Глава 1. Пассивные элементы электроники

 

Резисторы.

Резисторы (сопротивления) — это наиболее распространенные компоненты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. Условные обозначения и классификация резисторов приведены на рис. 1.1.1 -1.1.2.

 

 

Рисунок. 1.1.1. Обозначения резисторов: а — постоянный; 6 - переменный; в – подстроечный.

 

 

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 Ом, рабочее напряжение единицы—десятки кВ); 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 Вт).

Внешний вид постоянных и переменных резисторов приведен на рис. 1.1.3 – 1.1.4. Переменные резисторы подразделяются на подстрочные и регулировочные.

Подстрочные резисторы (см. рис. 1.1.5) рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные — для проведения многократных регулировок (см. рис. 1.1.6). 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 (см. рис. 1.1.7).

 

 

 

 

Рисунок 1.1.2. Классификация резисторов.

 

 

 

Рисунок 1.1.3. Постоянные резисторы.

 

 

Рисунок 1.1.4. Переменные резисторы.

 

 

 

Рисунок 1.1.5. Подстроечные резисторы.

 

Рисунок 1.1.6. Регулировочный резистор.

 

Рисунок 1.1.7. Функциональные характеристики переменных рези­сторов:

а —линейная (А); логарифмическая (Б); антилогарифмическая (В).

 

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

По конструктивному исполнению резисторы изготовляют в нормальном и тропическом (всеклиматическом) вариантах и выполняют неизолированными (касание токоведущих частей не допускается), изолированными (касание токоведущих частей допускается), герметизированными, в том числе и вакуумными (герметично изолированными от окружающей среды).

При обозначении компонентов сопротивлений используются следующие буквы: R (E) – омы; К – килоомы; М – мегаомы; Г – гигаомы; Т - тераомы; или 1; 10³; 10⁶; 10⁹; 10¹². В обозначении буква ставится вместо запятой. Например, обозначение 2Е7 соответствует сопротивлению 2,7 Ом. Обозначение 27К соответствует сопротивлению 27 килоом.; К27 – 270 Ом.

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 1⁰С):

 

ТКС = (ΔR/R₁×Δt)×100%,

 

где R₁—сопротивление резистора при нормальной температуре; Δt — предельная разность между предельной положительной (отрицательной) и нормальной температурами; ΔR— алгебраическая разность между значениями сопротивлений, измеренными при предельной положительной (отрицательной) и нормальной температуре.

 

 

Конденсаторы.

Конденсаторы также широко распространены в РЭА, как и резисторы. 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. Внешний вид и условные обозначения конденсаторов приведены на рис. 1.2.1- 1.2.5.

 

Рисунок 1.2.1.Условные обозначения конденсаторов:

а – постоянной емкости; б – электролитический; в – переменной емкости; г – подстроечный; д – вариконд.

 

 

Рисунок 1.2.2. Дисковые и трубчатые керамические конденсаторы.

 

 

 

Рисунок 1.2.3. Оксидные конденсаторы.

 

 

 

Рисунок 1.2.4. Подстроечные конденсаторы.

 

 

 

Рисунок 1.2.5. Регулировочный конденсатор.

 

 

Конденсаторы, также как и резисторы бывают регулированными и подстроечными: регулировочные предназначены для регулировки РЭА и имеют большую износоустойчивость.

При условном обозначении емкости конденсаторов пользуются следующими буквенными обозначениями: p, n, μ, m, F, которые соответствуют множителям: 10^-12, 10^-9, 10^-6, 10^-3, 1. Как и в обозначении резисторов буква заменяет запятую. Обозначение 2μ7 соответствует емкости 2,7 мкФ; 20μ – 20 мкФ; μ27 – 0,27 мкФ.

 

Основные параметры постоянных конденсаторов:

1.Номинальное значение емкости конденсатора.

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

ΔC_ном = ((C_ф – C_ном)/С_ном)×100%

3.Тангенс угла потерь или добротность Q(Q=1/tgd). Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует потери электрической энергии в диэлектриках.

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

5.Сопротивление изоляции. 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. Определяет изменение значения емкости в зависимости от температуры:

α_с = ТКЕ = (1/С)×(dC/dT).

Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1К температуры окружающей среды. В зависимости от материала диэлектрика ТКЕ может быть положительным, нулевым или отрицательным.

 

 

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. Внешний вид катушек представлен на рис. 1.3.1.

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

 

 

Рисунок 1.3.1. Катушки индуктивности.

 

углом друг к другу (универсальная намотка). Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.

Наиболее распространенные формы магнитопроводов — броневая и тороидальная (см. рис. 1.3.2, а, б). Регулирование параметров магнитопровода осуществляют с помощью подвижного сердечника 3 (рис. 1.3.2, 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 МГц). 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= 0,0024 - 0,1мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до нескольких МГц) 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.

 

 

 

Рисунок 1.3.2. Магнитопроводы катушек индуктивности:

а – броневой; б – тороидальный; 1,2 – чашки броневого магнитопровода; 3 - подстроечный сердечник.

 

 

Основные параметры катушек индуктивности:

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 ΔL/Lк интервалу температур, вызвавшему это изменение:

TKL = ΔL/(L×ΔI)

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

8. Температурный коэффициент добротности (ТКД) — отношение относительного изменения добротности ΔQ/Qк интервалу температур ΔΤ, вызвавшему это изменение:

ТКД = ΔQ/(Q×ΔΤ)

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).

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

 

Контрольные вопросы:

 

1) Для каких целей в РЭА применяют резисторы?

2) Как обозначают сопротивление у постоянных резисторов?

3) Как обозначаются в схемах постоянные и переменные резисторы?

4) Отчего зависит емкость конденсатора?

5) Для чего в РЭА применяют конденсаторы?

6) Чем отличается подстроечный резистор от регулировочного?

7) Как классифицируются конденсаторы по типу диэлектрика?

8) Что такое температурный коэффициент сопротивления?

9) Что такое температурный коэффициент емкости?

10) Какие формы магнитопроводов катушек вы знаете?

11) Для чего в катушках индуктивности используется сердечник?

12) Что такое температурный коэффициент индуктивности?

13) Что такое температурный коэффициент добротности?

14) Какие недостатки свойственны катушкам индуктивности?

 

Глава 2. Полупроводниковые компоненты электронных цепей

 

Строение твердых тел

 

Все твердые тела, встречающиеся в природе, делятся на кристаллические и аморфные. В кристаллических телах слагающие их атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, образуя симметричные кристаллы. В отличие от кристаллов аморфные тела не имеют упорядоченной и многократно повторяемой структуры – атомы в них располагаются достаточно произвольно.

В радиоэлектронных приборах, выполненных на основе твердых тел, в настоящее время преимущественно используются кристаллы.

По способу связи между атомами, составляющими кристалл, принято различать ионные, металлические, ковалентные и молекулярные кристаллы.

При образовании кристаллов с ионной связью, являющихся, как правило, солями, происходит ионизация ранее нейтральных атомов путем обмена валентными электронами. Вследствие этого кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, располагающихся таким образом, что электростатическое притяжение разноименных ионов преобладает над отталкиванием одноименных. В отсутствии примесей в ионных кристаллах нет свободных носителей заряда, поэтому данный класс веществ относится к диэлектрикам.

При кристаллизации металлов происходит отторжение и обобществление валентных электронов у всех атомов. В результате этого кристалл металла оказывается состоящим из положительных ионов и соответствующего числа свободных электронов, хаотически перемещающихся по всему объему кристалла. Металлическая связь весьма прочна, так как каждый положительный ион взаимодействует со многими электронами, а силы взаимного отталкивания ионов не позволяют им сближаться. Большое количество свободных носителей заряда приводит к тому, что металлы являются хорошими проводниками.

При ковалентной связи между атомами кристалла обмена валентными электронами не происходит. Однако при сближении атомов образуются пары общих электронов, принадлежащие одновременно обоим атомам. Возникающие при этом силы притяжения достаточно велики, чтобы образовался прочный кристалл, например, кристалл алмаза, кремния, германия и т.д., при этом при определенных условиях в них могут возникать свободные носители заряда.

В кристаллах многих органических веществ имеется молекулярная связь, обусловленная слабыми электрическими силами, называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Они вызываются несимметричностью электронных оболочек атомов.

Идеальных кристаллов практически не встречается; в каждом из них имеется несколько типов связей, одна из которых преобладает.

В электротехнике и радиоэлектронике последний тип кристаллов не нашел практического применения, все остальные, напротив, применяются очень широко. Начало практического использования полупроводниковых материалов относится к двадцатым годам ХХ века. Но революционные преобразования в радиоэлектронике и начало твердотельной электроники связывают с изобретением в 1948 г. полупроводникового усилительного прибора – транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин).