- 1 -
MATERIAŁY I ELEMENTY REZYSTYWNE
Materiały oporowe
Do materiałów rezystywnych zaliczamy:
manganin,
konstantan,
kantal,
nikielina,
nichrom,
silit,
węgiel i grafit
Manganin
jest najbardziej znanym stopem oporowym. Stosowany jest on do budowy rezystorów precyzyjnych
Jest on stopem miedzi manganu i niklu. Zakres stężenia składników stopu w %: Cu 83,5÷86; Mn11,5÷13; Ni 2,5÷3,5. Manganin, zawierający 12% Mn i 2% Ni w temperaturze 20° C ma rezystancję właściwą około 0,40 (Ω·mm2)/m.
Konstantan
jest tańszą alternatywą od manganinu przy produkcji rezystorów. Zakres stężenia składników stopu konstantanu: Cu 53÷56,5%; Ni 43÷45%; Mn 0,5÷2%. Stosowany jest przy produkcji rezystorów wzorcowych.
Konstantan stosuje się do budowy termopar nadaje się również do pracy ciągłej, do temperatury 400° C
Kanthal
jest stopem żelaza, chromu oraz aluminium i kobaltu. Mogą występować również inne domieszki.
Przykładowy skład kanthalu wygląda następująco: 70% Fe; 23% Cr; 4,5% Al; 1% Co; 1,5%
inne domieszki. Charakteryzują się wysoką temperaturą pracy około 1200° C. Kanthal ma strukturę ferrytyczną.
Nikielina
jest stopem miedzi z niklem. Głównym dodatkiem w tych stopach jest nikiel, mogą one także, zawierać inne dodatki stopowe. Dodatek niklu powoduje odporność na korozję podwyższenie własności mechanicz-nych oraz co nas najbardziej interesuje rezystywność.
Można dodać jako składnik stopowy również cynk. Przykładowy skład chemiczny niekieliny wykorzystywanej do produkcji elementów rezystywnych: 62% Cu, 18% Ni, 20% Zn. Z
nikieliny wykonuje się elementy grzewcze oraz rezystory drutowe.
Nikielina znalazła zastosowanie w opornikach regulacyjnych oraz niskotemperaturowych grzejnikach
Nichrom
jest stopem niklowo-chromowym o strukturze austenitycznej z dodatkiem żelaza oraz niewielkimi dodatkami manganu i krzemu. Są wytwarzane w postaci drutów oraz taśm.
Nichrom jest stopem metali wykorzystywanym na elementy grzewcze.
Silit
jest to materiał rezystywny ceramiczny niemetalowy (węglik krzemu). Węglik krzemu jest substancją krystaliczną. Jest bardzo twardy (w skali Mohsa twardość wynosi od 9,5 do 9,7) jest odporny na działanie wysokiej temperatury oraz odporny chemicznie. Krzem jest
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
- 2 -
półprzewodnikiem. Barwa węglika krzemu jest zazwyczaj koloru ciemnego. Węglik krzemu otrzymuje się w piecach elektrycznych z piasku kwarcowego i koksu (SiO + 3C = SiC +
2CO).
Węgiel i grafit
należą do grupy elementów rezystywnych niemetalicznych. Charaktery-zują się dużą rezystancją. Rezystancja w temperaturze 20° C wynosi:
grafit 10 µΩ·m
węgiel 10÷100 µΩ·m
Mają również znacznie wyższą od innych materiałów rezystywnych metalicznych temperaturę pracy, która wynosi:
grafit 2000° C
węgiel 2500° C
Mimo iż charakteryzują się tak dobrą rezystancją i wysokimi temperaturami pracy mają również wady: nie są odporne na utlenianie i wymagają atmosfery ochronnej lub próżni.
Ogólne wiadomości o materiałach oporowych
Od materiałów oporowych wymaga się małej przewodności elektrycznej. Materiały te wykonuje się w przeciwieństwie do materiałów przewodzących nie z czystych metali, lecz ze stopów. Zastosowanie takich stopów można podzielić na dwie grupy:
stopy rezystywne stosowane na oporniki elektryczne (stopy oporowe)
stopy stosowane na elementy grzejne (pieców elektrycznych i rożnych przyrządów
– charakteryzują się dużym oporem elektrycznym) .
Materiały oporowe można podzielić ze względu na zastosowanie na trzy podstawowe grupy:
materiały rezystywne pomiarowe,
materiały rezystywne regulacyjne,
materiały rezystywne grzejne
Materiały rezystywne pomiarowe
Najważniejszym wymaganiem stawianym stopom używanym przy produkcji rezystorów pomiarowych jest:
duża rezystywność,
rezystywność
opornika
niezmienna
w
czasie
(struktura
krystaliczna
charakteryzuje się dużą stabilnością),
temperatura nie ma wpływu na rezystywność (współczynnik temperaturowy rezystywności bardzo mały)
Stopy wykonane z Cu i Mn charakteryzują się lepszymi własnościami niż stopy Cu i Ni, lecz są od nich droższe. Przedstawicielami stopów wykonanych z Cu i Mn jest manganin, stopów wykonanych z Cu i Ni jest konstantan. Rezystory pomiarowe wykonuje się z taśm.
Materiałem używanym na elementy rezystywne pomiarowe są stopy miedzi i manganu (zawierają one również niewielkie ilości niklu lub aluminium) oraz miedzi i niklu.
Przyrządem służącym do pomiarów temperatury jest termopara. Zasadą jej działania jest przetwarzanie bezpośrednio wielkości nieelektrycznej - temperatury na wielkość elektryczną
– napięcie.
Materiały rezystywne regulacyjne
Do rezystorów regulacyjnych zaliczamy:
rezystory suwakowe laboratoryjne,
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
- 3 -
rezystory rozruchowe,
rezystory regulujące obroty silnika,
regulatory oświetlenia.
Przy wytwarzaniu rezystorów przemysłowych używa się tańszego materiału jakim jest nikielina. W wypadku dużych obiektów np. regulatorów silników oraz rezystorów rozruchowych używa się żeliwa stopowego
Materiały rezystywne grzejne
Wymaganiom stawianym materiałom rezystywnym grzejnym jest wysoki współczynnik odporności na działanie wysokich temperatur. Charakteryzują się one obok wysokiej temperatury topnienia tym, że na swojej powierzchni tworzą warstwy tlenków chroniące je przed dalszą korozją.
Elementy oporowe wykonuje się z taśm lub drutów nieizolowanych. Do materiałów oporowych zaliczamy:
nichromy (Ni+Cr),
ferronichromy (Fe+Ni+Cr),
ferrochromale (Fe+Cr+Al).
Materiały oporowe grzejne można znaleźć w urządzeniach do użytku:
przemysłowego,
domowego.
Elementy oporowe
Rezystory służą głównie do rozpraszania energii. Dzieli się je najczęściej na rezystory: drutowe, warstwowe, objętościowe oraz cienkowarstwowe. Mogą one być nastawne jak i nienastawne.
Materiały oporowe dzieli się na:
metalowe – charakteryzują się tym, że maja dodatni TWR
(temperaturowy
współczynnik rezystancji) znaczy to, że ich rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury,
niemetalowe – mają ujemny współczynnik TWR (analogicznie do
przykładu
wyżej - wraz ze wzrostem temperatury ich rezystancja
maleje).
Rezystor - charakteryzuje się tym, że przepływającemu przezeń prądowi towarzyszy przemiana energii elektrycznej w energię cieplną. Zasadniczo rozróżnia się trzy podstawowe typy rezystorów:
drutowe,
warstwowe,
objętościowe.
Rozróżniamy różne rodzaje rezystorów występujących w elektronice:
rezystory drutowe stałe,
rezystory zmienne drutowe powszechnego użytku,
rezystory drutowe precyzyjne,
rezystory linearne specjalne,
rezystory stałe niedrutowe,
rezystory zmienne niedrutowe,
termistory,
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
- 4 -
warystory,
fotorezystory.
Termistory
są rezystorami półprzewodnikowymi odznaczającymi się tym, że ich rezystancja bardzo silnie zależy od temperatury
Termistory są także stosowane jako:
generatory bardzo powolnych drgań,
układy różniczkujące,
przerzutniki dwustabilne
Warystor
jest ciekawym typem rezystora, jego wartość zależy od wielkości doprowadzonego napięcia, czyli jest rezystorem nielinearnym
Warystory są stosowane do:
zabezpieczania obwodów elektrycznych przed przepięciami,
do stabilizacji napięć stałych,
ochrony styków,
odtwarzania zależności funkcyjnych,
powielania częstotliwości i inne
Fotorezystory
to elementy półprzewodnikowe, gdzie następuje zmiana konduktancji pod wpływem oświetlenia.
Obecnie wykonuje się na szeroką skale fotorezystory:
ze związków kadmu na zakres widzialny promieniowania,
ze związków ołowiu na zakres podczerwieni,
ze związków międzymetalicznych na zakres podczerwieni,
z germanu i krzemu domieszkowanego na daleką podczerwień
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7