Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пассивные элементы электроники. Учебное пособие
.pdf
1.8. Паразитные параметры
электронных компонентов
Как было отмечено в предыдущих разделах, при определенных
значениях параметров электрических сигналов, воздействующих на
электронный компонент, он ведет себя как комбинация элементов
разного типа. Степень этого воздействия определяют
параметры
ных, и у активных электронных компонентов. Часто при описании
паразитных параметров используют так называемую
ния
электронного компонента или его эквивалентную схему. Эквивалентная схема – это электрическая
тронного компонента, состоящая из идеализированных элементов
(типа R, L, C). Расчетные напряжения и токи на входах и выходах
эквивалентной схемы с достаточной точностью совпадают с измеренными токами и напряжениями на зажимах реальной цепи/компонента. Для одного и того же реального элемента можно
нарисовать
нью сложности и точностью воспроизведения характеристик реального элемента.
Вид эквивалентной схемы
элемента и конструкционного исполнения резистора. На рис. 1.36
представлены эквивалентные схемы резистора для объемного и поверхностного монтажа.
компонента. Паразитные параметры бывают и у пассив-
модель реальной цепи или элек-
разные эквивалентные схемы, различающиеся степе-
резистора зависит от типа резистивного
паразитные
схему замеще-
Рис. 1.36. Эквивалентные схемы резистора длянавесного
и поверхностного монтажа
При протекании тока через проводник возникает магнитное поле.
Таким образом, выводы резистора для навесного монтажа и их резистивный материал можно рассматривать как катушки индуктивности.
Естественно, величина индуктивности таких катушек невелика и сказывается только на высоких частотах.
стора
для навесного монтажа можно уменьшить, минимизировав их
Индуктивность выводов рези-
61
длину после установки резистора на печатную плату. У SMD-резистора данный паразитный параметр практически отсутствует.
Индуктивность резистивного материала зависит от типа рези-
стора. Например, для проволочных резисторов эта индуктивность максимальна и начинает проявляться уже на частотах сигнала единицыдесятки килогерц (чем выше сопротивление проволочного резистора,
т.е. чем больше витков провода в него входит, тем ниже его граничная
частота). У непроволочных объемных резисторов индуктивность
настолько мала, что
ее необходимо учитывать для частот сигналов в
районе десятков мегагерц. Металлофольговые резисторы занимают
промежуточное положение по величине индуктивности резистивного
слоя.
Паразитная емкость резистора определяется емкостью между его
выводами, а также совокупной емкостью между элементами резистивного материала, например, между витками проволочного резистора
или между витками спиральной дорожки из углеродистой пленки
(спиральная дорожка встречается у высокоомных пленочных резисторов, у низкоомных – сплошной проводящий слой).
Таким образом, для
резистора существуют следующие паразитные
параметры:
– индуктивность выводов (отсутствует у SMD-резисторов);
– индуктивность резистивного материала;
– межвыводная емкость;
– емкость резистивного материала.
конденсаторов имеется два варианта эквивалентных схем в
Для
зависимости от характера сигнала. Для конденсаторов существуют
следующие паразитные параметры;
– индуктивность выводов;
– сопротивление изоляции;
– тангенс угла потерь;
– диэлектрическая адсорбция.
В случае использования конденсаторов в цепях переменного тока,
эквивалентная схема выглядит так, как показано на рис. 1.37.
Причина появления катушек индуктивностей та же, что
сторов навесного монтажа:
индуктивность выводов. Для неполярных
и для рези-
SMD-конденсаторов этот паразитный параметр отсутствует. Однако
для электролитических конденсаторов справедлив первый вариант эквивалентной схемы, независимо от их конструктивного исполнения.
Это связано с тем, что обкладки подобных конденсаторов выполняют-
62
ся в виде лент из фольги, свернутых в рулон. Получается, что они
R
R
R
R
R
R
R
имеют значительную длину, а следовательно, и значительную индуктивность.
пот
пот
из
Рис. 1.37. Эквивалентные схемы конденсаторов для объем-
ного и поверхностного монтажа в цепях переменного тока
Следует учитывать, что при включении электролитических конденсаторов в цепи питания в качестве
их большая паразитная индуктивность приведет к тому, что низкочастотные пульсации будут подавлены, а высокочастотные помехи свободно пройдут по цепям, так как «электролиты» на высокой частоте
имеют большое полное сопротивление. Поэтому
тролитическим конденсаторам
денсаторы
Сопротивление
раметра, оно определяет
т.е. сопротивление материала диэлектрика и изоляции выводов конденсатора на постоянном токе. Сопротивление
яснения такого параметра, как
токе. Дело в том, что в процессе распространения электромагнитной
волны в диэлектрике ее энергия будет уменьшаться. Это – затухание
сигнала. Так как толщина диэлектрика мала, затухание сигнала в нем
невелико, но оно есть.
Потери энергии в конденсаторе могут быть представлены в виде
сопротивления. Параллельная эквивалентная схема реального конденсатора (
денсатора C и резистора
соответственно. Вектор тока (рис. 1.38, а) в идеальном конденсатор
на 90° опережает вектор напряжения U на конденсаторе. Вектор
емкостью 0,033…0,47 мкФ.
упоминалось в качестве дополнительного па-
из
электрическое сопротивление изоляции,
тангенс угла потерь на переменном
рис. 1.38, б) представляет собой комбинацию идеального кон-
, через которые протекают токи CI и RI
пот
фильтров помех и пульсаций
нужно включать керамические кон-
из
параллельно элек-
служит для объ-
пот
I
C
63
тока
R
I в активном сопротивлении потерь
R
вектором напряжения U.
по фазе совпадает с
пот
в
а б
Рис. 1.38. К объяснению тангенса угла потерь в диэлектрике
В результате фазовый сдвиг φ между суммарным вектором тока I
через реальный конденсатор и напряжением на нем U отстает от 90°
угол потерь
на
величина tg
. Тангенсом угла потерь в диэлектрике называется
. Эта величина показывает отношение активной мощно-
сти, рассеиваемой на конденсаторе (в виде тепла), к потребляемой им
tg /PP
реактивной мощности:
ближенно оценивается по формуле:
(реактивная мощность при-
акт реакт
).PUI
реакт
Можно выразить
«тангенс дельты» в процентах, умножив его на 100. Такая величина
покажет, каков процент активных потерь от проходящей через конденсатор реактивной мощности. Величина, обратная тангенсу дельты,
называется
добротностью конденсатора: 1/ (tg )Q
Типичные значения tg
для конденсаторов разного типа:
.
0,000… – вакуумные;
0,00002…0,002 (0,002…0,2 %) – с воздушным диэлектриком;
0,0012…0,035 (0,12 %…3,5 %) – керамические;
0,002 (0,2 %) – металлопропиленовые;
0,0015…0,025 (0,15 %…2,5 %) – силовые с бумажным диэлектри-
ком;
0,08…0,3 (8…30 %) – электролитические.
Следует заметить, что tg
– величина непостоянная. Она увели-
чивается с ростом частоты напряжения. В электролитических конден-
64
саторах tg возрастает при понижении температуры. Со временем, по
R
R
E
мере высыхания электролита, tg
Эквивалентную схему конденсаторов нередко изображают с
следовательным
включением C и
также растет.
. В этом случае C называется
пот
по-
последовательной емкостью (емкостной составляющей), а параметр
Resistance –
(рис. 1.38, в). ESR часто используется вместо tg
носит англоязычное название ESR, или Equivalent Series
пот
эквивалентное последовательное сопротивление
в качестве характе-
ристики потерь в электролитическом конденсаторе. ESR можно измерить либо выразить через паспортное значение tg
с помощью фор-
мулы
где
SR C
– частота напряжения на конденсаторе. Максимально допусти-
,
tg / ( )
мое значение ESR электролитического конденсатора зависит от его
емкости и максимального значения напряжения, и может быть оценено, например, по сводной
таблице Боба Паркера (рис. 1.39), исполь-
зуемой в его ESR-метре K7214. Если измеренное в омах значение ESR
превышает табличное, конденсатор выбраковывают.
Рис. 1.39. Таблица предельных значений ESR Боба Паркера
65
Показанная на рис. 1.37 эквивалентная схема конденсатора не объясняет эффекта
ской адсорбции возникает, если к заряженному конденсатору в параллель на короткое время подключить низкоомную нагрузку. Теоретически вся энергия, запасенная в конденсаторе, должна рассеяться в виде
тепла на нагрузке. Но после отключения нагрузки напряжение на конденсаторе восстанавливается, хотя и не до исходного значения. Дело в
что при воздействии на диэлектрик электрического поля в нем
том,
возникает поляризация молекул материала. При этом молекулы ориентируются вдоль линий электрического поля таким образом, чтобы отрицательно заряженные элементы молекул были направлены к положительному напряжению, а положительно заряженные элементы –
к отрицательному напряжению.
Эффект поляризации поясняется при помощи рис. 1.40. После
отключения
положение в пространстве, формирует на выводах конденсатора
остаточное напряжение. У разных типов диэлектриков разная скорость перестройки пространственной ориентации молекул. Минимальным значением диэлектрической адсорбции обладают конденсаторы с фторопластовым, полистироловым и полипропиленовым
диэлектриком.
диэлектрической адсорбции. Явление диэлектриче-
нагрузки часть молекул, которая не успела изменить
Рис. 1.40. Эффект поляризации
Наибольшее значение диэлектрической адсорбции имеют электролитические конденсаторы. Эквивалентная схема конденсатора,
учитывающая эффект диэлектрической адсорбции, изображена на
рис. 1.41.
Эквивалентные схемы
монтажа и в SMD-исполнении показаны на рис. 1.42.
катушек индуктивности для объемного
66
Рис. 1.41. Эквивалентная схема кон-
R
R
денсатора для учета эффекта диэлек-
трической адсорбции
RпотRмпRвих
RпотRмпRвих
Рис. 1.42. Эквивалентные схемы катушки индуктивности
Паразитными параметрами катушек индуктивности являются:
– индуктивность выводов (только для катушек индуктивности
навесного монтажа);
– сопротивления потерь;
– межвитковые емкости.
Причина возникновения
смотренной для резисторов и конденсаторов.
индуктивности выводов аналогична рас-
Сопротивление потерь в
общем виде состоит из трех составляющих и зависит от конструкции катушки индуктивности. Сопротивление
тивление провода
нием магнитного поля
катушки. Сопротивление
, формируемого катушкой, при его распростране-
представляет собой сопро-
пот
определяется затуха-
мп
нии в пространстве и в материале магнитопровода (при его наличии). Сопротивление
R существует только для катушек индуктивности с сер-
вих
дечником из магнитомягкого железа. Оно определяет сопротивление потерь, возникающих за счет
вихревых токов в материале сердечника.
Так как соседние витки катушки индуктивности располагаются
близко друг к другу и разделены слоем изоляции, то они обладают
межвитковой емкостью. Множество межвитковых емкостей, вклю-
ченных в эквивалентной схеме параллельно частям индуктивности и
67
последовательно друг с другом, можно представить в виде одного кон-
р
F
р
F
денсатора, включенного параллельно всей индуктивности. Межвитковая емкость вместе с индуктивностью образует колебательный контур,
для которого существует
используют на частотах, меньших чем
резонансная частота
.
ез
. Индуктивность
ез
Повысить резонансную частоту можно, уменьшив межвитковую
емкость. Для этого используют хаотичную намотку «внавал», а не виток к витку либо делят обмотку на секции, разнося их на некоторое
расстояние. Для высокочастотной катушки индуктивности, имеющей
небольшое количество витков, можно увеличить расстояние между
витками. Необязательно раздвигать все витки. Достаточно растянуть
крайние 1-2 витка,
как показано на рис. 1.43. Для нескольких последовательно включенных конденсаторов общая емкость меньше, чем емкость наименьшего конденсатора. Поскольку общая межвитковая ем-
кость С
костей
нию с
1/ 1/ 1/ ... 1/ 1/1 1/1 ... 1/1 10С CC C
состоит из нескольких последовательных межвитковых ем-
С и 0С , то уменьшение одного лишь 0С в 10 раз по сравне-
1
С может существенно уменьшить С.
1
Например, пусть в катушке 10 витков, и
, т. е. С
11 0
10
1 пФ,СС
тогда
= 1/10 =
= 0,1 пФ.
После растягивания одного витка уменьшим
1/ 1/ 1/ ... 1/ 1/1 1/1 ... 1/ 0,1 19С CC C
, С
11 0
С до 0,1 пФ, тогда
0
= 1/19 ≈
≈ 0,05 пФ.
Рис. 1.43. Способ уменьшения паразитной емкости
у высокочастотной катушки
68
Эквивалентные схемы трансформаторов зависят от их типа (сило-
R
R
вой, согласующий, импульсный, трансформатор тока). Наиболее простая эквивалентная схема может быть изображена для силового трансформатора напряжения (рис. 1.44).
мо
С
мо
R
вих
мп
RпотRмпRвих Rпот
R
пот
R
пот
Рис. 1.44. Эквивалентная схема силового трансформатора
Элементы эквивалентной схемы силового трансформатора во многом аналогичны элементам катушки индуктивности (см. рис. 1.42).
Дополнительными элементами эквивалента схемы являются:
– межобмоточная емкость
– межобмоточное сопротивление изоляции
()С ;
мо
()R .
мо
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Состав экспериментального стенда
Учебный экспериментальный стенд состоит из следующих приборов.
1. Осциллограф WS-62x.
2. Лабораторный блок питания PPE-3323.
3. Генератор GFG-3015.
4. Мультиметр М-833.
5. Макетная плата.
69
6. Набор соединительных проводников и кабелей
7. Набор резисторов разных номиналов.
8. Набор конденсаторов разных номиналов.
9. Набор катушек индуктивностей разных номиналов.
10. Набор трансформаторов.
11. Паспорта и инструкции по эксплуатации.
2.2. Содержание и порядок выполнения
экспериментального задания
2.2.1. Резисторы
– Изучите техническую документацию на приборы.
– Соберите схему резистивного делителя, представленную на
рис. 2.1. Здесь резисторы R1 и R2 включены параллельно, резисторы
R3 и R4 последовательно, значения электрических сопротивлений всех
резисторов задаются преподавателем. Выходное напряжение
снимается с резистора R4.
– Выведите формулу зависимости выходного напряжения
входного
U . Рассчитайте, чему будет равно напряжение
вх
на выходе схемы, если на ее вход подать 10 В.
– Подайте на вход делителя напряжения 10 В. Измерьте выходное
напряжение
U . Рассчитайте относительную погрешность
вых 10 В экс
получившейся схемы по формуле
U
вых
U от
вых
U
вых 10 В
UU
вых 10 Ввых 10 В экс
.
U
вых 10 В
100 %
– Подключите на вход делителя напряжения генератор синусоидального сигнала. Амплитуда сигнала задается преподавателем.
– Подключите к схеме осциллограф. Его первый канал подключите
к входу схемы, второй – к выходу схемы.
– Проведите измерение АЧХ и ФЧХ схемы. Для этого с генератора
сначала подайте сигнал частотой 1 кГц, осциллографом проведите измерения амплитуд сигналов
а также разность фаз
на входе вхU и на выходе
сигналов на выходе и на входе. Далее произве-
70
U схемы,
вых
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]