1. Дискретні електричні компоненти
1.1. Електричні дроти та кабелі
1.1.1. Основні відомості про електричні провідники
Загалом дроти та інші провідні матеріали виробляються з міді. Тільки в деяких випадках і для спеціальних цілей використовується срібло, алюміній, константан та інші провідникові матеріали. Опір є важливою властивістю провідників і його значення можна описати формулою:
R=ρ·
, (1.1)
де R - це опір; ρ – стала матеріалу, що називається питомим опором; L - довжина провідника; А - площа поверхні поперечного перерізу провідника.
Опір залежить від температури. Для металів ця залежність є майже лінійною та подається формулою:
RT=RTref+α(T-Tref)RTref, (1.2)
де RT - опір при температурі довкілля T; RTref - опір при певній зразковій температурі; T - температура провідника; Tref - значення певної зразкової температури; α - температурний коефіцієнт опору (ТКО).
Типові значення питомого опору ρ і температурного коефіцієнта опору α для кількох найчастіше вживаних металів подані в табл. 1.1.
Таблиця 1.1. - Значення питомого опору ρ і температурного коефіцієнта опору α для кількох найчастіше вживаних металів
Метал |
Питомий опір при 200 С, 10-6 Ом·м |
Температурний коефіцієнт опору, 10-3/0С |
Алюміній |
0,027 |
4,3 |
Золото |
0,022 |
4,0 |
Залізо |
0,105 |
6,6 |
Мідь |
0,0172 |
3,9 |
Нікель |
0,078 |
6,7 |
Срібло |
0,016 |
3,8 |
Константан |
0,50 |
+0,03 |
Чавун (литий під тиском) |
0,065 |
1,5 |
Сталь (0,85% С) |
0,18 |
- |
Власне через наявність опору виникають втрати потужності, що спричиняють виділення тепла і в результаті підвищення температури провідника. З метою уможливлення правильного вибору дротів з огляду на підвищення температури використовується параметр «густина струму» (S), тобто, струм/ площу перерізу провідника. Мідні дроти короткі або розміщені вільно можна навантажувати струмом густиною до 6-10 А/мм2. В потужних трансформаторах і електричних пристроях приймається типова густина струму 2,5 А/мм2, а для менш потужних трансформаторів 3-3,5 А/мм2. Для самостійних підрахунків діаметру дроту в залежності від струму і густини струму можна скористатись наступною формулою:
d=1,13
,
(1.3)
де d – діаметр дроту; І – струм, що протікає через дріт; S – допустиме значення густини струму.
На високих частотах електрони в основному пересуваються біля поверхні провідника, виникає так званий поверхневий ефект. При дуже високих частотах, що відповідають коротким VHF і ультракоротким хвилям UHF, використовуються дроти, котрі мають кращу поверхневу провідність (наприклад, посріблені). Також застосовуються дроти з більшою поверхнею, ніж це можна вирахувати з їх товщини - скрутки багатьох окремо ізольованих дротів.
Провідники зі струмом повинні бути ізольовані один від іншого, а також від металевих і заземлених елементів та матеріалів. Найчастіше використовуваним ізоляційним матеріалом є поліхлорвініл (PCW). Часто також зустрічається гума та гума EP, силіконова гума або неопрен. Ізоляція зі штучних виробів, таких як поліетилен (PE), поліпропілен (PP), поліуретан (PUR), поліамід (нейлон), флюоретен PTFE (названий фірмою Du Point - Teflon - тефлоном), FEP (тефлон FEP).
В трансформаторах, різних котушках і передавачах використовується емальовані дроти. Вирізняється кілька температурних класів емалевих ізоляцій. Дуже вигідно використовувати дроти з емаллю, що топиться під час лютування, але в трансформаторах і магнітах, котрі виробляють багато тепла, повинні застосовуватись провідники стійкі до високої температури, тому перед лютуванням лак повинен бути зішкрябаний.
У концентричних кабелях для ізоляції між кабелем та екраном, застосовується, зазвичай, литий або спінений поліетилен, натомість для зовнішньої ізоляції використовується, зазвичай, поліхлорвініл. У мініатюрних і спеціальних кабелях із низькими втратами, застосовується матеріал тефлон PTFE для ізоляції між внутрішнім і зовнішнім дротом. Основним параметром концентричного кабелю є хвильовий імпеданс, котрий характеризує його властивості на високих частотах. Екран захищає від випромінення електромагнітного поля і впливу перешкод. При нижчих частотах він становить тільки електростатичне екранування.
З метою збільшення стійкості до перешкод використовують біфілярний кабель – скручені пари дротів. Кабелі до акустичних застосувань виготовляються в такий спосіб, що обидва дроти оточені екранувальним переплетінням. Під переплетіння інколи дають металеву плівку, котра слугує як додаткове екранування. Таким чином, він називається подвійно екранованим. Для спеціальних призначень виконуються також багатожильні кабелі, дроти яких екрановані парами.
Світловоди можуть переносити світло від світловипромінювального діода або лазера до світлочутливого детектора. Принцип дії світловоду наступний: вхідний промінь скерований під малим кутом до осі кабелю, оскільки зовнішній шар світловоду має вищий коефіцієнт заломлення світла, ніж оточуючий його шар, настає цілковите внутрішнє відбиття в напрямку до середини світловоду.
Світловоди зі скляного волокна мають дуже низьке послаблення, не більше 1 дБ на км. Послаблення у пластикових волокнах є значно вищим, але цей вид світловодів є дуже дешевою альтернативою при коротких відстанях не більших від 100 м, наприклад, у фабричному будинку. Пластикові волокна є дешевими і простими у монтажі на відміну від скляних волокон, котрі вимагають спеціальних складних з’єднань. Пластикове волокно має зазвичай серцевину діаметром 5-10 мкм.