Схема электронного замка с резистором в качестве ключа, с защитой от перебора

Действие этого замка очень похоже на то как работают современные электронные замки с так называемыми ключами-таблетками. Ключ такого замка внешне похож на батарейку от электронных часов, вставленную в удобную для переноски оправу. На передней панели замка располагаются контакты, к которым нужно приложить данную «таблетку».

Внутри настоящей «ключ-таблетки» находится узел памяти, в который записан определенный последовательный код. При подключении «таблетки» контроллер замка считывает этот код.

В моем замке внутри «таблетки» находится обычный постоянный резистор, определенного сопротивления. Величина этого сопротивления является ключом к открыванию замка.

Когда вы подключаете «таблетку» с резистором к контактам замка, его схема измеряет сопротивление данного резистора, и если оно соответствует заданному, замок срабатывает (включает отпорный механизм или выключает сигнализацию).

Конечно, мой замок не обладает столь огромным числом кодовых комбинаций как микроконтроллерный, но и он может быть весьма эффективным.

Взломщик-специалист будет с помощью компьютера пытаться подобрать код, и потерпит неудачу, поскольку невозможно подобрать то, чего нет.

А «трагладит» в любом случае будет работать ломом. А чтобы сопротивление было невозможно подобрать экспериментальным путем (или подключив переменный резистор) в моем замке есть схема, блокирующая его триггер на насколько секунд, если к нему подключен резистор, близкого к кодовому сопротивления. Из-за этой задержки подбор кодового сопротивления станет делом очень долгим и неблагодарным.

Принципиальная схема

Принципиальная схема показана на рисунке. Схема задания кода состоит из источника стабильного напряжения 1,25V, имеющегося в микросхеме А1 (вывод 7), и делителя напряжения, состоящего из резистора ключа Rx и резистора R1.

Рис. 1. Принципиальная схема электронного замка с ключом-резистором и схемой защиты от перебора.

Выбрав желаемое сопротивление Rx, подбирают сопротивление R1 таким образом, чтобы при подключенном ключе-резисторе (Rx) открывался ключ, выведенный на вывод 14 А1. Микросхема А1 включена по схеме индикатора светящейся точкой (dot), поэтому, другие ключи в это время будут закрыты.

Все ключи, кроме одного, который открывается при подключении ключа-резистора, соединены вместе и нагружены резистором R5. Сопротивление этого резистора выбрано так, чтобы при открывании ключа не работал внутренний токоограничитель микросхемы и напряжение на данном выводе падало до уровня логического нуля. Аналогичный резистор — R6 подключен к ключу на выв.14.

Таким образом, когда к Х1 не подключено ничего (или сопротивление резистора слишком велико) на всех выходах А1 логические единицы. Триггер D1.1-D1.2 остается в установившемся положении (а при включении питания за счет емкости С2 он принудительно устанавливается в единицу).

Если будет подключено сопротивление, близкое к кодовому, но не кодовое, откроется один из ключей, но не ключ на выводе 14 А1. и на соединенных вместе выходах А1 возникнет логический ноль.

Диод VD1 откроется и разрядит конденсатор С2. Напряжение на С2 будет соответствовать логическому нулю, но из-за относительно большого сопротивления R7 конденсатор не сможет сразу же зарядиться до логической единицы.

Именно поэтому триггер D1.1-D1.2 будет несколько секунд принудительно удерживаться в единичном состоянии, и это состояние не будет меняться даже при подключении правильного ключа. Это мешает подбору ключа.

И наконец, при подключении правильного ключа (при условии, что С2 заряжен до уровня логической единицы), нуль возникает на выводе 14 А1 и это переключает триггер в нулевое состояние. Цепь R8-C3 устраняет сбои в работе замка от дребезга контактов Х1.

Для перевода замка в запертое состояние нужно либо выключить и включить питание, либо нажать и отпустить кнопку S1.

Исполнительное устройство включается посредством электромагнитного реле К1. При отпирании замка реле может включаться или выключаться, — это зависит от положения перемычки Л (на схеме Л показана в положении, при котором реле выключается).

Налаживание

Налаживание несложно. Сначала нужно выбрать сопротивление Rx (в пределах, примерно, 5-20 кОм), затем подключить Rx и подобрать сопротивление R1 так, чтобы на выводе 14 А1 был логический ноль.

С этой целью предварительно R1 можно заменить переменным, поворачивая его выбрать два крайних положения, при нахождении движка резистора между которыми на выводе 14 А1 имеется единица. Затем переменный резистор установить в среднее, между этими, положение.

Измерить сопротивление точным омметром и заменить переменный резистор постоянным такого сопротивления. Возможно резистор R1 придется составить из нескольких резисторов, чтобы получить нужно сопротивление.

Лыжин Р. РК-03-08.

Когда не помогает ЦАП. Цифровые потенциометры в деталях. Часть первая / Хабр

Прогресс не обошёл стороной не только велосипед. Сегодня традиционные переменные и подстроечные резисторы в очень многих приложениях уступают место цифровым сопротивлениям. В англоязычных источниках их называют digital potentiometer, RDAC или digiPOT. Область применения этих устройств гораздо шире регулировки уровня звукового сигнала. В частности они приходят на помощь в очень многих случаях, когда требуется изменять параметры обратной связи, что трудно реализовать с помощью традиционных ЦАП.

Особенно эффективно их применение в связке с операционными усилителями. Так можно получить регулируемые усилительные каскады, преобразователи разного рода величин, фильтры, интеграторы, источники напряжения и тока и многое многое другое. Словом эти очень недорогие и компактные устройства могут быть полезными каждому разработчику электроники и радиолюбителю…

Изначально я хотел написать краткую статью, но в результате углубленного изучения темы материал с трудом уместился в две части. Сегодня я постараюсь рассказать об архитектуре данных устройств, их возможностях, ограничениях использования и тенденциях развития. В заключении вскользь затрону тему областей применения, поскольку конкретные примеры практической реализации схем на их основе будут рассмотрены во второй части. МНОГО примеров!

Лично я за последние пять лет с успехом применял цифровые сопротивления в нескольких своих разработках, надеюсь что данный цикл статей окажется полезным для многих и поможет вам решать многие задачи более изящно и просто, чем сегодня. Людям, далёким от разработки электроники данная статья может просто расширить кругозор, показав как эволюционируют под натиском цифровых технологий даже такие простейшие вещи, как переменные резисторы.

P.S.Так получилось, что уже вышла ещё одна статья из этой серии и в ней пример всего один, зато подробно разобранный. Для остальных обещанных примеров придётся писать третью.

Архитектура.

Для того, чтобы понять как работает данное устройство обратимся к функциональной схеме. На ней изображена аналоговая часть цифрового 8 битного сопротивления.

Основа прибора — 255 резисторов одинакового номинала и выполненные по технологии КМОП двунаправленные электронных ключи. Цифровое значение в интервале 0-255 записывается в регистр с которого подаётся на дешифратор. В зависимости от значения, сохранённого в регистре, срабатывает один из ключей, подключающий средний вывод W к выбранной точке в линейной матрице сопротивлений Rs. Ещё два ключа служат для подключения крайних выводов А и В. С их помощью прибор может переходить в неактивный режим.

Выводы А и В — аналоги крайних выводов переменного сопротивления, W — среднего вывода к которому у обычных переменных резисторов крепится движок.

Возможные схемы включения также аналогичны традиционным переменным сопротивлениям…

Рассмотрим как устанавливается требуемое сопротивление на примере 10 килоомного резистора. Для начала вычислим значение каждого из резисторов сборки, необходимых для формирования такого сопротивления Rs=10000/256=39,06 Oм. Допустим, мы пытаемся регулировать сопротивление между выводами W и B. Для получения нуля запишем это значение в управляющий регистр, но вместо желаемого нуля получим сопротивление в 100 Ом. Почему? Дело в том, что каждый из контактов прибора имеет своё внутреннее сопротивление и в рассматриваемом случае оно равно 50 Ом, поэтому и минимальное значение, которое можно получить с помощью данного потенциометра равно не нулю, а ста Омам — сопротивлению контактов W и B. Записав в регистр единицу получим 50+50+39=139 Ом.

В общем случае вычислить сопротивление между выводами W и B в зависимости от значения регистра D можно по формуле:

где:

• D — значение регистра от 0 до 255
• Rab — номинальное сопротивление
• Rw — сопротивление одного контакта

Нетрудно догадаться что сопротивление между выводами W и А вычисляется как

Интерфейсы подключения.

Рассмотрим теперь функциональную диаграмму всего устройства, имеющего интерфейс I2C.

Тут некоторые вопросы может вызвать только вывод AD0. Он предназначен для возможности применения в одном канале I2C одновременно двух потенциометров. В зависимости от того, находится ли на нём логический ноль или единица, меняется адрес устройства на шине I2C. Схема подключения двух микросхем на одну шину показана ниже.

Кроме интерфейса I2C, для управления данными приборами часто используется SPI интерфейс. В этом случае также существует возможность управления несколькими устройствами по одной шине. Для этого они объединяются в цепочку. Например так:

В данном режиме буферный регистр записи значений работает как сдвиговый. Каждый новый бит поступает на вход DIN и по стробу с SCLK записывается в его младший разряд. Одновременно бит старшего разряда выходит наружу через вывод SDO и переходит в следующий прибор в цепочке. После того, как записана информация во все устройства, поступает импульс стробирования SYNC, по которому новые значения регистров всех приборов входящих в цепочку перезаписывается из буферного в рабочий регистрор. Очевидный недостаток подобного решения — не существует способа записать информацию в отдельно взятый прибор. Для любого изменения значений требуется обновить содержание регистров во всей цепочке.

Для решения подобного рода проблем, а так же экономии конечной цены решения изготавливают микросхемы, включающие в свой состав два, четыре и даже 6 цифровых сопротивлений одновременно.

Рабочие напряжение и ток

Пожалуй, самым существенным недостатком первых разработок было ограниченное напряжение, допустимое на выводах. Оно не должно превышать напряжения питания которое могло лежать в диапазоне от 2.7 до 5.5В, а главное не могло уходить в отрицательную область, из-за чего применение микросхем ограничивалось устройствами с однополярным питанием. Первым делом инженеры решили проблему двуполярности. Так появились приборы, способные работать как от однополярного напряжения вплоть до 5,5 Вольт, так и поддерживающие режим двуполярного питания вплоть до ± 2.75В. Затем стали появляться версии с максимальным питанием ±5.5 и даже ±16,5(до 33 вольт однополярного у AD5291/5292). Конечно по этому параметру традиционные сопротивления до сих пор сильно выигрывают, но для подавляющего большинства схем и 33 вольт вполне достаточно.

Тем не менее, какое бы максимальное напряжение не поддерживал прибор, в случае если имеется возможность его выхода за пределы допустимого, следует применить хотя бы простейшую защиту с помощью диодов или супрессоров.

Ещё одной серьёзной проблемой является низкий максимальный рабочий ток цифровых сопротивлений, который обусловлен в первую очередь их малыми размерами. Без риска деградации с течением времени средний постоянный ток для большинства моделей не должен превышать 3 мА. В случае, если протекающий ток имеет импульсный характер, его максимальное значение может быть выше.

Борьба за точность. Технология управляемого хаоса

К сожалению, существующая технология изготовления допускает возможность отклонения сопротивления интегральных резисторов, применяемыx в цифровых сопротивлениях, вплоть до 20 процентов от номинала. Однако, внутри одной партии и тем более одного конкретного прибора разница сопротивлений не превышает 0.1%. Для того, чтобы повысить точность установки, производитель стал измерять сопротивление резисторов как минимум на каждой пластине и прописывать в энергонезависимую память каждой из микросхем не номинальное, а реальное сопротивление, которое получилось в ходе производства, с точностью до 0.01 процента. Подобный механизм позволяет в частности в микросхемах AD5229/5235 вычислить реальную точность установки сопротивления c погрешностью недостижимой даже в многооборотных подстроечных резисторах — 0.01 процент. Основываясь на этом можно скорректировать операцию декодирования цифрового кода в сопротивление. Предположим, что элементарное сопротивление имеет значение 100 Ом. Тогда, чтобы выставить сопротивление в 1K вы устанавливаете в цифровом регистре 10. Но если в реальном приборе сопротивления имеют отклонение от номинала в большую сторону и равны 110 Ом, то при уровне 10 вы получите 1,1K. Однако, считав реальное значение сопротивления микроконтроллер может пересчитать код и подаст в действительности на дешифратор вместо десяти код 9. Тогда мы получим в реальности 9*110= 990 Ом.

Кроме этого, AD запатентовала технологию калибровки значения сопротивлений с точностью 1%. К сожалению, я так и не смог найти информации каков её механизм работы.

Для увеличения дискретности установки сопротивления были разработаны приборы с 10 битным дешифратором, обеспечивающие 1024 шага регулировки. Дальнейшее увеличение этого параметра можно достичь используя последовательное или параллельное соединение двух цифровых сопротивлений с разным номиналом.

Температурная стабильность

Тут всё совсем не плохо. Применение резисторов, изготавливаемых по плёночным технологиям позволяет достичь уровня дрейфа не превышающего 35ppm/°C (0,0035%). Существуют приборы с термокомпенсацией, температурный дрейф которых находится на уровне 10ppm/°C. По этому параметру цифровые сопротивления превосходят многие движковые аналоги. Для приложений, в которых данный параметр не актуален, можно выбирать более дешёвые приборы с полупроводниковыми резисторами у которых дрейф находится на уровне 600 ppm/°C.

Рабочий температурный диапазон большинства приборов от ADI находится в пределах от -40°C до +125°C, что достаточно для подавляющего большинства приложений.

Ряд доступных сопротивлений.

Конечно, тут не наблюдается такого разнообразия как у традиционных движковых резисторов, тем не менее есть из чего выбрать. Таблица ниже иллюстрирует зависимость доступных сопротивлений от разрядности прибора.

Искажение сигнала

Основные искажения, сигнала вносимые цифровыми усилителями можно разделить на два класса.

• Гармонические искажения или на западный манер total harmonic distortion (THD).

Эти искажения возрастают с увеличением приложенного напряжения. Получить представление о их типичных значениях можно из следующей таблицы, составленной для микросхем AD9252…

В отдельных случаях этот вид искажений может возрастать до -60 dB

• Искажения вызванные нелинейностью АЧХ.

Контактные площадки, электронные ключи и сами элементарные сопротивления имеют конечную паразитную ёмкость. В результате цифровые сопротивления являются своеобразным фильтром ФНЧ и на высоких частотах их сопротивление сигналу увеличивается.

Влияние этого эффекта возрастает с увеличением сопротивления прибора. В таблице ниже показано на какой частоте наблюдается ослабление сигнала на 3 децибела для разных сопротивлений разных номиналов.

Для большей наглядности приведу ещё графики зависимости передачи сигнала от установленного уровня сопротивления для микросхем AD5291 с разными номиналами 20 и 100 килоом.

Таким образом, получается что чем выше номинал сопротивления, тем ниже его рабочая частота.

“Фишечки” эволюции

Производители пытаются сделать работу с прибором наиболее комфортной, изобретая разные приятные мелочи. В результате цифровые сопротивления обзавелись внутренней энергонезависимой памятью, как однократно, так и многократно программируемой.

Главное её предназначение — хранения начального значения сопротивления, которое автоматически устанавливается сразу после включения питания. Первые модели электронных резисторов устанавливались при подаче питания в среднее положение, потом появилась дополнительная ножка для сброса в ноль, затем уровень стало можно задавать с помощью записанного в память значения. В наиболее продвинутых моделях в память можно записать несколько предустановленных значений, между которыми потом пользователь может быстро переключаться нажатием кнопок.

Кстати о кнопках — в некоторых моделях добавили две кнопочки для пошагового увеличения / уменьшения сопротивления.

Кроме этого, появился интерфейс для подключения энкодеров.

Что бы ещё улучшить?

Можно пофантазировать в каком направлении будет развиваться прогресс в производстве цифровых сопротивлений.

Для достижения большей точности может измениться система коммутации.

Например, добавив в традиционную схему всего одно сопротивление в параллельном включении, ну хорошо, два. Ещё одно в верхнее плечо для симметрии — можно увеличить точность установки сопротивлений в два раза! Объединение же в одной корпусе двух приборов даст возможность увеличения дискретности и точности в несколько раз.

Введение в корпус простейшего микроконтроллера, управляющего дишифратором позволит на основе реального значения полученных сопротивлений создать программу переключения для установки сопротивления прибора с очень большой точностью — 0.1% и выше. Интегрировав в такие приборы датчик температуры можно ввести компенсацию для сохранения линейности в очень широком температурном диапазоне. Возможно появление аналогов частотнокомпенсированных сопротивлений для HiFi аппаратуры, которые будут представлять из себя несколько сопротивлений в одном корпусе. Одно из них будет использоваться для регулировки уровня громкости, а другие для частотной компенсации.

Области применения

Конкретные схемотехнические решения на основе цифровых сопротивлений я приведу в следующей части статьи, пока же просто рассмотрим области применения.

Конечно, прежде всего приходит на ум усилители с регулируемым коэффициентом усиления.

В результате повышения точности установки значений, стало возможным применение электронных сопротивления в схемах управления уровнем усиления инструментальных усилителей.

Автоматическое или программное изменение контрастности жидкокристаллического индикатора можно организовать с помощью электронного сопротивления номиналом 10 Килоом.

На основе цифровых сопротивлений легко реализовывать управляемые фильтры. Фильтры высоких порядков часто требуют по несколько задающих резисторов одинаковых номиналов. Это очень удобно реализовать с помощью приборов, содержащих несколько сопротивлений в одном корпусе, поскольку в этом случае мы получаем отличную повторяемость. На рисунке приведена упрощённая схема простейшего управляемого ФНЧ.

Логарифмический усилитель, со сравнительно высоким напряжением питания, на основе AD5292.

Программно управляемый стабилизатор напряжения.

Линейный ряд от ADI

В заключении приведу полную список доступных на сегодня электронных потенциометров от компании Analog Devices. При этом следует отметить, что подобные приборы выпускает далеко не только эта фирма. Например, MAXIM также давно делает неплохие микросхемы.

Для начала приборы, которые не поддерживают программирование пользователем.

В заключении программируемые приборы. При выбора конкретной модели стоит обращать внимание на то что они бывают как однократно программируемыми, так и поддерживающими репрограммирование. Причём большое количество циклов обеспечивают только микросхемы с памятью выполненной по технологии EEPROM.

На этом заканчиваю обзор. Следующая статья будет посвящена рассмотрению практических схем с применением цифровых сопротивлений.

P.S. Так получилось, что уже вышлаещё одна статья из этой серии и в ней пример всего один, зато подробно разобранный. Для остальных обещанных примеров придётся писать третью.

Цифровой переменный резистор MCP41XXX/42XXX с интерфейсом SPI | hardware

Микросхемы MCP41XXX/MCP42XXX компании Microschip это электронный переменный резистор, управляемый последовательными данными через интерфейс SPI. У него может быть 1 или 2 канала и дополнительные входы для сброса, выключения, а также цифровой выход для каскадирования таких устройств в цепочку по данным управления (количество каналов и наличие дополнительных выводов зависит от типа корпуса устройства).

Примечание: здесь дан перевод даташита [1] с акцентом на программирование и применение. Таблицы с электрическими, предельно допустимыми параметрами и параметрами диаграмм времени см. в оригинальном даташите.

[Основные возможности цифрового потенциометра]

• У каждого канала потенциометра имеется 256 положений «движка».
• Значения сопротивления могут быть 10 kΩ, 50 kΩ и 100 kΩ.
• Есть одноканальные и двухканальные версии микросхемы.
• Последовательный интерфейс SPI (режимы 0,0 и 1,1).
• Интегральная нелинейность (INL) дифференциальная нелинейность (DNL) составляют ±1 вес младшего разряда (LSB).
• Применена технологий Low power CMOS, в статическом режиме ток потребления составляет максимум 1 μA.
• Несколько микросхем могут быть соединены в одну цепочку каскадирования по передаче данных.
• Одно напряжение питания (2.7 .. 5.5V).
• Индустриальное исполнение для диапазона температур: -40° .. +85°C.
• Расширенный температурный диапазон: -40° .. +125°C.
• Функция выключения открывают схемы для всех резисторов для максимальной экономии энергии питания.

Только для двухканальных версий MCP42XXX:

• Аппаратные выводы выключения ~SHDN, сброса ~RS и выхода данных SO.

Версии MCP41XXX являются одноканальными устройствами, поставляемыми в 8-выводных корпусах PDIP или SOIC. Версии MCP42XXX содержат 2 независимых канала в 14-выводных корпусах PDIP, SOIC или TSSOP. Позиция «движка» резисторов MCP41XXX/42XXX меняется по линейному закону и под управлением стандартного интерфейса SPI. Функция выключения (shutdown), активируемая программно, работает таким образом, что вывод A переменного резистора отключается, и одновременно «движок» W подсоединяется к выводу B. Дополнительно двухканальные версии электронного потенциометра MCP42XXX имеют вывод ~SHDN, который выполняет ту же функцию, но аппаратно. Во время режима shutdown содержимое регистра положения движка может быть изменено, и тогда потенциометр вернется из состояния shutdown в новое положение движка.

Движок сбрасывается в среднюю позицию 80h после включения питания. Вывод ~RS (reset, сброс, доступен только в двухканальных версиях MCP42XXX) реализует аппаратный сброс, возвращая движок резистора в среднее положение.

Интерфейс SPI микросхем версий MCP42XXX имеет 2 сигнала SI и SO (вход и выход), позволяя каскадировать последовательно несколько устройств.

Сопротивления каналов MCP42XXX отличаются не больше, чем на 1%.

Цоколевка корпусов PDIP8, SOIC8:

Цоколевка корпусов PDIP14, SOIC14, TSSOP14:

[Описание выводов]

Имя	Описание
PB0, PB1	Вывод B потенциометра. Клемма переменного резистора, которая обычно при использовании подключается к земле.
PA0, PA1	Вывод A потенциометра. Клемма переменного резистора, на которую обычно подается регулируемый сигнал.
PW0, PW1	«Движок» потенциометра/переменного резистора.
~CS	Это вывод входа для выборки порта SPI (chip select), который используется для загрузки команды и данных в регистр сдвига и копирования загруженных данных в из регистра сдвига в регистр (или регистры) потенциометра (потенциометров). Сигнал этого вывода проходит через триггер Шмитта.
SCK	Это вывод входа тактов порта SPI, и он используется для последовательной загрузки в микросхему команды и данных. Данные вдвигаются в вывод SI по положительному перепаду SCK (0 -> 1), и выходят наружу через вывод SO по отрицательному перепаду SCK (1 -> 0). Этот вывод активизируется сигналов вывода ~CS (например, микросхема почти не потребляет ток, если вывод SCK переключается, когда на выводе ~CS уровень лог. 1). Сигнал с вывода SCK проходит через триггер Шмитта.
SI	Это вход для поступления последовательных данных порта SPI. Байты команды и данных вдвигаются в регистр сдвига через этот вывод. Действие входа SI управляется сигналом вывода ~CS (микросхема не потребляет ток и не реагирует на входные данные, когда они меняются на выводе SI, если вывод ~CS находится в лог. 1). Сигнал на вывод SI проходит через триггер Шмитта.
SO	Это выход последовательных данных порта SPI, предназначенный для соединения нескольких микросхем в цепочку. Данные выдвигаются наружу через вывод SO по спаду сигнала тактов SCK. Выход SO является двухтактным, и он не переходит в третье состояние, когда на входе ~CS лог. 1. Если на ~CS лог. 1, то на выходе SO будет лог. 0.
~RS	Это вход сброса, который переводит состояние потенциометров в среднее положение (код 80h), если на этом выводе появился лог. 0 на время как минимум 150 нс. Этот вывод не переключается в лог. 0, когда ~CS переключается в лог. 0. Можно переключить вход сброса, когда ~SHDN находится в лог. 0. Чтобы снизить потребление тока, вход сброса должен быть подтянут к лог. 1 через резистор pull-up. Производительность этой схемы показана на рис. 2-12 даташита [1]. Этот вывод будет потреблять нежелательный ток, когда находится на уровне между лог. 0 и лог. 1, поэтому не оставляйте вход сброса в подвешенном состоянии.
~SHDN	Это аппаратный вход выключения, снабженный триггером Шмитта. Если перевести этот вывод в лог. 0, то микросхема перейдет в энергосберегающий режим, в котором вывод A переменных резисторов отключается, а выводы B и W замыкаются друг на друга. Вход ~SHDN не должен переходить в лог. 0, когда вывод ~CS находится в лог. 0. Чтобы минимизировать потребление энергии, этот вывод должен иметь верхнюю подтяжку (резистор pull-up). Производительность этой схемы показана на рис. 2-12 даташита [1]. Этот вывод будет потреблять нежелательный ток, когда находится на уровне между лог. 0 и лог. 1, поэтому не оставляйте вход сброса в подвешенном состоянии.
VSS	GND, земля, минус питания и общий провод для всех цифровых сигналов.
VDD	+ питания.

[4.0. Информация по применению]

Устройства MCP41XXX/MCP42XXX это одноканальные и двухканальные потенциометры с 256 положениями, которые можно использовать вместо обычных механических. Доступны номиналы 10 кОм, 50 кОм и 100 кОм. Как показано на рис. 4-1, каждый потенциометр построен из как массив переключаемых резисторов, управляемый 8-битным (отсюда 256 позиций) регистром данных, который определяет положение «движка». Номинальное сопротивление движка составляет 52 Ом для 10 кОм версии, 125 Ом для 50 кОм версии и 100 кОм версии. Для двухканальных устройств различия по сопротивлению между каналами составляет не более 1%. Сопротивление между движком и любым из крайних выводов резистора линейно меняется в зависимости от значения, сохраненное в регистре данных. Код 00h соединяет движок W с выводом B. После включения питания все регистры данных автоматически загружаются средним значением (80h). Последовательный интерфейс предоставляет способ загрузить данные в регистр сдвига, после чего переместить их в регистры данных. Последовательный интерфейс также позволяет перевести отдельные потенциометры в режим выключения (shutdown mode) для минимизации потребления энергии. Вывод ~SHDN может также может использоваться для перевода всех потенциометров в shutdown mode (программно можно задавать shutdown mode индивидуально для каждого из потенциометров), и предоставляется вывод ~RS для установки потенциометров в среднее положение mid-scale (80h).

Shutdown отключает вывод A и подключает движок W к выводу B, без изменения состояния регистров данных.

Когда разводится печатная плата с использованием цифровых потенциометров, должны использоваться блокирующие конденсаторы. Они должны быть подключены максимально близко к выводам питания микросхемы. Рекомендуется использовать конденсатор номиналом 0.1 мкФ. Цифровые и аналоговые проводники должны быть максимально удалены друг от друга на плате, желательно, чтобы не было проводников под корпусом микросхемы или под корпусом конденсатора. Особое внимание должно быть уделено проводникам с высокочастотными сигналами (такие как сигналы тактов), чтобы они как можно дальше проходили от проводников с аналоговыми сигналами. Использование аналоговой заливки рекомендуется, чтобы удерживать потенциал земли одинаковым для всех устройств на плате.

4.1. Режимы работы. Приложения с цифровым потенциометром можно поделить на 2 категории: режим реостата и потенциометра, или режим делителя напряжения.

4.1.1. Режим реостатата. В этом режиме потенциометр используется как двухвыводный резистивный элемент (переменный резистор). Не используемый вывод должен быть соединен с движком, как показано на рис. 4-2. Обратите внимание, что смена полярности выводов A и B не влияет на работу потенциометра в режиме реостата (смена полярности просто поменяет действие записываемых кодов).

Рис. 4-2. Конфигурация реостата с двумя выводами. Работает в схеме как переменный резистивный элемент, сопротивление которого меняется под управлением цифрового кода.

Использование устройства в этом режиме позволяет менять общее сопротивление между двумя узлами схемы. Общее измеренное сопротивление будет минимальным для кода 00h, когда движок W соединен с выводом A, и переместился к выводу B. Сопротивление при этом будет равно сопротивлению движка, что составит типично 52Ω для 10 kΩ устройств MCP4X010, 125Ω для 50 kΩ (MCP4X050) и 100 kΩ (MCP4X100) устройств. Для 10 kΩ устройства вес младшего разряда регулирования 39.0625Ω (если предположить общее сопротивление 10 kΩ). Сопротивление будет расти при увеличении кода, и будет максимальным 9985.94Ω для кода FFh. Движок никогда не будет соединен напрямую с точкой B стека резисторов.

В состоянии 00h общее сопротивление будет равно сопротивлению движка W. Чтобы избежать повреждения микросхемы следует ограничить ток через переменный цифровой резистор значением 1 mA.

Для двухканальных устройств разница сопротивления точек A и B между каналами составит меньше 1%. Однако между разными микросхемами несовпадение может составлять до 30%.

В режиме реостата сопротивление имеет положительный температурный коэффициент. Изменение сопротивление между движком и крайним выводом в зависимости от температуры показано на рис. 2-8 даташита [1]. Наибольшее изменение из-за температуры будут происходить для 6% кодов (в диапазоне 00h .. 0Fh) из-за того, что коэффициент сопротивления движка влияет на общее сопротивление. Для оставшихся кодов доминантным будет вклад температурного коэффициента массива резисторов R_AB, который обычно составляет 800 ppm/°C.

4.1.2. Режим потенциометра. В режиме потенциометра все 3 вывода устройства подключаются к разным точкам схемы. Это позволяет менять напряжение на движке (выходе) пропорционально коду. Этот режим иногда называют режимом делителя напряжения. Потенциометр используется для предоставления настраиваемого напряжения между двумя точками, как показано на рис. 4-3. Обратите внимание, что изменение полярности выводов A и B не влияет на работу (смена полярности просто поменяет действие записываемых кодов).

Рис. 4-3. Режим делителя напряжения (потенциометра).

В этой конфигурации соотношение внутреннего сопротивления определяется температурным коэффициентом устройства. Совпадение по температурному коэффициенту сопротивлений R_AB и R_WB составляет 1 ppm/°C (измерено для кода 80h). Для кодов с меньшими значениями температурный коэффициент движка будет доминировать. Рис. 2-3 даташита [1] показывает эффект температурного коэффициента движка. Выше младших кодов этот рисунок показывает, то 70% состояний даст температурный коэффициент меньше 5 ppm/°C. 30% состояний дадут ppm/°C меньше 1.

4.2. Типовые применения

4.2.1. Программируемые усилители с несимметричным выходом. Потенциометры часто используют для настройки уровней опорного напряжения или усиления. Схемы с программируемым усилением на основе цифровых потенциометров могут быть реализованы разными способами. Пример инвертирующего усилителя с одним источником питания показан на рис. 4-4. Из-за высокого входного сопротивления усилителя сопротивление движка не участвует в передаточной функции.

VOUT = -VIN * (RB/RA) + VREF * (1 + RB/RA)

Здесь:

     RAB*(256 – Dn)            RAB * Dn
RA = --------------       RB = --------
          256                     256
          
RAB = общее сопротивление канала
Dn = настройка движка (Dn = 0 .. 255)

Рис. 4-4. Инвертирующий программируемый усилитель с однополярным питанием.

Для не инвертирующего усилителя с однополярным питанием может быть использована схема на рис. 4-5.

VOUT = VIN * (1 + RB/RA)

Здесь:

     RAB*(256 – Dn)            RAB * Dn
RA = --------------       RB = --------
          256                     256
          
RAB = общее сопротивление канала
Dn = настройка движка (Dn = 0 .. 255)

Рис. 4-5. Не инвертирующий программируемый усилитель с однополярным питанием.

Чтобы эти схемы работали правильно, необходимо учесть некоторые моменты. Для линейной работы сигналы на входе и выходе не должны уходить за пределы уровней выводов VSS и VDD микросхемы потенциометра и не должны быть превышены пределы входных и выходных сигналов операционного усилителя. Схема на рис. 4-4 требует виртуальной земли или опорного напряжения для не инвертирующего усилителя. Для дополнительной информации обратитесь к апноуту 682 «Using Single-Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems» (DS00682). При включении питания или поступления сигнала сброса (~RS), сопротивление установится в среднее положение, когда сопротивление плеч R_A и R_B равны. На основе передаточной функции схемы усиление составит 1. Когда код увеличивается, движок перемещается в сторону вывода A, и усиление увеличивается. Соответственно когда движок перемещается к выводу B, усиление уменьшается. Рис. 4-6 показывает эту зависимость. Обратите внимание на псевдо-логарифмическое усиление вокруг десятичного кода 128. По мене приближения движка к любому из выводов крутизна изменения усиления резко возрастает. Из-за несовпадения величин R_A и R_B для крайних старших и младших кодов малое изменение позиции движка очень сильно влияет на усиления. Как показано на рис. 4-3, рекомендуется использовать изменение коэффициента усиления в диапазоне от 0.1 до 10.

Рис. 4-6. Зависимость усиления от кода для схем инвертирующего и дифференциального усилителей.

4.2.2. Программируемый дифференциальный усилитель. Пример усилителя с дифференциальным входом, где используются цифровые потенциометры, показан на рис. 4-7. Для поддержки передаточной функции в оба канала резистора должны быть запрограммированы одинаковым кодом. Точное соответствие по сопротивлению между каналами сдвоенного резистора может быть использовано как достоинство для этой схемы. Эта схема покажет также стабильную работу в зависимости от температуры из-за низкого температурного коэффициента потенциометра. На рис. 4-6 также показана зависимость между усилением и кодом для этой схемы. Когда движок приближается к любому из выводов потенциометра, с каждым новым шагом усиление меняется очень значительно, поэтому рекомендуется менять коэффициент усиления в диапазоне между 0.1 и 10.

VOUT = (VA - VB) * RB/RA

Здесь:

     RAB*(256 – Dn)            RAB * Dn
RA = --------------       RB = --------
          256                     256
          
RAB = общее сопротивление канала
Dn = настройка движка (Dn = 0 .. 255)

Замечание: сопротивления каналов RAB должны быть одинаковые (каналы из одного корпуса MCP42XXX).

Рис. 4-7. Дифференциальный усилитель с однополярным питанием.

4.2.3. Программируемая подстройка смещения. Для приложений, где требуется только программируемое опорное напряжение, можно использовать схему на рис. 4-8. Эта схема показывает устройство, используемое в режиме потенциометра (делителя напряжения) с двумя дополнительными резисторами и буферным усилителем. Это создает линейную зависимость между выходным напряжением и программируемым кодом. Резисторы R1 и R2 могут использоваться для уменьшения или увеличения веса шага регулирования. Потенциометр в этом режиме работает стабильно при изменениях температуры. Температурная зависимость этой схемы показана на рис. 2-3 даташита [1]. Самые плохие показатели для температурной зависимости будут для нижних и верхних кодов из-за того, что начинает оказывать влияние сопротивление движка. R1 и R2 также используются для изменения границ напряжения, таким образом может быть снижена необходимость использования этих крайних кодов.

Рис. 4-8. Номиналы R1 и R2 меняют разрешающую способность схемы и пределы регулирования выходного напряжения.

4.3. Вычисление сопротивлений. Когда программируются настройки цифрового потенциометра, используются следующие выражения для получения сопротивлений. Код 00h соответствует крайнему положению движка максимально близко к выводу B, оставляя только сопротивление движка. Программирование кодов близко к FFh приближают движок к выводу A потенциометра. Выражения на рис. 4-9 могут использоваться для вычисления сопротивлений плеч.

RWA(Dn) = (RAB * (256 - Dn) / 256) + RW

RWB(Dn) = (RAB * Dn / 256) + RW

Здесь:

PA ножка A потенциометра
PB ножка B потенциометра
PW движок потенциометра
RWA сопротивление между выводом A и движком
RWB сопротивление между выводом B и движком
RAB общее сопротивление резистора (10 kΩ, 50 kΩ или 100 kΩ)
RW сопротивление движка
Dn 8-битное значение в регистре данных для потенциометра n

Рис. 4-9. Сопротивление плеч потенциометра является функцией кода. Следует заметить, что при использовании этих выражений для большинства схем усилителей с обратной связью (как на рис. 4-4 и 4-5) сопротивление движка можно опустить из-за высокого входного сопротивления усилителя.

Рис. 4-10 показывает пример вычислений для 10 kΩ потенциометра.

R = 10 kΩ
Код = C0h = 192
 

RWA(Dn) = (RAB * (256 - Dn) / 256) + RW
RWA(C0h) = (10kΩ * (256 - 192) / 256) + 52Ω = 2552Ω

RWB(Dn) = (RAB * Dn / 256) + RW
RWB(C0h) = (10kΩ * 192 / 256) + 52Ω = 7552Ω

Рис. 4-10. Пример расчетов сопротивления.

[5.0. Последовательный интерфейс]

Обмен данными между микроконтроллером и цифровым резистором MCP41XXX/42XXX осуществляется через последовательный интерфейс SPI. Этот интерфейс использует 3 команды:

1. Запись нового значения в регистр (регистры) данных потенциометра.
2. Перевод канала в низкопотребляющий режим выключения (low power shutdown mode).
3. Команда NOP (No Operation, пустая операция).

Выполнение любой команды происходит переводом сигнала ~CS в лог. 0, после чего вдвигается байт команды, за которым идет байт данных. Эти данные попадают в 16-битный регистр сдвига. Команда выполняется после того, как сигнал ~CS переводится в лог. 1. Данные вдвигаются через вывод SI по спаду тактов SCK, и выдвигаются на выход через вывод SO, см. рис. 5-1.

Примечание: не все микросхемы имеют вывод SO, это зависит от корпуса.

Рис. 5.1. Диаграмма сигналов для записи инструкций или данных в цифровой потенциометр.

Примечания к рис. 5-1: значения бит данных, помеченных крестиком X, не имеют значения. Всегда должно быть нацело поделенное на 16 количество тактов, когда сигнал ~CS находится в лог. 0, иначе команды не будут приняты устройством. Последовательный выход данных SO доступен только для двухканальной версии микросхемы MCP42XXX. Для одноканальной версии микросхемы MCP41XXX бит P1 не имеет значения.

Устройство отслеживает количество тактов (перепадов от 0 -> 1), пока сигнал ~CS находится в лог. 0, и оборвет все команды, если количество пришедших тактов не будет делиться нацело на 16.

5.1. Байт команды. Первый отправляемый байт всегда байт команды, за которым идет байт данных. Байт команды содержит 2 бита выбора команды и 2 бита выбора потенциометра. Содержимое не используемых бит игнорируется (биты ‘don’t care’, т. е. не имеет значения). Биты выбора команд суммарно описываются на рис. 5-2. Биты выбора команды C1 и C0 (биты 4:5) определяют, какая команда будет выполнена. Если биты команд оба 0 или 1, то будет выполнена команда NOP, как только загружены все 16 бит. Эта команда полезна в конфигурации, когда несколько микросхем соединены в цепочку. Когда биты команды 01, то будет выполнена команда с 8 битами, отправленными в байте данных. Данные будут записаны в потенциометр, определенный битами выбора потенциометра. Если биты команды 10, то будет выполнена команда shutdown на потенциометрах, определенных этими битами выбора потенциометра.

Для устройств MCP42XXX биты выбора потенциометра P1 и P0 (биты 0:1) определяют, на какие потенциометры действует команда. Соответствующая лог. 1 в позиции обозначает, что выполняется команда для этого потенциометра, в то время как лог. 0 обозначает, что команда не будет влиять на этот потенциометр (см. рис. 5-2).

D15	D14	D13	D12	D11	D10	D9	D8
X	X	C1	C0	X	X	P1	P2

Рис. 5-2. Формат байта команды.

Биты C1C0 задают команду:

C1	C0	Команда	Описание
0	0	None	Пустая команда (не будет выполнено никаких действий).
0	1	Write Data	В регистр данных выбранного потенциометра (определяется состоянием бит P1P0) будут записано 8 бит данных, которые идут за командой (D7..D0).
1	0	Shutdown	Потенциометры, выбранные битами P1P0, будут переведены в состояние «выключено» (Shutdown Mode). Биты данных (D7..D0) для этой команды не имеют значения.
1	1	None	Пустая команда (не будет выполнено никаких действий).

Биты P1P0 выбирают потенциометры:

P1	P0	Выбор канала потенциометров
0	0	Пустой выбор: команда не повлияет на состояние потенциометров.
0	1	Команда выполнится для потенциометра 0.
1	0	Команда выполнится для потенциометра 1.
1	1	Команда выполнится для обоих потенциометров.

5.2. Запись данных в регистры. Когда новые данные записаны в один или большее количество регистров данных потенциометра, за командой записи идет байт данных с новым значением. Команда выбирается битами C1C0, установленными в 01. Биты выбора потенциометра P1 и P0 позволяют новому значению записаться в potentiometer 0, potentiometer 1 (или в них оба) одной командой. Лог. 1 либо для P1, либо для P0 приведет к записи данных в соответствующий регистр данных потенциометра, и лог. 0 не окажет изменения, данные этого потенциометра не поменяется. См. суммарное описание формата команды на рис. 5-2.

5.3. Использование команды Shutdown. Команда shutdown позволяет перевести схему приложение в режим низкого потребления тока (power-saving mode). В этом режиме выводы отключены, и ножки потенциометра B и W замкнуты друг на друга. Эта команда выбирается, когда биты команды C1C0 установлены в 10. Биты выбора потенциометра P1 и P0 позволяют выключить каждый потенциометр независимо друг от друга. Если либо P1, либо P0 в лог. 1, то соответствующий потенциометр перейдет в режим shutdown. Лог. 0 для P1 или P0 не окажет эффекта. 8 бит данных, которые идут за командой, все еще нужны для передачи команды shutdown, но их содержимое не имеет значения. См. суммарное описание формата команды на рис. 5-2.

Как только определенный потенциометр вошел в режим shutdown, он будет оставаться в нем, пока не произойдет следующее:

• Новое значение записано в регистр данных потенциометра, при этом вывод ~SHDN должен быть в лог. 1. Устройство будет оставаться в режиме shutdown до перепада 0 -> на выводе ~CS, после чего устройство выйдет из режима shutdown, и новое значение будет записано в регистр (регистры) данных. Если вывод ~SHDN находится в лог. 0, когда принято новое значение, то регистры все-таки получат новое значение, но устройство останется в режиме shutdown. Этот сценарий подразумевает, что принята допустимая команда. Если принята недопустимая команда, то она будет игнорирована, и устройство останется в режиме shutdown.

Примечание: иногда у микросхемы нет вывода ~SHDN, тогда подразумевается, что он всегда находится в состоянии лог. 0. Это зависит от корпуса микросхемы — если корпус имеет 8 выводов, то нет не только вывода ~SHDN, но также нет выводов ~SHDN и сброса ~RS. Поэтому все, что написано дальше, к этим микросхемам не относиться.

Также можно использовать аппаратный вывод выключения (shutdown pin) и вывод сброса (reset pin) для вывода устройства из программно активированного режима выключения. Чтобы сделать это, сначала должен быть выдан импульс лог. 0 на выводе выборки. Для нескольких устройств использование общего вывод ~SHDN или RESET позволяет с помощью выборки перевести вывести из shutdown только нужную микросхему. См. рис. 1-3 диаграммы сигналов. С предварительной подачей импульса выборки может возникнуть одна из ситуаций для вывода устройства из программного shutdown:

• На выводе ~RS появляется импульс лог. 0 на время как минимум 150 нс, при этом ~SHDN должен быть в лог. 1. Если вывод ~SHDN в лог. 0, то регистры все еще будут установлены в среднее значение, но устройство останется в режиме shutdown. Это условие подразумевает, что ~CS находится в лог. 1, так как перевод вывода ~RS в лог. 0 при выводе ~CS в лог. 0 приведет к недопустимому состоянию, и результаты будут непредсказуемы.

• Перепад 0 -> 1 на выводе ~SHDN, который произошел после уровня лог. 0 как минимум 100 нс, когда вывод ~CS был в лог. 1. Переключение ~SHDN в лог. 0, когда ~CS в лог. 0 это недопустимое состояние, которое приведет к непредсказуемым результатам.

• Устройство выключено и потом снова включено.

Примечание: аппаратный вывод ~SHDN всегда переведет устройство в режим shutdown, независимо от того, переведен ли потенциометр в режим shutdown программной командой.

Когда устройство выключено, регистры данных устанавливаются в среднее значение (80h). Схема сброса при включении питания используется для гарантии, что после включения устройства оно окажется в известном состоянии.

5.8. Использование MCP41XXX/42XXX в SPI Mode 11. Можно работать с устройствами в режимах SPI 00 и 11. Разница между этими режимами только в том, что когда используется режим 11, такты остаются в режиме ожидания в состоянии лог. 1, в то время как в режиме 00 такты остаются в режиме ожидания в лог. 0. В обоих режима данные вдвигаются в устройство через вход SI по положительным перепадам SCK, и выдвигаются наружу через вывод SO по спадам уровня SCK. Операции с использованием режима 00 показаны на рис. 5-1. Пример на рис. 5-5 показывает режим 11.

Рис. 5-5. Диаграмма сигналов для работы в режиме SPI Mode 11.

[Ссылки]

1. MCP41XXX/42XXX Single/Dual Digital Potentiometer with SPI™ Interface site:microchip.com.
2. AD9833: программируемый генератор сигналов.

Автоматические электронные потенциометры и мосты

Автоматические электронные потенциометры и мосты

Категория:

Приборы для измерения температуры

Автоматические электронные потенциометры и мосты

Электронные автоматические потенциометры и уравновешенные мосты применяют для измерения, записи и регулирования температуры и других величин, изменение значений которых может быть преобразовано в напряжение постоянного тока или в изменение активного сопротивления.

Приборы состоят из трех основных узлов: измерительной схемы, электронного усилителя и отсчетного устройства. В основу работы автоматических потенциометров положен компенсационный метод измерения, основанный на уравновешивании измеряемой величины другой известной величиной. Компенсационный метод характеризуется высокой точностью измерения.

Типовая измерительная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 22. В одну диагональ мостовой схемы включен стабилизированный источник питания У2; в другую через нуль-индикатор У1 подается ЭДС датчика УЗ. Если измеряемая ЭДС равна падению напряжения на реохорде Rp, то к усилителю У1, выполняющему функцию нуль-индикатора, будет подведен нулевой сигнал и вся система будет находиться в равновесии. При изменении ЭДС датчика на величину, равную или большую чувствительности усилителя, на вход последнего подается напряжение расбаланса, которое после преобразования и усиления воздействует на уравновешивающий электродвигатель. Ротор последнего, вращаясь, перемещает движок реохорда до равновесного состояния схемы. Вращение выходного вала реверсивного электродвигателя с помощью механической передачи преобразуется в перемещение указателя.

Рис. 1. Измерительная схема автоматического потенциометра:

Так как каждому значению ЭДС датчика соответствует определенное положение движка реохорда и указателя, то в момент равновесия схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра.

Измерительная схема потенциометра состоит из резисторов, каждый из которых имеет свое назначение: Rp — сопротивление реохорда, уравновешивающего измерительную схему; Rm — сопротивление подгонки реохорда к эквивалентному сопротивлению; Ru – сопротивление подгонки начальной точки шкалы потенциометра; Rn — сопротивление подгонки конечной точки шкалы потенциометра; гн и гп — подгоночные сопротивления, выполненные в виде спиралей и представляющие собой части сопротивлений RH и Rn. измерительной схемы, кроме RM, изготовляют из стабилизированной манганиновой проволоки. Резистор RM выполнен из медной проволоки, имеющей большой температурный коэффициент сопротивления, и расположен в месте подключения компенсационных проводов к прибору. В результате этого резистор RM и свободные концы термопары находятся при одинаковой температуре и изменение ЭДС термопары за счет изменения температуры свободных концов компенсируется изменением падения напряжения на /?м вследствие изменения величины этого сопротивления. Таким образом, компенсация температуры свободных концов термопары осуществляется автоматически.

Рис. 2. Измерительная схема автоматического уравновешенного моста:

Уравновешивающим устройством в измерительных схемах потенциометров является реохорд, состоящий обычно из рабочей и токосъемной спиралей, выполненных из устойчивой к износу и коррозии вольфрамопалладиевой проволоки, намотанной на две изолированные медные шинки. Для повышения надежности работы схемы движок реохорда снабжают контактами, выполненными из сплава золото — серебро — медь. В основу работы электронных автоматических мостов положен нулевой метод измерения сопротивления. Типовая измерительная схема автоматического уравновешенного моста показана на рис. 23. Она построена по схеме уравновешенного моста, в одну диагональ которого включают источник постоянного или переменного тока, а в противоположную диагональ — электронный усилитель, управляющий работой асинхронного электродвигателя следящей системы.

Измерительная мостовая схема состоит из резисторов, каждый из которых имеет свое назначение: Rp — сопротивление спирали реохорда;
— сопротивление, служащее для подгонки сопротивления реохорда к эквивалентному сопротивлению. Сопротивления Rn и гп определяют пределы измерения прибора, причем Rn намотано на катушку, а гп — подгоночное сопротивление имеет вид спирали.

Сопротивления RH и гн служат для регулировки нижнего предела измерения. При этом гн — подгоночное сопротивление в виде спирали, являющееся частью сопротивления Резисторы Rl, R2 и R3 — плечи моста.

Сопротивление Rб служит для ограничения тока измерительной цепи. Сопротивления Rn предназначены для подгонки сопротивления соединительных проводов линии к определенному значению. RT — термопреобразователь сопротивления, изменение сопротивления которого пропорционально измеряемой температуре.

Для исключения температурной погрешности от изменения сопротивления внешней линии Rn подключение термопреобразователя сопротивления выполняют по трехпроводной схеме, т. е. точка питания моста переносится непосредственно к термопреобразователю сопротивления, в результате чего сопротивление линии распределяется на разные плечи моста.

Схема работает следующим образом. При изменении температуры контролируемого объекта изменяется сопротивление термопреобразователя сопротивления RT, в результате чего нарушается равновесие мостовой схемы. В измерительной диагонали моста появляется напряжение разбаланса, поступающее на усилитель У1, выполняющий роль нуль-индикатора. Напряжение разбаланса в усилителе усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного электродвигателя, ротор которого, вращаясь, перемещает движок реохорда до равновесного состояния схемы.

Вращение выходного вала реверсивного электродвигателя с помощью механической передачи преобразуется в перемещение указателя. Так как каждому значению термопреобразователя сопротивления соответствует определенное положение движка реохорда и указателя, то в момент равновесия схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра. Полярность сигнала зависит от величины сопротивления датчика по отношению к значению сопротивления реохорда в момент равновесия.

Уравновешивающим устройством в измерительных схемах мостов является калиброванный реохорд, аналогичный по своему устройству с реохордом, применяемым в автоматических потенциометрах.

Реклама:

Читать далее:

Типы и основные параметры автоматических электронных потенциометров

Статьи по теме:

Цифровые потенциометры — Компоненты и технологии

Цифровые потенциометры — альтернатива электромеханическим переменным резисторам. Их применение позволяет придать новые свойства электронным устройствам при одновременном уменьшении массогабаритных показателей и повышении надежности.

Практически каждая электронная схема содержит элементы, предназначенные для заводской подстройки характеристик или для оперативного управления ими пользователем аппаратуры. В подавляющем большинстве случаев для этих целей предназначены переменные резисторы, номенклатура которых весьма велика. Заменой электромеханическим резисторам с подвижным контактом, имеющим ограниченный ресурс, относительно большие габариты, требующим ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры (ЦП). Они тоже имеют свои ограничения по применению, однако при грамотном использовании способны заменить электромеханические устройства в подавляющем большинстве применений.

Структурная схема типичного цифрового потенциометра показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема цифрового потенциометра

Цепочка резисторов с отводами, коммутируемыми ключами, представляет собой собственно потенциометр с тремя выводами R_H, R_L и R_W. Положение движка R_W определяется позицией замкнутого ключа. Ключи управляются регистром (счетчиком) через дешифратор. Состояние счетчика изменяется через интерфейс входными логическими сигналами либо непосредственно, либо считыванием установленной в энергонезависимой памяти позиции. Управляющая логика обеспечивает заданный режим работы. ЦП должен иметь, по крайней мере, два вывода для подключения питающего напряжения — V_CC и GND. Для работы в двухполярном режиме требуется вывод для подключения источника отрицательной полярности V_SS. В некоторых ЦП, особенно предназначенных для использования при повышенных напряжениях, прикладываемых к резистивному элементу, могут присутствовать отдельные выводы для подключения к источнику питания аналоговой части V+ и V–. Для управления по соответствующей цифровой шине предназначено несколько интерфейсных выводов. От одного до четырех адресных выводов используется для присвоения индивидуального адреса ЦП при работе нескольких устройств на одной шине. Конкретный тип ЦП в зависимости от своих функциональных возможностей может иметь как более простую, так и более сложную схему.

Перечень фирм-производителей цифровых потенциометров, а также их основные характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Фирмы-производители цифровых потенциометров; * – У ЦП Summit специфическая схемотехника и ТКС в режиме потенциометра для большинства изделий не нормирован.

Номенклатура ЦП, представленная в таблице 2, предоставляет разработчику богатый выбор. Наиболее широкие возможности имеют ЦП от Analog Devices, Intersil и Maxim.

Схема включения

Большинство ЦП имеет три вывода от резистивного элемента, позволяющие включать устройство и потенциометром, и реостатом. Такие ЦП, как AD5246, AD5248, CAT5121, CAT5122, ISL90460, MAX5434, MCP4012, имеют только два вывода, позволяющие включать их только реостатом. AD5162, MAX5403_5, MAX5498_9 содержат один потенциометр и один реостат. В некоторых моделях, имеющих корпус с малым количеством выводов, к примеру ISL90460, ISL90462, вывод RL объединен с выводом GND, что несколько ограничивает схемотехнические возможности их применения. Обозначение выводов потенциометра RL и RH условно, определенно только, что с увеличением кода, управляющего потенциометром, растет сопротивление между выводами R_L и R_W.

Функциональная характеристика

Подавляющее большинство ЦП имеет линейную зависимость сопротивления от управляющего кода. Небольшая номенклатура ЦП имеет логарифмическую, как CAT5116, X9314, X9460, DS1866, MAX5407_11, или псевдологарифмическую, как DS1666, зависимость сопротивления от кода. Например, модели AD5231, AD5232, AD5235, AD5253_5 имеют две программируемые пользователем зависимости сопротивления — линейную и логарифмическую.

Номинальное сопротивление

Номинальное значение сопротивления резисторов находится в пределах от 1 до 1000 кОм. Нижний предел сопротивления ограничен как используемыми резистивными материалами, так и существенным увеличением влияния сопротивления движка. Большинство ЦП имеют номинальные значения сопротивления, равные 10, 50, 100 кОм. Потенциометры сопротивлением 1000 кОм производит только Analog Devices (AD5222, AD5241, AD5242). Отклонение сопротивления от номинального значения довольно значительно, в пределах ±(15–35)%, что объясняется сложностью производства точных резисторов по технологии интегральных схем.

Температурный коэффициент сопротивления

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) находится в пределах ±(15–850) ppm/°С. Нижнее значение параметра соответствует уровню наилучших по этой характеристике металлофольговых переменных резисторов, а верхнее значение намного лучше, чем у углеродистых переменных резисторов. Значительно меньше температурный коэффициент отношения сопротивлений (ТКОС) (температурный коэффициент делителя), равный ±(1–60) ppm/°С. Для некоторых типов цифровых потенциометров величина ТКОС весьма мала при значительном ТКС (для MCP410x и MCP420x ±1 и ±800 ppm/°С соответственно). Стоит отметить, что обычно ТКС нормируется для полного сопротивления, а ТКОС — в среднем положении движка, при этом приводятся типовые значения параметров, однако из этих правил есть исключения. Так, для AD5259 типовое значение ТКС в начальном и среднем положении движка равно соответственно 500 и 15 ppm/°C, а типовое значение ТКОС — 60 и 5 ppm/°C. Для большинства ЦП фирмы Catalist Semiconductor и части ЦП фирмы Intersil нормировано максимальное значение ТКОС, равное 20 ppm/°C.

Сопротивление движка

В ЦП отсутствует подвижный контакт к резистивному элементу, его функции выполняет набор электронных ключей, коммутирующий отводы от цепочки резисторов на вывод R_W. В качестве ключей используются МОП-транзисторы, а сопротивление канала выступает в роли контактного сопротивления (сопротивления движка). Его типовое значение для разных моделей ЦП находится в пределах от 15 Ом (для AD5233) до 1000 Ом (для MAX5436_9). Максимальное значение сопротивления движка превышает типовое в несколько раз. Сопротивление канала МОП-транзистора зависит от напряжения питания, имеет большой температурный дрейф, что осложняет применение ЦП, особенно в режиме реостата или при заметной нагрузке потенциометра.

Количество ступеней

Следующее отличие ЦП от электромеханических резисторов в дискретном характере изменения сопротивления. Поскольку резистивный элемент представляет собой цепочку резисторов с отводами, сопротивление изменяется скачками от ступени к ступени, а разрешающая способность зависит от количества ступеней, которых в различных моделях ЦП может быть от 8 до 1024. Ненулевая разрешающая способность характерна и для проволочных переменных резисторов, часто используемых в качестве регулировочных элементов в прецизионных устройствах. В диапазоне сопротивлений 10–50 кОм эквивалентное и лучшее разрешение по сравнению с проволочными переменными резисторами имеют ЦП с количеством ступеней 512 и 1024. Обычно для ЦП с несколькими потенциометрами в корпусе количество ступеней одинаково для всех потенциометров. DS1845, DS1855 имеют один потенциометр на 100 ступеней, второй на 256 ступеней, а DS1846 — два потенциометра на 100 ступеней, один на 256 ступеней.

Количество резисторов в корпусе

Конструктивно в одном корпусе объединяются от одного до шести резисторов. Шесть резисторов в корпусе имеют только AD5206 и DS3930, причем в последнем присутствуют общий для всех резисторов вывод R_L и два вывода R_H, каждый на группу из трех резисторов. Практически все ЦП имеют в корпусе резисторы с одинаковыми номинальными сопротивлениями. Исключение — DS1845, DS1846, DS1855, DS3902, DS3906, X9241AM, включающие от двух до четырех потенциометров различных номиналов. Некоторые модели с двумя и более резисторами в корпусе обладают хорошо согласованными характеристиками. Для всех ЦП Catalist Semiconductor и части ЦП Analog Devices нормировано максимальное различие в сопротивлениях потенциометров в корпусе не более 1%.

Нелинейность характеристики

Для ЦП с линейной характеристикой нормируются дифференциальные и интегральные нелинейности в единицах младшего значащего разряда при включении потенциометром и реостатом. Значения нелинейности при включении потенциометром не более 0,25–2 МЗР для интегральной нелинейности, и не более 0,2–1 МЗР для дифференциальной нелинейности. Нелинейности при включении реостатом обычно равны или несколько больше соответствующих значений при включении потенциометром. Для ЦП с логарифмической характеристикой обычно приведены максимальные отклонения в дБ от идеальной характеристики.

Память

Потенциометры, имеющие в своем составе энергонезависимую память EEPROM, при подаче питающих напряжений устанавливаются в определенное положение, программируемое при регулировке электронного устройства. Если ЦП не имеет встроенной энергонезависимой памяти, то при включении питания, как правило, его движок устанавливается в начальное положение в ЦП с логарифмической характеристикой и в среднее положение в ЦП с линейной характеристикой. В AD5228 предустановка в начальное или среднее положение при подаче питания программируется коммутацией соответствующего вывода. Все ЦП фирмы Winbond Electronics и большая часть ЦП фирм Catalist Semiconductor и Intersil имеют встроенную энергонезависимую память. Все ЦП фирм Austriamicrosystems и Microchip, напротив, не имеют такой памяти. Среди ЦП, выпускаемых Analog Devices и Maxim, есть однократно программируемые изделия. Такие ЦП после установки движка в требуемое положение можно перевести в состояние, при котором последующая регулировка будет уже невозможна.

Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)

Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)

Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)

Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)

Допустимое напряжение на выводах

Принципиальное отличие ЦП от переменных резисторов в том, что напряжение на выводах ЦП не может быть больше регламентированного. Для большинства моделей это напряжение не может превышать напряжения питания. Подавляющее большинство ЦП предназначены для работы с однополярным источником питания напряжением 3–5 В, соответственно и потенциалы на выводах должны находиться в пределах 0–3(5) В. Это ограничивает область применения ЦП, но с учетом тенденции снижения питающего напряжения аппаратуры мест, в которых переменные резисторы не могут быть заменены ЦП, остается все меньше. Потенциометры X9318, X9319 при напряжении питания 5 В имеют допустимый диапазон напряжений на выводах потенциометра 0–8 В и 0–10 В соответственно, а XISL95310, ISL95311 даже 0–13 В. ЦП AD5260, AD5262, AD5280, AD5282 при соответствующем напряжении питания в однополярном режиме допускают напряжения на выводах в пределах 0–15 В, а AD5290 и AD7376 — в пределах 0–30 В. X9313, X9314, X9511 и некоторые другие ЦП от Intersil при однополярном питании работоспособны и при отрицательных потенциалах на выводах потенциометра. Многие модели ЦП могут использоваться и с двухполярным питанием, обычно при этом номинальное напряжение источников питания вдвое меньше, чем при однополярном питании, или равно ему. Такие ЦП, как X9420, X9428, DS1808, MAX5436_9, и некоторые другие, требуют наряду с питанием цифровой части отдельного двухполярного источника для питания аналоговой части, напряжение которого и определяет допустимый диапазон напряжений на выводах потенциометра. Для MAX5436_9 допустимый диапазон напряжений питания аналоговой части в пределах ±(5–15) В.

Полоса пропускания

Эквивалентная схема ЦП с учетом паразитных емкостей показана на рис. 2. Коэффициент передачи делителя имеет частотную зависимость, с ростом частоты входного сигнала коэффициент передачи уменьшается. Для всех ЦП, выпускаемых Austriamicrosystems, Analog Devices, Winbond Electronics, части ЦП Catalist Semiconductor и Maxim нормировано типовое значение полосы пропускания на уровне –3 дБ в режиме делителя напряжения при среднем положении движка, что позволяет сравнивать частотные свойства ЦП. Чем меньше номинальное сопротивление ЦП, тем шире его полоса пропускания. Для оценки пригодности ЦП в конкретном приложении сширокополосным сигналом потребуется провести расчеты полосы пропускания для реально возможных коэффициентов передачи делителя на постоянном токе. Типовые значения емкостей приводятся в справочных данных, для большинства ЦП C_L = C_H = 10 пФ, C_W = 25 пФ. Однако для ЦП Austriamicrosystems и Analog Devices типовые значения CL(CH) = = 10–140 пФ, C_W = 35–150 пФ, а ЦП серий MCP41xxx, MCP42xxx от Microchip имеют рекордно малое значение C_W = 5,6 пФ. Заметная разница значений соответствующих емкостей для ЦП разных производителей может быть вызвана различиями в методиках измерения.

Рис. 2. Эквивалентная схема ЦП

Шумы, помехи и искажения

Для большинства ЦП нормируется уровень собственных шумов. Как правило, ЦП с меньшим значением номинального сопротивления характеризуются и меньшими шумами.

Для ЦП характерен эффект проникновения цифровых управляющих сигналов в цепь переменного резистора через паразитные емкости. Для однократных заводских регулировок это несущественно. Но для оперативных регулировок, когда появление помех нежелательно, например, для регулирования громкости в усилителе, следует использовать ЦП с нормированным уровнем помех.

Для некоторых многоканальных ЦП нормируется взаимовлияние сигналов переменного тока в разных каналах, например, для AD5262 этот показатель равен –64 дБ на частоте 10 кГц, а для X9460 соответственно –102 дБ на частоте 1 кГц.

Модуляция сопротивления канала коммутирующего МОП-транзистора вызывает нелинейные искажения сигнала в пределах 0,001–0,1%.

Интерфейс и адресация

Для управления ЦП используются в основном три типа управляющих шин: SPI, I²C и Up/Down. Для некоторых моделей интерфейсы называются 3-Wire и 2-Wire, чаще всего при этом обеспечена совместимость с SPI и I2C соответственно, но могут быть и исключения, которые отмечены в справочной документации на конкретную микросхему. Единственный ЦП, DS2890, имеет интерфейс 1-Wire, причем для исполнения в трехвыводном корпусе ТО-92 через один вывод обеспечивается питание и управление. У части моделей ЦП предусмотрено по две разных шины управления, например SPI+I2C (AD5161, AD5263), 2-Wire+Up/Down (X9455), SPI+Up/Down (MAX5482_5).

Интерфейс Up/Down предоставляет возможность управлять ЦП вручную с помощью кнопок и существует в нескольких версиях. В AD5228 двумя кнопками — Push-Up и Push-Down — можно увеличить или соответственно уменьшить номер позиции движка. AD5227, CAT5111, CAT5113, CAT5116, X9116, X93154, WMS71xx имеют три вывода управления: CS — выбор устройства, U/D — направление, CLK или INC — регулирование. В ЦП CAT5110, CAT5118_22, ISL90460_2, MCP4011_14 вывод CS предназначен для выбора направления регулирования, а вывод U/D — для регулирования.

Некоторые модели ЦП обладают возможностью адресации, что позволяет управлять группой потенциометров по одной управляющей цифровой шине. Наиболее распространенный способ адресации ЦП — коммутация в соответствующих комбинациях от одного до четырех адресных выводов на положительный полюс питания и на «землю». Этим обеспечивается работа на одной управляющей шине двух (X9420, X8421), четырех (AD5251_4, AD5259, CAT5132, CAT5411, ISL23711, ISL95311), восьми (X9428, ISL90840, DS1845) или шестнадцати (CAT5221, CAT5419) устройств. В AD5228 комбинацией уровней на двух адресных выводах с тремя состояниями можно задать девять адресов. MAX5417_19 имеют четыре установленных производителем адреса, определяемых буквенным суффиксом, коммутацией одного внешнего вывода адресация расширяется до восьми устройств. DS3902 позволяет записать в энергонезависимую память до 128 адресов. Каждый DS2890 имеет уникальный 64-битный идентификационный номер, записанный производителем.

Конструктивное исполнение и условия эксплуатации

ЦП выпускаются в различных корпусах в зависимости от функциональных возможностей и требуемого количества выводов. Для монтажа в отверстия предназначены единственный в своем роде DS2890 в трехвыводном ТО-92 и много моделей в пластиковых DIP-корпусах с числом выводов от 8 до 24. Большинство ЦП выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа: пяти-, шестивыводных SOT-23, SC-70 иMSOP, SO, TSSOP с числом выводов от 8 до 24. Есть модели в миниатюрных корпусах TDFN и BGA.

Диапазон рабочих температур для подавляющего большинства ЦП от –40 до +85 °С. Часть моделей ЦП фирм Catalist Semiconductor и Intersil выпускаются и для применения при температурах от 0 до +70 °С. Пожалуй, только Austriamicrosystems и Analog Devices изготовляют ЦП с более широким температурным диапазоном эксплуатации, вплоть до автомобильного: от –40 до +125 °С.

Дополнительные функциональные возможности

ЦП DS3904_5 включают три переменных резистора с объединенными с GND выводами R_L и ключами в каждом из выводов R_H, которыми резистор переводится в высокоимпедансное состояние. В MAX5437 и MAX5439 есть нескоммутированный операционный усилитель с возможностью отключения, а в SMP9512 — встроенный источник опорного напряжения. Для экономии электроэнергии некоторые модели ЦП Analog Devices (AD5200_1, AD5241_2, AD5260, AD5262, AD5280, AD5282) и Microchip (MCP41XXX, MCP42XXX) имеют вывод SHDN, позволяющий отключить управление. В некоторых ЦП (AD7376, MCP42XXX) предусмотрен вывод RS для установки движка в среднее положение. В AD5165 со сверхнизким энергопотреблением — инверсный вход выбора устройства CS для уменьшения энергопотребления. Наличие входа MODE позволяет изменять сопротивление двух потенциометров в AD5222 либо одновременно, либо порознь. Два встроенных диода в AD2850 предназначены для построения логарифмирующего усилителя. Для исключения влияния сопротивления нагрузки на характеристики потенциометра несколько типов ЦП фирмы Catalist Semiconductor (CAT5111, CAT5112 и др.) имеют на выходе буферный повторитель. Некоторые ЦП с интерфейсом SPI (AD5232, DS1867, WMS7201_4 и др.) оснащены выходами данных, позволяющими включать группу ЦП цепью с управлением по одной шине.

Среди множества моделей ЦП особое место занимают MAX5420, MAX5421, MAX5430, MAX5431, предназначенные для применения в усилителях с программируемым усилением, и MAX5426, предназначенный для применения в инструментальных усилителях с программируемым усилением. Все они имеют по четыре ступени, для них с очень высокой точностью нормируется отношение сопротивлений (0,025, 0,09 и 0,5 %) в рабочем диапазоне температур.

Области применения

С расширением номенклатуры ЦП, появлением моделей с дополнительными функциональными возможностями расширяется и сфера их применения. Вот лишь некоторые:

• оперативные и заводские регулировки в источниках опорного напряжения и источниках питания;
• регулировка смещения нуля операционных усилителей;
• регулировки «нуля» и «диапазона» в разнообразных датчиках;
• регулировки контрастности и подсветки в ЖК-индикаторах,
• управление яркостью светодиодов;
• оперативные и заводские регулировки в аудио- и видеоаппаратуре, в том числе управление громкостью и стереобалансом в аудиоаппаратуре среднего класса;
• управление частотой настройки, добротностью и усилением активных фильтров.

Схемы включения ЦП приведены как в справочных материалах на конкретные изделия, так и в многочисленных фирменных руководствах по применению. На рис. 3 изображена элегантная схема регулировки выходного напряжения импульсного стабилизатора напряжения. Характеристики стабилизатора слабо зависят от разброса номинального сопротивления ЦП и его ТКС.

Рис. 3. Применение ЦП в стабилизаторе напряжения

Имеющаяся номенклатура ЦП предоставляет разработчику богатый выбор. Самые широкие возможности имеют ЦП от Analog Devices, Intersil и Maxim.

Соединение резисторов. Типы соединений и формулы расчёта общего сопротивления резисторов.

Как правильно соединять резисторы?

О том, как соединять конденсаторы и рассчитывать их общую ёмкость уже рассказывалось на страницах сайта. А как соединять резисторы и посчитать их общее сопротивление? Именно об этом и будет рассказано в этой статье.

Резисторы есть в любой электронной схеме, причём их номинальное сопротивление может отличаться не в 2 – 3 раза, а в десятки и сотни раз. Так в схеме можно найти резистор на 1 Ом, и тут же неподалёку на 1000 Ом (1 кОм)!

Поэтому при сборке схемы либо ремонте электронного прибора может потребоваться резистор с определённым номинальным сопротивлением, а под рукой такого нет. В результате быстро найти подходящий резистор с нужным номиналом не всегда удаётся. Это обстоятельство тормозит процесс сборки схемы или ремонта. Выходом из такой ситуации может быть применение составного резистора.

Для того чтобы собрать составной резистор нужно соединить несколько резисторов параллельно или последовательно и тем самым получить нужное нам номинальное сопротивление. На практике это пригождается постоянно. Знания о правильном соединении резисторов и расчёте их общего сопротивления выручают и ремонтников, восстанавливающих неисправную электронику, и радиолюбителей, занятых сборкой своего электронного устройства.

Последовательное соединение резисторов.

В жизни последовательное соединение резисторов имеет вид:

Последовательно соединённые резисторы серии МЛТ

Принципиальная схема последовательного соединения выглядит так:

На схеме видно, что мы заменяем один резистор на несколько, общее сопротивление которых равно тому, который нам необходим.

Подсчитать общее сопротивление при последовательном соединении очень просто. Нужно сложить все номинальные сопротивления резисторов входящих в эту цепь. Взгляните на формулу.

Общее номинальное сопротивление составного резистора обозначено как R_общ.

Номинальные сопротивления резисторов включённых в цепь обозначаются как R₁, R₂, R₃,…R_N.

Применяя последовательное соединение, стоит помнить одно простое правило:

Из всех резисторов, соединённых последовательно главную роль играет тот, у которого самое большое сопротивление. Именно он в значительной степени влияет на общее сопротивление.

Что это значит?

Так, например, если мы соединяем три резистора, номинал которых равен 1, 10 и 100 Ом, то в результате мы получим составной на 111 Ом. Если убрать резистор на 100 Ом, то общее сопротивление цепочки резко уменьшиться до 11 Ом! А если убрать, к примеру, резистор на 10 Ом, то сопротивление будет уже 101 Ом. Как видим, резисторы с малыми сопротивлениями в последовательной цепи практически не влияют на общее сопротивление.

Параллельное соединение резисторов.

Можно соединять резисторы и параллельно:

Два резистора МЛТ-2, соединённых параллельно

Принципиальная схема параллельного соединения выглядит следующим образом:

Для того чтобы подсчитать общее сопротивление нескольких параллельно соединённых резисторов понадобиться знание формулы. Выглядит она вот так:

Эту формулу можно существенно упростить, если применять только два резистора. В таком случае формула примет вид:

Есть несколько простых правил, позволяющих без предварительного расчёта узнать, каково должно быть сопротивление двух резисторов, чтобы при их параллельном соединении получить то, которое требуется.

Если параллельно соединены два резистора с одинаковым сопротивлением, то общее сопротивление этих резисторов будет ровно в два раза меньше, чем сопротивление каждого из резисторов, входящих в эту цепочку.

Это правило исходит из простой формулы для расчёта общего сопротивления параллельной цепи, состоящей из резисторов одного номинала. Она очень проста. Нужно разделить номинальное сопротивление одного из резисторов на общее их количество:

Здесь R₁ – номинальное сопротивление резистора. N – количество резисторов с одинаковым номинальным сопротивлением.

Ознакомившись с приведёнными формулами, вы скажите, что все они справедливы для расчёта ёмкости параллельно и последовательно соединённых конденсаторов. Да, только в отношении конденсаторов всё действует с точностью до «наоборот”. Узнать подробнее о соединении конденсаторов можно здесь.

Проверим справедливость показанных здесь формул на простом эксперименте.

Возьмём два резистора МЛТ-2 на 3 и 47 Ом и соединим их последовательно. Затем измерим общее сопротивление получившейся цепи цифровым мультиметром. Как видим оно равно сумме сопротивлений резисторов, входящих в эту цепочку.

Замер общего сопротивления при последовательном соединении

Теперь соединим наши резисторы параллельно и замерим их общее сопротивление.

Измерение сопротивления при параллельном соединении

Как видим, результирующее сопротивление (2,9 Ом) меньше самого меньшего (3 Ом), входящего в цепочку. Отсюда вытекает ещё одно известное правило, которое можно применять на практике:

При параллельном соединении резисторов общее сопротивление цепи будет меньше наименьшего сопротивления, входящего в эту цепь.

Что ещё нужно учитывать при соединении резисторов?

Во-первых, обязательно учитывается их номинальная мощность. Например, нам нужно подобрать замену резистору на 100 Ом и мощностью 1 Вт. Возьмём два резистора по 50 Ом каждый и соединим их последовательно. На какую мощность рассеяния должны быть рассчитаны эти два резистора?

Поскольку через последовательно соединённые резисторы течёт один и тот же постоянный ток (допустим 0,1 А), а сопротивление каждого из них равно 50 Ом, тогда мощность рассеивания каждого из них должна быть не менее 0,5 Вт. В результате на каждом из них выделится по 0,5 Вт мощности. В сумме это и будет тот самый 1 Вт.

Данный пример достаточно грубоват. Поэтому, если есть сомнения, стоит брать резисторы с запасом по мощности.

Подробнее о мощности рассеивания резистора читайте тут.

Во-вторых, при соединении стоит использовать однотипные резисторы, например, серии МЛТ. Конечно, нет ничего плохого в том, чтобы брать разные. Это лишь рекомендация.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Четырехэлектродная схема — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Четырехэлектродная схема

Cтраница 1

Четырехэлектродная схема позволяет отделить цепь питания от цепи измерения и сделать их работу независимой друг от друга. Если через токопроводящие электроды 1 и 4 в цепи питания протекает ток неизменного значения, то через измерительные электроды 2 и 3 протекает ток в сотни раз меньший, который определяется величиной разбаланса между ячейками и входным сопротивлением электронного усилителя У.  [2]

Четырехэлектродная схема измерения позволяет развязать цепи питания и измерения в электродной системе. В то время, как через крайние токовые электроды 1, 4, 5 и 8, к которым подключается силовой трансформатор Тр, может протекать значительный ток ( порядка нескольких ма), через измерительные ( потенциальные) электроды 2, 3, 6 я 7 протекает ток в сотни раз меньший и определяется, в основном, величиной разбаланса между ячейками и входным сопротивлением электронного усилителя моста Ус. К тому же ток в измерительной цепи протекает лишь в момент разбаланса, а поскольку в приборе применена схема самобалансирующегося электронного моста, то в большую часть времени напряжения, действующие на усилитель, равны по величине и противоположны по направлению, и ток на потенциальных электродах равен нулю. Реверсивный электродвигатель РД непрерывно перемещает движок реохорда Rp и устраняет разбаланс моста.  [3]

При измерении по четырехэлектродной схеме, проводимом с поверхности, всегда получается усредненное удельное сопротивление грунта с охватом большого участка. Сопротивление сравнительно узко ограниченного слоя грунта или глинистой чечевицеобразной прослойки возможно только при погружении одного стержневого электрода.  [5]

Измерения проводятся по четырехэлектродной схеме на постоянном или низкочастотном переменном токе. Электроды А и В подключают к источнику тока.  [7]

Для проведения измерения по четырехэлектродной схеме могут быть использованы измерители заземления типа МС-08 или М-416, потенциометр типа ЭП-1 и другие приборы.  [8]

В приборе измерение электропроводности в точке замера производится также по четырехэлектродной схеме ( два внешних питающих и два внутренних измерительных) при отсутствии общей точки между цепями питания и измерения.  [9]

На рис. 13 приведена схема измерения удельного электрического сопротивления по четырехэлектродной схеме. Основными условиями минимальной погрешности определения рг являются обеспечение плоскопараллельного поля в ячейке и исключение поляризации электродов. Первое условие обеспечивается конструкцией ячейки и равномерной трамбовкой грунта, второе — выбором материалов для электродов ( чаще всего электроды изготовляют из свинца) и применением вольтметров с большим внутренним сопротивлением для уменьшения токов в измерительной цепи.  [11]

Определение удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях проводится по четырехэлектродной схеме на постоянном или низкочастотном переменном токе.  [13]

На рис. 13 приведена схема измерения удельного электрического сопротивления по четырехэлектродной схеме. Основными условиями минимальной погрешности определения рг являются обеспечение плоскопараллельного поля в ячейке и исключение поляризации электродов. Первое условие обеспечивается конструкцией ячейки и равномерной трамбовкой грунта, второе — выбором материалов для электродов ( чаще всего электроды изготовляют из свинца) и применением вольтметров с большим внутренним сопротивлением для уменьшения токов в измерительной цепи.  [15]

Страницы:      1    2

Что такое сопротивление? — Основы схемотехники

В предыдущих статьях мы обсуждали напряжение и ток. На этот раз мы поговорим о третьем фундаментальном понятии в электронике — сопротивлении. В самом простом определении сопротивление — это мера сопротивления току в электрической цепи. Но давайте подробнее рассмотрим, что это значит!

Немного истории

В 1827 году Джордж Ом открыл и ввел термин электрическое сопротивление.Эта концепция имеет сходные параллели с механическим термином «трение». После того, как Алессандро Вольта изобрел первую электрохимическую батарею, Ом использовал ее в качестве основы для многих своих экспериментов, которые включали установление взаимосвязи между разностью потенциалов и током. Он обнаружил, что ток и напряжение прямо пропорциональны, и это соотношение было названо законом Ома. Он обнаружил, что сопротивление — это соотношение между напряжением и током, как показано в его уравнении ниже:

Факторы, определяющие сопротивление

Сопротивление возникает, когда электроны не могут свободно перемещаться по проводнику.Обычно это происходит из-за отсутствия свободных валентных электронов во многих структурах. Это приводит к увеличению столкновений между электронами и ионами в материале. Когда происходят эти столкновения, кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую, поэтому, когда большие токи сталкиваются с высоким сопротивлением, выделяется много тепла.

На сопротивление проводника влияют три фактора:

• Длина проводника (L)
• Площадь поперечного сечения проводника (A)
• Удельное сопротивление материала проводника (ρ)

Это уравнение ниже показывает взаимосвязь между этими факторами:

Длина

Длина проводника влияет на значение его сопротивления.Чем длиннее проводник, тем больше сопротивление. Это потому, что электроны сталкиваются с большим количеством ионов по мере прохождения. Следовательно, длина проводника пропорциональна сопротивлению проводника.

Площадь поперечного сечения

Диаметр или площадь поперечного сечения проводника также влияет на значение его сопротивления. Чем больше диаметр провода или CSA проводника, тем меньше сопротивление проводника. Сопротивление возникает из-за столкновения ионов / электронов, и если CSA проводника увеличивается, зазор между электронами также увеличивается.Теперь это уменьшает количество происходящих столкновений, тем самым уменьшая сопротивление проводника.

Удельное сопротивление

Третий фактор, влияющий на сопротивление проводника, — это удельное сопротивление материала при прохождении тока (проводника). У разных материалов разные значения удельного сопротивления. Как показано в приведенном выше уравнении, сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению.

Резистор с Типичный резистор, используемый в схемах DIY

Резистор — это пассивный электрический компонент, который добавляет определенное значение сопротивления электрической цепи.Резисторы используются, среди прочего, для уменьшения протекания тока, регулировки напряжений. Резистор преобразует электрическую энергию в тепло и обычно состоит из нескольких медных витков. Толщина и длина этой медной катушки определяют фактическое значение сопротивления. Поэтому резисторы используются почти во всех электронных устройствах и гаджетах, поскольку они служат одним из самых фундаментальных компонентов электрических цепей.

Рассеиваемая мощность

Как упоминалось ранее, резисторы работают за счет рассеивания мощности путем преобразования электрической энергии в тепловую.Используйте следующее уравнение для расчета потерь мощности:

Определение потерь мощности резистора также важно, поскольку разные резисторы имеют разную номинальную мощность. Если расчетная потеря мощности резистора в цепи превышает номинальную мощность резистора, резистор, скорее всего, выйдет из строя из-за перегрева.

Пример задачи

Чтобы рассчитать мощность, рассеиваемую резистором в приведенной выше схеме, нам нужно определить величину тока, протекающего по цепи.Это можно рассчитать с помощью закона Ома, где I = V / R. Следовательно, 9/50 = 0,18 А. Используя уравнение P = IV, мы получаем, что мощность, рассеиваемая указанным выше резистором, составляет 1,62 Вт. Это означает, что номинальная мощность резистора должна быть больше 1,62 Вт, чтобы избежать перегрева.

Резисторы в схемах

Когда дело доходит до установки резисторов в цепи, существует две основные конфигурации: последовательно или параллельно.

Цепь серии

В последовательной цепи резисторы выстроены один за другим.В этой конфигурации ток по всей цепи остается постоянным. Однако разность потенциалов между каждым резистором может варьироваться в зависимости от номинала каждого резистора.

Используйте это уравнение, чтобы получить полное сопротивление в последовательной цепи:

Параллельные схемы

В параллельной цепи резисторы выстроены «параллельно» один за другим. В этой конфигурации падение напряжения на каждом резисторе остается постоянным.Однако ток на каждом резисторе может варьироваться в зависимости от номинала каждого резистора.

Используйте это уравнение, чтобы получить полное сопротивление в параллельной цепи:

17,3 Сопротивление | Электрические цепи

Сопротивление — это мера того, «насколько сложно» «протолкнуть» электричество через элемент схемы. Сопротивление также может применяться ко всей цепи.

Что вызывает сопротивление? (ESAFH)

На микроскопическом уровне электроны, движущиеся по проводнику, сталкиваются (или взаимодействуют) с частицами, из которых состоит проводник (металл).Когда они сталкиваются, они передают кинетическую энергию. Таким образом, электроны теряют кинетическую энергию и замедляются. Это приводит к сопротивлению. Передаваемая энергия вызывает нагрев резистора. Вы можете почувствовать это напрямую, если прикоснетесь к зарядному устройству мобильного телефона во время зарядки мобильного телефона — зарядное устройство нагревается, потому что в его цепях есть резисторы!

Примеры резисторов

Фотография oskay на Flickr.com

Сопротивление

Сопротивление замедляет прохождение заряда в цепи.Единицей измерения сопротивления является ом (Ом), который определяется как вольт на ампер тока.

Количество: Сопротивление R Единица: Ом Обозначение единицы: ω

\ [1 \ text {ohm} = 1 \ frac {\ text {volt}} {\ text {ampere}} \]

В люминесцентных лампах не используются тонкие провода; они используют тот факт, что некоторые газы светятся, когда через них протекает ток. Они намного эффективнее (гораздо меньшее сопротивление), чем лампочки.

Лампа накаливания

Фотография clagnut на Flickr.com

Все проводники имеют некоторое сопротивление. Например, кусок провода имеет меньшее сопротивление, чем электрическая лампочка, но оба имеют сопротивление.

Лампочка — это очень тонкий провод, окруженный стеклянным корпусом. Высокое сопротивление небольшого провода (нити) в лампочке заставляет электроны передавать большую часть своей кинетической энергии в виде тепла. Тепловой энергии достаточно, чтобы нить накаливания стала раскаленной добела, излучающей свет.

Провода, соединяющие лампу с элементом или батареей, почти не нагреваются при том же токе.Это связано с их гораздо меньшим сопротивлением из-за большего поперечного сечения (они толще).

Важным эффектом резистора является то, что он преобразует электрической энергии в другие формы тепловой энергии. Light энергия является побочным продуктом производимого тепла.

Существует особый тип проводника, называемый сверхпроводником , который не имеет сопротивления, но материалы, из которых состоят все известные сверхпроводники, становятся сверхпроводниками только при очень низких температурах.«Самым высокотемпературным» сверхпроводником является оксид ртути, бария, кальция, меди \ ((\ text {HgBa} _ {2} \ text {Ca} _ {2} \ text {Cu} _ {3} \ text {O} _ {\ text {x}}) \), который является сверхпроводящим для температур \ (- \ text {140} \) \ (\ text {℃} \) и ниже.

Физические атрибуты, влияющие на сопротивление [НЕ ЗАГЛАВНЫМИ БУКВАМИ]

Физические характеристики резистора влияют на его общее сопротивление.

• Длина : при увеличении длины резистора увеличивается его сопротивление.Обычно, если вы увеличиваете длину резистора в определенном разы, вы увеличиваете сопротивление во столько же раз.

• Ширина и высота или площадь поперечного сечения : если резистор обеспечивает больший путь, будучи сделанным шире или шире, то через него может протекать больший ток. Если общая площадь поверхности, через которую протекает ток (площадь поперечного сечения), увеличивается в раз, сопротивление обычно уменьшается в такой же раз.

Расширение: Для одиночного резистора это можно обозначить как

\ [R \ propto \ frac {L} {A} \]

, где \ (L \) — длина, а \ (A \) — площадь поперечного сечения.

Почему батарейки разряжаются?

Батарея хранит потенциальную химическую энергию. Когда он включен в цепь, внутри батареи происходит химическая реакция, которая преобразует химическую потенциальную энергию в электрическую энергию, которая заставляет электроны двигаться по цепи.Все элементы схемы (такие как токопроводящие провода, резисторы и лампочки) имеют некоторое сопротивление потоку заряда и преобразуют электрическую энергию в тепло и, в случае лампочки, в свет. Поскольку энергия всегда сохраняется, батарея разряжается, когда вся ее химическая потенциальная энергия была преобразована в другие формы энергии.

Резисторы в электрических цепях (ЭСАФИ)

Важно понимать, какое влияние добавление резисторов в цепь оказывает на общее сопротивление цепи и на ток, который может протекать в цепи.

Резистор — обзор | Темы ScienceDirect

2 Конфигурации для малошумящих предусилителей

Резисторный предусилитель с обратной связью использовался для обсуждения источников шума в каскаде предварительного усиления электронных спектрометрических систем с ограничением шума.

Резистор обратной связи используется в этой схеме для стабилизации работы усилителя на постоянном токе и обеспечения пути, по которому может быть отведен ток утечки детектора и полевого транзистора (см. Рис. 4).Целью альтернативных конфигураций является обеспечение механизма разрядки C _f при одновременном устранении шума, связанного с резистором обратной связи.

Предусилители с обратной связью по стоку, с «инжекционным электродом», со световой связью по постоянному току и с импульсной световой обратной связью (PLF) были исследованы в качестве замены традиционного резистивного предусилителя с обратной связью. Схематические диаграммы различных конфигураций схем показаны на рис. 8. Выбор конкретной конфигурации будет зависеть от конкретного приложения и дополнительных требований к таким параметрам, как электронный шум, пропускная способность, перекрестные помехи между соседними каналами или простота конструкции и реализации. .

РИС. 8. Структурные схемы цепей предусилителя: а — резисторная обратная связь; (б) обратная связь слива; (c) световая обратная связь постоянного тока; (г) импульсная световая обратная связь; (e) «инъекционная» обратная связь. Форма выходного сигнала каждого предусилителя показана справа как для низкой, так и для высокой скорости счета.

Из конфигураций, показанных на рис. 8, предусилитель с импульсной световой обратной связью привлек наибольшее внимание, потому что (1) в полевом транзисторе не течет дополнительный установившийся ток, (2) усилитель может отключаться во время светового импульса, что позволяет избежать любые искажения в выходном сигнале, и (3) он обеспечивает возможность высоких скоростей счета.Расчетная ширина шумовой линии (FWHM) в зависимости от времени обострения показана на рисунке 9. Уравнение (23) использовалось с I _D = 1 пА, I _г = 0,2 пА, R _p = 10 ¹⁵ Ом, R _fb = 50 G Ом, г _м = 5 мс, R _с = 0,67 / г _м , R _sd = 10 Ом, C _d = 0,75 пФ, C _дюйм = 3 пФ и w = 4.2 (HgI ₂ ). Значение 140 эВ (FWHM) использовалось для избыточного шума 1/ f из-за резистора обратной связи, шум генерации-рекомбинации не учитывался, и предполагалось треугольное формирование. Минимальная ширина линии шума 190 эВ для резисторной обратной связи и 110 эВ для импульсных предусилителей световой обратной связи была получена при соответствующих оптимальных временах формирования. Методом PLF для детекторов HgI ₂ получен электронный шум лучше 160 эВ. Разница между теоретическим и практически полученным результатом связана с избыточным шумом в других компонентах, который не был учтен в теоретических расчетах.

РИС. 9. Расчетная ширина шумовой линии (FWHM) в зависимости от времени обострения для HgI ₂ с резистивной обратной связью и предусилителями с импульсной световой обратной связью.

Принципиальная схема схемы PLF показана на рис. 10. В ранних проектах предусилителей PLF во входном каскаде использовался отдельный фотодиод (Goulding, Walton, and Malone, 1969), оптически связанный со светоизлучающим элементом. диод (LED). Было сразу обнаружено, что это увеличивает паразитную емкость и дополнительную утечку.Входной каскад современного PLF (Iwanczyk и др. , 1981, 1987) состоит из малошумящего полевого транзистора с высокой крутизной, такого как 4416 или Interfet SNJL01, который извлекается из корпуса и повторно изготавливается с использованием механических материалов, таких как ПТФЭ или керамика с низкой диэлектрической проницаемостью для уменьшения паразитной емкости, обеспечения низкого тока утечки и низкого поглощения влаги. Светодиод оптически связан непосредственно с полевым транзистором. Использование декантированных полевых транзисторов, а не самих микросхем IC, является предпочтительным, поскольку полевые транзисторы могут быть предварительно выбраны до изготовления малошумящей части.Структура светодиодов / полевых транзисторов может быть собрана в виде модульного компонента, который можно тестировать отдельно от остальной части предусилителя. Чтобы оптимизировать конструкцию входного каскада для систем с многоэлементными матричными детекторами, светодиоды могут быть установлены снаружи с интерфейсом к полевым транзисторам через оптические волокна.

РИС. 10. Принципиальная схема предусилителя импульсной световой обратной связи.

Конденсатор обратной связи C _fb обычно устанавливается рядом с входным полевым транзистором, проводя провод рядом с затвором полевого транзистора.Таким способом обычно достигается емкость обратной связи около 0,2 пФ. В предусилителе PLF ток утечки заряжает входную емкость (по существу, C _fb ), а на выходе происходит постоянное линейное изменение, как показано на рис. 8. Как только достигается заданное значение, установленное делителем резистора триггера Шмитта, Сработал драйвер светодиода. Генерируется световой импульс ( импульс сброса ), который светит на входной полевой транзистор, и C _fb разряжается. Это быстро возвращает выходное значение к исходному значению, и весь процесс начинается заново.Импульс запрета может быть сгенерирован для отключения дополнительных каскадов усиления во время импульса сброса. Некоторые коммерческие предусилители включают схему генерации запрещающего импульса. Выход предусилителя соединен со стандартным гауссовым или треугольным усилителем.

Скорость сброса предусилителя PLF может быть определена по разнице между током утечки детектора и током утечки затвора. Скорость сброса составляет

(24) Δt≈CfΔVΔi

, где C _f — емкость обратной связи, Δ В, — размах напряжения линейного нарастания, а Δ i — разница между током утечки детектора и полевым транзистором. ток утечки затвора.

Для тока утечки детектора около 1 пА и утечки затвора полевого транзистора около 0,2 пА можно определить, что размах сброса 2 В реализуется, если частота сброса составляет около 2 Гц, когда C _fb составляет 0,25 пФ .

Источники тока I ₁ и I ₂ на рис. 10 значительно улучшают шумовые характеристики предусилителя за счет точного регулирования тока в первой ступени предусилителя. Импульсы, генерируемые ионизацией в детекторе, вызывают протекание небольшого Δ I на первом этапе.Входное сопротивление источника тока I ₂ чрезвычайно велико, и на входе в двухтактный выходной каскад формируется относительно большой импульс напряжения.

Резистор

— Energy Education

Рис. 1. Пример углеродного резистора с цветовым кодом сопротивления. ^[1]

Резисторы — это электрические компоненты в электрической цепи, которые замедляют ток в цепи. Они намеренно теряют энергию в виде тепла или тепловой энергии.

Приборы, такие как электрические обогреватели, электрические духовки и тостеры, используют резисторы для преобразования тока в тепло, а затем используют тепло, теряемое этим резистором, для обогрева окружающей среды. Даже нить накаливания лампы накаливания является эффективным резистором, замедляющим ток и нагревающим провод до достаточно высокой температуры, чтобы он испускал свет. Этот испускаемый свет известен как излучение абсолютно черного тела.

Резисторы

также используются в электрических устройствах, таких как компьютеры и сотовые телефоны, для подавления нежелательных электрических сигналов.Это нелогично, но, несмотря на то, что энергия рассеивается с помощью сопротивления, резисторы абсолютно необходимы для правильного функционирования электроники. Они работают, чтобы гарантировать, что другие компоненты не будут иметь слишком большое напряжение или электрический ток.

Резисторы имеют сопротивление от нескольких Ом (Ом) до нескольких МОм (МОм = миллион Ом). Более подробную информацию о резисторах см. В разделе «Гиперфизика». Объяснение цветового кода, показанного на рисунке 1, можно найти здесь.

Типы резисторов

Рисунок 2. Переменные резисторы. ^[2]

Существует множество различных способов изготовления резистора, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения универсальности и стоимости. Можно увидеть два основных типа резисторов: переменные и фиксированные резисторы .

переменная

Переменные резисторы

, показанные на рисунке 2, представляют собой просто особый тип резистора, который можно настроить на любое омическое значение или уровень сопротивления в определенном диапазоне.

фиксированный

Эти резисторы являются наиболее распространенным типом резисторов и рассчитаны на сопротивление при определенном омическом значении — это просто означает, что они имеют одно связанное, заранее определенное значение сопротивления. Существует несколько типов постоянных резисторов, основным из которых является углеродный. Некоторые конкретные типы постоянных резисторов включают в себя:

Рис. 3. Резистор из углеродного состава с цветными полосами, показывающими сопротивление. ^[3]

• Углеродный состав : Этот тип резистора, показанный на Рисунке 3, имеет два металлических вывода, разделенных столбиком угольной пыли или графита посередине.Когда ток проходит мимо первого вывода, он достигает углеродного столба, который сопротивляется части движущегося заряда. Затем ток проходит по второму выводу при более низком значении тока, чем он был изначально. ^[4] Удельное сопротивление углеродного столба может быть изменено путем введения примесей, влияние на сопротивление зависит от добавленной примеси.
• Проволочная обмотка : Этот тип резистора имеет 2 вывода с витым проводом между ними для обеспечения сопротивления. Чем больше длина провода, тем большее сопротивление обеспечивается.Резисторы с проволочной обмоткой являются наиболее часто используемыми резисторами в приложениях с высокой мощностью, поскольку они имеют большую площадь поверхности по сравнению с резисторами из углеродной композиции. ^[4] Эта увеличенная площадь поверхности позволяет им рассеивать большее количество тепла, которое требуется для таких применений.
• Интегрированный : Интегрированные резисторы сделаны из полупроводников, отличных от углерода. Они очень малы и поэтому могут иметь несколько упаковок в один корпус, однако они ограничены слаботочными приложениями.

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Как работает резистор?

Как работает резистор?

Многие из ваших проектов MakeCrate требуют в схемах резисторов разной силы, поэтому вам может быть интересно, что делает резистор, как они работают и что произойдет, если вы их не укажете.

Наша статья «Как работает светодиод?» представила концепцию проводника — материала, который легко переносит электричество — и изолятора — материала, препятствующего прохождению электричества.Разные материалы могут проводить электричество легче, чем другие. Иногда мы хотим уменьшить поток электричества, и использование материалов, замедляющих поток, может помочь в этом. Здесь на помощь приходят резисторы.

Давайте начнем со словаря:

Электричество — это поток электронов с, которые являются отрицательно заряженными частицами.

Напряжение — это разница в заряде между двумя точками в цепи. Напряжение — это также сила электрического тока.

Ток измеряет, насколько быстро движутся электроны.

Простой способ понять разницу между напряжением и током — это представить резервуар для воды, сливаемый через шланг, прикрепленный к отверстию в дне. Здесь вода действует как поток электричества. Напряжение — это величина давления воды, а сила тока — это скорость потока воды.

Сопротивление измеряет способность материала сопротивляться потоку электронов через него.

Если ширина шланга внизу остается прежней, то при добавлении большего количества воды в бак вода по шлангу течет быстрее. Точно так же добавление большего напряжения к цепи увеличивает ток.

Однако, если шланг заменить шлангом меньшего размера, то же давление воды приведет к более медленному течению воды. Размер шланга обеспечивает сопротивление и снижает ток. Резистор в цепи играет ту же роль, уменьшая ток через компоненты, с которыми они используются.

Как резисторы сопротивляются?

Резисторы в проектах MakeCrate — это проходные резисторы , разработанные с двумя гибкими концами для сгибания и вставки в макетную плату. Сердечник резистора состоит из спирали или спирали из проводящего материала, обернутой вокруг изолирующего сердечника. Материал очень и очень тонкий, что заставляет ток замедляться, обеспечивая сопротивление. Чтобы увеличить сопротивление, можно увеличить количество петель спирали.

(изображение любезно предоставлено http://electronics.stackexchange.com/questions/17826/whats-inside-a-resistor)

Что произойдет, если я не использую резистор?

Если ток, проходящий через компонент, слишком велик для того, чтобы компонент мог с ним справиться, он может перегреть компонент и, возможно, повредить его, или это может вызвать повреждение вашего микроконтроллера (Arduino). Светодиоды быстро перегорят, если не использовать надлежащее сопротивление.

Если вы хотите безопасно увидеть эффект, который резистор может оказывать на схему, создайте схему, как в вашем проекте «Make Some Noise», но вместо подключения зуммера к земле с помощью провода используйте резистор.Вы увидите, что уменьшение тока приводит к тому, что зуммер становится намного тише.

Чтобы узнать, как определить сопротивление конкретного резистора, см. Сообщение здесь.

Для получения дополнительной информации о резисторах ознакомьтесь с этой статьей в Интернете.

Что такое сопротивление? Последовательная и параллельная цепь сопротивления

Сопротивление — это свойство материала, благодаря которому он противодействует потоку электронов через материал. Он ограничивает поток электронов через материал.Обозначается буквой (R) и измеряется в омах (Ом).

Когда на резистор подается напряжение, свободные электроны начинают ускоряться. Эти движущиеся электроны сталкиваются друг с другом и, следовательно, противостоят потоку электронов. Противостояние электронов известно как сопротивление. Тепло выделяется, когда атом или молекулы сталкиваются друг с другом.

Состав:

Пояснение:

Прочность любого материала зависит от двух факторов

• Форма материала
• Тип материала (из какого материала)

Количественно это получается по закону Ома, как сопротивление, обеспечиваемое материалом, когда через него протекает ток в 1 ампер с разностью потенциалов (В) вольт через материал.Это дается уравнением, показанным ниже

Где R — сопротивление, V — напряжение, а I — ток в цепи.

Из приведенного выше уравнения (1) ясно, что сопротивление прямо пропорционально напряжению и обратно пропорционально току цепи. Также обозначается как

.

Где,

• R — сопротивление любого проводника или материала, измеренное в омах
• ρ — удельное сопротивление материала, измеряется в омметре
• l — длина материала или проводника в метрах
• А — площадь поперечного сечения жилы, квадратный метр

Сопротивление любого проводящего материала прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление ( ρ ) определяется как способность проводника или материала противодействовать электрическому току. Сопротивление любого проводника измеряется омметром.

Столкновение атомов со свободными электронами вызывает выделение тепла, когда электрический ток течет через любой проводник или материал. Если по проводнику проходит ток в 1 ампер, а разность потенциалов составляет V вольт по проводнику, то мощность, потребляемая резистором, определяется уравнением (3), показанным ниже

.

Как известно V = IR

Энергия, теряемая в сопротивлении в виде тепла, вычисляется как

.

Подставив значение P из уравнения (3) в уравнение (4), мы получим

Как мы знаем, I = V / R, следовательно, подставив значение I в уравнение (5), мы получим

Приведенное выше уравнение (6) показывает уравнение потерь энергии в виде тепла.

Типы сопротивления

В основном есть два типа сопротивления

Аналогично нормальному сопротивлению цепи, заданному как R = V / I. Он определяет рассеиваемую мощность в электрической цепи. Он также определяется как наклон линии от начала координат до различных точек на кривой.

Это также известно как инкрементное или динамическое сопротивление цепи. Это производная отношения напряжения к току. Дифференциальное сопротивление рассчитывается по формуле, показанной ниже

Последовательное и параллельное сопротивление в цепи

Цепь сопротивления серии

Если различные сопротивления предполагают, что R ₁ , R ₂ , R ₃ , соединенные вместе последовательно, как показано на рисунке ниже, называется последовательной цепью сопротивления
Эквивалентное или полное сопротивление определяется уравнением

Параллельная цепь сопротивления

Различные сопротивления предполагают, что R ₁ , R ₂ , R ₃ подключены параллельно друг другу, как показано в схеме ниже, известной как параллельная цепь сопротивления.
Эквивалентное или полное сопротивление определяется уравнением

Все дело в сопротивлении.

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Сопротивление

Сопротивление относится к свойству вещества, которое препятствует прохождению электрического тока. Некоторые вещества сопротивляются току больше, чем другие. Если вещество обладает очень высоким сопротивлением току, оно называется изолятором.Если его сопротивление току очень низкое, его называют проводником. Сопротивление относится к способности веществ сопротивляться току. Хорошие проводники имеют низкое сопротивление, а изоляторы — высокое.

Сопротивление на молекулярном уровне

Сопротивление току возникает на молекулярном уровне веществ. Например, металлический проводник, такой как медь, состоит из атомов, имеющих свободные электроны в самых внешних оболочках. Эти свободные электроны обычно беспорядочно перемещаются от одного атома к другому.Однако, если к проводнику приложена разность потенциалов, также называемая напряжением, например, в случае с батареей, свободные электроны перетекают от отрицательного полюса к положительному полюсу батареи. Электрический ток относится к скорости потока электрического заряда, который заставляет течь свободные электроны.

Когда электроны движутся по проводнику, некоторые из них сталкиваются с атомами, другие электронами или примесями в металле. Именно эти столкновения вызывают сопротивление. Молекулярный состав вещества определяет количество столкновений или величину сопротивления электронному потоку.Поскольку молекулярный состав меди обеспечивает чрезвычайно низкое удельное сопротивление, ее часто используют в качестве проводника в электрических цепях.

Когда электроны сталкиваются с атомами и другими частицами, энергия, создаваемая приложенным напряжением, преобразуется в тепло. Мы используем энергию, генерируемую сопротивлением в нагревательных элементах тостеров, ламп накаливания и обогревателей.

Наблюдайте за сопротивлением на молекулярном уровне с помощью нашего интерактивного учебного пособия по Java Resistance.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Закон Ома

Георг Симон Ом (1789-1854), немецкий физик, сформулировал взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в так называемом законе Ома:

Ток в цепи прямо пропорционален приложенной разности потенциалов и обратно пропорционален сопротивлению цепи.

Международная стандартная (СИ) единица сопротивления — ом, обозначаемый греческой буквой W . Один ом сопротивления равен сопротивлению цепи, в которой разность потенциалов в один вольт создает ток в один ампер.

Математически закон Ома записывается как:

I = E / R

, где I — ток в амперах, E — приложенное напряжение (разность потенциалов) в вольтах, а R — сопротивление в омах.

Следовательно, напряжение можно рассчитать по формуле:

E = I * R

Сопротивление можно рассчитать по формуле:

R = E / I

Важно отметить, что регулировка напряжения или тока не может изменить сопротивление. Сопротивление в цепи является физической константой и может быть изменено только путем замены компонентов, замены резисторов на резисторы, рассчитанные на большее или меньшее сопротивление, или путем регулировки переменных резисторов.

Вот вспомогательное средство для запоминания этих формул:

Закройте значение, которое вы хотите решить, и уравнение останется.

Узнайте о взаимосвязи между током, напряжением и сопротивлением с помощью нашего интерактивного учебного пособия по закону Ома для Java.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Резисторы

Большая часть сопротивления в цепях находится в компонентах, которые выполняют определенную работу, таких как лампочки или нагревательные элементы, а также в устройствах, называемых резисторами.Резисторы — это устройства, которые обеспечивают точное количество противодействия или сопротивления току. Резисторы очень распространены в электрических цепях. Они используются для обеспечения удельного сопротивления для ограничения тока и управления напряжением в цепи.

Типы резисторов Резисторы

бывают разных номиналов и типов. Самый распространенный тип — постоянный резистор. Постоянные резисторы имеют единичные значения сопротивления, которые остаются постоянными. Существуют также переменные резисторы, которые можно регулировать, чтобы изменять или изменять величину сопротивления в цепи.

Значение сопротивления резисторов указано в омах. Резисторы могут иметь номиналы от менее одного Ом до многих миллионов Ом.

Постоянные резисторы

Самый распространенный постоянный резистор — составного типа. Элемент сопротивления изготовлен из графита или другой формы углерода и сплавов. Эти резисторы обычно имеют значения сопротивления от 0,1 Вт до 22 МВт.

Другой вид постоянного резистора — это проволочный резистор.Элемент сопротивления обычно изготавливается из хромоникелевой проволоки, намотанной на керамический стержень. Эти резисторы обычно имеют значения сопротивления от 1 Вт до 100 кВт.

Переменные резисторы

Переменные резисторы используются для регулировки величины сопротивления в цепи. Переменный резистор состоит из рычага скользящего контакта, который контактирует с неподвижным резистивным элементом. Когда скользящий рычаг перемещается по элементу, точка его контакта с элементом изменяется, эффективно изменяя длину элемента.Номинал переменного резистора — это его максимальное сопротивление.

Переменные резисторы также называют реостатами или потенциометрами. Элементы сопротивления реостатов обычно намотаны проволокой. Чаще всего они используются для управления очень высокими токами, например, в двигателях и лампах. Потенциометры обычно имеют композиционные элементы. Они используются в качестве устройств управления в радиоприемниках, усилителях, телевизорах и электрических приборах.

Допуски номинальных значений

Фактическое сопротивление резистора может быть больше или меньше указанного номинала.Возможный диапазон отклонения от указанного рейтинга называется его допуском. Общие допуски для составных резисторов составляют ± 5, ± 10 и ± 20 процентов. Резисторы с проволочной обмоткой обычно имеют допуск ± 5 процентов.

Номинал резистора Цветовой код Составные резисторы

имеют цветовую маркировку для обозначения значений сопротивления или номинальных значений. Цветовой код состоит из различных цветных полос, которые указывают значения сопротивления резисторов в омах, а также рейтинг допуска.Приведенная ниже таблица цветовых кодов номиналов резисторов используется для определения номинального сопротивления резисторов.

Цвет 1-я полоса 2-я полоса 3-я группа 4-я полоса Черный 0 0 1 1 Коричневый 1 1 10 Красный 2 2 100 Оранжевый 3 3 1 000 Желтый 4 4 10 000 Зеленый 5 5 100 000 Синий 6 6 1000000 Фиолетовый 7 7 10 000 000 Серый 8 8 100 000 000 Белый 9 9 1 000 000 000 Золото 0.1 5% Серебро 0,01 10% Нет 20%

Номинал резистора Таблица цветовых кодов

Составные резисторы обычно имеют четыре цветных полосы.Цветовой код читается следующим образом:

• Сначала найдите числовые значения первых двух полос в таблице и объедините два числа.
• Затем умножьте это двузначное число на значение 3-го диапазона, диапазона множителя.
• Полученное число — это значение сопротивления резистора в Ом.
• Четвертая полоса — это полоса допуска. Если 4-я полоса золотая, резистор гарантированно находится в пределах 5% от номинального значения.Если 4-я полоса серебряная, то гарантированно будет в пределах 10%. Если нет 4-й полосы, резистор гарантированно находится в пределах 20% от номинального значения.

Например, цветовой код вышеуказанного резистора на Рисунке 2 читается следующим образом:

• 1-я полоса коричневая. Первая полоса всегда ближайшая к концу резистора. Из таблицы видно, что числовое значение коричневого цвета в столбце 1-й полосы равно 1.
• 2-я полоса черная. Числовое значение черного во 2-м столбце полосы — 0.
• Объединение двух чисел дает 10.
• 3-я полоса красная. Это полоса множителя. Значение множителя красного равно 100.
• Умножение общей цифры 10 на множитель дает 1000.

Следовательно, указанный выше резистор рассчитан на 1000 Ом, что можно записать как 1 кВт. Четвертая полоса сопротивления, или полоса допуска, серебряная.Следовательно, резистор гарантированно имеет значение сопротивления в пределах 10% от 1 кВт.

Узнайте, как резисторы имеют цветовую маркировку, и понаблюдайте за влиянием сопротивления на ток в нашем интерактивном учебном пособии по Java для резисторов .

	Интерактивное учебное пособие по Java

Резисторы в последовательных цепях

Последовательная цепь — это цепь, в которой ток имеет только один путь.В последовательной цепи весь ток проходит через каждый из компонентов в цепи. Схема ниже на рисунке 3 имеет три резистора последовательно. Ток от батареи протекает через каждый из резисторов.

Поскольку ток проходит через каждый резистор в цепи, полное сопротивление, с которым сталкивается ток, является накопительным. Такая же величина сопротивления будет существовать в цепи с одним резистором, равным сумме трех резисторов.Такое сопротивление называется эквивалентным или полным сопротивлением цепи. Эквивалентное сопротивление последовательной цепи — это сумма всех сопротивлений в цепи. Поэтому для расчета общего сопротивления последовательной цепи используйте следующую формулу:

R _T = R ₁ + R ₂ + R ₃ . . .

, где R _T — полное или эквивалентное сопротивление в цепи, а от R ₁ до R ₃ .. . — это номинальные значения сопротивления отдельных резисторов или компонентов в цепи.

Используя эту формулу, общее или эквивалентное сопротивление последовательной цепи на Рисунке 3 можно рассчитать следующим образом:

R _T = 2,5 + 1 + 3

R _T = 6,5 k W

Резисторы в параллельных цепях

Параллельная цепь — это цепь, в которой компоненты расположены так, что путь для тока разделен.Схема ниже на рисунке 4 имеет три резистора, включенных параллельно.

Параллельная установка резисторов всегда снижает общее или эквивалентное сопротивление цепи. Это верно, потому что параллельное соединение резисторов эквивалентно их размещению рядом, увеличивая общую площадь, доступную для протекания тока, и тем самым уменьшая сопротивление. Чтобы рассчитать полное сопротивление параллельной цепи, используйте следующую формулу:

R _T = 1 ÷ (1 / R ₁ + 1 / R ₂ + 1 / R ₃ .. .)

, где R _T — полное сопротивление в цепи, а от R ₁ до R ₃ . . . — это номинальные значения сопротивления отдельных резисторов или компонентов в цепи.

Используя эту формулу, общее или эквивалентное сопротивление вышеуказанной параллельной цепи можно рассчитать следующим образом:

R _T = 1 ÷ (1/1 + 1 / 2.5 + 1/3)

R _T = 1 ÷ (1 + 0.4 + 0,33)

R _T = 1 ÷ 1,73

R _T = 0,58 k W

Резисторы в составных схемах

Цепи часто состоят из комбинаций последовательных и параллельных цепей. Эти схемы называются составными схемами. Схема на Рисунке 5 ниже представляет собой составную схему.

Чтобы рассчитать полное сопротивление составной цепи, сначала изолируйте и упростите все ветви схемы до их эквивалентных сопротивлений.Следующие шаги полезны:

1. Рассчитайте эквивалентные сопротивления параллельно включенных резисторов.
2. Рассчитайте эквивалентные сопротивления последовательно включенных резисторов.
3. При необходимости повторяя шаги 1 и 2, схему можно упростить до эквивалентной последовательной схемы.
4. Просто сложите эквивалентные сопротивления упрощенной эквивалентной последовательной цепи, чтобы найти полное сопротивление составной цепи.

Используя эти шаги, общее или эквивалентное сопротивление вышеуказанной параллельной цепи можно рассчитать следующим образом:

Сначала рассчитайте эквивалентное сопротивление двух резисторов, включенных параллельно:

R _T = 1 ÷ (1/2 + 1/4)

R _T = 1 ÷ (0,50 + 0,25)

R _T = 1 ÷ 0,75

R _T = 1.33 к Вт

На этом этапе схема была упрощена до эквивалентной последовательной схемы, состоящей из эквивалентного сопротивления 1,33 кВт и сопротивления 3 кВт. Следовательно, полное сопротивление составной цепи можно рассчитать следующим образом:

R _T = 1,33 + 3

R _T = 4,33 к W

Электроэнергия и резисторы

Несмотря на то, что электроны очень маленькие, для их перемещения по проводнику требуется энергия.Энергия, доступная для перемещения электронов, называется разностью потенциалов или напряжением. Напряжение чаще всего обеспечивается аккумулятором или генератором. Напряжение представляет собой работу по передаче электрического заряда от одной точки к другой. Чем выше напряжение, тем больше энергии переносит ток и тем больше работы он может выполнять.

В электрических приложениях напряжение часто преобразуется в другие формы энергии для выполнения работы, например, нагрев, освещение или движение. Как отмечалось ранее, мы часто используем сопротивление для преобразования электрической энергии в тепло или свет.

Скорость, с которой электричество работает или дает энергию, называется электрической мощностью. Единица измерения электрической мощности — ватт. Один ватт мощности доставляется, когда ток в один ампер протекает через цепь с напряжением в один вольт. Электрическую мощность можно рассчитать по следующей формуле:

P = I * E

, где P — мощность в ваттах, I — ток в амперах, а E — энергия (приложенное напряжение) в вольтах.

Номинальная мощность резисторов указывает рабочие пределы. Произведение приложенного напряжения и тока через резистор не должно превышать его номинальную мощность. Когда ток проходит через резистор, электрическая энергия преобразуется в тепло, что повышает температуру резистора. Если температура станет слишком высокой, резистор может быть поврежден. Вышеупомянутая формула электрической мощности может использоваться для определения максимальной безопасной потребляемой мощности и соответствующей номинальной мощности резистора для использования в приложении.

Номинальная мощность резисторов

Номинальная мощность резисторов указана в ваттах. Резисторы составного типа имеют номинальную мощность от 1/16 до 2 Вт. Резисторы с проволочной обмоткой имеют номинальную мощность от 3 до сотен ватт. Размер резистора обычно является хорошим показателем его номинальной мощности. Как правило, физический размер резистора увеличивается с увеличением номинальной мощности.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Удельное сопротивление большинства материалов изменяется в зависимости от температуры.Для большинства материалов сопротивление увеличивается с увеличением температуры материала. Это происходит на молекулярном уровне. Когда электроны движутся через материал, некоторые из них сталкиваются с атомами, другие электронами или примесями. Именно эти столкновения вызывают сопротивление. Тепло заставляет молекулы материала вибрировать. Эти колебания эффективно увеличивают области возможных столкновений, тем самым увеличивая сопротивление току.

У большинства проводников увеличивается удельное сопротивление при повышении температуры.Однако удельное сопротивление углерода уменьшается с повышением температуры. Это также обычно верно для полупроводников, таких как германий и кремний. На удельное сопротивление константана не влияют изменения температуры. По этой причине константан часто используется для изготовления прецизионных резисторов с проволочной обмоткой с очень низкими допусками.

Сопротивление и сверхпроводимость

Для большинства проводников удельное сопротивление уменьшается с понижением температуры. Для некоторых материалов, таких как ртуть и алюминий, удельное сопротивление падает до нуля при чрезвычайно низких температурах.Эти материалы, близкие к абсолютному нулю, -273 ° C, способны проводить ток без какого-либо сопротивления. Эти материалы называются сверхпроводниками. Преимущество сверхпроводников заключается в том, что они могут переносить большие количества тока без потери энергии на нагрев.

Сверхпроводящие материалы в настоящее время используются в ускорителях частиц и других приложениях, требующих мощных электромагнитов. Технология магнитно-резонансной томографии (МРТ), основанная на использовании сверхпроводников, произвела революцию в материаловедении и медицине.Сверхпроводимость была бы особенно полезна для передачи электроэнергии. В настоящее время около 15 процентов электроэнергии, проходящей по медным линиям электропередачи, теряется в результате сопротивления.

К сожалению, охлаждение сверхпроводников до требуемых критических температур обходится очень дорого. В настоящее время для охлаждения сверхпроводящих материалов необходимы холодильные установки, использующие жидкий гелий или жидкий азот. Однако наблюдается прогресс в повышении температуры, необходимой для сверхпроводимости.Уже разработаны материалы, которые становятся сверхпроводящими при -175 ° C.

Ученые усердно работают над созданием сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Такие сверхпроводники значительно снизили бы стоимость производства и передачи электроэнергии. Электродвигатели могут быть намного меньше и мощнее. Компьютеры можно было бы сделать еще меньше и быстрее. Другие удивительные применения, такие как поезда на магнитной подвеске и запуск космических кораблей, станут гораздо более осуществимыми.

См. Полноцветные микрофотографии сверхпроводящих материалов в нашей коллекции фотографий молекулярных выражений «Сверхпроводники».

Узнайте больше о сверхпроводниках на нашем сайте Molecular Expressions Microscopy Publications.

НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2021, автор — Майкл В.Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.