Бросая камни в воду, смотри на круги, ими образуемые, иначе это бросание будет пустой забавою.
Рассмотрим несложную задачу увеличения точности резистора при помощи параллельного соединения двух резисторов, один из которых назовем базовым и обозначим r, а второй компенсирующим и обозначим R.Сразу отметим, что оба резистора являются постоянными и ни в коем случае не переменными. Причины подобного решения ( не использовать переменный резистор) оставим за скобками обсуждения, хотя это могут быть габаритные характеристики, стоимостные показатели и т.д. В практике разработки подобное решение встречается неоднократно.
Процедура настройки значения выглядит следующим образом: устанавливаем резистор r, измеряем его сопротивление, определяем номинал подстроечного сопротивления, необходимого для создания эквивалентного сопротивления, равного эталонному, берем ближайший номинал и устанавливаем его. Возможно, Вам приходилось подобное проделывать с реальной схемой.
И сразу же возникает вопрос — почему это работает? Ведь если r мы измерили и знаем абсолютно точно (в пределах погрешности измерительного прибора), то R мы просто берем из кассы и его точность определяется точностью изготовления резистора.Для ответа на этот вопрос привлечем немного математики.
Формула эквивалентного сопротивления параллельно включенных резисторов r`0=r*R/(r+R),
зададим погрешность R в виде dR, получим r`=r*(R+dR)/(r+R+dR). Тогда dr`=r`-r`0=...=r*r*dR/((r+R+dR)*(r+R)) — абсолютная погрешность, получаем относительную погрешность qr`=dr`/r`0=dR*r/(R*(r+R+dR)),
учитывая dR=R*qR, получаем qr`=qR*r/(r+R+dR)~qR*r/(r+R).
Как нетрудно видеть, относительная погрешность эквивалентного сопротивления в r/(r+R) раз меньше относительной погрешности резистора R, а если сделать r<<R, то она будет существенно меньше. То есть, если мы изначально будем стремиться к ситуации r<<R, то мы действительно может создать весьма точный резистор из не слишком точных.
При этом для компенсации отклонения резистора r от rE нам потребуется R=r*rE/(r-rE).
Возникает вопрос о практически достижимой точности, для чего рассмотрим наихудший случай. Исходной точкой является выбор резистора r, который должен быть максимально близок к rE, так как в этом случае R получается максимальным. Поскольку для r<rE, мы не сможем скомпенсировать данное отклонение (нам потребуется R отрицательной величины и я не очень понимаю физический смысл подобного случая), то чтобы обеспечить отсутствие такого режима, следует выбрать r0=rE/(1-qr).
Тогда наихудшим случаем является r=r0*(1+qr) и мы получаем для R0=rE*(1+qr)/(2*gr).
При этом отношение r0/(R0+r0)=2*qr/(1+qr*qr)~2*qr, и итоговая погрешность составит 2*qr*qR.
Если мы возьмем 5% резисторы, то результат будет 2*0,05*0,05=0,5%, что совсем неплохо, а для 1% резисторов 2*0,01*0,01=0.02%, что скорее всего превзойдет возможности нашего переносного измерительного прибора.
К сожалению, такая точность недостижима в реальных условиях из-за того, что мы не можем в качестве r0 и R0 взять полученные из расчета номиналы, так как мы ограничены стандартным рядом номиналов резисторов E24 либо E96. Попробуем учесть этот факт, что приведет к тому, что для резистора r0 нам придется взять ближайший бОльший номинал из ряда и в худшем случае мы получим r0=rE*(1+qr)*(1+qr)/(1-qr)~rE*(1+3*qr). А вот для резистора R мы можем брать ближайший номинал из ряда, что приведет к худшему случаю R=R0*(1+1.5*qR).
То есть с учетом стандартного ряда итоговая погрешность составит 4,5*qr*qR, что для 5% резисторов составит 1.13%, (что неплохо, но как то меньше, чем мы ожидали и вообще проще купить 1% резистор), а для 1% резисторов — 0,05%, что очень здорово, но нам потребуется касса подстроечных резисторов с точностью 1%. Истина, как всегда, лежит посередине (ну есть у нее такое свойство, всегда лежать посередине) в качестве базового берем 1% резистор (тем более что его номинал нам известен заранее), а компенсирующий берем из стандартной кассы в 5% (ну она то у Вас точно есть) и получаем точность в 0,2%. Если же нам не достаточно такой точности, то мы может либо применить переменный резистор в качестве компенсирующего, либо поставить еще 1 резистор в параллель к первым двум еще большего номинала и вот тут то получить требуемую точность. Расчет для этого случая оставим для пытливого читателя
Ну и в заключение о том, где такая экзотическая схема используется. Прежде всего это токо-измерительные резисторы (шунты), поскольку в этом случае r должен быть во-первых, небольшим, а подстроечный резистор малого номинал — это экзотика, а во-вторых, мощным, а это еще большая экзотика. А вот компенсирующий резистор может быть и подстроечным, поскольку к нему все вышесказанное относится в значительно меньшей мере. Но вопрос, что проще сделать — измерить номинал, взять из кассы резистор и впаять его, либо измерять номинал и крутить подстроечный резистор до достижения результата — остается открытым. Разумеется, мы не рассматривали одно-оборотные резисторы для подобной схемы даже в качестве гипотезы, поэтому крутить придется долго (то есть оборотов 5-6 во всем диапазоне).
Комментарии (13)
Z80A
15.05.2015 19:10+3Пробовал такую штуку с 5% резисторами, оказалось, что они плавают при незначительных изменениях температуры и 1% точности добиться не удалось. Сегодня подобрал, выставил — завтра уже всё уплыло. Или я что-то не так делал?
GarryC Автор
15.05.2015 20:19ТКС — это отдельная тема. Но при незначительных изменениях температуры сильно уходить не должны. У Вас точно плавали резисторы а не остальная часть схемы? Я делал подгонку шунта на 0.5% и смотрел от 10 до 40 градусов — вроде не плыло. Но это еще было на ОМЛТ, может теперь ТКС выше? Вы какие резисторы применяли?
abrakada
15.05.2015 21:14Спасибо за статью, люблю такие нюансы. Хотя на практике проще купить подходящий резистор.
mickvav
15.05.2015 21:59+1Опорный можно брать меньшего номинала, если корректирующий впаивать последовательно, а не параллельно.
gonzazoid
15.05.2015 22:01А точно повышается точность составного резистора, а не вероятность попадания в диапазон? То есть не сужается диапазон возможных значений а перераспределяется в нем вероятность попадания в более узкий диапазон, ближе к эталону. С остающейся вероятностью (просто более низкой) попадания в более широкий разброс.
GarryC Автор
18.05.2015 08:51Точно, мы определили максимальное отклонение, плотность вероятности в пределах этого отклонения не нормируется, но, вероятнее всего, гауссова.
barabanus
16.05.2015 00:44+4В «Искусстве схемотехники» Хоровица и Хилла, 2е издание, была интересная таблица:
barabanus
16.05.2015 00:54+3И еще две хорошие цитаты оттуда же:
Не заменяйте резистор потенциометром, если нужна точностьИ еще один совет по работе с переменными резисторами: не стремитесь к тому, чтобы заменить потенциометром резистор с определенным сопротивлением. Соблазн, конечно, велик — ведь с помощью потенциометра можно установить такое значение сопротивления, какое хочется. Вся беда в том. что стабильность потенциометра ниже, чем стабильность хорошего (1%) резистора и, кроме того, потенциометры не дают хорошего разрешения (т.е. с их помощью нельзя точно установить значение сопротивления). Если на каком-либо участке схемы нужно установить точное значение сопротивления, воспользуйтесь сочетанием прецизионного резистора (1% и выше) и потенциометра, причем большая часть сопротивления должна определяться постоянным резистором. Например, если нужно получить сопротивление 23,4 кОм, воспользуйтесь последовательным соединением постоянного резистора с сопротивлением 22,6 кОм (точность 1%) и подстроечного потенциометра с сопротивлением 2 кОм. Можно также использовать последовательное соединение нескольких прецизионных резисторов, в котором самый маленький по величине резистор дополняет полное сопротивление до нужного точного значения.
je56
16.05.2015 12:39-1Подозрительно точные цифры, учитывая разнообразие типов резисторов. Или эта таблица относилась к определённому контексту?
ZyXI
Я сильно советую переписать формулы так, чтобы они выглядели как формулы. Для этого просто возьмите любой сервис из Google: online latex equation editor, к примеру, www.codecogs.com/latex/eqneditor.php, он выдаст изображение со ссылкой вида latex.codecogs.com/png.download?r%27_0%3D%5Cfrac%7BrR%7D%7Br+R%7D. А хабр уже сам его перезальёт при публикации: