Шумы скольжения переменных резисторов: виды и причины возникновения

Шумы скольжения переменных резисторов — это напряжение помех, возникающее в динамическом режиме при движении (скольжении) подвижного контакта по резистивному элементу. Характер и степень этих шумов определяется динамическим взаимодействием двух контактирующих поверхностей: резистивного элемента и подвижного контакта, их состоянием и микроструктурой. Последние, в свою очередь, зависят от силы прижатия и твердости контактирующих поверхностей, скорости перемещения контакта относительно резистивного элемента, стабильности линии контактирования, степени износа подвижного контакта и загрязненности рабочей поверхности резистивного элемента. Подробнее о влиянии шумов на качество сигнала можно прочитать в статье о собственных шумах и коэффициенте напряжения резисторов.

Основные причины и виды шумов перемещения

Причинами шума проволочных резисторов могут быть также короткое замыкание соседних витков подвижным контактом при его перемещении, ступенчатый характер изменения сопротивления, нагрев подвижного контакта и проволоки обмотки и возникновение термоЭДС, разнородность металлов контактной пары и т.д. Рассмотрим подробнее основные виды шумов перемещения.

1. Шум короткого замыкания

Шум короткого замыкания обусловлен тем, что подвижный контакт, имея определенную ширину, при движении замыкает либо один, либо два витка. Он пропорционален проходящему току через обмотку и переходному сопротивлению.

2. Ступенчатый шум

Шум, определяемый ступенчатым характером изменения сопротивления, вызван скачками напряжения между отдельными нитками, когда подвижный контакт перескакивает с одного витка на другой. Помеха, создаваемая этим шумом, имеет вид пилообразного напряжения, наложенного на выходное напряжение. Его амплитуда прямо пропорциональна питающему напряжению и обратно пропорциональна числу витков обмотки. Частота основной гармоники шума пропорциональна скорости перемещения подвижного контакта и числу витков обмотки.

3. Контактный шум и шум переходного сопротивления

Контактный шум и шум переходного сопротивления возникает при прохождении тока через переходное сопротивление. Он проявляется как результат изменения действующей площади подвижного контакта и модуляции плотности тока, воспринимаемого в виде шума. Шумы, вызванные изменением переходного сопротивления, проявляются в виде хаотических пиков напряжения. Основные причины этого вида шума: неправильный подбор материалов и конструкции пары контакт – резистивный элемент, загрязнение на резистивном элементе, окисные пленки и продукты износа, создающие дополнительное сопротивление между скользящим контактом и резистивным элементом. Для решения таких проблем полезно изучить разрешающую способность переменных резисторов.

4. Активный (генераторный) шум

Активный (генераторный) шум обусловлен термоэлектрическим эффектом (эффект термопары), возникающим в точках соприкосновения разных металлов, трибоэлектрическим эффектом, возникающим при трении двух металлов, и гальваническим (химическим) процессом в местах контактных соединений. Этот шум представляет собой самогенерирующее напряжение при вращении вала резистора, тогда к нему не приложено электрическое напряжение.

5. Механический (вибрационный) шум

Механический шум появляется в динамическом режиме от чрезмерно большого (от нескольких Ом до бесконечности) переходного сопротивления. Иногда этот шум называют вибрационным. Причинами его могут быть большие механические нагрузки и большая скорость вращения подвижной системы, приводящая к вибрационным изменениям состояния контактов. При превышении критической скорости скольжения подвижная система теряет контакт с резистивным элементом, при этом может возникнуть скачок напряжения, достигающий напряжения, подаваемого на резистор.

Методы измерения и нормативы

Шумы перемещения переменных проволочных резисторов принято выражать через эквивалентное шумовое сопротивление и измерять в омах, а уровень шумов перемещения непроволочных резисторов – через напряжение шумов и измерять в милливольтах. Уровень шумов перемещения значительно превышает уровень тепловых и токовых шумов. Даже для сравнительно хороших непроволочных резисторов напряжение шумов вращения может достигать десятков милливольт (15-50 мВ), а эквивалентное шумовое сопротивление проволочных резисторов 50-5000 Ом.

Методы измерения шумов вращения и рекомендуемые принципы построения измерительной аппаратуры нормированы ГОСТ 21342.6-75. Стандарт устанавливает два метода измерения шумов вращения переменных непроволочных и проволочных резисторов.

Измерение для непроволочных резисторов

Для измерения напряжения шумов вращения непроволочных резисторов используют аттестованные измерители шумов перемещений. Метод измерения заключается в усилении, выпрямлении и измерении переменной составляющей выходного напряжения резистора, подключенного к источнику питания по потенциометрической схеме. Допустимая погрешность метода измерения ±25% от измеряемого напряжения шумов.

Измерение для проволочных резисторов

Метод измерения эквивалентного сопротивления шумов вращения переменных проволочных резисторов основан на регистрации отдельных «скачков» сопротивления шумов при превышения ими определенного, заранее установленного уровня. Число таких нарушений подсчитывают и по этой информации судят о качестве резистора. Измерения производят специальными приборами, проградуированными в омах. Методическая погрешность измерений ±10%.

Плавность изменения сопротивления

Для некоторых типов композиционных переменных резисторов введено требование по плавности изменения сопротивления, что означает способность резистора монотонно и без скачков изменять сопротивление при перемещении подвижной системы. При несоблюдении этого требования возникают флуктуации выходного напряжения, которые выявляются в динамическом режиме. По существу это те же шумы скольжения, только вызываются они в основном нестабильным градиентом сопротивления по длине резистивного элемента. Измерение плавности производят либо с помощью специально созданных для этой цели установок, либо с помощью омметров с большим входным сопротивлением.

Из справочника резисторов