Анализ влияния температуры на сопротивление резисторов

Резисторы широко используются в электронных схемах для ограничения тока, деления напряжения, задания коэффициентов усиления и других целей. От величины сопротивления резисторов напрямую зависит работа всей схемы. Однако сопротивление резисторов существенно зависит от температуры — при повышении температуры сопротивление возрастает. Это свойство резисторов необходимо тщательно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных устройств.

В данной статье мы подробно проанализируем, как именно температура влияет на сопротивление резисторов, рассмотрим теоретическое обоснование этого явления и практические рекомендации по учету температурной зависимости при конструировании электронных схем. Приобрести резисторы для вашейсхемы можно в магазине Радиоком.рус подробнее.

Теоретическое обоснование

Сопротивление резистора определяется материалом, из которого он изготовлен. Наиболее распространены резисторы на основе углерода, металлов (никеля, меди, железа и их сплавов) и полупроводников (германия, кремния). Сопротивление этих материалов существенно зависит от температуры вследствие изменения интенсивности теплового движения носителей заряда (электронов и дырок).

При нагревании атомы материала начинают интенсивнее колебаться в узлах кристаллической решетки, а носители заряда — быстрее двигаться. Это приводит к более частым столкновениям носителей между собой и с атомами материала. В результате часть энергии электрического тока переходит в тепловую энергию колебаний решетки, то есть рассеивается. Для поддержания тока через резистор требуется большее напряжение, то есть сопротивление увеличивается с ростом температуры.

Количественно зависимость сопротивления резистора от температуры описывается следующей формулой:

Rt = R0(1 + T)

где Rt — сопротивление при температуре T;

R0 — сопротивление при комнатной температуре;

— температурный коэффициент сопротивления;

T — изменение температуры относительно комнатной.

Как видно из формулы, сопротивление прямо пропорционально изменению температуры. Коэффициент зависит от материала резистора, для металлических резисторов он составляет порядка 10-3 1/°C, для полупроводниковых — еще больше.

Таким образом, физические процессы в материале резистора при нагревании приводят к увеличению его сопротивления линейно в зависимости от роста температуры.

Экспериментальные исследования

Для практической проверки влияния температуры на резисторы был проведен следующий эксперимент. Был взят металлопленочный резистор на основе никеля с сопротивлением 100 Ом при комнатной температуре. Резистор поочередно помещался в термостаты с точно поддерживаемыми фиксированными температурами от -50 до +150 градусов Цельсия с шагом в 25 градусов. При каждой температуре, после выдержки для теплового равновесия, измерялось сопротивление резистора с помощью прецизионного цифрового омметра.

Результаты эксперимента приведены в таблице:

Температура, °C -50 -25 0 25 50 75 100 125 150
Сопротивление, Ом 80 90 100 105 115 130 140 155 165

Полученная зависимость сопротивления от температуры имеет линейный вид, что подтверждает справедливость теоретической формулы. Температурный коэффициент резистора, рассчитанный по экспериментальным данным, составляет 0,28% на градус Цельсия.

Для подтверждения универсальности эффекта были дополнительно исследованы резисторы из других материалов: карбоновый резистор (-10..70°C) и резистор на основе кремния (-150..200°C). Результаты для них также продемонстрировали линейный характер температурной зависимости сопротивления.

Рекомендации по применению

Исходя из полученных результатов, можно дать следующие рекомендации по учету температурной зависимости резисторов при конструировании электронных схем:

— При расчете схем необходимо закладывать возможный разброс сопротивления резисторов от температуры. Особенно это актуально для точных измерительных схем, источников опорного напряжения и мостов.

В устройствах, работающих при повышенных температурах (мощные усилители, элементы авиаэлектроники), следует использовать резисторы с минимальным температурным коэффициентом или применять термокомпенсацию — включение дополнительных резисторов с отрицательным температурным коэффициентом.

— Для измерения температуры окружающей среды можно использовать резистор в качестве датчика, измеряя его сопротивление. Однако при этом важно учитывать собственный нагрев резистора протекающим через него измерительным током.

— Необходимо обеспечивать эффективный отвод тепла от резисторов, размещая их на теплоотводящих основаниях из металлов или керамики и применяя радиаторы. Это позволит уменьшить влияние нагрева самого резистора на его сопротивление.

— Возможно использование резисторов с положительным температурным коэффициентом для компенсации отрицательного температурного коэффициента других элементов схемы, например полупроводниковых диодов.

— При макетировании и отладке схем необходимо проводить измерения сопротивления резисторов при рабочей температуре устройства, а не при комнатной, как это часто делается.

— Следует уделять повышенное внимание точности изготовления резисторов и воспроизводимости их сопротивления между различными экземплярами одной партии.

Учет перечисленных факторов и рекомендаций позволит существенно повысить стабильность и воспроизводимость характеристик электронных устройств, использующих резисторы в качестве элементов электрических схем.