XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Аннотация. Актуальность исследования влияния температуры на надежность резисторов с углеродной пленкой обусловлена широким применением этих компонентов в современных электрических и электронных устройствах, где стабильность их характеристик при различных температурных условиях критически важна для общей производительности систем. Понимание термических аспектов и процессов нарушения характеристик резисторов способствует повышению их надежности и долговечности, что, в свою очередь, влияет на эффективность и безопасность эксплуатации технологических решений.

Объектом исследования являются резисторы, используемые в составе аппаратуры, которая в процессе своей работы может подвергаться воздействию различных температурных режимов. Предмет исследования являются температурные испытания резисторов для определения их способности сохранять значения параметров-критериев годности в пределах заданных норм в процессе и (или) после температурного воздействия.

Целью данной работы является исследование зависимости влияния температуры на сохранение эксплуатационной надежности резисторов.

Методология исследования.В рамках исследования была использована методика, основанная на применении климатической камеры для моделирования различных температурных воздействий на резисторы.

Результаты. В ходе исследования провели измерения сопротивления резисторов при воздействии температур различной величины. Выявлена прямая зависимость изменение сопротивления резисторов в процессе воздействия различных температурных режимов.

Выводы. Полученные данные свидетельствуют о наличии зависимости между температурой и сопротивлением резисторов: при отрицательных температурах наблюдается уменьшение сопротивления, а при повышенных температурах – его увеличение. В ходе исследования были также определены факторы, оказывающие влияние на надежность работы резисторов в условиях различных температурных режимов.

Ключевые слова: резисторы, надежность, испытание, сопротивление, температурное излучение, температурный коэффициент сопротивления

STUDY OF THE INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE RELIABILITY OF CARBON FILM RESISTORS

R. A. Rybakov¹, S. V. Mamykina¹, A. N. Spirkin¹, I.B. Cheban

¹Penza State University, Penza, Russia

Abstract.Background. The relevance of the study of the effect of temperature on the reliability of carbon film resistors is due to the widespread use of these components in modern electrical and electronic devices, where the stability of their characteristics under various temperature conditions is critical for the overall performance of systems. Understanding the thermal aspects and processes of violation of the characteristics of resistors helps to increase their reliability and durability, which, in turn, affects the efficiency and safety of operation of technological solutions. The object of the study is resistors used in equipment that can be exposed to various temperature conditions during its operation. The subject of the study is temperature tests of resistors to determine their ability to maintain the values of the parameters-suitability criteria within the specified standards during and (or) after temperature exposure. The aim of the work is to study the dependence of the influence of temperature on maintaining the operational reliability of resistors. Research methodology. The study used a methodology based on the use of a climatic chamber to simulate various temperature effects on resistors. Results. The obtained data indicate the existence of a relationship between temperature and resistance of resistors: at negative temperatures, a decrease in resistance is observed, and at elevated temperatures, an increase. During the study, factors influencing the reliability of resistors under various temperature conditions were also identified. Conclusions. The obtained data indicate the presence of a correlation between the temperature and the resistance of resistors: at negative temperatures, a decrease in resistance is observed, and at elevated temperatures, an increase. During the study, factors influencing the reliability of resistors under different temperature conditions were also identified.

Keywords: resistors, reliability, testing, resistance, temperature radiation, temperature coefficient of resistance

Введение

Современные сложные системы, в том числе технические, требуют обеспечения высочайшего уровня качества и надежности функционирования. Данный аспект приобретает первостепенную важность, когда от работоспособности системы зависит выполнение критически важной задачи, связанной с риском потери человеческих жизней или значительных материальных затрат.

Надежность системы определяется ее способностью в течение заданного срока сохранять все параметры, характеризующие ее способность выполнять требуемые функции в установленных условиях эксплуатации, обслуживания, хранения и транспортировки.

Увеличение функциональной сложности радиоэлектронных систем (РЭС) при одновременном ужесточении требований надежности приводит к необходимости существенного повышения качества их составных частей. Резисторы, являясь наиболее широко используемыми компонентами, применяемыми в радиоэлектронных системах, играют ключевую роль.

Несмотря на снижение доли дискретных пассивных компонентов (резисторов и конденсаторов) в составе РЭС, их производство не только не сокращается, но и демонстрирует ежегодный рост на 10–20%

В связи с этим, перспективным является комплексный подход к обеспечению производства резисторов с высокими показателями надежности. Данный подход предполагает установление научно обоснованной взаимосвязи между показателями надежности и электрофизическими параметрами резисторов, разработку эффективных методов испытаний, приближение условий испытаний к реальным условиям эксплуатации, использование высокоточных средств измерений и автоматизированных испытательных установок, а также прогнозирование показателей надежности [2, 3].

Постановка задачи исследования

Резисторы – это электронные компоненты, которые играют важную роль в работе различных электрических и электронных устройств. Они ограничивают ток и делят напряжение, обеспечивая стабильную работу схем. Однако одним из критериев, влияющих на их надежность, является температура [1, 4].

Для оценки способности резистора выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм в процессе и после воздействия температуры применяют понятие температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) – это физическая величина, которая характеризует изменение электрического сопротивления резистора, в зависимости от температуры [5, 6].

(1)

где R(t₁), R(t₂) – сопротивление образца, соответственно при температуре t₁, t₂.

Температурное воздействие на резисторы может вызывать обратимые и необратимые изменения.

Обратимые изменения характеризуются температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), величина которого определяется свойствами материала элемента.

Необратимые температурные изменения сопротивления резистора возникают после длительного воздействия повышенных температур или после нескольких температурных циклов. Эти изменения вызываются структурными изменениями резистивного элемента и наблюдаются только у непроволочных резисторов.

На рисунке 1 приведен пример резистора, строение которого основано на углеродной пленке.

Рисунок 1 – Строение резистора с углеродной пленкой

Углеродно- пленочные резисторы производят методом нанесения пленки чистого углерода на керамический цилиндр и дельнейшего удаления углерода, для того, чтобы сформировать спираль. Далее на пленку наносится кремний. Толщина и ширина слоя, оставшегося углерода контролирует сопротивление. Из-за наличия чистого углерода температурный коэффициент становится меньше [7, 8].

Исследование и результаты

Испытания на воздействие пониженной и повышенной температуры среды, проводились в климатической камере, в диапазоне температуры от 233,15 К до 373,15 К.

Авторами проведены исследования зависимости сопротивления ряда резисторов с углеродной пленкой ёмкостью 100 кОм от температуры. Результаты исследования приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты исследования зависимости сопротивления от температуры

Продолжение таблицы 1

По данным таблицы построили график зависимости сопротивления резистора от температуры (рисунок 2).

Рисунок 2 – График зависимости сопротивления от температуры

Анализируя данную зависимость получаем, что при повышении температуры у резисторов с углеродной пленкой сопротивление убывает. Таким образом, резисторы данного типа обладают линейной убывающей зависимостью сопротивления от температуры.

Для оценки надежности резисторов в условиях различной температуры по формуле (1) произвели расчет ТКС при температуре 317,15 К и 373,15 К, и соответствующих им сопротивлениях:

K.

Полученный результат расчета показывает, что при изменении температуры на 1 ºС, сопротивление данного резистора измениться на 390 Ом, что в свою очередь повлияет на эксплуатационные и качественные параметры других элементов радиоэлектронной системы и на систему в целом.

Заключение

Полученные в результате исследования данные свидетельствуют о том, что изменение температуры влияет на сопротивление резистора, что в свою очередь оказывает влияние на надежность систем, в которых они установлены.

Библиографический список

1. ГОСТ 2134220-78. Резисторы. Метод измерения сопротивления.

2. РДВ 319.03.31-99. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Рациональный состав и последовательность испытаний на соответствие заданным требованиям.

3. ГОСТ 16504-81. СГИП. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения). – М.: Стандартинформ, 2011. – 24 с.

4. Фролов А.Д. Радиодетали и узлы. – М.: Высшая школа, 1975. – 440 с.

5. Сорокин В.С. Материалы и элементы электронной техники. Активные диэлектрики, магнитные материалы, элементы электронной техники. – М.: Лань, 2016. – 208 с.

6. Сорокин В.С. Материалы и элементы электронной техники. Проводники, полупроводники, диэлектрики. – М.: Лань, 2015. – 448 с.

7. Давыдова И.С., Максина Е.Л., Материаловедение. – М.: ИЦ РИО, 2016. – 228 с.

8. Новиков И. Л. Материаловедение. Конструкционные и электротехнические материалы. Материалы и элементы электронной техники / И. Л. Новиков, Р. П. Дикарева, Т. С. Романова // учебные пособия. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – 35 с.