24 ноября 2020
4 мин.
Для тех, кто уже давным-давно все знает, тут не найдется ничего нового, спасибо что заглянули, но заметка не для вас. Она для тех, кто хотел как-то на досуге полазать по куче литературы, да лень было вставать. Я постараюсь обойтись без рисунков и иллюстраций. Если только интерес к заметке появится, буду дополнять ее иллюстрациями.
РЕЗИСТОРЫ. Их великое множество форм размеров и цветов. Сначала попробуем разобраться, что между ними общего и в чем состоит существенное отличие вплоть до того, что одни резисторы заменить другими нельзя. Обратим внимание только на не очевидные вещи. Цвет и размер пока оставим в покое.
Все резисторы роднит между собой одно фундаментальное свойство, это способность создавать трудность для прохождения тока, называемое сопротивлением. При прохождении тока I через сопротивление R резистора на нем появляется напряжение U, пропорциональное току: U=I*R (закон Ома). Иногда говорят, что резистор является преобразователем тока в напряжение.
Поведение резисторов в цепях постоянного и переменного тока отличается. Чем выше частота переменного тока, тем больше различие. Оно связано с эффектом выталкивания тока из центра проводника на поверхность (скин-эффект). Из-за него с повышением частоты сопротивление проводников возрастает. Эффект заметен при очень высоких частотах - сотнях мегагерц и гигагерцах.
Кроме этого на высоких частотах на прохождение тока оказывают существенное влияние тип проводящего слоя и выводы резисторов, которые становятся индуктивностями, создающими дополнительное сопротивление току, но уже так называемое "реактивное". Такие не существенные, на первый взгляд, детали, а результат бывает часто не предсказуем, если не обратить на них внимание. Наиболее неудачный выбор представляет собой применение проволочного резистора в высокочастотной цепи. Случается, что проволочные резисторы покрыты толстым слоем термостойкой изоляции, через которую проволоку, особенно тонкую, не разглядеть. Если рядом с таким резистором находится другой проводник, может образоваться колебательный контур, образующий нежелательный резонанс. Для минимизации нежелательных взаимодействий применяют безвыводные резисторы. Для объемного монтажа на сверхвысоких частотах выпускают специальные безиндуктивные резисторы.
Есть не очевидные проблемы и с рабочим напряжением резисторов. Может показаться, что если не превышена мощность рассеивания Р, которая пропорциональна квадрату тока I через резистор R: P=I^2*R, указанная в паспорте на резистор, то его можно включить в цепь не особо заботясь о результате. Кажется нам, что резистор длинный, напряжение не велико, что ему будет? Дополнительно мешает принять правильное решение знание того, что для воздушного пробоя нужно напряжение примерно 1 кВ /мм, а тут до киловольта (220В) очень далеко, да и миллиметров немерено.
А дело не в них. При превышении напряжением паспортной величины может произойти деградация проводящего слоя с необратимым изменением сопротивления. Когда сталкиваешься с этой проблемой, она вызывает удивление. Замечаешь такие явления только тогда, когда требуется сделать высокоточное измерительное устройство. Особенно подвержены такой деградации резисторы для поверхностного монтажа, так называемые SMD-резисторы. К проволочным это не относится.
Мы обратили внимание на некоторые особенности резисторов, которые полезно учитывать при проектировании своих электронных схем, чтобы не наступить на грабли в темном чулане. В остальном достаточно соблюдать правило - чем больше запас по мощности рассеивания тепла, тем надежнее в целом получится ваша конструкция. Если написано в схеме, которую вы решили повторить, что требуется установить резистор 0.25 Вт, а у вас есть 0.5 Вт и 2 Вт и есть свободное место, ставьте 2 Вт. Во-первых, чем больше резистор, тем выше допустимое рабочее напряжение. Во-вторых, чем выше способность к теплоотдаче, тем легче ему будет работать в условиях жаркого климата, это значительно уменьшит вероятность отказов. А температура это главный фактор, изменяющий параметры всех без исключения электронных компонентов. Как правило, в худшую сторону.
КОНДЕНСАТОРЫ. Их назначение - накопление и последующая отдача электроэнергии. Они так же обладают сопротивлением, но иным, чем резисторы. Это сопротивление только переменному току, т.к через диэлектрик между обкладками конденсатора постоянный ток не течет, за исключением случая пробоя диэлектрика. Сопротивление возникает в процессе перезаряда, который создает "как бы" инерцию. В процессе заряда и последующего разряда возникает сдвиг фазы между напряжением и током, протекающим через конденсатор. Запомнить, какой характер имеет фаза напряжения по отношению к току не очень сложно. В при подключению разряженного конденсатора к источнику тока напряжение на обкладках конденсатора равно, в этом состоянии заряд равен нулю (он не заряжен, "пустой"). Пустой конденсатор при подаче на него напряжения потребляет максимальный ток. По мере заряда напряжение на конденсаторе растет, а ток уменьшается. И вот напряжение стало максимальным, а ток прекратился. Конденсатор заряжен. Вот так ток на конденсаторе опережает напряжение. Или, если угодно, напряжение на конденсаторе отстает от тока. Вот и все правило.
На графиках периодических процессов это отставание составляет 90 градусов. Вы можете сами попробовать нарисовать такой график. Нарисуйте, например, две одинаковые синусоиды на разных бумажках. Одна пусть обозначает амплитуду тока, другая - амплитуду напряжения. Начертите вертикальную линию начала отсчета и совместите ее с максимумом графика напряжения. Чуть ниже поместите второй график тока, совместив с вертикалью прохождение синусоиды тока через 0 в сторону отрицательных величин. Похоже на ситуацию с Вини Пухом, у которого завтрак кончился, а обед еще не думал начинаться. Это то место, когда заряд завершен, напряжение на конденсаторе максимально, в следующее мгновение начнет уменьшаться. Ток готовится изменить направление, он переваливает через ноль. Конденсатор начнет перезаряжаться. У вас все получилось!
Реактивное сопротивление конденсатора емкостью С принято обозначать символом Xc. Рассчитывается реактивное сопротивление по формуле, включающей параметр переменного тока - угловую частоту , определяемую через коэффициент 2*pi и частоту f : Xc = 1/ (2*pi*f*C). Как видим, зависимость нелинейна, сопротивление падает с ростом частоты.
У конденсатора есть свои специфические параметры, основные из которых мы рассмотрим. Существуют 2 класса конденсаторов, полярные и не полярные.
Полярные конденсаторы. Емкость у них при равных с неполярными размерах в десятки, а то и в сотни раз больше. Связано это со способом создания диэлектрика - очень тонкого слоя окисной пленки на аноде. Из физики мы знаем, что чем тоньше слой диэлектрика, тем выше емкость при равной геометрии. Самое интересное то, что они не в состоянии проводить переменный ток (!). В этом смысле они недоконденсаторы. Как только мы попытаемся включить их цепь переменного тока, они перегреются и взорвутся. Вот такой сюрприз. Работать они могут только в цепях пульсирующего тока, там, где есть подпитка постоянным напряжением, чтобы сохранять слой окиси. По этой причине они используются только как накопители электроэнергии в фильтрах выпрямителей. В остальных случаях их используют для передачи переменной составляющей только пульсирующего тока. Должно соблюдаться правило - переменная составляющая не должна превышать порог поляризующей постоянной составляющей сигнала. К другим особенностям полярных конденсаторов относится относительно плохая работа на высоких частотах - резко возрастают потери в диэлектрике.
Есть еще один класс недоконденсаторов. В конце 50-х годов 20 века создали ионисторы, состоящие из пористых угольных электродов, пропитанных электролитом с разделителем между ними. На границе угля создавался двойной слой заряженных частиц -электронов и ионов. Электроны скапливались со стороны угля, ионы - со стороны противоположного электрода. Задача разделителя - не пропускать электроны, но пропускать ионы.
Ионисторы могут накапливать заряд как и конденсаторы. За счет большой площади поверхности пористых электродов удельная емкость ионисторов оказалась выше, чем у электролитических конденсаторов. Позднее их назвали суперконденсаторами. Этот рекламный трюк не помог. В качестве конденсаторов их так и не стали использовать. Первые ионисторы имели большую емкость и очень большое внутреннее сопротивление, которое не позволяло пропускать через них большой переменный ток. К тому же у ионисторов есть существенный недостаток - разрушение двойного слоя при напряжении в два с лишним вольта. В настоящее разработаны ионисторы и с низким внутренним сопротивлением, и составные ионисторы с допустимым напряжением больше 5 и даже больше 10В, но конденсаторами, как полноправными участниками электронных схем они все равно не стали. Их используют как батарейки с кратковременным сроком хранения заряда. Эти приборы не полярны, что следует из описания конструкции, хоть вы иногда и можете увидеть значки + и - на обозначениях выводов. Как и прежде, они обладают большим саморазрядом.
Конденсаторы с твердыми диэлектриками не полярны. В качестве диэлектриком применяют разные материалы. На заре электроники это была бумага и слюда. Емкость конденсатора С с твердым диэлектриком пропорциональна его диэлектрической проницаемости е, площади пластин S и обратно пропорциональна толщине d диэлектрика: С~e*S/d. В качестве диэлектрика используют сейчас используют бумагу, полистирол, слюду, керамику и др.
Керамические конденсаторы. Разработано много керамических диэлектриков, которые имеют и положительный и отрицательный и близкий к нулю температурный коэффициент. Керамические конденсаторы бывают однослойными и многослойными. Положительные свойства керамических конденсаторов соседствуют с их отрицательными свойствами. Судите сами: -очень высокое рабочее напряжение за счет низкой емкости; -высокая удельная емкость за счет низкого рабочего напряжения и низкой температурной стабильности; - очень низкие потери в диэлектрике но за счет невысокой удельной емкости; - высокая температурная стабильность но тоже за счет низкой удельной емкости. Как видите, керамические конденсаторы по какому-то параметру можно подобрать почти на любой вкус, но за счет ухудшения другого параметра. Многослойные керамические конденсаторы в низковольтных цепях потихоньку вытесняют электролитические.
Бумажные конденсаторы. Положительные свойства: -средняя удельная емкость; - высокая стабильность емкости; - высокое рабочее напряжение. Отрицательные свойства: - высокие потери на высоких частотах; - относительно крупные габариты; большая индуктивность.
Слюдяные конденсаторы. Положительные свойства:-высокая температурная стабильность; -низкие потери в диэлектрике; -высокое рабочее напряжение. Отрицательные свойства: -низкая удельная емкость.
Пленочные конденсаторы. Положительные свойства:-низкие потери в диэлектрике;-высокая температурная стабильность; -средняя удельная емкость; -высокое рабочее напряжение.
Отдельно остановимся на конденсаторах, которые разработаны для фильтрации помех в сетях переменного тока. Они удостоились собственного обозначения X1,X2,Y1,Y2. Применяются там, где выход их из строя может причинить вред здоровью людей.Отличаются от других тем, что имеют "самовосстанавливающийся" диэлектрик, выдерживающий кратные перепады рабочего напряжения, способный работать и после пробоя. Цифры 1 и 2 показывают стойкость к высоковольтным помехам: 1- до 4кВ, 2- до 2.5 кВ. Эти конденсаторы обычно имеют емкость 0.1...1.0 мкФ. Конденсаторы Х устанавливаются перед входным фильтром между проводами, подводящими питание, а конденсаторы Y устанавливаются после входного фильтра устройства для отвода помех с каждого провода на землю. Чаще всего эти типы конденсаторов вы можете встретить в современных телевизорах, компьютерах и т.п. устройствах с импульсными блоками питания, работающими на частотах 25...150 кГц.