Глава 9. пассивные компоненты

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

К пассивным компонентам электроники относятся такие элементы, как резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформаторы и некоторые другие, не имеющие в своем составе активных (усилительных) устройств – диодов, транзисторов, тиристоров. Промышленность выпускает чрезвычайно широкий ассортимент всех этих элементов, который постоянно расширяется, поэтому полная информация о них может быть получена только из специальных справочников. Мы рассмотрим только основные типы.

Резисторы

Резисторы – это компоненты, основным параметром которых вы­ступает сопротивление. В электрических схемах основное назначение резисторов – это задание тока в цепи и распределение потенциалов. Промышленность для аппаратуры широкого потребления выпускает резисторы сопротивлением примерно от 0,1 Ом до 100 МОм и мощностью от 0,0625 Вт до 100 Вт (ряд 0,0625; 0,125; 0,25, 0,5; 1; 2 – малой мощности; свыше – мощные).

В зависимости от назначения резисторы делятся на общего назначения и специальные (прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные).

Резисторы общего назначения – это нагрузки, поглотители энергии, делители. Диапазон 1 Ом – 10 Мом, номинальные мощности рассеяния 0,062 – 100 Вт, допуски ± 1, ± 2, ± 5, ± 10, ± 20 %.

Прецизионные отличаются высокой стабильностью при эксплуатации и высокой точностью при изготовлении. Допуск от ± 0,0005 до ± 0,5 %. Мощность рассеяния невелика (обычно ≤ 2 Вт). Сопротивление от долей Ом до сотен Гом.

Высокочастотные резисторы обладают малой собственной индуктивностью и емкостью, поэтому могут работать в ВЧ-цепях (непроволочные свыше сотен МГц, проволочные до сотен кГц).

Высоковольтные резисторы имеют рабочее напряжение от единиц до десятков кВ. Специально сконструированы так, чтобы исключить разряд между выводами.

Высокомегаомные – сопротивление от десятков Мом до единиц Том. Рассчитаны на небольшие рабочие напряжения (100 – 400 В) и имеют малую мощность рассеяния (< 0,5 Вт).

По возможности изменения сопротивления резисторы подраз­деляют на постоянные, и переменные. Постоянные резисторы имеют фиксированное сопротивление. Переменные резисторы делятся на подстроечные и регулировочные (пояснить разницу в использовании и конструкции).

Переменные резисторы могут быть:

– одноэлементными и сдвоенными (м/б и 3, 4);

– с круговым и линейным перемещением подвижного контакта;

– с выключателем и без;

– с упором и без упора;

– с фиксацией положения подвижной части и без;

– с дополнительными выводами и без.

В зависимости от материала резистивного элемента резисторы разделяют на проволочные, непроволочные и металлофольговые.

Параметры. Основным параметром любого резистора является его номи­нальное сопротивление, измеряемое между крайними выводами при T° = 20 ± 1 °С. В большинстве случаев промышленность изготавливает сопротивления со стандартными номиналами, ряды которых обозначаются Е6, Е12 и Е24. Например, ряд Е6 формируется из следующих соображений: погрешность сопротивления резистора стандартного номинала не превышает ± 20 % и фактически диапазон между смежными номиналами полностью перекрывается этой погрешностью. Таким образом, любой резистор этого ряда может иметь сопротивление, равное (1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8) × 10ⁿ .

Ряд Е12 имеет допуск ± 10 %, Е24 – допуск ± 5 %. Таким же образом строятся ряды Е48, Е96, Е192.

Вторым параметром, характеризующим любой резистор, является номинальная мощность рассеивания Р = I²R = U²/R. Стандартизованы мощности от 0,01 до 500 Вт. Наиболее часто в электронной аппаратуре применяются резисторы с Р = 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 и 10 Вт.

Для схем с повышенными требованиями к точности важным параметром является ТКС – относительное изменение сопротивления на 1° С. Для массово применяющихся резисторов общего назначения типов МЛТ, С2-23 ТКС порядка ± (100…300)∙10^-6.

К важнейшим характеристикам переменных резисторов относятся:

– функциональная характери­стика: А – линейная, Б, В – нелинейные (рис. 9.1);

– разрешающая способность: при каком наименьшем угле поворота или перемещении различимо изменяется сопротивле­ние. У проволочных зависит от шага намотки проволоки;

– износоустойчивость: сколько циклов от упора до упора, при которых параметры резистора еще в пределах норм. Для регулировочных резисторов типично 5 000 – 100 000, для подстроечных не более 1 000.

Особый класс резисторов – это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых изменяется в функции внешних физических полей: напряжения, освещенности, температуры, механического усилия и т. п. Наиболее широкое применение нашли варисторы и терморезисторы.

Варисторы – это ПП резисторы, основное свойство которых заключается в том, что их электрическое сопротивление значительно меняется при изменении приложенного напряжения. Изготовляются обычно из порошкообразного карбида кремния. Применяются в основном для защиты от импульсных перенапряжений. Их включают параллельно защищаемой цепи после предохранителя.

ВАХ – симметричная, т.е. не зависит от полярности (рис. 9.2, а), и может быть выражена так:

I = kU^α,

где α – коэффициент нелинейности (от 3 до 30); для обычных линейных резисторов α = 1.

Варисторы практически безынерционны, изготавливаются в основном на напряжения 15 –. 1500 В и токи 0,1 мА – 1,5 А. Однако допускаемая амплитуда одиночных импульсов тока может достигать сотен и тысяч А.

Терморезисторы (термисторы) – это ПП резисторы, со­противление которых зависит от температуры. Наибольшее распро­странение получили термисторы с отрицательным ТКС. Изготавливаются они обычно из поликристаллических оксидных полупроводников, в частности окислов таких металлов, как никель, титан, цинк и др. В рабочем диапазоне зависимость сопротивления от температуры имеет вид

где – коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора, В – коэффициент температурной чувствительности (обычно 1200–16000 °К). Типичный вид зависимости R(T) – на рис. 9.2, б, кривая 1.

Основные параметры термисторов: номинальное (обычно при 20 °С) сопротивление, коэффициент температурной чувствительности В, допускаемая мощность рассеивания при номинальной и предельной температурах, диапазон рабочих температур и постоянная времени..

Термисторы обычно используются в качестве датчиков температуры, элементов термокомпенсации усилительных устройств и т. п. Обычный диапазон рабочих температур от минус 40° до 180°, постоянная времени – от 0,1 до 40 с.

Позисторы – это терморезисторы с положительным ТКС. Они изготавливаются из материалов, например титаната бария, которые в определенном, достаточно узком, диапазоне температур резко увеличивают свое сопротивление (рис. 9.2, б, кривая 2); служат для температурного контроля обмоток электрических машин, в системах пожарной сигнализации и т. п. На этом же рис. 9.2, б, кривая 3, приведена и характеристика платинового термометра сопротивления.

Фоторезисторы – это ПП резисторы на базе сульфида и селенида кадмия, сернистого свинца и других материалов, сопротивление которых довольно сильно зависит от освещенности рабочей поверхности.

Тензорезисторы – это ПП резисторы, сопротивление которых меняется при их растяжении или сжатии (деформации). Наиболее часто для этой цели помимо ПП применяют металлические тензометры, но у ПП значительно выше чувствительность, хотя хуже тем­пературная стабильность. Изготавливают тензорезисторы в основном из кристаллов кремния, легированного для создания электронной или дырочной проводимости. Применяются в качестве датчиков деформации деталей машин и механизмов.

Показать УГО регулировочных, подстроечных и нелинейных резисторов.

При выполнении КД в учебной работе в перечне элементов необходимо указать взятые из справочников и каталогов следующие минимальные данные: мощность, номинал, допуск. Например:

Резистор С2-23-0,25-1,2 кОм ±10 %.

Конденсаторы

Конденсатор (К.) – элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком и предназначенный для использования его электрической емкости.

Напомнить: емкость C = q/U. Емкость плоского К. (и не только плоского, но и любого, у которого обкладки – пластины одинакового размера, а расстояние много меньше этого размера)

где ε₀ = 8,85∙10^-12 Ф/м – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума); ε – относительная диэлектрическая проница­емость диэлектрика; S - площадь пластины, d – толщина диэлектрика.

Классификация конденсаторов

По характеру изменения емкости: – постоянной емкости, перемен­ной емкости, подстроечные. К. переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры – механически или электрическим напряжением (вариконды). Подстроечные изменяются только при регулировке.

По виду диэлектрика все К. делятся на группы: с органическим (бумага, пленки – полистирол, полипропилен, поликарбонат, фторопласт, лавсан) неорганическим (керамика, стекло, слюда), газообразным, оксидным диэлектриком.

По области применения К. различают:

– высоковольтные и низковольтные (условно; чаще всего разделяют до 1600 В и свыше) [высоковольтные редко используют в электронике, чаще в силовых цепях, для них важнейший параметр – удельная энергия или допустимая реактивная мощность];

– низкочастотные и высокочастотные; НЧ обычно до10 кГц без снижения режимов и до 100 кГц при существенном снижении амплитуды переменной составляющей напряжения, ВЧ до 107 Гц;

– помехоподавляющие К. предназначены для подавления индустриальных и ВЧ-помех, создаваемых промышленными и бытовыми приборами, РЭА, а также атмосферных помех. По конструкции бывают опорные и проходные. Имеют малую собственную индуктивность;

– нелинейные К. (вариконды).

Оксидные К. (другое название – электролитические) используют в качестве диэлектрика оксидный слой анода – металла, служащего одной обкладкой. Вторая обкладка – электролит. В зависимости от материала анода оксидные К. бывают алюминиевые, танталовые и ниобиевые. Имеют непревзойденное отношение емкости к объему. Являются полярными: эксплуатация возможна только при "+" не аноде.

Условные обозначения конденсаторов

первый элемент – буква: К – постоянной емкости, КП – переменной емкости, КТ – подстроечный.

Второй элемент – обозначение группы в зависимости от диэлектрика. Некоторые наиболее часто применяемые в электронике группы:

10 – керамика ниже 1600 В;

31 – слюдяные малой мощности;

40 – бумажные ниже 2 кВ;

50 – оксидные алюминиевые;

51 – танталовые, ниобиевые;

60 – воздушные;

7Х – пленочные (71 – полистирол, 72 – фторопласт, 73 – лавсан, …, 77 – поликарбонат, 78 - полипропилен).

Третий элемент – регистрационный номер типа. Может быть добавлена буква.

Эта система не распространяется на старые типы, которые обозначались произвольным сокращением описания различных признаков: конструктивных, технологических, эксплуатационных. Например: КД – конденсатор дисковый, КМ – керамический монолитный, МБГЧ – металлобумажный герметизированный частотный, ЭТО – электролитический танталовый объемно-пористый.

Основные параметры конденсаторов

Номинальная емкость и допуск. Для номинальных емкостей используются ряды от Е3 до Е192, но чаще всего до Е24. Допуски указывают в % от ± 1,1 до ± 30 (симметричные), но бывают и 0+50,
–10+100; –20+50; –20+80.

Номинальное напряжение. Обычно устанавливается с необходимым запасом по отношению к электрической прочности диэлектрика. Для многих К. допустимое напряжение нужно снижать по отношению к номинальному для переменного или импульсного напряжения высокой частоты. Номинальные напряжения берутся из стандартизованного ряда; для современных конденсаторов – из ряда предпочтительных чисел.

Стандартные ряды предпочтительных чисел (ГОСТ 8032-84) – это геометрические прогрессии со знаменателем q= , где степень корня n= 5, 10, 20, 40, 80, соответственно обозначаемые R5, R10, R20, R40, R80. Они связаны с именем француза Ренара, который первым предложил использовать для этих целей геометрическую прогрессию со знаменателем n=5. Каждый ряд содержит в каждом десятичном интервале соответственно 5, 10, 20 и 40 различных чисел. Более редкий ряд всегда является предпочтительным по отношению к более частому. Значения чаще всего используемых первых двух рядов: – R5: 1 – 1,6 – 2,5 – 4 – 6,3; – R10: 1 – 1,25 – 1,6 – 2 – 2,5 – 3,15 – 4 – 5 – 6,3 – 8.

Тангенс угла диэлектрических потерь – отношение активной мощности к реактивной при sin-напряжении определенной частоты: tgδ = P/Q. Для качественных керамических К. tgδ составляет 10^-3…10^-4; для пленочных типично 0,0015…0,008. Для электролитов малой емкости 0,15; большой емкости до 0,45.

Сопротивление изоляции (для К. с органическим и неорганическим диэлектриком, типично 10 – 1000 ГОм) и ток утечки (для оксидных К., сильно зависит от емкости и номинального напряжения; например, для массового современного отечественного К50-35 с U_ном до 100 В в справочнике указано: не более 0,02СU_н + 3 мкА; С в мкФ. Например: 100 мкФ 16 В Þ не более 35 мкА).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – относительное изменение емкости при изменении температуры на 1 °С. Керамические и ряд других К. делятся на группы ТКЕ: от П100 (100∙10^-6 1/°С) до М3300
(– 3300∙10^-6 1/°С). Для низкостабильных по Т° К. применяются группы от Н10 (±10%) до Н90 (±90%).

При записи К. в конструкторской документации указывают обозначение и все характеристики, необходимые для заказа. Например:

К10-7В-М47-27 пФ±10%;

К73-16-63 В-0,22 мкФ±20%;

К50-7а-250 В-100 мкФ.

УГО конденсаторов: