Проволочный переменный резистор

Федеральное агентство по образованию РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)

Курсовая работа

по дисциплине «Материалы и элементы электронной техники»

Проволочный переменный резистор

Студент гр. 322 Фам Т.Х.

Руководитель

доцент кафедры ФЭ Битнер Л.Р.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

Студенту Фам Тхе Хынг

группы 322 факультета электронной техники

Тема: Проволочный переменный резистор

Исходные данные:

.        Номинальное сопротивление резистора 0-560 Ом.

.        ТКС < 0,001 К^-1

.        Мощность рассеяния 5 Вт

Перечень вопросов:

.        Материалы для переменных резисторов и технология их получения

.        Электрические свойства материалов

.        Выбор состава материала резистивного элемента, конструкции и размеров резистора

.        Выбор материала и конструкция подвижного контакта

Дата выдачи задания «01» сентября 2014г.

Руководитель Битнер Л. Р.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общие сведения о резисторах

1.1       Основные параметры резисторов

.2         Классификация переменных резисторов

.3         Область применения переменных резисторов

2. Переменный резистор

2.2       Непроволочные резисторы

.3         Проволочные резисторы

3. Материалы для проволочных переменых резисторов

3.1       Материал резистивного элемента

.2         Контактные материалы

4. Выбор материала резистивного элемента, подвижного контакта и расчет резистора

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Все электронные компоненты делятся на два класса активные и пассивные. К классу пассивных элементов относятся резисторы. Резисторы являются самыми массовыми изделиями электронной техники. Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов, оказывать сопротивление протекающему току. Функция резисторов - регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

За последние годы широкое развитие получила радиоэлектронная техника, характер и функции которой требуют применения десятков и сотен тысяч различных комплектующих изделий. Каждое новое направление в электронике требует иных конструктивных и более высоких показателей комплектующих изделий. Одним из первых типов появились проволочные переменные резисторы.

Проволочные переменные резисторы используются в качестве регулировочных и подстроечных радиоэлементов при техническом обслуживании и ремонте БРЭА, а также для регулировки больших токов в цепях питания в виде реостатов накала, делителей напряжения и др. Такие резисторы изготовляют на номинальное сопротивление от долей Ом до нескольких десятков кОм с мощностью рассеивания от 0,5 до 5 Вт.

Конструктивно проволочный переменный резистор представляет собой тороидальный или трубчатый каркас из керамики или пластмассы, на который в виде обмотки укладывается тонкий провод с высоким омическим сопротивлением. По поверхности провода скользит ползунок из упругой металлической ленты или проволоки, изогнутой на конце. Плавная регулировка сопротивления обеспечивается тем, что при перемещении ползунок касается последующего витка обмотки прежде, чем сойдет с предыдущего.

Для включения в схему проволочный переменный резистор имеет три вывода: два - от концов обмотки и третий - от ползунка.В сильноточных резисторах прежних выпусков типа ППБ, ППБЕ (проволочные переменные бескаркасные) резистивный элемент выполнялся намоткой изолированного высокоомного провода на триацетатную пленку, которую затем сплющивали и сушили. Проволочные переменные резисторы типа СП5 изготовляются прямоугольной или круглой формы с армированными в пластмассовом основании жесткими выводами.

В данной курсовой работе будет рассмотрен проволочный переменный резистор: его параметры, электрические и точностные характеристики, момент трогания, провод обмотки, каркасы, характеристики токосъемного элемента, обмоточные данные, так же будет проведен расчет проволочного переменного резистора.

1.     
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЗИСТОРАХ

.1      Основные параметры резисторов

Параметры резисторов характеризуют эксплуатационные возможности применения конкретного типа резистора в конкретной электрической схеме.

Проволочные резисторы имеют ряд электрических и эксплуатационных параметров, общих для постоянных и переменных резисторов: это номинальное сопротивление, допуск на номинальную величину сопротивления, ТКС, мощность рассеяния, износоустойчивость и др.

Номинальное сопротивление R_ном -являются основными параметрами резисторов. Номиналы сопротивлений стандартизованы в соответствии с ГОСТ 10318-74. Полное сопротивление переменного или подстроечного резистора может быть в пределах от десятков ом до десятков мегаом (Это сопротивление между крайними неподвижными выводами резистора - оно не изменяется).

С помощью регулирующего ползунка мы можем менять сопротивление между любым из крайних выводов и выводом подвижного контакта. Сопротивление будет меняться от нуля и до полного сопротивления резистора (или наоборот - в зависимости от подключения резистора).

Рассеиваемая или номинальная мощность. В обычной электронной аппаратуре используются переменные резисторы мощностью: 0,04; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 ватта и более. Проволочные переменные резисторы, как правило, мощнее тонкоплёночных, т.к. тонкая проводящая плёнка может выдержать куда меньший ток, чем провод.

Максимальное или предельное рабочее напряжение. Это максимальное рабочее напряжение резистора, превышать которое не стоит. Для переменных резисторов максимальное напряжение соответствует ряду: 5, 10, 25, 50, 100, 150, 200, 250, 350, 500, 750, 1000, 1500, 3000, 8000 Вольт. Предельные напряжения некоторых резисторов:

СП3-38 (а - д) на мощность 0,125 Вт - 150 В (для работы в цепях переменного и постоянного тока);

СП3-29а - 1000 В (для работы в цепях переменного и постоянного тока);

СП5-2 - от 100 до 300 В (в зависимости от модификации и номинального сопротивления).

ТКС - температурный коэффициент сопротивления. Величина, показывающая изменение сопротивления при изменении температуры окружающей среды на 1⁰С. Для электронной аппаратуры, работающей в сложных климатических условиях, этот параметр очень важен.

Например, для подстроечных резисторов СП3-38 величина ТКС соответствует ±1000 * 10^-6 1/⁰С (для резисторов с сопротивлением до 100 кОм) и ±1500 * 10^-6 1/⁰С (для резисторов с сопротивлением свыше 100 кОм). Для прецизионных резисторов значения ТКС лежит в интервале от 1 * 10^-6 1/⁰С до 100 * 10^-6 1/⁰С. Понятно, что чем меньше величина ТКС, тем лучше резистор (термостабильнее).

Допуск или точность. Данный параметр аналогичен допуску у постоянных резисторов. Указывается в процентах.. У подстроечных и переменных резисторов для бытовой аппаратуры допуск обычно колеблется в пределах 10 - 30%.

Рабочая температура. Температура, при которой резистор исправно выполняет свои функции. Обычно указывается как диапазон: -45…+55⁰С.

Износоустойчивость - число циклов передвижения подвижной системы переменного резистора, при котором параметры резистора остаются в пределах нормы. Для особо точных и важных (прецизионных) переменных резисторов износоустойчивость может достигать 10⁵ - 10⁷ циклов. Правда устойчивость к ударам и вибрации у таких резисторов ниже. Регулировочные резисторы более устойчивы к механическим воздействиям, но их износостойкость меньше, чем у прецизионных, от 5000 до 100 000 циклов. Для подстроечных эта величина заметно меньше и редко превышает 1000 циклов.

Функциональная характеристика. Немаловажным параметром переменных резисторов является также зависимость изменения сопротивления от угла поворота ручки или положения подвижного контакта (для ползунковых резисторов). Об этом параметре мало говорят, но он очень важен при конструировании звукоусилительной аппаратуры и других приборов. О нём и поговорим подробнее.

зависимостями изменения сопротивления от угла поворота ручки:

Линейная. Это когда сопротивление переменного резистора меняется равномерно при повороте ручки на один и тот же угол. То есть при повороте ручки на угол 10⁰ сопротивление меняется на 10 Ом, например. Повернули ещё на 10⁰, и сопротивление опять изменилось ровно на 10 Ом.

Поэтому такие резисторы называют резисторами с линейной или нормальной зависимостью. Резисторы с линейной функциональной характеристикой можно применять, например, в качестве регулятора напряжения в самодельном блоке питания. В таком случае изменение выходного напряжения при регулировке будет равномерным, а шкала для прибора будет более удобной. На первом графике рисунка 1.1 линейная характеристика обозначена буквой А.

Логарифмическая. Такую зависимость лучше всего показать на графике. На рисунке 1.1 вы видите три графика зависимости сопротивления резистора от угла поворота ручки. Так вот буквой Б указана логарифмическая зависимость. При повороте ручки резистора с логарифмической характеристикой, сопротивление сначала меняется ровно, но вот ближе к середине сопротивление резко меняется, а затем, к концу поворота ручки опять изменяется более-менее ровно. Таким образом, мы видим, что изменение сопротивления резистора происходит нелинейно (неравномерно), а по определённому, логарифмическому закону.

Показательная или обратно-логарифмическая. На рисунке 1.1 выше график отмечен буквой -В. Показательную зависимость можно противопоставить логарифмической. Резисторы с такой характеристикой часто применяются в аудиоаппаратуре в качестве регуляторов громкости. Дело в том, что человеческое ухо с ростом громкости воспринимает звук тише (закон Вебера-Фехнера).

.2      Классификация переменных резисторов

Переменный резистор - это резистор, у которого при перемещении подвижной системы меняется электрическое сопротивление между ее подвижным контактом и выводами резистивного элемента.

Рисунок 1.2         -Классификация переменных резисторов

проволочный переменный резистор

Переменные резисторы предназначены для регулирования напряжения и тока в электрических цепях или подстройки сопротивления элементов схем электронной аппаратуры, поэтому в зависимости от назначения они разделяются на подстроечные и регулировочные.

.3      Область применения переменных резисторов

Переменные резисторы применяются с целью регулировки напряжения и силы тока в электрической цепи. В зависимости от конструкции их разделяют на одинарные и сдвоенные, однооборотные и многооборотные, с выключателем и без такового. По назначению переменные резисторы классифицируют на подстроечные (используются для разовой или периодической настройки аппаратуры) и регулировочные (для неоднократного регулирования аппаратуры в процессе использования). Первый вид, как правило, располагается внутри корпуса прибора и находится вне доступа пользователя при нормальной работе устройства, второй вид подразумевает изменение характеристик в процессе эксплуатации и поэтому располагается в доступном месте. Существует также классификация по способу защиты резистора (изолированные, неизолированные, вакуумные и герметизированные) и по способу монтажа (для навесного монтажа, для поверхностного монтажа, для микромодулей и микросхем).

2.     
ПЕРЕМЕННЫЙ РЕЗИСТОР

.2      Непроволочные резисторы

Токопроводящий элемент в таких резисторах представляет собой тонкую графитовую, металлическую, металлооксидную или композиционную пленку. На рисунке 2.1 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

Рисунок 2.1         -Конструкция переменного непроволочного резистора

Он состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть представляет собой пластмассовый корпус 2, в котором смонтирован токопроводящий элемент 3 подковообразной формы. Посредством заклепок 6 он крепится к круглому корпусу. Эти заклепки соединены с внешними выводами 4. Подвижная часть представляет собой вращающуюся ось, с торцом которой 7 посредством чеканки соединена изоляционная планка 8, на которой смонтирован подвижный контакт 1 (токосъемник), соединенный с внешним выводом. Угол поворота оси составляет 270° и ограничивается стопором 5.

Помимо переменных резисторов с круговым перемещением существуют резисторы с прямолинейным перемещением подвижного контакта. В этом случае контактный ползун укрепляется не на поворотной, а на червячной оси.

Частотные свойства непроволочных резисторов значительно лучше, чем проволочных.

.3      Проволочные резисторы

Переменные проволочные резисторы выполняются на тороидальных каркасах и трубчатых каркасах круглого, прямоугольного и квадратного сечений. В технологии производства широко используются пластмассовые и керамические кольцевые каркасы из гетинакса и текстолита, которые после намотки свертываются в кольцо. Для равномерного соприкосновения скользящего контакта с обмоткой необходима плотная укладка провода с одинаковым усилием натяжения. На рисунке

Рисунок 2.2         Проволочный переменный резистор (без кожуха): 1 - обмотка;2 - скользящий контакт; 3 - токосъемник; 4- вывод движка; 5 - вывод концов обмотки; 6-каркас; 7 -ручка

3.     
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОВОЛОЧНЫХ ПЕРЕМЕНЫХ РЕЗИСТОРОВ

.1      Материал резистивного элемента

В качестве проводящего элемента проволочных резисторов используют проволоку, изготовленную из различных сплавов. Эти сплавы характеризуются удельным сопротивлением, температурным коэффициентом сопротивления, термо-э.д.с. относительно меди, плотностью, пределом прочности при растяжении. Они должны обладать высоким удельным сопротивлением достаточной механической прочностью, гибкостью и термостойкостью, способностью протягиваться в проволоку диаметра порядка сотых долей миллиметра. В технологии производства проволочных резисторов наиболее широко применяют такие сплавы, как манганин, константан и нихром.

Таблица 3.1        -Некоторые свойства материалов, применяемых в проволочных резисторах

Манганин. Манганин можно легко получить в виде тонкой проволоки диаметром 0.02 мм. Проволока марки ПМС имеет более высокую стабильность сопротивления во времени в результате термообработки проволоки в вакууме при температуре 400 ^°С в течение 1-2 ч. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) манганиновых проводов равен (5-30)·10^-6 1/град в интервале температур 5-60 °С. Вне этого интервала температур ТКС возрастает и ухудшается стабильность омического сопротивления проволок. Оксидные пленки на поверхности проволоки имеют высокие контактные сопротивления, что резко ограничивает ее применение в переменных проволочных резисторах.

Константан. Сплав отличается низким ТКС, равным (5-25)·10^-6 1/град, но имеет высокую термо- электродвижущую силу по отношению к меди(до 40 мкв/град), что значительно ограничивает его применение для точных постоянных проволочных резисторов. Оксидные пленки, образующиеся на поверхности, имеют контактное сопротивление, которое особенно увеличивается при длительном воздействии на проволоку температур выше 100-150°С. Поэтому в малогабаритных переменных проволочных резисторах, в которых нельзя обеспечить больших контактных усилий, константан используется редко.

Нихром. Никель-хромовые сплавы (Х20Н80, Х15Н60 и др.) широко применяются и в постоянных, и в переменных проволочных резисторах. Это объясняется тем, что указанные сплавы имеют малый ТКС в большом интервале температур, не большую термо э.д.с, высокую стабильность сопротивления во времени. Окисные пленки на проволоках имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур котактные сопротивления даже при малых контактных усилиях. Сплавы Х20Н80, Х15Н60 и некоторые другие имеют хорошие пластические свойства, что позволяет изготавливать из них проволоки диаметром от 0,009 мм и более. Высокое удельное сопротивление проволок и их малый диаметр, высокая твердость и большая износоустойчивость делают возможным создание миниатюрных высокоомных переменных проволочных резисторов, отличающихся высокими техническими требованиями.

.2      Контактные материалы

Сопротивление в переменных проволочных резисторах регулируется с помощью пружин со скользящим контактом. Под скользящим контактом следует понимать ту часть пружины, которая непосредственно скользит по обмотке резистивного элемента или токосъемному кольцу, осуществляя тем самым электрический контакт со средним выводом переменного резистора. Материалы скользящих контактах должны иметь: высокую коррозионную стойкость в условиях промышленной атмосферы при повышенной температуре и влажности, эрозионную стойкость, стойкость против сваривания, малое удельное сопротивление, малую термо э.д.с., устойчивость к спеканию контактов, высокую износоустойчивость в паре с выбранной резистивной проволокой, малое и стабильное во времени контактное сопротивление.

Таблица 3.2        -Характеристики благородных и редких металлов, применяемых в переменных проволочных резисторах

Таблица 3.3        -Характеристики контактных сплавов

Платина и её сплавы. Вследствие малой твердости она редко применяется для скользящих контактов в чистом виде. Наибольший интерес для скользящих контактов представляют сплавы платины с иридием и никелем. Платино- иридиевый сплав не окисляется, обладает высокой твердостью и механически меньше изнашивается, чем платина, допуская высокие контактные усилия. Для скользящих контактов в основном используются сплавы платины с 5-30% иридия. Сплав платина-никель образует непрерывный ряд твердых растворов. Никель значительно повышает удельное сопротивление и твердость сплава. Сплавы платины с никелем пластичны и их легко обрабатывать. Иногда для скользящих контактов используют сплав платины с 14% рутения. Рутений вдвое повышает твердость сплава по сравнению с иридием. Однако при нагревании в воздухе рутений окисляется, и сплав теряет в весе вследствие улетучиваемых окислов рутения. Необходимо отметить, что платина и её сплавы склонны к образованию игл и мостиков при малых токах.

Палладий и его сплавы. Среди металлов платиновой группы палладий является наиболее перспективным материалом для контактов. По стоимости палладий в 4-5 раз дешевле платины, а по многим свойствам очень близок к ней, заметная разница имеется только в температуре плавления. Чистый палладий идет на покрытия для скользящих контактов, работающих при небольших контактных усилиях. Сплавы палладия с серебром, иридием широко применяются для маломощных скользящих контактов. Большое распространение для скользящих контактов малогабаритных резисторов получил сплав палладия, серебра (36%) и меди (4%). Высокая коррозионная стойкость этого сплава обеспечивает хорошие упругие свойства, что позволяет использовать его для контактных пружин в миниатюрных подстроечных резисторах, когда вследствие малых размеров пружин скользящий контакт и пружину целесообразно выполнять из одного и того же материала. Сплавы палладия с иридием разработаны сравнительно недавно, но их уже широко применяют для скользящих контактов. Присадок иридия значительно повышает твердость и механическую прочность сплава. Однако сплавы, содержащие более 20% иридия, трудно поддаются механической обработке. Коррозионная стойкость сплавов выше, чем у чистого палладия. Большой интерес представляет сплав палладия с 20% вольфрама. Этот сплав обладает малым и стабильным во времени контактным сопротивлением, высокими механическими свойствами, коррозионно стоек к ряду агрессивных сред. В настоящее время этот сплав идет на изготовление резистивных проволок. Однако он с большой эффективностью может использоваться и как материал для скользящих контактов.

Золото и его сплавы. Вследствие малой твердости золото в чистом виде для скользящих контактов используют крайне редко. Чаще золото используют в виде гальванических покрытий контакта. Путем холодного обжатия твердость золота может быть увеличена в 2-3 раза. Золото практически не окисляется и стойко к образованию сернистых пленок как при комнатной температуре, так и при нагревании. Присадки к золоту других металлов повышают его твердость и электросопротивление. Для скользящих контактов сплавы золота с серебром, имеющие значительную твердость и высокую коррозионную стойкость. Для скользящих контактов берутся сплавы золота с медью, которые имеют высокую твердость и электропроводность, стойки к коррозии и свариванию.

Серебро и его сплавы. В присутствии кислорода и влаги серебро взаимодействует с сероводородом, имеющимся в воздухе, черно-серую пленку сернистого серебра. Эта пленка достигает большой толщины и может привести к нарушению электрического контакта. Поэтому серебряные контакты не рекомендуются применять по соседству с вулканизированной резиной, эбонитом и подобными им материалами, содержащими серу. Чистое серебро для скользящих контактов проволочных резисторов используется достаточно редко, чаще применяют его сплавы с палладием, золотом, платиной. Сплавы из неблагородных металлов для скользящих контактов проволочных резисторов используют крайне редко и лишь в тех случаях, когда резистор работает при температуре и влажности, близким к нормальным.

4.     
ВЫБОР МАТЕРИАЛА РЕЗИСТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, ПОДВИЖНОГО КОНТАКТА И РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА

Исходные данные для расчета резистивных элементов:

·        Номинальное сопротивление резистора 0-560 Ом

·        ТКС< 0,001 К^-1

·        Мощность рассеяния 5 Вт

В качестве материала резистивного элемента выберем сплав нихром потому, что этот материал имеет малый ТКС в большом интервале температур, небольшую термо-э.д.с. и высокую стабильность сопротивления во времени. Кроме того, окисные пленки из этих сплавов имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур контактные сопротивления. Каркас будет иметь цилиндрическую форму. Обмотка будет однослойной с шагом.

Определим площадь каркаса по формуле:

S=; S=

где P - электрическая мощность рассеивания [Вт];

θ - перегрев обмотки, равный разности между максимально допустимой температурой на обмотке и номинальной окружающей температурой [°С];

µ - средний коэффициент теплоотдачи резисторов, лежащий в пределах (5÷20)·10^-5 [Вт/мм²·град.].

Зная, площадь каркаса и выбрав материал проволоки, ее диаметр можно определить из следующего выражения:

 d= мм,

Где ρ - удельное электрическое сопротивление проволоки равная 1,35 [Ом*/м];- сопротивление обмотки [Ом]; - коэффициент, численно равный отношению шага намотки к диаметру проволоки. Он выбирается равным 1,2-1,5 для резистивных элементов с обмоткой из неизолированной проволоки диаметром 0,04мм и выше и 1,5-2 для резистивных элементов с обмоткой из неизолированной проволоки диаметром 0,04-0,01 мм. Резистивные элементы, наматываемые изолированным проводом, могут иметь коэффициент k=1,05÷1,2.

Рассчитаем общую длину проволоки по формуле:

Рассчитаем геометрические размеры цилиндрического каркаса, изображенного на рисунке 4.1. Для этого примем диаметр каркаса D=5мм.

Рисунок 4.1         - Цилиндрический каркас

L_k примем немного большим, чем , L_k=25 мм.

Рассчитаем шаг намотки по формуле:_ш=; t_ш=.

Зная шаг намотки, можно рассчитать количество витков:

.

В качестве контактного материала выберем сплав палладия(80%) и вольфрам (20%). Этот сплав обладает достаточно малым и стабильным во времени контактным сопротивлением. Имеет высокие механические свойства и стоек к коррозии в различных средах. Конструкция- консольная пружина круглого сечения.

Проверочный расчет:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был рассмотрен проволочный переменный резистор. Был выбран материал резистивного элемента, в нашем случае это нихром. Так же был выбран материал для расчета скользящих контактов, в качестве контактного материала был выбран сплав палладий вольфрам так как этот материал имеет хорошие физические свойства. Рассчитали габаритные размеры для проволочного переменного резистора.

Таблица 4.4        -Габаритные размеры переменного проволочного резистора

Из полученных расчетов, был выбран резистор с схожими характеристиками марки СП5-40А.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

.        Железнов М.Т., Ширшева Л.Г. Проволочные резисторы.-М.: Энергия, 1970. - 239с.

.        Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В.,Тихонов А.И. Методы расчета резисторов.-М.: Энергия, 1971. - 208 с.

.        https://ru.wikipedia.org/wiki/Резистор- Резистор.