зачем нужно сопротивление нагрузки
Резисторы: последовательное и параллельное соединение, токоограничивающие и подтягивающие сопротивления
Резистор (сопротивление) — один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение — простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.
Основной характеристикой резистора является сопротивление. Единица измерения сопротивления — Ом (Ohm, Ω). Чем больше сопротивление, тем большая часть тока рассеивается в тепло. В схемах, питаемых небольшим напряжением (5 – 12 В), наиболее распространены резисторы номиналом от 100 Ом до 100 кОм.
Закон Ома
Закон Ома позволяет на заданном участке цепи определить одну из величин: силу тока I, напряжение U, сопротивление R, если известны две остальные:
Для обозначения напряжения наряду с символом U используется V.
Рассмотрим простую цепь
Расчитаем силу тока, проходящего через резистор R1 и, соответственно, затем через лампу L1. Для простоты будем предполагать, что сама лампа обладает нулевым собственным сопротивлением.
Аналогично, если бы у нас был источник питания на 5 В и лампа, которая по документации должна работать при токе 20 мА, нам нужно бы было выбрать резистор подходящего номинала.
В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не играет большого значения: можно смело брать стандартный номинал — 240 или 220 Ом.
Аналогично, мы могли бы расчитать требуемое напряжение, если бы оно было не известно, а на руках были значения сопротивления и желаемая сила тока.
Соединение резисторов
При последовательном соединении резисторов, их сопротивление суммируется:
При параллельном соединении, итоговое сопротивление расчитывается по формуле:
Если резистора всего два, то:
В частном случае двух одинаковых резисторов, итоговое сопротивление при параллельном соединении равно половине сопротивления каждого из них.
Таким образом можно получать новые номиналы из имеющихся в наличии.
Применеие на практике
Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:
Токоограничивающий резистор
Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе — резистор снижает силу тока до нужного уровня.
В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.
Стягивающие и подтягивающие резисторы
Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему
Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:
Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.
Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:
То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.
Делитель напряжения
Делитель напряжения (voltage divider) используется для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть. Например, из 9 В получить 5. Он подробно описан в отдельной статье.
Мощность резисторов
Резисторы помимо сопротивления обладают ещё характеристикой мощности. Она определяет нагрузку, которую способен выдержать резистор. Среди обычных керамических резисторов наиболее распространены показатели 0.25 Вт, 0.5 Вт и 1 Вт. Для расчёта нагрузки, действующей на резистор, используйте формулу:
При превышении допустимой нагрузки, резистор будет греться и его срок службы может сильно сократиться. При сильном превышении — резистор может начать плавиться и вызвать воспламенение. Будьте осторожны!
Для чего нужен нагрузочный резистор (обманка).
Многие автомобили контролируют исправность осветительных и сигнальных ламп. Часто электроника автомобиля измеряет ток через лампу и сравнивает его с неким эталонным значением, соответствующим исправной лампе. А поскольку светодиодные лампы имеют мощность значительно меньше, чем лампы накаливания, то автомобильные «мозги» малый ток принимают за обрыв лампы накаливания и показывают тем или иным способом, что лампа перегорела: ошибка на приборной доске, частое мигание (лампы указателей поворотов) и т.д. Чтобы этого избежать и продолжать использовать светодиодные лампы можно выполнить одно из следующих действий:
1. Самый предпочтительный способ, «софтовый» – сменить уставки тока в бортовом компьютере или на крайний случай отключить вообще проверку ламп. Первый вариант этого способа – идеальное решение, второй – хорош тем, что не нужно дополнительно вмешиваться в схему электропитания, недостаток в том, что если лампа перегорит, то водитель об этом оперативно не узнает. К сожалению, в большинстве автомобилей этот способ не применим. Сложно залезть в «мозги» автомобиля и сделать изменения.
2. Установка параллельно лампе нагрузочного резистора (обманки) – самый распространенный способ обхода ошибки. Большой недостаток данного способа – это сильный нагрев резисторов. Также нет никакой экономии в электропотреблении. И чем больше мощность заменяемой лампы, тем сильнее будет нагрев. Например, для ламп Н11 (55Вт) нужен резистор мощностью не менее 100Вт и греться он будет более 100 градусов. Обманки могут быть встроенными в лампу и внешними. Более подробно будет описано ниже.
3. Самый сложный способ, хардкорный – изменение схемы измерения тока ламп. Во многих автомобилях для управления лампами используются «умные» ключи, имеющие множество защит и функцию измерения тока. С этих ключей идут сигналы, как правило, тоже токовые на АЦП микроконтроллера через токосъемный шунт – резистор в несколько килоом. Вот этот резистор и нужно перепаять, изменив сопротивление обратно пропорционально изменению тока. Способ сложный. Кроме необходимости продвинутых навыков пайки нужно еще знать, какие элементы менять.
4. Для ламп указателей поворотов у некоторых автомобилей можно поменять реле на специальное для светодиодов, в котором уже занижена уставка тока. Чтобы понять, есть реле поворотов или нет, нужно включить поворот при расстегнутом ремне безопасности. Если реле нет, то имитация его щелчков динамиком будет прерываться на сигнал непристегнутого ремня.
Понятно, что самый распространенный способ второй. Его и рассмотрим подробнее. Очень много вопросов и непонимания по применению обманок.
Встроенные в лампу обманки имеют большой недостаток – они греют лампу и собственно светодиоды. Известно, что чем меньше температура светодиода, тем дольше он служит, да и светит ярче. Зато, конечно, проблем с установкой такой лампы меньше. Лампы ДиЛаС с обманками изготавливаются только малой мощности – W5W. Мощность обманки 1,2Вт при 12В и 1,6Вт при 14В. В совокупности с мощностью, потребляемой светодиодами, мощность лампы составляет 1,9-2,3Вт, в зависимости от типа лампы и напряжения. В большинстве случаев этого достаточно для «обмана» проверки ламп, поскольку уставки тока установлены примерно на 40% от номинала (5Вт). Однако, есть автомобили, у которых уставки несколько выше и встроенные обманки НЕ РАБОТАЮТ. Это нужно понимать при выборе ламп. Обманки с большей мощностью мы принципиально НЕ СТАВИМ, чтобы не уменьшать кардинально срок службы ламп с обманками. Если у Вас автомобиль концерна VAG (также замечены некоторые модели Volvo), то лучше взять лампу без обманки – она будет светить ярче и дольше – и внешнюю обманку для габаритов или подсветки номера. Впрочем, у некоторых «немцев» лампы со встроенной обманкой вполне работают.
Внешние обманки – это, как правило, мощные резисторы в алюминиевом корпусе. Для ламп малой мощности можно использовать проволочные в керамическом корпусе («цементные»). Номинальная мощность резистора должна превышать в несколько раз мощность, выделяемую на нем. Иначе резистор будет греться ОЧЕНЬ сильно. Например, для ламп 5Вт нужен резистор 39-47 Ом 20-25Вт. Для ламп 21Вт – 6-15 Ом 50-100Вт. Разброс сопротивлений дан в зависимости от мощности светодиодной лампы. Если есть возможность, лучше подобрать максимальное сопротивление, когда не возникает ошибка. Ведь, чем меньше сопротивление, тем больше резистор будет греться. Обычно для ламп указателей поворотов продаются обманки 50 Вт с сопротивлением 6 Ом. При напряжении 12В на них будет выделяться мощность 24 Вт, а при 14В – 32Вт! Так сказать, с запасом. С двумя лампами по 6Вт общая мощность 6+6+24(32)=36(44)Вт. Так что в большинстве случаев достаточно одного резистора на пару ламп.
Согласование сопротивлений
Согласование сопротивлений — очень важная часть в электронике. Согласовать — это значит установить соответствие между чем-нибудь, устранив разногласия, противоречия» — так написано в словаре.
Резистор в качестве «миротворца»
Что будет, если в электронике каждый радиоэлемент будет враждовать с другим радиоэлементом? Или каскад будет воевать с каскадом? Тогда ни одна аппаратура не заработает. Поэтому, задача электронщика не просто подобрать радиоэлементы и спаять их, но и сделать так, чтобы все они дружили друг с другом и работали единой командой, выполняя определенную функцию.
Как раз для этих целей миротворцем в радиоэлектронике является самый простой и самый часто используемый радиоэлемент — резистор. Откройте любую схему или посмотрите на любую плату и увидите множество резисторов. Но почему именно резистор считается самым распространенным радиоэлементом на платах?
Все радиоэлементы имеют какое-то свое сопротивление, и у всех оно проявляется по разному. У некоторых радиоэлементов в состоянии покоя сопротивление может быть одно, а в рабочем состоянии — совсем другое. Некоторые радиоэлементы могут менять свое значение сопротивления в зависимости от напряжения, силы тока, температуры, солнечного света и тд. Для того, чтобы согласовать работу этих различных радиоэлементов как раз используют резисторы.
Входное и выходное сопротивление
Как все это происходит? Дело в том, что один радиоэлемент обладает одним сопротивлением, а другой — другим сопротивлением. Чтобы правильно их подцепить к друг другу надо сделать согласование сопротивлений. По идее любой радиоэлемент или каскад имеет так называемое входное и выходное сопротивление. Обязательно читаем про входное и выходное сопротивление, иначе вы не поймете, о чем идет речь в этой статье. Суть согласования сопротивлений состоит в том, что мы должны согласовать выходное сопротивление одного каскада с входным сопротивлением другого каскада.
Почему надо согласовывать сопротивления
Давайте рассмотрим схему:
Если вы читали статью про входное и выходное сопротивление, то наверное помните, что любой источник сигнала имеет в своем составе внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) и источник ЭДС, а любая нагрузка обладает входным сопротивлением.
Предположим, что у нас нет никакой нагрузки:
Что имеем в этом случае? Сила тока в цепи будет равняться нулю, так как у нас обрыв, а напряжение на клеммах будет равняться ЭДС. Или буквами: Iвх =0, Uвх=E. То есть в этом случае амплитуда сигнала будет такой, какой она должны быть.
Но что будет, если мы подсоединим нагрузку?
I — сила тока, в Амперах
E — ЭДС источника, в Вольтах
R — сопротивление нагрузки, Ом
r — внутреннее сопротивление, Ом
Так, теперь давайте будем мыслить логически. Смотрим на схему…
Что будет, если нагрузка будет обладает маленьким входным сопротивлением Rвх ?
Во-первых, увеличится сила тока в цепи Iвх.
В-третьих, так как падение напряжения на сопротивлении Rвых увеличилось, то следовательно, на сопротивлении Rвх оно уменьшилось:
С законом Ома для полной цепи не поспоришь 😉 А что такое падение напряжения на Rвх? Это и есть Uвх. Значит делаем вывод: чем низкоомнее нагрузка, тем больше будет просаживаться сигнал напряжения. ]
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока
Смотрим внимательно на схему:
Так как мы не в состоянии поменять Rвых, то какое же надо подобрать сопротивление Rвх, чтобы сила тока в цепи была максимальной? Разумеется, как можно меньше. В идеале — ноль Ом. Этот метод согласования используется редко.
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности
Теперь вопрос ставится так: как передать максимальную мощность от источника нагрузке? Если вы не забыли, мощность выражается формулой: P=IU. Так и напрашивается ответ, что Rвх должна быть равна нулю. Но тогда у нас все напряжение упадет на Rвых ! Получается, что на сопротивлении Rвх =0 Ом у нас будет падать также 0 Вольт. То есть мощность, выделяемая на Rвх будет равна 0 Ватт.
Если поставить Rвх очень большим, то у нас сила тока в цепи будет крохотной, что в результате опять же мощность, выделяемая на Rвх будет минимальной.
Так как я не силен в дифференциалах и интегралах, за нас физики и математики уже все посчитали. Оказывается, чтобы передать максимальную мощность в нагрузку, надо чтобы выполнялось простое равенство:
Заключение
Как видите, ничего сложного в согласовании сопротивлений нет. Из всех трех видов согласования чаще всего используется именно согласование по напряжению. Согласование по мощности и по току следует использовать с большой осторожностью, так как в этом случае на сопротивлении Rвых будет падать большая мощность, что приведет к нагреву источника и даже к его выходу из строя.
Что такое нагрузочный резистор?
Я не могу понять, что такое нагрузочный резистор и как он связан с нагрузкой.
Может ли кто-нибудь объяснить, как работает нагрузочный резистор и как он отличается от общего резистора.
7 ответов
Реальные резистивные нагрузки редко называют «нагрузочными резисторами». Наиболее широко используемыми реальными в основном резистивными нагрузками являются лампочки, и никто не называет их «резисторами нагрузки».
Если вы считаете, что электрическая цепь предназначена для работы с каким-либо другим устройством, чтобы выполнить «работу», то это внешнее устройство представляет собой «НАГРУЗКУ» схемы.
Однако это не так просто, так как нагрузка должна иметь ссылку. Рассмотрим схему ниже.
Нагрузки могут быть простыми линейными сопротивлениями или могут быть сложными импедансами, как показано ниже.
Чтобы сделать вещи более запутанными, иногда мы используем другое значение для нагрузочного резистора.
В резюме
Загрузка и нагрузочный резистор, в частности, представляют собой неопределенную концепцию, предназначенную для фокусировки функции на объектах, о которой идет речь, и всегда ссылаются на то, что движет указанной нагрузкой.
В частности, нагрузочный резистор сильно используется во время обучения, чтобы вы могли математически моделировать схемы. Так же, как я сделал выше. На самом деле нагрузка редко является резистором.
Он может быть очень маленьким или, возможно, должен быть физически большим, в зависимости от того, сколько энергии он должен рассеять.
Это обычный резистор.
Он называется нагрузочным резистором, потому что он должен добавить нагрузку на схему.
Подразумевается, что он будет рассеивать разумную мощность (в противном случае это не будет большой нагрузкой), но это не является обязательным требованием. например ранние линейные регуляторы требовали минимальной нагрузки для обеспечения регулирования напряжения, вы часто добавляли бы небольшой нагрузочный резистор, чтобы гарантировать, что это условие всегда соблюдается.
Все про резисторы
Свойства в теории и практике
Основное свойство этой радиодетали – это сопротивление. Измеряется в омах (Ом).
Разберем для начала понятие активного сопротивления. Оно так называется потому, что есть у всех материалов (даже у сверхпроводников, пусть и 0,00001 Ом). И именно оно является основным у резисторов.
Что говорит теория
В теории у резистора есть постоянное сопротивление, которое на зависит от внешних условий (температуры, давления, напряжения и т.п.).
График зависимости тока от напряжения прямолинеен. 
В идеальных и математических условиях у резистора только активное сопротивление. По типам бывают нелинейные и линейные резисторы.
Что на самом деле
На самом у всех резисторов непрямолинейная зависимость тока от напряжения. То есть, его сопротивление тоже зависит от внешних условий, конкретно от температуры. 
Конечно, эта зависимость не такая, как у полупроводников, но она есть. И самое главное, у этой радиодетали есть емкость и индуктивность. Помимо активного сопротивления, есть еще и реактивное.
Реактивное сопротивление отличается от активного тем, что оно по разному пропускает электрический ток на разных частотах.
Например, для постоянного тока сопротивление 200 Ом, а если есть высокие значения индуктивности, то на частотах выше 2 кГц, сопротивление будет уже 250 Ом.
Именно поэтому резисторы делаются из разных материалов. Они бывают керамическими, углеродными, проволочными и у них разные допуски и погрешности. SMD деталь обладает меньшей емкостью и индуктивностью, чем DIP.
Еще существует специальные типы резисторов с более выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. Если у обычных резисторов вольт-амперный график чуть-чуть не линейный, то у такого типа деталей он лавинообразный.
У них сопротивление резко зависит от внешних условий, не так. как у обычных:
Кроме того, еще одна особенность активного сопротивления – выделение тепла, когда проходит электрический ток. Когда протекает электрический ток замкнутой цепи, электроны ударяются об атомы. И поэтому выделяется тепло. Тепло измеряется в мощности. Она рассчитывается исходя из напряжения и тока.
Одна из популярных функций резисторов это снижение напряжения и ограничения тока. Например, если через резистор проходит ток 0,25 А и на нем есть падение напряжения 1 В, то мощность, которая будет на нем рассеиваться это 0,25 Вт.
И из-за этого и существуют резисторы с разной рассеиваемой мощностью. Нельзя ставить резистор 0,125 Вт на место 1 Вт. Он начнет греться, трескаться, чернеть. А потом и сгорит. Потому, что не рассчитан на такую мощность.
Обозначения на схемах
На схемах в Европе и СНГ обознается прямоугольником и латинской букой R. Согласно ГОСТу, на отечественных схемах не указывается номинал сопротивления, а только номер детали (R). Однако, если под изображением детали указано число, например 120, оно по умолчанию читается как 120 Ом. 
| Основное обозначение |  |
| 0,125 Вт |  |
| 0,25 Вт |  |
| 0,5 Вт |  |
| 1 Вт |  |
| 2 Вт |  |
| 5 Вт |  |
| Переменный |  |
| Подстроечный |  |
Типы включения и примеры использования
Основные типы включения это последовательные и параллельные соединения.
Последовательно сопротивление рассчитывается просто. Достаточно все сложить.
При последовательном соединении напряжение распределяется по резисторам согласно их сопротивлениям.
Это второе правило Кирхгофа. Например, напряжение 12 В, а пара резисторов по 1 кОм.
Соответственно, на каждом из них по 6 В. Это простой пример делителя напряжения. Здесь пара деталей делит напряжение, и благодаря этому можно получить необходимое напряжение.
Однако, если вы хотите использовать делитель напряжения для питания цепи, то должны помнить, что нужно согласовать сопротивления. В этой схеме сопротивление 1 кОм. Если вы подключите к ней нагрузку меньше этого сопротивления, то она не получит напряжения на свои выводы в полном объеме. Поэтому, все схемы с делителями напряжения должны быть рассчитаны и согласованы друг с другом.
Здесь R1 и R2 образуют делитель напряжения, они выполняют роль делителя напряжения. Между этими двумя резисторами и базой транзистором протекает ток, который открывает транзистор.
Это необходимо для того, чтобы он работал без искажений.
Параллельное включение
При параллельном соединении радиодеталей, общее сопротивление цепи снижается. Если два резистора по 1 кОм соединены параллельно, то общее будет равно меньше 0,5 кОм, т.е. сопротивление цепи (эквивалентное) равно половине самого наименьшего.
В таком соединении наблюдается первое правило Кирхгофа. В точку соединения направляется ток в 1 А, а в узле он расходится на два направления по 0,5 А.
Формулы расчета
Для двух резисторов: 
Для более: 
Для тока параллельное соединение — это как вторая дорога или обходной путь. Еще такой тип соединения называют шунтированием. В качестве примера можно привести амперметр. Чтобы увеличить его шкалу показаний, достаточно подключить параллельно резистору еще один шунтирующий.
Его сопротивление рассчитывается по формуле:
Эквивалентное соединение
В схеме усилителя к эмиттеру транзистора VT1 подключена пара из резистора R3 и конденсатора C2. 
В этом случае VT1 и R3 подключены последовательно друг к другу. Зачем это надо? Когда усилитель работает, транзистор начинает нагреваться и его сопротивление снижается. R3, как и в случае со светодиодом, не позволяет транзистору перегреваться. Он балансирует общее сопротивление, чтобы транзистор не вносил искажения в сигнал. Это называется режим термостабилизации.
А конденсатор C2 подключен к R3 параллельно. И это нужно для того, чтобы при нормальном режиме работы усилителя, переменный сигнал прошел без потерь. Так работает параллельный фильтр.
Фильтры и резисторы
С помощью резисторов и конденсаторов можно делать фильтры. Так называются RC фильтры.
Эта пара может разделять сигнал на постоянные и переменные составляющие.
В качестве примера рассмотрим ФНЧ и ФВЧ.
В схеме фильтра низких частот конденсатор C1 забирает на себя высокочастотные токи. Его сопротивление для них намного меньше, чем у нагрузки. Он шунтирует нагрузку. Таким образом, можно получить низкую частоту, отделив от нее все высокие составляющие. 
В фильтре высоких частот наоборот. Высокие частоты свободно проходят через C1, и если в сигнале есть низкочастотные, то они пойдут через R1.
Такие фильтры бывают разные по конструкции. П образные, Г образные и т.п. Конкуренцию резистору может составить катушка индуктивности или дроссель. У них меньше активное сопротивление, но реактивное больше. Благодаря этому снижаются потери от активного сопротивления.