Moderní pasivní součástky (5)

Transkript

1 Moderní pasivní součástky (5) Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., Fellow IMAPS Vysoké Učení Technické v Brně, FEKT, ÚMEL szend@feec.vutbr.cz

2 Obsah Úvod Rozdělení a provedení pasivních součástek Odpory (rezistory) Kondenzátory (kapacitory) Cívky (induktory) Ostatní pasivní součástky Integrace pasivních součástek Závěr

3 Úvod Pasivní součástka je součástka, která ke své funkci nepotřebuje zdroj energie. Terminologie vychází ze zpracování signálu, kde existují pasivní součástky a aktivní součástky. Pasivními součástkami signál pouze prochází, zatímco aktivní zpracovávají signál a potřebují také napájení;

4 Úvod Pochopení principu a porozumění parametrům pasivních součástek je pro návrháře obvodů nezbytné proto, aby mohli porovnat a vybrat vhodné typy pro danou konkrétní aplikaci (parametry, resp. jakost vs. cena). Pasivní součástky jsou charakterizovány především: - výběrem jmenovité hodnoty a tolerance - teplotní závislostí - stabilitou - maximálním zatížením - parazitními vlastnostmi

5 Úvod jmenovitá hodnota a tolerance Jmenovitá hodnota leží obvykle uprostřed tolerančního pole, které vymezuje povolenou hodnotu pro spolehlivou funkci v dané aplikaci Čím menší tolerance, tím vyšší cena Tolerance 220 pf ± 20% znamená možnost hodnot od 178 pf do 264 pf Tolerance se někdy udává v absolutní hodnotě, např. u malých hodnot kapacit: 3pF ± 0,5 pf Hodnoty pasivních součástek jsou realizovány v doporučených řadách, např. E12 nabízí: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 a 100 (E24 má navíc hodnoty11,13, 16, 20, 24, 30, 36, 43, 51, 62, 75 a 91)

6 Úvod teplotní závislost Hodnoty elektronických součástek se mění s teplotou, protože elektrické vlastnosti materiálů se rovněž mění. Závislost se vyjadřuje koeficientem teplotní závislosti TKx x xo 1 T x10 6 [ppm. C -1 ] Příklad: Rezistor o jmenovité hodnotě 1Ώ má toleranci ±5% a TKR ±200 ppm. o C -1. Jaká bude maximální odchylka jmenovité hodnoty definované při 20 o C bude-li teplotní rozsah pracovních teplot 0 o C až 70 o C. Řešení: -při teplotě 20 o C budou mezní hodnoty odporu 0,95 a 1,05 Ώ -největší změna teploty bude při 70 o C, kde bude změna odporu (70 20).(±200 ppm. o C -1 ), což znamená ppm nebo 1% - nejhorší kombinace výrobní tolerance a teplotní závislosti bude: maximální odchylka 1,05. 1,01 = 1,06 nebo +6% minimální odchylka 0,95. 0,99 = 0,94 nebo -6%

7 Úvod - stabilita Elektrické parametry součástek se mění s časem v důsledku změn fyzikálních a chemických vlastností materiálů. Tento proces se nazývá stárnutí a je urychlován teplotou. Urychlení stárnutí je možno dosáhnout s pomocí tepelného namáhání ( zvýšení teploty neboli tepelný stres). To lze provést např. provozováním součástky při maximálním zatížení, nebo vložením do komory se zvýšenou teplotou. Stabilita se udává obyčejně povolenou změnou jmenovité hodnoty (% nebo ppm) při zvýšené teplotě za určitý čas (např. ± 0,5%, 125 o C, 10000h)

8 Úvod maximální provozní hodnoty Elektronické součástky mají omezení hodnot napětí, proudu, výkonu nebo teplotního rozsahu. To se udává jako jmenovité zatížení neboli zatížitelnost (rating). Výrobci udávají povolené maximální hodnoty, jejichž překročení vede ke zničení součástky. Někdy se udávají také doporučené hodnoty. Např. u odporu to může být maximální výkonové zatížení 0,25W, nebo u kondenzátoru maximální provozní napětí 40V.

9 Úvod parazitní vlastnosti Žádná součástka není ideální z důvodu materiálových a konstrukčních omezení. Ty jsou ještě znásobeny chováním pasivních součástek v elektromagnetickém poli. Z pohledu prvků se soustředěnými parametry jsou tři hlavní typy součástek: R C L u i R i 1 C du dt u = L di / dt

10 Zastoupení pasivních součástek v japonské elektronice na počátku XXI.století Typ součástky Celkový podíl Podíl SMD součástek Nárůst za rok (%) (%) (%) keramické kondenzátory rezistory tantalové kondenzátory cívky odporové trimry kapacitní trimry hlinikové kondenzátory konektory vypinače keramické filtry

11 Pasivní součástky význam a postavení v elektronice Charakteristickým rysem u většiny elektronických obvodů je fakt, že v běžném obvodu (mobil, TV, PC apod.) je až 80% elektronických součástek pasivních. Tyto pasivní součástky pak zabírají až 50% z plochy nosného substrátu. Pasivní součástky podstatně ovlivňují velikost a spolehlivost systému, a především se promítají do jeho ceny.

13 Rozdělení pasivních součástek Pasivní součástky Odpory (rezistory) Kondenzátory (kapacitory) Cívky (induktory) za pasivní součástky jsou také považované další obvodové komponenty: - transformátory, filtry, relé, signální a ovládací prvky, mechanické spínače, atd. Ale ty lze většinou nahradit zapojením z R, L, C

14 Rozdělení pasivních součástek dle způsobu montáže Pasivní součástky Diskrétní Vsazované Integrované pájené mechanicky připojované pájené lepené TLV, TV na substrátu pro pájení/lepení na Si čipu TLV, TV vnořené (embeded) 3 D TLV, TV pole sítě

15 Provedení pro povrchovou montáž Monolitické keramické a tantalové kondenzátory, tlustovrstvové nebo tenkovrstvové odpory představují hlavní část pasivních součástek pro povrchovou montáž. Tvar je zpravidla kvádrový nebo méně často válcový (rectangular and cylindrical). Hmotnost SMD je až 10x nižší než u odpovídajících součástek s drátovými vývody. Provedení je různé tak, aby se přizpůsobilo dané aplikaci.

16 SMD provedení pasivních součástek - MELF Jako první pasivní vsazované součástky s bezdrátovými vývody se začaly používat na deskách plošných spojů válcové součástky odvozené od klasického provedení vynecháním drátových vývodů (rezistory, kondenzátory a také diody). Vývody resp. pájecí kontakty jsou u těchto součástek umístěny na čelech válečků, a z toho je odvozen i jejich název MELF (Metal Electrode Face Bonding). Rozměrové provedení MELF odporů existuje ve třech velikostech, a to MELF ( 2,2 mm x 5,9 mm), MiniMELF ( 1,4 mm x 3,6 mm) a MikroMELF ( 1,27 mm x 2 mm).

17 Pasivní SMD součástky kvadrátový tvar Rozměry kondenzátorů a odporů pro povrchovou montáž : 1206, 0805, 0603, 0402, 0201, 01005

18 Nejrozšířenější provedení pasivní součástky pro povrchovou montáž - kvádrový tvar Označení palcové Označení metrické Délka (mm) Šířka (mm) Výška (mm) - 0,02-0,02 R ,0 0,5 0,3-0,4 +0,1 +0,1 C ,0 0,05 0,5 0,05 0,45-0,55 R ,6 0,1 0,8 +0, 15 0,35-0,55 C ,6 0,1 0,8 0,1 0,7-0,9 R ,0 0,15 1,25 0,15 0,5-0,7 C ,0 0,1 1,25 0,1 0,5-1,3-0,2 R ,2 1,6 0,15 0,5-0,7 +0,15 C ,2 0,15 1,6 0,15 0,5-1,6 C ,2 0,15 2,5 0,15 0,5-1,2

20 Rezistor (Odpor) Odpor je pasivní elektrotechnická součástka projevující se v elektrickém obvodu v ideálním případě jedinou vlastností - elektrickým odporem. Funkce - je obvykle snížení velikosti elektrického proudu nebo získání určitého úbytku napětí. Tato součástka bývá běžně označována jako odpor, což ale může vést k nejednoznačnostem kvůli možné záměně se stejnojmennou veličinou (tj. s elektrickým odporem). Pro odlišení se začal používat pojem odporník (dnes velmi zastaralý) a později rezistor.

21 Rezistor neboli Odpor - značení Schématická značka odporu není celosvětově sjednocena. V Evropě se používá symbol ve tvaru obdélníčku, zatímco ve Spojených státech a Japonsku se používá symbol vytvořený z lomené čáry.

22 Ideální rezistor Ideální rezistor by měl mít jediný parametr, tedy svůj odpor, a tento parametr by neměl být závislý na jakýchkoliv vnějších vlivech. Podle Ohmova zákona by se tedy proud protékající odporem o velikosti odporu R a přiloženým napětím U měl rovnat: I=U/R nebo naopak napěťový úbytek vzniklý na témže odporu jímž teče proud I: U=I*R Výkon odpor promění v teplo, to znamená, že se procházejícím proudem ohřívá a je daný vztahem: P=U*I = I 2 *R = R= U 2 /R

23 Reálný Reálný rezistor (skutečný) rezistor Reálný rezistor je vyroben z materiálu vykazujícího elektrický odpor a má proto určitou geometrii. Základním parametrem je nominální (jmenovitý) odpor R J, který výrobce vyznačuje na rezistoru. Udává se v ohmech ( ), kiloohmech (k ) a megaohmech (M ). Mimo reálný odpor vykazuje také sériovou indukčnost a paralelní kapacitu (viz náhradní schéma). Tyto parazitní veličiny se znatelně projevují až při vyšších kmitočtech procházejícího proudu. Odpor vykazuje elektrický šum Hodnota odporu je závislá na teplotě, což vyjadřuje hodnota teplotního součinitele (TKR). Rezistor dokáže v teplo proměnit jen určitý výkon, při větším zatížení, než na které je určen, se zničí přehřátím. Jmenovitý výkon P j je maximální výkon, který může rezistor rozptylovat při neetržitém provozu v podobě tepelné energie do okolního prostoru. Hodnoty P j se pohybují v rozsahu 0,01 až 500 W. Jmenovitý výkon je určen teplotou a maximálním jmenovitým napětím. Při velmi vysokých frekvencích na něm navíc dochází k tzv. skin efektu. Podle materiálu může být hodnota odporu závislá i na přiloženém napětí.

24 Parametry integrovaných rezistorů Pro výrobu integrovaného rezistoru je třeba zvolit materiál a proces. Potom následuje výběr materiálu a určení jeho topologie, což předurčuje: Jmenovitá hodnota odporu R (ohm) Tolerance odporu (%) TKR 1/ Ro)( Teplotní součinitel odporu TKR (K -1 ) Přitom ale musíme uvažovat další parametry: Jmenovité zatížení P jm (max. příkon - W) Max. dovolené napětí (V) Šum (µv/v) : TKR U Jmen ( dr / dt ) P J R J A v souvislosti se snižujícími se rozměry také: Parazitní kapacitu Stojaté vlny a vnitřní odrazy (rozložené parametry)

25 ŠUM V elektrotechnice rozeznáváme tyto druhy šumu: tepelný (Johnsonův) - je způsoben nahodilým pohybem elektronů ve vodiči nebo krystalové mřížce polovodiče. Je závislý pouze na teplotě, nezávisí na napětí, proudu ani frekvenci (bílý šum) proudový (1/f) 2 u š 4. k. T. R. f výstřelový (Schottkyho) generačně-rekombinační šelest (praskavý) Příklad: Jak velký bude tepelný Johnsonův šum na odporu 1 Mohm při pokojové teplotě 290 K v kmitočtovém pásmu 20 khz (k = 1, JK -1 ) (18 µv)

26 Skin efekt (povrchový jev) je fyzikální děj, při kterém dochází k vytlačování elektrického proudu k povrchu vodiče. Elektrický střídavý proud procházející vodičem uzavírá kolem sebe siločáry magnetického toku, jenž prochází také samotným vodičem a indukuje v něm vířivé proudy. Tyto vířivé proudy mají blíže ke středu vodiče opačný směr než původní elektrický proud a odečítají se od něj, kdežto blíže k povrchu jsou směry souhlasné a proudy se sčítají.

27 Integrovaný rezistor - vrstvový odpor R = (L/s) = (L/d.w) = = ( /d)(l/w) = R v (L/w) = L Proud = R v /A w d R v - plošný (vrstvový) odpor je odpor na čtverec (L/w) značí počet čtverců ~A L w A A A A A A w w Proud

28 Dostavování integrovaných (vrstvových) rezistorů TLV: pískování, laser TV: vyjiskřování, laser Možnosti provedení řezu při trimování laserem

29 Provedení odporů dle technologie výroby Odpory podle technologie výroby : Drátové (lakované, glazované.) Hmotové vrstvové (uhlíkové, kovové, cermetové ) Poly(mono) krystalické (polovodičové) Uhlíkové odpory jsou zkonstruované z odporových kompozic, které obsahují sloučeninu grafitového prášku a křemene s lepidlem, a jsou spékány při vysoké teplotě a pod tlakem. Nižší hodnoty odporu jsou vyrobeny s použitím vyššího grafitového obsahu. Na trhu jsou dostupné hodnoty 0,1 Ω až 9,1 GΩ. Kovové a cermetové vrstvové odpory mají nižší teplotní koeficient odporu (u některých materiálů se jeho hodnota blíží dokonce nule), a také větší přesnost a spolehlivost. Vyrábí se vakuovými depozicemi (naprašování a napařování) nebo nevakuově, většinou sítotiskem.

30 BAREVNÉ ZNAČNÍ ODPORŮ Standardní tabulka : Rezistory se vyrábějí v řadách vyvolených čísel E6, E12, E24, E96 a E192 např. řada E12 má tyto hodnoty: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; Barva 1. pruh 2. pruh 3. pruh Násobitel Tolerance Tepl. koeficient Spolehlivost Černá %; Hnědá ±1% (F) 100 ppm 0.1%; Červená ±2% (G) 50 ppm 0.01%; Oranžová ppm 0.001%; Žlutá ppm Zelená ±0.5% (D) Modrá ±0.25% (C) 10 ppm Fialová ±0.1% (B) 5 ppm Šedá ±0.05% (A) Bílá ppm Zlatá 0.1 ±5% (J) Stříbrná 0.01 ±10% (K) Žádná ±20% (M)

31 Tlusto (tenko) vrstvový odpor Typické parametry: Odpor + tolerance Rozměry Ztrátový výkon Teplotní koeficient TKR Maximální dovolené napětí Stabilita Klimatická odolnost

32 Sériové a paralelní zapojení Zapojování odporů - řídí se Ohmovým zákonem: V = I*R sériové zapojení: U = U 1 + U 2 + U 3 R = R = R 1 + R 2 + R 3 paralelní zapojení: I = I 1 + I 2 + I 3 = V 1 /R 1 + V 2 /R 2 + V 3 /R 3 1/R = 1/R = 1/ R 1 +1/ R 2 +1/R 3

33 Odporové sítě

34 Proměnné odpory (trimry a potenciometry) Potenciometr (trimr) je elektrotechnická součástka, která slouží jako regulovatelný odporový napěťový dělič. Používá se k přímému řízení elektronických zařízení (například audio a video technika), někdy též jako snímač.

35 Termistory, varistory Termistor je elektrotechnická součástka, jejíž elektrický odpor je závislý na teplotě. Rozlišujeme druh NTC a PTC termistor. NTC je termistor s negativním teplotním koeficientem, což znamená, že se zahřátím součástky odpor klesá. U PTC termistoru se zahřátím odpor roste. Varistor je nelineární polovodičová součástka, jejíž odpor závisí na napětí. Je zhotovena slisováním a spékáním zrníček karbidu křemíku (SiC) při teplotě kolem 1200 C. Při zvětšování napětí mezi vývody varistoru dochází nejprve k pomalému a skoro lineárnímu vzrůstu proudu. Odpor součástky je velký a téměř konstantní. Po dosažení napětí Un prudce poklesne vnitřní odpor. Napětí na varistoru se dále zvětšuje málo, dochází však k velkému nárustu proudu. Varistory se užívají např. ke stabilizaci stejnosměrných napětí a jako přepěťová ochrana.

37 Kondenzátory (kapacitory) Kondenzátor je elektrotechnická součástka používaná v elektronických obvodech k dočasnému uchování elektrického náboje (má schopnost akumulovat elektrickou energii v elektrickém poli). Kapacita kondenzátoru je určena rozměry, tvarem a vzájemnou polohou vodičů, které se označují jako elektrody kondenzátoru. Velikost kapacity je dána vztahem: C =.S/d kde S plocha elektrod; d vzdálenost mezi elektrodami - permitivita ( o. r ) Q d Kapacitu kondenzátoru lze zvýšit vyplněním dutiny mezi oběma elektrodami vhodnou nevodivou látkou - dielektrikem. Q

38 Kondenzátory - dielektrikum Kapacita vakuového dielektrika: C o = Q / U = σs / U = o ES / U = 0 (U/d)S / U = o S / d σ je plošná hustota náboje E je intenzita pole Pokud umístíme mezi elektrody dielektrický materiál s permitivitou, pak je kapacita: C = S/d = 0 r S/d = r C 0 r (= / 0 ) je dielektrická konstanta (relativní permitivita) dielektrika S a d jsou plocha a tloušťka dielektrika.

39 Parametry kondenzátorů Základní parametry: a) C jm jmenovitá hodnota, řady E6, E12, E24 (výjmka u el.ektrolyt. k.) b) tolerance jmenovité hodnoty - se vyjadřuje v %. N = 30%, M = 20%, K = 10%, J = 5%, G = 2%. Elektrolytické kondenzátory mají nesouměrnou tolerancí: např. -10% + 80%. c) teplotní součinitel (TKC) d) jmenovité napětí U jm je napětí, na které můžeme připojit kondenzátor aniž by překročil dovolenou hodnotu teploty. Připojíme-li kondenzátor na Ust, k němuž je superponována ss složka napětí, nesmí být součet amplitudy střídavého napětí a stejnosměrné složky napětí vyšší, než je provozní napětí. e) provozní napětí U r - je to největší napětí, které můžeme na kondenzátor trvale připojit až do teploty okolí 40 C. Do 40 C je provozní napětí rovno jmenovitému, pak se musí přiměřeně snížit podle doporučení výrobce. f) tangenta ztrátového činitele (tgθ) g) izolační odpor - (svodový) je odpor mezi elektrodami kondenzátoru měřený při ss napětí a teplotě +20 C. Je tvořen odporem dielektrika a přívodů (elektrod). U elektrolytických kondenzátorů, zde se měří svodový proud. h) impedance - ve střídavých obvodech se C chová jako kmitočtově závislá impedance i) indukčnost kondenzátoru 7.

40 Kondenzátory důležité parametry Tangenta ztrátového činitele vyjadřující velikost ztrát, všechny ztrátové odpory se soustředí do jednoho ztrátového odporu, který se přiřadí ideální kapacitě sériově nebo paralelně I R S U R U C S U C U C I U R U Paralelní nebo seriový náhradní obvod U I. R R S tg. RS. U 1 C I.. C S C S tg θ =I R /I C =1/(2π fc p R p ) I R R P I U I I C I C C P U I R

41 Činitel jakosti Q Ztrátový činitel má být co nejmenší a udává se pro určitý kmitočet (1MHz) Bývá uveden v katalogu spolu s kmitočtem a teplotou, pro které platí: Nejmenší ztrátový činitel mají vakuové vzduchové plněné stlačeným plynem slídové keramické - a největší elektrolyty. Činitel jakosti kondenzátoru:

42 Teplotní součinitel určuje změnu kapacity způsobenou změnou teploty TKC C C 1 1 t

43 Kondenzátory Rozdělení kondenzátoru podle konstrukce: - deskové - válcové - kulové Obecně všechny kondenzátory jsou vrstvové značení

44 Kondensátory Rozdělení podle typu dielektrika: - Keramické - vzduchové - Slídové - skleněné - Papírové (MP) - Elektrolytické - Tantalové Pevné, laditelné, nastavitelné

45 Rozdělení kondenzátorů (podle dielektrika) - elektrolytický - keramický - vinutý (tantalový) (slídový,papírový)

46 Charakteristické vlastnosti různých typů kondenzátorů Parametr Papír Keramika typ I Keramika typ II Polystyrén Tantalový elektrolytický Typický rozsah hodnot 0,001 1 µf pf pf pf 0, µf Tangenta ztrátového činitele tg (%) 25 o C 0,4 1kHz 0,01 1 MHz 2,5 (3,5) 1 MHz 0,003 1 MHz khz Teplotní součinitel TKC (ppm.k -1 ) až až až +125 o C ¹) Izolační odpor Ri (Ω), 25 o C až ,04 µa 2 ) Permitivita Σr ,2 2,8 0,1 až 150 µf 3 ) ¹) u elektrolytických kondenzátorů se udává rozsah pracovních teplot 2 ) u elektrolytických kondenzátorů se udává zbytkový proud 3 ) u elektrolytických kondenzátorů se udává rozsah hodnot kapacity

47 Kondenzátory Rozdělení podle provedení vývodů: s drátovými vývody pro povrchovou montáž kondenzátorová pole TLV - TV

48 Elektrolytické kondenzátory Kondenzátor s vysokou kapacitou musí mít dielektrikum s vysokou hodnotou relativní permitivity společně s minimální tloušťkou a maximální plochou desek. Elektrolytické kondenzátory kombinují všechny tyto vlastnosti a jsou ze všech druhů kondenzátorů při stejné kapacitě nejméně objemné. Používají se pro obvody, kde je třeba vysokých hodnot kapacity, jako jsou například napájecí zdroje, nízkofrekvenční filtry, vícestupňové zesilovače nebo časovací obvody. Desky kondenzátoru jsou tvořeny kovovou folií a dielektrikum je z tenké vrstvy oxidu kovu vytvořeného na jedné z desek, která se nazývá anoda. Dielektrikum je spojeno s druhou deskou (katodou) pomocí elektrolytu.

49 Kondenzátory SMD keramické Keramické kondenzátory pro povrchovou montáž a HIO jsou ve formě čipů montovaných pájením nebo lepením. Pozn.: Keramika je připravována v práškovém stavu a do konečného tvaru je sintrována při teplotách mezi 1100 až 1900 C.

50 Parametry

51 Kapacitní pole a sítě Výhody: - nižší cena - úspora místa - vyšší výtěžnost při výrobě (mobilní telefon ~ 9%)

53 Induktory (cívky) Induktor (cívka) je impedanční prvek tvořený vinutím, buď s jádrem, nebo bez jádra, představující v elektrickém obvodu indukčnost. Základní vlastností cívek je schopnost akumulovat energii v magnetickém poli. Indukčnost L je vyjádřena magnetickým indukčním tokem kolem cívky Φ při jednotkovém proudu I Přímý drát má pro praktické účely indukčnost velmi malou, zvětšit ji můžeme tím, že drát navineme do šroubovice se závity těsně u sebe. Magnetická pole jednotlivých závitů se sčítají a působí jako jedno velké magnetické pole - tak vznikne cívka. L = Φ / I Φ je magnetický indukční tok [H] I je elektrický proud [A]

54 Indukčnost Indukčnost L určuje velikost elektromotorické síly (EMS) indukované následkem dané rychlosti změny procházejícího proudu součástkou. Faradayův zákon aplikovaný na induktor vyjadřuje, že změna proudu vyvolá zpětnou EMS s opačnou změnou: V = L di / dt kde V je napětí procházející induktorem (V) L je indukčnost (H, mh, uh, atd.) di/dt je změna proudu v malém časovém intervalu (A/t) Indukčnost je vázána na magnetické pole, které se vytváří kolem každého vodiče, kterým protéká elektrický proud. Jednotkou indukčnosti je henry [H], v radiotechnice se obvykle používají jednotky menší (mh, uh, nh).

55 Vlastnosti induktoru Připojení napětí na induktor způsobí to, že se proud prudce zvýší. Pro induktor s hodnotou 1H platí, že při nárůstu napětí 1V se zvýší proud o 1A za sekundu. Zatímco kondenzátor vyvolává změny napětí, induktor způsobuje změny proudu. Na rozdíl od kondenzátoru, který se ve stejnosměrných obvodech chová jako rozpojený obvod, induktor zde vytváří zkrat. V odporech se elektrická energie rozptýlí ve formě tepla, kondenzátory uloží energii v elektrickém poli mezi svými deskami, a induktory uloží energii v magnetickém poli cívky. Indukční cívky jsou porovnatelné s kondenzátory.

56 Ideální induktor a činitel jakosti Ideální cívka by měla nulový odpor a fázový úhel mezi napětím a proudem 90 (ovšem v obráceném sledu než u kondenzátoru, napětí u indukčnosti předbíhá proud). Fázový posuv mezi napětím a proudem je díky působení odporu R menší než 90 o tzv. ztrátový úhel. Činitel jakosti cívky je dán vztahem: L R Činitel jakosti Q induktoru, je podíl jeho induktivní reaktance k jeho odporu na dané frekvenci, a je mírou jeho účinnosti. Ideální induktor by byl bezeztrátový, bez ohledu na velikost proudu procházejícího závity. Typické induktory mají odpor způsobený dráty tvořícího cívku. Protože odpor vinutí se sčítá jako při zapojení do série, tento odpor často nazýváme sériovým odporem. Sériový odpor mění elektrický proud procházející cívkou na teplo, tudíž způsobuje ztrátu jakosti indukce. Q

57 Indukční reaktance cívky Podobně jako u kondenzátorů existuje kapacitní reaktance, u cívek existuje indukční reaktance (induktance) X L. Je to zdánlivý odpor součástky s indukčností proti průchodu střídavého elektrického proudu. Velikost induktance závisí přímo úměrně na indukčnosti a na úhlovém kmitočtu střídavého proudu. V obvodech stejnosměrného proudu se induktance neprojevuje. X L = R + ω.l Induktance není důsledkem změny elektrické energie v součástce na tepelnou energii (tak jako elektrický odpor), ale je důsledkem změny elektrické energie na energii magnetického pole cívky. Cívka se však chová proti kondenzátoru obráceně. Pro stejnosměrný proud tvoří zkrat (lépe řečeno její odpor se rovná pouze odporu použitého drátu), v obvodu střídavého proudu se tento odpor zvětšuje o určitou velikost je tím větší, čím je vyšší frekvence. Induktanci lze využít při oddělování vysokofrekvenční a nízkofrekvenční složky střídavého proudu. Složka s nižší frekvencí prochází dobře, složka s vyšší frekvencí je potlačována.

58 Induktory (cívky) - parametry Různé induktory jsou tvarovány jako různě vinuté prvky na různých jádrech, z různých materiálů podobných feritům. Tyto jádra zmnohonásobňují indukčnost příslušného vinutí v důsledku působení permeability materiálu jádra. Jádro může mít tvar tyče nebo toroidu. Pro výběr induktoru na specifické aplikace jsou uvažovány následující parametry: - Hodnota indukčnosti L - Stejnosměrný odpor vinutí I s -Přípustné zatížení proudem I max -Průrazné napětí mezi vinutími a jádrem U p - Kmitočtový rozsah v kterém je induktor navržen

59 Výpočet indukčnosti Indukčnost cívek bez jádra: L 2 Ds N 10 l 0,44 Ds -3 H Indukčnost cívek s feritovými uzavřenými jádry se počítá pomocí činitele indukčnosti jádra A L udávajícího indukčnost, které se na určitém jádře dosáhne jedním závitem: L 2 AL N

60 Teplotní součinitel indukčnosti TKL Teplotní koeficient indukčnosti TKL určuje relativní (poměrnou) změnu indukčnosti při změně teploty o 1 C TKL L 1 L1 t

61 Provedení induktorů

62 Vrstvové induktory (TLV, TV, MCM, LTCC) Standardní elektrická specifikace pro 0603 čípové induktory Inductance (nh) Tolerance (% or nh) Q (min) DCR (Ω)(max) IDC (ma)(max) SRF (GHz)(min) /0.2/0.3nH 15 / 300MHz /2/3/5 % 15 / 300MHz 7,

63 SMD induktory a transformátory Charakteristika těchto induktorů: - jsou dostupné v různých provedeních srůznými jádry, mající velkou indukčnost - mají výbornou kmitočtovou charakteristiku a velký činitel jakosti - mají nízkou stejnosměrnou pevnost -velká odolnost při pájení Transformátor je elektrické zařízení, které přenáší energii od jednoho elektrického obvodu k jinému prostřednictvím magnetického propojení. Typický je převod mezi vysokými a nízkými napětími jimž je nepřímo úměrný i proud Možná použití induktorů: -ve video zařízeních -vpřenosných audiovizuálních zařízeních - ve vinutí škrtících ventilů - v mobilních telefonech, pagerech

64 Transformátor Primární vinutí slouží k převodu elektrické energie na magnetickou. Procházejícím proudem se vytváří magnetický tok Φ. Tento tok je veden magnetickým obvodem (jádrem) k sekundární cívce. V sekundární cívce se podle principu Faradayova indukčního zákona (viz Zákon elektromagnetické indukce indukuje elektrické napětí. u i = - N. dφ / dt Dosadíme-li do indukčního zákona dvakrát veličiny primárního a sekundárního vinutí s úvahou, že magnetický tok je identický pro obě cívky, dostaneme rovnici ideálního transformátoru (bez ztrát): p = U 1 /U 2 = N 1 /N 2 = I 2 /I 1 Písmeno p značí převod transformátoru při p > 1 jde o snižující transformátor (napětí na sekundárním vinutí je nižší) a při p < 1 je transformátor zvyšující.

65 Planární transformátor Požadavky na vyšší proudy (výkon) a nízká napětí (automotive, telekomunikace ) při docílení nízké váhy a malého objemu

67 Piezoelektrické součástky (Kyocera) Piezoelektrické nárazové senzory Piezoelektrické akustické generátory 1 12 khz Piezosirény 75 db, ~ 10 nf Piezoelektrický jev u krystalu turmalínu poprvé pozorovali v roce 1880 bratři Pierre a Jacques Curieové, kteří zjistili při stlačení krystalu výskyt povrchového elektrického náboje. O rok později objevili opačný piezoelektrický jev, u něhož vnější pole elektrické pole vyvolávalo deformaci krystalu. U krystalů, které nejsou středově souměrné, vzniká velmi intenzivní piezoelektrický jev. K výrobě takového krystalu se používá materiál, v jehož krystalické mříži jsou jak kladné tak záporné ionty a destička se vybrousí ve vhodné orientaci tak, aby na jedné ploše byly soustředěny náboje kladné a na druhé záporné. Tím se z vnějšího pohledu stává výbrus zdrojem elektrostatického pole, jehož intenzita (a tedy i napětí) závisí na plošné povrchové hustotě nábojů a na vzdálenosti nábojů uvnitř materiálu.

68 Piezokrystaly Křemenné materially jsou používány pro analogové krystaly, např. berlinite (AlPO 4 ) a gallium orthophosphate (GaPO 4 ), keramiky s perovskite nebo wolfram-bronz struktury (BaTiO 3, KNbO 3, LiNbO 3, LiTaO 3, BiFeO 3, Na x WO 3, Ba 2 NaNb 5 O 5, Pb 2 KNb 5 O 5 ). Polymer polyvinlidene fluorid, (- CH2- CF2-)n, vykazuje piezoelectricitu několikrát větší než křemen.

69 Filtry LC filtr s rozloženými parametry

70 Pojistky 0,2 2 A (AVX)

72 Integrace pasivních součástek Pasivní součástky rozdělujeme podle začlenění do obvodu (systému) do následujících skupin: - Diskrétní - Vícenásobné pole - Pasivní sítě - Integrované pasivní součástky - - Vnořené, zabudované (Embeded) Aktivní diskrétní komponenty a integrovaní pasivní součástky Integrované pasivní součástky patří do skupiny inovovaných součástek, které směřují v elektronice k integraci, miniaturizaci a snížení ceny. Snahou je eliminovat velké rozměry, parazitní efekty, problémy s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC) a také cenu.

73 Integrace pasivních součástek

74 Příklady integrace pasivních sítí Nízkopásmový filtr 1 GHz modul pro Bluetooth

75 Výrobní technologie Průmyslové technologie používané k výrobě integrovaných pasivních součástek : Tenkovrstvové (Thin-Film) technologie založené na depozici tenkých vrstev převážně vyráběné vakuovým napařováním nebo naprašováním na substrát (podložku, těleso) Tlustovrstvové (Thick-Film) vrstva využívá sítotisku a vysokoteplotní sintrování, převážně na keramické substráty, umožňující vytváření vícevrstvých struktur Polymerní (Polymer-Thick-Film) užívá nízkoteplotní pasty. Například integrované rezistory mohou být realizovány sítotiskem v kombinaci s diskrétními prvky. Technologie LTCC. Kombinací pasivních prvků s aktivními prvky nebo moduly se vyrábí hybridní moduly s maximálním stupněm integrace, vhodné např. pro vysokofrekvenční provedení (např. obvody pro bezdrátovou komunikaci Wireless nebo Direct Module Attach (DMA)

76 Transformace čipových součástek na vnořené (embeded) Se soustředěnými parametry S rozloženými parametry

77 Digitální fotoaparát obsahuje několik pasivních součástek ochrana proti elektrostatickému náboji (ESD), filtr elektromagnetické kompatibility (EMI, RFI) pasivní elektronické obvody

79 Závěr Pasivní součástky jsou nejčastěji: Rezistor -je součástka, která klade průchodu elektrického proudu odpor. Kondenzátor -je součástka, která může akumulovat elektrický náboj. Stejnosměrný proud jim neprochází. Cívka (induktor) - vytváří magnetické pole a indukuje proud. Pro stejnosměrný proud tvoří zkrat, pro střídavý se chová jako impedance. Krystaly, piezoelektrické součástky konektory ale i další, např. pasivní filtr je filtr složený pouze z pasivních součástek. Jakýkoliv elektronický systém (např. mobilní telefon, televizní přijímač nebo kamera aj.) obsahuje několik integrovaných obvodů a množství pasivních součástek. Integrované obvody mají také pasivní části. - 30% pájených spojů je na pasivních součástkách - 40% na substrátu zabírá plocha pasivních součástek - až 90% montážního času je spotřebováno na pasivní součástky Je snaha pasivní součástky nejen zmenšovat, ale i integrovat (na substrát nebo do substrátu, do pouzdra, na čip apod.) technologie vrstvové, polymerní

80 Kontrolní otázky 1) Vysvětlete pojmy jmenovitá hodnota, tolerance a teplotní součinitel u pasivních součástek 2) Proveďte rozdělení pasivních součástek a popište jejich provedení pro povrchovou montáž 3) Vysvětlete co to jsou odpory, popište jejich parametry a provedení 4) Napište vztahy pro výpočet Ideálního, reálného a vrstvového odporu 5) Vysvětlete co to jsou kondenzátory, popište jejich parametry a provedení 6) Jak jsou provedeny keramické kondenzátory, vysvětlete rozdíl mezi typy I a II 7) Odvoďte a vysvětlete význam tangenty ztrátového činitele 8) Vypočtěte činitel jakosti a vysvětlete jeho význam 9) Vysvětlete co to jsou induktory, popište jejich parametry a provedení 10) Vysvětlete a demonstrujte pojmy indukční a kapacitní reaktance 11) Uveďte základní vztahy pro transformátor a popište jeho provedení a využití 12) Popište piezoelektrický jev a piezoelektrické součástky 13) Uveďte příklady integrace pasivních součástek