Файл: Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л.pdf

Тема 3.1 Резисторы
1. Назначение резисторов. Классификация резисторов. Конструкции резисторов. Па- раметры резисторов. Система обозначений и маркировки резистров.
Резисторы классифицируются по следующим признакам.
В зависимости от характера изменения сопротивления резисторы подразделяются на:
- постоянные - сопротивление резистора фиксировано и не может быть изменено;
- переменные - сопротивление резистора может изменяться в любое время в опреде- ленных пределах многократно;
- подстроечные - сопротивление резистора может изменяться в любое время в опре- деленных пределах, но ограниченное число раз;
- фоторезисторы - сопротивление резистора меняется под воздействием света;
- терморезисторы - сопротивление резистора меняется под воздействием тепла;
- варисторы - сопротивление резистора зависит от приложенного напряжения;
- тензорезисторы - сопротивление резистора зависит от приложенных механических напряжений.
В зависимости от назначения резисторы подразделяются на:

16
- резисторы общего назначения: диапазон сопротивления от 10 Ом до 10 Мом, мощ- ность рассеивания от 65 мВт до 100 Вт, допустимое отклонение сопротивления от номинального от ±1% до ±20%;
- прецизионные – это резисторы, которые обладают значительной стабильностью па- раметров и значительной точностью (от ±0,0005% до ±0,5%);
- высокочастотные – это резисторы, имеющие малую индуктивность и емкость и предназначенные для применения в высокочастотных цепях;
- высоковольтные – это резисторы с рабочим напряжением от 1 кВ до 50 кВ;
- высокоомные: диапазон номинального сопротивления от 10 МОм до 5 Том;
- низкоомные: диапазон номинального сопротивления от 0,01 Ом до 10 Ом.
В зависимости от способа защиты от внешних факторов резисторы подразделяются на:
- неизолированные – резисторы, корпус которых не допускает соприкосновения с корпусом РЭА;
- изолированные – резисторы, корпус которых допускает соприкосновение с корпу- сом РЭА;
- герметизированные – резисторы, имеющие герметичную конструкцию корпуса;
- вакуумные– резисторы, которые имеют резистивный элемент в стеклянной вакуум- ной колбе.
По материалу резистивного элемента резисторы разделяются на:
- проволочные - материалом резистивного элемента служит проволока с высоким удельным сопротивлением: манганин, константан, нихром, никелин;
- непроволочные - материалом резистивного элемента являются тонкие металличе- ские или металлооксидные пленки, или объемная композиция с высоким удельным сопротивлением. Материалом для непроволочных резисторов является металлоди- электрик, окислы металлов, тонкие металлические пленки, пленки углерода и боро- углерода, керметы.
- металлофольговые - материалом резистивного элемента является металлическая фольга.
Тема 3.2 Конденсаторы
1. Назначение конденсаторов. Классификация и конструкции конденсаторов. Пара- метры конденсаторов. Разновидности конденсаторов. Система обозначений и марки- ровки конденсаторов.
Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является емкость конденсато- ра. В простейшем случае конденсатор представляет собой две металлические пласти- ны, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого конденсатора, пФ

17
(2) где e - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика ( e >1 ),
S - площадь обкладок конденсатора (см
2
),
d - расстояние между обкладками (см).
Конденсаторы широко используются в РЭА для самых различных целей. На их долю приходится примерно 25% всех элементов принципиальной схемы.
По назначению конденсаторы делятся на конденсаторы общего назначения и специ- ального назначения. Конденсаторы общего назначения делятся на низкочастотные и высокочастотные. К конденсаторам специального назначения относятся высоко- вольтные, помехоподавляющие, импульсные, дозиметрические, конденсаторы с элек- трически управляемой емкостью (варикапы, вариконды) и др.
По назначению конденсаторы подразделяются на контурные, разделительные, блоки- ровочные, фильтровые и т.д., а по характеру изменения емкости на постоянные, пе- ременные и полупеременные (подстроечные).
По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов: с твердым, газообраз- ным и жидким диэлектриком. Конденсаторы с твердым диэлектриком делятся на ке- рамические, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые, слюдяные, бумаж- ные, электролитические, полистирольные, фторопластовые и др.
По способу крепления различают конденсаторы для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и микросхем.
Пакетная конструкция (Рис. 2). Она применяется в слюдяных, стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов и представляет собой пакет диэлектрических пластин (слюды) I толщиной около 0,04 мм, на которые напылены металлизированные обкладки 2, соединяемые в общий контакт полосками фольги 3.
Рис. 2 Пакетная конструкция
Рис. 3. Трубчатая конструкция
Трубчатая конструкция. Она характерна для высокочастотных трубчатых конденса- торов и представляет собой керамическую трубку I (Рис. 3) с толщиной стенок около
0,25 мм, на внутреннюю и внешнюю поверхность которой методом вжигания нанесе- ны серебряные обкладки 2 и 3. Для присоединения гибких проволочных выводов 4 внутреннюю обкладку выводят на внешнюю поверхность трубки и создают между ней и внешней обкладкой изолирующий поясок 5, снаружи на трубку наносится за- щитная пленка из изоляционного вещества.

18
Дисковая конструкция. Эта конструкция (Рис. 4) характерна для высокочастотных керамических конденсаторов: на керамический диск I с двух сторон вжигаются се- ребряные обкладки 2 и 3, к которым присоединяются гибкие выводы 4.
Рис. 4.Дисковая конструкция
Рис. 5 Литая конструкция
Литая секционированная конструкция. Эта конструкция характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов (Рис. 5), получивших в последние годы широкое распространение, в том числе в аппаратуре с ИМС.
Такие конденсаторы изготовляют путем литья горячей керамики, в результате кото- рого получают керамическую заготовку I с толщиной стенок около 100 мкм и проре- зями (пазами) 2 между ними, толщина которых порядка 130-150 мкм. Затем эта заго- товка окунается в серебряную пасту, которая заполняет пазы, после чего осуществ- ляют вжигание серебра в керамику.
В результате образуются две группы серебряных пластин, расположенных в пазах ке- рамической заготовки, к которым припаиваются гибкие выводы
Рулонная конструкция. Эта конструкция (Рис. 6.) характерна для бумажных пленоч- ных низкочастотных конденсаторов, обладающих большой емкостью. Бумажный конденсатор образуется путем свертывания в рулон бумажной ленты 1 толщиной около 5-6 мкм и ленты из металлической фольги 2 толщиной около 10-20 мкм. В ме- таллобумажных конденсаторах вместо фольги применяется тонкая металлическая пленка толщиной менее 1 мкм, нанесенная на бумажную ленту.
Рулон из чередующихся слоев металла и бумаги не обладает механической жестко- стью и прочностью, поэтому он размещается в металлическом корпусе, являющемся механической основой конструкции.
Рис. 7 Рулонный конденсатор

19
Тема 3.3 Катушки индуктивности
1.Назначение катушек индуктивности. Конструкции катушек индуктивности. Разновид- ности катушек индуктивности
Как магнитное, так и электрическое поля создаются тем или иным элементом цепи. В случае статических полей, магнитное и электрическое поля могут существовать неза- висимо друг от друга. Переменное же электрическое поле всегда неразрывно связано с беременным магнитным полем. Однако, несмотря на эту связь, можно выделить де- тали, назначение которых состоит в создании или в преимущественном использова- нии одного из этих полей. Применительно к электрическому полю такими деталями являются конденсаторы, а применительно к магнитному - детали, называемые катуш- ками индуктивности.
Любой проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле.
Для концентрации поля в заданном локальном объеме проводник с током свертыва- ется в цилиндрическую спираль, называемую в электротехнике соленоидом.
В радиоэлектронике вместо термина "соленоид" используется наименование «ка-
тушка индуктивности»(лат.inductio- наведение). Используя различное число вит- ков, изменяя их форму или помещая внутрь катушки сердечник с повышенным зна- чением , можно при одной и той же величине тока, протекающего через катушку, создавать магнитное поле различной интенсивности.
Классификация катушек индуктивности
Катушки индуктивности можно классифицировать по ряду признаков.
По конструкции они подразделяются на: однослойные и многослойные, на каркасах и бескаркасные, с сердечниками и без сердечников, на экранированные и неэкранированные, высокочастотные (обладающие индуктивным характером полного сопротивле- ния в диапазоне частот от 100 кГцдо400 МГц) и низкочастотные и т.д.
По назначению катушки индуктивности подразделяются на: контурные, катушки связи, дроссели высокой и низкой частоты и т.п.
Основные характеристики и параметры катушек индуктивности
Основными характеристиками катушек являются индуктивность, собственная ем- кость, активное сопротивление и добротность, температурная стабильность индук- тивности. Рассмотрим эти параметры.
Индуктивность катушки L- основной параметр, определяющий реактивное сопро- тивление, которым обладает катушка в электрической цепи. При расчете индуктив- ности катушек различной конструкции пользуются полуэмпирическими формулами и вспомогательными графиками, приводимыми в справочной литературе. В отличие от

20 конденсаторов и резисторов, номинальные значения индуктивности катушек (исклю-
чение составляют унифицированные ВЧ и НЧ дроссели) ГОСТами не нормируют- ся, а определяются исходя из стандартов предприятий или технических условий на конкретную аппаратуру. В РЭА применяются катушки с индуктивностью от долей микрогенри (контурные высокочастотные) до десятков генри (дроссели фильтров выпрямителей). Контурные катушки по величине индуктивности изготовляются с точностью0,2...0,5%,а для других катушек индуктивности допустима точ- ность10...15%.
Собственная емкость катушки C
L
обусловлена существованием электрического поля между ее отдельными витками, а также между отдельными витками и корпусом (и экраном, если он имеется)прибора. Обычно считают(кадр 1),что собственная емкость катушки состоит из внутренней межвитковой емкости C
ВН
= C
ВН
i и монтаж-
ной емкости C
М
= C
М
i,т. е. C
L
= C
ВН
+ C
М
С увеличением диаметра намотки и уменьшением ее шага емкость C
ВН
возрастает.
Существенное увеличение емкости C
ВН
происходит при использовании каркасов ка- тушек из материалов с повышенным значением .
Монтажная емкость C
М
зависит от расположения катушки по отношению к шасси устройства, другим деталям, от размеров и формы экрана, если катушка экранирова- на. Из-за сложной конфигурации электрических полей точный расчет емкости C
L
практически невозможен и ее величину обычно определяют экспериментально. У применяемых в РЭА катушек индуктивности величина C
L
обычно составляет от еди- ниц до десятков и (при многослойной намотке) пикофарад.
Сопротивление потерь. Добротность катушки индуктивности. На низких часто- тах активное сопротивление катушки индуктивности можно считать равным сопро- тивлению провода ее обмотки на постоянном токе. С переходом на более высокие частоты начинает проявляться поверхностный эффект и активное сопротивление катушки возрастает. Кроме того, при сворачивании провода в спираль, т.е. при его намотке на катушку, магнитное поле проводника искажается вследствие появления магнитной связи между отдельными витками, и оно оказывается несимметричным относительно сечения провода. Это, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению тока по периметру сечения проводника: внутри витка плотность тока будет выше. Смещение тока высокой частоты к оси обмотки катушки носит название
эффекта близости. Его влияние также увеличивает активное сопротивление катуш- ки.
Таким образом, можно считать, что активное сопротивление провода обмотки на пе- ременном токе R

= R
ПЭ
+R
Б
, где R
ПЭ
- составляющая сопротивления, зависящая от поверхностного эффекта, R
Б
.- составляющая, показывающая дополнительное возрас- тание сопротивления провода обмотки вследствие эффекта близости.

21
Рис.8
При фиксированном значении частоты переменного тока величина R
ПЭ
будет тем меньше, чем больше диаметр провода d.
Эффект близости, наоборот, проявляется более заметно с возрастанием диаметра провода d, т.е. с увеличением диаметра величинаR
Б
возрастает. Нарис.2.3.2показаны кривые этих зависимостей и зависимость полного сопротивления провода обмот- ки R

= R
ПЭ
+R
Б
= f(d)
от его диаметра. Для каждого значения частоты переменного тока существует оптимальный диаметр проводаd
ОПТ
, при котором активное сопро- тивление катушкиR

= R
MIN
, т.е. оно минимально.
Сопротивление провода R

на частотах до 1МГцможно уменьшить на30...40%,если вместо провода круглого сечения для намотки катушки применитьлитцендрат - многожильный провод, состоящий из отдельных перевитых друг с другом проводни- ков малого сечения, изолированных друг от друга. Это объясняется тем, что поверх- ность литцендрата оказывается намного больше поверхности монолитного провода, имеющего ту же площадь поперечного сечения.
Величину R

как параметр катушки для сравнения между собой различных катушек обычно не используют. Ею пользуются лишь для теплового расчета катушек индук- тивности в выходных каскадах мощных радиопередатчиков.
Для сравнения между собой отдельных катушек удобнее использовать параметр, оп- ределяющий активные потери как относительную величину, определяемую сравне- нием энергии W
R
, которая затрачивается в сопротивленииR

за период гармониче- ского колебания, с максимальной энергиейW
L
,запасаемой в магнитном поле катуш- ки. Отношение
W
L
, / W
R
= L / 2 R
(3)
и характеризует качество катушки. Однако для упрощения расчетов параметром ка- тушки принято считать величину в 2 раз большуюW
L
, / W
R
:
Q = L / R

(4)
Эта величина называется добротностью катушки индуктивности.
Чем выше добротность, тем меньше величина потерь в катушке и выше ее качество.
Значение Qопределяется выбором типа обмотки, материала каркаса, конструкцией

22 катушки и влиянием окружающих катушку других деталей при ее монтаже в аппара- туре.
В зависимости от влияния перечисленных факторов добротность применяемых в РЭА катушек обычно лежит в пределах 50...600, а при наличии сердечников может быть и выше.
Температурный коэффициент индуктивности.
Изменение температуры окружающей среды приводит к тому, что меняются длина и диаметр провода обмотки, размеры каркаса катушки, диэлектрическая проницае- мость материала каркаса и изоляции и т.д. Это приводит к изменению индуктивности катушки и ее добротности. Мерой зависимости индуктивности катушки от темпера- туры является температурный коэффициент индуктивности(ТКИ),определяемый аналогично другим температурным коэффициентам. Для катушек с многослойной обмоткой ТКИ = (50...500)10
- 6
К, для катушек с однослойной обмоткой ТКИ суще- ственно ниже.
Для повышения температурной стабильности катушек применяют пропитку их кар- касов и изоляции, используют керамические каркасы с обмоткой, выполненной мето- дом вжигания серебра, и герметизацию катушек. можно считать, что добротность ка- тушек снижается в среднем на 1 %на каждые3°сприращения температуры по отно- шению к их добротности при20°с. воздействие влаги может привести к существенно- му изменению (до30 %) собственной емкости и добротности катушек. Обычно это изменение носит обратимый характер, и после сушки величины q и c
l
принимают практически прежние значения.
Тема 3.4 Трансформаторы
1.Назначение трансформаторов. Принцип действия трансформатора. Основные ха- рактеристики.
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для пре- образования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Трансформаторы широко используют для следующих целей.
1. Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростан- циях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при на- пряжении 6—24 кВ.
2. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения элек- трических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений
3. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, напри- мер реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым прохо- дят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электро- безопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измеритель-

23
ными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.
Принцип действия трансформатора
Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 9), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выпол- нен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить маг- нитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины.
Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u
1
. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление на- грузки Z
H
Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряже-
ния (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН — буквами а и х.
При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i
1
, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток
Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС — е
1
и е
2
, пропорциональные, со- гласно закону Максвелла, числам витков w
1
и w
2
соответствующей обмотки и скоро- сти изменения потока dФ/dt.
Рис. 9. Электромагнитная система однофаз- ного трансформатора:
1, 2 — первичная и вторичная обмотки; 3 —
магнитопровод
Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,
е
1
= - w
1
dФ/dt; е2= -w
2
dФ/dt.
Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяет- ся выражением
Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обыч- но не превышают 3 — 5% от номинальных значений напряжений U
1
и U
2
, и счи- тать E
1
≈U l
и Е
2
≈U
2
, то получим
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при
заданном напряжении U
1
можно получить желаемое напряжение U
2
. Если необхо- димо повысить вторичное напряжение, то число витков w
2
берут больше числа w
1
; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряже- ние U
2
, то число витков w
2
берут меньшим w
1
; такой трансформатор называ- ют понижающим,

24
Отношение ЭДС Е
ВН
обмотки высшего напряжения к ЭДС Е
НН
обмотки низшего на- пряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформа-
ции
Коэффициент k всегда больше единицы.
В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмо- точные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — много- обмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе разме- щают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает воз- можность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U
2
, U
3
, U
4
и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.
В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,
При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с пер- вичным, ток i
2
во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первич- ную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из пер- вичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E
1
первичной обмотке ток I
1
=U
1
R
1
весьма большой.
Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и ра- диоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротив- ление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника где Р
1
— мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока,
Вт; Р
2
= I
2 2
R≈ P
1
— мощность, потребляемая сопротивлением R от трансформатора.
Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления R в k
2
раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для со- гласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников элек- трической энергии.

1   2   3