Справочник и обзор

Типы электронных компонентов

Основные виды и классификация электронных и механических деталей печатных плат. Как классифицируют радиодетали?

Некоторые из наиболее часто используемых электронных компонентов — это резисторы, конденсаторы, индукторы, диоды, светодиоды, транзисторы, кристаллы и генераторы, электромеханические компоненты, такие как реле и переключатели, ИС и разъёмы. Эти компоненты имеют выводы/клеммы и доступны в специальных стандартизированных корпусах, которые проектировщик может выбрать в соответствии со своим устройством. SMT (технология поверхностного монтажа) и сквозное отверстие — это два типа методов монтажа, используемых для размещения компонентов на печатной плате. Сама печатная плата также является компонентом печатной сборки.

Основные компоненты печатных плат

В современном мире практически каждое устройство вокруг нас использует печатную плату. Электронные платы есть везде – в компьютере, телефоне, стиральной машине и даже в утюге. Понимание того, как они работают сделает немного проще не только человека, работающего в отрасли электроники, но и простого пользователя такого устройства.

Зачем это нужно? Печатные платы — основа всех электронных устройств. Без них ваши гаджеты не будут работать. Умение читать печатную плату помогает инженерам устранять неполадки и проектировать схемы. Это умение может сэкономить время и избавить от  дорогостоящих ошибок. Умение «читать» платы пригодится не только инженерам. Любой, кто работает с электроникой, должен уметь интерпретировать печатную плату. Эти знания помогут вам устранять проблемы, улучшать проекты и глубже понимать, как работают устройства.

Фундаментально, работа электронного устройства заключается в преобразовании данных в электрические сигналы и обратно, а также ­– выполнение повторяющихся (или нет) задач, быстрое и многократное.

Печатная плата­­ — это база, на которую монтируются, приклеиваются или припаиваются электронные компоненты, неотъемлемая часть электронного устройства, которая служит основой для соединения и питания компонентов для создания единой полностью функциональной электронной схемы, которая в свою очередь может питать и управлять всем устройством.

Печатная плата удерживает компоненты вместе и обеспечивает передачу сигналов между компонентами по дорожкам. Электрическое соединение компонентов ­— это основная задача печатной платы и её дорожек. Задача простая, но важная, без которой устройство не будет работать. Дорожки ­печатной платы представляют собой полоски металла, обычно меди, серебра или алюминия и являются современным прочтением обычных проводов.

Основа, на которой размещены и дорожки и компоненты ­— диэлектрик, чаще всего это стеклоткань пропитанная эпоксидной смолой. Количество слоёв диэлектрика, как и его материал может различаться в зависимости от сложности платы и её назначения. Печатные платы бывают односторонними и двухсторонними. Без установленных электронных компонентов печатная электрическая схема называется «голой платой» («bare board»). Компоненты к дорожкам присоединяются с помощью пайки в отверстия или к специальным расширениям дорожек ­— контактным площадкам.

Итак, печатная плата объединяет полупроводники, изоляторы и проводящие материалы.

Хотя платы и можно изготавливать вручную с помощью травления, профессиональные печатные платы изготавливаются с помощью технологии печати, отсюда и их название — печатные платы (ПП).

В этом обзоре для начинающих мы подробно обсудим печатные платы, электронные компоненты и их функции, а также то, как все компоненты печатной платы объединяются, чтобы сделать современную электронику возможной. Мы также дадим подробную классификацию активных компонентов (таких как интегральные схемы), описание их функций, из характеристик и применения.

Компоненты печатной платы

В целом, все компоненты печатной платы можно разделить на три основные группы: механические, электрические и электронные. Детали могут сочететать в себе свойства групп, образуя гибридные элементы — электромеханические компоненты.

Механические компоненты

В отличие от электронных и электрических компонентов, в задачи механических не входит передача или управление электрическим сигналом. Они выполняют дополнительные опорные и вспомогательные функции. Изготавливаются из пластика, металлов (медь, алюминий, сталь, бронза и т.д.). Это могут быть рёбра жёсткости, винты, разъёмы, экраны, опоры, дистанционные проставки и т.д.

Внутренние компоненты печатной платы

Для правильной работы всех компонентов, которые устанавливаются на поверхность печатной платы, она должна иметь и определённый разработчиком внутренний конструктив. Структуру печатной платы образуют ядро (сердечник), медная фольга, препрег, паяльная маска, финишное покрытие, шелкография.

Ядро

Ядро или сердечник платы придаёт ей необходимую механическую прочность и жёсткость, которые позволяют её удерживать монтируемые компоненты, а также задаёт физические параметры платы: форму и размер. Чаще всего это стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой. После пропитки смола отверждается, создавая материал подложки. С одной или двух сторон подложка покрывается медной фольгой, образуя базовый ламинат.

Препрег

На основе базового ламината можно изготовить только или одностороннюю или двухстороннюю печатную плату. Однако современные платы имеют 4 и более слоёв, объединённых в сложный стек. Стек может сочетать в себе один или более слоёв ядра и дополнительные слои медной фольги, которые соединяются между собой с помощью препрега. Препрег — это также обычно слой стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой, но в отличие от материала ядра неотверждённый. Смола в составе препрега отверждается в процессе сборки многослойной печатной платы, склеивая между собой слои ядра и дополнительные слои медной фольги. Предварительно каждый отдельный слой протравливается для получения печатной схемы. Также в толщу смолы препрега могут быть погружены электронные компоненты, размещаемые на внутренних слоях печатных плат. Гораздо больше информации о препрегах вы может почерпнуть в материале «Препреги» справочника.

Дополнительно в процессе сборки многослойной печатной платы необходимо просверлить отверстия, которые после покрытия стенок медью будут соединять между собой разные слои печатной платы.

Фольга

Медная фольга — самая важная часть печатной платы, поскольку она обеспечивает электрические соединения между внешними компонентами. В зависимости от количества слоёв платы, различается и количество слоёв фольги. На сердечник наклеивается два слоя фольги (по одному на сторону), при необходимости дополнительные слои приклеиваются при помощи препрега. На каждый слой переносится печатная схема данного слоя, после чего ненужная фольга удаляется (протравливается).

Паяльная маска

Если оставить медные дорожки на печатной плате открытыми, то под воздействием окружающей среды они могут окислиться и разрушиться. Кроме того, незащищённые дорожки способствуют как возможности замыкания в процессе эксплуатации платы, так и в процессе пайки, за счёт образования между ними перемычек припоя.

Чтобы это не происходило, открытые дорожки покрывают маской. Паяльная маска закрывает всю дорожку, за исключением контактных площадок, к которым будут припаяны электронные компоненты. Чаще всего паяльная маска зелёного цвета.

Финишное покрытие

Открытые контактные площадки также могут быть подвержены эрозии и окислению, поэтому для их защиты и улучшения паяемости используются финишные покрытия. Площадки могут покрываться припоем, серебром, золотом, оловом, никелем и другими веществами, как органическими, так и неорганическими.

Шелкография

Шелкография или печать легенды ­— это схематическое обозначение на плате компонентов и их посадочных мест. Обычно это рисунок контрастного с паяльной маской цвета, который печатается на поверхности платы с помощью специальных принтеров. Кроме обозначения электронных компонентов, также может печататься разметка и для механических.

Как идентифицировать компоненты на печатной плате?

Каждый компонент на печатной плате имеет обозначение. Это буквы, напечатанные на плате рядом с каждой деталью. Например:

  • R означает резистор,
  • C означает конденсатор,
  • D означает диод,
  • L означает индуктор,
  • Q используется для транзисторов.

Эти буквы позволяют легко определить, что за тип компонента перед вами, даже если вы не знакомы с формами компонентов.

Более полный список сокращений, которые можно встретить на плате размещён в приложении к обзору.

Внешние компоненты печатной платы

Все внешние компоненты можно разделить на электронные и неэлектронные. Их несколько типов, но главное отличие между ними — в способе монтажа.

В зависимости от способа монтажа все компоненты разделяются на две категории:

  1. Компоненты для сквозного монтажа или монтажа через отверстия (THC ­— Through Hole Components);
  2. Компоненты для поверхностного монтажа, «на поверхность» (SMC — Surface Mount Components).
Компоненты для сквозного монтажа (THC)

Компоненты для монтажа в отверстия обычно снабжены длинными выводами, которые вставляются в просверленные в плате отверстия. Монтаж чаще всего осуществляется таким образом, что компоненты вставляются с одной стороны, а выводы выступают с другой. С этой стороны выводы окружены контактной площадкой, к которой они и припаиваются. Одна из часто используемых технологий пайки таких деталей ­ пайка волной припоя. Компоненты могут располагаться и с двух сторон, что влечёт усложнение монтажа или требует ручных работ.

Монтаж THC компонентов требует проведения дополнительных технологических процессов: сверления и металлизации просверленных отверстий (PTH ­— Plated Through Hole, металлизированные сквозные отверстия).

Сами по себе компоненты с выводами обычно существенно крупнее, чем безвыводные, поэтому при их помощи нельзя достичь высокой плотности монтажа, также они часто требуют дополнительных усилий для фиксации или крепления.

Компоненты для поверхностного монтажа (SMC)

Компоненты поверхностного монтажа не имеют проводных выводов, существенно меньше размером и могут обеспечить более высокую плотность компонентов при монтаже. Для монтажа этих деталей не требуются отверстия, что вкупе с маленькими размерами позволяет размещать их ближе друг к другу на печатной плате. Пайка выводов осуществляется к контактным площадкам на той же стороне платы, на которой размещаются компоненты.

Пайка компонентов SMC осуществляется с помощью нанесения на контактные площадки паяльной пасты, что требует предварительного создания трафарета для пасты. Ручной монтаж SMC практически не осуществляется из-за их малого размера и частого размещения выводов снизу детали. Для монтажа таких компонентов используют автоматические установщики (Pick-&-Place), в которые компоненты подаются с помощью катушек, на которые наматываются ленты с компонентами. Сама технология носит название SMT ­— Surface Mount Technology.

Пайка осуществляется путём оплавления паяльной пасты на площадках, к которым предварительно «приклеены» детали. Плата с размещёнными компонентами нагревается до расплавления припоя в пасте, а после ­— остужается, после чего компонент надёжно припаивается и закрепляется к плате.

Процесс монтажа платы подробно разобран в сооответствующем разделе справочника.

Независимо от того, монтируется компонент как THC или SMC, существует множество видов электронных деталей, которые проектировщики используют на печатной плате для реализации различных электрических функций. Некоторые компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и индуктивности, используются для управления потоком электричества по цепи. Другие, такие как диоды и транзисторы, используются для управления направлением этого потока или для усиления электрического сигнала. В зависимости от этого электронные компоненты можно классифицировать на пассивные и активные типы. Активные компоненты, такие как транзисторы и интегральные схемы (ИС), могут усиливать или переключать электронные сигналы, тогда как пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, не могут этого делать.

Пассивные электронные компоненты

Пассивные электронные компоненты обычно оказывают сопротивление потоку электрических сигналов через них, но не изменяют сигналы каким-либо образом. Примерами таких компонентов являются резисторы, конденсаторы, индуктивности, разъёмы и т. д.

Резисторы

Резистор (англ. resistor)­ — самый часто используемый компонент на печатной плате. В общем количестве радиоэлементов он занимает примерно 30-35%, поэтому рассмотрим резисторы несколько подробнее остальных элементов.

Резистор — это пассивный двухвыводной электрический компонент, который обладает способностью сопротивляться протекание электрического тока через себя. В электронных схемах резисторы применяют для уменьшения тока, регулировки уровня сигнала, как оконечный элемент линий передачи сигнала (терминатор), как нагревательные элементы. Физически действие резистора заключается в преобразовании силы тока в напряжения, напряжения в силу тока, ограничения протекания тока или поглощения электрической энергии, рассеивая её в виде тепла.

Сопротивление может постоянным, не меняющимся со временем и не зависящим от напряжения или переменным. Переменные резисторы могут использоваться или для регулировки напряжения (потенциометры) или в качестве датчиков, меняя своё сопротивление под воздействием света (фоторезисторы), температуры (термисторы), влажности, давления или химических реакций, а также приложенного напряжения (варисторы).

По характеру вольт-амперной характеристики все резисторы делятся на линейные и нелинейные. Сопротивление линейных резисторов не зависит от приложенного напряжения и протекающего тока. Сопротивление нелинейных резисторов изменяется в зависимости от величины приложенного напряжения или протекающего тока (варисторы и бареттеры), а также от температуры (термисторы) или освещённости (фоторезисторы). Например, сопротивление лампы накаливания при отсутствии тока на 1-1,5 порядка меньше, чем в номинальном режиме. В линейных резистивных цепях форма тока совпадает с формой напряжения.

Величина сопротивления потоку тока называется сопротивлением резистора. Большее значение сопротивления указывает на большее сопротивление потоку тока. Сопротивление измеряется в омах (Ω), и его уравнение выглядит следующим образом:

R=VI

Напряжение (V), ток (I) и сопротивление (R) связаны законом Ома. т. е. V = IR. Чем выше сопротивление R, тем ниже ток I для заданного напряжения V на нём. Это линейное устройство. Резисторы рассеивают электрическую энергию, определяемую формулой

P=I2R  Вт или Джоулей/сек.

Данные расчёты применимы только к идеальному сопротивлению, которое не учитывает реактивное. В электрических цепях реактивное сопротивление — это противодействие, оказываемое переменному току индуктивностью и ёмкостью. Наряду с сопротивлением, это один из двух элементов импеданса. Но, хотя оба элемента включают передачу электрической энергии, в реактивном сопротивлении не происходит рассеивания электрической энергии в виде тепла. Вместо этого реактивное сопротивление сохраняет энергию до четверти цикла, после чего энергия возвращается в цепь. Большее реактивное сопротивление даёт меньший ток для того же приложенного напряжения. Реактивное сопротивление похоже на сопротивление тем, что большее реактивное сопротивление приводит к меньшим токам при том же приложенном напряжении. В случае расчёта простых схем, не требующих высокой точности, импедансом часто пренебрегают, но в случае высокоплотных схем или схем, работающих на высоких частотах расчёт импеданса как сопротивления, так и схемы в целом становится одним из основных условий правильной работы схемы.

Основные характеристики и параметры резисторов

  • Номинальное сопротивление.
  • Предельная рассеиваемая мощность.
  • Температурный коэффициент сопротивления.
  • Допустимое отклонение сопротивления от номинального значения (технологический разброс в процессе изготовления).
  • Предельное рабочее напряжение.
  • Избыточный шум.
  • Максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания.
  • Влаго- и термостойкость.
  • Коэффициент напряжения. Учитывает явление зависимости сопротивления некоторых видов резисторов от приложенного напряжения.

Определяется по формуле:

KU=R1R2R1100 %

где R1 и R2 — сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих 10% и 100% номинальной мощности рассеяния резистора.

Некоторые характеристики существенны при проектировании устройств, работающих на высоких и сверхвысоких частотах, это:

  • Паразитная ёмкость.
  • Паразитная индуктивность.

Обозначение резисторов на схемах

Условные графические обозначения резисторов установлены стандартом ГОСТ 2.728-74 «ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В СХЕМАХ. Резисторы, конденсаторы.»

На принципиальных схемах резисторы изображаются в виде прямоугольника с указанием величины сопротивления, мощности и порядкового номера. Величина мощности указывается наклонными, продольными или поперечными линиями внутри прямоугольника.

Постоянные резисторы:

Обозначение
по ГОСТ 2.728-74

Описание

постоянный резистор

Постоянный резистор без указания номинальной мощности рассеивания

постоянный резистор 0,05вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,05 Вт

постоянный резистор 0,125вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,125 Вт

постоянный резистор 0,25вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,25 Вт

постоянный резистор 0,5вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,5 Вт

постоянный резистор 1вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 1 Вт

постоянный резистор 2вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 2 Вт

постоянный резистор 5вт

Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 5 Вт

Переменные, подстроечные и нелинейные резисторы:

Обозначение
по ГОСТ 2.728-74

Описание

потенциометр

Переменный резистор (потенциометр).

реостат

Переменный резистор в реостатном включении

Подстроечный резистор

Подстроечный резистор

Подстроечный резистор реостат

Подстроечный резистор в реостатном включении

Варистор

Варистор (сопротивление зависит от приложенного напряжения)

Термистор

Термистор (сопротивление зависит от температуры)

Фоторезистор

Фоторезистор (сопротивление зависит от освещённости)

Последовательное и параллельное подключение резисторов

При последовательном подключении общее сопротивление последовательно соединённых резисторов равно сумме их индивидуальных сопротивлений.

R=R1+R2+R3+

Если сопротивления одинаковы, то R = nR1

Общее сопротивление резисторов, соединённых параллельно, является величиной, обратной сумме обратных величин отдельных резисторов.

Req=(i=1n1Ri)1=(1R1+1R2+1R3++1Rn)1

Если цепь представляет собой комбинацию последовательно и параллельно подключённых сопротивлений, то их сопротивление можно посчитать, разбив всю цепь на отдельные части с только последовательным или параллельным соединением. Для некоторых цепей требуются более сложные методы вычислений.

Рассеиваемая мощность

Как упоминалось выше, мощность, потребляемая резистором, рассчитывается как

P=IV=I2R=V2R

где V (вольт) — напряжение на резисторе, а I (ампер) — ток, протекающий через него. Результат P ­— мощность (ватты). Эта мощность преобразуется в тепло, которое и рассеивается на корпусе резистора. При превышении мощности резистор может разрушиться вследствие того, что не будет успевать рассеивать тепло. Числовое обозначение резистора ­ это и есть его номинальная мощность. При перегреве резистор может быть повреждён, что приводит к необратимому изменению его сопротивления. В случае серьёзного превышения мощности резистор при перегреве может не только разрушиться, но и сжечь печатную плату и находящиеся рядом компоненты.

Мощные резисторы часто устанавливаются в комплекте с радиатором для увеличения рассеивания тепла, кроме того, резисторы могут устанавливаться с превышением необходимого номинала, чтобы иметь запас по мощности.

Классификация резисторов

В зависимости от возможности изменять сопротивление, различают постоянные и переменные резисторы.

Резисторы могут являться как отдельными (дискретными) компонентами, так и входить в состав интегральных схем.

Дискретные резисторы можно разделить на отдельные группы по:

  1. Назначению;
  2. ВАХ (виду вольт-амперной характеристики);
  3. Технологии и материалам изготовления;
  4. Характеру изменения сопротивления;
  5. По эксплуатационным характеристикам (термо- и влагостойкие, вибро- и ударо-прочные и другие);
  6. И по форм-фактору ­— для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа.

Назначение

ВАХ

Изменение сопротивления

Технология изготовления

Резисторы общего назначения

Линейные резисторы

Постоянные резисторы

Проволочные резисторы

Плёночные металлические

Металлофольговые

Угольные

Интегральные

Резисторы специального назначения:

Прецизионные

Высокочастотные

Высокоомные

Высоковольтные

Нелинейные резисторы:

Варисторы

Терморезисторы

Фоторезисторы

Тензорезисторы

Магниторезисторы

Переменные резисторы:

Подстроечные

Регулировочные

Классификация резисторов по назначению
Резисторы общего назначения

Резисторы общего назначения — наиболее распространённая группа. Используются во всех видах электронной аппаратуры, блоках питания, в виде нагрузок, в измерительных приборах. Номинальные значения сопротивления таких резисторов лежат в пределах 1 Ом – 10 Мом, а мощности — 0,125 – 100 ватт. Они имеют низкий класс точности, с допустимыми отклонениями 2, 5, 10 или 20%.

Резисторы специального назначения

К таким резисторам относятся прецизионные и сверхпрецизионные резисторы с отклонениями от 1% до 0,001% соответственно. В отличие от обычных, такие резисторы используются в приборах с повышенными требованиями к качеству, к примеру — в качестве шунтов в измерительных приборах высокой точности.

Высокочастотные резисторы используются в схемах, работающих на высоких частотах. Они обладают высокой стабильностью и низкими индуктивностью и ёмкостью, что положительно сказывается на импедансе. Используются в конструкциях волноводов, аттенюаторов, антенн.

Высокоомные резисторы показывают сопротивление до 1013 Ом. Они хорошо подходят для устройств, работающих на малых токах и напряжениях до 300 вольт. Мощность рассеивания у них низкая и обычно не указывается. Часто используются в измерительных приборах для малых токов.

Высоковольтные резисторы имеют высокое сопротивление, до 1011 Ом и работают на напряжениях до 35кВ. По сравнению с обычными высокоомными резисторами, имеют существенно большие размеры и мощность. Используются в устройствах связи, выпрямителях и AC/DC преобразователях, лазерной технике, в снабберных сетях и т.д.

Классификация резисторов по вольт-амперной характеристике
Линейные резисторы

Сопротивление таких резисторов практические не зависит от напряжения и тока. ВАХ, в соответствии с законом Ома представляет собой на графике прямую линию, в линейных резистивных цепях форма тока повторяет форму напряжения, вызвавшего этот ток.

Нелинейные резисторы

Нелинейный резистор можно определить как сопротивление, которое не подчиняется закону Ома. Кривая характеристик такого резистора не является прямой линией, т.е., график, построенный между напряжением и током будет несимметричен относительно начала координат.

Термистор

В этом резисторе сопротивление изменяется в зависимости от температуры. Если тепло увеличивается, сопротивление уменьшается или наоборот. Это явление используется для целей измерения и контроля.

Основные типы термисторов — NTC и PTC. NTC (Negative Temperature Coefficient) — отрицательный температурный коэффициент, в таких устройствах сопротивление уменьшается с ростом температуры. Они используются для защиты устройств от перенапряжения. PTC (Positive Temperature Coefficient) — положительный температурный коэффициент, в таких устройствах сопротивление увеличивается с ростом температуры. Они используются для защиты устройств от перегрузки по току.

Фоторезистор

В таком резисторе сопротивление меняется в зависимости от света. По мере увеличения освещённости чувствительной поверхности сопротивление уменьшается и наоборот. Такие резисторы также используются в цепях измерения, управления и контроля. В англоязычной литературе такие сопротивления также называют LDR (LightDependentResistor).

Варисторы

Сопротивление варистора меняется в зависимости от приложенного напряжения. При увеличении напряжения сопротивление уменьшается, а при уменьшении напряжения сопротивление увеличивается. Варистор также называется аббревиатурой VDR (Voltage Dependent Resistor).

Также существуют резисторы, сопротивление которых зависит от деформации (тензорезистор), величины магнитного поля (магниторезистор) и другие. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр. Магниторезисторы применяются в основном как чувствительные элементы датчиков магнитного поля; в сочетании с управляющей магнитной системой — в качестве переменных резисторов в радиоаппаратуре и измерительных приборах, как переключатели в бесконтактных коммутаторах.

Классификация резисторов по сопротивлению
Постоянные резисторы

Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, они не регулируются. К ним относится большая часть резисторов общего назначения.

Переменные резисторы

Регулируемые, или переменные резисторы являются радиоэлементами, сопротивление которых можно изменять от нуля до номинальной величины.

Переменные резисторы подразделяются на подстроечные и регулировочные. Подстроечные резисторы впаиваются в схему, и их сопротивление подстраивается с помощью регулятора при общей наладке устройства. На лицевую панель радиоаппаратуры регуляторы подстроечных резисторов не выводятся. Они не предназначены для частого использования и имеют низкую износоустойчивость, в среднем до 1000 циклов.

Регуляторы регулировочных резисторов выводятся на лицевую панель. Они служат для эксплуатационной регулировки и настройки параметров приборов. Такие резисторы подразумевают частое использование и обеспечивают до 5000 циклов перестройки и более.

По виду зависимости номинального сопротивления регулировочного резистора от смещения его подвижной части различают резисторы с пропорциональным и непропорциональным (нелинейным)  изменением сопротивления.

Классификация резисторов по технологии и материалу изготовления

Резисторы различаются также по материалу резистивного элемента, его форме и толщине (занимаемому объёму в радиоэлементе).

Проволочные резисторы наматываются из проволоки или ленты с высоким удельным сопротивлением на какой-либо каркас, например ­ керамическую трубку. Обычно имеют значительную паразитную индуктивность. Для снижения паразитной индуктивности почти всегда выполняются с бифилярной намоткой. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.

Резистивный элемент непроволочных резисторов представляет собой объёмную структуру физического тела или поверхностного слоя, образованного на изоляционных деталях (тонкую плёнку металлического сплава или композитного материала с высоким удельным сопротивлением, низким коэффициентом термического сопротивления, обычно нанесённую на цилиндрический керамический сердечник). Концы сердечника снабжены напрессованными металлическими колпачками с проволочными выводами для монтажа. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке исполняется винтовая канавка для формирования спиральной конфигурации проводящего слоя. Сейчас это наиболее распространённый тип резисторов для монтажа в отверстия печатных плат. По такому же принципу выполнены резисторы в составе гибридной интегральной микросхемы: в виде металлических или композитных плёнок, нанесённых на обычно керамическую подложку методом напыления в вакууме или трафаретной печати.

Углеродистые резисторы изготавливаются в виде плёночных и объёмных. Плёнки или резистивные тела представляют собой смеси графита с органическими или неорганическими веществами.

В металлоплёночных и металлоокисных резисторах в качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.

Резистивный элемент интегральных резисторов — слаболегированный полупроводник, формируемый в кристалле микросхемы, обычно в виде зигзагообразного канала, изолированного от других цепей микросхемы p-n переходом. Такие резисторы имеют большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных монокристаллических микросхем, где применить другие типы резисторов принципиально невозможно.

Маркировка резисторов. Как читать резистор?

Маркировка SMD резисторов

На большинстве резисторов будет отпечатано значение. Для резисторов поверхностного монтажа это может быть один из нескольких вариантов. Это может быть 3-х или 4-значный код, который представляет значение с использованием системы значений и множителей.

Например, трёхзначный код 102 будет означать 10² или 1 кОм. 4-значныйкод, к примеру 1002, можно прочитать как 100 × 10² или 10 кОм.

Для низких значений вы можете увидеть что-то вроде 4R7, что значит 4,7 Ом. В этом случае R используется как десятичная точка. Учитывая крошечный размер резисторов поверхностного монтажа, цифры может быть чрезвычайно трудно увидеть, особенно сейчас, когда доступны резисторы SMD с более жёсткими допусками и большим количеством значений. По этой причине используется система EIA96. Она включает в себя таблицу соответствия, в которой для указания значения и множителя используется трёхзначное число, что позволяет указать значение с меньшим количеством цифр.

Маркировка THT резисторов

Для маркировки резисторов сквозного монтажа используется цветовой код. Система довольно простая и наглядная, позволяющая разместить необходимую информацию на маленьких деталях.

Каждый резистор имеет несколько цветовых поясков (4, 5 или 6, в зависимости от типа кода) — три или четыре из которых отвечают за числовое значение, плюс один или два, расположенные отдельно от остальных, и обозначающие допуск и температурный коэффициент.

Если, например, у нашего резистора первые две полосы красные, а третья полоса оранжевая, то значение резистора — 22 кОм. Если четвертая полоса также была бы красной, то резистор имел бы допуск 2%. Если мы возьмём резистор с пятью полосками резистора, где первые три цвета красные, а четвёртый — коричневый, то мы получим значение 2,22 кОм.

Таблица для определения номинала резистора:

Цвет

1-я цифра

2-я цифра

3-я цифра*

Множитель

Допуск

Темп. коэфф.

Процент отказов

Чёрный

0

0

0

×1

 

250 ppm/K

 

Коричневый

1

1

1

×10

1%

100 ppm/K

1%

Красный

2

2

2

×100

±2%

50 ppm/K

0.10%

Оранжевый

3

3

3

×1K

 

15 ppm/K

0.01%

Жёлтый

4

4

4

×10K

 

25 ppm/K

0.001%

Зелёный

5

5

5

 ×100K

±0.5%

20 ppm/K

 

Голубой

6

6

6

 ×1M

±0.25%

10 ppm/K

 

Фиолетовый

7

7

7

×10M

±0.1%

5 ppm/K

 

Серый

8

8

8

×100M

±0.05%

1 ppm/K

 

Белый

9

9

9

×1G

 

 

 

Золотой

 

 

 

×0.1

±5%

 

 

Серебряный

 

 

 

×0.01

±10%

 

 

Нет

 

 

 

 

±20%

 

 

*3-я цифра используется только при наличии 5 или 6 полос.

- Но на моём резисторе только три полосы!

- Да, так бывает если допуск резистора 20%. В этом случае поясок допуска часто не печатают.

- Как понять, с какой стороны читать резистор?

- 1. На многих резисторах некоторые цветные полосы сгруппированы ближе друг к другу или сдвинуты ближе к одному концу. Держите резистор так, чтобы эти сгруппированные полосы были слева. Всегда считывайте резисторы слева направо.

- 2. Резисторы никогда не начинаются с металлической полосы слева. Если у вас есть резистор с золотой или серебряной полосой на одном конце, у вас резистор с допуском 5% или 10%. Расположите резистор этой полосой справа и снова считайте свой резистор слева направо.

- 3. Основные значения резисторов находятся в диапазоне от 0,1 Ом до 10 МОм. Зная это, можно понять, что на четырёхполосном резисторе третий цвет всегда будет синим (106) или меньше, а на пятиполосном резисторе четвёртый цвет всегда будет зелёным (105) или меньше.

- Почему мой высоковольтный резистор с допуском 0,1 не использует цвет металлик?

- В высоковольтных резисторах золото и серебро заменены на жёлтый и серый, чтобы предотвратить попадание металлических частиц на внешнее покрытие.

- Что такое резистор с нулевым сопротивлением?

- Легко распознаваемые по одной черной полосе, резисторы с нулевым сопротивлением по сути являются проволочными перемычками, используемыми для соединения дорожек на печатной плате. Они упакованы как резистор, поэтому то же самое автоматизированное оборудование, которое используется для размещения резисторов, может использоваться и для их размещения на печатной плате. Такая конструкция исключает необходимость в отдельном станке для установки перемычки.

Особенности применения резисторов

Резисторы имеют небольшие размеры, что позволяет легко переносить их при проектировании из одного места в другое. Они обычно дёшевы и их легко заменить. Резисторы не требуют внешнего источника напряжения, поэтому для работы резисторов не требуется никакой энергии или внешнего питания. Резисторы, изготовленные из углерода, имеют меньший размер по сравнению с проволочными резисторами. Они доступны в широком диапазоне сопротивлений и считаются самыми дешёвыми.

Недостатки резисторов вытекают из принципа их действия. Резисторы имеют высокое сопротивление, которое противостоит протеканию электрического тока. В результате большое количество энергии тратится в виде тепла. Резисторы, изготовленные из углерода, имеют высокие допуски. Такие резисторы могут очень легко нагреваться и ломаться при пайке.

Конденсаторы

Конденсатор (англ. capacitor) — это пассивный электрический компонент, функция которого заключается в накоплении и хранении электрической энергии и подаче её в цепь при необходимости. Конденсаторы играют важную роль во многих электронных схемах, например, для фильтрации, хранения энергии и соединения или разъединения сигналов. Это электронный компонент с двумя клеммами. Можно сравнить конденсатор с батарейкой, которая разряжается не постепенно, а очень быстро.

Конденсаторы известны ещё с XVIII-го века, изобретение лейденской банки Мушенбруком (1745г., Голландия) стимулировало изучение электричества. Тогда же появился первый официально стукнутый искусственным электричеством гражданин, некий Кюнеус, за сию банку схватившийся. (Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона)

 

В англоязычной литературе и некоторых составных названиях, наряду с термином capacitor встречается наименование condenser, к примеру — condenser microphone (конденсаторный микрофон).

Конденсатор обычно состоит из двух <металлических> пластин, которые расположены максимально близко друг к другу, но не соприкасаются, и которые хранят энергию в электрическом поле. Пластины разделены материалом, который называется диэлектрик. Когда электрический ток попадает в конденсатор, на пластинах появляется потенциал, конденсатор «заряжается». Диэлектрик удерживает положительные и отрицательные заряды, при этом создаётся электрическое поле, которое хранит энергию.

Способность конденсатора хранить электрический заряд известна как ёмкость этого конденсатора. Она обозначается C. Единицей измерения ёмкости является фарад (Ф), она может варьироваться от микрофарада (мкФ, 1 × 10-6 Ф) до кило-пикофарада (кпФ) или нанофарада (нФ, 1 × 10-9 Ф) до пикофарада (пФ, 1 × 10-12 Ф). Типичные значения — от 1 пФ до 1000 мкФ.

Типы конденсаторов для печатных плат и варианты их использования

Конденсаторы различаются размерами, материалами, разной способностью сохранять заряд — как по мощности (ёмкости), так и по времени. Каждый вид конденсаторов имеет свои сильные и слабые стороны.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы широко применяются в электронике благодаря своим характеристикам: малые размеры, высокая надёжность и способность эффективно функционировать на высоких частотах до нескольких ГГц. Их использование распространено в высокочастотных схемах радиоприёмников, мобильных устройств, Wi-Fi модулей и аналогичных систем.

Эти элементы также служат для развязки (шунтирования) между участками печатной платы, что позволяет минимизировать влияние электромагнитных помех друг на друга, поддерживая чистоту передаваемых сигналов. Керамические конденсаторы применяются как фильтры в цепях питания, обеспечивая снижение уровня шума и пульсаций, а также стабилизацию источника напряжения.

Конденсаторы из керамики обладают хорошей температурной стабильностью ёмкости, способны работать в диапазоне от -55°C до +125°C, что расширяет их область применения во многих электронных устройствах. Различные типы керамических материалов предлагают различные уровни стабильности ёмкости и рабочие температуры. Например, конденсаторы NP0 типа имеют минимальную температурную зависимость ёмкости и высокую временную стабильность.

Электролитические конденсаторы

Отличаясь от керамических конденсаторов большими габаритными размерами и более высокой ёмкостью благодаря использованию электролитического раствора, этот тип конденсаторов обеспечивает эффективное сглаживание пульсаций напряжения и компенсацию кратковременных скачков или провалов в источниках питания и крупных электронных системах. Кроме того, эти устройства активно применяются в приложениях для временного хранения энергии, предоставляя надёжное резервное питание на короткий период времени.

Важным аспектом работы с электролитическими конденсаторами является их полярность: они имеют чётко определённые положительную и отрицательную стороны, что требует строгого соблюдения правил подключения во избежание возможных отказов или даже взрывов. В случае неправильного монтажа под действием термического расширения электролитического раствора может произойти выделение газа внутри корпуса конденсатора, приводя к его повреждению или разрушению из-за внутреннего давления.

Технические характеристики электролитических конденсаторов включают ёмкость, которая варьируется от единиц микрофарад до тысяч фарадов; рабочее напряжение, определяющее максимальный предел напряжения, при котором устройство сохраняет свою работоспособность без опасности повреждения; а также температурный диапазон эксплуатации, обычно находящийся в пределах от -20°C до +85°C.

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы — это класс электронных компонентов, известных своей компактностью при значительной ёмкости хранения энергии. Это делает их идеальными кандидатами для применения в устройствах с ограниченным пространством, таких как современные смартфоны и носимые гаджеты. Благодаря своим малым размерам и способности к аккумулированию большого количества энергии, танталовые конденсаторы обеспечивают высокую эффективность работы электроники в условиях ограниченного объёма корпуса устройства.

Они также характеризуются высокой стабильностью параметров и долговечностью. Однако их полярность требует аккуратного монтажа: неправильное подключение может привести к выходу из строя или даже взрыву конденсатора под давлением газов, образовавшихся внутри его корпуса при термическом расширении материала. Это особенно критично для устройств, работающих при высоких температурах эксплуатации.

Танталовые конденсаторы известны своей чувствительностью к резким скачкам напряжения. При внезапном увеличении мощности они могут не справиться с нагрузкой и выйти из строя. Поэтому чаще всего их используют в схемах с более строгим контролем над входным напряжением. Например, такие конденсаторы часто используются в источниках питания или других критически важных узлах, где требуется минимизация рисков повреждения от нестабильного источника энергии.

Плёночные конденсаторы

Плёночные конденсаторы известны высокой стабильностью характеристик и долговечностью, что обуславливает их широкое использование в системах, где требуется стабильная обработка высокого напряжения. Такие области применения включают высоковольтные источники питания и критически важные электронные устройства, требующие надёжной работы без значительных изменений параметров во времени. Стабильность является основным критерием выбора для данных приложений.

Кроме того, плёночные конденсаторы часто используются в схемах, требующих продолжительной службы без значительных изменений характеристик. Благодаря этому свойству их используют в точном аудиооборудовании и промышленном оборудовании, где надёжность является критически важным показателем качества продукции. Эти конденсаторы обеспечивают точность работы устройств благодаря своей долгой эксплуатационной жизни.

Важное преимущество ПКОН заключается в отсутствии поляризации — они могут быть включены в схему без учёта направления тока через них. Это значительно упрощает процесс монтажа по сравнению с полярными конденсаторами, такими как электролитические или танталовые. Такая характеристика делает их удобным выбором для широкого спектра электронных приложений и повышает гибкость проектирования печатных плат.

Типы конденсаторов по применению

В зависимости от выполняемой в цепях печатных плат роли, конденсаторы относят к следующим группам:

Конденсаторы связи — пропускают сигналы переменного тока, блокируя смещение постоянного тока, обычно используются в аудио- и радиочастотных цепях.

Развязывающие (байпасные) конденсаторы — сглаживают колебания напряжения и подавляют шум в источниках питания.

Фильтрующие — используются в RC- и LC-фильтрах для выбора или блокировки определённых частот.

Синхронизирующие — в сочетании с резисторами для установки временных задержек или частот генератора.

Подстроечные — в сочетании с радиочастотными генераторами для установки частот.

Питающие — стабилизируют шины питания путём хранения и высвобождения энергии при необходимости.

Часто разработчики используют параллельное подключение конденсаторов для оптимизации производительности, например, объединяя электролитический конденсатор ёмкостью 100 мкФ (накопитель большой энергии) с керамическим конденсатором ёмкостью 0,1 мкФ (фильтрация высокочастотных помех) в цепях питания.

Основной принцип работы конденсаторов

Конденсаторы являются пассивными электронными компонентами, предназначенными для хранения электрической энергии посредством создания электрического поля между двумя проводниковыми поверхностями (обкладками), разделёнными изоляционным материалом – диэлектриком. В отличие от батарей, которые преобразуют химическую энергию в электрическую через химические реакции, конденсатор накапливает заряд исключительно благодаря электрическому полю, создаваемому внутри его структуры.

Когда электрический ток поступает на одну из обкладок конденсатора, он собирает положительный заряд. Одновременно на противоположной обкладке формируется отрицательный заряд за счёт перемещения электронов. Изоляционный материал диэлектрика предотвращает смешение этих противоположных зарядов, что создаёт стабильное электростатическое поле между двумя поверхностями. Именно это поле удерживает накопленную энергию и обеспечивает её сохранность в течение определённого времени.

Сила этого поля определяет максимальную ёмкость конденсатора – количество заряда, которое он может хранить при определённом напряжении. Ёмкость конденсатора (C) измеряется в фарадах (Ф) и определяется следующими параметрами:

  1. Площадь поверхности обкладок. Чем больше площадь проводящих поверхностей, тем большее количество зарядов они могут вместить.
  2. Расстояние между обкладками. Меньшее расстояние увеличивает интенсивность электрического поля и позволяет хранить больше энергии.
  3. Тип диэлектрического материала. Диэлектрик влияет как на электрическое сопротивление, так и на максимальную ёмкость конденсатора при заданном напряжении. Различные типы материалов имеют разные свойства относительно стабильности ёмкости и рабочих температур.

Ёмкость конденсатора рассчитывается по формуле:

C=QV

Где:

  • C — ёмкость конденсатора (в фарадах),
  • Q — заряд, накопленный на обкладках (в кулонах),
  • V — напряжение между обкладками (в вольтах).

Таким образом, конструкция конденсатора и свойства его диэлектрика напрямую влияют на способность компонента накапливать электрическую энергию. 

Процесс зарядки и разрядки конденсатора

При подключении конденсатора к источнику электрической энергии начинается процесс его зарядки. В результате этого процесса происходит перемещение свободных электронов по проводникам от источника питания до одной из обкладок конденсатора. Это приводит к образованию отрицательного заряда на данной обкладке. Одновременно вторая обкладка теряет свободные электроны, становясь положительно заряженной через обратный поток электронов или за счёт ионизации молекул диэлектрика в ответ на внешнее электрическое поле.

Зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение между обкладками не достигнет максимального значения, которое может выдержать конструкция конденсатора при заданном типе и толщине диэлектрического материала. После достижения этого напряжения конденсатор считается полностью заряженным. В этот момент сила электрического поля внутри конденсатора достигает своего максимума, удерживая накопленную энергию.

Разрядка конденсатора начинается после отсоединения его от источника питания или подключения к нагрузке, которой необходимо дополнительное количество энергии. При этом электрическое поле, созданное в процессе зарядки и хранящееся между обкладками, начинает высвобождаться. Энергия передаётся через диэлектрик и проводники внешней цепи, обеспечивая стабильность напряжения на выходах и поддерживая непрерывную работу электронных схем. Этот процесс может быть описан как переход от состояния высокого потенциала к состоянию низкого потенциала по мере передачи накопленной энергии в нагрузку.

Переменный и постоянный: как конденсаторы удерживают разные токи

Конденсаторы демонстрируют различный характер работы в зависимости от природы проходящего через них электрического тока. Основные различия проявляются между постоянным током (DC) и переменным током (AC).

1. Реакция конденсатора на постоянный ток
При подключении к источнику постоянного тока конденсатор начинает заряжаться, привлекая свободные электроны к одной из своих обкладок и создавая отрицательный заряд. Вторая обкладка при этом теряет электроны, формируя положительный заряд через ионизацию молекул диэлектрика или обратный поток электронов по внешней цепи. После полной зарядки до максимума напряжения конденсатора, определяемого его конструктивными особенностями и свойствами диэлектрического материала, дальнейшее протекание постоянного тока прекращается. Конденсатор фактически ведёт себя как разомкнутая цепь для DC-компоненты сигнала, полностью блокируя постоянный ток после завершения процесса зарядки.

2. Работа конденсатора с переменным током
При подключении к источнику переменного тока ситуация кардинально меняется. Поскольку направление и величина переменного тока постоянно изменяются во времени, конденсатор не успевает достигнуть состояния полной заряженности, характерного для постоянного тока. Вместо этого он непрерывно проходит через циклы частичной зарядки и последующей разрядки в ответ на изменения амплитуды и направления синусоидального сигнала. Это свойство позволяет конденсатору пропускать переменный ток (AC), но эффективно блокировать его DC-компоненту, предотвращая проникновение постоянного напряжения во внешние цепи.

Такое различие в поведении делает конденсаторы незаменимым инструментом для фильтрации сигналов или разделения AC от DC в различных электронных устройствах. Они способны точно контролировать прохождение только тех составляющих тока, которые необходимы для оптимального функционирования схемы.

Основные задачи конденсаторов в цепи
Стабилизация напряжения и электропитание

Конденсаторы играют решающую роль в регулировании напряжения. С их помощью поток энергии может стать более гладким в любом электронном устройстве. Часто наблюдаются внезапные скачки или падения напряжения. Если бы было что-то, что могло бы управлять этими изменениями, устройства могли бы оставаться в целости и сохранности и продолжать работать.

Конденсаторы помогают накапливать энергию и высвобождать её при необходимости, поддерживая постоянный уровень напряжения. Думайте о них как о подушках, смягчающих удар при скачке или падении мощности.

Конденсаторы сглаживают пульсации в источниках питания, обеспечивая стабильный поток энергии в цепях. Это важно для чувствительной электроники, которой для правильной работы требуется постоянное питание.

Фильтрация шумов

Электроника может создавать сильный шум – не звук, а электрические помехи. Особенно это актуально для высокочастотных цепей. Конденсаторы действуют как фильтры, очищая этот шум. Они блокируют нежелательные сигналы, обеспечивая прохождение только нужных.

Одной из важных функций конденсаторов является снижение электромагнитных помех. EMI означает электромагнитные помехи, которые могут вызывать сбои в работе цепи. Конденсаторы помогают фильтровать эти помехи, обеспечивая бесперебойную работу устройства.

Другой тип конденсатора, используемый для этой цели, — развязывающий конденсатор. Он помогает предотвратить помехи сигнала, изолируя различные части цепи, не давая нежелательным шумам влиять на работу чувствительных компонентов.

Целостность сигнала и разделение AC/DC

Конденсаторы играют ключевую роль в поддержании высокого качества сигналов в электронных схемах. В таких устройствах сигналы должны передаваться от одной части системы к другой без значительных искажений. Однако постоянное напряжение (DC) может негативно влиять на качество передачи, нарушая структуру полезного сигнала. Конденсаторы решают эту проблему путём блокировки DC-компоненты и пропускания только переменного тока (AC), что позволяет сохранить чистоту сигналов во время их перемещения по цепи.

Здесь в работу вступают так называемые ёмкостные связующие конденсаторы или "coupling capacitors" — разделительные конденсаторы или конденсаторы связи. [Я.Н. Лугинский, М.С. Фези-Жилинская, Ю.С. Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.]

Они специализируются на передаче AC-сигналов между различными участками схемы, не допуская проникновения нежелательных помех со стороны постоянного тока. Это критически важно для работы коммуникационных устройств, аудиоаппаратуры и других систем, где требуется чёткая передача данных без потерь и шума.

Хранение и высвобождение энергии с помощью конденсаторов

Помимо функций фильтрации и стабилизации, конденсаторы эффективно выполняют задачу кратковременного хранения электрической энергии. Они служат как резервуары для мгновенного использования мощности в критических ситуациях. Когда происходит внезапное падение напряжения или возникает недостаток питания, конденсатор может высвободить накопленную энергию, обеспечивая непрерывность работы системы без значительных сбоев.

Это свойство имеет особое значение при разработке устройств, требующих резервного источника питания. Например, во время перебоев с электроснабжением конденсаторы способны предоставить кратковременную поддержку функционирования важных компонентов, что позволяет избежать немедленного отказа электроники. Этот механизм обеспечивает поддержание работоспособности систем в условиях нестабильного энергоснабжения.

Конденсаторы также играют значимую роль в устройствах с потребностью в мгновенном высвобождении энергии, например, в фотовспышках. Они аккумулируют энергию на протяжении определённого периода времени и быстро отдают её при необходимости, обеспечивая яркую вспышку света во время съёмки фотографии.

Идеальный конденсатор

Идеальный конденсатор не существует. Идеальный конденсатор только хранит и высвобождает электрическую энергию, без рассеивания. На практике конденсаторы имеют дефекты материалов конденсатора, которые приводят к появлению следующих паразитных компонентов:

  • эквивалентная последовательная индуктивность, обусловленная выводами (ESL — equivalent series inductance). Обычно это значимо только на относительно высоких частотах.
  • Сопротивления, которые добавляются к общему импедансу: небольшое последовательное сопротивление в выводах и большое сопротивление в диэлектрике, которое вызывает небольшой ток утечки через диэлектрик и приводит к медленной разрядке конденсатора. Первое сопротивление имеет большее значение на высоких частотах, а второе, наоборот, на низких.
Время жизни конденсатора

Все типы конденсаторных элементов обладают индивидуальными характеристиками долговечности, зависящими от их конструктивной специфики, условий эксплуатации и внешних факторов окружающей среды. Твердотельные керамические конденсаторы известны своим значительным сроком службы при нормальных рабочих условиях, который минимально зависит от переменных параметров, таких как температура или вибрация. Однако такие факторы, как влажность, механическое напряжение и усталость материала, являются основными причинами отказа данных типов компонентов.

Выход из строя может проявляться в нескольких формах:

  • Постепенная деградация характеристик (потеря ёмкости),
  • Увеличение утечки тока через диэлектрик,
  • Рост эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

В отличие от них, металлопленочные конденсаторы чаще выходят из строя при повышенных уровнях напряжения и влажности. Однако их конструкция предусматривает механизм самовосстановления после пробоя диэлектрика. При возникновении тлеющего разряда в области повреждения происходит испарение металлической плёнки, что предотвращает образование дуги и минимизирует потери ёмкости. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не накопится достаточное количество повреждённых участков металла, приводящих к полному отказу конденсатора, обычно наступающему внезапно без явных предвестников неисправности.

Электролитические конденсаторы, как правило, имеют самый короткий срок службы. Электролитические конденсаторы очень мало подвержены вибрациям или влиянию влажности, но такие факторы, как температура окружающей среды и рабочая температура, играют большую роль в их выходе из строя, который постепенно происходит как увеличение ESR (до 300%) и до 20% уменьшения ёмкости. Конденсаторы содержат электролиты, которые в конечном итоге диффундируют через уплотнения и испаряются. Повышение температуры также увеличивает внутреннее давление и увеличивает скорость реакции химических веществ. Срок службы электролитического конденсатора, как правило, определяется модификацией уравнения Аррениуса, которое используется для определения скоростей химических реакций.

Маркировка конденсаторов

Маркировка конденсатора обычно содержит несколько ключевых компонентов, каждый из которых предоставляет важную информацию о свойствах конденсатора. Понимание этих компонентов поможет вам легче интерпретировать маркировку.

  1. Значение ёмкости. Это самая важная часть информации в маркировке конденсатора, сообщающая вам, сколько заряда может хранить конденсатор. Обычно она выражается в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) или пикофарадах (пФ).
  2. Номинальное напряжение. Указывает на максимальное напряжение, которое конденсатор может безопасно выдерживать. Превышение номинального напряжения может привести к выходу конденсатора из строя или даже повреждению цепи.
  3. Допуск. Относится к допустимому отклонению фактической ёмкости конденсатора от указанного значения. Значения допуска обычно выражаются в процентах, например ±5%, ±10% или ±20%.
  4. Диэлектрический материал. Тип диэлектрического материала, используемого в конденсаторе, например керамика, полиэстер или тантал, влияет на производительность конденсатора в различных средах.
  5. Полярность. Для поляризованных конденсаторов маркировка полярности указывает, какой вывод положительный, а какой отрицательный. Важно установить конденсатор в правильной ориентации, чтобы избежать неисправности или повреждения.

В случае SMT конденсаторов на поверхности обычно наносится 2 или 3 цифры, так как они очень маленькие. В первом случае — это значение в пФ. Например, 22 — это 22 пФ. С тремя числами это работает по-другому. Первое число представляет десятки, второе число — единицы, а третье число — множитель.

Третья цифра

Множитель

0

1

1

10

2

100

3

1000

4

10 000

5

100 000

6

Не используется

7

Не используется

8

0,01

9

0,1

 

Например: конденсатор с напечатанным на нем номером 102 означает 10 с двумя нулями. Значение в этом случае составляет 1,000 пФ или 0,001 мкФ, также называемое 1 нФ.

Другие примеры:

Код

Расшифровка

10

10 пФ

 

 

100

100 пФ

 

 

101

100 пФ

 

 

102

1000 пФ

1 нФ

0,001 мкФ

103

10 000 пФ

10 нФ

0,01 мкФ

104

100 000 пФ

100 нФ

0,1 мкФ

105

1000 000 пФ

1000 нФ

1 мкФ

 

Иногда в конце трёхзначного кода есть ещё и буква, четвёртый знак. Например, 102K означает конденсатор ёмкостью 1,000 пФ с допуском ± 10 %.

Код

Значение допуска

D

± 0,5 пФ

F

± 1 %

G

± 2 %

H

± 3 %

J

± 5 %

K

± 10 %

M

± 20 %

P

+ 100 %, - 0 %

Z

+ 80 %, - 20 %

Катушка индуктивности

Подобно резисторам и конденсаторам, индукторы (катушки индуктивности, индуктивные катушки, реакторы, дроссели) являются одними из представителей группы пассивных компонентов.

Индукторы сохраняют энергию в виде магнитных полей, когда через них протекает ток, в отличие от конденсаторов, которые сохраняют энергию за счёт электростатической энергии. И в отличие от конденсаторов, которые хранят энергию временно, индукторы хранят энергию до тех пор, пока электрическая цепь не будет разорвана. Проволочные катушки — наиболее распространённая форма индукторов. Индукторы обозначаются буквой «L» и оцениваются в генри (Гн, англ. H, это единица системы СИ, названная в честь Джозефа Генри). Практические значения в цепях печатных плат обычно лежат в диапазоне от микрогенри (мкГн) до миллигенри (мГн).

Индуктивность является мерой способности проводника или обмотки генерировать магнитные поля. Эта характеристика усиливается с увеличением количества витков проводников в обмотке и зависит также от материала сердечника, который может быть изготовлен из различных магнетиков (например, феррита), способных значительно усиливать магнитное поле и хранящуюся энергию.

Индукторы, как правило, противодействуют изменениям тока: если ток через индуктор пытается увеличиться, индуктор генерирует напряжение, которое противодействует этому изменению. Такое поведение делает индукторы дополнением к конденсаторам: индукторы легко пропускают низкочастотные (включая постоянный) токи, но препятствуют высокочастотным изменениям. То есть — они блокируют переменный ток и пропускают постоянный ток, действуя в направлении противоположном поведению конденсатора, которое выражается в блокировании постоянного тока и пропускании переменного тока.

Величина индуктивности определяется как произведение количества витков обмотки на коэффициент магнитной проницаемости материала сердечника. Чем больше витки и выше магнитная проницаемость используемого материала, тем значительнее становится значение L.

L=μμ0SN2l

где:

L — индуктивность,
μ — относительная магнитная проницаемость,
μ0 — магнитная постоянная,
S — площадь поперечного сечения,
N — число витков в катушке,
l — длина соленоида (длина катушки).

Терминология катушек индуктивностей

В области электроники существует ряд стандартизированных терминов для обозначения различных типов катушек индуктивности:

1. Индуктивная катушка. Элемент электронной цепи, основной функцией которого является использование его индуктивности. Этот термин определён в ГОСТ 19880-74 и соответствует пункту 106 документа.

2. Катушка индуктивности. Конкретный подвид индуктивной катушки, используемый как элемент колебательного контура с целью использования её добротности. Это определение представлено в ГОСТ 20718-75 (пункт 1).

3. Электрический реактор. Общее название для различных типов катушек индуктивности, которые используются преимущественно в силовых электрических цепях. Реакторы могут быть разных видов и использоваться, например, для ограничения токов коротких замыканий на линиях электропередачи. Данный термин определён в ГОСТ 18624-73 (пункт 1).

В практических применениях катушки индуктивности также известны как дроссели или реакторы при использовании их для подавления помех, сглаживания пульсаций тока, развязки по высокой частоте и накопления энергии. Термин «дроссель» не имеет строго определённого статуса в стандартах, однако часто используется синонимично с вышеупомянутыми терминами в зависимости от конкретной задачи устройства.

Кроме того, существуют специфические виды катушек:

Соленоид. Цилиндрическая катушка индуктивности с длиной, значительно превышающей её диаметр, обеспечивающая однородное магнитное поле внутри. Такой соленоид может также выполнять механическую работу через втягивание ферромагнитного сердечника или служить основой для электромагнита. В области реле обмотки называют «обмотками реле» или реже — электромагнитами.

Нагревательный индуктор. Специальная катушка, предназначенная для работы в установках индукционного нагрева как основной рабочий орган системы.

Индуктивный накопительный элемент (или накопительный дроссель). Используется для накопления энергии, например, в импульсных стабилизаторах напряжения.

Применение катушек индуктивности

Применение индукторов для изменения мощности и сигнала:

  1. DC/DC преобразователи. Катушки индуктивности в импульсных регуляторах (преобразователях) постоянного тока (DC/DC) обеспечивают временное хранение энергии для последующего её контролируемого высвобождения, что важно для поддержания стабильного выходного напряжения при переменных входных условиях.
  2. Фильтрация электромагнитных помех. Катушки индуктивности используются в качестве дросселей (индуктивных фильтров) для минимизации влияния высокочастотных шумов из линий электропередач на общую работу схемы. Такие фильтры эффективно задерживают нежелательные сигналы от источников питания и снижают уровень радиочастотных излучений.
  3. Радиочастотные и аудиофильтры. В устройствах обработки сигналов, таких как тюнеры и эквалайзеры, катушки индуктивности совместно с конденсаторами образуют LC-цепи (индуктивно-конденсаторные схемы), которые служат для выделения определённых частот из широкого спектра входных сигналов, позволяя точно регулировать частотную характеристику системы.
  4. Трансформаторы. Связанные между собой катушки индуктивности применяются в трансформаторах различных типов: понижающих, повышающих и изолирующих. Эти компоненты позволяют изменять значения напряжения без изменения его мощности, обеспечивая гальваническую развязку между различными частями электрической схемы. Такая конфигурация необходима для безопасной передачи энергии или предотвращения коротких замыканий в электронных устройствах.
Ключевые характеристики индукторов
  • Значение индуктивности (H) — определяет сопротивление изменениям переменного тока;
  • Насыщение сердечника и нелинейность. В катушках индуктивности с ферромагнитным сердечником насыщенность влияет на уменьшение магнитной проницаемости материала по мере усиления магнитного потока из-за увеличения протекающего тока, что снижает эффективную индуктивность и ухудшает качество фильтрации при предельных токах в силовых цепях. Нелинейные эффекты приводят к генерации нечётных гармонических составляющих в фильтрах акустических систем. Борьба с этими проблемами часто включает увеличение размеров сердечника или его полное удаление для обеспечения линейности характеристик катушки даже на высоких уровнях тока, что неизбежно приводит к увеличению габаритов устройства.
  • Номинальный ток (A) — определяет максимально допустимый ток до насыщения;
  • Сопротивление постоянному току (DCR, Ω) — влияет на эффективность из-за потери мощности;
  • Размер и частотная характеристика — высокочастотные индукторы требуют низкой паразитной ёмкости;
  • Добротность (Q). Добротность катушки индуктивности определяет отношение между реактивным и активным сопротивлениями катушки;
  • Паразитная ёмкость и собственный резонанс. Паразитная ёмкость между витками проводника в катушке индуктивности делает катушку сложной распределённой цепью. В первом приближении можно считать, что реальная катушка эквивалентна идеальной катушке индуктивности, включённой последовательно с активным сопротивлением обмотки, параллельно которой включена паразитная ёмкость. Это делает катушку колебательным контуром с характерной резонансной частотой. На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты. Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции.
  • Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.
Разновидности катушек индуктивности
Колебательные контурные катушки индуктивности.

Используются совместно с конденсаторными элементами для организации колебательных схем, применяемых преимущественно в области радиотехники. Основные требования к таким катушкам включают высокую температурную стабильность (термостабильность), долговременную надёжность и достаточную добротность при минимальных требованиях к паразитной ёмкости. Эти параметры критически важны для обеспечения стабильной работы резонансных контуров.

Трансформаторные катушки связи.

Такие компоненты используются в связке с конденсаторами для создания колебательных цепей, взаимодействуя посредством магнитных полей между собой. Их задача — обеспечивать трансформаторную связь между различными участками цепи, например, разделять по постоянному току базу и коллектор смежных усилителей. В отличие от резонансных трансформаторов, к нерезонансным разделительным катушкам предъявляются менее жёсткие требования относительно добротности и точности. Они обычно выполняются из тонких проводов с небольшими габаритами для минимизации влияния на общую схему. Основными характеристиками являются индуктивность и коэффициент связи (взаимоиндукции).

Вариометры.

Индуктивные компоненты, позволяющие регулировать собственную ёмкость путём изменения взаимного расположения обмоток двух катушек, соединённых последовательно. Одна катушка является статичной (статором), в то время как другая — подвижной (ротором) и располагается внутри первой для возможности вращения. Вариометры позволяют изменять индуктивность в широком диапазоне (до 4-5 раз). В некоторых конструкциях вариометров используется перемещение ферромагнетического сердечника относительно обмотки или изменение длины воздушного зазора магнитопровода для достижения требуемой регулировки индуктивности.

Дроссели.

Активные элементы цепей, характеризующиеся высоким сопротивлением на переменном токе и низким — на постоянном. Их основная функция заключается в ограничении переменного тока при последовательном включении с нагрузкой. Дроссели широко применяются как фильтрующие элементы в источниках питания радиоаппаратуры, а также могут использоваться как балласт для включения газоразрядных ламп от сети переменного напряжения. В зависимости от частоты работы (50-60 Гц против более высоких частот), дроссельные катушки могут иметь сердечники из трансформаторной стали или феррита и пермаллоя соответственно.

Фильтры синфазных помех.

Для фильтрации синфазных высокочастотных помех используются специальные фильтры, включающие две встречно намотанных индуктивные катушки. Такая конструкция обеспечивает высокую эффективность при тех же геометрических размерах по сравнению с последовательно соединёнными катушками. Согласная намотка подходит для подавления дифференциальных помех. Такие фильтры находят применение в различных областях: входные фильтры блоков питания, защитные элементы цифровых линий связи и даже в аудиотехнике. Они служат как барьером для защиты источников питания от внешних высокочастотных сигналов, так и средством предотвращения проникновения собственных электромагнитных помех устройства в питающую сеть. На низких частотах предпочтительны дроссели с ферромагнетическими сердечниками (обычно из трансформаторной стали), а на высоких — с сердечниками из феррита.

Маркировка катушек индуктивности
Текстовая маркировка
  • Значения xRx указаны в микрогенри (мкГн, 6R5 = 6.5 μH).
  • Трёхзначные значения могут быть указаны и в наногенри (нГн), и в микрогенри (мкГн), в зависимости от выбора производителя.
  • Первые две цифры — это значение
  • Третья цифра — множитель (или количество нулей, добавленных к значению)
  • Если есть R, то он действует как десятичная точка, и множитель отсутствует.
  • Примеры:
    • 472 = 47×10 2 нГн = 4700 нГн = 4,7 мкГн (Coilcraft)
    • 472 = 47×10 2 мкГн = 4700 мкГн = 4,7 мГн (Bourns)
    • 4R7 = 4,7 мкГн
  • Суффикс
    • Иногда точность индуктора обозначается с помощью конечной буквы F, G, J, K или M.
      • F = ± 1%
      • G = ± 2%
      • J = ± 5%
      • К = ± 10%
      • М = ± 20%

223J = 22 x 103 = 22 + 3 ноля = 22,000 µH = 22mH

Цветовая маркировка

Индукторы могут быть обозначены цветными полосами или цветными точками. Каждый цвет кодирует то или иное значение. Ниже приведена расшифровка для 4-хполосного кодирования.

Полоса

1

2

3

4

Значение

1-я цифра

2-я цифра

Множитель

Допуск

Золотой

 

 

10-1 (0,1uH)

5%

Серебряный

   

10-2 (0,01мкГн)

10%

Чёрный

0

0

100 (1uH)

20%

Коричневый

1

1

101 (10uH)

 

Красный

2

2

102 (100uH)

 

Оранжевый

3

3

103 (1000uH)

 

Жёлтый

4

4

104 (10000uH)

 

Зелёный

5

5

 

 

Синий

6

6

   

Фиолетовый

7

7

   

Серый

8

8

   

Белый

9

9

   

примечание: коричневый и фиолетовый могут выглядеть очень похожими на некоторых компонентах. Фиолетовый и белый, как ни странно, также могут выглядеть похожими иногда.

Пример для 47 микроГенри

Цвета полос:

1-я полоса: жёлтый = 4
2-я полоса: фиолетовый = 7
3-я полоса: черный = 100 = 1 (×1)

Значение индуктивности = 47×100uH = 47uH

4-я полоса: серебряный = допуск 10%
итоговая индуктивность с допуском = 47±10

Другие пассивные компоненты

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.

Пассивные компоненты — краткое резюме

Компонент

Функция

Базовое применение

Резисторы

Управление током и делением напряжения

Ограничение тока, деление напряжения, преобразование сигнала

Конденсаторы

Хранение и выдача электроэнергии

Накопление энергии, фильтрация, соединение/разъединение, синхронизация

Индукторы

Накопление энергии в магнитном поле, фильтрация шума

Блоки питания, шумоподавление, фильтрация сигналов

Трансформаторы

Преобразование и изолирование напряжения

Преобразование напряжения, изоляция цепей, согласование импеданса

Предохранители

Защита цепей путём отключения при перегрузке по току

Защита от короткого замыкания, защита от перегрузки по току

Варисторы

Поглощение скачков напряжения для защиты цепей

Защита от перенапряжения, молнии, снижение электрических помех

Активные электронные компоненты

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.

Диоды и светодиоды

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.

Типы диодов

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.

Основные виды полупроводниковых диодов

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.

Основные характеристики диодов

  • 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

Система обозначений диодов на схемах

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.

Наименование

Обозначение

1. Диод

 

Общее обозначение

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

2. Диод туннельный

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

3. Диод обращённый

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

4. Стабилитрон (диод лавинный выпрямительный)

 

а) односторонний

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

б) двухсторонний

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

5. Диод теплоэлектрический

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

6. Варикап (диод ёмкостной)

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4) 

7. Диод двунаправленный

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4) 

8. Модуль с несколькими (например, тремя) одинаковыми диодами с общим анодным и самостоятельными катодными выводами

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

8а. Модуль с несколькими одинаковыми диодами с общим катодным и самостоятельными анодными выводами

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

9. Диод Шоттки

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

10. Диод светоизлучающий

ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Изменениями N 1-4)

Маркировка диодов

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.

Зарубежные схемы нумерации и маркировки диодов

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

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.

Типы транзисторов

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.

Классификация транзисторов

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 fT, 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.

Основные характеристики транзисторов

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.

Характеристики полупроводниковых материалов

Полупроводниковый
материал

Прямое напряжение перехода
при 25 °C, В

Подвижность электронов
при 25 °C, м2 /(В·с)

Подвижность дырок
при 25 °C, м2 /(В·с)

Макс.
температура перехода, °C

Германий

0,27

0,39

0,19

70-100

Кремний

0,71

0,14

0,05

150-200

Арсенид галлия

1.03

0,85

0,05

150-200

Переход Al–Si

0.3

150-200

Использование транзисторов

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.

Маркировка и идентификация транзисторов

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

JEDEC

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.

JIS

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:

Код

Рус.

Расшифровка

SA

PNP высокочастотный транзистор

PNP HF transistor

SB

PNP аудиочастотный транзистор

PNP AF transistor

SC

NPN высокочастотный транзистор

NPN HF transistor

SD

NPN аудиочастотный транзистор

NPN AF transistor

SE

Диоды

Diodes

SF:

Тиристоры

Thyristors

SG

Устройства Ганна SH с одним переходом

Gunn devices SH: UJT

SJ

P-канальный FET

P-channel FET

SK

N-канальный FET

N-channel FET

SM

Симистор

Triac

SQ

Светодиод

LED

SR

Выпрямитель

Rectifier

SS

Сигнальные диоды

Signal diodes

ST

Лавинные диоды

Avalanche diodes

SV

Варикапы

Varicaps

SZ

Стабилитроны (диоды Зенера)

Zener diodes

 

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.

EECA (Pro Electron)

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.

Применение транзисторов

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 (ИС)

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.

Классификация интегральных схем

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.

Изготовление ИС

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.

Корпуса ИС

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.

Корпус

Название корпуса и количество выводов

Small outline package

(уменьшенный малогабаритный корпус)

SOIC-8,12,14,16, 24 TSSOP-8,16,20,24,30,34,40

Through-hole package

(для монтажа в отверстия печатной платы)

DIP-8,12,14,16,18,20,22,24,28,36,40,42,48,52,64

Ball grid array

(с матрицей выводов)

BGA 44, 48… 1000 и более.

Flat package

(Плоские безвыводные корпуса с четырёхсторонним расположением контактов)

QFN, DFM 28,32,44,48…120,168 и более.

Типичные параметры выбора интегральной схемы

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, VIH, VIL, VOH, VOL;
    (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.

Маркировка и идентификация интегральных схем

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.

Код

Производитель

AMD

Advanced Micro Devices

Tl

Texas Instruments

NS

National Semiconductor

ON

ON Semiconductor

ST

STMicroelectronics

AD

Analog Devices

MC

Motorola (сейчас входит в ON Semiconductor)

MAX

Maxim Integrated

ATMEL

Atmel (now part of Microchip Technology)

LT

Linear Technology (сейчас входит в Analog Devices)

NXP

NXP Semiconductors

XILINX

Xilinx

INFINEON

Infineon Technologies

FAIRCHILD

Fairchild Semiconductor (сейчас входит в ON Semiconductor)

MICROCHIP

Microchip Technology

CYPRESS

Cypress Semiconductor (сейчас входит в Infineon Technologies)

ROHM

Rohm Semiconductor

ALLEGRO

Allegro MicroSystems

FREESCALE

Freescale Semiconductor (сейчас входит в NXP Semiconductors)

INTEL

Intel

ARM

Arm Holdings

EXAR

Exar Corporation

SAMSUNG

Samsung Electronics

RENESAS

Renesas Electronics

TOSHIBA

Toshiba Corporation

PHILIPS

Philips Semiconductors

HITACHI

Hitachi

FUJITSU

Fujitsu

NEC

NEC Corporation

SANYO

Sanyo Electric Co., Ltd.

PANASONIC

Panasonic Corporation

SONY

Sony Corporation

SHARP

Sharp Corporation

MITSUBISHI

Mitsubishi Electric

HARRIS

Harris Corporation

TEMIC

Temic Semiconductor

ZETEX

Zetex Semiconductors

VISHAY

Vishay Intertechnology

UTC

Unisonic Technologies

 

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

C.I. CMOS 4011 (DIP14)

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 компоненты

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.

Тиристоры и симисторы

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.

understanding-electronics-components-chapter-06-6-02

Датчики

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.

Пассивные и активные сенсоры

  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.

Абсолютные и относительные сенсоры

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.

Цифровые и аналоговые датчики

  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.

Физические явления, измеряемые сенсорными ИС

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.

Основные характеристики сенсоров

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.

МЭМС сенсоры

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.

Электромеханические компоненты печатных плат

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.

Переключатели / выключатели

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

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.

Классификация соединителей на печатных платах

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.

Основные характеристики некоторых видов разъёмов

Тип разъёма

Использование

Основные характеристики

Примеры использования

Плата-Плата

Соединения печатная плата-печатная плата

Высокая плотность, многоконтактное, надёжное

Материнские платы, платы расширения

Провод-Плата

Соединения печатной платы с проводами или кабелями

Безопасное соединение, часто с запирающими механизмами

Электропитание, соединения двигателя

Краевые разъёмы

Края платы к гнёздам

Экономия пространства, прямые точки контакта

Модули памяти, карты расширения (например, видеокарты)

Аудио и видео разъёмы

Передача сигнала для A/V

Минимизирует помехи, обеспечивает высокое качество сигналов

Аудио разъёмы, HDMI, разъёмы RCA

Коннекторы данных (I/O)

Передача сигналов данных

Высокоскоростные универсальные протоколы

USB, Ethernet, последовательные соединения

Разъёмы питания

Подключение электропитания

Высокая сила тока/напряжения, надёжная блокировка

Вход постоянного тока, внутренние компоненты компьютера

Волоконно-оптические соединители

Высокоскоростная передача данных посредством световых импульсов

Высокая пропускная способность, низкий уровень электромагнитных помех, надёжное соединение, безопасность

Телекоммуникации, сетевое оборудование

ВЧ-разъёмы

Передача высокочастотного сигнала

Низкий уровень помех, согласование импеданса

Антенные соединения, пути прохождения радиочастотного сигнала

Промышленные разъёмы

Суровые условия

Прочный, устойчивый к влаге/химическим веществам

Автоматизация, оборудование управления технологическими процессами

Автомобильные разъёмы

Применение в транспортных средствах

Устойчив к вибрации, устойчив к температуре и влажности, часто герметичные

Блоки управления двигателем, информационно-развлекательные системы

 

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

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.

Основные характеристики реле

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.

Классификация реле

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.

Маркировка реле

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 +

Кварцевые резонаторы (генераторы)

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.

Обозначения на схемах

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

Идентификация и маркировка генераторов

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)

Другие электромеханические компоненты

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.

Сравнение некоторых характеристик компонентов

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.

Дополнительная информация

Размеры SMT компонентов

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

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

Тип корпуса по стандарту IPC

Размер в дюймах

Метрические размеры

2920

7.4 x 5.1 (7451)

0.29 × 0.20

2725

6.9 x 6.3 (6936)

0.27 × 0.25

2512

6.3 x 3.2 (6332)

0.25 × 0.125

2010

5.0 x 2.5 (5025)

0.20 × 0.10

1825

4.5 x 6.4 (4564)

0.18 × 0.25

1812

4.5 x 3.2 (4532)

0.18 × 0.125

1806

4.5 x 1.5 (4516)

0.18 × 0.06

1210

3.2 x 2.5 (3225)

0.125 × 0.10

1206

3.0 x 1.5 (3216)

0.12 × 0.06

1008

2.5 x 2.0 (2520)

0.10 × 0.08

805

2.0 x 1.2 (2012)

0.08 × 0.05

603

1.6 x 10 (1608)

0.06 × 0.03

402

1.0 x 0.5 (1005)

0.04 × 0.02

201

0.6 x 0.3 (0603)

0.02 x 0.01

Распространённые коды компонентов печатных плат

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.

Код

Тип компонента

Код

Тип компонента

A

Отделяемая сборка или подсборка (например, сборка печатной платы)

LS

Громкоговоритель или зуммер

AT

Аттенюатор или изолятор

M

Мотор

ATT

Аттенюатор

MOV

Металлооксидный варистор

BR

Мостовой выпрямитель

MK

Микрофон

BT

Аккумулятор

MP

Механическая часть (включая винты и крепежи)

C

Конденсатор

OP

Оптоизолятор

CB

Автоматический выключатель

P

Штекер (самый подвижный разъем из пары разъёмов), штекерный разъем (разъем может иметь штыревые контакты «папа» и/или гнездовые контакты «мама»)

CN

Конденсаторная сеть

PS

Источник питания

D, CR

Диод (все типы, включая светодиоды), тиристор

Q

Транзистор (все типы)

DL

Линия задержки

R

Резистор

DS

Дисплей, общий источник света, лампа, сигнальный свет

RN

Резисторная сеть

G

Осциллятор

RT

Термистор

J

Джампер или Джек

RV

Варистор, переменный резистор

L

Индуктор

S

Переключатель (все типы, включая кнопки)

F

Предохранитель

T

Трансформатор

FB

Ферритовая бусина

T

Термопара

FD

Фидуциальный

TP

Контрольная точка

FL

Фильтр

TUN

Тюнер

G

Генератор или осциллятор

U

Интегральная схема (ИС)

GN

Общая сеть

V

Вакуумная трубка

H

Метизы, например, винты, гайки, шайбы

VR

Регулятор напряжения (источник опорного напряжения), Переменный резистор (потенциометр или реостат)

HY

Циркулятор или направленный ответвитель

X

Разъем для другого элемента, кроме P или J, в паре с буквенным обозначением этого элемента (XV для разъёма для вакуумной лампы, XF для держателя предохранителя, XA для разъёма для печатной платы, XU для разъёма для интегральной схемы, XDS для розетки для лампы и т. д.)

IR

Инфракрасный диод

XTAL

Кристалл

J

Джек (наименее подвижный разъем из пары разъёмов), разъем Джек (разъем может иметь штыревые контакты типа «папа» и/или гнездовые контакты типа «мама»)

Y

Кристалл или генератор

JP

Джемпер (Ссылка)

ZD

Диод Зенера

K

Реле или контактор

L

Индуктор или катушка или ферритовая бусина

Вверх

Задать вопрос Новости

ASE Technology, один из лидеров глобального рынка производства интегральных схем, работает над созданием новой технологии упаковки чипов, которая даст…

Кто не меняется — тот безнадёжно отстаёт. Это правило работает для всех производителей электроники, а в особенности для компаний, выполняющих…

Исследователи из лаборатории «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств» создали устройство, способное защитить изделия…

Летом 2024 года частично беспилотный электропоезд «Ласточка» был запущен в эксплуатацию и к настоящему моменту стабильно выполняет рейсы на Московском…

Учёные из Дизайн-центра силовой электроники Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) разработали гибридные микросборки…

В производстве электроники точность, эффективность и надежность имеют решающее значение. Лазерный реболлинг — это инновационная технология ремонта…

А-КОНТРАКТ ежегодно принимает участие в крупнейшей российской отраслевой выставке компонентов, технологий, материалов и оборудования.