Пассивные компоненты (лекция № 1)

1.

Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Кафедра Конструирования и производства
радиоэлектронных средств
Дисциплина: «Элементная база электронных средств»
Лекция №1. «Пассивные компоненты»
(2 часа)
Старший преподаватель кафедры КПРЭС
Горобцов И.А.
2024 г.

2.

Учебные вопросы
Пассивные компоненты
1. Резисторы
2. Конденсаторы
3. Дроссели
4. Трансформаторы

3. 1. Резисторы

Электрическое сопротивление – это способность проводника
сопротивляться,
препятствовать
прохождению
электрического тока.
УГО резистора по ГОСТ
3

4. 1. Резисторы

R – сопротивление, Ом
I – сила тока, А
U – напряжение, В
P – мощность, Вт
4

5. 1. Резисторы

40 Ом – сопротивление нити
накаливания лампы. Зная
сопротивление
лампы
и
напряжение
источника
питания, мы можем посчитать
силу тока и мощность.
5

6. 1. Резисторы

Если подключить к источнику 24 В
лампу, то она сгорит, потому что на
ней будет выделяться мощность в
14.4 Вт.
Чтобы подключить к этому источнику лампу,
необходимо ограничить ток в цепи с помощью
резистора.
6

7. 1. Резисторы

Резистор
–
это
элемент
электрической
цепи,
обладающий определенным или переменным значением
электрического сопротивления.
Как мы выяснили, рабочий ток лампы равен 0.3 А. Если
подключить ее к источнику на 24 В, то при учете ее
сопротивления, ток в цепи – 0,6 А. Соответственно, необходимо
увеличить сопротивление цепи, добавив туда резистор.
С
увеличением
сопротивления
ток
уменьшится.
Для
определения необходимого сопротивление в цепи, обратимся к
таблице. Известно, что напряжение 24 В. Необходим ток в цепи
0,3 А. Делим напряжение на ток и получаем 80 Ом. Вычитаем
отсюда уже имеющееся сопротивление лампы 40 Ом и
получается, что нужен резистор на 40 Ом.
7

8. 1. Резисторы

Необходимо отметить важный момент. На преодоление
сопротивления лампы ток совершает работу, и выделяется 3,6
Вт. Однако, в цепи теперь есть резистор, который имеет точно
такое же сопротивление, и проходя через него, ток тоже
совершает работу и выделяется такая же мощность в виде
тепла. Чтобы резистор не сгорел, нам нужен резистор не просто
на 40 Ом, необходимо обратить внимание на параметр у
резистора, как рассеиваемая мощность. Если резистор может
рассеять на себе 0,25 Вт, то он перегорит.
8

9.

1. Резисторы
Как
понятно
по
эксперименту
с
лампой
и
резистором,
последовательное соединение в резисторах суммирует величину
сопротивления измеряемой цепи. Например, если мы последовательно
соединяем 5 резисторов на 10 кОм, то сопротивление этой цепи будет
50 кОм. Обращаю внимание, что то же самое происходит в обычных
проводах. На коротком участке медный провод имеет очень
маленькое сопротивление, но если провод очень длинный, то вся его
длина это последовательное соединение этих коротких участков с
маленьким сопротивлением. На большой длине сопротивление уже
становится ощутимо, поэтому, чтобы избежать потерь и нагрева, в
проводнике, где будет течь большой ток, необходимо использовать
провода с большим сечением проводника. С утолщением проводника,
сопротивление уменьшается, потому что канал, который пропускает
ток, становится шире и может провести больше тока.
То же самое происходит при параллельном соединении резисторов.
При
параллельном
соединении
резисторов
сопротивление
уменьшается. Это сопротивление можно рассчитать по формуле:
9

10. 1. Резисторы

Также важно понимать, что при соединении резисторов
последовательно или параллельно – увеличивается и их
максимальная рассеиваемая мощность. Происходит это потому,
что греться и рассеивать на себе мощность будет уже не один, а
несколько резисторов. Их мощность складывается. Основная
задача
резистора
–
ограничивать
протекание
электрического тока.
10

11. 2. Конденсаторы

УГО конденсатора по ГОСТ
Конденсатор – это две металлических
пластины, расположенных между
собой на некотором расстоянии. Как
правило, между ними прокладывается
слой
диэлектрика,
но
бывают
конденсаторы просто с воздушным
зазором.
Если подать на эти пластины напряжение, то они накопят
электрический заряд и будут некоторое время его держать.
11

12. 2. Конденсаторы

Возьмем элемент питания, между контактами которого есть
напряжение. Напряжение представим, как стремление заряженных
частиц перескочить от одного контакта к другому. Чтобы устранить
разницу потенциалов, подключаем к источнику питания конденсатор.
Заряженные частицы устремляется друг к другу через него.
Расстояние между пластинами конденсатора невелико, но они
разделены диэлектриком, который не позволяет частицам перескочить
друг к другу. Однако, между ними возникает электрическое поле,
которое подобно магниту удерживает отрицательно заряженные
частицы на одной пластине и положительно заряженные частицы на
другой в притянутом друг к другу состоянии. Они все так же стремятся
замкнуться, а стремление заряженных частиц замкнуться – это и есть
напряжение. Соответственно, тем самым накопили на конденсаторе
заряд. Соответственно, чем больше площадь этих пластин и чем они
ближе друг другу, тем больше заряженных частиц мы можем удержать
на их плоскостях.
12

13. 2. Конденсаторы

Заряженные частицы устремляются друг к другу и заполняют всю
площадь пластин. В этот момент частицы двигаются, а движение
заряженных частиц – это и есть электрический ток. Получается, что в
момент зарядки конденсатора источник напряжения отдает свой заряд.
Сила тока накопления и отдачи заряда конденсаторов ограничивается
сопротивлением проводников и некоторыми другими параметрами,
которые меняются от типов конденсатора.
13

14. 2. Конденсаторы

Правильно пластины конденсатора называть обкладками, так как не
всегда используются именно пластины. Например, в алюминиевых
электролитических конденсаторах используется алюминиевая фольга,
свернутая для экономии пространства в рулон. В качестве второй
обкладки используется жидкий электролит. Такие конденсаторы имеют
достаточно большую емкость, так как электролит, ввиду своего
агрегатного состояния, очень плотно прилегает к первой обкладке. Их
разделяет тончайший слой диэлектрика в виде оксидной пленки на
алюминиевой фольге.
14

15. 2. Конденсаторы

Такие конденсаторы имеют полярность. При смене полярности, из-за
химических процессов, слой оксидной пленки разрушается, но электролит
подобран таким образом, что при повторном подключении правильной
полярностью, разрушенные участки оксидной пленки восстанавливаются.
Происходит процесс анодирования.
Из недостатков таких конденсаторов можно выделить то, что из-за свернутой в
рулон обкладки, она имеет паразитную индуктивность. Из-за паразитной
индуктивности на высокой частоте конденсатор может вести себя как дроссель.
Такие конденсаторы, ввиду не идеальности электролита как проводника, имеют
паразитное сопротивление, которое со временем увеличивается из-за того, что
электролит с годами высыхает. Еще, при процессах восстановительного
анодирования, выделяется газ и конденсатор может вздуться или даже
взорваться. Как раз поэтому на электролитических конденсаторах делают сверху
насечки, чтобы при сильном вздутии, он не взорвался, а просто раскрылся в этом
ослабленном месте.
15

16. 2. Конденсаторы

К электролитическим относятся еще многие другие типы конденсаторов,
например, танталовые. В танталовых конденсаторах в роли анода, или,
проще говоря, обкладки, к которой нужно подключить плюсовой контакт,
используют танталовую губку, которая находится в среде электролита,
он же катод. Их все также разделяет оксидная пленка на металле. Такие
конденсаторы уже не подвержены паразитной индуктивности и
используются в высокочастотных цепях.
16

17. 2. Конденсаторы

Керамические конденсаторы можно разделить на два типа: дисковые и
многослойные. Дисковая керамика состоит из двух обкладок, которые
разделены между собой керамическим диэлектриком. В многослойных
керамических конденсаторах обкладки представлены в виде пачек из
металлических пластинок, которые входят в друг друга и которые все
также разделены керамическим диэлектриком.
17

18. 2. Конденсаторы

В отличие от электролитических конденсаторов, керамические имеют
меньше емкости, но при этом более надёжны и не имеют паразитной
индуктивности, так как обкладки не свернуты в рулон. Благодаря
современным технологическим процессам, в какой-то степени
нивелируется недостаток с малой емкостью и такие маленькие
конденсаторы могут иметь емкость десятки микрофарад. Однако все
равно это не дотягивает до электролитов. Поэтому оба типа этих
конденсаторов находят применение.
У керамических конденсаторов имеются свои недостатки. Проблема в
самой керамике. Данный диэлектрик очень сильно подвержен
термическому воздействию. От перепадов температуры меняется
емкость конденсатора. Также в зависимости от приложенного
напряжения емкость тоже может достаточно сильно меняться.
18

19. 2. Конденсаторы

Для того, чтобы побороть недостатки керамических конденсаторов,
применяют другой тип. Пленочные конденсаторы, которые используют
в качестве диэлектрика между обкладок пленку из разных материалов
– полистирол, полипропилен, тефлон и т.д. Такие конденсаторы можно
назвать почти идеальными: очень стабильно держат емкость, не
имеют
индуктивность,
очень
надежные,
умеют
самовосстанавливаться после пробоя. Но их соотношение емкости к
объему – одно из самых худших. Их применяют в важных местах
схемы, где нужно пожертвовать пространством на плате в угоду
надежности и стабильности.
19

20. 2. Конденсаторы

Применение конденсаторов. Пусковые конденсаторы.
У электродвигателей пусковой ток гораздо выше, чем номинальный рабочий
ток, поэтому параллельно линии питания подключают конденсатор большой
емкости, так как конденсатор может отдать ток очень большой величины. Если
таким же образом подключенный конденсатор поставить после диодного
моста, то уже будем называть этот конденсатор сглаживающим. Дело в том,
что скорость зарядки конденсатора тоже очень велика и он будет заряжаться
пиками, полученными от выпрямленного переменного напряжения.
20

21. 2. Конденсаторы

После выпрямления переменного тока напряжение поднимается.
Переменное напряжение обычно считается как среднеквадратичное,
но в вершине своей амплитуды оно имеет гораздо выше значение, а
конденсатор быстро заряжается этими пиками и стремится держать
это максимальное напряжение. В импульсных блоках питания для
сглаживания одновременно применяют разные типы конденсаторов,
подключенные параллельно. Как правило, электролиты и керамику.
Электролиты, ввиду своей большой
емкости,
хорошо
сглаживают
низкочастотные пульсации большой
амплитуды, а керамика хороша тем,
что имеет минимальное внутреннее
сопротивление и хорошо сглаживает
высокочастотные пульсации.
21

22. 2. Конденсаторы

Конденсатор проводит переменный ток. В тот момент пока конденсатор
заряжается, по цепи передвигаются заряженные частицы, что и
является течением тока.
При постоянном токе движение частиц в цепи происходит только на то
время пока конденсатор заряжается.
При переменном токе полярность постоянно меняется и конденсатор
будет постоянно заряжаться. Из-за этого будет поддерживаться
течение тока.
Уменьшая емкость конденсатора, можно ограничивать мощность,
подаваемую к нагрузке. При одинаковой емкости, при этом увеличивая
частоту переменного тока, можно пропустить через конденсатор ток
большей величины, так как процесс зарядки будет происходить чаще.
Конденсаторы, используемые таким способом, называются гасящими
или балластными.
22

23. 2. Конденсаторы

Разделительные конденсаторы или межкаскадные.
Как правило, их используют в звуковом усилении. Для того, чтобы транзистор
усиливал сигнал, нужно переменный звуковой сигнал сместить полностью в
постоянную сторону. Из переменного синуса мы делаем смещенный синус в
одной из полярностей, получая постоянный, но пульсирующий ток.
Транзистор этот сигнал усиливает.
Далее необходимо этот сигнал подать
на динамик, но это невозможно, так как
ток имеет постоянную составляющую.
Если после усиливающего каскада
поставить конденсатор, то он вычтет из
сигнала всю постоянную составляющую,
и в итоге мы получим чистый
синусоидальный
сигнал.
Если
уменьшить емкость этого конденсатора,
то можно обрезать низкие частоты, так
как они имеют большую ширину волны и
не впишутся в меньшую емкость
23

24. 3. Дроссели

Дроссель это обыкновенная медная катушка, намотанная вокруг ферритового
или железного сердечника, или вообще без него. При пропускании через
дроссель электрического тока, он создаёт магнитное поле. Магнитное поле
возникает не просто так. На его создание нужна энергия, и во время
нарастания магнитного поля, дроссель приостанавливает течение тока, а вся
энергия, которая должна была пройти через дроссель, тратится на
образование магнитного поля. После того как магнитное поле создано, ток
продолжает течь дальше. При резком увеличении напряжения на входе
дросселя, сила тока в нем увеличивается, и дроссель увеличивает свое
магнитное поле. Происходит все то же самое на выходе дросселя: рост
напряжения запаздывает, потому что энергия тратится на создание еще
большего магнитного поля. Если скачок был импульсный, то дроссель его
полностью поглощает и на выходе остается ровное напряжение. Такое
свойство используется в сетевых фильтрах и любых фильтрах питания.
Дроссель подавляет высокочастотные скачки напряжения – помехи.
УГО дросселя по ГОСТ
24

25. 3. Дроссели

Величина магнитного поля дросселя к протекающей силе тока и
называется индуктивностью, и измеряется в Генри. Чем выше
индуктивность, тем больше нужно времени, чтобы насытить дроссель
при одинаковых параметрах тока.
Величина индуктивности зависит от числа витков в медной катушке, а
если в эту катушку добавить сердечник, то индуктивность резко
возрастает. Из-за свойства приостановки течения тока в момент
создания магнитного поля, дроссель не проводит переменный ток.
Если индуктивность достаточно велика и частота переменного тока
достаточно высока, дроссель не будет успевать насытить свое
магнитное поле и будет стопорить протекание переменного тока.
Эффект накопления магнитного поля дросселем используются в
25
понижающих DC-DC преобразователях.

26. 3. Дроссели

Свойства дросселя
1.Накопленное магнитное поле дроссель хранить не умеет, он отдает
его в виде того же электричества. Работает это так: дроссель
расстреливается импульсами, сформированными транзистором из
входящей линии питания. Представим один отдельно взятый импульс.
Данный импульс настолько короткий, что дроссель не успевает
насытить свое магнитное поле до максимума. После того, как импульс
подан, электрическая цепь перестраивается и дроссель уже играет
роль источника тока. Поскольку дроссель был намагничен не
полностью, на выходе мы получаем импульс меньшего напряжения.
Увеличивая и уменьшая продолжительность этого импульса, можно
регулировать выходное напряжение. Данный цикл может повторяться
тысячи и миллионы раз за 1 секунду. Далее пульсирующий ток
сглаживается и отправляется на нагрузку.
26

27. 3. Дроссели

2. Дроссель не умеет хранить накопленное магнитное поле, а отдает
его в виде электричества. Если дроссель резко отсоединить от цепи,
то он будет настолько стремится отдать свой накопленный заряд и
замкнуться, что будет поднимать между своими контактами настолько
высокое напряжение, что электроны проскочат через воздух. Это
свойство используется в повышающих DC-DC преобразователях.
Все работает таким образом: есть некая электрическая цепь, в ней
присутствует дроссель и некий размыкатель. Размыкатель – это
обычный транзистор. Ток течет по этой замкнутой цепи, но как только
цепь разомкнется, в дросселе импульсно возникнет повышенное
напряжение. Если эту цепь постоянно размыкать и замыкать, то в
момент разъединения цепи можно снимать импульсное высокое
напряжение. Также не забываем, что в цепи присутствует сам
источник питания и получается последовательное соединение
источника питания и генерирующего ток дросселя, и их напряжения
складываются.
27

28. 4. Трансформаторы

Электротрансформатор – это устройство, которое посредством
электромагнитной индукции преобразовывает переменный ток одного
напряжения в переменный ток другого напряжения. С помощью
трансформатора можно сделать из переменного сетевого напряжения
220 вольт – 12 вольт, как, собственно, и происходит в блоках питания.
Также можно сделать из 220 вольт несколько тысяч вольт, как это
происходит в микроволновках. Стоит уточнить, что трансформатор
может поднять напряжение, но на выходе мощность не меняется, а
если учитывать КПД, то даже немного падает. Например, подали на
трансформатор переменное напряжение 100 В. На выходе
трансформатор выдал 1000 В. Подключаем это высокое напряжение к
нагрузке, которая потребляет 1 ампер. Чтобы все работало, на входе в
трансформатор ток будет 10 ампер, и все это без учета КПД.
УГО трансформатора
по ГОСТ
28

29. 4. Трансформаторы

Таким образом, увеличивая напряжение в 10 раз, мы теряем силу тока
в те же 10 раз, но и наоборот понижая напряжение трансформатором
в 10 раз, мы можем получить 10 кратную силу тока на выходе
трансформатора, по сравнению со входной. Мощность в этих
примерах, что на входе, что на выходе остается одинаковой. Если
учитывать КПД, то цифры получаются еще меньше: на выходе
мощность падает, и речи о прибавке энергии из ничего даже не идет.
Трансформатор устроен
просто: это кусок стали
или феррита и несколько
мотков медных проволок.
29

30. 4. Трансформаторы

Эффект трансформирования можно видеть даже без железного
сердечника. Можно намотать катушку, допустим, из 15 витков медной
проволоки. Еще намотаем из тонкой проволоки вторую катушку, но
уже с количеством витков в несколько раз больше. На первую катушку
подадим переменный ток, сформированный из постоянных 12 вольт
блока питания. Вторую катушку подсоединим к выпрямительному
мосту на четырех диодах с конденсатором, чтобы полученное
переменное напряжение со второй катушки выпрямить и измерить
мультиметром. Если подать на первую катушку переменный ток, и
установить над ней вторую катушку, то увидим на мультиметре, как с
приближением второй катушки к первой, во второй возникает
напряжение, которое мы выпрямили диодным мостом, измеряя
мультиметром. Увидим, что напряжение стало большим в несколько
раз по сравнению с подаваемыми 12 В. Можно подключить нагрузку и
произойдет передача энергии по воздуху. Именно так все и
происходит в беспроводных зарядках для смартфонов.
30

31. 4. Трансформаторы

Разберем все более подробно. Начнем с первой катушки, на которую
мы подавали переменный ток. Здесь происходят такие же процессы,
как в катушке индуктивности, которую мы рассматривали ранее.
Первичная
обмотка
имеет
свою
индуктивность,
которая
сопротивляется протеканию переменного тока, тратя потенциальную
энергию на образование магнитного поля. Это магнитное поле
переменное, оно постоянно меняет свои полюса и направление
магнитного потока. Если в это переменное магнитное поле ввести
вторую катушку, в ней возникает обратный процесс: переменное
магнитное поле будет расталкивать электроны, и во второй катушке
появится напряжение. Именно поэтому для трансформатора нужен
переменный ток, который создает переменное магнитное поле.
Постоянное магнитное поле, которое получилось бы, если бы мы
подали на первую катушку постоянные неизменное напряжение, не
смогло бы вызвать движение электронов во второй катушке.
31

32. 4. Трансформаторы

Главное свойство трансформатора – это не просто передавать
энергию, посредством магнитного поля, главное свойство – это
трансформирование, повышение или понижение напряжения с
уменьшением или увеличением силы тока. Представим, что первая и
вторая катушки состоят из одного витка. Если подать на первую
катушку переменный ток напряжения 10 В, то этот переменный ток
будет создавать переменное магнитное поле определенной величины.
Если ввести в это переменное поле вторую катушку, в ней возникнет
обратный процесс: электроны будут расталкиваться переменным
магнитным полем и потечет ток. А поскольку обмотки одинаковые, ток
будет с такими же характеристиками и того же напряжения, как и
поданный на первую катушку. Но если ввести в это переменное поле,
созданное первой катушкой из одного витка вторую катушку, но уже из
двух витков, то в каждом витке второй катушки возникнет напряжение
10 вольт. А поскольку витки соединены последовательно, их
напряжение складывается.
32

33. 4. Трансформаторы

Получается уже 20 вольт. Не стоит забывать, что магнитное поле,
воздействующее на вторую катушку, все также одной и той же
мощности, и поэтому мощность, созданная витком первой катушки
переданной магнитным полем, распределяется на два витка второй
катушки. А поскольку напряжение у нас выросло вдвое, а мощность
осталась та же, можно рассчитать, что сила тока уменьшится в два
раза на второй катушке, по сравнению с первой. Если мы увеличим
количество витков во второй катушке до пяти, то напряжение в ней
будет в пять раз больше, по сравнению с первой катушкой. Но и сила
тока будет в 5 раз меньше.
Допустим, что первая катушка состоит из 5 витков. Для того, чтобы
передать электричество с такими же характеристиками, той же силой
тока и тем же напряжением, понадобится вторая катушка также с
пятью витками. Но если мы вторую катушку сделаем из одного витка,
то в этом случае напряжение в ней уменьшится в 5 раз, но при этом
сила тока увеличится в те же пять раз, из-за того, что вся мощность
магнитного поля будет воздействует только на этот один виток.
33

34. 4. Трансформаторы

Две катушки, висящих в воздухе, работают, но передавать магнитный
поток от одной катушки к другой в воздухе малоэффективно.
Магнитное поле в воздухе расфокусировано, а нужен способ точно и
собрано направить магнитное поле от первой катушки во вторую. Этот
способ – это сердечник трансформатора.
Сердечник трансформатора –
это
ничто
иное,
как
магнитопровод – материал
который
проводит
магнитный
поток.
С
помощью
сердечника
мы
указываем магнитному полю
как оно должно замыкаться.
34

35. 4. Трансформаторы

Используя броневой магнитопровод, магнитное поле замкнется по
форме собранного сердечника. В стержневых и тороидальных
сердечниках магнитное поле замкнется одним потоком. Исходя из
этого, катушки из медной проволоки правильнее будет называть
обмотками, так как они обматываются вокруг сердечника. Обмотка,
на которую подают ток – это первичная обмотка. Обмотка, с
который снимается трансформированный ток – это уже
вторичная обмотка.
Добавление сердечников в конструкцию трансформатора увеличивает
эффективность и КПД. В большинстве случаев в разы, но и без
некоторых проблем тоже не обходится. Помимо веса есть еще такая
неприятность, как вихревые токи, протекающие в сердечнике.
35

36. 4. Трансформаторы

Вихревые токи объяснить можно так: стальной сердечник сам по себе
неплохо проводит ток, и под воздействием переменного магнитного
поля, в нем также, как и во вторичной обмотке расталкиваются
электроны, и течет ток. Этот ток забирает на себя часть мощности
магнитного поля, который добавляет дополнительных неприятностей
и ухудшает КПД.
С вихревыми токами борются достаточно просто: нужно уменьшить
электрическую проводимость сердечника, при этом сохранить его
магнитную проницаемость. Для этого стальной сердечник набирают из
тонких пластин, электрически изолирует друг от друга, или применяют
другие материалы для сердечника. Например, феррит имеет
отличную магнитную проницаемость и низкую электропроводность.
36

37. 4. Трансформаторы

Рассмотренные свойства трансформаторов применяются в блоках
питания, где трансформаторы поднимают или опускают напряжение
для питания определенного оборудования. В электростанциях, с
помощью
трансформаторов,
поднимают
напряжение
сгенерированного электричества до высоких значений – сотен тысяч
вольт, чтобы минимизировать потери на длинных линиях
электропередач.
37

38. 4. Трансформаторы

Еще существуют трансформаторы, в которых число витков первичной
и вторичной обмотки одинаково. Например, если подключить к такому
трансформатору 220 В переменного напряжения из розетки, то на
выходе получим те же 220 В и смысла вроде бы никакого нет. Но на
самом деле есть. Поскольку в трансформаторах энергия от первичной
к вторичной обмотке передается посредством магнитного поля,
вторичная обмотка не является частью электрической цепи, в которой
участвует первичная обмотка. Например, если коснуться контакта
фазы в розетке, может ударить током. Если же коснуться любого из
контакта на вторичной обмотке представленного трансформатора, то
он не ударит током, потому что нет связи с землей. Главное не
трогать оба контакта одновременно. Через человека и землю
контакты вторичной обмотки не замкнутся. Это разделение
вторичной и первичной обмотки называется гальванической
развязкой. Первичные и вторичные обмотки – это разные
электрические
цепи.
Такие
трансформаторы
называются
разделительными и применяются в основном для безопасности, чтобы
минимизировать возможность поражения электрическим током.
38

39.

Спасибо за внимание!
39