036.495.1695
Cấu tạo và phân loại điện trở
1. Cấu tạo điện trở
1.1 Điện trở màng (MFR: Metal Film Resistor)
a. Cấu tạo
Điện trở màng bao gồm lớp màng kim loại hoặc oxit kim loại dẫn điện được phủ trên nền cách điện, sau đó được khắc laser để tạo rãnh xoắn ốc (điều chỉnh giá trị trở kháng). Cuối cùng, điện trở được phủ thêm lớp cách điện bên ngoài. Cấu tạo này cũng tạo ra độ tự cảm cho điện trở (như cuộn cảm) nên cần lưu ý yếu tố này khi thiết kế.
b. Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Độ chính xác cao và ổn định lâu dài.
- Chịu nhiệt tốt, ít thay đổi trở kháng theo nhiệt độ.
- Ít nhiễu hơn so với điện trở dây quấn.
Nhược điểm:
- Giá thành cao hơn điện trở carbon.
- Khả năng chịu quá tải kém.
Điện trở màng có sai số thấp, khoảng 0.1% đến 1%, nhờ vào chất dẫn điện tinh khiết và quy trình sản xuất chính xác (độ dày lớp màng có thể kiểm soát tới nanomet). Vì vậy, chúng thường được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu tốt. Thường gặp trong các thiết bị y tế, đo lường, mạch âm thanh, mạch tín hiệu, các thiết bị quân sự và thiết bị công nghiệp.
1.2 Điện trở dây quấn (WWR: Wire Wound Resistor)
a. Cấu tạo
Điện trở dây quấn được tạo ra bằng cách quấn dây dẫn quanh lõi cách điện theo hình xoắn ốc, sau đó phủ lớp bảo vệ cách điện bên ngoài.
Điện trở này có thể đi kèm với vỏ tản nhiệt bằng nhôm nếu chúng được dùng cho ứng dụng công suất lớn.
b.Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Chịu được dòng điện và công suất lớn.
- Độ ổn định cao, ít thay đổi trở kháng theo nhiệt độ.
- Tuổi thọ dài và độ chính xác tốt.
Nhược điểm:
- Kích thước lớn hơn so với các loại điện trở khác.
- Không thích hợp cho ứng dụng có tần số cao vì gây cảm kháng.
- Giá thành cao hơn so với điện trở carbon.
Điện trở dây quấn thường được sử dụng trong các mạch công suất cao như bộ nguồn và mạch điện trong công nghiệp. Chúng tỏa nhiệt và cách nhiệt tốt (tùy thuộc vào vật liệu cách điện), nhưng không hiệu quả trong môi trường có nhiễu điện từ tần số cao. Ngoài ra, điện trở dây quấn còn được sử dụng trong các hệ thống phanh từ vì có công suất tiêu tán lớn dưới dạng nhiệt năng.
1.3 Điện trở carbon (CCR: Carbon Composition Resistor)
a. Cấu tạo
Điện trở carbon được chế tạo bằng cách trộn các hạt carbon với một chất cách điện, thông thường là gốm. Sau đó, hỗn hợp này được nung nóng và đúc thành hình trụ.
Điện trở này có thể thay thế các hạt carbon bằng các hạt chất dẫn điện khác.
b.Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Chịu được các xung năng lượng cao.
- Có giá trị trở kháng cao lên đến MegaOhms.
- Chi phí sản xuất thấp.
Nhược điểm:
- Độ ổn định kém: giá trị trở kháng của điện trở carbon dễ bị thay đổi theo thời gian, nhiệt độ và độ ẩm.
- Hệ số nhiệt cao (TCR: Temperature Coefficient of Resistance): giá trị trở kháng thay đổi đáng kể theo sự thay đổi nhiệt độ.
- Công suất tiêu thụ nhỏ và nhiệt độ hoạt động không vượt quá 70°C.
Điện trở carbon được sử dụng rộng rãi trong mạch điện tử để giới hạn dòng điện, chia điện áp và bảo vệ các linh kiện nhạy cảm như diode, transistor. Ngoài ra, chúng còn giúp tạo tín hiệu, lọc tần số và ổn định mạch. Với giá thành rẻ, điện trở carbon là lựa chọn trong nhiều ứng dụng phổ thông.
1.4 Điện trở dán (SMDR: Surface Mount Device Resistor)
a. Cấu tạo
Điện trở dán được tạo ra bằng cách đặt một lớp dẫn điện mỏng lên đế gốm. Giá trị trở kháng được xác định thông qua vật liệu, kích thước bề mặt, độ dày và hình dạng rãnh ở trên lớp dẫn điện.
b.Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho mạch điện tử có không gian hạn chế.
- Dễ tự động hóa trong quá trình lắp ráp.
- Độ chính xác và độ tin cậy cao.
- Ít chịu ảnh hưởng từ nhiễu và từ trường.
Nhược điểm:
- Khó sửa chữa hoặc thay thế do kích thước nhỏ.
- Không chịu được công suất lớn như các loại điện trở truyền thống.
- Yêu cầu thiết bị chuyên dụng khi lắp ráp.
Điện trở dán được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử nhỏ gọn như smartphone, laptop, thiết bị y tế, mạch vi điều khiển, mạch điều chỉnh tín hiệu, bộ khuếch đại.
1.5 Điện trở phi tuyến (Varistor)
a. Cấu tạo
Điện trở phi tuyến được chế tạo từ hỗn hợp oxit kim loại (thường là kẽm) với gốm (ceramic) sau đó gắn nối tiếp với hai tấm kim loại và chân nối điện.
Nguyên lý hoạt động: ở mức điện áp thấp, điện trở này không dẫn điện. Tuy nhiên, khi điện áp đạt giá trị đủ cao, nó sẽ cho dòng điện chạy qua.
Từ đồ thị trên, có thể thấy rằng khi sử dụng hỗn hợp dẫn điện là ZnO (kẽm oxide), điện trở phi tuyến bắt đầu hoạt động như một dây dẫn với trở kháng rất thấp khi điện áp đạt từ 250V trở lên. Ở điện áp dưới 250V, điện trở này gần như cách điện. Tương tự, với SiC (silicon carbide), đồ thị có chút khác biệt: khi điện áp tăng từ 0V đến 250V, nó gần như cách điện. Khi điện áp vượt quá 250V, điện trở phi tuyến tính bắt đầu cho phép dòng điện chạy qua, nhưng giá trị trở kháng giảm dần theo điện áp, không dẫn điện hoàn toàn như ZnO.
Ta thấy 2 đường biểu diễn I(u) của 2 loại vật liệu đối xứng qua gốc tọa độ nên có thể thấy điện trở phi tuyến không phân biệt cực khi sử dụng.
Như vậy, hình dạng đồ thị I(u) của điện trở phi tuyến phụ thuộc theo hỗn hợp dẫn điện được sử dụng.
b.Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Bảo vệ quá áp: ngăn ngừa hư hỏng trong quá trình quá độ.
- Phản ứng nhanh: đáp ứng ngay với quá độ điện áp.
- Dễ lắp đặt: không cần điều chỉnh phức tạp và không phân cực.
- Chi phí hợp lý: giá thành thấp so với các giải pháp khác.
Nhược điểm:
- Giới hạn tuổi thọ: dễ mất khả năng bảo vệ khi quá tải.
- Ảnh hưởng nhiệt độ: hiệu suất giảm nếu vượt quá dải nhiệt độ cho phép.
- Tính phi tuyến: có thể gây khó khăn trong kiểm soát dòng điện.
- Nguy cơ hư hỏng: có thể bị phát nổ khi quá tải, ảnh hưởng các linh kiện xung quanh.
Điện trở phi tuyến được sử dụng để bảo vệ mạch khỏi các xung điện áp đột ngột bằng cách mắc song song với mạch. Chúng thường được dùng trong các mạch bảo vệ chống sét và hiệu quả nhất trong mạch điện xoay chiều. Trong mạch điện một chiều, khả năng hồi phục của nó không nhanh bằng trong mạch xoay chiều.
1.6 Điện trở nhiệt (Thermistor)
a. Cấu tạo
Điện trở nhiệt có cấu tạo đơn giản, bao gồm một lớp bán dẫn đặt giữa hai tiếp điểm dẫn điện, được phủ bên ngoài bằng một lớp bảo vệ cách điện.
Cấu tạo điện trở nhiệtNguyên lý hoạt động: giá trị trở kháng của điện trở nhiệt thay đổi theo nhiệt độ tác động lên thành phần bán dẫn. Dựa vào đặc tính này, người dùng chia thành hai loại: NTC (Negative Temperature Coefficient) và PTC (Positive Temperature Coefficient).
- NTC: trở kháng giảm khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, NTC thường được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ, như cảm biến nhiệt độ trong các thiết bị điện tử.
- PTC: ngược lại, trở kháng của PTC tăng khi nhiệt độ tăng, giúp hạn chế dòng điện trong trường hợp quá tải. Điều này làm cho PTC thường được sử dụng như một thiết bị bảo vệ trong các mạch điện.
b.Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Độ nhạy cao: phản ứng nhanh với thay đổi nhiệt độ.
- Kích thước nhỏ: dễ dàng lắp đặt trong các thiết bị nhỏ.
- Giá thành thấp: chi phí sản xuất hợp lý.
- Độ chính xác cao: khả năng chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện chính xác.
Nhược điểm:
- Dải nhiệt độ hạn chế: hoạt động tốt trong một khoảng nhiệt độ cụ thể.
- Tính phi tuyến: đặc tính điện trở thay đổi không đều với nhiệt độ, cần hiệu chỉnh.
- Độ ổn định kém: có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường.
- Tuổi thọ giới hạn: dễ bị hỏng khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng an toàn dù chỉ là trong thời gian ngắn.
Điện trở nhiệt được sử dụng trong các ứng dụng cần xác định nhiệt độ xung quanh và trong các mạch bảo vệ chống quá nhiệt.
Hình 16: Ứng dụng điện trở nhiệt.
1.7 Quang trở (LDR: Light Dependant Resistor)
a. Cấu tạo
Quang trở được tạo ra bằng cách đặt một đế gốm bên dưới, phủ một lớp bán dẫn cadmium sulfide và hai tấm điện cực cách nhau một khe hở nhỏ ở trên cùng.
Nguyên lý hoạt động: giá trị trở kháng của quang trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào lớp bán dẫn. Khi ánh sáng lọt qua khe giữa hai tấm điện cực tới lớp bán dẫn cadmium sulfide, hiện tượng quang điện trong xảy ra, dẫn đến sự dẫn điện giữa hai tấm điện cực.
b.Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Nhạy với ánh sáng, dễ điều chỉnh theo cường độ sáng.
- Giá rẻ, dễ sản xuất và tích hợp trong các mạch đơn giản.
- Tiêu thụ năng lượng thấp.
Nhược điểm:
- Phản hồi chậm với sự biến thiên cường độ ánh sáng.
- Không phù hợp với môi trường có cường độ sáng biến thiên liên tục.
- Kém bền trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ, độ ẩm cao).
Quang trở được sử dụng để xác định cường độ ánh sáng, làm cảm biến trong các thiết bị đo cường độ ánh sáng, hoặc ứng dụng trong các mạch khuếch đại tín hiệu.
1.8 Điện trở lá
a, Cấu tạo
Điện trở lá là một loại điện trở được chế tạo dưới dạng một tấm lá mỏng hoặc màng mỏng, thường làm bằng các chất có độ dẫn điện cao như hợp kim nickel-crôm (nichrome). Điện trở lá thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính ổn định cao, độ chính xác lớn, và khả năng tản nhiệt tốt.
b, Đặc điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
- Độ chính xác cao: sai số rất thấp.
- Ổn định nhiệt: hệ số nhiệt độ rất nhỏ, ít thay đổi khi nhiệt độ biến đổi.
- Hiệu suất cao: giảm nhiễu và tạp âm tốt.
- Độ tin cậy: khả năng chống lại tác động từ môi trường, độ bền cao.
Nhược điểm:
- Chi phí cao: đắt hơn so với các loại điện trở khác.
- Kích thước lớn hơn: so với điện trở màng, kích thước có thể lớn hơn trong một số trường hợp.
Điện trở lá được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác và ổn định cao. Trong thiết bị đo lường, nó đảm bảo độ chính xác tuyệt đối cho các dụng cụ như đồng hồ đo điện và cảm biến. Trong quân sự, hàng không vũ trụ và y tế, điện trở lá hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt, cung cấp hiệu suất ổn định cho các thiết bị quan trọng như máy đo nhịp tim hay hệ thống điều khiển. Ngoài ra, nó còn được dùng trong các ứng dụng công nghiệp nghiên cứu khoa học cần độ nhạy cao và khả năng chịu nhiệt tốt.
Hình 20: Ứng dụng điện trở lá.
2. Phân loại điện trở
Để phân loại điện trở, người ta có thể dựa vào một số tiêu chí như: vật liệu chế tạo, công suất định mức, ứng dụng đặc biệt, hình dạng và kích thước, cũng như đặc tính trở kháng. Sự khác biệt về tính chất của điện trở xuất phát từ vật liệu và quy trình chế tạo.
2.1 Phân loại điện trở theo công suất tiêu thụ
Để phân loại điện trở theo công suất, chúng ta xem xét khả năng chịu tải của chúng trong các ứng dụng khác nhau. Công suất điện trở là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt và hiệu suất hoạt động của mạch. Dưới đây là cách phân loại cụ thể:
- Điện trở công suất thấp (dưới 1W): bao gồm CCR, điện trở carbon, điện trở màng carbon, điện trở màng kim loại và SMD Resistor. Những điện trở này thường được dùng trong các mạch tín hiệu nhỏ, ít sinh nhiệt.
- Điện trở công suất trung bình (1W đến 5W): thường gặp ở điện trở màng oxit kim loại và một số điện trở dây quấn, được sử dụng trong các mạch yêu cầu công suất trung bình. Chúng đảm bảo tản nhiệt tốt hơn nhưng không quá lớn.
- Điện trở công suất cao (trên 5W): bao gồm điện trở dây quấn, điện trở lá và một số điện trở carbon. Chúng thường được sử dụng trong các mạch nguồn, mạch điều tốc động cơ, nơi sinh nhiệt lớn và yêu cầu tản nhiệt tốt. Ngoài ra, nhà sản xuất có thể chế tạo điện trở với hình dạng đặc biệt phù hợp với yêu cầu công suất cao.
2.2 Phân loại điện trở theo hệ số nhiệt độ
Để phân loại điện trở theo hệ số nhiệt độ, chúng ta dựa vào cách mà giá trị trở kháng thay đổi khi nhiệt độ môi trường biến động. Hệ số nhiệt độ của điện trở có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và ứng dụng của nó trong các mạch điện. Dưới đây là cách phân loại cụ thể:
- Hệ số nhiệt độ thấp (trở kháng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ): điện trở màng và điện trở dây quấn. Các điện trở có hệ số nhiệt độ thấp, như điện trở màng kim loại, duy trì giá trị ổn định ngay cả khi nhiệt độ thay đổi, phù hợp cho các mạch yêu cầu độ ổn định cao.
- Hệ số nhiệt độ cao (trở kháng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ): điện trở nhiệt (bao gồm NTC và PTC) và điện trở carbon. Nhóm điện trở này thường được dùng trong các ứng dụng đặc biệt như cảm biến nhiệt hoặc bảo vệ quá nhiệt.
2.3 Phân loại điện trở theo độ chính xác
Phân loại điện trở theo độ chính xác dựa vào sai số giá trị trở kháng thực tế so với công bố của nhà sản xuất. Các mức độ chính xác được phân chia như sau:
- Điện trở có độ chính xác cao (±0.01% đến ±1%): bao gồm điện trở màng kim loại, điện trở lá và điện trở dây quấn. Những điện trở này có cấu tạo cho độ chính xác cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu dung sai thấp, như mạch đo lường hoặc điều khiển chính xác.
- Điện trở có độ chính xác trung bình (±1% đến ±5%): bao gồm điện trở màng carbon và điện trở màng oxit kim loại. Nhóm này thường dùng cho các ứng dụng thông thường, cần ổn định nhưng không yêu cầu sai số cực nhỏ.
- Điện trở không chính xác (±5% trở lên): bao gồm điện trở carbon, điện trở nhiệt và điện trở quang. Các điện trở này phù hợp cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu độ chính xác cao, hoặc dùng cho mục đích bảo vệ mạch.
