Влияние эксплуатационных факторов на параметры и работоспособность резисторов.



При эксплуатации резисторы подвергаются воздействию сложного комплекса разнообразных эксплуатационных факторов, которые по своей природе можно разделить на следующие группы:

     1.Климатические нагрузки (температура и влажность окружающей среды, атмосферное давление).
     2.Примеси в окружающей среде, биологические факторы.
     3.Механические нагрузки (вибрация, удары, постоянно действующее ускорение).
     4.Радиационные воздействия (поток нейтронов, гамма-лучи, космические частицы и др.).
     5.Электрические нагрузки (ток, напряжение, рассеиваемая мощность).

Эксплуатационные факторы, в зависимости от их сочетания, вызывают один или несколько из следующих процессов разрушения резисторов:

    •Тепловое старение проводниковых, изоляционных и контактных материалов;
    •Локальные перегревы в дефектных участках проводящего элемента и контактных узлах;
    •Электролиз в керамическом основании, содержащем окислы щелочных металлов;
    •Перемещение и разобщение проводящих частиц резистивного материала проникшей в него влагой;
    •Электрохимическое разрушение проводящего материала;
    •Изменение и разрушение структуры проводящих частиц;
    •Нарушение электрической и механической прочности деталей и узлов.

Изменение сопротивления резисторов при воздействии эксплуатационных факторов складывается из обратимого изменения сопротивления, обусловленного температурным коэффициентом сопротивления, и необратимого изменения сопротивления. Свойства резисторов при различных режимах и условиях эксплуатации или испытаний характеризуются коэффициентами стабильности (коэффициентами старения), показывающими относительное необратимое изменение сопротивления по сравнению с его первоначальной величиной. Наибольшие необратимые изменения сопротивления резисторов вызываются электрической нагрузкой, повышенной температурой и повышенной влажностью окружающей среды.

Электрическая нагрузка и повышенная температура окружающей среды

Характер действия этих факторов на резисторы идентичен (тепловое старение). Однако за счет локальных перегревов в резистивном элементе повышение электрической нагрузки приводит, как правило, к большему изменению сопротивления, чем соответствующее повышение окружающей температуры. Степень влияния электрической нагрузки и температуры на параметры резисторов зависит от конструктивного исполнения резисторов, примененных материалов и особенностей технологии их производства. Характерные зависимости необратимого изменения сопротивления резисторов различных групп показаны на рис. 1.

Изменение сопротивления различных резисторов при воздействии электрической и тепловой нагрузки

Среди непроволочных резисторов наиболее устойчивыми к действию электрической нагрузки и температуры являются тонкослойные резисторы (углеродистые, металлодиэлектрические, металлоокисные). Величина изменения сопротивления этих резисторов и знак коэффициента старения зависят от соотношения между интенсивностями различных компонентов процесса старения, которые могут приводить как к уменьшению (за счет структурных изменений проводящего слоя, отвердевания защитного покрытия, выделения летучих веществ из проводящего слоя), так и к увеличению сопротивления (за счет окисления проводящего материала и переходных контактов между контактной арматурой и проводящим слоем, абсорбции газов и паров из окружающей среды). Уменьшение сопротивления металлодиэлектрических резисторов чаще всего наблюдается при эксплуатации резисторов в облегченном тепловом режиме, когда преимущественное значение имеют отрицательные компоненты старения. Углеродистые резисторы из-за недостаточной плотности углеродистого слоя могут уменьшать свое сопротивление в течение длительного времени (сотни — тысячи часов) и в предельно-допустимых по техническим условиям нагрузочных режимах.

Следует также иметь в виду, что у тонкослойных резисторов, изготовленных на изоляционном основании из щелочной керамики, при работе в цепях постоянного тока необратимые изменения сопротивления в результате электролитических процессов достигают больших значений, особенно у предельно нагружаемых резисторов повышенной мощности (1—2 вт), вплоть до потери проводимости.

Стабильность композиционных резисторов определяется в основном стабильностью связующих диэлектрических материалов. Наибольшей нестабильностью отличаются резисторы с органической основой (СП, СПЗ-6, СПЗ-9, СПЗ-10 и др.). Отверждение и объемная усадка связующего материала, происходящие в процессе эксплуатации резисторов, приводят к уменьшению сопротивления, а его термоокислительная деструкция (разрушение) — к увеличению сопротивления. Процесс полимеризации заканчивается обычно через несколько сот часов и более, в зависимости от теплового режима резистора, после чего начинается непрерывное, хотя и незначительное, возрастание сопротивления за счет разрушения связующей основы.

Изменение сопротивления проволочных резисторов определяется процессами старения проволоки, среди которых основную роль играют окислительные процессы, приводящие к увеличению сопротивления. В начальный период эксплуатации проволочных резисторов в проволоке происходят процессы, связанные со снятием внутренних напряжений и изменением ее микроструктуры. Поэтому при небольших тепловых и электрических нагрузках, когда процессы окисления замедлены, может иметь место уменьшение сопротивления. Снижение электрической прочности эмалевого покрытия проводов в результате его термоокислительной деструкции приводит к замыканию витков намотки и уменьшению сопротивления резисторов с многослойной намоткой.

Появление изоляционных пленок на поверхности резистивного элемента и подвижного контакта (окисные, полимерные и т. п.), образующихся при эксплуатации проволочных резисторов в условиях повышенных температур, а также снижение контактного давления вследствие изменения предела упругости пружинящих материалов являются причинами необратимого изменения установленного сопротивления и нарушения контакта между ползунком и проводом намотки.

Наконец, прохождение электрического тока вызывает интенсификацию тепловых процессов в дефектных местах любого проводящего элемента, независимо от использованных материалов и технологии его изготовления. Локальные перегревы приводят к увеличению сопротивления резисторов в результате окисления околодефектных участков проводящего элемента, а при высоких уровнях перегревов происходит перегорание проводящего элемента (обрыв).

Повышенная влажность окружающей среды

Повышенная влажность вызывает, как правило, увеличение сопротивления резистора. При этом наибольшие необратимые изменения характерны для композиционных (с органической связкой) и углеродистых резисторов. Во влажной среде происходит набухание органических связующих; влага, внедряясь в структуру резистивного материала непроволочных резисторов, нарушает контакты между межкристаллическими прослойками или зернами проводящего элемента, проникает в контактные узлы и вызывает коррозию контактной арматуры. Набухшее во влажной среде защитное эмалевое покрытие является причиной отслаивания резистивной пленки тонкослойных (особенно углеродистых) резисторов от основания и потери проводимости.

Зависимость процента разрушенных МЛТ резисторов от повышенной влажности иэлектрической нагрузки

Наиболее тяжелые условия для тонкослойных резисторов, находящихся в среде с повышенной влажностью, создаются при подаче на них электрической нагрузки. В результате электролиза поглощенной резистором влаги выделяется атомарный кислород, активно окисляющий проводящий материал. Особо чувствительны к действию влаги слабо нагруженные резисторы со спиральной нарезкой проводящего слоя (в частности, высокоомные), так как с понижением температуры резистора адсорбция влаги усиливается. Степень влияния теплового режима работы тонкослойных резисторов на скорость электрохимического разрушения проводящего слоя показана на рис. 2.

Необратимые изменения сопротивления проволочных резисторов при эксплуатации во влажной среде невелики. Однако влага, проникая через повреждения и дефекты защитного покрытия и изоляции, вызывает коррозионное разрушение проводов. При нахождении токопроводящих деталей резисторов под напряжением может иметь место электрохимическая коррозия проводов, протекающая тем интенсивнее, чем меньше сопротивление изоляции, выше влажность и концентрация агрессивных примесей в окружающей среде. В результате может произойти обрыв провода намотки.

У постоянных непроволочных резисторов изолированной конструкции, переменных непроволочных и проволочных резисторов повышенная влажность снижает сопротивление изоляции. Уменьшение сопротивления изоляции связано с объемным увлажнением изоляционных деталей. Скорость проникновения влаги зависит от влажностных характеристик изоляционных материалов (коэффициента диффузии влаги, растворимости и влагопроницаемости), толщины защитного покрытия, температуры и влажности окружающей среды.

Пониженное атмосферное давление

Пониженное атмосферное давление снижает электрическую прочность воздушного промежутка между металлическими деталями резисторов (колпачками выводов, выводом и корпусом, подвижным контактом и осью и т. п.), находящихся под различным напряжением, а также между витками спиральной нарезки непроволочных резисторов, создавая благоприятные условия для электрического пробоя воздуха или перекрытия по поверхности резисторов.

Для маломощных постоянных резисторов наиболее опасной является область атмосферных давлений от 0,1 до 5 мм рт.ст. Величина напряжения перекрытия зависит от давления воздуха, расстояния между токоведущими деталями и их конфигурации, конструкции резистора и состояния его поверхности. Поэтому минимальное напряжение перекрытия при одном атмосферном давлении может быть различным для различных образцов резисторов одного и того же типоразмера.

Ионизация воздуха, которая имеет место при пробое воздушных зазоров (или перекрытии), способствует ускоренному старению изоляционных материалов и проводящего элемента резисторов. В связи с уменьшением теплоотдачи за счет конвекции воздуха и теплопроводности через газовую среду при низком атмосферном давлении условия отвода тепла от резистора ухудшаются. Тепловой режим работы нарушается, и фактическая температура перегрева резистора может стать значительно выше допустимой, что может явиться причиной снижения его работоспособности. Так, при давлении 10-6 — 10-7 мм рт.ст. и температуре 20 С° температура перегрева непроволочных постоянных резисторов, нагруженных номинальной мощностью, превышает допустимую для данного типа резисторов в среднем на 50—150%.

Кроме того, при глубоком вакууме возможна сублимация (возгонка) твердых материалов, особенно органического происхождения. Газовыделение из материалов и потеря легколетучих компонентов вызывают изменение электропроводности, теплопроводности, влагопроницаемости, механической прочности и других характеристик материалов.

Прочие климатические нагрузки

Солнечная радиация, атмосферные осадки, песок и пыль не оказывают заметного влияния на работоспособность резисторов, так как последние практически не подвергаются непосредственному воздействию этих, эксплуатационных факторов. Однако пыль может содействовать коррозии металлических деталей резисторов и развитию плесени. Наличие во влажной атмосфере солей (морской туман) приводит к интенсификации коррозионных процессов металлических деталей и снижению сопротивления изоляции.

Наибольшую опасность при эксплуатации и хранении резисторов во влажном тропическом климате представляет разрушительное действие плесени. Появление плесени на поверхности резисторов может приводить к обесцвечиванию и разрушению защитных покрытий, ухудшению их изоляционных и механических свойств, а также способствует образованию слоя влаги на поверхности резисторов.

Радиационные воздействия

Среди различных видов радиации (облучение нейтронами и протонами, воздействие электронов, альфа-частиц, осколков ядер и гамма-лучей) наиболее опасными являются нейтроны и гамма-лучи вследствие их высокой проникающей способности. Гамма-нейтронное облучение вызывает обратимые или необратимые изменения омического сопротивления резисторов. Эти изменения могут быть обусловлены следующими процессами:

    •Изменением электрофизических характеристик материала проводящего элемента, а также изоляционных материалов, использованных в конструкции резисторов;
    •Значительным увеличением электропроводности материалов конструкции резистора за счет ионизации;
    •Резким увеличением электропроводности воздуха или другой среды, окружающей резистор, в результате ионизации.

Характер и степень изменения омического сопротивления резисторов под воздействием гамма-нейтронного излучения зависят от характеристик излучения, конструктивных и технологических особенностей резисторов и примененных в них материалов.

В результате ионизации вещества в материалах конструкции резистора и в окружающем его воздухе протекают ионизационные токи, резко увеличивающие шунтирующее влияние проводимости материалов изоляционного основания, защитного покрытия и воздуха и вызывающие временное уменьшение омического сопротивления резистора. Эффект шунтирования тем существеннее, чем интенсивнее излучение, а при одинаковых дозах импульсного облучения — чем выше номинальное сопротивление резистора. Так, при мощности экспозиционной дозы γ-излучения 107 р/сек уменьшение сопротивления углеродистых, металлопленочных, металлоокисных и композиционных резисторов с номинальным сопротивлением 1 Мом достигало 50%, а для резисторов с номинальным сопротивлением 100 ком 35%. Послё прекращения импульса радиации сопротивление восстанавливается.

Зависимость изменения сопротивления от потока нейтронов

Необратимые изменения параметров и нарушение работоспособности резисторов связаны в основном с нарушениями структуры проводящих и изоляционных материалов и зависят от величины общей поглощенной дозы излучения, величины нейтронных потоков и их энергетического спектра (рис. 3).

Причинами необратимых изменений сопротивлений могут быть уменьшение основной проводимости пиролитического углерода и химических изменений проводящей пленки (углеродистые пленочные резисторы), необратимое нарушение структуры органических материалов (угольные композиционные резисторы), изменение электропроводности проводящей пленки (металлоокисные резисторы). Наиболее радиационностойкими являются проволочные резисторы, у которых при облучении до потоков быстрых нейтронов 1018 н/см2 изменения параметров не наблюдается.

Радиационные нарушения структуры материалов конструкции в ряде случаев могут приводить к ухудшению эксплуатационных характеристик (термо- и влагостойкости, механической и электрической прочности, надежности, долговечности и др.) резисторов.


Список использованной литературы


1.Элементы Радиоэлектронной Аппаратуры. Выпуск 26. Стальбовский В.В., Четвертков И.И. Резисторы. Москва: Издательство «Советское радио», 1973 год.
2.Резисторы: Справочник / В. В. Дубровский, Д. М. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др.; под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991 год.



Поиск по сайту