Компоненты электронной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан

Ташкентский государственный технический университет имени Абу Райхана Беруни

Учебное пособие

по курсу: "Компоненты электронной техники"

Ташкент 2011

Учебное пособие / Муминов А. А. Таш ГТУ, 2011-04-22

Данное учебное пособие создано впервые на основании Государственного образовательного стандарта высшего образования 2011г.

Учебное пособие по курсу "Компоненты электронной техники" написано на кафедре "Нанотехнология" ТГТУ для студентов _____________ по специальности "Нанотехнология" (Эллектронные приборы и устройства) и соответствует учебному плану данной специальности.

Рецензенты: Зав. кафедрой "Радиотехнические и оптоэлектронные устройства и системы", д.т.н. Назаров А.М.

каф. "Физ. электронника", доц. Норкулов Н.Н.

Рекомендованы к печати решением научно-технического совета Ташкентского государственного технического университета им. Абу Райхана Беруни

© Ташкентский государственный технический университет им. Беруни

2011

Оглавление

Введение. Условие эксплуатации и применения КЭТ

1. Классификация резисторов

2. Основные параметры резисторов

3. Общие и специальные резисторы

4. Основные типы переменных резисторов

5. Конденсаторы. Основные характеристики конденсаторов

6. Основные параметры конденсатора

7. Конденсаторы с диэлектрическим органическим изолятором

8. Электрическая прочность конденсатора

9. Индуктивные катушки

10. Трансформаторы и дроссели

11. Разновидности и типы трансформаторов

12. Болометры

13. Позитроны, термистор, варистор

14. Интегральные микросхемы

15. Гибридные и простые интегральные схемы

16. Микросборки. Коммутационно - печатные, их элементы

17. Печатные платы и узлы

Введение. Условие эксплуатации и применения КЭТ

Радиоэлектронное устройство -- это изделие, состоящее из отдельных 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.

1. Классификация резисторов

Резистором называется пассивный элемент РЭА, предназначенный для создания в электрической цепи требуемой величины сопротивления, обеспечивающей перераспределение и регулирование электрической энергии между элементами схемы.

Выпускаемые отечественной промышленностью резисторы классифицируются по различным признакам. В зависимости от характера изменения сопротивления резисторы разделяют на постоянные -- значение сопротивления фиксировано; переменные -- с изменяющимся значением сопротивления.

В зависимости от способа защиты от внешних факторов резисторы делятся на неизолированные, изолированные, герметизированные и вакуумные.

Неизолированные резисторы с покрытием или без него не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Пример: Р1-69.

Изолированные резисторы имеют изоляционное покрытие (лак, компаунд, пластмасса) и допускают касание корпусом шасси и токоведущих частей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Примеры: С5-35В, С5-36В, С5-37В, С5-43В, С5-47В и др.

Герметизированные резисторы имеют герметичную конструкцию корпуса, которая исключает влияние окружающей среды на его внутреннее пространство. Герметизация осуществляется, с помощью опрессовки специальным компаундом.

Вакуумные резисторы имеют резистивный элемент, помещенный в стеклянную вакуумную колбу.

По способу монтажа резисторы подразделяются на резисторы для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и интегральных микросхем.

По материалу резистивного элемента резисторы делятся на проволочные, непроволочные, металлофольговые.

Проволочные -- резисторы, в которых резистивным элементом является высокоомная проволока (изготавливается из высокоомных сплавов: константан, нихром, никелин).

Непроволочные -- резисторы, в которых резистивным элементом являются пленки или объемные композиции с высоким удельным сопротивлением.

Металлофольговые -- резисторы, в которых резистивным элементом является фольга определенной конфигурации.

Непроволочные резисторы можно разделить на тонкопленочные (толщина слоя в нанометрах), толстопленочные (толщина в долях миллиметра), объемные (толщина в единицах миллиметра). Примеры: С2-23, С2-33, С2-14, Р1-32, Р1-35, Р1-12 и др.

Тонкопленочные резисторы подразделяются на металло-диэлектрические, металлоокисные и металлизированные с резистивным элементом в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика и металла, или тонкой пленки окиси металла, или сплава металла; углеродистые и бороуглеродистые, проводящий элемент которых представляет собой пленку пиролитического углерода или борорганических соединений. К толстопленочным относят лакосажевые, керметные и резисторы на основе проводящих пластмасс. 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 наполнителями, пластификаторами или отвердителем. После термообработки образуется монолитный слой с необходимым комплексом параметров. Примеры: С2-33, Р1-72, С2-10, С2-36, Р1-8 и др.

В объемных резисторах в качестве связующего компонента используют органические смолы или стеклоэмали. Про¬водящим компонентом является углерод.

В резистивных керметных слоях основным проводящим компонентом являются металлические порошки и их смеси, представляющие собой керамическую основу с равномерно распределенными частицами металла.

2. Основные параметры резисторов

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 для резисторов значения силы тока и напряжения равны

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; ДR алгебраическая разность между сопротивлением, измеренным при заданной температуре, и сопротивлением, измеренным при нормальной температуре; Дt° -- 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 ± (1002000)10-6 1/°С и для проволочных ± (501000) * 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 20С, уровень собственных шумов определяется по формуле:

мкВ,

где F -- 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.

3. Общие и специальные резисторы

В зависимости от назначения резисторы делятся на общего назначения и специальные (прецизионные, сверхпрецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные).

Резисторы общего назначения используются в качестве нагрузок активных элементов, поглотителей, делителей в цепях питания, элементов фильтров, шунтов, в RC -- цепях формирования импульсных сигналов и т.д. Диапазон номинальных сопротивлений этих резисторов 1 Ом...10 МОм, номинальные мощности рассеяния -- 0,125... 100 Вт. Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения ±1; ±2; ±5; ±10; ±20 %. Примерами резисторов общего назначения служат С2-33, Р1-12 и др..

Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются высокой стабильностью параметров и высокой точностью изготовления (допуск ±0,0005...0,5 %). Данные резисторы применяются в основном в измерительных приборах, системах автоматики. Диапазон этих резисторов значительно шире, чем резисторов общего назначения. Примерами служат резисторы Р1-72, Р2-67, С2-10, С2-29, С2-36, Р1-16, Р1-8 и др.

Высокочастотные резисторы отличаются малыми собственными индуктивностью и емкостью и предназначены для работы в высокочастотных цепях, кабелях и волноводах. Примерами служат резисторы Р1-69,

Высоковольтные резисторы рассчитаны на работу при больших (от единиц до десятков киловольт) напряжениях. Примерами высоковольтных резисторов служат Р1-32, Р1-35, С2-33НВ и др. Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом. Высокомегаомные резисторы применяются в цепях с рабочим напряжением до 400 В и обычно работают в режиме малых токов. Мощности рассеяния их невелики (до 0,5 Вт). Примером служит резистор Р1-33.

4. Основные типы переменных резисторов

Конструкции переменных резисторов гораздо сложнее, чем постоянных. На рис. 1.1 представлена конструкция переменного непроволочного резистора круглой формы.

Рис. 1.1

Он состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть представляет собой пластмассовый корпус 2, в котором смонтирован токопроводящий элемент 3, имеющий подковообразную форму. Посредством заклепок 6 он крепится к круглому корпусу. Эти заклепки соединены с внешними выводами 4. Подвижная часть представляет собой вращающуюся ось, с торцом которой 7 посредством чеканки соединена изоляционная планка 8, на которой смонтирован подвижный контакт 1 (токосъемник), соединенный с внешним выводом. Угол поворота оси составляет 270° и ограничивается стопором 5. Существуют и другие конструкции переменных непроволочных резисторов. Токопроводящий элемент в них бывает тонкослойным металлическим или металлоксидным (резисторы типа СП2), пленочным композиционным (резисторы типа СП4).

Переменные резисторы могут иметь разный закон изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси (рис.1.2).

Рис. 1.2

У линейных резисторов (типа А) сопротивление зависит от угла поворота линейно. У логарифмических резисторов (тип Б) сопротивление изменяется по логарифмическому закону, а у резисторов типа В - по обратнологарифмическому. Кроме того, существуют резисторы, у которых сопротивление изменяется по закону синуса (тип И) или косинуса (тип Б). Некоторые типы переменных резисторов состоят из двух переменных резисторов объединенных в единую конструкцию, в которой токосъемники расположены на общей оси. Существуют переменные резисторы, содержащие выключатель, контакты которого разомкнуты, если ось резистора повернута в крайнее положение при вращении против движения часовой стрелки. При повороте оси по движению часовой стрелки на небольшой угол контакты выключателя замыкаются. Некоторые типы резисторов комплектуются специальными стопорящими устройствами, жестко фиксирующими положение оси. На рис.1.3 показана конструкция переменного проволочного резистора с круговым перемещением токосъемника. В пластмассовом корпусе 7 с помощью цанговой втулки 3 укреплена поворотная ось 2, на которой закреплен изоляционный диск с контактной пружиной (ползуном) 4, скользящей по проводу обмотки 9, - укрепленной на гетинаксовой дугообразной пластине 6. Концы обмотки соединены с выводами 8, а ползун через контактное кольцо соединен с внешним контактным лепестком 10. Положение оси может быть зафиксировано стопорной разрезной гайкой 1, а угол поворота оси ограничен выступами корпуса, в которые упирается планка-ограничитель 5, закрепленная на оси.

Рис. 1.3

5. Конденсаторы. Основные характеристики конденсаторов

Конденсатор - один из самых широко используемых компонентов радиоустройств и представляет собой две металлические пластины - обкладки, разделенные между собой диэлектриком. Обкладки имеют внешние выводы, с помощью которых конденсатор соединяется с другими элементами. Одним из важных свойств конденсатора является то, что для переменного тока он представляет собой сопротивление, величина которого уменьшается с ростом частоты.

Чем больший заряд способен накопить конденсатор при определенном напряжении, тем больше величина электрической емкости конденсатора. Емкость конденсаторов измеряют в фарадах (Ф). Это очень большая величина, которую на практике не применяют. В радиотехнике применяют конденсаторы от нескольких долей пикофарад (пФ) до сотен миллифарад (мФ).

Конденсатор -- пассивный элемент, обладающий способностью запасать электрическую энергию. Количество электричества, накопленного в конденсаторе, прямо пропорционально его емкости С и приложенному напряжению U:

Q = C ? U,

где Q - электрический заряд в кулонах, Кл; С - емкость в фарадах, Ф; U - напряжение в вольтах, В.

В цепи переменного тока реактивное сопротивление Хс конденсатора (в Омах) равно

где Хс - емкостное сопротивление конденсатора; f - частота, Гц; С - емкость, Ф.

По характеру изменения емкости различают постоянные, переменные, подстроечные конденсаторы. Конденсаторы, емкость которых постоянна и не изменяется в процессе эксплуатации, называют постоянными (постоянной емкости). Если емкость конденсаторов изменяется в процессе эксплуатации (например, настройка радиоприемников), то конденсаторы называют переменными (переменной емкости). Конденсаторы, емкость которых изменяют периодически в процессе эксплуатации (например, первоначальная настройка контуров при их сопряжении), называют подстроечными.

6. Основные параметры конденсаторы

В зависимости от того, в какой цепи может использоваться конденсатор, к нему предъявляются разные требования. К основным электрическим параметрам, характеризующим конденсатор, относят номинальное значение емкости, допускаемое отклонение от номинального значения, номинальное рабочее напряжение, сопротивление изоляции (ток утечки), тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости.

Маркировка конденсатора в зависимости от габаритных размеров может быть полной или сокращенной (кодированной).

Номинальная емкость конденсатора - значение емкости, которое должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной технической документацией (ГОСТ, ТУ). Емкость конденсатора, выбирается из числового ряда значений (ЕЗ, Е6, Е12 и Е24). Величину емкости указывают на корпусе конденсатора числом и буквой. Буквами F, m, , n, p (м, н, п) обозначаются множители 1, 10-3, 10-6, 10-9, 10-12 (для значений емкости выраженной в фарадах).

Например: 1,5 пф = 1p5; 200 пф = 200р = n20; 2,2 мкф = 22.

Полное обозначение включает тип конденсатора, номинальное значение емкости и допустимое отклонение от номинального значения, значение номинального напряжения, товарный знак предприятия, дату выпуска (месяц, год).

Допустимое отклонение от номинальной емкости - максимальное отклонение (разность значений) между измеренной и номинальной емкостями, при оговоренных в НТД частоте и температуре.

Номинальное рабочее напряжение и ток -- наибольшее напряжение и ток, при которых конденсатор может надежно работать в течение всего срока службы. Для большинства видов конденсаторов указывается только напряжение постоянного тока. Переменное рабочее (действующее) напряжение должно быть в полтора -- два раза меньше указанного постоянного напряжения. При работе конденсатора в цепи пульсирующего тока сумма максимального значения напряжения постоянного тока и амплитуды импульса не должна превышать максимально допустимого значения по постоянному напряжению.

Рабочее напряжение (табл. 2.2) - значение напряжения, при котором конденсатор эксплуатируется в РЭА (обычно ниже номинального).

Пробивное напряжение - значение напряжения, при котором наступает электрический пробой изоляции конденсатора во время постепенного увеличения напряжения на его обкладках. Близкое к пробивному - испытательное напряжение определяет электрическую прочность.

Электрическая прочность уменьшается с увеличением емкости конденсатора, повышением температуры, давления, влажности и зависит от условий теплоотдачи и однородности материала. Сопротивление изоляции Rиз конденсатора характеризует качество его диэлектрика.

.

Обычно измеряется в мегаомах (МОм) при напряжении 100 В. При емкости конденсатора более 0,1...0,25 мкФ указывают постоянную времени конденсатора

 = Rиз * С

Потери энергии конденсатора, Вт - определяются потерями в диэлектрике и обкладках. В цепи переменного тока:

,

где U - напряжение, приложенное к конденсатору, В; f - частота синусоидального тока, Гц; С - емкость конденсатора; tg - тангенс угла диэлектрических потерь.

Тангенс угла потерь tg характеризует потери в конденсаторе, вызванные рассеиванием энергии в диэлектрике и на активном сопротивлении обкладок. Чем больше потери, тем больше tg. У керамических, стеклоэмалевых и пленочных конденсаторов tg = 0,001 0,0015; у слюдяных конденсаторов tg = 0,01; у бумажных и металлобумажных tg = 0,015; в сегнетокерамических tg = 0,04; электролитических tg = 0,150,35.

Величина, обратная тангенсу угла потерь, называется добротностью конденсатора.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) определяется относительным изменением значения емкости конденсатора при изменении температуры окружающей среды на 1°С.

Знак ТКЕ может быть отрицательным (обозначается буквой "М"), положительным (П), близким к нулю (МП). Буква "Н" в условном обозначении группы обозначает, что для этих конденсаторов ТКЕ не нормируется. Следующие за буквой "Н" цифры, указывают на предельно допустимые изменения емкости в интервале рабочих температур.

У слюдяных конденсаторов группа ТКЕ обозначается первой буквой на корпусе, у керамических конденсаторов каждой группе соответствует определенный цвет корпуса или цветная метка. Размер первого маркировочного знака вдвое больше размера второго маркировочного знака. Если цвет корпуса совпадает с цветом первого маркировочного знака, то первый маркировочный знак не ставят.

Температурную стабильность емкости (для сегнетокерамических конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от температуры) характеризуют относительным изменением емкости в интервале рабочих температур от -60 до +85 С.

В зависимости от значения ТКЕ конденсаторы постоянной емкости делятся на группы (табл. 2.3). Для ряда конденсаторов указывают изменения емкости при граничных значениях рабочего диапазона температур по сравнению с емкостью при нормальной температуре, ТКЕ при этом не нормируется.

Керамические НЧ конденсаторы (группы "Я" по ТКЕ) применяют в качестве шунтирующих, блокировочных, фильтровых, а также для связи между каскадами на низкой частоте. Для сохранения настройки колебательных контуров при работе в широком интервале температур необходимо использовать последовательное и параллельное соединение конденсаторов, у которых ТКЕ имеют разные знаки. Благодаря чему при изменении температуры частота настройки такого термокомпенсированного контура останется практически неизменной. Как и любые проводники, конденсаторы обладают некоторой индуктивностью. Она тем больше, чем больше размеры обкладок конденсатора и внутренних соединительных проводников, чем длиннее и тоньше его выводы. На практике для обеспечения работы блокировочных конденсаторов, у которых обкладки выполнены в виде длинных лент из фольги, свернутых вместе с диэлектриком в рулон круглой или иной формы, в широком диапазоне частот, параллельно бумажному (оксидному) подключают керамический или слюдяной конденсатор небольшой емкости.

Обозначение номинального значения емкости до 10000 пф указывается числом без указания единиц, от 10 000 пФ и выше - выражается числом с указанием единицы - мкФ.

Обозначение допускаемого отклонения емкости от номинального значения производится числом, соответствующим отклонению в процентах. Если конденсаторы какого-либо типа выпускаются с одним допускаемым отклонением или их емкость измеряется только в микрофарадах, то соответствующая этим данным маркировка не указывается (например, для электролитических конденсаторов).

7. Конденсаторы с диэлектрическим органическим изолятором

Эти конденсаторы изготовляют намоткой тонких длинных лент конденсаторной бумаги, плёнок или их комбинации с металлизированными или фольговыми электродами. По назначению конденсаторы можно разделить на: низкочастотные и высокочастотные. К низкочастотным плёночным относятся конденсаторы на основе полярных и слабополярных плёнок (бумажные, металлобумажные, полиэтилентерефталатные, комбинированные, лакоплёночные, поликарбонатные и полипропиленовые). Они способны работать на частотах до 104-105Гц при существенном снижении амплитуды переменной составляющей напряжения с увеличением частоты.

БУМАЖНЫЕ



МЕТАЛЛОБУМАЖНЫЕ

К высокочастотным плёночным относятся конденсаторы на основе неполярных плёнок (полистирольные и фторопластовые). Они допускают работу на частотах до 105-107Гц. Верхний предел по частоте зависит от конструкции обкладок, контактного узла и от ёмкости. К этой группе относят некоторые типы конденсаторов на основе слабополярной полипропиленовой плёнки.

Полистирольные

Фторопластовые

Высоковольтные конденсаторы можно разделить на высоковольтные постоянного напряжения и импульсные. В качестве диэлектрика высоковольтных конденсаторов постоянного напряжения используют: бумагу, полистирол, политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат и сочетание бумаги и синтетических плёнок.

Транзисторы высоковольтные, импульсные делают на основе бумажного и комбинированного диэлектриков.

Основное требование к высоковольтным конденсаторам - это высокая электрическая прочность изоляции. Импульсные конденсаторы наряду с высокой электрической прочностью и сравнительно большими ёмкостями должны допускать быстрые разряды.

Импульсные

Дозиметрические конденсаторы работают в цепях с низким уровнем токовых нагрузок, поэтому они должны обладать малым саморазрядом, большим сопротивлением изоляции, а следовательно и большой постоянной времени.

Фторопластовые

Помехоподавляющие конденсаторы предназначены для ослабления электромагнитных помех в широком диапазоне частот. Они имеют малую индуктивность, в результате чего повышается резонансная и полоса подавляемых частот. Эти конденсаторы делают бумажные, комбинированные и плёночные.

8. Электрическая прочность конденсатора

Электрическая прочность конденсатора зависит прежде всего от рода и свойств диэлектрических материалов, применяемых для основной его рабочей части и технологии ее обработки. Поэтому основные требования к повышению качества конденсаторов направлены на изыскание и применение материалов с возможно большей диэлектрической проницаемостью, большой рабочей напряженностью и малыми диэлектрическими потерями.

Основным видом диэлектрика в конденсаторе является пропитанная диэлектрической жидкостью конденсаторная бумага достаточной электрической прочности, технологичная и дешевая. Удельная объемная характеристика конденсатора увеличивается пропорционально диэлектрической проницаемости и квадрату принятой напряженности электрического поля. Поэтому основной фактор увеличения мощности конденсатора -- это повышение рабочей напряженности электрического поля. Однако максимальная напряженность должна быть в таких пределах, чтобы не снижалась надежность конденсатора в эксплуатации и, следовательно, срок службы был достаточно высок.

Наиболее целесообразные значения напряженности электрического поля находятся в пределах 17,5-- 20,0 кВ/мм. С повышением напряженности электрического поля возрастает интенсивность частичных разрядов, от воздействия которых диэлектрик конденсатора стареет и разрушается. Для повышения устойчивости диэлектрика к возникновению частичных разрядов применяют газостойкие пропитывающие жидкости. Однако даже улучшенное минеральное масло с повышенной газостойкостью обладает худшими характеристиками, чем хлорированный дифенил (трихлордифенил).

При работе конденсатора с трихлордифенилом допускается температура диэлектрика 90 °С, что на 20°С выше, чем при применении минерального масла. Применение три-хлордифенила приводит к выравниванию электрического поля, что позволяет повысить рабочую напряженность электрического поля и тем самым на 40--60% улучшить удельные характеристики конденсатора. Конденсаторы, пропитанные трихлордифенилом, более надежно работают в условиях повышенных (начиная с 30 °С) температур, а пропитанные минеральным маслом -- в условиях низких температур. Конденсаторы напряжением 220, 380, 500, 660 и 1050 В снабжаются встроенными внутрь корпуса конденсатора плавкими предохранителями. Конденсаторы напряжением 3,15; 6,3 и 10,5 кВ обычно выполняются без встроенных плавких предохранителей и требуют отдельной защиты.

Для обеспечения разряда конденсаторов (при параллельно-последовательном их соединении) при переходных процессах предусматривается встроенное внутрь конденсатора разрядное устройство, состоящее из активных сопротивлений (резисторов). Однако трихлордифенил является химически агрессивной средой, растворяющей лакокрасочные покрытия и токопроводящие материалы резисторов, при этом диэлектрические свойства трихлордифенила ухудшаются, что приводит к увеличению диэлектрических потерь и возможности перегрева конденсаторов вследствие нарушения теплового равновесия.

Для оценки качества конденсаторов наряду с их электрическими характеристиками существуют удельные характеристики, позволяющие судить о целесообразности применения их в той или иной области промышленности.

Удельными характеристиками называются отношение одной из электрических характеристик конденсатора к его объему или массе; так, например, удельная емкость представляет собой отношение емкости конденсатора к его объему; удельная реактивная мощность -- отношение реактивной мощности конденсатора к его объему или массе.

При изготовлении конденсаторов предъявляются высокие требования к технологическому оборудованию. На всех стадиях производства должна исключаться возможность попадания в конденсаторные секции ионизирующих загрязнений, которые могут оказать решающее влияние на диэлектрические качества изоляции и технические характеристики конденсаторов.

Электрическая прочность конденсаторов в условиях эксплуатации не может оставаться постоянной и снижается с течением времени в результате старения диэлектрика. Поэтому кратковременные испытания повышенным напряжением не дают полной уверенности в том, что конденсатор будет надежен в эксплуатации. Однако все явления, имеющие место при эксплуатации конденсаторов, могут быть искусственно вызваны методом ускоренных испытаний.

9. Индуктивные катушки

Высокочастотными называются катушки индуктивности, сопротивление которых имеет индуктивный характер в диапазоне частот с верхней границей 100 кГц...400 МГц. Высокочастотные катушки индуктивности применяются в качестве элементов колебательных контуров для получения магнитной связи между определенными участками электрических цепей РЭА или создания на отдельных участках электрической цепи заданных реактивных сопротивлении индуктивного характера.

В зависимости от назначения высокочастотные катушки индуктивности разделяют на четыре группы:

а) катушки контуров, не определяющих частоту;

б) катушки контуров, определяющих частоту (например, гетеродинов);

в) катушки связи контуров с другими цепями;

г) дроссели высокой частоты.

По конструктивным признакам катушки делят на цилиндрические, плоские (спиральные) и тороидальные, одно- и многослойные, с сердечниками и без сердечников, экранированные и неэкранированные. Однослойные катушки выполняются намоткой с принудительным шагом или сплошной, плоские катушки наматывают из провода или изготовляют из фольги на печатной плате.

Высокочастотные катушки с переменной индуктивностью, используются для перестройки контуров в процессе эксплуатации аппаратуры, а подстраиваемые катушки -- для регулировки аппаратуры в процессе изготовления.

Основные параметры катушек индуктивности

Индуктивность характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля при заданном значении тока. Индуктивность зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника.

Добротность -- отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь. Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД контура.

Собственная емкость является паразитным параметром. Наличие собственной емкости катушки обусловливает увеличение потерь энергии и уменьшение, стабильности настройки колебательных контуров. В диапазонных контурах собственная емкость катушки уменьшает коэффициент перекрытия диапазона частот.

Стабильность параметров при изменении температуры и влажности, а также во времени имеет особое значение для катушек контуров гетеродинов, узкополосных фильтров и др. Стабильность индуктивности при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на I0 С.

Катушки индуктивности для колебательных контуров

Однослойные цилиндрические катушки выполняются на диэлектрических каркасах или без них. Катушки без каркасов применяются, когда необходима большая добротность при невысоких требованиях к стабильности индуктивности, например для контуров входных устройств приемников диапазона метровых волн. Диаметр провода для таких катушек выбирают в основном из соображений жесткости конструкции (1...1,5 мм и более), а количество витков ограничивают (5...8). Для однослойных катушек, выполняемых сплошной намоткой, изготовляют гладкие каркасы; для катушек, наматываемых с принудительным шагом,-- каркасы с канавкой, расположенной по винтовой линии, или с ребрами вдоль образующей цилиндра.

Катушки, намотанные с принудительным шагом, отличаются меньшей собственной емкостью и большей добротностью. Повышение их добротности обусловлено снижением потерь в диэлектрике вследствие уменьшения собственной емкости. Указанные достоинства катушек, намотанных с принудительным шагом, проявляются сильнее при намотке на каркасы с ребрами, а также при изготовлении каркаса из материала с меньшим значением произведения диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь.

Для однослойных катушек с индуктивностью выше 15...20 мкГ обычно применяют сплошную намотку. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. Приведем ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:

Диаметр каркаса, мм в 0 10 15 20 25

Предельная индуктивность, мкГ 2 4 10 20 30

Катушки с индуктивностью более сотен микрогенри выполняют многослойными. При диаметре каркаса 10 мм однослойная намотка целесообразна при индуктивности не более 30 мкГ.

Однослойные катушки индуктивности наматывают медным посеребренным проводом (с принудительным шагом) или медным проводом в эмалевой изоляции. Катушки для колебательных контуров гетеродинов коротких и метровых волн, к которым предъявляются требования высокой добротности и стабильности индуктивности, наматывают на каркасы из высокочастотной керамики, характеризующейся малым температурным коэффициентом линейного расширения, малым значением тангенса угла потерь и достаточной механической прочностью. Намотку выполняют проводом со значительным натяжением (50;..60% разрывного усилия) или нагретым до 80...1200 С проводом при незначительном натяжении. Более высокой стабильностью характеризуются катушки, в которых обмотка образована слоем меди, нанесенной на керамический каркас методом вжигания с последующим серебрением.

Индуктивность однослойной катушки, выполненной сплошной намоткой, определяется по формуле

, (3.1)

где L - индуктивность, мкГ; D - диаметр катушки, см; l - длина намотки, см; - число витков;

При намотке с принудительным шагом по формуле:

, (3.2)

где L - индуктивность катушки, мкГ; L - индуктивность, вычисленная по формуле (3.1), мкГ; k - поправочный коэффициент.

Для точной подгонки индуктивности однослойных катушек, выполненных сплошной намоткой, перемещают подстроечный сердечник, крайние витки или короткозамкнутый виток, соосный с катушкой. Индуктивность катушек, намотанных с принудительным шагом, можно изменять также, перемещая место подсоединения одного из выводов.

Симметричные катушки индуктивности применяются в симметричных колебательных контурах (контуры частотных детекторов и др.). Бифилярная намотка выполняется двумя проводами, сложенными вместе. Начало одного провода соединяют с концом другого. Место соединения является средним выводом катушки. При такой намотке допускается подстройка индуктивности сердечником при несущественном нарушении симметрии. Перекрестная намотка позволяет достичь более точной симметрии, которая не нарушается при подстройке сердечником.

Многослойные цилиндрические катушки индуктивности применяют, когда требуется индуктивность более 30...50 мкГ.

Несекционированные многослойные катушки с рядовой обмоткой характеризуются пониженными добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью Значительно лучшими показателями обладают многослойные катушки, выполненные намоткой "внавал", когда витки располагаются хаотично. Катушки, выполненные намоткой "универсаль" (перекрестной), также могут иметь сравнительно высокую добротность (до 100) и пониженную собственную емкость, однако для их изготовления требуется более сложное оборудование. В настоящее время катушки, выполненные намоткой "универсаль", изготовляются редко, поскольку равноценные параметры можно получить при намотке "внавал", если использовать типовые ферромагнитные сердечники. Обычно многослойные катушки наматывают на каркасы из полистирола. Для намотки используются провода с эмалевой изоляцией, эмалевой и дополнительной, шелковой, изоляцией. При использовании проводов с дополнительной, шелковой, изоляцией уменьшается собственная емкость катушек, а, при использовании литцендрата, повышается добротность (на частотах, не превышающих 1....1,5 МГц). Существенный недостаток катушек, намотанных литцендратом,-- резкое возрастание собственной емкости при обрыве или плохом контакте хотя бы одной из жилок провода.

Индуктивность многослойной катушки без сердечника определяется по формуле:

, (3.3)

где L -- индуктивность, мкГ; Dcp --средний диаметр катушки, см;

l -- длина катушки, см; t -- толщина катушки, см; -- число витков.

Секционированные катушки характеризуются, сравнительно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью и меньшим наружным диаметром. Наиболее часто секционированные катушки наматывают на специальные каркасы внавал. Каждая секция представляет собой многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций выбирают обычно от двух до шести.

Индуктивность секционированной катушки, состоящей из n секции, определяется по формуле:

L=Lc(n+2kcв(n-1)), (3.4)

где Lc -- индуктивность секции; kсв -- коэффициент связи между смежными секциями, зависящий от размеров секций и расстояния b между ними. Отношение b/Dср выбирают так, чтобы значение коэффициента связи находилось в пределах 0,25…0,4. Это достигается при b = 2l. Каждая секция рассчитывается как обычная катушка (см. выше).

Плоские катушки представляют собой спирали, изготовленные намоткой из медных обмоточных проводов или методом печатного монтажа из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита. Они могут иметь круглую, квадратную или другую форму. Плоские проволочные катушки характеризуются удовлетворительной механической прочностью, сравнительно небольшой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Для их изготовления целесообразно использовать провода с дополнительной шелковой изоляцией, поскольку при этом достигается повышенная прочность клеевого соединения витков.

Печатные плоские катушки на стеклотекстолите отличаются повышенной механической прочностью и применяются на частотах до 100 МГц. Для более высоких частот печатные катушки изготовляют из фольгированного фторопласта. Обычно индуктивность печатных катушек не превышает 10 мкГ. Чтобы получить приемлемое значение добротности катушки, ширину проводников выбирают в пределах 0,4...1 мм. При этом на площади 1 см2 размещается катушка с индуктивностью до 10 мкГ. Для увеличения индуктивности можно использовать последовательное включение двух и более катушек, расположенных на одной или двух сторонах печатной платы. Для повышения добротности катушки следует выбирать диаметр внутреннего витка не менее 10 мм. Современные печатные катушки имеют добротность 100...130 на частотах 10...30 МГц.

Индуктивность и добротность плоской катушки существенно увеличивается, если с одной или обеих сторон на нее наложить ферритовые пластинки. Изменяя расстояние между катушкой и пластинками, можно регулировать индуктивность катушки.

Экранированные катушки применяют, когда необходимо устранить паразитные связи, обусловленные внешним электромагнитным полем катушки, или влияние на катушку полей других источников Эффективность экранирования повышается при увеличении частоты переменного поля, толщины экрана и уменьшении удельного сопротивления материала экрана. Экраны высокочастотных катушек индуктивности изготовляют из меди или алюминия толщиной не менее 0,4...0,5 мм. Такая толщина экрана при частоте переменного поля более 1 МГц превышает расстояние, на котором плотность наводимого тока падает в 100 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности экрана, что достаточно для эффективного экранирования.

Под влиянием экрана изменяются параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран.

Часто экраны высокочастотных катушек снабжены отверстиями для вращения сердечников или изменения положения одной из катушек, связанных индуктивно. В этих случаях отверстия должны быть минимальными. Прорези следует располагать перпендикулярно к образующей цилиндрического экрана, если катушка расположена соосно с экраном.

Катушки с сердечниками из немагнитных металлов, характеризующиеся высокой стабильностью, применяются в контурах гетеродинов, широкополосных УПЧ в приемниках КВ и УКВ, Материал сердечников -- медь, латунь, алюминий и его сплавы. Медные сердечники используются преимущественно для подстройки индуктивности (до 20%), когда вносимые сердечником потери должны быть минимальными. При введении в катушку металлического сердечника индуктивность и добротность уменьшаются, причем индуктивность уменьшается тем больше, чем.больший объем металла вводится и чем больше его проводимость. Добротность уменьшается еще в большей степени, чем индуктивность. Например, введение в катушку медного сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, вызывает снижение добротности на 45%. При введении алюминиевого сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, добротность уменьшается в 3...4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используются в катушках широкополосных контуров для специальных приемников.

При расчете катушек с сердечниками из немагнитных металлов определяют расчетное значение индуктивности катушки без сердечника:

L=Lтр(1+ДL/L), (3.5)

где Lтр -- требуемое значение индуктивности; ДL/L --относительное изменение индуктивности катушки при введении сердечника.

Катушки с ферромагнитными сердечниками содержат меньшее число витков при заданной индуктивности и отличаются более высокой добротностью и меньшими размерами. Применение ферромагнитных сердечников позволяет уменьшить размеры экранов и упростить подгонку индуктивности. Указанные преимущества полностью реализуются в диапазонах ДВ, СВ и КВ при соответствующем выборе вида сердечника и его материала и малых напряжениях на катушке, например в радиоприемниках. При использовании ферромагнитных сердечников снижается стабильность параметров катушек, кроме того, индуктивность и добротность катушек зависят от амплитуды переменного напряжения на катушке и значения постоянного тока, протекающего через обмотку.

Ферромагнитные сердечники для катушек изготовляются из магнитодиэлектриков и ферритов. При Заданных габаритных размерах катушки следует применять материал сердечника, обладающий наименьшим значением отношения тангенса угла потерь к начальной магнитной проницаемости в диапазоне рабочих частот. Сердечники из ферритов обеспечивают большую добротность катушек, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется применять сердечники из карбонильного железа.