Глава 18. Что нужно знать о резисторах и конденсаторах?
«Аматор»: А может имеет смысл коснуться, хотя бы вкратце, особенностей работы и включения только тех цифровых схем, которые будут применяться в нашей разработке?
«Спец»: Разумно! И сделаем мы это тогда, когда дойдем до схемотехники ЦОУ. А пока — пойдем дальше!
«А»: А с чем нам еще необходимо побеседовать прежде, чем вплотную заняться схемотехникой?
«С»: Реальная схемотехника — это отнюдь не только транзисторы и микросхемы, с которыми мы (вчерне, правда) уже познакомились. Это еще и резисторы, и конденсаторы, и катушки индуктивности, и еще очень многое.
Поговорим, для начала, о резисторах…
«Незнайкин»: Ну, они бывают постоянные и переменные…
«А»: Погоди, Незнайкин… Имеется в. виду нечто иное…
«С»: Верно, именно иное. Прежде всего это классификация резисторов по виду их вольт-амперной характеристики. Иначе говоря, зависимости тока от приложенного к ним напряжения. В этой связи различают резисторы ЛИНЕЙНЫЕ и НЕЛИНЕЙНЫЕ. Последние базируются на применении полупроводниковых материалов. К подобным приборам относятся, например, терморезисторы и фоторезисторы.
Что касается резисторов линейных, то они действительно подразделяются на постоянные и переменные. По виду исполнения резисторы бывают пленочные, объемные, проволочные и прочая. Подразделяются они и по материалу токопроводящего элемента.
«А»: Кроме того, в зависимости от назначения, резисторы подразделяются на резисторы общего и специального применения. К последним предъявляются повышенные требования в отношении целого ряда параметров.
«Н»: Это каких же?
«С»: Например, точности, стабильности, уровню шумов. Но продолжим, дорогой Аматор…
«А»: Все резисторы характеризуются также номинальным сопротивлением. Раньше говорили, что имеются резисторы с допустимым отклонением от указанного номинала в 20; 10 и 5 процентов.
«С»: Дельно подмечено насчет «раньше»! Теперь резисторы с допуском 20 процентов не применяются в профессиональной электронике вообще! Резисторы с допуском 10 процентов — очень редко. Стандартными стали пятипроцентные резисторы.
А вообще весь цивилизованный мир переходит на 2-процентные и 1-процентные допуски!
«Н»: Даже для самых миниатюрных постоянных резисторов характерна такая точность?
«С»: Ну конечно! Хотя мне лично часто приходится встречаться с резисторами имеющими значительно меньшие допуски! 0,5 и даже 0,1 процента!
«А»: Но ведь это означает, что иметь в загашнике полную «сетку» становится почти безнадежным делом!?
«Н»: А что это такое — «полная сетка»? Что-то из арсенала зажиточной домохозяйки, когда она возвращается с базара?
«С»: Не совсем, Незнайкин! Дело в том, что «полная сетка» 5-процентных резисторов — это 127 различных номиналов. Но сетка 2-процентных резисторов насчитывает уже около 400 номиналов! А однопроцентных более тысячи.
Поскольку разработчики не знают заранее, какие номиналы резисторов им понадобятся в каждом конкретном случае, то даже полагая запас по каждому из номиналов в 50 штук (а это считается очень скромным запасом), при 2 процентной шкале это потребует количества не менее 20000 штук!
«А»: Что касается номинальной мощности, то это та максимальная мощность, рассеивание которой на данном резисторе допускается в течение длительного времени и в широком интервале температур.
«С»: Иными словами, в течение всего срока службы!
«А»: Вот здесь на рисунке я показал, как обозначается номинальная мощность резисторов на схемах электрических принципиальных (рис. 18.1).
«С»: Мы также не должны забывать о ТЕМПЕРАТУРНОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ (иначе — ТКС), который характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °C.
«А»: Можно ли утверждать, что резисторы с меньшим допуском имеют и меньший ТКС?
«С»: В том случае, когда резисторы имеют официальный, гостовский допуск, то ДА! Поэтому резистор с меньшим допуском, это не просто — подбор. Это новая технология!
«А»: Но резисторы характеризуются еще и уровнем собственных шумов?
«С»: Будем внимательны! Вообще уровень собственных шумов определяется случайными колебаниями разности потенциалов, возникающими на резисторе вследствие флуктуаций объемной концентрации носителей заряда, а также его электрического сопротивления. Если к резистору НЕ ПРИЛОЖЕНО НАПРЯЖЕНИЕ, то:
Еш = 0,0125∙Δf∙R.
Здесь Еш — ЭДС шумов, мкВ; Δf — полоса частот, кГц; R — сопротивление резистора, кОм.
«А»: Ну, а если к резистору приложить напряжение?
«С»: В этом случае стандартные непроволочные резисторы делятся на две основные группы. В группу «А» входят резисторы, уровень шумов которых не превышает 1 мкВ на каждый вольт приложенного напряжения. Группа «Б» характеризуется другим соотношением, а именно, 5 мкВ на каждый вольт приложенного напряжения.
«Н»: Отсюда я делаю тот вывод, что в первых, малошумящих каскадах приемника следует применять ТОЛЬКО резисторы группы «А»!
«А»: Глубокая мысль! Ну, а каков же будет второй вывод?
«Н»: Рискну заявить, что второй вывод — это желательность выбора такой схемы входного каскада, чтобы на его управляющем электроде (затворе или базе) дополнительное постоянное напряжение было бы как можно меньшим!
«С»: Растут люди! Могу посоветовать из постоянных резисторов прежних лет выпуска — только ОМЛТ — 0,125 (или ОСМЛТ — 0,125), если нет потребности в больших мощностях рассеяния. А из низкоомных металлоокисные, типа МОН.
«А»: А из более новых?
«С»: Самыми желательными являются С2—29В. Затем С2—10; С2—23; С2—33; С2—36. Соответствующих мощностей! Кстати, резисторы типа С2—29 характеризуются уровнем шумов существенно меньшим, чем 1 мкВ/В.
«А»: А как насчет высокочастотных характеристик?
«С»: В цепях до 50 МГц, практически никаких проблем не возникает! Но поскольку здесь все свои, то могу посоветовать, по возможности, применять только КМП-резисторы такой фирмы, как PHILIPS.
«Н»: А что такое КМП?
«С»: Эта аббревиатура означает — КОМПОНЕНТЫ, МОНТИРУЕМЫЕ НА ПОВЕРХНОСТЬ. Такой себе хорошенький миниатюрный «кирпичик». Никаких проволочных выводов! А, следовательно, никаких паразитных индуктивностей! КМП прекрасно работают на частотах до 500 МГц и даже выше. В общем, Европа — А!
«А»: А что можно сказать о резисторах переменного сопротивления?
«С»: Да очень многое можно сказать! Прежде всего, мы не в школе! Значит, договоримся сразу — компот отдельно, а шпроты — отдельно! Поэтому будем различать резисторы ПОДСТРОЕННЫЕ и ПЕРЕМЕННЫЕ! А переменные, в свою очередь, подразделять на просто переменные и переменные многооборотные!
«Н»: Дальше в лес — больше дров!..
«С»: Начнем все же с подстроечных. Так называются резисторы, которые устанавливаются непосредственно на печатные платы и регулируются в процессе настройки электронных узлов и более не беспокоятся! То есть пользователь электронной аппаратуры их не видит и не крутит! Подстроечные резисторы могут быть герметизированные и негерметизированные, однооборотные и многооборотные.
«А»: Я на телевизионных платах видел СПЗ—1б — негерматизированные. Они нам нужны?
«С»: Как прошлогодний снег! Это не для профессионалов. В нашей разработке будут употребляться следующие типы: из однооборотных — СП3—13а; СП5—16 В(А, Б, В,). Из многооборотных — СП5—3; СП5—2.
«А»: Ну, а переменные?
«С»: Прежде всего в приемнике нам потребуется один многооборотный переменный резистор.
«А»: Для подачи напряжения на варикапы?
«С»: Именно для этого! Возможно применение таких типов, как СП5—39; СП5—44. Хотя я предпочел бы ППМЛ!
«Н»: Почему именно его?
«С»: Этот очень хороший, износоустойчивый десятиоборотный потенциометр обладает повышенной надежностью. А это немаловажно!
«А»: А что можно сказать о КОНДЕНСАТОРАХ? Не вообше, а конкретно?
«С»: Система из двух обкладок или пластин, разделенных диэлектриком и обладающая способностью накапливать электричество, называется конденсатором. Емкость конденсатора, как известно, есть физический параметр, определяемый отношением количества накапливаемых на отрицательном полюсе электронов к приложенному напряжению. УДЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ — отношение емкости к объему (либо массе) конденсатора. НОМИНАЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ — это та емкость, которая указана на конденсаторе заводом-изготовителем. Она гостируема и составляет некоторый стандартный ряд.
«А»: Однако фактическая емкость каждого конденсатора отличается от номинальной. Но в пределах допуска.
«С»: Да, есть такой параметр, как ДОПУСТИМОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЕМКОСТИ. Нам очень важен такой параметр, как ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ КОНДЕНСАТОРА.
«А»: Это она характеризуется НОМИНАЛЬНЫМ РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ? То есть максимальным напряжением, при котором конденсатор может надежно работать в течение тысяч часов?
«С»: Ты прав, мой друг! Просто для справки — различают еще ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, а также ПРОБИВНОЕ.
«А»: Есть еще такой параметр, как СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ КОНДЕНСАТОРА. Она представляет собой отношение напряжения, приложенного к конденсатору к его току утечки.
«С»: Следует заметить, что емкость конденсатора зависит от частоты приложенного напряжения. И хотя, чисто теоретически, конденсаторы не рассеивают энергию в виде тепла, реальные конденсаторы, тем не менее, характеризуются потерей мощности. Это связано с проводимостью диэлектрика, нагревом металлических элементов и т. п. Очень важной характеристикой конденсатора является ТКЕ — ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ.
«А»: Но ведь ТКЕ — обратимый параметр? То есть если температура становится прежней, то и емкость соответственно?
«С»: Да, к общему удовольствию! А вообще ТКЕ — представляет собой относительное изменение емкости при изменении температуры на 1 °C.
«А»: Однако мало радости доставляет ТКЕ если конденсатор входит в состав высокочастотной резонансной цепи!
«С»: Мало — это не то слово! Особенно это касается гетеродинов! Поэтому, в зависимости от величины ТКЕ, конденсаторы разделяются на группы. Каждая имеет свое значение ТКЕ!
«Н»: Давайте, на всякий случай, составим на сей счет небольшую таблицу!
«А»: Это разумно! Итак, смотри таблицу (табл. 18.1).
«Н»: А почему бы ВСЕ конденсаторы не выпускать на основе керамики МП 0 и все дела?
«С»: Это и ненужно, и невозможно! Ненужно, поскольку в состав контуров входит, как известно, еще и катушка индуктивности, которая (как увидим позднее) тоже характеризуется аналогичной величиной ТКИ (температурный коэффициент индуктивности). А применение керамики типа МП 0 не позволило бы ввести в контур термокомпенсацию!
«А»: А невозможно, очевидно, потому, что в керамических конденсаторах большой емкости применена керамика с колоссальным значением диэлектрической проницаемости! И это понятно, если принять во внимание степень миниатюрности этих конденсаторов.
«С»: Но вот с ТКЕ таких конденсаторов дело обстоит хуже! Я занес в таблицу группы от Н—10 до Н—90 включительно!
«Н»: А что означают звездочки?
«С»: Только тот факт, что для этих групп характерен не ТКЕ, а относительное изменение их емкости в интервале температур от -60 °C до +85 °C соотнесенное с их емкостью при +20 °C.
«А»: Будем ли подробно говорить о классификации конденсаторов?
«С»: Сейчас нет, поскольку об этом будем упоминать при описании компонентной базы, требующейся для практической реализации узлов приемника. Отметим только, что в нашем случае наиболее применимыми будут керамические конденсаторы типов: КМ (монолитные), К10—17 и К10—23 (керамические прямоугольные). А также некоторые другие.
«Н»: А почему вы ничего не говорите об электролитах?
«С»: Исключительно потому, что о них следует сказать особо! Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей КОЛOCCAЛЬНОЙ удельной емкостью!
Ну и по конструкции, по технической реализации. Они в качестве диэлектрика содержат оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.
«А»: А какие из них самые предпочтительные?
«С»: Вопрос далеко непростой!.. Я вспомнил анекдот о сотрудниках бухгалтерии одного предприятия, занятых разгадыванием кроссворда. Один из них спрашивает у другого: «Ревизор» Гоголя — это комедия или трагедия?» На что тот отвечает, что это зависит от того, откуда его (то есть ревизора) присылают!
Так и электролитические конденсаторы! Формально, самые лучшие из них (причем сразу по всем параметрам) — это танталовые. Затем идут ниобиевые и оксидно-полупроводниковые. И уже после них — алюминиевые. Танталовые, например, характеризуются тем, что могут работать как при очень низких, так и при высоких температурах. Например, К52—1Б (от-60 до +85 °C); К52—2 (от-60 до +135 °C) и т. д. У них очень малы токи утечки и очень велика удельная емкость. По всем этим параметрам ниобиевые им заметно уступают.
«Н»: А алюминиевые?
«С»: Вот именно по их поводу я и рассказал анекдот! Здесь ведь все дело в том, где изготовлен алюминиевый электролитический конденсатор…
«Н»: На каком заводе?
«А»: Скорее на территории какой страны находится этот завод! Мне как-то попались электролиты К50—35 без «чулка»! Это был просто какой-то кошмар! У новых конденсаторов на 470 мкФ — почти миллиамперные утечки!
«С»: Действительно, с отечественными электролитами дела обстоят очень неблагополучно! Из алюминиевых можно без опасений употреблять в серьезных разработках только К50—16 (в «чулке») и К50—35Б. А также К50—40Б. Кстати, температурный диапазон для К50—16 — от -20 до +70 °C.
Но возьмите, например, японские АЛЮМИНИЕВЫЕ электролиты фирмы RUBICON. При тех же емкостях и напряжении, японские изделия занимают объем В НЕСКОЛЬКО РАЗ МЕНЬШИЙ! Их токи утечки находятся на уровне отечественных ТАНТАЛОВЫХ!
«А»: А какой у них температурный диапазон?
«С»: Даже у самых миниатюрных японских, американских и европейских изделий он обязательно указывается на «чулке» корпуса. Их алюминиевые электролиты широкого применения характеризуются диапазоном от -40 до +85 °C. А специального применения от-60 до +105 °C!
Очень хороши и электролиты японской фирмы N ЕС; американской фирмы WESTON; голландской PHILIPS. Отличные изделия производят тайваньские и южнокорейские фирмы. А также индийские.
«Н»: И эти конденсаторы можно свободно достать?
«С»: Без особых проблем!
«А»: А какие конденсаторы СНГ можно применять без опасений?
«С»: Я рекомендую только следующих типов: танталовые К52—1 (К52—1Б); оксидно — полупроводниковые К53—19; ниобиевые К53—18; алюминиевые — К50—35Б и К50—40Б (в «чулке»). Ограниченно — К50—16 (только в «чулке»). И вышеупомянутые забугорные — без ограничений!
«А»: Мы еще ничего не говорили о подстроечных конденсаторах!
«С»: Да, это важная для нас тема. Подстроечные конденсаторы применяются как в колебательных контурах для точной подстройки емкости, так и в высокочастотных схемах типа гетеродина или смесителя. В специальной технике боле£ употребительны подстроечные конденсаторы с воздушным диэлектриком. Но достаточно хороши и керамические: КТ4—21; КТ4—25.
«Н»: Ну, а конденсаторы переменной емкости?
«С»: Поскольку их применять мы не будем, то не станем и обсуждать эту тему.
«Н»: Но мы еще не обсудили проблему катушек индуктивности?
«А»: А ведь Незнайкин прав!
«С»: Настолько, что этот вопрос заслуживает отдельной беседы.