Что такое пассивные электронные компоненты

Время чтения: 23 минуты

Если кратко, то пассивные компоненты не требуют для работы питания (но потребляют или накапливают электрическую энергию!) и потому не генерируют или усиливают сигнал. Кажется, от них мало толку? Нет! Пассивные компоненты способны ограничивать силу тока (ампераж), делить или смещать напряжение, накапливать энергию в виде электрического заряда или поля, фильтровать (смотри статью «Фильтры в электронике. Часть 1», «Часть 2») и т. д.

Электронный компонент, известный как резистор (от лат. resisto — сопротивляться), также называют сопротивлением. Оба названия превосходно отражают принцип его работы. Рассмотрим гидравлическую аналогию.

Представьте на мгновение, что электроток — это жидкость, текущая по трубам. Предположим, есть две трубы одинакового сечения: одна абсолютно гладкая внутри, а другая — со множеством сужений и шероховатой поверхностью. Кто имел дело с сантехникой или поливал грядки из шланга знает, что протолкнуть воду через трубу с шероховатыми стенками сложнее, чем с гладкими. Ведь она имеет большее сопротивление движению жидкости.

Пионеры в области электротехники считали, что электричество — это некий тип невидимой жидкости, легко протекающей через определённые материалы (к примеру, металлы), но с трудом перемещающейся в других (к примеру, сухой древесине). В каком-то смысле они были правы, хотя движение электронов невидимо человеческим глазом даже с помощью самых лучших микроскопов.

Есть сходство между движением электронов в проводах и воды в трубах. К примеру, если давление на одном конце увеличивается, количество проходящей воды вырастет. Давление на другом конце напрямую связано с сопротивлением трубы потоку воды. Другими словами, оно уменьшится, если сопротивление увеличится. Рисунок ниже показывает эту связь визуально.

Электроны текут через материалы, когда давление (вернее, разность давлений между концами трубы) называемое напряжением (точнее, разностью потенциалов) в электротехнике и электронике приложено к одному концу проводника, заставляет электроны взаимодействовать, пока они не «вытекут» с противоположного конца.

Некоторые материалы удерживают электроны сильнее, что затрудняет их движение. Эти материалы имеют более высокое сопротивление потоку электричества (корректнее, электротоку), чем позволяющие электронам легко перемещаться.

Поэтому ранние экспериментаторы называли материалы изоляторами, если они имели очень большое сопротивление потоку электронов, и проводниками, если малое. Позже материалы со средним значением сопротивления были классифицированы как полупроводники (смотри статью «Что такое полупроводник?»).

Когда инженер проектирует схему в электронике, он часто вынужден ограничить количество электронов (то есть ампераж), ежесекундно перемещающихся в конкретной цепи. Это похоже на то, как кран ограничивает количество протекающей воды. Трудно наполнить стакан, не пролив воды, если бы кран имел только два состояния: полностью открытый или закрытый. Используя правильное значение сопротивления в электронной схеме проектировщики ограничивают ампераж, оказываемый на компонент, и таким образом предотвращают его повреждение или разрушение.

Резистор — это электронный компонент, оказывающий активное электрическое сопротивление электротоку. Это сопротивление противодействует движению электронов и, таким образом, снижает напряжение, действующее на другие электронные компоненты, и ограничивает ампераж.

В современной электронике используется множество типов резисторов. Каждый изготавливается из определённых материалов и по конкретной технологии. Они также имеют определённую их конструкцией максимальную допустимую мощность рассеяния. Некоторые меняют значение сопротивления (как правило, резко уменьшают) при подаче на них определённого напряжения. Они называются нелинейными резисторами или варисторами и предназначаются для защиты цепей от перенапряжения.

Также существуют резисторы с зависимым от внешних условий сопротивлением: от температуры (терморезистор), освещённости (фоторезистор), деформации (тензорезистор) и т. д. Некоторые имеют возможность механически регулировать величину их сопротивления – переменные резисторы. Далее кратко рассмотрим основные разновидности.

Первые широко распространённые компоненты были проволочными и изготавливались путём намотки проволоки с высоким удельным сопротивлением вокруг нетокопроводящей трубки. Она обычно изготавливалась из какой-либо формы стекла или керамики, имела высокую стойкость к повышенной температуре, так как резистор сильно греется при работе. Трубка оконцовывалась металлическими колпачками с приваренными проволочными выводами или контактными лепестками.

Значение сопротивления остаётся довольно стабильным при повышении температуры, но сильно меняется с частотой тока ввиду высокой индуктивности проволочной обмотки. Также радиодетали не имеют высокой точности номинала и требуют подбора при монтаже в высокоточных устройствах.

Зато обладают самой высокой из всех рассеиваемой мощностью, в принципе ограниченной только габаритами и от единиц достигающей сотен ватт или единиц киловатт.

Это так называемые «старые» резисторы, широко применяемые до приблизительно 70–80-х годов. Измельчая углерод в мелкий порошок и смешивая его со связующим веществом, к примеру, синтетической эпоксидной смолой, можно изготовить материал с различными значениями сопротивления. Проводящие выводы запрессовываются на каждом конце предварительно сформированного цилиндра, а затем конструкция нагревается и отверждается в печи. Для предотвращения короткого замыкания и защиты токопроводящего материала корпус покрывается изолирующей обмазкой или краской.

Готовые радиокомпоненты затем измеряются и сортируются по номиналу. Сопротивление у них снижается при росте ампер и с нагревом, в результате они нагреваются ещё сильнее, а токи тоже растут. Важно, чтобы номинальная мощность резистора из углеродного состава не была превышена. Сегодня его можно встретить или в устаревшей аппаратуре, или же приборах спецназначения.

Самый распространённый сегодня вид радиокомпонентов. Изготавливаются путём нанесения очень тонкого слоя углерода на керамическую трубку. Затем корпус защищается огнестойкой обмазкой или краской, поскольку углеродный слой может нагреться до высокой температуры или воспламениться при превышении мощности рассеяния.

Радиодетали более стабильны, имеют меньшее значение шумов, чем углеродные композиционные, а значение их сопротивления стабильно даже на очень высоких частотах. Применяются практически везде.

Они также сконструированы таким же образом, как и углеродные плёночные, кроме того, что плёнка изготавливается из оксидов металлов, к примеру, из хлорида олова. Сверху покрыты эпоксидной смолой или каким-либо аналогичным пластиковым покрытием для защиты от влияния атмосферы. Обладают очень высокой точностью и стабильностью и подходят для применения в высокоточной аппаратуре. Но дороже, поэтому используются, когда ограничения схемы делают это необходимым.

Они также изготавливаются путём осаждения плёнки металла (обычно никелевого сплава) на керамический стержень или трубку. Они очень стабильны при колебаниях температуры и на различных токовых частотах, но значительно дороже, чем их углеродные «коллеги». Иногда помещаются в трубку вместо обычного красочного или эпоксидного покрытия для дополнительного отвода тепла.

Когда резистор сконструирован так, что значение его сопротивления можно регулировать, он называется переменным. На рисунке ниже показаны основные элементы, присутствующие в нём. Сначала углеродное резистивное покрытие наносится на изолирующую основу-подложку. Затем неподвижные контакты подключаются к каждому концу резистивного материала.

Наконец, создаётся подвижный или скользящий пружинный контакт, перемещающийся вдоль резистивного материала и задающий сопротивление.

Существует много методов изготовления, но они конструктивно схожи. Радиодетали применяются в качестве органов управления громкостью, яркостью, скоростью вращения, температурой и т. д.

Ознакомиться с принципом работы резистора можно через интерактивную электронную модель.

Название он взял от латинского condensatio — «накоплять». Это электронный компонент, хранящий электрический заряд в течение длительного времени. Когда конденсатор имеет разность потенциалов между двумя собственными электродами, говорят, что он заряжен. Протекающий электроток заряжает его. Разряд происходит при подключении к нагрузке или при изменении полярности зарядки. Как в случае с резистором, давайте обратимся к гидравлической аналогии работы компонента.

Если труба, заполненная жидкостью, имела поршень на одном конце, и он был продвинут к мембране (к примеру, резиновой), вода заставила бы эластичную мембрану растягиваться, пока сила упругости резины, толкающая её назад, не сравнялась с давлением поршня. Можно сказать, что труба «заряжена» и готова толкнуть поршень назад. Фактически, если поршень отпустить, то он и вернётся. Затем труба будет «разряжена», так как мембрана вернётся в исходное положение.

Конденсаторы действуют так же. Когда к выводам прикладывается напряжение, электроны вынуждены «скапливаться» на одной из обкладок, пока разность потенциалов не сравняется с приложенным значением — то есть пока компонент полностью не зарядится.

Если два вывода конденсатора закоротить, это будет иметь тот же эффект, что и дать поршню на рисунке свободно двигаться. Компонент быстро разрядится, и напряжение на двух выводах станет равным нулю (что означает отсутствие заряда).

Что произойдёт, если поршень на рисунке выше будет двигаться внутрь и наружу много раз в секунду? Вода в трубе будет выталкиваться мембраной, а затем втягиваться обратно. Поскольку движение воды происходит вперёд и назад (переменное), аналогичное движение электротока тоже будет попеременным, или же, корректнее, переменным током. Конденсатор будет пропускать его, оказывая ёмкостное сопротивление в зависимости от токовой величины, ёмкости и частоты.

Если же движение поршня производилось только в сторону мембраны, вода на другом конце её переместилась бы ровно настолько, чтобы зарядить трубу (зарядный ток). И всё (постоянное усилие — постоянный ток). Движения жидкости, следовательно, и электротока, при постоянном усилии (токе) через конденсатор нет. Для него он выступает диэлектриком.

Конденсатор накапливает электроэнергию, когда через него проходит ток. Он может пропускать переменный электроток, оказывая ему ёмкостное сопротивление, но блокирует постоянный, кроме очень скоротечного зарядного тока в момент заряда.

Есть множество различных типов конденсаторов, используемых в электронике. Каждый тип изготавливается из различных материалов и разными методами для работы с отличающимися уровнями напряжения.

Но все виды содержат одни основные элементы:

По такой схеме изготавливаются практически все типы конденсаторов.

Возможно, наиболее распространённый тип конструкции образуется путём плотной намотки в рулон двух электродов из фольги, разделённых листами бумаги, слюды или пластика (к примеру, фторопласта). Бумага может пропитываться маслом, для увеличения ёмкости и электрической прочности (бумагомасляный конденсатор); физически диэлектрик может вообще отсутствовать, а его роль будет выполнять тончайший оксидный слой на одном из электродов (электролитический конденсатор).

Выбрав правильный изоляционный материал, можно значительно увеличить значение ёмкости, но максимальное рабочее напряжение обычно снижается. По этой причине конденсаторы обычно идентифицируются по типу материала, используемого в качестве изолятора или диэлектрика.

Рассмотрим водопроводную трубу с резиновой мембраной в центре. Мембрана эквивалентна диэлектрику в конденсаторе. Если резина сделана очень мягкой, она будет отлично растягиваться и удерживать много жидкости, но она легко может порваться (большая ёмкость, но низкое рабочее напряжение).

Если резина сделана очень жёсткой, она будет плохо растягиваться, но сможет выдержать более высокое давление (низкая ёмкость, но высокое напряжение). Увеличивая диаметр трубы и сохраняя жёсткость резиновой мембраны, мы получаем устройство, удерживающее немало жидкости и выдерживающее огромное давление (большая ёмкость, высокое напряжение, но крупный размер).

Трубы следуют правилу, где объём для удержания воды, умноженный на величину выдерживаемого давления, определяет диаметр. В электронике аналогично: произведение ёмкости на рабочее напряжение определяет размер компонента.

Чтобы сделать переменный конденсатор, одна из обкладок (пакет пластин) крепится неподвижно к корпусу или раме. Пакет пластин второй обкладки на некотором расстоянии от первой крепится к подвижному валу, а его вращение меняет площадь взаимного перекрытия обкладок.

Диэлектриком, как правило, выступает воздух или, реже, полимерная плёнка из фторопласта. Когда площадь взаимного перекрытия пластин максимальна, максимальна будет и ёмкость. Форма пластин, их количество и применение механических ограничителей хода позволяет добиться различных величин минимальной и максимальной ёмкости КПЕ для использования в различной технике.

КПЕ повсеместно применялись в приёмо-передающей аппаратуре.

Сегодня практически полностью были вытеснены «электронными КПЕ» — диодами-варикапами и синтезаторами частоты. Но в недорогих вещательных приёмниках и любительских конструкциях используются до сих пор.

Диэлектрик (резиновая мембрана в наших гидравлических аналогиях) в конденсаторе — это материал, выдерживающий напряжение (давление) без заметной проводимости (без повреждения). Когда к элементу приложена разность потенциалов, энергия в форме электрического поля удерживается между обкладками, то есть в диэлектрике.

В аналогии с мембраной, резина растягивается и удерживает жидкость. Энергия хранится в резине, вернее, в силе упругости. Когда поршень отпускается, резина высвобождает эту механическую энергию и толкает поршень обратно в исходное положение.

Если в резиновой мембране не было энергопотерь, вся энергия была восстановлена, и поршень вернулся точно в исходное положение. Единственный идеальный диэлектрик для конденсатора, где не происходит совершенно никакой проводимости и может быть восстановлена ​​вся накопленная энергия, — это идеальный вакуум. Но значение рабочего напряжения у вакуумного диэлектрика самое низкое.

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика (ε) — это значение, на которое увеличивается ёмкость, когда другой диэлектрик заменяет вакуум между двумя обкладками. В таблице ниже показаны диэлектрические проницаемости наиболее часто применяющихся изоляционных материалов:

Ознакомиться с принципом работы конденсатора можно интерактивной электронной модели.

Этот компонент лучше всего описывается с применением такого понятия как импульс. В наших гидравлических аналогиях катушка индуктивности (КИ) будет эквивалентна очень длинному шлангу (трубке), многократно обёрнутому вокруг себя (смотри рисунок ниже). Если трубка очень длинная, внутри неё будет находиться много жидкости. Когда давление будет приложено к одному концу, вся жидкость не начнёт двигаться одновременно. Потребуется время, чтобы заставить жидкость двигаться из-за её инерции (тело в состоянии покоя хочет оставаться в нём). Потом вся масса жидкости начнёт двигаться и наберёт скорость.

Скорость будет увеличиваться, пока сила трения воды в трубке не сравняется с давлением, приложенным к воде. Если вы попытаетесь мгновенно остановить движение жидкости, удерживая поршень рукой, импульс вызовет большое отрицательное давление (всасывание), вырывающее его из рук.

Поскольку КИ изготавливаются путём наматывания провода, их часто называют просто катушками. На практике названия используются взаимозаменяемо. Из приведённой выше аналогии очевидно, что спиральная трубка будет пропускать постоянный ток (жидкости), поскольку скорость потока увеличивается, чтобы сравняться с силой трения в спиральном шланге по истечении некоторого времени. Если давление на поршень чередуется (вперёд-назад) достаточно сильно, жидкость в катушке никогда не начнёт двигаться, и переменный ток (жидкости) будет заблокирован.

Природа КИ в электронике следует тем же принципам, что и аналогия со спиральной трубкой. Катушка провода будет пропускать постоянный ток и блокировать переменный. Напомним, что природа конденсатора блокирует постоянный и пропускает переменный, что противоположно КИ. Из-за этого их часто называют бинарными компонентами:

Чтобы понять, как устроены катушки, нам нужно немного изменить нашу аналогию с водопроводной трубой и включить в неё влияние магнитных полей. Рассмотрим две трубки, заполненные водой, и маленькие магниты, прикреплённые к их стенкам резинками. Движущиеся магниты из-за индукции тянут «коллег» во второй трубе и заставляют небольшой электроток течь в том же направлении, что исходный, протекающий в первой.

Когда резинки полностью растянутся, индукция прекратится, хотя исходный постоянный ток всё ещё будет течь. Однако, если электроток в первой трубе переменный, он будет индуцировать непрерывный переменный ток во второй, потому что магниты будут двигаться вперёд и назад, тянуть за собой «оппонентов».

Когда трубка растянута (большей длины), как в катушке 1, соседние витки мало влияют друг на друга. В катушке 2 (меньшей длины) магниты в каждом витке взаимодействуют гораздо сильнее. В КИ сближение витков спирального провода приводит к увеличению индуктивности, а растяжение его уменьшит. Индуктивность обратно пропорциональна длине и диаметру, но прямо пропорциональна площади поперечного сечения.

Рассмотрим влияние добавления большего количества витков в спиральную трубку нашей гидравлической аналогии. Количество жидкости увеличивается, и число взаимосвязей между магнитами растёт из-за их большого количества. Это приводит к тому, что движение жидкости увеличивается с большей скоростью, чем ожидаемо.

При изготовлении КИ было замечено, что фактическая индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков.

Последний фактор, учитываемый при изготовлении, — это материал сердечника (магнитопровода). Если трубка была намотана вокруг материала со множеством магнитов, он также связывался с магнитами в ней. Это увеличило бы скорость движения жидкости внутри неё.

Крошечные магниты в сердечнике вращались бы, как показано на рисунке ниже, и заставляли жидкость продолжать двигаться в том же направлении. Размещение железного сердечника в центре катушки напрямую увеличило бы индуктивность на величину, равную магнитной проницаемости материала сердечника.

КИ предотвращает быстрое изменение тока, создавая большую противодействующую силу. Магнитная связь двух катушек (имеется в виду трансформатор) может использоваться для преобразования величин напряжений и ампеража, с, конечно же, сохранением мощности. Катушки и трансформаторы могут использоваться как составные части частотозависимых узлов, таких как колебательные контуры, фильтры и т. д. в приёмо-передающей и усилительной аппаратуре.

Ознакомиться с принципом работы катушки индуктивности можно в интерактивной электронной модели.

Размещение катушек на одном железном сердечнике образует пассивный электронный компонент, известный как трансформатор. Если через центральную катушку будет протекать постоянный ток, в двух других он появится, когда изменится электроток в центральной (например, в момент включения или выключения).

Как только постоянный ток достигнет стационарного значения, другие две катушки «отсоединяются» и электроток в них не протекает. Если напряжение источника постоянно изменяет направление, он испускает переменный ток. Он в центральной катушке станет производить аналогичные токи в других КИ.

Поскольку нижняя катушка имеет вдвое большее количество витков (вдвое больше магнитной связи), её напряжение двукратно выше, чем у источника. Мощность в устройстве равна напряжению, умноженному на ток через устройство (P = U*I). Если напряжение на нижней обмотке удваивается, то ток уменьшается в два раза из-за закона сохранения мощности (ведь она не может появиться ниоткуда и исчезнуть, но преобразуется между состояниями).

Поскольку нижняя катушка намотана в том же направлении, что и центральная первичная, напряжение на ней будет иметь ту же полярность, что и у источника, или, корректнее, совпадать по фазе. Верхняя намотана в противоположном направлении, заставляя магнитный поток толкать ток туда же и выдавать напряжение другой полярности (то есть, в противофазе).

Поскольку количество витков в верхней катушке, как в центральной первичной, напряжение и ток (мощность, отбираемая с неё) тоже равны. Эта способность преобразовывать (трансформировать) переменные напряжения и токи повлияла на то, что ранние экспериментаторы назвали это устройство трансформатором.

Ознакомиться с принципом работы трансформатора можно в интерактивной электронной модели.