Олейник В.П., Долженков Н.В. Элементная база электронных аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

Резисторы в цепи постоянного тока.

В общем случае сопротив-

ление резистора постоянному току определяется не только сопротив-

лением резистивного элемента R

, но и рядом других компонентов:

– контактного сопротивления, R

– сопротивления основания, R

ЗП

–

сопротивления защитного покрытия. Отразим это на схеме замеще-

ния резистора, включенного в цепь постоянного тока (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Схема замещения резистора на постоянном токе

При спиралевидном резистивном слое шунтирующее влияние

проводимости изоляционного основания и защитного покрытия воз-

растает. Суммарное сопротивление резистора можно представить

выражением

H ЗП O ЗП O

R=2R+ ,

1+(t R (R R ))/(aR R )

⋅+

где t – шаг спирали; а – расстояние между витками.

При нормальной температуре и влажности проводимостью изо-

ляционного основания можно пренебрегать, если величина

сопротивления не превышает 10

...10

Ом.

Нелинейные свойства резисторов.

В неметаллических резистив-

ных элементах (в особенности при зернистой структуре) влияние на-

пряжения на сопротивление может проявляться при неощутимом на-

греве резистивного элемента в целом. Увеличение проводимости ре-

зистивного слоя связывают с электрическим пробоем между микро-

структурами зернистого слоя при росте приложенного напряжения. В

этом случае вольт-амперная характеристика резистора

не подчиняет-

ся закону Ома и имеет нелинейный характер (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Вольт-амперная характеристика реального резистора

ЗП

∆R

= U

НОМ

Нелинейные свойства резисторов отражает коэффициент на-

пряжения К

= ∆R / ((U

– U

). В результате таких свойств рези-

стор может служить источником нелинейных искажений, как показано

на рис 2.16.

Рис. 2.16. Искажение формы синусоидального сигнала

Если резистор значительно нагревается проходящим током, то

изменение сопротивления в зависимости от приложенного напряже-

ния будет определяться не только его нелинейностью, но и темпера-

турой нагрева. Суммарное изменение сопротивления характеризуется

коэффициентом нагрузки

НГ Н

K=K U+

∆

TTKC

⋅

Работа резисторов в высокочастотных (ВЧ) цепях.

Комплексное

сопротивление резистора на переменном токе определяется распре-

деленной емкостью С' и индуктивностью L'. Схема замещения выгля-

дит таким образом (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Эквивалентная схема резистора на переменном токе

Работа с такой эквивалентной схемой крайне неудобна. В боль-

шинстве случаев рационально пользоваться упрощенной схемой за-

мещения, приведенной на рис. 2.18.

L' R'

С'

С' С

Рис. 2.18. Упрощенная эквивалентная схема резистора для ВЧ цепей

К высокоомным резисторам

можно отнести резисторы, величина

сопротивления которых R > (L' / C')

1/2

. Для реальных резисторов это

R > 300…3000 Ом. При таких величинах сопротивления влиянием ин-

дуктивности можно пренебречь. Эквивалентные схема приобретает

вид, изображенный на рис. 2.19, где R

- активное сопротивление ре-

зистора на частоте f, С

- собственная емкость резистора.

Рис. 2.19. Эквивалентная схема высокоомного резистора в ВЧ цепях

Следует заметить, что величина R

учитывает активные потери,

связанные с поверхностным эффектом и потерями в изоляционных

материалах на рабочей частоте.

Для низкоомных резисторов

с сопротивлением менее 300 Ом

величиной емкостного сопротивления по сравнению с индуктивным

можно пренебречь. Эквивалентная схема приобретает вид, приве-

денный на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Эквивалентная схема низкоомного резистора в ВЧ цепях

Проволочные резисторы ввиду большой собственной индуктив-

ности в высокочастотных цепях не используются. В связи с большими

потерями на высоких частотах объемные резисторы также имеют ог-

раниченное применение в ВЧ аппаратуре.

ИЗ

3. КОНДЕНСАТОРЫ

Электрический конденсатор

- это элемент, представляющий со-

бой систему из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектри-

ком и обладающий свойствами накапливать электрическую энергию

(емкостью). Емкость конденсатора С определяется отношением нака-

пливаемого в нем электрического заряда q к приложенному напряже-

нию U: С = q / U. Единицы измерения емкости: [С] = Ф (фарада);

-6

Ф = мкФ (микрофарада); 10

-9

Ф = нФ (нанофарада); 10

-12

Ф = пФ

(пикофарада)

Емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика, формы

и взаимного расположения обкладок.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из n обкладок,

⋅⋅

-3

8,8 10 ε S(n-1)

C = ,

где d – толщина диэлектрика; S – площадь обкладок; ε – диэлектриче-

ская проницаемость диэлектрика.

Для цилиндрического конденсатора емкость можно найти по

формуле

-3

0,5×10 ε l

C= ,

где D

и D

– диаметры внешней и внутренней цилиндрических обкла-

док; размерности величин – [C] = пФ; [l, d] = мм; [S] = мм

Общая классификация конденсаторов.

По характеру изменения

емкости конденсаторы делят на несколько групп.

Конденсаторы постоянной емкости

это конденсаторы с фиксиро-

ванной емкостью, которая в процессе эксплуатации не регулируется.

Применяют в цепях блокировки, развязки по питанию, как переход-

ные, разделительные, элементы фильтров и колебательных контуров.

Существует большое количество типов постоянных конденсаторов.

Значительная часть их стандартизирована и налажено их массовое

производство.

Конденсаторы переменной емкости

(КПЕ) используют для плав-

ной настройки колебательных контуров. Выпуск КПЕ не подлежит

полной стандартизации. Их разрабатывают согласно требованиям к

данной конструкции.

Подстроечные конденсаторы

применяют в цепях, емкость кото-

рых должна точно устанавливаться при разовой или периодической

регулировке и не изменяться в процессе эксплуатации. Некоторые ти-

пы подстроечных конденсаторов стандартизированы и выпускаются

серийно.

Нелинейные конденсаторы

, емкость которых определяется при-

ложенным напряжением (вариконды) или температурой (термокон-

денсаторы).

Другим классификационным признаком был выбран вид диэлек-

трика. В зависимости от вида диэлектрика конденсаторы можно раз-

делить на элементы с органическим

, неорганическим, газообразным и

оксидным диэлектриком

(неорганический диэлектрик для электроли-

тических конденсаторов). Конденсаторы постоянной емкости обычно

выполняют с твердым диэлектриком.

По характеру защиты от внешних воздействий конденсаторы вы-

полняются незащищенными, защищенными, неизолированными, изо-

лированными, уплотненными и герметизированными.

В зависимости от использования в конкретных цепях аппаратуры

конденсаторы делят на низковольтные и высоковольтные, низкочас-

тотные и высокочастотные, импульсные

и т.д.

На принципиальных схемах конденсаторы обозначают латин-

ской буквой С с порядковым цифровым или буквенным индексом

(рис. 3.1).

Рис. 3.1. Условные обозначения конденсаторов на схемах

Для указания номиналов на схемах приняты следующие сокра-

щения обозначений емкости конденсаторов.

Емкости от 1 до 999 пФ обозначают без

указания единицы изме-

рения. Например: емкость 3300 пФ будет обозначена как 3300; 10 пФ – 10.

Емкости от 0,01 мкФ (10000 пФ) и больше обозначают строчны-

ми буквами мк. Например: емкость 0,1 мкФ обозначают как 0,1 мк;

220 мкФ – 220 мк.

Для конденсаторов переменной емкости, а также подстроечных

конденсаторов указывают минимальную и максимальную емкости.

Например: С

мин

= 5 пФ, С

мах

= 340 пФ обозначают как 5…340.

Конденсатор

оксидный

неполя

ный

С1 470

Конденсатор

постоянной

емкости

С2 10 мк

16 В

Конденсатор

оксидный

поля

ный

С3 50 мк × 6,3 В

С4 8…30

Конденсатор подстроечный

С5 9…270

Конденсатор переменной

емкости (КПЕ)

Для оксидных (электролитических, полярных) конденсаторов ря-

дом с обозначением емкости указывают знак х

и рабочее напряжение

конденсатора в вольтах. Например: конденсатор емкостью 100 мкФ на

рабочее напряжение 25 В обозначают как 100 мк × 25 В.

3.1. Основные параметры конденсаторов

Удельная емкость конденсатора

– отношение емкости к объему

или массе конденсатора. Этот параметр используется при массогаба-

ритной оптимизации конструкции.

Номинальная емкость конденсатора

– емкость, которую должен

иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией.

Номинальные емкости всех типов конденсаторов постоянной емкости

стандартизированы и с точностью до множителя соответствуют рядам

Е6 – Е192 (подробно рассмотрено во втором разделе).

Допустимое отклонение емкости от номинальной

(допуск) харак-

теризует точность задания емкости. Значения этих отклонений уста-

новлены ГОСТ 9661-73 в процентах для конденсаторов емкостью от

10 пФ и более и в пикофарадах для конденсаторов с меньшей емко-

стью. Кодированные значения допусков приведены в табл. 3.1 и 3.2

соответственно.

Таблица 3.1

Допустимое

отклонение, %

Код

лат. (рус.)

Допустимое

отклонение, %

Код

лат

. (рус.)

±0,001 Е - ±10 K (C)

±0,002 L - ±20 M (B)

±0,005 R - ±30 N (Ф)

±0,01 P - -10…+30 Q -

±0,02 U - -10…+50 T (Э)

±0,05 X - -10…+100 Y (Ю)

±0,1 B (Ж) -20…+50 S (Б)

±0,25 C (У) -20…+80 Z (А)

±0,5 D (Д) +100 - (Я)

±1 F (Р)

±2 G (Л)

±5 J (И)

Таблица 3.2

Отклонение, пФ Код

±0,1 B

±0,75 C

±0,5 D

±1 F

Номинальное рабочее напряжение

(номинальное напряжение) –

максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать

в заданных условиях эксплуатации в течение гарантированного срока

службы. Как правило, оно указывается на конденсаторе. Номиналь-

ные напряжения и их кодирование (в основном на малогабаритных

конденсаторах) приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

НОМ

, В Код (лат.) U

НОМ

, В Код (лат.)

1,0 I 63 K

1,6 P 80 L

2,5 M 100 N

3,2 A 125 P

4,0 C 160 Q

6,3 B 200 Z

10 D 250 W

16 E 315 X

20 F 350 T

25 G 400 Y

32 H 450 U

40 S 500 V

50 J

Испытательное напряжение

– максимальное напряжение, при ко-

тором конденсатор может находиться без пробоя небольшой проме-

жуток времени (от единиц секунд до единиц минут). По отношению к

номинальному испытательное напряжение U

ИСП

= 2U

НОМ

для слюдя-

ных и стеклянных конденсаторов; для керамических и бумажных

ИСП

= (2…3)U

НОМ

; для металлобумажных U

ИСП

= (1,5…2)U

НОМ

Пробивное напряжение

– минимальное напряжение, при котором

происходит электрический пробой конденсатора при быстром испыта-

нии. Обычно превышает номинальное в 1,5 – 3 раза.

Сопротивление изоляции

– сопротивление конденсатора посто-

янному току:

из

ут

R= ,

где I

ут

- ток утечки или проводимости. Наибольшим сопротивлением

изоляции (десятки тысяч мегаом) обладают пленочные конденсаторы,

наименьшим – электролитические оксидные.

Постоянная времени конденсатора

– произведение сопротивле-

ния изоляции и емкости конденсатора τ

= R

из

С τ

– является основной

характеристикой качества конденсатора на постоянном токе. Размер-

ность [τ

] = c (секунды). Для различных типов конденсаторов τ

может

составлять от нескольких минут до нескольких суток и характеризует

время, в течение которого напряжение на конденсаторе уменьшается

в е раз (или до 37% от начального значения).

Реактивная мощность конденсатора

характеризует “нагрузочную”

способность конденсатора на переменном токе:

P=U×I×sin

; поскольку φ ≈ 90°, то

P=I×U=UωC

Отсюда допустимое значение амплитуды U

переменного напря-

жения на конденсаторе при заданной мощности Р

U= ,

ω×C

или

U565 ,

f×C

≈

где [U

] = В, реактивная мощность [Р

] = Вар (реактивные вольт-

амперметры), [f] = МГц; [С] = мкФ.

Тангенс угла потерь

(tg δ) характеризует потери энергии в кон-

денсаторе при протекании переменного тока. Потери происходят в

обкладках и диэлектрике. Основные потери приходятся на диэлек-

трик. Наличие потерь (

a из

P=I×R

) приводит к тому, что вектор полного

тока отклоняется на угол δ относительно вектора емкостного тока. То-

гда отношение мощности активных потерь к реактивной мощности

можно записать как

U×I×sinδ sinδ

===tgδ.

P U×I×cosδ cosδ

Величину, обратную tg δ, называют добротностью конденсатора:

Q= .

tgδ

Современные конденсаторы (кроме электролитических) имеют

очень малые потери tg δ ≤ 0,01…0,001.

Стабильность параметров конденсаторов.

Электрические свойст-

ва конденсатора и срок службы зависят от условий эксплуатации,

воздействия тепла, влажности, радиации, вибраций, ударов, а также

времени.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)

характеризует обра-

тимые изменения емкости конденсатора с изменением температуры.

ТКЕ или α

представляет собой относительное изменение емкости

при изменении температуры на один градус

∆C

α =,

∆T×C

где С

– емкость конденсатора при номинальной температуре.

Детальный анализ показал, что α

= α

+ α

, где α

–

температурный коэффициент диэлектрической проницаемости; α

–

температурный коэффициент изменения действующей площади об-

кладок; α

– температурный коэффициент изменения толщины ди-

электрика. Поскольку обычно α

<< |α

| + |α

|, то условие температур-

ной самокомпенсации α

= α

Конденсаторы постоянной емкости в зависимости от температур-

ной стабильности разделяются на группы, каждая из которых харак-

теризуется своим ТКЕ. В качестве “базовой” температуры берут 20°С.

Группы ТКЕ для слюдяных конденсаторов приведены в табл. 3.4, ке-

рамических с нормированным ТКЕ – в табл. 3.5, керамических (низко-

частотных) с ненормированным ТКЕ – в табл. 3.6.

Таблица 3.4

Группа А Б В Г

ТКЕ, %/°С

Не норми-

рован

±0,02 ±0,01 ±0,005

Таблица 3.5

Группа ТКЕ, 10

-6

/°C

Буквенный

код

П100 +100 A

П60 +60 G

П33 +33 N

МПО 0 C

М33 -33 H

М47 -47 M

М75 -75 L

М150 -150 P

М220 -220 R

М330 -330 S

М470 -470 T

М750 -750 U

М1500 -1500 V

М2200 -2200 K

М3300 -3300 Y

Таблица 3.6

Группа Н10 Н20 Н30 Н50 Н70 Н90

Допуск на измене-

ние емкости, % в

интервале темпе-

ратур

- 60…+ 85 °С

±10 ±20 ±30 ±50 ±70 ±90

Буквенный код B Z D X E F

Необратимые изменения емкости

конденсатора под действием

температуры характеризуются коэффициентом температурной неста-

бильности емкости (КТНЕ):

∆C

β =.

С повышением температуры уменьшаются также электрическая

прочность конденсатора и срок его службы.

При понижении атмосферного давления происходят уменьшение

электрической прочности, изменение емкости вследствие механиче-

ской деформации, нарушение герметизации.

При поглощении влаги диэлектриком увеличивается емкость и

уменьшается сопротивление изоляции.

Маркировка конденсаторов.

Полная маркировка конденсаторов

содержит: обозначение типа конденсатора, номинальные емкость и

напряжение, допустимое отклонение емкости от номинальной (в про-

центах), группу ТКЕ, месяц и год выпуска. Маркировка может быть бу-

квенно-цифровая или цветовая.

Конденсаторы постоянной емкости маркируются буквой К. Циф-

ровой код обозначения типов конденсаторов (в зависимости от ди-

электрика)

приведен в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Группа Код Группа Код

Керамические

≤1600 B

>1600 B

Бумажные (U

≤ 2 кВ)

Бумажные фольговые

Бумажные металлизиро-

ванные

Стеклянные

Стеклокерамические

Тонкоплёночные

Оксидно-электрические,

алюминиевые

Оксидно-электролитические

Объёмно-пористые

Оксидно-

полупроводниковые

Оксидные неполярные

Слюдяные малой

мощности

Слюдяные большой

мощности

Воздушные

Вакуумные

Полистирольные

Полиэтилентереф-

талатные

Фторопластовые

Комбинированные

Лакопленочные

Поликарбонатные

Полипропиленовые