2020-01-14
338
Введение
Радиоэлектронное устройство — это изделие, состоящееизотдельных электронных функциональных узлов, каждый из которых выполняет определенную операцию. Функциональный узел состоит из пассивных и активных элементов, соединение которых образует электрическую схему. Эффективность электронной аппаратуры обусловлена высоким быстродействием, точностью и чувствительностью входящих в нее элементов, важнейшими из которых являются электронные приборы.
Исторически в развитии технической электроники можно выделить три основных этапа: ламповая электроника, полупроводниковая электроника, микроэлектроника.
Ламповая электроника, как раздел технической электроники, берет начало с XIX века, когда русский электротехник Ладыгин создал первую лампочку накаливания, далее работы Эдиссона и Столетова послужили началом изучения электронных явлений (термоионная и фотоэлектронная эмиссия). Следующим этапом послужило изобретение радиоприемника Поповым, лампового детектора Флемингом, введения в детектор управляющего электрода Де Форестом Ли. Совершенствование электронных ламп привело к появлению, в настоящее время, вакуумных интегральных схем и миниатюрных ламп различного назначения.
Наряду с этими приборами разрабатывались и развивались другие электронные приборы: электроннолучевые, ионные, фотоэлектронные, полупроводниковые.
Применение полупроводниковых приборов позволило в несколько раз уменьшить габаритные размеры многоэлементных установок, повысить надежность работы, снизить потребляемую мощность.
Современный этап развития электронной техники характеризуется значительным усложнением электронной аппаратуры. Габаритные размеры обычных дискретных приборов не удовлетворяют требованиям размеров и надежности современной электронных устройств. Все большее развитие получает микроэлектроника – отрасль электроники, охватывающая исследования и разработку интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральная микросхема – это законченный функциональный узел, выполненный на единой несущей конструкции – подложке, в едином технологическом процессе и выполняющий определенную функцию преобразования информации.
Современные технические средства электроники широко используются во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в медицинской аппаратуре. В связи с повышенным требованием к качеству изготовления, точности параметров, достоверности измерений этой аппаратуры, выделяется отдельное направление – медицинская электроника.
Компоненты электронной техники делятся на активные и пассивные.
Активные элементы способны усиливать, обрабатывать и преобразовывать сигналы. Пассивные — накапливать или расходовать энергию сигнала.
Элемент электрической схемы, имеющий определенное функциональное назначение и имеющий выводы для соединения с другими элементами, называется деталью радиоэлектронного устройства, или радиодеталью.
С помощью этих приборов можно сравнительно просто и во многих случаях с высоким к.п.д., преобразовать электрическую энергию по форме, величине и частоте тока или напряжения. Кроме того, с помощью электронных приборов, удается преобразовать неэлектрическую энергию в электрическую и наоборот (фотоэлементы, терморезисторы, пьезоэлементы и т.д.). Разнообразные электронные датчики и измерительные приборы позволяют с высокой точностью измерять, регистрировать и регулировать изменение всевозможных неэлектрических величин – температуры, давления, деформации, прозрачности и т.д.
Основными компонентами электронной техники являются: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и дроссели, трансформаторы, коммутационные устройства, электровакуумные приборы, приборы отображения информации, полупроводниковые приборы, акустические приборы, антенны, пьезоэлектрические приборы, линии задержки, источники тока, предохранители и разрядники, электродвигатели, лампы накаливания, элементы цифровой техники, элементы аналоговой техники, провода, кабели, волноводы.
Резисторы
Резисторы — пассивные элементы, в которых происходит необратимый процесс поглощения электрической энергии и превращения ее в тепловую. Основное функциональное назначение резисторов — оказывать известное (номинальное) сопротивление электрическому току с целью регулирования тока и напряжения.
Используются в качестве нагрузочных и токоограничительных элементов, делителей напряжения, добавочных сопротивлений и шунтов в измерительных цепях и т.д.
Различают постоянные, переменные и подстроечные резисторы. Резисторы, сопротивление которых нельзя изменять в процессе эксплуатации, называют постоянными. Резисторы, изменением сопротивлений которых осуществляются различные регулировки в процессе работы аппаратуры, называют переменными. Резисторы, сопротивление которых изменяют только в процессе налаживания аппаратуры, называют подстроечными.
По виду вольтамперной характеристики различают резисторы линейные и нелинейные (постоянного и переменного сопротивления). В нелинейных резисторах в качестве токопроводящего элемента применяются разные полупроводниковые материалы.
По конструкции резисторы подразделяются на пленочные, объемные и проволочные, а по материалу токопроводящего (резистивного) элемента – на пленочные, углеродистые, металлопленочные, металоокисные, металлодиэлектрические, композиционные и полупроводниковые. В проволочных резисторах токопроводящим слоем служит проволока с высоким удельным сопротивлением, намотанная на цилиндрические или плоские диэлектрические каркасы. В непроволочных резисторах токопроводящим слоем является слой углерода или металла, нанесенный на керамический стержень.
По способу защиты резистивного элемента различают резисторы неизолированные, изолированные (лакированные), компаундированные, опрессованные пластмассой, герметизированные и вакуумированные.
К основным параметрам резисторов относятся: номинальное значение сопротивления, допустимое отклонение от номинального значения, номинальная мощность рассеивания, температурный коэффициент сопротивления, уровень шумов, собственная индуктивность и емкость.
Сопротивление резисторов – характеризует его способность препятствовать протеканию электрического тока. Его измеряют в Омах (Ом), килоОмах (0м), мегаОмах (МОм) и т.д.
Номинальное значение сопротивления резистора – значение сопротивления, которое должен иметь резистор в соответствии с нормативной технической документацией (ГОСТ, ТУ). Определяет силу проходящего через резистор тока при заданной разности потенциалов на его выводах. Резисторы широкого применения выпускаются с номинальным значением сопротивления от долей Ома до сотен мегаОм, согласно стандартной шкале сопротивлений. Номинальное значение сопротивления указывается на корпусе резистора.
Фактическое сопротивление каждого резистора может отличаться от номинального на допустимое отклонение. Допустимое отклонение от номинального значения зависит от класса точности. Различают три основных класса точности:
I класс точности с отклонением от номинального значения сопротивления ±5%;
II класс ±10%;
III класс ±20%.
В табл. 1.1 приведены ряды номинальных сопротивлений трех основных классов точности.
Номинальная величина сопротивления имеет шесть рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра после буквы Е указывает число номинальных величин в данном ряду.
Ряды Е представляют собой геометрическую прогрессию со знаменателем qn, равным: для ряда Е6 
; для Е12 
; для Е24 
; для Е48 
; для Е96 
; для Е192 
.
Таблица 1.1. Ряды номинальных величин сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов общего применения
| Индекс ряда | Номинальные значения (единицы, десятки, сотни Ом, килоОм, килоОм, мегаОм, гигаОм, пикофарад, микрофарад, фарад) | Допустимое отклонение от номинальных значений, % | |||||
| Е6 Е12 Е24 | 1,0 1,0 1,2 1,0 1,1 1,2 1,3 | 1,5 1,5 1,8 1,5 1,6 1,8 2,0 | 2,2 2,2 2,7 2,2 2,4 2,7 3,0 | 3.3 3,3 3,9 3,3 3,6 3,9 4.3 | 4.7 4,7 5,6 4,7 5,1 5,6 6,2 | 6,8 6,8 8.2 6,8 7.5 8,2 9,1 | ± 20 ± 10 ± 10 ± 5 ± 5 ± 5 ± 5 |
Фактически величины сопротивлений отличаются от номинальных в пределах допусков, указываемых в процентах. Постоянные резисторы, обычно используемые в измерительной аппаратуре, имеют допуски ±0,01%; ±0,02%; ±0,05%;±0,1%; ±0,2%; ±0,5%; ±1%; ±2%, ±5%, ±10%, ±20%, ±30%. Номинальные величины сопротивлений с допусками ±5%, ±10% и ±20% должны соответствовать значениям приведенным в таблице 1.1 и полученным путем умножения этих чисел на 10n, где n – целое положительное или отрицательное число.
В табл. 1.2 приведены кодированные обозначения допускаемых отклонений от номинального значения.
Номинальная мощность резистора Рном — это максимально допустимая мощность, рассеиваемая на сопротивлении резистора в течение длительного времени при непрерывной нагрузке и определенной температуре окружающей среды, при которой параметры резистора сохраняются в установленных пределах.
Таблица 1.2. – Кодированные обозначения допустимых отклонений емкости и сопротивления от номинальных значений
| Допустимое отклонение, % | Кодированное обозначение | Допустимое отклонение, % | Кодированное обозначение |
| ±0,1 | Ж | ±30 | Ф |
| ±0,2 | У | От +50 до -10 | Э |
| ±0,5 | Д | От +50 до -20 | Б |
| ±1 | Р | От +80 до -20 | А |
| ±2 | Л | +100 | Я |
| ±5 | И | От +100 до -10 | Ю |
| ±10 | С | ±0,4* | Х |
| ±20 | В |
Значения номинальной мощности рассеивания, в ваттах, регламентируются и равны 0,01; 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5;1; 2: 3; 5 Вт для непроволочных резисторов и 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 5; 8; 10; 16; 25; 40; 80 Вт для проволочных.
Исходя из номинальной мощности, максимально допустимые длярезисторов значения силы тока и напряженияравны
При этом Uмакс не должно превышать регламентированного значения напряжения пробоя для данного резистора.
Относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1°С называется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
,
где R — сопротивление резистора при номинальной температуре; ΔR алгебраическая разность между сопротивлением, измеренным при заданной температуре, и сопротивлением, измеренным при нормальной температуре; Δt° — алгебраическая разность между заданной и нормальной температурами.
Для резисторов обычно приводится ТКС для определенного интервала рабочих температур. В зависимости от типа резистора ТКС может быть положительным и отрицательным. Для непроволочных резисторов ТКС составляет ± (100¸2000)´10-6 1/°С и для проволочных ± (50¸1000) • 10-6 1/°С.
Разнообразие конструктивных решений, применяемых при изготовлении резисторов, обуславливает многообразный характер зависимости сопротивления от температуры.
У чистых металлов повышение температуры приводит к уменьшению подвижности электронов вследствие взаимодействия их с ионами решетки. При этом сопротивление материала возрастает примерно пропорционально абсолютной температуре. При введении примесей в металлы величина их сопротивления возрастает, а температурный коэффициент удельного сопротивления уменьшается (рис. 1.1).
Композиционные материалы имеют сложную зависимость сопротивления от температуры (рис. 1.1). Одной из причин является влияние контактов между проводящими частицами, преодоление которых носителями зарядов и зависит от температуры. Изменение проводимости материала резистора при изменении температуры определяется также температурными коэффициентами расширения проводящего материала основания.
Температурные коэффициенты сопротивления проводящих материалов представлены в таблице 1.3.
Таблица 1.3. - Температурные коэффициенты сопротивления проводящих материалов
| Материал | ТКР × 104, град -1 |
| Вольфрам Кадмий Медь Молибден Серебро Тантал Титан Сплавы высокого сопротивления Пиролитический углерод Ферросилициевые сплавы Композиции (на основе сажи и графита) | 46 42 43 46 40 38 44 0,05 ¸ 2 - (2 ¸ 20) ± (5 ¸ 10) ± (1 ¸ 20) |
Электрическая прочность резистора характеризуется предельным напряжением, при котором резистор может работать в течение срока службы без электрического пробоя. Предельное рабочее напряжение резистора зависит от атмосферного давления, температуры и влажности воздуха. Напряжение на резисторе не должно превышать напряжения, определяющего электрическую прочность.
Уровень собственных шумов резистора – отношение электрического напряжения помех резистора, возникающих при прохождении по нему постоянного электрического тока, к приложенному напряжению. По уровню шумов некоторые стандартные непроволочные резисторы делят на группы. Например: А – группа резисторов, уровень собственных шумов которых не более 1 мкВ/В в полосе частот 60 Гц ¸ 6 кГц.
Уровень собственных шумов характеризуется отношением среднеквадратичного значения э.д.с. шумов резистора Еш к постоянному напряжению U0 приложенному к резистору (измеряется в мкВ на 1В приложенного напряжения).
Для непроволочных резисторов, к которым не приложено напряжение, а также проволочных резисторов при температуре 20°С, уровень собственных шумов определяется по формуле:
мкВ,
где DF — полоса рабочих частот, кГц; R. — номинальное значение сопротивления резистора, кОм.
Частотные свойства резисторов определяются номинальным сопротивлением и распределенными реактивными (паразитными) параметрами (индуктивностью и емкостью). Активное сопротивление резистора на переменном токе зависит от его номинального сопротивления, его емкости и индуктивности. В свою очередь, собственная распределенная емкость и индуктивность резистора зависят от его формы и числа витков спиральной нарезки резистивного элемента.
Стабильность резистора характеризуется изменением параметров под влиянием окружающей среды, электрической нагрузки, а также с течением времени при эксплуатации и хранении.
Специфическими параметрами переменных резисторов являются функциональная характеристика и разрешающая способность.
Функциональная характеристика — зависимость сопротивления от перемещения (угла поворота) подвижной системы. По характеру функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные (тип А) и нелинейные: с логарифмической (тип Б) и обратно логарифмической (тип В) зависимостями. Выпускаются резисторы и с другими зависимостями.
Для переменных резисторов общего назначения допуск отклонения от заданной кривой составляет 5...20%, для прецизионных – 0,05...1%.
Разрешающая способность показывает, какие наименьшие изменения угла поворота или перемещения подвижной системы резистора могут быть различимы. Она характеризуется минимально возможным изменением сопротивления при минимально возможном перемещении подвижного контакта. Для переменных резисторов общего назначения разрешающая способность составляет 0,1...3%, для прецизионных - тысячные доли процента.
Обозначение резисторов широкого применения состоит из начальных букв — краткой характеристики резистора (например, резистор ВС — высокой стабильности, МЛТ — металлопленочный лакированный теплостойкий) — с дальнейшим указанием мощности, номинала и допускаемого отклонения, разделяемых дефисом. Например, резистор МЛТ-0,125-5,1 кОм ±5%.
В новых типах резисторов введена новая система обозначений. Буква С обозначает резистор постоянного сопротивления, СП — резистор переменного сопротивления. Далее следует цифра, указывающая на специфическую особенность резистора в зависимости от материала токопроводящего слоя:
1 — непроволочные тонкослойные углеродистые и бороуглеродистые; 2 — непроволочные тонкослойные металлодиэлектрические и металлоокисные; 3 — непроволочные композиционные пленочные; 4 — непроволочные композиционные объемные; 5 — проволочные; 6 — непроволочные тонкослойные металлизированные. После первой цифры через дефис ставится вторая цифра, обозначающая регистрационный номер данного типа резистора; далее следуют цифры, указывающие мощность, номинальное значение, допускаемое отклонение. В обозначении переменных резисторов после цифр регистрационного обозначения может стоять буква, указывающая на конструктивные особенности и вид исполнения. Например: резистор С4-1-0,5-30 ± 10%; резистор С2-7Е-0,5 Вт-8,2 Ом ± 5%; резистор СП-39А-0,5Вт-4,7кОм ± 10%В.
При выпуске резисторов для их маркировки применяется кодированное обозначение. Оно состоит из кодированных обозначений номинала и допуска сопротивления. Буква кода обозначает множитель, составляющий значение сопротивления, и определяет положение запятой десятичной дроби. Буквами R, K, M, G, T (Е, К, М, Г, Т) обозначаются множители: 1, 103, 106, 109, 1012, для сопротивления выраженного в Омах.
Пример: 1К5В — резистор 1,5 кОм, допуск ± 20%; 2М2Ф — резистор 2,2 МОм, допуск ±30%.
Резисторы постоянного сопротивления
Углеродистые резисторы. Резистивный элемент этих резисторов представляет собой тонкую пленку углерода, осажденную на основание из керамики. В качестве основания обычно используются стержни или трубки. Углеродистые резисторы характеризуются высокой стабильностью сопротивления, низким уровнем собственных шумов, небольшим отрицательным ТКС, слабой зависимостью сопротивления от частоты и приложенного напряжения. Бороуглеродистые резисторы типа БЛП по стабильности сопротивления могут не уступать проволочным резисторам. ТКС этих резисторов равен – (0,012…0,025) %/0С.
Композиционные резисторы. Резистивный элемент этих резисторов изготовляют на основе композиций, состоящих из смеси порошкообразного проводника (сажа, графит и др.) и органического или неорганического диэлектрика. Композиционные резисторы выпускают пленочного и объемного видов. Пленочные композиционные резисторы по конструкции подобны углеродистым, но отличаются большей толщиной пленки. Объемные резистивные элементы изготовляют в виде стержня путем прессования композиционной смеси, пленочные – путем нанесения композиционной смеси на изоляционное основание.
Пленочные композиционные резисторы характеризуются сильной зависимостью сопротивления от напряжения, низкой стабильностью параметров и очень высокой надежностью. Объемные композиционные резисторы с органическими связующими материалами отличаются высокой стабильностью параметров, сравнительно низкой надежностью и пониженным уровнем собственных шумов, а с неорганическими связующими материалами – очень высокой надежностью, низкой стабильностью сопротивления от частоты до 50 кГц. Сопротивление этих резисторов практически не зависит от напряжения.
Металлопленочные резисторы содержат резистивный элемент в виде очень тонкой (десятые доли микрометра) металлической пленки, осажденной на основание из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Металлопленочные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой надежностью. Недостатком некоторых металлопленочных резисторов является пониженная надежность при повышенной номинальной мощности, особенно при импульсной нагрузке. ТКС резисторов типов ОМЛТ не превышает 0,02. Уровень шумов резисторов группы А не более 1 мкВ/В, группы Б - не более 5 мкВ/В.
Металлоокисные резисторы изготовляются нам основе окислов металлов, чаще всего двуокиси олова. По конструкции они не отличаются от металлопленочных, характеризуются средней стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения, высокой надежностью.
Проволочные резисторы постоянного сопротивления обычно выполняют на цилиндрическом изоляционном основании с одно- или многослойной обмоткой. Провод и контактные узлы защищают, как правило, эмалевыми покрытиями. Проволочные резисторы характеризуются высокой стабильностью сопротивления, низким уровнем собственных шумов, большой допустимой мощностью рассеяния, высокой точностью сопротивления. Эти резисторы обладают сравнительно большими паразитными реактивными параметрами и поэтому применяются лишь на сравнительно низких частотах. В качестве обмоточных проводов используются провода высокого сопротивления. Для уменьшения паразитных параметров проволочных резисторов применяют намотки специальных видов.
