Пассивные компоненты электронных схем

Резисторы

Как вы помните, электрический ток представляет собой не что иное, как направленное движение электронов по проводнику. Чем больше электронов принимают участие в этом движении, тем сильнее будет ток.

Резисторы - элементы, обладающие сопротивлением, — были названы так за свою способность сопротивляться току (resisto - "сопротивляться" в переводе с латинского), протекающему через них. Можно сказать, что резисторы представляют собой элементы, тормозящие электроны. Контролируя ток, протекающий через резистор, можно заставить схему функционировать по-разному.

Рисунок 5 - Делитель напряжения

Резисторы, обозначение которых на схемах показано на рисунке 5, представляют собой самые основные "кирпичики" электронных схем, поэтому вы встретитесь с ними в абсолютном большинстве проектов. Основные функций, которые могут выполнять эти элементы.

-Ограничение тока на других радиоэлементах.

-Уменьшение напряжения на заданном участке схемы. Соединив два резистора последовательно, как показано на рисунке 5, можно получить схемотехнический узел, называющийся делителем напряжения. Полагая, например, что оба резистора имеют одинаковые сопротивления, можно сделать вывод, что раз они тормозят электроны в равной мере, напряжение в точке их соединения будет равно половине приложенного ко всему узлу напряжения.

-Контроль напряжения/тока, протекающего через другие компоненты.

-Защита входов чувствительных элементов: слишком большой ток может повредить некоторые радиодетали. Если же поставить резисторы на входах чувствительных транзисторов или интегральных микросхем, то тем самым входной ток ограничится до нужных значений. Хотя такое включение и не является стопроцентной гарантией от перегрузок токов, оно сэкономит вам немало нервов и денег, особенно если подумать, сколько времени ушло бы на поиск и устранение неисправности в схеме.

Промышленность для аппаратуры широкого потребления выпускает резисторы сопротивлением примерно от 0,1Ом до 100МОм и мощностью от 0,0,062Вт до 100Вт.

Резисторы изготавливаются их различных материалов. Существуют металлофольговые, проволочные и непроволочные резисторы.

Металлофольговые резисторы изготавливают на основе диэлектрических оснований (трубчатые и пластинчатые), на которые наносят фольговые покрытия, к концам которых подсоединяют проволочные выводы.

Проволочные резисторы выполняют из проволоки с высоким удельным сопротивлением, материалом которой часто служит нихром, манганин, константан и подобные сплавы. Чтобы уменьшить габариты таких резисторов, проволоку обычно навивают на диэлектрический каркас, например, спиралью укладывают на керамический стержень. Паразитная индуктивность проволочных резисторов при указанном способе изготовления довольно велика.

Непроволочные резисторы можно классифицировать на углеродистые, полупроводниковые, металлодиэлектрические или композитные.

По возможности регулировки сопротивления резисторы подразделяют на постоянные, подстроечные и переменные.

У постоянных резисторов сопротивление должно быть неизменно в определенном значении температур.

У подстроечных резисторов есть возможность изменения величины сопротивления, но количество регулировок ограничено физическим износом деталей.

Рисунок 6 - Подстроечные резисторы

У переменных резисторов сопротивление можно изменять много раз.

Рисунок 7 - Переменные резисторы

Внешний вид некоторых постоянных резисторов, отличающихся номинальной мощностью показан на рисунке 8. Различие в размерах при одном и том же значении сопротивления объясняется тем, что движение электронов через проводник всегда вызывает нагрев последнего. Чем больше электронов движется по проводнику, тем сильнее он будет разогреваться. По этой простой причине резисторы также маркируют величиной мощности, которую они могут рассеять, не сгорая.

Рисунок 8 – Постоянные резисторы

Мощность измеряется в ваттах — чем больше ватт будет выделяться на резисторе, тем больше он будет нагреваться. Величина мощности рассчитывается по простой формуле:

,

где Р - мощность в ваттах, I - ток, протекающий через резистор, в амперах, a U - напряжение на выводах резистора.

Предположим, к примеру, что к резистору приложено напряжение 5 Вольт, и через него протекает ток 25 мА. Рассчитаем выделяемую на нем мощность, перемножив эти величины. Получим 0,125 Вт.

Варисторы и негисторы

Варисторы – это компоненты, сопротивление которых уменьшается при повышении приложенного напряжения сверх определённого значения. Сопротивление варисторов нелинейно. Основным материалом для производства варисторов обычно выступает карбид кремния. Когда приложенное к выводам варистора напряжение превысит фиксированный порог, происходит пробой окислов, которыми покрыты кристаллы карбида кремния. Это вызывает уменьшение сопротивления варистора. Варистор можно включать в цепь в любой полярности. Вольтамперная характеристика (ВАХ) варисторов симметрична, смотри рисунок 9.

Рисунок 9 – Вольт - амперная характеристика варистора

Варисторы нашли широкое применение в качестве компонентов, которые включают после предохранителя параллельно питающей сети на входе электропитающих устройств с целью защиты последних от кратковременных перенапряжений, иногда возникающих в сети.

Негисторами называют специальные варисторы, вольтамперная характеристика которых имеет участок отрицательного сопротивления и симметрична. Микромощные негисторы применяют в микросхемах.

Терморезисторы

Терморезисторы – это компоненты, сопротивление которых зависят от температуры. Важным параметром терморезисторов выступает температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который отражает, на сколько процентов станет иным сопротивление детали при изменении температуры на 1 °C. Терморезисторы, сопротивление которых возрастает при увеличении температуры, обладают положительным ТКС, и такие компоненты называют позисторами. Эти терморезисторы изготовляют чаще всего с использованием твёрдых растворов титаната бария.

Терморезисторы, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры, обладают отрицательным значением ТКС, их изготавливают на основе оксидов магния, оксидов никеля и прочих оксидов с примесями кремния или германия. Помимо ТКС, к основным параметрам терморезисторов относят сопротивление в холодном состоянии, максимальная рабочая температура, максимальная мощность рассеяния и др.

Маломощные терморезисторы применяют в качестве датчиков температуры, а мощные – для ограничения импульсов тока, потребляемых от питающей сети импульсными источниками питания и т.д.

Конденсаторы

Конденсаторы занимают второе после резисторов место по степени использования в электронных устройствах. Обозначение на электронных схемах показано на рисунке 8.

Рисунок 10 – Обозначение конденсаторов на принципиальных схемах. Слева обычный, справа электролитический конденсатор

Состоят конденсаторы их двух обкладок, разделенных слоем диэлектрика. В конденсаторе электроны притягиваются к положительной обкладке. Если отключить приложенное к конденсатору напряжение, то вследствие неидеальности диэлектрика электроны постепенно рассосутся. Емкость конденсатора определяется по формуле:

,

где ε – относительная диэлектрическая постоянная диэлектрика, ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, S – площадь пластин конденсатора, l – расстояние между обкладками.

Благодаря протяженности во времени накопления и рассасывания электронов, конденсаторы могут работать в качестве элементов, сглаживающих перепады напряжения. В некоторых случаях цепочку из резистора и конденсатора можно успешно использовать в качестве таймера. Именно благодаря конденсаторам становится возможной работа усилителей и тысяч других схем. Конденсаторы используются в большинстве электронных устройств для выполнения самых разных функций.

-Создания таймеров, устройств для задания временных интервалов.

-Сглаживания напряжений в источниках питания, преобразующих переменный ток в постоянный потенциал.

-Ограничения постоянного тока: при последовательном соединении конденсатора и источника сигнала, конденсатор не пропускает постоянный ток, но пропускает переменный. Данное свойство конденсатора основывается на том, что он представляет собой сопротивление, обратно пропорционально зависящее от частоты.

,

где , f – частота сигнала, С – величина емкости конденсатора.

Чем выше частота проходящего сигнала, тем меньше сопротивление конденсатора переменному току, и наоборот; для постоянного тока частота изменения сигнала равна 0, потому сопротивление приближается к бесконечности.

-Выделения сигналов нужной частоты и ослабление ненужных частот. Конденсаторы часто используются для получения фильтров, отсекающих сигналы переменного тока с частотой ниже или выше некоторого заданного порога. Изменяя величину емкости конденсатора, можно изменить предельную частоту фильтра.

Типичный конденсатор имеет внутри две металлические пластины, между которыми обязательно есть зазор, заполненный диэлектрическим материалом - как еще принято называть изолятор.

Среди диэлектриков, разделяющих пластины конденсаторов, можно упомянуть воздух, пластмассы, слюду и специальную конденсаторную бумагу.

Конденсаторы характеризуются емкостью, которая измеряется в фарадах. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электронов он может накопить за один раз.

Емкость в 1 Ф очень велика, большинство конденсаторов имеют меньшие значения емкости, это микрофарады, или миллионные доли фарада (10^-6 Ф, мкФ), и еще меньшие емкости нанофарады, (10^-9 Ф, нФ) (миллиардная доля фарада) и пикофарады (10^-12 Ф, пФ).

Рабочим напряжением называется максимальное напряжение на конденсаторе, которое он может выдержать без ущерба для себя. При больших напряжениях возможен "пробой" диэлектрика.

Типичный конденсатор, предназначенный для работы в схемах постоянного тока, имеет рабочее напряжение от 16 до 50 В. Напряжение питания большинства электронных схем обычно лежат в пределах от 3,3 до 18 В. В схемах, в которых планируются большие величины напряжений, имеет смысл позаботиться о выборе более высоковольтных конденсаторов. Из соображений безопасности необходимо выбирать конденсаторы, рабочие напряжения которых минимум на 10-15 процентов больше, чем максимально возможные в данной схеме.

Наиболее часто в виде диэлектриков используются оксид алюминия, тантал, керамика, слюда, полипропилен, полиэстер (или майлар), бумага и, наконец, полистирен. Если в схеме явно указано, что конденсатор такой-то должен быть такого-то типа, то необходимо найти требуемый.

Изготовление: кондукторов с емкостями порядка фарад стало возможным только совсем недавно. Развитие технологий и создание новых материалов, таких как микроскопические углеродные гранулы, дало возможность производителям элементов изготавливать конденсаторы даже больших емкостей (существуют конденсаторы очень большой емкости - ионисторы). Память в компьютерах, радиоприемники с электронными часами и многие другие электронные устройства нуждаются в источниках заряда, питающих отдельные узлы в течение длительного времени, когда нет доступа к обычному источнику питания. Именно конденсаторы и выступают в роли таких заменителей батареек.

В таблице 2 приведен список основных типов конденсаторов и их емкости.

Таблица 2 - Характеристики конденсаторов

Конденсаторы бывают совершенно различных форм (рисунок 11). Алюминиевые электролитические и бумажные конденсаторы изготавливаются обычно цилиндрической формы. Танталовые, керамические, слюдяные и полистиреновые - более шаровидной, поскольку чаще всего их погружают в емкость с жидкой эпоксидной смолой или пластиком, что и придает им округлые очертания. Однако не все конденсаторы (особенно слюдяные или майларовые) имеют формы, соответствующие какому-то определенному типу, поэтому не стоит судить об их характеристиках только по внешнему виду.

Рисунок 11 - Силуэты различных конденсаторов.

Некоторые конденсаторы имеют маркировку, однозначно определяющую их емкость. Обычно так делают для больших алюминиевых электролитических конденсаторов - их размер позволяет печатать на корпусе как емкость, так и максимальное рабочее напряжение.

Рисунок 12- Электролитические конденсаторы

Однако более мелкие конденсаторы, такие как слюдяные дисковые конденсаторы с емкостями 0,1 или 0,01 мкФ, имеют только маркировку из трех цифр, обозначающую емкость и допуск номинала.

Как правило, любое значение свыше 1000 пикофарад измеряется в микрофарадах. Чтобы преобразовать емкость из пикофарад в микрофарады, нужно просто сдвинуть десятичную точку на 6 разрядов влево. Таким образом, емкость конденсатора из предыдущего абзаца (10 000 пикофарад), записанная в микрофарадах, равняется 0,01 мкФ.

В другой, несколько реже используемой системе маркировки, применяются как цифры, так и буквы, например:

4R3

Расположение буквы R указывает позицию десятичной точки, разделяющей целую и дробную части, т.е. запись 4R3 обозначает на самом деле 4,3. Единицы измерения в этой системе записи не указываются, так что данная маркировка может стоять и на конденсаторе 4,3 пФ, и на конденсаторе 4,3 мкФ.

Емкость конденсатора можно измерить либо специальным прибором, либо мультиметром с емкостным входом. В большинстве мультиметров этот вход сделан таким образом, что конденсатор необходимо вставить в отверстия на приборе чтобы исключить емкость проводов. Это позволяет получать более точные измерения.

Большинство конденсаторов имеют большой разброс номиналов. Значения емкостей, отпечатанные на конденсаторе, могут довольно значительно отличаться от реальных. Это связано с технологией изготовления конденсаторов. В справочниках приводится разброс, который может доходить до 60%. К счастью, ошибки в точности емкости редко приводят к каким-либо негативным последствиям для большинства схем.

Как и резисторы, конденсаторы специально маркируются согласно их допускам, и эта маркировка также указывает процент допуска.

Значения основных букв, показывающих норму допуска, даны в таблице 4.

Таблица 4. Маркировка допусков емкости конденсаторов

Ёмкость конденсатора тем выше, чем больше площадь обкладок, меньше расстояние между ними и чем выше диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками.

Различают постоянные, подстроечные и переменные конденсаторы.

Постоянные конденсаторы обладают фиксированной ёмкостью.

Рисунок 13 – Постоянные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы допускают некоторое число регулировок ёмкости.

Рисунок 14 – Подстроечные конденсаторы

Конденсаторы переменной ёмкости допускают её многократное изменение. Фактическая ёмкость постоянных конденсаторов всегда отличается от номинальной ёмкости. В документации на конденсаторы обычно указаны допустимые отклонения фактических ёмкостей относительно номинальных.

Рисунок 15 – Конденсаторы переменной емкости

Важным параметром конденсаторов выступает тангенс угла потерь, которым называют отношение активной мощности к реактивной при фиксированной частоте, напряжённости поля, температуре.

Ионисторы – это химические источники тока, обладающие исключительно высокой ёмкостью, обусловленной наличием двойного электрического слоя, возникающего на поверхности электродов, которые помещены в электролит.

Рисунок 16 - Ионистор

Ионисторы не относят к конденсаторам, хотя ёмкость – это их основной показатель. Ионисторы не имеют диэлектрика, а наличие изоляторов, называемых сепараторами, между электродами необходимо сугубо для исключения их замыкания, но не для увеличения ёмкости. Сепараторы изготавливают из таких материалов, которые свободно пропускают ионы электролита.

Электроды выполняют из материалов, которые порождают заряды с противоположными знаками. Их изготавливают из пористых веществ, например, активированного угля или графена, чтобы получить очень большую площадь поверхности, к которой поступает электролит.

В качестве твёрдого электролита используют RbAg₄J₅ и пр. Ионы электролита притягиваются к электродам, и на поверхностях каждого электрода возникает слой из анионов и катионов, которые образуют электрический слой. Так как электрические слои возникают на обоих электродах, они носят название двойного электрического слоя. Толщина электрического слоя чрезвычайно мала и может составлять несколько нанометров, ввиду чего ёмкость ионисторов может быть очень большой. Отдельные экземпляры ионисторов обладают ёмкостью в тысячи фарад при номинальном напряжении в несколько вольт. Ионисторы применяют в резервных источниках питания, в устройствах запуска двигателей и т.д.