Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое напряжение среди других ХИТ и наилучшие удельные характеристики. Однако они и дороже, так как обязательно (из-за возможного воспламенения электролита) оснащаются дополнительно устройствами защиты по току и напряжению от перезаряда. Этого недостатка лишены литий-полимерные аккумуляторы, но они имеют повышенное внутреннее сопротивление.
В последние годы появились компоненты, которые являются как бы гибридом ХИТ и конденсатора — ионисторы, они будут рассмотрены далее наряду с другими конденсаторами.
Перспективными являются также так называемые топливные элементы, в которых благодаря каталитической химической реакции генерируется электрическая энергия. Эти элементы для зарядки необходимо доливать, например, метанолом (метиловым спиртом), хотя исследователи с успехом угощали их этанолом, водкой и даже джином…
РезисторыСлово «резистор» происходит от английского Resistor, которое в свою очередь заимствовано из латыни: Resistere означает сопротивляться. Однако слова «резистор» и «сопротивление» не являются терминологическими синонимами в электронике, так как термин «резистор» определяет тип компонента, тогда как термин «сопротивление» характеризует только его значение как физической величины, измеряемой в омах. Так что во фразе: «используется резистор сопротивлением 1 Ом» тавтология отсутствует, и это отнюдь не «масло масляное».
О «сопротивлении» чашки чая
С понятием сопротивления вообще каким-то действиям и процессам вначале столкнулись в классической механике. Примечательна в этом смысле дискуссия между известными английскими физиками XIX в. Томсоном и Тэтом, с одной стороны, и Максвеллом, с другой.
В своем физическом трактате Томсон и Тэт утверждали, что «материя имеет врожденную способность сопротивляться внешним воздействиям…» На что Максвелл отреагировал так: «Действительно ли материя имеет какую-нибудь, будь то врожденную или благоприобретенную, способность сопротивляться внешним воздействиям? Разве всякая сила, действующая на тело, не производит то изменение в движении тела, которым определяется значение силы, как таковой? Следует ли обвинять чашку чая в обладании врожденной способностью сопротивляться подслащивающему влиянию сахара потому, что она упорно отказывается сделаться сладкой, если сахар действительно в нее не положен?». Казалось бы «инцидент исперчен», как говорил Маяковский, а точнее, для данного случая, засахарен. Однако известный советский ученый в области радиотехники, теории связи и передачи информации академик А. А. Харкевич, согласившись с первой частью замечаний Максвелла, нашел противоречие в ярком примере с чашкой чая. Ход его рассуждений был таков.
Вводя понятие «сопротивление», мы, в сущности, даем количественное выражение о взаимозависимости двух величин какого-либо явления, причем одна из них выступает как его причина, а другая — как следствие.
В электротехнике причиной выступают ЭДС, а следствием служат токи. Деля количественную меру причины на количественную меру следствия, получают количественную меру электрического сопротивления в омах. Для максвелловской чашки чая явление состоит в том, что чай становится сладким, если в него положить сахар. Количественной мерой причины этого является количество внесенного сахара (грамм). Следствие же состоит в получении сладости и его количественной мерой является концентрация сахара в водном растворе (грамм/см3). Деля, согласно определению, меры причины и следствия, получаем, что «сопротивление чашки чая подслащивающему действию сахара определяется ее объемом. Житейский смысл этого результата не требует комментариев» — заключает свои замечания А. А. Харкевич. Согласимся с ним, и в шутку назовем введенное понятие «кондитерским сопротивлением».
Заметим также, что наряду с электрическим сопротивлением, действуя по аналогии, в различных областях уже введены сопротивления: механические, акустические, гидравлические, магнитные и тепловые.
Вредно-полезные резисторы
Итак, основным электрическим параметром резисторов служит их номинальное сопротивление. Это сопротивление называют также «активным», когда резисторы «трудятся» в цепях переменного тока. Их «активность» — это необратимый перевод электрической энергии во внутреннюю с последующей теплоотдачей в окружающее пространство.
Согласно элементарной электронной теории нагрев металла при протекании по нему электрического тока происходит за счет передачи энергии, получаемой свободными электронами от поля, в столкновениях с кристаллической решеткой. Количественно рассеиваемая на резисторе активная мощность определяется законом Джоуля-Ленца: она прямо пропорциональна величине сопротивления резистора и квадрату протекающего через него тока.
Энергия, приводящая к нагреву проводников, поступает из электромагнитного поля распространяющегося вдоль них в окружающем пространстве. Ее часть, заходящая в глубь проводников, вызывает протекание в нем тока и соответствующие потери мощности. В высокочастотных полях эти токи протекают лишь в тонком поверхностном слое («скин-эффект»). Еще более сложные процессы происходят в СВЧ-полях, о чем будет рассказано дальше в разделе «В радиокухонном диапазоне».
Допустимая мощность рассеяния также является паспортной величиной резисторов. Когда это выделяемое тепло используется для пользы дела, например в паяльнике, то это хорошо, но зачем же напаивать кучи резисторов на материнскую плату? Ведь не для ее же украшений их цветовой маркировкой или чтобы потом еще поставить внутри вентилятор и использовать системный блок в качестве интеллектуального ультрамодного фена? Разумеется, нет.
Здесь мы встречаемся с обычным случаем, о котором в народе говорят: «Нет худа без добра». А «добро» вытекает из закона Ома: на резисторе происходит падение напряжения прямо пропорциональное величине сопротивления резистора и протекающему через него току.
На первый взгляд кажется, что это опять один вред, поскольку опять потери не мощности, так напряжения. Ан, нет. Это самый простой способ снизить питающее напряжение на других компонентах до необходимого уровня. Такие резисторы часто называют «гасящими», так как их включают между источником и нагрузкой последовательно. Они автоматически выполняют и ограничение тока в нагрузке (по закону Ома) и поэтому их называют также «токоограничивающими». Если подобный резистор сделать с изменяемой (переменной) величиной, то получится знакомый всем регулятор — реостат.
Перечисленными примерами, разумеется, не исчерпываются возможности использования резисторов, поскольку они гораздо обширнее, но не будем забегать вперед. Что же касается активных потерь мощности, то с этим придется смириться: без трения шин о дорожное покрытие обыкновенный автомобиль не повезет вас по горизонтальной дороге, а домашний холодильник нагревает помещение и зимой и летом (он будет это делать, даже если его дверцы держать открытыми!) — таковы законы природы.
Из чего делают резисторы и как их обозначают
Обычно, когда я громко выясняю, у кого горит резистор, инженер или техник робко отвечает: «Я только что поджарил свою схему…».
Роберт А. Пиз. Практическая электроника аналоговых устройств
Да, «рукописи не горят», но сгорают резисторы, нарушая работу устройств и выделяя удушливый запах гари и фенола. Обоняние не подведет радиолюбителя в критический момент, а уж постфактум черный цвет выдаст виновника: «На воре шапка горит». (Правда, часто резисторы становятся лишь первой жертвой, и истинного виновника неисправностей после этого еще предстоит отыскать.)
По используемым материалам и технологии изготовления различают резисторы постоянные углеродистые и бороуглеродистые, металлопленочные и металлоокисные, композиционные и проволочные. Естественно, что они отличаются своими характеристиками и внешним видом и обозначениями (рис. 2).
Рис. 2. Постоянные резисторы:
а — внешний вид; б — УГО на принципиальных схемах при разной мощности; в — компонент EWB
При выборе резисторов в ответственных случаях учитывается до 15 различных параметров. Все зависит от конкретных целей.
Номинальное значение сопротивления резистора указывается производителем на корпусе изделия. Там же указывают и ряд других его характеристик. Для маркировки резисторов используют специальные кодировки: буквенно-цифровую, цифровую и цветовую.
