1.2 Компоненти електронних систем

1.2.1 Класифікація

Для забезпечення різноманітних процесів формування та перетворення ЕІС використовується дуже обмежене число різновидів компонентів. Їх можна розділити на лінійні і нелінійні, на пасивні та активні (електронні).

Звертаю увагу на наступне. Суть електроніки в забезпечені необхідного розподілення та керування потоками електронів. Для створення запрограмованого шляху електронних потоків використовують дискретні та інтегральні прилади з відповідним взаємозв`язком між струмом та напругою. Таку залежність називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ) відповідного компонента (резистора, транзистора). Їх широко використовують при проектуванні, досліджені та налагодженні РЕА. В подальшому при викладені матеріалу будемо постійно користуватись ВАХ.

За характером зв`язку струму з напругою виділяють два класи компонентів: лінійні та нелінійні (рис.1.3).

ΔU/ΔI=R=cons	Δ I/ΔU≠const
а	б	в
Рис.1.3. Типи ВАХ: а- лінійна симетрична; б-нелінійна симетрична; в – нелінійна несиметрична

Вольт-амперні характеристики лінійних елементів - це прямі лінії, які проходять через початок координат під постійним кутом, що визначається відповідним для конкретного елемента співвідношенням напруги до струму – тобто опором. При зміні полярності напруги характер ВАХ і відповідно опір не змінюються. Таку характеристику називають лінійною і симетричною (рис. 1.3а). Відношення напруг та струмів в точках на прямій та зворотній ділянках таких ВАХ визначають опір і залишаються постійними. Це можна забезпечити за допомогою звичайних резисторів, конденсаторів та індуктивностей. Часто конденсатори та індуктивності відносять до нелінійних компонентів.

В нелінійних компонентах кут нахилу ВАХ (опір) змінюється зі зміною напруги. Такі прилади забезпечують нелінійну симетричну ВАХ (рис. 1.3б), або несиметричну (асиметричну) нелінійну ВАХ (рис.1.3в). Таку характеристику, зокрема, мають напівпровідникові діоди.

При аналізі електронних схем з нелінійними елементами (електронними вакуумними лампами, діодами, транзисторами) користуються поняттям диференціальний опір. Він визначається для виділеної робочої точки нелінійної ВАХ як співвідношення малого приросту напруги до відповідного приросту струму ΔU /ΔI. Це відношення вимірюється в одиницях опору (в омах) та визначає опір для малих сигналів.

1.2.2 Пасивні компоненти

В електротехніці процеси керування потоками електронів при передачі та перетворенні електричної енергії відбуваються з використанням пасивних компонентів, серед яких найбільш поширеними є резистори, конденсатори, індуктивності, трансформатори та прилади комутації ( рис.1.4).

Пристрої, побудовані виключно на перерахованих компонентах, не можуть забезпечити підсилення потужності ЕІС, тобто потужність на виході пристрою завжди менша потужності на вході, а значить коефіцієнт підсилення за потужністю менше 1

П

.

асивні компоненти широко використовуються як для самостійного керування електронними потоками, так і для забезпечення необхідного режиму роботи активних компонентів.

Типи, параметри та особливості використання перерахованих вище пасивних компонентів детально подані у довідниках.

Резистор - найпростіший та самий поширений тип компонентів електро- та електронної технік Залежність між струмом та напругою в резисторах (ВАХ) являє собою пряму лінію, яка проходить через початок координат з постійним нахилом U/I, що визначається опором резистора. Така характеристика є лінійною та симетричною (рис.1.3а). В робочих діапазонах частот, коли паразитними ємностями та індуктивностями можливо знехтувати, опір резисторів залишається постійним при зміні частоти. Більшість електричних кіл, які побудовані виключно на резисторах не накопичують енергію та реагують тільки на поточне значення вхідного сигналу.

Державні стандарти визначають ряди значень опорів, які випускаються промисловістю (від 0.01 до Ом). Для позначення кратних та дольних одиниць використовують терміни подані в Таблиці 1.

Таблиця 1.

Множник	1012	109	106	103	10-3	10-6	10-9	10-12
Термін	Тера	Гіга	Мега	Кіло	Мілі	Мікро	Нано	Піко
Позначен- ня	Т	Г	М	К	м	Мк	н	пк

Зверніть увагу: «М» – мега, але «м» - мілі (МГц – 1 міліон герц, а мВт – 1 міліват).

Нагадаю:

- при послідовному з`єднанні резисторів результуючий опір визначається як сума складових (R1+R2);

- при паралельному з’єднанні резисторів результуючий опір визначається за формулою:R 1 || R2 = R1* R2 / ( R1 + R2 ).

Цей вираз необхідно не тільки запам`ятати, але й розуміти. Він широко використовується при подальшому викладенні та поясненні процесів керування електронними потоками за допомогою пасивних та активних компонентів. Це базова формула.

Конденсатори - це лінійні пасивні компоненти, напруга (U), на яких пропорційна заряду (Q), а не струму (I): Q = C*U, де коефіцієнт пропорційності С визначає ємність конденсатора та є постійною величиною для конкретного приладу. Одиницею ємності є фарада. В ЕС використовують конденсатори ємністю від одиниць пікофарад (пФ) до тисяч мікрофарад (мкФ).

Для визначення ВАХ оцінюють швидкість зміни заряду, тобто струм, а відтак одержують: dQ/ dt = I = dU/dt .

Зробимо два важливих висновки:

- струм конденсаторів пропорційний швидкості зміни напруги і ця залежність є лінійною, а значить конденсатори – лінійні компоненти;

- струм через конденсатор протікає тільки при зміні напруги, а це означає, що для постійного струму конденсатори є розривом електричного кола, тобто опір конденсаторів при постійному струмові прагне до нескінченності.

Згадайте:

- при паралельному підключенні конденсаторів результуюча ємність визначається як сума складових (С1 + C2);

- при послідовному з`єднанні конденсаторів результуюча ємність визначається за формулою: С1* С2 / ( C1 + C2 ).

Важливо також пам`ятати особливості зміни напруги в часі при підключенні конденсатора до генератора напруги. Такий процес носить нелінійний, експоненціальний характер і детально розглядається в розділі (1.5.4.). Не слід відносити цю нелінійність до ВАХ. Саме через це конденсатори помилково відносять до нелінійних компонентів.

Вище відмічалось, що для постійного струму, коли частота зміни напруги дорівнює нулю (ω=0 ), конденсатори забезпечують опір, значення якого прагне до нескінченності. При підвищені частоти опір конденсаторів зменшується та визначається як Хс = 1/ωС. Це дуже часто будемо використовувати в подальшому. Конденсатори – частотозалежні опори.

На відміну від резисторів конденсатори є елементами ЕС, які накопичують енергію, а тому значення напруги U_С визначається не тільки поточним значенням вхідної напруги, але й попереднім станом напруги на компонентах.

Індуктивності - це лінійні пасивні компоненти, напруга на яких пропорційна швидкості зміни струму:U = L dI / dt.

Коефіцієнт пропорційності L називається індуктивністю.

Одиниця індуктивності – генрі. Зазвичай в ЕС використовують індуктивності в діапазонах генрі (Г), мілігенрі (мГ), мікрогенрі (мкГ).

Якщо струм не змінюється (dI/dt = 0), напруга на індуктивності дорівнює нулю, тобто для постійного струму ідеальна індуктивність є ідеальним провідником - коротким замиканням. Як і конденсатори, індуктивності є частотозалежними опорами, але їх опір з частотою збільшується та визначається як = ωL.