Переменный не проволочный резистор

 

1.5 Характеристики переменных  резисторов

 

Отклонения от заданной кривой определяются допусками. Для резисторов общего применения допуск устанавливается в пределах 2 - 20%, а для прецизионных - в пределах 0,05 - 1%.

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем изменении  угла поворота или перемещении подвижной  системы может быть различимо  изменение сопротивления резистора. У непроволочных резисторов разрешающая  способность очень высокая и  ограничивается дефектами резистивного элемента и контактной щетки, а также  переходным сопротивлением между проводящим слоем и подвижным контактом.

Разрешающая способность переменных проволочных резисторов зависит  от числа витков резистивного элемента и определяется изменением сопротивления  при перемещении подвижного контакта на один виток. Чем больше витков содержит резистивный элемент, тем выше разрешающая  способность. Разрешающая способность  резисторов общего применения находится  в пределах 0,1 - 3%, а прецизионных - до тысячных долей процента.

Шумами скольжения переменных резисторов принято считать шумы (напряжение помех), возникающие при движении (скольжении) подвижного контакта по резистивному элементу. Причиной таких шумов являются контактная разность потенциалов между щеткой и резистивным элементом, неоднородность структуры переходного контакта и э.д.с., возникающая при быстром вращении подвижной системы. Уровень этих шумов выше уровня тепловых и токовых шумов резистора.

Под износоустойчивостью понимают способность резистора сохранять  свои параметры при многократных перемещениях подвижной системы. Износоустойчивость в основном определяется материалом и формой подвижного контакта и резистивного элемента и контактным давлением. При движении происходит износ резистивного элемента и подвижного контакта, интенсивность которого возрастает с увеличением контактного давления. Однако уменьшение контактного давления способствует увеличению шумов вращения и снижению стойкости к механическим воздействиям. Количественно износоустойчивость оценивается максимально допустимым числом циклов перемещения подвижной системы, при котором параметры резистора остаются в пределах норм. Износоустойчивость прецизионных резисторов 10⁵ - 10⁷ циклов, но их вибрационная и ударная стойкость ниже, чем резисторов общего назначения. Регулировочные резисторы общего назначения обладают износоустойчивостью 5000 - 100000 циклов, а подстрочные - не больше 1000.

 

2. МАТЕРИАЛЫ   ДЛЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ  РЕЗИСТРОВ 

 

Переменный резистор состоит минимум из трех конструктивных частей: основного резистивного элемента, создающего заданную величину сопротивления в электрической цепи, и двух соединительных элементов (выводов), один из которых находится на подвижной системе, обеспечивающих получение хорошего электрического контакта, а так же изменение сопротивления для нужных элементов электрической схемы устройства.

 

2.1 Резистивные материалы

 

Основным узлом любого резистора  является резистивный элемент. Технические  характеристики резистора, в значительной мере зависят от правильного выбора конструкции и материала элемента.

В качестве резистивных материалов непроволочных резисторов используются разнообразные сочетания металлов, полупроводников и диэлектриков. В непроволочных резисторах металлы  и сплавы используются в виде очень  тонких пленок.

В современных конструкциях резисторов стремятся использовать материалы с большой величиной удельного сопротивления и малым сечением проводящего элемента. Кроме того, они должны обладать высокой стабильностью сопротивления, низким уровнем шумов, повышенной термостойкостью, технологичностью и низкой стоимостью. На практике используют различные материалы, обладающие комплексом необходимых свойств и позволяющие получить резисторы, в лучшей мере удовлетворяющие техническим требованиям.

Точное процентное содержание примесей зависит от требуемого удельного  сопротивления в заданном диапазоне.

 

Резистивные материалы  на основе кремния.

Кремневые резистивные сплавы выпускаются  марок: РС-4800, РС-3710, РС-3001, РС-1714, РС-1004. В  обозначении марок буквы и  цифры обозначают: РС – резистивный сплав, две первые цифры – номинальное содержание основного легирующего компонента, две последующие – номинальное содержание второго легирующего компонента.

Сплавы выпускаются в виде порошков, размеры частиц которых: не более 0,040 мм для марки РС-1714; 0,040…0,071 мм для  остальных марок (по требованию потребителя  сплав марки РС-4800 допускается  выпускать с размерами частиц менее 0,040 мм). Количество порошка с размерами частиц, выходящими за указанные пределы, не должно превышать 5% от массы навески, взятой от середины пробы. Порошок не должен содержать посторонних включений.

Химический состав кремневых сплавов  приведен в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1. Химический состав кремниевых резистивных сплавов

Марка	Основные компоненты, %(мас.)			Примеси, % (мас.), не более
	Cr	Ni	Fe	N2	H2	O2	C
РС-4800	47…49	-	-	0,02	0,003	0,3	0,06
РС-3710	36…39,5	8…11	-	0,02	0,003	0,3	0,06
РС-3001	28…32	-	0,7…1,8	0,02	0,003	0,3	0,06
РС-1714	16,5…18,5	9…12	13…15	-	0,005	0,6	0,05
РС-1004	-		3…6	0,02	0,003	0,3	0,06

 

Резистивные кремниевые сплавы предназначены для  изготовления методом испарения  и конденсации в высоком вакууме  тонкопленочных резисторов и различных  вспомогательных слоев изделий  электронной техники. Пленки сплавов  РС-4800, РС-3710 и РС-1004 получают методом  взрывного испарения, а сплавов  РС-3001 и РС-1714 методом испарения  навесок порошка (для сплава РС-1714 так же спиртовой суспензии порошка). Материал испарителя – вольфрам, реже углеграфитовая ткань, покрытая полеграфитом. Конфигурация пленочных элементов создается с помощью масок или фотографией. Параметры плеочных резисторов из сплавов РС приведены в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2 Технологические характеристики и параметры тонких резистивных  пленок РС сплавов

Материалы резистивной пленки	Сопротивление квадрата R    , Ом	Допустимая мощность рассеивания, Вт*см^-2
РС-4800	100…1000	5
РС-3710	50…2000	5
РС-3001	800…3000	5
РС-1714	300…500	5
РС-1004	3000…50000	5

 

 

2.2 Материалы подвижного контакта

 

В переменных резисторах используется механизм со скользящим контактом. К скользящим контактам относятся подвижные контакты, в которых контактирующие части скользят друг по другу без отрыва. Одним из основных факторов для выбора материала является износостойкость. Износ скользящих контактов подразделяют на механический — связан с износом от трения упругого контакта по резистивному материалу; химический (коррозия) — связан с окислением контактной поверхности и образованием непроводящих пленок, зависит от коррозионных свойств материала в условиях нормальной и повышенной температуры (до +300 °С); усиливается от повышения влажности и наличия в атмосфере некоторых вызывающих коррозию примесей. В зависимости от назначения, условий эксплуатации и характера износа скользящих контактов к материалам, предназначенным для их изготовления, предъявляют следующие требования: высокая износоустойчивость в соответствующем эксплуатационном режиме за срок службы устройства или прибора; высокая коррозионная устойчивость, обеспечивающая надежность и продолжительность работы в определенных средах; малая величина переходного сопротивления и ее стабильность в процессе работы и длительного хранения в различных условиях внешней среды; малая термо-э.д.с. в паре с медью; технологичность (легкая обрабатываемость, возможность пайки).

Сопротивление в переменных резисторах регулируется с помощью пружин со скользящим контактом. Под скользящим контактом следует понимать ту часть пружины, которая непосредственно скользит по резистивному элементу, осуществляя тем самым электрический контакт со средним выводом переменного резистора.

В одних случаях скользящий контакт  выполняется совместно с пружиной из одного и того же материала, в  других – в виде накладок, которые  в дальнейшем надежно крепятся к  пружинам, изготовленным из другого  материала. Иногда пружина частично или полностью гальваническим или химическим путем покрывается каким либо металлом, служащим скользящим контактом.

Материалы скользящих контактов должны иметь: высокую коррозийную стойкость  в условиях промышленной атмосферы  при повышенной температуре и  влажности; высокую эрозийную стойкость; малое удельное сопротивление; малую  термо-Э.Д.С.; высокую износоустойчивость в паре с выбранной резистивной проволокой; малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с резистивным материалом.

Износоустойчивость - один из важных параметров переменного резистора, характеризующий его работоспособность при большом количестве циклов движения подвижного контакта.

Как известно, для снижения переходных контактных сопротивлений в конструкциях переменных резисторов часто предусматривается  значительное давление подвижного контакта на проводящий элемент. Однако это приводит к увеличению износа последнего при  большом числе циклов движения контакта.

Износоустойчивость проводящего  элемента резистора зависит от материалов элемента и подвижного контакта, состояния  их поверхностей, величины давления подвижного контакта на элемент и т. д.

Наиболее полно вышеперечисленным  требованиям удовлетворяют благородные  металлы или сплавы на их основе, характеристики которых приведены  в таблице 2.1 и которые широко применяются в скользящих контактах.

 

 

Табл. 2.1 – основные характеристики контактных сплавов  
на основе благородных материалов

Материал	Удельное сопротивление,	ТКС, 1/град.	Т.Э.Д.С. отн.меди,	Твердость по Виккерсу,	Предел прочности
Платина-никель	0.23	0.22-0.71	-(0.5-5)	160	45
Платина-иридий	0.24	1.2	+5.26	130	63.3
Платина-рутений	0,46	-	-	240	-
Палладий-серебро-медь	0.43	0.03-0.065	-	125	45-80
Палладий-иридий	0.26	1.33	+12.4	125	37-6
Золото-никель	0.123	0.23-0.94	-(3-5)	100	36
Золото-серебро-никель	0.118	0.9	-	80	-
Золото-палладий-никель	0.23	-	-	120	-
Золото-серебро-платина	0.149	-	-	112	38
Золото-медь	0.13-0.142	0.53	-	115	59-88
Серебро-золото-палладий	0.22	-	-	65	-
Серебро-палладий-медь	-	0.395	-	165	-

 

 

3. РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА

 

Задание:

   1.  Номинальное сопротивление резистора 0-140 кОм

   2.  ТКС<0.001 К^-1

   3.  Мощность рассеяния 0.1 Вт

 

3.1 Выбор и расчет размеров нанесения резистивного материала:

В непроволочных резисторах:

R = ρl/a

R – максимальное сопротивление резистора.

ρ – удельное сопротивление резистивного материала.

l – длина, a – ширина.

площадь сечения  не учитывается, т.к. наносимый резистивный  слой имеет очень тонкую толщину, поэтому важна только ширина нанесенного слоя.

Требуемое R = 140кОм. Размер нанесенного резистивного элемента я выбрал 1*7 см. (1 – ширина; 7 – длина).

Подставляем значения в формулу и рассчитываем значение требуемого резистивного сплава.

140 = ρ*7/1

ρ = 20 кОм.

В качестве резистивного элемента я выбрал кремневый сплав «PC – 1004» в состав которого входит Ni (9-12%) Fe (3-6%), и удельное сопротивление которого находится в пределах 3 – 50 кОм на квадрат. Наше рассчитанное ρ входит в этот диапазон.

Расчет  ТКС:

 

 

Рассчитаем  максимальное напряжение для нашего резистора:

Из формулы  расчета мощности: P = U*I

P = 0,7 Вт,

I = U/R,

P = /R, 0.1 = /140000

U = 313 ≈ 310В

3.2 Выбор и расчет подвижного контакта:

Ширину  контактного элемента возьмем равной ширине нанесенного резистивного слоя – h(контакта) = 1 см = м. В качестве элемента выберем сплав – паладия, серебра и меди. Характеристики:

Материал	Удельное сопротивление,	ТКС, 1/град.	Т.Э.Д.С. отн.меди,	Твердость по Виккерсу,	Предел прочности
Палладий-серебро-медь	0.43	0.03-0.065	-	125	45-80

 

3.3 Расчет корпуса

В качестве подложки для резистивной пленки я использовал ситалл:

Ситалл (СТ-50-1) представляет собой стеклокерамический материал на основе стекла, отличающийся от последнего кристаллической структурой, подобной керамической, но с более мелкими кристаллами и более плотной их упаковкой, исключающей какую-либо пористость материала.

Геометрические  размеры - 60х30х0,6мм

Плотность - 2,65 г/см3 ±0,05

Микротвердость - 705 кгс/мм2

Термостойкость - 210°С

Диэлектрическая проницаемость Е при частоте 1,0 МГц - 8,5 ±0,5

Удельное  объемное электрическое сопротивление  при температуре 100°С - 1014 Ом.см

Температурный коэффициент линейного расширения Альфа х 10 7Л-1 в интервале температур от 20 до 300°С - 52 ±2,0