Лабораторная работа №1 пассивные элементы электроники

Цель работы: изучение устройства, принципа работы и основных характеристик пассивных элементов электроники.

Теоретическая часть

К пассивным элементам, используемым в электронных приборах, относят резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Резисторы бывают трех типов:

- постоянные;

- переменные (служат для многократного изменения сопротивления);

- построечные (служат для точного и, как правило, однократного изменения сопротивления при отладке).

На электрических схемах резисторы обозначаются с помощью следующих условных графических обозначений:

постоянный резистор	переменный резистор	построечный резистор

Резисторы имеют основные параметры:

- номинальное значение сопротивления – R, (Ом);

- максимально рассеиваемую мощность – Р, (Вт);

- допустимое отклонение значения сопротивления - R, (%);

- температурный коэффициент сопротивления - ТКR, (%/С).

Промышленностью выпускаются постоянные резисторы в соответствии с рядом номинального значения сопротивления. Существует несколько стандартных рядов, которые обозначаются: Е₆; Е₁₂; Е₂₄; Е₄₈; Е₉₆; Е₁₉₂. Цифры в обозначении показывают количество номинальных значений приходящихся на одну декаду.

Первые три ряда соответствуют резисторам общего назначения. Вторые три ряда используются для резисторов применяемых в измерительной технике. Наиболее распространен ряд Е₂₄.

Предельно допустимая рассеиваемая мощность также определяется в соответствии с числовым рядом. Наиболее распространен числовой ряд: 0,125 Вт; 0,25 Вт; 0,5 Вт; 1,0 Вт; 2,0 Вт. Чем больше рассеиваемая мощность, тем большие габаритные размеры имеет резистор.

Допустимое отклонение сопротивления от номинала выбирается из следующего числового ряда: 20%; 10%; 5%; 2%; 1%; 0,5%.

Температурный коэффициент сопротивления измеряется в долях процента на градус. Он характеризует изменение сопротивления резистора при изменении его температуры.

Существует два основных класса резисторов: проволочные и непроволочные. Сопротивление проволочных резисторов находится в пределах от долей Ом до сотен Ом. Сопротивление непроволочных резисторов обычно превышает десятки Ом.

Конструкция постоянного непроволочного резистора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция постоянного резистора:

1 - керамический стержень; 2 - резистивное покрытие; 3 - контактные

колпачки; 4 - проволочные выводы.

Непроволочные резисторы делятся на металлопленочные, углеродистые и бороуглеродистые. Поверхность этих резисторов покрывается лаком, на который наносится маркировка.

Конденсаторы бывают также как и резисторы трех типов:

- постоянные (полярные и неполярные);

- переменные;

- построечные.

На электрических схемах конденсаторы обозначаются с помощью следующих условных графических обозначений:

постоянный полярный конденсатор	постоянный неполярный конденсатор
переменный конденсатор	построечный конденсатор

Конденсаторы имеют основные параметры:

- номинальное значение емкости – С, (Ф);

- максимальное рабочее напряжение – U, (В);

- максимальная амплитуда переменной составляющей для полярных конденсаторов;

- отклонение от номинального значения емкости - U, (%);

- температурный коэффициент емкости – ТКС, (%/С).

Номинальное значение конденсаторов выбирается из тех же стандартных рядов, за исключением полярных конденсаторов или электролитических конденсаторов. Номинальное значение конденсатора измеряется в пФ, нФ и мкФ.

Рабочее напряжение обычно составляет от 5 В до 1 кВ. Существуют также высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением десятки кВ.

Допустимое отклонение от номинального значения емкости составляет: 0,5%; 1%; 2%; 5%; 10%; 20%; 50%.

Температурный коэффициент емкости может быть как положительным, так и отрицательным.

Конденсаторы делятся по типам в зависимости от диэлектрика на керамические, слюдяные, фторопластовые, полипропиленовые и бумажные. Такие конденсаторы выпускаются с номиналом емкости от единиц пФ до единиц мкФ.

Особую разновидность составляют электролитические конденсаторы. В них диэлектриком служит тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности металла или полупроводника при погружении его в электролит. Обкладками конденсатора служит металл или полупроводник с одной стороны и токопроводящий электролит, омывающий оксидную пленку с другой стороны. Распространение получили алюминиевые, необиевые, полупроводниковые конденсаторы. Емкость электролитических конденсаторов составляет от 0,1 мкФ до десятков тысяч мкФ.

Устройство электролитического конденсатора приведено на рис. 2.

Рис.2. Устройство электролитического конденсатора:

1 и 3 – алюминиевая фольга; 2 – бумага, пропитанная раствором

электролита; 4 - проволочные выводы; 5 - оксидная пленка.

Обкладками конденсатора является алюминиевая фольга и бумага, пропитанная раствором электролита. К каждой из обкладок подсоединяются внешние электрические выводы. Обкладки собираются в рулон и запаиваются в герметичный алюминиевый корпус.

Электрическое сопротивление конденсатора Х_с определяется:

, (1)

где U_c - напряжение на конденсаторе; I_c - ток через конденсатор; f – частота напряжения.

Величина сопротивления уменьшается с увеличением частоты напряжения, прикладываемого к конденсатору (рис. 3). Фазы напряжения и тока на конденсаторе сдвинуты относительно друг друга на 90˚ (рис.4).

Катушки индуктивности позволяют запасать электрическую энергию в магнитном поле.

Катушки индуктивности можно также подразделить на три типа:

- постоянные;

- переменные;

- построечные.

Катушки индуктивности могут иметь в качестве сердечника воздух, феррит и сталь.

На электрических схемах катушки индуктивности обозначаются с помощью следующих условных графических обозначений:

катушка с постоянной индуктивностью без сердечника	катушка переменной индуктивности с сердечником

Катушки имеют основные параметры:

- номинальное значение индуктивности – L, (Гн);

- максимальный ток, который может протекать через катушку (большой ток повреждает изоляцию катушки индуктивности, приводит к насыщению магнитопровода магнитным потоком, что снижает индуктивность катушки) - I_L, (А);

- отклонение от номинального значения - L, (%);

- температурный коэффициент индуктивности – ТКL, (%/С);

- частотный диапазон;

- активное сопротивление провода обмотки - R_L, (Ом);

- добротность катушки индуктивности – характеризует отношение индуктивного сопротивления катушки к резистивному

, (2)

где Q - добротность; X_L - индуктивное сопротивление катушки.

Катушки выпускаются в соответствии с рядом Е₆ на фиксированное значение частоты с индуктивностью от 1 мкГн до 10 мГн.

По конструкции катушки индуктивности подразделяются также на:

- однослойные катушки с незамкнутым магнитопроводом;

- многослойные катушки с незамкнутым магнитопроводом;

- многослойные катушки бронированного типа.

Однослойные катушки применяются в цепях настройки приборов. Многослойные катушки используются в фильтрах и высокочастотных трансформаторах. Многослойные катушки бронированного типа применяются в фильтрах низких и средних частот и трансформаторах.

Катушки индуктивности со стальным сердечником используются в сглаживающих дросселях и в многочастотных фильтрах.

Индуктивность L (Гн) однослойной катушки определяется:

, (3)

где N – число витков катушки индуктивности; d – диаметр катушки индуктивности, (см); l – длина обмотки катушки, (см).

Индуктивность L (Гн) многослойной катушки определяется:

, (4)

где d_m - средний диаметр обмотки, (см); d – толщина обмотки, (см).

Однослойные и многослойные катушки индуктивности с незамкнутым ферритовым магнитопроводом имеют индуктивность в 1,5-3 раза больше чем катушки без сердечника.

Реальные катушки имеют паразитную емкость, которая образует колебательный контур, характеризующийся резонансной частотой (от 2 кГц до 100 МГц).

Электрическое сопротивление катушки индуктивности Х_L определяется:

, (5)

где U_L - напряжение на катушке; I_L - ток через катушку.

Рис.5. Зависимость индуктивного сопротивления от частоты.

С увеличением частоты электрического сигнала сопротивление катушки растет (рис.5.).

Напряжение на катушке индуктивности опережает ток по фазе на 90˚ (рис.6).