Как выбрать и увеличить мощность резистора на схемe — простые приёмы и что делать, если нет нужного номинала

В схемах радиоэлектронной аппаратуры резистор выступает как фундаментальный элемент — функционально это сопротивление, обладающее набором параметров, среди которых ключевое значение имеет рассеиваемая мощность. В настоящем тексте дана экспертно-художественная экспликация по природе и обозначению мощности резистора, практическим последствиям её нехватки и причинам отказов.

Характеристики резисторов

Первое, что требуется чётко осознать — резистор характеризуется несколькими взаимодополняющими параметрами, каждый из которых определяет его поведение в реальной цепи.

Основной параметр резистора — его номинальное сопротивление.

Максимальная (предельная) рассеиваемая мощность — второй ключевой параметр, определяющий, какое количество энергии может превращаться в тепло без разрушения элемента.

Температурный коэффициент сопротивления — показывает, насколько изменится значение сопротивления при изменении температуры на один градус Цельсия.

Допустимое отклонение от номинала — реальная точность резистора. Типичные допуски в массовых изделиях составляют 5–10%; существуют прецизионные элементы с погрешностью до 1% и ниже, требующие более высоких затрат.

Предельное рабочее напряжение определяется конструкцией резистора; в бытовых устройствах на 220 В применяются самые разнообразные типы.

Шумовые характеристики — важны при работе с малосигнальными и аудиотрактами.

Максимальная температура окружающей среды — предельный температурный фон, при котором резистор может отводить рассеянную мощность без превышения допустимой температуры материала.

Влаго- и термоустойчивость — определяют долговечность в экстремальных условиях.

Есть также два менее очевидных, но критичных для высокочастотной техники параметра:

Паразитная индуктивность.

Паразитная ёмкость.

Оба паразитных параметра зависят от типа и конструкции резистора; их влияние становится существенным в схемах повышенных частот. На низких частотах (например, звуковой диапазон до 20 кГц) их влияние обычно пренебрежимо мало, тогда как в ВЧ-системах даже форма и маршрут проводников на плате влияют на характеристики.

Мощность резистора

Законы электротехники дают однозначное определение мощностных процессов на резисторе: P = U * I — продукт напряжения, падающего на элементе, и тока через него.

Ток через резистор определяется законом Ома: I = U / R

Падение напряжения на резисторе также следует из закона Ома и зависит от приложенного напряжения и сопротивления.

«Мощность резистора — это энергия, превращаемая в тепло на его объёме вследствие взаимодействия носителей заряда с кристаллической решёткой проводника.»

На атомарном уровне электроны, двигаясь под действием поля, рассеивают кинетическую энергию при столкновениях с ионами решётки; макроскопически это проявляется как нагрев. В одних устройствах тепловыделение — нежелательный побочный эффект, снижающий КПД, в других — используемое свойство (например, ТЭНы, нити накала ламп накаливания).

Для удобства практических расчётов применяют эквивалентные формулы, полученные посредством подстановки закона Ома:

P = U^2 / R

P = I^2 * R

Эти выражения позволяют оценить выделяемую энергию при известных токе, напряжении или сопротивлении.

Немного практики

Рассмотрим численный пример: резистор 1 Ом, включённый в сеть 12 В. Ток через него I = 12 / 1 = 12 А. Соответствующая мощность P = 12 * 12 = 144 Вт — порядок величин, явно выходящий за рамки типичных точечных резисторов в электронике. Такой демонстрационный пример подчёркивает, как быстро растут требования к теплоотводу при низких сопротивлениях и высоких напряжениях; в реальных схемах подобные мощности реализуются через массивные резисторы, шунты или специализированные элементы для силовой электроники.

Какие бывают резисторы и как они обозначаются на схеме

Существуют стандартные ряды по рассеиваемой мощности: 0.05 (0.062) — 0.125 — 0.25 — 0.5 — 1 — 2 — 5 Вт и выше. В реальных схемах в перечне элементов обычно указываются тип, номинал и допуск; иногда приводится и мощность.

«Обозначение мощности на принципиальной схеме облегчает визуальную проверку и замены при ремонте — в ГОСТ заложены условные графические обозначения, позволяющие быстро оценить допустимые тепловые нагрузки элемента.»

Форма и размер резистора коррелируют с его способностью отводить тепло: увеличенная площадь поверхности улучшает теплообмен с окружающей средой и повышает максимально допустимую рассеиваемую мощность. При превышении температурных пределов сначала разрушается внешняя маркировка, затем резистивный слой (плёнка, проволока и т. п.).

Допустимая температура окружающей среды указывается в данных на элемент. Поскольку теплоотдача зависит от разницы температур резистора и среды, высокая температура окружения снижает способность резистора рассеивать мощность и может привести к преждевременному выходу из строя даже при номинальной электрической нагрузке. Эталонно рассматривается температура 20–25 °C как оптимальная для стандартных условий испытаний.

Что делать, если нет резистора нужной мощности?

Практическая проблема радиолюбителя — отсутствие резистора с требуемой рассеиваемой мощностью. Если имеется элемент с большей мощностью — это, как правило, не проблема, важно лишь обеспечить монтажное пространство. Ситуация сложнее, когда все доступные резисторы имеют меньшую мощность, чем требуется по расчёту.

Решение обычно опирается на правила соединения резисторов — последовательность и параллельность позволяют перераспределить напряжение и ток, а значит и мощность, рассеиваемую на каждом элементе.

При последовательном соединении суммарное сопротивление — сумма отдельных сопротивлений; через каждый элемент течёт один и тот же ток, а падения напряжения на отдельных резисторах пропорциональны их сопротивлениям.

При параллельном соединении напряжение на всех ветвях одинаково; общий ток равен сумме токов ветвей, распределённых обратно пропорционально их сопротивлениям.

«Сочетание последовательного и параллельного соединений позволяет снизить тепловую нагрузку на отдельный резистор и добиться требуемой суммарной мощности рассевания без использования одного мощного элемента.»

Пример замены: резистор 100 Ом на 1 Вт можно заменить двумя последовательно включенными резисторами по 50 Ом и 0.5 Вт, либо двумя параллельными по 200 Ом и 0.5 Вт — в обоих случаях рассеиваемая мощность распределится между элементами.

Важно помнить, что не все резисторы одинаково устойчивы к импульсным или ударным токам. В цепях зарядки ёмких конденсаторов или при внезапных пусках могут возникать перегрузки, разрушающие резистивный слой. Поэтому сборки из меньших по мощности резисторов требуют практической проверки или детальной экспертизы технической документации и ТУ на конкретные типы элементов.

Заключение

Мощность резистора — параметр равнозначный по значимости его сопротивлению. Игнорирование рассеиваемой мощности приводит к перегревам и выходам из строя, что негативно сказывается на надёжности любой электроаппаратуры.

При ремонте и модернизации устройств, особенно импортных или китайских изделий, следует избегать замены на резисторы с меньшей мощностью; при возможности лучше применять элемент с запасом по мощности, если габариты и конструкция платы это допускают.

Для стабильной и долговечной работы резисторной подсистемы рекомендуется заложить запас по мощности как минимум 50%, а предпочительнее — двукратный запас. Иначе: если по расчёту на резисторе выделяется 0.9–1 Вт, суммарная мощность выбранного резистора или их сборки должна составлять не менее 1.5–2 Вт.

Алексей Бартош

Популярные публикации:

• Как проверить диодный мост
• Вся правда о регулировке яркости светодиодных ламп: диммеры, драйверы и теория
• Как устроен компьютерный блок питания и как его запустить без компьютера