2.7: Опір і провідність

Ми бачили, що і струм, і напруга мають справу з рухом заряду. Отже, в будь-якій електричній системі напруга і струм взаємопов'язані. Розглянемо найпростіший випадок. Це стосувалося б одного джерела напруги, такого як акумулятор, що керує одним однорідним елементом, таким як довжина дроту або блок із заданого матеріалу. Фізичні характеристики цього пункту будуть диктувати, скільки буде протікати струм. У загальних рисах

\[Effect = \frac{Cause}{Oppostion} \nonumber \]

У цьому випадку причиною є джерело напруги, а наслідком є результуючий струм. Протистояння - характеристика розглянутого пункту, іншими словами, його здатність обмежувати протікання струму. Ми називаємо цю характеристику опору. Іншими словами, опір - це міра того, наскільки складно встановити потік струму (тобто «опір потоку струму») при заданому наборі обставин. Він позначається буквою\(R\) і має одиниці Ом, на честь Георга Ома, дослідника з початку 1800-х років. Одиниця позначається великою грецькою літерою омега,\( \Omega \).

Іноді зручніше використовувати зворотний погляд на це явище, і замість того, щоб посилатися на те, наскільки складно встановити струм, нам було б цікаво, наскільки легко встановити струм. Це називається провідністю, і вона є зворотною опору. Провідність позначається буквою\(G\) і має одиниці Siemens, названі на честь Вернера фон Сіменса. Одиниця скорочено позначається як S.

\[R = \frac{1}{G} \\ G = \frac{1}{R} \label{2.10} \]

Рисунок Template:index: Визначення опору.

У цьому простому сценарії опір - це функція матеріалу, через який проходить струм разом з його формою. Це показано на малюнку Template:index, де стрілка показує напрямок потоку струму. Очевидне питання: «З чого складається цей блок?» Не дивно, що обраний матеріал має великий вплив на течію. Ми вже бачили, що такі метали, як мідь, є хорошими провідниками електрики. Інші матеріали, такі як певні пластмаси та кераміка, не є. Ці матеріали відносять до ізоляторів.

Міра властивої матеріалу і загальної здатності обмежувати потік струму називається питомим опором. Питомий опір позначається грецькою буквою\(\rho\) (rho). Всі інші фактори при рівних рівних, чим вище питомий опір, тим більше буде опір. Далі, чим більше довжина матеріалу, через який повинен пройти струм, тим більше опір. Нарешті, у міру зростання площі поверхні поперечного перерізу (тобто грані) опір зменшується. Виражається у вигляді формули

\[R = \frac{\rho l}{A} \label{2.11} \]

Де

\(R\)це опір в Омах,

\(\rho\)це питомий опір,

\(l\)це довжина матеріалу,

\(A\)це область обличчя (\(h\)раз\(w\)).

Питомий опір часто задається в ом-сантиметрах з довжиною і площею аналогічно зазначеними в сантиметрах і квадратних сантиметрах відповідно. Таблиця значень питомого опору для різних матеріалів наведена в таблиці Template:index. Зверніть увагу, що питомий опір не обов'язково постійний по температурі. Дійсно, ця зміна може бути використана як засіб вимірювання температури. В інших додатках нам може знадобитися, щоб він був максимально стабільним при температурі. Ця потреба призвела до створення сплавів Константан і Манганін в кінці 1800-х років, які демонструють дуже високу стабільність при температурі.

З цієї таблиці ми бачимо, що срібло має менший питомий опір, ніж мідь, яка, в свою чергу, нижча за золото. Це означає, що якби ми зробили дроти однакового розміру з цих трьох матеріалів, срібна версія мала б найменший опір, а золото - найвищий. Чому тоді аудіо та відео кабелі часто мають золоте покриття? Звичайно, це не пов'язано з меншим питомим опором та підвищеною провідністю. Причина в тому, що золото - благородний метал, а це означає, що воно не тьмяніє. На відміну від цього, поверхня як срібла, так і міді буде окислюватися, створюючи патину (темне «пляма» помітне на старих срібних і мідних знарядях). Оксид створить шар високого опору і знизить цілісність з'єднання.

Важливо відзначити, що формула\ ref {2.11} не включає термін для маси матеріалу. Це стосується лише форми виробу. Це важлива відмінність. Якби ми змінили масу, але зберегти співвідношення довжини до площі однаковим, отриманий опір був би незмінним. Загалом, збільшення маси саме по собі не обов'язково змінює опір, але це може вплинути на потужність пристрою.

Таблиця Template:index: Значення питомого опору для різних матеріалів.

Матеріал	Питомий опір (\(\rho (\Omega \cdot \)см) при 20\(^{\circ}\) С	Температурний коефіцієнт (K\(^{−1}\))
Сріблястий	1.59\(\times 10^{−6}\)	0,0038
Мідь	1.68\(\times 10^{−6}\)	0,00404
Золотий	2.44\(\times 10^{−6}\)	0,0034
Алюміній	2.65\(\times 10^{−6}\)	0,0039
Цинк	5.90\(\times 10^{−6}\)	0,0037
Нікель	6.99\(\times 10^{−6}\)	0,006
Залізо	9.7\(\times 10^{−6}\)	0,005
Платина	1.06\(\times 10^{−5}\)	0.00392
Олово	1.09\(\times 10^{−5}\)	0,0045
Титан	4.20\(\times 10^{−5}\)	0,0038
Манганін	4.82\(\times 10^{−5}\)	0.000002
Константан	4.90\(\times 10^{−5}\)	0.000008
Нержавіюча сталь	6.90\(\times 10^{−5}\)	0,00094
Ніхром	1.10\(\times 10^{−4}\)	0,0004
Вуглець (аморфний)	Від 5\(\times 10^{−4}\) до 8\(\times 10^{−3}\)	−0,0005
кремнію	6.4\(\times 10^{4}\)	−0,075
Скло	1\(\times 10^{13}\) до 1\(\times 10^{17}\)
Вуглець (алмаз)	1\(\times 10^{14}\)
Тверда гума	1\(\times 10^{15}\)
Повітря	\(10^{11}\)до\(10^{17}\)
ДОМАШНЯ ТВАРИНА	1\(\times 10^{23}\)
тефлонові	1\(\times 10^{25}\) до 1\(\times 10^{27}\)

Рисунок Template:index: Опір зміниться через зміну площі та довжини з незмінною масою.

На відміну від цього, якщо взяти цю вихідну масу і змінити її, або просто застосувати струм до різниці грані, таким чином, щоб ефективна площа поверхні і довжина змінювалися, то отриманий опір також зміниться. Це показано на малюнку Template:index. Тут ми взяли елемент, показаний на малюнку Template:index і спрямували поточний потік зверху вниз, а не збоку. У такій орієнтації площа поверхні значно збільшується і довжина, через яку повинен проходити струм, значно зменшується. Отже, ефективний опір в цій орієнтації буде значно менше, ніж у оригіналі.

Приклад Template:index

Певний матеріал має питомий опір 0,2 Ом-сантиметра. Визначте опір шматка шириною 0,3 см, висотою 0,5 см і довжиною 4 см.

\[A = h \times w \nonumber \]

\[A = 0.5cm \times 0.3cm \nonumber \]

\[A = 0.15 cm^2 \nonumber \]

\[R = \frac{ \rho l}{A} \nonumber \]

\[R = \frac{0.2 \Omega cm \times 4cm}{0.15cm^2} \nonumber \]

\[R = 5.333 \Omega \nonumber \]

Для нашого наступного прикладу розглянемо котушку з дроту. У багатьох випадках ми ставимося до дроту ідеально, як ніби він не має опору. Хоча це може бути хорошим наближенням у багатьох випадках, особливо при відносно коротких пробігах дроту, таке не завжди так.

Приклад Template:index

Певний калібр мідного дроту має діаметр 0,6 мм. Визначте опір, якщо шпуля має довжину 200 метрів.

Таблиця Template:index вказує, що питомий опір міді становить 1,68E−6 Ом-сантиметрів. Хитрість тут полягає в тому, що ми повинні підтримувати одиниці послідовності. Оскільки до метра 100 сантиметрів, довжина становить 200 метрів на 100, або 20 000 сантиметрів (тобто 20Е3). З огляду на, що до сантиметра припадає 10 міліметрів, діаметр необхідно зменшити в десять разів, даючи діаметр 0,06 см і, таким чином, радіус 0,03 см.

\[A = \pi r^2 \nonumber \]

\[A = \pi (0.03cm)^2 \nonumber \]

\[A = 2.83E-3cm^2 \nonumber \]

\[R = \frac{ \rho l}{A} \nonumber \]

\[R = \frac{1.68E-6 \Omega cm \times 20E3 cm}{2.83E-3cm^2} \nonumber \]

\[R = 11.9 \Omega \nonumber \]

Кількість опору, показана в прикладі Template:index, буде вважатися надмірною, якщо елемент, який потрібно підключити, є чимось таким простим, як гучномовець, який зазвичай становить близько 8\( \Omega \). І хоча нікому, швидше за все, не знадобиться 200 метрів кабелю для підключення гучномовця в їхньому будинку, така відстань була б нічим не примітною на великому стадіоні чи терміналі аеропорту. Не забувайте, що нам знадобиться провід до гучномовця та від нього, досягаючи загального поділу максимум 100 метрів.

Різні товщини кабелів і проводів використовуються для самих різних цілей. Щоб полегшити це, товщини дроту були стандартизовані. Найпоширенішим стандартом у Північній Америці є американський дріт калібр, або AWG. Це неметрична специфікація з витоками в середині дев'ятнадцятого століття. Чим більше число калібру, тим менший діаметр дроту, і тим менший струм він може безпечно переносити. Щоб поставити цифри калібру в перспективі, типові малі побутові прилади використовують провід 16 або 18 калібру, основна домашня проводка використовує 12 калібру (з автоматичним вимикачем на 20 ампер), а підключаючий провід, що використовується в електричних схемах або лабораторії електроніки без пайки макет зазвичай 22 або 24 калібр.

Для електропроводки загального призначення мідь на сьогоднішній день є найпоширенішим металом, оскільки він відрізняється високою провідністю і відносно недорого. Деякі інші метали використовуються в особливих випадках, наприклад, алюміній використовується для ліній електропередач на великі відстані.

Таблиця Template:index: Дані проводу AWG для мідних провідників.

AWG	Діаметр (дюйми)	Діаметр (мм)	Опор/довжина (\(\Omega\)/км)	Опір/довжина (\(\Omega\)/1000ft)
0000 (4/0)	0,4600	11.684	0.1608	0.04901
0 (2/0)	0,3648	9.266	0,2557	0.0793
0 (1/0)	0,3249	8.251	0,3224	0.09827
2	0,2576	6.544	0.5127	0,1563
4	0,2043	5.189	0,8152	0,2485
6	0,1620	4.115	1.296	0,3951
8	0.1285	3.264	2.061	0.6282
10	0,1019	2.588	3.277	0,9989
12	0.0808	2.053	5.211	1.588
14	0.0641	1,628	8.286	2.525
16	0.0508	1.291	13.17	4.016
18	0.0403	1.024	20.95	6.385
20	0.0320	0,812	33.31	10.15
22	0.0253	0.644 5	52.96	16.14
24	0.0201	0.511	84.22	25.67
26	0.0159	0,405	133.9	40.81
32	0,00795	0,202	538.3	164.1
40	0,00314	0.0799	3441	1049

Таблиця розмірів калібру та пов'язаних параметрів наведена в таблиці Template:index. Ця таблиця передбачає, що для дроту використовується мідь. Зверніть увагу, що зі зменшенням діаметра дроту величина опору для певної довжини збільшується, як і очікувалося від Equation\ ref {2.11}.

Використовуючи цю таблицю, ми можемо виконати швидку перехресну перевірку Example Template:index. Діаметр дроту, використаний у цьому прикладі, становив 0,6 мм, що трохи менше AWG 22, як зазначено в таблиці. Далі провід #22 вказується як має опір приблизно 53\( \Omega \) на км. Для метрів 200, як використовується в прикладі завдання, це працює до 10.6\( \Omega \). Оскільки провід #22 трохи більше в діаметрі, ми очікуємо, що він покаже трохи менший опір, ніж розрахункове значення 11.9\( \Omega \), що він робить.

Хоча це може бути не відразу очевидним, калібрувальні числа протікають логарифмічним способом на основі діаметра. Підвищення числа одного калібру (наприклад, від #10 до #11) зменшує діаметр приблизно в 0,89 рази. Оскільки опір обернено пропорційний квадрату діаметра (тобто площі), опір збільшується більш ніж на 25%. Навіть пронумеровані розміри особливо поширені у використанні, і перехід до наступного більш високого парного номера калібру (наприклад, #18 до #20) призводить до збільшення опору майже 60%.

Резистори та кольоровий код резистора

Резистори - це пристрої, що використовуються для управління струмами і напругами в ланцюзі. Вони доступні в багатьох формах і розмірах і, як правило, призначені для підтримки стабільних омічних значень, незважаючи на зміни навколишнього середовища, такі як температура і вологість. Зразок різних стилів резисторів наведено на малюнку Template:index. Як правило, чим більше резистор, тим більшою потужністю він зможе впоратися. Ззаду на малюнку розташований великий керамічний силовий резистор з використанням прямокутного алюмінієвого корпусу. Цей прилад розрахований на 200 Вт розсіювання. Безпосередньо спереду і праворуч від нього знаходяться кілька менших керамічних силових резисторів з номіналами в діапазоні від 5 до 20 Вт. Уздовж лівого боку знаходиться набір вуглецевого складу та резисторів з вуглецевої плівки в діапазоні від 1 Вт до однієї десятої ват при розсіюванні. До центру розташований багатовивідний чіп-резистор, який містить кілька резисторів в одному корпусі. За невеликим винятком, всі ці елементи класифікуються як «наскрізні отвори» компонентів, тобто їх висновки призначені для проходження через попередньо просвердлені отвори в друкованій платі. Це також найбільш часто використовувані компоненти в електричній лабораторії, оскільки дроти вписуються в макетні плати без пайки, а компоненти мають зручний розмір.

Рисунок Template:index: Різноманітність різних резисторів.

З ростом бажання усадити компоненти сучасні виробничі конструкції використовують методи поверхневого монтажу замість конструкції наскрізних отворів. У нижньому центрі знаходиться невелика точка, яка, по суті, є поверхневим резистором, здатним розсіювати потужність 1/2 Вт. Крупний план показано на малюнку Template:index. Очевидно, що ці пристрої занадто малі, щоб бути практичними для використання без спеціального обладнання.

Рисунок Template:index: Закрити резистор для поверхневого монтажу.

Резистори - лінійні двосторонні пристрої. Будучи лінійними, їх співвідношення струм-напруга можна провести як пряму лінію. Двосторонній означає, що полярність напруги або напрямок струму значення не матиме. Іншими словами, на відміну від акумулятора, ці пристрої не можна вставляти в ланцюг назад, оскільки будь-яка орієнтація працює однаково. Якщо горизонтальна вісь - напруга, а вертикаль - струм, то нахил лінії дає провідність. Таким чином, чим крутіше лінія, тим нижче її опір. Це показано на малюнку Template:index.

Рисунок Template:index: Графік струм-напруги двох резисторів.

Не всі електричні компоненти бувають лінійними і двосторонніми. Хорошим прикладом є напівпровідниковий діод, широко використовуваний пристрій в електронних системах. Графік струм-напруга діода показаний на малюнку Template:index для порівняння. Зверніть увагу, що сюжет не є простою прямою лінією, при цьому він не лінійний. Далі, відповіді першого і третього квадранта дико відрізняються, вказуючи на те, що полярність має першорядне значення. Зрозуміло, що має значення, яким чином ці види пристроїв вставляються в ланцюг.

Рисунок Template:index: Струм-напруга діода: ні лінійний, ні двосторонній.

Резистори випускаються в стандартизованих омічних значеннях і при стандартизованих номіналах потужності (див. Додаток А). Поряд зі своїм значенням опору резистори мають і заданий допуск. Це визначає допустимий діапазон варіації заявленого значення. Наприклад, резистор 220 Ом може мати допуск 10%. Це означає, що фактичне значення будь-якого даного зразка з коробки цих резисторів може бути вимкнено від паспортної таблички або номінального значення на 10% або 22 Ом. Таким чином, будь-який конкретний резистор може бути настільки ж високим, як 242 Ом або настільки ж низьким, як 198 Ом.

Резистори загального призначення використовують колірний код для позначення їх величини і допуску. Як правило, для цього будуть задіяні чотири кольорові смуги: дві для точності/мантиси, одна для потужності десяти, а четверта для позначення допуску. Для більшої точності можна використовувати версію з п'ятьма смугами, причому перші три позначають точність/мантису. Крім того, високоточні резистори можуть мати своє номінальне значення, надруковане безпосередньо на них. Приклад базового сорту див. Рисунок Template:index}.

Рисунок Template:index: Приклад базового коду кольору резистора з чотирма смугами.

Перші дві смуги, тут жовта і фіолетова, позначають точність або провідні цифри. Третя смуга, тут помаранчева, вказує на потужність десяти або «кількість нулів» для додавання. Четверта смуга, срібна в даному прикладі, вказує на толерантність. Зверніть увагу, що четверта смуга віддалена від інших, щоб уникнути випадкового зміни порядку.

Код кольору показано на малюнку Template:index. Для сприяння запам'ятовуванню послідовності було використано ряд мнемонічних посібників, перша буква кожного слова, що починається з тієї ж літери, що і відповідний колір. Одним із прикладів є «Кошик для пікніка Мнемоніка», який є: Чорні ведмеді пограбували наші смачні ласощі, побивши різних сірих вовків. Інша можливість - відзначити, що середня секція слідує за веселкою з чорно-білим на крайніх кінцях.

Рисунок Template:index: Код кольору резистора.

Кольори смуги допуску такі: для основних деталей срібло становить\(\pm\) 10%, а золото -\(\pm\) 5%. Якщо четверта смуга опущена, це говорить про допуску в\(\pm\) 20%, хоча вона рідко використовується в сучасних конструкціях. Для точних деталей деякі кольори використовуються повторно, але дотримуйтесь цифр колірного коду: коричневий -\(\pm\) 1% допуску, а червоний -\(\pm\) 2%. Більш жорсткі допуски також доступні. Іноді додається додаткова смуга, яка вказує на рейтинг надійності або температурний коефіцієнт. У таких випадках краще за все звернутися до техпаспортів виробника за деталями. Ми не будемо їх переслідувати далі.

Приклад Template:index

Визначте номінальні, максимальні та мінімально допустимі значення опору для резистора, зображеного на малюнку Template:index.

Забарвлення жовто-фіолетово-оранжеві. Це перекладається на 4, 7 і 3. Значення - «47 з 3 нулями», або 47000 Ом. Срібна четверта смуга вказує на 10% толерантності. Таким чином, зображений резистор номінально 47 k\( \Omega \) з\(\pm\) відхиленням 10% навколо номінального значення є прийнятним. Допуск дає\(\pm\) 4,7 к\( \Omega \), тому допустимий діапазон становить від 42,3\( \Omega \) до 51,7 к\( \Omega \).

Приклад Template:index

Прецизійний резистор має колірний код оранжево-синій-зелений-коричнево-коричневий. Визначте його величину і допустимий діапазон.

Остаточна смуга вказує на те, що це\(\pm\) 1% -ний компонент допуску. Перші чотири кольори переводять на 3, 6, 5 і 1. Значення - «365 з 1 нулем», а значить 3650 Ом, або 3,65 К\( \Omega \). Допустимий діапазон - 3,65 к\( \Omega \)\(\pm\) 36,5\( \Omega \).

Приклад Template:index

Визначте номінал і допуск резистора з колірним кодом зелено-синій-золото-сріблястий.

Перші два кольори переводять на 5 і 6. Золото в третій смузі означає «помножити на 0,1». Остаточна смуга вказує на те, що це\(\pm\) 10% -ний компонент допуску. Тому номінальне значення дорівнює 5,6\( \Omega \). Допустимий діапазон - 5,6\( \Omega \)\(\pm\) 0,56\( \Omega \).

Приклад техпаспорта резистора наведено на малюнку Template:index. Цей паспорт призначений для серії резисторів мікросхем поверхневого монтажу. Доступні класи допуску коливаються від 0,5% до 20%. Крім того, для кожного варіанту є два температурних коефіцієнта, найбільш стабільним є 100 ppm/\(^{\circ}\) C (ppm є коротким для «частин на мільйон», таким чином 100 ppm еквівалентно 0,01%). Зверніть увагу, що ці пристрої занадто малі, щоб використовувати колірний код резистора. Замість цього безпосередньо на них друкується числовий код, який відповідає правилам для колірних смуг, що означає, що кінцева цифра є множником. Таким чином, «150» дорівнює 15\( \Omega \) (1-5 без нулів). Виняток становлять дуже малі значення, де замість десяткової крапки використовується буква «R». Отже, «2Р4» дорівнює 2,4\( \Omega \).

Рисунок Template:index: Приклад техпаспорта резистора. Надано Stackpole Електроніка

Особливо важливою характеристикою більшості електронних пристроїв є їх потужність. Для цієї серії є кілька варіацій з потужністю від 0,1 Вт до 1,5 Вт, і максимальними робочими напругами до 500 вольт. Потужність управління також є функцією температури навколишнього середовища. Загалом, пристрої мають максимальну внутрішню температуру, якої вони можуть досягти до їх пошкодження. Контроль тепла, як правило, є основним питанням у багатьох конструкціях систем. При підвищенні температури навколишнього середовища залишається менше «запасу» для підвищення температури пристрою, і таким чином пристрій не зможе розсіяти стільки потужності. Це проілюстровано на графіку Рисунок Template:index.

Зверніть увагу, як розсіювання потужності є постійною при температурах при і нижче 70\(^{\circ}\) С. Ця температура вважається максимальною нормальною робочою температурою для цього пристрою, а розсіювання потужності при цій температурі - це та, яка вказана в техпаспорті. Якщо пристрій експлуатується в більш теплих умовах, розсіювання потужності знижується на відсоток, вказаний на графіку. Наприклад, при 100\(^{\circ}\) С розсіювання становить всього близько 65% від номінального номіналу. Особливе значення має те, що при 155\(^{\circ}\) С прилад вже не може розсіювати будь-яку потужність, а тому ця температура служить абсолютним стелею. Зрештою, резистор, який не може розсіяти жодної потужності, - це резистор, який не може мати через нього струму або напруги на ньому, не спалюючи. Він по суті нефункціональний.

Рисунок Template:index: Графік зниження потужності резистора. Надано Stackpole Електроніка

Звичайно, так само, як і сковорідка на плиті, ці пристрої нагріваються не миттєво, тобто виявляють постійну теплового часу. Їм потрібно певну кількість часу на нагрівання (а також для охолодження). Протягом коротких періодів пристрої можуть обробляти значно більшу потужність, ніж їх довгостроковий рейтинг. Графік рисунка Template:index, показує розсіювання потужності для одиночних імпульсів. У деяких випадках ці резистори можуть обробляти потужності на порядок більше. Для прикладу розглянемо тип RPC0402 (самий нижній рядок). З техпаспорта Figure Template:index цей пристрій вказано як довгостроковий рейтинг 0,2 Вт. На відміну від цього, графік малюнка Template:index показує, що він здатний витримувати один імпульс більше 20 Вт протягом 100 мікросекунд, трохи менше 10 Вт для мілісекундного імпульсу і приблизно 2 Вт для однієї десятої секунди імпульсу.

Рисунок Template:index: Розсіювання імпульсної потужності. Надано Stackpole Електроніка

Інші резистивні пристрої

Поряд зі стандартними фіксованими резисторами існує кілька інших видів резистивних пристроїв, які були розроблені таким чином, щоб бути чутливими до змін їх середовища. Таким чином, вони можуть служити датчиками, оскільки при зміні їх опору він впливає на потік струму і результуючу напругу. Ми розглянемо приклади цього в майбутній роботі. Деякі з екологічних входів включають температуру, силу та рівень освітленості.

Сила зондування резистор (FSR)

Силочутливий резистор складається з двох шарів матеріалу з номінальною відстанню поділу. Він представлений у вигляді плоскої мембрани, яка зазвичай буває круглої або прямокутної форми, і, можливо, з клейкою підкладкою. Приклад FSR наведено на малюнку Template:index. Не докладаючи сили, пристрій показує надзвичайно високий опір, добре в мегомах. Коли сила прикладається до поверхні, два шари вступають в кращий контакт, що зменшує чистий опір. Це підтверджується на графіку рисунка Template:index. Графік показує приблизно пряму відповідь між опором і силою при побудові на шкалі журналу. При найвищих силових рівнях опір може впасти всього до декількох сотень Ом.

Рисунок Template:index: Резистор, що визначає силу (FSR).

Рисунок Template:index: Крива відгуку FSR. Надано Інтерлінк Електроніка

Фоторезистор

Як випливає з їх назви, фоторезистори чутливі до змін рівня освітленості. Їх також називають LDR, скорочено від світлозалежного резистора. У їх будівництві можуть використовуватися різні матеріали, але найбільш поширеним є сульфід кадмію, CdS. Як наслідок, фоторезистори іноді узагальнено називають «клітинами компакт-дисків».

Фоторезистор показано на рисунку Template:index разом з відповідним графіком опору на малюнку Template:index. У повній темряві пристрій проявляє дуже високий опір. Зі збільшенням рівня освітленості опір зменшується. Як і у випадку з FSR, ми бачимо зворотне співвідношення між опором і фактором навколишнього середовища: у міру збільшення вхідного середовища (сила, рівень світла) опір робить протилежне і зменшується. І ще раз, ми бачимо пряму лінію при нанесенні лусок-колоди. Технічно ми називаємо це негативним відношенням, оскільки нахил лінії сюжету негативний.

Рисунок Template:index: фоторезистор або LDR.

Рисунок Template:index: Крива відгуку фоторезистора. Люб'язно надано Розширений Photonix

Щоб поставити яскравість світла в загальні терміни, 0,01 фут-свічки (приблизно 0,1 люкс) еквівалентні ясному місячному освітленому вечору. На цьому рівні фоторезистор показує понад 1 мегом опору. На відміну від цього, 100 фут-свічок (приблизно 1000 люкс) еквівалентні похмурому дню (для довідки, прямі сонячні промені, можливо, в 100 разів сильніше). На цьому рівні значення фоторезистора знизилося приблизно до 1000 Ом.

Варто зазначити, що світло, яке «бачить» фоторезистор, не обов'язково збігається з тим, що бачить людина. Чутливість приладу на різних довжині хвиль (тобто кольору) може різко відрізнятися від зору людини. Насправді різні матеріали проявляють різну чутливість на різних довжині хвиль. Деякі з них можуть бути довжинами хвиль, які неозброєне людське око взагалі не може бачити (наприклад, інфрачервоне або ультрафіолетове).

Рисунок Template:index: Криві чутливості фоторезистора. Надано маркерною електронікою

Приклад кривих чутливості наведено на малюнку Template:index. Зверніть увагу на варіації між різними матеріалами, компакт-диски є одним з трьох (ліва сторона). Пікові чутливості змінюються, як і точні форми. На практиці це означає, що деякі з цих одиниць будуть більш-менш чутливі до певних кольорів, ніж інші одиниці. Крива CdS вказує на пікову чутливість близько 540 нм, що відповідає зеленому. Для порівняння, клітина CdSe (селенід кадмію) демонструє пік трохи більше 700 нм, що відповідає червоному. На деяких довжині хвиль відносна реакція одного матеріалу може становити не більше 10% від відгуку іншого матеріалу.

Важливо зауважити, що використання кадмію, наприклад, в осередках CdS тощо, суворо обмежено директивою RoHS (див. Розділ перший).

термістор

Термістор - це пристрій, опір якого є функцією температури. Ці пристрої випускаються двох основних типів. Або PTC, для позитивного температурного коефіцієнта; або NTC, для негативного температурного коефіцієнта. Пристрої PTC показують збільшення опору при підвищенні температури, а пристрої NTC показують зниження опору при підвищенні температури. В ідеалі це лінійні відносини з ділянками, що показують прямі лінії. Реальність така, що лінійність можна припустити лише в досить вузьких діапазонах температур. Для більш широких діапазонів буде помітне відхилення від прямої, оскільки крива носить логарифмічний характер. Базовий термістор NTC показано на малюнку Template:index.

Рисунок Template:index: термістор NTC.

Загальні графіки продуктивності термісторів показані на малюнку Template:index з ідеалізованою прямою реакцією вгорі та більш реалістичною нелінійною реакцією нижче. Термістори будуть вказані з точки зору їх стійкості до кімнатної температури (зазвичай приймається 25\(^{\circ}\) С) разом з їх чутливістю, яка позначається як бета (\(\beta\)). Чим більше значення бета, тим крутіше крива і тим більше чутливість. Криві, позначені Beta 2, показують підвищену чутливість, що означає, що відбудеться більша зміна опору для певної зміни температури.

Рисунок Template:index: Криві відгуку термістора NTC: Ідеальні (зверху) та реальні.

Наступне рівняння може бути використано для визначення опору термістора при якійсь іншій цікавій температурі з більшою точністю, ніж при використанні простого лінійного наближення. Все, що потрібно, це еталонна температура і відповідний опір, бета-значення і нова температура, що цікавить. Використання еталонної температури 25\(^{\circ}\) С:

\[R_T = R_{25} e^{\beta \left( \frac{1}{T} − \frac{1}{298.15} \right)} \label{2.12} \]

Де

\(R_T\)це опір при новій температурі Кельвіна,\(T\),

\(R_{25}\)це опір при 25\(^{\circ}\) С,

\(T\)це температура, що представляє інтерес в Кельвіні,

\(\beta\)це бета-версія пристрою.

Зауважте, що константа «298.15» у Рівнянні\ ref {2.12} еквівалентна еталонній температурі 25\(^{\circ}\) С (0 К дорівнює −273,15\(^{\circ}\) С). Отже, якщо використовується інша контрольна точка, просто вставте нову опорну температуру на її місце і використовуйте відповідний опір замість\(R_{25}\).

Варистор

Варистори використовуються як обмежувальні пристрої, в першу чергу для придушення небажаних стрибків напруги в електронному обладнанні. Варистор є унікальним пристроєм тим, що має високонелінійну вольт-амперну характеристику. Це показано на малюнку Template:index. Пам'ятайте, при нанесенні з напругою на горизонтальній осі нахил лінії представляє провідність. Отже, варистор показує область майже нульової провідності або надзвичайно високого опору (горизонтальний перетин), і дві ділянки, які майже вертикальні, які вказують на надзвичайно високу провідність або близько нульового опору. Ця характеристика дозволяє варистору виступати в ролі обмежувального пристрою.

Рисунок Template:index: Вольт-амперна характеристика варистора

Уявіть, що удар блискавки впливає на місцеву лінію електропередач. Це створить раптовий, але нетривалий сплеск напруги. Звичайна розетка 120 вольт зазвичай виробляє регулярні піки приблизно 170 вольт. Удар блискавки може додати до цього кілька сотень вольт. Отримане напруга може бути настільки високим, що може пошкодити електронне обладнання, прикріплене до розетки. Щоб полегшити цю проблему, варистор можна розмістити поперек вхідних ліній напруги. Напруга вертикальної точки розриву буде встановлена на значення трохи більше 170 вольт, нормальний максимум. За типових обставин варистор бачить напругу в своїй горизонтальній області і, таким чином, вести себе як дуже високий опір. Він би не стікав практично ніякого струму з розетки, а отже, це не вплине на решту ланцюгів. З іншого боку, якщо великий шип потрапить на лінію, варистор буде гойдатися у вертикальну область, покаже значно знижений опір і виступати в якості маневрового шляху для струму шипа. Це буде ефективно затискати напругу до деякого максимального номінального значення. Звичайно, варистор повинен поглинати енергію, представлену цим спайком, і важливі параметри варистора включають кількість енергії, яку він може поглинути (в джоулі), і його максимальна потужність струму, а також максимальна напруга затиску.

Тензодатчик

Тензодатчик - це пристрій, який використовується для вимірювання механічної деформації на якомусь предметі. Напруження виникає, коли предмет знаходиться під стисненням (його довжина скорочується або стискається) або коли він знаходиться під напругою (він витягується або розтягується). Обидві ці речі можуть відбуватися одночасно, наприклад, коли пруток відчуває вигин або крутний момент (одна сторона знаходиться під стисненням, а інша - під напругою). Інженерна деформація визначається як зміна довжини по початковій довжині. Якщо предмет відчуває занадто сильне навантаження, він може постійно деформуватися або вийти з ладу (наприклад, шасі в літаку або компоненти підвіски в автомобілі). Простіше кажучи, для вимірювання цього ефекту використовуються тензодатчики.

Рисунок Template:index: Датчики деформації. Люб'язно Надано Zemic

Тензодатчик виготовляється, як правило, з дуже тонкої металевої фольги за певним малюнком. Див. Рисунок Template:index для прикладу фігур. Як правило, форма полягає в тому, що з серії тонких ліній, з'єднаних за схемою назад і вперед, два кінці закінчуються на більші колодки для пайки на сполучних проводах. В процесі експлуатації тензодатчик приклеюється до досліджуваного матеріалу, наприклад, металевого бруса, що входить до складу підвісної системи. Коли вони склеюються між собою, тензодатчик відчуває таку ж деформацію, як і металевий пруток. Будь-яка деформація створить зміни довжини фольгованих проводів тензодатчика, а також площі їх фронтальної поверхні. Наприклад, під напругою довжина збільшується, а площа поверхні зменшується (площа поверхні повинна зменшуватися, оскільки дріт з фольги має кінцеву масу). Згадуючи базове відношення опору, Equation\ ref {2.11}, обидва ці ефекти призведуть до зростання опору. Чим більше напруга під напругою, тим більше підйом опору. Протилежне буде відбуватися при стисненні і опір знизиться. Ці зміни опору не великі, але їх достатньо, щоб змінити пов'язану напругу або струм, який потім можна відкалібрувати для визначення прикладеної деформації.