Как работает резистор

В металлическом или плёночном резистивном элементе носители заряда движутся под действием электрического поля, но их движение не является свободным. Взаимодействие с атомами кристаллической решётки, примесями и дефектами материала препятствует направленному движению. На уровне электрической цепи это проявляется как сопротивление.

Значение сопротивления зависит от удельного сопротивления материала, длины токопроводящего пути и площади его поперечного сечения. Длинный и тонкий резистивный слой обычно имеет большее сопротивление, чем короткий и широкий слой из того же материала. Производитель управляет этими параметрами, подбирая состав и геометрию резистивного элемента.

Поэтому номинал определяется не размером корпуса сам по себе. Два внешне похожих резистора могут иметь разные сопротивления, а одинаковый номинал может выпускаться в разных корпусах и технологиях.

Для участка цепи связь трёх величин описывает закон Ома. Если сопротивление сохраняется постоянным, ток равен приложенному напряжению, делённому на сопротивление.

Например, при напряжении 5 В на резисторе 1 кОм расчётный ток составляет 5 мА. Это значение справедливо для самого рассматриваемого участка. В реальной схеме ток также зависит от источника питания, сопротивления остальных компонентов и способа их соединения.

Закон Ома описывает установившийся режим линейного резистора. При заметном нагреве сопротивление может измениться, а для нелинейных компонентов простое соотношение между напряжением и током уже не охватывает всё поведение цепи.

Когда ток проходит через резистор, потенциалы на его выводах различаются. Эту разность называют падением напряжения. Она определяется током и сопротивлением: чем больше ток при неизменном номинале, тем больше напряжение между выводами.

Резистор не «забирает» фиксированное напряжение независимо от схемы. Падение устанавливается только после включения компонента в конкретную цепь. Если изменится ток, источник питания или сопротивление других участков, напряжение на резисторе также изменится.

В последовательной цепи сумма падений напряжения на элементах равна напряжению источника. Благодаря этому свойству резисторы используют в делителях напряжения, цепях смещения и узлах измерения. Подключённая к делителю нагрузка становится частью цепи и может изменить рассчитанное выходное напряжение.

При прохождении тока электрическая энергия рассеивается в резистивном элементе и переходит преимущественно в тепло. Рассеиваемую мощность можно определить несколькими эквивалентными формулами:

Температура корпуса зависит не только от рассчитанной мощности. На неё влияют размер и конструкция резистора, температура окружающей среды, движение воздуха, печатная плата и соседние источники тепла. После включения температура растёт, пока выделяемая и отводимая мощности не придут к равновесию.

Номинальная мощность указывает допустимый режим при условиях, заданных производителем, а не температуру или запас для любой установки. При повышенной температуре окружающей среды допустимая нагрузка часто уменьшается по графику снижения мощности в даташите.

В цепи постоянного тока после завершения переходных процессов напряжение и ток обычно не меняются во времени. Для линейного резистора их отношение определяется сопротивлением, поэтому расчёт выполняют непосредственно по закону Ома.

В идеальной модели резистор ведёт себя так же и при переменном токе: ток и напряжение совпадают по фазе, а сопротивление не зависит от частоты. Такая модель достаточна для многих низкочастотных и бытовых расчётов.

У реального компонента есть паразитная индуктивность выводов и токопроводящего пути, а также паразитная ёмкость между его частями. На высокой частоте их влияние может стать сопоставимым с заданным сопротивлением. Проволочные, выводные и SMD-резисторы при этом ведут себя по-разному, поэтому для высокочастотной схемы проверяют импеданс и частотные характеристики конкретной серии.

Идеальный резистор характеризуется одним неизменным сопротивлением. Реальный компонент имеет допуск номинала, температурный коэффициент, предельную мощность и максимальное рабочее напряжение. Эти ограничения зависят от технологии изготовления и конкретной серии.

Сопротивление может немного изменяться при нагреве, старении и длительной электрической нагрузке. В чувствительных измерительных цепях также учитывают собственный шум, стабильность, влияние влажности и напряжения. Для импульсных режимов важна не только средняя мощность, но и допустимая энергия одиночного или повторяющегося импульса.

Паразитные ёмкость и индуктивность почти незаметны в простых цепях постоянного тока, но могут влиять на работу высокочастотных и быстродействующих схем. Поэтому номинал в омах является только первым параметром: окончательное соответствие проверяют по даташиту выбранного резистора.