МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

"Харьковский авиационный институт"

В.П. Олейник, Н.В. Долженков

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТОВ

(пассивные элементы)

Учебное пособие

Харьков “ХАИ” 2004

УДК 621.31 (075.8)

Элементная база электронных аппаратов (пассивные элементы)/ В.П. Олейник, Н.В. Долженков. – Учеб. пособие. – Харьков: Нац.

аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2004. - 62 с.

Приведена структура элементной базы радио- и электронных аппаратов. Рассмотрены: функциональное назначение, основные электрические и эксплуатационные параметры, маркировка и обозначение резисторов, конденсаторов, индуктивных компонентов.

Для студентов, обучающихся по направлению «Электронные аппараты» и «Радиотехника» ( специальности 7.091001- 7.091004;

7.090702), а также специалистов, изучающих, эксплуатирующих и разрабатывающих радиоэлектронные средства.

Ил. 54. Табл. 14. Библиогр.: 10 назв.

Р е ц е н з е н т ы: д-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Минаков, канд. техн. наук, проф. Н.С. Макурин © Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», 2004 г.

ВВЕДЕНИЕ

Электронный аппарат является совокупностью элементов, организованной в соответствии с назначением и принципом действия.

Эффективность электронных систем, параметры радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в значительной степени определяются элементной базой, т.е. характеристиками используемых в них интегральных схем, электровакуумных и полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, контактных устройств и т.п.

Компоненты (электрорадиоэлементы) радиоустройств - это «строительные полуфабрикаты» в радиоэлектронике. Их грамотным выбором радиоинженер влияет на качество устройства аналогично тому, как архитектор влияет на функции и тип здания, сооружения или совокупности устройств, образующих радиосистему (в градостроительстве - ансамбль). Такая аналогия не становится отдаленной от того, что требования к объектам проектирования в этих случаях трудно сопоставимы. В одном случае можно иметь в виду красоту, выразительность, необходимость учета и ненарушения сложившихся градостроительных стилей и национальных традиций, наконец, комфортность. В другом - например, качество воспроизведения передаваемых сообщений, надежность, потребляемую мощность, массу и габариты устройства, дизайн. Однако в обоих случаях практически всегда принимаются в расчет другие важные факторы, такие, как время реализации проекта, стоимость производства, эксплуатационные расходы и др.

Радиоинженер, приступая к разработке принципиальной схемы, решает, какие стандартизованные элементы, выпускаемые промышленностью, целесообразно использовать. В некоторых случаях он может ставить задачу разработки новых (вненоменклатурных) элементов с улучшенными или принципиально новыми свойствами.

Особенностью современной элементной базы является ее номенклатурная обширность, дублируемая различными производителями. Это приводит, с одной стороны, к разумной конкуренции, что можно считать положительным фактором, с другой стороны – вводятся различные системы обозначений, маркировок, что затрудняет работу радиоинженера по выбору оптимальной элементной базы для конкретного изделия.

Поэтому в данном учебном пособии, особое внимание уделяется группам электрических параметров, которые однозначно характеризуют свойства, назначение, надежность элементов независимо от конкретного производителя (фирмы, страны), но на основе достоверной технической документации. Первыми в изучении логично рассмотреть группу пассивных элементов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ

Разработку и промышленное производство электрорадиоэлементов осуществляют в основном предприятия электронной промышленности. Выбор компонентов часто неоднозначен, а следовательно, проектирование — творческий процесс. Что же помогает радиоинженеру решать эту непростую задачу, когда в его распоряжении – элементы весьма обширной номенклатуры, различных характеристик и принципов действия? В своей практике он постоянно обращается к справочникам и каталогам. Однако большое значение имеют эрудиция, опыт, интуиция разработчика. Все это помогает специалисту решить, каким должен быть требуемый компонент, а справочный материал помогает найти его описание и характеристики, необходимые для проведения расчетов. Все большую роль в практической деятельности радиоинженеров играют системы автоматизированного проектирования (САПР) на базе ЭВМ. В состав САПР могут входить банки различных данных, в том числе и элементная база. Поиск необходимых элементов в этом случае сводится к автоматизированному обращению к базам данных. Роль банков данных – хранителей информации – выполняют устройства внешней памяти ЭВМ на электронных, магнитных и оптических носителях. Нужную информацию также можно получить из сети Интернет непосредственно с сайтов фирм производителей. Все выпускаемые промышленностью радиоэлементы можно разделить на классы, группы по ряду важнейших признаков — физических, функциональных, технологических и др. На рис. 1.1 показан вариант возможного построения такой системы.

Электрорадиоэлементы Дискретные приборы Рис. 1.1. Классификация электрорадиоэлементов Компоненты РЭА могут быть разделены на два принципиально отличных класса: активные и пассивные. Активные элементы — это разнообразные электронные приборы, различающиеся принципами действия и назначением. Они называются активными потому, что их функционирование связано с потреблением энергии от внешних источников питания. Как правило, в радиоэлектронных устройствах – это электрическая энергия. Напряжение таких источников может быть постоянным и переменным. Постоянным напряжением обеспечивается питание анодных и сеточных цепей электровакуумных приборов, эмиттерных, коллекторных и других цепей транзисторов. Этим создается заданный режим работы активных приборов и цепей, в которые они входят. Источники постоянного (высокого) напряжения используются для питания электронных приборов сверхвысоких частот, телевизионных и осциллографических трубок. Источники переменного напряжения применяются для подогрева катодов электровакуумных приборов.

Активные компоненты обладают рядом особых, только им присущих свойств, благодаря которым возможно создание генераторов колебаний, усилителей мощности, модуляторов, устройств обработки сигналов и др. Среди этих свойств следует прежде всего отметить свойства невзаимности и нелинейности.

Чтобы понять свойство невзаимности, представим, что активный элемент играет роль управляемого электрического клапана, дозирующего поступление в выходную цепь электрической энергии, но не от входного управляющего источника, а от внешнего источника постоянного напряжения. При этом расход энергии на управление существенно меньше управляемой энергии (от источника постоянного напряжения).

Свойство нелинейности связывают с непропорциональностью выходного эффекта входному воздействию – несколько отдельных одновременных воздействий вызывают эффект, неэквивалентный сумме отдельных эффектов. Свойство нелинейности используется при создании устройств, преобразующих форму колебаний (например, детекторов, преобразователей частоты, модуляторов).

Все активные элементы делятся на дискретные приборы и интегральные схемы (ИС).

Среди дискретных элементов РЭА выделяют: электровакуумные приборы (ЭВП) с высоким разрежением воздуха в баллоне (остаточное давление около 10-6 Па); газоразрядные приборы (ГРП) (чаще всего баллон заполнен инертным газом под низким давлением – от долей до тысяч паскалей в зависимости от назначения прибора); полупроводниковые приборы (ППП).

Особой группой активных приборов являются интегральные схемы (ИС) – микроэлектронные изделия, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов.

Схемное и конструктивное объединение большого количества элементов в одном кристалле, т. е. их «интеграция», привело к появлению термина «интегральные» схемы (точнее и логичнее было бы назвать их «интегрированными цепями»). В одной ИС могут содержаться сотни и тысячи элементов. По конструктивно-технологическим признакам ИС делят на полупроводниковые и гибридные.

Полупроводниковая ИС обычно представляет собой кристалл кремния, в приповерхностном слое которого в едином технологическом цикле сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.), а также соединения между ними. Технологические процессы изготовления полупроводниковых микросхем носят групповой характер, т. е. одновременно изготовляется большое количество ИС.

Интегральные схемы изготовляют также путем послойного нанесения тонких пленок различных материалов на общее основание (изоляционную подложку) и формирования на них пассивных элементов и их соединений. Гибридные микросхемы появились как результат комбинирования пленочных и полупроводниковых микросхем и дискретных полупроводниковых активных элементов (транзисторов и диодов).

С помощью печатного монтажа объединяют очень малые по размерам элементы ИС: конденсаторы, индуктивные элементы, полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы). Резисторы формируются как соединительные линии необходимого сечения и длины, выполненные из материала с требуемым удельным сопротивлением.

Пассивные элементы функционируют без внешних источников питания. Входные воздействия передаются на выход, воспроизводя закон входного воздействия, не претерпевая усиления. Свойства этих элементов (в большинстве случаев) не зависят от полярности приложенного напряжения или направления протекающего тока. Номенклатура пассивных элементов весьма широка (хотя, возможно, и не столь широка, как номенклатура активных). К ним относятся резисторы, конденсаторы, индуктивные компоненты, элементы коммутации и другие элементы.

Пассивные элементы можно классифицировать по ряду признаков: назначению, диапазонам частот, допустимой мощности рассеяния, материалам и технологии изготовления, точности воспроизведения номинальных значений параметров. Они могут иметь постоянные и переменные (регулируемые) параметры. С данным признаком связаны принципиальные различия в их конструкциях. Элементы с переменными параметрами, как правило, значительно дороже, имеют большие габариты и массу.

Резистор - это элемент РЭА, предназначенный для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Основной особенностью резистора является то, что электрическая энергия превращается в нем в тепловую и рассеивается.

По наиболее общей классификации различают:

1. Постоянные резисторы с фиксированным значением сопротивления, в зависимости от назначения они подразделяются на резисторы общего применения, точные, прецизионные, высокочастотные, высокоомные.

2. Переменные резисторы с изменяющимся значением сопротивления, в зависимости от назначения делятся на подстроечные и регулировочные. Подстроечные резисторы используют для точной установки сопротивления в электрической цепи, регулировочные используют в процессе управления РЭА.

3. Специальные или нелинейные резисторы – это особая группа постоянных резисторов, сопротивление которых зависит от действия внешних факторов, а именно: величины проходящего тока или напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещения (фоторезисторы).

По принципу создания резистивного элемента резисторы делят на проволочные и непроволочные. В проволочных резистивным элементом является проволока из сплава с высоким удельным сопротивлением. Проволочные резисторы используются в РЭА только в особых случаях.

Основное применение имеют непроволочные резисторы: пленочные и объемные, у которых резистивные свойства создаются с помощью пленок или объемных композиций с высоким удельным сопротивлением. Пленочные и объемные резисторы обладают меньшей собственной емкостью и индуктивностью, что позволяет их использовать в широком диапазоне рабочих частот и изготавливать с большим числом номиналов.

Обозначение резисторов на схемах. На принципиальной электрической схеме рядом с условным графическим изображением резистора в виде прямоугольника помечают его буквенное обозначение (прописная латинская буква R) с порядковым цифровым (иногда буквенным) индексом. Например: R1, R2, R3,…,Rc. В некоторых видах технической документации и изданий также указывают номинальную величину сопротивления (рис. 2.1).

В радиотехнической литературе приняты следующие сокращения обозначения величин сопротивлений резисторов.

Сопротивления от 1 до 999 Ом обозначаются целыми числами без указания единицы измерения. Например, сопротивление 330 Ом обозначается как 330.

Рис. 2.1. Обозначения резисторов на принципиальных схемах Сопротивления резисторов от 1 до 999 кОм обозначаются числом килоом с прибавлением строчной буквы к. Например, сопротивление 3,3 кОм обозначаются как 3,3 к.

Сопротивления резисторов от 1 МОм и выше обозначаются числом мегаом с прибавлением заглавной буквы М. Например, сопротивление 5 МОм обозначаются как 5 М.

Величина сопротивления, составляющая доли или число с долями ом, обозначается в омах с указанием единицы измерения. 0,5 Ом обозначаются как 0,5 Ом.

У переменного резистора указывается только максимальное значение его величины.

Если указанная в схеме номинальная величина сопротивления резистора является приблизительной, то рядом с условным обозначением ставят звездочку (R* ).

На схемах часто указывается (условным знаком внутри условного обозначения) номинальная мощность резистора (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Обозначения номинальной мощности резисторов Номинальное сопротивление резистора – нормированное значение сопротивления. Резисторы изготавливаются на разные номиналы, которые в соответствии с рекомендациями МЭК (М е ж д у н а р о д н а я э л е к т р о т е х н и ч е с к а я комисс ия ) стандартизированы. Согласно ГОСТ 2825-67 установлено шесть рядов номиналов сопротивлений:

Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра указывает количество номинальных значений в данном ряду. Переменные сопротивления имеют ряды номиналов: Е6, Е12, Е24.

Значения сопротивлений могут отличаться от номинальных в пределах определенных допусков. Ряд допускаемых отклонений также нормализован. Допуск дают в соответствии с рядом ±0,01; 0,02;

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10; 20; 30%.

Принцип построения рядов номинальных значений для резисторов с заданным допуском показан в табл. 2.1.

Числовые коэффициенты, умножаеИндекс В резисторах общего применения номиналы сопротивлений согласованы с допусками таким образом, что получается так называемая “безотходная” шкала. При этом номинал и данный допуск одного резистора и примыкают к номиналу и допуску соседнего. Поэтому изготовленный резистор обязательно попадает в одну из номинальных групп.

Номинальная мощность рассеивания (Рном) указывает допустимую электрическую нагрузку в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления. Номинальные мощности рассеяния (Вт) устанавливаются согласно ГОСТ 9663-61 и соответствуют ряду значений: для микроэлементов - 0,01; 0,025; 0,05; для РЭА на дискретных элементах – 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; как правило, для проволочных резисторов – 5, 8, 10, 16, 25, 50, 75, 100, 160, 250, 500.

Мощность рассеивания определяется размерами резистора, конструкцией и свойствами резистивного элемента. Часто пользуются характеристикой удельной мощности рассеивания где SR – поверхность охлаждения резистора. Выделяемая энергия приводит к повышению температуры резистора (перегреву) на величину где К - коэффициент теплопередачи.

С повышением температуры окружающей среды теплоотдача ухудшается и происходит перегрев резистора (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Зависимость мощности рассеивания от температуры Максимальное напряжение (постоянного тока), которое может быть длительное время приложено к резистору, Пробивное напряжение характеризует электрическую прочность резистора. Обычно пробой происходит по поверхности между выводами и между витками при спиралевидной конструкции резистивного элемента. При длине резистора менее 5 см Uпр определяется из эмпирической формулы где p - давление окружающей среды, Па; - длинна резистора, см.

Температурный коэффициент сопротивления характеризует относительное изменение сопротивления резистора под действием температуры и обозначается как ТКС или Т:

где R0 - сопротивление резистора при номинальной температуре.

Принимают Т постоянной величиной во всем интервале рабочих температур или в двух интервалах от 25°С и выше и от 25°С и ниже.

Абсолютное значение ТКС для различных типов резисторов может быть как Т > 0 (толстопленочные резисторы), так и Т < 0 (тонкопленочные резисторы). Значение сопротивления резистора может быть вычислено по формуле где T - изменение температуры относительно номинальной.

Собственные шумы резисторов характеризуют тепловой и токовый шумы.

Тепловой шум - случайно изменяющееся электрическое напряжение на концах проводника вследствие неупорядоченного теплового движения электронов. Тепловой шум характеризуется непрерывным, широким, практически равномерным спектром. В полосе частот от f до f2 ЭДС теплового шума определяется по формуле где [Ет] = мкВ; [ f ] = кГц; [R]=кОм.

Токовый шум возникает при протекании тока по проводнику и обусловлен дискретной структурой токопроводящего элемента. При прохождении электрического тока происходит местный нагрев, который сопровождается нарушением контактов между одними частицами и образованием контактов в результате спекания между другими. Из-за этого флуктуируют значения сопротивления и тока и на резисторе появляется шумовая составляющая напряжения.

Токовый шум имеет непрерывный спектр, интенсивность которого увеличивается в области низких частот. Поскольку ЭДС (или мощность) шума зависит от тока, то она должна зависеть также и от напряжения, приложенного к резистору. В первом приближении в полосе частот 60…6000 Гц ЭДС токового шума можно определить по формуле Еi = KiU, где U - напряжение на резисторе; Ki - коэффициент, зависящий от конструкции резистора. Для различных типов резисторов значение Ki меняется от 0,2 до 20 мкВ/В. Уровень шума композиционных резисторов в несколько раз выше, чем у пленочных и является их существенным недостатком при использовании в РЭА. По абсолютной величине токовый шум может достигать сотен мкВ.

Влагоустойчивость резисторов определяется относительным изменением сопротивления, которое возникает после пребывания резистора в камере влажности при Т=40°C и относительной влажности 95…98% в течение заданного времени.

Защитные покрытия (лаки, эмали, пластмассы) полностью не предохраняют резистор от воздействия влаги. Они задерживают проникновение влаги на время, примерно пропорциональное квадрату толщины материала покрытия. Полная защита может быть достигнута только с помощью вакуумно-плотной герметизации.

После прекращения действия влаги номинальное сопротивления резистора может не восстанавливаться.

Коэффициент старения характеризует стабильность резисторов во времени:

Обычно R принимается в первом приближении величиной, не зависящей от времени.

Частотные свойства резисторов определяются номинальным сопротивлением и распределенными индуктивностью и емкостью. Сопротивление резистора на переменном токе зависит как от его номинального значения, так и от его емкости и индуктивности, которые, в свою очередь, определяются конструкцией резистора.

Для непроволочных резисторов с большим сопротивлением (сотни кОм) сопротивление на высоких частотах уменьшается, с малым сопротивлением – увеличивается. Это связано, в первую очередь, с технологией изготовления резисторов.

Маркировка резисторов. На каждом непроволочном резисторе указываются номинальное сопротивление, допустимые отклонения сопротивления от номинального и тип резистора. Если уровень шумов резистора меньше 1 мкВ/В, на нем ставится буква А.

Для резисторов принята система сокращенных обозначений согласно ГОСТ 13453-68. Резисторы постоянного сопротивления обозначаются буквой С, переменного – СП, цифровой индекс указывает материал резистивного элемента (табл. 2.2).

После дефиса следует номер разработки резистора.

Кодированное обозначение номинального сопротивления резисторов (ГОСТ 11076-69) состоит из цифр, обозначающих номинальное сопротивление, и буквы, обозначающей единицу измерения сопротивления. Сопротивления до 100 Ом выражаются в омах и обозначаются буквой Е. Сопротивления от 100 Ом до 100 кОм выражаются в килоомах и обозначаются буквой к, а сопротивления от 100 кОм до 100 Мом – в мегаомах и обозначаются буквой М. Эти буквы ставятся на место запятой десятичной дроби, которая выражает значение сопротивления. Например: 5 кОм маркируется как 5к; 500 Ом - к5;

4,7 кОм – 4к7.

Допустимые отклонения сопротивления от номинального маркируются буквами (табл. 2.3).

На непроволочных резисторах номинальная мощность указывается только на резисторах больших габаритов. Номинальная мощность малогабаритных резисторов определяется по размеру корпуса.

Старые обозначения типов резисторов состоят из букв. Первая буква обычно обозначает вид резистивного элемента. Например, У – углеродистый; М – металлопленочный; Б – бороуглеродистый; К – композиционный. Вторая буква – вид защиты резистивного элемента:

Л –лакированный; Г – герметичный; Э – эмалированный, изолированный, вакуумированный. Третья буква – особые свойства резистора: Т – теплостойкий; П – прецизионный; В – высокоомный; М – малогабаритный; О – объемный; Н – низкоомный.

Допустимое отклонение, % Код Допустимое отклонение, % Код Иногда тип резистора обозначается двумя буквами: МО - металлоокисный. Вторая буква может указывать на особые свойства (М – мегаомный, Т– теплостойкий).

Наиболее широко использовавшиеся ранее типы резисторов:

МЛТ, ОМЛТ, МТ – металлопленочные резисторы, термостойкие. Уровень шумов для группы А – не более 1 мкВ/В, для группы Б – не более 5 мкВ/В; ВС – влагоустойчивые углеродистые; УЛМ – углеродистые лакированные малогабаритные; МОН – металлоокисные; КИМ - композиционные, пленочные изолированные; СЧ – композиционные, объемные, в стеклокерамической оболочке; С2 – металлодиэлектрические.

Проволочные резисторы характеризуются повышенной стабильностью величины сопротивления, термостойкостью, влагостойкостью и малым уровнем шумов, выдерживают значительные перегрузки.

Вследствие высокой индуктивности их частотный диапазон не превышает 1…2 МГц. Проволока, используемая для резистивного элемента проволочных резисторов, выполнена из сплавов магнанина и константана. Для маркировки ранее выпущенных резисторов применялись обозначения: ПЭ – проволочные эмалированные; ПЭВ – проволочные эмалированные влагостойкие.

2.2. Резисторы переменного сопротивления Резисторы переменного сопротивления применяются для регулировки силы тока и напряжения.

По конструктивному исполнению делятся на одинарные и сдвоенные, одно- и многооборотные, с выключателем и без него.

По назначению – на подстроечные для разовой или периодической подстройки аппаратуры и регулировочные для многократной регулировки в процессе эксплуатации.

Функциональная характеристика переменного резистора определяет зависимость величины сопротивления между подвижным контактом и одним из неподвижных контактов от угла поворота - R() (или координаты для линейных резисторов). Наиболее распространенные зависимости показаны на рис. 2.4.

Резисторы группы А имеют линейную зависимость сопротивления от угла поворота: RA() = r0+К, где r0 – начальное сопротивление резистора; К – постоянный коэффициент.

Резисторы с логарифмической зависимостью (группа Б) характеризуются постоянным приростом сопротивления на единицу смещения подвижного контакта: RБ() = r0ek, где k – постоянная прироста сопротивления.

Переменные резисторы с обратнологарифмической зависимостью (группа В) характеризуются плавным изменением величины сопротивления в начале регулировки: RB() = Rmax(1-ek), где Rmax – максимальное сопротивление резистора.

Рис. 2.4. Функциональные характеристики переменных резисторов Для обозначения других функциональных зависимостей используют группы Е и И.

Переменные резисторы имеют ряд специфических характеристик.

Начальный скачок сопротивления - минимальное сопротивление при сдвиге подвижного контакта с нулевого положения.

Точность установки определяется разрешающей способностью резистора (зернистостью резистивного элемента, величиной контактной площадки).

Шумы вращения (передвижения) - шумы, возникающие в процессе перемещения подвижного контакта.

Момент вращения определяет усилие, которое необходимо приложить к оси вращения для регулировки.

Проволочные резисторы переменного сопротивления отличаются повышенной термостойкостью, нагрузочной способностью, высокой износостойкостью, стабильностью, низкими шумами и малым ТКС.

Однако они имеют ограниченный диапазон номинальных сопротивлений, высокие собственные емкость и индуктивность, высокую стоимость.

Резистивным элементом непроволочных резисторов служит углеродистый или композиционный состав, нанесенный на плоскую основу (стеклотекстолит, керамика, гетинакс).

Специальные или нелинейные резисторы – элементы с заранее предусмотренными и целенаправленными изменениями сопротивления при наличии тех или иных воздействий.

Варисторы – элементы, сопротивление которых значительно изменяется с изменением приложенного напряжения (рис. 2.5). Основное их назначение – стабилизация и ограничение напряжения.

Рис. 2.5. Обозначение варисторов на принципиальных схемах Варисторы изготавливаются путем спекания смеси из кристаллов карбида кремния (карборунда) и связующих веществ. Ток, протекающий по варистору, изменяется при изменении напряжения по нелинейному закону (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Вольт-амперные характеристики варисторов Маркировка варисторов: буквы СН - обозначают сопротивление нелинейное, цифры - шифр материала и тип конструкции.

Нелинейность характеристики вызвана тем, что при увеличении напряжения происходит перекрытие мельчайших зазоров между кристаллами карбида, сопротивление уменьшается, ток растет. Варисторы изготавливаются на напряжение от 15 В до 25 кВ, токи – от 50 мкА до 10 мА и мощностью от 0,8 до 3 Вт.

Сопротивление варистора значительно зависит от частоты тока и может отличаться от значения на постоянном токе до 10 раз. Для параметров варисторов характерны большие отклонения и нестабильность. Например, ток при заданном напряжении может иметь отклонение от ±10% до 20%. Температурный коэффициент сопротивления может достигать значений 10 -2 1/ °C.

Терморезисторы – это термочувствительные резисторы, сопротивление которых значительно изменяется с изменением температуры.

Терморезисторы по назначению делятся на такие группы:

- для измерения и регулирования температуры;

- для термокомпенсации элементов электрической цепи в широком интервале температур;

- для систем теплового контроля;

- для измерения мощности СВЧ колебаний от долей мкВт до единиц мВт;

- для стабилизации напряжения в целях постоянного и переменного тока.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяются на: кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ-3), титанобариевые (СТ-5 – СТ9, СТ15).

Все терморезисторы (за исключением некоторых специальных случаев) – прямого подогрева, т.е. их рабочее тело нагревается током, протекающим через него. Применяются для температурной стабилизации радиоэлектронных устройств, а также в качестве первичных датчиков температуры.

По знаку ТКС терморезисторы делятся на термисторы и позисторы.

Термисторы характеризуются отрицательным ТКС (сопротивление падает с ростом температуры). Для большинства термисторов температурная зависимость сопротивления в рабочем интервале температур определяется соотношением где Т0 – абсолютная температура, при которой сопротивление терморезистора равно R0; Т – абсолютная температура, при которой определяется значение RT; В – постоянный коэффициент (для различных типов термисторов 2600…7200 К).

Постоянной времени термистора принято считать время, в течение которого температура его тела уменьшится в е раз при резком изменении температуры окружающего воздуха от 120 до 20 °С.

Вольт-амперные характеристики термисторов имеют резко выраженный максимум в области малых токов.

Интервал рабочих температур:

- 60…+180 °С (для различных типов). Основные типы термисторов с прямым подогревом: КМТ, ММТ, СТ1, СТ3.

Позисторы – терморезисторы с большим положительным ТКС. В интервале рабочих температур - 60…+ 200 °С кратность изменения сопротивления может достигать 104 раз. Основные типы позисторов:

СТ5, СТ6.

Согласно новой системе обозначений терморезисторы обозначаются буквами ТР. Цифра, следующая за обозначением, указывает вид материала, из которого изготовлен терморезистор (кобальт, марганец, медь).

Фоторезисторы – это дискретные светочувствительные резисторы, принцип действия которых основан на изменении проводимости полупроводникового материала под действием излучения оптического диапазона. Обозначение фоторезисторов на принципиальных показано на рис. 2.7.

Светочувствительный элемент фоторезистора изготавливается в виде прямоугольной или круглой таблетки, спрессованной из полупроводникового материала или тонкой пленки на стеклянной подложке.

Рис. 2.7. Условное графическое изображение фоторезисторов Приведем основные параметры фоторезисторов.

Темновое сопротивление RT – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения (при приложенном рабочем напряжении Up и темновом токе IT RT = Up / IT).

Световой ток IСВ – ток, протекающий через фоторезистор при воздействии потока излучения заданных интенсивности и спектрального распределения. Тогда сопротивление освещенного фоторезистора RСВ = Up / IСВ. Кратность изменения сопротивления Kj = RСВ / RT.

Динамические свойства фоторезисторов характеризуют: постоянная времени по нарастанию тока н, постоянная времени по спаду тока сп. Зависимость тока фоторезистора при импульсом освещении показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Зависимость тока фоторезистора при импульсом освещении Люкс-амперная характеристика фоторезисторов отражает зависимость светового тока, протекающего через фоторезистор, от освещенности. Она обычно имеет нелинейный характер.

Рис. 2.9. Люкс-амперная характеристика Вольт-амперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока от приложенного к резистору напряжения (рис. 2.10) при неизменной освещенности Е.

Рис. 2.10. Вольт-амперная характеристика фоторезистора Спектральная характеристика отображает чувствительность фоторезистора в зависимости от длины волны падающего излучения при неизменной его интенсивности (рис. 2.11), а mах - длина волны, соответствующая максимуму спектральной чувствительности фоторезистора.

Рис. 2.11. Спектральная характеристика фоторезисторов Температурный коэффициент светового тока (ТКIСВ) фоторезистора отражает относительное изменение IСВ от температуры при постоянстве других параметров.

Для маркировки фоторезисторов используют буквенно-цифровую кодировку. Первые две буквы обозначения: РФ (резистор фоточувствительный или СФ (сопротивление фоточувствительное), а также ФС (старые обозначения). Далее буквами или цифрами обозначаются материал фоторезистора и рабочий спектральный диапазон:

А (1) – РвS (сернистый свинец) - инфракрасная область спектра;

К (2) – CdS (сернистый кадмий) - видимая область спектра, частично ультрафиолетовое излучение;

Д (3) – CdSe (селенистый кадмий) - красная и ближняя инфракрасная область спектра.

Цифры, стоящие после дефиса, характеризуют конструктивное оформление фоторезистора. Перед цифрой может стоять буква Г, обозначающая герметизированную конструкцию. Например, СФ 2-1, ФСК-1а, ФСД-Г2, СФ 3-1 и т.д.

Резистивный оптрон - комбинация светодиода и фоторезистора в одном элементе. Позволяет осуществлять передачу сигналов при отсутствии электрического соединения в цепи. Используется для гальванической развязки в сигнальных цепях.

Тензорезисторы - элементы, электрическое сопротивление которых зависит от величины механических деформаций. Различают:

- проволочные тензорезисторы, в качестве чувствительного элемента имеют решетку из тонкой проволоки диаметром 2…30 мкм;

- фольговые тензорезисторы, имеют решетку из фольги толщиной 5…10 мкм;

- полупроводниковые тензорезисторы, в качестве чувствительного элемента имеют полупроводник толщиной 20…50 мкм. Обладают большой чувствительностью.

Тензочувствительность резистора определяется выражением где l, R, R и l - длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их приращения, соответственно.

2.4. Особенности использования резисторов в РЭА Конструкция резисторов общего назначения. Приведем в качестве основной наиболее распространенную конструкцию (рис. 2.12) резисторов (например, МЛТ – металлопленочные, лакированные, теплостойкие).

Проволочный вывод Рис. 2.12. Элементы конструкции резисторов общего назначения В пленочных резисторах резистивный элемент наносят на диэлектрическое основание в виде сплошной или спиралевидной пленки (рис. 2.13, а). В объемных резисторах функцию основания и резистивного элемента выполняет композиционный элемент с заданным удельным сопротивлением (рис. 2.13, б). В проволочных резисторах резистивный элемент образует спираль из проволоки.

Расстояние между витками Рис. 2.13. Резистивные элементы непроволочных резисторов Резисторы в цепи постоянного тока. В общем случае сопротивление резистора постоянному току определяется не только сопротивлением резистивного элемента RН, но и рядом других компонентов:

RК – контактного сопротивления, RО – сопротивления основания, RЗП – сопротивления защитного покрытия. Отразим это на схеме замещения резистора, включенного в цепь постоянного тока (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Схема замещения резистора на постоянном токе При спиралевидном резистивном слое шунтирующее влияние проводимости изоляционного основания и защитного покрытия возрастает. Суммарное сопротивление резистора можно представить выражением где t – шаг спирали; а – расстояние между витками.

При нормальной температуре и влажности проводимостью изоляционного основания можно пренебрегать, если величина сопротивления не превышает 109...1010 Ом.

Нелинейные свойства резисторов. В неметаллических резистивных элементах (в особенности при зернистой структуре) влияние напряжения на сопротивление может проявляться при неощутимом нагреве резистивного элемента в целом. Увеличение проводимости резистивного слоя связывают с электрическим пробоем между микроструктурами зернистого слоя при росте приложенного напряжения. В этом случае вольт-амперная характеристика резистора не подчиняется закону Ома и имеет нелинейный характер (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Вольт-амперная характеристика реального резистора Нелинейные свойства резисторов отражает коэффициент напряжения КН = R / ((U1 – U0 )R0). В результате таких свойств резистор может служить источником нелинейных искажений, как показано на рис 2.16.

Рис. 2.16. Искажение формы синусоидального сигнала Если резистор значительно нагревается проходящим током, то изменение сопротивления в зависимости от приложенного напряжения будет определяться не только его нелинейностью, но и температурой нагрева. Суммарное изменение сопротивления характеризуется коэффициентом нагрузки Работа резисторов в высокочастотных (ВЧ) цепях. Комплексное сопротивление резистора на переменном токе определяется распределенной емкостью С' и индуктивностью L'. Схема замещения выглядит таким образом (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Эквивалентная схема резистора на переменном токе Работа с такой эквивалентной схемой крайне неудобна. В большинстве случаев рационально пользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Упрощенная эквивалентная схема резистора для ВЧ цепей К высокоомным резисторам можно отнести резисторы, величина сопротивления которых R > (L' / C')1/2. Для реальных резисторов это R > 300…3000 Ом. При таких величинах сопротивления влиянием индуктивности можно пренебречь. Эквивалентные схема приобретает вид, изображенный на рис. 2.19, где Rf - активное сопротивление резистора на частоте f, Сf - собственная емкость резистора.

Рис. 2.19. Эквивалентная схема высокоомного резистора в ВЧ цепях Следует заметить, что величина Rf учитывает активные потери, связанные с поверхностным эффектом и потерями в изоляционных материалах на рабочей частоте.

Для низкоомных резисторов с сопротивлением менее 300 Ом величиной емкостного сопротивления по сравнению с индуктивным можно пренебречь. Эквивалентная схема приобретает вид, приведенный на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Эквивалентная схема низкоомного резистора в ВЧ цепях Проволочные резисторы ввиду большой собственной индуктивности в высокочастотных цепях не используются. В связи с большими потерями на высоких частотах объемные резисторы также имеют ограниченное применение в ВЧ аппаратуре.

Электрический конденсатор - это элемент, представляющий собой систему из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком и обладающий свойствами накапливать электрическую энергию (емкостью). Емкость конденсатора С определяется отношением накапливаемого в нем электрического заряда q к приложенному напряжению U: С = q / U. Единицы измерения емкости: [С] = Ф (фарада);

10-6 Ф = мкФ (микрофарада); 10-9 Ф = нФ (нанофарада); 10-12 Ф = пФ (пикофарада) Емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения обкладок.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из n обкладок, где d – толщина диэлектрика; S – площадь обкладок; – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Для цилиндрического конденсатора емкость можно найти по формуле где D1 и D2 – диаметры внешней и внутренней цилиндрических обкладок; размерности величин – [C] = пФ; [l, d] = мм; [S] = мм2.

Общая классификация конденсаторов. По характеру изменения емкости конденсаторы делят на несколько групп.

Конденсаторы постоянной емкости это конденсаторы с фиксированной емкостью, которая в процессе эксплуатации не регулируется.

Применяют в цепях блокировки, развязки по питанию, как переходные, разделительные, элементы фильтров и колебательных контуров.

Существует большое количество типов постоянных конденсаторов.

Значительная часть их стандартизирована и налажено их массовое производство.

Конденсаторы переменной емкости (КПЕ) используют для плавной настройки колебательных контуров. Выпуск КПЕ не подлежит полной стандартизации. Их разрабатывают согласно требованиям к данной конструкции.

Подстроечные конденсаторы применяют в цепях, емкость которых должна точно устанавливаться при разовой или периодической регулировке и не изменяться в процессе эксплуатации. Некоторые типы подстроечных конденсаторов стандартизированы и выпускаются серийно.

Нелинейные конденсаторы, емкость которых определяется приложенным напряжением (вариконды) или температурой (термоконденсаторы).

Другим классификационным признаком был выбран вид диэлектрика. В зависимости от вида диэлектрика конденсаторы можно разделить на элементы с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком (неорганический диэлектрик для электролитических конденсаторов). Конденсаторы постоянной емкости обычно выполняют с твердым диэлектриком.

По характеру защиты от внешних воздействий конденсаторы выполняются незащищенными, защищенными, неизолированными, изолированными, уплотненными и герметизированными.

В зависимости от использования в конкретных цепях аппаратуры конденсаторы делят на низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и т.д.

На принципиальных схемах конденсаторы обозначают латинской буквой С с порядковым цифровым или буквенным индексом (рис. 3.1).

С Конденсатор подстроечный Конденсатор переменной Рис. 3.1. Условные обозначения конденсаторов на схемах Для указания номиналов на схемах приняты следующие сокращения обозначений емкости конденсаторов.

Емкости от 1 до 999 пФ обозначают без указания единицы измерения. Например: емкость 3300 пФ будет обозначена как 3300; 10 пФ – 10.

Емкости от 0,01 мкФ (10000 пФ) и больше обозначают строчными буквами мк. Например: емкость 0,1 мкФ обозначают как 0,1 мк;

220 мкФ – 220 мк.

Для конденсаторов переменной емкости, а также подстроечных конденсаторов указывают минимальную и максимальную емкости.

Например: Смин= 5 пФ, Смах = 340 пФ обозначают как 5…340.

Для оксидных (электролитических, полярных) конденсаторов рядом с обозначением емкости указывают знак х и рабочее напряжение конденсатора в вольтах. Например: конденсатор емкостью 100 мкФ на рабочее напряжение 25 В обозначают как 100 мк 25 В.

3.1. Основные параметры конденсаторов Удельная емкость конденсатора – отношение емкости к объему или массе конденсатора. Этот параметр используется при массогабаритной оптимизации конструкции.

Номинальная емкость конденсатора – емкость, которую должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией.

Номинальные емкости всех типов конденсаторов постоянной емкости стандартизированы и с точностью до множителя соответствуют рядам Е6 – Е192 (подробно рассмотрено во втором разделе).

Допустимое отклонение емкости от номинальной (допуск) характеризует точность задания емкости. Значения этих отклонений установлены ГОСТ 9661-73 в процентах для конденсаторов емкостью от 10 пФ и более и в пикофарадах для конденсаторов с меньшей емкостью. Кодированные значения допусков приведены в табл. 3.1 и 3. соответственно.

отклонение, % лат. (рус.) отклонение, % лат. (рус.) Номинальное рабочее напряжение (номинальное напряжение) – максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать в заданных условиях эксплуатации в течение гарантированного срока службы. Как правило, оно указывается на конденсаторе. Номинальные напряжения и их кодирование (в основном на малогабаритных конденсаторах) приведены в табл. 3.3.

Испытательное напряжение – максимальное напряжение, при котором конденсатор может находиться без пробоя небольшой промежуток времени (от единиц секунд до единиц минут). По отношению к номинальному испытательное напряжение UИСП = 2UНОМ для слюдяных и стеклянных конденсаторов; для керамических и бумажных UИСП = (2…3)UНОМ; для металлобумажных UИСП = (1,5…2)UНОМ.

Пробивное напряжение – минимальное напряжение, при котором происходит электрический пробой конденсатора при быстром испытании. Обычно превышает номинальное в 1,5 – 3 раза.

Сопротивление изоляции – сопротивление конденсатора постоянному току:

где Iут - ток утечки или проводимости. Наибольшим сопротивлением изоляции (десятки тысяч мегаом) обладают пленочные конденсаторы, наименьшим – электролитические оксидные.

Постоянная времени конденсатора – произведение сопротивления изоляции и емкости конденсатора с = RизС с – является основной характеристикой качества конденсатора на постоянном токе. Размерность [с ] = c (секунды). Для различных типов конденсаторов с может составлять от нескольких минут до нескольких суток и характеризует время, в течение которого напряжение на конденсаторе уменьшается в е раз (или до 37% от начального значения).

Реактивная мощность конденсатора характеризует “нагрузочную” способность конденсатора на переменном токе:

Отсюда допустимое значение амплитуды Uа переменного напряжения на конденсаторе при заданной мощности Рр:

где [Uа] = В, реактивная мощность [Рр] = Вар (реактивные вольтамперметры), [f] = МГц; [С] = мкФ.

Тангенс угла потерь (tg ) характеризует потери энергии в конденсаторе при протекании переменного тока. Потери происходят в обкладках и диэлектрике. Основные потери приходятся на диэлектрик. Наличие потерь ( Pa =IR из ) приводит к тому, что вектор полного тока отклоняется на угол относительно вектора емкостного тока. Тогда отношение мощности активных потерь к реактивной мощности можно записать как Величину, обратную tg, называют добротностью конденсатора:

Современные конденсаторы (кроме электролитических) имеют очень малые потери tg 0,01…0,001.

Стабильность параметров конденсаторов. Электрические свойства конденсатора и срок службы зависят от условий эксплуатации, воздействия тепла, влажности, радиации, вибраций, ударов, а также времени.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) характеризует обратимые изменения емкости конденсатора с изменением температуры.

ТКЕ или с представляет собой относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус где С0 – емкость конденсатора при номинальной температуре.

Детальный анализ показал, что с = + s + d, где – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости; s – температурный коэффициент изменения действующей площади обкладок; d – температурный коэффициент изменения толщины диэлектрика. Поскольку обычно 1600 B Слюдяные большой Встречаются также старые обозначения постоянных конденсаторов: КД – конденсатор дисковый; КТ – конденсатор трубчатый; КН – конденсатор нелинейный; ФТ – фторопластовый термостойкий.

Подстроечные конденсаторы обозначаются сочетанием букв КТ.

Цифровой код имеют: вакуумные – 1, с воздушным диэлектриком – 2, с газообразным – 3, с твердым – 4.

Конденсаторы переменной емкости имеют буквенную маркировку КП (тип диэлектрика кодируется так же, как и для подстроечных конденсаторов).

Для нелинейных конденсаторов используют обозначение КН.

Следующая цифра кода 1 соответствует варикондам, цифра 2 – термоконденсаторам.

Сочетанием букв КС маркируются конденсаторные сборки.

Кодированное обозначение номинальных емкостей состоит из трех или четырех знаков.

Емкость от 0 до 999 пФ выражают в пикофарадах и обозначают буквой “р”, например, емкость 10 пФ маркируют как 10 р.

Емкость от 1000 пФ до 999999 пФ выражают в нанофарадах и обозначают буквой “n”. Например, емкость 0,022 мкФ – 22 n.

Емкость от 1 мкФ до 999 мкФ выражают в микрофарадах и обозначают буквой “µ”. Например, 10 мкФ – 10 µ.

Емкость от 1000 до 999999 мкФ выражают в миллифарадах и обозначают буквой “m”. Например, 2000 мкФ – 2 m.

Емкость от 1Ф и более обозначают в фарадах буквой “F”.

В случае необходимости буква кода ставится на место запятой десятичной дроби, например, 5,6 пФ – 5р6.

Маркировка емкости конденсаторов отечественного производства более ранних выпусков осуществлялась следующим образом: емкость менее 100 пФ указывалась в пикофарадах буквой П; для интервала 100 пФ С < 0,1 мкФ емкость указывалась в нанофарадах буквой Н и для С 0,1 мкФ в микрофарадах – буквой М.

3.2. Конденсаторы переменной емкости (КПЕ) КПЕ – элементы радиоаппаратуры, предназначеные для изменения параметров резонансных цепей.

Конструкция любого конденсатора переменной емкости содержит:

систему неподвижных пластин (плоские или цилиндрические) – статор; систему подвижных пластин – ротор; корпус или основание для сборки всех элементов конденсатора; направляющих вращательного или поступательного движения ротора; токосъема. Как правило, статор изолируют от корпуса, иногда изолируют и ротор.

Единой классификации КПЕ нет. Можно лишь указать основные классификационные признаки.

Назначение: входные и усилительные каскады приемников, гетеродины приемников, генераторы передатчиков, антенно-фидерные устройства, измерительная аппаратура и т.п.

Применяемый диэлектрик – твердый, жидкий, газообразный, вакуумный.

Закон изменения емкости: прямо емкостной, прямо частотный, прямо волновой, логарифмический, косинусоидальный, по заданной функции.

Величина емкости и диапазон частот. Различают КПЕ для диапазонов длинных (ДВ), средних (СВ), коротких (КВ), ультракоротких (УКВ) и дециметровых (ДЦВ) волн.

Форма электродов: пластинчатая, цилиндрическая, спиральная.

Вид перемещения электродов: поступательный, вращательный.

Способ изменения емкости: изменение площади перекрытия пластин, изменение зазоров между пластинами, изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Угол поворота (для КПЕ с вращательным перемещением электродов): нормальный (примерно 1800), расширенный (более 1800), равный 900.

Тип токосъема: трущийся, гибкий, емкостной.

Емкость любого КПЕ определяется начальной Смин и переменной Сперем емкостями: Смакс = Смин + Сперем.

Для оценки возможности перестройки колебательного контура по частоте рассмотрим характерную схему включения, изображенную на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Эквивалентная схема колебательного контура На значение резонансной частоты колебательного контура также влияют: СL – собственная емкость катушки индуктивности; Сд – добавочная емкость; См – емкость монтажа; Сук – входная емкость усилительного каскада; Сп – емкость подстроечного конденсатора.

Все емкости составляют минимальную емкость контура:

Тогда максимальная емкость контура составит:

Коэффициент перекрытия по частоте находим из соотношения Отсюда можно получить зависимость В табл. 3.8 приведены рекомендуемые значения емкостей Ск. мин и Сперем, исходя из оптимальных в пределах рабочего диапазона стабильности емкости контура, требуемых величин чувствительности приемника или мощности передатчика.

Минимальная емкость в реальных конструкциях конденсаторов в 6 – 20 раз меньше максимальной. В электроизмерительной технике применяются иногда конденсаторы с максимальной емкостью до 3000…5000 пФ.

Необходимая зависимость изменения емкости от угла поворота обеспечивается чаще всего изменением площади перекрытия статорных пластин роторными с переменным радиусом R = R () при полукруглом вырезе в статорных пластинах r = const (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Элементы конденсатора переменной емкости Функциональную зависимость радиуса ротора от угла поворота конденсатора, имеющего n пар пластин, описывает выражение Для прямоемкостного конденсатора dC/d = const, поэтому радиус ротора неизменен, а график, отражающий функциональную зависимость, показан на рис. 3.4, а.

Для прямочастотного конденсатора График функциональной зависимости для прямочастотного конденсатора показан на рис. 3.4, б.

Для прямоволнового типа конденсатора График функциональной зависимости для прямоволнового конденсатора изображен на рис. 3.4, в.

Рис. 3.4. Графики функциональных зависимостей для КПЕ Температурный коэффициент конденсатора переменной емкости. Учитывая, что ТКЕ всего конденсатора описывается выражением