Катушки индуктивности

Пассивные элементы электрических цепей: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности

Резисторы

Рези́стор – пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, т. е. для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току, проходящему через него:

U(t) = R∙I(t).

На практике резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики [1].

При протекании через резистор тока на нем будет рассеиваться электрическая мощность:

P = U∙I = I²∙R = U²/R.

Условное обозначение резистора приведено на рис. 1.

Рис. 1. Условное обозначение резистора

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду ВАХ, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.

По назначению:

• резисторы общего назначения;
• резисторы специального назначения:
• высокоомные (сопротивления от десятка МОм до единиц ТОм, рабочие напряжения 100…400 В);
• высоковольтные (рабочее напряжение – десятки кВ);
• высокочастотные (имеют малые собственные индуктивности и ёмкости, рабочие частоты до сотен МГц);
• прецизионные и сверхпрецизионные (повышенная точность, допуск 0,001 – 1 %).

По виду вольт-амперной характеристики:

• линейные резисторы;
• нелинейные резисторы:
• варисторы – сопротивление зависит от приложенного напряжения;
• терморезисторы – сопротивление зависит от температуры;
• фоторезисторы – сопротивление зависит от освещённости;
• тензорезисторы – сопротивление зависит от деформации резистора;
• магниторезисторы – сопротивление зависит от величины магнитного поля.

По характеру изменения сопротивления:

• постоянные резисторы;
• переменные регулировочные резисторы;
• переменные подстроечные резисторы.

По технологии изготовления:

• Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.
• Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов.
• Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.
• Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита.
• Интегральные резисторы. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.

Выпускаемые промышленностью резисторы одного и того же номинала имеют разброс сопротивлений. Значение возможного разброса определяется точностью резистора. Выпускают резисторы с точностью 20 %, 10 %, 5 % и т. д., вплоть до 0,01 %. Номиналы резисторов непроизвольны: их значения выбираются из специальных номинальных рядов, наиболее часто из номинальных рядов E6 (20 %), E12 (10 %) или E24 (для резисторов с точностью до 5 %), для более точных резисторов используются более точные ряды (например E48, Е96, Е192).

Сопротивление металлических резисторов зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная:

R = R₀(1+α(t – t₀)).

Коэффициент α называют температурным коэффициентом сопротивления. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве термометров сопротивления. Сопротивление полупроводниковых резисторов может зависеть от температуры сильнее, иногда даже экспоненциально, однако в практическом диапазоне температур эту экспоненциальную зависимость можно заменить линейной.

Даже идеальный резистор при температуре выше абсолютного нуля является источником шума. На высоких частотах преобладает тепловой флуктуационный шум, спектр такого шума равномерный («белый шум»).

Уровень шума реальных резисторов выше. В шуме реальных резисторов также всегда присутствует компонента, интенсивность которой пропорциональна обратной частоте, т. е. 1/f-шум или «розовый шум». Этот шум возникает из-за множества причин, одна из главных – перезарядка ионов примесей, на которых локализованы электроны.

Шумы резисторов возникают за счет прохождения в них тока. В переменных резисторах имеются так называемые «механические» шумы, возникающие при работе подвижных контактов.

Конденсаторы

Конденсатор является пассивным электронным компонентом с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Энергия заряженного конденсатора равна

,

где – напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор, – ёмкость конденсатора, – заряд конденсатора.

Условное обозначение конденсатора представлено на рис. 2.

Рис. 2. Условное обозначение конденсатора

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др [1].

По виду диэлектрика различают:

• Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные – бумажно-плёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
• Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) – это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка.

По возможности изменения своей ёмкости:

• Постоянные конденсаторы – основной класс конденсаторов, не меняющих своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
• Переменные конденсаторы – конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.
• Подстроечные конденсаторы – конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования.

Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Также различают конденсаторы по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и другие.

Конденсатор обладает комплексным сопротивлением:

Z_C = 1/jωC,

где j – мнимая единица, ω – циклическая частота протекающего синусоидального тока, C – ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно

X_C = – 1/ωC.

Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

Важным параметром конденсатора является его температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ). ТКЕ – относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой

С(t) = C_НУ – ТКЕ∙С_НУ ∙∆t,

где Δt – увеличение температуры в °C или К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости С_НУ.

TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности – катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Условное обозначение катушки индуктивности представлено на рис. 3.

Рис. 3. Условное обозначение катушки индуктивности

Конструктивно катушка индуктивности обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, величина которого равна

X_L = ω∙L,

где L – индуктивность катушки, ω – циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её реактивное сопротивление.

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I. Величина этой энергии равна

E = L∙I²/2.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой определяется следующим выражением:

.

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь R_П. Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика – добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Q = ω∙L/ R_П.

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсал», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат».

2. Полупроводниковые приборы с p–n-переходом: