9. PASIVNÍ SOUČÁSTKY 9.1 Rezistory Rezistory jsou nejběžnější součástkou v elektronických zařízeních. Rezistor má v ideálním případě, nezávisle na pracovních podmínkách a fyzikálních parametrech okolního prostředí, vykazovat čistě reálný elektrický odpor. To znamená, že napětí na svorkách rezistoru je přímo úměrné proudu, který jím protéká a v případě, že napětí a proud jsou střídavé, nemají proti sobě žádný fázový posun. Reálné rezistory vykazují výše uvedené vlastnosti jen v omezené míře. Skutečné vlastnosti rezistorů jsou proto určeny mnoha parametry a jevy, nejdůležitější z nich jsou: - velikost elektrického odporu (jeho jmenovitá hodnota a tolerance) - teplotní závislost elektrického odporu - napěťová závislost elektrického odporu a maximální provozní napětí - kmitočtová závislost elektrického odporu (impedance) - maximální ztrátový výkon ohřívající rezistor - stárnutí rezistoru (změna odporu v závislosti na čase) - šum rezistoru Obr. 9.1. Princip konstrukce vrstvových (vlevo) a drátových (vpravo) rezistorů Obr. 9.2. Vrstvové rezistory pro různé výkony (přibližně skutečná velikost) Obr. 9.3. Drátové rezistory (není v měřítku - mohou být i značných rozměrů) 196 Kap. 9. Pasivní součástky
Rezistory můžeme rozdělit podle několika hledisek. Podle provedení rozlišujeme rezistory pevné a proměnné (příp. nastavitelné); z technologického hlediska je dělíme na vrstvové a drátové; podle počtu vývodů vyčleníme rezistory se dvěma vývody a rezistory s více vývody; podle konstrukce je rozdělujeme na typy čepičkové a bezčepičkové; s vývody páskovými, s jednostrannými vývody; vysokoohmové (nad 10 9 Ω), vysokonapěťové (nad 1 kv), stabilní (z hlediska teploty), vysokofrekvenční, speciální. Zvláštní kapitolu tvoří rezistory v integrovaných monolitických a hybridních obvodech. a) b) Obr. 9.4. Vinutí s potlačenou indukčností: a) bifilární, b) Chaperonovo Nejrozšířenější jsou rezistory vrstvové. Jejich základním mechanickým prvkem je nosné tělísko, vyrobené většinou ze speciálního elektrotechnického porcelánu, na kterém je nanesena funkční vrstva (obr. 9.1). Nejobvyklejším materiálem je pyrolyticky nanesený uhlík, případně kovové slitiny Ni-Cr, Si-Fe-Cr, oxidové vrstvy SnO, SbO a nitridu tantalu. Konečná ohmická hodnota odporu se získá výbrusem šroubovice na válcové ploše tělíska rezistoru, nebo vytvořením dělicích rysek. Vývody funkční vrstvy jsou realizovány převážně buď nalisovanými kovovými čepičkami s přivařenými vývody nebo drátové vývody jsou připájeny na kontaktní kovovou vrstvu. Povrch rezistorů se opatřuje speciálními ochrannými laky nebo smalty, případně se rezistor zalisuje do umělé pryskyřice. Povrchová vrstva chrání funkční vrstvu mechanicky, v izolovaném provedení zajišťuje elektrickou pevnost mezi odporovou vrstvou a povrchem součástky a dále chrání rezistor před vlhkostí. Pro náročné klimatické podmínky je nutno rezistor izolovat hermeticky. a) b) Obr. 9.5. Vinutí s potlačenou indukčností na kostřičce tvaru pásku: a) jednoduché, b) Ayrton-Perry Pro větší výkonová zatížení se používají drátové rezistory. Zhotovují se obvykle vinutím odporového drátu na nosné keramické tělísko. Vývody jsou přivařeny ke koncům odporového drátu, případně jsou tvořeny páskovými objímkami (ty mohou tvořit i odbočky). Povrch drátových rezistorů se chrání speciálním lakem, smaltem nebo tmelem, případně rezistory jsou zatmeleny do keramického pouzdra, vyplněného křemenným pískem. Někdy mají tepelnou pojistku. Drátové rezistory se užívají i jako přesné rezistory, odporový drát se vine bifilárně (obr. 9.4) nebo jiným způsobem, který umožní potlačit indukčnost (nevýhoda klasických vrstvových rezistorů). Rezistory se vyrábějí s hodnotou odporu asi od 1 Ω do 100 MΩ v řadách E6, E12, E24, E96 a E192. Dovolené odchylky jmenovitých hodnot (s příslušným omezením podle typů) jsou od ± 20 % u běžných rezistorů do ± 0,1 % u metalizovaných stabilních rezistorů s nízkým teplotním součinitelem odporu. Obr. 9.6. Značení jmenovitého odporu a tolerance rezistoru barevným kódem Jmenovitý odpor je na součástce vyznačen buď písmenovým nebo barevným kódem. Písmenový kód se užívá pro označování jmenovitých hodnot a jejich dovolených odchylek. Skládá se z číslic a písmen. Počet číslic se shoduje Kap. 9. Pasivní součástky 197
s počtem platných míst vyjadřované jmenovité hodnoty. První písmeno (na místě desetinné čárky) označuje mocninu deseti vzhledem k základní jednotce (tj. 1 Ω). Druhé písmeno (na posledním místě kódového označení) vyjadřuje dovolenou odchylku jmenovité hodnoty. Např. M odpovídá souměrné dovolené odchylce ± 20 %. Barevný kód se užívá pro označování jmenovitých hodnot odporů a jejich dovolených odchylek zvláště v těch případech, kdy se požaduje čtení údajů z různých směrů, případně kdy rozměry součástky nedovolují použití písmenového kódu. Barevný kód se nejčastěji vyjadřuje barevnými proužky po obvodu součástky. První proužek je blíže k vývodu rezistoru. Kód je buď čtyř nebo pětiproužkový. U čtyřproužkového kódu značí proužky postupně: první a druhou číslici, násobitele, dovolenou odchylku. U pětiproužkového značení je na třetí pozici navíc proužek označující třetí číslici. Jmenovitá hodnota Barva číslice násobitel Odchylka (%) černá 0 10 0 - hnědá 1 10 1 ±1 červená 2 10 2 ±2 oranžová 3 10 3 - žlutá 4 10 4 - zelená 5 10 5 - modrá 6 10 6 - fialová 7 10 7 - šedá 8 10 8 - bílá 9 10 9 - zlatá - 10-1 ±5 stříbrná - 10-2 ±10 bez barvy - - ±20 Největší přípustné provozní zatížení rezistoru je závislé na teplotě okolí a na způsobu odvádění tepla (způsobeného ztrátovým výkonem). Výrobce udává většinou grafickou závislost přípustného provozního zatížení v procentech jmenovité hodnoty v závislosti na teplotě okolí. Dále výrobce uvádí pro jednotlivá provedení nejvyšší dovolené napětí, teplotní součinitel odporu rezistoru a šumové napětí. Proměnné odpory (potenciometry, příp. reostaty) jsou tvořeny odporovou dráhou a běžcem. Mechanický pohyb běžce je obvykle rotační (potenciometry otočné) nebo přímočarý (posuvné typy). Obr. 9.7. Potenciometry (zleva): jednoduchý s odbočkou, tandemový, dvojitý Konstrukčně jsou potenciometry provedeny jako jednoduché (s jedním systémem) nebo dvojité (se dvěma samostatnými systémy), případně tandemové (se dvěma systémy souběžně ovládanými jednou osou). Vyrábějí se buď jako vrstvové, drátové nebo z vodivých plastů. U vrstvových potenciometrů je na podkladovém materiálu (tvrzený papír, keramika) nanesena vodivá vrstva (z polovodivého laku nebo cermentu). Požadovaného průběhu odporové dráhy se dosahuje vhodným tvarem vrstvy, případně jejím složením. Podle závislosti odporu na úhlu natočení hřídele rozlišujeme potenciometry s lineárním (označení N), logaritmickým (G) a exponenciálním (E) průběhem odporu. Potenciometry se vyrábějí buď bez spínače, nebo se spínačem nízkého nebo malého napětí. 198 Kap. 9. Pasivní součástky
Pro jmenovitá zatížení od jednotek do stovek W se používají drátové potenciometry; na jejich výrobu se používá drátu s velkým měrným odporem, který je navinutý na kostru. Pro zatížení do několika W byly v zahraničí drátové potenciometry vytlačeny potenciometry z vodivých plastů. Obr. 9.8. Měnitelné rezistory (trimry) do plošných spojů: a) keramický, b) víceotáčkový cermentový Odporové trimry mají odporovou dráhu stejného složení jako vrstvové potenciometry. Konstrukčně však se od nich liší; nejsou určeny k mnohonásobnému přestavování polohy běžce (obvykle pomocí nástroje - šroubováku). Zatímco výrobce udává u vrstvových potenciometrů mechanickou trvanlivost 10 3-10 4 pracovních cyklů, u trimrů je tato hodnota podstatně nižší (20-50 cyklů dle typu). Trimry mají obvykle vývody konstrukčně uzpůsobeny pro zabudování do plošných spojů. Vrstvové potenciometry mají jmenovité hodnoty odporu pole řady E3 (připouští se i řada E6); dřívější typy mohou být v řadě 1-2,5-5. Pro přesnější aplikace se potenciometry a trimry realizují jako víceotáčkové. Některá provedení ukazují obr. 9.8 a 9.9. Obr. 9.9. Měnitelné rezistory: a) desetiotáčkový spirálový potenciometr (není znázorněna stupnice cejchovaná v setinách otáček), b) klasický drátový potenciometr nebo reostat pro velká zatížení 9.2 Kondenzátory Kondenzátory (někdy nazývané kapacitory) jsou další základní součástkou elektrických a elektronických obvodů. Ideálním kondenzátorem má v ideálním případě protékat proud úměrný časové derivaci napětí na jeho svorkách, nezávisle na pracovních podmínkách a fyzikálních parametrech okolního prostředí. V případě, že je ideální kondenzátor zapojen v obvodu střídavého proudu, je mezi jeho svorkovým napětím a protékajícím proudem fázový posun π/2, napětí je zpožděno za proudem. Vlastnosti kondenzátoru, do značné míry nezávisle na jeho druhu, lze popsat následujícími parametry: velikost kapacity (její jmenovitá hodnota a tolerance); teplotní závislost kapacity napěťová závislost kapacity izolační odpor (zbytkový proud) kondenzátoru Kap. 9. Pasivní součástky 199
ztrátový činitel kondenzátoru kmitočtová závislost kapacity (impedance kondenzátoru) maximální provozní napětí kondenzátoru maximální provozní proud kondenzátorem maximální výkon kondenzátoru stárnutí kondenzátorů (časová změna parametrů) Obr. 9.10. Některé typy a tvary kondenzátorů Kondenzátory pro použití jako elektronické součástky jsou vyráběny v mnoha druzích (běžně vzduchové, keramické, skleněné, slídové, s dielektrikem z plastových fólií, papírové, elektrolytické hliníkové a tantalové, zvláštní kapacitory např. vakuové, olejové, plněné stlačeným plynem), jejichž předpokládané oblasti použití a tím i vlastnosti se liší daleko více, než třeba u různých druhů rezistorů. Podle provedení rozlišujeme kondenzátory pevné (s neproměnnou kapacitou) a s proměnnou kapacitou (ladicí a dolaďovací). Obr. 9.12. Průchodkový kondenzátor: schématická značka, jedno z používaných provedení a princip použití 200 Kap. 9. Pasivní součástky
Keramické kondenzátory mají dielektrikum ze speciální keramiky s velkou permitivitou a malými dielektrickými ztrátami (obecně se označují jako hmota I, II a III). Keramická hmota je ve tvaru fólií, destiček nebo trubiček. Na povrchu jsou napařeny elektrody, na které jsou připájeny vývody. Povrch je chráněn vrstvou tmelu. Kondenzátory s papírovým dielektrikem jsou tvořeny dvěma hliníkovými fóliemi, oddělenými speciálním kondenzátorovým papírem; obdobné jsou kondenzátory s metalizovaným papírem, kdy se místo fólií používá napařených kovových vrstev. Kondenzátory s plastickou fólií místo kondenzátorového papíru používají tenkou izolační fólii (polyester, polystyren apod.). Obr. 9.11. Teplotní závislost kapacity keramických kondenzátorů z hmoty I, II, III Slídové kondenzátory jsou sestaveny z jedné nebo více postříbřených jakostních slídových destiček. Od klasických kondenzátorů se liší elektrolytický kondenzátor tím, že jednu elektrodu (katodu) nevytvoří kovový polep, ale vodivý elektrolyt. Elektrolyt bývá ve formě pasty, kapalný nebo suchý. Přívod k němu tvoří buď katodová fólie (u hliníkových kondenzátorů) nebo kovový obal či grafitový povlak u kondenzátorů tantalových. Dielektrikum tvoří oxidová vrstva, která se vytvoří anodickou oxidací anodové elektrody působením elektrického proudu, je-li elektroda obklopena vhodným elektrolytem. Obr. 9.13. Tři základní typy svitkových kondenzátorů Důležitou funkcí elektrolytu je (kromě zabezpečení kontaktu s dielektrikem ze strany katody) také regenerace oxidové vrstvy (je zdrojem potřebného kyslíku). Anodová elektroda je buď z hliníkové nebo tantalové fólie. Její povrch je před oxidací zvláštním postupem leptán, takže se dosahuje několikanásobného zvětšení povrchu. Anodová a katodová fólie jsou od sebe odděleny speciálním papírem velké nasáklivosti, který slouží jako zásobník elektrolytu, a dále zabraňuje zkratu mezi anodou a katodou a zaručuje i nutnou napěťovou pevnost. Principiální uspořádání elektrolytického hliníkového kondenzátoru je znázorněno na obr. 9.14. Kap. 9. Pasivní součástky 201
Obr. 9.15. Konstrukční uspořádání kapkového tantalového kondenzátoru s pevným elektrolytem Obr. 9.16. Konstrukce tantalového elektrolytického kondenzátoru s tekutým elektrolytem Tantalové kondenzátory mají v porovnání s hliníkovými menší rozměry, menší ztráty při vyšších kmitočtech, lepší časovou i teplotní stabilitu kapacity; mají však nižší povolené napětí. Obr. 9.14. Principiální uspořádání elektrolytického kondenzátoru plynu uvnitř kondenzátoru, že může dojít k explozi. Důležitým provozním parametrem elektrolytických kondenzátorů je tzv. zbytkový proud, který kondenzátorem protéká i při delším připojení na stejnosměrné napětí. Jeho hodnotu lze považovat za měřítko kvality kondenzátoru. Maximální přípustné hodnoty zbytkového proudu v závislosti na hodnotě kapacity a napětí uvádí výrobce v katalogu. Průchod zbytkového proudu je potřebný pro udržování a regeneraci dostatečné tloušťky dielektrické oxidové vrstvy Z výše uvedených důvodů nelze měnit polaritu stejnosměrného napětí na kondenzátoru (tj. kladný pól na kladnou, anodovou fólii a záporný pól na fólii katodovou). Přepólování má za následek tak velký vývin Kondenzátory s proměnnou kapacitou jsou konstruovány jednak jako ladicí (pro mnohokrát opakované změny kapacity) a nebo jako dolaďovací trimry (určené jen k občasnému doladění). Ladicí kondenzátory jsou tvořeny soustavou pevných statorových desek, do kterých se při otáčení osy zasouvají rotorové desky. Vzájemným překrytím desek se mění kapacita kondenzátoru. Závislost kapacity na úhlu otočení osy je dána tvarem desek. Maximální kapacita bývá v rozmezí 10 až 500 pf. Dielektrikem je buď vzduch nebo fólie (např. polyetylén). Ladicí kondenzátory jsou vyráběny i jako dvojité nebo trojité (tzv. duál nebo triál). Dolaďovací kondenzátory mají nejčastěji trubkové provedení. Dielektrikem je skleněná trubka. Elektrody tvoří vrstva stříbra na vnější ploše trubky a mosazný píst ovládaný ladicím šroubem. Rozsah změny kapacity dolaďovacích kondenzátorů je podle typu v rozmezí řádu 0,1 až 1 pf nebo od 1 do 10 pf. Další provedení jsou zasouvací, stiskávací nebo otočné. Trimry jsou konstrukčně upraveny pro připájení nebo přišroubování. Kondenzátory se vyrábějí se jmenovitou kapacitou od několika pf do několika tisíc µf (výjimečně až jednotky F). Jmenovité hodnoty jsou v hodnotách řad E podobně jako u odporů. Výjimku tvoří elektrolytické kondenzátory, které mají hodnoty z řady E3 (připouští se i řada E6). Značení písmenovým kódem je obdobné jako u rezistorů. Základní jednotkou je 1 F. 202 Kap. 9. Pasivní součástky
Obr. 9.17. Kondenzátory s proměnnou kapacitou: dolaďovací (nahoře) a ladicí (dole) Výrobce pro každý typ kondenzátoru udává jmenovité napětí, na něž je kondenzátor konstruován a podle něhož je označen. Nepřesahuje-li teplota okolí 40 C, je největší napětí (tzv. provozní napětí), které může být na kondenzátor trvale připojen, rovno napětí jmenovitému. S rostoucí teplotou je nutno provozní napětí snížit (výrobce obvykle udává v katalogu graf). Dále výrobce udává izolační odpor kondenzátoru, což je odpor zjištěný při měření stejnosměrným proudem mezi vývody kondenzátoru při dané teplotě a kmitočtu. Ztrátový činitel tgδ, udávaný pro jednotlivé typy kondenzátorů v katalogu, vystihuje skutečnost, že střídavý proud protékající kondenzátorem nepředbíhá napětí přesně o 90, ale o úhel (90 - δ); závisí na materiálu dielektrika, pracovním kmitočtu a provozní teplotě; má být co nejmenší. Nejmenší tgδ mají kondenzátory vzduchové (řádově 10-6 při desítkách MHz a teplotách několik desítek C), největší vykazují hliníkové elektrolytické kondenzátory (kolem 0,1 až 0,5 při desítkách Hz a teplotách okolo 20 C). Mezi speciální kondenzátory můžeme zahrnout i již zmíněné varikapy. 9.3 Cívky a transformátory Cívky (nazývané také induktory nebo tlumivky) jsou součástky, jejichž podstatou obvykle bývá vodič navinutý do tvaru šroubovice nebo spirály. Základní a požadovanou vlastností cívky je vlastní indukčnost. Ideální cívkou má nezávisle na pracovních podmínkách a parametrech okolního prostředí, protékat proud úměrný integrálu napětí na jeho svorkách v čase. V případě, že je ideální cívka zařazena v obvodu střídavého proudu, je mezi jeho svorkovým napětím a protékajícím proudem fázový posun přesně p/2, proud je zpožděn za napětím. Na rozdíl od rezistorů a kondenzátorů, zřejmě díky velmi různorodým a těžko sjednotitelným požadavkům, nejsou cívky všeobecně standardizovány a nejsou ve velkém vyráběny výrobci elektronických součástek. Standardizovány a hromadně vyráběny jsou pouze díly vhodné pro konstrukci běžných cívek, např. jádra, jejich armatury, kostřičky a kryty, ze kterých jsou potom induktory vyráběny finálními výrobci elektronických zařízení. Výjimku tvoří pouze odrušovací a vysokofrekvenční oddělovací tlumivky, které jsou mnoha výrobci typizovány a dodávány. V elektronických zařízeních je používáno mnoho druhů cívek, které se od sebe liší jak parametry, tak i svou obvodovou funkcí. Z konstrukčního hlediska jsou cívky tvořeny vodičem (drátem, lankem, trubkou), který bývátvarově upraven tak, aby vzájemná indukčnost jednotlivých úseků byla co největší. Magnetické pole, vznikající kolem vodiče, protéká-li jím proud, buď volně prochází prostorem kolem vodiče, nebo je cívka opatřena magnetickým obvodem z feromagnetického materiálu, ve kterém se magnetické pole soustřeďuje. V elektronice není Kap. 9. Pasivní součástky 203
Obr. 9.18. Transformátory výkonové, nízkofrekvenční, vysokofrekvenční Obr. 9.19. Jednofázové výkonové transformátory: a) jádrový, b) plášťový, c) jádroplášťový rovněž ostře vymezena hranice mezi cívkou a transformátorem, zvláště jsou-li tyto součástky určeny pro provoz při vysokých frekvencích: cívky mívají vinutí s odbočkami, eventuálně více vinutí, fungují často jako transformátory. Některé zvláštní součástky, např. spirálové rezonátory nebo VF širokopásmové transformační a symetrizační členy, stojí na rozhraní mezi cívkami a obvody s rozloženými parametry, jsou u nich využívány principy a vlastnosti známé u cívek i u vysokofrekvenčních vedení. V elektronických zařízeních je používáno mnoho druhů cívek, které se od sebe liší jak parametry, tak i svou obvodovou funkcí. Z konstrukčního hlediska jsou cívky tvořeny vodičem (drátem, lankem, trubkou), který bývá tvarově upraven tak, aby vzájemná indukčnost jednotlivých úseků byla co největší. Magnetické pole, vznikající kolem vodiče, protéká-li jím proud, buď volně prochází prostorem kolem vodiče, nebo je cívka opatřena magnetickým obvodem z feromagnetického materiálu, ve kterém se magnetické pole soustřeďuje. V elektronice není rovněž ostře vymezena hranice mezi cívkou a transformátorem, zvláště jsou-li tyto součástky určeny pro provoz při vysokých frekvencích: cívky mívají vinutí s odbočkami, eventuálně více vinutí, fungují často jako trasformátory. Některé zvláštní součástky, např. spirálové rezonátory nebo VF širokopásmové transformační a symetrizační členy, stojí na rozhraní mezi cívkami a obvody s rozloženými parametry, Obr. 9.20. Tlumivky: na železném jádře, na feritovém jádře (zalité), s vinutím děleným do sekcí, vinuté na tělísku rezistoru jsou u nich využívány principy a vlastnosti známé u cívek i u vysokofrekvenčních vedení. 204 Kap. 9. Pasivní součástky
Obr. 9.21. Feritová jádra pro konstrukci cívek a transformátorů Obr. 9.22. Součástky pro povrchovou montáž (SMT) Kap. 9. Pasivní součástky 205
Vlastnosti cívek, do značné míry nezávisle na jejich konstrukci, lze popsat následujícími parametry: velikost indukčnosti cívky teplotní závislost indukčnosti cívky proudová a napěťová závislost indukčnosti kmitočtová závislost indukčnosti (impedance) činitel jakosti (ztrátový činitel) cívky maximální provozní proud cívky maximální provozní napětí cívky maximální výkon cívky stárnutí cívky V některých případech jsou k popisu vlastností cívek používány i další parametry, které je možno odvodit z výše uvedených, např. vlastní kapacita nebo kmitočet vlastní rezonance cívky. Umístíme-li dvě nebo více cívek tak, že se navzájem mohou ovlivňovat, vzniká transformátor. Ten je kromě indukčno Vlastnosti cívek, do značné míry nezávisle na jejich konstrukci, lze popsat následujícími parametry:sti jednotlivých cívek charakterizován vzájemnou indukčností cívek (nebo tzv. činitelem vazby). Transformátor může být také tvořen jednou cívkou s odbočkami (tzv. autotransformátor). Z obvodového hlediska můžeme transformátory (cívky s více vývody) chápat jako dvojbran (nbran) a mohou být definovány i přenosové parametry mezi různými branami. Cívky a transformátory můžeme klasifikovat podle různých hledisek. Mohou mít jádro, nebo být bez jádra (tzv. vzduchové), mohou být nízkofrekvenční nebo vysokofrekvenční, laděné nebo neladěné (širokopásmové) apod. 9.4 Piezoelektrické součástky Piezoelektrický jev pozorujeme u některých krystalických látek (křemene, Seignettovy soli, některých keramik), projevuje se tím, že po přiložení elektrického napětí (ve vhodném směru) změní svůj tvar a naopak při mechanické deformaci se na povrchu objeví elektrický náboj (tzv. piezoelektřina). Piezoelektrický jev má mnoho aplikací: krystalové mikrofony a přenosky měření tlaků buzení ultrazvuku v kapalinách piezoelektrické rezonátory. a) b) c) d) Obr. 9.23. Piezoelektrický rezonátor: a) obvyklé provedení, b) schématická značka, c) náhradní obvodové schéma, jde o sériový rezonanční obvod s velkou indukčností a velkou jakostí Q, d) kmitočtová závislost impedance, vlivem parazitní kapacity přívodů a pouzdra může krystal také rezonovat nakmitočtu paralelní rezonance Piezoelektrické rezonátory využívají piezoelektrických vlastností některých látek (převážně monokrystalického křemene), které umožňují elektrickým signálem vybudit mechanické kmity v krystalovém výbrusu vhodného tvaru. Výbrus je elastické těleso, jehož mechanické kmity mají nejméně jednu vlastní frekvenci. Souhlasí-li kmitočet elektrického signálu s vlastní frekvencí mechanických kmitů, dojde k rezonanci. Činitel jakosti mechanického rezonátoru, který je tvořen výbrusem, je vysoký, vysoký je i činitel jakosti náhradního elektrického rezonančního obvodu piezoelektrického rezonátoru. 206 Kap. 9. Pasivní součástky
10. Konstrukční součástky Konstrukční součástky představují velmi rozmanitou směs součástek, které se uplatňují funkcí buď čistě mechanickou (skříně, kostry, panely, převody, ovládací knoflíky aj.), nebo funkcí elektromechanickou (přepínače, desky plošných spojů, konektory, svorkovnice), nebo ve funkci elektroakustických měničů nebo elektromechanických (reproduktory, mikrofony, relé, motorky apod.). V této krátké kapitole uvedeme jen stručnou informaci o hlavních druzích konstrukčních součástek a ilustrační obrázky. Více prostoru bude moci být věnováno konstrukčním součástkám ve cvičeních nebo zájemce najde informace v literatuře (viz seznam na konci skripta). Obr. 10.1. Jednožilové vodiče (vlevo) a vícežilové kabely (vpravo) Obr. 10.2. Svorky pro připojování hliníkových vodičů kruhového průřezu musí obsahovat vhodný pružný prvek - např. jednostranné uchycení konce vodiče pod hlavou svorkového šroubu nebo pomocí pružné a tvarové podložky. Pouze měděné vodiče můžeme tvarovat do očka Kap. 9. Pasivní součástky 207
Nejprve se zmíníme o vodičích (drátech), které jsou dostupné ve stovkách druhů, lišících se průměrem vlastních vodičů, jejich charakterem (plný vodič nebo lanko), druhem izolace, počtem žil v kabelu atd. Některé ukazuje obr. 10.1. Materiálem vodičů bývá velmi čistá měď, výjimečně hliník, železné vodiče se v elektronice nepoužívají. Použití hliníku přináší některé nevýhody: problematické pájení, ve svorkovnicích nemůžeme hliníkové vodiče tvarovat do očka (obr, 10.2), horší mechanické vlastnosti (ohebnost, lomivost, tečení za studena). Obr. 10.3 a 10.4 ukazuje správný a nesprávný způsob rozvinování drátu (což uplatníme hlavně v telekomunikacích nebo při stavbě plotu). Obr. 10.3. Jak se rozvinuje stočený drát Obr. 10.4. Budete-li rozvinovat drát takto, udělají se na něm smyčky, které se zauzlí a drát se zláme Obr. 10.5. Konektory 208 Kap. 9. Pasivní součástky
Obr. 10.6. Pojistky a pojistková pouzdra Obr. 10.7. Spínače (jednopólový, dvoupólový), přepínače (jednopólový, dvoupólový, vícepólový), konkrétní provedení spínačů a přepínačů (páčkový, posuvný, kolébkový, mikrospínač: 1 - kontakt s přívodem, 2 - ovládací mechanismus, 3 - spínací pružina, 4 - pouzdro spínače; kontakty zakresleny v klidové poloze, při sepnutí se střední kontakt přesune dolů), tlačítko spínací a rozpínací, řadiče a vlnové přepínače, přepínače do plošných spojů v pouzdrech DIP, rtuťový spínač Kap. 9. Pasivní součástky 209
Mnoho konstrukčních součástek se užívá k (rozebíratelnému) spojování jednotlivých částí zařízení, jde o tzv. konektory. Skládají se ze zásuvkové (anglicky socket nebo jack) a vidlicové části (anglicky plug). Zásuvka bývá obvykle montována na panelu. Vývody z konektoru jsou přizpůsobeny buď pro pájení, nebo ovíjení. Vývody na vidlicové a zásuvkové části bývají opatřeny stejnými čísly. Kontaktní části konektoru se nazývají podle svého charakteru dutinka (female) nebo kolík či nůž (male). Příklady některých konektorů uvádí obr. 10.5. K jištění napájecích obvodů elektronických zařízení se používají tavné pojistky nebo různé druhy miniaturních jističů. Možná provedení pojistkových pouzder (držáků) a přístrojových trubičkových pojistek uvádí obr. 10.6. Obr. 10.8. Otočné číslicové přepínače (tzv. palcové) je možno sdružovat do sekcí Obr. 10.9. Vnitřní zapojení otočného číslicového přepínače v kódu BCD Obr. 10.10. Miniaturní přepínač KR 10 (1 - doraz, 2 - stříbrný kontakt statoru, 3 - stříbrné kontakty rotoru, 4 - osa, 5 - vývody, 6 - stator, - aretace, 8 - šroubovice) a) b) c) d) Obr. 10.11. Baterie a akumulátory: a) Leclanchéův článek (uhlíkozinkový článek): 1 - zinkový obal (záporná elektroda), 2 - burelový depolarizátor obklopený elektrolytem (salmiak zahuštěný škrobem), 3 - uhlíková tyčinka (kladná elektroda), 4 - víčko, 5 - asfaltová zálivka, 6 - čepička kladné elektrody, b) kladná elektroda obalená sáčkem s burelem (burelový depolarizátor), c) olověný akumulátor, d) oceloniklový akumulátor 210 Kap. 9. Pasivní součástky
Spínače a přepínače se v elektronice používají často ať již v napájecích obvodech, nebo jako přepínače funkce, vlnových nebo měřících rozsahů apod. Na obr. 10.7-10.10 vidíme provedení některých spínačů a přepínačů. K napájení elektronických zařízení se používají také elektrochemické zdroje (vedle síťového napájení nebo jako jediný zdroj - viz náramkové hodinky). Jde o suché články a baterie a o (mokré) akumulátory. Ze suchých článků je klasický článek Leclanchéův, nyní se užívají i články alkalické, rtuťové a stříbrozinkové. Akumulátory se užívají olověné (převážně v automobilizmu), oceloniklové (NiFe), niklokadmiové (NiCd) nebo stříbrozinkové. Některé typy znázorňuje obr. 10.11. K elektroakustickým měničům řadíme mikrofony, reproduktory a v širším pojetí i gramofonové přenosky, magnetofonové hlavy apod. Těmto součástkám jsou věnovány obr. 10.12 až 10.18. V tomto stručném přehledu byly vynechány např. žárovky, doutnavky (kap. 8.), relé a ručkové měřicí přístroje. Zájemce najde potřebné informace v [36] a v další literatuře. Obr. 10.13. Tlakový reproduktor Obr. 10.14. Elektrodynamický reproduktor a) b) c) Obr. 10.12. Mikrofony: a) cívkový, b) kondenzátorový, c) obvyklý tvar Obr. 10.15. Princip telefonu (uhlíkový mikrofon není zdrojem elektrické energie, proto v obvodu musí být zapojena baterie) Kap. 9. Pasivní součástky 211
Obr. 10.16. Princip oboustranného telefonního spojení (systém tzv. místní baterie) Obr. 10.17. Řez mikrofonní vložkou (uhlíkový mikrofon): 1 - dírkovaný ochranný kryt, 2 - vinifolová blána, 3 - papírová podložka (mezikruží), 4 - uhlová membrána s náliskem, 5 - uhlová zrníčka, 6 - plechové pouzdro (dotek uhlové membrány), 7 - izolace, 8 - kovová (uvnitř izolovaná) miska, 9 - uhlová deska s kuželovým dotekem Obr. 10.18. Řez telefonní vložkou: 1 - podkovovité magnety, 2 - pólové nástavce, 3 - vinutí cívek, 4 - kovová membrána, 5 - ochranný kryt membrány, 6 - kovové pouzdro, 7 - přívody k cívkám TABULKY K A P A C I T N Í D I O D Y typ C dmax při U R C dmin při U R PC f max pozn. pf V pf V MHz BB112 440-540 1 17-29 8.5 >18 AMradio BB119 20-25 4 10 >1.3 300 VHF-AFC BB204G 34-39 3 14 30 2.4-2.8 100 FM radio BB405B >15 1 1.8-2.2 28 4.8-5.8 800 VHF/UHF TV BB809 39-46 1 4-5 28 8-10 200 VHF TV BB911 >63 0.5 2.5-3 280 >21 100 VHF TV Poznámky k tabulce: PC = garantovaný poměr maximální a minimální kapacity, f max = odhad maximálního pracovního kmitočtu, obvykle se shoduje s kmitočtem, pro který výrobce garantuje ztrátový odpor varikapu, AFC= samočinné dolaďování kmitočtu (obvykle v oscilátorech FM přijímačů) 212 Kap. 9. Pasivní součástky
BIPOLÁRNÍ TRANZISTORY malovýkonové typ mezní hodnoty charakteristické hodnoty NPN/PNP U CE I C P C B I C f T I C C cb U CB C be U EB V A W při ma MHz ma pf V pf V (ma) při při při BC evropské nejmenší pro nf a obecné použití (též malý šum) 238/308 20 0.1 0.3 120-800 2 250/130 10 4/6 10 8 0.5 548/558 30 0.5 75-800 2 300/200 10 4 10 10 0.5 237/307 45 0.3 120-800 2 250/130 10 4/6 10 8 0.5 546/556 60 0.5 75-475 2 300/200 10 4 10 10 0.5 BC evropské univerzální a spínací 368/369 20 1 0.8 85-375 500 60/40 50 0 337/327 45 0.5 0.8 100-600 100 200/100 10 0 639/640 80 1 1 40-250 150 130/50 10 40/60 5 5/8 10 2N USA univerzální a spínací (standard ve SPICE) 2222/ 60 0.8 0.5 75-300 10 250 20 8 10 25 0.5 /2907 40 0.6 0.4 100-300 25 200 50 8 10 30 2 3904/3906 40 0.2 0.3 50-300 10 300/200 10 4/5 5 8/10 0.5 monolitická pětice, C CS = 3pF LM3045/ 15 (50) 0.3 >110 1 300 3 0.6 3 0.6 3 BF evropské vysokofrekvenční 198/ 30 (25) 0.5 >10 15 400 4 0.2 10 199/ >40 7 550 5 0.3 10 /970 35 (30) 0.16 >25 3 900 3 0.5 l0 R90/ 15 (25) 0.3 >25 14 5000 14 0.5 10 1.2 0.5 BF evropské vysokonapěťové 483/484 250 0.1 0.8 >50 25 70 10 1.5 30 Poznámky k tabulce malovýkonových bipolárních tranzistorů: Mezní údaje platí pro okolní teplotu T amb = 25 C, charakteristické údaje pro vnitřní teplotu kolektorového přechodu T = 25 C. Každý typ tranzistoru má poměrně veliký výrobní rozptyl parametrů, zvláště pak u nejvíce sledovaného parametru h 2le resp. B(β). Proto výrobci některé typy třídí do užších skupin podle proudového zesilovacího činitele B. Tranzistory prvních dvou uvedených skupin jsou obvykle tříděny do skupin A, B, C se středními hodnotami zesilovacího činitele proudu B = 160, 250, 500 a s tolerančním rozmezím 120-220, 180-460, 420-800. C CS - je kapacita kolektoru proti substrátu, který je pro střídavé signály přes napájecí zdroj nebo přímo uzemněn. Tato kapacita se uplatní u všech monoliticky integrovaných bloků. U těchto bloků bývá substrát buď samostatně vyveden, nebo spojen s emitorem jednoho NPN tranzistoru. Kap. 9. Pasivní součástky 213
APLIKACE U CE I C V ma (µa) Integrované stupně operačních zesilovačů 0.6 až 30 (1 až 100) Nízkofrekvenční předzesilovače s malým šumem 1 až 5 (10 až 200) Běžné mezilehlé zesilovací stupně 2 až 10 0.1 až 2 Mezilehlé zesilovací stupně širokopásmové a vf 5 až 10 1 až 5 Stupně s velikým f h (širokopásmové, vf) (proud v blízkosti maxima závislosti f T = f(i c )) 5 až 25 5 až 15 Typické nastavení klidového pracovního bodu malosignálových bipolárních tranzistorů Tranzistory FET pro zesilovače mezní hodnoty charakteristické hodnoty typ U DS I DM P D U T y 21 při C DG při C GS C DS f S I D U DS V ma W V ms ma pf V pf pf MHz univerzální JFETy s kanálem N BF245A 30 6 0.3 1 3 1 l.l 20 4 1.6 700 BF245B 15 4 3 2 BF245C 25 8 3 3 BF247A 25 80 0.2 0.6 8 3.5 15 11 5 BF247B 140 BF247C 250 14 17 10 2N3822 50 10 0.3 3 3 15 6 dvojice pro diferenční zesilovače BFQ10 30 10 0.2 2 1 0.2 1 15 7 MOSFETy se zabudovaným kanálem N s jedním hradlem BFR29 30 20 0.2 3 8 5 0.7 15 5 3 500 se dvěma hradly a Zenerovými diodami pro ochranu hradel BF981 20 20 0.2 1 15 10 0.02 10 2 l.l 700 Poznámky k tabulce: I DM - je pro MOSFETy maximální klidový proud, pro JFETy to je proud při nulovém předpětí U GS = 0, y 21 je měřeno při proudu I D, kapacita C DG je měřena při napětí U DS, f s je horní mezní kmitočet určný z parametru y 21 214 Kap. 9. Pasivní součástky
Tranzistory FET pro analogové spínače mezní hodnoty charakteristické hodnoty typ kanál U DS I DM P D U T r on C dg při U DS C GS C DS t on t off V ma W V Ω pf V pf pf ns ns 2N4391 jn 50 50 0.25-10 30 3.5 20 11 15 20 2N4392 jn 50 25 0.25-4 60 3.5 20 11 15 35 2N4393 jn 50 5 0.25-1 100 3.5 20 11 15 50 BSJ174 jp -30-50 0.4 10 85 4-10 30 7 15 BSD20 omn 10 50 0.2 2 50 0.6 10 1 0.4 1 5 BS107 mn 200 120 0.5 2 30 5 10 60 10 10 25 BS208 mp -200-200 0.8-2.8 6-20 220 35 5 35 BS250 mp -45-250 0.8-2 14 10-10 35 20 4 10 Poznámky k tabulce: kanál - druh kanálu, v tomto sloupci znamená: m - MOSFET s indukovaným kanálem, N nebo P - vodivost kanálu, o - s diodami pro ochranu hradla, I DM - je maximální přípustný proud pro MOSFETy, pro JFETy to je maximální dosažitelný proud při U GS = 0, U T - prahové napětí FETu, t.j. předpětí řídicí elektrody, při němž zaniká proud drainu, r on - odpor mezi sourcem a drainem v sepnutém stavu, t on - doba sepnutí, bývá definována různě, většinou to je celková doba mezi skokem řídicího napětí a okamžikem, kdy výstupní proud při definované zátěži dosáhne 90 % své konečné hodnoty, t off - doba rozepnutí, obvykle se vztahuje k poklesu proudu na 10 % proudu definovaného při stavu sepnutí. Kap. 9. Pasivní součástky 215
D I O D Y pro slaboproudá zařízení mezní údaje charakteristické údaje typ U R I R U F I FM U F I F C při U R t RR při I F V µa V ma V ma pf V ns ma (ma) (A) (A) (µs) (A) standardní malosignálové pozn. 1N4148 75 5-200 1 10 8 0 4 10 univers KA207,KA262 Tesla ~ 1N4148 BA221 30 0,2 400 0.63 1 2.5 0 4 10 univers s velmi malým zbytkovým proudem PAD-1 45 1pA -20V 0.8 5 0.8 10 Siliconix BAV45 20 l0pa 50 1 10 1.3 0 600 10 Philips 1N3595 150 1nA l.1 30 0.7 10 8 0 (3) 10 "rychlé" spínací 1N3062 50 0.1 115 1 20 1 0 2 10 rychlá BA318 50 0.2 200 0.7 1 2 0 4 10 spínací BAT83 60 0.2 30 0.4 1 1.6 1 1 10 Schottky pro (pomalé) spínání vf signálů BA479 30 0.05 50 1 20 0.5 0 do 1GHz PIN pro výkonné usměrňovače (napájecí) 1N4002* 100 50 2.3 (25) 0.9 (1) 15 4 (3.5) stand la KY132 Tesla odpovídá radě 1N400x 1N5404* 400 500 (200) 1.2 (9) 60 4 (5) 500 stand 3A pro "spínaný" režim (též v napaječích) BY299 800 10 (15) 1.3 (3) 40 4 500 10 rychlá BY228 1500 5 (5) 1.5 (5) (20) (1) pro TV 1N5819 40 (1) (1) 0.6 (1) 85 4 Schot. 1A Poznámky k tabulce: typ: značení ln... je americké, BA... - evropské pro malosignálové diody, BY... - pro silové usměrňovací diody, * řada pro UR = 50 až l000 V, napětí je zakódováno v poslední číslici Index R = Reverse - znamená polaritu napětí na přechodu v závěrném směru, index F = Forward - v přímém = vodivém směru, I FM - vrcholová hodnota proudu, t RR = Reverse Recovery Time - doba zotavení diody - je měřena obvykle při poklesu hodnoty proudu na 1/10 hodnoty v přímém směru před skokovým přepólováním napětí (měla bybýt uvedena též jeho hodnota - není-li, jako v našem případě, má údaj jen informativní význam). 216 Kap. 9. Pasivní součástky