Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пассивные элементы электроники. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
C.B. БЫКОВ, М.М. БАБИЧЕВ, А.А. АРАВЕНКОВ
ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2019
УДК 621.382(075.8)
Б 953
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент Д.В. Лаптев
инженер АО «Радио и микроэлектроника» П.А. Перязев
Работа подготовлена на кафедре «Защита информации»
для студентов II–III курсов, обучающихся
по направлениям 10.03.01 и 12.03.01
Быков С.В.
Б 953 Пассивные элементы электроники : учебное пособие /
C.B. Быков, М.М. Бабичев, А.А. Аравенков. – Новосибирск :
Изд-во НГТУ, 2019. – 88 с.
ISBN 978-5-7782-4082-7
Рассматриваются пассивные электронные элементы: резисторы,
конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, самовосстанавливающиеся предохранители. Особое внимание уделено маркировке выпускаемых элементов и их основным, дополнительным и паразитным параметрам. Практическая часть пособия позволяет опытным путем изучить параметры пассивных элементов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям
12.03.01 «Приборостроение», 10.03.01 «Информационная безопасность», 10.05.03 «Информационная безопасность
систем», а также для других технических специальностей, изучающих
основы электроники.
автоматизированных
УДК 621.382(075.8)
ISBN 978-5-7782-4082-7 © Быков С.В., Бабичев М.М.,
Аравенков А.А., 2019
© Новосибирский государственный
технический университет, 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Краткие теоретические сведения ....................................................................... 4
1.1. Пассивные и активные элементы ............................................................... 4
1.2. Принципы монтажа электронных схем ...................................................... 6
1.3. Характеристики электронных компонентов .............................................. 9
1.4. Резисторы (сопротивления)....................................................................... 10
1.5. Конденсаторы ............................................................................................. 30
1.6. Катушки индуктивности ........................................................................... 47
1.7 Трансформаторы ......................................................................................... 53
1.8. Паразитные параметры электронных компонентов ................................ 61
2. Практическая экспериментальная часть ......................................................... 69
2.1. Состав экспериментального стенда .......................................................... 69
2.2. Содержание и порядок выполнения экспериментального задания ....... 70
2.2.1. Резисторы ......................................................................................... 70
2.2.2. Катушки индуктивности ................................................................. 71
2.2.3. Конденсаторы .................................................................................. 73
2.2.4. Трансформаторы .............................................................................. 74
Контрольные вопросы
Рекомендуемая литература .................................................................................. 77
Приложение. Базовые принципы использования измерительного обо-
рудования ............................................................................................................... 78
.......................................................................................... 75
3
1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. Пассивные и активные элементы
Элементы электронных приборов подразделяются на пассивные и
активные. Отнесение элементов либо к пассивным, либо активным
производится на основании характера воздействия на параметры сигнала. При прохождении сигнала через пассивные элементы его мощ-
ность (не уровень напряжения или тока) не увеличивается и спек-
тральный состав не обогащается. При прохождении сигнала через
активные
обогащается спектральный состав (появляются спектральные составляющие с частотами, отсутствующими во входном сигнале). Пример
обогащения спектрального состава активным элементом без увеличения выходной мощности показан на рис. 1.1.
элементы увеличивается мощность сигнала на выходе и/или
U
вх
U
вых
f
Рис. 1.1. Обогащение спектра без увеличения энергии выходного
сигнала по сравнению с входным
Изменение параметров сигнала по напряжению или току определяется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока, протекающего через элемент от
приложенного напряжения. В зависимости от формы ВАХ элементы
бывают линейными и нелинейными. У линейных элементов коэффи-
4
f
циент преобразования напряжения в ток постоянен во всем диапазоне
допустимых значений. У нелинейных элементов этот коэффициент
может меняться по различным законам в зависимости от типа элемента. Как правило, все пассивные элементы – линейные, а активные –
нелинейные. Кроме ВАХ, все элементы имеют амплитудно-частотные
(АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики. АЧХ определяет,
как
будет изменяться амплитуда сигнала на выходе элемента при изменении частоты сигнала на входе при неизменном входном уровне (амплитуде). ФЧХ определяет изменение фазы сигнала на выходе элемента при изменении частоты входного сигнала.
Существует достаточно много разновидностей пассивных и актив-
ных элементов. Наиболее распространенными пассивными элемен-
тами являются:
–
резисторы;
– конденсаторы;
– индуктивности;
– трансформаторы.
В качестве примера активных элементов можно назвать полупро-
водниковые диод и транзистор (биполярный, полевой). В прошлом в
качестве активных элементов часто использовали вакуумные диоды и
триоды.
Для большинства элементов существуют условные графические
обозначения (УГО). Под условным графическим обозначением пони-
мается уникальная комбинация цифробуквенных и графических
элементов, соответствующих определенному элементу. УГО резисторов и
конденсаторов выполняются согласно ГОСТ 2.728–74.
Графические материалы, полностью отображающие структуру электронного прибора, называются принципиальными схемами.
На принципиальных схемах согласно ГОСТ 2.702–2011 указывается,
какие элементы используются в приборе и как они соединяются. Расположение электронных компонентов производится в соответствии с распространением обрабатываемого электрического
сигнала по правилу:
слева направо, сверху вниз. Допустимо также расположение электронных компонентов принципиальной схемы по правилу: слева направо,
снизу вверх. Можно использовать комбинацию: снизу вверх, сверху
вниз, если сигнал параллельно обрабатывается несколькими разными
способами. Но необходимо избегать расположения электронных компонентов в направлении справа налево. Впрочем, это не является абсолют
-
ным запретом и иногда используется. Кроме того, рядом с электронным
5
компонентом пишется его обозначение. Обозначение состоит из букв
и цифр. Буквы связаны с типом электронных компонентов согласно
ГОСТ 2.710–81. О конкретных буквенных обозначениях будет сказано
при описании электронных компонентов. Цифры обозначают порядковый номер элемента в принципиальной схеме. Нумерация ведется для
каждого типа электронных компонентов отдельно.
1.2. Принципы монтажа электронных схем
Реальные электронные компоненты, помимо УГО, характеризуются конструктивным исполнением. Все электронные приборы состоят
из электронных компонентов, соединенных линиями связи. Линии
связи выполняются из проводников с минимальным сопротивлением.
В идеале сопротивление линии связи должно быть равно нулю, но это
практически невозможно реализовать. На современном уровне развития производства электронные приборы выполняются на
чатных плат.
Печатная плата представляет собой пластину диэлектрика, на которой выполнены линии связи. Конструктивное исполнение электронных компонентов определяет способ их соединения с линиями связи.
Существует два вида конструктивного исполнения: элементы для
навесного (объемного) монтажа и элементы для поверхностного
монтажа. В обоих случаях соединение элементов с линиями
осуществляется при помощи дополнительного материала, называемого
припоем.
Припой представляет собой легкоплавкую комбинацию металлов,
которая после нанесения в расплавленном виде на элементы связи и
выводы элементов при остывании обеспечивает хорошую адгезию.
Адгезия – это сцепление поверхностей разнородных твердых и/или
жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое и
ходимой для разделения поверхностей.
Перед пайкой на соединяемые элементы наносится слой флюса,
который предотвращает окисление спаиваемых поверхностей в ходе
нагрева и улучшает адгезию. После пайки остатки флюса с платы смывают.
Исторически первым и долго используемым был оловянно-свинцовый припой (наиболее подходящий для пайки электронных
состав: 40 % свинца, 60 % олова, или ПОС-60). К сожалению, свинец,
характеризуется удельной работой, необ-
основе пе-
связи
устройств
6
улучшая характеристики припоя, наносит вред здоровью людей при
выводы
пайке и загрязняет природу при утилизации приборов. В настоящее
время под влиянием экологических организаций происходит переход
на бессвинцовую технологию пайки (RoHS) с использованием серебряно-оловянных, серебряно-оловянно-медных, серебряно-оловянновисмутовых припоев.
Элементы для объемного монтажа имеют гибкие проволочные выводы. Элементы объемного
монтажа устанавливают на печатную плату, вставляя их выводы в отверстия, просверленные в плате. Припой
протекает в зазоры между выводом и краем отверстия и фиксирует
элемент на печатной плате. Элементы для навесного монтажа называют также корпусными элементами.
Элементы для поверхностного монтажа имеют на краях металлизи-
рованные площадки, называемые контактными
площадками. При
установке подобных элементов на печатную плату они кладутся на поверхность диэлектрика, а контактные площадки должны попасть на
линии связи. Припой при этом наливается сверху и фиксирует элемент
на печатной плате.
Для большей надежности крепления элементы как для поверхностного, так и для объемного монтажа в некоторых случаях приклеивают
к печатной плате. Примеры установки элементов разного конструктивного исполнения на печатной плате показаны на рис. 1.2.
линия
связи
припой
элемент
диэлектрик
Элемент для
навесного монтажа
конта ктные
линия
связи
Рис. 1.2. Примеры установки элементов разного конструктивного
площадки
элемент
диэлектрик
исполнения на печатной плате
припой
Элемент для
поверхностного монтажа
7
Наиболее распространенным материалом для печатных плат служит текстолит (стеклотекстолит). Этот материал представляет собой
несколько листов тонкой стеклоткани, пропитанных и склеенных
эпоксидной смолой, его можно использовать в приборах, частоты сигналов в которых не превышают 1.5…2 ГГц. Для более высокочастотных приборов в качестве материала печатной платы используются армированный фторопласт, ФЛАН
и различные виды керамики. ФЛАН
представляет собой материал на основе простых полиэфиров. Он не
содержит наполняющего материала типа стеклоткани.
Кроме названных вариантов корпусного конструктивного исполнения электронных компонентов встречается также бескорпусное исполнение. Этот вариант исполнения является разновидностью конструктивного исполнения для поверхностного монтажа и реализуется для
активных элементов. В
этом случае на поверхности пластинки материала формируются сверхминиатюрные контактные площадки. Ручная
пайка бескорпусных элементов крайне затруднена и реализуется с использованием микроскопа.
Элементы с конструктивным исполнением для объемного монтажа
могут соединяться друг с другом даже без использования печатной
платы. В прошлом такие элементы часто соединяли без печатных плат
путем скручивания
выводов между собой и пропаивания, либо припаивали выводы к изолированным клеммам. Элементы для поверхностного монтажа в принципе также можно соединять без печатной платы.
В этом случае использование припоя обязательно, но механическая
прочность подобных соединений очень низкая.
Для элементов связи, называемых проводниками печатной пла-
ты, чаще всего используется медная
фольга. В некоторых случаях вместо меди может использоваться серебро или золото. Однако это крайне
редкий вариант реализации печатной платы. Чаще всего для уменьшения сопротивления проводников и для их защиты от коррозии используется серебрение или золочение. В этом случае на медные дорожки
после травления гальваническим путем наносится тонкий слой
серебра
или золота. Более дешевый способ защиты медных печатных проводников – нанесение слоя оловянно-свинцового припоя или легкоплавкого сплава Вуда либо Розе. После монтажа печатной платы ее поверхность дополнительно защищают от влаги слоем цапонлака либо иного
полимерного покрытия.
8
1.3. Характеристики электронных компонентов
Все электронные компоненты характеризуются набором характеристик и параметров. Параметры, определяющие характер воздействия электронного компонента на электрический сигнал, подразделяются на основные, дополнительные и паразитные. Основные па-
раметры определяют воздействие электронного компонента на электрический сигнал в соответствии с его типом, например, сопротивление резистора. Дополнительные параметры описывают характер
изменения
например изменении температуры. В качестве примера можно привести температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора.
Кроме того, дополнительные параметры позволяют оценить ограничения на использование электронного компонента при определенных
значениях электрических сигналов, например, максимальное рабочее
напряжение резистора (при котором не происходит пробоя). При
определенных значениях
на электронный компонент, он начинает вести себя как комбинация
«элементов» разного типа. Параметры этих «внутренних элементов»
называются паразитными параметрами, например, паразитная распределенная индуктивность проволочного резистора. При работе на
постоянном токе такой резистор ведет себя просто как сопротивление
заданной величины. На переменном токе с ростом частоты вступает
действие паразитная индуктивность, как бы включенная последовательно с сопротивлением, увеличивающая полное сопротивление
данного резистора, сдвигающая фазный угол между напряжением и
током, протекающим через него.
Основные, дополнительные и паразитные параметры можно свести
в одну группу с условным названием «схемотехнические» параметры, так как они определяют влияние схемотехнических элементов на
параметры сигналов. Кроме этих параметров существует еще группа,
которую можно назвать «эксплуатационными» параметрами. Параметры данной группы определяют: как схемотехнические параметры
электронных компонентов будут изменяться с течением времени или в
связи с внешним электрическим и неэлектрическим воздействием. Эти
параметры определяют надежность электронных компонентов, например, изменение значения сопротивления резистора в
сле M часов эксплуатации. Прежде всего упоминают эксплуатационные параметры, определяющие надежность компонента: безотказ-
основного параметра при разных внешних воздействиях,
электрических сигналов, воздействующих
в
пределах N % по-
9
ность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Количе-
R
ство основных параметров электронного компонента зависит от его
типа. Пассивные элементы имеют один основной параметр. Для активных элементов количество основных параметров может достигать пяти
и более.
Значения основных параметров пассивных элементов не являются
произвольными числами. Они соответствуют так называемым номи-
нальным рядам (рядам предпочтительных
сколько номинальных рядов в зависимости от того, с какой точностью
подгонки заявленного параметра (с каким допуском) изготавливаются
элементы. Ряд Е6 используется для элементов с допуском 20 %, Е12 –
10 %, Е24 – 5 %. Под допуском понимается следующее: например,
для 20 % в пределах одной партии значение параметра конкретного
элемента может отличаться в пределах ± 20 % от заявленного
лее часто используемым является ряд Е24. Для элементов, выпускаемых в соответствии с рядом Е24, параметр может принимать следующие 24 значения (без учета множителя): 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.
Номинальные ряды с большим номером (Е48, Е96, Е192) предполагают выпуск элементов с более мелкой градацией значения параметра и
большей точностью изготовления. Естественно, стоимость
элементов будет выше. Необходимое значение номинала элемента чаще всего определяется расчетным путем. При этом расчетное значение
номинала элемента обычно не совпадает со значениями из номинального ряда. В этом случае выбирают ближайшее значение из номинального ряда. Выбор меньшего или большего значения определяется индивидуально в каждом конкретном случае
чисел). Существует не-
. Наибо-
подобных
.
1.4. Резисторы (сопротивления)
Резистор – пассивный элемент, обладающий электрическим активным сопротивлением, т.е. физической величиной, характеризую-
щей свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равной отношению напряжения на концах проводника к силе
тока, протекающего по нему:
Также резистор можно охарактеризовать проводимостью
ской величиной, обратной сопротивлению: 1 / ;GR
ния – сименс (См). Приставки к единице измерения для обозначения
/;
UI
единица измерения – ом (Ом).
единица измере-
10
– физиче-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]