ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

АЛЕКСАНДР ГУБА
г. Махачкала ДГТУ

Все мы с Вами живем в удивительном мире электроники, в мире, который мы сами сотворили и без которого теперь не мыслим свое существование. Ежедневно пользуясь разносторонними услугами этого мира, мы так до конца и не осознали, где заканчиваются его возможности. Но представьте себе хотя бы на мгновенье невероятнейшую ситуацию, при которой, в одночасье, исчезли бы все электронные устройства. А это означает, что мы лишились в повседневной жизни радиоприемников и телевизоров, сотовых телефонов и компьютеров, а также множества других бытовых приборов. Нарушилось бы привычное для нас сообщение между отдельными населенными пунктами и странами, остановились бы автомобили и поезда, не смогли бы летать самолеты, а о полетах в космос мы бы и не мечтали. Наряду с этим нарушилось бы энергоснабжение, замерли бы промышленные предприятия, а Вы, уважаемые читатели, не перелистывали бы очередной номер журнала “Радиолюбитель” и не знакомились с новейшими достижениями в области электроники и радиотехники. Очевидно, что на всей нашей планете воцарился бы хаос и нетрудно догадаться, что за этим могло последовать.

Мир электроники можно сравнить с обществом людей. Здесь имеются и отдельные представители – электронные компоненты, и сообщества – функциональные узлы, и даже целые государства – электронные устройства и системы. Но в любом человеческом государстве приняты свои общественные законы, определяющие нормы и правила, которыми руководствуются люди в повседневной жизни. Такие же законы, но уже физические, существуют и в мире электроники. Законы, которым подчиняются, и в соответствии с которыми работают электронные компоненты, функциональные узлы, устройства и целые системы. Знание этих законов и умение разбираться в характеристиках и параметрах компонентов и узлов позволит Вам не только научиться читать схемы или вылечить “заболевший” прибор, но и создать новое устройство и даже систему с требуемыми функциями.

Если Вы возьмете в руки любую книгу или журнал по электронике, то практически на каждой странице встретите такие термины, как ток или напряжение (электрический ток, электрическое напряжение). Ток представляет собой направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов в электрическом поле. К веществам, в которых может протекать ток, относят проводники и полупроводники. Вещества, в которых электрические заряды не могут перемещаться, называют диэлектриками. Ток условно в схемах обозначают буквой I. Единица измерения тока – ампер (А). Ток в 1А означает, что в 1 секунду через поперечное сечение проводника перемещается заряд в 1 кулон, т.е. 6,3*1018 электронов. Другими единицами измерения тока являются миллиамперы (1мА=10-3А), микроамперы (1мкА=10-6А), наноамперы (1нА=10-9А).

Для создания в проводнике тока требуется наличие на концах проводника различных электрических состояний (электрических потенциалов), при этом, на одном конце должен быть избыток, а на другом – недостаток электронов. Напряжение (обозначается буквой U, иногда E) характеризует эту разницу в электрических состояниях. Поэтому напряжение также называют разностью потенциалов или электродвижущей силой (ЭДС). Единицей измерения напряжения является вольт (В). Напряжение измеряют в вольтах, киловольтах (1кВ=103В), милливольтах (1мВ=10-3В), микровольтах (1мкВ=10-6В). Только необходимо помнить, что напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы.

Таким образом, ток в проводнике будет протекать лишь при наличии между концами проводника напряжения. При этом условно принято считать, что ток в любой электрической цепи протекает от точки с более положительным потенциалом по направлению к точке с более отрицательным потенциалом.

Каждая электронная схема содержит некоторое количество разнообразных компонентов (иное название компонента — элемент), которые подразделяют на пассивные и активные. К активным относят компоненты, способные выполнять различные преобразования электрического тока или напряжения. Пассивные, как правило, обеспечивают необходимые режимы работы активных компонентов. Основными пассивными компонентами являются резисторы и потенциометры, конденсаторы, а также дроссели. К активным относят различного рода диоды, биполярные и полевые транзисторы, многообразие аналоговых и “цифровых” интегральных микросхем, представляющих собой завершенные функциональные узлы.

Из пассивных компонентов в электронных схемах наиболее часто можно встретить резисторы – компоненты, обладающие сопротивлением электрическому току. Природа сопротивления заключается в следующем. Известно, что различные вещества неодинаково проводят электрический ток. Хорошо проводят ток проводники и практически не проводят диэлектрики. Влияние проводника на величину тока учитывается с помощью электрического сопротивления, которое зависит от материала проводника и его размеров. Сущность сопротивления заключается в том, что электроны, перемещающиеся под действием электрического поля вдоль проводника, сталкиваются с его частицами. При этом выделяется тепловая энергия, т.е. проводник нагревается. Чем длиннее проводник и чем меньше площадь его поперечного сечения, тем большим сопротивлением он обладает. Наибольшее сопротивление имеют такие специальные сплавы, как нихром, константан, никелин и др., а наименьшее – серебро и медь. Единица измерения сопротивления – Ом. Сопротивлением в 1 Ом обладает медный провод длиной 1м и диаметром 0,15 мм. Другими единицами измерения сопротивления являются килоомы (1кОм=103Ом), мегаомы (1МОм=106Ом).

Реальный компонент, использующий эффект сопротивления, величина которого не меняется в процессе работы, называется резистором. Его условное графическое обозначение приведено на рис. 1. Компонент, у которого величина сопротивления при необходимости может быть в любое время изменена, называют потенциометром (рис. 2).

Резисторы    и     потенциометры   в  схемах  электрических  принято обозначать буквой R. Если в схеме использовано несколько компонентов, то к букве R добавляется порядковый номер (R1, R2,…, R125 и т.д.). На корпусе резистора (потенциометра), как правило, указывается величина сопротивления (номинальное значение), допусковый разброс, реже – тип компонента и предельно-допустимая рассеиваемая мощность. Однако некоторые компании-производители резисторов применяют цветовую маркировку указанных параметров.

Рассмотренный резистор относится к линейным компонентам, т.к. обладает линейной вольтамперной характеристикой, и на него в полной мере распространяется действие одного из основных электротехнических законов – закон Ома, который гласит:

Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Если использовать ранее введенные буквенные обозначения, то закон можно представить в следующем виде:

I=U/R

Из закона Ома следует, что если увеличить в несколько раз напряжение в электрической цепи, то во столько же раз увеличится и ток, протекающий по этой цепи, но если увеличить в несколько раз сопротивление цепи, то во столько же раз ток уменьшится. При проведении электрических расчетов с использованием закона Ома необходимо учитывать, что они окажутся справедливыми в том случае, если напряжение выражено в вольтах, ток в амперах, а сопротивление в Омах.

Резисторы в электрической цепи могут быть включены различным образом. При последовательном  соединении резисторов (рис. 3), общее сопротивление R последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений, т.е. R=R1+R2.

В этой схеме общее напряжение U распределяется между отдельными резисторами. На участке с меньшим сопротивлением падение напряжения соответственно меньше, и наоборот. Но общее напряжение U, приложенное к последовательной цепи, равно сумме напряжений на участках:

U=U1+U2

При последовательном соединении резисторов ток везде одинаков, поэтому, напряжение на каждом из резисторов, как следует из закона Ома, зависит от величины сопротивления.

При параллельном соединении резисторов (рис. 4) полный ток I от источника разделяется на два тока I1 и I2 по числу резисторов и эти токи одновременно протекают через R1 и R2.


В отличие от последовательного соединения, при котором ток, протекающий  через все резисторы одинаков, при параллельном соединении одинаково напряжение на всех резисторах. При этом, сумма токов, отходящих от точки ответвления в схеме, равна полному току, притекающему к этой точке, т.е.

I=I1+I2

При параллельном соединении резисторов, общее сопротивление R электрической цепи определяется как:

R = R1*R2/(R1+R2)

Наряду с линейными резисторами, у которых величина сопротивления постоянна, в электронных устройствах, при необходимости применяют резисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов. В таких резисторах используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и ряда других управляющих параметров. Характеристики таких резисторов нелинейны.

В варисторе сопротивление зависит от приложенного напряжения, в терморезисторе – от температуры. Имеется два вида терморезисторов: термистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры возрастает. Также применяют фоторезисторы, у которых сопротивление зависит от освещенности, и тензорезисторы – с зависимостью электрического сопротивления от механических деформаций. Условные графические обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 5.

Несколько реже в электрических схемах используются конденсаторы, т.е. компоненты, принцип действия которых основан на эффекте электрической ёмкости. Этот эффект заключается в следующем.

На любом одиночном проводнике можно создать как отрицательный, так и положительный электрический заряд. Если увеличивать электрический заряд проводника, то пропорционально будет возрастать и его потенциал, величина которого на различных проводниках будет неодинаковой в зависимости от формы и размеров проводника. Если проводники одинаковой формы, но разных размеров зарядить до одинакового потенциала, то наибольший заряд будет в проводнике с наибольшими размерами. Поэтому принято считать, что чем больше размеры проводника, тем соответственно больше его электрическая ёмкость. Электрическая ёмкость, или просто ёмкость, обозначается буквой С.

Величину электрического заряда q можно определить как

q=CU

Из этой формулы видно, что ёмкость проводника C является коэффициентом пропорциональности между величиной электрического заряда q и электрическим потенциалом U. Отсюда следует, что

С=q/U

Смысл этого выражения заключается в том, что для каждого проводника отношение электрического заряда на нем к электрическому потенциалу величина всегда постоянная и является ёмкостью проводника. При увеличении заряда проводника в несколько раз, потенциал возрастает в такое же число раз, но отношение этих величин остается неизменным. Последняя формула определяет сущность ёмкости.

Единица измерения ёмкости – фарада (Ф). Одна фарада является ёмкостью проводника, у которого при заряде в 1 кулон образуется потенциал в 1 вольт. Другими единицами измерения ёмкостей, наиболее часто используемыми в электронных схемах, являются микрофарады (1мкФ=10-6Ф), нанофарады (1нФ=10-9Ф) и пикофарады (1пФ=10-12Ф).

Все конденсаторы разделяются на две основные группы: конденсаторы постоянной и переменной ёмкости. У конденсаторов переменной ёмкости величина ёмкости может быть при необходимости изменена, поэтому они и получили соответствующее название.
На рис. 6 приведены некоторые условные графические изображения конденсаторов постоянной и переменной ёмкости.

Знак “+” поляризованного конденсатора указывает на необходимость подключения этого вывода к узлу схемы с более положительным потенциалом.

Конструкции конденсаторов могут быть самыми разнообразными. Простейший конденсатор представляет собой две металлические пластины (обкладки), разделенные слоем диэлектрика (рис. 7а). Чем больше площадь этих пластин, тем больше ёмкость конденсатора. Для получения больших емкостей конструкция может содержать две системы пластин, в которой все четные и нечетные пластины соответственно объединены между собой (рис. 7б).

Одна из пластин (или система пластин) имеет положительный потенциал, а другая – отрицательный. Так как диэлектрик конденсатора не является идеальным, т.е. имеет конечное значение величины электрического сопротивления, между пластинами конденсатора протекает крайне малый ток, называемый током утечки. Поэтому заряженный конденсатор постепенно уменьшает заряд, т.е. со временем разряжается.

В конденсаторах переменной ёмкости одна из пластин (или система пластин) закреплена неподвижно, а вторая пластина (вторая система) может быть перемещена относительно первой. При этом изменяется площадь перекрытия между пластинами, а, следовательно, и величина емкости конденсатора.

На корпусе конденсатора, как правило, указывается его тип, величина электрической емкости, допусковый разброс и рабочее напряжение. У поляризованных конденсаторов дополнительно маркируется вывод, на который должен подводиться более положительный потенциал.

Аналогично резисторам, конденсаторы в электрической цепи могут быть включены разными способами. При параллельном соединении (рис. 8а) общая ёмкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов, т.е.

С=С1+С2

Такое соединение конденсаторов может быть рекомендовано, если в наличии имеются конденсаторы, емкость которых меньше, чем требуется в электрической схеме. При параллельном соединении напряжение одинаково на всех конденсаторах.

При последовательном соединении общая емкость цепи может быть определена как

С=C1*C2/(C1+C2)

т.е. она уменьшается и будет всегда меньше емкости любого из включенных конденсаторов. Последовательное соединение рекомендуется в тех случаях, когда в наличии имеются конденсаторы, емкость которых больше, чем требуется в схеме. При последовательном соединении прикладываемое напряжение U может быть больше, чем рабочее напряжение конденсаторов, т.к. оно равно сумме падений напряжений на отдельных конденсаторах.

Конденсаторы могут использоваться как в цепях постоянного, так и переменного тока. Но с физическими процессами и их характерными особенностями при использовании конденсаторов в различных цепях Вы можете ознакомиться в материалах статьи Р.Иванюшкина, опубликованных в журнале “Радиолюбитель” №7, 2003 г., с. 44…47.

Принцип действия дросселей или катушек индуктивностей основан на явлении самоиндукции. Известно, что изменение магнитного поля вокруг проводника создает в самом проводнике некоторую индуктированную ЭДС. Но если в проводнике будет протекать изменяющийся по величине ток, магнитное поле вокруг проводника также будет изменяться, а в самом проводнике будет индуктироваться ЭДС. Это явление получило название самоиндукции и характеризуется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью, которая обозначается буквой L. Единицы измерения индуктивности – генри (Гн).

Один генри – индуктивность проводника,  в котором возникает ЭДС самоиндукции величиной 1В при равномерном изменении тока на 1 А в сек.

Другими единицами измерения индуктивности являются миллигенри (1 мГн=10-3Гн), микрогенри (1мкГн=10-6Гн) и т.д. Все катушки индуктивности разделяют на две группы: катушки с постоянной и переменной индуктивностью, основные условные графические изображения которых приведены на рис. 9.

В электрических цепях катушки индуктивности могут быть соединены параллельно или последовательно (рис. 10).

При последовательном соединении катушек общая индуктивность L, с учетом исключения взаимовлияния магнитных полей равна:

L=L1+L2,

а при параллельном

L=L1*L2/(L1+L2)

Катушки индуктивностей, применяемые в электронной аппаратуре, могут быть предназначены для токов низкой частоты и токов высокой частоты. Низкочастотные катушки обычно имеют сердечник из ферромагнитных материалов и, как правило, содержат большое количество витков. Их индуктивность может достигать несколько сотен генри.

Высокочастотные катушки изготавливаются без сердечников или же имеют сердечник из магнитодиэлектрика. Они содержат сравнительно небольшое число витков, их индуктивность относительно мала и не превышает нескольких миллигенри. Такие катушки применяют в составе колебательных контуров приемников, передатчиков и ряда других устройств, а также, в качестве дросселей для создания необходимого индуктивного сопротивления токам используемой частоты.

Плавное изменение индуктивности обычно достигается вариометром, представляющим собой две катушки (рис. 9б), одна из которых неподвижна, а вторая может перемещаться относительно первой катушки. Если эти катушки расположены относительно друг от друга под прямым углом, полная индуктивность вариометра равна сумме индуктивностей его катушек. Если одну из катушек повернуть относительно другой на 90º, направления токов в них окажутся или противоположны или одинаковы. В первом случае индуктивность уменьшится за счет взаимного ослабления магнитных полей, а во втором – увеличится, т.к. магнитные поля сложатся.

Желающим более подробно ознакомиться с физическими процессами в катушках индуктивностей можно также рекомендовать обратиться к материалам отмеченной выше статьи автора г. Р.Иванюшкина.

Добавить комментарий