Тема: Пассивные элементы электронных устройств Министерство образования и науки РФ Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева Филиал КГТУ им.А.Н.Туполева г.Зеленодольск Дополнительные материалы к лекциям по дисциплине: Электроника ТЕТРАДЬ № 1 Составитель: проф. каф. ПИИС А.А. Порунов Казань 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Раздел 1. Элементная база электронных устройств………………………………………….

1.1. Пассивные элементы электронных устройств……………………….....................

1.1.1. Резисторы, назначение и классификация. Характеристики основных ………………

типов резисторов, основные параметры и характеристики. Особенности

выбора и применение резисторов.

Резисторные сборки………………………………………………………………………….

Потенциометры, назначения, параметры и характеристики……………………………….

1.1.2. Конденсаторы, назначения и классификация. Характеристики основных типов

конденсаторов. Параметры и характеристики конденсаторов. Особенности выбора

и применения конденсаторов………………………………………………………………..

1.1.3. Дроссели (катушки). Типы дросселей и их назначения, параметры и характеристики. Особенности выбора и применения.

1.1.4.Трансформаторы. Типы трансформаторов, их параметры, характеристики и режимы работы. Особенности выбора и применения.

1.1.5.Элементы коммутации (ЭК) цепей электронных устройств и их назначения. Виды ЭК, параметры и характеристики. Особенности выбора и применения.

1.1.6. Соединительные провода и кабели. Виды, параметры. Особенности выбора и применения.

1.1.7. Установочные элементы и арматура крепления электронных компонент.

1.1.8. Элементы экранирования и защиты ЭУ от воздействия ЭМ и других возмущений.

1.1.9. Элементы стабилизации типового режима работы ЭК и ЭУ.

1.2. Активные элементы электронных устройств

1.2.1. Полупроводники и их свойства. Основные положения

зонной теории электропроводности………………………………………………………..

Раздел 1. Элементная база электронных устройств

1.1.Пассивные элементы электронных устройств

1.1.1.Резисторы, назначение и классификация. Характеристики основных типов резисторов, основные параметры и характеристики Особенности выбора и применение резисторов.

Резисторы предназначены для поглощения энергии тока протекающего по цепи, и широко используются в элементах ЭВМ (в большинстве схем они составляют до 80% всех компонентов). Выпускаются резисторы постоянные и переменные.

По конструкции токонесущей части различаю объемные, проволочные, полупроводниковые резисторы, а по назначению - общего (коллекторные, базовые цепи и т.д.) специального (измерительные, высокочастотные и др.)

Выпускаются также резисторы, величина которых в зависимости от приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещенности (фоторезисторы).

В настоящее время наиболее часто используется следующая классификация резисторов

Общая классификация (рис.1, а) составлена по ряду признаков, присущих многим изделиям электронной техники: по назначению, спо­собу монтажа, способу защиты и т. п. В основу конкретной классифи­кации (рис.1, б) положен материал резистивного (токопроводящего) элемента.

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

Резисторы общего назначения используются в качестве различных нагрузок, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильт­ров, шунтов, в цепях формирования импульсов и т. п. Диапазон номи­нальных сопротивлений этих резисторов 1Ом - 10 МОм, поминаль­ные мощности рассеяния 0,62-100 Вт. Допускаемые отклонения сопро­тивления от номинального значения ±1; ±2; ±5; ±10; ±20%.

Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются высокой стабильностью параметров при эксплуатации и большой точностью изго­товления {допуск от 4=0,0005 до 0,5%). Применяются они в основном в измерительных приборах, в различных счетно-решающих устройствах, вычислительной технике и системах автоматики. Диапазон их номи­нальных сопротивлений в ряде случаев шире, чем резисторов общего назначения. Например, в качестве шунтов используют резисторы с но­минальным сопротивлением менее 1 Ом, а в эталонных катушках и магазинах сопротивлений применяют резисторы с номинальным сопротивлением до сотен гигаом. Зато мощности рассеяния их сравнительно небольшие и, как правило, не превышают 2 Вт. Объясняется это высо­кими требованиями к стабильности, которые трудно выполнить при боль­ших мощностях рассеяния.

Высокочастотные резисторы (резисторы с «подавленной» реактив­ностью) отличаются малыми собственной индуктивностью и емкостью, предназначены для работы в высокочастотных цепях, кабелях и волно­водах радиоэлектронной аппаратуры в качестве согласующих нагрузок, аттенюаторов, направленных ответвителей, эквивалентов антенн и т. п. Непроволочные высокочастотные резисторы способны работать па час­тотах до сотен мегагерц и более, а высокочастотные проволочные - до сотен килогерц.

Высоковольтные резисторы рассчитаны на большие рабочие напря­жения (от единиц до десятков киловольт). Применяются они в каче­стве делителей напряжения, искрогасителей, поглотителей, в зарядных и разрядных высоковольтных цепях и т. п.

Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных сопро­тивлений от десятков мегаом до единиц тераом и рассчитываются на небольшие рабочие напряжения (100—400 В). Поэтому они работают в ненагруженном режиме и мощности рассеяния их малы (менее 0,5 Вт). Высокомегаомные резисторы применяют в электрических цепях с малы­ми токами, в приборах ночного видения, дозиметрах и в измерительной аппаратуре.

Рис.1. Классификационные схемы резисторов (а-общая классификация;

б-классификация резисторов по материалу резистивного элемента)

В зависимости от способа монтажа в аппаратуре как постоянные, так и переменные резисторы могут выполняться для печатного и на­весного монтажа, а также для микромодулей и микросхем или для сопряжения с ними. Выводы резисторов для навесного монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные из проволоки круглого сечения или ленты в виде лепестков и т. п. У резисторов, применяемых в составе микросхем и микромодулей, а также СВЧ рези­сторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности.

В зависимости от способа защиты от внешних воздействующих фак­торов резисторы конструктивно выполняются: изолированными, неизоли­рованными, герметизированными и вакуумными.

Неизолированные резисторы (с покрытием или без покрытия) не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Напротив, изо­лированные резисторы имеют достаточно хорошее изоляционное покры­тие (лаки, компаунды, пластмассы и т. п.) и допускают касания кор­пусом шасси или токоведущих частей аппаратуры.

Герметизированные резисторы имеют герметичную конструкцию кор­пуса, которая исключает возможность влияния окружающей среды на его внутреннее пространство. Герметизация осуществляется с помощью керамических пли металлических корпусов, а также с помощью опрессовки специальным компаундом.

У вакуумных резисторов резистивный элемент с основанием поме­щается в стеклянную вакуумную колбу. По существу это разновидность герметизированного резистора.

Иногда резисторы разделяют на защищенные и незащищенные. Защищенные допускают эксплуатацию в условия повышенной влажности а аппаратуре любого конструктивного исполнения, незащищенные - только а составе герметизированной аппаратуры или в корпусах мик­росхем.

По характеру изменения сопротивления все резисторы подразделя­ются на постоянные к переменные. Последние, в свою очередь, делятся на построечные и регулировочные.

У постоянных резисторов сопротивление является фиксированным и в процессе эксплуатации не регулируется. Переменные регулировочные резисторы допускают изменение сопротивления в процессе их функцио­нирования в аппаратуре. Сопротивление подстроечных резисторов изме­няется при разовой или периодической регулировке в не изменяется в процессе функционирования аппаратуры.

Переменные резисторы по конструкции могут быть выполнены:

– одноэлементными и многоэлементными (сдвоенные, строенные и счетверенные);

– с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта;

– однооборотными и многооборотными;

– с выключателем и без выключателя;

Постоянные резисторы. Рассмотрим основные параметры, характеризующие постоянные резисторы.

Номинальная величина и класс точности, номинальная величина резисторов выбирается из определенного ряда чисел (шкалы номинальных значений), установленного ГОСТ 2825—67 и приведенного в табл.1.

Резисторы типа ВС изготовляются с номинальными значениями от 27 ом до 10 Мом., а типа УЛМ - от 10 ом до 1 Мом. Величина отклонения фактического значения сопротивления резистора от номинального определяется классами точности, которым соответст­вует стандартный ряд: ±1; ±2; ±5; ±10; ±20% и т. д., ГОСТ 9664-61.

Наибольшее распространение получили резисторы следующих классов; I (допустимое отклонение ±5%); II (допустимое откло­нение ±10%); Ш (допустимое отклонение ±20%).

Для специальных схем выпускаются резисторы прецизионные и измерительные с точностью до долей процента, однако, на их ве­личины и класс точности стандарт не распространяется.

Резисторы характеризуются определенными параметрами.

Номинальная мощность. Под номинальной мощностью понимают такую мощность, которую резистор может рассеять в ок­ружающее пространство, сохраняя параметры в заранее установ­ленных пределах. Если резистор включен в цепь, где подводимая мощность больше номинальной, то он перегревается или сгорает совсем.

Величины номинальных мощностей резисторов зависят от типов последних и определяются следующим стандартным рядом.

Таблица 1.

Величины номинальных мощностей резисторов зависят от типов последних и определяются следующим стандартным рядом (ГОСТ 9663-61): 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 30; 50; 100 вт и т. д. (выпус­каются также резисторы (УЛМ) на 0,12 вт и резисторы МТ и ТВО на 0,125 вт).

Величина мощности (вт), подводи­мой к резистору,

,

где I, U - соответственно действую­щее (эффективное) значение тока (а) и напряжения (в) для заданной им­пульсной последовательности.

Так как в общем случае за пери­од Т действующее значение тока

,

то для синусоидального тока

,

где l_m — амплитудное значение тока.

Для последовательности прямо­угольных импульсов с постоянным смещением I₀ (рис.2), ток

Рис.2. Последовательность прямоугольных импульсов с постоянным смещением

Для импульсной последовательности треугольной формы (рис.3)

Таким образом, при расчете подводимой мощности к резистору необходимо пользоваться действующими значениями тока и напря­жения, зависящими от параметров (период, форма) подводимой серии сигналов.

Рис.3. Импульсная последовательность треугольной формы

Электрическая прочность. Электрическая прочность резистора характеризуется опреде­ленным допустимым напряжением, при котором резистор может дли­тельное время эксплуатироваться, сохраняя свои параметры в допуске. Зависит электрическая проч­ность от типа резистора, номинальной мощности рассеяния, температуры окружающей среды, режима работы и др. В табл.2 приведена зависимость электрической прочности некоторых типов резисторов от приложенного напряже­ния. Если приложенное напряжение окажется больше допустимого, то начинается дуговой разряд, резистор выгорает или пробивается по поверхности.

Таблица 2.

Стабильность. Стабильность резистора характеризуется изменением величины его сопротивления под влиянием темпера­туры, влажности, времени и др. Учитывается стабильность коэффициентами старения, температурным и др.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС),

%/град, резистора

,

где ΔR - алгебраическая разность сопротивлений резистора при температурах предельной положительной (отрицательной) и 25±10° С; Δt - алгебраическая разность температур предельной по­ложительной (отрицательной) и 25±10°С; R -сопротивление ре­зистора при температуре 25°С.

Значение ТКС резисторов, например МЛТ и ОМЛТ, равно 0,12 %/град.

Собственная (паразитная) индуктивность и ем­кость.

Собственную (паразитную) индуктивность и емкость резистора определяют конструкция его токонесущей части и выводы. Нали­чие паразитных индуктивности и емкости приводит к возникнове­нию зависимости сопротивления резистора от частоты, которая про­является в шунтировании резистора на 'высокой частоте, появлении паразитных фазовых сдвигов, изменении коэффициента передачи резисторных делителей и др. В связи с этим каждый тип резисто­ров имеет свои критические частоты.

Для резисторов типа ВС критическая частота, Гц,

Следовательно, в высокочастотных электронных схемах следует применять специальные высокочастотные резисторы, например ре­зисторы типа УНУ.

Уровень собственных шумов. Шум — это переменная э.д.с, возникающая при протекании тока через резистор. Источни­ком шума являются тепловые флюктуации электронов, а также из­менение контактов между отдельными частицами, из которых со­стоит токопроводящий слой.

Шум характеризуется коэффициентом шума, мкв/в:

,

где U_m- максимальное напряжение шума; U - напряжение, при котором производится измерение, в.

Примерный диапазон значений К_т для непроволочных посто­янных резисторов лежит в пределах от 1 до 0 мкв/в.

К другим не менее важным параметрам резисторов - относятся: срок службы (от 5000 до 10000ч), габариты, вес, допустимые кли­матические воздействия (температура, влажность, давление), ме­ханические перегрузки и пр.

Постоянные резисторы в зависимости от конструкции токонесу­щей части бывают нескольких видов.

Поверхностные резисторы. Название (обозначение) поверхностного резистора кодируется тремя буквами: первая опре­деляет вид проводника (например, М—металлизированные, У — углеродистые, К — композиционные); вторая характеризует вид за­щитного покрытия (например, Л-лакированные, Г—герметичные.

Таблица 3.

Терморезисторы (термисторы). Терморезисторы предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего и переменного то­ков, для измерения и регулировки температуры, а также для темпе­ратурной компенсации компонентов электрической цепи с положи­тельным температурным коэффициентом.

Терморезистор КМТ, ГОСТ 10688—63, имеет следующие харак­теристики: интервал рабочих температур, для КМТ-1 от —60 до + 180°С, для КМТ-4 и КМТ-12 от -60 до + 125°С; номинальные сопротивления для КМТ-1, КМТ-4, 8 от 100 ом до 1 Мом; для KMT-I4 от 510 ом до 7,5 Мом; допустимое отклонение действитель­ной величины сопротивления от номинальной ±20%. Терморезисторы ММТ, ГОСТ 10688—63, имеют следующие характеристики: ин­тервал рабочих температур для ММТ-1; ММТ-4, ММТ-9; ММТ-13; ММТ-15 от -60 до -И25°С, для ММТ-8 от -40 до +70° С: номи­нальная величина сопротивления для ММТ-1; ММТ-4; ММТ-8; ММТ-9; ММТ-13 от 1 ом до 220 ком, для ММТ-15 от 9 ом до 102 ом\ допустимое отклонение действительной величины от номи­нальной ±20%.

Фоторезисторы. Фоторезисторы предназначаются для работы в цепях постоянного и переменного токов и изготовляются из сер­нистого свинца (ФСА), сернистого кадмия (ФСК), селенистого кадмия (ФСД).

Фотореэисторы СФ2-1, СФ2-2, ХФЗ-1; ТУ УБ4.681.128 ГКЭТ, 1964 г. имеют следующие характеристики: интервалы рабочих тем­ператур для СФ2-1; СФЗ-l от -60 х; +85°С, для СФ2 от -40 д©

+ 50° С; рабочее напряжение для СФ2-1 15 в; световой ток 500 мка. темновой ток 1,0 мка; темновое сопротивление 15 Мом; вес 0,5 г.

Перед конструированием элементов ЦВМ резисторы, входящие в схемы, следует подбирать и проверять, что позволит отбраковать негодные и недостаточно надежные резисторы.