Фролов работа. КЛ ОП.06 Материаловедение, ЭРМ и РК 11.02.16 Фролов. Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л
 Скачать 0.49 Mb.
|
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. |