Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I_ут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, I_ут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление — R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague (англ.)).

Некоторые схемы (например, стабилизаторы напряжения) могут требовать определенного диапазона ESR конденсаторов в своих цепях. Это связано с учетом этого параметра в фазочастотной характеристике (ФЧХ) цепи обратной связи стабилизатора, влияющей на устойчивость и качество переходных процессов.

Существуют специальные приборы (ESR-метры) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр) — часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора, стоит ли использовать его в определённой схеме, или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.

Эквивалентная последовательная индуктивность — L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. Результатом этой распределенной паразитной индуктивности является превращение конденсатора в колебательный контур с характерной собственной частотой резонанса. Эта частота может быть измерена и обычно указывается в параметрах конденсатора либо в явном виде либо в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

Саморазряд

С течением времени конденсатор теряет энергию за счёт саморазряда.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол где δ — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная tg δ называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвин). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

,

где — увеличение температуры в °C или К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическая абсорбция

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение на обкладках снова появится как если бы мы разрядили конденсатор не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.

Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т.п..

Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени закорочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.

Особое внимание в связи с эффектом следует уделять измерительным цепям постоянного тока: прецизионным интегрирующим усилителям, устройствам выборки-хранения, некоторым схемам на переключаемых конденсаторах.

Пьезоэффект

Многие керамические материалы обладают пьезоэффектом — способностью генерировать разность потенциалов при механических деформациях. Диэлектрики некоторых керамических конденсаторов также могут обладать таким свойством. Обычно это проявляется в возникновении помех в электрических цепях вследствие шума или вибрации.

Самовосстановление

В некоторых типах конденсаторов в месте пробоя изоляции прогорают обкладки — и конденсатор продолжает работать с незначительно уменьшенной ёмкостью.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

Катушки связи 

Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели 

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.^[2][3] Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

3. Электронно-дырочный переход и его свойства. Классификация полупроводниковых приборов.

Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричные и несимметричные, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает. Классификация полупроводниковых приборов: Биполярные приборы: Диоды( Возможные применения: выпрямление переменного тока, преобразование и генерация сигналов.), Биполярные транзисторы, Тиристоры(Это - активный прибор, предназначенный для работы в качестве быстродействующего электронного ключа. В выключенном состоянии (off) тиристор обладает большим сопротивлением и ток через него чрезвычайно мал, во включенном состоянии сопротивление тиристора мало и проходящий через него ток может быть большим.), Униполярные приборы: Полевые транзисторы(Полевые транзисторы можно разделить на две большие группы: полевые транзисторы с управляющим pn - переходом и полевые транзисторы со структурой металл-диэлектрик полупроводник (МДП). Поскольку в качестве диэлектрика часто используется окисел кремния, поэтому транзисторы этого типа называют еще МОП - транзисторами. (по первым буквам сочетания слов: металл - окисел - полупроводник). Для обозначения подкласса полевых транзисторов используется буква П. Эти транзисторы выполняют те же функции, что и биполярные, для них в классификационном обозначении используется тот же элемент, что и для биполярных транзисторов).

4.Полупроводниковые диоды. Классификация. ВАХ диода.

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Классификация: По назначению: Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный, Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных -режимах работы, Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала, Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты, Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности, Параметрические, Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения, Умножительные, Настроечные, Генераторные.

Типы диодов по частотному диапазону: Низкочастотные, Высокочастотные, СВЧ.

Типы диодов по размеру перехода: Плоскостные, Точечные.

Типы диодов по конструкции: Диоды Шоттки, СВЧ-диоды, Стабилитроны, Стабисторы, Варикапы, Светодиоды, Фотодиоды,

Pin диод, Лавинный диод, Лавинно-пролётный диод, Диод Ганна, Туннельные диоды, Обращённые диоды.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов, поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса.

5.Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы. Классификация. Параметры. Схемы включения.

Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. Параметры: Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот. Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность. Минимально допустимый ток стабилизации - минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации.Минимально допустимый ток стабилизации - минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации. Минимально допустимый ток стабилизации - минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации.

Стаби́стор (ранее нормистор) — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации[1], которое составляет примерно 0,7 В.

6. Варикапы. Магнитодиоды. Туннельные диоды. Свойства. Область применения.

Варикап - полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Магнитодиод - полупроводниковый прибор с p-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника. Действие прибора основано на магнитодиодном эффекте.

Туннельный диод - полупроводниковый диод, содержащий p-n -переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Эти диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, — до 30...100 ГГц.

7. Динисторы, тиристоры, симисторы. Параметры. ВАХ. Область применения.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости. Приминение: Электронные ключи. Управляемые выпрямители. Преобразователи (инверторы). Регуляторы мощности (диммеры). Вах тиристоров: Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. При достижении напряжения VG, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Симиcтop - полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока.

Вольт-амперная характеристика симистора: ВАХ симистора представляет собой симметричную кривую.

8. Полупроводниковые транзисторы. Классификация. Биполярные транзисторы. Основные параметры.

По основному полупроводниковому материалу: Германиевые, Кремниевые, Арсенид-галлиевые. По структуре: Полярные и биполярные. Полярные (p-n-p и n-p-n переход). Биполярные (p-n переход - с каналом n типа и с каналом p типа, с изолированным затвором –со встроенным каналом, с индуцированным каналом ). По мощности: маломощные транзисторы до 100 мВт. Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт. Мощные транзисторы (больше 1 Вт). По исполнению: дискретные транзисторы, корпусные(Для свободного монтажа, Для установки на радиатор, Для автоматизированных систем пайки), бескорпусные транзисторы в составе интегральных схем. По материалу и конструкции корпуса: металло-стеклянный, пластмассовый, керамический. Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Основные параметры: Коэффициент передачи по току. Входное сопротивление. Выходная проводимость. Обратный ток коллектор-эмиттер. Время включения. Предельная частота коэффициента передачи тока базы. Обратный ток коллектора. Максимально допустимый ток.

9. Схемы включения транзистора с ОЭ, с ОК, с ОБ. Сравнительная характеристика.

Схема включения с общим эмиттером

Важной характеристикой является входное сопротивление Rвх, которое определяется по закону Ома:

Схема включения с общей базой.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше еденицы:

,

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается и определяется: .

Схема включения с общим коллектором.

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен ki, т. е. нескольким десяткам.

10. Статические и динамические характеристики биполярного транзистора.

Статическими характеристиками называются зависимости между входными и выходными токами и напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки. Каждая из схем включения транзистора характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:

1.Входные характеристики

2. Выходные характеристики

3. Характеристика обратной связи по напряжению:

4. Характеристика передачи по току:

Динамические характеристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время переключения транзистора из одного состояния в другое. В тоже время для усилительного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот. Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 3.8. При включении транзистора (рис. 3.8 а) в его базу подается прямоуголь­ный импульс тока с крутым фронтоном. Ток коллектора достигает установивше­гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задер­жки tзад спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени tнар достигает установившегося значения Iк.вкл. таким образом: tвкл = tзад+tнар, где tвкл – время включения транзистора.

Рис. 3.8. Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным 1б.вык. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания tрас. После оконча­ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени tсп. Таким образом, время выключения транзистора равно. tвык= tрак+ tсп.

11. Полевые транзисторы. Классификация. Принцип работы. Статические характеристики. Область применения.

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения. Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора). Транзисторы с управляющим p-n переходом- это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении. Полевой транзистор с изолированным затвором((МДП-транзисторы) — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор). В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

12. Интегральные схемы. Классификация. Условные обозначения. Область применения.

Интегра́льная (микро)схе́ма- электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Интегральные микросхемы, в зависимости от технологии изготовления, могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными. Полупроводниковая микросхема – микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочная микросхема – микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Гибридная микросхема – микросхема, содержащая, кроме элементов, простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой – линейная микросхема. С помощью цифровых микросхем преобразуются, обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем являются логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом. Обозначение микросхемы, по принятой системе, должно состоять из четырех элементов. Первый элемент – цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Второй элемент – две-три цифры, присвоенные данной серии как порядковый номер разработки. Третий элемент – две буквы, соответствующие подгруппе и. Четвертый элемент – порядковый номер разработки микросхемы в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку микросхем. Он может состоять как из одной цифры, так и из нескольких.

В качестве примера рассмотрим условное обозначение полупроводниковой микросхемы серии 1554ИР22.

13. Устройства отображения информации. Классификация.

К устройствам отображения информации относятся прежде всего мониторы, а также устройства, ориентированные на решение мультимедийных или презентационных задач: устройства формирования объемных (стереоскопических) изображений и проекторы. Средства отображения информации должны обеспечивать взаимодействие элементов автоматизированной системы диспетчерского управления, относящейся к классу систем "человек-техника". Средства отображения информации по числу пользователей можно классифицировать: на индивидуальные и коллективные; по конструктивному оформлению - на индикаторы, табло, мониторы, панели и экраны; по типу используемых для отображения элементов - на бленкерные, на лампах накаливания, светодиодные, электролюминесцентные, жидкокристаллические, плазменные, электронно-лучевые.