Elementy elektroniczne w praktyce
advertisement
Elementy elektroniczne w praktyce Radosław Jarema | 2012 Plan wykładu 1. Rezystory. 2. Cewki. 3. Kondensatory. 4. Bezpieczniki. Rezystory (oporniki) Zastosowanie: • dzielniki napięcia, tłumiki • ustalanie punktów pracy elementów aktywnych (tranzystory, diody) • czujniki prądu • tłumiki przepięć RC (gasiki) • obwody RC – generatory, filtry • rezystory zabezpieczające • zamiana prądu w ciepło Rezystory – budowa i właściwości Typ rezystora węglowy masowy (objętościowy) Budowa lity materiał oporowy zalany w izolatorze Zalety mała indukcyjność pasożytnicza, duża odporność na udary prądu Wady kiepska stabilność parametrów, nieprecyzyjne (nie lepsze niż 5%), duży współczynnik napięciowy (100...1000ppm/V) Szumy duże TC ujemny, rzędu 200...2000ppm/K Zastosowanie sprzęt „vintage”, układy gasikowe Rezystory – budowa i właściwości Typ rezystora węglowy warstwowy Budowa warstwa węglowa nałożona na ceramiczne podłoże przez zanurzanie, drukowanie lub natrysk Zalety niska cena, bardziej precyzyjne od objętościowych, możliwość uzyskania dużych rezystancji Wady wciąż odczuwalny współczynnik napięciowy, większa indukcyjność Szumy średnie TC raczej ujemny, rzędu 100...500 ppm/K Zastosowanie dość szerokie, ale tylko z powodu niskiej ceny Rezystory – budowa i właściwości Typ rezystora cienkowarstwowy (metalizowany) Budowa warstwa oporowa napylona na ceramiczne podłoże, kszałtowanie warstwy metodą fotochemiczną, korekcja laserem Zalety precyzyjne (nawet 0,1%), bardzo mała zależność rezystancji od napięcia Wady droższa technologia, mała odporność na przepięcia Szumy bardzo małe TC +- 5...50 ppm/K Zastosowanie układy audio, niskoszumne, ogólnego przeznaczenia Rezystory – budowa i właściwości Typ rezystora grubowarstwowy Budowa warstwa oporowa nadrukowana na ceramiczne podłoże, kształtowanie poprzez nacinanie, korekcja laserem Zalety dość precyzyjne (nawet 1%), tańsze od cienkowarstwowych Wady gorsze od cienkowarstwowych, zależność rezystancji od napięcia Szumy dość duże TC +- 50...200 ppm/K Zastosowanie bardzo szerokie :) Rezystory – budowa i właściwości Typ rezystora z folią metalową Budowa warstwa oporowa w postaci bardzo cienkiej folii metalowej Zalety bardzo precyzyjne (nawet 0,005%), mała indukcyjność, małe efekty termoelektryczne, może mieć bardzo małą rezystancję Wady tylko małe rezystancje (do ok. 150k), drogi Szumy pomijalne TC +- 2...50 ppm/K Zastosowanie czujniki prądu, układy pomiarowe, wysokie częstotliwości rysunki z „Basics of Linear Fixed Resistors”, Application Note, Vishay Rezystory – budowa i właściwości Typ rezystora drutowy Budowa drut oporowy nawinięty na ceramiczny rdzeń Zalety duża maksymalna moc i temperatura pracy, niskie szumy, precyzyjne, odporne na przeciążenia Wady duża indukcyjność pasożytnicza, duży koszt, duże rozmiary Szumy pomijalne TC +- 1...200 ppm/K Zastosowanie układy dużej mocy Rezystory SMD - budowa „Thick Film Chip Resistors”, Panasonic, 2008 Rezystory SMD – obudowy i moc Obudowa Rozmiar [mm] Moc [W] UMAX [V] 01005 0,4 × 0,2 0,03 15 0201 0,6 × 0,3 0,05 25 0402 1,0 × 0,5 0,08 50 0603 1,6 × 0,8 0,1 75 0805 2,0 × 1,25 0,125 150 1206 3,2 × 1,6 0,25 200 1210 3,2 × 2,5 0,33 200 1812 4,5 × 3,2 0,5 200 2010 5,0 × 2,5 0,75 200 2512 6,4 × 3,2 1 200 Rezystory SMD – obudowy Rezystory SMD - właściwości rysunki z „Resistors in Microwave Applications”, Application Note AP0010 Resistive Products, Vishay Rezystory SMD - właściwości „Resistors in Microwave Applications”, Application Note AP0010 Resistive Products, Vishay Rezystory – czujniki prądu Mammano B., Current Sensing Solutions for Power Supply Designers Texas Instruments Incorporated 2001 Rezystory – gasiki Borkowski A., mgr inż., Zasilanie urządzeń elektronicznych, WKiŁ Warszawa 1990 Rezystory – przykład R8 – 150k 0,25W R11 – pot. cermet 500R 0,5W R17 – 8R2 2W R18 – drutowy 0R22 4W http://www.redcircuits.com/Page2.htm Cewka a dławik - zastosowanie cewka • obwody rezonansowe LC lub RLC we wzmacniaczach i generatorach • filtry w.cz. • obwody dopasowujące w.cz. • przetwornice • głośniki, mikrofony • zwrotnice audio • anteny dławik • tłumienie zaburzeń/zakłóceń • filtracja tętnień • stateczniki świetlówek • separacja składowej zmiennej Na co zwracać uwagę? cewka • indukcyjność • dobroć – przeważnie duża • tolerancja • prąd maksymalny – często nieistotny • zakres częstotliwości pracy • częstotliwość rezonansowa • maksymalne napięcie pracy dławik • indukcyjność • prąd maksymalny • rezystancja • dobroć – przeważnie mała • częstotliwość rezonansowa • maksymalne napięcie pracy zwojnica, solenoid, induktor Niepożądane efekty w cewkach • straty w rezystancji • efekt naskórkowy • efekt zbliżeniowy • straty w rdzeniu - prądy wirowe • pojemność pasożytnicza • nasycanie się rdzenia – powoduje nieliniowość • sprzężenia magnetyczne – ważne przy obwodach z wieloma cewkami • przegrzanie – punkt Curie • zewnętrzne pola magnetyczne – pomaga ekranowanie i odpowiednia orientacja cewek Cewki SMD zdjęcia zapożyczone z „Inductors 101 Instructional Guide”, Vishay Technology, Inc. Cewki do większych prądów zdjęcia zapożyczone z „Inductors 101 Instructional Guide”, Vishay Technology, Inc. Cewki – efekt naskórkowy ρ δ ≈ 503 µr f δ - głębokość wnikania, na której gęstość prądu wynosi 1/e prądu płynącego przy powierzchni [m] ρ - rezystywność [Ωm] µr – względna przenikalność magnetyczna f – częstotliwość [Hz] Dla miedzi: 0,0652 δ≈ f http://pl.wikipedia.org/wiki/Naskórkowość Kondensatory Zastosowanie: • filtry LC, RC • obwody rezonansowe LC, VCO • sprzęgające i odsprzęgające • przeciwzakłóceniowe • gromadzenie energii • przetwornice • wygładzanie napięcia stałego • układy czasowe • lampy błyskowe • rozruchowe • kompensacja mocy biernej Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora ceramiczny ceramika typu 1 (NP0, C0G) Budowa płaskie elektrody rozdzielone dielektrykiem ceramicznym Zakres pojemności 0,5 - 560pF (jednowarstwowe) 10pF – 100nF (wielowarstw.) Zakres napięć 5V...5kV i więcej Zalety duża dobroć, mała indukcyjność, odporność na duże temperatury, stabilne, brak starzenia, napięcie nie wpływa na pojemność Wady mała pojemność z powodu niskiej przenikalności elektrycznej Zastosowanie układy w.cz., VCO, wysokonapięciowe http://www.murata.com/ Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora ceramiczny ceramika typu 2 lub 3 Budowa płaskie elektrody rozdzielone dielektrykiem ceramicznym Zakres pojemności 10pF...100µF Zakres napięć 5V...5kV Zalety duża pojemność na jednostkę objętości, niska cena, mała indukcyjność Wady duże zmiany pojemności pod wpływem temperatury, starzenia, napięcia, drgań Zastosowanie blokowanie zasilania układów impulsowych, inne mało krytyczne zastosowania http://www.murata.com/ Kondensatory ceramiczne 0ºC -60ºC 40ºC -40% -80% 90ºC Kondensatory ceramiczne http://www.murata.com/products/capacitor/faq/mlcc/index.html Kondensatory ceramiczne SMD TDK Multilayer Ceramic Chip Capacitors Application Manual rozmiary obudowy podobne jak rezystorów, ale często są od nich wyższe, często mają nietypowy rozmiar „Understanding Ceramic Capacitor Terminations” John Maxwell, Director of Product Development, Johanson Dielectrics, Inc. Kondensatory ceramiczne SMD MLCC - Multilayer Ceramic Chip Capacitor Basics of Ceramic Chip Capacitors www.johansondielectrics.com Kondensatory ceramiczne SMD Basics of Ceramic Chip Capacitors www.johansondielectrics.com Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora mikowy Budowa płaskie elektrody rozdzielone płytką z miki Zakres pojemności 0,5pF...100nF Zakres napięć 50V...2500V Zalety wsp. temp. i dobroć porównywalna z najlepszymi ceramicznymi i foliowymi, ESR nawet 10mΩ @ 100MHz Wady duże wymiary, wysoka cena Zastosowanie układy o dużej stabilności temp. i w.cz. http://en.wikipedia.org/wiki/Silver_mica_capacitor Types MC and MCN Multilayer RF Capacitors, CDE Cornell Dubilier Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora papierowy Budowa zwijka z folii aluminiowej i impregnowanego papieru Zakres pojemności 100pF...10µF Zakres napięć 100V...25kV Zalety wysokonapięciowe, chwilowo wytrzymują napięcia dużo wyższe od znamionowego, małe ryzyko zapłonu Wady duże wymiary, wysoka cena Zastosowanie kondensatory przeciwzakłóceniowe, wysokonapięciowe http://www.mbzponton.org/n2awa/grundig2440u.html Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora foliowy, foliowy metalizowany Budowa zwijka z folii metalowej i folii z tworzywa sztucznego Zakres pojemności 10pF...100µF tolerancja 2% ... 20% Zakres napięć 25V...2000V Zalety małe straty, niezła dokładność, wersje metalizowane są samonaprawialne Wady dość duże i drogie Zastosowanie audio, układy impulsowe, precyzyjne Dielektryk polistyren polipropylen poliester poliwęglan TC [ppm/K] -150 -200 +400 125 DF [%] 0,02 ... 0,1 0,05 ... 0,1 0,2 ... 1 0,12 ... 0,3 Tmax [ºC] 85 100 125 125 Oznaczenie KSF, KS MKP, MKS MKT, MKSE MKC Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora elektrolityczny aluminiowy Budowa zwijka ze specjalnie trawionej folii aluminiowej i bibuły nasączanej elektrolitem Zakres pojemności 0,1µF ... 0,5F tolerancja +-20%, -10/+70% Zakres napięć 6,3V ... 500V Zalety bardzo duża pojemność przy niewielkich wymiarach, niska cena Wady duże ESR, ESL, często niska trwałość, polaryzowany (z wyjątkami), mała dokładność Zastosowanie układy zasilające www.cornell-dubilier.com Kondensatory elektrolityczne Kondensatory elektrolityczne http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor Kondensatory elektrolityczne i ich właściwości • Maksymalna temperatura pracy: 85ºC, 105ºC, 125ºC • Żywotność: 1000...20000h dla temperatury maksymalnej, obniżenie temperatury o każde 10ºC wydłuża dwukrotnie czas pracy • Efekt „pamiętania” napięcia • Możliwość przeformowania • Ograniczony nie tylko maksymalny prąd zmienny, ale i napięcie zmienne • Napięcie wsteczne – nie przekraczać 1,5V • Długo przechowywane, nieużywane kondensatory, zaleca się ponownie formować • Aluminiowa puszka – nie traktować jej jako „NC” www.teapo.com Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide, www.cornell-dubilier.com Dlaczego często łączymy 100uF + 100nF + 10nF + ... ? Chip Monolithic Ceramic Capacitors, www.murata.com Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora elektrolityczny aluminiowy polimerowy Budowa anoda – folia aluminiowa katoda – przewodzący polimer Zakres pojemności 2,2µF ... 1000µF Zakres napięć 2,5V ... 25V Zalety bardzo duża pojemność przy niewielkich wymiarach, duża trwałość, niskie ESR i ESL Wady polaryzowany, mała dokładność Zastosowanie układy zasilające Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora elektrolityczny tantalowy Budowa anoda – folia aluminiowa katoda – przewodzący polimer Zakres pojemności 0,1µF ... 1000µF Zakres napięć 4V ... 125V Zalety bardzo duża pojemność przy niewielkich wymiarach, dość niskie ESR i ESL Wady bardzo wrażliwy na zmianę polaryzacji, drogi Zastosowanie układy zasilające Rodzaje kondensatorów Application Guide, Solid Polymer Aluminum SMT Capacitors, CDE Cornell Dubilier Rodzaje kondensatorów Typ kondensatora dwuwarstwowy (supercap, goldcap) Budowa patrz rysunek obok Zakres pojemności 10mF ... 22F lub więcej Zakres napięć do ok. 1,2V na komórkę, w sprzedaży są wykonania nawet do 16V Zalety bardzo duża pojemność, mała upływność Wady bardzo duże ESR (1...300Ω), istnieje odmiana „supercapów” o małym ESR, ale to zupełnie inne konstrukcje Zastosowanie układy podtrzymujące zasilanie np. pamięci Rodzaje kondensatorów 3...40pF Typ kondensatora zmienny (trymer) Budowa bardzo różna Zakres pojemności 1pF ... 1nF Zastosowanie przestrajane obwody rezonansowe, obwody dopasowujące, korekta częstliwości rezonatorów kwarcowych itp. 375/500pF Kondensatory – przykład 1 http://www.redcircuits.com/Page2.htm Kondensatory – przykład 2 AN-4137SC, Fairchild Semiconductor Bezpieczniki – podstawowe fakty • bezpiecznik chroni przed pożarem lub rozległymi uszkodzeniami – półprzewodniki przepalają się szybciej • „Jeżeli myślicie, że 1A bezpiecznik przepali się, gdy prąd przekroczy 1A, to znaczy, że nie macie pojęcia o bezpiecznikach” – Ian Sinclair, „Passive Components – a User’s Guide” • maksymalne napięcie pracy bezpiecznika dotyczy napięcia obwodu otwartego po przepaleniu • jeżeli mamy wybór, dajemy bezpiecznik po stronie prądu przemiennego – nie wszystkich bezpieczników to dotyczy • bezpieczniki mają istotną rezystancję • warto stosować inne zabezpieczenia, jeśli można • istnieją „bezpieczniki” wielokrotnego użytku - PTC Bezpieczniki Surface Mount Fuse, 1.6 x 0.8 mm, Super-QuickActing FF, 32 VAC, 63 VDC Schurter Electronic Components 5×20 mm, Fast-Acting Littelfuse, Inc. DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Bibliografia • • • • • • • • • • • Pease Robert A., Projektowanie układów analogowych, Wydawnictwo BTC, 2005. Elektronika dla Wszystkich, Wydawnictwo AVT, 2009-2011. EPCOS AG, Film capacitors typical applications, 2009. Panasonic, Thick Film Chip Resistors, 2008 Vishay, Basics of Linear Fixed Resistors, 2008 Borkowski A., mgr inż., Zasilanie urządzeń elektronicznych, WKiŁ Warszawa 1990 http://en.wikipedia.org/wiki/Resistor Mammano B., Current Sensing Solutions for Power Supply Designers Texas Instruments Incorporated 2001 Vishay Technology, Inc., „Inductors 101 - Instructional Guide” http://www.geofex.com/article_folders/carbon_comp/carboncomp.htm http://www.pc-control.co.uk/resistor-types.htm Bibliografia • • • • • http://pl.wikipedia.org/wiki/Naskórkowość „Informacja o produktach – Nieco teorii z katalogu ELFA”, ELFA AB 2003 http://en.wikipedia.org/wiki/Types_of_capacitor Application Guide, Aluminum Electrolytic Capacitors, CORNELL DUBILIER ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS, Teapo Electronic Corporation
