3. Основные элементы электронных устройств

1. Конденсаторы.

Электрический конденсатор представляет собой систему из двух проводников электрического тока (обкладок), разделенных диэлектриком, и обладает способностью накапливать электрическую энергию (рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображение электрического конденсатора (а) и его условные обозначения на электрических схемах:б - неполярный конденсатор постоянной емкости;в– неполярный конденсатор переменной емкости (емкость изменяется в больших пределах);г– неполярный подстроечный конденсатор (емкость изменяется в небольшом диапазоне); д ‑ полярный конденсатор

Емкость конденсатора С (измеряется в Фарадах) определяется отношением накапливаемого в нем электрического заряда к приложенному напряжению. Она зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения обкладок. Для плоского конденсатора с двумя обкладками (рис. 1):

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь обкладки, d ‑ толщина диэлектрика.

Для плоского многопластинчатого конденсатора (рис. 2):

где n – число обкладок.

Рис. 2. Плоский многопластинчатый конденсатор с четырьмя пластинами(2+2 пластины)

Для цилиндрического конденсатора (рис. 3):

где l – длина цилиндра, D₁ – внешний диаметр внутреннего цилиндра, D₂ – внутренний диаметр внешнего цилиндра.

Для спирального конденсатора, получаемого намоткой, с обкладками и диэлектриком ленточного вида:

где b и l – соответственно ширина и длина развернутой плоской ленточной обкладки.

В приведенных формулах единица емкости – пикофарада (10^-12 Ф), площади – квадратный миллиметр, линейные размеры – миллиметры.

Внешний вид некоторый типов конденсаторов приведен на рис. 4.

Основные характеристики конденсаторов:

• Удельная емкость – отношение емкости к массе конденсатора.

• Номинальная емкость – емкость, которую должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией и маркировкой. Фактическая емкость отличается от номинальной на величину допуска, который в зависимости от класса точности колеблется от ±0,1 % до ±20 % и более. Номинальная емкость не может быть любой, для нее существуют ряды чисел, образованных как геометрическая прогрессия со знаменателем q, определяемым как корень степени Е из десяти, где Е – индекс ряда. Например, для ряда с Е = 6:

для ряда с Е = 48:

• Электрическая прочность конденсатора характеризуется следующими показателями: номинальное рабочее напряжение – максимальное напряжение, при котором конденсатор может отработать положенный ресурс; испытательное напряжение – максимальное напряжение, при котором испытывается конденсатор (обычно превышает номинальное в 1,5‑3  раза); пробивное напряжение – минимальное напряжение, при котором происходит электрический пробой конденсатора при быстром (в течение нескольких секунд) поднятии напряжения.

• Сопротивление изоляции – сопротивление конденсатора постоянному току, определяется соотношением R_ИЗ = U/I_УТ , где U – напряжение, приложенное к конденсатору, I_УТ – ток проводимости или утечки.

• Постоянная времени τ_С чаще всего выражается в секундах, основная характеристика конденсатора при его использовании в цепи постоянного тока, характеризует время, в течение которого напряжение на обкладках полностью заряженного конденсатора после снятия напряжения уменьшится до 37 % от первоначального; этот параметр зависит от сопротивления изоляции конденсатора и от ее свойств.

• Частотные свойства. Емкость конденсатора зависит от частоты приложенного переменного напряжения, т.к. с изменением частоты меняются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и величины собственных паразитных параметров – собственная индуктивность и сопротивление потерь. С повышением частоты конденсатор начинает работать как резонансный контур с собственной емкостью, индуктивностью и сопротивлением. При наступлении резонанса конденсатор ведет себя как чистая катушка индуктивности, в связи с чем его можно использовать лишь на частотах в2‑3 раза ниже резонансных.

• Стабильность параметров. Электрические свойства и срок службы конденсаторов зависят от условий (температура, влажность, вибрация, радиация и т.д.). С изменением температуры емкость меняется вплоть до десятков процентов. Кроме того, при возвращении температуры к исходной емкость может не восстановиться. На емкость заметно воздействует давление, влажность, время.

Конденсаторы постоянной емкости

Слюдяные конденсаторы

Имеют высокие электрические показатели, выпускаются на большие напряжения (от 100 до 1500 В), сравнительно громоздки. Номинальная емкость от 51 до 10.000 пФ. Сопротивление изоляции 7,7‑50 ГОм. Обозначения: КСО, СГМ.

Керамические конденсаторы

Имеют высокие электрические показатели, сопротивление изоляции – 5‑10 ГОм, имеют большую удельную емкость и малую стоимость. Пределы номинальной емкости от 0,47 до 2.200.000 пФ. Номинальное напряжение от 5 до 750 В. Обозначения – КЛГ, КЛС, КМ, КД, КДО, КДУ, КО, КТ, КТП, К10-23 и т.д.

Стеклянные конденсаторы

Это стеклянные, стеклокерамические и стеклоэмалевые конденсаторы, сопротивление изоляции 10‑50 ГОм и более, удельная емкость такая же, как у керамических, номинальная емкость от 2,2 до 120.000 пФ, номинальное напряжение от 25 до 1000 В. Обозначения – К21У-2, К21-7, СКМ-Т и т.д.

Металлобумажные конденсаторы

Имеют высокую удельную емкость, пределы номинальной емкости – от 100 пФ до 22 мкФ, отличаются сравнительно высокой точностью – отклонения не более 20 %, номинальное напряжение до 160 В. Обозначения – МБМ.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Характеризуются большим сопротивлением изоляции – до 10⁵ ГОм, высокой температурной стабильностью. Конденсаторы с фторопластовым диэлектриком могут работать до температуры 200 С (обычная верхняя граница температура работы конденсаторов – до 100-125 С). Обозначения - ПМ, К70-7, К73П-3, К77-2. Номинальная емкость – до 10.000 пФ

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы

Имеют относительно малые размеры, большие токи утечки и большие потери. Являются полярными конденсаторами, в связи с чем используются только в цепях постоянного и пульсирующего токов. Изготавливаются и неполярные электролитические конденсаторы. Чаще всего используются в фильтрах выпрямителей, в качестве блокирующих и развязывающих в низкочастотных цепях и как переходные в низкочастотных усилителях. Обычное номинальное напряжение до 250 В, номинальная емкость до 2000 мкФ и более. Обозначения – КЭ-М, КЭ-ПМ, ЭГЦ-М, ЭМ-ОМ, К50‑3, ЭТ, ЭТН, К52-2, К53-7.

Конденсаторы подстроечные и переменной емкости

Подстроечные применяются в колебательных контурах для точной подгонки резонансных частот. Конденсаторы с переменной емкостью применяются в основном в радиоаппаратуре для настройки колебательных контуров на частоты радиостанций.

2. Резисторы.

По виду вольтамперной характеристики разделяются на линейные (постоянного и переменного сопротивления) и нелинейные, у которых в качестве токопроводящего слоя применяются полупроводниковые материалы.

По конструкции разделяются на проволочные, объемные и пленочные, по материалу резистивного слоя – на пленочные, углеродные, металлопленочные, металлоокисные, металлодиэлектрические, композиционные и полупроводниковые. По применимости – на резисторы общего и специального назначения, к которым предъявляются высокие требования по точности изготовления и стабильности параметров.

Внешний вид резисторов и условные обозначения см. на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид и условное обозначение на схемах некоторых типов резисторов: а–в– резисторы постоянного сопротивления (обозначение ‑д);г– резистор переменного сопротивления (обозначениее); ж ‑ обозначение подстроечного резистора

Номинальное сопротивление резистора должно соответствовать одному из рядов, как и емкость конденсатора. Фактическое сопротивление отличается от номинального на величину допуска.

Номинальная мощность – максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна н резисторе при сохранении его рабочих параметров в течение срока службы, определяется падением напряжения на резисторе и его сопротивлением.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) – относительное изменение сопротивления резистора при изменении его температуры на 1 С. У обычных резисторов этот коэффициент положительный, у специальных – отрицательный.

Электрическая прочность резистора – предельное напряжение, при котором резистор может работать в течение всего срока службы без электрического пробоя.

Уровень собственных шумов резисторов определяется случайными колебаниями разности потенциалов, возникающими на резистивном элементе вследствие флуктуаций объемной концентрации носителей заряда. По уровню шумов резисторы делятся на две группы. К первой группе (А) относятся резисторы с уровнем шумов до 1 мкВ/В, ко второй – не более 5 мкВ/В в диапазоне частот 60 Гц‑6 кГц. У специальных резисторов уровень шумов менее 0,1 мкВ/В. У переменных резисторов этот показатель гораздо хуже из-за процессов, происходящих в зоне переходного контакта.

Частотные свойства резисторов определяются номинальным сопротивлением и распределенными паразитными параметрами – индуктивностью и емкостью, которые зависят от конструкции резистора. Активное сопротивление резистора на переменном токе зависит от его номинального сопротивления, индуктивности, емкости и частоты тока, а также от формы спиральной нарезки на теле резистора (если она есть). С увеличением частоты сопротивление высокоомных резисторов уменьшается. Так, сопротивление резистора МЛТ-2 с номинальным сопротивлением 100 кОм на частоте 100 МГц составляет около 60 кОм. Полное сопротивление низкоомных резисторов, не имеющих спиральной нарезки на резистивном элементе, с ростом частоты возрастает, и на частоте резонанса достигает максимального значения.

Маркировка резисторов. На корпусе резистора краской наносится буквенное обозначение типа (С – постоянное сопротивление, СП – переменное сопротивление) и цифровое. Цифра после буквы обозначает: 1 – углеродистый, 2 – металлопленочный или металлоокисный, 3 – пленочный композиционный, 4 – объемный композиционный, 5 – проволочный. Далее через дефис следует номер разработки.

Номинальное сопротивление обозначается цифрами и буквами. Сопротивление до 100 Ом обозначается буквой Е и цифрами, от 100 Ом до 100 кОм – буквой К, от 100 кОм до 100 МОм – в мегаомах и обозначается буквой М.

Если сопротивление выражается целым числом, то буква ставится после него, например – 20Е означает 20 Ом, 10М – 10 мегом и т.д.

Если сопротивление обозначается дробью меньшей единицы, то ноль и запятая после него не ставится, а буква ставится перед числом меньше единицы. Например – 4,7 кОм обозначается 4К7, 0,47 МОм – М47 и т.д.

Номинальная мощность обозначается только на резисторах, имеющих большие размеры, например – МЛТ-0,25 (0,25 Вт), мощность резисторов с малыми размерами определяется по габаритным размерам. В последнее время в связи с миниатюризацией электронной техники очень часто используются резисторы постоянного сопротивления таких малых размеров, что на них невозможно нанести цифры или буквы. Такие резисторы имеют обозначение в виде нескольких цветных полосок, цвет и последовательность чередования которых соответствуют некоторому номинальному значению сопротивления.

Резисторы переменного сопротивления применяются для регулирования силы тока и напряжения. По конструкции делятся на одинарные и сдвоенные, одно- и многооборотные, с выключателем и без него. По назначению – на подстроечные для разовой подстройки и регулировочные для многократной регулировки в процессе эксплуатации. По материалу резистивного элемента на проволочные и непроволочные, по реализуемой зависимости – на линейные, логарифмические, обратные логарифмические и другие специальные.

Терморезисторы – это термочувствительные резисторы, сопротивление которых значительно изменяется при изменении температуры, применяются для термокомпенсации в электронных схемах и в качестве датчиков температуры. Основные характеристики терморезисторов – температурный коэффициент сопротивления (ТКС), вольтамперная характеристика, инерционность (постоянная времени), стабильность.

Термисторы – характеризуются отрицательным ТКС (сопротивление уменьшается с повышением температуры). Для большинства термисторов справедливо соотношение:

где Т₀ – абсолютная температура, при которой сопротивление резистора равно R₀, Т – абсолютная температура, при которой определяется сопротивление R_Т, В ‑ постоянный коэффициент (принимает значения в диапазоне 2000 – 7000 К), е – основание натурального логарифма. Величина ТКС (размерность ‑ %/К) для большинства термисторов лежит в диапазоне 2,4 – 8,4.

Постоянной времени термистора принято считать время, в течение которого его сопротивление уменьшится в е раз при резком изменении температуры окружающей среды от +20 С до + 120 С, она колеблется в пределах 30‑100 с. Обозначения термисторов - КМТ, ММТ, СТ1, СТ3, номинальные сопротивления при 20 С – от 1 Ом до 1000 кОм.

Позисторы – резисторы с большим положительным ТКС в определенном интервале температур, при более низких температурах ТКС отрицателен. Обозначения – СТ5, СТ6, номинальные сопротивления при 20 С от 0,003 до 10 кОм. Чаще всего используются совместно с термисторами для получения явно выраженных экстремумов в зависимости сопротивления от температуры.

Контрольные вопросы

1. Что собой представляет электрический конденсатор?

2. От чего зависит емкость конденсатора, и в чем она измеряется?

3. Какие по конструкции обкладок бывают конденсаторы?

4. Каковы основные параметры конденсаторов?

5. Как разделяются резисторы по виду вольтамперной характеристики?

6. Какие параметры имеют резисторы?

7. Для чего применяются резисторы переменного сопротивления?

8. Что такое терморезисторы и термисторы, и для чего они применяются?