29

Раздел 1. Компоненты электронных устройств

1. Пассивные компоненты электронных устройств

1. Резисторы

Электрическое сопротивление – это противодействие протеканию тока. Сопротивление является свойством всех электрических элементов. Иногда влияние сопротивления нежелательно, а иногда полезно.Резисторыявляются элементами, изготовленными так, чтобы оказывать определенное сопротивление протеканию тока. Резистор является наиболее часто используемым элементом электрических цепей. Идеальный резистор обладает чисто омическим сопротивлением и необратимо преобразует электрическую энергию в тепловую, механическую или световую. Условное графическое обозначение (УГО) постоянного резистора и условно-положительные направления тока и напряжения на его зажимах показаны на рис. 1.1,а.

Связь между током и напряжением, называемая уравнением элемента,для резистора выражается законом Ома. Мгновенное значение напряжения на резистореu_R(t) и ток через негоi_R (t) прямо пропорциональны:

u_R (t) = i_R (t) ∙ R , (1.1)

поэтому форма тока и напряжения на резисторе одинаковы.

Единицей измерения величины сопротивления резистора является 1Ом. В практике употребляются кратные единицы сопротивления – 1 кОм = =10³ Ом, 1 MОм = 10⁶ Ом.

Величина, обратная сопротивлению, носит название проводимость g = 1 / R и измеряется в сименсах (См).

Мгновенная мощность, выделяемая в резисторе, равна

(1.2)

и измеряется в ваттах (Вт).

Энергия, выделенная в резисторе за интервал времени от момента t₁до моментаt₂, равна

. (1.3)

График зависимости между током и напряжением для резистора, показанный на рис. 1.2, носит названиевольт-амперная характеристика (ВАХ) резистора и представляется прямой линией, проходящей через начало координат.

Подчеркнем здесь, что именно линейная ВАХ (сплошная линия на рис. 1.2) является внешним признакомлинейного резистивного пассивного элемента, называемого резистором.Отклонение ВАХ от линейного поведения (пунктир на рис. 1.2) указывает на принадлежность такого элемента к классунелинейных резистивных элементов.

Реальный резистор представляется электрическим эквивалентом, показанным на рис. 1.1, только на относительно низких частотах. При частотах в десятки мегагерц и выше начинают проявляться паразитные параметры элемента резистор, которые подлежат учету в электрической схеме устройства. Один из возможных вариантов эквивалентной схемы замещения резистора на высоких частотах показан на рис. 1.3, где элементR – это собственно сопротивление резистора, элементС – паразитная конструктивная электрическая емкость,L – паразитная конструктивная индуктивность. Паразитные параметрыL и С могут полностью нарушить предусмотренный заранее характер функционирования электрической схемы, поэтому их оценка и учет совершенно обязательны при проектировании электрических схем для работы на высоких частотах.

Еще об одной особенности элемента резистор. При работе в устройстве с очень малым уровнем сигналов резистор начинает «шуметь», то есть уровень флуктуационного напряжения тепловых шумов на его зажимах становится соизмеримым с уровнем слабого сигнала. Квадрат действующего напряжения тепловых шумов на зажимах резистора равен:

E_ш² = 4k ∙ T ∙ R ∙ ∆ f , (1.4)

где k = 1,37 ∙ 10^-23 Вт ∙ с ⁄ град –постоянная Больцмана,

Т – абсолютная температура в градусах Кельвина,

∆ f – полоса «шумов», то есть полоса пропускания устройства,

R – величина «шумящего» сопротивления.

Из выражения (1.4) видно, что напряжение шума прямо пропорционально величине сопротивления R, поэтому в чувствительных радиоэлектронных устройствах стараются избегать высокоомных резистивных элементов в их входных цепях.

Резисторы могут быть постоянными и переменными. Переменные резисторы в свою очередь подразделяются на подстроечные и регулировочные. Подстроечные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1 000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные – для проведения многократных регулировок. Они отличаются большей износоустойчивостью – более 5 000 циклов регулирования.

Общее УГО переменного резистора показано на рис. 1.1, г; переменного резистора при реостатном включении – на рис. 1.1, б. УГО подстроечного резистора показано на рис. 1.1, в.

В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяют на проволочные (сопротивление создается обмоткой из нихромового или манганинового провода) и непроволочные, в которых проводящий слой выполнен из специальных материалов (металлодиэлектрические, углеродистые, бороуглеродистые и др.).

Параметры резисторовЮ, производимых промышленностью, приводятся в технической документации и справочной литературе. Рассмотрим основные из них.

Номинальная мощность и предельное напряжение. Под номинальной мощностью (P_н) понимается наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы при сохранении параметров в установленных пределах. Мощность рассеяния зависит от конструкции резисторов, физических свойств материалов и температуры окружающей среды. Наибольшее применение в электронной аппаратуре находят резисторы с P_н, соответствующей стандартному ряду мощностей (в ваттах): 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2, однако специальные типы резисторов могут выполняться на значительно большие или значительно меньшие мощности.

Рабочее напряжение резистора не должно превышать значения, рассчитанного исходя из номинальной мощности P_н и номинального сопротивления R_н:

.

При больших номинальных сопротивлениях это напряжение может достигать таких значений, при которых возможен пробой. Поэтому для каждого типа резисторов с учетом их конструкции устанавливается предельное рабочее напряжение U_пред.

Номинальное сопротивление и допуск. Номинальное сопротивление (R_н) – электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной документации и является исходным для отсчета отклонений от этого значения.

Номинальные значения резисторов стандартизованы. Для постоянных резисторов установлено шесть рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Номинальные значения переменных резисторов соответствуют ряду Е6. Цифра после буквы Е указывает на число номинальных значений в каждом десятичном интервале (см. табл. 1.1). Номинальные сопротивления в каждой декаде соответствуют указанным в таблице числам или числам, полученным умножением их на 10ⁿ, где n – целое положительное или отрицательное число.

Таблица 1.1

Номинальные сопротивления по рядам

Ряд	Числовые коэффициенты
Е6	1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8;
Е12	1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2;
Е24	1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1;

Действительные значения сопротивлений резисторов вследствие погрешностей изготовления могут отличаться от номинальных. Разница между номинальным и действительным сопротивлениями, выраженная в процентах по отношению к номинальному сопротивлению, называется допускаемым отклонением от номинального сопротивления или просто допуском. Стандарты устанавливают ряд допусков, причем большинство постоянных резисторов общего назначения выпускается с допусками 2%, 5%, 10%, 20%.

Температурный коэффициент сопротивления. Температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) называется величина, характеризующая относительное изменение сопротивления при изменении его температуры на один градус Кельвина или Цельсия. ТКС характеризует обратимое изменение сопротивления резистивного элемента вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки. Чем меньше ТКС, тем лучшей температурной стабильностью обладает резистор. Значения ТКС прецизионных резисторов лежат в пределах от единиц до 100·10^–6 1/C, а резисторов общего назначения – от десятков до 2 000·10^–6 1/C.

Функциональная характеристика. К переменным резисторам, применяемым в электронной аппаратуре, часто предъявляются требования по характеру изменения сопротивления в зависимости от положения подвижной части. Так, для регулирования громкости в звуковоспроизводящей аппаратуре необходимо, чтобы сопротивление между подвижным контактом и правым выводом токопроводящего элемента изменялось по показательному (обратнологарифмическому) закону. Только в этом случае наше ухо будет воспринимать изменение громкости как при больших, так и при малых уровнях сигнала пропорционально движению подвижной части резистора. В измерительных генераторах сигналов низкой частоты, где в качестве частотозадающих элементов часто используют переменные резисторы, желательно, чтобы их сопротивление изменялось по логарифмическому или показательному закону. Если это условие не выполнить, шкала генератора получается неравномерной, что затрудняет точную установку частоты.

Функциональная характеристика переменного резистора определяет зависимость сопротивления переменного резистора от положения подвижного контакта. Наиболее распространенные зависимости – линейная А, логарифмическая Б и обратнологарифмическая В (рис. 1.4). Резисторы группы А используют в электронике наиболее широко, поэтому (в отличие от резисторов других групп) характеристику изменения их сопротивления на схемах обычно не указывают.

Система условных обозначений. На резисторах отечественного производства номинальное сопротивление, допускаемое отклонение от него, а если позволяют размеры, и номинальную мощность рассеяния указывают в виде полного или сокращенного (кодированного) обозначения. Единицы сопротивления в кодированной системе обозначают буквами Е (ом), К (килоом) и М (мегаом). Так резисторы сопротивлением 47 Ом маркируют 47Е, 75 Ом –75Е, 12 кОм – 12К, 82 кОм – 82К и т.д. Сопротивления от 100 до 1 000 Ом и от 100 до 1 000 кОм выражают в долях килоома и мегаома соответственно, причем на месте нуля и запятой ставят соответствующую единицу измерения: 180 Ом = 0,18 кОм = К18; 910 Ом = 0,91 кОм = К91; 150 кОм = 0,15 МОм = =М15; 680 кОм = 0,68 МОм = М68 и т.д. Если же номинальное сопротивление выражено целым числом с дробью, то единицу измерения ставят на месте запятой: 2,2 Ом –2Е2; 5,1 кОм – 5К1; 3,3 МОм – 3М3 и т.д.

Кодированные буквенные обозначения установлены и для допускаемых отклонений сопротивления от номинального. Допускаемому отклонению 1% соответствует буква Р, 2% – Л, 5% – И, 10% – С, 20% – В. Таким образом, надпись на корпусе резистора К75И обозначает номинальное сопротивление 750 Ом с допускаемым отклонением 5%; надпись М33В – 330 кОм 20% и т.д.

Обозначение номинального сопротивления и допуска на резисторах иностранного производства обычно выполняется в виде четырех или пяти цветных полосок.

В практике, кроме линейных, иногда используются термозависимые (терморезисторы) и нелинейные (варисторы) резисторы.

Терморезисторы (термисторы) выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменении температуры (медь, платина), или на основе полупроводников. Для этой группы резисторов основной характеристикой является температурная. Величина сопротивления терморезистора определяется двумя факторами: температурой внешней среды и нагревом терморезистора за счет протекания по нему электрического тока. Количество выделяемого тепла и, следовательно, температура резистора не пропорциональны протекающему току, поэтому даже при постоянной температуре окружающей среды ВАХ терморезистора нелинейна. УГО терморезистора прямого подогрева показано на рис. 1.1, д.

В некоторых случаях сопротивление терморезистора меняют за счет его нагрева от специального подогревателя, электрически изолированного от терморезистора. Такие терморезисторы называются подогревными или терморезисторами с косвенным подогревом. Такие терморезисторы предназначены для использования в качестве бесконтактных управляемых сопротивлений в цепях постоянного и переменного тока.

УГОваристора показано на рис. 1.1, е. ВАХ варистора показана на рис. 1.5. Здесь основное влияние на поведение ВАХ оказывает приложенное напряжение и в значительно меньшей степени, чем у термистора – температура. В технических условиях на варисторы обычно приводятся:

U_ном – номинальное напряжение – напряжение, при превышении которого на 20% не наблюдается заметного разогрева;

I_ном – ток, протекающий при U_ном;

 – коэффициент нелинейности, равный отношению статического сопротивления R ₌ = U_ном /I_ном к дифференциальному сопротивлению r_диф = дU_ном / дI_ном в заданной точке характеристики.

Расчет цепей с терморезисторами и варисторами проводится любым из известных методов расчета нелинейных цепей (см. 1.4).

2. Конденсаторы

Конденсатор обладает способностью запасать энергию в электрическом поле своих металлизированных обкладок. Условное графическое обозначение конденсатора постоянной емкости – две параллельные линии – символизирует его основные части: две обкладки и диэлектрик между ними (рис. 1.6, а). Мгновенное значение напряжения на конденсаторе u_С (t) и ток через него i_С (t) связаны известным из курса физики соотношением:

i_С (t) =С∙u_С (t). (1.5)

Как следует из (1.5), при постоянном напряжении на обкладках конденсатора u_С (t) =u_С= const, ток через конденсатор равен нулю, то есть конденсатор представляет собой разрыв в цепи постоянного тока.

Обратное соотношение между током и напряжением для конденсатора:

u_С (t) =∙i_С (t)dt +u(0), (1.6)

где u(0) определяется начальными условиями.

Особенностью конденсатора в переходном режиме является то, что напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно, т.е. напряжение на конденсаторе в момент перед коммутацией u_C (0_– ) и через мгновение после коммутации i_L (0₊) не изменяется:

u_C (0_–) =u_C (0₊) .

Мгновенное изменение напряжения на конденсаторе привело бы (в соответствии с выражением (1.5)) к бесконечно большому импульсу тока, что потребовало бы бесконечно большой мощности источника энергии, а это невозможно.

Базовой единицей измерения величины емкости конденсатора является 1 Ф (Фарад). Поскольку это очень большая величина, в практике употребляются производные величины емкости 1 Ф = 10 ⁶ мкФ = 10 ⁹ нФ = 10 ¹² пФ.

Реальный конденсатор обладает потерями, величина которых зависит от конкретного типа конденсатора и определяется, в основном, качеством использованного при изготовлении элемента диэлектрика. Сопротивление потерь конденсатора r_C растет с частотой. На повышенных частотах может проявиться влияние паразитной индуктивностиL_C,, образованной элементами конструкции конденсатора. На рисунке 1.7 приведены возможные варианты эквивалентных схем замещения конденсатора в зависимости от частоты тока.

При использовании эквивалентной схемы (рис.1.7, в) сопротивление конденсатора

,

где– круговая (угловая) частота.

Из этого уравнения видно, что на частотах, больших , конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность не оказывает серьезного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная рабочая частота 35 МГц, у бумажных – 5080 МГц, а укерамических дисковых – до 2 000 МГц. Конструкция некоторых типов конденсаторов (проходные, опорные) предполагает минимизацию индуктивности L_C.

Основной характеристикой любого конденсатора является его кулон-вольтная характеристика (рис. 1.8), т.е. зависимость зарядаqна обкладках от напряженияu(разности потенциалов) между ними. Если кулон-вольтная характеристика линейна (сплошная линия на рис. 1.8), то конденсатор относится к классулинейных элементов. Отклонение характеристики от линейного поведения (пунктир на рис.1.8) указывает на принадлежность такого элемента к классунелинейных реактивных элементов.

Как и резисторы, конденсаторы разделяют на конденсаторы постоянной емкости, конденсаторы переменной емкости (рис. 1.6, б) и подстроечные (рис. 1.6, в). Наиболее распространены конденсаторы постоянной емкости. Их применяют в колебательных контурах, различных фильтрах, а также для разделения цепей постоянного и переменного тока. Переменные и подстроечные конденсаторы различаются в основном конструктивным выполнением. Переменные конденсаторы имеют ручку, с помощью которой вращается подвижная часть. Их конструкция рассчитана на долговременную работу в режиме вращения ротора. У подстроечных конденсаторов подвижная часть, как правило, имеет шлиц для ее вращения отверткой и не рассчитана на долговременную работу в режиме вращения.

Электрические характеристики, конструкция и область применения конденсаторов зависят от типа диэлектрика между его обкладками. По виду диэлектрика конденсаторы постоянной емкости делят на пять групп:

1. с газообразным диэлектриком (воздушные, вакуумные);

2. с жидким диэлектриком (масляные);

3. с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, слюдяные);

4. с твердым органическим диэлектриком (бумажные, фторопластовые);

5. с оксидным диэлектриком (электролитические и др.).

Для работы в диапазоне звуковых частот, а также для фильтрации выпрямленных напряжений питания необходимы конденсаторы, емкость которых измеряется сотнями и тысячами микрофарад. Такую емкость при достаточно малых размерах имеют оксидные (электролитические) конденсаторы. В них роль одной обкладки (анода) играет алюминиевый или танталовый электрод, роль другой обкладки (катода) – специальный электролит, выводом которого часто служит металлический корпус конденсатора. В отличие от других, большинство типов оксидных конденсаторов полярны, т.е. требуют для нормальной работы поляризующего напряжения. Это значит, что включать их можно только в цепи постоянного или пульсирующего напряжения и только в той полярности (катод к минусу, анод к плюсу), которая указана на корпусе. Невыполнение этого условия приводит к выходу конденсатора из строя, что иногда сопровождается взрывом.

Полярность включения оксидного конденсатора показывают на схемах знаком «+», изображаемым у той обкладки, которая символизирует анод (рис. 1.6, г). Это общее обозначение поляризованного конденсатора. Наряду с этим, оксидный конденсатор можно изображать УГО, в котором положительная обкладка изображается узким прямоугольником (рис. 1.6, д), причем знак «+» в этом случае можно не указывать.

В схемах электронных устройств иногда можно встретить обозначение оксидного конденсатора в виде двух узких прямоугольников (рис. 1.6, е). Это УГО неполярного оксидного конденсатора, который может работать в цепях переменного тока (т.е. без поляризующего напряжения).

К основным параметрам конденсаторов, приводимым в технической документации и справочной литературе, относятся:

1. Номинальная емкость и допускаемое отклонение емкости. Номинальная емкость (С_н) – емкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в сопроводительной документации. Как и сопротивление резисторов, номинальные значения емкостей стандартизованы. Наиболее употребляемые ряды номинальных емкостей Е6, Е12, Е24 приведены в табл. 1.1. Ряд допускаемых отклонений емкостей значительно шире, чем ряд допустимых отклонений резисторов, причем допускаются как симметричные отклонения (0,1%, 1%, 10%), так и несимметричные отклонения (например, группа Ю (Y) допускает отклонение емкости от –10% до +100%). Отклонение в большую сторону может улучшить параметры некоторых электронных устройств или не изменить их, поэтому это допустимо.

2. Номинальное напряжение. Это напряжение (U_н), обозначенное на конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального.

3. Тангенс угла потерь (tg ). Характеризует активные потери энергии в конденсаторе. Значения тангенса угла потерь у керамических высокочастотных, слюдяных и фторопластовых конденсаторов лежат в пределах (10  15)·10^–4, керамических низкочастотных – 0,035, оксидных конденсаторов – (5  30%). Величина, обратная тангенсу угла потерь, называется добротностью конденсатора.

4. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Это параметр, применяемый для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры, определяет относительное изменение емкости (в миллионных долях) от температуры при изменении ее на один градус Цельсия. Слюдяные и полистирольные конденсаторы имеют ТКЕ в пределах (50  200)·10^–6 1/ºC. Промышленность выпускает конденсаторы как с положительным, так и с отрицательным ТКЕ. По значению и знаку этого параметра конденсаторы разделяются на группы, которым присвоены соответствующие буквенные обозначения и цвет окраски корпуса.

5. Система условных обозначений. Номинальную емкость и допустимое отклонение от нее, а в некоторых случаях и номинальное напряжение указывают на корпусах конденсаторов. В зависимости от их размеров номинальную емкость и допускаемое отклонение указывают в полной или сокращенной (кодированной) форме. Полное обозначение емкости состоит из соответствующего числа и единицы измерения, причем, как и на схемах, емкость от 0 до 9 999 пФ указывают в пикофарадах (22 пФ, 3300 пФ и т.д.), а от 0,01 до 9 999 мкФ – в микрофарадах (0,047 мкФ, 100 мкФ и т.д.). В сокращенной маркировке единицы измерения емкости обозначают буквами П (пикофарад), М (микрофарад) и Н (нанофарад). При этом емкость от 0 до 100 пФ обозначают в пикофарадах, помещая букву П либо после числа (если оно целое), либо на месте запятой (4,7 пФ – 4П7; 22 пФ – 22П; и т.д.). Емкость от 100 пФ до 0,1 мкФ обозначают в нанофарадах, а от 0,1 мкФ и выше – в микрофарадах (180 пФ – Н18; 0,33 мкФ – М33; 1 500 пФ – 1Н5; 6,8 мкФ – 6М8; 0,01 мкФ – 10Н; 20 мкФ – 20М и т.д.). Для указания допускаемого отклонения емкости от номинального значения используют те же кодированные обозначения, что и для резисторов.