Основные характеристики конденсаторов

Номинальная емкость. Это значение конденсатора, на которое он рассчитан. В электронике наибольшее приме­нение нашли конденсаторы от 1 пф до 5000 мкф. Конден­саторы постоянной емкости (кроме электролитических), как и резисторы, имеют три класса точности. Номиналь­ные значения конденсаторов стандартизированы (табл. 9.4) и наносятся на его корпус.

Рабочее напряжение. Это рабочее напряжение между обкладками, которое нельзя превышать, иначе может про­изойти пробой изоляции.

Бумажные конденсаторы. Конструктивно они имеют две ленты из фольги, изолированные друг от друга воще­ной бумагой. Они свертываются рулончиком и помещают­ся в изолированную трубку. Выводы конденсатора соеди­нены с обеими лентами и залиты специальной мастикой. Бумажные конденсаторы предназначены для работы толь­ко на низких частотах.

Таблица 4

Сокращенное обозначение значения конденсаторов

 

Керамические конденсаторы. В качестве диэлектрика в них применяют специальную керамику. Эти конденса­торы выпускают в виде дисков или трубок. Они имеют ма­лые размеры и небольшие потери на высоких частотах.

 

Стирофлексные конденсаторы. В них диэлектриком является тонкая лента из стирофлекса. Они по изготовле­нию подобны бумажным конденсаторам.

 

Электролитические конденсаторы. Они отличаются малыми размерами и большой емкостью. Диэлектриком у них является тонкий слой окиси алюминия А1₂0₃, кото­рая имеет большую электрическую прочность. Ее распола­гают между положительным полюсом (корпусом) конден­сатора и электролитом. Электролитические конденсаторы имеют полярность, ее нужно соблюдать при разработке и монтаже устройства. Отрицательным электродом явля­ется корпус, а положительным — электролит. Конденса­торы данного типа работают только на низких частотах.

 

Переменные конденсаторы. Электрическую емкость этих конденсаторов можно изменять в определенном диа­пазоне. Переменные конденсаторы бывают: двойной с воз­душным диэлектриком; единичный с твердым диэлект­риком; подстроечный; керамический подстроечный. Существуют так называемые полупеременные двух типов. У первых изменение емкости достигается путем изменения расстояния между электродами, у других путем поворота. Полупеременные применяют в электронных схемах для подстройки колебательных контуров.

 

При параллельном соединении общая емкость равна сумме всех емкостей:

 

При последовательном соединении общая емкость бу­дет меньше наименьшей емкости, и определить ее можно из выражения:

 

 

 

Индуктивность

Электромагнитная индукция. При движении магнита как вниз, так и вверх в отверстии катушки по цепи будет протекать ток, который будет фиксировать включенный в цепь миллиамперметр. Если же возьмем вместо постоян­ного магнита электромагнит, опыт повторится. Это явле­ние называется электромагнитной индукцией, имеющей очень важное значение в электронике.

Основной закон электромагнитной индукции звучит так: если данный проводник пересекает магнитные сило­вые линии, то в нем индуктируется определенная элект­родвижущая сила (ЭДС). При этом неважно, движутся магнитные силовые линии, а проводник неподвижен, или наоборот.

ЭДС индукции будет тем больше, чем быстрее происхо­дит пересечение, чем сильнее магнитное поле и чем боль­ше витков в катушке.

Направление движения проводника и напряжения в нем можно определить по правилу правой руки, известно­му из школьной программы физики.

Взаимная индукция. Если расположить две катушки Ь_{ и L₂ рядом, как показано на рис. 22, а, б, когда через L_x потечет переменный ток, в катушке Ь₂ будет индуктиро­ваться ЭДС. Это явление называется взаимной индукцией.

 

 

 

Рис. 22. Взаимная индукция

 

 

Рис.23. Электрическая цепь, позволяющая наблюдать явление самоиндукции

На ней основывается работа трансформаторов. Индукти­рованная ЭДС зависит от количества витков обеих кату­шек, от величины и частоты тока, протекающего через L_v и от взаимного расположения катушек.

Индуктивность. При протекании по проводнику пере­менного тока его магнитные силовые линии пересекают собственный проводник, в результате их действия возни­кает ЭДС самоиндукции. Русский физик Эмиль Ленц (1804-1865) первым сформулировал правило, которое зву­чит так: ЭДС самоиндукции имеет такое направление, что в любой момент противодействует приложенному извне напряжению. ЭДС самоиндукции имеет значитель­ную величину, о чем свидетельствует опыт, проведенный со схемой (рис.23). При разрыве цепи лампочка на мгно­вение вспыхивает ярче, а затем гаснет. Это явление под­тверждает, что магнитное поле является носителем энер­гии, которая после разрыва цепи выделяется в лампочке в виде вспышки.

Свойство каждой катушки образовывать магнитные силовые линии вокруг себя при прохождении тока через ее витки называется индуктивностью. Явление индуктив­ности основано на свойстве, в результате которого при про­текании через катушку тока при изменении его величины в катушке индуктируется противодействующая ЭДС.

 

Чем больше в катушке витков, тем больше ее индуктив­ность. Единица измерения индуктивности — генри (Гн), по имени американского ученого Джозефа Генри (1797-1878). Катушка будет иметь индуктивность 1 генри, если при из­менении проходящего через нее тока в 1А за 1 секунду на ее выводах возникнет напряжение самоиндукции в 1 В.

Индуктивность при постоянном токе. Если в цепь с источ­ником постоянного тока включить катушку (рис.24, а), то при замыкании цепи протекающий по ней ток образует магнитное поле, магнитно-силовые линии которого распро­страняют из катушки наружу, при этом они пересекают и собственные витки. В результате чего в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая будет препятствовать на­растанию тока. Его увеличение будет происходить по экс­поненциальному закону (рис. 24, б). Через короткий промежуток времени переходный процесс закончится и величина тока стабилизируется. Время переходного про­цесса можно определить из выражения:

т = 3 L/R, (3)

где L — индуктивность катушки, Гн; R — полное сопро­тивление цепи, Ом.

При размыкании, когда через катушку протекает ток, тоже возникает ЭДС самоиндукции, но ее направление уже совпадает с направлением только что прерванного тока. А ес­ли катушка обладает большой индуктивностью и большим

Рис. 24. При замыкании цепи, имеющей индуктивность (о), ток нарастает по экспоненте (б)

 

током, протекающим через нее, то ЭДС самоиндукции мо­жет быть во много раз больше напряжения источника пи­тания. Данное явление нужно иметь в виду, так как это может привести к пробою изоляции между обмотками, выходу транзисторов из строя и т. д.

Индуктивность при переменном токе. При подключе­нии к катушке переменного напряжения, согласно прави­лу Ленца, ЭДС самоиндукции будет противодействовать приложенному извне напряжению.

В результате этого явления катушка окажет перемен­ному току индуктивное сопротивление, которое обознача­ется X_L, измеряется в Ом и определяется по формуле:

X_L = со L - 2nfL.

Индуктивное сопротивление напрямую зависит как от индуктивности, так и от частоты.

Сопротивление идеальной катушки, как и конденсато­ра, реактивно. Рассмотрим следующий опыт (рис.25).

При холостом ходе сварочного трансформатора в пер­вичной обмотке протекает ток 5 А. Поэтому, казалось бы, мощность, потребляемая из сети, равна:

Р = U • I = 220 • 5 = 1100 Вт,

т. е. она примерно равна такой же величине, какую потреб­ляет средняя электроплитка. Однако опыт показал, что и

220 В

Рис.25. На холостом ходу в первичной обмотке сварочного трансформатора протекает ток большой величины, но обмотка при этом не нагревается, так как она имеет реактивное сопротивление

 

 

Рис. 26. В индуктивных сопротивлениях напряжение опережает ток на 90°

после продолжительной работы, обмотка осталась холод­ной, а счетчик был неподвижен.

 

Как при опытах с конденсаторами, так и здесь индук­тивное сопротивление реактивно, и мощность тоже. Это значит, что за одну четверть периода катушка потребляет мощность из сети, ее магнитное поле «расширяется» и в нем накапливается магнитная энергия, а за другую чет­верть периода магнитное поле «сворачивается» обратно к катушке, индуктирует в ней ЭДС самоиндукции и отда­ет накопленную энергию обратно в сеть. И в данном случае наблюдается постоянный обмен энергией между сетью и катушкой, отсюда средняя мощность, потребляемая ка­тушкой, будет равна нулю. По этой причине Р = U-I, при­ложенная к идеальной катушке, дает не активную, а реак­тивную мощность.

Данная особенность катушки объясняется тем, что при­ложенное напряжение и протекающий ток имеют разность фаз в 1/4 периода и напряжение опережает ток (рис.26). Причиной разности фаз является индуктированная ЭДС, которая при увеличении тока имеет обратное направление, а при уменьшении совпадает.

Реальные катушки индуктивности имеют не только индуктивное сопротивление, но и активное (сопротивле­ние потерь) Д_пот. При низких частотах Д_пот — это актив­ное сопротивление провода катушки. Полное сопротив­ление, оказываемое катушкой, называется импедансом и обозначается Z. Импеданс измеряется в Ом и на сред­них частотах определяется по известному выражению:

Дроссели. Это катушки индуктивности, которые про­пускают постоянный ток и переменный низкой частоты. Дроссель низкой частоты содержит 1000x5000 витков и имеет железный сердечник. Индуктивность такого дрос­селя составляет от 1 до 10 Гн, а активное сопротивление от 50 до 300 Ом. При частоте 50 Гц его индуктивное сопро­тивление варьирует от 2 до 10 кОм.

Транзисторы

Транзисторы занимают ведущее положение среди полу­проводниковых приборов. Их роль заключается в усиле­нии слабых электрических сигналов. Они используются везде: в радиоприемниках, телевизорах, во всей электрон­ной аппаратуре, автоматических устройствах и т. д.

В настоящее время существует великое множество раз­личных видов транзисторов. Так, например, в 80-х годах во всем мире насчитывалось около 30 000 видов, а теперь и того больше. Все транзисторы можно разделить на две боль­шие группы: биполярные и полевые. Группа биполярных транзисторов получила большую востребованость за свои уникальные свойства.

Биполярные транзисторы бывают:

1) в зависимости от используемого полупроводника: кремниевые и германиевые;

2) в зависимости от технологии производства: опитак- сиально-планарные, сплавные, мезатранзисторы, конвер­сионные и др.;

3) в зависимости от механизма перемещения зарядов: диффузионные и дрейфовые;

4) в зависимости от мощности: маломощные (до 0,3 Вт), средние (от 0,3 до 3 Вт) и мощные (более 3 Вт);

5) в зависимости от частоты: низкочастотные (до 3 МГц),

 

Рис. 27. Устройство маломощных биополярных транзисторов

 

среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (выше 300 МГц).

Биполярные транзисторы устроены следующим образом (рис.27). Из рисунка видно, что основную часть транзи­стора представляет маленький кристаллик, который назы­вают базой (Б), на нем сделаны две спайки, называемые эмиттер (Э) и коллектор (К). При осуществлении этих спа­ек между Э и К и между К и Б образуется двар-л-перехода. Это получается, когда проводимость Э и К избирается про­тивоположной проводимости Б. Необходимо запомнить, что площадь перехода К и Б больше площади ЭБ. Оба этих перехода находятся в непосредственной близости друг от друга, на расстоянии от 1 до 20 мкм.

В зависимости от проводимости Э, Б и К производят два типа транзисторов: п р-п и р-п-р (рис.28).

Данные типы транзисторов получили наибольшее рас­пространение. Они имеют один и тот же принцип действия и одинаковые усилительные свойства. Отличаются они лишь полярностью цепей питания. В транзисторах оба пе­рехода, из-за близости их нахождения, взаимодействуют между собой. Это взаимодействие называется транзистор­ным эффектом, которому и обязаны усилительными свой­ствами биполярные транзисторы. Для защиты от внешне­го воздействия транзистора металлическим или пластмассовым корпусом, выводя наружу три электрода: Б. Э, К. Главной характеристикой каждого усилителя являет­ся значительное увеличение мощности на выходе, по сравнению с мощностью, подаваемой на вход. А так как мощность равна произведению тока на напряжение, то возможны следующие варианты усилителей: 1) схема уси­ливает и по напряжению, и по току; 2) схема усиливает только по напряжению, а ток, что на выходе, что на входе, почти одинаков; 3) схема усиливает только по току, а на­пряжение на входе и на выходе почти одно и то же.

Биполярный транзистор может усиливать в трех вари­антах схем, которые отличаются способом включения тран­зистора: 1) с общим эмиттером (ОЭ); 2) с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

В схеме с ОЭ входной сигнал действует между Б и Э, а нагрузка включена между К и Э (рис.29, а). Эта схема нашла наибольшее практическое применение. Она усили­вает и по напряжению, и по току.

 

 

п-р-п транзистор р-п-р транзистор

Эмиттерный переход

о б

Рис.28. Устройство и обозначение п-р-п транзистора (о): устройство и обозначение р-п-р транзистора(б)

 

Рис.29. Три основные схемы соединения биполярного транзистора: с общим эмиттером (ОЭ): с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК)

В схеме с ОБ входной сигнал действует между Эи Б, а нагрузка включена между К и Б (рис 29, б). Эта схема усиливает только по напряжению и имеет малое входное сопротивление и большое выходное.

В схеме 9 ОК входной сигнал поступает на управляющий переход ЭБ, проходя через нагрузку, а сама нагрузка вклю­чается между ЭК (рис. 9.29, в). Эту схему еще называют эмиттерный повторитель. Входное сопротивление этой схе­мы большое, а выходное маленькое.

Необходимо обратить внимание на следующее важное обстоятельство: независимо от схемы включения управля­ющий переход в транзисторе — эмиттерный, а управляемая цепь, сопротивление которой изменяется, — ЭК (рис 30).

 

п-р-п кремниевые транзисторы р-п-р германиевые транзисторы

Рис.30. Управляющая цепь в транзисторе — между базой и эмиттером, а управляемая — между коллектором и эмитером

 

 

 

Рис.32. Схема работы биполярного транзистора (о); его водная модель (б)

 

Полярность источников питания в этих схемах такова, что эмиттерный переход всегда включен в прямом направлении, а коллектор — в обратном. Поэтому во всех схемах (с ОЭ, ОБ, ОК) напряжения, действующие на управляющем учас­тке, всегда малы: в германиевых транзисторах от 0,1 до 0,4 В, а в кремниевых от 0,4 до 0,8 В (рис.30): в то время как в управляемых цепях напряжения коллектор-эмиттер могут быть от 6 до 24 В.

Другим важным фактором транзисторов является базо­вый ток, который значительно меньше эмиттерного и кол­лекторного токов, которые по своей величине мало отли­чаются. Таким образом, основное свойство транзистора заключается в следующем: малый базовый ток управляет значительно большим коллекторным током. Эту особен­ность можно увидеть на рис.32, где доходчиво показана аналогия между транзистором и водно-механическим уст­ройством.

Проанализировав это устройство, заметим, что малень­кая струя в трубе Б (база) управляет большой струей воды труб К и Э путем открытия большого клапана рабочей

емкости. Причем струя Э включает в себя и струю Б (базы), и струю К (коллектора).

В импульсных схемах электронных устройств транзис­тор применяют в качестве ключа. В этом случае он или от-

Наглядный опыт (рис. 33), проделанный с несложны­ми схемами, показывает, что (рис.33, а) как базовый, так и коллекторный токи равны нулю, анарис. 9.33, б /_б = 2 мА, а /_к = 200 мА, вот так с помощью маленького базового тока можно управлять большим током в цепи коллектора.

 

Обратный коллекторный ток транзистора. В этом случае, когда коллекторный переход соединен в обратном накрыт, или закрыт. направлении, а эмиттер свободен (рис.34), в цепи протека­ет обратный коллекторный ток I_кбо. Аббревиатура КБО рас­шифровывается как ток между коллектором и базой при открытом эмиттере. Этот ток хотя и мал, но имеет важное значение в биполярных транзисторах.

Обратный коллекторный ток сильно возрастает с уве­личением температуры корпуса транзистора, так, напри­мер, при увеличении температуры на 10 “С ток удваивает свое значение (рис. 34, в).

Результаты нагрева транзистора показаны в табл 5, так при температуре 20 "С транзистор имеет ток /_кб0 =10 мкА, а при t- 70 °С этот же ток возрастает до 320 мкА. Опасность стремительного увеличения тока заключается в том, что в различных усилительных схемах часть тока направляется через управляющий переход транзистора и приводит к про­извольному увеличению коллекторного тока, выводя из строя отдельные блоки или схему целиком.

 

Рис.33. При соединении базы эмиттером транзистора ток в коллекторной цепи практически не протекает. При протекании небольшого тока между базой и эмиттером транзистор открыва­ется и ток в коллекторной цепи может быть значительным

в

 

Таблица 5

Влияние температуры транзистора на его КБО

 

Коэффициент усиления транзистора по току. Как мы уже убедились ранее, схема с ОЭ дает хороший результат по увеличению коллекторного тока. Это можно понаблюдать, проведя эксперимент со схемами (рис. 9.35). Наличие в схемах регулируемого выпрямителя, который может подавать различный базовый ток, и наблюдать соответствующий коллекторный ток.

 

Число, показывающее, во сколько раз коллекторный ток больше базового, обознается р и называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Таким образом, можем записать р «1к/16■ Коэффициент р является основным параметром транзисторов. Основная масса транзисторов имеет р = 30-300, и лишь некоторые достигают 1000. Что касается других параметров и характеристик, то они приводятся в специальных справочниках.

 

Причины выхода транзисторов из строя. Из любительской практики известно множество вариантов, при которых можно испортить имеющийся транзистор, и обиднее всего бывает, когда он один и добыт с великим трудом.

 

В первую очередь транзистор портится при выходе из строя его переходов. Поэтому каждый любитель при конструировании своих электронных самоделок должен знать:

 

1) напряжение, подаваемое на эмиттерный переход в прямом направлении, не должно превышать 0,5 В для германиевых и 1 В для кремниевых транзисторов (рис.36, а), при превышении этих значений базовый ток резко возрас­тает, эмиттерный переход перегревается и теряет свою фун­кциональную способность;

 

 

Рис.35. Определение коэффициента усиления по току р в схеме ОЭ

2) напряжения, подаваемые на эмиттерный переход в обратном направлении, не должны превышать 4-5 В у лю­бых биполярных транзисторов. В противном случае в пе­реходе наступает пробой.

 

Часто транзисторы выходят из строя из-за перегрева кол­лекторного перехода. Это возникает тогда, когда на транзи­стор подается мощность больше той, на которую он рассчи­тан. Например, транзистор рассчитан на Р_ктах = 0,2 Вт, это отражено на рис.36, б графиком максимальной мощности. Чтобы транзистор не перегревался, его коллекторный ток и коллекторное напряжение не должны выходить за пределы рабочей зоны, ограниченной кривой. Из рисунка видно, что в точке А (£/_кэп = 5 В и /_кп = 25 мА) подаваемая на транзистор мощность Р_к = 125 мВт не будет его пере­гревать, зато мощность в точке В ([/_кэп = 5 В и 1_кп =150 мА), подаваемая на транзистор, равная 750 В, будет вне рабо­чей зоны транзистора, перегреет его

 

 

Рис.36. Управляющий переход повреждается, если базовый ток превысит максимально допустимое значение или если напряжение на переходе становится недопустимо большим (а); коллекторный переход повреждается, когда рабочая точка А находится вне рабочей зоны (б)

 

Тиристоры

Тиристором является полупроводниковый электроире- образовательный прибор с тремя и более р-л-переходами (рис.37). В его вольтамперной характеристике имеется область высокого отрицательного сопротивления, которая используется для управления. Для изготовления тиристо­ров применяют кремний.

При включенном тиристоре, находящемся в проводя­щем состоянии 1_Н, номинальный ток достигает иногда де­сятков, а порой и сотен ампер, остаточное же напряжение (У_ост на нем мало и не превышает десятых долей вольта.

Тиристоры подразделяются на диодные (динисторы), триодные (тринисторы), запирающие тиристоры и симмет­ричные тиристоры (симисторы).

Диодный тиристор (рис.37) имеет р-л-р-л-структуру с тремя электронно-дырчатыми переходами.

Нормально динистор выключен так, что первый и тре­тий р-л-переходы открыты, а второй л-р-переход закрыт.

 

Рис.37. Диодный тиристор:

а — структурная схема: б— условное графическое обозначение на схеме;

в — вольтамперная характеристика

При напряжении включения U_вкл открывается второй п р-п -переход и ток броском увеличивается до номинального 1_К значения.

При уменьшении тока до значения I_вкл вентиль возвра­щается в исходное закрытое состояние.

Вольтамперная характеристика имеет следующие уча­стки: I — область непроводящего состояния, II — область обратимого пробоя среднего л-р-перехода, III — область вы­сокого отрицательного сопротивления, IV — область ма­лого положительного сопротивления.

Наличие в вольтамперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением дает возможность исполь­зовать динистор в различных электронных самоделках.

Кремниевые управляемые вентили-тиристоры, так на­зываемые тринисторы (рис.38), отличаются от динисторов имеющимся выводом от слоя с дырчатой проводимостью, служащего управляющим электродом. Если на управляющем электроде будет отсутствовать напряжение, то его характеристика будет такой же, как и характерис­тика у динистора.

Рис. 38. Кремниевый управляемый тиристор:

а — структурная схема: б— условное графическое обозначение на схемах:

в — вольтамперная характеристика

 

 

Подавая на управляющий электрод положительный потенциал, мы осуществляем открытие второго п-р-пере хода при меньшем напряжении Е/_Вкл. При управляющем токе, равном «току спрямления» (напряжение прямого переключения равно напряжению остаточного переключе­ния), тринистор включается и остается во включенном со­стоянии и после отключения управляющего тока.

Включить тринистор можно уменьшением анодного тока или снятием анодного напряжения.

Запираемые тиристоры могут включаться путем умень­шения анодного тока, а также подачей на управляющий электрод запирающего тока.

Симисторы (симметричные тиристоры) могут работать в цепях управления переменного тока. Они играют роль двух встречно-параллельно соединенных тиристоров и при открытом состоянии могут пропускать ток в обоих направ­лениях. Управление ими осуществляется при помощи им­пульсов тока.

Бинистор — тиристор, имеющий выводы от каждого из четырех слоев. Управление моментом включения у него возможно сразу по двум базам, что существенно облегчает его запуск и заметно расширяет области возможного при­менения данного прибора.

В последнее время уже разработаны и нашли свое при­менение пяти-, шестислойные приборы, имеющие целый ряд новых и полезных свойств — симметричную вольтамперную характеристику, возможность принудительного выключения и др.

Кроме упомянутых в настоящее время нашли свое при­менение оптронные тиристоры, которые работают с помо­щью светового потока.

В табл.6 приведены параметры наиболее востребованных приборов.

Тиристоры применяются в преобразователях электрической энергии.

Таблица 6

Главные параметры наиболее востребованных тиристоров

Примечание: Iос.д.макс - ток в открытом состоянии, действующий, максимально допустимый; Iзн -ток запираемый импульсный (для запираемых тиристоров); U_з.с.п. - напряжение в закрытом состоянии, повторяющееся - наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору; Uзс.макс.- напряжение в закрытом состоянии, максимальное допустимое; U_ОЛ - напряже­ние открывания динистора;Uобр.макс.- напряжение обратное повторяющееся, наибольшее значение напряжения, прикладываемого к тиристору; 6'^_р.„„_Кс - напряжение обратное допустимое, максимальное значение; I_К,„ ток в закры­том состоянии, повторяющийся; /_к постоянный ток в закрытом состоянии; Iу.₀, - ток управления отпирающий;Iу.от.н. - отпирающий импульсный ток управления; I_УЛН - ток управления запирающий, импульсный; tвкл- время включения; tвыкл- время выключения