Пассивные элементы электрических цепей

Элементная база радиоэлектроники

Современные электронные устройства выполняют сложные преобразования сигналов при передачи информации. Примерами таких устройств служат радиопередатчики и радиоприемники, телевизионные приемники, устройства аудио и видео записи и воспроизведения, электронные измерительные приборы, компьютеры и др.

Такие устройства состоят из множества более простых частей, выполняющих простые преобразования сигналов. Эти части сложных устройств называют элементами или электрорадиокомпонентами. Они выпускаются промышленностью в массовом и крупносерийном производстве и поступают на радиозаводы, изготовляющие радиоэлектронную аппаратуру (РЭА).

Элементы составляют элементную базу радиоэлектроники. Они отличаются многообразием типов и конструкций, а сведения о них приводятся в каталогах и справочникам по компонентам РЭА.

При разработке РЭА пользуются принципиальной электрической схемой, которая представляет собой чертеж устройства, на котором в виде условных графических обозначений (УГО) показаны все элементы устройства и связи между ними. К принципиальной схеме прилагается «Перечень элементов», аналогичный спецификации к сборочному машиностроительному чертежу. В «Перечне» приведены обозначения, наименования, типы элементов и их количество, а также номера стандартов или технических условий (ТУ), по которым они изготовлены.

Условные графические обозначения стандартизированы и приводятся в справочниках «Единой системы конструкторской документации» (ЕСКД). Правила выполнения электрических схем изложены в стандарте ГОСТ 2.702-75, а примеры условных графических обозначений приводятся в нескольких стандартах, например ГОСТ 2.728-74, ГОСТ 2.730-73 и др.

На рис. 5.1 даны условные графические обозначения наиболее распространенных элементов.

На практике наиболее часто применяются следующие элементы: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые диоды, транзисторы, интегральные микросхемы, элементы индикации, устройства коммутации и управления и др.

Элементы, в которых не изменяется мощность электрического сигнала, называют пассивными. В других случаях – это активные элементы.

Резисторы (от лат. «rsistore» - сопротивляться) представляют собой малогабаритные устройства для создания сопротивления электрическому току в электрических цепях.

При протекании тока через резистор на нем падение напряжения в соответствии с законом Ома для участка цепи

, (5.1)

Рис. 5.1. Примеры условных графических обозначений

где

I – сила тока, А;

U – падение напряжения, В;

R – сопротивление, Ом.

Для получения нескольких напряжений от одного источника питания применяют последовательное соединение нескольких резисторов с различным сопротивлением, тогда падение напряжения на каждом резисторе получается пропорциональным его сопротивлению. Такое соединение называют делителем напряжения.

На рис. 5.2 показана схема делителя из трех резисторов.

Рис. 5.2 Схема делителя напряжения.

Сила тока через делитель напряжения определяется

, (5.2)

где U_П – напряжение питания источника ИП;

R₁, R₂, R₃ – сопротивления резисторов.

Тогда напряжения на каждом из резисторов будут

U₁ = IR₁, U₂ = IR₂, U₃ = IR₃,

Т.е. напряжение U_П поделиться на части, пропорциональные сопротивлениям резисторов.

Сопротивление резистора является его основным параметром. Измеряется в Омах.

Резисторы выпускаются с номинальным сопротивлением в очень широких пределах от Ома до миллионов Ом, поэтому единицами сопротивления являются Ом, килом, мегаом и обозначаются:

1 Ом, 1кОм, 1Мом.

1 кОм = 1·10³ Ом; 1 Мом = 1·10⁶ Ом.

Номинальные значения сопротивлений выбираются из стандартного ряда и изготавливаются с точностью ± 5%, ± 10%, ± 20% от номинального значения (таблица 5.1)

Таблица 5.1

Значения ряда номиналов даны для резисторов, изготавливаемых с точностью ± 5%. Для точности ± 10%, ± 20% ряды номиналов сокращают через одно значение.

При изготовлении резисторов номинальные значения сопротивлений выбирают путем умножения номинала таблицы на число, кратное десяти.

Например, из числа 16 получают сопротивления 1,6 Ом, 16 Ом, 160 Ом, 1,6 кОм, 16 Мом и т.д.

По значению сопротивлений резисторы бывают постоянного и переменного сопротивлений. Последние имеют подвижный контакт (движок) для изменения сопротивления.

По устройству активной части резисторы делают проволочными (из проволоки с высоким удельным сопротивлением – нихром, константа и др.) и пленочными (пленки из сплавов углерода с медью, хромом и др.). Пленки на носят либо на керамические цилиндрические корпуса, либо на плоские пластины из керамики, ситалла (стеклокерамики) и другие диэлектрики. Плоские пластины называют подложками.

Наиболее распространенные проволочные резисторы типа ПЭ (с гибкими выводами) и ПЭВС (с жесткими выводами), а непроволочные – типов МЛТ, МТ, ВС, УЛМ и др.

Вторым важным параметром резистора является мощность, рассеиваемая резистором, которая определяется по зависимостям:

, Вт (5.4)

, Вт (5.5)

где P – мощность, Вт (ватт);

U – напряжение на резисторе, B;

Y - сила тока, А;

R – сопротивление, Ом.

Наибольшее применение находят пленочные резисторы с мощностью рассеяния 0, 125, 0, 25, 0,5, 1,0 и 2 Вт, а проволочные выпускаются с помощью рассеяния от 5 до 100 Вт.

На корпусах резисторов применяют маркировку в виде букв, обозначающих единицы сопротивлений:

буква Е – Омы

буква К - килломы

буква М – моляомы.

Значение каждой единицы определяется положением буквы вместо запятой, например: «К12» - 0,12 кОм; «1Е2» - 1,2 Ом; «91К» - 91 кОм и т.д. Чем больше мощность рассеяния, тем больше размеры резисторов.

Применяют резисторы для ограничения тока в электрических цепях и для получения различных напряжений (делители напряжения).

Резисторы переменного сопротивления применяют для регулировки различных параметров радиоаппаратуры (усиления в усилителях, частоты генераторов электрических колебаний и др.). Регулируют либо силу тока в цепи(реостатная схема включения), либо напряжение (потенциометрическая схема включения).

Реостатная и потенциометрическая схемы показаны на рисунке 5.3.

j_H

R

ИП

R_Н

U_п

A

j_п

ИП х

U_п R

R_н U_н

Б

Рис. 5.3. Реостатная (а) и потенциометрическая (б) схемы включения переменных резисторов.

В схеме 5.3, А сила тока в нагрузке определяется

(5.6)

Эффективность регулирования тем выше, чем больше R, и резистор называют реостатом.

В схеме 5.3, Б регулируется потенциал U_H на сопротивлении нагрузки R_H. В этом случае

U_H = j_n. r_x

где j_n – сила тока через R,

r_x – сопротивление резистора, зависящее от положения движка х, тогда

(5.7)

Эффективность работы обеспечивается при R_Н>>R.

Переменный резистор называют в этом случае потенциометром.

Конденсаторы

Конденсаторы (от лат. «condensire» - собирать) – это устройства, обладающие способностью накапливать электрические заряды. Обычно они состоят из двух металлических обкладок (пластин), разделенных диэлектриком (изолятором).

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы выпускаются керамические, бумажные, пленочные, оксидные и др.

По конструкции и параметрам конденсаторы отличаются большим многообразием.

Главными параметрами конденсаторов являются электрическая емкость и наибольшие допустимые напряжение между обкладками.

Электрическая емкость измеряется в фарадах (Ф), а также в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). Соотношения единиц емкости:

1 мкФ = 1 ^. 10^-6 Ф

1 нФ = 1 ^. 10^-9 Ф (5.8)

1 пФ = 1 ^. 10^-12 Ф

Конденсаторы малой емкости от единиц до нескольких тысяч пФ делаются керамическими. На керамическое основание наносят металлические пленки обкладок.

Конденсаторы емкостью от нескольких тысяч пФ до единиц мкФ делают бумажными с обкладками из длинных лент алюминиевой фольги, свернутыми вместе с бумажной прокладкой в цилиндр и помещенных в металлические герметичные корпуса.

Оксидные конденсаторы делают из металлических лент фольги (алюминия), покрытых окислами металла, являющихся хорошим изолятором.

Конденсаторы большой емкости (десятки и тысячи мкФ) делают электролитическими, в которых зерна окислов металлов представляют собой диэлектрик, а обкладками можно назвать проводящий ток электролит. Все это помещается в герметически закрытые цилиндрические корпуса из алюминия. Обычно такие конденсаторы бывают полярными, поэтому требуют обязательного соблюдения полярности подключения к источникам напряжения («плюс» к «+», а «минус» - к «-»), иначе они могут взорваться из –за закипания электролита.

Конденсаторы бывают постоянной и переменной емкости. Последние на схемах обозначают со стрелками (см. рис. 5.1).

Номинальные значения емкости конденсаторов выбирают из стандартного ряда подобно номиналам резисторов.

Вторым параметром конденсаторов является допустимое U_доп максимальное напряжение между обкладками. Превышение этого напряжения приводит к пробою конденсатора и выходу его из строя.

Применение конденсаторов:

1. для разделения электрических цепей постоянному и переменному току;

2. в сглаживающих фильтрах сетевых источников питания;

3. в колебательных контурах частотно – зависимых и избирательных цепей.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности (КИ) представляют собой устройства для создания и накопления магнитной энергии. Они выполняются в виде обмоток из медного изолированного провода, намотанного на диэлектрический каркас (или без него – бескаркасные обмотки). Обозначение на схемах см. на рис. 5.1.

Для концентрации магнитной энергии в катушку вставляют сердечники из электротехнической стали, сплава железа и никеля или феррита.

Основным параметром КИ являются индуктивность, единицей измерения которой принята (генри (Гн)) и ее доли – милигенри (мГн) и микрогенри (мкГн):

1 мГн = 1^. 10^-3Гн; 1 мкГн = 1^. 10^-6Гн.

Катушка в цепи переменного тока обладает индуктивным (реактивным) сопротивлением Х_L, которое определяется

X_L=ωL=2πf L, Ом, (5.9)

где ω – круговая частота, ;

f - частота переменного тока, Гц;

L – индуктивность, Гн.

Витки катушки обладают активным сопротивлением R. Отношение = Q называют добротностью катушки. Чем больше Q, тем лучше катушка. Величина Q может быть о нескольких десятков до сотен единиц.

Применение КИ:

1. как тяговые электромагниты;

2. как обмотки электрических машин;

3. в трансформаторах напряжения и тока;

4. в качестве сопротивлений в цепях переменного тока;

5. в колебательных контурах вместе с конденсаторами.

Лекция 6