Otpornik

Otpornik

Razni otpornici, boje označavaju vrednost otpora.
Vrsta	pasivan
Način rada‍	električni otpor
Elektronski simboli
IEEE šematski simboli

Otpornik (engl. resistor) je pasivna elektronska komponenta sa dva izvoda (jednim pristupom) koja pruža otpor struji, stvarajući pritom pad napona između priključaka. Pružanje otpora struji kao osnovna osobina otpornika opisuje se električnim otporom. Prema Omovom zakonu električni otpor jednak je padu napona na otporniku podeljenom sa jačinom struje koja protiče kroz otpornik. Drugim rečima, otpor je konstanta srazmere između napona i struje otpornika. Otpornik se koristi kao element električnih mreža i elektronskih uređaja.

Fiksni otpornici imaju otpornost koja se neznatno menja sa temperaturom, vremenom ili radnim naponom. Promenljivi otpornici se mogu koristiti za podešavanje elemenata kola (kao što je kontrola jačine zvuka ili prigušivanje lampe), ili kao senzorni uređaji za toplotu, svetlost, vlažnost, silu, ili hemijsku aktivnost.

Otpornici su uobičajeni elementi električnih mreža i elektronskih kola i sveprisutni su u elektronskoj opremi. U praksi otpornici kao diskretne komponente mogu biti sastavljene od različitih materijala i imati različite oblike. Otpornici su isto tako sastavni deo integrisanih kola.

Električna funkcija otpornika je specifikovana njegovim otporom: uobičajeni prodajni otpornici se proizvode u opsegu od više od devet redova veličine. Nominalna vrednost otpornika je u okviru proizvodne tolerancije, označene na komponenti.

Primena

Oznaka prema standardu IEC

Oznaka prema standardu ANSI

• Ako je struja u kolu poznata, tada se otpornik koristi za stvaranje poznate razlike potencijala proporcionalne toj struji. Obratno, ukoliko je poznata razlika potencijala između dve tačke u kolu, tada se otpornik može koristiti za stvaranje poznate struje proporcionalne toj razlici potencijala.
• Ograničavanje struje. Postavljanjem otpornika u seriju s nekom drugom komponentom, kao što je LED dioda, struja kroz tu komponentu se ograničava na poznatu i dozvoljenu vrednost.
• Prigušivač (atenuator) je mreža dva ili više otpornika (delitelj napona) koji služe za smanjenje napona signala.
• Linijski terminator je otpornik na kraju prenosne linije, konstruisan kao završna impedansa (otpor čija vrednost otpora odgovara otporu ostatka kola na koji je spojen) i time minimizira refleksiju signala.

Idealni otpornik

SI jedinica električnog otpora je 1 $\Omega$ (om). Komponenta ima otpor od 1 $\Omega$ (oma) ako napon od 1V (volt) na krajevima elementa daje struju od 1A (ampera), koja je ekvivalent toku od 1 C/s (kulona električnog naboja u sekundi). Često se koriste i višekratnici k$\Omega$ (kiloom - 1000 oma) i M$\Omega$ (megaom - milion oma).

Kod idealnog otpornika otpor ostaje konstantan bez obzira na dovedeni napon ili struju kroz element ili brzinu promene struje. Iako stvarni otpornici ne mogu postići ovaj zahtev, oni su projektovani da imaju male varijacije u električnom otporu kada su podvrgnuti tim promenama, ili promenama temperature ili ostalim faktorima iz okoline.

Otpor provodnika Za izračunavanje otpora provodnika možemo koristiti sledeći izraz:

$R_{20}=\rho \cdot {l \over S}$

gde je, $R_{20}$ otpor na 20 °C, $\rho$ specifični električni otpor materijala od koga je sačinjen provodnik, l dužina provodnika i S površina poprečnog preseka provodnika.

Realni otpornik

Specifični otpor i toplotni koeficijenti nekih materijala

Materijal	ρ u Ωm	α u 1/K
Srebro	1,6 · 10-8	3,8 · 10-3
Bakar	1,7 · 10-8	3,9 · 10-3
Silicijum	640	-7,5 · 10-2

Otpornik ima najveći radni napon i struju iznad koje se otpor može promeniti (u nekom slučajevima i drastično) ili otpornik može biti fizički oštećen (na primer može biti pregrejan ili može pregoreti). Iako neki otpornici imaju određenu naponsku i strujnu klasu, većina se razvrstava prema maksimalnoj snazi koja se određuje prema fizičkoj veličini otpornika. Najčešće klase snage za ugljene i metal-film otpornike su 1/8 W (vata), 1/4 W i 1/2 W. Otpornici izrađeni od metal-filmova i ugljenih filmova su puno temperaturno, i zbog starenja, stabilniji od ugljenih otpornika. Veliki otpornici mogu disipirati više toplote jer imaju veću površinu. Žičani i otpornici omotani keramikom se koriste kada se traži visoki razred snage.

Realni otpornici unose i nešto induktiviteta i malu količinu kapaciteta, koji menjaju dinamičke karakteristike realnog otpornika u odnosu na idealni otpornik.

Otpornici su elementi čija se svojstva menjaju s promenom temperature. Iako je promena otpora u odnosu na promenu temperature vrlo nelinearna, možemo je aproksimirati sledećim izrazom:

$R_{T}=R_{20}(1+\alpha \cdot \Delta T)=R(T_{0})(1+\alpha \cdot (T-T_{0}))$ gde je $T_{0}=20\,^{\circ }\mathrm {C}$

Vrste otpornika

Nekoliko tipova otpornika

Ovaj reostat snage 2 kW se koristi za dinamičko kočenje vetro turbina

Fiksni otpornici

Neki otpornici su cilindrični, s aktivnim otpornim materijalom u sredini (maseni otpornik, više se ne koriste) ili na površini cilindra (film) otpornici, i vodljivih metalnih priključaka izvedenih uz osu cilindra na svakoj strani. Koriste se ugljen-film i metal-film otpornici. Otpornici velike snage dolaze u velikim pakovanjima projektovanim da efikasno eliminišu toplotu. Otpornici za velike snage se obično izvode kao motani otpornici. Otpornici u računarima su mnogo manji, obično izrađeni u SMD kućištima bez žičanih priključaka. Otpornici se ugrađuju u integrisana kola kao deo fabričkog postupka, koristeći činjenicu da poluprovodnik ima otpornost i da se može koristiti kao otpornik.

Promenljivi otpornici

Promenljivi otpornik je otpornik čija se vrednost može namestiti okretanjem osovine ili pomicanjem klizača. Zovemo ih i potenciometri ili reostati i omogućuju da se otpor uređaja ručno menja. Reostati se koriste za sve otpornike iznad 1/2 W.

Promenljivi otpornici mogu biti jednookretnog tipa ili višeokretnog tipa. Najčešći primeri:

• Reostat: promenljivi otpornik s dva priključka, jedan fiksni, a drugi klizni. Koristi se za velike struje.
• Potenciometar: najčešći tip promenljivog otpornika. Česta primena je kontrola jačine glasa u audio pojačavačima.

Ostali tipovi otpornika

• Metal oksidni varistor (MOV) je specijalni tip otpornika koji menja svoj otpor s porastom napona: vrlo veliki otpor na niskom naponu i vrlo mali otpor na visokim naponima. Radi kao prekidač. Obično se koristi kao zaštita energetskih sklopova od kratkog spoja ili odvodnik atmosferskog pražnjenja na uličnim svetiljkama, ili kao element za ograničavanje porasta struje u induktivnim kolima.

• Termistor je temperaturno zavisan otpornik. Postoje dve vrste, a razlikuju se prema predznaku njihovog temperaturnog koeficijenta:
  • PTC (Positive Temperature Coefficient) otpornik je otpornik s pozitivnim temperaturnim koeficijentom. Kako raste temperatura tako se i otpor termistora povećava. PTC termistori se često mogu naći u televizorima u serijskom spoju s demagnetizirajućim namotom gde se koriste za osiguravanje kratkotrajnog strujnog udara kroz zavojnicu kada je televizor uključen.
  • NTC (Negative Temperature Coefficient) otpornik je takođe temperaturno zavisan otpornik, ali s negativnim temperaturnim koeficijentom. Kada se temperatura povećava otpor termistora pada. NTC termistori se često koriste u jednostavnim temperaturnim detektorima i mernim instrumentima.

• Fotootpornik ili foto-otpornik je otpornik čiji se otpor menja prema svetlosti koja pada na njega. Koristi se kao senzor, a u najjednostavnijem slučaju za automatsko paljenje uličnih lampi uveče.

Označavanje otpornika

Većina cilindričnih otpornika ima uzorak obojenih prstenova za označavanje otpora. SMD otpornici imaju numerički uzorak. Kućišta su obično smeđa, plava, ili zelena, iako se povremeno mogu naći i boje kao tamnocrvena i tamnosiva.

Cilindrični otpornici sa 4 prstena

Identifikacija s 4 prstena u boji je najčešće korišteni način kodiranja vrednosti na svim otpornicima. Sastoji se od četiri prstena u boji, oko tela otpornika. Šema je jednostavna: prve dve boje su prve dve značajne cifre vrednosti otpornika, treća je množilac, i četvrta je vrednost tolerancije. Svaka boja odgovara određenom broju.

Cilindrični otpornici sa 5 prstenova

Identifikacija s 5 prstenova se koristi kod otpornika s manjim tolerancijama (1%, 0.5%, 0,25% i 0,1%), za zapisivanje dodatne cifre. Prva tri prstena predstavljaju značajne cifre, četvrta je množilac, a peta je tolerancija.

• Tabela standardnih EIA kodova boja

Boja	1. prsten	2. prsten	3. prsten(Množilac)	4. prsten (tolerancija)	Temperaturni koeficijent
Crna	0	0	×100
Braon	1	1	×101	±1% (F)	100 ppm
Crvena	2	2	×102	±2% (G)	50 ppm
Narandžasta	3	3	×103		15 ppm
Žuta	4	4	×104		25 ppm
Zelena	5	5	×105	±0,5% (D)
Plava	6	6	×106	±0,25% (C)
Ljubičasta	7	7	×107	±0,1% (B)
Siva	8	8	×108	±0,05% (A)
Bela	9	9	×109
Zlatna			×0.1	±5% (J)
Srebrna			×0.01	±10% (K)
Bez boje				±20% (M)

SMD otpornici

SMD otpornik od 2 MΩ

SMD (engl. Surface Mount Device) otpornici imaju ispisane numeričke vrednosti na isti način kao kod cilindričnih otpornika. SMD otpornici sa standardnim tolerancijama se označavaju trocifrenim kodom, u kom prve dve cifre predstavljaju prve dve značajne cifre vrednosti, dok je treća cifra eksponent broja 10 (odnosno množilac). Na primer, 472 predstavlja 47 (prve dve cifre) pomnoženo s deset na 2. stepen (treća cifra), tj. 47h10²=47h100=4700 oma. Precizni SMD otpornici se označavaju s četverocifrenim kodom u kome su prve tri cifre ujedno i prve tri značajne cifre vrednosti, a četvrta cifra je stepen broja 10.

Industrijske oznake

Klase snaga na 70 °C

Oznaka klase	Klasa snage (Vat)	MIL-R-11 klasa	MIL-R-39008 klasa
BB	1/8	RC05	RCR05
CB	1/4	RC07	RCR07
EB	1/2	RC20	RCR20
GB	1	RC32	RCR32
HB	2	RC42	RCR42
GM	3	-	-
HM	4	-	-

Kod tolerancija

Industrijska oznaka	Tolerancija	Vojna oznaka
5	±5%	J
2	±20%	-
1	±10%	K
-	±2%	G
-	±1%	F
-	±0.5%	D
-	±0.25%	C
-	±0.1%	B

Prema području radne temperature razlikujemo komercijalnu, industrijsku i vojnu klasu komponenata.

• Komercijalna klasa: 0 °C do 70 °C
• Industrijska klasa: -25 °C do 85 °C
• Vojna klasa: -25 °C do 125 °C

Teorija rada

Metod hidrauličke analogije poredi protok električne struje kroz kola sa vodom koja protiče kroz cevi. Kada je cev (levo) zapušena sa kosom (desno), neophodan je veći pritisak da bi se ostvario isti protok vode. Provođenje električne struje kroz veliku otpornost je poput potiskivanja vode kroz cev zapušenu kosom: Neophodan je veći potisak (napon) da bi se ostvario isti protok (električne struje).

Omov zakon

Odnos između napona, otpora i struje kroz element dat je jednostavnom formulom poznatom pod imenom Omov zakon:

$U=I\cdot R$

gde je U napon na elementu u voltima, I je struja kroz element u amperima, i R je otpor u omima. Ako su U i I linearno povezani – tj. ako je R konstantan - na određenom području vrednosti, kažemo da je materijal na tom području omski. Savršeni otpornik ima fiksnu vrednost otpora na svim frekvencijama i amplitudama napona ili struje.

Superprovodni materijali na vrlo niskim temperaturama imaju otpor (praktično) jednak nuli. Izolatori (kao što su vazduh, dijamant, ili ostali neprovodni materijali) mogu imati ekstremno (ali ne beskonačno) visok otpor, koji se može probiti pod uticajem jakog električnog polja i tako desiti veliki protok struje.

Disipacija snage

Snaga disipacije (potrošene) na otporniku jednaka je naponu na otporniku pomnoženom sa strujom kroz otpornik::

$P=I\cdot U=I^{2}R={\frac {U^{2}}{R}}$

Sva tri izraza su ekvivalentna, zadnja dva su izvedena iz prvog korištenjem Omovog zakona.

Ukupan iznos oslobođene toplotne energije je integral snage po vremenu:

$W=\int _{t_{1}}^{t_{2}}u(t)i(t)\,dt$

Ukoliko prosečna snaga disipacije premaši klasu snage otpornika najpre dolazi do odstupanja otpora u odnosu na nominalnu vrednost, a kasnije i do uništenja (pregorevanja) zbog pregrevanja.

Serijska i paralelna veza

Otpornici u paralelnoj vezi imaju osobinu da im je isti napon na izvodima. Izračunavanje ukupnog ekvivalentnog otpora (R_eq):

${\frac {1}{R_{\mathrm {eq} }}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{R_{n}}}$

Zapis paralelne veze se u jednačinama može prikazati kao dve vertikalne linije ||, čime se pojednostavljuje jednačina. Za dva otpornika,

$R_{\mathrm {eq} }=R_{1}\|R_{2}={R_{1}R_{2} \over R_{1}+R_{2}}$

Otpornici spojeni u red imaju osobinu da je struja kroz sve njih ista, ali napon na pojedinom otporniku može biti različit. Zbir napona jednak je ukupnom naponu. Određivanje ukupnog otpora:

$R_{\mathrm {eq} }=R_{1}+R_{2}+\cdots +R_{n}$

Otpornička mreža, kombinacija paralelno i serijski vezanih otpornika, se ponekad može rastaviti na manje delove koji su ili paralele ili serije. Na primer,

$R_{\mathrm {eq} }=\left(R_{1}\|R_{2}\right)+R_{3}={R_{1}R_{2} \over R_{1}+R_{2}}+R_{3}$

Provodnost

Provodnost je recipročna vrednost otpora:

$G={1 \over R}$

SI jedinica za električnu provodnost je 1 S (simens)

Tehnologija

Otpornici se obično proizvode namatanjem metalne žice oko keramike, plastike, ili oko staklenog vlakna. Krajevi žica se zaleme na dva izvoda koji se nalaze na krajevima jezgra. Sklop se zaštiti slojem boje, plastikom ili slojem emajla pečenog na visokoj temperaturi. Žičani izvodi obično imaju prečnik između 0.6 i 0.8 mm i presvučeni su zaštitnim slojem da se omogući lakše lemljenje.

Uz opisane vrste otpornika namijenjene elektronici, u regulaciji uređaja jake struje (npr. regulaciji snage dizaličnih elektromotora, elektro-viljuškara i dr.) susreću se i otpornici za velike snage. Uobičajeno se izvode iz limenih ploča pakovanih u prozračne metalne kutije ili ormariće koje omogućuju efikasno hlađenje. Specifičnim slučajem otpornika u širem smislu reči možemo smatrati različite soli za elektrootporne metalurške i slične peći.

Na kraju, otpornikom se mogu smatrati i različite vrste grejačkih elemenata uobičajeno iz spiralno motane otporne žice razapete preko izolirajućih potpornih elemenata ili uložene u bakarne cijevi sa izolirajućim punjenjem. Takvi grijači elementi imaju široku primjenu u industrijskoj i kućnoj tehnici i ugrađuju se u peći, pećnice, pegle, perilice i druge uređaje i aparate.

Električni i toplotni šum

Glavni članak: Šum u elektronici

Pri pojačavanju slabih signala često je neophodno da se minimizuje elektronski šum, posebno u prvom stupnju pojačavanja. Kao disipativni element, čak i idealni otpornik prirodno proizvodi randomno fluktuirajući napon, ili šum, na svojim krajevima. Taj termalni šum je fundamentalni izvor šuma koji zavisi od temperature i otpora otpornika, i on je predviđen teoremom fluktuacije i disipacije. Koristeći veće vrednosti otpora stvara se veći naponski šum na datoj temperaturi.

Termalni šum praktičnih otpornika može da nadmaši teoretska predviđanja i to povećanje je tipično zavisno od frekvencije. Prekomerni šum otpornika je uočljiv samo kad kroz njega protiče struja. On se izražava u jedinici μV/V/dekada – μV šuma po voltu primenjenom na otpornik po dekadi frekvencije. Ova vrednost se često daje u dB, tako da otpornik sa indeksom šuma od 0 dB ispoljava 1 μV (rms) viška šuma po svakom voltu primenjenom na otpornik u svakoj dekadi frekvencije. Višak šuma je stoga primer 1/f šuma. Otpornici od debelog filma ili ugljeničnog sastava stvaraju više viška šuma nego drugi tipovi na niskim frekvencijama. Otpornici od namotane žice i debelog filma se često koriste zbog njihovih boljih karakteristika šuma. Otpornici ugljeničnog sastava mogu da ispolje indeks šuma od 0 dB, dok otpornici od obimne metalne folije mogu da imaju indeks šuma od −40 dB, te je suvišni šum otpornika od metalne folije obično zanemarljiv. Otpornici od površina tankog filma tipično imaju niži šum i bolju termičku stabilnost od otpornika od površina debelog filma. Višak šuma je isto tako zavisan od veličine: generalno je višak šuma umanjuje sa povećanjem fizičke veličine otpornika (ili ako se koriste višestruki paralelni otpornici), pošto nezavisno fluktuirajući otpori manjih komponenti imaju tendenciju da se usrednjavaju.

Mada to nije primer šuma sam po sebi, otpornik može da deluje kao termopar, proizvodeći mali DC naponski diferencijal usled termoelektričnog učinka, ako su njegovi krajevi na različitim temperaturama. Tako indukovani DC napon može da degradira preciznost instrumentacionih pojačavača. Takav napon se pojavljuje na spojevima otpornika sa pločom kola i telom otpornika. Uobičajeni otpornici sa metalnim filmom pokazuju takav efekat sa magnitudom od oko 20 µV/°C. Neki otpornici ugljeničnog sastava mogu da ispolje termoelektrične efekte magnitude i do 400 µV/°C, dok specijalno konstruisani otpornici mogu da imaju taj napon umanjen do 0,05 µV/°C. U primenama gde termoelektrični efekat može da bude značajan, more se obratiti pažnja da se otpornici postave horizontalno da bi se izbegli temperaturni gradijenti i da se vodi računa od protoku vazduha preko ploče.

Literatura

• Middleton, Wendy; Van Valkenburg, Mac E. (2002). Reference data for engineers: radio, electronics, computer, and communications (9 izd.). Newnes. str. 5—10. ISBN 978-0-7506-7291-7. 

Spoljašnje veze

• Otpornik
• 4-terminal resistors – How ultra-precise resistors work Arhivirano na sajtu Wayback Machine (27. mart 2010)
• Beginner's guide to potentiometers, including description of different tapers Архивирано на сајту Wayback Machine (23. април 2019)
• Color Coded Resistance Calculator – archived with WayBack Machine
• Resistor Types – Does It Matter?
• Standard Resistors & Capacitor Values That Industry Manufactures
• Ask The Applications Engineer – Difference between types of resistors Архивирано на сајту Wayback Machine (22. фебруар 2010)
• Resistors and their uses