APDahlen Applications Engineer
教科書と実際の抵抗器の特性
抵抗器の教科書的な分類は、抵抗値、許容差、定格電力に基づいていますが、これは不完全です。この記事では、現実の抵抗器には予期しないリアクタンスがあることを示します。これは、高周波で抵抗と誘導リアクタンスの両特性を示す巻線タイプに特に当てはまります。
図1： Digilent Analog Discoveryおよびインピーダンスアナライザモジュールを使用して、大型巻線抵抗器の特性を評価します。
巻線抵抗器とは何ですか?
抵抗器はさまざまな技術と材料を使用して製造されます。 完全な説明については、この重点記事を参照してください。ここでは、巻線抵抗器に焦点を当てます。 この抵抗器は文字通り、セラミックコア（マンドレル）に巻かれたある長さの抵抗線であることを思い出してください。代表的な例は、図1に示す大きな50Ω抵抗器です。
絶縁セラミックコアは、ワイヤを堅牢でコンパクトな形状に保持するベースとして機能します。この理想的な材料は、ワイヤから熱を放出することで、バルク抵抗器がその長い寿命にわたって加熱および冷却する際の熱サイクルに耐えることができます。より大きな抵抗器の場合、セラミックボディはシャーシに取り付ける際の電気絶縁体となります。図1の抵抗器には、抵抗器をシャーシに固定するタブがあります。他のタイプの抵抗器では、抵抗器の熱を放散させるために、シャーシや大型のヒートシンクを使用することもあります。
技術的なヒント： 「ワイヤ」をよりよく理解するために、昔ながらのトースターやヘアードライヤを考えてみましょう。これらの機器にはニクロム線の発熱体があります。電流が流れると、ワイヤは電気エネルギーを熱に変換します。これがチェリーレッド色に見えるのです。ニクロム線は比較的酸化しにくいため、長寿命です。逆の例として、酸素が赤熱した抵抗器を燃焼させているカーボン抵抗器のこの記事をご覧ください。
抵抗器はインダクタとどう似ているか？
インダクタは、絶縁マンドレルにワイヤを巻くことで構成されます。間隔が狭い巻線は磁気的に相互作用し、所望の誘導特性を生み出します。
おそらく問題はおわかりでしょう。巻線抵抗器の説明は、インダクタの説明と同じです。現実の世界では、適切に対処しなければ、これは深刻な問題になります。低周波では誘導リアクタンスは低く、無視できます。しかし、周波数が高くなるにつれて誘導リアクタンスは増加します。リアクタンスは抵抗よりも大きくなることがあります。極端な周波数では、巻線間容量の影響も明らかになります。この時点で、抵抗器はそれ自身の共振RLCシステムになります。
技術的なヒント： 巻線抵抗器は、寄生誘導を軽減するように設計できます。 1つの方法は、バイファイラ巻きを使用することです。 例として、家電製品の電源コードを抵抗器として考えてみましょう。 供給線の電流は一方方向に流れ、戻り線の電流は他方に流れます。 ワイヤが近接すると、磁場が打ち消される傾向があります。 この構造の絶縁ワイヤをセラミックのマンドレルに巻くと、誘導特性が最小限の抵抗器が得られます。 この構造ではワイヤを絶縁する必要があるため、追加コストがかかることに注意してください。 また、電圧勾配が4インチの長さ全体にわたって存在する図1の抵抗とは対照的に、抵抗の2つの（電気）接続が近接しているため、電圧処理特性にも問題があります。他のテクニックも利用できますが、この記事の範囲外です。
巻線抵抗器は周波数領域でどのように見えるか？
図2は、図1に示したセットアップを使用して、インピーダンスアナライザモジュール搭載のDigilent Analog Discoverを使用した抵抗器の周波数掃引を示しています。上のグラフは50Ω「抵抗器」のインピーダンスを、下のグラフは位相シフトの測定値を示しています。
オーディオ周波数（DC～20kHz）では、この抵抗は良好に動作します。 それは純粋な抵抗として振る舞うことを意味します。100kHzあたりで、誘導リアクタンスが抵抗に対して大きくなり、状況が変わり始めます。2MHzに達するまでに、誘導性リアクタンスが支配的になり、システムのインピーダンスは300Ωになります。
図3は、抵抗とインダクタが直列に接続されていると仮定したモデルです。測定された抵抗は比較的平坦です。測定された誘導リアクタンスは、 X_L = 2\pi fL の関係から予想されるように、概ね直線的に増加しています。抵抗と誘導リアクタンスは、およそ400kHzで等しくなります。
図2： 50Ω巻線抵抗器のインピーダンス（上）と位相シフト（下）のグラフ。2MHzでは、インピーダンスは約300Ωに増加しました。
図3： 等価直列モデルの抵抗と誘導リアクタンスを示すグラフ
技術的なヒント： 無線送信機は通常、50Ωのインピーダンスで動作するように設計されています。 送信機は多くの場合、抵抗「ダミー負荷」に接続してベンチテストされます。 この非放射負荷の抵抗素子は慎重に選択する必要があります。 図1に示されている50Ω抵抗では、ひどいインピーダンス不整合が発生します。 たとえば、2MHzでは、この「50Ω」デバイスのインピーダンスは約300Ωになります。 その結果、許容できない電圧定在波比（VSWR）が発生し、無線送信機の出力段に損傷を与える可能性があります。
おわりに
抵抗器は教科書に載っているような単純な物ではありません。この記事で取り上げた巻線デバイスのように、記載されている抵抗値に対してかなりの偏差があるタイプもあります。高周波回路を修理、設計、構築する際には、このことを念頭に置いてください。
ご健闘をお祈りします
APDahlen
著者について：Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間の教育によってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭を取り、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。