Типы электронных компонентов

Помимо резисторов, конденсаторов и индукторов, печатные платы часто включают в себя другие пассивные элементы. Часть из них — это разновидности основных трёх компонентов, выделенные в отдельные группы.

Трансформаторы

Трансформатор — это пассивный компонент, который передаёт электрическую энергию из одной цепи в другую посредством магнитной индукции. Трансформаторы преобразуют уровни напряжения, гарантируя, что устройства получат правильное количество энергии. Большие силовые трансформаторы обычно выносятся за пределы платы из-за размера.

Ферриты

Это небольшие индуктивные компоненты, используемые в основном для фильтрации высокочастотного шума (часто размещаются на линиях питания для блокировки радиочастотных помех).

Потенциометры и подстроечные резисторы

Это регулируемые резисторы (обычно небольшая ручка или винт, который изменяет значение сопротивления), используемые для точной настройки параметров схемы (например, регулировки контрастности на дисплее или настроек калибровки). Это пассивные устройства, но они требуют механической регулировки, часто считаются электромеханическими пассивными.

Предохранители

Пассивный защитный компонент — по сути, провод или материал, который плавится и разрывает цепь, если ток превышает определённый порог. Предохранители (или самовосстанавливающиеся предохранители) широко используются на печатных платах для защиты от перегрузки по току, особенно на входах питания.

Одним из вариантов предохранителей являются варисторы. Варистор (резистор, зависящий от напряжения) защищает цепи от скачков напряжения, поглощая избыточную энергию.

Предохранители защищают от коротких замыканий и скачков тока. Варисторы — от скачков напряжения от внешних источников, таких как молния.

Активные электронные компоненты изменяют электрические сигналы, которые проходят через них. Обычно у них есть элемент управления, который заставляет их изменить сигнал в зависимости от конкретных условий, возникающих вокруг них. Примерами таких компонентов являются диоды, транзисторы, интегральные схемы и т. д.

Для достижения необходимой функциональности схемы проектировщик комбинирует активные и пассивные компоненты таким образом, чтобы их взаимодействие под воздействием электрического тока вызывало необходимый разработчику результат.

В отличие от пассивных компонентов, активные компоненты требуют внешнего источника питания для функционирования. Они управляют сигналом, усиливают мощность и регулируют напряжение в электронных цепях. Эти компоненты обычно содержат полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий, и формируют основу цифровой логики, усиления, регулирования мощности и обработки сигналов в современных печатных платах.

Основные группы активных компонентов печатных плат включают диоды, транзисторы и интегральные схемы (ИС). Каждая из этих групп играет важную роль в обеспечении разных функций печатной платы. Активные компоненты делают возможными сложные электронные устройства — от усилителей и генераторов до микропроцессоров и блоков памяти. Далее мы обсудим наиболее важные типы активных компонентов, которые можно встретить на печатных платах, и их роли. Также вы можете найти в справочнике дополнительную информацию по практическому проектированию печатной платы от схемы до прототипа.

Диод — это полупроводниковый прибор с однонаправленной проводимостью, позволяющий току течь в одном направлении и блокирующий ток в другом направлении. Диоды часто используются в цепях для таких функций, как выпрямление, обнаружение, регулирование напряжения и переключение. В зависимости от материалов и функций диоды можно разделить на кремниевые диоды, германиевые диоды, выпрямительные диоды, светодиоды и т. д.

Диод — двухконтактный (двухэлектродный) компонент. Электроды диода называются катод и анод. Диод ведёт себя как односторонний клапан для электрического тока: при прямом смещении (положительное напряжение на его аноде относительно его катода) диод проводит ток (после начального падения прямого напряжения, около 0,7 В для кремниевых диодов), то есть, диод имеет малое сопротивление и через диод течёт прямой ток — это состояние называется диод открыт. При обратном смещении (катод имеет положительный потенциал относительно анода, сопротивление диода большое, обратный ток почти равен нулю) он блокирует ток (до его пробивного напряжения) — диод закрыт. Это простое свойство делает диоды чрезвычайно полезными для управления направлением тока.

Явление односторонней проводимости было открыто ещё в конце 19 века (1873 год, Гутри, Англия). Первый диод был запатентован Джоном Флемингом, в 1904 году в Англии. Это были диоды с термоэлектронной эмиссией. Первый кристаллический выпрямитель был изобретён в 1899 году немцем Карлом Брауном. Годом позже был создан первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. В конце XIX — начале XX века диоды называли «выпрямитель», термин диод появился только в двадцатых годах XX века.

Принципиально диоды разделяются на полупроводниковые и не полупроводниковые.

Они бывают полупроводниковые, электровакуумные (кенотроны), газонаполненные (газотроны, стабилитроны, игнитроны) и другие. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев используются полупроводниковые диоды.

Электровакуумные диоды

Электровакуумные диоды состоят из вакуумного баллона с двумя основными электродными частями: катодом и анодом. Катод подогревается электрическим током накала, что инициирует термоэлектронную эмиссию — процесс выхода электронов из поверхности катода в вакуум. Когда к аноду прикладывают положительное относительно катода напряжение, возникшее электрическое поле ускоряет движение электронов от катода к аноду, обеспечивая протекание тока через диод. Однако при отрицательном потенциале на аноде электроны отталкиваются и ток не возникает, что является основополагающим свойством диодов — однонаправленным пропуском электрического заряда.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод представляет собой структуру из двух типов полупроводников: n-типа с отрицательным типом примесной проводимости и p-типа с положительным, либо комбинацию металла (диод Шоттки) с одним из них. Основным активным элементом такого диода является p-n переход, который обеспечивает одностороннюю проводимость тока — он пропускает электрический заряд только в одном направлении. Некоторые диоды, такие как диод Ганна, не содержат стандартного p-n перехода и работают на иных физических принципах, сохраняя при этом функцию однонаправленной передачи заряда.

Лавинные диоды

Это диоды, которые проводят ток в обратном направлении, когда обратное напряжение смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на диоды Зенера (и часто ошибочно называются диодами Зенера), но пробиваются по другому механизму: лавинному эффекту. При приложении обратного напряжения выше определённого порога в области пространственного заряда (где происходит переход от n к p типу) начинается интенсивное ударное ионизационное взаимодействие между свободными зарядами и атомами кристаллической решётки полупроводника. Это приводит к образованию большого числа дополнительных пар электрон-дырка, что вызывает лавинообразное увеличение тока через диод.

Разница между лавинным диодом (который имеет обратный пробой выше примерно 6,2 В) и диодом Зенера заключается в том, что длина канала первого превышает среднюю длину свободного пробега электронов, что приводит к множеству столкновений между ними на пути через канал. Единственное практическое различие между этими двумя типами заключается в том, что они имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Лавинно-пролётные диоды

Это элементы, принцип работы которых основан на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.

Выпрямительные диоды

Это диоды, используемые для преобразования переменного тока в постоянный. Используются в блоках питания различного назначения, а также электроэнергетике. Для повышения коэффициента полезного действия выпрямительные диоды включают по мостовой (реже полумостовой) схеме, чтобы питание нагрузки выпрямленным током осуществлялось на протяжении обоих полупериодов.

Стабилитроны (диоды Зенера)

Диод, работающий в режиме обратимого пробоя p-n-перехода при приложении обратного напряжения. Используются для стабилизации напряжения. Их можно заставить проводить ток в обратном смещении (назад), и их правильно называть диодами обратного пробоя. Этот эффект, называемый пробоем Зенера, происходит при точно определённом напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного источника опорного напряжения.

Туннельный диод (диод Лео Эсаки)

Эти диоды имеют область работы, показывающую отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием (квантовомеханические эффекты), что позволяет усиливать сигналы и очень простые бистабильные схемы. Из-за высокой концентрации носителей туннельные диоды очень быстры, могут использоваться при низких (мК) температурах, сильных магнитных полях и в условиях высокой радиации. Из-за этих свойств они часто используются в космических аппаратах.

Обращённые диоды

Это разновидность туннельного диода, имеющий гораздо более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем обычный диод. Принцип работы такого диода основан на туннельном эффекте.

Варикапы (диоды Джона Джеумма)

Диоды, обладающие большой ёмкостью при запертом p-n-переходе, зависящей от величины приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости, управляемых напряжением. Они важны в схемах PLL (фазовая автоподстройка частоты) и FLL (частотная автоподстройка частоты). Ранее часто использовались в схемах настройки теле- и радиоприёмников.

Светодиоды (диоды Генри Раунда)

Диоды, отличающиеся от обычного диода тем, что при протекании прямого тока излучают фотоны при рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходе. Выпускаются светодиоды с излучением в инфракрасном, видимом, а с недавних пор — и в ультрафиолетовом диапазоне. Различные длины волн (или цвета) получаются в зависимости от используемого материала. Первые светодиоды были красными и жёлтыми, и со временем были разработаны более высокочастотные диоды. «Белых» светодиодов не существует, белое свечение достигается или жёлтым покрытием синих светодиодов, либо комбинацией трёх основных цветов.

Полупроводниковые лазерные диоды

Это диоды, близкие по устройству к светодиодам, но имеющий оптический резонатор (резонансную полость из полированных параллельных поверхностей). Излучают узкий луч когерентного света.

Фотодиоды

Диоды, в которых под действием света появляется значительный обратный ток. Также, под действием света, подобно солнечному элементу, способен генерировать небольшую ЭДС. В принципе, все полупроводники подвержены оптической генерации носителей заряда, поэтому их обычно упаковывают в непрозрачные корпуса. Фотодиоды, напротив, предназначены для обнаружения света. Фотодиод может использоваться в солнечных батареях, в фотометрии или в оптической связи.

Солнечный элемент — диод, похожий на фотодиод, но работающий без смещения. Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

Диоды Ганна

Эти диоды используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне. Они похожи на туннельные диоды, поскольку сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые демонстрируют область отрицательного дифференциального сопротивления. Используются для создания высокочастотных микроволновых генераторов.

Диод Шоттки

Это диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки изготавливаются из металла с полупроводниковым контактом. Они имеют более низкое прямое падение напряжения, чем диоды с p–n-переходом. Их используют в высокоскоростных схемах и радиочастотных устройствах, таких как импульсные источники питания, смесители и детекторы, в качестве выпрямителей с низкими потерями и т.д.

Магнитодиоды

Это диоды, вольтамперная характеристика которых существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

Стабисторы (прямые опорные диоды)

Диоды, имеющие в начале прямой ветви вольтамперной характеристики участок, позволяющий использовать его для стабилизации небольших напряжений (обычно от 0,5 до 3,0 В). Характеризуются чрезвычайно стабильными характеристиками прямого напряжения. В отличие от стабилитрона у стабистора это напряжение мало зависит от температуры. Эти устройства специально разработаны для низковольтных устройств, требующих гарантированного напряжения в широком диапазоне тока и высокой стабильности по температуре.

Смесительные диоды

Предназначены для перемножения двух высокочастотных сигналов. Используются в смесителях и детекторах в радарах и микроволновых приёмниках.

PIN-диоды

Диоды, обладающие меньшей ёмкостью за счёт наличия между сильнолегированными полупроводниками p- и n-типов материала, характеризующегося собственной проводимостью. Используются в СВЧ технике, как фотодетектор, в качестве радиочастотных переключателей и аттенюаторов, в качестве детекторов ионизирующего излучения большого объёма. Также PIN-диоды можно найти во многих силовых полупроводниковых приборах, таких как IGBT, силовые МОП-транзисторы и тиристоры.

Точечные диоды

Это диоды, отличающиеся низкой ёмкостью p-n-перехода и наличием на обратной ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ранее использовались в СВЧ технике (благодаря низкой ёмкости p-n-перехода) и применялись в генераторах и усилителях (благодаря наличию на обратной ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением). Точечные диоды используют металлическую проволоку небольшого диаметра, контактирующую с полупроводниковым кристаллом. Обычно демонстрируют более низкую ёмкость, более высокое прямое сопротивление и большую обратную утечку, чем плоскостные диоды.

• Прямое падение напряжения — напряжение, необходимое для проводимости (например, ~0,7 В для кремниевых диодов, ~0,3 В для диодов Шоттки)
• Обратное напряжение пробоя — определяет максимальное обратное напряжение, которое может выдержать диод
• Максимально допустимая частота переключения диода
• Максимально допустимая температура корпуса диода
• Максимально допустимая температура перехода диода
• Время обратного восстановления — важно для высокоскоростных коммутационных приложений
• Яркость и цвет светодиода (для LED) — определяются интенсивностью света и длиной волны

Большое количество вариаций диодов привело к достаточно сложно системе обозначений. В России действует ГОСТ 2 730-73 «ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В СХЕМАХ. Приборы полупроводниковые», примеры приведены в таблице 5 ГОСТа.

Для классификации и маркировки полупроводниковых диодов в РФ применяется система, установленная несколькими государственными стандартами (ГОСТы) и отраслевыми нормативными документами (ОСТы). В частности:

1. Для малых и средних мощностных диодов использовались ГОСТ 10862-64 и более поздний ГОСТ 10862-72; далее стандарты были заменены на ОСТ 11.336.038-77 и ОСТ 11.336.919-81, которые регулировали условные обозначения для данного типа диодов до определённого времени.
2. Для мощных полупроводниковых диодов применялись ГОСТы 20859-75 и 20859-79, которые определяли правила маркировки этих компонентов на протяжении нескольких лет.

Для стандартизации обозначения современных маломощных полупроводниковых диодов используется отраслевой стандарт ОСТ 11336.919-81, согласно которому каждому диоду присваивается обозначение, состоящее из пяти компонентов. Такое деление позволяет чётко идентифицировать основные характеристики и параметры конкретного электронного компонента.

Первый элемент — буква или цифра, указывает полупроводниковый материал, из которого изготовлен компонент:

1 или Г — германий или соединения германия;

2 или К — кремний или соединения кремния;

3 или А — соединения галлия;

4 или И — соединения индия.

Второй элемент — буква, обозначает подкласс (или группу) компонента:

Д — диоды выпрямительные, импульсные, диодные преобразователи (магнитодиоды, термодиоды и др.);

Ц — выпрямительные столбы и блоки;

В — варикапы;

И — диоды туннельные и обращённые;

А — диоды сверхвысокочастотные;

Ж — стабилизаторы тока;

С — стабилизаторы напряжения (стабилитроны, стабисторы, ограничители напряжения);

Г — генераторы шума;

Л — излучающие оптоэлектронные приборы;

О — оптопары;

Н — диодные тиристоры;

У — триодные тиристоры.

Третий элемент — цифра, определяет назначение или принцип действия компонента.

Четвёртый элемент — двухзначные числа от 01 до 99, указывают порядковый номер разработки. Допускается использование трёхзначных чисел от 101 до 999 при условии, что порядковый номер разработки превышает число 99.

Пятый элемент — буква, определяет классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии. В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).

ГОСТ 20859-79 устанавливает унифицированное обозначение силовых полупроводниковых приборов из следующих шести элементов.

Первый элемент — буква, обозначающая подкласс (вид) прибора:

Д — выпрямительный диод;

Л — лавинный диод.

Второй элемент — буква, определяющая функциональное назначение прибора:

Ч — высокочастотный диод, для диодов с временем обратного восстановления менее 5 мкс (для низкочастотных приборов дополнительное буквенное обозначение не применяется);

И — импульсный диод с временем включения менее 4 мкс.

Третий элемент — цифра от 1 до 9, определяющая порядковый номер модификации прибора.

Четвёртый элемент — цифра от 1 до 9, указывающая тип (размер) корпуса.

Пятый элемент — цифра от 1 до 5, конструктивное исполнение корпуса прибора:

1 — штыревое с гибким выводом;

2 — штыревое с жёстким выводом;

3 — таблеточное;

4 — под запрессовку;

5 — фланцевое.

Шестой элемент — цифры, которые указывают значение максимального допустимого среднего тока или импульсного тока в амперах. Перед обозначением тока ставится дефис.

Существует ряд общепринятых, стандартных и определяемых производителями схем нумерации и кодирования диодов; две наиболее распространённые из них — стандарт EIA/JEDEC и европейский стандарт Pro Electron:

EIA/JEDEC

Стандартизированная система нумерации серии 1N EIA370 была введена в США EIA/JEDEC (Объединённым советом по инжинирингу электронных приборов) около 1960 года. Большинство диодов имеют обозначение с префиксом 1 (например, 1N4003). Среди самых популярных в этой серии были: 1N34A/1N270 (германиевый сигнал), 1N914/ 1N4148 (кремниевый сигнал), 1N400x (кремниевый выпрямитель мощности 1A) и 1N580x (кремниевый выпрямитель мощности 3A).

JIS

В системе обозначений полупроводников JIS все обозначения полупроводниковых диодов начинаются с «1S».

Про Электрон

Европейская система кодирования Pro Electron для активных компонентов была введена в 1966 году и состоит из двух букв, за которыми следует код детали. Первая буква обозначает полупроводниковый материал, используемый для компонента (A → германий и B → кремний), а вторая буква обозначает общую функцию детали (для диодов A → маломощный/сигнальный, B → переменная ёмкость, X → умножитель, Y → выпрямитель и Z → опорное напряжение); например:

• Германиевые маломощные/сигнальные диоды серии АА (например, AA119)
• Кремниевые маломощные/сигнальные диоды серии BA (например, кремниевый радиочастотный переключающий диод BAT18)
• Кремниевые выпрямительные диоды серии BY (например, выпрямительный диод BY127 1250 В, 1 А)
• Кремниевые стабилитроны серии BZ (например, стабилитрон BZY88C4V7 4,7 В)

Другие распространённые системы нумерации/кодирования (обычно определяемые производителем) включают в себя:

• Германиевые диоды серии GD (например, GD9) – это очень старая система кодирования
• Германиевые диоды серии OA (например, OA47) – кодовая последовательность, разработанная британской компанией Mullard.

Транзисторы — это трёхконтактные полупроводниковые компоненты (триоды), которые выполняют функции усилителей или переключателей в электронных схемах. Они обычно используются для регулирования мощности, в цифровой логике и для усиления сигнала.

Транзисторы — основной строительный блок современной электроники. Одна микросхема может содержать несколько миллионов транзисторов. Также повсеместно транзисторы используются и в виде самостоятельных компонентов.

Концепция полевого транзистора была предложена ещё в 1925 году физиком Юлиусом Лилиенфельдом, но промышленность в то время не была способна произвести подобное устройство. Первый работающий транзистор был изготовлен в Bell Labs в 1947 году, а в 1950-х там же был изобретён самый популярный MOSFET транзистор (полевой). В знак признания этого достижения Шокли, Бардин и Браттейн совместно получили Нобелевскую премию по физике 1956 года «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Многие считают транзисторы одним из величайших изобретений 20-го века. Во многих устройствах транзисторы заменили механические системы.

Существует два основных семейства транзисторов:

1. Биполярные транзисторы (англ. BJT — Bipolar Junction Transistors, биполярные переходные транзисторы) — устройства с управлением током с конфигурациями NPN и PNP. Они имеют три клеммы: коллектор, базу и эмиттер. Ток базы управляет большим током коллектора-эмиттера. Когда ток (часто очень маленький ток) проходит в устройстве типа NPN от базы к эмиттеру, активируется другая цепь, заставляя ток (обычно гораздо больший) проходить от коллектора к эмиттеру. Направления переключаются в PNP-транзисторе.
   
   Используются для усиления сигнала, переключения маломощных нагрузок, часто применяются в аналоговых схемах.
2. Полевые транзисторы (англ. FET — Field-Effect Transistors, транзисторы с полевым эффектом) — управляемые напряжением транзисторы с высоким входным сопротивлением и низким энергопотреблением. Они отличаются от биполярных тем, что в них другая цепь активируется с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет клеммы, обозначаемые затвор, исток и сток. Напряжение на затворе может управлять током между истоком и стоком.
   
   Полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET) широко используются в цифровых схемах и силовой электронике.
   N-канальные MOSFET идеально подходят для переключения на нижнем плече, в то время как P-канальные MOSFET используются для переключения на верхнем плече.
3. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT, которые сейчас широко применяются в силовой электронике.

По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

• маломощные транзисторы до 100 мВт;
• транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт;
• мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По частоте

Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, ​​высокая, радиочастота (РЧ), СВЧ (максимальная эффективная частота транзистора в схеме с общим эмиттером или общим истоком обозначается термином f_T, сокращением от transition frequency — это частота, на которой транзистор обеспечивает единичное усиление по напряжению).

По исполнению

• дискретные транзисторы;
  • корпусные
    • для свободного монтажа
    • для установки на радиатор
    • для автоматизированных систем пайки
  • бескорпусные
• транзисторы в составе интегральных схем.

По материалу и конструкции корпуса

• В металлостеклянном/металлокерамическом корпусе.

Материал корпуса — металл. Материал изоляторов, через которые проходят выводы — стекло либо керамика. Имеют наибольший диапазон температур окружающей среды и максимальную защищённость от воздействия внешних факторов.

• В пластмассовом корпусе.

Отличаются меньшей стоимостью и более мягкими допустимыми условиями эксплуатации. У мощных приборов в пластмассовом корпусе кроме выводов часто имеется металлический теплоотвод — кристаллодержатель для монтажа прибора на внешний радиатор.

• Бескорпусные — применяются в составе гибридных микросхем и микромодулей.

Большинство транзисторов изготавливаются из кремния высокой чистоты. Также может использоваться германий и другие полупроводниковые материалы. До изобретения транзисторов основными активными компонентами электронного оборудования были вакуумные (электронные) лампы.

MOSFET на сегодняшний день является наиболее широко используемым транзистором как для цифровых схем, так и для аналоговых схем, составляя 99,9% всех транзисторов в мире. Биполярный транзистор (BJT) ранее был наиболее часто используемым транзистором в 1950-1960-х годах. Даже после того, как MOSFET стали широко доступны в 1970-х годах, BJT оставался транзистором выбора для многих аналоговых схем, таких как усилители, из-за их большей линейности, вплоть до того, как устройства MOSFET (такие как мощные MOSFET , LDMOS и RF CMOS ) заменили их для большинства приложений силовой электроники в 1980-х годах. В интегральных схемах желаемые свойства MOSFET позволили им захватить почти всю долю рынка цифровых схем в 1970-х годах. Дискретные МОП-транзисторы (обычно силовые МОП-транзисторы) могут применяться в транзисторных устройствах, включая аналоговые схемы, регуляторы напряжения, усилители, преобразователи мощности и драйверы двигателей.

Для обозначения транзисторных устройств используются три основных стандарта идентификации. В каждом из них буквенно-цифровой префикс даёт подсказку о типе устройства.

Это отделение EIA (Electronic Industries Alliance — ассоциация электронной промышленности), Joint Electron Device Engineering Council — комитет инженерной стандартизации полупроводниковой продукции.

Эти номера деталей имеют следующую форму: цифра, буква, порядковый номер, суффикс (необязательный).

Буква всегда «N», первая цифра — 1 для диодов, 2 для транзисторов, 3 для четырёхвыводных устройств и т. д. 4N и 5N зарезервированы для оптопары.

Порядковые номера идут от 100 до 9999 и указывают приблизительное время, когда устройство было впервые изготовлено.

Суффикс, если присутствует, может указывать на разные вещи. Например, 2N2222A — это улучшенная версия 2N2222. Он имеет более высокие коэффициент усиления, частоту и номинальные напряжения. Всегда проверяйте технический паспорт. Примеры: 1N914 (диод), 2N2222, 2N2222A, 2N904 (транзисторы).

Примечание. Когда версия транзистора JEDEC в металлическом корпусе переделывается в пластиковый корпус, ему часто присваивается номер, например PN2222A, что представляет собой 2N2222A в пластиковом корпусе.

Японский промышленный стандарт (JIS — Japanese Industrial Standard).

Такая нумерация компонентов имеет следующий вид: цифра, две буквы, порядковый номер, необязательный суффикс.

Цифры: 1 для диодов, 2 для транзисторов и т. д.

Буквы указывают тип и предполагаемое применение устройства в соответствии со следующим кодом:

Последовательные номера идут от 10 до 9999.

Необязательный суффикс указывает, что тип одобрен для использования различными японскими организациями.

Поскольку код транзисторов всегда начинается с 2S, его иногда опускают; например, 2SC733 может быть обозначен как C733.

Примеры: 2SA1187, 2SB646, 2SC733.

Европейская ассоциация производителей электронных компонентов (European Electronic Component Manufacturers Association — EECA) используют унаследованную после объединения с Про Электрон систему нумерации.

Эти номера деталей имеют вид: две буквы, необязательная буква, порядковый номер, необязательный суффикс.

Первая буква указывает материал:

A → Германий, Ge
B → Кремний, Si
C → Арсенид галлия, GaAs
R → составные материалы.

Эти номера деталей имеют вид: две буквы, [буква], порядковый номер, [суффикс]

Вторая буква указывает тип устройства и предполагаемое применение:

A: диод, RF

B: диод, варактор

C: транзистор, AF, малый сигнал

D: транзистор, AF, мощность

E: туннельный диод

F: транзистор, HF, малый сигнал

K: прибор на эффекте Холла

L: транзистор, HF, мощность

N: оптопара

P: устройство, чувствительное к излучению

Q: устройство, создающее излучение

R: тиристор, малой мощности

T: тиристор, мощность

U: транзистор, мощность, переключение

Y: выпрямитель

Z: стабилитрон или регулятор напряжения Диод

Третья буква указывает, предназначено ли устройство для промышленного или коммерческого применения. Обычно это W, X, Y или Z.

Последовательные номера находятся в диапазоне от 100 до 9999.

Примеры: BC108A, BAW68, BF239, BFY51.

Вместо 2N и т. д. некоторые производители используют собственную проприетарную систему обозначений. Вот некоторые распространённые префиксы:

MJ: Motorola power, металлический корпус

MJE: Motorola power, пластиковый корпус

MPS: Motorola low power, пластиковый корпус

MRF: Motorola HF, VHF и микроволновый транзистор

RCA: устройство RCA

TIP: Texas Instruments (TI) power transistor, пластиковый корпус

TIPL: TI planar power transistor

TIS: TI small signal transistor (пластиковый корпус)

ZT: Ferranti

ZTX: Ferranti

Примеры: ZTX302, TIP31A, MJE3055.

Многие производители также изготавливают детали на заказ или стандартные детали с индивидуальной маркировкой для крупных OEM заказчиков. Обычно на них есть маркировка или логотип OEM и номер детали. Когда излишки таких деталей попадают на рынок, они оказываются в «распродажных наборах» любителей. Поскольку данные об этих устройствах обычно недоступны, их лучше всего использовать в качестве светодиодных драйверов и других подобных устройств, где фактические характеристики не имеют решающего значения.

Транзисторы в основном используются как:

1. Переключатели. Например: использование транзистора для включения светодиода, управления двигателем или переключения реле высокой мощности с помощью маломощного логического сигнала. В цифровой логике транзисторы являются основой логических вентилей и памяти (хотя они обычно заключены в ИС).
2. Усилители. Пример: транзистор усиливает слабый сигнал микрофона для отправки на динамик (в аналоговых схемах часто несколько транзисторов или ИС операционного усилителя используются для многокаскадного усиления).
3. Регулирование напряжения. Например, транзистор используется в линейном регуляторе для поддержания постоянного выходного напряжения или в импульсном регуляторе для прерывания тока на высокой частоте.
4. Генераторы и синхронизация. Транзисторы можно настроить (с конденсаторами/резисторами) для создания колебательных сигналов (нестабильные мультивибраторы и т. д.) или использовать в аналоговых таймерах.

BJT или MOSFET?

• BJT часто полезны для малых аналоговых токов или когда требуется предсказуемый коэффициент усиления по току;
• MOSFET отлично подходят для цифровой коммутации и задач с большим током благодаря низкому сопротивлению в открытом состоянии.

Интегральные схемы (integrated circuit, IC, ИС, чипы — chip, микрочипы — microchip) — это активные компоненты, которые содержат несколько транзисторов (часто от тысяч до миллиардов в современных чипах) и другие компоненты (резисторы, конденсаторы), встроенные в полупроводниковую подложку и образующие функциональную схему.  

Такая схема часто заключена в пластиковый корпус различных размеров и форм, который также может иметь или видимые контакты, выступающие из корпуса, или контактные площадки под ним, такие как контакты на чипах BGA.

Они служат основой современных печатных плат, обеспечивая обработку сигналов, логическое управление и управление питанием.

В области электроники термины «интегральная схема» (ИС) и «микросхема» (МС) часто используются взаимозаменяемо, при этом ИС обычно обозначает сам кристалл или плёнку с электронной схемой. МС представляет собой интегральную схему, заключённую в защитный корпус для обеспечения её надёжности и удобства монтажа.

Также часто используется термин «чип-компонент», он относится к электронным элементам, предназначенным для установки на поверхность печатной платы методом поверхностного монтажа (SMT). Это отличает их от компонентов, которые требуют традиционного метода пайки через отверстия платы.

Первые интегральные схемы были созданы в конце 50-х — начале 60-х годов и первое время представляли собой простое объединение доступных на тот момент компонентов. Тем не менее, фактически, это был прорыв в полупроводниковой технике, ознаменовавший начало эпохи компьютеров.

Интегральные схемы (ИС) предлагают три основных преимущества над дискретными компонентами: компактность, экономию средств и высокую производительность. Компактность обеспечивается благодаря технологии фотолитографии, которая позволяет производить микросхемы как единый блок с многочисленными элементами вместо индивидуальной сборки каждого компонента. Это также сокращает расход материала по сравнению с дискретным монтажом. Высокая производительность связана со способностью ИС быстро переключаться между состояниями при минимальном потреблении энергии благодаря малому размеру и близкому расположению элементов друг к другу.

Основным недостатком интегральных схем является высокая начальная стоимость их разработки и значительные капитальные вложения в строительство заводов для массового производства. По этой причине ИС становятся коммерчески выгодными лишь при больших объёмах выпуска продукции.

В зависимости от типа обрабатываемых данных, интегральные схемы подразделяются на три основные категории: аналоговые (или линейные), цифровые и микросхемы смешанных сигналов, которые включают как аналоговые, так и цифровые функции в пределах одного устройства. Часто тип ИС диктует и её функцию. Функционально интегральные схемы можно разделить на следующие виды:

• Аналоговые ИС — включают операционные усилители (ОУ), регуляторы напряжения, компараторы и преобразователи данных (АЦП/ЦАП).
  Аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи — пример объединения аналоговой и цифровой схемы в одной ИС.
  Например, широко известный операционный усилитель LM358 для обработки сигнала, или регулятор напряжения 7805 для стабильного выхода 5 В.
• Логические ИС — выполняют базовые цифровые операции (например, вентили И, ИЛИ, НЕТ). Распространены в логических микросхемах серий 74xx и 40xx
• Микроконтроллеры (МК) и микропроцессоры (МПУ) — автономные компьютеры на кристалле.
  МК (например, ATmega328P) используются во встраиваемых системах (Arduino, устройства IoT).
  МПУ (например, серия ARM Cortex-A) используются в высокопроизводительных вычислительных приложениях.
• Микросхемы памяти — хранение данных и кода (например, Flash, EEPROM, DRAM).
• Микросхемы управления питанием (PMIC) — управление преобразованием мощности, регулированием и управлением аккумулятором
• Интерфейсные микросхемы — преобразование протоколов связи (например, USB, SPI, I2C) и управление периферийными устройствами, такими как двигатели или дисплеи.

Классификация по степени интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле;
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле;
• большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле;
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле.

Процесс изготовления интегральных схем включает следующие основные этапы:

Фотолитография:

1. Нанесение тонкого слоя фоторезиста на поверхность подложки (обычно кремниевой пластины).
2. Экспонирование этого слоя ультрафиолетовым светом через маску, содержащую паттерн будущей схемы.
3. Удаление неэкспонированных участков фоторезиста с помощью химических реагентов.
4. Травление полупроводника для создания требуемых геометрических форм активных элементов.

Осаждение:

1. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) или молекулярно-лучевое эпитаксиальное наращивание (MBE).
2. Нанесение тонких слоёв материала, например поликристаллического кремния или металлических плёнок на поверхность подложки для формирования необходимых структур схемы.

Травление:

1. Химическое травление для удаления ненужных материалов и создания нужных канавок в полупроводниковом материале.
2. Использование плазменных методов для более точной обработки поверхностей.

Дополнительно процесс включает:

• Легирование — это введение примесей для изменения электрофизических свойств полупроводника (например, n-типа или p-типа);
• И очистку. Тщательная очистка подложки и всех слоёв материалов от загрязнений проводится несколько раз за весь цикл производства.

В современных технологиях также используются более сложные методы, такие как FinFET транзисторы, которые обеспечивают повышенную производительность и меньшие размеры элементов схем по сравнению с традиционными планарными конструкциями.

Первые корпуса для интегральных схем представляли собой простые прямоугольные коробочки из керамики.

Первыми были стандартизированы DIP (dual in-line package) корпуса с двумя рядами контактов, которые также изготавливали из керамики и позже — из пластика. Увеличение количества выводов схем потребовало изменения структуры корпуса, что привело к использованию корпусов с матрицами выводов — PGA (pin grid array).

В конце 70-х годов был разработан корпус BGA (ball grid array), который к началу 21 века трансформировался в FCBGA (Flip-chip Ball Grid Array), в котором кристалл устанавливается в корпус «вверх ногами» и соединяется с выводами через подложку, что позволило размещать выводы по всему кристаллу, а не только по его краям.

Первый корпус для поверхностного монтажа — SOIC (small outline integrated circuit) появился в конце 80-х.

В конце 1990-х появились корпуса PQFP (plastic quad flat pack) и TSOP (thin small-outline package).

Основные корпуса процессоров, используемых в настоящее время — LGA и BGA (Intel), и PGA, LGA и BGA у AMD.

Разновидностей корпусов существует большое количество, каждому из них присваивается номер SOT, по которому можно определить длину, ширину, высоту корпуса, шаг выводов и совместимость.

Ниже приведены некоторые популярные и широко используемые в настоящее время корпуса.

Цифровые ИС

• Рабочее напряжение (Vcc): +2,5 В, +3,3 В, +1,8 В, +5 В, +12 В/-12 В;
• Максимальная рабочая частота;
• Время переключения и максимальная скорость передачи данных;
• Уровень напряжения ввода-вывода (TTL5 В, CMOS), максимальный допуск, V_IH, V_IL, V_OH, V_OL;
  (VOH — минимальное выходное напряжение для высокого/1 ​​состояния;
  VOL — максимальное выходное напряжение для низкого/0 состояния;
  VIH — минимальное напряжение, интерпретируемое как высокий логический уровень/1;
  VIL — максимальное напряжение, интерпретируемое как низкий логический уровень/0);
• Время установки ввода-вывода, время удержания, время достоверности данных;
• Тип ввода-вывода: цифровой или аналоговый;
• Выход с открытым коллектором или эмиттером;
• Общее количество вводов-выводов, необходимое для приложения;
• Тип интерфейсов связи, таких как SPI или I2C, и скорость;
• Рассеиваемая мощность:
  • Коммерческий тип от 0 °C до 60 °C, военный от -55 °C до 125 °C, промышленный от -40 °C до 85 °C;
• Размер.

Аналоговые ИС

• Рабочее напряжение (Vcc): +2,5 В, +3,3 В, +1,8 В, +5 В, +12 В/-12 В;
• Опорные напряжения;
• Максимальное и минимальное выходное напряжение;
• Напряжения смещения и ток;
• Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR — Common Mode Rejection Ratio);
• Коэффициент подавления помех от источника питания (PSRR — Power Supply Rejection Ratio);
• Диапазон амплитуд входного сигнала;
• Тип цифрового интерфейса связи и скорость;
• Рассеиваемая мощность:
  • Коммерческий тип от 0 °C до 60 °C, армейский от -55 °C до 125 °C, промышленный от -40 °C до 85 °C;
• Размер.

Код маркировки микросхемы, также известный как код производителя или номер детали (партномер, артикул), представляет собой уникальный идентификатор, присваиваемый интегральным схемам (ИС) их производителями. В отличие от большинства других компонентов он чаще всего не указывает на характеристики устройства из-за их сложности и большого объёма. Для понимания характеристик и свойств приходится использовать документацию производителя. Основная задача при идентификации схемы — правильно определить производителя и найти соответствующий модели ИС даташит.

Список идентификационных кодов интегральных схем (маркировочных кодов производителя)

Ниже приведены коды основных производителей микросхем. Часто вместо кода на корпусе можно найти только логотип производителя и код детали.

Цифры на корпусе могут помимо уникального кода детали может включать различные данные, такие как идентификация производителя, конкретный тип ИС (например, логические вентили, микроконтроллеры, усилители), тип корпуса, номинальные напряжения, диапазон температур, номинальные скорости и другие характеристики.

Кодирование даты

Код даты ИС часто имеет формат YYWW, где YY представляет последние две цифры календарного года, а WW представляет неделю года. Например, если код даты читается как «1917», это означает, что ИС была изготовлена ​​в 2019 году. Последние две цифры кода даты указывают неделю года, в котором была изготовлена ​​ИС. Например, в нашем случае «1917» — 17 означает, что ИС была изготовлена ​​на 17-й неделе года.

Производители часто считают первой неделей года неделю, на которую выпадает первый четверг года. Так, например, если календарный год начинается в среду или раньше, первая неделя года может считаться последней неделей предыдущего года.

Что означает 74 на корпусе ИС

Обозначение «74» в номере детали означает, что данная интегральная схема принадлежит к серии 7400 — одному из самых распространённых семейств коммерческих цифровых логических ИС. В эту серию входят разнообразные компоненты: логические вентили, триггеры, счётчики и мультиплексоры, обеспечивающие выполнение множества функций в электронных системах.

Основные технические характеристики коммерческих ИС серии 7400 включают:

• Рабочее напряжение от +4,75 В до +5,25 В, обеспечивающее стабильную работу схемы при указанном диапазоне напряжений питания.
• Температурный диапазон эксплуатации от 0°C до +70°C, что делает их подходящими для широкого спектра климатических условий.

Что такое интегральная схема 4011

Интегральная схема 4011 входит в серию КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник) серии 4000. IC 4011 — это четырёхканальная 2-входовая интегральная схема NAND. Она широко используется в цифровых электронных приложениях для функций логического вентиля. Вот типичный технический паспорт для IC 4011:

Общие характеристики:

Напряжение питания: от 3 до 15 В постоянного тока

Входное напряжение: от 0 до VDD

Выходное напряжение: от 0 до VDD

Рабочая температура: от -55°C до 125°C

Потребляемый ток: 8 мА (макс.)

Выходной ток: 6 мА (макс.)

Задержка распространения: 60 нс (тип.) при VDD=10 В, RL=1000 Ом

Особенности:

Четыре независимых вентиля NAND в одной ИС

Высокая помехоустойчивость

Высокоскоростная работа

Низкое энергопотребление

Совместимость с TTL и CMOS

Буферизованные выходы

Совместимость по выводам с другими логическими вентилями серии 4000

Как определить номера выводов микросхемы?

• Найдите выемку или точку (контрольную метку) на корпусе микросхемы, которая указывает её ориентацию и служит точкой отсчёта для нумерации выводов. В большинстве случаев вывод 1 расположен ближе всего к этой метке.
• Начните считать выводы с 1, присваивая номера выводам двигаясь вдоль корпуса ИС против часовой стрелки. Например, в 14-выводной микросхеме 4011 показанной выше выводы пронумерованы от 1 до 7 внизу слева направо и от 8 до 14 вверху справа налево.

Оптоэлектронные устройства предназначены для преобразования электрической энергии в световую. Эти устройства являются основой оптоэлектроники, соединяя области оптики и электроники. Обычно они основаны на полупроводниковых материалах, таких как кремний и германий. Их конструкция позволяет им эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы и обратно.

К оптоэлектронным компонентам относятся как некоторые из ранее рассмотренных устройств (светодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фотодиоды), так и некоторые другие — оптопары, эмиттеры, световые детекторы.

Светодиоды (англ. LEDs — Light Emitting Diodes) — используются наиболее часто. Часто встречающаяся и простая роль светодиодов на печатной плате — световая индикация состояния устройства (в простейшем варианте — вкл/выкл). Существует множество цветов, форм и размеров на выбор, но наиболее распространёнными являются красный, зелёный и жёлтый. Из-за различного и более сложного процесса производства синие стоят немного дороже других. Существуют квадратные, корпусные, SMD, угловые, сверхъяркие, многоцветные и многие другие виды, но все они имеют одинаковый принцип использования.

Более сложное применение светодиодов — светодиодные дисплеи. Они могут быть как относительно простыми, из нескольких диодов (7 диодов для цифры), так и образовывать панели из тысяч элементов.

Фотодиоды имеют схожую с обычными диодами внутреннюю структуру, однако их отличительная особенность заключается в открытой поверхности, которая подвергается воздействию света. Подобно другим компонентам такого рода, фотодиод функционирует как высокоомный резистор: его сопротивление значительно снижается при увеличении интенсивности падающего света. По поведению фотодиод напоминает фоторезистор; главное различие состоит в том, что для правильной работы необходимо обеспечить правильную полярность подключения компонента, подобно всем диодам.

Излучающие диоды или фотоэмиттеры представляют собой специализированный класс фотодиодов с уникальной способностью генерировать световое излучение вместо того, чтобы поглощать его. К этим типам относятся светодиоды (LED), которые могут излучать как видимый свет, так и инфракрасный или ультрафиолетовый диапазон для различных устройств беспроводной связи. Особенно широко ИК-светодиоды применяются в пультах дистанционного управления телевизорами и другими электронными устройствами.

Фотодиоды чаще всего используются в круглых металлических либо квадратных пластиковых корпусах с наличием стеклянного окна или линзы, обеспечивающей фокусировку входящего света на чувствительную область диода. Такая конструкция позволяет эффективно использовать свет для преобразования его энергии в электрический сигнал или для генерации светового сигнала при необходимости.

Внутренняя структура фототранзистора во многом напоминает конструкцию традиционного транзистора: здесь имеются база, эмиттер и коллектор. Ключевое отличие заключается в присутствии стеклянного окна, которое обеспечивает возможность проникновения света на поверхность кристаллической пластины, содержащей все элементы транзисторной структуры. Изменение интенсивности попадающего света приводит к вариациям сопротивления между базой и коллектором, что непосредственно влияет на величину тока коллектора.

В контексте фототранзистора свет выполняет роль, которую играет напряжение в базе обычного транзистора: он управляет током через устройство. Увеличение светового потока ведёт к росту тока через транзистор, тогда как уменьшение интенсивности света сопровождается снижением этого значения.

Оптопары являются специфическим классом фотоэлектронных устройств и представляют собой интегральные схемы, разработанные вокруг инфракрасного светоизлучающего диода (ИК-диод) и других фоточувствительных компонентов, таких как фототранзисторы или фототиристоры. В такой конфигурации ИК-светодиод используют для генерирования света, а «приёмная» часть — для его детектирования без прямого электрического контакта. Этот уникальный принцип работы оптопар гарантирует отсутствие электрической связи между излучателем и детектором.

Преимущество этой конструкции заключается в обеспечении безопасного соединения двух различных частей схемы, которые могут работать при разных напряжениях питания (напр., одна на 9 В, другая на 5 В). Таким образом, исключается риск повреждения чувствительных элементов более низкого вольтажа из-за попадания высокого напряжения. Это делает оптопары незаменимыми для создания изолированных цепей в сложных электронных системах.

Эти компоненты используются для управления питанием переменного тока в диммерах и промышленных устройствах.

Тиристор представляет собой развитую версию диода, обладающую дополнительным выводом — затвором (G). В отличие от простого диода, для начала проведения тока через тиристор необходимы два условия: положительное напряжение на аноде (А) относительно катода (К) и положительный потенциал на затворном входе с достаточным током. После активации затвора тиристор продолжает проводить ток независимо от состояния затвора до тех пор, пока ток между анодом и катодом не будет прерван.

Симистор (триак, англ. triac) является более универсальным вариантом по сравнению с тиристором: он способен работать в обоих направлениях и имеет три основных вывода — два анода (A1 и A2) и затвор (G), что делает его подходящим для регулирования цепей переменного тока. Симисторы часто используются в устройствах, где требуется плавная регулировка мощности, таких как ручные дрели или насосы.

Маркировка и корпусы:

• Тиристоры маркируются по системе буквенно-цифровых обозначений: например, КТ430.
• Как малые тиристорные устройства, так и симисторы малой мощности упакованы в те же корпуса, что используются для транзисторов. Однако мощные версии этих компонентов имеют уникальные корпуса большего размера.

Распиновка некоторых распространённых типов тиристоров и симисторов представлена на рисунках 6.2a и b соответственно. Диаки (или двухходовые диоды, как их ещё называют), используются совместно с этими устройствами из-за своей уникальной характеристики: они ведут себя подобно резисторам с высоким сопротивлением при напряжениях ниже определённого порога, после которого становятся низкоомными резисторами. Это свойство делает их полезными в системах управления током и напряжением.

Датчики или сенсорные интегральные схемы применяются для измерений разной точности.

С момента возникновения электроники были разработаны многочисленные типы сенсоров, охватывающие широкий спектр параметров: от простых датчиков смещения и уровня до более сложных измерителей скорости, ускорения, давления, расхода жидкостей и газов, влажности, ионизирующего излучения и температуры, а также множества других. С развитием технологий смартфонов и Интернета вещей (IoT — Internet of Things) возник значительный интерес к созданию инновационных классов датчиков — высокоинтегрированных и интеллектуальных решений с малым потреблением энергии.

Однако этот подход не охватывает всего многообразия способов их классификации. Знание различных категорий датчиков критично для инженеров при выборе наиболее подходящего инструментария для задач схемотехнического проектирования, поскольку это позволяет сэкономить значительное количество времени и усилий на этапе разработки систем автоматизации и управления процессами.

Основные категории классификации датчиков:

1. По принципу действия. Электрические (ёмкостные, индуктивные), механические (датчики деформации), оптические (фотодиоды) и др.
2. По измеряемому параметру. Температурные датчики, давления, влажности и т.д.
3. По уровню интеграции и функциональности. Интегрированные мультисенсорные системы, интеллектуальные устройства с обработкой данных на борту.
4. По условиям эксплуатации. Датчики для использования в различных климатических условиях, под водой или в агрессивной химической среде.
5. По точности и стабильности измерений.

С точки зрения схемотехники, все датчики можно отнести к одному из видов, которые мы рассмотрим далее.

1. Пассивные датчики. Эти устройства не требуют дополнительного источника энергии для создания своего выходного электрического сигнала. Их основная функция заключается в преобразовании входящего стимула (например, тепловой энергии) непосредственно в электрический сигнал без потребности во внешнем источнике питания. Типичным примером пассивного датчика служит термопара — устройство, которое измеряет разницу температур и преобразует её в напряжение, используя эффект Зеебека.
2. Активные датчики. В отличие от пассивных, активным датчикам необходим внешний источник энергии, называемый сигналом возбуждения. Этот сигнал используется для активации работы самого датчика, изменяющего его параметры (например, сопротивление) с цепью получения измеряемого выходного сигнала. Примером активного датчика может служить термистор — резистор, значение сопротивления которого изменяется в зависимости от температуры. Сигнал возбуждения проходит через термистор и изменяет своё значение пропорционально изменению температурного параметра, затем измеряется и интерпретируется.

Датчики также подразделяются на две категории — абсолютные и относительные — согласно способу определения их выходных значений через отношение к эталонным величинам или шкалам. Этот тип классификации позволяет точно понять принципы работы различных сенсоров в зависимости от характера используемого ими референсного значения.

1. Абсолютные датчики. Эти устройства измеряют физический параметр относительно абсолютно объективной шкалы, не зависящей от внешних условий или переменных. Например, выход термистора соответствует температурной шкале Цельсия без учёта дополнительных факторов, таких как окружающая температура. Это делает абсолютный датчик независимым от контекста использования и обеспечивает стабильность измерений при различных условиях эксплуатации.
2. Относительные датчики. В отличие от своего предшественника, относительным датчикам необходим специфический эталон для генерирования своего выходного сигнала. Примером может служить некоторые виды датчиков давления, которые используют атмосферное давление (около 14,7 фунтов на квадратный дюйм) в качестве опорного значения для измерения относительно него других величин. Это значит, что изменение измеренного параметра будет отсчитано от этого конкретного референсного уровня, делая результат зависимым от текущего состояния атмосферного давления и условий окружающей среды (например, в зависимости от высоты над уровнем моря во время измерения).

Таким образом, выбор между абсолютными и относительными датчиками зависит от требуемой точности измерений в конкретных условиях применения. Абсолютные датчики предпочтительны там, где необходима высокая степень независимости от внешних факторов, тогда как относительные могут быть оптимальными для устройств, требующих учёта специфических эталонных значений или изменения параметров относительно текущей обстановки.

1. Аналоговые датчики. Эти устройства используются для измерения физических величин и преобразования результатов в непрерывный электрический сигнал, пропорциональный измеряемой характеристике. Такой сигнал является аналоговым, что означает его способность плавно меняться в зависимости от изменения входных данных. Примерами могут служить термопары, потенциометрические датчики и другие аналоговые сенсоры.
2. Цифровые датчики отличатся тем, что генерируют выходной сигнал в виде двоичного кода (0 или 1), требуя предварительно аналого-цифрового преобразования данных для получения дискретного значения. После такого преобразования данные могут быть обработаны микроконтроллерами или компьютерами без потери точности. К примеру, это могут быть цифровые термометры, датчики движения на основе МЭМС-технологий и другие приборы с цифровыми выходами.

Важным преимуществом цифровых датчиков является возможность их легко интегрировать в современные электронные системы благодаря стандартизованным цифровым интерфейсам (например, I2C, SPI или UART), что облегчает обмен данными между датчиками и другими компонентами устройств. Кроме того, цифровое представление значительно упрощает дальнейшую обработку информации программными средствами, обеспечивая высокую точность измерений и устойчивость к шуму.

Датчики служат для восприятия различных явлений окружающего мира. Они используются для измерения разнообразных физических или материальных эффектов: от акустических волн до биологических сигналов через химические реакции, магнитные поля, оптические излучения, тепловые потоки и даже радиоактивные изотопы. Эти явления важны по причине того, что они предоставляют объективную информацию о мире вокруг нас, которую затем можно преобразовать в формат, понятный цифровым устройствам (микроконтроллерам), компьютерам и инженерам для дальнейшего использования при разработке электронных схем.

В списке ниже представлены основные типы стимулов и соответствующие им физические состояния.

• Акустические — звук, частота колебаний, амплитуда волны, фаза или поляризация, спектр, скорость волны.
• Биологические — сигналы живых организмов.
• Химические — концентрации веществ в растворах или газах.
• Электрические — заряд, ток, потенциал, напряжение, электрическое поле, проводимость, диэлектрическая проницаемость, сопротивление.
• Магнитные — магнитное поле, магнитный поток, проницаемость.
• Оптические — фаза или поляризация, показатель преломления, излучающая сила, отражательная способность, поглощение.
• Тепловые — температура, тепловой поток, удельная теплоёмкость, теплопроводность.
• Радиоактивные — излучение от нестабильных ядер.
• Механические — линейное или угловое положение, ускорение, давление, деформация, масса, плотность, момент, крутящий момент, форма, шероховатость, ориентация, жёсткость, структура.

Ранее мы обсуждали важность характеристик датчика как одного из методов их классификации при проектировании электронных схем. Для правильного выбора подходящего датчика обычно начинают с тщательного изучения технических характеристик (спецификаций), представленных в соответствующих документах на продукцию. Несмотря на то, что такие документы предоставляют обширную информацию, они зачастую могут оставлять термины и понятия недостаточно раскрытыми для полного понимания всех возможностей датчика.

• Точность, максимальная разница, которая существует между фактическим значением и указанным значением на выходе датчика. Точность может быть выражена либо в процентах от полной шкалы, либо в абсолютных величинах.
• Мёртвая зона — нечувствительность датчика в определённом диапазоне входных сигналов, где выход остаётся на определённом значении (обычно нуле) в пределах мёртвой зоны.
• Дрейф: постепенная деградация датчика и других компонентов, которая может заставить выходной сигнал датчика медленно меняться независимо от измеряемой величины.
• Гистерезис — это ошибка отклонения выходного сигнала датчика в указанной точке входного сигнала при приближении к нему с противоположного направления (например, от низкого к высокому по сравнению с высоким к низкому). Типичными причинами гистерезиса являются изменения конструкции, трения и структуры материалов.
• Линейность. Когда выходной сигнал датчика прямо пропорционален его входному сигналу во всем диапазоне.
• Нелинейность. Максимальная ошибка отклонения реальной передаточной функции по сравнению с приближением прямой линии.
• Смещение — это тип ошибки, который представляет собой разницу между реальным выходным значением и указанным выходным значением при определённом наборе условий.
• Точность, степень воспроизводимости измеренного выходного сигнала датчика.
• Диапазон, задающий минимальное и максимальное значения измеряемого входного сигнала.
• Повторяемость. Повторяемость — это ошибка воспроизводимости, вызванная неспособностью датчика отображать одно и то же значение в предположительно идентичных условиях. Возможными источниками ошибок повторяемости могут быть тепловой шум, накопленный заряд, пластичность материала и т. д.
• Разрешение — это наименьшее изменение, которое может быть обнаружено датчиком, выраженное как доля показания (или показания полной шкалы) или в абсолютных величинах.
• Время отклика. Это время, необходимое датчику для приближения к своему истинному выходу при ступенчатом изменении входного сигнала.
• Насыщение. Когда выходной сигнал датчика больше не реагирует на определённый уровень входного стимула. Насыщение демонстрирует предельную нелинейность. Чувствительность: минимальный входной физический параметр, который создаст обнаруживаемое изменение выходного сигнала.
• Стабильность — способность датчика поддерживать свой выходной параметр постоянным с течением времени. Изменения стабильности, также известные как дрейф, могут быть вызваны старением компонентов, снижением чувствительности компонентов и/или изменением соотношения сигнал/шум.

Датчики на интегральных схемах являются результатом новых возможностей обработки кремния, которая позволяет включать датчики и обработку сигналов в очень компактный корпус схемы.

В результате инженеры-электронщики теперь имеют полную палитру датчиков, монтируемых на печатную плату, для использования в своих схемах. Сенсоры ИС могут определять широкий спектр физических явлений, необходимых для работы устройств бытовой электроники, промышленного контрольного оборудования и встроенных устройств в системах IoT.

Наиболее часто используемые датчики IC сгруппированы в следующие категории:

• Ёмкостные
• Индуктивные
• Токовые
• Обнаружение дыма
• Температурные датчики.

Сенсоры на основе микро-электромеханических систем (Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) Sensors) — одни из относительно новых типов датчиков на интегральных схемах. Это не отдельные компоненты как таковые, а сборные модули, здесь они приведены для полноты понимания современных тенденций в разработке печатных плат.

Благодаря достижениям в области микроинженерии и производства микромеханических компонентов с размерами на уровне нескольких микрометров, возникла новая отрасль — технология МЭМС. Эти системы объединяют миниатюрные механические устройства вместе с их соответствующими электрическими компонентами, обеспечивая создание комплексных решений, включающих датчики, приводные механизмы и схемы для управления сигналами.

Применение MEMS. МЭМС находят широкое применение в различных областях мониторинга и управления:

• В биомедицине, где они используются для создания высокоточных диагностических инструментов, например, сенсоров глюкозы или давления.
• В области Интернета вещей (англ. IoT — Internet of Things), обеспечивая миниатюрные и энергоэффективные компоненты для беспроводных устройств.
• В смартфонах и других мобильных гаджетах, включая акселерометры, гироскопы и другие датчики движения.
• В автоматизированных производственных системах для точного контроля параметров процесса.

Электромеханическими компонентами называются такие устройства, которые одновременно используют электрические схемы для взаимодействия с физическим движением или механической функцией. На печатной плате эти элементы часто представлены переключателями, релейными устройствами, разъёмами и разнообразными сенсорами, включая потенциометры (переменные резисторы) или механические датчики.

• Переключатели позволяют пользователю, другому оборудованию или механическим механизмам изменять состояние электрической цепи. Это может быть необходимо для управления процессами в системе.
• Разъёмы обеспечивают физическое соединение между печатной платой и внешними кабелями, проводами или другими печатными платами. Они используются для передачи сигналов и питания устройств.
• Потенциометры исполняют функцию регулирования электрического сопротивления в зависимости от углового положения вала. Используются как регуляторы громкости звука, скорости вращения и прочих параметров.
• Механические датчики преобразуют механическое движение или воздействие (например, давление, силу) в электрический сигнал для дальнейшей обработки системой. Примеры включают акселерометр, гироскоп и другие устройства определения физических параметров.

Выключатель или переключатель — это компонент, который может размыкать или замыкать электрическую цепь посредством механического воздействия, тем самым останавливая или разрешая протекание тока.

На печатных платах разнообразие типов переключателей предоставляет возможность выбора наиболее подходящих решений для различных задач и требований.

1. Тумблер — рычажный переключатель, который сохраняет своё положение до принудительного переключения (перекидывания) пользователем. Такие устройства обычно используются в схемах включения/выключения питания или управления режимами работы системы благодаря своей надёжности и простоте эксплуатации.
2. Ползунковый переключатель (слайдерный переключатель) характеризуется миниатюрным скользящим элементом, который позволяет пользователю выбирать между разными рабочими режимами или конфигурациями устройства, например, для переключения уровней мощности или других параметров настройки.
3. Кнопка. Этот тип переключателя характеризуется мгновенным соединением контактов при нажатии и их разрывом после освобождения кнопки. Чаще всего они используются как элементы управления пользовательским вводом (например, кнопка сброса) или в системах аварийного отключения оборудования.
4. DIP-переключатель (Dual Inline Package Switch) представляет собой группу маленьких тумблеров, объединённых в одну конструкцию для удобства монтажа и настройки на печатной плате. DIP-переключатели позволяют оперативно изменять параметры работы устройства без необходимости пайки дополнительных компонентов. Они широко используются при настройке микроконтроллеров или других элементов управления.
5. Клавиатурный переключатель (клавиши). Этот вид тактильного переключателя предназначен для обнаружения нажатия клавиш пользователем, обеспечивая обратную связь через характерный щелчок или изменение сопротивления. Клавиатурные переключатели обычно используются в пультах управления или на панелях операторских станций, где требуется высокая точность и удобство работы с клавиатурой.

Переключатели различаются по количеству полюсов и направлений переключения.

Однополюсные на одно направление (SPST — Single Pole Single Throw) — базовый переключатель включения/выключения.

Однополюсный на два направления (SPDT — Single Pole Double Throw) — направляет входной сигнал на один из двух выходов.

Двухполюсный на два направления (DPDT — Double Pole Double Throw) — управляет двумя отдельными цепями одновременно.

Разъёмы — это электромеханические компоненты, которые позволяют подключать различные платы, провода или устройства к печатной плате, обеспечивая передачу питания или электронных сигналов на плату и с платы.

Печатные платы редко жёстко подключаются к каким-либо компонентам или другим платам. Разъёмы печатных плат облегчают выполнение межсоединений на плате.

1. Плата-Провод (Board-to-Wire)

• Штыревые разъёмы и разъёмы Dupont. Часто используются при разработке прототипов или модульных конструкций для соединения печатных плат с отдельными кабелями, что обеспечивает гибкость в сборке и настройке электроники.
• Клеммные колодки (винтовые клеммы). Применяются для обеспечения безопасности открытых проводников при подключении источников энергии или динамических систем к печатной плате. Клеммы защищают от возможных коротких замыканий, обеспечивая надёжное соединение без пайки.
• Разъёмы JST (Japan Solderless Terminal). Компактные решения для интеграции аккумуляторов и различных датчиков в устройства электроники, такие как IoT системы, благодаря их небольшому размеру и надёжности.
• Гнезда Barrel и USB порты предоставляют универсальный способ подключения внешних источников питания и передачи данных между различными электронными устройствами или компонентами внутри систем.

2. Плата-Плата (Board-to-Board)

• Краевые разъёмы карт (Edge connectors). Используются в картах расширения, таких как слоты PCIe на материнских платах, обеспечивая простоту установки дополнительных модулей без нарушения целостности системы.
• Мезонинные разъёмы (Stacking connectors). Предназначены для подключения печатных плат в платы расширения параллельно их поверхности, получая комплекс с минимальной толщиной и максимальной компактностью, что особенно полезно при разработке небольших электронных устройств или систем с высокой плотностью компонентов.

3. Кабель-Кабель (Cable-to-Cable или Wire-to-Wire)

На этапах прототипирования две печатные платы могут быть соединены напрямую через провода с помощью соединителей провод-провод (соединителей кабель-кабель), где один конец соединения постоянный, а другой — съёмный. Это позволяет создавать модульные конфигурации и более простую проводку, что обеспечивает большую гибкость для лёгкой замены деталей в прототипных устройствах. Также такие разъёмы часто применяются в промышленных устройствах, автомобильной технике и т.д.

Примеры: электрический разъем, компьютерный разъем, обжим-обжим, разъем IDC-IDC, разъем FFC-FPC, обжим-разъем IDC и т. д.

4. Разъёмы Ввода/Вывода

• Стандартные интерфейсы. USB, HDMI, Ethernet (RJ45) и аудиоразъёмы облегчают обмен данными между внешними устройствами и внутренними компонентами системы, упрощая процесс передачи информации без необходимости применения сложных протоколов связи.
• Ленточные IDC разъёмы: специализируются на обеспечении надёжной параллельной передачи данных в жёстких условиях промышленных приложений, где критически важна стабильность соединения при высоких нагрузках или длительных сроках эксплуатации.

Распространённые типы:

• USB (универсальная последовательная шина): доступен в различных формах, включая USB-A, USB-B и USB-C, с различными разъёмами, поддерживающими разные скорости передачи данных.
• Последовательные порты: разъёмы DB9 и DB25, используемые в протоколах RS-232, RS-485 и UART, идеально подходят для связи на больших расстояниях.
• Ethernet (RJ45): стандартные разъёмы для сетей Ethernet, обеспечивающие надёжную передачу данных как в коммерческих, так и в промышленных условиях

5. Гнезда для Интегральных Схем (ИС)

• Крепления для ИС. Позволяют оперативно, устанавливать и удалять интегральные схемы из печатной платы без применения пайки, что существенно снижает время на монтаж и отладку электронных систем.

Простая печатная плата может иметь 2,1-мм Barrel разъём для ввода DC питания, 2x5 IDC-разъём для программирования или отладки и, возможно, несколько винтовых клемм для подключения к датчику или двигателю.

Сложная материнская плата может иметь десятки разъёмов: USB, сетевые, аудиоразъёмы, слоты PCI Express и т. д. Разъёмы часто имеют условные обозначения, такие как J1 и J2 (для разъёмов или соединителей) на шелкографии.

Реле — это электрически управляемый переключатель, который использует электромагнитную катушку или твердотельный механизм для управления цепью высокой мощности с помощью сигнала низкой мощности. Реле обеспечивают гальваническую изоляцию, гарантируя безопасность между цепями управления и нагрузки.

Электромеханическое реле состоит из якоря, катушки, пружины и контактов. Когда напряжение подаётся на катушку, она создаёт магнитное поле. Оно притягивает якорь и вызывает смену открытого/закрытого (вкл/выкл) состояния цепи.

Электрические реле получили своё начало в основном в применении в телеграфе. Официальный патент на изобретение был выдан в 1840 году Сэмюэлю Морзе на его телеграф, который теперь называется реле.

Реле представляют собой переключатели, поэтому термины, традиционно относящиеся к переключателям, также применимы для описания работы реле. Реле способно переключать одну или несколько контактных групп (полюсов), где каждый контакт может быть или замкнут или разомкнут после подачи электрического напряжения на катушку возбуждения.

• Нормально разомкнутые (НО) контакты: Эти контакты подключают электрическую цепь только в состоянии активности реле, обеспечивая непрерывное протекание тока по цепи при активации устройства и разрыв контактов при его бездействии.
• Нормально замкнутые (НЗ) контакты: В отличие от НО контактов, НЗ контакты отсоединяют цепь во время работы реле, позволяя току течь свободно лишь когда устройство неактивно. Когда реле активируется, происходит размыкание этих контактов.

Релейные элементы характеризуются рядом ключевых параметров, связанных как с входными воздействиями (входами), так и с выходными реакциями системы. Основные из них:

• Срабатывание. Минимальное значение электрического сигнала на входе реле, при котором происходит изменение его состояния и одновременно изменяется выходной сигнал в соответствии с характеристиками реле. Это значение определяет порог активации устройства.
• Отпускание. Наименьшее воздействие (электрический сигнал), при снижении до которого релейный элемент возвращается к своему первоначальному состоянию до срабатывания. Разница между величинами срабатывания и отпускания обычно приводит к явлению гистерезиса, что свидетельствует о неидеальности характеристики реле.

Дополнительные параметры:

• Гистерезис. Различие между значениями срабатывания и отпускания, которое возникает из-за несовершенства характеристик релейных элементов. Гистерезис важен при анализе стабильности работы релейных систем.
• Фиксация (память). Свойство реле сохранять своё активное состояние даже после снятия входного сигнала. Возвращение к исходному состоянию обычно происходит через подачу дополнительного воздействия на другой вход или изменение полярности входного сигнала.
• Параметр возврата. Максимальное значение обратного воздействия, необходимого для возвращения релейного элемента в исходное положение после активации его срабатывания.
• Коэффициент отпускания. Отношение величины параметра отпускания к величине параметра срабатывания, характеризующее чувствительность реле к изменениям входных сигналов и устойчивость к гистерезису.
• Быстродействие. Время реакции реле на входные сигналы, включающие время срабатывания (от момента подачи сигнала до достижения активного состояния) и время отпускания/возврата (после снятия сигнала).

Физические принципы работы:

Релейные элементы классифицируются по принципу действия: механические и электрические. Электрические релейные элементы дополнительно делятся на контактные и бесконтактные типы, что определяет способы управления электрическим сигналом внутри системы.

По виду физических явлений, используемых для действия

• Электромагнитные;
• полупроводниковые (твердотельные);
• магнитоэлектрические;
• ферродинамические;
• индукционные реле;
• ферромагнитные;
• магнитострикционные;
• электростатические;
• электронные;
• ионные;
• сегнетоэлектрические;
• пьезоэлектрические;
• МЭМС-реле;
• фотоэлектрические
• резонансные;
• тепловые.

По виду физических величин, на которые реагируют

• электрические:
  • ток;
  • напряжение;
  • мощность
  • частота;
  • сопротивление
  • фаза
• Механические:
  • Давления
  • Вакуума
  • Перемещения
  • Скорости
  • Течения
  • Ускорения
  • Усилия
  • Частоты колебаний
  • Амплитуды колебаний
• Тепловые;
• Оптические;
• Акустические;
• Магнитные.

Реле обеспечивают гальваническую изоляцию цепей управления и нагрузки. Они по-прежнему широко используются в автоматике, автомобилестроении и бытовой технике, хотя в чисто электронных устройствах транзисторы или МОП-транзисторы часто заменяют реле, если напряжения и токи находятся в пределах, которые могут выдержать твердотельные устройства.

На большинстве реле с достаточно большим корпусом напечатаны принципиальная схема, номинальное напряжение, номинальный ток и номера клемм. Эта маркировка поможет вам понять технические характеристики реле и то, как его подключить. Найдите схему, на которой показаны внутренние соединения и требуемые номинальные напряжения и тока. Сравнивая эти данные с потребностями вашей схемы, вы можете убедиться, что у вас есть правильное реле для вашего устройства.

Маркировка может включать логотипы производителя, номера моделей (артикулы, партномера), номиналы напряжения и допустимый ток. Зная производителя и партномер, вы всегда можете найти документацию на деталь. Часто встречаемые сокращения производителей вы можете найти в разделе интегральных микросхем.

Кроме того, символы, такие как «AC» или «DC», указывают на тип тока, для которого предназначено реле.

Например, маркировка может быть такой: «12 В постоянного тока, SPDT, 10 А/250 В переменного тока», что указывает на катушку постоянного тока на 12 В, однополюсные двухпозиционные контакты (SPDT) и номинальную нагрузку 10 А при 250 В переменного тока.

Из них наиболее часто встречаются следующие обозначения типов переключения:

• Реле SPST-NO (Single-Pole Single-Throw, Normally-Open — один полюс, на одно направление, нормально открытое) имеют один контакт формы A или замыкающий контакт. Они имеют две клеммы, которые могут быть подключены или отключены. Включая две для катушки, такое реле имеет всего четыре клеммы.
• Реле SPST-NC (Single-Pole Single-Throw, Normally-Closed — однополюсное, на одно направление, нормально закрытое) имеют один контакт Form B или размыкающий контакт. Как и реле SPST-NO, такое реле имеет всего четыре клеммы.
• Реле SPDT (Single-Pole Double-Throw — однополюсные двухпозиционные) реле имеют один набор контактов Form C, размыкание перед замыканием или переключением. То есть, общая клемма подключается к любой из двух других, никогда не подключаясь к обеим одновременно. Включая две для катушки, такое реле имеет в общей сложности пять клемм.
• Реле DPST (Double-Pole Single-Throw — двухполюсное на одно направление) –эквивалент пары SPST-переключателей или реле, приводимых в действие одной катушкой. Включая два для катушки, такое реле имеет в общей сложности шесть клемм. Полюса могут быть формы A или формы B (или по одному каждой из них; для устранения неоднозначности следует использовать обозначения NO и NC).
• DPDT (Double-Pole Double-Throw — двухполюсное двухпозиционное) – реле с двойным полюсом и двойным направлением имеют два набора контактов формы C. Они эквивалентны двум переключателям SPDT или реле, приводимым в действие одной катушкой. Такое реле имеет восемь клемм, включая катушку

Обозначение S (одиночный) или D (двойной) для количества полюсов может быть заменено числом, указывающим на несколько контактов, подключённых к одному приводу. Например, 4PDT обозначает четырёхполюсное двухпозиционное реле, имеющее 12 переключающих клемм.

Стандарт EN 50005: клеммы типичного реле SPDT, соответствующего стандарту EN 50005, будут пронумерованы 11, 12, 14, A1 и A2 для C, NC, NO и клемм катушки соответственно.

DIN 72552 определяет номера контактов в реле для автомобильного использования:

85 → катушка реле –

86 → катушка реле +

87 → к нагрузке (нормально разомкнутый)

87a → к нагрузке (нормально замкнутый)

30 → аккумулятор +

Кварцевый резонатор (crystal oscillator, кварц) — электронный компонент, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.

Наиболее распространённым типом используемого пьезоэлектрического резонатора является кварцевый кристалл, поэтому схемы генераторов, включающие их, стали называться кварцевыми генераторами.

Кварцевый генератор работает на основе обратного пьезоэлектричества, изменяя форму кварцевой пластины под воздействием электрического поля и генерируя напряжение при её упругой деформации после снятия заряда. Кварцевые генераторы обеспечивают высокую точность частоты (ppm), значительно превосходящую другие недорогие источники колебаний благодаря своему высокому коэффициенту добротности, что минимизирует потери энергии и увеличивает избирательность частот. Настроенная частота кристалла поддерживается с высокой стабильностью под влиянием множества внешних факторов.

Пьезоэлектричество было открыто Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен первым исследовал кварцевые резонаторы для использования в гидролокаторах во время Первой мировой войны. Первый кварцевый генератор, управляемый кристаллом, с использованием кристалла сегнетовой соли, был построен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном в Bell Telephone Laboratories.

Хотя в кварцевых генераторах по-прежнему чаще всего используются кварцевые кристаллы, все более распространёнными становятся устройства, использующие другие материалы, например, керамические резонаторы.

Применение кварца

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах и таймерах. Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

• Используется в схеме генератора для подачи тактового сигнала на процессорное устройство
• Источник опорных сигналов для ВЧ

Параметр выбора кварцевых генераторов

• Ёмкость нагрузки
• Основная частота
• Допуск частоты
• Стабильность частоты
• ESR
• Рабочее напряжение

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

На электрических принципиальных схемах кристаллы обозначаются буквой класса Y (Y1, Y2 и т. д.). Осцилляторы, будь то кварцевые или другие, обозначаются буквой класса G (G1, G2 и т. д.). Кристаллы также могут обозначаться на схеме как X или XTAL, или кварцевый генератор как XO.

Типы кварцевых генераторов и их сокращения:

• ATCXO — Аналоговый кварцевый генератор с температурным управлением
• CDXO — калиброванный двухкварцевый генератор
• DTCXO — цифровой кварцевый генератор с температурной компенсацией
• EMXO — вакуумный миниатюрный кварцевый генератор
• GPSDO — Дисциплинированный генератор глобальной системы позиционирования
• MCXO — кварцевый генератор с микрокомпьютерной компенсацией
• OCVCXO — термостатированный кварцевый генератор с управляемым напряжением
• OCXO — термостатированный кварцевый генератор
• RbXO — рубидиевые кварцевые генераторы (RbXO), кварцевый генератор (может быть MCXO), синхронизированный со встроенным рубидиевым стандартом, который запускается только изредка для экономии энергии
• TCVCXO — кварцевый генератор с температурной компенсацией и управлением напряжением
• TCXO — кварцевый генератор с температурной компенсацией
• TMXO – Тактический миниатюрный кварцевый генератор
• TSXO — температурный кварцевый генератор, адаптация TCXO
• VCTCXO — кварцевый генератор с температурной компенсацией и управлением напряжением
• VCXO — кварцевый генератор, управляемый напряжением

Общепринятых стандартов маркировки (как для резисторов или диодов) для кварца нет. Почти в любом случае необходимо по маркировке на корпусе найти документацию производителя.

Многие производители кодируют свойства кварце по собственным стандартам.

Пример: PO300F-25M-C-50-C производства Vanlong Technology Co., Ltd. (VTC)

Состав маркировки:

Код - Частота - Рабочая температура - Стабильность - Выход - Другие характеристики

Код: серии PO, VO, TO и CO

Частота: Номинальная частота в МГц.

Рабочая температура: Диапазон рабочих температур:

A: 0°C ~ +50°C

B: -10°C ~ +60°C

C: -20°C ~ +70°C

D: -30°C ~ +75°C

L: -40°C ~ +85°C

Стабильность: Стабильность частоты:

100: ±100 ppm

50: ±50 ppm

30: ±30 ppm

20: ±20 ppm

10: ±10 ppm

5.0: ±5.0 ppm

2.5: ±2.5 ppm

1.0: ±1.0 ppm

Выход: Выходная логика

A: TTL

B: CMOS

C: TTL & Совместимость с КМОП

D: Ограниченный синус

E: Синус

Другие характеристики: Другие характеристики доступны по запросу:

T: Трёхпозиционный режим (управление включением/выключением через контакт 1)

Потенциометры или триммеры — это электромеханические устройства, поскольку их настройка осуществляется путём механического перемещения движка вдоль резистивного элемента, мы рассматривали в разделе «Резисторы». Они часто интегрируются в конструкцию печатных плат для обеспечения регулируемых сопротивлений: либо для возможности настройки пользователем (как потенциометр громкости на плате усилителя), либо для выполнения одноразовой калибровки техником (например, с помощью отвёртки при настройке триммера). Таким образом, они обеспечивают гибкость и точность в приложениях, требующих регулировки сопротивления.

Зуммерные устройства (динамики, зуммеры) представляют собой электромеханические компоненты, используемые для преобразования электрических сигналов в акустические волны. Такие элементы могут быть интегрированы непосредственно в печатные платы и обеспечивают функциональность звуковым устройствам — будь то динамики или зуммеры с внутренними генераторами колебаний. Они активно используются там, где требуется обеспечение звука в электронных приборах.

Микрофоны, такие как электретные микрофоны, являются электроакустическими элементами; они также сочетают электрические характеристики (преобразование звуковых волн в сигналы) и механические свойства (например, движение диафрагмы). Эти особенности позволяют использовать их не только для преобразования звукового сигнала, но и в качестве интегральной части электронных систем.

Дисплеи на печатных платах включают как светодиодные (LED), так и жидкокристаллические (LCD) устройства, которые можно рассматривать в рамках электромеханических компонентов из-за сочетания электрических характеристик с механическими конструкциями. Семисегментный LED дисплей состоит из массива активных светодиодов, размещённых внутри механической рамки, что обеспечивает их надёжную работу при механических воздействиях. LCD дисплеи также часто имеют разъем для подключения к основной печатной плате, через который осуществляется управление и питание устройства. Эти компоненты обычно подключаются посредством разъёмов или штырьковых контактов для обеспечения гибкости монтажа и удобства обслуживания системы.

В конструкции печатных плат иногда встречаются двигатели или вентиляторы малых размеров, например, на материнских платах компьютерных систем предусмотрены специальные разъёмы для подключения вентиляторов. Эти компоненты также используют электромеханические принцип действия и зачастую располагаются за пределами самой платы либо устанавливаются отдельно по причине вибрационных нагрузок, которые могут негативно сказаться на целостности и надёжности печатной схемы.

В заключение стоит отметить, что электромеханические компоненты берут на себя роль в обеспечении взаимосвязи электроники с физическим окружением, включая взаимодействие пользователя с устройствами через переключатель, управление питанием источников энергии и механическое перемещение контактных элементов. Такие элементы существенно влияют на общий форм-фактор печатной платы и требуют внимательного подхода при проектировании для достижения надёжности системы.

Преимущества и недостатки пассивных компонентов

Надёжность. Пассивные компоненты имеют меньше случаев отказа, поскольку им не требуется питание. Активные и особенно электромеханические компоненты, будучи более сложными, чувствительны к факторам окружающей среды (например, изменениям температуры и колебаниям мощности).

Функциональность. Пассивные компоненты не могут усиливать сигналы, а только ослабляют или изменяют их, в то время как активные компоненты обеспечивают усиление мощности и возможности обработки сигналов.

Стоимость. Пассивные компоненты дешевле и широко доступны, в то время как активные компоненты различаются по стоимости — простой транзистор может быть дешёвым, но специализированные ИС могут быть очень дорогими.

Шум и искажения. Пассивные компоненты вносят в сигнал минимальный шум (кроме теплового шума), в то время как активные компоненты могут генерировать шум и помехи, даже если они правильно спроектированы.

Предпочтения выбора активных/электромеханических компонентов для переключения

Скорость и срок службы. Транзисторы и МОП-транзисторы могут переключаться за микросекунды, тогда как механические реле переключаются за миллисекунды и со временем изнашиваются.

Управление питанием. Электромеханические реле могут переключать нагрузки переменного тока высокого напряжения более безопасно, чем твердотельные переключатели, которым может потребоваться дополнительная схема для изоляции.

Долговечность. Твердотельные переключатели (транзисторы, SSR) не страдают от износа контактов, как реле, что делает их более надёжными для частого переключения.

Размер. Мощный МОП-транзистор меньше и справляется с быстрым переключением более эффективно, чем механическое реле аналогичной номинальной мощности.

Пример: переключатель МОП-транзистора в преобразователе постоянного тока предпочтительнее для быстрого и эффективного переключения питания, в то время как электромеханическое реле лучше подходит для гальванической развязки в высоковольтных приложениях.

В реальных проектах эффективно спроектированная электронная схема всегда использует разнообразный набор компонентов, гармонично сочетающих их функционал. Такие схемы включают:

1. Пассивные элементы, которые играют важную роль в обработке сигналов и снижении влияния шумов, а также обеспечивают установку необходимых рабочих точек для дальнейшего функционирования системы.
2. Активные компоненты, предназначенные для точного выполнения базовых операций — усиления сигнала, логических переключений или арифметических вычислений.
3. Электромеханические элементы, которые служат мостом между миром электроники и физикой: они обеспечивают возможность ввода данных пользователем через интерфейсы типа кнопок или переключателей, гарантируют стабильное питание внешних устройств и позволяют подключать кабели к системе для дальнейшего взаимодействия с внешним оборудованием или сетями.

Пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и индукторы, которые имеют два вывода, имеют стандартные размеры, как показано в таблице ниже. Габариты SMT-компонентов указаны в дюймах, а также в метрическом размере. Наиболее распространённые размеры указаны в дюймах (в скобках), например 0402, 0603,0805 1210 и т. д.

В таблице ниже приведены корпуса SMT-компонентов с двумя выводами и их размеры.

В таблице ниже перечислены наиболее часто используемые обозначения компонентов печатной платы. Эти обозначения можно увидеть как на слое шелкографии готовых печатных плат, так и в программах проектирования.