Konsp_Lec_MKREA

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах, в качестве сердечников используют пермаллои (магнитомягкие сплавы на основе никеля и железа).

Рассмотрим основные параметры катушек индуктивности.

1.Номинальное значение индуктивности Lí . Измеряется в нГн, мкГн

имГн. Промышленно выпускаемые катушки индуктивности имеют номинальные значения индуктивности, выбираемые преимущественно из стандартных рядов E6 и Е12.

2.Допустимое отклонение от номинального значения в %.

3.Собственная ёмкость CL . Паразитный параметр, который

ограничивает частотный диапазон применения катушки индуктивности. Ее возникновение обусловлено конструкцией катушки индуктивности: емкость существует между отдельными витками катушки, между витками и сердечником, витками и экраном, витками и другими элементами конструкции. Все эти распределенные емкости можно объединить в одну, называемую собственной емкостью катушки CL . Значение собственной ёмкости составляет

от долей и единиц пФ для однослойных катушек до десятков пФ для многослойных.

4. Собственная резонансная частота. На высоких частотах любая катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с частотой резонанса, зависящей от индуктивности и собственной ёмкости CL .

f0 2 1L CL .

Максимальная рабочая частота обычно выбирается в 2-3 раза меньше резонансной.

5. Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Измеряется в

%/ C или ppm / C . Определяет температурную нестабильность значения

индуктивности, которая обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того, при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки.

Для повышения температурной стабильности применяют каркасы из материала с малым значением коэффициента линейного расширения. Этим

41

требованиям в наибольшей степени удовлетворяет керамика. Повышению температурной стабильности катушек способствует прочное сцепление обмотки с каркасом. С этой целью обмотку выполняют методом вжигания серебра в керамический каркас. В этом случае изменение размеров токопроводящего слоя определяется только линейным расширением каркаса.

Такие катушки индуктивности имеют ТКИ (5 100) ppm / C . Стабильность

многослойных катушек существенно хуже, так как в них невозможно избежать изменения линейных размеров провода обмотки. Многослойные катушки

имеют ТКИ (50 100) ppm / C .

6.Добротность катушки индуктивности QL . В катушках

индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным и равным X L . Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь Rï , которое определяет добротность катушки индуктивности

QL Rï L .

Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране. Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200.

Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями.

Кодовая маркировка катушек индуктивности.

Обычно на корпусе катушки индуктивности указывается номинальное значение индуктивности и допуск, т.е. допустимое отклонение от указанного номинала. Номинальное значение кодируется цифрами, а допуск – буквами. Широко применяются такие два вида маркировки.

1. Первые две цифры указывают значение индуктивности в мкГн, последняя – количество нулей. Следующая за цифрами буква указывает на допуск. Например, код 101J обозначает 100 мкГн ±5%. Если последняя буква не указывается – допуск 20%. Исключения: для индуктивностей меньше 10 мкГн роль десятичной запятой выполняет буква R, а для индуктивностей меньше 1 мкГн – буква N.

42

Примеры:

2. Индуктивности маркируются непосредственно в мкГн. В таких случаях маркировка 680К будет означать не 68 мкГн ± 10 %, как в предыдущем примере, а 680 мкГн ± 10%.

Примеры:

Более полную информацию об основных параметрах катушек индуктивности можно получить из [1, 2]. Принципы расчёта катушек

43

индуктивности в виде дискретных элементов изложены в [2]. Свойства и параметры материалов, применяемых в качестве сердечников проводов катушек индуктивности, рассмотрены в [2]. Вопросы, связанные с расчётом катушек индуктивности, выполненных в составе микромодулей (в составе микросхем или как часть печатной платы), в том числе физические основы индуктивности, подробно рассмотрены в [3, 4]. Также в [2] рассматриваются вопросы расчёта и конструирования таких элементов, как дроссели низкой и высокой частоты, силовые и сигнальные трансформаторы.

Список литературы

1.Пашинцев П.О. Радіокомпоненти. Пасивні та активні, дискретні та інтегральні: підручник / П.О. Пашинцев, О.О. Адаменко; М-во оборони України – X.: Компанія СМІТ, 2007. – 540 с.

2.Терещук Р.М. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Справ. Радиолюбителя / Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. – 4-е изд., стер. – Киев: Наук. Думка, 1989. – 800 с.: ил.

3.Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 616с.: ил. – (Библиотека ЭМС).

4.Мікроелектроніка. Елементи мікросхем. Збірник задач. Навч. посіб. / За ред. М. М. Прищепи. – К.: Вища шк., 2005. – 167 с.: іл.

44

КОМПОНЕНТЫ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА

Исполнение корпусов резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности может подразумевать различные способы монтажа – установка на плату в отверстия или на поверхность, пайку на провода, под клеммы и др. Также они могут быть изготовлены в составе микросхем и микросборок.

В настоящее время широко применяются R, L, C компоненты для поверхностного монтажа или SMD-компоненты.

SMD – Surface Mount Device – планарно монтируемый компонент. Поверхностный монтаж имеет следующие преимущества перед монтажом

вотверстия:

1.Меньшая индуктивность выводов компонентов;

2.Большие возможности по разводке многослойных плат, так как площадь металлизированных слоёв не занимается отверстиями;

3.Возможность двусторонней установки компонентов друг под другом;

4.Возможность миниатюризации;

5.Отсутствие необходимости сверления отверстий;

6.Более простая сборка вследствие отсутствия потребности в установке деталей в отверстия.

Этот набор преимуществ определил широкое распространение поверхностного монтажа, однако он не может полностью заменить монтаж в отверстия по следующим причинам:

1.Ограниченная механическая прочность, определяемая прочностью клея, удерживающего металлизированный слой платы;

2.Трудность ручного монтажа и ремонта вследствие миниатюрности.

Существует стандартный ряд типоразмеров корпусов для двухвыводных неполярных компонентов, обозначаемый цифрами: 0402, 0603, 0805 и пр. В этих корпусах выпускаются резисторы, конденсаторы, небольшие катушки индуктивности, термисторы, варисторы. Их обозначения и стандартные размеры ( L – длина, W – ширина, H – высота) приведены ниже.

45

46

Лекция 4. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ

Работа электронных приборов основана на управлении концентрацией, скоростью и направлением движения заряженных частиц в вакууме, газах, твёрдых проводниках, полупроводниках с помощью электрических и магнитных полей.

Все окружающие нас объекты состоят из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер (протонов, нейтронов) и электронов. Электроны имеют отрицательный заряд q 1,602 10 19 Кл, протоны – положительный, равный по

величине заряду электрона, а нейтроны электрически нейтральны. В нормальном состоянии атом содержит одинаковое количество протонов и электронов и поэтому электрически нейтрален. Количество электронов, которые в этом случае вращаются по определённым орбитам вокруг ядра равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Менделеева.

Электроны, вращающиеся по удалённым от ядра «внешним» орбитам, имеют большую энергию и связаны силой притяжения с ядром в меньшей степени, чем электроны, находящиеся на ближних к ядру «внутренних» орбитах. Поэтому под воздействием соседних атомов или вследствие других причин удалённые электроны, при определённых условиях, могут покинуть свою орбиту, что повлечёт за собой нарушение электрической нейтральности атома. В то же время «внутренние» орбиты, на которых энергия электронов является наименьшей, всегда заполнены. Этот связано с тем, что электроны всегда стремятся занять положение по отношению к ядру, требующее минимальной энергии.

Таким образом, электроны, расположенные на «внешних» орбитах атомов, называются валентными электронами, т.е. такими, которые могут участвовать в химической связи между атомами. Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, называют свободными электронами. Они перемещаются в пространстве между атомами в различных направлениях и с разными скоростями. При наличии внешнего электрического поля перемещение свободных электронов становится упорядоченным, т.е. возникает электрический ток – направленное движение зарядов. Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность. Этим и объясняется деление твёрдых тел на проводники, полупроводники и диэлектрики.

47

В 19 веке, а также в начале 20-го века, длительное время краеугольным камнем теории строения вещества являлась планетарная модель атома, предложенная Резерфордом. Однако с развитием классической электродинамики выявились принципиальные несоответствия планетарной модели новым научным представлениям и фактам. В частности, согласно классической электродинамике, электрон, как заряженная частица, при вращении вокруг ядра должен непременно излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Это должно было бы привести к постепенному уменьшению его круговой скорости, постепенному приближению орбиты к ядру, непрерывному изменению частоты излучения. В конечном счёте электрон должен упасть на ядро, а излучение должно прекратиться. Однако этого не происходит. Также известно, что атомные оптические спектры имеют линейчатую дискретную структуру. Требовалось дополнить планетарную модель атома и объяснить имеющиеся физические явления.

Такое объяснение было дано квантовой теорией строения вещества. Приведём некоторые основные теоретические предпосылки квантовой теории.

Гипотеза Планка (1900 г.). Энергия электронов в атоме может принимать только определённые дискретные значения. Изменение энергии электронов также может происходить только скачкообразно от одного дискретного значения до другого дискретного значения. При переходе электрона в новое энергетическое состояние (например, при переходе с одной орбиты на другую) происходит поглощение или излучение кванта энергии, равного разности энергий электрона в этих двух состояниях.

Постулаты Бора (1913 г.).

1.При нахождении электрона в стационарном состоянии (состоянии с определённой энергией) энергия не излучается.

2.Атом излучает или поглощает энергию только при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое.

Гипотеза де Бройля (1923 г.). Электроны имеют волновые свойства. Электрон, двигаясь по замкнутой орбите, не излучает электромагнитную энергию вследствие того, что вдоль орбиты укладывается целое число длин волн, т.е. образуется стоячая волна.

Таким образом, каждой орбите соответствует строго определённая энергия электрона, или разрешённый энергетический уровень. Уровни энергии, которые не могут иметь электроны, называют запрещёнными энергетическими уровнями. Чем более удалённую от ядра орбиту занимает электрон, тем большую энергию он имеет. Электроны всегда стремятся занять уровни

48

наименьшей энергии, поэтому «внутренние» орбиты всегда заполнены электронами, а частично заполненными могут быть только «внешние» орбиты. При переходе на более близкие к ядру орбиты электрон излучает квант энергии. И наоборот, если электрон получает квант энергии извне (под воздействием света, тепла или других внешних факторов), то он переходит на более удалённую от ядра орбиту или вообще покидает атом, выходя в межатомное пространство.

До сих пор мы рассматривали состояния электронов в изолированном атоме. Однако наибольший интерес представляют состояния электронов вещества, состоящего из множества атомов. В твёрдом теле соседние атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними происходит взаимодействие. При этом на электроны влияет не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов. Важным следствием этого является смещение и расщепление энергетических уровней электронов.

При объединении в твёрдом теле N одинаковых атомов каждый уровень энергии расщепляется на N близко расположенных друг к другу энергетических уровней, которые образуют так называемую энергетическую зону.

При большом расстоянии между атомами r электроны в атомах имеют

расщепляться на набор дискретних уровней. При дальнейшем сближении атомов с расстояния r2 начинает расщепляться на набор дискретних уровней и

49

уровень энергии W1 более близкого к ядру електрона. При некотором расстоянии между атомами r3 можно выделить энергетические зоны W1 и

W 3, в пределах которых может располагаться значение энергии электронов. Также можно выделить промежуток между этими зонами W 2 , не содержащий энергетических состояний. Этот промежуток W 2 называется запрещённой зоной. Таким образом, запрещённая зона – это диапазон энергетических уровней, которые не могут иметь электроны. При дальнейшем сближении атомов наступает перекрытие зон W1 и W 3 и заполнение запрещённой зоны

W 2 .

Энергию электронов измеряют в единицах, называемых электронвольтами эВ. За 1 эВ принимают энергию, приобретаемую электроном при

прохождении им разности потенциалов в 1 В. В металлах максимальная

энергия электронов достигает десятков эВ.

В соответствии с принятыми ранее определениями энергетические зоны в твёрдом теле разделяют на заполненную зону, валентную зону, запрещённую зону, зону проводимости и свободную зону.

Следовательно, для перехода электрона в пространство между атомами, т.е. в зону проводимости, ему необходимо сообщить энергию, большую ширины запрещённой зоны Wзапр . Заметим, что свободную зону образуют

уровни энергии, которые остаются не занятыми при температуре абсолютного нуля T 0 K 273 C . Можно сказать, что нижней частью свободной зоны

является зона проводимости, поскольку уровни, входящие в неё, могут иметь электроны, получившие дополнительную энергию при нагреве, воздействии света или другим путём.

50