Konsp_Lec_MKREA

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКIВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ РАДIОЕЛЕКТРОНIКИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни

«МАТЕРІАЛИ ТА КОМПОНЕНТИ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ»

для студентів денної форми навчання напряму 6.050901 «Радіотехніка»

Електронне видання

ЗАТВЕРДЖЕНО кафедрою РЕС.

Протокол № 2 від 16.09.2013 р.

ХАРКIВ 2013

Конспект лекцій з дисципліни «Матеріали та компоненти радіоелектронної апаратури» для студентів денної форми навчання напряму 6.050901 «Радіотехніка» [Електронне видання] / Упоряд. Я.Г. Сидоров. – Харків: ХНУРЕ, 2013. – 151 с.

Упорядник Я.Г. Сидоров

2

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Лекция 1 Резисторы…………………………………………………….. 4 Лекция 2 Конденсаторы………………………………………………… 17

Лекция 3 Катушки индуктивности. Компоненты поверхностного монтажа……………………………………………………..… 35

Лекция 4 Основы электронной теории………………………………... 47 Лекция 5 Электровакуумные приборы. Основы……………………… 55 Лекция 6 Электровакуумные приборы………………………………... 65 Лекция 7 Принципы работы полупроводников. Основы…………….. 71 Лекция 8 Принципы работы полупроводников………………………. 79 Лекция 9 Электронно-дырочный переход. Основы…………………... 84 Лекция 10 Электронно-дырочный переход…………………………….. 97 Лекция 11 Полупроводниковые диоды. Основы………………………. 104 Лекция 12 Полупроводниковые диоды…………………………………. 111 Лекция 13 Биполярные транзисторы……………………………………. 121 Лекция 14 Полевые транзисторы………………………………………... 132 Лекция 15 Принцип конструирования цифровых микросхем………… 143

Глоссарий ……………………………………………………………………. 151

3

Лекция 1. РЕЗИСТОРЫ

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto – сопротивляться) – структурный элемент электрической цепи, основным функциональным свойством которого является определённое (номинальное) активное сопротивление. Ток и напряжение в резисторе подчиняются закону Ома.

Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Резисторы характеризуются следующими основными параметрами.

1. Номинальное значение сопротивления резистора Rном . Измеряется в

омах (Ом), килоомах ( кОм 103 Ом), мегаомах

( МОм 106 Ом).

Номинальные значения сопротивлений, как правило, указывают на корпусе резистора.

Выпускаемые промышленно электронные компоненты (резисторы, конденсаторы) имеют стандартные номиналы. Эти номиналы выбираются из стандартных рядов. Существуют стандартные номинальные ряды: Е3, Е6, Е12,

Е24, Е48, Е96, Е192.

Ряды образуют геометрическую прогрессию, такую что в одну декаду (промежуток от 1 до 10 или от 100 до 1000) укладывается целое число номиналов, причём это число указывается в обозначении ряда: ряд Е24 содержит 24 номинала на декаду, ряд Е96 – 96. Данные значения выбраны с тем расчётом, чтобы с учётом погрешности перекрывать всю область значений (хотя в рядах Е48 и больших всё же получаются некоторые разрывы). В таблицах рядов как раз указываются значения в диапазоне от 1 до 10, а остальные легко получить умножением на 10 в целой степени.

2. Допустимое отклонение действительного сопротивления резистора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности. Наиболее широко используются три класса точности: I – допускающий отклонение сопротивления от номинального значения на ± 5%, II – на ±10%, III – на ±20%. В современной РЭА часто применяют резисторы с повышенной точностью сопротивления, они выпускаются с допусками (%): ±2; ±1; ±0,5; ±0,2; ±0,1; ±0,05; ±0,02; ±0,01 и т. д. Допустимые отклонения, как правило, указывают на корпусе резистора.

4

3. Номинальное значение мощности рассеивания резистора Pном . Этот

параметр измеряется в ваттах ( Вт). Поскольку резистор – это компонент, имеющий активное сопротивление, то процесс протекания по нему тока сопровождается выделением тепла, что может привести к перегреву и выходу из строя резистора. Поэтому номинальная мощность рассеивания Pном – это

наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через резистор он может работать длительное время без повреждений. Данная мощность рассчитывается как

P U I R I 2 U 2 .

R

В большинстве устройств РЭА применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,125 до 2 Вт. На электрических схемах, встречаемых в радиолюбительской литературе, часто указывают рассеиваемую мощность.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора.

Характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 C и выражается в процентах.

В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли – единицы процента.

5. Электродвижущая сила (ЭДС) собственных шумов ш . Собственные шумы резистора возникают за счет неупорядоченного движения части

5

электронов при приложенном к нему напряжении. ЭДС собственных шумов измеряется в микровольтах на вольт приложенного напряжения ( мкВ/ В). Эта величина для резисторов также незначительная и составляет единицы мкВ/ В.

6. Собственные индуктивность и емкость резисторов. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.

Конструктивно резисторы бывают различных видов, но основным их элементом является токопроводящий (резистивный) элемент, который создает необходимое сопротивление.

Классификация резисторов.

Резисторы классифицируются:

1.По характеру изменения сопротивления – постоянные, переменные, подстроечные;

2.По назначению – общего назначения и специального назначения (прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные, микромодульные);

3.По виду материалов резистивного (активного) элемента – проволочные, непроволочные, металлофольговые;

4.По форме материалов резистивного элемента – плёночные, объёмные, проволочные;

5.По способу защиты резистивного элемента – неизолированные, изолированные, герметизированные, вакуумные.

Рассмотрим краткую характеристику резисторов по приведенной системе классификации.

Постоянные резисторы – резисторы, обладающие неизменным сопротивлением (в границах погрешности). У постоянных резисторов фиксированное значение номинального сопротивления Rном . Они

подразделяются на две группы: общего и специального назначения.

Резисторы общего назначения применяют в цепях постоянного, переменного и импульсного тока различной РЭА в качестве делителей, шунтов, нагрузок и т.д.

Резисторы специального назначения имеют специфические особенности. Прецизионные резисторы изготавливаются высокоточными (допустимые

6

отклонения от 0,001 до 0,1 %) и отличаются стабильностью параметров. Высокочастотные резисторы предназначены для работы в цепях на частотах сотни мегагерц и выше. Они отличаются малыми собственными индуктивностью и емкостью. Высокомегаомные резисторы используют в цепях с малыми токами. Диапазон номинальных значений сопротивлений этих резисторов от десятков МОм до сотен тераом (ТОм). Как правило, высокомегаомные резисторы являются маломощными, т.е. мощность рассеивания Pном 0,5 Вт. Высоковольтные резисторы применяют в качестве

делителей напряжения в различных высоковольтных цепях, они рассчитаны на рабочее напряжение до десятков киловольт ( кВ). Микромодульные резисторы предназначены для работы в составе микромодулей и микросхем или для сопряжения с ними.

Существуют также такие специальные типы резисторов, как варисторы, терморезисторы и фоторезисторы.

Варисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Терморезисторы и термисторы – резисторы, у которых используется зависимость сопротивления от температуры, с положительным (терморезисторы) или отрицательным (термисторы) ТКС.

Фоторезисторы – резисторы, обладающие зависимостью сопротивления от освещения.

Переменные и подстроечные резисторы (реостаты, потенциометры) –

резисторы, сопротивление которых изменяется механически, посредством рукоятки или другого органа управления (переменные), либо посредством вставляемого в шлиц инструмента.

Переменные (или регулируемые) резисторы – это резисторы, сопротивление которых можно изменить от нуля до номинального значения с помощью подвижного контакта, перемещаемого прямолинейно или по кругу.

Переменные резисторы применяют для изменения параметров аппаратуры в процессе ее эксплуатации. Переменные резисторы чаще всего имеют два концевых вывода, сопротивление между которыми не изменяется, и один вывод, соединенный с подвижным контактом. Может быть еще один вывод, соединенный с корпусом переменного резистора.

Сопротивление переменного резистора функционально изменяется в зависимости от положения подвижного контакта. По виду функциональной характеристики переменные резисторы разделяются на линейные – типа А,

7

нелинейные – типов Б, В, Е, И: А – сопротивление изменяется пропорционально нахождению подвижного контакта, Б – по логарифмическому закону, В – обратно логарифмическому закону). Функциональные характеристики типов Е, И бывают только у сдвоенных переменных резисторов, причем один из резисторов имеет характеристику типа Е, другой – типа И. Такие резисторы применяют в регуляторах стереобаланса звуковой аппаратуры.

Подстроенные резисторы по принципу функционирования, устройству такие же, как и переменные. У них сопротивление также изменяется от нуля до номинального значения при перемещении подвижного контакта.

Подстроечные резисторы применяют для установки режимов работы аппаратуры при ее наладке. В этих резисторах положение подвижного контакта можно изменить с помощью отвертки.

Впроволочных резисторах резистивный элемент выполнен из высокоомной проволоки, в металлофольговых – из металлической фольги. В непроволочных резисторах резистивный элемент может быть:

1. Из диэлектрика, металла или оксида металла и сплава металлов (металлооксидные, металлодиэлектрические, металлизированные резисторы);

2. Из пленки углерода или борорганических соединений (углеродистые, бороуглеродистые резисторы);

3. Из смеси проводящего компонента (графита, сажи) со связующим наполнителем (композиционные резисторы).

Внастоящее время наиболее широкое распространение получили плёночные резисторы, получаемые осаждением токопроводящего материала на изолирующую подложку.

8

В изолированных резисторах резистивный элемент покрыт изоляционным материалом (например, лаком), у герметизированных резисторов он помещен в герметичный корпус (керамический чехол или опрессовка специальным компаундом). В вакуумных резисторах резистивный элемент находится в стеклянной вакуумной колбе.

Условные графические обозначения резисторов.

В радиолюбительской литературе на принципиальных схемах РЭА условные графические обозначения резисторов даются в следующем виде.

Условные обозначения резисторов: а) постоянные; б) переменные; в) переменный с дополнительными отводами; г) подстроечные; д), е) переменные с общей ручкой; ж) переменный с выключателем от крайнего положения; з) варистор; и) терморезистор; к) фоторезистор.

Системы маркировки резисторов.

Существуют системы условных обозначений, маркировки корпусов резисторов, соответствующие разным стандартам (как старым, так и новым). Рассмотрим различные системы условных обозначений параметров резисторов.

Система условных обозначений, состоящих из букв.

На корпусе резистора указываются: вид проводящего элемента (например, К – композиционные, У – углеродистые, М – металлопленочные); вид защиты (например, Л – лакированные, Г – герметичные, В – вакуумные); особые свойства или назначение резисторов (например, Т – теплостойкие, П – прецизионные и т. д.). Примеры условных обозначений:

МЛТ – металлопленочные лакированные теплостойкие; УЛИ – углеродистые лакированные измерительные: СПО – сопротивление переменное объемное; ПЭ – проволочные эмалированные и т.д.

9

Система условных обозначений, состоящих из букв и цифр.

Первый элемент – буква (буквы), обозначающая группу изделий: С – резисторы постоянные; СП – резисторы переменные или подстроечные. Второй элемент – число, обозначающее разновидность резисторов в зависимости от материала токопроводящего элемента: 1 – непроволочные тонкослойные углеродистые и бороуглеродистые; 2 – непроволочные тонкослойные металлодиэлектрические и металлооксидные; 3 – непроволочные композиционные пленочные; 4 – непроволочные композиционные объемные; 5

– проволочные; 6 – непроволочные тонкослойные металлизированные. Третий элемент – число (может быть с буквами), обозначающее регистрационный номер разработки, конструктивные особенности. Например, СЗ-14, С5-60, СП4- 1, СПЗ-16.

Устаревшая система условных обозначений, состоящих из букв и цифр.

Первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резисторов: Р – резисторы постоянные; РП – резисторы переменные; HP – наборы резисторов; ПТ – потенциометры. Второй элемент – цифра, обозначающая вид материала токопроводящего элемента: 1 – непроволочные; 2

– проволочные. Третий элемент – порядковый номер данного типа резистора (номер разработки), конструктивные особенности. Например, Р1-26.

Помимо указания конструктивных особенностей резисторов, на корпусе указывают наиболее важные параметры. Здесь также существует большое разнообразие способов маркировки. Рассмотрим наиболее распространённые.

Номинальное значение сопротивления может быть указано цифрами и буквами русского или латинского алфавита. Буквы представляют собой множитель, соответствующий значению сопротивления в омах и определяющий положение запятой десятичного знака. Эти буквы ставятся на месте запятой в числе, определяющем номинальное значение сопротивления.

Допустимое отклонение сопротивлений также кодируется буквами русского или латинского алфавита, которые размещаются на корпусе после кода номинального значения сопротивления.

10