РАДИОДЕТАЛИ
Конденсаторы
Название "конденсатор" было введено в конце XVIII века, когда существовало представление об "электрических жидкостях" и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Сейчас это устарелое название сохраняется еще во всех языках, кроме английского, где вместо старого термина condenser уже широко применяется термин capacitor. В отечественной технической литературе распространенным термином является сочетание "емкость конденсатора", когда говорят о величине емкости.
Первые сведения о конденсаторах относятся к середине XVIII века. Эти конденсаторы представляли собой стеклянные сосуды, наполненные водой, служившей первой обкладкой и присоединяемой к электростатическому генератору. Второй обкладкой служила ладонь экспериментатора, прикладываемая ко дну стеклянного сосуда. Применение конденсатора позволяло резко усилить эффект от разряда маломощного электростатического генератора, являвшегося в то время единственным источником электроэнергии.
Приоритет в изобретении конденсатора сначала приписывали Ван Мушенброку, профессору Лейденского университета (Голландия). Отсюда появилось название "Лейденская банка" для стеклянного конденсатора. Однако правильнее считать изобретателем конденсатора Эвальда Георга фон Клейста, прелата собора в г. Камине (Германия) [39]. Дата изобретения конденсатора — 11 октября 1745 г. Первые сведения о появлении конденсаторов в России относятся к 1752 г. Стеклянные банки, наполненные дробью и обклеенные снаружи металлической фольгой, применялись М. В. Ломоносовым и Г. Рихтером при исследовании атмосферного электричества.
Начало технического применения конденсаторов относится к середине XIX века. В 1856 г. был выдан английский патент Исхаму Баггсу на использование разряда стеклянных конденсаторов для зажигания газовых ламп, а также для целей телеграфирования, что можно считать первым применением конденсаторов в технике связи. В 1877 г. П. Н. Яблочкову был выдан французский патент на "систему распределения и усиления атмосферным электричеством токов, получаемых от одного источника света с целью одновременного питания нескольких светильников". Эту дату можно считать началом применения конденсаторов в силовой электротехнике.
До конца XIX века техническое использование конденсаторов имело ограниченный характер. Необходимость их широкого промышленного производства возникла только после изобретения радио в 1895 г. А. С. Поповым. В связи с быстрым развитием производства радиостанций, прежде всего для военно-морского флота, уже в первые годы XX века за рубежом возникает ряд фирм, специализирующихся на изготовлении конденсаторов.
Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других, не электротехнических областях техники и промышленности, в частности, в металлообработке — в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов; в электроэрозионных (электроискровых) установках; для магнито-импульсной обработки металлов; в добывающей промышленности (угольной, металло- рудной и т.п.) — в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных); в электровзрывных устройствах; в устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.
Разнообразие областей применения обусловливает исключительно большое разнообразие типов конденсаторов, используемых в современной технике. Наряду с миниатюрными конденсаторами, имеющими вес менее грамма и размеры порядка нескольких миллиметров, можно встретить конденсаторы весом несколько тонн и по высоте превышающие человеческий рост. Емкость современных конденсаторов может составлять от долей пикофарады до нескольких фарад, а номинальное рабочее напряжение может лежать в пределах от нескольких вольт до сотен киловольт.
Электрические свойства, конструкция и область применения конденсатора в максимальной степени определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки. Потому конденсаторы правильнее всего классифицировать по роду диэлектрика .
Конденсаторы постоянной емкости: с газообразным диэлектриком — воздушные, газонаполненные и вакуумные; с жидким диэлектриком; с твердым неорганическим диэлектриком — стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклопленочные), слюдяные, керамические (низкочастотные и высокочастотные), тонкослойные из неорганических пленок; с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, пленочные (из неполярных пленок и из полярных пленок), комбинированные — бумажнопленочные, тонкослойные из органических синтетических пленок (тонкопленочные); электролитические (оксидные): алюминиевые, танталовые, ниобиевые, титановые, эти конденсаторы можно также различать по типу конструкции на жидкостные, сухие, твердые (оксидно-полупроводниковые) и оксидно-металлические.
Конденсаторы переменной емкости: с механическим управлением величиной емкости, с газообразным диэлектриком: воздушные, газонаполненные, вакуумные; с жидким диэлектриком; с твердым диэлектриком: керамические, стеклянные, пластмассовые; с электрическим управлением величиной емкости — сегнетокерамические (вариконды) и полупроводниковые (варикапы).
При заданном типе диэлектрика конденсаторы можно классифицировать дополнительно по режиму работы, для которого предназначается конденсатор. При этом различают следующие основные режимы работы: 1) при постоянном или выпрямленном напряжении; 2) при переменном напряжении технической частоты 50 Гц; 3) при звуковых частотах 20...20 000 Гц; 4) при радиочастотах; 5) при импульсных режимах (при единичных импульсах или при повторяющихся импульсах постоянной или переменной полярности).
У конденсаторов, предназначенных для использования в электронной технике в маркировке обычно указывается номинальное рабочее напряжение постоянного тока. Для силовых конденсаторов обычно указывается эффективное значение рабочего напряжения при частоте 50 Гц.
В повседневной практике применения конденсаторов пользуются следующими параметрами.
Номинальная емкость — емкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в документации. Номинальные значения емкостей стандартизованы и выбираются из определенных рядов чисел. Например, согласно стандарту СЭВ '6-78 установлены семь рядов: Е3; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192. Цифры после вы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 содержит шесть значений номинальных емкостей в каждом полученным путем их умножения или деления на 10°, где n — целое положительное или отрицательное число. В производстве конденсаторов чаще всего используются ряды Е3, Е6, Е12 и Е24, реже — Е48, Е96 и Е182.
Фактические значения емкостей могут отличаться от номинальных в пределах допустимых отклонений. Последние указываются в процентах в соответствии с рядом:
±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1; ±2; ±10; ±20; ±30; 0+50; -10+30; -10+50; -10+100; -20+50; -20+80.
Для конденсаторов с номинальными емкостями ниже 10 пФ допускаемые отклонения указываются в абсолютных значениях: ±0,1; ± 0,25; ±0,5 и ±1 пФ.
Номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в документации, при котором он может работать в заданных условиях в течение установленного срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.
Номинальное напряжение конденсаторов многих типов уменьшается с ростом температуры окружающей среды, так как с увеличением температуры, как правило, ускоряются процессы старения диэлектрика. При эксплуатации конденсаторов на переменном или постоянном токе с наложением переменной составляющей напряжения необходимо выполнять следующие условия.
1. Сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать допустимого напряжения, которое указывается в документации;
2. Амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности:
U=565000*sqr(P/Fc) , где U — амплитуда переменного напряжения, В; Р — допустимая реактивная мощность, ВАР (вольт х ампер реактивная); F — частота, Гц;
С — емкость, пФ.
Для конденсаторов с номинальным напряжением 10 кВ и менее значения номинальных напряжений устанавливаются согласно ГОСТ 9665-77 из ряда:
1;1,6; 2,5;3,2;4;6,3;10;16;20;25;32;40;50;63;80;100;125;160;200;250;315;350;400;450;500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000 В.
Под номинальным током конденсатора понимают наибольший ток, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы. Значение номинального тока зависит от конструкции конденсатора, примененных в нем материалов, частоты переменного или пульсирующего напряжения и температуры окружающей среды. При прохождении через конденсатор радиоимпульсов значение импульсного тока Iи может превышать номинальный ток Iн
согласно соотношению: Iи=Iн*sqr(Q), где Q — скважность импульсов.
Значение номинального тока в амперах вакуумных конденсаторов устанавливается согласно ГОСТ 14611-78 из ряда: 5; 7,5; 10; 12; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50: 60;75; 100; 125; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 750; 1000.
Тангенс угла потерь tgб характеризует потери энергии в конденсаторе и определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты: tgб=Pа/Pp.
Конкретное значение тангенса угла потерь зависит от типа диэлектрика и его качества, а также от температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется. Как правило, tgб имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение tgб увеличивается. С течением времени, а также при эксплуатации во влажной среде значение tgб растет и может увеличиться в несколько раз.
Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения называется сопротивлением изоляции конденсатора. Этот параметр характерен для конденсаторов с органическим и неорганическим диэлектриками. Для конденсаторов емкостью более 0,33 мкФ принято вместо сопротивления изоляции приводить значение постоянной времени, выражаемое в секундах, равное произведению сопротивления изоляции на значение номинальной емкости. Сопротивление изоляции (постоянная времени) зависит от типа диэлектрика, конструкции конденсатора и условий его эксплуатации. При длительном хранении сопротивление изоляции может уменьшиться на один-три порядка.
Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме, называют током утечки. Ток утечки обусловлен наличием в диэлектрике свободных носителей заряда и характеризует качество диэлектрика конденсатора. Этот параметр характерен для вакуумных и оксидных конденсаторов. Ток утечки в большой степени зависит от значения приложенного напряжения и времени, в течение которого оно приложено. Ток утечки измеряется через 1...5 мин после подачи на конденсатор номинального напряжения. При включении конденсатора под напряжение происходит "тренировка", т.е. постепенное уменьшение тока утечки. При длительном хранении и длительной работе ток утечки конденсаторов возрастает.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры и равная относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия. По значению ТКЕ керамические и некоторые другие конденсаторы разделяются на группы. Для конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от температуры, а также с большими уходами емкости от температуры обычно приводится относительное изменение емкости в рабочем интервале температур.
Полное сопротивление конденсатора — это сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостью также активного сопротивления и индуктивности. Этот параметр обычно применяется при использовании конденсатора в СВЧ-устройствах. Наименьшей индуктивностью обладают керамические конденсаторы (1...30 нГн).
Реактивная мощность — это произведение напряжения определенной частоты, приложенного к конденсатору, на силу тока, проходящего через него, и на синус угла сдвига фаз между ними. В большинстве случаев угол сдвига фаз близок к 90°, поэтому приближенно Pp==2Pi/(CU2). Понятие реактивной мощности введено для высокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов и используется для установления допустимых электрических режимов эксплуатации. При этом в области низких частот ограничения определяются допустимой амплитудой напряжения переменного тока, а на высоких частотах — допустимой реактивной мощностью конденсатора.
Вносимое затухание и сопротивление связи — это величины, характеризующие способность помехоподавляющих конденсаторов и фильтров подавлять помехи переменного тока заданной частоты. Вносимое затухание (А) пропорционально логарифму отношения напряжений, измеренных на нагрузке электрической цепи до (U1) и после (U2) включения конденсатора или фильтра в эту цепь: A=20lg(U1/U2).
Сопротивление связи Rc определяется как отношение напряжения на выходе помехоподавляющего конденсатора Uвх, к его входному току Iвх, т.е. Rc=Uвх/Iвх. Понятие сопротивления связи введено для 3- и 4-выводных конденсаторов.
Вносимое затухание и сопротивление связи зависят от частоты переменного тока, емкости, индуктивности, добротности и конструкции конденсаторов и фильтров, а также от выходного сопротивления генератора и сопротивления нагрузки.
Подстроечные и переменные конденсаторы имеют дополнительные параметры, учитывающие особенности их функционального назначения и конструктивного исполнения. Вместо параметра номинальная емкость используются параметры максимальная и минимальная емкости, которое могут быть получены при перемещении его подвижной системы. Специфичными параметрами подстроечных и переменных конденсаторов являются момент вращения, скорость перестройки емкости и износоустойчивость.
К подстроечным конденсаторам с электрическим управлением относятся сегнетоэлектрические и полупроводниковые. Для управления емкостью сегнетоэлектрических конденсаторов (варикондов) используется характерная для спонтанной поляризации зависимость диэлектрической проницаемости от приложенного к обкладкам конденсатора напряжения. Для управления емкостью полупроводниковых конденсаторов (варикапов) используется зависимость емкости р-n-перехода от напряжения.
Поскольку при спонтанной поляризации диэлектрическая проницаемость может достигать огромных значений, порядка 10000 и даже выше, то для варикондов характерны большие значения емкости при малых размерах конденсаторов. Для полупроводников — кремния и германия — она существенно меньше, порядка 11... 15, поэтому верхний предел емкости у полупроводниковых конденсаторов заметно ниже, чем у варикондов, и обычно не превышает десятков пикофарад, реже достигает нескольких сотен. Однако вариконды обладают существенными недостатками (сильная температурная зависимость, временная нестабильность, низкая добротность — около 25 в лучшем случае). Тем не менее сегнетоэлектрические конденсаторы нашли применение в диэлектрических усилителях, умножителях частоты, стабилизаторах напряжения и т.д.
Полупроводниковые конденсаторы, уступая сегнетоэлектрическим по величине номинальной емкости, имеют улучшенную стабильность емкости (при заданном значении напряжения) как во времени, так и при изменении температуры. Добротность этих конденсаторов также повышена и в определенной области частот может превышать 1000, составляя не ниже 25... 50 при частотах порядка десятков мегагерц. Хотя по величине добротности и стабильности емкости эти конденсаторы уступают воздушным, однако они обладают значительно меньшими размерами и весом, а также повышенной надежностью, что позволяет использовать их в разнообразной аппаратуре для автоматической настройки и подстройки частоты, фазы и т.п. Наряду с этим полупроводниковые конденсаторы могут применяться и во многих других случаях, где требуется емкость, зависящая от напряжения, конкурируя с сегнетокерамическими конденсаторами особенно успешно при небольших значениях емкости и в тех случаях, когда к ее стабильности предъявляются повышенные требования, а также когда нужны пониженные потери.
Коммутационные устройства
Для характеристики KУ используются следующие параметры.
Чувствительность — минимальная величина входного параметра, при котором происходит скачкообразное изменение выходного параметра (замыкание или размыкание контактов, у бесконтактных — изменение проводимости). В зависимости от вида входной величины, на которую реагируют КУ, чувствительность может оцениваться величиной тока, напряжения, мощности, механической силы, светового потока, магнитного поля и т.д.
Время срабатывания — характеризует быстродействие устройства. Оно отсчитывается с момента подачи сигнала на вход до появления сигнала на выходе. Время, отсчитываемое с момента прекращения действия управляющего сигнала до появления соответствующего сигнала (скачкообразного изменения) на выходе, является временем отпускания.
Максимальное значение коммутируемой мощности — произведение максимально допустимых значений напряжения и тока при данном напряжении. Если исполнительная система КУ коммутирует несколько цепей, то вводят понятие суммарной коммутируемой мощности.
Частота срабатываний (коммутаций) — число срабатываний КУ в единицу времени.
Коэффициент усиления (называемый иногда коэффициентом управления) определяется отношением мощности на выходе к мощности управления.
Входное сопротивление — определяет возможность согласования устройства с источником сигналов управления и чаще всего приводится в виде активного (напри мер, для сопротивления обмотки электромагнитных реле) или комплексного сопротивления.
Электроизоляционные свойства КУ характеризуются сопротивлением и электрической прочностью изоляции между токоведущими цепями, а также корпусом.
Сопротивление коммутирующих элементов зависит от принципа коммутации и вида используемых элементов. Для контактных КУ — это активное сопротивление замкнутых контактов, для полупроводниковых —внутреннее сопротивление прибора в открытом состоянии, для магнитных — индуктивное сопротивление переменному току и т.д.
При работе электрического контакта происходят весьма сложные физические процессы, которые имеют различия при их замыкании и размыкании [37].
Режим замыкания. При уменьшении расстояний между контактами до 10 мкм наблюдается процесс газоразряда, причем напряжение зажигания газа между контактами определяется по закону Пашена. При меньших расстояниях этот закон нарушается. Указанная граница соответствует нескольким длинам свободного пробега молекул в воздухе при нормальном давлении. Поэтому электроны могут пересекать контактный зазор без столкновения с молекулами газа.
Напряженность электрического поля при замыкании контактов возрастает по закону E=U/d, где Е — напряженность электрического поля; U — коммутируемое напряжение; d — расстояние между контактами. При напряженности поля около 3 108 В/м возникает автоэлектронная эмиссия электронов с поверхности катодного контакта, которая образует короткую дугу. Эта дуга является бесплазменной и характеризуется независимостью напряжения горения от величины протекающего тока. При наличии пленок на контактах короткая дуга возникает при меньшей напряженности электрического поля.
Короткая дуга разогревает анодный контакт и вызывает перенос материала на катодный контакт. Непосредственно перед соприкосновением контактов образуется жидкий контактный перешеек и напряжение в течение -10 нс скачком падает до до лей вольта. При дальнейшем сближении контактов площадь соприкосновения воз растает, переходное сопротивление контактов падает и, следовательно, падает также и температура. Контактный перешеек застывает, однако легко разрывается при нормальных нагрузках в процессе размыкания контактов.
Режим размыкания. В процессе размыкания контактное нажатие уменьшается, поверхность соприкосновения микро-шероховатостей становится меньше, плотность тока и переходное сопротивление повышаются. В течение достаточно короткого времени напряжение на контактах увеличивается от нескольких милливольт до 0,5...15 В. Во время этой части процесса размыкания места соприкосновения металлических контактов плавятся, затем они разрываются при достижении температуры кипения металла контактов. В этот момент напряжение на контактах скачкообразно (в течение примерно 10 нс) повышается до напряжения горения короткой дуги, причем время ее горения значительно больше, чем при замыкании. По этому в режиме размыкания контакты разрушаются больше, чем при замыкании.
При работе электрических контактов на силовые нагрузки, характерные для электротехнической аппаратуры, короткая дуга может перейти в обычную, плазменную дугу. В этом случае изменяется направление переноса материала контактов (с катода на анод), а при разрыве жидких контактных перешейков и при короткой дуге перенос происходит с анода на катод.
Резисторы
В зависимости от назначения резисторы делятся на резисторы общего назначения и специальные (прецизионные и сверхпрецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высоко-мега-омные) .
Резисторы общего назначения используются в качестве различных нагрузок, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильтров, шунтов, в цепях формирования импульсов и т.п. Диапазон номинальных сопротивлений этих резисторов 1 Ом... 10 МОм, номинальные мощности рассеяния 0,062... 100 Вт. Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения ±1; +2; ±5; ±10; ±20% .
Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются высокой стабильностью параметров при эксплуатации и большой точностью изготовления (допуск от i±0,0005 до 0,5%). Применяются они в основном в измерительных приборах, в различных счетно-решающих устройствах, вычислительной технике и системах автоматики.
Высокочастотные резисторы (резисторы с "подавленной" реактивностью), отличающиеся малыми собственной индуктивностью и емкостью, используются в высокочастотных цепях, кабелях и волноводах радиоэлектронной аппаратуры в качестве согласующих нагрузок, аттенюаторов, направленных ответвителей, эквивалентов антенн и т.п. Непроволочные высокочастотные резисторы способны работать на частотах до сотен мегагерц и более, а высокочастотные проволочные — до сотен килогерц.
Высоковольтные резисторы рассчитаны на большие рабочие напряжения (от Единиц до десятков киловольт). Применяются они в качестве делителей напряжения, искрогасителей, поглотителей, в зарядных и разрядных высоковольтных цепях и т.п.
Высокомегомные резисторы имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегом до единиц тераом и рассчитываются на небольшие рабочие напряжения (100...400 В). Поэтому они работают в ненагруженном режиме и мощности рассеяния их малы (менее 0,5 Вт). Высоко-мегомные резисторы применяют в электрических цепях с малыми токами, в приборах ночного видения, дозиметрах и в измерительной аппаратуре.
В зависимости от способа монтажа в аппаратуре как постоянные, так и переменные резисторы могут выполняться для печатного и навесного монтажа, а также для микромодулей и микросхем или для сопряжения с ними. Выводы резисторов для навесного монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные из проволоки круглого сечения или ленты в виде лепестков и т.п. У резисторов, применяемых в составе микросхем и микромодулей, а также у СВЧ резисторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности.
В зависимости от способа защиты от внешних воздействующих факторов резисторы конструктивно выполняются: изолированными, неизолированными, герметизированными и вакуумными.
Неизолированные резисторы (с покрытием или без покрытия) не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Напротив, изолированные резисторы имеют достаточно хорошее изоляционное покрытие (лаки, компаунды, пластмассы и т.п.) и допускают касания корпусом шасси или токоведущих частей аппаратуры.
Герметизированные резисторы имеют герметичную конструкцию корпуса, которая исключает возможность влияния окружающей среды на его внутреннее пространство.
У вакуумных резисторов резистивный элемент с основанием помещается в стеклянную вакуумную колбу.
По характеру изменения сопротивления все резисторы подразделяются на постоянные и переменные. Последние, в свою очередь, делятся на подстроечные и регулировочные. У постоянных резисторов сопротивление является фиксированными в процессе эксплуатации не регулируется. Переменные регулировочные резисторы допускают изменение сопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре. Сопротивление подстроечных резисторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры.
В зависимости от материала резистивного элемента резисторы разделяют на следующие группы: проволочные с резистивным элементом из волоченной или литой проволоки с высоким удельным сопротивлением; непроволочные; металло-фольговые с резистивным элементом из фольги определенной конфигурации, нанесенной на изолированное основание.
Непроволочные резисторы делятся на тонкопленочные (толщина слоя — нанометры), толстопленочные (толщина слоя — доли миллиметра), объемные (толщина слоя — единицы миллиметров). Тонкопленочные резисторы подразделяются на металлодиэлектрические, металлоокисные и металлизированные с резистивным элементом в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика и металла или тонкой пленки окиси металла, или сплава металла; углеродистые и боро-углеродистьге, проводящий элемент которых представляет собой пленку пиролитического углерода или борорганических соединений.
К толстопленочным резисторам относят лакосажевые, керметные и резисторы на основе проводящих пластмасс. Объемные резисторы могут быть с органическим и неорганическим связующим диэлектриком. Проводящие резистивные слои толстопленочных и объемных резисторов представляют собой гетерогенную систему (композицию) из нескольких фаз, получаемую механическим смешением проводящего компонента, например графита или сажи, металла или окисла металла, с органическими или неорганическими связующими (смолы, стекло-эмали), наполнителем, пластификатором и отвердителем. После соответствующей термообработки образуется гетерогенный монолитный слой с необходимым комплексом резистивных параметров.
Лако-сажевые композиции формируются на основе синтетических смол в виде лаковых растворов. Проводящим компонентом является сажа. Резисторы на основе этих композиций называют лако-сажевыми, лакопленочными или пленочными композиционными.
Кроме одиночных резисторов промышленностью выпускаются также наборы резисторов. Набор резисторов представляет совокупность резисторов, размещаемых, как правило, в корпусах микросхем или корпусах, сопрягающихся с микросхемами. Их классифицируют по назначению, типу резистивного элемента и схемотехническому построению. Самый простой набор — набор постоянных резисторов, соединенных или не соединенных в электрическую схему, не имеющий функциональной зависимости выходного сигнала от входного. Функциональный набор — набор постоянных резисторов, соединенных в электрическую схему, имеющий функциональную зависимость выходного сигнала от входного. Комбинированный набор — набор, состоящий из постоянных и переменных резисторов.
К основным характеристикам резисторов относятся следующие .
Номинальная мощность — наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы (наработки) при сохранении параметров в установленных пределах. Конкретные значения номинальных мощностей рассеяния в ваттах устанавливаются соответствующими ГОСТ-ами и выбираются из ряда: 0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125;
0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 160; 250; 500. Мощность Р, которую рассеивает резистор в конкретной электрической цепи, определяют через проходящий через него ток I и падение напряжения U или через номинальное сопротивление, как P=RI*I или P=U*U/R.
Рабочее напряжение, при котором резистор может работать, не должно превышать значения, рассчитанного исходя из номинальной мощности и номинального сопротивления. Оно ограничивается в основном тепловыми процессами в токопроводящем элементе и электрической прочностью резистора и выбирается из ряда:
25;50; 100; 150; 200, 250; 500; 750; 1000; 1500; 2500;3000; 4000; 5000; 10 000; 20 000;25 000; 35 000; 40 000; 60 000 В.
Для переменных резисторов этот ряд несколько ограничен:
5; 10; 25; 50; 100; 150; 200; 250; 350; 500; 750; 1000; 1500; 3000; 8000 В.
Номинальное сопротивление — электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной документации. Диапазон номинальных сопротивлений установлен для резисторов: постоянных — от долей Ома до единиц тера-Ом; переменных проволочных — от 0,47 Ом до 1 МОм; переменных непроволочных — от 1 Ом до 10 МОм. Номинальные сопротивления резисторов, выпускаемых отечественной промышленностью в соответствии с рекомендациями МЭК (Международная электротехническая комиссия), стандартизованы. Для постоянных резисторов отечественного производства установлено шесть рядов: Е6; Е12;Е24; Е48; Е96; Е192, а для переменных резисторов — ряд Е6. Цифра после буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном интервале. Например, по ряду Е6 номинальные сопротивления в каждой декаде должны соответствовать числам 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 или числам, полученным умножением или делением этих чисел на 10n, где n — целое положительное или отрицательное число. Принцип построения рядов Е48, Е98 и Е192 аналогичен приведенному, возрастает лишь число промежуточных значений.
Температурным коэффициентом (ТКС) называется величина, характеризующая относительное изменение сопротивления на один градус Кельвина или Цельсия. ТКС характеризует обратимое изменение сопротивления резистивного элемента вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки. Чем меньше ТКС, тем лучшей температурной стабильностью обладает резистор. На практике пользуются средним значением температурного коэффициента сопротивления, который определяется в интервале рабочих температур с помощью специального измерителя ТКС. Значения ТКС прецизионных резисторов лежат в пределах от единиц до 100-106 1/°С, а резисторов общего на- ' значения — от десятков до +2000-1061/°С.
Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов. Возникновение тепловых шумов связано с флуктуационными изменениями объемной концентрации свободных электронов в резистивном элементе, обусловленными их тепловым движением. Спектр частот тепловых шумов непрерывный.
Токовые шумы обусловлены флуктуациями контактных сопротивлений между проводящими частицами, а также трещинами и неоднородностями резистивного элемента. Эти флуктуации являются следствием изменения площади контактирования отдельных токопроводящих частей структуры резистивного элемента, перераспределения напряжения на отдельных зазорах между этими частицами, возникновения новых проводящих цепочек в относительно больших зазорах под действием высокой напряженности электрического поля и т.п.
Собственные шумы резисторов тем выше, чем больше температура и напряжение. Значение ЭДС шумов для непроволочных резисторов — от долей единиц до десятков и сотен микровольт на вольт.
У некоторых типов резисторов, особенно высоковольтных и высокоомных, в зависимости от приложенного напряжения может изменяться сопротивление, нарушая тем самым линейность вольтамперной характеристики. Причина заключается в зависимости концентрации носителей тока и их подвижности от напряженности электрического поля. Для оценки степени нелинейности пользуются коэффициэнтом напряжения. Он определяется относительным изменением сопротивления резисторов, измеренным при испытательных напряжениях, соответствующих 10 и 100% его номинальной мощности рассеяния. Значение коэффициента напряжения колеблется у разных типов резисторов от единиц до десятков процентов.
Индуктивные элементы
Индуктивные элементы делятся на катушки индуктивности и трансформаторы .
По назначению катушки индуктивности можно разделить на четыре группы:
а) катушки контуров,
б) катушки связи,
в) дроссели высокой частоты и
г) дроссели низкой частоты.
По конструктивному признаку катушки могут быть разделены на однослойные и многослойные; цилиндрические, спиральные и тороидальные; экранированные и неэкранированные; катушки без сердечников и катушки с сердечниками и др.
Катушки индуктивности характеризуются следующими основными параметрами: индуктивностью и точностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.
Однослойные катушки применяются на частотах выше 1500 кГц. Намотка может быть сплошная и с принудительным шагом. Однослойные катушки с принудительным шагом отличаются высокой добротностью (Q=150...400) и стабильностью;
применяются в основном в контурах коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волн [47]. Высокостабильные катушки, применяемые в контурах гетеродинов на KB и УКВ, наматываются при незначительном натяжении проводом, нагретым до 80...120 С.
Для катушек с индуктивностью выше 15...20 мкГн применяется сплошная однослойная намотка. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. Ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:
Диаметр каркаса (в мм) 6 10 15 20 25
Индуктивность (в мкГн) 1,8 4 10 20 30
Катушки со сплошной намоткой также отличаются высокой добротностью и широко используются в контурах на коротких, промежуточных и средних волнах, ее ли требуется индуктивность не выше 200...500 мкГн. Целесообразное гь перехода на многослойную намотку определяется диаметром катушки. Ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на многослойную намотку:
Диаметр каркаса (в мм) 10 15 20 25 30
Индуктивность (в мкГн) 30 50 100 200 500
Индуктивность однослойной катушки рассчитывается по формуле:
L=0,01DN2/(l/D+0.44), где L — индуктивность (в мкГн), D — диаметр катушки (в см), 1 — длина намотки (в см), N — число витков.
Добротность однослойных катушек определяется в основном диаметром провода и шагом намотки (расстоянием между витками) х. Установлено , что на высоких частотах оптимальное значение диаметра намоточного провода определяется из выражения: d=0,707x.
Многослойные катушки разделяются на простые и сложные. Примерами простых намоток являются рядовая многослойная намотка и намотка "кучей" (или в навал). Не секционированные многослойные катушки с простыми намотками отличаются пониженной добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью, требуют применения каркасов. Индуктивность многослойной катушки рассчитывается по формуле: L=0,08(DN)2/(3D+9l+10t), где L — индуктивность катушки, мкГн; D — средний диаметр намотки, см; l— длина намотки, см; t — толщина катушки, см; N — число витков.
Если задана индуктивность и нужно рассчитать число витков, то следует задать величины D, l и t и подсчитать необходимое число витков. После этого следует произвести проверку толщины катушки по формуле: t=zNd2/l, где d — диаметр провода с изоляцией (в мм), z=1,05...1,3 — коэффициент не плотности намотки при d=1...0,08 соответственно.
Секционированные катушки индуктивности характеризуются достаточно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью, меньшим наружным диаметром и допускают в небольших пределах регулировку индуктивности путем смещения секций. Они применяются как в качестве контурных в контурах длинных и средних волн, так и в качестве дросселей высокой частоты. Каждая секция представляет собой обычную многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций может быть от двух до восьми, иногда даже больше. Расчет секционированных катушек сводится к расчету индуктивности одной секции. Индуктивность секционированной катушки, состоящей из п секций: L= Lc[n+2k(n-1)], где Lc — индуктивность секции, k — коэффициент связи между смежными секциями (k=0.3 при расстоянии между секциями, равном половине ширины секции, которая равна среднему радиусу катушки).
Собственная емкость катушки понижает добротность и стабильность настройки контуров. В диапазонных контурах эта емкость уменьшает коэффициент перекрытия диапазона. Величина собственной емкости определяется типом намотки и размерами катушки. Наименьшая собственная емкость (несколько пФ) у однослойных катушек, намотанных с принудительным шагом. Многослойные катушки обладают большей емкостью, величина которой зависит от способа намотки. Так, емкость катушек с универсальной намоткой составляет 5...25 пФ, а с рядовой многослойной намоткой может быть выше 50 пф.
Дросселем высокой частоты называют катушки индуктивности, используемые в цепях питания в качестве фильтрующих элементов. Индуктивность дросселя должна быть достаточно большой, а собственная емкость — малой. Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек. Для дросселей длинных и средних волн применяется секционированная многослойная намотка. Дроссели для коротких волн и для метровых волн обычно имеют однослойную намотку — сплошную или с принудительным шагом. В качестве каркаса часто используются керамические стержни от резисторов. Расчет числа витков дросселя производится так же, как и расчет числа витков катушек индуктивности.
В катушках с большой индуктивностью применяются сердечники из ферромагнитных материалов. Индуктивность катушки с замкнутым стальным сердечником L=0,0126mSN2/lc, [мкГн], где m — магнитная проницаемость материала (для электротехнических сталей находится в диапазоне 200... 500), S — сечение сердечника (в см2), N — число витков катушки, 1„ — средняя длина магнитного пути, см (например, для круглого сердечника — длина его средней окружности).
Полупроводниковые диоды
В технических условиях и справочных листах на полупроводниковые диоды среди электрических параметров выделяют так называемые классификационные параметры. По этим параметрам из группы полупроводниковых диодов выбирают необходимый тип (подтип). Если для выпрямительных диодов в качестве классификационного параметра обычно указывается обратное напряжение, то импульсные диоды классифицируются по времени восстановления обратного сопротивления, стабилитроны — по напряжению стабилизации и т.д. В зависимости от конструкции, технологии изготовления и назначения диодов в технических условиях и справочных листах может указываться несколько классификационных параметров.
Выпрямительные диоды предназначены для использования в разнообразных выпрямительных схемах, работающих обычно на токах низкой частоты (50...2000 Гц). Для таких диодов указывается среднее значение прямого тока или величина выпрямленного тока (в последний входит и обратный ток диода во время действия полуволны обратного напряжения). Падение напряжения на диоде при этом характеризуется средним значением прямого напряжения за период. Если выпрямитель работает на емкостную нагрузку, мгновенное значение прямого тока может значительно превышать среднее значение тока. Предельный электрический режим использования диодов характеризуется следующими параметрами: максимальное обратное напряжение — напряжение любой формы и периодичности; максимальное значение прямого тока или выпрямленного тока в зависимости от конкретного схемного применения диода.
Высокочастотные диоды — приборы универсального назначения. Они могут быть использованы для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов. Свойства высокочастотных диодов характеризуют следующие параметры: падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока; обратный ток при заданном обратном напряжении; дифференциальное сопротивление диода; диапазон рабочих частот, на любой частоте этого диапазона выпрямленный диодом ток не должен быть меньше заданного уровня по сравнению со значением выпрямленного тока на частоте нижнего предела диапазона.
Импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в схеме при малых длительностях импульсов и переходных процессов (микросекунды и доли микросекунд). При коротких импульсах учитывается инерционность процессов включения и выключения диодов. После включения прямого тока напряжение на диоде устанавливается не мгновенно. Интервал времени от начала импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде упадет до заданного уровня, называется временем установления прямого сопротивления диода. Отношение максимального импульсного прямого напряжения на диоде к импульсу прямого тока называется импульсным сопротивлением диода. При протекании прямого тока в базе диода накапливается заряд. При подаче запирающего напряжения этот заряд рассасывается и вызывает протекание импульса обратного тока, который может во много раз превышать установившееся значение обратного тока. Интервал времени от момента, когда ток через диод равен нулю, до момента, когда обратный ток уменьшится до заданного уровня, называется временем восстановления обратного сопротивления диода. Импульсные диоды характеризуются малым значением барьерной емкости, измеряемой как емкость между выводами при заданном напряжении смещения.
Стабилитроны — диоды, предназначенные для стабилизации напряжения в схеме при изменении тока, протекающего через диод. Основной параметр стабилитрона — напряжение стабилизации в рабочей точке, для которой задается дифференциальное сопротивление стабилитрона — отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому изменению тока стабилизации. Нормируется также дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации. Важным параметром является ТКН (температурный коэффициент напряжения стабилизации) — отношение относительного изменения напряжения к абсолютному изменению температуры окружающей среды. Значение ТКН выражается в процентах на 1° С. Стабильность работы стабилитронов характеризуется величиной дрейфа напряжения стабилизации, указывающей максимальную абсолютную величину изменения напряжения стабилизации в течение заданного времени. Нормируется также разброс напряжения стабилизации от прибора к прибору. Диод, в котором для стабилизации используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Напряжение стабилизации стабисторов составляет всего несколько десятых долей вольта. Максимальный режим работы для стабилитронов и стабисторов характеризуется максимальным током стабилизации и максимальной рассеиваемой мощностью.
Туннельный диод характеризуется наличием на его ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отрицательное сопротивление сохраняется до сотен и тысяч МГц. Наличие в характеристике туннельного диода участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать его в усилителях, генераторах синусоидальных и релаксационных колебаний, переключающих схемах.
Диоды Шотки отличаются от диодов на р—n-переходах отсутствием инжекции не основных носителей. Ото означает, что у них отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием не основных носителей в базе, а ото существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключении определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3...15 ГГц. Не менее важной особенностью диодов Шотки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на. р—n-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шотки описывается той же классической формулой (4.7), что и у р—n-переходов, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость, характерная для р—n-перехода, у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей. Последняя превышает величину диффузионную примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. В конечном итоге это означает, что прямое напряжение у диодов Шотки будет примерно на 0,2 В меньше, чем у р—n-перехода. Такое различие иногда весьма существенно, например, при использовании таких диодов для предотвращения насыщения транзисторных ключей. Типичными для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, единицы и десятые доли пикоампер, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р—n-переходов, определяемым термо-генерацией. Еще одна особенность диодов Шотки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону (4.7) в очень широком диапазоне токов — на протяжении нескольких декад, от 1012 до 104 А. Отсюда следует возможность использования диодов Шотки в качестве прецизионных логарифмирующих элементов.
Тот факт, что барьеры Шоттки получили распространение сравнительно недавно (в начале 70-х годов), хотя их теория была разработана в двадцатых годах, объясняется, во-первых, тем, что для получения качественных барьеров необходимо было осуществить "органичный" (не прижимной) контакт металла с полупроводником, что оказалось возможным только после освоения техники вакуумного напыления пленок. Во-вторых (особенно для диодов), необходимо было обеспечить малое сопротивление базы при достаточно высоком пробивном напряжении, а это удалось достигнуть только после освоения эпитаксиальной технологии.
Биполярные транзисторы
Транзисторы разделяются на типы (подтипы) по классификационным параметрам. Например, маломощные низкочастотные и среднечастотные транзисторы классифицируются по таким параметрам, как коэффициент усиления по току и предельная частота усиления или генерации. В отдельных случаях особо выделяют шумы преимущественно первых каскадов, работающих на малых сигналах. На высокой частоте коэффициенты усиления тока становятся комплексными величинами (так же как и другие Н-параметры). Усилительные свойства транзисторов на высокой частоте характеризуются модулем коэффициента усиления тока (альфа)|, |H21б| или |В]. Частота, на которой значение |H21б| уменьшается на 3 дБ (около 30%) по сравнению с |H21б|, измеренным на низкой частоте, называется предельной частотой усиления тока f„.
Модуль усиления тока в схеме ОЭ уменьшается с ростом частоты более заметно, чем в схеме ОБ. В некоторой области частот параметр |H21б| обратно пропорционален частоте: |H21э|=Fт/F. Частота Fт, — граничная частота усиления тока базы. На этой частоте модуль |H21э| равен 1. Имеет место приближенное соотношение: fа=mFт, где т=2 для бездрейфовых m =1,6 для дрейфовых транзисторов.
К малосигнальным параметрам относятся также емкости переходов транзистора. Емкость коллекторного перехода С, — емкость, измеренная между коллекторным и базовым выводами транзистора при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе. Емкость эмиттерного перехода С, — емкость, измеренная между выводами эмиттера и базы при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере. Значения емкостей Сk и С, зависят от приложенного напряжения. Если, например, указано значение Ск при напряжении U, то емкость Сkx при напряжении U, можно найти из приближенной формулы: Сkx = Ck(U/Ux)m, где m определяется таким же образом, как и в формуле (4.5).
Максимальная частота генерации F макс — наибольшая частота автоколебаний в генераторе на транзисторе. С достаточной точностью можно считать, что Fмакс — частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице. Она связана с другими параметрами малого сигнала приближенным соотношением:
Коэффициент шума Кш — отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к части мощности, вызываемой тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума выражается в децибелах. Его значение дается для определенного частотного диапазона. Для большинства транзисторов минимальные шумы наблюдаются при работе на частотах 1000...4000 Гц. На высоких и низких частотах шумы увеличиваются. Обычно минимальное значение Рш соответствует малым токам коллектора (0,1...0,5 мА) и малым коллекторным напряжениям (0,5...1,5 В). Шумы резко увеличиваются при повышении температуры. Приводимые в справочных данных значения Рш относятся к оптимальному внутреннему сопротивлению источника сигнала и режиму работы, которые и следует использовать при проектировании малошумящих усилителей.
Параметры большого сигнала характеризуют работу в режимах, при которых токи и напряжения между выводами транзистора меняются в широких пределах. Эти параметры используются для расчета ключевых схем, пред-оконечных и оконечных усилителей низкой и высокой частоты, автогенераторов. Статический коэффициент усиления по току: Вст=(Ik-Iko)/(Iб+Iko). В рассматриваемом случае ток коллектора Ik и ток базы Iб существенно превосходят тепловой ток коллектора Iko, поэтому на практике пользуются формулой: Вст=Ik/Iб
Статическая крутизна прямой передачи Sст — отношение постоянного тока коллектора к постоянному напряжению на входе транзистора. Параметр Sст используется для транзисторов средней и большой мощности, работающих в схемах, где источник входного сигнала имеет малое внутреннее сопротивление.
Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения Uкн измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов или определенной глубине насыщения. Глубина насыщения — это отношение прямого тока базы к току, при котором транзистор находится на границе насыщения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения Uбэн измеряется при тех же условиях, что и напряжение Uкн.
Время рассасывания Тр — интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе достигает уровня (0,1...0,3)Ек (Ек — напряжение питания коллекторной цепи). Время рассасывания зависит от глубины насыщения транзистора и измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов.
Параметры предельных режимов работы. Максимальная мощность, рассеиваемая прибором — Pмакс. Так как в транзисторах подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода, то эта мощность практически равна Kмакс — максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе.
Максимальный ток коллектора Iк макс — определяет максимальный ток коллектора при максимальном напряжении на коллекторе и максимально допустимой рассеиваемой мощности.
Максимальное обратное напряжение между коллектором и базой транзистора Uкб макс - Этот параметр используется обычно для расчета режима работы запертого транзистора или при включении его по схеме ОБ и генератора тока в цепи эмиттера.
Максимальное обратное напряжение на переходе эмиттер—база Uэб макс. Этот параметр используется для расчета режима работы, когда на входе действует запирающее напряжение (усилители в режиме В, различные импульсные схемы).
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ макс при условии короткого замыкания эмиттера с базой. В ряде случаев этот параметр приводится при условии включения между базой и эмиттером резистора заданного сопротивления.
Параметр Uкэ макс используется при расчетах режима работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и при отсутствии запирающего напряжения или когда оно мало, например, менее 1 В.
Максимальные значения токов, напряжений и мощности определяют границы области гарантированной надежности работы. Так как работа в предельном режиме соответствует самой низкой надежности, то использование предельных режимов в схемах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.
Практика показывает, что при использовании полупроводниковых приборов в облегченных режимах надежность их работы повышается в десятки раз по сравнению с надежностью в предельном режиме.
Тепловые параметры полупроводниковых приборов устанавливают допустимые пределы или диапазоны температуры окружающей среды и самих приборов, при которых гарантируется их надежная работа.