma ujemny współczynnik temperaturowy – jego rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wykonuje się go z polikrystalicznych półprzewodników (mieszanin tlenków chromu, manganu, żelaza, kobaltu i niklu). Znając rezystancję R₂ w temperaturze T₂ i stałą materiałową B, przybliżoną rezystancję w temperaturze T₁ (w kelwinach) obliczymy ze wzoru Beta:

R₁ = R₂ · e^{B·(1/T₁ − 1/T₂)}

Termistory NTC stosuje się do pomiaru i regulacji temperatury, kompensacji temperaturowej, układów opóźniających i ograniczania prądu rozruchu (np. w zasilaczach).

Termistor PTC

Termistor PTC ma dodatni współczynnik temperaturowy – po przekroczeniu temperatury przemiany jego rezystancja gwałtownie rośnie. Działa jak samoczynny bezpiecznik: chroni silniki przed przeciążeniem, pracuje w samoregulujących grzałkach, a w starszych telewizorach kineskopowych – w obwodzie rozmagnesowania. Nie wolno przekraczać jego napięcia maksymalnego ani łączyć kilku PTC szeregowo, by zwiększyć wytrzymałość napięciową – i tak uszkodzi się jeden z nich.

Warystor (VDR)

Warystor to rezystor, którego rezystancja silnie maleje wraz ze wzrostem napięcia. Produkuje się go najczęściej z granulowanego tlenku cynku. Poniżej napięcia progowego ma dużą rezystancję, a po jego przekroczeniu w czasie krótszym niż 20 ns przechodzi w stan niskoomowy, „ścinając” przepięcie. Warystory chronią instalacje 230 V i urządzenia przed przepięciami, np. podczas burz albo przy przełączaniu obciążeń indukcyjnych.

Fotorezystor (LDR)

Rezystancja fotorezystora maleje, gdy pada na niego więcej światła. Wykonuje się go z siarczku kadmu (CdS – czułość podobna do ludzkiego oka, maksimum ok. 515 nm) lub selenku kadmu (CdSe – przesunięty w stronę podczerwieni, ok. 730 nm). Fotorezystory reagują stosunkowo wolno (od milisekund do sekund) i mają wyraźną zależność od temperatury, ale są proste i tanie – świetnie sprawdzają się w czujnikach zmierzchu.