Курс начинающего электронщика часть 2

Специально для mozgochiny.ru

Представляю вашему вниманию вторую часть "Курса начинающего электронщика".

Шаг 5: Цветовая маркировка резисторов

Мы уже познакомились с различными типами резисторов и характеристиками, что им свойственны. Однако, для того, чтобы использовать элемент по  прямому назначению необходимо точно знать величину сопротивления.

Значение сопротивления, допустимая мощность – обычно наноситься на сам резистор, как числа или буквы (это в том случае, когда размеры достаточно большие). Но когда элементы небольшого размера (углеродные или пленочные) спецификация должна отображаться иным способом, поскольку текст был бы не читаемый.

В таких случаях на поверхность наносят полосы, что указывают значения сопротивление и рассеиваемую мощность. Эти линии – цветовой код резисторов. Международная универсальная схема цветового кода была разработана много лет назад, как простой и быстрый способ идентификации резисторов независимо от того, какого они размера и состояния. Маркировка всегда читается слева направо (с широкой полосы), путем сопоставления цвета первой полоски с соответствующим номером в колонке цифр-цвета (это первая цифра значения сопротивления) и т.д.

Золотая или серебряная полоса (допуск) всегда является последней полосой. Кроме того можно измерить сопротивление мультиметром, ведь в некоторых случаях – это является единственным способом определения значения сопротивления (например, когда цветные полосы стёрты).

Резисторы поверхностного монтажа

Резисторы поверхностного монтажа или SMD резисторы - элементы прямоугольной формы, что предназначены для монтажа непосредственно на поверхность печатной платы. SMD резистор состоит из керамической подложки, на который нанесён толстый слой оксида металла. Значение сопротивления контролируется путем изменения желаемой толщины, длины или типа осажденной пленки. Благодаря металлическим клеммам  с обоих концов, элементы припаиваются непосредственно на печатную плату. SMD маркируются 3-мя или 4-мя цифрами (кодом) для обозначения заданного сопротивления. Стандартные резисторы SMD помечены кодом с тремя цифрами, в котором первые две цифры представляют первые два числа значения сопротивления, а третья цифра – множителем x1, x10, x100 и т.д. Например:

• “103” = 10 × 1,000 Ом = 10 KΩ
• “392” = 39 × 100 Ом = 3.9 KΩ
• “563” = 56 × 1,000 Ом = 56 KΩ
• “105” = 10 × 100,000 Ом = 1 MΩ

Резисторы поверхностного монтажа, у которых значение меньше, чем 100 Ом, обычно маркируются: “390”, “470”, “560” с заключительным нулём, представляющим множитель 10^0, который эквивалентен 1. Например: “390” = 39 × 1Ω = 39 Ом или 39RΩ “470” = 47 × 1Ω = 47 Ом или 47RΩ (значения сопротивления с буквой “R” обозначают положение десятичной запятой, например 4R7 = 4.7Ω). Резисторы поверхностного монтажа, которые имеют маркировку "000" или "0000" называются 0 Ом, поскольку эти элементы имеют нулевое сопротивление.

Шаг 6: Последовательно-параллельное соединение резисторов

Резисторы соединяются либо последовательно, либо параллельно. Для определения полного сопротивления "сборки" используется одно из двух уравнений.

При подключении резисторов последовательно их значения просто складывают. Так, например, если нужно получить сопротивление 12.33kΩ, берём резисторы на 12kΩ и 330Ω и соединяем их последовательно.

Расчёт величины сопротивления резисторов соединённых параллельно имеет немного другой вид (смотри рисунок).

Примеры применения резисторов:

Одно из основных применений резистора – ограничитель тока. Резистор является основным элементом, который не позволяет сгорать светодиодам (как пример) при подаче на них питания. При подключении резистора последовательно с LED, ток, протекающий через резистор, ограничивается до «безопасного значения». Обратите внимание на схему, приведенную ниже. Резистор R соединён последовательно со светодиодом.

Для расчета значения резистора необходимо рассматривать прямое напряжение (VF) и максимальный прямой ток (I). Прямое напряжение - напряжение, которое требуется для работы светодиода (варьируется между 1.7 В и 3.4 В в зависимости от цвета LED). Максимальный прямой ток для светодиодов обычно составляет около 20mA. Как только получено значение VF и тока, номинал резистора может быть вычислен согласно формуле:

R = (Vs - Vf) / I

где Vs – напряжение питания.

В нашем случае: 5-вольтовий источник питания, прямое напряжение – 1.8 В. Максимальный прямой ток светодиода 10mA (0,01 А):

R = (5 - 1.8) / 0,01 = 320 Ом.

Делители напряжения

Делитель напряжения – схема подключения резисторов, которая уменьшает величину напряжения. Используя всего два последовательно соединенных резистора, можно получить выходное напряжение, что будет лишь частью входного и будет зависеть от отношения этих двух резисторов.

Два резистора (R1 и R2) соединены последовательно, а источник напряжения (V_нар) подключён через них. Напряжение с V_вн может быть вычислено как:

V_вн = V_нар x R2 / (R1 + R2)

Например, если бы R1 был 1.7kΩ, и R2 был 3.3kΩ, то 5-вольтовое входное напряжение могло бы быть превращено в 3.3 В.

Нагрузочные резисторы (НР)

Нагрузочный резистор используется при необходимости смещения входного контакта микроконтроллера (MCU) к заданному состоянию. Один конец резистора соединён с контактом MCU, а другой конец соединен с высоким напряжением (обычно 5 В или 3.3 В).

Нагрузочные резисторы часто используются при взаимодействии через интерфейс с вводом переключателя или кнопкой. «НР» смещает входной контакт, когда переключатель открыт. Благодаря этому схема защищена от короткого замыкания.

Когда переключатель открыт, входной контакт MCU соединен через резистор с 5В. Когда ключ замкнут, входной вывод подключен непосредственно к GND (земле).

Значение нагрузочного резистора может быть неточным, но должно быть достаточно высоким (во избежании потери  мощности при пропускании через него 5В). Обычно значения составляет около 10kΩ.

Шаг 7: Конденсатор

Конденсатор немного похож на батарею, но выполняет свою работу по-другому. Батарея использует химреактивы, чтобы хранить электроэнергию и отдает её очень медленно (в случае кварцевых часов – несколько лет). Конденсатор обычно выпускает свою энергию намного быстрее — часто за секунду или меньше.

Есть много различных видов конденсаторов: от очень маленьких (используемых в резонансных схемах) до крупных конденсаторов (коррекции коэффициента мощности), но все они делают то же самое – они хранят заряд. Конденсатор состоит из двух или более параллельных проводящих (металлических) пластин, которые разделены либо воздухом либо изолирующим материалом (вощеная бумага, слюда, керамика, пластик или некоторые формы жидкого геля, который используется в электролитических конденсаторах). Изолирующий слой между пластинами конденсаторов обычно называют диэлектриком.

Конденсаторы и их ёмкость

Всю электроэнергию, которую может сохранить конденсатор, называют его ёмкостью. Ёмкость конденсатора немного походит на ведро: чем больше ведро, тем больше воды может оно вместить, чем больше ёмкость, тем более крупный заряд может сохранить конденсатор. Есть три способа увеличить емкость конденсатора:

• Нужно увеличить размер пластин;
• Нужно сдвинуть пластины «ближе» друг к другу;
• Взять очень хороший изолятор.

Размер ёмкости измеряется в единицах, называемых фарадами (F). Один фарад - огромная ёмкость, поэтому на практике ёмкости большинства конденсаторов составляют обычно микрофарады (μF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).

По конструкции, конденсаторы бывают:

Электролитические

Тип конденсаторов, которые в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку, нанесенную на поверхность одного из электродов — анода, а в качестве второго электрода (обычно катода) используется электролит в форме желе или пасты.

Диэлектрик - очень тонкий слой окиси (толщиной меньше чем десять микрон), которая получается электрохимическим путем в процессе производства.

Большинство электролитических конденсаторов полярные. Это означает, что напряжение поступающее к выводам конденсатора, должно быть правильной полярности. Если её не соблюдать, то будет разрушен слой изолирующего оксида, а это в свою очередь приведёт к выходу из с строя элемента. У электролитов полярность отмечена знаком минус.

Электролитические конденсаторы обычно используются в цепях питания с постоянным током (из-за небольшого размера и большой ёмкости) для уменьшения пульсации напряжение. Один из основных недостатков электролитических конденсаторов - их относительно низковольтная оценка напряжения.

Электролитический конденсатор обычно маркируется:

1. Значение ёмкости.
2. Максимальное напряжение.
3. Максимальная температура.
4. Полярность.

Максимальное напряжение конденсатора

Максимальное напряжение – это напряжение, которое может быть приложено к конденсатору без повреждения его диэлектрического материала. Если прикладываемое напряжение, станет слишком большим, то диэлектрик прогорит (электрический пробой) и произойдет образование электрической дуги между конденсаторными пластинами, что приведёт к короткому замыканию. Рабочее напряжение конденсатора зависит от типа используемого диэлектрического материала и его толщины. Рабочее напряжение конденсатора – это максимальное напряжение постоянного тока, а НЕ максимальное напряжение переменного тока, поскольку конденсатор со значением напряжения постоянного тока 100 В не может быть использован при переменном напряжении 100 В. Так как у переменного среднеквадратическое значение 100 В, но пиковое значение более 141 В! Для того, чтобы конденсатор работал с переменным током 100 В, его рабочее напряжение должно быть по крайней мере 200 В. На практике при выборе конденсатора следует, чтобы рабочее напряжение было на 50 процентов больше, чем напряжение питания схемы.

Конденсаторы полиэфирные:

Полиэфирные конденсаторы - конденсаторы, состоящие из металлических пластин с полиэфирной плёнкой между ними или металлизированной плёнкой на изоляторе.

Полиэфирные конденсаторы доступны в диапазоне ёмкостей от 1 нФ до 15μФ, и с рабочими напряжениями от 50В до 1500В. Кроме того, они обладают высоким температурным коэффициентом. Их изоляция имеет высокую стойкость (являются хорошими вариантами для схем связи и хранения информации). По сравнению с большинством других типов, полиэфирные конденсаторы имеют более высокую ёмкость на единицу объёма.

Танталовые конденсаторы являются элементами, которые используют оксид тантала. Широко используются в миниатюрном оборудовании и компьютерах. Доступны как в полярном, так и неполярном исполнении. Хорошее отношение ёмкости к объёму, малый размер, хорошая стабильность, большой диапазон рабочих температур. Твёрдотельные танталовые конденсаторы имеют намного лучшие характеристики по сравнению с имеющими жидкий электролит.

Максимальное напряжение ограничено – 50 вольт. Взрываются при превышении допустимого тока, напряжения или скорости нарастания напряжения, а также при подаче напряжения неправильной полярности. В основном используются в аналоговых сигнальных системах, которые не имеют высокочастотных шумов.

Керамические конденсаторы:

Керамические конденсаторы (КК) имеют высокую диэлектрическую постоянную, небольшие габариты и высокую ёмкость. КК за счёт больших нелинейных изменений (ёмкости от температуры) используется в качестве разъединителя, поскольку КК не поляризованные. Значение ёмкости КК лежит в диапазоне от нескольких пикофарад до одного или двух мкФ, но их номинальное напряжение, как правило, довольно низкое. Керамические конденсаторы, как правило, имеют 3-значный код, который печатается на их корпусе. Емкость определяется в пикофарадах, первые две цифры указывают значение конденсатора, а третья цифра указывает на количество нулей, что должны быть добавлены. Например, керамический конденсатор с маркировкой 103 будет означать – 10 и 3 нуля пико-фарад, что эквивалентно 10000 пФ или 10nF. Аналогичным образом, цифры показывают, 104 – 10 и 4 нуля пико-фарад, что эквивалентно 100000 пФ или 100nF и так далее. На изображении керамический конденсатор со значением 154 – это значит 15 и 4 нуля пико-фарад, что эквивалентно 150000 пФ или 150nF или 0.15uF. Буквенные коды иногда используются, чтобы указать их значение допуска, такие как: J = 5%, K = 10%, или М = 20% и т.д.

Шаг 8: Дроссель/катушка индуктивности

Катушка индуктивности  - пассивный электронный компонент, что обладает высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Она состоит из проволоки, плотно обмотанной вокруг твердого центрального ядра, которое концентрирует магнитный поток.

Катушка при протекании тока запасает энергию в создаваемом магнитном поле. При отключении внешнего источника, компонент отдаёт запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи.

Стандартная единица индуктивности Генри, сокращённо Н. Это – общее название. Другое название - микрогенри, µH (1 µH =10^-6H) и милигенри mH (1 мГн =10^-3 H). Иногда, наногенри nH(1 nH = 10^-9 H).

Применения индукторов

Фильтры

Катушка индуктивность вместе с конденсаторами и резисторами используется для создания фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров. Катушка функционирует, как фильтр низких частот, так как импеданс (полное сопротивление переменному току) увеличивается, когда частота сигнала увеличивается.

Датчики

Бесконтактные датчики ценятся за их надежность и простоту работы, кроме того катушки могут использоваться для обнаружения магнитных полей или магнитопроницаемых материалов.

Индукторы также используются для беспроводной передачи тока и в электромеханическом реле.

Шаг 9: Диод

Диод - специализированный электронный компонент с двумя выводами, которые называются анодом и катодом. Большинство диодов сделано из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или селен. Диоды могут использоваться в качестве выпрямителей, сигнальных ограничителей, стабилизаторов напряжения, переключателей, сигнальных модуляторов, сигнальных микшеров, сигнальных демодуляторов и осцилляторов.

Фундаментальное свойство диода - проводить электрический ток только в одном направлении.

Напряжение пробоя

Если приложить достаточно большое отрицательное напряжение к диоду, то ток потечёт в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называют напряжением пробоя. Некоторые диоды фактически разработаны таким образом, чтобы работать в области пробоя, но для большинства диодов напряжение пробоя составляет около 50В-100В.

Типы диодов

Выпрямительный диод:

Используется в преобразователях переменного напряжения в постоянное.

Диоды Зенера (стабилитроны) - странные изгои диодной семьи. Они обычно используются, чтобы преднамеренно пропустить обратный ток.

Светодиоды:

Как и обычные диоды, светодиоды пропускают ток только в одном направлении и при этом излучают свет.

Фотодиод:

Фотодиоды используются для обнаружения излучения широкого спектра. Они могут быть использованы для выработки электроэнергии, в качестве солнечных батарей и даже в фотометрии.

Лазерный диод:

Этот диод производит когерентный свет. Такие элементы применяются в DVD и CD-приводах, лазерных указателях, и т.д. Лазерные диоды имеют ограниченный срок службы.

Продолжение следует....

( Специально для МозгоЧинов #Complete-Guide-for-Tech-Beginners" target="_blank">)