Электроника и микропроцессорная техника

Пассивные элементы электронных устройств

Электронная аппаратура — это совокупность радиокомпонентов, несущих конструкций и монтажных соединений, объединенных в общую конструкцию или комплекс. Компоненты по своему назначению подразделяют на пассивныеиактивные. К пассивнымкомпонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, переключатели, реле и др. К активнымкомпонентам относятся приборы на базе p-n переходов, МОП-структур, вторичные источники питания.

Резисторы — это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. В цепях переменного тока резисторы не вносят сдвига фаз между током и напряжением и в связи с этим их сопротивление часто называют «активным». По назначению резисторы делят на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высокомегомные, высоковольтные, специального назначения. По эксплуатационным характеристикам резисторы могут быть термостойкими, влагостойкими, вибро- и ударопрочными, высоконадежными. По виду токопроводящего элемента резисторы подразделяют на проволочные и непроволочные. В проволочных резисторах токопроводящим элементом является намотанная на каркас проволока, изготовленная из материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением. В непроволочных резисторах токопроводящим элементом является углерод, металлы, их сплавы или окислы, либо композиции проводников и диэлектриков, выполненные в виде тонкой пленки или объема. По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяют на постоянные, переменные и подстроечные.

К основным параметрам резисторов относятся:

1. Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение. Под номинальным сопротивлением понимают значение сопротивления, на которое рассчитан резистор и которое указывается на резисторе или в сопроводительной документации. Выпускаются резисторы по стандартным шкалам номинальных значений с регламентированными классами точности. Класс точности резисторов определяется относительным отклонением от номинала в процентах. Основная единица  измерения сопротивления резисторов – Ом и кратные ей в сторону увеличения : килоом — КОм (множитель 10³ или буква Е),мегаом (10⁶ или М),гигаом (10⁹ или Г), тераом (10¹² или Т). Номиналы резисторов определяются стандартными рядами базовых чисел, например, ряд Е3 содержит три базовых числа 1; 2,2; 4,7 ,это значит, что сопротивления резисторов этого ряда  будут иметь значения равные числу ряда умноженному на 10ⁿ ,где n – целое число в диапазоне от –2 до +9.Всего таких рядов –7: Е3,6,12,24,48,96,192, резисторы класса точности ?± 5% выпускаются в соответствии с рядами Е3 – Е24, более высокого класса точности соответствуют рядам Е48 – Е192. Классы точности резисторов также стандартизованы и находятся в пределах от .±0,001% до .±30%,наиболее употребительны  классы ±5 – 10%.

2. Номинальная мощность рассеивания. Под номинальной мощностью рассеивания понимают максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке в нормальных условиях без изменения электрических параметров выше норм, указанных в технических условиях на него. Промышленность выпускает резисторы с номинальными мощностями рассеивания от 0,001 до 500 Вт.значения мощностей стандартизированы, наиболее часто используются в электронных схемах резисторы мощностью 0,125 –0,25 –0,5 –1 –2 Вт.

3. Предельное рабочее напряжение. Под предельным рабочим напряжением понимают максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий на электрические параметры.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этот параметр характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в 1/°С.

ТКС= ?R/R₀?t, [1/⁰С]

где ?R — абсолютное изменение сопротивления резистора (Ом) под влиянием температуры, R₀ — сопротивление резистора (Ом) при нормальной температуре t_0.

5. Уровень собственных шумов. Шум представляет собой переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения резистора, что создает помехи для прохождения сигнала и ограничивает чувствительность приемных трактов электронной аппаратуры. Собственные шумы резисторов имеют двоякую природу: это так называемые «тепловые» и «токовые» шумы. В переменных резисторах наблюдаются шумы, вызванные изменением сопротивления контактной пары за счет меняющегося во времени давления между контактами.

Отечественная промышленность выпускает следующие резисторы:

• общего назначения (МЛТ, ОМЛТ, С2-6, С2-8, С2-11, С2-22 и др.),
• прецизионные (ОМЛТ, МГП, С2-1, С2-13, С2-14, С2-31 и др.),
• высокомегомные (КВМ, КЛМ, С3-10, С3-14 и др.),
• высоковольтные (КЭВ, С3-9, С3-14 и др.),
• высокочастотные (С2-10, С2-34, С3-8 и др.).

Номенклатура подстроечных и регулировочных резисторов также достаточно велика (СП5-1, СП5-6, РП-25, РП-80, СП5-21 и др.).  Тип материала резистора  указывается в его обозначении, а именно: С1 — углеродистый, С2 — металлопленочный, С3 — пленочный композиционный, С4 — объемный композиционный, С5 — проволочный. Для переменных резисторов этих же видов вместо буквы С пишут буквы СП. Для ранее выпущенных типов резисторов остались старые обозначения: например МЛТ — металлопленочные лакированные теплостойкие, КИМ — композиционные изолированные малогабаритные и т.п.

Проволочные резисторы обладают повышенной температурной стабильностью и термостойкостью. Основными недостатками проволочных резисторов являются ограниченный диапазон сопротивления (до сотен кОм) и высокая стоимость.

Переменные резисторы общего назначения в большинстве случаев относятся к композиционным непроволочным резисторам.

Прецизионные резисторы применяют в точной измерительной аппаратуре и ответственных цепях аппаратуры специального назначения. Часто их используют как элементы магазинов сопротивлений, в цепях делителей и шунтов повышенной точности.      К группе высокочастотных относятся резисторы, выполняющие свои функции без существенного изменения сопротивления на частотах более 10 МГц . Условные графические обозначения резисторов на принципиальных электрических схемах (УГО) приведены на    рис. 1

Рис.1 УГО резисторов

а) резистор постоянный 0,125 Вт            б) резистор переменный

Пример обозначения резистора в конструкторской документации: С2-11-0,25-100 к ±5%
(резистор постоянный-металлоплёночный — 11^ой серии — 0,25Вт — 100 К — класс точности 5%).

Рис.2 Вольт-амперная характеристика варистора

Резисторы специального назначения относятся к компонентам, принцип работы которых основан на изменении сопротивления в зависимости от приложенного напряжения (варисторы), освещенности (фоторезисторы), температуры (термисторы) и др., их обычно применяют в качестве измерителей, стабилизаторов, датчиков и преобразователей различного рода сигналов в электрические сигналы. На рис.2 показана вольт-амперная характеристика варистора, с увеличением приложенного к варистору напряжения его сопротивление уменьшается за счёт увеличения электропроводности оксидных пленок между зёрнами материала варистора (SiC) На рис.3 показано УГО варистора.

На рис.4 показана  вольт-амперная характеристика фоторезистора при различных величинах облучающего светового потока, с увеличением светового потока проводимость
полупроводникового материала фоторезистора (CdS)   в связи с генерацией  дополнительных носителей заряда возрастает , что приводит к увеличению фототока, на рис.5 приведено УГО фоторезистора.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика фоторезистора

Рис.5 УГО фоторезистора

Основным параметром фоторезистора является чувствительность  к световому потоку, выражаемая как S= I_ф/Ф (А/люмен), пример обозначения в конструкторской документации – ФСК – Г1.

Терморезисторы  применяются в основном в качестве датчиков температуры, наибольшее распространение получили полупроводниковые терморезисторы (термисторы) на основе германия или его сплавов с редкоземельными элементами. Достоинства  этих резисторов: малые габариты и инерционность, высокое начальное сопротивление, большой ТКС. Недостаток – нелинейность характеристики : R_t = Ае^В/t , где t-температура, А,В – параметры материала, на рис.6 приведена термо-характеристика термистора с отрицательным значением ТКС, наиболее часто встречающегося на практике, существуют термисторы с положительным ТКС (позисторы).Примерный диапазон значений ТКС: 0,02-0,08  1/⁰С, пример обозначения термистора: СТ 3 – 14 – бусинковый .

Рис.6. УГО термистора

Рис.7. Термо–характеристика термистора

На принципиальных электрических схемах УГО резисторов сопровождается буквой R с порядковым номером элемента.

Конденсаторы по применению в электронной аппаратуре занимают второе место после резисторов. Принцип работы конденсаторов основан на их способности накапливать электрический заряд на обкладках при приложении к ним разности потенциалов. По материалу диэлектрика различают три основные группы конденсаторов: с газообразным, жидким и твердым диэлектриком. К первой группе относятся переменные и полупеременные воздушные конденсаторы и постоянные газонаполненные.  Ко второй группе относят маслонаполненные конденсаторы и конденсаторы с синтетической жидкостью, которые имеют ограниченное применение в электронной аппаратуре. К третьей группе относят:

• конденсаторы с неорганическим диэлектриком
• керамические,
• слюдяные,
• стеклоэмалевые,
• стеклокерамические,
• стеклянные,
• конденсаторы с органическим диэлектриком
• бумажные,
• металлобумажные,
• лакопленочные,
• конденсаторы с оксидным диэлектриком
• электролитические алюминиевые,
• танталовые,
• оксидно-полупроводниковые.

Наиболее распространенными являются конденсаторы третьей группы.

К основным параметрам конденсаторов относятся номинальное значение емкости конденсатора и допустимое отклонение действительной емкости от номинального значения (класс точности). Конденсаторы выпускают по I, II и III классам точности, что соответствует допускам ± 5%, ± 10% и ± 20%.

Влияние температуры на емкость конденсаторов характеризуется температурным коэффициентом емкости ТКЕ (1/°С).

ТКЕ = ?С/С₀Dt,[1/⁰С]

где С₀ – емкость конденсатора при нормальной температуре, ?С — изменение емкости под влиянием температуры.

Основная единица измерения  ёмкости конденсаторов – фарада, применяются на практике кратные ей в сторону уменьшения единицы: микрофарада — мФ (10^-6) ,нанофарада-нФ (10^-9), пикофарада – пФ (10^-12).Номинальные значения емкостей назначаются аналогично резисторам в соответствии с рядами Е3,Е6 и тд.

Промышленность выпускает следующие типы конденсаторов.

Высокочастотные конденсаторы

• керамические,
• слюдяные,
• стеклоэмалевые,
• стеклокерамические,
• стеклянные.

Они имеют малую паразитную индуктивность и незначительные потери в диэлектрике, обладают высокой стабильностью (10^-5 1/°С), высокой точностью (до ±2%), малыми габаритами и массой, а также термостойкостью.

Низкочастотные конденсаторы постоянной емкости. В цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов низкой частоты применяют конденсаторы большой номинальной емкости в качестве разделительных, блокировочных и фильтровых. К таким типам конденсаторов относятся

• бумажные,
• металлобумажные,
• электролитические,
• оксидно-полупроводниковые,
• пленочные конденсаторы.

Конденсаторы переменной емкости. Они предназначены для перестройки рабочей частоты электронной аппаратуры в процессе ее эксплуатации. В таких конденсаторах, изменяя угол поворота роторных пластин относительно статорных, можно изменять емкость между ними.

Конденсаторы специального назначения. К ним относятся вариконды и варикапы. Вариконды представляют собой сегнетокерамические конденсаторы, имеющие резко нелинейную зависимость величины ёмкости от приложенного напряжения. Вариконды используют для управления параметрами цепей (умножители частоты и т.д.). В варикапах используют свойство р-п-перехода изменять свою толщину при переменном модулирующем и постоянном запирающем напряжениях. Варикапы применяют для частотной модуляции в диапазоне УКВ, а также для автоматической подстройки резонансной частоты колебательных контуров. На рис.8 показаны условные графические изображения конденсаторов различного назначения ,применяемые в конструкторской документации.

Пример записи конденсаторов в конструкторской документации:
К10 –17 –400В –0,1мФ ±10%, где:
К – постоянный,10-керамический, серия параметров,
400В –допустимое напряжение,
0,1 мФ — значение емкости, ±10%, — класс точности.

На схемах УГО конденсаторов снабжается буквой С с порядковым номером элемента.

Катушками индуктивности называют элементы аппаратуры, предназначенные для запасания энергии электромагнитного поля. Катушки индуктивности делятся:

по назначению — на катушки колебательных контуров, гетеродинов, преобразователей частоты и др.;

по уровню стабильности — на катушки индуктивности с высокой стабильностью (для фильтров электрических сигналов, катушек связи и т.д.), а также с низкой стабильностью (катушки для оказания большого сопротивления переменному току);

по частотному диапазону – на катушки индуктивности для ультракоротких, коротких, средних и длинных волн;

>по возможности регулировки – на катушки с постоянной и переменной индуктивностью (вариометры).

К основным параметрам катушек индуктивности относятся:

— номинальная индуктивность катушки (L) – коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока в катушке и э.д.с. самоиндукции. Основная единица измерения индуктивности – Генри, кратные ей в сторону уменьшения : милли и микро генри;

— добротность — характеризует относительный уровень активных потерь в обмотке катушки и  сердечнике;

—  собственная емкость – является паразитным параметром катушки. Она проявляется в области высоких частот и зависит от вида намотки и числа витков.

Промышленность выпускает несколько типов катушек индуктивности. Катушки индуктивности без сердечников, которые делятся на катушки УКВ и КВ диапазона. Они обладают небольшой индуктивностью (до 200 мкГн), большой добротностью (до 100), высокой стабильностью (ТК_L ? 150 x 10^-6 1/град).

Катушки индуктивности СВ и ДВ диапазона обладают большей индуктивностью (более 500 мкГн), меньшей добротностью, повышенным значением собственной емкости (до 70 пФ), ТК_L > 10^-6 1/град. Большая индуктивность катушки обеспечивается изготовлением многослойной обмотки.

Применение сердечников из ферромагнитных материалов приводит к увеличению индуктивности катушек, уменьшению их габаритов, увеличению добротности и возможности их подстройки.

Трансформаторы и дроссели представляют собой катушки индуктивности, в конструкциях которых предусмотрены замкнутые магнитные цепи (магнитопроводы). Как по конструкции, так и по ряду электрических параметров дроссели имеют много общего с трансформаторами.

Трансформатор – это электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки, которое предназначено для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.  При классификации трансформаторов их разделяют на группы, обладающие общими свойствами и выполняющие близкие функции.

   Трансформаторы питания — предназначены для преобразования переменного напряжения первичного источника в любые другие значения напряжения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры

Трансформаторы согласования — предназначены для передачи переменных электрических сигналов, несущих полезную информацию, для изменения уровня напряжений (токов) при сохранении мощности и минимальном искажении сигнала. Вместе с активными элементами, например транзисторами, эти трансформаторы входят в состав усилителей мощности, используемых для передачи речи и музыки, спектр частот которых находится в пределах от (30-50) Гц до (3-20) кГц. Основное требование, предъявляемое к ним, – обеспечение минимальных или допустимых искажений передаваемого сигнала.

Импульсные трансформаторы. Их основное назначение состоит в том, чтобы под влиянием токов (напряжений), действующих в первичной обмотке, вырабатывать на выходе короткие импульсы заданной формы или трансформировать импульсы с необходимым изменением напряжения и тока.

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции: переменное магнитное поле тока в первичной обмотке вызывает появление ЭДС индукции во вторичной обмотке. Отношение абсолютных значений напряжений U₂ и U₁ на концах вторичной и первичной обмоток при холостом ходе называют коэффициентом трансформации:

 ,

w₁ и w₂ – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

К основным параметрам трансформаторов независимо от их назначения относятся: индуктивность первичной обмотки L₁, индуктивность рассеивания L_S, собственная емкость обмоток  трансформатора С₀,  активное сопротивление обмоток R, коэффициент полезного действия КПД и коэффициент трансформации N. Коэффициент трансформации может быть равным, больше или меньше единицы, а для многообмоточного трансформатора он может иметь несколько значений. Для высококачественной работы трансформатора желательно иметь малые L₁, C₀, R, L_S.

Одной из разновидностей катушек индуктивности являются дроссели. Различают дроссели высокой частоты и низкой.

Дроссели высокой частоты — это катушки индуктивности, предназначенные для увеличения сопротивления цепи. Дроссели этого типа обладают значительной индуктивностью (от сотен микрогенри до единиц миллигенри) и малой емкостью. Промышленность выпускает дроссели, намотанные на ферритовые стержни и опрессованные пластмассой.

Дроссели низкой частоты предназначены для уменьшения пульсаций выпрям-
ленного напряжения. Они входят в состав сглаживающих и низкочастотных LC-фильтров. Сопротивление дросселя постоянному току мало. Конструктивно их выполняют на магнитных сердечниках, с одной обмоткой. Реле – это элемент электронной аппаратуры, предназначенный для коммутации электрических цепей. По принципу работы реле делятся на электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные и электротермические. Наибольшее распространение получили электромагнитные реле. В  зависимости от вида коммутируемого тока они делятся на реле постоянного и переменного тока, от времени срабатывания — на быстродействующие (не более 0,005 с), нормальные (от 0,005 с до 0,015 с) и замедленные (более 0,015 с), от мощности срабатывания — на мощные контакторы и слаботочные реле для микроэлектронной аппаратуры.

К основным параметрам реле относятся:

— ток (напряжение) срабатывания — минимально необходимое значение тока (напряжения), при котором тяговое усилие электромагнита будет больше суммы противодействующих сил: силы, развиваемой возвратной пружиной, сил деформации контактных пар и трения,

— ток (напряжение) отпускания — максимально необходимое значение тока (напряжения), при котором тяговое усилие станет меньше суммы противодействующих сил. Ток отпускания реле всегда меньше тока срабатывания.

— время срабатывания (отпускания) — интервал времени от момента подачи напряжения (тока) в обмотку реле до момента коммутации контактов,

—   срок службы — число допустимых переключений контактов реле, при котором обеспечивается заданная по его техническим условиям  надежность.

На рис.9 приведены УГО элементов на базе индуктивностей с буквенными символами, применяемыми при оформлении электрических схем.