Материал: Непроволочный переменный резистор

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	0,3	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 пленочных 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	0.9	-	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 0-10 кОм

. ТКС<0.001 К^-1

3. Мощность рассеяния 1 Вт

3.1 Выбор и расчет размеров нанесения резистивного материала

В процессе работы резистор нагревается и температура его перегрева ?T относительно окружающей среды определяется соотношением:

, K, (3.1)

где?T = Т_R - Т_0,Т_R - температура резистора,

°С; Т₀» 20°C - температура окружающей среды;

P_R = I²R - мощность электрического тока, рассеиваемая резистором, Вт;

I - ток через резистор, А;

R - электрическое сопротивление резистора, Ом;

S - площадь поверхности резистора, м²;

α15-20 Вт/К*м² - коэффициент теплоотдачи с единицы площади поверхности резистора, для обычного сухого воздуха.

Нормальной температурой нагрева резистора при его работе считается 40¼50°C.

?T=50-20=30K;

 

Из формулы (3.1) выразим площадь поверхности резистора:

Температура максимального нагрева уменьшается с увеличением размеров резистора и зависит от теплостойкости материалов, применяемых для его изготовления, составляющей обычно 105¼120 °C. Превышение максимальной температуры нагрева ведет к разрушению резистора.

Из формулы расчета мощности: P = U*I=/R находим максимальный ток и напряжение для заданной мощности рассеивания:

P = 1 Вт, =10 кОм,

P = /R,1 = /10000 U = 100 В

Взаимосвязь конструктивных и технологических параметров тонкопленочного резистора устанавливается основным уравнением для их расчета:

 (3.3)

где R - сопротивление резистора; ρ - удельное сопротивление материала резистивной пленки; l - длина резистора; b - ширина резистора; h - толщина резистивной пленки.

 (3.4)

где N - отношение длины резистора к его ширине или число квадратов резистора.

Требуемое сопротивление R = 10кОм. Размер нанесенного резистивного элемента был выбран исходя из площади поверхности резистора , а ширина составляет 10 мм, а длина всей секции 166,7 мм.

Подставляем значения в формулу (3.2) и рассчитываем значение удельного сопротивления требуемого от резистивного сплава:

В качестве резистивного слоя возьмем "PC-3710", т.к. удельное сопротивление квадрата входит в диапазон для данного сплава, и при толщине примерно 200 нм мы получаем наше удельное сопротивление квадрата

.

Наименование физических и электрических параметров	РС3710
Объемные образцы Температура плавления, ºС
Плотность, г/см3	4,6-5,0
Удельное электрическое сопротивление, 10-4 Ом. см	5-7
Температурный коэффициент сопротивления в интервале температур 20-150ºС, 10-4 град-1	15-25
Пленки Удельное поверхностное сопротивление, кОм/квадрат	0,05-2,00
Толщина, нм	15-300
Температурный коэффициент сопротивления в интервале температур от минус 60 до плюс 125ºС, 10-4град-1, не более	±2
Допустимая мощность рассеяния, Вт/см2, не более	5

ТКС:  К^-1

 

Зная силу тока через поперечное сечение проводника и площадь поперечного сечения S, найдем плотность тока:

.

Для стабильных резисторов рекомендуемое значение j<1-2 A/mm², рассчитанное значение входит в это диапазон.

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
Платина-рутений	0,46	-	-	240	-

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 - 170х15х0,7мм

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

Электрическая прочность - 47 кВ/мм

Рисунок 3.1 Схема строения резистора

. Ситалловая подложка

. Контакты

. Резистивный элемент

. Подвижный контакт

Рисунок 3.2 Пример движкового резистора.

Заключение

В ходе данного курсового проекта мы более углубленно изучили непроволочные резисторы. Разобрались в конструктивных особенностях проектирования непроволочных переменных резисторов, также рассмотрели различные используемые резистивные материалы, их достоинства и недостатки. Рассмотрели принцип работы и строение подвижного контакта.

Также был проведен расчет проволочного переменного резистора с определенными параметрами.

Список изпользованной литературы

1.      Малинин Р.М. Резисторы. - М.: Энергия, 1969. - 78 с.

2.      Б.С. Гальперин - Непроволочные резисторы.

.        Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В. Технология производства резисторов. - М.: Высшая школа, 1972. - 312 с.

.        Резисторы. Справочник / Под ред. Четверткова И.И. - М.: Энергоиздат, 1981. - 527 с.