Vastuksien 101

Mikä vastus on?

Vastus on yleisin ja tunnetuin passiivinen sähkökomponentti. Vastus vastustaa tai rajoittaa sähkövirran kulkua virtapiirissä. Vastuksilla on monia käyttötarkoituksia: niitä käytetään jännitteen laskemiseen, virran rajoittamiseen, signaalien vaimentamiseen, lämmittiminä, sulakkeina, muodostamaan sähköinen kuorma ja jännitteiden jakamiseen.

Johdanto

Tämä Vastuksien 101 tarjoaa yleiskatsauksen vastustyypeistä ja yleisestä terminologiasta, ja sen jälkeen yhteenvedon vastustuotteista ja erilaisista teknologioista.

Mikä on Ohmin laki?

Ohmin laki on yksinkertainen yhtälö, joka ilmaisee vastuksen (resistanssin), jännitteen ja virran välisen suhteen metallilangan tai muun resistiivisen materiaalin läpi. Matemaattisesti Ohmin laki kirjoitetaan seuraavasti:

jossa I on sähkövirta (ampeereja), V on jännite ja R on vastus.

Ohmin laki voi ilmaista resistanssin, jännitteen ja tehon välisen suhteen myös seuraavan yhtälön avulla:

jossa P on teho (watteja), V on jännite ja R on vastus.

Vastustyypit

Kiinteät vastukset

Kiinteä vastus on sellainen, jonka resistanssin arvo ei voi muuttua.

Säätövastukset

Säätövastus on vastus, jonka arvoa voidaan säätää akselia kääntämällä tai säädintä liu'uttamalla. Säätövastuksia kutsutaan myös potentiometreiksi tai reostaateiksi, ja niiden avulla laitteen resistanssia voidaan säätää käsin.

Epälineaariset vastukset

Epälineaarinen vastus on vastus, jonka resistanssi vaihtelee merkittävästi jännitteen, lämpötilan tai valon vaikutuksesta. Epälineaarisiin vastuksiin kuuluvat varistorit, termistorit ja valovastukset.

Yleistä vastusterminologiaa

Kriittinen resistanssiarvo

Suurin nimellisresistanssiarvo, jolla nimellistehoa voidaan kuormittaa ilman suurimman käyttöjännitteen ylittymistä. Nimellisjännite on sama kuin kriittisen vastusarvon suurin käyttöjännite.

Tehonalennuskäyrä

Käyrä, joka ilmaisee ympäristölämpötilan ja jatkuvasti kuormitettavan tehon enimmäisarvon välisen suhteen kulloisessakin lämpötilassa. Suhde ilmaistaan yleensä prosentteina.

Dielektrinen kestojännite

Nimellisjännite, joka voidaan syöttää resistiivisen elementin ja ulkopinnoitteen tai resistiivisen elementin ja kiinnityspinnan väliseen nimettyyn pisteeseen aiheuttamatta dielektristä läpilyöntiä.

Suurin ylikuormitusjännite

Jännitteen enimmäisarvo, jota vastuksiin voidaan syöttää lyhyen aikaa ylikuormitustestissä. Lyhytaikaisessa ylikuormitustestissä käytettävä jännite on tyypillisesti 2,5 kertaa suurempi kuin nimellisjännite. Se ei kuitenkaan saa ylittää suurinta ylikuormitusjännitettä.

Suurin käyttöjännite (tai suurin rajoituselementin jännite)

Suurin tasajännitteen tai vaihtojännitteen (RMS) arvo, joka voidaan syöttää jatkuvasti vastuksiin tai elementteihin. Käytettävän jännitteen enimmäisarvo on kuitenkin nimellisjännite kriittisessä vastusarvossa tai sitä alemmassa arvossa.

Kohina

Kohina on vastuksen sisältä tuleva ei-toivottu vaihtovirtasignaali. Resistiivisellä kohinalla voi olla tuhoisa vaikutus matalatasoisiin signaaleihin, latausvahvistimiin, korkean vahvistuksen vahvistimiin ja muihin kohinalle herkkiin sovelluksiin. Paras lähestymistapa on käyttää kohinalle herkissä sovelluksissa vastustyyppejä, joissa kohina on vähäistä tai minimaalista.

Teholuokitus

Teholuokitukset perustuvat fyysiseen kokoon, resistanssiarvo sallittuun muutokseen käyttöiän aikana, materiaalien lämmönjohtavuuteen, eristys- ja vastusmateriaaleihin sekä ympäröiviin käyttöolosuhteisiin. Saat parhaan tuloksen käyttämällä fyysiseltä kooltaan suurimpia vastuksia alle niiden suurimman sallitun nimellislämpötilan ja -tehon.

Sallittu ympäristön lämpötila

Suurin ympäristön lämpötila, jossa vastuksia voidaan käyttää jatkuvasti määrätyllä nimellisteholla. Sallittu ympäristön lämpötila tarkoittaa lämpötilaa laitteen sisällä vastuksien ympärillä, ei ilman lämpötilaa laitteen ulkopuolella.

Yleistä vastusterminologiaa

Nimellisteho

Maksimiteho, jolla vastusta voidaan kuormittaa jatkuvasti sallitussa ympäristön lämpötilassa. Verkko- ja ryhmätuotteilla on sekä kotelokohtainen että elementtikohtainen nimellisteho.

Nimellisjännite

Suurin tasajännitteen tai vaihtojännitteen (RMS) arvo, joka voidaan syöttää jatkuvasti vastuksiin sallitussa ympäristön lämpötilassa.

Luotettavuus

Luotettavuus on sen todennäköisyys, että vastus (tai mikä tahansa muu laite) toimii halutulla tavalla. Luotettavuus voidaan määritellä kahdella tavalla. Toinen on keskimääräinen vikaantumisaika (MTBF) ja toinen on vikaantumisaste 1000 käyttötuntia kohti. Molemmat näistä luotettavuuden arviointitavoista täytyy määritellä tietyn testijoukon ja laitteen käyttöiän lopun määritelmän avulla. Jälkimmäinen voi olla esimerkiksi resistanssin maksimimuutos tai katastrofaalinen vika (oikosulku tai aukeaminen). Näiden vikaantumisasteiden määrittämiseen käytetään erilaisia tilastollisia tutkimuksia. Suuria näytemääriä testataan suurimmassa nimellislämpötilassa nimelliskuormituksella jopa 10 000 tunnin ajan (24 tuntia päivässä noin 13 kuukauden ajan). Luotettavuus on yleensä korkeampi alhaisemmilla tehotasoilla.

Vastuksen toleranssi

Vastuksen toleranssi ilmaistaan poikkeamina nimellisarvosta prosenteissa ja mitataan yleensä lämpötilassa 25 °C. Vastuksen arvo muuttuu myös kytketyn jännitteen (VCR) ja lämpötilan (TCR) mukaan. Verkkojen osalta vastuksen absoluuttisella toleranssilla tarkoitetaan verkon kokonaistoleranssia. Suhdetoleranssi viittaa kunkin vastuksen suhteeseen muihin kotelossa oleviin vastuksiin.

Stabiilius

Stabiilius on ajan myötä havaittava resistanssin muutos tietyllä kuormituksella, kosteustasolla, rasituksella ja tietyssä ympäristön lämpötilassa. Kun nämä rasitustekijät minimoidaan, stabiilius paranee.

Vastuksen lämpötilakerroin (TCR, tunnetaan myös nimellä RTC)

Vastuksen lämpötilakerroin ilmaistaan resistanssiarvon muutoksena ppm-arvoissa (0,0001 %) jokaisen celsiusasteen lämpötilamuutoksen myötä. Vastuksen lämpötilakertoimen viitearvo annetaan tyypillisesti lämpötilassa +25 °C, ja se muuttuu lämpötilan noustessa (tai laskiessa). Jos vastuksen lämpötilakerroin on 100 ppm/°C, sen resistanssiarvo muuttuu 0,1 % lämpötilan muuttuessa 10 °C ja 1 % lämpötilan muuttuessa 100 °C. Vastusverkossa lämpötilakerroinarvoa kutsutaan absoluuttiseksi TCR-arvoksi, koska se määrittää tietyn vastuselementin TCR-arvon. Käsite TCR-seuranta viittaa verkon kunkin yksittäisen vastuksen väliseen TCR-eroon.

Lämpötilaluokitus

Lämpötilaluokitus on suurin sallittu lämpötila, jossa vastusta voidaan käyttää. Se määritellään yleensä kahdella lämpötilalla. Vastuksen luokituksena voi esimerkiksi olla täydellä kuormituksella +70 °C ja ilman kuormitusta +125 °C. Tämä tarkoittaa, että vastusta voidaan käyttää nimellisteholla lämpötilassa +70 °C ja sen käyttöiän aikana tapahtuu tiettyjä sallittuja resistanssiarvon muutoksia. Sitä voidaan käyttää myös lämpötiloissa yli +70 °C, jos kuormitusta vähennetään. Mitoituslämpötila +125 °C ei saa tuolloin kuitenkaan missään tapauksessa ylittyä huomioitaessa sekä ympäristön lämpötila ja että vastuksen oma kuormituksesta johtuva kuumeneminen.

Vastuksen jännitekerroin (VCR)

Jännitekerroin on resistanssin muutos jännitteen mukaan. Tämä on täysin eri asia kuin vastuksen oma kuumeneminen virran vaikutuksesta ja vastukseen vaikuttavat molemmat tekijät. Jos vastuksen VCR on 100 ppm/V, sen resistanssiarvo muuttuu 0,1 % jännitteen muuttuessa 10 V ja 1 % jännitteen muuttuessa 100 V. Vastusverkossa jännitekerroinarvoa kutsutaan absoluuttiseksi VCR-arvoksi, koska se määrittää tietyn vastuselementin VCR-arvon. Käsite VCR-seuranta viittaa verkon kunkin yksittäisen vastuksen väliseen VCR-eroon.

* Vastustekniikka, jota myös muut Vishay-osastot tarjoavat

Taulukko 1: Pintaliitos-/substraatti-/lankaliitosvastukset

*Vastustekniikka, jota myös muut Vishay-osastot tarjoavat

Taulukko 2: Aksiaaliset jalalliset / läpiasennettavat vastukset

Kiinteiden vastusten tekniikat

Lankavastus (pintaliitos/jalallinen)

Vastustyyppi, joka on valmistettu kiertämällä metallilanka (esimerkkinä nikromi) eristävän rakenteen (esimerkkinä keraaminen, muovinen tai lasikuituydin) ympärille.

Power Metal Strip® / metallielementti (pintaliitos/jalallinen)

Vastustyyppi, jossa vastuselementtinä käytetään kiinteää metalliseosta, kuten nikromi- tai mangaanikuparia, joka on sitten hitsattu kupariliittimiin. Käytetään virranmittaus- ja sivupiirisovelluksissa.

Kalvo (pintaliitos/jalallinen)

Metallikalvo (jalallinen/MELF)

Lieriömäinen vastustyyppi, joka on valmistettu asentamalla ohuesta metalli- tai metalliseoskalvosta (kuten nikromi) valmistettu resistiivinen elementti lieriömäisen keraamisen tai lasisen ytimen ympärille. Vastusta säädetään leikkaamalla kierreura johtavan kalvon läpi.

Metallioksidi (jalallinen)

Lieriömäinen vastustyyppi, jossa käytetään resistiivisenä elementtinä sellaisia materiaaleja kuten ruteniumoksidi tai tinaoksidi. Nämä vastukset soveltuvat erinomaisesti korkealle jännitteelle ja korkealle teholle.

Paksukalvo (pintaliitosvastukset/pintaliitosryhmät/verkot)

Erikoisvalmisteinen pinta-asennettava kalvovastus, jonka teholuokitus on korkea osan kokoon nähden. Ruteniumoksidista luotu ”kalvo” liitetään paksukalvovastuksiin perinteisellä silkkipainotekniikalla.

Ohutkalvo (pintaliitosvastukset/pintaliitosryhmät/verkot)

Tyypiltään pintaliitoskalvovastus, jossa on suhteellisen ohut resistiivinen elementti ångströmyksiköissä (tuuman miljoonasosissa) mitattuna. Ohutkalvovastukset valmistetaan sputteroimalla (tunnetaan myös nimellä tyhjiöpinnoitus) vastusmateriaali, kuten nikromi tai tantaalinitridi, substraatin pinnalle.

Hiilikalvo (jalallinen/MELF)

Yleinen luokkakuvaus lieriömäisille vastuksille, jotka on valmistettu lisäämällä hiilikalvo keskiydineristeen pinnalle.

Metallikalvo (pintaliitos/jalallinen)

Vastustyyppi, joka valmistetaan valokuvaustekniikalla lisäämällä homogeeninen metalli halutulla kuvioinnilla keraamiselle substraatille. Ainutlaatuisella materiaalien ja rakenteen yhdistelmällä luodaan tuote, jolla on vertaansa vailla olevat suorituskykyominaisuudet ja korkea luotettavuus.

Komposiitti (jalallinen)

Hiilikomposiitti

Yleinen luokkakuvaus vastuksille, jotka koostuvat hiiliseoksesta valmistetusta resistiivisestä ytimestä ja valetusta ulommasta eristävästä ytimestä.

Keraaminen komposiitti

Vastustyyppi, joka koostuu saven, alumiinioksidin ja hiilen seoksesta. Seos on sekoitettu ja puristettu resistiiviseksi ytimeksi ja peitetty sitten valetulla ulommalla eristävällä ytimellä.