1.3 Основные виды пассивных электронных компонентов.

РЕЗИСТОРЫ

Наверное, резисторы — это самые широко используемые компоненты электронных схем. В соответствии с законом Ома их сопротивление можно записать как:

Сопротивление [Ом] = напряжение [В] / ток [А].

Номиналы резисторов, выпускаемых в настоящее время, лежат в диапазоне от долей Ома до десятков мегаОм. При протекании тока через резистор мощность выделяется в форме тепла и равна I²R ватт. Температура резистора возрастает до тех пор, пока излученное тепло не станет равным теплу, поглощенному окружающей средой. Возрастание температуры определяется максимальной мощностью, которая может быть рассеяна резистором.

Высокая температурная устойчивость достигается при следующей конструкции резисторов. На диэлектрическую подложку, чаще всего стеклянную, наносится тонкая пленка, которая может быть угольной или из других резистивных материалов, таких как тугоплавкие металлы и оксиды металлов. Величина сопротивления задается при помощи спиральных вырезов, формируемых вдоль тела резистора (такие резисторы называют тонкопленочными). Надежный контроль над производством позволяет использовать их в устройствах, требующих большой точности.

Для устройств, где требуется высокий показатель рассеиваемой мощности, используют проволочные резисторы. Они состоят из тонкой проволоки необходимой длины, намотанной на основание, а затем покрытой защитной стекловидной эмалью. При такой конструкции резистору неизбежно будет свойственна высокая индуктивность. Она может быть уменьшена при использовании неиндуктивных бифилярных (т.е. скрученных в виде двойной спирали) намоток, но полностью устранить ее не удается. При установке на печатные платы резисторов большой мощности необходимо принимать меры предосторожности: обдувать потоком воздуха для охлаждения и предохранять соседние компоненты схемы от воздействия достаточно высоких температур.

Резисторам присуще свойство генерировать достаточно большой шум; неупорядоченное движение электронов в резисторах приводит к небольшим изменениям напряжения, которые проявляются как высокочастотное «шипение» в звуковых системах или как дрожание (размывание контура) видеосигнала. Амплитуда шумового сигнала зависит от температуры, напряжения и тока, а также от конструкции резистора.

Для маркировки резисторов используют либо цветовой код, отображающий величину сопротивления и допустимое отклонение, либо кодировку в соответствии со стандартом ВS 1852. В таблице 1.1 приведена расшифровка цветового кодирования резисторов и конденсаторов, а маркировка по стандарту ВS 1852 приведена далее.

Следует иметь в виду, что соседние полосы одинаковою цвета могут быть не разделены между собой.

Рекомендуемые номиналы:

последовательность Е 12;

1.0	1.2	1.5	1.8	2.2	2.7
3.3	3.9	4.7	5.6	6.8	8.2

или последовательность Е 24

1.0	1.1	1.2	1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2	2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9	4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8	7.5	8.2	9.1

Таблица 1.1.

	Полоса А	Полоса В	Полоса C	Полоса D	Полоса E
Цвет	Старшая цифра номинала	Вторая цифра	Множитель	Точность	ТКС ррм/°С
Чёрный	0	0	1
Коричневый	1	1	10	±1%	100
Красный	2	2	100	±2%	50
Оранжевый	3	3	1000		15
Желтый	4	4	10000		25
Зеленый	5	5	100000	±0.5%
Голубой	6	6	1000000	±0.25%	10
Фиолетовый	7	7	10000000	±0.1%	5
Серый	8	8	108	±0.05%	1
Белый	9	9	109
Серебристый	—	—	0.01	±5%
Золотистый	—	—	0.1	±10%

ЦВЕТОВОЕ И БУКВЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ (СТАНДАРТ В8 1852)

Номиналы резисторов обозначают следующим образом:

Номинал	Обозначение на корпусе	Номинал	Обозначение на корпусе
0.47 Ом	R47 или E47	100 Ом	100
1 Ом	1R0 или 1E0	1 кОм	1К0
4.7 Ом	4R7 или 4E7	10 кОм	10К
47 Ом	47	10 МОм	10М

Буквы, следующие за обозначением номинала, указывают допустимое отклонение:

F = ±1%; G = ±2%; J = ±5%; К = ±10%; М =±20%; Например: R33J = 0.33 Ом ±5%; 6К8К = 6.8 кОм ±10%.

В настоящее время на большей части конденсаторов и планарных резисторах используется чисто цифровая маркировка. В этом случае последняя цифра маркировки указывает, на какую степень 10 надо умножить число образованное первыми двумя (или тремя для точных элементов) цифрами. Номинал получится в Ом для резисторов и пФ для конденсаторов. Например: резистор 1001- точный 100*10¹ = 1000 Ом, конденсатор 104 – 10*10⁴ = 100 000 пФ = 0,1 мкФ.

Конденсаторы.

Емкость конденсатора определяется уравнением:

C = , где Q – заряд накопленный на конденсаторе;

U – напряжение на нём.

Энергия накопленная в конденсаторе Е = СU²/2.

Конструкция простого конденсатора с параллельными пластинами показана на Рис. 1.1а.

Ё мкость такого конденсатора С = ,

где: А — площадь пластин конденсатора;

ε — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами;

d — расстояние между пластинами.

В большинстве случаев конденсаторы с плоскими параллельными пластинами не годятся для практического применения. Например, емкость двух пластин площадью 100 см², расстояние между которыми 1 мм, составит около 80 пФ. Большей емкости можно достичь увеличением площади пластины А и диэлектрической проницаемости ε или уменьшением расстояния между пластинами d.

Однако конденсаторы должны работать при достаточно больших напряжениях, и эти противоречивые требования (большое напряжение и малое расстояние d) ставят перед производителями электронных компонентов непростые задачи.

Ч аще всего реальные конденсаторы конструируют, используя металлическую фольгу и материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, такие как слюда или керамика. Конструкция такого конденсатора показана на Рис. 1.1б.

Современным методом производства конденсаторов является напыление металлических пленок на диэлектрик. Конденсаторы такой конструкции (известные как серебряно-слюдяные и керамические) достаточно стабильны и имеют неплохие характеристики. Их емкость лежит в пределах от нескольких пФ до приблизительно 5000 пФ для слюдяных и единиц микрофарад для керамических конденсаторов.

Более высокая емкость достигается при попеременном расположении слоев фольги и бумаги. Существует множество разновидностей фольговых конденсаторов, где в качестве диэлектрика используются различные материалы, например полиэфирные и поликарбонатные пленки.

Чтобы получить еще большую емкость, необходимо еще больше сократить расстояние между пластинами. Этого можно добиться, погрузив металлическую пластину в электролит. В этом случае диэлектриком между «пластинами» (металлом и электролитом) будет тонкая оксидная пленка. Конструкция металл/оксид/электролит имеет свойства конденсатора, а исключительно тонкий слой оксида (обычно 10^-4 мм) обеспечивает высокую емкость.

Дальнейшего увеличения емкости можно добиться с помощью травления металлической пластины. Эта процедура придаст шероховатость поверхности, и, таким образом, площадь поверхности увеличивается. На основе идеи электролитического конденсатора возникло множество типов конструкций, в последней из которых используется тантал. Диэлектрическая проницаемость оксида тантала чрезвычайно высока, поэтому небольшие танталовые электролитические конденсаторы имеют высокую стабильность и очень малый ток утечки. Однако их диапазон рабочего напряжения невелик по сравнению с другими электролитическими конденсаторами и составляет обычно 10...20 В.

На каждый вывод электролитических конденсаторов всегда подается напряжение только определенной полярности. Если полярность напряжения будет изменена, то диэлектрическая оксидная пленка разрушится, и в электролите может образоваться газ, который создаст избыточное внутреннее давление, что может привести к разрушению корпуса конденсатора. Поэтому при монтаже очень важно убедиться в том, что электролитические конденсаторы установлены в соответствии с указанной полярностью.

Вообще электролитические конденсаторы далеко не самые лучшие. К их недостаткам, по сравнению с обычными конденсаторами, относятся низкий коэффициент мощности, большие утечки и довольно высокая цена. Вдобавок их срок службы достаточно мал. и они имеют склонность высыхать при высоких температурах окружающей среды. Следовательно, электролитические конденсаторы стоит применять только в тех случаях, когда использование конденсаторов другого типа не представляется возможным.

Для всех типов конденсаторов определяют максимально допустимое рабочее напряжение. Его значения лежат в диапазоне от нескольких вольт (для танталовых электролитических) до нескольких киловольт (для специальных бумажных). Поэтому для схемы, куда устанавливается конденсатор, должно быть определено пиковое (не среднеквадратическое) значение напряжения, которое может возникнуть во время работы (включая переходные процессы), и в соответствии с ним следует подобрать конденсатор.

Для резонансных индуктивно-емкостных генераторов требуются конденсаторы переменной емкости. Емкость таких конденсаторов изменяется регулировкой площади пластин А, расстояния между пластинами d или диэлектрической проницаемости С в соответствии с уравнением, приведенным выше. В конденсаторах переменной емкости с изменяемой площадью пластин в качестве диэлектрика служит воздух, а площадь изменяется регулировкой относительного углового положения двух пластинчатых обкладок. Изменение емкости у всех переменных конденсаторов мало и обычно не превышает нескольких сот пикофарад.

Катушки индуктивности.

Традиционно катушки индуктивности применяются в качестве составной части индуктивно-емкостных контуров в генераторах или высокочастотных схемах. Поэтому важно, чтобы катушки индуктивности обладали достаточной стабильностью при приемлемых размерах.

Для катушек с относительно малой индуктивностью достаточно одного слоя провода, намотанного вокруг каркаса. Чтобы получить более высокие значения индуктивности, используют многослойные катушки, хотя они имеют сравнительно большую паразитную емкость.

Если в схеме установлено несколько катушек индуктивности, между ними имеет место индуктивная связь, которая может служить причиной нежелательных эффектов, таких как неустойчивая работа усилителя. Если поместить катушку в корпус, в материале корпуса будут наводиться вихревые токи, которые создадут магнитное поле, направленное противоположно магнитному полю катушки. Это приведет к некоторому уменьшению напряженности магнитного поля в катушке индуктивности, зато напряженность поля за пределами корпуса будет сведена к нулю.

Зачастую для изготовления катушек индуктивности большего номинала применяют ферритовые сердечники, это даёт возможность наматывать меньшее количество витков для получения заданной величины индуктивности. Кроме того, на основе подвижных сердечников изготавливают катушки регулируемой индуктивности. При передвижении ферритового или ольсиферового стержня изменяется магнитная проницаемость, а, следовательно, и индуктивность катушки. Изменение индуктивности составляет всего несколько процентов, однако этого достаточно для подстройки резонансного контура

Р ис. 1.2. Катушка с регулируемой индуктивностью

(в paзpeзe)

Иногда катушки индуктивности с номиналом более 1 Гн используют как сглаживающий фильтр в источниках питания, хотя в наше время такие приборы встречаются достаточно редко. Такие катушки индуктивности называют дросселями, в основе их конструкции лежит ферритовый сердечник. За последние годы импульсные дроссели получили широкое распространение в качестве накопителей энергии в импульсных источниках питания. Подбирая дроссель для этой цели необходимо обращать внимание не только на индуктивность дросселя, но и на рабочий ток.

Трансформаторы.

Трансформаторы применяют для изменения амплитуды сигнала переменного тока. В отличие от усилителя, трансформатор пассивный элемент, не дающий усиления мощности.

Все трансформаторы могут быть условно разделены на три класса: силовые, согласующие и импульсные. Силовые трансформаторы преобразуют напряжение переменного тока в источниках питания. Согласующие трансформаторы используют для межкаскадной связи в усилителях (сейчас очень редко). Импульсные трансформаторы ( наряду с дросселями) используются в качестве накопителей энергии в импульсных источниках питания и для гальванической развязки при передаче информационных сигналов.

На Рис. 1.3 представлена конструкция трансформатора, на первичной обмотке которого N₁ витков, а на вторичной — N₂ витков.

Рассмотрим случай, когда при отсутствии нагрузки на вторичной обмотке на первичную обмотку подается переменное напряжение е_in. Это приводит к появлению переменного магнитного потока Ф, который определяется напряжением е_in и количеством витков первичной обмотки N₁. Если плотность этого потока в первичной и вторичной обмотках одинакова, можно записать:

.

При отсутствии нагрузки поток Ф наводит в первичной обмотке напряжение, величина которого в идеальном трансформаторе равна е_in, следовательно, ток в первичной обмотке не протекает.

Если теперь к вторичной обмотке подключить нагрузку, потечет ток. Этот ток будет противодействовать магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой, уменьшая тем самым общий магнитный поток в сердечнике. Наведенное напряжение в первичной обмотке не будет больше оставаться равным е_in, в первичной обмотке потечет ток, благодаря которому плотность магнитного потока будет увеличиваться до тех пор, пока уравнение, приведенное выше, не станет снова справедливым.

Поскольку трансформатор не усиливает мощность сигнала, входная и выходная мощности должны быть одинаковы, и для идеального трансформатора можно записать:

е_in • i_in = е_out • і_out.

Иногда трансформатор применяется в качестве трансформатора импедансов (преобразователя полных сопротивлений). Если ко вторичной обмотке подключено сопротивление R_L, сопротивление на первичной обмотке будет равно:

R_in = .

Таким образом, трансформатор можно использовать для согласования сопротивлений и, следовательно, для максимально эффективной передачи энергии.

Кроме того, трансформаторы применяются в приборах, предназначенных для измерения тока в ситовых устройствах переменного тока.

В приводимых выше рассуждениях предполагалось, что трансформатор идеальный (не имеющий потерь). В реальных трансформаторах энергия теряется при передаче между первичной и вторичной обмотками. Основной составляющей этих потерь являются омические потери в обмотках трансформатора. Иногда их называют потерями в меди.

Второй причиной является гистерезисная характеристика железного сердечника. За каждый цикл гистерезиса теряется энергия, выделенная в виде тепла и равная площади петли. Иногда такие потери называют потерями в железе. Если бы сердечник представлял собой сплошной железный блок, также имели бы место значительные потери, возникающие вследствие вихревых токов в сердечнике. Эти потери можно свести к минимуму при использовании сердечника из изолированных пластин. Однако на частотах свыше 25 кГц вихревые токи в пластинах снова становятся значительными, поэтому вместо пластин используют прессованные порошковые ферритовые сердечники.

Кварцевый резонатор.

Кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы. Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, керамика (Crystal oscillator), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.

Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме

Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц

К варцевый резонатор извлечён из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей пластинки.

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски. Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла. Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре. Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Эквивалентная схема

П ьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри. Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий на сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном (Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce). Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества перед другим решениями

• Достижение намного больших значений добротности (10⁴−10⁶) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.

• Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).

• Большая температурная стабильность.

• Большая долговечность.

• Лучшая технологичность.

• Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатком является чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частоты различной степени сложности.