69

Введение

Радиоэлектронное устройство -- это изделие, состоящее из отдельных электронных функциональных узлов, каждый из которых выполняет определенную операцию. Функциональный узел состоит из пассивных и активных элементов, соединение которых образует электрическую схему. Эффективность электронной аппаратуры обусловлена высоким быстродействием, точностью и чувствительностью входящих в нее элементов, важнейшими из которых являются электронные приборы.

Исторически в развитии технической электроники можно выделить три основных этапа: ламповая электроника, полупроводниковая электроника, микроэлектроника.

Ламповая электроника, как раздел технической электроники, берет начало с XIX века, когда русский электротехник Ладыгин создал первую лампочку накаливания, далее работы Эдиссона и Столетова послужили началом изучения электронных явлений (термоионная и фотоэлектронная эмиссия). Следующим этапом послужило изобретение радиоприемника Поповым, лампового детектора Флемингом, введения в детектор управляющего электрода Де Форестом Ли. Совершенствование электронных ламп привело к появлению, в настоящее время, вакуумных интегральных схем и миниатюрных ламп различного назначения.

Наряду с этими приборами разрабатывались и развивались другие электронные приборы: электроннолучевые, ионные, фотоэлектронные, полупроводниковые.

Применение полупроводниковых приборов позволило в несколько раз уменьшить габаритные размеры многоэлементных установок, повысить надежность работы, снизить потребляемую мощность.

Современный этап развития электронной техники характеризуется значительным усложнением электронной аппаратуры. Габаритные размеры обычных дискретных приборов не удовлетворяют требованиям размеров и надежности современной электронных устройств. Все большее развитие получает микроэлектроника - отрасль электроники, охватывающая исследования и разработку интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральная микросхема - это законченный функциональный узел, выполненный на единой несущей конструкции - подложке, в едином технологическом процессе и выполняющий определенную функцию преобразования информации.

Современные технические средства электроники широко используются во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в медицинской аппаратуре. В связи с повышенным требованием к качеству изготовления, точности параметров, достоверности измерений этой аппаратуры, выделяется отдельное направление - медицинская электроника.

Компоненты электронной техники делятся на активные и пассивные.

Активные элементы способны усиливать, обрабатывать и преобразовывать сигналы. Пассивные -- накапливать или расходовать энергию сигнала.

Элемент электрической схемы, имеющий определенное функциональное назначение и имеющий выводы для соединения с другими элементами, называется деталью радиоэлектронного устройства, или радиодеталью.

С помощью этих приборов можно сравнительно просто и во многих случаях с высоким к.п.д., преобразовать электрическую энергию по форме, величине и частоте тока или напряжения. Кроме того, с помощью электронных приборов, удается преобразовать неэлектрическую энергию в электрическую и наоборот (фотоэлементы, терморезисторы, пьезоэлементы и т.д.). Разнообразные электронные датчики и измерительные приборы позволяют с высокой точностью измерять, регистрировать и регулировать изменение всевозможных неэлектрических величин - температуры, давления, деформации, прозрачности и т.д.

Основными компонентами электронной техники являются: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и дроссели, трансформаторы, коммутационные устройства, электровакуумные приборы, приборы отображения информации, полупроводниковые приборы, акустические приборы, антенны, пьезоэлектрические приборы, линии задержки, источники тока, предохранители и разрядники, электродвигатели, лампы накаливания, элементы цифровой техники, элементы аналоговой техники, провода, кабели, волноводы.

1. Резисторы

Резисторы -- пассивные элементы, в которых происходит необратимый процесс поглощения электрической энергии и превращения ее в тепловую. Основное функциональное назначение резисторов -- оказывать известное (номинальное) сопротивление электрическому току с целью регулирования тока и напряжения.

Используются в качестве нагрузочных и токоограничительных элементов, делителей напряжения, добавочных сопротивлений и шунтов в измерительных цепях и т.д.

Различают постоянные, переменные и подстроечные резисторы. Резисторы, сопротивление которых нельзя изменять в процессе эксплуатации, называют постоянными. Резисторы, изменением сопротивлений которых осуществляются различные регулировки в процессе работы аппаратуры, называют переменными. Резисторы, сопротивление которых изменяют только в процессе налаживания аппаратуры, называют подстроечными.

По виду вольтамперной характеристики различают резисторы линейные и нелинейные (постоянного и переменного сопротивления). В нелинейных резисторах в качестве токопроводящего элемента применяются разные полупроводниковые материалы.

По конструкции резисторы подразделяются на пленочные, объемные и проволочные, а по материалу токопроводящего (резистивного) элемента - на пленочные, углеродистые, металлопленочные, металоокисные, металлодиэлектрические, композиционные и полупроводниковые. В проволочных резисторах токопроводящим слоем служит проволока с высоким удельным сопротивлением, намотанная на цилиндрические или плоские диэлектрические каркасы. В непроволочных резисторах токопроводящим слоем является слой углерода или металла, нанесенный на керамический стержень.

По способу защиты резистивного элемента различают резисторы неизолированные, изолированные (лакированные), компаундированные, опрессованные пластмассой, герметизированные и вакуумированные.

К основным параметрам резисторов относятся: номинальное значение сопротивления, допустимое отклонение от номинального значения, номинальная мощность рассеивания, температурный коэффициент сопротивления, уровень шумов, собственная индуктивность и емкость.

Сопротивление резисторов - характеризует его способность препятствовать протеканию электрического тока. Его измеряют в Омах (Ом), килоОмах (0м), мегаОмах (МОм) и т.д.

Номинальное значение сопротивления резистора - значение сопротивления, которое должен иметь резистор в соответствии с нормативной технической документацией (ГОСТ, ТУ). Определяет силу проходящего через резистор тока при заданной разности потенциалов на его выводах. Резисторы широкого применения выпускаются с номинальным значением сопротивления от долей Ома до сотен мегаОм, согласно стандартной шкале сопротивлений. Номинальное значение сопротивления указывается на корпусе резистора.

Фактическое сопротивление каждого резистора может отличаться от номинального на допустимое отклонение. Допустимое отклонение от номинального значения зависит от класса точности. Различают три основных класса точности:

I класс точности с отклонением от номинального значения сопротивления ±5%;

II класс ±10%;

III класс ±20%.

В табл. 1.1 приведены ряды номинальных сопротивлений трех основных классов точности.

Номинальная величина сопротивления имеет шесть рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра после буквы Е указывает число номинальных величин в данном ряду.

Ряды Е представляют собой геометрическую прогрессию со знаменателем q_n, равным: для ряда Е6 ; для Е12 ; для Е24 ; для Е48 ; для Е96 ; для Е192 .

Таблица 1.1. Ряды номинальных величин сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов общего применения

Фактически величины сопротивлений отличаются от номинальных в пределах допусков, указываемых в процентах. Постоянные резисторы, обычно используемые в измерительной аппаратуре, имеют допуски ±0,01%; ±0,02%; ±0,05%;0,1%; ±0,2%; ±0,5%; ±1%; ±2%, 5%, 10%, 20%, 30%. Номинальные величины сопротивлений с допусками 5%, 10% и 20% должны соответствовать значениям приведенным в таблице 1.1 и полученным путем умножения этих чисел на 10ⁿ, где n - целое положительное или отрицательное число.

В табл. 1.2 приведены кодированные обозначения допускаемых отклонений от номинального значения.

Номинальная мощность резистора Р_ном -- это максимально допустимая мощность, рассеиваемая на сопротивлении резистора в течение длительного времени при непрерывной нагрузке и определенной температуре окружающей среды, при которой параметры резистора сохраняются в установленных пределах.

Таблица 1.2. - Кодированные обозначения допустимых отклонений емкости и сопротивления от номинальных значений

Значения номинальной мощности рассеивания, в ваттах, регламентируются и равны 0,01; 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2: 3; 5 Вт для непроволочных резисторов и 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 5; 8; 10; 16; 25; 40; 80 Вт для проволочных.

Исходя из номинальной мощности, максимально допустимые для резисторов значения силы тока и напряжения равны

При этом U_макс не должно превышать регламентированного значения напряжения пробоя для данного резистора.

Относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1°С называется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

,

где R -- сопротивление резистора при номинальной температуре; ?R алгебраическая разность между сопротивлением, измеренным при заданной температуре, и сопротивлением, измеренным при нормальной температуре; ?t° -- алгебраическая разность между заданной и нормальной температурами.

Для резисторов обычно приводится ТКС для определенного интервала рабочих температур. В зависимости от типа резистора ТКС может быть положительным и отрицательным. Для непроволочных резисторов ТКС составляет ± (1002000)10^-6 1/°С и для проволочных ± (501000) * 10^-6 1/°С.

Разнообразие конструктивных решений, применяемых при изготовлении резисторов, обуславливает многообразный характер зависимости сопротивления от температуры.

У чистых металлов повышение температуры приводит к уменьшению подвижности электронов вследствие взаимодействия их с ионами решетки. При этом сопротивление материала возрастает примерно пропорционально абсолютной температуре. При введении примесей в металлы величина их сопротивления возрастает, а температурный коэффициент удельного сопротивления уменьшается (рис. 1.1).

Композиционные материалы имеют сложную зависимость сопротивления от температуры (рис. 1.1). Одной из причин является влияние контактов между проводящими частицами, преодоление которых носителями зарядов и зависит от температуры. Изменение проводимости материала резистора при изменении температуры определяется также температурными коэффициентами расширения проводящего материала основания.

Температурные коэффициенты сопротивления проводящих материалов представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. - Температурные коэффициенты сопротивления проводящих материалов

Электрическая прочность резистора характеризуется предельным напряжением, при котором резистор может работать в течение срока службы без электрического пробоя. Предельное рабочее напряжение резистора зависит от атмосферного давления, температуры и влажности воздуха. Напряжение на резисторе не должно превышать напряжения, определяющего электрическую прочность.

Уровень собственных шумов резистора - отношение электрического напряжения помех резистора, возникающих при прохождении по нему постоянного электрического тока, к приложенному напряжению. По уровню шумов некоторые стандартные непроволочные резисторы делят на группы. Например: А - группа резисторов, уровень собственных шумов которых не более 1 мкВ/В в полосе частот 60 Гц 6 кГц.

Уровень собственных шумов характеризуется отношением среднеквадратичного значения э.д.с. шумов резистора Е_ш к постоянному напряжению U₀ приложенному к резистору (измеряется в мкВ на 1В приложенного напряжения).

Для непроволочных резисторов, к которым не приложено напряжение, а также проволочных резисторов при температуре 20С, уровень собственных шумов определяется по формуле:

мкВ,

где F -- полоса рабочих частот, кГц; R. -- номинальное значение сопротивления резистора, кОм.

Частотные свойства резисторов определяются номинальным сопротивлением и распределенными реактивными (паразитными) параметрами (индуктивностью и емкостью). Активное сопротивление резистора на переменном токе зависит от его номинального сопротивления, его емкости и индуктивности. В свою очередь, собственная распределенная емкость и индуктивность резистора зависят от его формы и числа витков спиральной нарезки резистивного элемента.

Стабильность резистора характеризуется изменением параметров под влиянием окружающей среды, электрической нагрузки, а также с течением времени при эксплуатации и хранении.

Специфическими параметрами переменных резисторов являются функциональная характеристика и разрешающая способность.

Функциональная характеристика -- зависимость сопротивления от перемещения (угла поворота) подвижной системы. По характеру функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные (тип А) и нелинейные: с логарифмической (тип Б) и обратно логарифмической (тип В) зависимостями. Выпускаются резисторы и с другими зависимостями.

Для переменных резисторов общего назначения допуск отклонения от заданной кривой составляет 5...20%, для прецизионных - 0,05...1%.

Разрешающая способность показывает, какие наименьшие изменения угла поворота или перемещения подвижной системы резистора могут быть различимы. Она характеризуется минимально возможным изменением сопротивления при минимально возможном перемещении подвижного контакта. Для переменных резисторов общего назначения разрешающая способность составляет 0,1...3%, для прецизионных - тысячные доли процента.

Обозначение резисторов широкого применения состоит из начальных букв -- краткой характеристики резистора (например, резистор ВС -- высокой стабильности, МЛТ -- металлопленочный лакированный теплостойкий) -- с дальнейшим указанием мощности, номинала и допускаемого отклонения, разделяемых дефисом. Например, резистор МЛТ-0,125-5,1 кОм ±5%.

В новых типах резисторов введена новая система обозначений. Буква С обозначает резистор постоянного сопротивления, СП -- резистор переменного сопротивления. Далее следует цифра, указывающая на специфическую особенность резистора в зависимости от материала токопроводящего слоя:

1 -- непроволочные тонкослойные углеродистые и бороуглеродистые; 2 -- непроволочные тонкослойные металлодиэлектрические и металлоокисные; 3 -- непроволочные композиционные пленочные; 4 -- непроволочные композиционные объемные; 5 -- проволочные; 6 -- непроволочные тонкослойные металлизированные. После первой цифры через дефис ставится вторая цифра, обозначающая регистрационный номер данного типа резистора; далее следуют цифры, указывающие мощность, номинальное значение, допускаемое отклонение. В обозначении переменных резисторов после цифр регистрационного обозначения может стоять буква, указывающая на конструктивные особенности и вид исполнения. Например: резистор С4-1-0,5-30 ± 10%; резистор С2-7Е-0,5 Вт-8,2 Ом ± 5%; резистор СП-39А-0,5Вт-4,7кОм ± 10%В.

При выпуске резисторов для их маркировки применяется кодированное обозначение. Оно состоит из кодированных обозначений номинала и допуска сопротивления. Буква кода обозначает множитель, составляющий значение сопротивления, и определяет положение запятой десятичной дроби. Буквами R, K, M, G, T (Е, К, М, Г, Т) обозначаются множители: 1, 10³, 10⁶, 10⁹, 10¹², для сопротивления выраженного в Омах.

Пример: 1К5В -- резистор 1,5 кОм, допуск ± 20%; 2М2Ф -- резистор 2,2 МОм, допуск ±30%.

1.1 Резисторы постоянного сопротивления

Углеродистые резисторы. Резистивный элемент этих резисторов представляет собой тонкую пленку углерода, осажденную на основание из керамики. В качестве основания обычно используются стержни или трубки. Углеродистые резисторы характеризуются высокой стабильностью сопротивления, низким уровнем собственных шумов, небольшим отрицательным ТКС, слабой зависимостью сопротивления от частоты и приложенного напряжения. Бороуглеродистые резисторы типа БЛП по стабильности сопротивления могут не уступать проволочным резисторам. ТКС этих резисторов равен - (0,012…0,025) %/⁰С.

Композиционные резисторы. Резистивный элемент этих резисторов изготовляют на основе композиций, состоящих из смеси порошкообразного проводника (сажа, графит и др.) и органического или неорганического диэлектрика. Композиционные резисторы выпускают пленочного и объемного видов. Пленочные композиционные резисторы по конструкции подобны углеродистым, но отличаются большей толщиной пленки. Объемные резистивные элементы изготовляют в виде стержня путем прессования композиционной смеси, пленочные - путем нанесения композиционной смеси на изоляционное основание.

Пленочные композиционные резисторы характеризуются сильной зависимостью сопротивления от напряжения, низкой стабильностью параметров и очень высокой надежностью. Объемные композиционные резисторы с органическими связующими материалами отличаются высокой стабильностью параметров, сравнительно низкой надежностью и пониженным уровнем собственных шумов, а с неорганическими связующими материалами - очень высокой надежностью, низкой стабильностью сопротивления от частоты до 50 кГц. Сопротивление этих резисторов практически не зависит от напряжения.

Металлопленочные резисторы содержат резистивный элемент в виде очень тонкой (десятые доли микрометра) металлической пленки, осажденной на основание из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Металлопленочные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой надежностью. Недостатком некоторых металлопленочных резисторов является пониженная надежность при повышенной номинальной мощности, особенно при импульсной нагрузке. ТКС резисторов типов ОМЛТ не превышает 0,02. Уровень шумов резисторов группы А не более 1 мкВ/В, группы Б - не более 5 мкВ/В.

Металлоокисные резисторы изготовляются нам основе окислов металлов, чаще всего двуокиси олова. По конструкции они не отличаются от металлопленочных, характеризуются средней стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения, высокой надежностью.

Проволочные резисторы постоянного сопротивления обычно выполняют на цилиндрическом изоляционном основании с одно- или многослойной обмоткой. Провод и контактные узлы защищают, как правило, эмалевыми покрытиями. Проволочные резисторы характеризуются высокой стабильностью сопротивления, низким уровнем собственных шумов, большой допустимой мощностью рассеяния, высокой точностью сопротивления. Эти резисторы обладают сравнительно большими паразитными реактивными параметрами и поэтому применяются лишь на сравнительно низких частотах. В качестве обмоточных проводов используются провода высокого сопротивления. Для уменьшения паразитных параметров проволочных резисторов применяют намотки специальных видов.

1.2 Обозначения резисторов на электрических схемах

Резистор обозначают на электрических схемах в виде:

69

Номинальную мощность рассеяния резистора (от 0,05 до 5 Вт) обозначают специальными знаками внутри символа:

69

Постоянные резисторы могут иметь один или несколько выводов:

Сопротивление постоянного резистора изменить невозможно. Если в цепи необходимо установить определенный ток или напряжение, возле символа резистора ставят звездочку и резистор подбирают.

1.3 Конструкция дискретных резисторов

Сопротивление резистора -- это один из основных параметров, который учитывают при конструировании резистора, а также при выборе его для применения в конкретной схеме. Схемы конструкций наиболее распространенных проводящих элементов резисторов показаны на рис. 1.1.

69

Сопротивление резистора определяется геометрическими размерами и свойствами материала проводящего участка элемента:

,

где l -- длина проводящего участка элемента; S --площадь поперечного сечении; - удельное объемное сопротивление материала.

Удельным объемным сопротивлением называют сопротивление образца данного материала, длина которого, выраженная в метрах, равна площади поперечного сечения (в м²):

(Омм),

где l -- длина проводящего участка элемента.

Удельные объемные сопротивления материалов, используемых для производства резисторов приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Удельное объемное сопротивление материалов, используемых для производства резисторов

Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному объемному сопротивлению:

(Омм)^-1

Сопротивление резистора объемной конструкции (рис. 1.1а):

где D - диаметр проводящего элемента, где l -- длина проводящего участка элемента.

Для резисторов цилиндрической формы с проводящей пленкой, нанесенной на поверхность изоляционного основания, когда толщина пленки мала по сравнению с диаметром основания, сопротивление определяется выражением:

,

где h -- толщина пленки; l - длина проводящего участка пленки.

Рис. 1.1. Схемы конструкций проводящих элементов резисторов: а -- объемная (цилиндрическая); б, в -- пленочная; г -- пленочная со спиральной нарезкой; д -- пленочная с прорезями; е -- с проволочным проводящим элементом; ж -- подковообразная; з -- шайбовая; и -- дисковая; к -- бусинковая

Сопротивление участка пленки, имеющего равную длину и ширину, т.е. сопротивление квадрата пленки:

_кв=/h Ом

Для непроволочных резисторов характерным является отношение:

,

которое называют коэффициентом формы. Значение коэффициента К_ф в конструкциях постоянных резисторов обычно близко к единице (0,6-1,5).

У резисторов с малой длиной проводящего элемента неэффективно используется общий объем, поскольку длина контактной арматуры становится сравнимой с рабочей длиной проводящего элемента. Конструкция с большим значением К_ф (длинные и тонкие) неудобны в монтаже и в ряде случаев имеют малую механическую прочность. Коэффициент К_ф определяет также частотные свойства резистора.

Сопротивление резистора поверхностного типа можно увеличить на несколько порядков путем последовательного снятия слоев проводящего элемента спиральной нарезкой или прорезанном изолирующих канавок. Нарезка проводящего элемента дает возможность использовать в конструкциях высокоомных резисторов пленки большей толщины, имеющие достаточно высокую стабильность характеристик.

Наиболее распространенным является способ спиральной нарезки, который позволяет получить резисторы с широким диапазоном сопротивлений и в то же время является простым в производственных условиях и легко управляемым. Благодаря спиральной нарезке сводится к минимуму влияние переходного сопротивления в контактном узле па полное сопротивление резистора. Полагая, что сопротивления контактных узлов малы, структура проводящего элемента однородна и шаг спирали значительно меньше диаметра основания, сопротивление резистора со спиральной нарезкой (рис. 1.1 г) можно рассчитать так:

,

где N -- число витков нарезки; t -- шаг спирали; а -- расстояние между смежными витками.

Коэффициент нарезки, характеризующий изменение сопротивления в результате нарезки:

,

где R` -- сопротивление после нарезки; R - сопротивление до нарезки.

Прорези на проводящем слое с целью увеличения сопротивления резистора делают также вдоль основания (рис. 1.1, д). В этом случае коэффициент нарезки:

,

где N -- число прорезей; а -- расстояние между смежными проводящими полосками.

Сопротивление проволочных резисторов (рис. 1.1, е) определяется длиной проволоки, ее удельным сопротивлением ? и площадью поперечного сечения S:

.

В конструкциях переменных резисторов обычно применяют подковообразные проводящие элементы (рис. 1.1, ж).

Сопротивление проводящего участка пленки длиной d у элемента, показанного на рис. 1.1 ж:

, , ,

где r₁, r₂ - внутренний и внешний радиусы проводящего элемента; ? - угол соответствующий проводящему участку дуги; h - толщина токопроводящего слоя.

Сопротивление проводящего элемента переменного резистора:

Сопротивление проводящего элемента резистора шайбовой конструкции (рис. 1.1з):

1.2 Резисторы переменного сопротивления

Основные параметры резисторов переменного сопротивления приведены в таблице 11.20, а габаритные чертежи некоторых типов - на рисунке 11.12.

Резисторы переменного сопротивления применяются для регулирования силы тока и напряжения. По конструктивному исполнению они делятся на одинарные и сдвоенные, одно- и многооборотные, с выключателем и без него; по назначению - на построечные для разовой или периодической подстройки аппаратуры и регулировочные для многократной регулировки в процессе эксплуатации аппаратуры; по материалу резистивного элемента - на проволочные и непроволочные; по характеру изменения сопротивления (функциональной зависимости) - на резисторы с линейной (группа А), обратно логарифмической (группа Б), логарифмической (группа В) и другими функциональными зависимостями (группы Е, И).

Проволочные резисторы переменного сопротивления отличаются повышенной термостойкостью, нагрузочной способностью, высокой износостойкостью, стабильностью параметров при различных внешних воздействиях, сравнительно низким уровнем собственных шумов и малым ТКС. Недостатки этих резисторов - ограниченный диапазон номинальных сопротивлений, значительные паразитные емкость и индуктивность, сравнительно высокая стоимость.

1.3 Терморезисторы

Терморезистор это линейный и нелинейный резистор, сопротивление (проводимость) которого значительно зависит от температуры. Таким свойством обладают и металлы, и полупроводники.

Терморезисторы из платины, меди и других металлов изготавливают в форме проволоки диаметром 0,04…0,08 мм, бифилярно намотанной на изоляционный каркас и помещенной в герметический корпус. Такие терморезисторы имеют небольшой температурный коэффициент сопротивления (0,4…0,5%С) и значительные габаритные размеры.

Терморезисторы на основе полупроводников имеют достаточно большое сопротивление, по сравнению с металлическими, меньшие габаритные размеры (десятые доли миллиметра) и в 10-20 раз больший ТКС. Они проще по конструкции и надежнее в эксплуатации. Поэтому полупроводниковые терморезисторы имеют более широкое применение.

С ростом температуры сопротивление металла увеличивается, что объясняется увеличением рассеяния свободных электронов на различных дефектах кристалла. Поэтому температурный коэффициент сопротивления металлических терморезисторов положительный.

Большинство полупроводниковых терморезисторов имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (термисторы), что проще объяснить на примере температурной зависимости проводимости (рис. 2.1). На участке I проводимость увеличивается, (сопротивление уменьшается) за счет ионизации примеси и соответствующего увеличения концентрации свободных носителей заряда (дырок или электронов). На участке 2 проводимость может оставаться постоянной за счет того, что вся примесь ионизирована, а ионизация собственных атомов еще не наступила. На участке 3 проводимость увеличивается за счет ионизации собственных атомов и образования свободных дырок и электронов.

Рисунок 2.1. - Температурная зависимость проводимости

Для изготовления терморезисторов применяют оксидные полупроводники Mn₃O₄, Co₃O₄, CoO, CuO, кобальтово-марганцевые, медно-марганцевые и др. Терморезисторы применяются для измерения и регулирования температуры, температурной компенсации различных элементов электрических цепей, в схемах стабилизации напряжения, уровня сигнала на выходе усилителя и других целей. В зависимости от этого они делятся на следующие группы:

· терморезисторы для измерения и регулировки температуры;

· термокомпенсаторы;

· терморезисторы для теплового контроля;

· терморезисторы для стабилизации напряжения;

· измерительные терморезисторы (термисторы), в частности, болометры (для индикации и измерения теплового излучения).

Конструктивно рабочий элемент терморезистора делается в виде пластин, стержней, трубок, шариков или проволоки для металлических терморезисторов. Рабочий элемент защищается влагостойким покрытием, стеклянным, металлическим или металлостеклянным герметичным корпусом. Терморезисторы могут быть с прямым подогревом (за счет протекающих через них токов) или с косвенным подогревом (за счет специального подогревающего элемента).

Маркировка терморезисторов определяется материалом рабочего тела, параметрами, особенностями конструкции, например:

· КМТ - кобальтовомарганцевый терморезистор;

· ММТ - медно-марганцевый терморезистор;

· СТ1-21 - сопротивление термоуправляемое (1-кобальтомарганцевое, 3-медно-кобальтомарганцевое; 21 - номер разработки);

· ТКП - терморезистор с косвенным подогревом;

· ТКПМ - то же, но малогабаритный; материалом служат окислы титана, ванадия и железа.

Цепь с терморезистором изображена на рис. 1.2. При разработке практических схем с использованием терморезисторов учитываются не только зависимости ВАХ, сопротивления и других параметров от температуры самих терморезисторов, но и подобные зависимости добавочных сопротивлений, шунтов, регулируемых элементов.

69

Рисунок 1.2. - Цепь с терморезистором

E = U_T + U_R = U_T + IR

U_T = f (I)

Теоретическая ВАХ терморезистора приведена на рис. 1.3.

Рисунок 2.3. - ВАХ терморезистора

Помимо ВАХ важнейшей характеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от температуры (рис. 2.4).

Рисунок 2.4. Температурная зависимость сопротивления терморезистора с отрицательным ТКС

Позистором называется терморезистор с положительным ТКС. Позисторы, как и термисторы, можно использовать для температурной стабилизации режима транзисторов. Температурной зависимостью сопротивления можно управлять, используя последовательное или параллельное соединение позистора и термистора или позистора и линейного резистора. При сочетании позистора и термистора температурная зависимость сопротивления имеет максимум или минимум в зависимости от способа их соединения.

1.3 Варисторы

Варистор - это нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Зависимость сопротивления от напряжения наблюдается у ряда окислов и сульфидов металлов, диборита титана, карбида кремния и у многих материалов сложного состава. Для изготовления варисторов чаще применяют технический карбид кремния (SiC) различных аллотропических модификаций в виде порошка, смешанного со специальным связующим диэлектрическим веществом (связкой). В качестве связки применяют керамику, жидкое стекло, кремнийорганические лаки и другие материалы. Карбид кремния, связанный керамикой, называют тиритом. Материал со стеклянной связкой называют вилитом, а с ультрофарфоровой - лэтином.

Стехиометрическому составу карбида кремния соответствуют: 70,045% Si и 29.955% C. Кристаллы с составом бесцветны, обладают собственной электропроводностью и шириной запрещённой зоны, равной 2,8…3,1 эВ. При нарушении этого состава изменяется тип проводимости: при избытке атомов кремния преобладает электронная проводимость, а при избытке атомов углерода - дырочная.

Тип проводимости и окраска зависят также от вида примеси. Электронная проводимость и зелёная окраска получаются от примеси элементов пятой группы: N, P, As, Sb, Bi. Дырочную проводимость дают примеси второй - Ca, Mg и третьей - Al, B, Ga, In группы, окрашивая основной материал в голубой или фиолетовый цвет. Изготавливают варисторы по керамической технологии: карбид кремния измельчают в порошок, просеивают на фракции, смешивают со связкой (до 10% связки) и из этой массы прессовкой получают образцы в виде цилиндров, дисков или пластин; затем следует термическая обработка, нанесение электродов и остальные операции, типичные для производства полупроводниковых приборов.

Маркировка варисторов расшифровывается следующим образом:

· СН - сопротивление нелинейное;

· первая цифра обозначает материал (1 - карбид кремния, 2 - селен);

· вторая цифра - тип конструкции (1, 8 - стержневой, 2, 6, 7, 10 - дисковый, 3 - микромодульный);

· третья - порядковый номер разработки;

· далее указывается классификационное напряжение в вольтах и его допустимый разброс в процентах.

Например: СН1-1-1-820 10%. Расшифровка: сопротивление нелинейное из карбида кремния стержневого типа первой разработки, рассчитанное на работу при классификационном напряжении 820 В с разбросом 10%.

Рисунок 1. - Структура рабочего тела варистора: 1-электроды; 2-зёрна карбида кремния, 3-связующий материал

Рабочая область варистора (рис. 1) состоит из поликристаллов карбида кремния или другого полупроводника, разделённых диэлектрической связкой. Под действием приложенного напряжения в локальных местах соприкосновения отдельных зёрен карбида кремния или в оксидных плёнках на поверхности зёрен развиваются тепловые эффекты или эффекты сильного поля (лавинный или туннельный пробой). При увеличении плотности тока и выделяемой мощности возможен переход эффектов сильного поля в тепловые. Из-за нерегулярности площадей и сопротивлений контактов зерен, варистор обладает нелинейной и, практически, симметричной ВАХ (рис. 2).

Рисунок 2. - Вольт - амперные характеристики варисторов: 1 - СН1-2-1-56 20; 2 - …82 20%; 3 - …120 10%; 4 - …180 10%; 5 - …270 10%

Основное назначение варисторов - защита элементов электрических цепей постоянного, переменного и импульсного токов от перенапряжений; защита контактов реле разрушения и обмоток от пробоя. Варисторы применяют также для регулировки и стабилизации различных цепей и блоков РЭА, для улучшения их помехоустойчивости и ряда других важных функций.

Рассмотрим некоторые простые примеры практического применения варисторов. На рисунке 3 показана схема стабилизатора выходного напряжения и его выходная характеристика. Известно, что коэффициент стабилизации прямо пропорционален коэффициенту нелинейности ВАХ варистора. В частности, при:

а при :

где R_СТ - статическое сопротивление варистора, ? - коэффициент ВАХ нелинейности варистора.

Рисунок 3. - а) схема стабилизации напряжения; б) его внешняя характеристика: R - линейный резистор, В1 - варистор, R_Н - сопротивление нагрузки

Таким образом, для получения лучшей стабилизации нужно выбрать варистор с максимальным коэффициентом нелинейности в рабочей точке ВАХ.

Выходное напряжение может изменяться при изменении сопротивления нагрузки. При этом коэффициент стабилизации:

где ?R_Н, ?U_ВЫХ - приращения сопротивления соответственно нагрузки и выходного напряжения. Если, ?R_Н / R_Н =0,3, R / R_СТ =2, то К_СТ =5,8 при. =4.

Если вместо линейного резистора R включить второй варистор с коэффициентом нелинейности ₂ = ₁ = 4, то при ?R_Н / R_Н =0,3 и R_С2 / R_С1 = 2 коэффициент К_СТ = 7,4. При этом внешняя характеристика стабилизатора будет такой, как показано на рис. 1.4.

Специальным выбором режима работы стабилизатора можно получить и большие значения К_СТ.

Здесь через R_С обозначено статическое сопротивление варистора. Другой пример - включение варистора в схему с индуктивными элементами (рис. 5).

Рисунок 4. - Внешняя характеристика при замене линейного сопротивления варистором

Специальным выбором режима работы стабилизатора можно получить и большие значения К_СТ.

Здесь через R_С обозначено статическое сопротивление варистора. Другой пример - включение варистора в схему с индуктивными элементами (рис. 5).

Рисунок 5. - Схема включения варистора для искрогашения

Здесь варистор играет роль нелинейного шунта, имеющего большое сопротивление при низком напряжении и малое при всплесках. При включённой кнопке К_КН напряжение на варисторе равно U, его сопротивление больше активного сопротивления R_L катушки индуктивности и ток через варистор очень мал. В момент размыкания цепи возникает ЭДС самоиндукции и всплеск напряжения, сопротивление варистора резко уменьшается и ток самоиндукции замыкается на варистор. В противном случае в разрыве контактов возникла бы искра, и при многократных разрывах контакты подгорали бы.

Кроме варисторов, в качестве резисторов, управляемых электрическим полем, применяются полупроводниковые приборы с p - n переходом и МДП-структуры.

1.1 Параметры и характеристики варисторов

Статическое и динамическое сопротивление.

На линейном участке ВАХ или в заданной рабочей точке С (см. рис. 2) сопротивление варистора определяется как статическое:

.

На линейном участке сопротивление изменяется при различных напряжениях и определяется как динамическое (дифференциальное):

.

Практически при известной ВАХ величина R_Д определяется по углу ? касательной, проведённой через соответствующую точку:

,

где к - масштабный коэффициент пересчёта единиц измерений, В/А

Коэффициент нелинейности ВАХ.

Нелинейность ВАХ в заданной точке С (рис 4) определяется отношением статического и динамического сопротивлений:

,

или графически

.

На линейном участке коэффициент нелинейности ?=1. В расчётах используется также обратная величина - показатель нелинейности:

.

Коэффициент нелинейности может быть рассчитан также по двум измеренным значениям тока I₁, I_2.

При соответствующих напряжениях:

.

Коэффициент нелинейности большинства промышленных варисторов в пределах ВАХ имеет значения 1…5.

Вольт - амперная характеристика.

ВАХ варисторов в параметрической форме для расчетов, как правило, не пригодна из - за многих неизвестных величин. Поэтому на практике пользуются узким диапазоном напряжений, в котором коэффициент нелинейности ??const. В этом случае ВАХ соответствует уравнению:

,

где коэффициент А - зависит от температуры и особенностей структуры варистора (количества зёрен карбида кремния, площади контактов зёрен), а статическое сопротивление выражается как функция тока или напряжения:

,

.

Асимметрия токов.

Это отношение

где I₁ и I₂ - токи через варистор при различной полярности приложенного напряжения. Желательно, чтобы асимметрия была минимальной.

Температурный коэффициент тока - это отношение:

,

при постоянном приложенном напряжении. Здесь: I₁ - ток при температуре T1 = 20 ±2⁰С; I2 - при T₂ - 100 ±2⁰С. Наряду с TKI пользуются также температурным коэффициентом напряжения и статического сопротивления. Чем более нелинейная ВАХ, тем больше ТК.

Классификационное напряжение и допуск на него

Классификационное напряжение (U_КЛ) - это напряжение, определяемое при установленном классификационном токе I_КЛ. Допуск на классификационное напряжение (?U_КЛ) - это допустимое отклонение от классификационного напряжения, %:

,

где U - измеренное напряжение. Классификационное напряжение, как правило, отличается от рабочего, которое выбирается с учётом допустимой мощности рассеяния.

Номинальная мощность рассеяния Р_РАС - это наибольшая допустимая мощность, которую варистор может рассеива ...........