Основные элементы электронных схем, принципы работы, формы выпуска, основные производители

Введение

Актуальность работы. В подавляющем большинстве случаев электронные устройства, выполняющие определенные функции, не являются монолитными, а состоят из ряда отдельных частей, соединенных между собой в соответствии с определенной концепцией, разработанной конструкторами. То, какие электронные компоненты используются в том или ином устройстве, зависит от ряда факторов, среди которых ведущую роль играет его функциональное назначение, сложность конструкции и среда, в которой оно будет использоваться. Те, кто изучал основы электроники, хорошо знают, что радиоэлектронная аппаратура относится к таким устройствам или их комбинациям, для изготовления которых используются различные электронные компоненты. В то же время, среди них центральное место занимают функциональные элементы электроники, которые присутствуют абсолютно в любом дизайне подобного рода.
Объект исследования: элементы электронных схем.
Предмет исследования: функциональные свойства элементы электронных схем.
Цель работы: рассмотреть основные элементы электронных схем, принципы работы, формы выпуска, основные производители.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
-рассмотреть основные элементы электронных схем;
- описать принципы работы, формы выпуска, основные производители.
1. Основные элементы электронных схем
Все электронные компоненты, которые используются в любых устройствах, чаще всего изготавливаются на заводе на основе определенных стандартов и спецификаций, а также имеют законченный вид и определенный внешний вид.
Конструктивные элементы
Те элементы, которые присутствуют в конструкции различного рода специализированных электронных устройств и применяются для того, чтобы механически соединять их отдельные элементы, а также направлять и передавать движение (например, планки, скобы, оси, шестерни, валы, колеса, подшипники и т.п.) принято именовать конструктивными элементами (или же конструктивными деталями).
Вспомогательные элементы
Существуют также и так называемые вспомогательные элементы электроники. Их главной отличительной особенностью является то, что они сочетают выполнение электрических операций с механическими. Основы электроники гласят о том, что к таковым относятся реле, переключатели, штепсельные разъемы, электродвигатели. Строго говоря, вспомогательные элементы являются изделиями, относящимися к сфере точной механики.
Элементы электрических схем
Очень многие электронные компоненты относятся к третьей категории компонентов, которые являются составными частями различных электрических схем. Специалисты нередко именуют их элементами схемы, а относятся к ним разнообразные электронные и полупроводниковые приборы, трансформаторы, катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Следует заметить, что они могут иметь довольно сложную конструкцию, однако при этом разделение на отдельные части, которые имеют самостоятельное функциональное назначение, не допускается.
Компоненты общего применения
Основы электроники гласят также о том, что в этой сфере широко распространены и так называемые компоненты общего применения, к которым относят конденсаторы, резисторы, а также отдельные виды моточных изделий.
Типовые элементы электроники
Поскольку элементы общего применения в силу своей высокой востребованности производятся в массовом порядке, они тщательно стандартизованы и нормализованы. Разработанная для их конструирования и изготовления нормативная документация содержит в себе размеры, качественные и технико-экономические показатели, которым эти изделия в обязательном порядке должны соответствовать. Эти электронные компоненты конструкторы подбирают по характеристикам и параметрам, описывающим их свойства при различных условиях эксплуатации, в том числе и при неблагоприятных механических, климатических и температурных воздействиях.
Специальные элементы
Электронные компоненты, проектирование которых производится со строгим учетом особенностей тех электрических схем, в которых им придется функционировать, называются специальными. Они не подвергаются стандартизации и широкой нормализации.
Все элементы электроники характеризуются целым набором различных электрических параметров. Среди них основными специалисты считают следующие: те, которые характеризуют стабильность, надежность и потери; те, которые позволяют оценить способность переносить длительные воздействия электрических нагрузок; те, которые определяют пределы допускаемых отклонений и номинальные значения их величин.
2. Принципы работы элементов электронных схем, формы выпуска, основные производители
2.1 Резисторы
Резистор – это сопротивление. Он является пассивным элементом в цепи и способен только уменьшать ток. Происхождение названия идет от латинского «resisto», что дословно на русском языке означает «сопротивляюсь».
Предназначен проводник для того, чтобы преобразовывать напряжение в силу тока и наоборот, он поглощает часть энергии и ограничивает ток. Основное применение приходится на электрические и электронные устройства.
Элементы могут быть проволочные и непроволочные. Последние отлично выполнят свою функцию в высокочастотной цепи, внешний вид и процесс их изготовления отличаются. Различают резисторы общего применения и специального. Первые не превышают 10 мегаом, а вторые способны работать под напряжением 600 вольт и выше. Внешним видом они тоже отличаются. На рис.1 ниже легко увидеть разницу и понять, как выглядит резистор.
Рис.1 Разница во внешнем виде и размерах
Намотав проволоку на каркас из керамики или прессованного порошка получится проволочный резистор. При этом сама проволока должна быть из нихрома, константана или манганина. Так получится создать полупроводник с высоким удельным сопротивлением.
Непроволочные элементы изготовлены на основе диэлектрика из проводящих смесей и пленок. Разделяют тонкослойные и композиционные, но все они имеют повышенную точность и стабильность в работе.
Регулировочные и подстроечные элементы представляют собой кольцевую резистивную пластину по которой движется бегунок. Он скользит по кругу, меняя расстояние точек на резистивном слое, в результате сопротивление меняется. Следует понять, что же делает резистор для прибора. Для чего нужен резистор? При помощи этой детали в электрической цепи можно ограничить количество проводимого тока, в результате правильно подобранной детали легко получить необходимую величину. Чем выше сопротивление, тем ниже будет на выходе сила тока, при условии стабильного напряжения. Как работают резисторы понять легко, они могут использоваться в качестве преобразователя напряжения в ток и наоборот, в измерительных аппаратах их применяют для деления напряжения, а также они могут понизить или полностью устранить радиопомехи.
Многочисленные производители резисторов сегодня удовлетворяют спрос, вызванный интенсивным развитием электроники. Расширение производства радиокомпонентов стало одним из заметных явлений второй половины XX века, и за прошедшие годы игроками отрасли была проделана огромная работа. Среди важнейших задач, которые решали производители повышение термостойкости резисторов, уменьшение их габаритов, повышение надежности. В последние десятилетия разработаны ускоренные методы испытаний, внедрены инновационные технологии производства и более совершенные методы определения точных параметров резисторов. Существенный вклад в расширение отечественного производства радиокомпонентов внес электрический завод GINO AG известный производитель сопротивлений для промышленного и транспортного применения. GINO AG Elektrotechnische Fabrik электрический завод XXI века Электрический завод GINO AG располагает солидной производственной базой, которая поддерживается отлично оснащенным инструментальным производством и современным высокотехнологичным оборудованием, включая оборудование для механизации и автоматизации технологических процессов. Производственная база (заводы в Германии, Китае и России) позволяет заводу обеспечивать поставки основной продукции в промышленных масштабах, являясь одним из ведущих в мире производителей резисторов для промышленных и транспортных применений (электрические сопротивления мощностью до 360 МВт). Как и все успешные производители резисторов, завод GINO AG заинтересован в росте объемов производства и имеет собственные представительства во многих странах мира (более 15-ти). Сотрудничество с лидером это гарантированное достижение поставленных целей!
2.2 Диоды
Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.
Диод

. Это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одну сторону – от анода к катоду. Диод также называют выпрямителем, так как он преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный.
Из чего состоит диод. Полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводникового материала (кремний или германий) одна сторона пластинки – с электропроводностью р-типа, т.е. принимает электроны. Другая сторона отдает электроны и соответственно называется отдающей электроны, у нее проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.
Где используются диоды
Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.
Схематическое обозначение диода
Чтобы лучше запомнить расположение Анода и Катода на схеме, представим себе следующую картину:
Принцип работы
Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним “клапаном” для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление).
Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:
Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.
Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:
Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа p, другая – типа n. На рисунке область типа p – это анод, а область типа n – является отрицательным электродом или катодом.
Слой между типами n (negative) и p (positive) называется p-n переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний – открытом (когда он хорошо проводит ток) и закрытом (когда он плохо проводит ток).
На некоторых диодах катод обозначают полоской, которая отличается от цвета корпуса.
Разновидности, обозначения
Сейчас в основном применяются полупроводниковые диоды. Рассмотрим подробнее некоторые их разновидности:
Выпрямительный диод – также известен как защитный, кремниевый. Используются для преобразования переменного тока в постоянный.
Диод Зеннера (Стабилитрон). Используют стабилитрон для стабилизации напряжения.
Туннельный диод (диод Лео Эсаки). Используются в генераторах, усилителях.
Светодиод (диод Генри Раунда) – при пропускании через него прямого тока, дает оптическое излучение.
Фотодиод. Под действием света в нем появляется значительный обратный ток, и он может генерировать небольшую электродвижущую силу.
Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении. Также известен как сигнальный, германиевый. Открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током.
Лавинный диод – его принцип работы основан на лавинном пробое, используется для защиты цепей от перенапряжений.
При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.
Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В. В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал. Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.
Одним из основных производителей силовых диодов и вообще компонентов силовой электроники является ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [9]. Поставка диодов осуществляется многими фирмами-дилерами: ООО «Симметрон», ООО «Платан», ООО «Силовой диод» (г. Москва) и др. В частности, очень широкую номенклатуру силовых диодов поставляет ООО «Энергосистемавтоматика» (г. Москва)
Диод — простейший полупроводниковый прибор, который можно встретить сегодня на печатной плате любого электронного устройства. В зависимости от внутренней структуры и технических характеристик, диоды классифицируются на нескольких видов: универсальные, выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды и варикапы. Они применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции и т. д. в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.
Основа диода — p-n-переход, сформированный полупроводниковыми материалами с двумя разными типами проводимости. К кристаллу диода присоединены два вывода, называемые катод (минусовой электрод) и анод (плюсовой электрод). На стороне анода находится область полупроводника p-типа, а на стороне катода — область n-типа. Данное устройство диода обеспечивает ему уникальное свойство — он проводит ток лишь в одном (прямом) направлении, от анода — к катоду. В обратном направлении обычный исправный диод ток не проводит.
В области анода (p-типа), основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в области катода (n-типа) — отрицательно заряженные электроны. Выводы диода представляют собой контактные металлические поверхности к которым и припаяны выводы.
Когда диод проводит ток в прямом направлении, это значит что он находится в открытом состоянии. Если ток через p-n-переход не идет, значит диод закрыт. Таким образом, диод может находиться в одном из двух устойчивых состояний: или открыт или закрыт.
Включив диод в цепь источника постоянного напряжения, анодом к плюсовой клемме, а катодом к минусовой, получим смещение p-n-перехода в прямом направлении. И если напряжение источника окажется достаточным (для кремниевого диода хватит 0,7 вольт), то диод откроется и начнет проводить ток. Величина этого тока будет зависеть от величины приложенного напряжения и от внутреннего сопротивления диода.
Почему диод перешел в проводящее состояние? Потому что при правильном включении диода, электроны из n-области, под действием ЭДС источника, устремились к его положительному электроду, навстречу дыркам из p-области, которые теперь движутся в сторону отрицательного электрода источника, навстречу электронам.
На границе областей (на самом p-n-переходе) в это время происходит рекомбинация электронов и дырок, их взаимное поглощение. А источник вынужден непрерывно поставлять новые электроны и дырки в область p-n-перехода, увеличивая их концентрацию.
А что случится если диод включить наоборот, катодом к плюсовой клемме источника, а анодом — к минусовой? Дырки и электроны разбегутся в разные стороны — к выводам — от перехода, и в окрестности перехода возникнет зона обедненная носителями заряда — потенциальный барьер. Ток обусловленный основными носителями заряда (электронами и дырками) попросту не возникнет. Но кристалл диода не идеален, в нем кроме основных носителей заряда присутствуют еще и неосновные носители заряда, которые и создадут очень незначительный обратный ток диода, измеряемый микроамперами. Но диод в данном состоянии закрыт, так как p-n-переход его смещен в обратном направлении.
Напряжение, при котором диод переходит из закрытого состояния в открытое, называется прямым напряжением диода, которое по сути является падением напряжения на p-n-переходе