Характеристика 2 имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Варисторы с такими ВАХ называют негисторами.
В технических условиях на варисторы обычно приводятся номинальное напряжение (рис.11) т.е. напряжение, при превышении которого на 20% не наблюдается заметного разогрева, ток, протекающий при , коэффициент нелинейности, равный отношению статического сопротивления к дифференциальному.
Параметрами варистора являются:
- номинальное напряжение ;
- номинальный ток ;
- статическое сопротивление ;
- дифференциальное сопротивление ;
- коэффициент нелинейности;
Поскольку сопротивление варисторов значительно меняется с изменением приложенного напряжения, то они находят применение в качестве регулирующих элементов в устройствах автоматики. В обозначении варисторов содержатся буквы СН (сопротивление нелинейное).
Расчет цепей с терморезисторами и варисторами проводится любым из известных методов расчета нелинейных цепей.
Датчики на основе резисторов
Терморезисторы - это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от температуры (рис.1.19,а).
Простейшим датчиком температуры является полупроводниковый резистор, изготовленный, например, в виде стержня с двумя омическими контактами на концах.
При температурах вблизи комнатной концентрация носителей заряда меняется в основном за счет собственных носителей. В связи с этим для увеличения относительного изменения концентрации с изменением температуры необходимо использовать полупроводники с проводимостью, близкой к собственной.
Вследствие нелинейности температурной характеристики вольт - амперная характеристика (ВАХ) будет также нелинейной (рис.1.19,б). При малых токах ВАХ практически линейна (участок ОМ), поскольку мощность, выделяемая в терморезисторе, недостаточна для того, чтобы заметно нагреть его. При больших токах сопротивление резистора уменьшается, что сопровождается уменьшением напряжения на нем.
Терморезистор характеризуется следующими основными параметрами:
- номинальное сопротивление при ;
- температурный коэффициент сопротивления ТКС ();
- максимально допустимая мощность рассеивания ;
- максимально допустимая температура , при которых не происходят необратимые изменения характеристик терморезистора;
- коэффициент рассеяния, численно равный мощности, отводимой от терморезистора в окружающую среду при разности температур поверхности терморезистора и окружающей среды 1 град;
- постоянная времени , равная времени, за которое превышение температуры рабочего тела терморезистора над окружающей средой при охлаждении его в спокойном воздухе уменьшается в 2,7 раза.
Рис.1.19. Характеристики терморезистора.
Из вольт - амперной характеристики терморезистора видно, что при малых напряжениях электрическая энергия, выделяемая в терморезисторе, мала, его температура в зависимости от протекающего тока не изменяется и вольт - амперная характеристика линейна (выполняется закон Ома). При дальнейшем увеличении напряжения выделяемая энергия приводит к повышению температуры и уменьшению сопротивления. Это вызывает увеличение тока, что обусловливает дальнейшее повышение температуры терморезистора, уменьшение его сопротивления и дальнейший рост тока. Такая положительная обратная связь по току приводит к его лавинному нарастанию и появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления.
В зависимости от назначения схемы терморезисторы работают в двух основных режимах. При малых напряжениях ток, протекающий через терморезистор, не вызывает его заметного разогрева и определяется по закону Ома. Этот режим используется в устройствах датчиков температуры и схемах температурной компенсации. Как и всякий прибор с вольт - амперной характеристикой - типа, терморезистор может использоваться в схеме переключателя. Сопротивление нагрузки и напряжение источника питания выбираются таким образом, чтобы нагрузочная линия пересекала вольтамперную характеристику терморезистора в трех точках.
Терморезисторы изготавливаются из поликристаллических полупроводников с большим температурным коэффициентом сопротивления. Чаще всего для этой цели используются окислы металлов переходного ряда периодической системы элементов или смеси окислов этих металлов, например никеля и марганца; никеля, марганца и кобальта; титана и магния и др.
Для измерения низких температур (от азотных до гелиевых) часто используются терморезисторы из графита. В последнее время начали широко применяться также терморезисторы из легированного германия и кремния. Введение в эти полупроводники примесей позволяет подобрать оптимальный температурный коэффициент для заданного интервала рабочих температур, так как можно ввести уровни с требуемой энергией активации. Монокристаллические терморезисторы обладают также большей стабильностью и надежностью. Их параметры более воспроизводимы.
Терморезисторы используют в системах измерения и регулирования температуры. В обозначении терморезисторов содержатся буквы СТ.
Тензорезисторы - это резисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием механических воздействий.
Простейшим тензодатчиком является тензорезистор, представляющий собой пластинку или стержень полупроводника с омическими контактами на концах (рис.1.20). Один конец пластины закрепляется в неподвижном основании, а на другой действует сила . Для характеристики изменения сопротивления при деформации пользуются коэффициентом тензочувствительности, который представляет собой отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации (в данном направлении размер полупроводника в направлении деформации). В конструкции тензодатчика на рис.1.20 при изгибе меняется длина стержня, следовательно, направление
Рис.1.20. Схема тензодатчика из германия (а), кремниевой мембраны с четырьмя тензорезисторами и включение ее элементов (б)
деформации совпадает с осью стержня. Для уменьшения влияния температуры на сопротивление тензорезисторы обычно изготавливаются из примесных полупроводников, в которых концентрация основных носителей равна концентрации примесей и не зависит от деформации. Поэтому изменение сопротивления при деформации определяется только изменением подвижности.
Коэффициент тензочувствительности для германия и кремния имеет наибольшее значение порядка 140...175. Он существенно зависит от типа проводимости полупроводника и направления деформации. Большой тензочувствительностью обладают также полупроводниковые соединения GaSb, InSb, PbTe и др.
В настоящее время тензорезисторы широко используются при измерении деформаций, давления, сил смещения, ускорения, в качестве микрофонов и т.д. Для компенсации зависимости сопротивления от температуры часто в плече измерительного моста используются два тензорезистора с одинаковым температурным коэффициентом. Тензодатчиком является только один резистор, а второй служит лишь для компенсации температурного изменения сопротивления первого.
Магниторезисторы - это резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля. Свойства магниторезисторов оценивают магниторезистивным отношением, которое показывает, во сколько раз изменяется сопротивление магниторезистора при помещении его в магнитное поле с индукцией 0,5Тл (или 1Тл).
Действие магниторезисторов основано на эффекте Холла, наблюдаемом в твердом теле.
На заряд, движущийся в магнитном поле со скоростью , действует сила Лоренца. Рассмотрим пластинку полупроводника р - типа, через которую протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему магнитному полю (рис.1.21). Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани полупроводника, вследствие чего их концентрация там увеличивается, а у нижней грани уменьшается. В результате пространственного разделения зарядов возникает электрическое поле, направленное от верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению зарядов, и как только создаваемая им сила станет равной силе Лоренца, , дальнейшее разделение зарядов прекратится.
Рис.1.21. Напряжение ЭДС Холла.
Таким образом, на противоположных гранях образца возникнет ЭДС, называемая ЭДС Холла. Такие датчики широко используются для измерения магнитного поля. Их можно использовать также в режиме магниторезисторов, если закоротить противоположные грани образца.
Магниторезисторы могут быть изготовлены на основе других эффектов, например эффекта Гаусса.
Фоторезисторы - это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется под воздействием света. Они используются в качестве датчиков освещенности в системах телеметрии.
2. Конденсаторы
Конденсаторы, как и резисторы, являются одним из наиболее массовых элементов электронных цепей.
Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать электрические заряды на металлических обкладках при приложении к ним напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является емкость конденсатора. В простейшем случае конденсатор представляет собой две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого конденсатора [пФ]
,
где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (); - площадь обкладок конденсатора, [см2]; - расстояние между обкладками, [см].
Конденсаторы широко используют в РЭА для самых различных целей. На их долю приходится примерно 25 % всех элементов принципиальной схемы.
2.1 Классификация и конструкции конденсаторов
В основу классификации конденсаторов положено деление их на группы по виду применяемого диэлектрика и по конструктивным особенностям, определяющим использование их в конкретных цепях аппаратуры. Классификация конденсаторов приведена на рис. 2.1.
Вид диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность емкости, величину потерь и др. Конструктивные особенности определяют характерные области применения: помехоподавляющие, подстроечные, дозиметрические, импульсные и др.
Дальнейшее деление групп конденсаторов по виду диэлектрика связано с использованием их в конкретных цепях аппаратуры, назначением и выполняемой функцией, например, низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и др.
Рис. 2.1. Классификация конденсаторов.
В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения.
Конденсаторы общего назначения делят на низкочастотные и высокочастотные. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными.
К конденсаторам специального назначения относят высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, пусковые, дозиметрические, конденсаторы с электрически управляемой емкостью (варикапы, вариконды) и др.
По назначению конденсаторы подразделяют на контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и т. д.,
По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянные, переменные и полупеременные (подстроечные).
Из названия конденсаторов постоянной емкости вытекает, что их емкость является фиксированной и в процессе эксплуатации не регулируется.
Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Их применяют для настройки колебательных контуров.
Емкость подстроечных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение емкости.
По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов: с твердым, газообразным и жидким диэлектриком. По виду диэлектрика также можно разделить конденсаторы с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком, который является также неорганическим, но в силу особой специфики характеристик выделен в отдельную группу.
По способу крепления различают конденсаторы для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и микросхем. В зависимости от способа монтажа конденсаторы могут выполняться для печатного и для навесного монтажа. Выводы конденсаторов для навесного монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные, из проволоки круглого сечения или ленты, в виде лепестков, с кабельным вводом, в виде проходных шпилек, опорных винтов. У конденсаторов для микросхем и микромодулей, а также СВЧ - конденсаторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности (безвыводные конденсаторы). У большинства типов оксидных, а также проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединяется с корпусом, который служит вторым выводом.
По характеру защиты от внешних воздействий конденсаторы выполняются незащищенными, защищенными, неизолированными, изолированными, уплотненными и герметизированными.