Пассивные компоненты электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

(УрГУПС)

Кафедра «Системы передачи информации»

Реферат

«Пассивные компоненты электронных устройств»

Выполнил студент

гр. 212и

Ю.А. Шамсутдинов

Проверил:

В.А. Шаурмов

Омск 2013

Содержание

Введение

1. Пассивные проводниковые компоненты электронных устройств

1.1 Резисторы

1.2 Электрические конденсаторы

1.3 Катушки индуктивности

1.4 Трансформаторы электронной аппаратуры

Введение

За последние сорок лет в создании новых электронных приборов и систем различного назначения наблюдалось стремительное развитие, которое привело к значительным изменениям во многих отраслях науки и техники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные устройства или автоматика и вычислительная техника. Это и радиоэлектронные системы, предназначенные для решения сложных комплексных задач, и изделия, имеющие особые эксплуатационные назначения и выполняющие отдельные функции и изделия вычислительной техники, встроенные в приборы и системы или подключаемые к ним.

В развитии радиоэлектронных приборов и систем на протяжении многих лет остается стабильным только одно - непрерывное совершенствование эксплуатационных показателей и показателей функционального назначения.

Разработка и эффективное применение электронной аппаратуры невозможны без знания физических принципов действия основных радиоэлектронных компонентов, их номенклатуры и особенностей. Поэтому изучению дисциплины "Физические основы электронной техники" обычно уделяется повышенное внимание.

Дисциплина "Физические основы электронной техники" призвана сформировать у студентов понимание физического принципа действия радиоэлектронных компонентов, их параметров, основных характеристик и взаимодействия друг с другом в электронных схемах.

1. Пассивные проводниковые компоненты электронных устройств

электронный проводниковый резистор конденсатор

1.1 Резисторы

Резисторы - это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

В зависимости от назначения резисторы подразделяются на две группы:

1) общего назначения (диапазоны номиналов 1 Ом - 10 МОм, номинальные мощности рассеивания 0,062 100 Вт);

2) специального назначения, которые подразделяются на: а) высокоомные резисторы (от десятков мегаом до сотен тераом, рабочее напряжение

100-400 В); б) высоковольтные (сопротивления до 10^1l Ом, рабочее напряжение единицы - десятки киловольт); в) высокочастотные (имеют малые собственные емкости и индуктивности); г) прецизионные (повышенная точность - допуск 0,001 1 %, стабильность, номиналы 0,1 Ом 10 МОм, номинальные мощности рассеивания до 2 Ватт).

Переменные резисторы подразделяются на подстрочные и регулировочные.

Подстрочные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные - для проведения многократных регулировок. Они отличаются большей износоустойчивостью (более 5000 циклов) и в зависимости от характера изменения их сопротивлений при перемещении подвижной части делятся на резисторы с линейной А и нелинейной функциональными характеристиками: логарифмической Б, обратнологарифмической В, характеристиками типа И, Е (рис. 1.1, а, б).

Рис. 1.1 Функциональные характеристики переменных резисторов: а - линейная (А); логарифмическая (Б); антилогарифмическая (В); б - характеристики типа И, Е; _П и - полный и текущий углы поворота подвижной части; R_П и R - полное и текущее значения сопротивления

Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки, осажденной на поверхность изоляционного основания; проволоки или микропроволоки; объемной конструкции.

В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяют:

- на проволочные;

- непроволочные;

- металлофольговые (проводящий элемент выполнен из фольги, нанесенной на непроводящие основания).

У проволочных и металлофольговых резисторов в качестве материала проводящего элемента используют манганин и нихром.

Непроволочные резисторы можно подразделить на следующие группы:

а) углеродистые и бороуглеродистые (проводящий элемент - пленка пиролитического углерода или его соединений, осажденная на непроводящее основание);

б) металлодиэлектрические, металлопленочные или металлооксидные (проводящий элемент - микрокомпозиционный слой из диэлектрика и металла или пленки из металла, оксида металла или его сплавов;

в) композиционные (проводящий элемент - гетерогенная система из нескольких компонентов, один из которых проводящий, например графит или сажа);

г) полупроводниковые (проводящий элемент выполнен из полупроводникового материала).

По конструктивному исполнению резисторы изготовляют в нормальном и тропическом (всеклиматическом) вариантах и выполняют в следующих видах:

- неизолированными (касание токоведущих частей не допускается), изолированными (касание токоведущих частей допускается);

- герметизированными, в том числе и вакуумными (герметично изолированными от окружающей среды).

У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений носителей зарядов (электронов) внутри твердого тела. Их среднюю мощность определяют из формулы Найквиста:

где К = 1,3810^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; f - полоса частот, в которой измеряется мощность

f₂, f₁ - соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот, в которой работает резистор.

Действующее значение напряжения шумов связано с их мощностью уравнением



При температуре Т = 293 К это уравнение имеет вид

где сопротивление R берется в килоомах, диапазон частот f - в килогерцах, действующее значение напряжения шума U_Ш - в микровольтах.

Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер.

Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении к нему электрического напряжения. Действующее значение напряжения U_Ш этих шумов в первом приближении находят из уравнения

где К₁ - постоянный для данного резистора параметр; U - постоянное падение напряжения на резисторе; f₂ и f₁ - соответственно верхняя и нижняя частоты, в полосе которых определяется шум.

Уровень токовых шумов оценивают отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе, измеренной в полосе частот

f = f₂ - f₁,

Основная причина появления этого шума - временное изменение объемной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами проводника, имеющего зернистую структуру.

Значения шумов у непроволочных резисторов в зависимости от группы, на которые их иногда разделяют, находятся в пределах 1 мкВ/В (группа А) или

5 мкВ/В (никак не обозначается). У регулируемых резисторов этот показатель значительно выше и достигает значений 50 мкВ/В (у резисторов типа СП). Приведенные цифры обычно задаются для полосы частот от f₁ = 60 Гц до f₂ = 6 кГц, т.е. для двух декад. У проволочных резисторов значения шумов при тех же f₁ и f₂ порядка 0,1 мкВ/В.

При расчете суммарного шума электрической цепи, содержащей несколько резисторов, источники шумов обычно считают некоррелированными и при этом пользуются уравнением

где , - напряжения токовых шумов n-го резистора; , - напряжения тепловых шумов n-го резистора.

В эквивалентную схему резистора (рис. 1.2) кроме сопротивления R входят конденсатор С и индуктивность L. Это обусловлено тем, что любой реальный резистор, даже выполненный в виде прямолинейного бруска, имеет определенную индуктивность. Емкость появляется между участками резистора, а также между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность и емкость имеют распределенный характер. Однако для упрощения это обычно не учитывают и используют одну из эквивалентных схем, показанных на рис. 1.2, а, б.

Рис. 1.2 Эквивалентные схемы резисторов

Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей, так и к некоторому изменению эквивалентного значения активной составляющей. Кроме того, в проволочных резисторах из-за проявлений поверхностного эффекта сопротивление изменяется при повышении частоты. Это существенно проявляется с установления частоты в несколько мегагерц. Но в точных устройствах поверхностный эффект следует учитывать с частоты в несколько килогерц. Так, сопротивление медного провода диаметром 1 мм при f = 10 кГц увеличивается на 0,01 %.

Относительная частотная погрешность у резистора

где Z - полное сопротивление резистора на интересующей частоте f.

На практике, как правило, значения L и С неизвестны. Поэтому для некоторых резисторов в технических условиях приводят значение обобщенной постоянной времени

где каждая из постоянных времени (_L = L/R и _C = RC) связана с относительной частотной погрешностью сопротивления приближенным уравнением



Частотные характеристики у непроволочных резисторов значительно лучше, чем у проволочных. Так у высокоомного проволочного резистора С5-15. мкс, а у резистора типа С2-33 .

При длительной эксплуатации происходит старение резисторов и их сопротивление изменяется. Так например, у резисторов типа С2-6 сопротивление может измениться до ± 20 % после 15 000 ч работы. У некоторых типов резисторов после их выдержки в течение нескольких часов при повышенной температуре сопротивление не возвращается к начальному значению.

Номинальное сопротивление резистора должно соответствовать одному из шести рядов (ГОСТ 2825-67, 10318-80): Е6, Е12, Е24; Е48; Е96; Е192.

Значение сопротивления находят умножением или делением на 10ⁿ, где

п - целое положительное число или нуль, чисел номинальных величин, входящих в состав ряда. Их количество определяется цифрой, стоящей после буквы Е. Так например, для ряда Е6 эти числа равны 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8.

Ряд допускаемых отклонений также нормализован. Допуски указываются в процентах в соответствии с рядом ±0,001; ±0,002; ±0,005; ±0,02; ±0,05; ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1,0; ±2,0; ±5,0; ±10; ±20; ±30.

Значение сопротивления некоторых типов резисторов может меняться в зависимости от приложенного напряжения. Причиной этого является зависимость концентрации носителей заряда и их подвижности от напряженности электрического поля. Учитывают это явление с помощью коэффициента напряжения

где R1 и R2 - сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих десятипроцентной и стопроцентной номинальной мощности рассеяния резистора соответственно.

Значение K_U может достигать единиц - десятков процентов.

Система условных обозначений предусматривает как полные, так и сокращенные условные обозначения. Полное обозначение обычно используется в технической документации, например Р1-33И-0,25Вт-100 кОм ± 2%А 0.467.027 ТУ. Оно состоит из сокращенного обозначения (Р1-ЗЗИ), обозначений и величин основных параметров и характеристик (0,25 Вт - максимальная рассеиваемая мощность; 100 кОм - номинальное сопротивление; ± 2 % - максимальное отклонение сопротивления от номинального значения; А - группа по уровню шумов; 0.467.027 ТУ - обозначение документа на поставку).

Сокращенное условное обозначение состоит из трех элементов: первый - буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резистора; Р - постоянные резисторы; РП - переменные резисторы; HP - наборы резисторов; второй - цифра 1 для непроволочных или 2 для проволочных резисторов; третий - цифра, обозначающая регистрационный номер каждого типа. Например, резисторы постоянные непроволочные с номером 26 имеют обозначение Р1-26.

На практике используются резисторы, обозначение которых выполнено в соответствии с ГОСТ и принципами, которые в новых разработках не применяются, например, С2-26, СП5-40, ПКВ, СПО и др. Так как они выпускаются промышленностью, у них оставлены ранее действовавшие обозначения.

Маркировка резисторов содержит полное или кодированное обозначение номинальных сопротивлений и их допускаемых отклонений.

Полное обозначение состоит из значения номинального сопротивления и обозначения единицы измерения (Ом - ом, кОм - килоом, МОм - мегаом; ГОм - гигаом; ТОм - тераом). Например, 360 Ом, 100 кОм; 4,7 МОм; 3,3 ГОм; 1 ТОм.

Кодированное обозначение состоит из трех или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква обозначает множитель, на который умножается цифровое обозначение. Буквы R, К, М, G, Т соответствуют множителям 1, 10³, 10^б, 10⁹, 10¹². Например, 0,1 Ом - R1(E1); 10 Ом - 10R(10E); 100 Ом - 100R(100E) или К10; 100 кОм - 100К или М10; 1 МОм - 1 М; 33, 2 МОм - 33М2; 100 МОм - 100М или G10; 560 МОм - 590 М или G59 (Г59); 1 ГОм - 1 G0 (1Г0); 100 ГОм - 100 G (100Г) или Т10; 1 ТОм - 1 ТО.

Таблица 1.1 Обозначение

Допустимое отклонение, %	Кодированное обозначение
±0.001	E
±0.002	L
±0.005	R
±0.01	P
±0.02	U
±0.05	X
±0.1	B
±0.25	C
±0.5	D
±1	F
±2	G
±5	I
±10	K
±20	M
±30	N

Полное обозначение допускаемого отклонения состоит из цифр, а кодированное - из букв (СТ СЭВ 1810-79), приведенных в табл. 1.1.

Кодированное обозначение резистора с номинальным сопротивлением

475 Ом с допускаемым отклонением ± 2 % - K475G.

Основные параметры резисторов

1. Номинальные сопротивления - по ГОСТ 2825-67.

2. Допускаемые отклонения сопротивлений от номинальных величин.

3. Номинальные мощности рассеивания (максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров свыше значений, указанных в технической документации, при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды).

4. Предельное рабочее напряжение (напряжение, которое может быть приложено к резистору без нарушения его работоспособности).

5. Температурный коэффициент сопротивления (характеризует изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1 °С)

(1.1)

где R_Н - сопротивление резистора при нормальной температуре; - предельная разность между предельной положительной (отрицательной) и нормальной температурами; - алгебраическая разность между значениями сопротивлений, измеренными при предельной положительной (отрицательной) и нормальной температуре.

6. Уровень собственных шумов D (мкВ/В).

7. Максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания.

8. Коэффициент напряжения K_U.

9. Влагоустойчивость и термостойкость.

Промышленность выпускает резисторы общего назначения (С2-6, С2-8,

С2-11, С2-22 и др.), прецизионные (С2-1, С2-13, С2-14, С2-31 и т. д.), высокомега-омные (КВМ, КЛМ, СЗ-10, СЗ-14 и т. п.), высоковольтные (КЭВ, СЗ-9, СЗ-14 и пр.), высокочастотные (С2-10, С2-34, СЗ-8 и др.). Номенклатура подстроечных и регулировочных резисторов также достаточно велика (СП5-1, СП5-6, РП-25, РП-80; СП5-21, СП-5-30, СП5-54, СПО, СПЗ-10 и пр.).

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

Терморезисторы выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменениях температуры (например, медь), или на основе полупроводников. Для этой группы основной является температурная характеристика. В полупроводниковых терморезисторах она достаточно точно описывается уравнением

(1.2)

где R₁(T₀) - номинальное значение сопротивления при температуре Т₀ (обычно T₀ = 293 К); T - температура; В - коэффициент, постоянный для данного экземпляра терморезистора; е - основание натурального логарифма.

Рис. 1.3 Характеристики терморезистора: а - температурная; б - вольтамперная

При прохождении электрического тока в терморезисторе выделяется теплота и он нагревается. Это приводит к изменению сопротивления (рис. 1.3, а).

Вследствие нелинейности температурной характеристики вольтамперная характеристика (зависимость между протекающим током и падением напряжения) будет также нелинейной (рис. 1.3, б).

Для каждой точки статической вольтамперной характеристики (ВАХ) можно записать уравнение энергетического баланса

где b - коэффициент рассеивания, учитывающий распространение теплоты от рабочего тела в окружающую среду за счет конвенции, теплопроводности, излучения; Т₀ и Т - соответственно температура окружающей среды и терморезистора.

Подставив (1.1) в (1.2) и приравняв к нулю первую производную функции, характеризующей изменение температуры, можно показать, что форма ВАХ существенно зависит от температуры окружающей среды Т₀ и условий теплообмена, характеризуемого коэффициентом b. При малых токах ВАХ практически линейна (рис. 1.3, б), а при больших - существенно нелинейна.

В некоторых случаях сопротивление терморезистора меняют за счет его нагрева от специального подогревателя, электрически изолированного от терморезистора. Такие терморезисторы называются терморезисторами с косвенным подогревом.

Основное применение компонентов этого типа - параметрическая термостабилизация электронных цепей, компенсация температурных погрешностей, измерение температуры, регулирование в электрических цепях.

Промышленность выпускает терморезисторы типов СТ1-21, СТЗ-21, СТ1-27, СТЗ-27, СТЗ-31 и др., причем терморезисторы с косвенным подогревом типа СТ1-31 предназначены для использования в качестве бесконтактных управляемых сопротивлений в цепях постоянного и переменного токов. Зависимость их сопротивления от тока подогревателя приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4 Зависимость сопротивления терморезистора от тока подогрева

Нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от напряженности электрического поля, называют варисторами. Как правило, их изготовляют из карбида кремния. Нелинейность появляется из-за явлений, наблюдаемых на поверхностях зерен кристалла, из которого спрессован варистор (автоэлектронная эмиссия из острых углов и граней кристалла; увеличение электропроводимости за счет пробоев оксидных пленок, покрывающих зерна, в сильных электрических полях напряженностью свыше 10³ 10⁴ В/см; микронагрев точек контакта между зернами; наличие p-n-переходов, обусловленных различной электропроводностью отдельных зон, и пр.).

Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики варисторов: 1 - варистор без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением; 2 - негистор

ВАХ варистора приведены на рис. 1.5. Характеристика 2 имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Варисторы с такими ВАХ называют негисторами. Их ВАХ аппроксимируется с помощью уравнения

где а - постоянная нелинейности; R₀ - начальное статическое сопротивление, измеренное при малой напряженности поля, значение которого зависит от температуры.

В технических условиях на варисторы обычно приводятся номинальное напряжение U_ном (напряжение, при превышении которого на 20 % не наблюдается заметного разогрева), ток I_ном, протекающий при U_ном, коэффициент нелинейности , равный отношению статического сопротивления к дифференциальному

Рис. 1.6. Обозначения резисторов: а - постоянный; б - подстроенный; в - переменный; г - терморезистор; д - варистор

Расчет цепей с терморезисторами и варисторами проводится любым из известных методов расчета нелинейных цепей. Условные обозначения резисторов показаны на рис. 1.6.

1.2 Электрические конденсаторы

Конденсаторы, как и резисторы, являются одним из наиболее массовых элементов электронных цепей. Электрические характеристики, конструкция и область их применения зависят от типа диэлектрика между его обкладками. По виду диэлектрика конденсаторы постоянной емкости можно подразделить на пять групп:

1) с газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные, вакуумные);

2) с жидким диэлектриком;

3) с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, стеклопленочные, тонкослойные из неорганических пленок, слюдяные);

4) с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные);

5) с оксидным диэлектриком (электролитические, оксидно-полупроводниковые, оксидно-металлические), выполняемые с использованием алюминия, титана, ниобия, сплавов тантала и ниобия.

У конденсаторов различают номинальное С_ном и фактическое Сф значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая - это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте.

Допускаемое отклонение емкости обычно задается в процентах:

Изменения значения емкости в зависимости от температуры характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который иногда обозначают :

Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1 К температуры окружающей среды. В зависимости от материала диэлектрика ТКЕ может быть положительным, нулевым или отрицательным. Его значение, определенное на конкретной частоте, указывается в маркировке конденсатора с помощью букв и цифр или цветного кода. По допускаемому отклонению ТКЕ от нормированного значения конденсаторы подразделяются на два класса: А и Б. У класса А отклонение в 2,0-2,5 раза меньше, чем у класса Б. При необходимости получить определенное значение ТКЕ применяют последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов с разными номиналами и разными ТКЕ. При параллельном соединении т конденсаторов ТКЕ полученной результирующей емкости С находят из уравнения

При последовательном соединении - из уравнения

Подбирая номиналы и ТКЕ, а также комбинируя последовательное и параллельное соединения, можно обеспечить нулевой ТКЕ, что применяется при создании измерительных конденсаторов.

Упрощенные эквивалентные схемы конденсаторов содержат емкость С(), сопротивление R () и индуктивность L_ЭК. Их используют с последовательным и последовательно-параллельным включением этих элементов.

Индуктивность L_ЭK образована элементами конструкции конденсатора. Сопротивление R() характеризует потери энергии и отражает тот факт, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол

< 90° в диапазоне частот, где индуктивностью L_Э можно пренебречь.

Рис. 1.7 Эквивалентные схемы конденсатора с последовательным (а) и последовательно-параллельным (б) включением элементов

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

где - круговая (угловая) частота.

Из этого уравнения видно, что на частотах, больших f₀, где (₀ - резонансная частота, определяемая из уравнения), конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность L_ЭК не оказывает существенного влияния.

Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота 2,5 3,6 МГц, слюдяных - 150 200 МГц; бумажных - 50 80 МГц; керамических дисковых - 200 2000 МГц; керамических трубчатых - 5 200 МГц.

Следует обратить внимание на то, что значения емкости конденсатора и сопротивления потерь, измеренные по последовательной и параллельной схемам включения этих элементов, различаются между собой. Это вытекает из правила эквивалентного преобразования последовательного соединения сопротивлений в параллельное. Отличия между значениями тем больше, чем больше тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь характеризует электромагнитные потери в конденсаторе и определяется как отношение его активной мощности Р к реактивной Q:

В отличие от емкости, тангенс угла потерь не зависит от схемы, по которой проводились измерения:

.

Значения зависят от вида диэлектрика и могут меняться с частотой и с течением времени, а также зависеть от температуры и напряженности электрического поля.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости и пьезоэлектрическими эффектами (в керамических конденсаторах). Акустические шумы конденсатора обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.

Частичные разряды - местные разряды внутри изоляции и на поверхности, не вызывающие полного пробоя межэлектродного промежутка. Они имеют вид или коронных разрядов, или частичных пробоев отдельных элементов изоляции, которые могут самовосстанавливаться.

Мерцание емкости - скачкообразное изменение емкости, имеющее случайный характер. Оно обусловлено тем, что у ряда конденсаторов края обкладок состоят из отдельных островков. При приложении внешнего напряжения между ними и сплошной частью обкладки возникают микродуги, соединяющие их вместе и меняющие емкость. Спектр этих шумов широкий. Изменения емкости могут достигать 10^-4 номинального значения. Этот вид шумов характерен для стеклянных, стеклокерамических и слюдяных конденсаторов.

Пьезоэлектрические шумы возникают, как правило, в результате механических воздействий и имеют характер импульсов.

При создании точных устройств с заряжаемыми и разряжаемыми конденсаторами необходимо учитывать явление адсорбции (замедленной поляризации и деполяризации). Сущность его заключается в том, что конденсатор не удается полностью зарядить или разрядить за малый промежуток времени из-за медленных перемещений зарядов в толще диэлектрика. Так, если обкладки заряженного конденсатора замкнуть накоротко на небольшой промежуток времени, а потом разомкнуть, то через некоторый промежуток времени t₂ на обкладках появится остаточное напряжение U_ОСТ и соответственно остаточный заряд. Отношение напряжения U_ОCT, появившегося через промежуток времени t₃ после размыкания, к напряжению U_ЗАР, до которого заряжен конденсатор в течение времени t₁ после замыкания накоротко в течение времени t₁, называется коэффициентом адсорбции, который выражают в процентах:

Коэффициент К_а зависит от интервалов времени t₁,t_2, t_3, (рис. 1.8, а) и обычно уменьшается при увеличении емкости С.

Рис. 1.8 Напряжение на конденсаторе при определении коэффициента K_а (а); изменение емкости С в зависимости от площади перекрытия пластин (б); переменный конденсатор (в): 1 - статор; 2 - ротор

Его значение при t₁ = 15 мин, t₂ = 5c, t₃ = 3 мин у фторопластовых конденсаторов равно 0,01 0,05, у слюдяных - 2 5; у электролитических - 0,5 6; у керамических - 5 15. Для большинства конденсаторов, кроме электролитических, полярность напряжения не играет роли.

Электролитические конденсаторы бывают как полярными, так и неполярными. Это особый тип конденсаторов, в котором в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Он образуется на поверхности этого металла электролитическим путем за счет выделения кислорода у металлической поверхности, к которой при изготовлении приложен положительный потенциал. Толщина этого оксидного слоя зависит от напряжения, прикладываемого к металлу в процессе создания оксидного слоя (процессе формовки).

В связи с тем, что слой оксида обладает вентильными свойствами, электрические конденсаторы полярные. Подключение напряжения к ним должно вестись с учетом указанной на электродах полярности. В противном случае конденсатор выйдет из строя. Малая толщина диэлектрика, большая диэлектрическая проницаемость и возможность создания надежных оксидных слоев на большой площади позволяют изготовлять электрические конденсаторы большой емкости.

Для электрических конденсаторов важным параметром является ток утечки I_УТ (это электрический ток при постоянном напряжении, приложенном к нему):

,

где К и m - коэффициенты, зависящие от типа и емкости конденсатора:

К = 10^-4 210^-6; m = 0 10^-2 мА; С_ном, U_ном - соответственно номинальная емкость (в микрофарадах) и напряжение (в вольтах). Ток I_УТ определяется через минуту после подачи на конденсатор постоянного напряжения.

Различают полные и сокращенные условные обозначения конденсатора.

Полное обозначение состоит из четырех элементов, например К10-25-М47-100 пФ ± 10 % НМ-В ОЖО 460.106 ТУ.

Первый элемент (К10-25) - сокращенное обозначение; второй (М47) - группа по температурной стабильности (условное обозначение ТКЕ); третий (100пФ ± 10%) - значения основных параметров и характеристик: 100 пФ - номинальная емкость; ± 10% - допускаемое отклонение номинальной емкости; четвертый (НМ) - с отсутствием мерцания емкости; пятый (В) - обозначение климатического исполнения (В - всеклиматическое, Т - тропическое); шестой (ОЖО 460.106 ТУ) - обозначение документа на поставку.

Сокращенное обозначение состоит из трех элементов. Первый - буквы, характеризующие подкласс конденсаторов (К - постоянной емкости; КТ - подстроечные; КП - переменной емкости; КС - конденсаторные сборки); второй - цифры, характеризующие тип диэлектрика и назначение конденсатора, т. е. его группу; третий - порядковый номер разработки, например К10-25.

Для обозначения номинальной емкости, допустимого отклонения, группы по температурной стабильности применяют кодированное обозначение. Номинальная емкость характеризуется цифрой и буквой, указывающей на единицу измерений и представляющей собой множитель.

Так, буквы р, п, , т, F обозначают множители 10^-12, 10^-9, 10^-6, 10^-3, 1 соответственно для значений емкости, выраженной в фарадах (старое обозначение р, п, - П, Н, М). За обозначением емкости следует буква, характеризующая допустимое отклонение (табл. 1.1), например 100nI (емкость 100 нФ с допускаемым отклонением ± 5%). Соответствующие обозначения номиналов имеют такой вид: 0,1 пФ - р10; 10 пФ - 10р; 100пФ - 100р (или n10); 560 пФ - 560р (или n56); 1 нФ - 1 н; 100 нФ - 100n0 (или 10); 1 мкФ - 1n0; 100 мкФ - 100m (или F10); 1 мФ - 1т0; 100 мФ - 100m (F10); 1Ф - 1F0; 10Ф - 10F.

В обозначении ТКЕ буквы означают его знак (М - минус, П - плюс, МП - близкое к нулю), а цифры указывают значение ТКЕ, например П100 (ТКЕ = + 10010^-6 К^-1), М750 (ТКЕ = -75010^-6 К^-1). Буква Н указывает на то, что ТКЕ не нормируется, а цифры после нее - на возможное изменение емкости в диапазоне допустимых температур, например Н20 (изменение емкости относительно измеренной при температуре 20 °С не более ± 20 %).

Для обозначения ТКЕ часто используют цветовой код. Цвет покрытия корпуса указывает на знак ТКЕ, а цвет кодировочного знака - на его значение, например: синий и серый цвета корпуса - положительный ТКЕ; голубой - близкий к нулю; красный и зеленый - отрицательный ТКЕ; серый корпус с красным знаком - П60; красный с зеленым знаком - М330; зеленый без знака - M1500 и т.д. Более подробная информация о цветовой кодировке ТКЕ конденсаторов приведена в табл. 1.2.

Таблица 1.2 ТКЕ конденсаторов

Вид конденсатора	Значение ТКЕ на 1 °С 10-6 в интервале температур (класс Б)	Интервал температур для ТКЕ, °С	Условные обозначения ТКЕ
			Буквами и цифрами	цветным кодом
				Цвет покрытия корпуса конденсатора	Цвет кодировочного знака
Керамические, стеклокерамические, стеклянные	+ (100±40) + (60±40) + (33±30) 0 ± 30 -(33±30) -(47±40) -(75±40) -(150±40) -(220±40) -(330±60) -(470±90) -(750±120) -(700±120) -(1500±250) -(1300±250) -(2200±500)	От 20 до 70	П100 П60 ПЗЗ МПО МЗЗ М47 М75 М150 М220 М330 М470 М750 М700 М1500 М1300 М220	Синий Серый » Голубой » » -- » -- Красный » Красный » » » Зеленый » »	Без знака Красный Без знака Черный Коричневый Без знака Красный Оранжевый Желтый Зеленый Синий » Без знака То же » Желтый

В изменениях к ГОСТ 11076-69 предусмотрены кодированные обозначения ТКЕ латинскими буквами, например: П100 - А; П60 - G; П33 - N; МПО - С;

МЗЗ - Н; М47 - М; М75 - L; М150 - Р; М220 - R; МЗЗ0 - S; M470 - T; М750 - U; М1500 - V; М2200 - К; Н10 - В; Н20 - Z; H30 - D; H50 - X; Н70 - Е; Н90 - F.

Аналогично резисторам номинальные емкости конденсаторов соответствуют рядам предпочтительных значений, на которые имеются ГОСТ.

Основные параметры постоянных конденсаторов

1. Номинальное значение емкости конденсатора.

2. Допускаемое отклонение действительной емкости от номинального значения (в %).

3. Тангенс угла потерь или добротность Q (Q = l/tg).

4. Ток утечки (в основном, для электролитических конденсаторов).

5. Сопротивление изоляции или постоянная времени саморазряда. Сопротивление изоляции определяют из формулы R_ИЗ = U₀/I_УТ, где U₀ - постоянное напряжение, приложенное к конденсатору, вызвавшее ток I_УТ.

6. Температурный коэффициент емкости.

7. Номинальное напряжение.

Переменные и подстроечные конденсаторы выполняются с механически или электрически изменяемой емкостью.

В конденсаторах с механически изменяемой емкостью одна группа пластин или пластина перемещается относительно других пластин или пластины, составляющих обкладки конденсатора. При этом может меняться или взаимное перекрытие пластин, или расстояние между ними. На практике в основном используют изменение взаимного перекрытия пластин. При этом, в зависимости от перемещения подвижной части, легко получить линейное (рис. 1.8, б) или функциональное изменение емкости. Чаще всего применяют вращательное движение и одну обкладку конденсатора выполняют в виде ротора, а другую - статора (рис. 1.8, в). Известны также конструкции с линейно перемещающимися пластинами обкладок.

Промышленность выпускает переменные и подстроечные конденсаторы с воздушным, твердыми неорганическими (керамическими, слюдяными) и органическими (полистироловыми, полиэтиленовыми и т. д.) диэлектриками. При введении диэлектриков в зазор между подвижными и неподвижными обкладками конденсатора существенно увеличивается емкость и снижаются габаритные размеры. Однако при этом не удается избежать воздушных зазоров, значения которых не остаются стабильными. Поэтому при каждой новой установке ротора в одно и то же положение значение емкости несколько отличается от предыдущего. Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используют в качестве подстроечных. Воздушные конденсаторы обычно применяют в тех цепях, в которых требуется хорошая повторяемость значений емкости.

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 конструкция подвижной части упрощена. Она не рассчитана на долговременную работу в режиме вращения.

Максимальные значения емкости, которые можно получить у переменных конденсаторов, как правило, не превышают значений 600 5000 пФ, при этом воздушные зазоры между подвижными и неподвижными пластинами порядка

0,1 0,25 мм. Закон изменения емкости зависит от геометрической формы пластин.

Для переменных и подстроечных конденсаторов важны максимальная С_MAX и минимальная C_MIN емкости, коэффициент перекрытия по емкости

K_C = C_MAX/C_MIN, ТКЕ,

Кроме линейных конденсаторов некоторое распространение в электронике получили нелинейные конденсаторы, у которых емкость зависит от напряженности электрического поля и соответственно статические значения емкости C = q/U (q - заряд емкости, U - напряжение на ней) и дифференциальные значения

С_ДИФ = dq/dU

не равны. Нелинейные конденсаторы, выполненные на основе сегнетоэлектриков (керамических диэлектриков со спонтанной поляризацией), получили название варикондов. Нелинейные конденсаторы на основе использования свойств р-n-перехода называют варикапами.

Для керамических материалов, называемых сегнетоэлектриками (титанат бария, стронция, кальция и т.д.), характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля (рис. 1.9) и температуры. Емкость конденсаторов с такими диэлектриками зависит от напряжения, приложенного к ним.

Рис. 1.9 Зависимость емкости варикондов от напряжения

При практическом применении, в основном, используется зависимость дифференциальной емкости С_ДИФ = dQ/dU от значения приложенного напряжения. Так например, если вариконд включить в цепь резонансного LC контура, то его резонансная частота при малой амплитуде колебаний

Изменяя постоянное напряжение на вариконде с помощью источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (необходимо для того, чтобы источник не шунтировал конденсатор и индуктивность по переменной составляющей), можно управлять резонансной частотой контура (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Схема колебательного контура, резонансная частота которого управляется с помощью вариконда

Для нелинейных конденсаторов вводят понятие эффективной емкости

C_Э = Q/U.

Эффективная емкость - это емкость такого линейного конденсатора, заряд которого Q при максимальном напряжении U равен заряду нелинейного конденсатора при том же напряжении.

Кроме того, иногда используют реверсивную емкость С_р. Реверсивная емкость - это усредненное в пределах амплитуды переменного напряжения, воздействующего на вариконд, значение дифференциальной емкости

где U - постоянное напряжение, приложенное к вариконду; Q, U -изменение заряда и напряжения на вариконде под влиянием переменного сигнала.

Характеристики вариконда оценивают с помощью коэффициента нелинейности К:

где С_MAX - максимальное значение емкости; С_U - значение емкости при напряжении U (обычно U 5 В); С₃₀ и С₅ - емкости вариконда при напряжениях 30 и 5 В соответственно. Вариконды имеют значения емкостей 100 пФ 0,2 мкФ, при этом K = 2 6; К₂ = 2 2,5 (на частоте 50 Гц). Номинальные напряжения варикондов достигают 250 300 В. В их обозначение входят буквы КН, цифры, соответствующие точке Кюри, и порядковый номер изделия, например КН75-5 - вариконд из материала с температурой точки Кюри 75 °С и порядковым номером 5. Условные обозначения конденсаторов показаны на рис. 1.11, а - ж.

Рис. 1.11 Условное обозначение конденсаторов: а - постоянной емкости; б - электролитический полярный; в - переменной емкости; г - подстроенный; д - вариконд; е - дифференциальный; ж - многосекционный

1.3 Катушки индуктивности

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий.

Из-за трудностей микроминиатюризации, значительных массогабаритных показателей, плохой повторяемости характеристик и параметров, повышенной трудоемкости изготовления область их применения ограничена. Однако при создании ряда устройств электроники обойтись без них пока нельзя. При этом важным является то, что индуктивные компоненты с использованием существующей изоляции могут успешно работать при температуре до 200 500 °С.

Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки индуктивности. Так, для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда витки укладываются не параллельно, а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).

Рис. 1.12 Магнитопроводы катушек индуктивности: а - броневой; б - тороидальный; 1,2 - чашки броневого магнитопровода; 3 - подстроенный сердечник

Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами. Наиболее распространенные формы магнитопроводов - броневая и тороидальная (рис. 1.12). Регулирование параметров магнитопровода осуществляют с помощью подвижного сердечника 3 (рис. 1.12, а), который выполняют из ферромагнитного материала. При его перемещении меняются параметры магнитопровода и индуктивность катушки. В ряде случаев для подстройки катушек индуктивности внутрь их вводят только один подстроечный сердечник из ферромагнетика или диамагнетика. Диамагнетики (латунь, медь) используют только на высоких частотах (десятки - сотни мегагерц). В отличие от ферромагнетика, при их введении индуктивность катушки уменьшается.

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве магнитопроводов обычно используют пермаллои. При этом магнитопровод, как правило, тороидальный, собранный из тонких колец (h = 0,002 0,1 мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до нескольких мегагерц) широко применяют ферриты, причем их марка зависит от диапазона рабочих частот. На частотах свыше нескольких МГц используют катушки индуктивности, имеющие только подстроечные сердечники или вообще не имеющие их.

Точный расчет значений индуктивности представляет собой сложную полевую задачу.

При ориентировочных расчетах можно использовать приближенные формулы. Для однослойной цилиндрической катушки, намотанной виток к витку или с шагом, индуктивность (мкГн)

где d, l - соответственно диаметр и длина катушки, мм; W - число витков.

Для многослойной катушки индуктивность (мкГн)

d_НАР, d_ВН - наружный и внутренний диаметры катушки, мм);

l, h - соответственно длина и высота катушки

При наличии магнитопровода сначала находят его магнитное сопротивление. Для этого определяют, по какому пути замыкаются магнитные силовые линии, и оценивают магнитные сопротивления отдельных участков. Суммируя их, находят общее магнитное сопротивление магнитной цепи Z_M и затем с помощью формулы L=W²/Z_M вычисляют значение индуктивности. Так например, в броневом магнитопроводе (рис. 1.12, а) магнитные силовые линии замыкаются так, как показано на рис. 1.13, а (поток Ф). Магнитопровод условно разделен на участки, магнитные сопротивления которых Z_M1, Z_М2, Z_М3, Z_МВ, где Z_Ml - магнитное сопротивление внешней стенки; Z_М2 - магнитное сопротивление оснований; Z_М3 - магнитные сопротивления участка внутренней стенки; Z_MB - магнитное сопротивление воздушного зазора. Для их нахождения используют формулу

где l_СРn - средняя длина магнитной силовой линии на n-м участке; S - площадь поперечного сечения; - относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода на n-м участке; - магнитная постоянная (Гн/м).

Среднюю длину магнитной силовой линии обычно находят приближенно для конкретного участка. В ряде случаев и площадь S приходится вычислять приближенно, заменяя изменяющуюся по длине площадь на ее эквивалентное значение. При определении Z_MB относительная магнитная проницаемость равна единице: = 1.

Изложенное дает общее представление о подходе, используемом при расчете катушек индуктивности с ферромагнитными магнитопроводами. На практике иногда приходится учитывать и распределенный характер обмоток, и то, что магнитный поток через воздушный зазор распространяется не совсем так, как показано на рис. 1.13, а. Вблизи воздушного зазора наблюдается выпучивание магнитного потока (рис. 1.13, б). Учет всех этих факторов представляет собой сложные самостоятельные задачи. Отметим, что при расчете катушек индуктивности сигнальных цепей в качестве относительной магнитной проницаемости целесообразно использовать комплексную магнитную проницаемость

,

где ,- соответственно действительная и мнимая составляющие комплексной проницаемости.



Рис. 1.13 Пример разбивки магнитопровода на участки (а); выпучивание магнитного потока около воздушного зазора (б)

Комплексная магнитная проницаемость определяется экспериментально для данного магнитного материала. Ее действительная часть характеризует индуктивность, а мнимая - потери в материале магнитопровода. Действительно, индуктивное сопротивление катушки индуктивности

,

Таким образом, при использовании комплексной проницаемости индуктивность получается комплексной и состоит из включенных последовательно индуктивности L и активного сопротивления R_ПОТ, значение которого зависит от частоты.

Для проведения электрических расчетов используют одну из эквивалентных схем, приведенных на рис. 1.14. В них учтены активное сопротивление провода r_ПР, индуктивность L, потери в магнитопроводе R_ПОТ и емкость С. С помощью эквивалентной емкости С учитывают наличие межвитковых емкостей, емкости выводов катушки, емкости отдельных витков относительно окружающей его арматуры. Следует отметить, что L и L', R_ПОТ и R'_ПОТ не равны друг другу. Поэтому эти параметры должны быть привязаны к определенной эквивалентной схеме.

Рис. 1.14 Упрощенные эквивалентные схемы катушек индуктивности: а - сопротивление потерь включено параллельно с индуктивностью; б - сопротивление потерь включено последовательно с индуктивностью

Важнейшим параметром катушки индуктивности является добротность, которая равна отношению мнимой части X_L ее полного сопротивления к действительной части

R_L: Q = X_L/R_L.

Значение добротности зависит от частоты. Если ферромагнитный магнитопровод отсутствует (R_ПОТ ; R'_ПОТ = 0), а емкость С достаточно мала, то добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным сопротивлением провода r_ПР и увеличивается при повышении частоты. Однако на частотах порядка нескольких мегагерц из-за проявлений поверхностного эффекта активное сопротивление провода увеличивается и добротность снижается.

Для снижения r_ПР обмотки катушек стремятся наматывать достаточно толстым проводом (излишне большой диаметр может привести даже к увеличению r_ПР на высоких частотах из-за проявления эффекта близости), применять специальный многожильный провод (литцендрат). Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми потерями на вихревые токи и гистерезис.

Для уменьшения емкости катушки изготовляют секционированными, по возможности разносят витки с максимальной разностью потенциалов, уменьшают объем диэлектрика в электрическом поле катушки (например, используют каркасы со специальными проточками), экраны располагают дальше от обмотки.

Температурные изменения индуктивности катушек без ферромагнитных сердечников сравнительно невелики и зависят от стабильности геометрических размеров. При наличии ферромагнитных сердечников необходимо учитывать температурный коэффициент магнитной проницаемости, который у разных материалов лежит в пределах 0,005 - 1 %/°С.

Одна из разновидностей катушек индуктивности носит название дросселей. Их основное назначение - обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.

Различают дроссели низкой и высокой частот. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах для создания фильтров, сглаживающих пульсации. Их применяют тогда, когда источник питания должен отдавать большой ток (амперы - сотни ампер) и требуется получить малые пульсации постоянного напряжения. Дроссель низкой частоты наматывается аналогично силовым трансформаторам с использованием тех же магнитопроводов. Его основное отличие от трансформаторов заключается в том, что в магнитной цепи магнитопровода делается воздушный зазор h = 0,050,1 мм. Наличие его предохраняет магнитную цепь от насыщения постоянным током, значения которого достаточно велики, так как дроссель включают в цепь последовательно с сопротивлением нагрузки. Индуктивность и активное сопротивление дросселей низкой частоты рассчитывают исходя из параметров, которые необходимо получить у источника питания. При этом всегда необходимо знать значение постоянного тока нагрузки.

Дроссели низкой частоты выпускаются серийно и обозначаются:

Д1 Д274 - дроссели унифицированные, низкочастотные; Д, Др - дроссели фильтров для бытовой радиоаппаратуры. В ряде случаев они имеют две обмотки: основную и компенсационную. Компенсационная обмотка при необходимости может соединяться последовательно с основной согласно или встречно. При согласном соединении (начало компенсационной с концом основной) индуктивность дросселя увеличивается, при встречном (концы или начала соединены вместе) - уменьшается.

Дроссели высокой частоты используют в высокочастотных электронных цепях, где пропускают токи только относительно низких частот. Они представляют собой катушки индуктивности, намотанные внавал или с определенным шагом на диэлектрический каркас. При этом стремятся, чтобы их емкость была минимально возможной, а индуктивность - не менее требуемой.

Основные параметры катушек индуктивности (ГОСТ 20718-75)

1. Номинальная индуктивность катушки (значение индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений).

2. Допускаемое отклонение индуктивности катушки (разность между предельным и номинальным значениями индуктивности).

3. Номинальная добротность катушки индуктивности (значение добротности при номинальном значении индуктивности).

4. Эффективная индуктивность (значение индуктивности, определенное с учетом влияния собственной емкости, собственной индуктивности и изменения начальной проницаемости сердечника).

5. Начальная индуктивность (значение индуктивности, определенное на низкой частоте, где отсутствует влияние собственной емкости).

6. Температурный коэффициент индуктивности катушки (TKL) - отношение относительного изменения индуктивности ?L/L к интервалу температур, вызвавшему это изменение:

.

7. Температурная нестабильность индуктивности катушки (относительное изменение индуктивности, вызванное изменением температуры).

8. Температурный коэффициент добротности (ТК_Д) - отношение относительного изменения добротности ?Q/Q к интервалу температур ?T, вызвавшему это изменение:

9. Собственная емкость катушки индуктивности (электрическая емкость), составляющая с ее индуктивностью резонансный контур, измеренная на частоте собственного резонанса.

10. Рабочий диапазон температур (максимальная и минимальная температуры, при которых сохраняются технические характеристики катушки).

Для дросселей, используемых в цепях питания, важны: 1) ток подмагничивания I₀; 2) индуктивность L; 3) сопротивление обмотки дросселя постоянному току.

1.4 Трансформаторы электронной аппаратуры

Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока).

...