Пассивные элементы электронных устройств. Классификация элементов электронных устройств. Резисторы. Конденсаторы. Катушки индуктивности.

Электронная аппаратура – это совокупность электронных элементов, несущих конструкций и монтажных соединений, объединенных в общую конструкцию или комплекс. Элементы по своему назначению подразделяют на пассивные и активные. К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, переключатели, реле и др. К активным компонентам относятся приборы на базе -переходов, МОП-структур, вторичные источники питания.

Резисторы – это наиболее распространенные элементы электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. По назначению резисторы подразделяются на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высокомегомные, высоковольтные, специального назначения. По эксплуатационным характеристикам резисторы могут быть термостойкими, влагостойкими, вибро и ударопрочными, высоконадежными. По виду токопроводящего элемента резисторы подразделяются на проволочные и непроволочные. В проволочных резисторах токопроводящим элементом является намотанная на каркас проволока, изготовленная из материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением. В непроволочных токопроводящим элементом является углерод, металлы, их сплавы или оксиды либо композиции проводников и диэлектриков, выполненные в виде тонкой пленки или объема. По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные и переменные, которые, в свою очередь, подразделяются на подстроечные (сопротивление изменяется при технической регулировке) и регулировочные (сопротивление регулируется во время функционирования аппаратуры).

К основным параметрам резисторов относятся.

Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение. Под номинальным сопротивлением понимают значение сопротивления, на которое рассчитан резистор и которое указывается на нем или в сопроводительной документации. Класс точности резисторов определяется относительным отклонением от номинала в процентах. Основная единица измерения сопротивления резисторов – Ом.

Номинальная мощность рассеяния – максимально допустимая мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке в нормальных условиях без изменения электрических параметров выше норм, указанных в технических условиях на него. Промышленность выпускает резисторы с номинальными мощностями рассеяния от 0,001 до 500 Вт. Значения мощностей стандартизированы, наиболее часто используются в электронных схемах резисторы мощностью 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2 Вт, в электрооборудовании – до 500 Вт и выше.

Предельное рабочее напряжение – максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий на электрические параметры.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на и выражается в :

,

где – абсолютное изменение сопротивления резистора, Ом, под влиянием температуры; – сопротивление резистора, Ом, при нормальной температуре; – изменение температуры, .

Уровень собственных шумов. Шум представляет собой переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения резистора, что создает помехи для прохождения сигнала и ограничивает чувствительность приемных трактов электронной аппаратуры. Собственные шумы резисторов имеют двоякую природу: это так называемые «тепловые» и «токовые» шумы.

Упрощенная эквивалентная схема резистора для высоких частот представлена на рисунке 6.1. Из рисунка 6.1 видно, что кроме собственного активного сопротивления схема включает в себя реактивные составляющие: индуктивности и и емкость , которые ухудшают частотные свойства резисторов, поэтому их часто называют паразитными.

Рисунок 6.1 – Эквивалентная схема резистора для высоких частот

К группе резисторов общего назначения относятся резисторы, используемые в качестве элементов аппаратуры средней точности (5...20%), с номинальными значениями сопротивлений от 1 Ом до 1 ГОм, рабочими напряжениями в пределах сотен вольт, диапазоном номинальных мощностей рассеяния обычно 0,125...2 Вт и частотным диапазоном применения до десятков мегагерц. Среднее значение .

Углеродистые резисторы предназначены для работы в цепях переменного и импульсного токов в радиотехнической и электронной аппаратуре. Для большинства резисторов этой группы максимальная рабочая температура достигает 100 . Резисторы этой группы более высокочастотны, чем остальные, так как обладают меньшей паразитной емкостью.

Металлопленочные резисторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного токов в условиях нормального и тропического климата. Они теплостойки, влагостойки, обладают повышенной механической прочностью. Их часто используют в обычной электронной аппаратуре широкого потребления и аппаратуре специального назначения, в особенности малогабаритной.

Композиционные резисторы используют для тех же целей, что углеродистые и металлопленочные. Отличительными особенностями резисторов этой группы является высокая вибропрочность за счет запрессовки выводов в основание резисторов, большой уровень собственных шумов (до 10 мкВ/В) и зависимость сопротивления от приложенного напряжения.

Проволочные резисторы обладают повышенной температурной стабильностью и термостойкостью. Недостатки: ограниченный диапазон сопротивления (до сотен кОм) и высокая стоимость.

Переменные резисторы общего назначения в большинстве случаев относятся к композиционным непроволочным резисторам.

Прецизионные резисторы – это резисторы повышенной точности ((0,05...5)%) и стабильности ( ), с номинальным сопротивлением от 1 Ом до 1МОм, предельными рабочими напряжениями не более сотен вольт, диапазоном номинальных мощностей рассеяния в пределах 0,05...2 Вт и максимально допустимой частотой до единиц мегагерц. Прецизионные резисторы применяют в точной измерительной аппаратуре и ответственных цепях аппаратуры специального назначения. Часто их используют как элементы магазинов сопротивлений в цепях делителей и шунтов повышенной точности, а также в качестве различных датчиков и нагрузок схем.

К группе высокочастотных относятся резисторы, выполняющие свои функции без существенного изменения сопротивления на частотах более 10 МГц. Это низкоомные резисторы с сопротивлением от единиц до сотен Ом, средней точности (5...20 %), средней стабильности ( ). Их номинальная мощность рассеяния находится в пределах 0,1...200 Вт, рабочие напряжения не превышают сотен вольт. Их обычно используют при конструировании высокочастотных и СВЧ-трактов аппаратуры в качестве согласующих нагрузок, в измерительной и приемопередающей аппаратуре.

Условные графические обозначения резисторов на принципиальных электрических схемах приведены на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 – Условные графические обозначения резисторов: а – постоянный0,125 Вт; б – переменный; в – подстроечный

Принцип работы резисторы специального назначения основан на изменении сопротивления в зависимости от приложенного напряжения (варисторы), освещенности (фоторезисторы), температуры (терморезисторы) и др., их обычно применяют в качестве измерителей, стабилизаторов, датчиков и преобразователей различного рода сигналов в электрические (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Вольт – амперная характеристика (а) и УГО (б) варистора

На рисунке 6.4а показана вольт- амперная характеристика фоторезистора при различных величинах облучающего светового потока, на рисунке 6.4б – условное графическое обозначение фоторезистора.

С увеличением светового потока проводимость полупроводникового материала фоторезистора (CdS) в связи с генерацией дополнительных носителей заряда возрастает, что приводит к увеличению фототока.

Терморезисторы – нелинейные резисторы с большим значением ТКС. Примерный диапазон значений ТКС – 0,02...0,08 . У большинства терморезисторов ТКС отрицательный, терморезисторы с положительным значением ТКС называются позисторами.

Рисунок 6.4 – Вольт-амперная характеристика (а) и УГО (б) фоторезистора

На рисунке 6.5 приведена зависимость сопротивления терморезистора от температуры и его УГО на принципиальных электрических схемах.

Рисунок 6.5 – Зависимость сопротивления термистора от температуры (а) и УГО (б) термистора.

Конденсаторы по применению в электронной аппаратуре занимают второе место после резисторов. Принцип работы конденсаторов основан на их способности накапливать электрический заряд на обкладках при приложении к ним разности потенциалов. По материалу диэлектрика различают три основные группы конденсаторов: с газообразным, жидким и твердым диэлектриком. К первой группе относятся переменный и полупеременные воздушные конденсаторы и постоянные газонаполненные. Ко второй – маслонаполненные и конденсаторы с синтетической жидкостью. К третьей – конденсаторы с неорганическим диэлектриком (керамические, слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические), конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, лакоплёночные), конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические, алюминиевые, танталовые, оксидно-полупроводниковые).

Основными параметрами конденсаторов являются.

•Номинальное значение емкости и класс точности (допустимое отклонение действительной емкости от номинального значения). Конденсаторы выпускаются I, II и III классов точности, что соответствует допускам и . Единица измерения емкости конденсаторов – фарад (Ф).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) конденсаторов, :

,

где – абсолютное изменение емкости под влиянием температуры; – емкость конденсатора при нормальной температуре; – изменение температуры, .

Электрическая прочность конденсатора характеризуется тремя видами напряжений: рабочим, испытательным и пробивным. Рабочим называют наибольшее напряжение, прикладываемое к обкладкам конденсатора, при котором он нормально работает, не изменяя своих характеристик в заданном интервале температур в течение гарантийного срока службы. После изготовления конденсаторов часто перед установкой в электронную аппаратуру их выборочно подвергают испытательному напряжению. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика конденсатора, называется пробивным.

Частотные свойства конденсаторов характеризуются паразитной индуктивностью и активным сопротивлением (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 – Эквивалентная схема замещения конденсатора: L – паразитная индуктивность; – активное сопротивление

Паразитная индуктивность большинства конденсаторов зависит от конструкции выводов, а также от взаимной индукции между обкладками рулонных конденсаторов. Переменные конденсаторы характеризуются также законом изменения емкости от угла поворота и диапазоном изменения емкости.

Высокочастотные конденсаторы. К ним относятся керамические, слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклянные. Они имеют малую паразитную индуктивность и незначительные потери в диэлектрике, обладают высокой стабильностью , высокой точностью до , малыми габаритными размерами и массой, а также термостойкостью.

Низкочастотные конденсаторы постоянной емкости. В цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов низкой частоты применяют конденсаторы большой номинальной емкости в качестве разделительных, блокировочных и фильтровых (бумажные, металлобумажные, электролитические, оксидно-полупроводниковые, пленочные конденсаторы).

Конденсаторы переменной емкости. Они предназначены для перестройки рабочей частоты электронной аппаратуры в процессе ее эксплуатации: В таких конденсаторах, изменяя угол поворота роторных пластин относительно статорных, можно изменять емкость между ними.

Конденсаторы специального назначения. К ним относятся вариконды и варикапы. Вариконды представляют собой сегнетокерамические конденсаторы, имеющие ярко выраженную нелинейную зависимость емкости от приложенного напряжения, используются для управления параметрами цепей. В варикапах используют свойство -перехода изменять свою толщину при переменном модулирующем и постоянном запирающем напряжениях, применяются для частотной модуляции в диапазоне УКВ, автоматической подстройки резонансной частоты колебательных контуров. На рисунке 6.7 показаны условные графические изображения конденсаторов различного назначения.

Катушками индуктивности называют элементы аппаратуры, способные запасать энергию электромагнитного поля. Катушки индуктивности подразделяются:

по назначению – катушки колебательных контуров, гетеродинов, преобразователей частоты и др.;

уровню стабильности – катушки индуктивности с высокой (для фильтров электрических сигналов, катушек связи и т.д.) и низкой стабильностью (для оказания большого сопротивления переменному току);

частотному диапазону – катушки индуктивности для ультракоротких, коротких, средних и длинных волн;

Рисунке 6.7 – Условные графические обозначения конденсаторов различного назначения: а – постоянной емкости; б – поляризованный; в – переносной емкости; г – подстроечный электролитический; д – поляризованный; е – неполяризованный

Основными параметрами катушек индуктивности являются.

Номинальная индуктивность катушки (L) – коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока в катушке и ЭДС самоиндукции. Основная единица измерения индуктивности – генри (Гн).

Добротность характеризует относительный уровень активных потерь в обмотке катушки, сердечнике и экране. Уменьшение потерь в катушке индуктивности возможно при выборе оптимального размера провода, применении многожильного провода, выборе для каркаса материала с малыми диэлектрическими потерями, выборе материала для сердечника и др.

Температурный коэффициент индуктивности ( ) характеризует относительное изменение индуктивности катушки при изменении температуры окружающей среды на и выражается в :

,

где – абсолютное изменение индуктивности катушки под влиянием температуры; – индуктивность катушки при нормальной температуре; – изменение температуры, .

• Собственная емкость ( ) – является паразитным параметром катушки. Она проявляется в области высоких частот и зависит от вида намотки и числа витков.

На рисуне 6.8 приведена эквивалентная схема замещения катушки индуктивности, на которой , – паразитные параметры, характеризующие потери в катушке, a – собственная емкость катушки.

Рисунок 6.8 – Эквивалентная схема замещения катушки индуктивности

Промышленность выпускает несколько типов катушек индуктивности. Катушки индуктивности без сердечников, которые подразделяются на катушки УКВ- и КВ-диапазона, обладают небольшой индуктивностью (до 200 мкГн), большой добротностью (до 100), высокой температурной стабильностью: . Данные катушки выполняются как однослойными без каркаса, с малым числом витков, с использованием провода большого диаметра, так и однослойными на каркасе с равномерным шагом, со сплошной намоткой и переменным шагом. Каркас обеспечивает температурную стабильность параметров катушки.

Катушки индуктивности СВ и ДВ диапазона обладают большей индуктивностью (более 500 мкГн), меньшей добротностью, повышенным значением собственной емкости (до 70 пФ), . Большая индуктивность катушки обеспечивается изготовлением многослойной обмотки.

Применение сердечников из ферромагнитных материалов приводит к увеличению индуктивности катушек, уменьшению их габаритных размеров, увеличению добротности и возможности их подстройки. Изменение индуктивности катушек производится изменением числа витков, изменением коэффициента взаимоиндукции, использованием сердечника.

Катушки индуктивности, в конструкциях которых предусмотрены замкнутые магнитные цепи (магнитопроводы), представляют собой трансформаторы или дроссели. Как по конструкции, так и по ряду электрических параметров дроссели имеют много общего с трансформаторами.

Трансформатор – это электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки, которое предназначено для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы питания предназначены для преобразования переменного напряжения первичного источника в любые другие значения напряжения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры без изменения частоты.

Трансформаторы согласования предназначены для передачи переменных электрических сигналов, несущих полезную информацию, для изменения уровня напряжений (токов) при сохранении мощности и минимальном искажении сигнала. Вместе с активными элементами, например транзисторами, эти трансформаторы входят в состав усилителей мощности, используемых для передачи электрических сигналов речи и музыки, спектр частот которых находится в пределах от 30...50 до 3...20 кГц. Они должны обеспечивать минимальные или допустимые искажения передаваемого сигнала.

Импульсные трансформаторы под влиянием токов (напряжений), действующих в первичной обмотке, вырабатывают на выходе короткие импульсы заданной формы или трансформируют импульсы с необходимым изменением напряжения и тока.

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции: переменное магнитное поле тока в первичной обмотке вызывает появление ЭДС индукции во вторичной обмотке. Отношение абсолютных значений напряжений и на концах вторичной и первичной обмоток при холостом ходе называют коэффициентом трансформации:

,

где и – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

К основным параметрам трансформаторов относятся:

индуктивность первичной обмотки ;

собственная емкость обмоток трансформатора ;

активное сопротивление обмоток ;

коэффициент полезного действия КПД;

коэффициент трансформации .

Коэффициент трансформации может быть равным единице, больше или меньше единицы, а для многообмоточного трансформатора он может иметь несколько значений. Для высококачественной работы трансформатора желательно иметь малые .

Дроссели подразделяются на дроссели высокой и низкой частот.

Дроссели высокой частоты – это катушки индуктивности, предназначенные для увеличения сопротивления цепи, т.е. для ограничения токов высокой частоты. Дроссели этого типа обладают значительной индуктивностью (от сотен микрогенри до единиц миллигенри) и малой собственной емкостью. Промышленность выпускает дроссели, намотанные на ферритовые стержни и опрессованные пластмассой.

Дроссели низкой частоты предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Они входят в состав сглаживающих и низкочастотных LC-фильтров. Сопротивление дросселей постоянному току мало. Конструктивно их выполняют на магнитных сердечниках с одной обмоткой и воздушным зазором.

Реле – это элемент электронной аппаратуры, предназначенный для коммутации электрических цепей. По принципу работы реле подразделяются на электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные и электротермические. Наибольшее распространение получили электромагнитные реле. В зависимости от вида коммутируемого тока они подразделяются на реле постоянного и переменного токов; от времени срабатывания – на быстродействующие (не более 0,005 с), нормальные (от 0,005 до 0,015 с) и замедленные (более 0,015 с); от мощности срабатывания – на мощные контакторы и слаботочные реле для микроэлектронной аппаратуры.

К основным параметрам реле относятся:

ток (напряжение) срабатывания – минимально необходимое значение тока (напряжения), при котором тяговое усилие электромагнита будет больше суммы противодействующих сил: силы, развиваемой возвратной пружиной, сил деформации контактных пар и трения;

ток (напряжение) отпускания – значение тока (напряжения), при котором тяговое усилие станет меньше суммы противодействующих сил. Ток отпускания реле всегда меньше тока срабатывания;

время срабатывания (отпускания) – интервал времени от момента подачи напряжения (тока) в обмотку реле до момента коммутации контактов;

срок службы – число допустимых переключений контактов реле, при котором обеспечивается заданная по его техническим условиям надежность.

На рисунке 6.9 приведены условные графические обозначения элементов на базе катушек индуктивностей с буквенными обозначениями.

Рисунок 6.9 – Условные графические обозначения: а – катушки индуктивности без сердечника; б – катушки индуктивности с сердечником (дросселя); в – трансформатора; г – реле.

Контрольные вопросы

1 Какие элементы электрической аппаратуры относятся к пассивным элементам?

2 Каковы основные и паразитные параметры резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов?

3 Приведите классификацию резисторов по назначению, виду токопроводящего элемента, характеру изменения сопротивления.

4 Назовите и дайте краткую характеристику резисторов специального назначения.

5 Приведите классификацию конденсаторов по виду материала диэлектрика.

6 Назовите и дайте краткую характеристику конденсаторов специального назначения.

7 Приведите условные графические обозначения резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.

8 Приведите классификацию трансформаторов по назначению.

9 Назовите основные параметры трансформаторов.

10 Каковы назначение, классификация, основные параметры реле?

Лекция 7