Niedoskonałość elementów – Rezystory praktycznie część 2

W poprzednim artykule ER008 opisane były sposoby sprawdzania stabilności cieplnej (termicznej) rezystorów. W tym artykule opisane są przykłady podobnych pomiarów, które pozwalają porównać parametry różnego rodzaju rezystorów.

Testowaliśmy popularne rezystory przewlekane, grzejąc ich końcówki lutownicą, ponieważ z grubsza odpowiada to wlutowaniu ich w płytkę. Okazało się, że tak badane popularne i tanie rezystory przewlekane trwale zmieniły rezystancję o 0,35…1%. W przypadku innych rezystorów zmiany takie mogą być większe albo mniejsze i warto to zbadać.

Wiadomo powszechnie, że rezystory o wysokich nominałach zwykle mają większe współczynniki cieplne TCR i gorszą stabilność niż te o niższej rezystancji. Dlatego przetestowałem kilka posiadanych rezystorów 1-megaomowych.

Na fotografii 7 testowane elementy są oznaczone cyframi:

1 – stary jednowatowy rezystor MŁT o tolerancji aż 10%,

2 – typowy, popularny rezystor 5-procentowy (tzw. ćwiartka),

3 – miniaturowy rezystor metalizowany o obciążalności 0,6W

4 – nieznanego pochodzenia rezystor 1-procentowy,

5 – rezystor „ćwiartka” o tolerancji 1%,

6 – rezystor 1% z chińskiego zestawu z fotografii 1 z poprzedniego odcinka.

Wszystkie rezystory były grzane tak jak poprzednie i jak w czasie wlutowania w płytkę: najpierw jedno wyprowadzenie, potem drugie. W czasie grzania końcówek rezystancje zmieniały się rozmaicie, a najważniejsze jest, na ile w sposób trwały zmieniła się ich rezystancja (wyrażona w MΩ) po takim grzaniu. Oto wyniki:

1: z 1,0069 na 1,0070, czyli o +0,01%,

2: z 0,9949 na 0,9942, czyli o –0,07%,

3: z 1,0330 na 1,0350, czyli o  +0,19%,

4: z 1,0015 na 0,9969, czyli o  –0,46%,

5: z 1,0067 na 0,9999, czyli o  –0,68%,

6: z 0,9902 na 0,9894, czyli o  –0,08%.

Jak na rezystory wysokoomowe, są to zaskakująco dobre wartości!

Podkreślam, że podczas grzania rezystancja poszczególnych egzemplarzy zmieniała się rozmaicie. Najogólniej biorąc, amplituda takich zmian podczas niezbyt szybkiego grzania wskazuje na wielkość i  „biegunowość” współczynnika cieplnego TCR.

Zasadniczo tak, ale zmiany wskazań omomierza podczas grzania wynikają z kilku czynników i nie należy wyciągać zbyt daleko idących wniosków. Między innymi przy grzaniu jednej nóżki w grę wchodzą też napięcia termoelektryczne – przy różnicach temperatury powstają ogniwa termoelektryczne na styku różnych metali. Występują one tylko wtedy, gdy temperatury poszczególnych części rezystora są różne.

Wprawdzie te napięcia termoelektryczne są malutkie, rzędu mikrowoltów, a najwyżej pojedynczych miliwoltów, niemniej w najbardziej precyzyjnych układach trzeba też zwracać uwagę, żeby obie końcówki rezystora miały jednakową temperaturę.

Jeżeli (przewlekany) rezystor się znacząco grzeje, lepiej zamontować go poziomo nad płytką, a nie pionowo. A jeszcze lepiej, żeby się nie grzał, co uzasadnia, dlaczego w najbardziej precyzyjnych układach często stosuje się rezystory o zwiększonych rozmiarach i obciążalności.

Ja mam od lat w swoich zapasach stare rezystory precyzyjne (1MΩ, 111kΩ, 10,1kΩ, 1,001kΩ, 0,5%, 200ppm/K), przeznaczone pierwotnie do jakiegoś dzielnika,  zamawiane kiedyś dawno, o ile pamiętam, w ośrodku badawczym Telpod Kraków. Nadeszła pora, żeby je sprawdzić.

Pomiary rezystancji przed i po mocnym grzaniu lutownicą rezystora 1-megaomowego pokazane są na fotografii 8. Jak widać, po takiej próbie lutowania rezystancja zmienia się o około 400 omów, czyli o znikome 0,04%!

Analogiczne wyniki dla rezystora 111-kiloomowego przedstawione zostały na fotografii 9.

Tu rezystancja po silnym grzaniu końcówek zmieniła się trwale o około 20 omów, czyli mniej niż 0,02%. Porównanie wcześniej przedstawionych wyników z tymi z fotografii 8 i 9 pokazuje, dlaczego precyzyjne, stabilne rezystory są takie drogie. Płacimy nie za tolerancję, tylko za stabilność.

Trzeba też mocno podkreślić, że podczas moich testów wszystkie badane rezystory „dostały mocno w kość”, co zresztą widać na fotografiach. Każdy był grzany przez około 10 sekund lutownicą nagrzaną aż do 380 stopni. W realnych warunkach zapewne rezystory THT nie będą grzane aż tak mocno podczas wlutowywania w płytkę.

W przypadku ręcznego lutowania rezystorów przewlekanych, aby zmniejszyć taki stres termiczny, warto zamontować je na dłuższych końcówkach, żeby podczas lutowania ich części czynne nie były mocno podgrzewane. Dawniej zalecano, żeby w czasie lutowania końcówkę elementu tuż przy obudowie chwycić pincetą, która miała przejąć część ciepła.  Korzystniej zachowują się podczas lutowania rezystory o większych rozmiarach, czego zaskakującym przykładem jest choćby stary, 1-watowy, 10-procentowy rezystor oznaczony numerem 1 na rysunku 7.

Inaczej jest w przypadku elementów SMD. Na końcu prawie każdej karty katalogowej elementu SMD można znaleźć zalecaną charakterystykę grzania podczas lutowania. Hobbysta z lutownicą zwykłą i ręczną na gorące powietrze nie ma szans, żeby te zalecenia spełnić. Nie ma dobrego sposobu, żeby w warunkach amatorskich uniknąć silnego podgrzania przy lutowaniu oraz wylutowywaniu, a to może skrócić żywotność i wpłynąć na parametry elementu.

Ja do prostego testu wziąłem dwa rezystory SMD o nominale 100kΩ, pokazane na fotografii 10. Jeden to 5-procentowy o wielkości 1206, oznaczony 104. Przed lutowaniem jego rezystancja wynosiła 100,39kΩ, a po wlutowaniu na płytkę 100,46kΩ. Rezystancja zwiększyła się niewiele, mniej niż o 0,1%.

Drugi egzemplarz to sprzedany jako precyzyjny rezystor 1-procentowy wielkości 0805, oznaczony 1003. Jego rezystancja po próbie ręcznego lutowania zmieniła się ze 100,23kΩ do 100,08kΩ, czyli o –0,15%%, a więc też niewiele.

Dla tych dwóch rezystorów SMD zmiany rezystancji po lutowaniu okazały się znacznie mniejsze, niż to było w przypadku zdecydowanej większości rezystorów przewlekanych!

Przypuszczam, że dla wielu, a raczej dla większości Czytelników, informacje podane w poprzednim i w tym odcinku są dużym zaskoczeniem.

Wyniki podobnych pomiarów posiadanych przez Was rezystorów mogą okazać się zdecydowanie inne.

Gorąco (sic!) zachęcam dociekliwych Czytelników, żeby przeprowadzili tego rodzaju próby i żeby dodatkowo zwrócili uwagę, jak zmienia się rezystancja podczas wstępnego grzania jednej nóżki rezystora, a jak potem przy grzaniu drugiej. Dziwne zachowanie (w tym zaskakujący wynik z wcześniejszej  fotografii 4) można łatwo wytłumaczyć właśnie wspomnianymi napięciami termoelektrycznymi, choć w grę mogą wchodzić też jeszcze inne czynniki.

Grzanie końcówek rezystorów lutownicą to najprostszy i jak najbardziej użyteczny test ich stabilności. Jednak jeżeli ktoś chciałby wyeliminować wpływ wspomnianych dodatkowych czynników i oszacować wartość współczynnika cieplnego TCR posiadanych rezystorów, to nie powinien ich gwałtownie podgrzewać za pomocą lutownicy. Powinien zastosować bardzo powolne grzanie suszarką do włosów lub przez włożenie co najmniej na kilkanaście minut do lodówki, gdzie zdecydowanie łatwiej zmierzyć temperaturę niż przy grzaniu suszarką.

Podsumowanie

Przedstawione właśnie wyniki bardzo prostych eksperymentów pokazują, że precyzyjne dobieranie wartości nieużywanych rezystorów przed ich wlutowaniem w układ mija się z celem. A przecież takie praktyki są często stosowane przez amatorów.

Hobbyści często budują różne układy pomiarowe i inne, w których chcą uzyskać wysoką precyzję. Jak widać, niełatwo ją uzyskać, nawet przy zastosowaniu elementów nazywanych precyzyjnymi. Dziś to określenie jest zresztą mocno nadużywane, zwłaszcza przez sprzedawców.

Na pewno rezystorów reklamowanych i sprzedawanych jako 1-procentowe nie należy automatycznie uznawać za precyzyjne i stabilne. Po pierwsze, często wcale nie mają one deklarowanej tolerancji ±1%. Po drugie, nawet jeżeli mają, to nic nie wiadomo o ich stabilności.

Dlatego jeszcze raz zachęcam do samodzielnego przetestowania posiadanych rezystorów, w szczególności tych o wysokich nominałach! Być może po takich wstępnych testach dobrze byłoby zakupić u któregoś z solidnych sprzedawców jakieś precyzyjne, a niezbyt drogie rezystory i je podobnie sprawdzić.

Oczywiście takie proste, domowe testy nie mówią wszystkiego o właściwościach rezystorów, ale pozwolą wykryć elementy, które na pewno nie nadają się do precyzyjnych zastosowań.

Jednak nie wszystkie rezystory będą pracować w układach precyzyjnych. Nie zawsze w układach pomiarowych trzeba stosować bardzo kosztowne rezystory najwyższej jakości. Często wystarczą popularne, niedrogie rezystory, tylko trzeba uniknąć opisanych pułapek i umiejętnie wykorzystać elementy średniej klasy. To jednak zupełnie odrębne zagadnienie.

Natomiast temat niedoskonałości elementów, w tym rezystorów, jest kontynuowany w kilku artykułach o wykorzystaniu nanoVNA o numeracji zaczynającej się od  MR091.

Piotr Górecki