Ellenállás, mint alkatrész

Kivitelezés

• Forma, beültetési lehetőségek
  • Furatszerelt (through hole)
  • Felületszerelt (surface mount device, SMD)
  • Speciális rögzítésű
• Technológia, anyag
  • Réteg, tömb, huzal
  • Fém, szén, fém oxid, kompozit
  • Integrált áramköri megvalósítás

Az ellenállások fontosabb jellemzői

Névleges érték

A névleges, azaz a gyártás során előállítani kívánt értékre többféle specifikáció létezik. Gyakrabban használt sorokat foglal össze az alábbi táblázat.

Az értékek logaritmikus léptékűek, ami elterjedt gyakorlat akkor, ha több nagyságrendbeli értékekre van szükség (ahogy a bankjegyeknél is látható). Az alábbi ábra az érték logaritmusát ábrázolja a sorszám függvényében E24 sorra.

Ellenállások kombinálásával további értékek állíthatók elő. A következő táblázat mutat példákat arra, hogyan egészíthető ki az E24 sor két ellenállás soros kapcsolásával.

Ellenállásokkal gyakran építünk fel feszültségosztó kapcsolásokat.

Az alábbi táblázat E24 sorban szereplő értékeket ad meg, melyekkel a kívánt osztási arány elérhető.

A névleges értéket az alkatrészen többféle módon tüntetik fel, függően az alkatrész méretétől, tokozásától. Egészen kis méretek esetén speciális kódokat használnak, de el is maradhat a jelölés.

A kisteljesítményű furatszerelt ellenállásoknál elterjedt a színkód. A hengeres kivitelű ellenálláson különböző színű csíkok, sávok vannak, a színek számjegyeket, tartományt és tűrést kódolnak.

Felületszerelt és más ellenállásokon számokkal jelzik az értéket. Elterjedten 3 vagy 4 számjegy található a feliratban, amik közül az értéket az utolsó számjegy nélküli rész adja, amit meg kell szorozni tíznek az utolsó számjeggyel vett hatványával. Kisebb értékeknél a tizedespontot R betű helyettesíti. Például:

• 100 → 10*10⁰ = 10 Ω
• 223 → 22*10³ = 22 kΩ
• 1201 → 120*10¹ = 1200 Ω
• 3R3 → 3.3 Ω
• 0R1 → 0.1 Ω

Értéktartomány

Az értéktartományra már a színkód táblázata is utal. Jelfeldolgozó áramkörök ellenállásainak értékei nagyjából a pár Ω-os tartománytól pár MΩ-ig terjednek, mivel ezek az áramkörökben jobban közelítik az ideális eseteket. Túl kicsi ellenállások esetén számíthat a vezetékek ellenállása, túl nagy áramok jöhetnek létre. Túl nagy értékű ellenállások esetén a szórt kapacitások, induktivitások, a túl kicsi áram és zavarérzékenység, zaj okozhat problémát. Speciálisabb esetekben kisebb vagy nagyobb értékek is előfordulnak.

Tűrés

A tűrés a mért érték megengedhető legnagyobb eltérése a névleges értéktől, általában 25 ºC hőmérséklethez tartozik. Gyakran a mért értékek ennél jóval közelebb esnek a névleges értékhez, mivel a tűrés garantált határértéket jelent. Gyakori értéke az 5% és 1%, de létezik jóval kisebb tűrés is.

Az alábbi grafikonon 50 darab 10 kΩ névleges értékű, 1% tűrésű ellenállás szobahőmérsékleten mért adatai láthatók (a mérés pontossága 0.1% alatti). Az átlagos értéket kék, a tűrési határokat piros vonalak jelzik.

Érdemes megjegyezni, hogy az ellenállások értékei nem a névleges érték körül ingadoznak, hanem a gyártási folyamat során kialakult átlagos érték körül.

Hőmérséklettartomány, hőmérsékleti tényező

A működési hőmérséklettartomány többféle lehet, gyakran esik -55 ºC 155 ºC közé, de más értékeket is megadhat az adatlap.

Az ellenállások értéke valamennyire hőmérsékletfüggő. A hőmérsékleti tényezőt ppm/K egységekben adják meg, azt feltételezve, hogy az ellenállás hőmérsékletfüggése közel lineáris. Értéke 50 ppm/K és 250 ppm/K között szokott lenni. Bizonyos anyagok esetén lehet negatív is, de ha ezt nem tudjuk, az abszolút értékkel kell számolni. A hőmérsékleti tényező megadott értéke természetesen nem egzakt, tipikus vagy maximális érték, így nem alkalmas arra, hogy segítségével kiküszöböljük a hőmérséklettfüggést. A gyakorlatban olyan ellenállást kell választanunk, ami megfelel a pontossági követelményeknek a szükséges hőmérséklettartományban.

Az α hőmérsékleti tényező ismeretében a névleges értéktől vett eltérést adott T hőmérsékleten az alábbi összefüggés alapján számíthatjuk ki:

Az alábbi kalkulátor kiszámítja a névleges értéktől való eltérést a hőmérséklet függvényében.

R =  Ω

α =  ppm/K

T =  ºC

Üzemi feszültségtartomány, határértékek

Az ellenállásokon megjelenő megengedett feszültség korlátos, a normál működési határ az üzemi feszültség (maximum working voltage, maximum limiting element voltage). A tervezésnél ezt az értéket kell figyelembe venni. Jelfeldolgozó áramkörök ellenállási esetén az érték tipikusan pár 10 V-tól néhány 200 V-300 V-ig terjed.

Ez mellett megadnak átütési feszültséget is (dielectric withstanding voltage), aminél nagyobb érték maradandó károsodást okoz. A maximális túlfeszültség (maximum overload voltage) az a feszültség, ami egy bizonyos megadott rövid ideig még nem okoz károsodást. Ezeket az értékeket működés közben biztonságosan be kell tartani, nem szabad a működési feszültségnek ezek közelébe kerülni.

Teljesítmény

Az ellenállásoknál megadják a maximális disszipálható teljesítményt. Az érték nyugvó levegő környezet esetére értendő, adott ellenállástípushoz az adatlap adja meg. Jelfeldolgozó áramkörök furatszerelt ellenállásai esetén 1/2 W, 1/4 W, felületszerelt ellenállásoknál 1/5 W, 1/10 W gyakori érték. Teljesítményellenállások több Watt disszipálását is elviselik.

Az alábbi görbét gyakran láthatjuk ellenállások adatlapjában (derating curve). A grafikon azt adja meg, hogy mekkora lehet a névleges értékhez viszonyított maximális disszipált teljesítményarány (power ratio) adott környezeti hőmérsékleten. Az adatlapban megadott hőmérsékletig (általában 70ºC-ig) a névleges értékkel számolhatunk, felette lineárisan csökken 0%-ra a megengedett maximális teljesítménydisszipáció a maximális üzemi hőmérséklet eléréséig. Ennek oka az, hogy a disszipáció felmelegíti az ellenállást, de a működési hőmérsékletnek a megadott határértéken belül kell maradnia.

Időbeli változás

Az ellenállások értéke valamennyit változik az idő függvényében, aminek mértéke függ a működési hőmérséklettől is. Az adatlapok általában %-ban adják meg, hogy adott hőmérsékleten adott idő elteltével (tipikusan 70ºC-on 1000 óra múlva) mekkora a korlátja a lehetséges eltérésnek.

Feszültségfüggés

Az ellenállásértékek mutathatnak valamennyi feszültségfüggést is, azaz viselkedésük nem teljesen lineáris, eltérhet az Ohm-törvénytől. Általában ezzel csak speciálisabb esetben, jelentősebb feszültségeken adódik probléma.

Reális ellenállások modellje

A reális ellenállások modellezhetők ideális komponensekkel. Ez főleg azt a célt szolgálja, hogy biztosabban tudjuk, mikor viselkedik kellő pontossággal ellenállásként az alkatrész. Elterjedt modell látható az alábbi ábrán. Az ellenállás kivitelétől és értékétől függ, melyik komponens szerepe lehet számottevő.

Ellenálláshálózatok, tömbök

Gyakran van szükség több egyforma értékű ellenállásra, ezért gyártók egy tokban, kis méretben integrálnak ellenállásokat. Ezek lehetnek egymástól független ellenállások (ekkor ellenállástömböt képeznek), vagy adott módon összekötöttek is (ellenálláshálózatot alkotva).

Ellenálláshálózatok és tömbök digitális áramkörökhöz

Digitális áramköröknél szükség lehet felhúzóellenállásokra, amelyek bemeneteket vagy kimeneteket tartanak logikai magas értéken a tápfeszültségre kötött ellenállások segítségével. Az is előfordulhat, hogy két áramkör összekötő vezetékeire soros ellenállást kell kötnünk áramkorlátozás vagy jelalakok formázása, zavarjelek csökkentése miatt. Az alábbi ábrák mutatnak példákat kapható hálózatokra.

Az ellenállások tűrése elég nagy érték, tipikusan 20% körüli, ez nem befolyásolja a megfelelő működést digitális áramköri alkalmazásoknál.

Precíz ellenálláshálózatok és tömbök

Analóg áramköri alkalmazások céljaira gyártanak precíz integrált ellenálláshálózatokat és tömböket is. Bár az ellenállásértékek eltérése a névlegestől akár 10% vagy több is lehet, az értékek rendkívül nagy pontossággal megegyeznek, az eltérésük 0.01% körüli. Ezekkel tehát nagy pontosságú feszültségosztás, erősítés realizálható. Olyan alkalmazásokban használjuk ezeket, amikor csak az arányuk számít, a konkrét érték nem.

Varisztorok

A varisztorok feszültségfüggő ellenállások. Tipikus viselkedésük szerint bizonyos feszültség felett drasztikusan lecsökken az ellenállásuk, jó vezetőkké válnak, így korlátozni tudják a rajtuk fellépő feszültséget. Ezt áramkörök túlfeszültség elleni védelmére használják. A Zener-diódákéhoz hasonló a viselkedés, de jóval nagyobb energia elnyelésére alkalmasak és minkét polaritás esetén hasonlóan viselkednek. Az alábbi ábrán az áramköri rajzjel látható.

Tipikus karakterisztikát mutat az alábbi ábra. A viselkedés hasonló a Zener diódáéhoz: egy bizonyos feszültségig nem folyik számottevő áram, az alkatrész nem befolyásolja a működést. A küszöbfeszültég felett jó vezetővé válik a varisztor. Sokféle küszöbfeszültségű varisztor kapható, néhány V-tól kV-okig.

Változtatható értékú ellenállások

Reosztátok, potenciométerek

Változtatható értékű ellenállásokat két (reosztát) vagy három (potenciométer) kivezetéses kivitelben készítenek. Az elv szerint egy ellenállás felületén mozgatható érintkező van.

Digitális potenciométerek, reosztátok

A mechanikus, csúszóérintkezős kivitelű reosztátokat és potenciométereket egyre inkább digitális változatok helyettesítik. Egy integrált áramköri kivitelben sok ellenállás van sorba kötve, és a két végpont ki van vezetve. Ezen kívül egy további kivezetés van, amit digitálisan vezérelhető kapcsolókkal köthetünk az ellenálláslánc bármely csomópontjára. Az ábrán egy 5 állású digitális potenciométer mutatja az elvet, a kapható áramkörökben a csomópontok száma jellemzően kettő egész hatványa 32 és 1024 között.

Rezisztív szenzorok

Speciális ellenállások szenzorként működhetnek, valamilyen hatás megfelelő formájú elektromos jellé alakítására használhatók. Példaként említhetők:

• fotoellenállások (photoresistor, LDR - light dependent resistor), melyek ellenállása jelentősen csökken a rajuk jutó fény intenzitásának növekedésével,
• mechanikai deformáció hatására változó ellenállások (pl. nyúlásmérő bélyegek (strain gauge), mérlegekben alkalmazott mérlegcellák (load cell)),
• mágneses tértől függő ellenállások.

Kicsit részletesebben a következő eseteket említjük meg.

Áramérzékelő ellenállások

Áram precíz méréséhez az áramot egy ismert értékű ellenálláson vezetjük át, majd a rajta eső feszültséget mérjük. Ohm-törvényével számítjuk ki az áramot. Az ellenállásnak kis értékűnek kell lennie, hogy az ideális árammérőt közelítse, pontosnak kell lennie a pontos mérés érdekében. Az áram nagyságától függően különböző áramérzékelő ellenállásokat (current sense resistor) használhatunk, akár mΩ tartományban. Digitális multiméterek is ilyen elven mérik az áramot.

Az árammérő ellenállások gyakran négy kivezetéssel rendelkeznek, mivel magának a kivezetésnek is van valamekkora ellenállása, ami mérési hibát okozhat. Ezért két kivezetés az áram átvezetésére szolgál, a másik kettő pedig feszültségmérésre. Ezt szokás Kelvin elrendezésnek, négypontos mérésnek is hívni. Kis értékű ellenállások, vezetékellenállás mérésekor is így kell eljárni.

Termisztorok

A termisztorok félvezetők, melyek ellenállása erősen függ a hőmérséklettől. Léteznek pozitív hőmérsékleti tényezőjű (PTC) termisztorok, amiket gyakran túlmelegedés elleni védelemre használnak. Szenzornak alkalmasabbak az NTC (negatív hőmérsékleti tényezőjű) termisztorok, melyek nagy pontosság elérésére alkalmasak, sokféle értékben és kivitelben kaphatók.

Az NTC termisztorokat elég jó közelítéssel írja le az alábbi képlet (beta equation):

Itt R₂₅ a 25ºC-hoz tartozó ellenállásérték, T₂₅ = 298.16K, azaz a 25ºC Kelvin egységekben, T is Kelvinben értendő. β az anyagra jellemző, tipikusan 4000 1/K körüli érték.

A hőmérséklet Kelvinben az ellenállás függvényében az alábbi módon adható meg:

Pontosabb közelítést ad a Steinhart-Hart egyenlet:

A következő grafikon egy 25ºC-on 10 kΩ értékű termisztor ellenállásának hőmérsékletfüggését mutatja.

A β formula szűkebb hőmérséklettartományban ad jó közelítést. Hibáját az alábbi grafikon szemlélteti.

A Steinhart-Hart közelítés a teljes használható hőmérséklettartományban kis hibát biztosít, ahogy az alábbi ábrán látható.

Az alábbi kalkulátor a β formula segítségével kiszámítja az ellenállást a hőmérséklet függvényében.

R₂₅ =  Ω

β =  1/K

T =  ºC

Pt100 és Pt1000

A Pt100 és Pt1000 0ºC-on R₀ = 100 Ω illetve R₀ = 1000 Ω értékű platina anyagú ellenállások (RTD, resitance temperature detector), melyek precíz és megbízható hőmérsékletmérésre alkalmasak. Hőmérsékletfüggésük az alábbi lineáris formulával elég nagy pontossággal közelíthető:

T ºC egységekben értendő. Ennek a formulának a hibája 0ºC-100ºC tartományban 0.4ºC körüli. Ennél jobb közelítést ad a Callendar-Van Dusen egyenlet:

A következő ábra fekete vonallal a lineáris közelítést, piros vonallal a pontosabb képletet ábrázolja.

Az kétféle közelítés közti eltérést az alábbi grafikon szemlélteti:

Az alábbi kalkulátor kiszámítja az ellenállást a hőmérséklet függvényében.

T =  ºC

Wheatstone-híd szenzorok

Mérlegcellák (load cell) és nyomásszenzorok (pressure sensor) mechanikai deformáció mérését igénylik. Ezt gyakran oldják meg úgy, hogy ismert rugalmassági tulajdonságú anyagra ellenállásrétegeket visznek fel, mely mérete és így ellenállása a deformáció hatására megváltozik a piezorezisztív tulajdonság alapján. A következő ábra egy mérlegcella elrendezését mutatja:

A cél a ΔR/R relatív változás mérése, amihez egy ismert V_ref feszültséget két, a jobb és bal oldali ellenálláspárokból álló feszültségosztó bementére kötünk. A feszültségosztók kimeneti feszültsége az alábbi:

A két feszültség különbsége nem tartalmazza az átlagos értéket, arányos a keresett ΔR/R értékkel: