Сопротивления и резисторы
У активных сопротивлений, которые были рассмотрены ранее, их мощность, полученная из сети, целиком преобразуется в другие виды энергии: тепловую, световую, механическую, химическую, звуковую и т. д.
При прохождении переменного тока через активное сопротивление фазы тока и напряжения совпадают. Это означает, что синусоидальные изменения кащтока, так и напряжения происходят одновременно (рис..1).
Резисторы. Одной из наиболее применяемых деталей в электронике являются резисторы. Они позволяют создавать необходимые падения напряжения, формировать расчетные потенциалы, ограничивать ток и т. д. По своей сути резисторы являются активными сопротивлениями, так как они преобразуют электрическую энергию в тепловую.
Существует два основных вида резисторов: химические и проволочные. И те и другие могут быть и постоянными, и переменными.
Химические постоянные резисторы представляют собой керамические цилиндрические стержни, на поверхность которых наносят тонкий проводящий слой углерода или специальный металлический сплав. На концах имеются выводы для пайки, а снаружи наносят специальный лак.
Рис.1. При активных сопротивлениях синусоидальное напряжение и синусоидальный ток совпадают по фазе
Рис..2. Резисторы
Проволочные резисторы имеют такую же основу, но сверху наматывают провод. Они используются реже, в цепях с большими токами или в специальных схемах (рис..2).
К главным параметрам резисторов относятся: номинальное значение, класс точности и мощность рассеяния. На корпусе каждого резистора ставится его номинальная величина. Однако на практике не всегда величина, указанная на корпусе, соответствует истинному значению. Это отклонение называется допуском. В зависимости от допуска резисторы делят на три класса точности. В первом классе допуск составляет 5 %, во втором 10 %, а в третьем 20 % от указанного на корпусе значения.
Номинальные значения резисторов стандартизированы. Поэтому при поиске резистора нужного значения, отличного от стандартного, вам предложат другой номинал, близкий к стандартному в ту или другую сторону. В табл. 9.1 указаны классы точности и стандартные значения выпускаемых резисторов. Эти значения могут умножаться на 0,1; 1; 10; 100 и т. д. Так, например, резисторы II класса могут выпускаться со значениями: 15, 150, 1500 Ом и т. д. Нередко значения резисторов сокращают, как показано в табл..2.
Таблица 1
Таблица.2
Сокращенные обозначения величины резисторов
Резисторы с номиналом от 1 до 999 Ом обозначают только числом, а начиная с 1000 Ом применяют и буквы. Тысячи омов обозначают строчной буквой к (кило), а миллионы омов — М (мега), которую иногда на корпусе не указывают. Тогда допустимые значения обозначают в процентах. Иногда номинал резисторов указывают и цифрами, и буквами: буква Е обозначает омы; к — килоомы; М — мегаомы. Например, ЕЗЗ — это 0,33 Ом; ЗЕЗ — 3,3 Ом; ЗЗЕ 33 Ом; кЗЗ — 0,33 кОм = 330 Ом; ЗкЗ — 3,3 кОм; ЗЗк — 33 кОм; МЗЗ — 0,33 МОм; ЗМЗ — 3,3 МОм; ЗЗМ — 33 МОм. Для указания номиналов на миниатюрных корпусах резисторов часто используют цветовой код в виде четырех цветных колец или точек, нанесенных на одном конце корпуса (рис..3).
Цвет первого кольца показывает первую цифру значения резистора, второго — вторую цифру, третьего — число нулей после первых двух цифр, цвет четвертого обозначает допуск. Значение цветов дано в табл..3.
Пример. Определить значение и класс точности резистора, если на корпусе нанесена следующая последовательность точек слева направо: зеленая, фиолетовая, оранжевая, серебристая. Из табл. 9.3 находим, что первая цифра — 5, вторая — 7, число нулей — 3, отклонение — 10 %. На основании выбранных значений определяем резистор. Это будет 57 кОм, 10 %.
Мощность резисторов. Кроме номинала резистора вторым по значению является его мощность. Эта величина отражает его максимальную мощность рассеивания. Это наибольшая мощность, которую резистор может излучать в виде тепла, не перегреваясь. Эта характеристика резистора зависит от его вида и размеров. Наиболее применяемые резисторы имеют следующие мощности: 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и 10 Вт. В электронных схемах мощность резистора условно обозначается, как показано на рис..4.
Рис..3. Цветовой код номинала резистора:а-в виде колец: б— в виде точек
Таблица.3
Рис..4. Условное обозначение мощности резисторов
В обеспечении надежной работы схемы очень важно, чтобы мощность, рассеиваемая резистором, была меньше или в крайнем случае равна его максимальной мощности рассеивания. Потребляемая резистором мощность зависит от приложенного напряжения или протекающего через него тока, и ее легко можно вычислить, воспользовавшись законом Ома.
Пример. Какое максимальное напряжение можно подать на резистор при его сопротивлении 100 кОм и мощности в 1 Вт?
Для решения этой задачи воспользуемся следующей формулой:
U = 
= 
= 316 В.
Потенциометр
Потенциометр — переменный резистор со скользящим контактом, имеющий 3 вывода (рис.5). Изменение сопротивления потенциометром осуществляется путем вращения скользящего контакта по изоляционной шайбе, покрытой слоем графита. Подобную конструкцию имеют и проволочные потенциометры, только у них на изоляционную шайбу намотана проволока с большим сопротивлением. Потенциометр является делителем напряжения, у которого соотношение R1, и R2 может изменяться плавно, также плавно может изменяться и выходное напряжение от 0 до UBX. Основная зависимость в делителях напряжения (рис..6) выглядит так:
Рис.5.Потенцтнометр
Конструкции потенциометров имеют много вариантов, но основные параметры любого потенциометра — максимальное сопротивление i?mnx и максимальная мощность рассеивания Рmax.
Диоды
Для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров и др. используют следующие полупроводники: кремний, германий и селен. Они в чистом виде имеют кристаллическую решетку и обладают свойствами изоляторов. Для получения диодов и транзисторов к полупроводникам добавляют определенные примеси. Применяемый вид примесей позволяет получать две разновидности: р-полупроводники; n-полупроводники, которые обладают более высокой проводимостью, чем чистые полупроводники. Как из германия, так и из кремния можно получить как р так и n-проводимости.
Рис..6. При движении скользящего контакта изменяется соотношение между R1 и R2
Проводимость n-полупроводника основана на свободных электронах, а электрическая проводимость р-полупроводника обусловлена т.н. дырками, которые представляют собой места в кристаллической решетке, где отсутствуют валентные электроны.
Главное свойство р- и n-полупроводников — односторонняя проводимость в месте спайки. Спайку называют р-п-переходом (рис..7). Когда «+» источника соединен с р-областью — это прямое направление и ток протекает (рис..7, а), а когда, «-» то обратное направление тока в цепи практически отсутствует (рис..7, б).
Рис..7. Спайка:
а— в прямом направлении сопротивление малое: б— в обратном направлении сопротивление очень большое
Односторонняя водимость р-п-перехода является основой действия полупроводниковых приборов.
Точечные диоды. Точечные диоды (рис..8, а) состоят из стеклянного корпуса, в котором имеется тонкое острие, спаянное с германиевым или кремниевым кристаллом с п-проводимостью (рис..8, б).
Основным свойством диода является его односторонняя проводимость — от острия к кристаллу. Такой эффект достигается специальной обработкой р-л-перехода (рис..8, в). Размеры перехода равны одной точке, отсюда они и получили свое название — точечные. Острие, т. е. р-область, называют анодом, а кристалл га-области — катодом. Направление пропускания тока происходит от анода к катоду (рис..8, г).
Одностороннюю проводимость диода иногда называют вентильным свойством. Это хорошо видно на рис..9.
Рис..8. Точечные диоды:
а — внешний вид точечных диодов; б— точечный диод в разрезе; в — в точечных диодах р-п-переход имеет форму полусферы; г —диоды пропускают ток в направлении от анода к катоду
Рис..9. Односторонняя проводимость диода:
а — проводит; б— не проводит; в — проводит; г— не проводит
Когда к диоду приложено переменное напряжение, например бытовой сети, то диод открывается только во время положительного полупериода (рис. 9.9, а, в). Такой ток называют импульсным, или однополупериодновыпрямленным.
Диоды характеризуются следующими параметрами:
1)максимальный ток в прямом направлении 10-15 мА;
2)максимальное обратное напряжение 20-60 В. Исправность точечных диодов проверяют тестером. В прямом направлении сопротивление колеблется от 20 до 150 Ом, а в обратном — 100 кОм и более.
Плоскостные диоды. Они имеют тоже р-л-переход, но его площадь значительно больше, поэтому они и получили такое название (рис. 9.10). На рис. 9.10, а показан разрез плоскостного диода, такую конструкцию имеют, например, кремниевый диод Д226Б и германиевый Д7Ж. В этих вариантах анодом является пластинка, спаянная с л-крис-таллом, а он к — корпусу, для улучшения отвода тепла. Плоскостные диоды применяют для выпрямления значительных токов и напряжений. Мощные же диоды обязательно закрепляют на радиаторах (рис. 9.10, б).
К основным параметрам плоскостных диодов относят следующие:
1) максимальный ток в прямом направлении от 0,1 до 10 А и более;
2) максимальное обратное напряжение — это наибольшее напряжение в обратном направлении, при котором диод сохраняет свои вентильные свойства.
Исправность плоскостных диодов проверяют при помощи тестера. В прямом направлении их сопротивление составляет от 5 до 30 Ом, в обратном более 50 кОм для германиевых и более 200 кОм для кремниевых.
Последнее время электронная промышленность выпускает множество новых модификаций диодов, обладающих новыми техническими характеристиками, которые публикуются в специальных справочниках.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов. При разработке электронных схем всегда оперируют конкретными величинами и значениями, поэтому при выборе полупроводниковых приборов необходимо пользоваться их вольт-амперными характеристиками. Благодаря им можно произвести точный расчет проектируемой схемы и правильно выбрать необходимые детали. На рис. 9.11 показаны вольт-амперные характеристики двух плоскостных диодов Д7Ж и Д226Б. Как видно из полученных графиков, диоды являются нелинейными элементами.
Особенностью всех нелинейных элементов является то, что их сопротивление зависит от приложенного напряжения. Так, например, для германиевого диода Д7Ж в точке А сопротивление равно 100 Ом, в точке В — 6 Ом, в точке С — 500 кОм.
Стабилитроны. Эти диоды применяют в качестве стабилизаторов напряжения. Они изготавливаются из кремния. В них также имеется р-л-переход, в отличие от других его ширина невелика.
Рис.10. Плоскостные диоды — выпрямители тока:
а — разрез диода Д226Б: б— конструкция диода Д246 и условное обозначение
Рис.11. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов
По этой причине, когда на стабилитрон подается обратное напряжение, в переходе происходит пробой. На рис..12 показана вольт-амперная характеристика маломощного диода Д808. При обратных напряжениях меньше 7 В ток почти не протекает, а при незначительном увеличении напряжения ток резко возрастает.
Анализируя график ВАХ стабилитрона, увидим, что при обратном напряжении меньше 7 В ток через диод практически отсутствует, а при напряжении 7 В он отрывается (точка 1) и ток начинает протекать. А даже при незначительном увеличении напряжения ток резко возрастает. Так, например, при увеличении напряжения с 7 до 7,3 В ток возрастает от 3 до 33 тА (в 11 раз). Таким образом, область от т. 1 до т. 2 является рабочим участком стабилитрона.
Рис. 12. Кремниевый стабилитрон и его вольт-амперная характеристика
К основным параметрам стабилитрона которые отмечены на ВАХ, относятся:
1) напряжение стабилизации;
2) минимальный ток стабилизации;
3) максимальный ток стабилизации.
Емкость и конденсаторы
Для усвоения этого понятия рассмотрим рис. 13. На нем изображена металлическая сфера, в которую внесены электроны. Благодаря их взаимному отталкиванию они равномерно разместятся по поверхности сферы, а внутри она остается нейтральной (рис..13, а). Если же этим зарядом, то есть этим же количеством электронов, наэлектризовать другую металлическую сферу (рис. 9.13, б), большего размера, то электроны опять же равномерно расположатся на поверхности шара, но значительно дальше друг от друга. В этом случае справедливо утверждение о том, что вторая сфера имеет большую емкость, чем первая.
Рис. 13. Электрическая емкость на примере металлической сферы:
а— при зарядке металлической сферы отрицательными зарядами они взаимно отталкиваются и располагаются на ее поверхности: б— при увеличении размеров сферы явление то же самое, но электроны располагаются дальше друг от друга, то есть емкость второй сферы больше: в — при двух разноименно заряженных металлических телах электрические заряды взаимно притягиваются
Рис. 14. Конденсатор:
а. б—устройство конденсатора: в — обозначение конденсатора
Емкость можно увеличить не только путем увеличения размеров электризуемой системы, но и другим способом (рис..13, в). Так, например, путем размещения в непосредственной близости двух металлических тел, заряженных разноименными зарядами. Благодаря закону взаимного притяжения разноименных зарядов они размещаются более плотно на обращенных навстречу друг другу сторонах тел. Так появляется возможность для введения дополнительных внешних зарядов, позволяющих увеличить емкость. Вот эта особенность и используется при изготовлении различных видов конденсаторов. Из сказанного следует, что любое заряженное тело является носителем определенной энергии.
Рис. 15. Обкладки конденсатора:
о-в незаряженном конденсаторе каждая из его обкладок нейтральна; б— положительная обкладка заряженного конденсатора имеет недостаток электронов, а отрицательная — избыток
Конденсатор. Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатор (рис..14). Главной особенностью конденсатора является его способность накапливать на обкладках, т. е. электродах, равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды. Не менее важной особенностью конденсатора является его способность пропускать переменный ток и становиться непреодолимым для постоянного.
Что представляет собой незаряженный конденсатор, схематично показано на рис..15, а, металлические обкладки его нейтральны. Число положительных и отрицательных зарядов на каждом электроде (обкладке) одинаково, и они нейтрализуют друг друга.
В заряженном же состоянии (рис..15, б) положительной обкладке не хватает свободных электронов, а отрицательная имеет их избыток. В результате чего между обкладками конденсатора имеется определенное напряжение, а в диэлектрике возникает электрическое поле. Уровень напряжения между обкладками, которое возникает при зарядке конденсатора, зависит от двух составляющих. Это количество электричества и его емкость. Так, например, при зарядке конденсаторов различной емкости одинаковым количеством электричества увидим, что напряжение на конденсаторе с меньшей емкостью будет выше, чем на втором.
Единица измерения электрической емкости называется фарад (Ф) в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Конденсатор будет иметь емкость в 1 Ф, если при зарядке его количеством электричества в 1 К получим напряжение между обкладками 1 В. Исходя из сказанного, можем записать следующее математическое выражение:
1 Ф= 1К/1В или С = Q/U.
Ввиду того что конденсатор емкостью в 1Ф имел бы внушительные размеры, на практике применяют намного меньшие емкости: микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ). Названные величины в дольных единицах будут выглядеть следующим образом:
Рис. 16. Схема:
а — при замыкании ключа К в цепи протекает зарядный ток: б — в первый момент включения всякий конденсатор представляет собой короткое замыкание; в — за короткое время после включения конденсатор зарядился до напряжения 1 В
1 мкФ = 10 -6Ф;
1 нФ = 10-9 Ф;
1 пФ = 10 -12 Ф или
1 мкФ = 1000 нФ;
1 нФ = 1000 пФ.
Пример. Какое напряжение получим на обкладках конденсатора емкостью 10 мкФ, если пропустить через него количество электричества, равное 0,001 К? Воспользуемся известной формулой и подставим имеющиеся значения известных величин:
Конденсатор в цепи постоянного тока. На рис..16 представлена схема, состоящая из источника постоянного тока, сопротивления, емкости и амперметра. При замыкании ключа К в цепи какое-то время будет протекать зарядный ток, что будет показывать включенный в цепь амперметр.
Он протекает до тех пор, пока будет конденсатор заряжаться. Этот процесс называется переходным. Зарядка конденсатора происходит по экспоненциальному закону. При замыкании ключа схемы напряжение между обкладками конденсатора и сопротивление равно нулю, т. е. конденсатор представляет собой короткое замыкание в цепи (рис..16, б), и поэтому в первый момент амперметр покажет максимальное значение, а затем будет постепенно уменьшаться, а напряжение будет расти. Возрастающее напряжение на конденсаторе при этом будет иметь противоположное направление относительно ЭДС источника тока (рис..16, в). По этой причине общее напряжение цепи уменьшится и будет равно разности 
, поэтому и уменьшается зарядный ток. На рис..17 представлены графики изменения тока и напряжения в рассмотренной схеме (рис..16).
При достижении на конденсаторе 95 % напряжения источника тока, а зарядного тока 5 % от начального его значения конденсатор заряжен и ток в цепи больше не протекает.
Время зарядки конденсатора можно вычислить по выражению:
t = 3R*C,
где t — время зарядки конденсатора, с; R — полное сопротивление цепи, включая и 
, — сопротивление источника тока, Ом; С — емкость конденсатора, Ф.
Анализ данной формулы показывает, что чем больше емкость, тем больше необходимо времени для ее зарядки, и наоборот.
Пример. Сколько нужно времени для зарядки конденсатора емкостью 10 мкФ через сопротивление 10 Ом? Воспользуемся известным выражением:
t = 3R * С = 3 * 10 * 20-6 = 0,003 с.
Процесс разрядки (рис..18) протекает аналогично процессу зарядки,т. е. по экспоненте.
Конденсатор в цепи переменного тока. Известно, что переменный ток в металлическом проводнике представляет собой колебательное движение электронов.
Рис. 17. Графики, проясняющие переходный процесс при зарядке конденсатора
При подключении конденсатора к источнику переменного тока его обкладки будут периодически заряжаться и разряжаться. Несмотря на то что электроны не преодолевают диэлектрик, во внешней цепи их движении колебательное, т. е. протекает переменный ток (рис.19).
Рис. 18. Схема и графики, поясняющие переходный процесс при разрядке конденсатора
Сопротивление, оказываемое конденсатором переменному току, называется емкостным, измеряется в омах и обозначается ХС. Его можно вычислить, воспользовавшись следующей формулой:
Рис.19. При прохождении переменного тока через конденсатор электроны только скапливаются на электродах, но не проходят через диэлектрики
Из данного выражения видно, что емкостное сопротивление зависит от величины емкости и от частоты. Анализируя формулу, можно заметить, что чем больше емкость и выше частота, тем меньше емкостное сопротивление.
Пример 1. Определить емкостное сопротивление конденсатора, емкость которого равна 0,1 мкФ при частоте 100 Гц. Прежде переведем емкость в фарады и подставим в известную формулу: всего преобразуем мкФ в Ф и найдем емкостное сопротивление конденсатора:
Воспользовавшись законом Ома, найдем величину тока:
В электротехнике принято называть сопротивление конденсатора реактивным. Это и на самом деле так. Проанализируем рис..20. Для начала попытаемся определить, какова же мощность, выделяемая на конденсаторе? Казалось бы, эту мощность можно определить по известной формуле:
Р = U-I = 220-0,438 = 96,36 Вт.
Но, прикоснувшись к конденсатору, обнаруживаем, что он абсолютно холодный. Хотя каждый из нас выкручивал лампочку любой мощности после ее отключения и знает, что она, конечно, будет горячей. А почему же конденсатор оказался холодным?
Причиной тому оказалось реактивное сопротивление. Это тот случай, когда максимум напряжения и тока не наступают одновременно, в отличие от активного сопротивления, что мы и обнаружим на рис..21. Из графиков видно, что при максимальном токе напряжение на обкладках конденсатора равно нулю, а при максимальном напряжении ток равен нулю. Отсюда следует, что приложенное напряжение опережает протекающий ток по фазе на 90°.
Так как конденсатор является реактивным сопротивлением, то и мощность в цепи также реактивная. Чтобы уяснить это понятие, необходимо вспомнить, что мощность — это произведение тока на напряжение. Из рис..21 видно, что в первую четверть периода (участок 1-2) ток и напряжение положительны, а значит, что и мощность P=U*I — положительна. Это значит, в эту часть периода конденсатор заряжается и потребляет энергию из сети. Во второй же четверти периода (участок 2-3) напряжение положительно, зато ток отрицателен, тогда и мощность будет отрицательна. Это означает, что в эту часть периода конденсатор разряжается и отдает свою энергию обратно в сеть. Во вторую половину периода процессы протекают точно так же. Таким образом, в реактивных сопротивлениях происходит постоянный обмен энергией между энергосистемой и конденсатором, при этом потребляемая мощность равна нулю, поэтому конденсатор и не нагревается, несмотря на значительный протекающий через него ток.
Рис.20. При протекании электрического тока по цепи конденсатор не нагревается
Рис.21.
1.2 — при емкостном сопротивлении синусоидальное напряжение отстает на 90° от тока; 3. Д — при активном сопротивлении синусоидальное напряжение совпадает по фазе с током