Jak funguje rezistor jednoduchými slovy?

Rezistor je jednou z nejjednodušších elektronických součástek. Bez rezistorů se přitom neobejde téměř žádný obvod. Zdálo by se, že to, co je důležité, dělá – jen vzdorovat proudu a nic jiného? Ale není to tak jednoduché. Tento článek obsahuje všechny základní znalosti o rezistorech, které elektronik potřebuje.

Obsah článku:

• Obecné informace o rezistorech
• Ohmův zákon
• Jak měřit odpor
• Paralelní a sériové zapojení rezistorů
• Použití: děliče napětí a proudu
• Rozptyl energie
• Rezistorové zařízení
• Parazitické vlastnosti
• Variabilní a ladicí odpory
• Jiné typy rezistorů

Přehled

Rezistor neboli odpor označuje pasivní součástky elektrických obvodů. Pasivní znamená, že do obvodu nepřivádí další energii. Na rozdíl například od tranzistoru, který je schopen zesílit slabý signál tím, že k němu přidá energii z výkonnějšího zdroje energie.

Rezistor odolává proudu, který jím prochází. Jako mechanickou analogii si představte potrubí naplněné vodou. Rezistor je omezení na tomto potrubí, které zpomaluje průtok. Díky zúžení proteče potrubím méně vody za jednotku času.

Zúžení v potrubí, které zpomaluje průtok

Rezistor je ve schématu naznačen podlouhlým obdélníkem se dvěma vývody. Obvykle je každému rezistoru přiřazeno písmeno R se sériovým číslem. Někdy v zahraniční literatuře najdete označení s přerušovanou čarou.

Dvě možnosti pro označení odporu ve schématech

Rezistor a Ohmův zákon

Hlavní charakteristikou rezistoru je jeho odpor. Měří se v Ohmech. A proud procházející rezistorem závisí na použitém napětí. Uvedené veličiny souvisí podle Ohmova zákona. Navíc v případě ideálního rezistoru závisí proud lineárně na napětí, to znamená, že rezistor má lineární charakteristiku proud-napětí:

Proudově-napěťová charakteristika dvou rezistorů a Ohmův zákon

Jak změřit odpor rezistoru

Laboratoř radioamatéra musí mít k měření odporu ohmmetr. Obvykle je tato funkce součástí kombinovaných přístrojů, multimetrů. Mezitím je princip měření odporu založen na stejném Ohmově zákonu: ohmmetr aplikuje malé napětí na testovaný odpor a měří proud, načež vypočítá odpor.

Měření odporu pomocí multimetru. V tomto příkladu je použit odpor 20 kOhm.

Mimochodem, musíte na to pamatovat při píchání ohmmetru do obvodů: do obvodu se dostane malé napětí, které může být pro citlivé části fatální.

Paralelní a sériové zapojení rezistorů

Rezistory jsou potřebné v obvodu pro řízení proudů a napětí. Nejprve však musíte zjistit, jak se vzájemně ovlivňují a jak se ovlivňují s ostatními prvky obvodu.

Pokud zapojíte několik rezistorů do série, bude každým z nich protékat stejný proud. To je logické: kolik nábojů vstoupí do obvodu, stejné množství by mělo vyjít na druhém konci, zákon zachování náboje. Ale napětí (potenciál) je rozloženo jinak. Čím vyšší je odpor rezistoru, tím více pokles napětí – k protlačení nábojů přes velký odpor je potřeba více síly.

Navíc, pokud sečtete potenciál na všech rezistorech, součet se bude rovnat napětí aplikovanému na konce obvodu. Z toho odvodíme vzorec pro celkový odpor řetězce sériových rezistorů: rovná se součtu odporů všech rezistorů.

Sériové zapojení rezistorů

Při paralelním zapojení rezistorů je obrázek jiný. Napětí je zde pevně dané – na každém rezistoru je stejné. Proud ale bude jiný – poteče tam, kde je pro něj snazší průchod. Opět pomocí jednoduché úvahy a pomocí Ohmova zákona je odvozen vzorec pro celkový odpor paralelně zapojených rezistorů.

Paralelní zapojení rezistorů

Složitější, smíšená zapojení rezistorů jsou rozdělena do malých bloků, a tak se postupně, od menších po větší bloky, vypočítá celkový odpor:

Složité zapojení rezistorů. Nejprve spočítáme blok R1, R2 (paralelní), pak k tomuto bloku přidáme R3 sériově a nakonec počítáme paralelně R1, R2, R3 a R4. Pokud je každý odpor 10 ohmů, celkový odpor je 6 ohmů.

Nutno dodat, že někdy je nemožné rozdělit obvod na bloky. V tomto případě je použita složitější metoda výpočtu, založená na Kirchhoffových pravidlech.

Použití rezistorů v obvodech

Jak tedy rezistory řídí napětí a proudy? Řekněme, že úkolem je omezit napětí na zátěži. „Zatížením“ zde můžeme mínit jakýkoli prvek nebo uzel obvodu, na kterém chceme získat dané napětí nebo daný proud. Může to být žárovka, LED, další zesilovací stupeň atd.

Nejjednodušší je umístit zhášecí odpor do série se zátěží. Jak jsme diskutovali výše, v tomto případě bude napětí rozděleno mezi prvky podle odporu každého z nich. To znamená, že se ukazuje dělič napětí.

Obvod děliče napětí, když je zátěž děličem.

Ale co když je zátěžový odpor velmi vysoký nebo není konstantní? V tomto případě jsou dva odpory umístěny v sérii a tvoří se ramena dělič A zátěž uvolňuje stres z jednoho z nich. Rád bych zdůraznil, že byste měli vždy pamatovat na odolnost proti zatížení. Musí být dostatečně velký, aby jej bylo možné při výpočtu dělitele zanedbat.

Obvod děliče napětí, když je zátěž připojena paralelně ke spodnímu rameni děliče

Pokud je sériové zapojení rezistorů děličem napětí, lze snadno uhodnout, že paralelní zapojení je dělič proudu. Obrázek ukazuje způsob, jak omezit proud zátěží – paralelně k ní umístit rezistor, t. zv bočník. Což odvede část proudu na sebe, nepřímo úměrné jeho odporu.

Obvod děliče proudu

Výkon rezistoru

Rezistor brání toku proudu. To znamená, že odebírá část energie proudu. A kam to jde? Promění se v teplo. Výkon rozptýlený rezistorem se vypočítá pomocí vzorce P = U*I. Vzhledem k tomu, že U, I a R spolu souvisí podle Ohmova zákona, můžete napsat několik verzí tohoto vzorce, vyjadřující sílu pomocí U a R nebo pomocí R a I. Mimochodem, stránka má online kalkulačku pro výkon a Ohmův zákon.

Pokud je tedy proud přes rezistor příliš vysoký, kvůli velkému ztrátovému výkonu se rezistor přehřeje a selže, doslova shoří. V tomto případě musíte vzít rezistor stejné hodnoty, ale navržený pro větší ztrátový výkon. Výkonnější odpory a fyzicky větší velikost pro zvětšení oblasti rozptylu tepelné energie.

Tam, kde je to důležité (tam, kde se očekávají relativně velké proudy), diagramy ukazují, jaký výkon by měl být rezistor dimenzován pomocí následující notace:

Přípustný ztrátový výkon rezistoru

Rezistorové zařízení

Ze školního kurzu fyziky víme, že odpor vodiče je určen jeho měrným odporem, délkou a průřezem.

Vzorec odporu vodiče

Na začátku článku byla uvedena mechanická analogie rezistoru jako zúžení trubky. To funguje i v elektrotechnice: pokud zmenšíte průřez vodiče, zvýší se jeho odpor.

Proto se rezistory vyrábějí z tenkého drátu, z tenkých vrstev různých kovů a slitin, z kompozitních materiálů. Současně, aby se zvětšila účinná délka, jsou do odporové vrstvy vyřezány různé typy spirál a drážek:

Zařízení rezistoru je znázorněno velmi konvenčně. Vlevo: Na povrchu válcové základny rezistoru je vrstva vodivého materiálu, ve které jsou vyříznuty drážky pro zvýšení odporu. Vpravo: filmová verze.

Parazitické vlastnosti

Tento přístup však kromě svých výhod přináší i některé nevýhody. Faktem je, že skutečný odpor, na rozdíl od ideálního, má nejen odpor, ale také určitou indukčnost a kapacitu. To znamená, že obvod skutečného odporu vypadá asi takto:

Ekvivalentní obvod rezistoru

Kapacita a indukčnost jsou parazitní charakteristiky rezistoru, zkreslují jeho funkce v obvodu. A samotná konstrukce rezistoru může být příčinou těchto parazitních vlastností. Spirálové drážky v odporové vrstvě nejsou závity induktoru? A mezi těsně umístěnými částmi vodivé vrstvy se objeví kapacita.

Ačkoli jsou tato indukčnost a kapacita malé, v některých situacích (například při vysokých frekvencích) mohou způsobit znatelné zkreslení.

Proto se při výrobě rezistorů používají různé triky ke snížení parazitních charakteristik. Například vyřezávají drážky s chytrým vzorem. Toto téma však přesahuje rámec tohoto článku.

Variabilní a ladicí odpory

Někdy jsou v obvodu potřeba proměnné rezistory. Jsou to konfigurační a ovládací prvky.

Existují proměnné rezistory (jejich knoflík je obvykle umístěn na ovládacím panelu) a trimry (které se nastavují šroubovákem na desce a ke kterým není přístup, dokud není rozebrána skříň zařízení). Takto vypadají:

Variabilní a ladicí odpory

Mají tři závěry. Mezi těmito dvěma extrémy je stálý odpor. A prostřední mezi nimi „klouže“. Získá se tak hotový dělič napětí s nastavitelným odporem ramene.

Připojíte-li střední svorku k jedné z krajních, získáte reostat, rezistor s proměnným odporem.

Jiné typy rezistorů

Na závěr zbývá zmínit některé konkrétní typy rezistorů. Například, termistor. Jeho odpor se mění s teplotou a tento typ rezistoru je široce používán v elektronických teploměrech a obvodech regulace teploty.

Nebo, fotorezistor. Jeho odpor závisí na osvětlení.

Varistory — snižovat jejich odpor při zvyšování použitého napětí. Lze použít v ochranných obvodech a stabilizátorech.

Rezistor je nejběžnější součástí elektroniky. Eliminuje přepětí, omezuje proud, upravuje a filtruje signály. Rezistory se používají všude, od procesorů, kde jich jsou miliony, až po napájecí systémy. kde jsou velikosti podlahové skříňky?

Vlastnosti v teorii a praxi

Hlavní vlastností této rádiové součásti je odolnost. Měřeno v ohmech (ohmech).

Podívejme se nejprve na koncept aktivního odporu. Říká se mu, protože ho mají všechny materiály (dokonce i supravodiče, i když je to 0,00001 Ohm). A to je pro rezistory zásadní.

Co říká teorie

Teoreticky má rezistor konstantní odpor, který nezávisí na vnějších podmínkách (teplota, tlak, napětí atd.).

Graf závislosti proudu na napětí je přímočarý.

Za ideálních a matematických podmínek má rezistor pouze aktivní odpor. Existují nelineární a lineární odpory podle typu.

Co opravdu je

Ve skutečnosti mají všechny rezistory nelineární závislost proudu na napětí. To znamená, že jeho odolnost závisí také na vnějších podmínkách, konkrétně na teplotě.

Tato závislost samozřejmě není stejná jako u polovodičů, ale existuje. A co je nejdůležitější, tato rádiová součástka má kapacitu a indukčnost. Kromě aktivního odporu existuje také reaktivní odpor.

Reaktance se liší od aktivního odporu tím, že elektrický proud prochází různě při různých frekvencích.

Například pro stejnosměrný proud je odpor 200 Ohmů, a pokud jsou vysoké hodnoty indukčnosti, pak při frekvencích nad 2 kHz bude odpor již 250 Ohmů.

To je důvod, proč jsou odpory vyrobeny z různých materiálů. Dodávají se z keramiky, uhlíku, drátu a mají různé tolerance a chyby. Část SMD má nižší kapacitu a indukčnost než část DIP.

Existují i ​​speciální typy rezistorů s výraznější nelineární proudově-napěťovou charakteristikou. Pokud je pro běžné odpory graf proud-napětí mírně nelineární, pak pro tento typ součásti je lavinový.

Jejich odolnost výrazně závisí na vnějších podmínkách, nikoli tak. jako obvykle:

• Termistor. Zvyšuje nebo snižuje odpor vlivem teploty;
• Varistor. Mění své vlastnosti v závislosti na použitém napětí;
• Fotorezistor. Při vystavení světlu se odpor snižuje;
• Tenzometr. Při deformaci (tlak, mechanické namáhání) se mění její odolnost.

Kromě toho je dalším znakem aktivního odporu tvorba tepla při průchodu elektrického proudu. Když elektrický proud teče v uzavřeném okruhu, elektrony narážejí na atomy. A proto se uvolňuje teplo. Teplo se měří ve výkonu. Vypočítává se na základě napětí a proudu.

Jednou z oblíbených funkcí rezistorů je snížení napětí a omezení proudu. Pokud například rezistorem prochází proud 0,25 A a dojde na něm k poklesu napětí o 1 V, pak výkon, který se přes něj rozptýlí, je 0,25 W.

Některé díly proto mění svůj odpor, i když k tomu nejsou určeny. To jsou již vlastnosti materiálu. A pokud je odpor vyroben z drátu, pak se při zahřátí roztahuje a jeho vodivost se zvyšuje. Například při zahřátí o 100 stupňů Celsia se odpor kovu zvýší o 40 %. Proto díly mají toleranci, která se měří v procentech.

A kvůli tomu existují odpory s různým ztrátovým výkonem. Nemůžete umístit rezistor 0,125 W místo rezistoru 1 W. Začne se zahřívat, praskat a zčernat. A pak to bude hořet. Protože na takový výkon není dimenzován.

Symboly na diagramech

Na diagramech v Evropě a SNS je označen obdélníkem a latinským písmenem R. Podle GOST není na domácích diagramech uvedeno hodnocení odolnosti, ale pouze číslo dílu (R). Pokud je však pod obrázkem součásti číslo, například 120, bude standardně číst 120 ohmů.

Tabulka obsahuje příklady označení dílů.

Základní označení
0,125 W
0,25 W
0,5 W
1 W
2 W
5 W
Variabilní
Trimmer

Typy zahrnutí a příklady použití

Hlavními typy připojení jsou sériové a paralelní připojení.

Sériový odpor se vypočítá jednoduše. Stačí dát vše dohromady.

V sériovém zapojení je napětí rozloženo na rezistory podle jejich odporů.

Toto je druhé Kirchhoffovo pravidlo. Například napětí je 12 V a pár rezistorů má každý 1 kOhm.

Podle toho má každý z nich 6 V. Toto je jednoduchý příklad děliče napětí. Zde několik částí sdílí napětí a prostřednictvím toho lze získat požadované napětí.

Pokud však chcete k napájení obvodu použít dělič napětí, musíte si pamatovat, že musíte přizpůsobit odpory. V tomto obvodu je odpor 1 kOhm. Pokud k němu připojíte zátěž menší, než je tento odpor, nepřijme na svých svorkách plné napětí. Proto je nutné všechny obvody s děličem napětí vypočítat a vzájemně koordinovat.

Zde R1 a R2 tvoří dělič napětí, fungují jako dělič napětí. Mezi těmito dvěma odpory a bází tranzistoru protéká proud, který tranzistor sepne.

To je nutné, aby fungoval bez zkreslení.

Paralelní připojení

Při paralelním zapojení rádiových komponent se celkový odpor obvodu snižuje. Pokud jsou paralelně zapojeny dva odpory 1 kOhm, pak bude součet menší než 0,5 kOhm, tzn. Odpor obvodu (ekvivalent) je roven polovině nejmenšího.

V takové souvislosti je dodrženo první Kirchhoffovo pravidlo. Proud 1 A je posílán do bodu připojení a v uzlu se rozbíhá do dvou směrů po 0,5 A.

Výpočtové vzorce

Pro dva rezistory:

Pro proud je paralelní spojení jako druhá silnice nebo obchvat. Tento typ připojení se také nazývá bypass. Příkladem je ampérmetr. Pro zvětšení jeho čtecího měřítka stačí paralelně s rezistorem zapojit další bočníkový rezistor.

Jeho odpor se vypočítá podle vzorce:

Ekvivalentní připojení

V obvodu zesilovače je dvojice rezistoru R1 a kondenzátoru C3 připojena k emitoru tranzistoru VT2.

V tomto případě jsou VT1 a R3 zapojeny do série. Proč je to nutné? Když zesilovač běží, tranzistor se začne zahřívat a jeho odpor klesá. R3, stejně jako v případě LED, zabraňuje přehřátí tranzistoru. Vyrovnává celkový odpor tak, aby tranzistor nezkresloval signál. Toto se nazývá režim tepelné stabilizace.

A kondenzátor C2 je připojen k R3 paralelně. A to je nutné, aby při normálním provozu zesilovače procházel střídavý signál beze ztrát. Takto funguje paralelní filtr.

Pokud by byl pouze jeden R3, pak by výkon zesilovače byl mnohem menší díky tomu, že na sebe bere střídavé napětí. Kondenzátor přenáší beze ztrát, ale nepřenáší stejnosměrné napětí.

Filtry a rezistory

Filtry lze vyrobit pomocí rezistorů a kondenzátorů. Tomu se říká RC filtry.

Tato dvojice dokáže rozdělit signál na konstantní a proměnnou složku.

Jako příklad uvažujme dolní propust a horní propust.

V obvodu dolní propusti absorbuje kondenzátor C1 vysokofrekvenční proudy. Jeho odpor je pro ně mnohem menší než u zátěže. Posunuje zátěž. Je tedy možné získat nízkou frekvenci oddělením všech vysokých složek z ní.
U horní propusti je tomu naopak. Vysoké frekvence procházejí volně přes C1, a pokud jsou v signálu nízké frekvence, projdou přes R1.

Takové filtry se dodávají v různých provedeních. ve tvaru U, ve tvaru L atd. Rezistor může soutěžit s induktorem nebo induktorem. Mají menší aktivní odpor, ale větší reaktivní odpor. Díky tomu se snižují ztráty z aktivního odporu.