Пассивные элементы электронных схем

К пассивным элементам относятся в основном резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности в электронных системах судовой автоматики практически не применяются.

Резистор – устройство, обладающее определенным электрическим сопротивлением. Основное его назначение – ограничить ток в цепи. Резистор как изделие характеризуется тремя основными параметрами:

- номинальное сопротивление;

- допуск, выражаемый в процентах и отражающий отклонение реального сопротивления от номинального;

- номинальная мощность.

Поскольку токи в электронных устройствах небольшие, то номинальные сопротивления применяемых резисторов находятся на уровне единиц – сотен килоом. Резисторы выпускаются с различными допусками, от десятых долей процента до (5¸10)%. Характерные допуски для резисторов, используемых в судовой автоматике (1¸5)%. Номинальная мощность – параметр, ограничиваемый допустимым нагревом резистора. При протекании через него тока I и падении напряжения U на нем выделяется мощность P = U × I = I ² × R, которая преобразуется в тепло, т.е. резистор разогревается. Если мощность будет чрезмерна, резистор перегреется и выйдет из строя ("сгорит"). Это наиболее типичная причина повреждения резисторов. В электронных устройствах используются резисторы на весьма небольшие мощности, от 0,125 Вт до 2 Вт. В основном – 0,125 Вт или 0,25 Вт. Резистор, рассчитанный на большую мощность, имеет и большие размеры, т.е. увеличенную площадь охлаждения. Пример обозначения резисторов в схемах приведен на рис. 1.34. Обозначение параметров на корпусах резисторов, ввиду их малых размеров, как правило, кодированное или сокращенное. Широко используется цветовой код, в виде 4-х или 5-ти колец, цвет которых выражает номинальное сопротивление и допуск резистора.

 

Пример обозначений резисторов

 

а) резистор с позиционным номером в схеме 7, номинальным сопротивлением 2,7 кОм и номинальной мощностью 0,125 Вт, показанной в соответствии с ГОСТом;

б) резистор 2,7 кОм с допуском ±2%, для схем зарубежного производства;

в) переменный резистор с номинальным сопротивлением 10 кОм.

 

Рис. 1.34

 

 

Следует отметить, что обычный резистор – один из самых надежных компонентов электронных устройств. В отличие от него, переменный резистор, имеющий подвижный механический контакт, позволяющий изменять его сопротивление (рис. 1.34), является одним из самых ненадежных элементов электронных устройств. Причина – в механическом износе и окислении подвижного контакта.

Вторым, наиболее распространенным пассивным элементом электронных схем, является конденсатор. Основным его свойством является способность накапливать электрический разряд, т.е. аккумулировать электрическую энергию. А, отдавая накопленный электрический заряд, т.е. разряжаясь, он способен создать в подключенной к нему внешней цепи ток, постоянно уменьшающийся по мере разряда. Принципиально он состоит из двух обмоток, разъединенных слоем диэлектрика, что отражено в его условном графическом обозначении (рис. 1.35).

 

Примеры обозначений в схемах конденсаторов

а) конденсатор с позиционным номер 7, емкостью 0,1 мкФ;

б) конденсатор емкостью 0,1 мкФ, в схеме зарубежного производства;

в) электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ на номинальное напряжение 16В;

электролитический (полярный) конденсатор емкостью 4,7 мкФ в схеме зарубежного производства.

Рис. 1.35

 

Основной параметр конденсатора – его номинальная емкость, выражаемая в фарадах. Однако фарада – достаточно большая единица емкости. Конденсатор такой емкости трудно создать, но в этом и нет необходимости. В электронных устройствах используются конденсаторы емкостью от нескольких десятков пикофарад (10^-12Ф) до нескольких тысяч микрофарад (10^-6Ф).

Как и резисторы, конденсаторы характеризуются допуском, выраженным в процентах.

Один из важнейших параметров конденсатора – номинальное напряжение. Это такое постоянное напряжение, которое способен выдержать диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора. Если его превысить, то диэлектрик электрически пробивается и через конденсатор будет проходить постоянный ток, т.е. образуется короткое замыкание. Это серьезная авария, наиболее типичная для конденсаторов. Поскольку диэлектрик часто выполняется из органических материалов (бумага, синтетические пленки), то протекающий через него при пробое ток оказывает тепловое действие, идет газообразование, внутри корпуса конденсатора растет давление, что в итоге деформирует его, а в критических случаях разрывает.

Следует отметить, что конденсатор – один из самых ненадежных элементов электронных схем. Несмотря на то, что доля конденсаторов в общем количестве компонентов электронных устройств весьма мала, как показывает практика, на них приходится основная масса отказов электронной аппаратуры. Особенно неблагоприятны в этом смысле так называемые электролитические конденсаторы. Изготавливаемые по специальной технологии, они обладают малой массой и габаритными размерами при большой емкости, достигающей десятков тысяч микрофарад. Практически все конденсаторы емкостью от 1 мкФ и выше выпускаются по такой технологии. В отличие от обычных конденсаторов, они являются полярными, т.е. прикладываемое к ним постоянное напряжение должно иметь определенную полярность. На обкладке, обозначенной "+" (рис. 1.33,в) напряжение должно быть положительного знака, относительно другой обкладки. У таких конденсаторов, кроме пробоя диэлектрика, имеет место постепенное, по мере эксплуатации снижение их емкости, вплоть до нуля.

Как известно из электротехники, конденсатор проводит переменный ток. Однако электронные устройства автоматики питаются постоянным напряжением и в них конденсаторы работают в основном в режиме "заряд – разряд". Наиболее типичное применение конденсатора – в цепях питания электронных устройств, с целью улучшения качества питания. Весьма часто конденсаторы используются для задержки прохождения сигналов в системах автоматики. Простейшая цепь задержки показана на рис. 1.36.

 

Цепь задержки на основе конденсатора

 

а) схема цепи задержки; б) временные диаграммы.

 

Рис. 1.36

 

В отсутствие входного сигнала U _вх конденсатор С разряжен и U _вых =0. При скачкообразном появлении U _вх (см. рис. 1.36,б) конденсатор начинает заряжаться током, протекающим через R. Напряжение на конденсаторе, т.е. U _вых нарастает по экспоненте, стремясь достичь уровня U _вх. Время, за которое оно достигнет определенного уровня U _ср можно рассматривать как время задержки появления выходного сигнала. Если принять U _ср на уровне » 0,6 от U _вх, то время задержки составит: t » R × С. Такая цепь способна создать задержку на уровне десятков секунд. Так, если R=100000 Ом=100кОм, а С=100мкФ=100×10^-6Ф, то:

t » 10⁵ × 100 × 10^-6=10с.

Резистор и конденсатор с указанными параметрами имеют весьма небольшие размеры и массу. А если вместо постоянного резистора использовать переменный, то время задержки можно регулировать, что и предусмотрено во многих судовых системах автоматики.

 

 

Датчики температуры

Электронные системы автоматики обрабатывают информацию, поступающую от самых разнообразных датчиков. Часть из них является электронными приборами. Вместе с тем, электронные устройства используются для усиления и преобразования сигналов датчиков. Поэтому целесообразно иметь представление о свойствах некоторых датчиков, ведущих себя в электрических схемах как резисторы, чье сопротивление зависит от прикладываемого к ним неэлектрического воздействия.

1. Терморезисторы.

Наибольшую группу таких датчиков составляют терморезисторы, т.е. элементы, чье сопротивление зависит от температуры.

Имеются две основные разновидности терморезисторов – металлические и полупроводниковые.

Металлические терморезисторы (другое название – термопары сопротивления) выполняются в основном из платины (Pt) и представляют собою проволочный проводник в форме спирали, помещенной в защитный кожух, выполненный в виде щупа. В таком датчике используется известное для металлов явление – с увеличением температуры растет его электрическое сопротивление. Вид характеристики металлического терморезистора приведен на рис. 1.37.

Платиновые терморезисторы обладают стабильной характеристикой, работоспособны до » 600^оС, широко применяются на судах, однако имеют низкую чувствительность – около 0,4%/^оС. Так, если при t =0^оС терморезистор имел начальное сопротивление R ₀ =100Ом, то при t =100^оС оно увеличится на D R =40Ом и составит R_t = R ₀ + D R =100+40=140 Ом.

 

Характеристики металлического терморезистора

 

Рис. 1.37

 

 

Из-за малой чувствительности для выделения полезного сигнала термометры включаются в четырёхплечий измерительный мост (мост Уитстона), выходной сигнал которого  в последующем усиливается.

Кроме этого, металлический терморезистор имеет значительную массу и, как следствие, инерционность. Этих недостатков лишены полупроводниковые терморезисторы.

Температура сильно влияет на свойства всех полупроводниковых приборов. В данном случае это влияние специально увеличено и доведено до полезного применения.

Имеется две основных разновидности полупроводниковых терморезисторов.

Первая из них называется – термистор.

 

 

С увеличением температуры его сопротивление уменьшается на 7-10%/°С.

Это самый чувствительный из известных датчиков температуры. Работоспособен до t_max =120-180 ° C (до 380°С отдельные). Этот датчик малоинерционный. Недостаток - большой разброс характеристик при изготовлении (до ±20%).

Применяется как датчик температуры в системах пожарной сигнализации, в системах кондиционирования воздуха и ряде других систем.

Вторая разновидность - позистор.

Его сопротивление увеличивается с увеличением температуры. При некотором значении температуры t _ср сопротивление резко возрастает, на несколько порядков.                                         

позисторы выпускаются каждый на свою температуру срабатывания.

Применяются в системах пожарной сигнализации для контроля температуры обмоток мощных электродвигателей и генераторов.

В качестве датчика температуры может использоваться диод.

Падение напряжения на диоде в прямом включении зависит от температуры его кристалла.

  U _пр = f ( t ° C )

Чувствительность »2мВ/°С

t_max = 150 ¸ 200 ° C.

 

2. Тензорезисторные датчики.

Тензорезистор – сопротивление, изменяющееся при деформации.

Могут быть:

- металлическими

- полупроводниковыми.

Электрическое сопротивление металлического провода выражается формулой:

,

где r- удельное сопротивление, l - длина, S - площадь сечения

В металлических тензорезисторах изменяется l и S. Если проводник растягивать – увеличивается l на величину D l и уменьшается S. Поэтому R растет. 

Рис. 1.41

 

Применяются константан, нихром, у которых сопротивление не зависит от температуры.

При растяжении сопротивление увеличивается, при сжатии – уменьшается:

 

,

 где  - относительное изменение сопротивления;

 - относительное удлинение;

К- коэффициент тензочувствительности (К=1,8¸2,5 для металлов).

Работают только в пределах упругих деформаций . Поэтому у такого датчика низкая чувствительность. Его используют в составе мостовой схемы, в плечи которой включены 4 тензорезистора. Это обеспечивает в 4 раза больший выходной сигнал от моста, однако его уровень измеряется милливольтметрами, что требует усиления.

 

Мостовая схема включения тензорезисторов и их использование в датчике давления

 

Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются в основном из кремния. Под воздействием деформации изменяется удельное сопротивление полупроводника. Они обладают гораздо большей чувствительностью – коэффициент тензочувствительности находится на уровне к= ± (30 ¸ 200).

Такие тензорезисторы применяются для контроля деформаций судовых конструкций.

Тензорезисторы являются составной частью датчиков давления, используются для измерения крутящего момента на гребном валу судна.

 

3. Варистор.

Это полупроводниковый резистор, чье сопротивление зависит от приложенного к нему напряжения. Когда напряжение на варисторе достигает некоторого свойственного ему значения U _ср, ток через него резко увеличивается, что свидетельствует о снижении сопротивления. При этом напряжение остается почти постоянным.

Варистор используется как элемент защиты полупроводниковых приборов от перенапряжения. Если в схеме рис. 1.43,в отключить питание, то протекающий через катушку индуктивности L ток I снизится.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: