Все, кто так или иначе имел дело с электроникой, например, пытался собирать какие-то свои хобби-схемы, сталкивался с одной весьма простой задачей, которая, как ни странно, может иной раз попортить нервы довольно сильно: обычные резисторы! 

Вроде бы, ну что там может быть сложного? Обычный пассивный элемент, известный всем — подбирай по мощности/сопротивлению/типу монтажа (сквозной/поверхностный) и вуаля… 

Однако, из своего опыта, мне вспоминается, что с резисторами связаны две банальные проблемы: 1) нужного никогда нет под рукой; 2) непонятно, какой нужен (надо подбирать иной раз «на живую»). 

Да, с развитием современных маркетплейсов и онлайн-торговли проблемы в значительной мере ушли, но, тем не менее, думается, что ознакомление с альтернативным путём, будет для многих интересно! ;-) 

В связи с вышесказанным, я тут накопал некоторое количество информации, которое, думается, может быть для некоторых весьма полезным…Итак… 

Что первым приходит в голову, когда сталкиваешься с вышеназванными проблемами? :-) Да, просто-напросто, взять переменный резистор, который разрубает «Гордиев узел» озвученного легко и просто: можно подобрать более-менее похожий номинал, просто поворачивая ручку, да и, кроме того, подобный подбор номинала позволяет иной раз поэкспериментировать с его величиной, что иной раз тоже может быть полезно и важно… 

Но что поделать, если и переменного резистора нет под рукой? Тоже, по опыту, не редкий случай, по крайней мере, у меня — завалялась парочка переменных резисторов, и я, даже если ночью меня разбудить, могу сказать, где они лежат, потому что, уже неоднократно сталкивался — когда надо, вечно не помню, где они! :-)) Пришлось запомнить… 

Однако, если опять же вспомнить свою собственную практику, то, могу сказать, что, в отличие от переменных резисторов, если попытаться вспомнить, чего у меня у самого ещё лежит по всем углам — так это транзисторы! Всякие разные, купленные в разные годы, для разных проектов, разной мощности… Общим количеством, наверное, штук 60! 

И, если попытаться вспомнить, те транзисторы, с которыми вам приходилось иметь когда-либо дело, например, полевые, то, наверняка, вы вспомните, что у транзисторов есть такая характеристика, как напряжение полного открытия. 

И, если мы дальше будем пытаться вспоминать, что мы знаем об этом вопросе, то мы вспомним, что полевые транзисторы открываются и начинают пропускать ток, при создании между затвором и истоком определённого уровня напряжения, где при этом, такое открытие происходит не резко, а начинается с определенного уровня, где сначала, при малом напряжении, сопротивление относительно большое, а затем, с его ростом, до уровня, определённого производителем (и считающимся рабочим) оно падает до минимально возможного. 

Например, возьмём любой транзистор, хотя бы даже вот этот (не лучший пример, но всё же; более подходящий рассмотрим ниже) — UMW 100N03A, где если мы перелистнём даташит по ссылке на вторую страницу, до таблицы «On Characteristics», то мы там увидим ровно то же самое, что дано в классическом определении полевых транзисторов по ссылке ещё чуть выше: во время заводского тестирования, результаты тестов показали, что при подаче напряжения в 4,5 в на затвор транзистора, типовое сопротивление канала составило 6,4 мОм, а максимальное (т.е. худший случай) — 7,9 мОм.

Тогда как при подаче 10 В — сопротивление в типовом случае упало уже до 3,8 мОм, а в максимальном составило 4,9 мОм.

Другими словами, мы видим, что даже в случае такого, не особо подходящего транзистора (если бы мы его хотели использовать в качестве сопротивления; так как позволяет регулировать сопротивление в очень маленьких рамках) — существует некоторый диапазон управляющих напряжений, подавая которые на затвор, мы можем получить в типовом случае диапазон сопротивлений от 3,8 до 6,4 мОм (маленький, можно сказать, так себе, но, тоже возможность такая есть!).

Тем не менее, есть и гораздо более интересные варианты!

В процессе поисков я тут нашёл достаточно любопытную старенькую статью в pdf от компании Siliconix, где они разбирают возможность использования полевых транзисторов с p-n переходом (JFET) — в качестве резисторов, управляемых напряжением.

 Насколько я их понимаю*, ситуация (согласно им) следующая…

*Честно скажу, что многие вещи прочитал в этой статье не по одному разу, так как они неочевидны с первого взгляда; и, дальше прилагаю своё понимание. Если кто-то сможет сказать по этой теме больше — буду только рад, самому будет интересно…

В статье приводится график, на котором показано, как меняется пропускная способность по току, канала (сток-исток) в зависимости от разного приложенного напряжения между затвором и истоком:

На этом же графике мы можем видеть вертикальную пунктирную линию, на которой обозначена, точка I_DSS — это нулевая точка разницы потенциалов затвор-исток*, благодаря чему в этой точке обеспечивается максимальная пропускная способность по току и минимальное сопротивление канала сток-исток.

*Насколько я понимаю, они здесь говорят об n-канальном транзисторе и, соответственно, управлении им с помощью отрицательной полярности на затворе — поэтому нулевая точка находится относительно высоко, и, уход во всё более отрицательную величину — подразумевает опускание вниз, собственно, именно поэтому, на графике показаны несколько кривых, находящихся друг над другом: попросту говоря, они подразумевают разные наблюдаемые картины, при разных величинах разницы потенциалов между затвором и истоком: 0, -1,5В, -2,5В, -3,0В:

Как они там отмечают, если посмотреть на первую картинку выше, то на ней есть две зоны, помеченные как «Region 1» и «Region 2» — подразумевается, что в обычном режиме, для большинства применений, происходит использование транзистора в зоне «Region 2», тогда как, существует ещё и возможность его работы в зоне «Region 1», где его можно использовать в качестве сопротивления. 

При этом, обращается внимание на тот факт, что если мы будем рассматривать «Region 1», то заметим, что для каждого конкретного значения напряжения на затворе (буду говорить дальше так, чтобы долго не расписывать про «разницу потенциалов между…»), и каждого конкретного напряжения на канале сток-исток — кривая выглядит относительно постоянной — по сути, это просто точка на кривой. 

Однако, всё меняется, если напряжение на канале сток-исток начинает изменяться: видно, что при любом конкретном значении на затворе (т.е. если умозрительно установить точку на вертикальный пунктирной линии) — при изменении напряжения сток-исток — сопротивление канала начинает гулять и линии изгибаются к началу координат, изменяясь по некоторому закону — то есть, происходит нелинейное изменение.

Какие из этого мы можем для себя вынести выводы: 

1. Напряжение на канале сток-исток должно быть достаточно маленьким, чтобы мы продолжали находиться в зоне «Region 1» — то есть транзистор полностью не открылся, и его всё ещё можно было использовать в качестве сопротивления;

2. Нелинейный характер изменения сопротивления канала, при разных напряжениях — приводит к искажениям, что может быть чревато в случае работы с переменным аналоговым сигналом (например, звуком);

3. Если напряжение на затворе и напряжение на канале постоянны, а мы продолжаем находиться в зоне «Region 1» — то, по сути, мы имеем переменный резистор, управляемый напряжением (с множеством настраиваемых значений сопротивления, в пределах некоторого диапазона*), который:
   
   а) В общем случае годится для использования в роли переменного резистора для постоянных токов;
   
   б) Может даже быть применён в качестве переменного резистора — даже для переменных токов, только тут уже нужны хитрости (о них ниже).

*Выше, мы видели на примере взятого просто наобум транзистора, что с его помощью можно менять сопротивление в очень узком диапазоне. 

Однако, насколько мне удалось понять, если взять специализированные транзисторы, то можно добиваться довольно больших диапазонов изменения сопротивлений: например, в указанной статье от Siliconix, рекомендуется брать для этого транзисторы, которые позволяют менять сопротивление в следующих диапазонах:

VCR2N: 20..60 Ом;
VCR4N: 200..600 Ом;
VCR7N: 4 ком…8 кОм.

А теперь, из интересного: выше мы поняли, что при каждом фиксированном значении напряжения на затворе и на канале сток-исток — мы, по сути, имеем на кривой точку, на которой сопротивление стабильно. 

А как подобного достичь при переменном токе на канале сток-исток?

Для этого, насколько я их понимаю, они предлагают использовать следующий ход: подать некоторую часть плюсового напряжения со стока — на затвор, через резисторный делитель напряжения (R2/R3): таким образом, при росте напряжения на канале сток-сток — часть положительного напряжения подаётся на затвор, а это, в свою очередь, делает его напряжение менее отрицательным, то есть — резистор приоткрывается, как бы пропуская больше тока; в обратном случае, — сопротивление увеличивается, вслед за падением величины напряжения на канале сток-исток… 

Таким образом, получается, что сопротивление канала как бы автоматически «гуляет», оставаясь для переменного тока практически постоянным:

Чего в результате можно достичь? Ну, по крайней мере, как они заявляют — при стандартном варианте (без обратной связи) искажения сигнала при переменном токе превысят 8%, тогда как с описанным выше «лайфхаком» (обратная связь через резисторный делитель) — составят менее 0,5%:

Интересная информация, есть о чём подумать…:-)

По крайней мере, быстродействие транзисторов, как элементарного кирпичика, возможно, может быть интересным в тех применениях, где требуется именно скорость в сочетании с сопротивлением…

Однако в жизни, оно, как правило, всё гораздо прозаичнее — требуется просто резистор, просто определённого номинала!

Причём, заранее не знаешь, какого именно (есть только некоторые предположения).

Для таких случаев есть более простая предсказуемая альтернатива — своеобразный класс устройств, представляющий собой целый массив дискретных резисторов (расположенных в едином корпусе), чётко определённых номиналов, которые можно переключать с помощью специального внешнего управляющего сигнала, увеличивая/уменьшая номинал подключенного резистора, с определённым шагом. 

Они называются «цифровые потенциометры» или «цифровые управляемые потенциометры» (Digitally Controlled Potentiometer), где, в самом простом варианте (можно даже сказать, что исторически более ранним), является, например, линейка подобных устройств, серии X9C… от компании Reneseas:

Как можно видеть по картинке выше, микросхема содержит трёхпроводной управляющий интерфейс, состоящий из выводов: 

• CS (Chip Select — уровень LOW на этом выводе — означает активацию чипа для программирования, т.е. приращения/убавления сопротивления; в обычном режиме микросхема работает как сопротивление и на этом выводе должен быть установлен уровень HIGH);

• U/D (т.е. UP/DOWN) — выбор направления: будем сейчас прибавлять или убавлять сопротивление: где уровень LOW означает, соответственно, намерение убавлять сопротивление, а уровень HIGH — прибавлять сопротивление.
  
  Интересный нюанс: как они пишут, что это направление может быть изменено (насколько я понимаю, подразумевается что неоднократно) после активации чипа для программирования (т.е. перевода вывода CS из HIGH в LOW) — чтобы после активации можно было не только начинать перемещение ползунка в нужном направлении, но ещё и менять это направление в процессе, где при этом, так как всё происходит «на живую» — можно сразу понять (не выходя из режима программирования), подходит ли это конкретное выбранное сопротивление для вашего случая;

• INC (т.е. Increment / Decrement) — приращение/уменьшение сопротивления, с шагом в 1): для такого перехода нужен «импульс», который будет считаться 1 шагом (в выбранном с помощью вывода U/D направлении) — в качестве такого «импульса» считается один переход на этом выводе с уровня HIGH в уровень LOW.

Выбранное в результате программирования положение «ползунка» сопротивления сохраняется в энергонезависимой памяти (при каждом переходе вывода CS из положения LOW в HIGH, т.е. выходе из режима программирования) и восстанавливается после пропадания/появления питания. 

Кроме описанных выводов, микросхема содержит ещё и выводы, обозначенные как R_H/V_H R_L/V_L — это эквиваленты крайних выводов механического переменного резистора, и вывод R_W/V_W — эквивалент среднего вывода, того же механического переменного резистора. 

Как мы видим по ссылке выше, линейка моделей позволяет менять сопротивление подобных резисторов до разных величин (0..x), в зависимости от модели:

X9C102 = 1 кОм;
X9C103 = 10 кОм;
X9C503 = 50 кОм;
X9C104 = 100 кОм.

Массивы резисторов этих моделей содержат по 99 резисторов и 100 положений «ползунка» (0 положение означает отсутствие сопротивления, т.е. ток идёт свободно). 

Где при этом, если мы обратимся к таблице на пятой странице даташита по ссылке выше, то мы увидим, что переключение одного шага происходит за время в 100 микросекунд (а период импульса команды INC может составлять 2 микросекунды):

А в ходе одного шага, сопротивление меняется на 1%, с относительной ошибкой в выставленном сопротивлении, в размере плюс/минус 0,2 от одного шага:

Нюанс: изменение сопротивлений происходит пошагово, то есть, тут нельзя перескочить сразу, например, с 1 на 97 позицию — надо перебрать все подряд — сам интерфейс управления просто не позволяет этого (как мы видели выше, когда изучали его выводы)… 

Но есть и более современные варианты! Которые дают возможность не только перескакивать позиции, но и гораздо большего количества шагов — например, это относится к серии микросхем цифровых потенциометров AD291/AD5292 от компании Analog Devices: они имеют более современный интерфейс подключения (SPI), поддерживают до 1024 шагов, с максимальным сопротивлением в 20, 50, 100 кОм.

Некий нюанс только заключается в том, что у них — энергонезависимая память прожигаемого типа и выбранное значение может быть сохранено только лишь до 20 раз.  

Впрочем, если сохранять не нужно, то, без задействования энергонезависимой памяти, менять значение сопротивления можно сколько угодно раз…

При этом, переключения этого типа микросхемы занимают гораздо меньшее время — в обычном режиме: 0,75 микросекунды, а в режиме высокой точности — 2,5 микросекунды:

Где при этом, подразумевается, что обычный режим позволяет выставлять сопротивления с ошибкой в плюс/минус 7%, тогда как в режиме высокой точности — максимальная ошибка в выставлении сопротивления не превышает 1%:

Таким образом, подытоживая, мы видим, что даже, казалось бы, такая простая субстанция как сопротивление — тоже таит в себе ряд интересных вариантов, которые, при желании, вполне могут быть применены! 

Причём, мы ещё даже не затронули отдельную безумно любопытную тему реактивных сопротивлений — дросселей, которые тоже при определённых условиях сопротивляются прохождению электрического тока… 

«Но — это уже совершенно другая история»… :-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.