Razdel_2_Konspekta_lektsiy_po_EiEKUiS

Тонкопленочные катушки индуктивности имеют ограниченный частотный диапазон (10-100 МГц).

Поэтому тонкопленочные катушки обычно имеют на площади 1 см2 число витков не более 10 и выполняются в виде круглой или квадратной спирали (рисунок 7а,б). Индуктивность таких катушек определяют по формулам:

L= 24,75 Dcp N 5/3 lgDср·10-3/t L= 55,5 N 5/3 lg8a·10-3/t'

где Dср = (Dн +Dв)/2 – средний диаметр спирали, см; a= (Aн +Aв)/2 – средняя длина стороны квадрата, см;

t = (Dн +Dв)/2 и t'= (Aн +Aв)/2 – радиальная ширина намотки, см.

Тонкопленочные катушки обладают низкой добротностью (Q = 20 ÷ 30) и поэтому используются только в тех случаях, когда другие варианты технически невозможны.

Рисунок 7а,б – Тонкопленочные катушки индуктивности: a – круглая;

б – квадратная;

Дроссели

Дроссель электрический – катушка индуктивности, включаемая в электрическую цепь последовательно с нагрузкой для устранения (подавления) или ограничения переменной составляющей тока различной частоты. Реактивное сопротивление

XL = 2πfL = wL

где f – частота;

w – циклическая частота; L – индуктивность;

Дроссели обычно имеют сердечник (электротехническая сталь). Применяются преимущественно в электрических фильтрах.

Дроссель высокой частоты – это катушка индуктивности, включаемая в цепь тока высокой частоты для увеличения ее сопротивления. При этом значение постоянного тока или тока низкой частоты не изменяется. Дроссели применяются в цепях фильтрации питания усилителей высокой частоты. Для повышения заградительных свойств дроссель должен обладать значительной по сравнению с контурной катушкой индуктивностью и весьма малой емкостью. Резонансная частота дросселя должна быть гораздо больше частоты выделяемого в контуре рабочего сигнала. В этом случае при индуктивности порядка сотен микрогенри дроссель должен быть эффективен в развязывающих цепях контуров УВЧ. Конструктивно дроссели высокой частоты выполняют намоткой на любой каркас, например, на основания непроволочных резисторов, в виде однослойных сплошных катушек либо катушек типа "универсаль". Дроссели, выпускаемые промышленностью, намотаны на ферритовые стержни и опрессованы пластмассой, их индуктивность сотни микрогенри –единицы миллигенри.

Низкочастотные дроссели

Низкочастотные дроссели, в большинстве случаев предназначенные для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения в телевизорах, радиоприемниках, передатчиках и других устройствах, входят в состав сглаживающих и низкочастотных LC-фильтров. Сопротивление дросселя постоянному току весьма мало и равно омическому сопротивлению провода обмотки. Сопротивление дросселя переменному току

Z = 2πfL

(где f – частота питающей сети 50 или 400 Гц или пульсаций 100 или 800;

L – индуктивность дросселя в Гн) составляет несколько единиц – десятков кOм и зависит от требуемого уровня допустимых пульсаций.

В управляемых дросселях, наоборот, используется свойство магнитного материала изменять свое сопротивление переменному току при изменении рабочей точки магнитной характеристики.

ПРИМЕНЕНИЕ ДИСКРЕТНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ, РЕЗИСТОРОВ

ИКАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ В РЭА

Втот период, когда радиоэлектронная аппаратура строилась на базе ламп и дискретных транзисторов, о шовными пассивными элементами, с использованием которых формировались блоки РЭА, обладающие различными свойствами и осуществляющие сложные преобразования над сигналами, были дискретные конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы. В аппаратуре их было примерно в 10 раз больше, чем активных элементов - электровакуумных приборов и транзисторов. Другими словами, по количеству они были основными элементам г РЭА.

Выпуск конденсаторов и резисторов был сосредоточен на специализированных предприятиях и осуществлялся в условиях массового и крупносерийного производства. Эти элементы выпускались с широкими диапазонами емкостей — от единиц пикофарад до сотен микрофарад и сопротивлений — от единиц Ом до сотен мегом, были рассчитаны па разные рабочие напряжения, мощности и имели различные характеристики по стабильности и точности. Катушки индуктивности конструировались и

.выпускались непосредственно на аппаратостроительных заводах 8 основном для фильтров и контуров, где они применялись совместно с конденсаторами. Стоимость этих элементов была невысока.

Проблемы применения конденсаторов, катушек индуктивности к резисторов РЭА были связаны с их креплением, установкой, электрическим соединением габаритами стабильностью, точностью и надежностью. Было создано и реализовано множество вариантов их герметизации и защиты от внешних воздействий. Если 10 электрическим параметрам они удовлетворяли потребностям промышленности того времени, то трудоемкость производства аппаратуры, большая масса и низкая надежность являлись существенными недостатками этих элементов, так как их применение предусматривало значительное количество ручных сборочных операций. Усилия, направленные на автоматизацию сборочных работ и

использование бескорпусных элементов с последующей защитой от внешних воздействий сборочных единиц более высокого иерархического уровня, позволили несколько снизить трудоемкость изготовления и массогабаритные характеристики.

Как неоднократно подчеркивалось, революцию в элементной базе и в конструировании РЭА вызвала микроэлектроника. Полупроводниковая электроника пошла по пути совместного формирования резистивных и активных элементов в одном кристалле, а также емкостных элементов, но с существенным ограничением по емкости и сопротивлению, их стабильности и потерям.

Гибридные микросхемы позволили формировать пленочные резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности в широком диапазоне сопротивлений, емкостей и индуктивностей, что значительно уменьши; о

потребность в дискретных электрорадиоэлементах (ЭРЭ). Однако анализ наиболее современных конструкций РЭА на основе БИС и устройств функциональной электроники показал, что в определенных условиях дискретные конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы необходимы в аппаратуре и ''не могут быть заменены. Из анализа производства этих элементов известно, что количество выпускаемых резисторов не уменьшается и по прогнозам сохранится на ближайшие 5—10 лет, а выпуск конденсаторов значительно возрастает: примерно в 2—3 р а з а за каждые 5 лет. Особенно будет увеличиваться выпуск микроконденсаторов, а также и электролитических алюминиевых конденсаторов. Следует отметить также и качественное развитие этих элементов. Их параметры и характеристики существенно улучшаются, повышаются стабильность, точность и надежность, уменьшаются масса, габариты и т. д. По изложенным причинам конструктор РЭА и в будущем будет сталкиваться с необходимостью применения дискретных конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов. Следовательно, он должен иметь представление о свойствах и возможностях конденсаторов и резисторов и обеспечивать их правильный выбор в конструкциях РЭА, а в отношении катушек индуктивности — уметь их конструировать.

Применять дискретные конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы необходимо в следующих случаях:

1)при создании конденсаторов большой емкости, более 1000 пФ, что важно для цепей и фильтров питания;

2)при использовании конденсаторов и резисторов с высокой точностью, стабильностью параметров и малыми потерями, что необходимо для фильтров, контуров, а также усилителей, генераторов сигналов специальной формы и фильтров, построенных на операционных усилителях, когда основные их свойства определяются качеством дискретных конденсаторов I резисторов (важная роль конденсаторов и резисторов и требования к их параметрам в электрических и активных НС-фильтрах будут рассмотрены в гл. 5);

3)при использовании конденсаторов переменной емкости с механическим и электрическим управлением емкости;

4)при применении резисторов на большие мощности, более 0,1 . . . 0,25 Вт;

5)при создании электрических фильтров с фиксированной настройкой и электрических линий задержки, когда требуются малогабаритные катушки индуктивности в широком интервале значений индуктивности и при высоких требованиях к потерям (добротности) и стабильности;

6)при создании электрических высокочастотных перестраиваемых контуров, где требуются катушки индуктивности в широком интервале значений индуктивности и с высокими требованиями к стабильности;

7)при создании высокочастотных дросселей.

По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянной и переменной емкости, когда емкость должна существенно изменяться в процессе функционирования РЭА. Различают конденсаторы с механически и электрически управляемой емкостью. Существуют также подстроечные конденсаторы, у которых емкость изменяется при регулировке аппаратуры, и специальные, у которых емкость изменяется по определенному закону при

действии различных внешних воздействий (температуры, механических усилий и т. д.).

В зависимости от материала диэлектрика различают вакуумные, воздушные, с твердым неорганическим диэлектриком (слюдяные, керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, пленочные), с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные) и электролитические (танталовые, алюминиевые) конденсаторы. Основными электрическими параметрами конденсатора являются емкость С и рабочее напряжение Uр. Конденсатор как законченное устройство обладает рядом паразитных параметров

К числу их следует отнести индуктивность LС, сопротивление изоляции Rиз, сопротивление потерь Rп, емкость между выводами конденсатора и корпусом С3.

Схема замещения конденсатора, учитывающая основные и паразитные параметры, дана на рисунке. Паразитная индуктивность конденсатора LС определяется конструкцией, размерами обкладок и ограничивает их применение на высокой частоте.

Сопротивление потерь Rп определяется тем, что под действием переменного

поля происходит изменение состояния (поляризация) диэлектрика, на которое затрачивается мощность. Это сопротивление зависит от частоты. Для количественной оценки потерь используется понятие тангенса угла потерь:

tg RП C , где - частота; С – емкость конденсатора. Или применяют понятие добротности конденсатора:

Большое значение имеют такие параметры конденсаторов как точность и стабильность при наличии внешних воздействий. По точности или отклонению емкости от номинального значения конденсаторы разделяются на классы (см. таблицу).

В некоторых типах конденсаторах, например с керамическим диэлектриком, имеется возможность управлять стабильностью при действии температуры. Тогда конденсаторы классифицируются также по ТКЕ, который определяется по формуле:

температура.

Керамические конденсаторы разделяются на 16 групп по ТКЕ, имеющим значение от

( 2200 500300) *10 6 до ( 120 30) *10 6 .

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения:

изготовления.

Параметры конденсаторов приводятся в ТУ и ГОСТах. Выбор типа конденсатора в каждом конкретном случае должен осуществляться с учетом как его электрических параметров, так и конструктивных особенностей и стоимости.

Физические процессы, происходящие при длительном функционировании конденсаторов. Основным факторами, определяющими изменение параметров конденсаторов, а также их отказы, являются электрический режим, температура, влажность и время работы.

При номинальном рабочем напряжении Uр.ном конденсатор должен работать длительное время (до 5000 … 20000 ч); Электрический пробой возникает при кратковременном приложении

высокого напряжении, когда свободные электроны, имеющиеся в диэлектрике, приобретают больше скорости и число их лавинообразно растет.

Ионизационный пробой происходит из-за наличия остаточных воздушных включений в порах диэлектрика или в прослойках между диэлектриком и