13
UNIVERZITET U ISTOČNOM SARAJEVU SAOBRAĆAJNI FAKULTET DOBOJ Tema: OTPORNICI, TEMPERATURNA ZAVISNOST Seminarski rad iz elektronike 1

Otpornici,Temp.zavisnost

Embed Size (px)

Citation preview

UNIVERZITET U ISTOČNOM SARAJEVUSAOBRAĆAJNI FAKULTET

DOBOJ

Tema:

OTPORNICI, TEMPERATURNA ZAVISNOSTSeminarski rad iz elektronike

Student: Ćurić Emanuela

.

1

Otpornik

Otpornik (engl. resistor) je dvopolna, pasivna elektronička komponenta koja

pruža otpor struji, pri čemu je odnos između jačine struje i napona između priključaka u

skladu s Omovim zakonom. Karakteristična veličina otpornika je električni otpor koji je

jednak naponu na otporniku podijeljenom sa strujom koja protiče kroz otpornik. Otpornik se

koristi kao element električnih mreža i elektroničkih sklopova.

Oznake otpornika u električnim shemama: gore evropski i IEC (International Electrotechnical

Commission) simbol,

dole američki (ANSI- American National Standards Institute) simbol.

Oznaka prema standardu IEC

Oznaka prema standardu ANSI

Primjena

Otpornik se uopšteno koristi za stvaranje poznatog naponsko-strujnog odnosa u

električnim krugovima. Ako je struja u krugu poznata, tada se otpornik koristi za

stvaranje poznate razlike potencijala proporcionalne toj struji. Obrnuto, ukoliko je

poznata razlika potencijala između dvije tačke u krugu, tada se otpornik može koristiti za

stvaranje poznate struje proporcionalne toj razlici potencijala.

Ograničavanje struje. Postavljanjem otpornika u seriju s nekom drugom

komponentom, struja kroz tu komponentu se ograničava na poznatu i dozvoljenu

vrijednost.

2

Prigušivač (atenuator) je mreža dva ili više otpornika (djelilo napona) koji služe za

smanjenje napona signala.

Linijski terminator je otpornik na kraju prenosne linije, konstruisan kao

završna impendansa (otpor čija vrijednost otpora odgovara otporu ostatka kruga na koji je

spojen) i time minimizira refleksiju signala.

Omov zakon 

Odnos između napona, otpora i struje kroz element dan je jednostavnom formulom poznatom

pod nazivom Omov zakon:

gdje je U napon na elementu u voltima (u Americi V), I je struja kroz element u amperima,

i R je otpor u omima. Ako su U i I linearno povezani -- ako je R konstantan -- na određenom

području vrijednosti, kažemo da je materijal na tom području omski. Savršeni otpornik ima

fiksnu vrijednost otpora na svim frekvencijama i amplitudama napona ili struje.

Supravodljivi materijali na vrlo niskim temperaturama imaju otpor jednak nuli. Izolatori (kao

što su zrak, dijamant, ili ostali nevodljivi materijali) mogu imati ekstremno (ali ne

beskonačno) visok otpor, koji se može probiti i tako dozvoliti veliki tok struje u skladu s

dovoljno velikim naponom.

Serijski i paralelni spoj 

Otpornici u paralelnom spoju imaju istu razliku potencijala (napon) na svojim izvodima. Za

izračunavanje ukupnog ekvivalentnog otpora (Req):

3

Zapis paralelnog spoja se u jednadžbama može prikazati kao dvije vertikalne linije || (isto kao

u geometriji), čime se pojednostavljuje jednačina.

Za dva otpornika:

Struja kroz otpornike spojene u seriju ostaje ista, ali napon na pojedinom otporniku može biti

različit. Suma razlika potencijala (napon) jednaka je ukupnom naponu. Određivanje ukupnog

otpora:

Otpornička mreža, kombinacija paralela i serija, se ponekad može rastaviti na manje dijelove

koji su ili paralele ili serije. Na primjer,

Otpor provodnika 

Za izračunavanje otpora vodiča ili nekog drugog elementa čiji otpor želimo izračunati

možemo koristiti sljedeći izraz:

gdje je R20 otpor na 20 °C, ρ specifični električni otpor, l dužina vodiča i A površina

poprečnog presjeka vodiča.

4

Disipacija snage 

Snaga disipirana (potrošena) na otporniku jednaka je naponu na otporniku pomnoženom sa

strujom kroz otpornik:

Sva tri izraza su ekvivalentna, zadnja dva su izvedena iz prvog korištenjem Omovog zakona.

Ukupan iznos oslobođene toplinske energije je integral snage po vremenu:

Ukoliko prosječna disipirana snaga premaši klasu snage otpornika najprije dolazi do

odstupanja otpora u odnosu na nominalnu vrijednost, a kasnije i do uništenja (pregaranja)

zbog pregrijavanja.

Idealni otpornik 

SI jedinica električnog otpora je om (Ω). Komponenta ima otpor od 1 oma ako napon od

1 volt na krajevima elementa rezultira strujom od 1 ampera, koji je ekvivalent toku od

1 kulona električnog naboja (približno 6.241506 × 1018elektrona) u sekundi. Često se koriste i

višekratnici kiloom (1 kΩ = 1000 oma) i megaom (1 MΩ = milijun oma).

Kod idealnog otpornika otpor ostaje konstantan bez obzira na dovedeni napon ili protečenu

struju kroz element ili brzinu promjene struje. Iako stvarni otpornici ne mogu postići ovaj

zahtjev, oni su projektovani da imaju male varijacije u električnom otporu kada su podvrgnuti

tim promjenama, ili promjenama temperature ili ostalim faktorima iz okoline.

Neidealne karakteristike 

Otpornik ima najveći radni napon i struju iznad koje se otpor može promijeniti (u nekom

slučajevima i drastično) ili otpornik može biti fizički oštećen (na primjer može biti pregrijan

ili može pregoriti). Čak ni jednostavan element kao otpornik nema jednaka svojstva u bilo

kojim uslovima neograničeno vrijeme. Otpor zavisi od: napona, struje, temperature,

vlažnosti, itd. Kod čistih metala (bakar, aluminij, zlato, srebro, itd) otpor raste s porastom

temperature. Kod nekih legura otpro se ne mijenja s temperaturom. Otpor ugljena, čak i pada

5

kada ga zagrijavamo. Iako je promjena otpora u odnosu na promjenu temperature vrlo

nelinearna, možemo je aproksimirati sledećim izrazom:

; gdje je T0=20°C

Kako je već spomenuto, neki materijali kao ugljen, smanjuju otpor s porastom temperature.

Čak i staklo, koje je pri normalnom rasponu temperatura poznato kao jako dobar izolator, na

temperaturi taljenja postaje takoreći supervodljivo. Neki opet, kao manganin i konstantan,

zadržavaju približno isti otpor u razumnom rasponu temperatura, pa se koriste za posebne

namjene u tehnici. Neke materije postaju supervodljive kod jako niskih temperatura,

drastično smanjujući električni otpor. Poluvodiči zagrijavanjem smanjuju otpor u zapornom

smjeru, pa njihovo pregrijavanje može ugroziti funkcioniranje elektroničkih uređaja.

Materijal

Specifični otpor

ρ (Ωmm2/m)

Temperaturni

koeficijent α (1/K)

Aluminij- lijevan- mekan- tvrdo vučen

0,040,0280,029

0,00360,004030,0041

Bakar- mekan- tvrdo vučen

0,01750,0178

0,003920,00392

Bronca- aluminijeva- kositrena

0,13 - 0,290,0278

0,0006 - 0,001

Cekas 1,12 0,00014

Cekas I 0,97 0,00052

Cekas II 1,08 0,00008

Cink 0,06 0,004

Čelik- lim- dinamo-lim- žica- lijev

0,1 - 0,250,130,27 - 0,670,170,142

0,0045 - 0,00550,0045-0,0052-

Kantal 0,5 0,00003

Kositar 0,12 0,0045

Magnezij 0,043 0,0041

Manganin 0,43 0,0041

Mjed- lijevana- vučena

0,0710,07 - 0,08

-0,0013 - 0,0019

Nikelin 0,42 0,00023

Nikal 0,069 0,006

Novo srebro 0,38 0,00007

Olovo 0,06 0,0039

Platina 0,11 0,0031

Silimun, lijevani 0,059 0,004

Srebro 0,0165 0,0038

Volfram 0,055 0,0048

6

Zlato 0,023 0,004

Željezo, elekrolitsko 0,12 0,0065

Živa 0,958 0,00099

Tablica specifičnih otpora i temperaturnih koeficijenata pri 20˚C

Temperaturni koeficijent otpora TCR(engl. temperature coefficient of resistance), možemo još izraziti i ovako:

Iako se s TCR izražava temperaturna zavisnost otpornika, brojčano ne odgovara a i predstavlja osjetljivost izraza za otpor u kojem se nalazi i a. To se vidi i iz jedinice ppm/°C1.

Vrste otpornika

Imamo tri vrste otpornika i to:

stalni

promjenljivi

nelinearni

Stalni otpornici

Stalni otpornici se, prema tehnologiji izrade, mogu podijeliti na:

žičane otpornike , koji se izrađuju od žica na temelju slitina bakar-nikal ili nikal-krom,

su tijela oblika keramičkog štapića ili cijevi, koja je nosač žice. Na krajevima se

izvode ušice ili izvodi. Izrađuju se za vrijednosti otpora 1 W - 100 kW. Temperatura

površine može biti oko 300 °C ili oko 450 °C uz posebnu glazuru. Karakteristike su im

mali šum i velika induktivnost, ako nisu posebno namotani;

ugljično kompozitne otpornike , koji izgledaju kao štapići, a napravljeni su od

ugljičnog praha i organskog veziva, na površini im je izolacijski sloj, a izvode se na

1 Jedinica ppm (engl. parts per million) označava osjetljivost u djelovima manjim od postotaka po jedinici. U ovom slučaju 1 ppm/°C znači

da se otpor promjeni za jedan dio miliona po svakom °C temperature na kojem se nalazi.

7

krajevima otpornog tijela. Promjera su 2 - 5 mm. Tipične su tolerancije ± 20%.

Tipični TCR je u rasponu od -500 do -2000 ppm/°C. Ima dobar impulsni odziv. U

praksi se zamjenjuju sa (slojnim) film otpornicima;

film (slojne) otpornike , koji su keramička tijela cilindričnog oblika, pokrivena s

filmom otpornog materijala. Izvodi se zavaruju. Napravljeni su od spiralnog žlijeba

koji se uvezuje brušenjem ili laserom. Izolacija i zaštita izvode se organskom

presvlakom. Film se može sastojati od ugljika, metala, cermeta ili površinsko

postavljenih elemenata. Otpornici s ugljičnim filmom su za opštu primjenu. Nastaju

taloženjem ugljikovodika na štapić u odsustvu kisika. Otpornost materijala jako varira

ovisno o omjeru amorfnog ugljika i onečišćenja u filmu. Izrađuju se za iznose otpora

od 1 W do 10 MW, TCR od -400 ppm/°C do -2000 ppm/°C te snagu disipacije oko 0,25

W. Duljine su oko 3 mm, promjera 1,3 mm. Upotreba većih otpornika ovakovog tipa

sa snagom disipacije do 2W je zanemariva. Otpornici s metalnim filmom primjenjuju

se za male vrijednosti otpora, a film se izrađuje od kombinacije spojeva nikla i

fosfora. TCR im je manji od ± 50 ppm/°C. Većina slitina za manje vrijednosti otpora

izrađena je od nikal-kroma ili bakar-nikla, a za veće vrijednosti otpora koriste se

silikati. Za otpornike s velikim snagama disipacije koriste se posebne slitine ili metal-

oksidni film, karakteristika TCR < ±200 ppm/°C, dobre stabilnosti dok se ne prijeđe

temperatura oko 175 °C (300 °C za neke posebne slitine) i tolerancija ± 5%. Cermet

ili metalna glazura je kompozitni keramički materijal. Velike vrijednosti je otpora i

podnosi velike napone. Područje otpora je od 100 kW do 100 MW, TCR je ± 200

ppm/°C, ali je moguće uz posebnu narudžbu izraditi i bolje, od ± 25 ppm/°C.

Karakteristika im je dobra stabilnost i mali šum. Površinsko postavljeni elementi

nastaju kad se na supstrat (pravougli komad keramike, obično alumijskog oksida)

postavi kontakt taloženjem duž dva ruba. Otporni film postavlja se iznad i između

kontakata tehnikom debelog filma. Otpornik se dobija laserskim podešavanjem.

Zaštitni se sloj postavlja iznad otpornog filma. Standardni SMD otpornici imaju

tolerancije ± 5%, TCR 200 ppm/°C (moguće ± 1% TCR ± 50 ppm/°C).

Prepoznavanje otpornika 

Većina cilindričnih otpornika ima uzorak obojanih crta za označavanje otpora. SMD

otpornici imaju numerički uzorak. Kućišta su obično smeđa, plava, ili zelena, iako se

povremeno mogu naći i boje kao tamnocrvena i tamnosiva.

4 tračni cilindrični otpornici 

8

Identifikacija s 4 pruge u boji je najčešće korišteni način kodiranja vrijednosti na svim

otpornicima. Sastoji se od četiri trake u boji koje su obojane oko tijela otpornika. Shema je

jednostavna: Prva dva broja su prve dvije značajnije znamenke vrijednosti otpornika, treća je

množitelj, i četvrta je vrijednost tolerancije. Svaka boja odgovara određenom broju, kao što je

prikazano u donjoj tablici. Tolerancije za ovakve otpornike su 2%, 5% ili 10%.

Tablica standardnih EIA(Electronic Industries Alliance) kodova boja po EIA-RS-279 glasi:

Boja1. traka

2. traka

3. traka(Množitelj)

4. traka (tolerancija)

Temperaturni koeficijent

Crna 0 0 ×100    

Smeđa 1 1 ×101 ±1% (F) 100 ppm

Crvena 2 2 ×102 ±2% (G) 50 ppm

Narančasta 3 3 ×103   15 ppm

Žuta 4 4 ×104   25 ppm

Zelena 5 5 ×105 ±0.5% (D)  

Plava 6 6 ×106 ±0.25% (C)  10ppm

Ljubičasta 7 7 ×107 ±0.1% (B)  5ppm

Siva 8 8 ×108 ±0.05% (A)  

Bijela 9 9 ×109    1ppm

Zlatna     ×0.1 ±5% (J)  

Srebrna     ×0.01 ±10% (K)  

Bez boje       ±20% (M)  

Otpornici imaju konkretne vrijednosti, koje su određene njihovim tolerancijama. Te se

vrijednosti ponavljaju za svaki eksponent; 6.8, 68, 680, itd. Ovo je korisno zbog toga što će

znamenke, ustvari prve dvije ili tri pruge, uvijek biti ista kombinacija boja, što ih čini

jednostavnijima za raspoznavanje.

Standardni otpornici se proizvode u vrijednostima od nekoliko milioma do nekoliko gigaoma;

samo je određeno područje vrijednosti, koje zovemo povlaštene vrijednosti, dostupno. U

praksi, diskretna komponenta koju kupujemo kao otpornik nije, kao što je prethodno rečeno,

savršen otpornik. Otpornici se često označavaju s njihovim tolerancijama (maksimalna

očekivana varijanca od označene vrijednosti). Kod označavanja otpornika bojama zadnja

desna traka označava toleranciju:

srebrna 10%

zlatna 5%

9

crvena 2%

smeđa 1%.

Mogu se naći i otpornici s manjim tolerancijama koje zovemo precizni otpornci.

5-tračni cilindrični otpornici 

5-tračna identifikacija se koristi kod otpornika s manjim tolerancijama (1%, 0.5%, 0.25% i

0.1%), za zapisivanje dodatne znamenke. Prve tri trake predstavljaju značajnije znamenke,

četvrta je množitelj, a peta je tolerancija. 5-tračni standard označavanja tolerancija otpornika

se rjeđe može naći, uglavnom na starijim ili specijalnim otpornicima. Mogu se prepoznati

koristeći standardne boje za tolerancije 4-tračnih otpornika. U tom slučaju 5. traka predstavlja

temperaturni koeficijent.

SMD otpornici 

SMD otpornik od 2 MΩ

SMD (engl. Surface Mount Device) otpornici imaju ispisane numeričke vrijednosti na isti

način kao kod cilindričnih otpornika. SMD otpornici sa standardnim tolerancijama se

označavaju s troznamenkastim kodom, u kojem prve dvije znamenke predstavljaju prve dvije

značajnije znamenke vrijednosti, dok je treća znamenka potencija broja 10 (odnosno

množitelj). Na primjer,472 predstavlja 47 (prve dvije znamenke) pomnoženo s deset na

potenciju 2 (treća znamenka), tj. 47 × 102 = 47 × 100 = 4700 Ω = 4,7 kΩ. Precizni SMD

otpornici se označavaju s četveroznamenkastim kodom u kojem su prve tri znamenke ujedno

i prve tri značajnije znamenke vrijednosti, a četvrta znamenka je potencija broja 10.

Prema području radne temperature razlikujemo komercijalnu, industrijsku i vojnu klasu

komponenata.

Komercijalna klasa: 0 °C to 70 °C

Industrijska klasa: -25°C to 85°C

Vojna klasa: -25 °C to 125 °C

10

11