Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Элементы электронной техники и радиокомпоненты

Введение

Рассмотренные материалы используются в оптотехнике, радио- и микроэлектронике в соответствии с их физическими и функциональными свойствами для создания различных элементов и компонентов микро-, электро-, акусто- и радиоэлектроники.

Элементами электронной техники называют корпусированные изделия, обладающие активными или пассивными свойствами. Пассивные - элементы, не изменяют спектрального состава сигнала, воздействующего на него, а активные - изменяют, добавляя не существующие в исходном сигнале.

К пассивным элементам относят резисторы, конденсаторы, индуктивности и иногда антенны, как элемент согласования электронной схемы со свободным пространством.

Активными элементами считаются: диоды и транзисторы (биполярные, полевые), тиристоры и различные преобразовательные приборы (термисторы, позисторы, варисторы, термо- и фото-резисторы, гальваномагнитные и тензоэлектрические и др.)

Если элементом схемы является структура, выполненная в едином технологическом цикле в виде составляющей интегральной схемы, ее принято называть - компонентом схемы, который может быть любым из названных выше элементов, но не подверженный процессу индивидуального корпусирования.

Сегодня мы все чаще встречаемся не с отдельными элементами и компонентами, а с микроэлектронными изделиями, выполняющими определенную функцию преобразования и обработки сигнала. Такие системы имеют высокую плотность упаковки электрически соединенных компонентов, которое с точки зрения эксплуатации рассматривается как единое целое и называется интегральной микросхемой. Интегральная микросхема отличается от интегральной схемы (ИС) плотностью монтажа. Кроме того ИС бывают двух видов: полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Гибридная интегральная схема (ГИС) это схема, содержащая, кроме элементов, компоненты или кристаллы, часть которых имеет самостоятельное конструктивное оформление. Обычно ГИС состоит из корпуса, в котором помещено диэлектрическое основание с расположенными на ней пассивными и активными компонентами (диодами, транзисторами или целыми ИС).

Все устройства радиоэлектроники делят на 3 группы:

Пассивные (фильтры, направляющие элементы, делители и сумматоры мощности, неоднородности трактов и т.п.);

Активные (генераторы, усилители, преобразователи, ограничители, делители, умножители частоты, модуляторы и др.);

Антенны.

В первые две группы входят как линейные так и нелинейные устройства, используемые в современных радиоэлектронных системах. Часть этих устройств может быть реализована на пассивных диодах (p-n-переходы, диоды с барьером Шоттки и варакторы) и почти все на активных диодах (туннельных, диодах Ганна, лавинно-пролетных) и на транзисторах (биполярных и полевых). Если учесть, что большинство устройств имеют много вариантов исполнения (например, смесители могут быть однотактные, балансные, двойные балансные, ортомодные, работающие на гармониках частоты гетеродина, либо на основной его частоте), причем ряд вариантов может быть реализован, по крайней мере, на десяти различных типах линий передачи, то становится очевидной необходимость систематизации таких единиц - кирпичиков простейших электронных структур с заданными простейшими функциями преобразования входного сигнала - сборочными единицами.

Эти исходные элементы служат составляющими отдельных узлов и блоков электронных устройств, которые позволяют реализовать сложные функции преобразования сигнала, например, прием микроволнового или оптического сигнала и определение по его структуре не только расстояний до излучающего объекта (звезды в созвездии -Центавры), но и параметров движения и условий излучения данного сигнала и др.

Но все это многообразие состоит из простых деталей, знание функционирования которых поможет понять сложные процессы, происходящие в пространстве, а иногда и во времени. Простейшим и самым распространенным является во всех схемах и системах обычный резистор, с него и начнем.

Резисторы

Как было отмечено ранее, этот элемент электрических схем является самым распространенным (в большинстве схем они составляют до 80 % всех компонентов). Требования к ним очень разнообразны в значительном диапазоне параметров. радиоэлектронный резистор корпусированный

Диапазон вариации номиналов сопротивлений (от 1 до 108 - 109 Ом и более) требует применения самых разнообразных материалов, при этом наиболее сложными являются высокоомные компоненты и элементы.

Основным требованием к материалам резисторов является их стабильность (с минимальным дрейфом температурного сопротивления их испытания ведут ~1000 часов при Т = 353 К (80 єС)).

Обратимые изменения определяются ТК, который оговорен ГОСТом и должен быть по абсолютной величине в пределах от 510-4 - 10-5 К-1 .

Стабильность и надежность при эксплуатации (особенно в ИС и ГИС) зависят не только от свойств исходных материалов, но и от способа и режима формирования резистивного объема или резистивных пленок.

Функциональному назначению резисторов наиболее полно соответствуют материалы в тонкопленочном состоянии. Такие резисторы (обладая значительным погонным сопротивлением) являются самым распространенным и перспективным их типом.

По условиям совместимости с другими элементами, прицезионности, мощности, экономичности, стабильности применяются резисторы и других типов (толстопленочные - стеклоэмалевые, проволочные, фольгированные и кремниевые диффузионные - в полупроводниковых ИС).

Известно, что резисторы предназначены для поглощения энергии тока, протекающего по цепи, и широко используются в различных электронных устройствах. Выпускаются резисторы постоянные и переменные.

По конструкции токонесущей части различают поверхностные, объемные, проволочные, полупроводниковые резисторы, а по назначению - общего (коллекторные, базовые цепи и т.д.) и специального (измерительные, высокочастотные и др.).

Выпускаются также резисторы, величина которых меняется в зависимости от приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещенности (фоторезисторы) и др.

Резисторы характеризуются определенными параметрами.

Постоянные резисторы. Рассмотрим основные параметры, характеризующие постоянные резисторы.

Номинальная величина и класс точности. Номинальная величина резисторов выбирается из определенного ряда чисел (шкалы номинальных значений), установленного ГОСТ 2.728-74 и приведенного в таблице 1.

Таблица 1

Условные обозначения рядов
Е 6	Е 12	Е 24	Е 6	Е 12	Е 24	Е 6	EI2	Е 24
Номинальное сопротивление, Ом, кОм, МОм
1,0	1,0	1,0	10	10	10	100	100	100
		1,1			11			110
	1,2	1,2		12	12		120	120
		1,3			13			130
1,5	1,5	1,5	15	15	15	150	150	150
		1,6			16			160
	1,8	1,8		18	18		180	180
		2,0			20			200
2,2	2,2	2,2	22	22	22	220	220	220
		2,4			24			240
	2,7	2,7		27	27		270	270 .
		3,0			30			300
3,3	3,3	3,3	33	33	33	330	330	330
		3,6			36			360
	3,9	3,9		39	39		390	390
		4,3			43			430
4,7	4,7	4,7	47	47	47	470	470	470
		5,1			51			510
	5,6	5,6		56	56		560	560
		6,2			62			620
6,8	6,8	6,8	68	68	68	680	680	680
		7,5			75			750
	8,2	8,2		82	82		820	820
		9,1			91			910
Допускаемые отклонения от номинальных величин, %
±20	± 10	±5	±20	±10	±5	±20	±10	±5

На резисторы, величина которых менее 10 Ом и более 10 МОм, стандарт не распространяется.

Резисторы типа ВС изготавливаются с номинальными значениями от 27 Ом до 10 МОм, а типа УЛМ - от 10 Ом до 1 МОм. Величина отклонения фактического значения сопротивления резистора от номинального определяется классами точности, которым соответствует стандартный ряд: ±1; ±2; ±5; ±10; ±20 % и т.д. (ГОСТ 2.728-74).

Наибольшее распространение получили резисторы следующих классов: I (допустимое отклонение ±5 %); II (допустимое отклонение ±10 %); III (допустимое отклонение ±20 %).

Для специальных схем выпускаются резисторы прецизионные и измерительные с точностью до долей процента, однако, на их величины и класс точности стандарт не распространяется.

Номинальная мощность. Под номинальной мощностью понимают такую мощность, которую резистор может рассеять в окружающее пространство, сохраняя параметры в заранее установленных пределах. Если резистор включен в цепь, где подводимая мощность больше номинальной, то он перегревается или выгорает.

Величины номинальных мощностей резисторов зависят от типов последних и определяются следующим стандартным рядом (ГОСТ 2.728-74): 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 30; 50; 100 Вт и т. д. (выпускаются также резисторы (УЛМ) на 0,12 Вт и резисторы МТ и ТВО на 0,125 Вт).

Величина мощности (Вт), подводимой к резистору

Р = I2R = U2/R = IU,

где I, U - соответственно действующее (эффективное) значение тока (А) и напряжения (В) для заданной импульсной последовательности.

Так как в общем случае за период tc действующее значение тока

то для синусоидального тока I = Im20,5, где Im - амплитудное значение тока. Для последовательности прямоугольных импульсов с постоянным смещением I0 (рис. 1, последовательность прямоугольных импульсов со смещением), ток

При I0 = 0

Для импульсной последовательности треугольной формы

(рис. 2, последовательность импульсов треугольной формы).

Рис. 1 Рис. 2

Таким образом, при расчете подводимой мощности к резистору необходимо пользоваться действующими значениями тока и напряжения, зависящими от параметров (период, форма) подводимой серии сигналов (импульсов, потенциалов).

Электрическая пpочность. Электрическая прочность резистора характеризуется определенным допустимым напряжением, при котором резистор может длительное время эксплуатироваться, рис. 2. Импульсы треугольной формы сохраняют свои параметры в допуске. Электрическая прочность зависит от типа резистора, номинальной мощности рассеяния, температуры окружающей среды, режима работы и др. В таблице 2 приведена зависимость электрической прочности некоторых типов резисторов от приложенного напряжения.

Таблица 2

Тип резистора	Номинальная мощность рассеяния, Вт	Допустимое рабочее напряжение, В	Примечание
		постоянное	импульсное
ВС-0,25 ВС-2,0 МЛТ-0,5	0,25 2 0,5	300 750 350	750 2000 750	В импульсном режиме при tи = 0,1 - 500 мкс, частоты f = 100 - 20 000 Гц
МЛТ-1,0	1	500	1000
МЛТ-2,0	2	750	1500
УДМ-0,12	0,12	100	400	Подводимая мощность = 10 % от номинальной

Если приложенное напряжение окажется больше допустимого, то начинается дуговой разряд, резистор выгорает или пробивается по поверхности.

Стабильность. Стабильность резистора характеризуется изменением величины его сопротивления под влиянием температуры, влажности, времени и др. Учитывается стабильность коэффициентами старения; температурным и др.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), %/град, резистора

ТКС = ?R/(R?Т),

где ?R - алгебраическая разность сопротивлений резистора при температурах предельной положительной (отрицательной) и 25 ±10 ОС;?Т - алгебраическая разность температур предельной положительной (отрицательной) и 25 ±10 ОC; R - сопротивление резистора при температуре 25 ОС.

Значение ТКС резисторов, например МЛТ и ОМЛТ, равно 0,12 %/град.

Паразитные параметры резисторов

Паразитные (собственные) индуктивность и емкость резистора определяются конструкцией его токонесущей части и выводов. Наличие паразитных параметров приводит к возникновению зависимости сопротивления резистора от частоты, которая проявляется в шунтировании резистора на высокой частоте, появлении паразитных фазовых сдвигов, изменении коэффициента передачи резисторных делителей и др. В связи с этим каждый тип резисторов имеет свои критические частоты.

Для резисторов типа ВС критическая частота, Гц, fк = =31011/R, т.е. при R = 100 кOм частота fк = 3 МГц.

Следовательно, в высокочастотных электронных схемах следует применять специальные высокочастотные резисторы, например резисторы типа УНУ.

Уровень собственных шумов. Шум это переменная ЭДС, возникающая при протекании тока через резистор. Источником шума являются тепловые флуктуации электронов, а также изменение контактов между отдельными частицами, из которых состоит токопроводящий слой.

Шум характеризуется коэффициентом шума, мкВ/В:

Кш = Uш/U,

где Uш максимальное напряжение шума; U напряжение, при котором производится измерение, В.

Примерный диапазон значений Кш для непроволочных постоянных резисторов лежит в пределах от 1 до 10 мкВ/В.

К другим не менее важным параметрам резисторов относятся: срок службы (от 5000 до 10000 ч), габариты, вес, допустимые климатические воздействия (температура, влажность, давление), механические перегрузки и пр.

Постоянные резисторы в зависимости от конструкции токонесущей части бывают нескольких видов.

Поверхностные резисторы. Обозначение поверхностного резистора кодируется тремя буквами: первая определяет вид проводника (например, М металлизированные, У углеродистые, К композиционные); вторая характеризует вид защитного покрытия (например, Л лакированные, Г герметичные, В вакуумные); третья указывает на особые свойства или назначение (например, Т теплостойкие, П прецизионные, В высоковольтные, Из измерительные).

Резисторы ВС (влагостойкие), предназначаются для работы в цепях постоянного и переменного токов, а также в импульсных режимах. Изготовляются с проводящим углеродистым слоем на фарфоровом основании. Имеют следующие характеристики: интервал рабочих температур от 60 до +100 ОС; предельные рабочие напряжения от 350 до 3000 В: номинальная мощность 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10 Вт; номинальная величина сопротивления от 27 Ом до 10 МОм; допустимая ЭДС шумов сопротивлений с номинальной величиной сопротивления свыше 10 кОм 1 мкВ/В (группа А) и 5 мкВ/В (группа Б); допустимые отклонения действительной величины сопротивления от номинальной ±5, ±10, ±20 %.

Резисторы ОВС (особые влагостойкие) имеют повышенную надежность и допустимые отклонения ±2, ±5, ±10, ±20 %.

Резисторы УЛМ (углеродистые лакированные малогабаритные) МРТУ П ОЖО.467.015.7КРЭ имеют следующие характеристики: интервал рабочих температур от 60 до +100 ОС; номинальная мощность рассеяния 0,12 Вт; номинальная величина сопротивления от 10 Ом до 1 МОм; допустимые отклонения действительной величины сопротивления от номинальной ±5, ±10, ±20 %; предельное рабочее напряжение 100 В.

Резисторы МЛТ (металлизированные лакированные теплостойкие), ГОСТ ВД 7113-71, изготовляются с проводящим слоем из сплава металлов на фарфоровом основании. Имеют следующие характеристики: интервал работы температур от 60 до +125 ОС; предельные рабочие напряжения от 200 до 750 В; номинальная мощность рассеяния 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 Вт; номинальные величины сопротивлений (в зависимости от мощностей) от 10 Ом до 10 МОм; допустимые отклонения действительной величины сопротивления от номинальной ±5, ±10, ±20 %; допустимая ЭДС шумов сопротивлений с номинальной величиной свыше 10 кОм 1 мкВ/В (группа А) и 5 мкВ/В (группа Б).

Резисторам ОМЛТ (особые металлизированные лакированные теплостойкие) свойственна повышенная надежность.

Объемные резисторы. К этому типу резисторов относятся, например, резисторы ТВО (термовлагостойкие объемные), предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного токов, а также в импульсных режимах, изготовляются в виде стержня из проводящей объемной композиции, защищенного стеклокерамической оболочкой. Имеют следующие характеристики: интервал рабочих температур от 65 до + 155 ОС; номинальная мощность 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 5; 10; 20; 60 Вт; номинальная величина сопротивления от 3 Ом до 1 МОм; допустимые отклонения действительной величины сопротивления от номинальной ±5, ± 10, ±20 %.

Проволочные резисторы. Такие резисторы выпускаются с большим диапазоном номинальных значений, имеют большую допустимую мощность рассеяния, высокую точность и стабильность, значительные паразитные индуктивности и емкости и поэтому применяются преимущественно в низкочастотных цепях.

Сопротивление проволочного резистора, Ом,

R = l/S,

где удельное сопротивление провода, (Оммм 2)/м; l длина провода, м; S площадь поперечного сечения провода, мм 2.

В таблице 3 даны характеристики сплавов, применяемых для изготовления проволочных резисторов.

Таблица 3

Сплав	Удельное сопротивление , Оммм 2/м	Максимальная рабочая температура, Т, ОС
Манганин	0,46	100
Константан	0,48	500
Нихром	1,08	1000

В спецификациях принципиальных электрических схем для постоянных резисторов применяется сокращенная запись, где указывается: тип резистора, номинальная мощность рассеивания, номинальная величина, класс точности, буква, соответствующая коэффициенту шума, номер технических условий или ГОСТ. Например, МЛТ-0,25 39 кОм ±10 % А ГОСТ ВД 7113-71.

На поверхности резисторов больших габаритов, например ВС-2; ВС-5 и др., указывается мощность рассеяния в цифрах, для других резисторов мощность рассеяния можно определить из таблицы 4 по размеру их корпуса.

Таблица 4

Тип резистора	Мощность, Вт	Размер корпуса, мм	Вес менее, г
		диаметр	длина
ВС-025	0,25	5,4	18,5	1,3
ВС-0,5	0,5	5,4	28,5	1,6
ВС-1,0	1,0	7,2	32,5	3,2
УЛМ-0,12	0,12	1,5	6,5	0,15
УЛИ-0,1	0,1	5,4	16	1,5
УЛИ-3,25	0,25	5,4	27	3,5
МЛТ-0,125	0,125	2,0	6,0	0,15
МЛТ-0,25	0,25	3,0	7,0	0,25
МЛТ-0,5	0,5	4,2	10,8	-
МЛТ-1,0	1,0	6,6	13,0	-
МЛТ-2,0	2,0	8,6	18,5
МТ-0,125	0,125	2,0	7,0	0,2
МТ-0,25	0,25	2,7	8,0	0,3

Внешний вид резисторов различных номиналов, мощностей рассеяния и технологии приведен на рис. 3.

Рис. 3.

Полупроводниковые резисторы. В качестве таких резисторов используются: сопротивление поверхности полупроводника между двумя омическими контактами; объемное сопротивление материала полупроводника между двумя контактами; сопротивление р-n-переходов в запирающем направлении.

Варисторы. Варисторы - объемные нелинейные резисторы, вольт-амперная характеристика которых представляет собой кривую, близкую по форме к многостепенной параболе (электрическое сопротивление их уменьшается с возрастанием напряженности электрического поля). Изготовляются в виде стержней (СН 1-1-1; СН 1-2) и дисков (СН 1-2-1; СН 1-2-2) из материалов на основе порошкообразного SiC.

Нелинейность вольт-амперной характеристики (ВАХ) обусловлена явлениями на контактах между кристаллами карбида кремния и определяется эффектами сильного поля и тепловым эффектом.

Результирующая ВАХ получается как сумма всех токов, протекающих через отдельные контакты, а также падения напряжения на них. Поэтому ВАХ варистора симметрична (рис. 4, а).

Для стабилизации параметров варисторов проводят искусственное старение путем длительной выдержки при повышенной температуре (? 150 ОС) и затем только их разбраковывают и маркируют.

а б

Рис. 4

Основными параметрами и характеристиками являются: коэффициент нелинейности

в = R/r = UdI/IdU

(где R и r - статическое и динамическое сопротивление варистора при заданном напряжении), который обычно имеет вид рис. 4, б); вольт-амперная характеристика I = AUв, A = f(T, тип варистора); номинальная мощность рассеяния (малая мощность до 1 Вт СИ 1-1-1, СИ 1-2-1, СИ 1-2-2; большая мощность от 15 до 150 Вт); рабочий ток 2 - 10 мА (малой мощности); рабочий ток 0,05А - 1,25 А - большой; рабочие напряжения 15 - 1500 В; частотный диапазон; температурные коэффициенты статического сопротивления, напряжения и тока:

- ТКU|I=const = (1/U)?U/?T = TKA1 R(I) = A1I1/в1;

- TKI|U=const = (1/I)?I/?T = в TKA1 R(U) = Aв1U1в;

- ТКR|U=const = TKA1 + (1/в 1) TKI|U=const;

- ТКR|I=const = в TKA1 + (1 в) TKU|I=const.

Для серийных варисторов при Т = 40 - +100 ОС:

- ТКR|U=const = TKI|U=const < 7 103 град1;

- ТКR|I=const = - TKU|I=const < 1,4 103 град-1.

Варисторы используются: для защиты высоковольтных линий передач от атмосферных перенапряжений; защиты контактов от разрушений и схем от перенапряжений; стабилизации токов и напряжений (в телевизорах высокое напряжение); регулирования механических и электрических величин (питание системы отклонения телевизоров и др. аппаратуры); преобразования частоты; получения функциональных зависимостей.

Изготавливаются в виде дисков:

- СН 1-2-1 Ш16х 8 1Вт I = 3мА U = 56 - 270 в = 3,5,

- СН 1-2-2 Ш12х 7 1Вт I = 3мА U = 15 - 100 в = 3,5,

- СН 1-10 Ш40х 10 3Вт I = 10мА U = 15 - 47 в = 3,2;

стержневые:

СН 1-1-1, СН 1-1-2 Ш49х 19 1 Вт I = 10 мА U = 560 - 1200 в = 3 - 4,

Ш7х 16 0,8Вт I = 10мА U = 560 - 1300 в = 3 - 4,

Ш35х 9 2,5Вт I = 20мА U = 33 в = 4,

Ш13х 120 2Вт I = 50мкА U = 2500 в = 5.

Терморезисторы (термисторы). Полупроводниковые объемные резисторы с большим температурным коэффициентом сопротивления, в которых снижение сопротивления с ростом температуры обусловлено либо увеличением концентрации носителей, либо увеличением их подвижности , а также фазовыми превращениями.

Термисторы (с положительным температурным коэффициентом) применяются в качестве чувствительных термометров и приборов для регулировки температуры, для компенсации температурных изменений (рамки стрелочных приборов) и стабилизации транзисторных схем и пр. Приборы с косвенным подогревом используются в основном в качестве резисторов переменной величины без скользящего контакта (дистанционное управление) для автоматического управления и регулирования радиотехнических и других технологических систем.

Терморезисторы типа КМТ имеют следующие характеристики: интервал рабочих температур, для KMT-1 от 60 до + 180 OС, для КМТ-4 и КМТ-12 от 60 до +125 OС; номинальные сопротивления для КМТ-1, КМТ-4 и 8 от 100 Ом до 1 МОм; для КМТ-14 от 510 Ом до 7,5 МОм; допустимое отклонение действительной величины сопротивления от номинальной ±20 %. Терморезисторы ММТ имеют следующие характеристики: интервал рабочих температур для ММТ-1; ММТ-4, ММТ-9; ММТ-13; ММТ-15 от -60 до +125 OС, для ММТ-8 от 40 до +70 OС; номинальная величина сопротивления для ММТ-1; ММТ-4; ММТ-8; ММТ-9; ММТ-13 от 1 Ом до 220 кОм, для ММТ-15 от 9 Ом до 102 Ом; допустимое отклонение действительной величины от номинальной ±20 %.

Для термисторов, изготовленных из ковалентных полупро-водников (Ge, Si, карбид Si, соединения типа AIIIBV) отрица-тельный коэффициент сопротивления наблюдается в случае, когда имеет место собственная электропроводность либо частичная ионизация примеси.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры будет иметь вид

R = R*expВ/Т,

где R* - постоянная, характеризующая материал и размеры термистора; В - коэффициент температурной чувствительности (который при неполной ионизации примеси и отсутствии компенсации равен ?Еп/2k, для компенсированного полупроводника В ? ?Еп/k, а для собственной электропроводности В ? ?Е/2k, ?Е, ?Еп - ширина запрещенной зоны и энергия ионизации примеси; k - постоянная Больцмана).

Различают термисторы прямого подогрева (тепло выделяется при прохождении через них тока либо нагрев за счет изменения температуры определяющей среды) и косвенного подогрева (имею-щие дополнительный источник тепла - подогреватель, это приборы типа СТ 1-21, СТ 3-27, СТ 3-31).

Если для приборов прямого подогрева основной является температурная характеристика R = f(T), то для приборов с косвенным подогревом - ВАХ Iт = f(Uт) при различных токах через подогреватель и подогревная характеристика R = f(Рпад).

Вид указанных характеристик приведен на рис. 5, а, б, в.

Остальные параметры идентичные:

номинальное сопротивление (сопротивление при определенной температуре 20 OС; 25 OС, для КМТ-14, СТ 1-18, СТ 1-19 при 150 OС) от нескольких Ом до нескольких сотен кОм;

коэффициент температурной чувствительности В (лежит в пределах от 700 до 15000 К-1), определяемый через измерение сопротивления при двух температурах

В = (lnR0/R)/(1/T0-1/T);

температурный коэффициент сопротивления показывает относительное изменение сопротивления термистора при изменении температуры на один градус

TKR = 1/R·dl/dT;

постоянная времени - временной интервал, в течение которого температура прибора уменьшается в е раз (от 0,5 до 140 с).

а б

в

Рис. 5

Кроме того, термисторы с косвенным нагревом различаются по коэффициенту тепловой связи (отношение мощности необходимой для разогрева термистора до некоторой температуры при прямом нагреве, и мощности, необходимой для разогрева до той же температуры при косвенном нагреве), т.е. путем пропускания тока через подогреватель.

Позисторы. Термосопротивления с положительным температурным коэффициентом сопротивления в ограниченном диапазоне температур (СТ 5, СТ 6 из титаната-бариевой керамики) называются варисторами.

Позисторы отличаются от термисторов не только положи-тельным ТКR и видом ВАХ (рис. 6), но и тем, что его сопротивление определяется величиной приложенного к нему напряжения. Увеличение напряжения снижает величину сопротивления и уменьшает изменение сопротивления при разогреве позистора.

Позисторы, как и термисторы в основном конструктивно оформляются в виде дисков различного диаметра и толщины, снабженных двумя проволочными выводами, припаянными к торцевым поверхностям диска.

а б

Рис. 6

Позисторы применяются в качестве датчиков систем регулирования температуры (противопожарная сигнализация, тепловая за-щита, ограничение и стабилизация тока в электрических схемах, термостатирование кварцевого стабилизатора, при этом они выполняют роль регуляторов температуры или нагревательных элементов). Совместно с терморезисторами они используются для температурной стабилизации режимов транзисторов; их включают в эмиттерные цепи.

Фоторезисторы. Это простейшие полупроводниковые фотоэлементы, работающие на эффекте наведенной фотопроводимости, параметры которых (проводимость) в заданном частотном диапазоне изменяется в зависимости от уровня освещенности. Представляют собой тонкий слой полупроводникового материала с большой фоточувствительностью (сульфиды, селениды, теллуриды свинца, цинка, кадмия и др.). Поскольку ширина запрещенной зоны полупроводниковых материалов находится в диапазоне 0,1 - 3 эВ, то фотопроводность обнаруживается в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом спектрах света.

Энергия фотона затрачивается на образование p-n-пар и определяется длиной волны излучения. В схемах фоторезисторы включают последовательно с нагрузкой (рис. 7, а).

При этом фототок определяется разностью полного и темнового токов, т.е. , откуда с учетом рис. 7, а можем записать .

Если световой поток мал (Ф мало), фототок прямо пропорционален световому потоку, световая добавка носителей мала и наблюдается линейная рекомбинация. Когда Ф велико, неравновесная концентрация носителей превышает равновесную и рекомбинация становится квадратичной.

а б в

Рис. 7

Основными характеристиками фоторезисторов являются: вольт-амперная и световая, которые приведены на рис. 7, б, в.

Фоторезистор обладает значительной инерционностью и постоянная времени равна времени жизни неравновесных носителей, поэтому наиболее чувствительные - более инерционные.

Основные параметры фоторезистора: R - темновое сопротивление, IФ - темновой ток, кратность изменения сопротивления RT/RC, интегральная чувствительность КИ = dIФ/Ф.

Фоторезисторы предназначаются для работы в цепях постоянного и переменного токов и изготовляются из сернистого свинца (ФСА), сернистого кадмия (ФСК), селенистого кадмия (ФСД).

Фоторезисторы СФ 2-1, СФ 2-2, СФЗ-1 имеют следующие характеристики: интервалы рабочих температур для СФ 2-1; СФЗ-1 от 60 до +85 ОС, для СФ 2 от 40 до +50 ОС; рабочее напряжение для СФ 2-1 15 В; световой ток 500 мкА; темновой ток 1,0 мкА; темновое сопротивление 15 МОм; вес 0,5 г.

В завершении подраздела приведем общие рекомендации по использованию резисторов: перед конструированием электрических устройств резисторы, входящие в схемы, следует подбирать и проверять, что позволит отбраковать негодные и недостаточно надежные резисторы; при разработке элементов и устройств использовать минимальное количество номиналов резисторов, желательно 20-процентных, что является показателем надежности и экономичности с точки зрения стоимости последних.

Переменные резисторы это резисторы, сопротивление которых можно изменять в заданных пределах механическим перемещением подвижного контакта. Переменные резисторы применяются для регулирования напряжения и тока в электрических цепях или подстройки сопротивления элементов схем электронной аппаратуры. По назначению подразделяются на подстроечные и регулировочные резисторы. Изготовляются с круговым (роторные) и линейным (движковые) перемещением подвижного контакта, однооборотные и многооборотные, с выключателем и без него, с дополнительными отводами от резистивного элемента (РЭ) и без отводов, с одним и несколькими РЭ. Материалом для РЭ являются лакосажевые и керметные композиции, наполненные полимеры, фольга или тонкая проволока из высокоомных сплавов.

Переменные резисторы характеризуются номинальным сопротивлением, номинальной мощностью, температурным коэффициентом сопротивления и износоустойчивостью (максимально допустимым числом циклов перемещения подвижного контакта при условии, что все другие параметры остаются в заданных пределах) (таблица 5, основные параметры переменных резисторов).

Таблица 5

Параметры	Регулировочные	Подстроечные
Номинальная мощность, Вт	0,01 - 2	0,25 - 100	0,025 - 1	0,05 - 100
Номинальное сопротивление, Ом	22 - 15104	22 - 5103	10 - 102	0,47 -102
Температурный коэффициент сопротивления, ТКС10-6, ОС-1	±(50 - 2000)	±(50 - 500)	±(10 - 2000)	±(50 - 1000)
Износоустойчивость или количество циклов	5000 - 100000	1000 - 100000	100 - 1000	50 - 500

В переменных резисторах различают полное сопротивление (измеренное между крайними выводами РЭ), установленное сопротивление (между одним из выводов РЭ и выводом подвижного контакта) и переходное сопротивление (между РЭ и подвижным контактом).

Установленное сопротивление переменного резистора при перемещении подвижного контакта может изменяться по линейному (А) или нелинейному (логарифмическому - Б и обратнологарифмическому - В) закону (рис. 8, а). Внешний вид переменных резисторов различных видов и технологий приведен на рис. 8, б.

а б

Рис. 8

Важным параметром переменного резистора является напряжение шумов перемещения - электрическое напряжение, возникающее в переменных резисторах при перемещении его подвижного контакта. Напряжение шума сравнительно хороших непроволочных резисторов может достигать 15 - 50 мВ. Уровень шумов перемещения в проволочных переменных резисторах принято выражать через эквивалентное шумовое сопротивление и измерять в омах. Эквивалентные шумовые сопротивления проволочных резисторов составляют 50 - 5000 Ом.

Самыми распространёнными из переменных резисторов являются лакосажевые композиционные резисторы, что обусловлено простотой технологического процесса их изготовления, возможностью создания высокоомных изделий со сложными нелинейными функциональными характеристиками. Их основные недостатки - низкие тепло- и влагостойкость и высокий температурный коэффициент сопротивления. Переменные проволочных резисторы отличаются высокой теплостойкостью и стабильностью, малыми значениями температурного коэффициента сопротивления и уровнем шумов, но обладают собственной ёмкостью и индуктивностью, что ограничивает возможности их применения на частотах выше 10 кГц. Кроме того, проволочные переменные резисторы с большим номинальным сопротивлением изготовляются только больших размеров. Наилучшими электрофизическими и эксплуатационными свойствами обладают керметные переменные резисторы.

Наибольшее распространение получили однооборотные переменные резисторы (рис. 8), скользящий контакт которых связан с управляющим валом и весь диапазон изменения сопротивления перекрывается за один оборот (полный угол поворота 230 - 300О в переменных резисторах простой конструкции и 175 - 240О в переменных резисторах совмещённых с выключателем.

Конденсаторы

Конденсаторы (ГОСТ 2.728-74) применяются в электрических цепях в качестве сосредоточенной емкости; выпускаются постоянной, полупеременной и переменной емкостей. Емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика . В качестве диэлектрика используются газы, жидкости, твердые неорганические вещества (стекло, слюда, керамика, SiO2), твердые органические вещества (бумага, полистирол, фторопласт), электролиты.

При подключении конденсатора к источнику постоянного напряжения U на его обкладках накапливается электрический заряд, а в диэлектрике создается электрическое поле с энергией, Дж

W = CU2/2,

которая может быть использована при разряде для формирования импульса.

При включении конденсатора в цепь переменного напряжения возникает реактивный (емкостной) ток, A,

I = U/Xc,

где

Xc = 1/(2fC)

его реактивное сопротивление, Ом; f частота, Гц.

Конденсатор можно применять для разделения токов разной частоты (фильтры) или постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока.

Рассмотрим основные параметры конденсаторов постоянной емкости.

Номинальная величина и класс точности. Номинальная величина конденсатора постоянной емкости выбирается из определенного ряда чисел (шкалы номинальных значений), установленного ГОСТ 2728-74 и приведенного в таблице 6.

Таблица 6

пФ	мкФ
1	10	100	1000	0,01	0,1	1	10	100	1000
	11*	110	1100
	12	120	1200	0,012*	0,12*	1,2	12	120	1200*
	13*	130	1300
1,5	15	150	1500	0,015	0,15	1,5	15	150	1500
	16	160	1600
	18	180	1800	0,018*	0,18*	1,8*	18*	180*	1800*
2	20	200	2000	0,02	0,2	2	20	200	2000
	22	220	2200
2,5*	24	240	2400	0,025	0,25	2,5*	25*	250*
	27	270	2700
3	30	300	3000	0,03	0,3*	3	30	300
	33	330	3300
3,5*	36	360	3600
4	39	390	3900	0,04	0,4*	4	40*	400*
4,5*	43	430	4300
	47	470	4700
5	51	510	5100	0,05	0,5	5*	50	500
5,5*	56	560	5600
6	62	620	6200	0,06*	0,6*	6	60*	600*
7	68	680	6800	0,07	0,7	7*	70	700*
	75	750	7500
8	82	820	8200	0,08*	0,8*	8	80*	800*
9	91	910	9100

*Отмеченные значения емкости, по возможности не применять.

Величина отклонения фактического значения емкости конденсатора от номинального определяется классом точности (таблица 7).

Таблица 7

Класс точности	Допустимое отклонение емкости от номинального значения, %	Класс точности	Допустимое отклонение емкости от номинального значения, %
00	±1	III	±20
0	±2	IV	+30; -20
I	±5	V	+50; -20
II	±10	VI	+80; -20

Наибольшее распространение получили конденсаторы I, II, III классов.

Следует учесть, что эта шкала не распространяется на конденсаторы, менее 1 пФ и более 2000 мкФ и на конденсаторы с допускаемыми отклонениями от номинальной величины менее ±5 %.

Электрическая прочность. Электрическая прочность характеризуется рабочим напряжением, при котором конденсатор длительное время эксплуатируется (обычно более 10000 ч), сохраняя свои параметры в допуске; испытательным напряжением (превышает рабочее в 2 3 раза), которое конденсатор выдерживает в течение испытательного срока (обычно до 1 мин); пробивным напряжением, которое выводит конденсатор из строя в течение нескольких секунд (пробивает диэлектрик).

Потери в конденсаторе. Потери в конденсаторе характеризуются тангенсом угла потерь. В реальном конденсаторе при прохождении через него переменного тока часть энергии рассеивается и переходит в тепловую форму. В эквивалентной схеме конденсатора это учитывается резистором (утечка изоляции, потери на высокой частоте и др.), включенным параллельно конденсатору.

На рис. 9, а изображена схема конденсатора с потерями, а на рис. 9, б векторная диаграмма токов и напряжений в цепи данного конденсатора.



а б

Рис. 9

Ток IR = U/R, текущий через резистор R находится в фазе с напряжением U. Он изображен вектором, совпадающим по направлению с U. Вектор тока IС = UC, текущего через емкость, сдвинут на угол 90° к вектору напряжения.

Вектор результирующего тока I составляет с вектором U некоторый угол < 90°, что и приводит к активным потерям в конденсаторе.

Дополнительный угол = 90 является углом потерь, а его тангенс, определяемый из векторной диаграммы,

tg = 1/RC,

где

= 2f,

f частота, Гц; R сопротивление, Ом; С емкость, Ф. Чем меньше tg, тем лучше конденсатор выполняет свои функции. Так, конденсатор с диэлектриком из слюды имеет tg = 0,002 ( = =7?), с бумажным диэлектриком tg = 0,015 ( = 50?); для электролитических конденсаторов tg = 0,25 ( = 4°).

Иногда вместо tg пользуются понятием "добротность конденсатора":

QC = RC.

Качество конденсатора тем выше, чем больше его добротность. Лучшие конденсаторы имеют добротность от 200 до 1000.

Сопротивление изоляции. Сопротивление изоляции определяет ток утечки через конденсатор, зависит от качества и размеров диэлектрика, уменьшается с повышением температуры окружающего воздуха и влажности.

Для электролитических конденсаторов вместо понятия сопротивления изоляции пользуются понятием тока утечки, так как значительные по величине токи утечки, появляющиеся при низком значении сопротивления изоляции, могут привести к нарушению работы схемы.

Ток утечки электролитических конденсаторов КЭ

I = CU10-3 + m,

где I ток утечки, мA; С номинальная емкость, мкФ; U номинальное рабочее напряжение, В; m величина, равная 0,2 для емкостей до 0,5 мкФ, 0,1 для емкостей от 5 до 50 мкФ и 0 для емкостей больше 50 мкФ.

Стабильность емкости. Стабильность емкости зависит от целого ряда причин, но главным образом от колебаний температуры и влажности окружающего воздуха. Учитывается она с помощью соответствующих коэффициентов.

Изменение емкости при колебаниях температуры определяется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Последний характеризует относительное изменение емкости при изменении температуры на 1 ОC

ТКЕ = ?С/С?T,

где ?С изменение емкости при изменении температуры на ?Т ОC; С значение емкости при нормальной температуре.

ТКЕ может быть по знаку как положительным, так и отрицательным. Например, у конденсаторов с диэлектриком из слюды и бумаги при повышении температуры емкость увеличивается, а из керамики уменьшается. Конденсаторы постоянной емкости в зависимости от ТКЕ разделяются на группы, которым присваивается определенная буква, а иногда и цвет корпуса.

Собственная индуктивность. Всякий конденсатор имеет собственную (паразитную) индуктивность L, определяемую конструкцией его выводов и обкладок. Наличие собственной индуктивности приводит к появлению резонанса:

f0 = [2(LC)0,5]-1.

Если рабочая частота f > f0, то сопротивление конденсатора носит индуктивный характер, а при f < f0 емкостной. Поэтому конденсаторы следует использовать в схеме при частоте, которая в 2 3 раза меньше, чем собственная резонансная частота конденсатора.

Имеются справочные таблицы, где указаны собственные индуктивности стандартных конденсаторов и максимальные рабочие частоты для них.

К другим не менее важным параметрам конденсаторов относятся: срок службы, габариты, вес, допустимые климатические воздействия (температура, влажность, давление), механические перегрузки и др.

По виду применения различают следующие конденсаторы.

Конденсаторы низкого напряжения низкочастотные. Эти конденсаторы должны иметь большую удельную емкость:

Cуд = C/V,

где V объем конденсатора, см 3.

Конденсаторы низкого напряжения - высокочастотные. Эти конденсаторы должны иметь высокие стабильность и удельную емкость, малую активную мощность, выделяющуюся в конденсаторе,

Ра = 2U2fCtg.

Конденсаторы высокого напряжения - низкочастотные и высокочастотные. Эти конденсаторы должны иметь высокую удельную реактивную мощность и малую удельную активную мощность

Рр.уд = 2U2fC/V,

Рa.уд = 2U2fCtg/V.

Конденсаторы высокого напряжения постоянного тока. Эти конденсаторы должны иметь большую удельную энергию

Wуд = CU2/2V.

Для схем на транзисторах выпускаются электролитические конденсаторы: ЭМ (электролитические малогабаритные); ЭМИ (электролитические миниатюрные); ЭТО (электролитические танталовые объемно-пористые). Номинальные емкости и рабочие напряжения указанных конденсаторов приведены в таблице

Таблица 8

Тип конденсатора	Емкость, мкФ	Рабочее напряжение, В
ЭМ	0,5 25	60 4
ЭМИ	0,5 10	3
ЭТО	2 1000	600 6

В спецификации электрических схем для постоянных конденсаторов указывается: тип, рабочее напряжение, номинальная величина емкости, точность, номер технических условий или ГОСТ. Например, конденсатор БМ-1-300-470 +10%.

Варикап - полупроводниковый нелинейный управляемый конденсатор с минимальными потерями в рабочем диапазоне частот на базе р-n- и р+-n-n+-переходов или МДП-структур.

Изменяя напряжение смещения на таком приборе, можно обеспечить безынерционное управление резонансной частотой контура. Это позволяет создавать такие радиотехнические устройства, как параметрические усилители, схемы умножения и деления частоты и др.

Свойство высокодобротной барьерной емкости р-n-перехода изменять свою величину связано с наличием объемного заряда в области потенциального барьера. Схемы включения варикапов, позволяющие использовать его емкостные свойства приведены на рис. 10.

Изменение барьерной емкости при изменении напряжения на р-n-переходе обусловлено перемещением основных носителей в областях n и p (рис. 11). Постоянная времени этого процесса определяется как = 0 и для Ge ( = 103 Ом м, = 16) составляет величину = 1,41013 с, т.е. оказывается заметной лишь на частотах более 10 ГГц.

Рис. 10 Рис. 11 Рис. 12

Диапазон рабочих частот варикапа определяется требуемым значением добротности (отношение реактивного сопротивления к активному), которая на НЧ возрастает с частотой

Q Сбrn = 2fCбrn,

а на ВЧ убывает пропорционально частоте

.

Откуда, задаваясь минимальным значением добротности, несложно определить и границы рабочего диапазона частот fн - нижнюю и fв - верхнюю.

Понятно, что при работе на низких частотах требуются варикапы со значительной величиной Сб, а на ВЧ- и СВЧ-диапазонах - с малым значением Сб.

В варикапе на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), рис. 12, при нуле и отрицательном напряжении на металле емкость определяется толщиной оксида кремния SiO2. При положительном напряжении на верхнем электроде p-Si обедняется носителями и емкость уменьшается.

Изменение емкости варикапа в рабочем диапазоне напряжений характеризуется коэффициентом перекрытия

Смакс/Смин = kC.

Важными параметрами также являются: максимально допустимая мощность рассеиваемая на варикапе Рмакс; ТКД температурный коэффициент добротности (относительное изменение добротности при изменении температуры на 1 ОС); ТКЕ - температурный коэффициент емкости (С = f(T), при изменении T на 1 ОС); Uмакс - максимально допустимое напряжение; Qном - номинальная добротность (xc/rпотерьU0=const, f=const); Смин, Смакс, Сном - соответствующие значения емкости (при максимальном смещении, минимальном и номинальном).

Переменные конденсаторы - это конденсаторы, емкость которых можно изменять в заданных пределах. Различают переменные и подстроечные конденсаторы (триммеры). Переменные могут быть с механическим или электрическим управлением ёмкостью (вариконды и варикапы). Механическое управление ёмкостью осуществляется за счёт изменения взаимного расположения обкладок - подвижных (ротора) и сравнительно неподвижных (статора), в результате чего меняется либо площадь перекрытия обкладок (чаще всего), либо величина зазора между ними. Переменные конденсаторы характеризуются параметрами, общими для всех конденсаторов; дополнительными параметрами являются минимальная ёмкость Смин, максимальная ёмкость Смакс, коэффициент перекрытия Смакс/Смин.

Различают вакуумные, воздушные и керамические переменные конденсаторы, односекционные и многосекционные. Вакуумные переменные конденсаторы используют главным образом в мощных KB радиопередатчиках при напряжении до нескольких кВ. В цепях низкого напряжения (до сотен В) применяют в основном воздушные переменные конденсаторы, для настройки и перестройки частоты колебательных контуров радио- и измерительной аппаратуры. Форма электродов определяет характер изменения емкости переменного конденсатора в зависимости от угла поворота ротора. Наиболее часто применяются переменные конденсаторы, у которых угол поворота ротора прямо пропорционален ёмкости конденсатора (прямоёмкостные), частоте кол...