Текст книги "Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником"
Автор книги: Генрих Кардашев
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 19 страниц)
Резисторы
Слово «резистор» происходит от английского Resistor, которое в свою очередь заимствовано из латыни: Resistere означает сопротивляться. Однако слова «резистор» и «сопротивление» не являются терминологическими синонимами в электронике, так как термин «резистор» определяет тип компонента, тогда как термин «сопротивление» характеризует только его значение как физической величины, измеряемой в омах. Так что во фразе: «используется резистор сопротивлением 1 Ом» тавтология отсутствует, и это отнюдь не «масло масляное».
О «сопротивлении» чашки чая
С понятием сопротивления вообще каким-то действиям и процессам вначале столкнулись в классической механике. Примечательна в этом смысле дискуссия между известными английскими физиками XIX в. Томсоном и Тэтом, с одной стороны, и Максвеллом, с другой.
В своем физическом трактате Томсон и Тэт утверждали, что «материя имеет врожденную способность сопротивляться внешним воздействиям…» На что Максвелл отреагировал так: «Действительно ли материя имеет какую-нибудь, будь то врожденную или благоприобретенную, способность сопротивляться внешним воздействиям? Разве всякая сила, действующая на тело, не производит то изменение в движении тела, которым определяется значение силы, как таковой? Следует ли обвинять чашку чая в обладании врожденной способностью сопротивляться подслащивающему влиянию сахара потому, что она упорно отказывается сделаться сладкой, если сахар действительно в нее не положен?». Казалось бы «инцидент исперчен», как говорил Маяковский, а точнее, для данного случая, засахарен. Однако известный советский ученый в области радиотехники, теории связи и передачи информации академик А. А. Харкевич, согласившись с первой частью замечаний Максвелла, нашел противоречие в ярком примере с чашкой чая. Ход его рассуждений был таков.
Вводя понятие «сопротивление», мы, в сущности, даем количественное выражение о взаимозависимости двух величин какого-либо явления, причем одна из них выступает как его причина, а другая – как следствие.
В электротехнике причиной выступают ЭДС, а следствием служат токи. Деля количественную меру причины на количественную меру следствия, получают количественную меру электрического сопротивления в омах. Для максвелловской чашки чая явление состоит в том, что чай становится сладким, если в него положить сахар. Количественной мерой причины этого является количество внесенного сахара (грамм). Следствие же состоит в получении сладости и его количественной мерой является концентрация сахара в водном растворе (грамм/см3). Деля, согласно определению, меры причины и следствия, получаем, что «сопротивление чашки чая подслащивающему действию сахара определяется ее объемом. Житейский смысл этого результата не требует комментариев» – заключает свои замечания А. А. Харкевич. Согласимся с ним, и в шутку назовем введенное понятие «кондитерским сопротивлением».
Заметим также, что наряду с электрическим сопротивлением, действуя по аналогии, в различных областях уже введены сопротивления: механические, акустические, гидравлические, магнитные и тепловые.
Вредно-полезные резисторы
Итак, основным электрическим параметром резисторов служит их номинальное сопротивление. Это сопротивление называют также «активным», когда резисторы «трудятся» в цепях переменного тока. Их «активность» – это необратимый перевод электрической энергии во внутреннюю с последующей теплоотдачей в окружающее пространство.
Согласно элементарной электронной теории нагрев металла при протекании по нему электрического тока происходит за счет передачи энергии, получаемой свободными электронами от поля, в столкновениях с кристаллической решеткой. Количественно рассеиваемая на резисторе активная мощность определяется законом Джоуля-Ленца: она прямо пропорциональна величине сопротивления резистора и квадрату протекающего через него тока.
Энергия, приводящая к нагреву проводников, поступает из электромагнитного поля распространяющегося вдоль них в окружающем пространстве. Ее часть, заходящая в глубь проводников, вызывает протекание в нем тока и соответствующие потери мощности. В высокочастотных полях эти токи протекают лишь в тонком поверхностном слое («скин-эффект»). Еще более сложные процессы происходят в СВЧ-полях, о чем будет рассказано дальше в разделе «В радиокухонном диапазоне».
Допустимая мощность рассеяния также является паспортной величиной резисторов. Когда это выделяемое тепло используется для пользы дела, например в паяльнике, то это хорошо, но зачем же напаивать кучи резисторов на материнскую плату? Ведь не для ее же украшений их цветовой маркировкой или чтобы потом еще поставить внутри вентилятор и использовать системный блок в качестве интеллектуального ультрамодного фена? Разумеется, нет.
Здесь мы встречаемся с обычным случаем, о котором в народе говорят: «Нет худа без добра». А «добро» вытекает из закона Ома: на резисторе происходит падение напряжения прямо пропорциональное величине сопротивления резистора и протекающему через него току.
На первый взгляд кажется, что это опять один вред, поскольку опять потери не мощности, так напряжения. Ан, нет. Это самый простой способ снизить питающее напряжение на других компонентах до необходимого уровня. Такие резисторы часто называют «гасящими», так как их включают между источником и нагрузкой последовательно. Они автоматически выполняют и ограничение тока в нагрузке (по закону Ома) и поэтому их называют также «токоограничивающими». Если подобный резистор сделать с изменяемой (переменной) величиной, то получится знакомый всем регулятор – реостат.
Перечисленными примерами, разумеется, не исчерпываются возможности использования резисторов, поскольку они гораздо обширнее, но не будем забегать вперед. Что же касается активных потерь мощности, то с этим придется смириться: без трения шин о дорожное покрытие обыкновенный автомобиль не повезет вас по горизонтальной дороге, а домашний холодильник нагревает помещение и зимой и летом (он будет это делать, даже если его дверцы держать открытыми!) – таковы законы природы.
Из чего делают резисторы и как их обозначают
Обычно, когда я громко выясняю, у кого горит резистор, инженер или техник робко отвечает: «Я только что поджарил свою схему…».
Роберт А. Пиз. Практическая электроника аналоговых устройств
Да, «рукописи не горят», но сгорают резисторы, нарушая работу устройств и выделяя удушливый запах гари и фенола. Обоняние не подведет радиолюбителя в критический момент, а уж постфактум черный цвет выдаст виновника: «На воре шапка горит». (Правда, часто резисторы становятся лишь первой жертвой, и истинного виновника неисправностей после этого еще предстоит отыскать.)
По используемым материалам и технологии изготовления различают резисторы постоянные углеродистые и бороуглеродистые, металлопленочные и металлоокисные, композиционные и проволочные. Естественно, что они отличаются своими характеристиками и внешним видом и обозначениями (рис. 2).
Рис. 2. Постоянные резисторы:
а – внешний вид; б – УГО на принципиальных схемах при разной мощности; в – компонент EWB
При выборе резисторов в ответственных случаях учитывается до 15 различных параметров. Все зависит от конкретных целей.
Номинальное значение сопротивления резистора указывается производителем на корпусе изделия. Там же указывают и ряд других его характеристик. Для маркировки резисторов используют специальные кодировки: буквенно-цифровую, цифровую и цветовую.
При буквенно-цифровой кодировке указывают непосредственно значение сопротивления резистора, иногда ставят букву R, чтобы обозначить омы, или букву К, обозначающую килоомы. Здесь перечисленные буквы, поставленные за числом, являются его десятичными множителями (R = 1, К = 1000), а – перед или между числами, играют роль разделителя целой и дробной части. Например, 15R и 15К означают, что сопротивления этих резисторов равны 15 Ом и 15 кОм = 15 000 Ом соответственно, а для R15 и 1К5, аналогично 0,15 Ом и 1,5 кОм = 1500 Ом. Кроме этого, часто проставляют и допустимую мощность (см. рис. 2, б).
При чисто цифровой маркировке величина сопротивления резистора наносится тремя цифрами, из которых две первые показывают ее мантиссу, а третья служит показателем степени 10 для дополнительного множителя. Например, 150 означает 15 Ом, 151 это 150 Ом, 152 – 1500 Ом и т. д. Соответственно, на резисторе с сопротивлением 15 МОм увидим в этом коде: 156.
К цветовой кодировке прибегли в связи с миниатюризацией изделий. «Хотели как лучше, получилось как всегда». Вот резисторы с двумя видами цветовых колец-поясков: на одних их 4, на других – 5. Всего цветов 12, так что любимой присказки гимназистов про цвета в спектре радуги: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» (или «Как однажды Жак-звонарь головой разбил фонарь») явно не хватает для запоминания. Эта известная последовательность цветов использована, но перед ней еще цвета: серебристый, золотистый, черный и коричневый, а после нее – серый и белый. Красиво, нет слов, но, поди теперь, ломай голову над этими знаками, напоминающими древние цивилизации (схожая кодировка, но не резисторов, обнаружена у племен майя). Кому охота, пусть лезет в справочник, а проще взять в руки омметр да и измерить. Правда, получим только номинал сопротивления, но этого часто хватает для работы. О многом другом говорит их вид и размер. Ну да ладно, странно только, что в наш интеллектуально-просвещенный век не взяли на вооружение, например, электронные системы обычного штрих-кодирования, применяемые в любом супермаркете, автомобилестроении или на фотокассетах. Как говорится: «Сапожник без сапог».
Помимо постоянных резисторов для регулировок и подстроек используют переменные (рис. 3), в которых имеется подвижный контакт, перемещаемый по дуге окружности или по отрезку прямой.
Рис. 3. Переменные резисторы:
а – внешний вид; б – УГО; в – компонент EWB
Могут встретиться три случая зависимости величины сопротивления от угла поворота: линейная (А), логарифмическая (Б) и антилогарифмическая (В). Указанные буквы входят в маркировку отечественных переменных резисторов наряду с другими параметрами.
При конкретном применении резисторов необходимо обратить внимание на то, что номинальное значение сопротивлений указывается с допуском, выраженным в % от номинала. Для особо точных (прецизионных) резисторов допуск составляет ±0,001, а наиболее грубых ±30.
Кроме того, следует помнить, что для резисторов, выполненных из материалов с электронной проводимостью, их сопротивление будет расти по мере нагрева. Иногда и это надо брать в расчет, поэтому производители указывают соответствующий тепловой коэффициент сопротивления изделий.
Электрофизические характеристики полупроводниковых материалов зависят от внешних условий, сильно изменяющих в основном концентрацию носителей тока (электронов и дырок). Этим и воспользовались, создав специальные полупроводниковые резисторы.
Терморезисторы, называемые также термисторами, значительно уменьшают (в отличие от проводников) свое сопротивление с ростом температуры.
Варисторы также уменьшают свое сопротивление, но под действием приложенного напряжения.
Тензорезисторы изменяются в зависимости от механической деформации.
Магниторезисторы изменяют свое сопротивление под действием магнитного поля.
Это, конечно, все же «редкие птицы» среди большого семейства резисторов, но в нужном случае они могут быть очень полезны: «Хороша ложка к обеду», а здесь для каждого возможного блюда, случая припасена специальная «ложка» или «ложечка».
Конденсаторы
Слово «конденсатор» происходит от латинского condensare, означающего сгущать, уплотнять. История изобретения конденсаторов весьма поучительна и позволяет глубже понять физическую сущность, а, следовательно, и применимость на практике этого компонента электронных устройств.
Из родословной конденсатора
Не вдаваясь особо в туманную, как всегда, историю изобретения конденсаторов, укажем лишь, что рождение произошло в середине XVIII в.
Соборный декан в Померании фон Клейст, держа в одной руке медицинскую склянку с небольшим количеством ртути или винного спирта, вставил в нее гвоздь и наэлектризовывал его свободный конец. Прикосновение к гвоздю вызывало искры и сильные электрические удары. Это устройство назвали бутылкой Клейста.
Голландский физик Мушенбрек из г. Лейден провел аналогичные опыты со стеклянной банкой, заполненной водой и опять-таки гвоздем, один из концов которого был погружен в нее. Удар, полученный им в одном из опытов, он не соглашался повторить даже «ради короны Франции». Это устройство назвали лейденской банкой.
Аббат Нолле, ставший «придворным электриком», в обязанности которого входила организация увеселений двора Людовика XV с помощью электричества, в присутствии короля повторил опыт Мушенброка, но не на себе. Он образовал цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем первый держал заряженную банку в руке, а последний, замыкая цепь солдат, касался торчащей из нее проволоки, извлекая искру. Реакция бравых гвардейцев была весьма сильной. От этой цепи солдат произошел термин «электрическая цепь». Хорошо, что энергии, накопленной в банке, было не достаточно для печальных последствий. Однако ее хватало, чтобы убить воробья, что впервые и осуществил этот «аббат». Поэтому его смело можно назвать первым в ряду изобретателей «электрического стула» и электрошоковых устройств.
Не трудно видеть, что первые изобретатели исходили из понятий «электрической жидкости», которую привычно разливали по разным сосудам…
Более детальные и продуктивные опыты провел Франклин, исследовавший роль диэлектрика (стекло), разделяющего обкладки: рука-гвоздь в лейденской банке. Вылив воду из заряженного конденсатора, он залил его новой водой и обнаружил, что он опять заряжен. Отсюда он сделал вывод о том, что заряды противоположных знаков «сидят» на двух поверхностях стекла. Ошибка Франклина была обнаружена только в 1922 г. Адденбруком. В специальном разборном конденсаторе он заменил стекло парафином и показал роль адсорбированной пленки воды в опыте Франклина.
Эта ошибка нисколько не умаляет многих других заслуг этого ученого и политического деятеля, и его следы мы видим не только на стодолларовой купюре: знаки «+» и «-» для разноименных электрических зарядов ввел именно Франклин. Однако и он не избежал проведения опытов над животными: «Самым крупным существом, которое нам удалось умертвить электрическим ударом, был довольно крупный цыпленок», – пишет Франклин в своих сочинениях.
Возвращаясь на научную стезю, особо следует отметить работы Фарадея по исследованиям различных диэлектриков, используемых в конденсаторах. Вообще Фарадей сделал много разных замечательных открытий, но вошел в парад знаменитых ученых, именами которых были названы единицы измерения, благодаря исследованиям диэлектриков. Да и сам этот термин ввел в физику Фарадей. Он смастерил специальный сферический конденсатор – два металлических шара – один внутри другого. Это – обкладки, а пространство между ними заполнял различными веществами и проводил измерения электрической емкости конденсатора. Не случайно поэтому, единице электрической емкости дано наименование «фарад».
Плоский конденсатор мы обнаруживаем в электрометре Вольта: его верхний ввод был выполнен из двух горизонтальных пластин, изолированных друг от друга лаком.
Блочно-пакетная конструкция конденсаторов в виде стопки чередующихся полосок металлической фольги, разделенных изоляционными слоями, была предложена русским электротехником П. Н. Яблочковым во второй половине XIX в. Им же были предвосхищены так называемые «электролитические конденсаторы».
Основные типы конденсаторов
Различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.
В зависимости от того, какой материал использован в качестве диэлектрика, конденсаторы бывают: воздушными, бумажными, керамическими, пленочными и др. На рис. 4 представлены конденсаторы постоянной емкости.
Рис. 4. Конденсаторы:
а, в – внешний вид керамических и электролитических конденсаторов; б, г – УГО и компоненты EWB
Основными характеристиками конденсаторов являются: номинальная емкость, выражаемая в фарадах (Ф) и дольных единицах (мкФ, нФ, пФ и т. д.); допуск в процентах от номинального значения; максимальное допустимое напряжение. Общее число факторов, учитываемых при выборе конденсаторов, доходит до 18.
Номинальная емкость конденсаторов с указанием допуска, а также рабочее напряжение в основном проставляются на их корпусах. Однако в последние годы, цветовые художества появились и на конденсаторах. Геометрические же формы конденсаторов весьма разнообразны: диски, цилиндры, призмы и т. д. Весьма популярные танталовые сухие оксидные конденсаторы имеют каплеобразную форму, напоминая головастиков с двумя лапками.
Цветовые метки, это и кольца, и полосы, и пятна, и размещаются по-всякому. Так что «Палата № 6» здесь присутствует в полном составе. Хорошо еще, что иногда проставляется величина емкости: ее измерение все-таки сложнее, чем измерение сопротивления, хотя умельцы умудряются измерять небольшие емкости с помощью… радиоприемника (подумайте, как). Одно обнадеживает: электроника не стоит на месте, а бурно развивается.
Особо остановимся на электролитических конденсаторах (см. рис. 4, в, г), которые радиолюбители именуют «электролитами». Это полярные приборы. В них используется жидкий и твердый электролиты. Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде цилиндров, внутри которых размещается слоистый рулон из чередующихся лент: анод из алюминия, оксидированный его окисью, первый бумажный разделитель, катод из неоксидированного алюминия, второй бумажный разделитель. Вся конструкция помещается в корпус, в который добавляют электролит и герметизируют.
В конденсаторах с твердым электролитом вместо бумаги используется материя, пропитанная нитратом магния. Если размотать внутренний рулон конденсатора, то получится длинный плоский сэндвич с двумя выводами от анода и катода. Рассматривая этот сэндвич как обыкновенный плоский конденсатор с двумя обкладками, не трудно оценить его емкость по известным геометрическим размерам, приняв относительную диэлектрическую постоянную бумаги равной 2. Выполнив нехитрый расчет и сверившись с величиной емкости, проставленной на корпусе, увидим, что мы ошиблись на очень много порядков. Дело в том, что мы сделали принципиальную ошибку, приняв разделительную бумагу за разделяющий диэлектрик. На самом деле диэлектриком в электролитическом конденсаторе служит пленка оксида алюминия, а она гораздо тоньше, да и диэлектрическая постоянная у нее в десятки раз больше. Так что второй обкладкой служит поверхность электролита, соприкасающаяся с окисной пленкой (в рулоне с двух сторон).
Сам электролит и катод являются электродами (тоководами), как в первых конденсаторах: бутылках, банках. Наличие электролита внутри замкнутой полости приводит к тому, что если включить конденсатор на переменное напряжение, то вследствие обильного газовыделения он взорвется. Так что с «электролитами» надо обращаться осторожно.
Диэлектрик в электролитических конденсаторах выполняют также на основе оксидов тантала или ниобия, или ряда полупроводников. Емкости подобных конденсаторов могут достигать 0,5 Ф – это гигантская величина: Фарадей вряд ли поверил бы, что такие емкости возможны. Однако, как оказалось, это далеко не предел возможного. Вернемся теперь к упомянутой ранее комбинации конденсатор-ХИТ, названной ионистором.
Ионистор (по зарубежной терминологии – supercapacitor – суперконденсатор или ультраконденсатор – ultracapacitor) – это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред: электрода и электролита. (Здесь полезно поразмышлять над вышеупомянутыми опытами Франклина и Адденбрука.)
В качестве обкладок в ионисторе используются три типа материалов: активированный уголь, оксиды металлов и проводящие полимеры. Активированный уголь имеет большую объемную пористость, что позволяет достигнуть плотности емкости 10 Ф/см3 и выше. Ионисторы на основе активированного угля называют также двухслойными или DLC-конденсаторами (от англ. Double Layer Capacitor), поскольку заряд в них хранится в двойном электрическом слое, образующемся вблизи обкладки.
Ионисторы имеют емкости от единиц до нескольких тысяч фарад! Рабочее напряжение ионисторов разных типов составляет от 2,5 до 6,3 В. Энергия, запасенная в ионисторе при прочих равных условиях составляет 1/10 энергии никель-металлгидридной батареи. Батарея заряжается часами, а ионистор – за секунды. Батарея имеет ограниченное число циклов заряд-разряд, а ионистор – практически неограниченное. Конечно, и у ионисторов есть недостатки (напряжение падает при разряде, высок саморазряд и т. д.) и заменить все ХИТ они не могут, но в некоторых случаях они оказываются вне конкуренции или серьезной альтернативой.
В конденсаторах переменной емкости (рис. 5), служащих для настроек радиоприемников на определенную станцию, как правило, используются сдвоенные секциями подвижных (ротор) и неподвижных пластин (статор), разделенных воздухом.
Рис. 5. Конденсаторы переменной емкости:
а - внешний вид; б – УГО и компонент EWB
При повороте ротора на некоторый угол изменяется эффективная площадь (площадь перекрытия пластинами статора пластин ротора) и, следовательно, суммарная емкость системы. Форму пластин ротора выполняют так, чтобы зависимость емкости от угла поворота была прямо пропорциональной для емкости, длины волны или частоты.
В «подстроенных» конденсаторах («подстроечниках») используют два керамических диска, на противоположные стороны которых, путем «вжигания», нанесены тонкие серебряные обкладки в виде секторов (полукругов). Вращение одной обкладки относительно другой приводит к изменению емкости системы.
Еще один вид конденсаторов, так называемые «варикапы», являются разновидностью полупроводниковых диодов и будут рассмотрены вместе с последними. Аналогично поступим и с конденсаторными и электретными микрофонами, а также с пьезопреобразователями. Всему свое время.
