В рамках подготовки к Всероссийской олимпиаде по технологии(направление робототехника) мы публикуем материал с разбором основных электрорадиоэлементов и их обозначением на схемах.

Электронные компоненты можно разделить на две большие группы — активные и пассивные. В чем их отличие?

Если говорить обобщенно, то активные компоненты дозировано вносят энергию в электрическую цепь от внешнего источника питания, а пассивные её потребляют.

Но одним конкретным определением в этом случае обойтись не получится. Например, есть еще одно определение активного элемента электроники «это любой компонент с возможностью электрического управления потоком электронов», а на практике управление потоком электронов может быть не только электрического происхождения, но и теплового или с помощью света. Компоненты же неспособные управлять током с помощью другого электрического сигнала называют пассивными.

Выходит, что если на какой-нибудь элемент можно подать один сигнал, и таким образом управлять другим — то он активный.

Пассивные элементы

Начнем с того, что в разговоре о том, что такое «резистор», например, речь будет идти об идеальном резисторе. Идеальным в электронике называется такой компонент, который обладаем каким-то одним конкретным параметром, без паразитных или побочных составляющих. То есть для резистора – это сопротивление, для конденсатора – ёмкость, а для катушек индуктивности – индуктивность.

В реальности же дела обстоят гораздо сложнее – у любого резистора есть паразитные индуктивность и ёмкость, а у любой катушки есть активное сопротивление, которое вы можете легко измерить простейшим мультиметром. Итак, приступим!

Резисторы

Самый распространенный элемент в электронике – это резистор. Они применяются везде, от электронных устройств, до использования совместно с электроприводом – синхронными двигателями и асинхронными двигателями с фазным ротором.

Слово резистор пошло от латинского resisto — «сопротивляюсь».

Резистор – это пассивный элемент электрических цепей, обладающий активным электрическим сопротивлением. Резистор используется для преобразования тока в напряжение, ограничения тока, но фактически — он преобразует электрическую энергию в тепло.

Основная характеристика резисторов – сопротивление. Измеряется в Омах (Ом), характеризует способность проводника препятствовать (сопротивляться) протеканию электрического тока. Сопротивление вычисляется по закону Ома:

R=U/I

Обратная сопротивлению величина – проводимость, которая измеряется в сименсах (См). То есть 1 См= 1/Ом.

При этом сопротивление может быть как постоянным, у постоянных резисторов, так и переменным – у потенциометров, реостатов и переменных резисторов.

В общем случае элемент состоит из проводника с высоким удельным сопротивлением. Различают проволочные, непроволочные и металлофольговые резисторы. В качестве проводника для резисторов обычно используются такие материалы, как манганин, константан, нихром, никелин и прочие.

У переменных резисторов в конструкцию добавлен бегунок-токосъёмник, который перемещается по резистивному слою.

УГО резистора на схеме по ГОСТ 2.728-74 выглядит как прямоугольник размером 10×4 мм.

Дополнительно в прямоугольнике могут добавляться знаки, указывающие на мощность элемента, который необходимо использовать в схеме, эта же информация приводится в перечне элементов (прилагается к схеме).

Кстати, у нас в РОБОЛАТОРИИ большой выбор курсов для детей и взрослых, где вы не только узнаете, как обозначаются элементы на схеме, но и научитесь собирать свои собственные схемы и даже целые электронные проекты, например такого шагающего робота с управлением с мобильного телефона.

Курсы проходят как в оффлайн, так и в онлайн формате. Записывайтесь на пробный урок по ссылке.

Конденсаторы

Конденсатор – это прибор, предназначенный для накопления заряда и энергии электрического поля. В простейшем случае состоит из двух обкладок из проводника, разделенных диэлектриком. Согласно законам коммутации напряжение на обкладках конденсатора не может изменится мгновенно.

Конденсатор накапливает энергию источника питания, и после его отключения «держит» её на себе, до тех пор, пока не разрядится на нагрузку, либо не разрядится сам по себе (утечки – паразитное свойство реальных конденсаторов).

Это свойство широко используют в различных сглаживающих фильтрах питания, частотных фильтрах при обработке различных сигналов, фильтрах помех, для защиты полупроводниковых ключей от всплесков ЭДС самоиндукции при коммутации, аналогичное решение используется и для защиты контактов реле, а также во многих других решениях.

Различают «полярные» и «неполярные» конденсаторы.

В принципе, большая часть конденсаторов не имеет полярности. А электролитические конденсаторы полярность имеют.

Ёмкость – это основная характеристика конденсатора. Измеряется в фарадах. 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд в 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт. Однако у этой физической величины выбрана очень большая размерность. На практике вам придется работать с ёмкостью в микрофарадах (мкФ), это равно 0.000001Ф или 10-6 Ф, а также нано- (10-9) или пикофарадах (10-12).

На схеме конденсаторы обозначаются в виде двух параллельных друг другу линий длиной 8 мм с расстоянием между ними 1.5 мм.

Катушка индуктивности

Индуктивность, катушка индуктивности, дроссель – это всё названия одного и того же элемента. Катушка индуктивности накапливает энергию при протекании тока в магнитном поле.

Если в конденсаторе решающую роль играло напряжение, то в катушке индуктивности – ток. Согласно законам коммутации, ток в катушках индуктивности не может измениться мгновенно, силы магнитного поля стремятся поддерживать его протекание в том же направлении.

Если говорить простым языком, то при размыкании цепи с индуктивностью, напряжение на её выводах начинает возрастать до тех пор, пока накопленная энергия не сможет израсходоваться. Это явление нашло множество применений в технике. Простейший пример — дроссель и стартер в ЭмПРА люминесцентных ламп, система зажигания автомобиля, различные бестрансформаторные преобразователи напряжения, фильтры электромагнитных помех и так далее.

Катушки индуктивности бывают с сердечником и без сердечника, а сам сердечник может быть как неподвижным, так и подвижным.

В простейшем виде, катушка без сердечника — это провод, свитый в спираль (фото выше), но, к слову, даже у прямого отрезка провода есть определенная индуктивность.

Катушки с подвижным сердечником называют подстроечными или регулируемые, за счет перемещения сердечника изменяется магнитная проницаемость среды, и как следствие, изменяется индуктивность катушки. Сердечник позволяет повысить индуктивность катушки и уменьшить количество витков в ней.

Основной характеристикой катушки индуктивности выступает, как бы это не было удивительно, индуктивность. Единица измерения – генри (Гн).

На схеме катушки индуктивности обозначаются в виде волнистой линии, варианты условных графических обозначений вы видите ниже.

Это далеко не все пассивные элементы, есть еще и ряд элементов, которые относятся к тем же нелинейным резисторам или являются подвидами каких-либо конденсаторов. Здесь перечислены лишь три базовых вида элементов, о которых знать обязательно.

Активные элементы

Теперь давайте рассмотрим немного активных элементов. К ним относятся вакуумные приборы (электровакуумные диоды, триоды, тетроды, пентоды, гексоды, гептоды, октоды, ноноды и комбинированные лампы), и полупроводниковые приборы.

В большинстве своём это полупроводниковые ключи, или как их еще называют, полупроводниковые вентили. Которые делят на три группы — полностью управляемые, полууправляемые и неуправляемые. К полупроводниковым вентилям относятся диоды, транзисторы, тиристоры, симмисторы и их разновидности.

Также к активным компонентам относят фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны (оптопары), солнечные батареи и интегральные микросхемы, состоящие из всех перечисленных выше компонентов.

Электровакуумные лампы в этой статье мы рассматривать не будем, и далее пойдет речь только о полупроводниковых приборах.

Диод

Диоды или как их еще называют неуправляемые вентили – это двухэлектродные полупроводниковые приборы, способные проводить ток в одном направлении. Чаще всего они используются для выпрямления переменного тока, а также для развязки цепей по постоянному току в различных схемах управления чем-либо.

Диод представляет собой соединение двух полупроводников, один с p-проводимостью (анод), другой с n-проводимостью (катод). В месте их соединения образуется pn-переход, который не пропускает ток до определенного уровня напряжения, приложенного в прямом направлении.

Напряжением прямого смещения называют такое напряжение на аноде и катоде, при котором через диод начинает протекать ток. Другими словами, когда к n-области приложен отрицательный потенциал, а к p-области — положительный.

Для каждого из типов диодов это напряжение несколько отличается, например, у германиевых диодов около 0.3-0.5 вольта, а у кремниевых находится на уровне 0.7-1.5 вольта, у диодов Шоттки оно низкое, ближе к германиевым — в районе 0.3В.

Таким образом, при подаче напряжения обратного смещения (плюс к n-области, а минус к p-области) диод не проводит ток, пока напряжение на его выводах не достигнет критических значений, после которых начнется обратимый электрический, а затем и необратимый тепловой пробой.

Например у распространенного в маломощных источниках питания выпрямительного диода 1n4007 максимальное обратное напряжение составляет 1000 вольт. Это значит, для того чтобы пробить этот диод нужно приложить больше чем +1000 вольт к катоду, а минус этого источника к аноду.

Неуправляемыми вентилями они называются, потому что вы не можете контролировать момент включения. Диод открывается сам при достижении этого самого напряжения порога проводимости (прямого напряжения). Оно не фиксировано и может изменяться под влиянием внешних факторов, например, температуры.

На схеме диоды обозначаются в виде треугольника с вертикальной полосой у его вершины. Чтобы запомнить, где анод, а где катод на УГО есть мнемоническое правило «куда смотрит стрелка туда и потечет ток», то есть ток течет от плюса к минусу, значит анод — это треугольник, а вертикальная линия – это катод.

Однако под определением «диод» зачастую понимают выпрямительные диоды, о которых и шла речь выше. На самом деле к диодам относится множество полупроводниковых приборов, таких как стабилитроны, супрессоры (TVS-диоды) и прочее. Условные графические обозначения многих из них вы видите на рисунке ниже.

Транзисторы

Другой вид полупроводниковых полностью управляемых ключей — это транзисторы. Они бывают разных типов, выделим основные группы:

• Биполярные
• Полевые

При этом существуют еще и разные виды полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы состоят из трёх областей полупроводников с разными примесями. В зависимости от конфигурации p- и n-областей выделяют pnp- и npn-транзисторы, прямой и обратной проводимости соответственно. У каждой из p- и n-областей есть своё название – коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э). Соответственно у транзистора есть 3 одноименных вывода.

Управление таким транзистором осуществляется подачей тока в базу, при этом ток управления связан с током нагрузки (ток коллектор-эммитер) через коэффициент передачи h21э, то есть ток базы в h21э раз меньше тока коллектор-эмиттер.

На условном графическом обозначении эмиттер база и коллектор отличаются. Эмиттер – со стрелкой, база посередине, а коллектор без стрелки.

Обозначения NPN и PNP-транзисторов отличаются направлением стрелки, в NPN транзисторе стрелка расположена по направлении от базы, а в pnp – к базе.

Полевые транзисторы устроены иначе, они бывают с управляющим переходом, МОП-транзисторы (они же МДП), со встроенным и индуцированным каналом. Отличие от биполярных транзисторов состоит в том, что они управляются не током, а напряжением.

Например, МОП-транзисторы (англ. MOSFET) практически не потребляют ток управления, вернее, он потребляется в момент переключения, а после открытия или закрытия транзистора управляющий ток не потребляется. Такие транзисторы широко используются в качестве силовых в импульсных источниках питания, а главный их конкурент IGBT-транзисторы, о них мы поговорим ниже.

Отличается от биполярных и название выводов, теперь здесь не коллектор, эмиттер и база, а сток (С), исток (И) и затвор (З). Управляющий электрод здесь – это затвор. То есть управляющее напряжение подают на затвор относительно истока (своего рода аналог эмиттера). Также, как и биполярные транзисторы бывают pnp- и npn- типа проводимости, так и полевые бывают с n и p каналом, аналогию вы можете провести по картинке выше.

Заключение

На этом предлагаю окончить статью, поскольку она и так получилась довольно большой. И это при том, что мы рассмотрели лишь некоторые основные элементы электроники и их назначение. А рассказать о всех характеристиках, подробно о принципе действия, применении и особенностях, я считаю, что в одной статье просто невозможно.

Всё же целью этой статьи было познакомить вас с тем, что используется в электронике и как это выглядит на схеме.