Рис. 1.3. Резисторная матрица с общей точкой (а) и с независимыми выводами (б)
1.1.6. Прецизионный резистор
Иногда возникает необходимость в использовании прецизионных резисторов с допуском 1 % или даже меньше. Эти компоненты довольно дороги, не всегда можно найти нужный номинал, кроме того, они обычно продаются только в наборах.
Наиболее часто такие резисторы применяются для построения прецизионного делителя (например, при калибровке измерительного прибора) или если требуется набор идентичных резисторов, для которых абсолютная величина сопротивления не слишком важна. В последнем случае при помощи цифрового мультиметра можно провести сортировку обычных резисторов одного номинала и отобрать те из них, что имеют одинаковые сопротивления (например, 99,8 кОм при номинальном значении 100 кОм). Однако при этом стабильность параметров во времени, особенно в случае колебаний температуры, не гарантируется. Гарантию стабильности дает только использование прецизионных резисторов.
1.1.7. Рассеиваемая мощность резистора
Мощность, рассеиваемая резистором, является важным показателем, о котором при разработке схемы иногда забывают. В этом случае первое включение схемы может вызвать неприятные последствия. Например, нетрудно рассчитать, что резистор 2,2 кОм, предназначенный для ограничения до 20 мА тока, потребляемого светодиодом, при напряжении источника питания 48 В рассеивает мощность около 1 Вт. Если в схеме использован резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт, через короткое время он выйдет из строя. Поэтому при проектировании надо предусмотреть место на печатной плате для более мощного резистора.
При создании схем с мощными резисторами следует быть особенно внимательным. Необходимо учитывать, что допустимые значения мощности, указанные производителями, обычно гарантируются для рабочей температуры 25 °C. Но при работе мощного устройства эта температура может быть существенно выше. Бывает, что резистор с номинальной рабочей мощностью 10 Вт при 25 °C перегревается при рассеивании всего лишь 2,5 Вт, если температура окружающей среды составляет 70 °C. В подобных случаях следует выбирать резисторы в специальном корпусе, оснащенном пластинами для охлаждения, размещать их на радиаторе и обеспечивать адекватную вентиляцию. Отметим, что выбор заведомо более мощного резистора не всегда позволяет избежать перегрева, так как рассеиваемая мощность при этом остается прежней.
1.1.8. Рабочее напряжение резистора
Резистор, как и конденсатор, имеет максимально допустимое рабочее напряжение. Необходимость учитывать этот параметр ярко проявляется при работе со схемами, непосредственно подключенными к электрической сети. Примерами могут служить RC-цепи, служащие для подавления помех, или бестрансформаторные источники питания.
Классический резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт обычно имеет допустимое рабочее напряжение порядка 200 В. В упомянутых выше устройствах при номинальном эффективном напряжении сети 220 В возможны режимы, при которых пиковое значение напряжения на резисторах может достигать 650 В. Даже если требованию по рассеиваемой мощности удовлетворяет один резистор, в данном случае необходимо использовать по меньшей мере три последовательно соединенных компонента, чтобы напряжение на каждом из них всегда оставалось в допустимых пределах. Из этого можно сделать вывод, что, если в схеме, подключенной к сети, есть несколько последовательных резисторов, их нельзя заменять одним резистором соответствующего номинала (рис. 1.4). В противном случае возникает опасность его разрушения.
1.1.9. Переменный цифровой резистор
Часто регулирующие устройства должны имитировать изменяющееся сопротивление, для чего можно использовать цифровой (наборный) резистор, сопротивление которого варьируется в широких пределах с малым шагом в соответствии с заданным цифровым сигналом. Есть программируемые интегральные цифровые потенциометры, которые помогают в решении данной задачи. Однако такие микросхемы сравнительно дороги и не всегда обладают нужными параметрами, поэтому их часто заменяют дискретными компонентами.
Схема, приведенная на рис. 1.5, позволяет имитировать переменный резистор, характеристики которого можно выбирать исходя из конкретных требований. Переключения выполняются с помощью контактов реле, что обеспечивает полную изоляцию управляющей (цифровой) части устройства от исполнительной (аналоговой).
Рис. 1.5. Переменный управляемый резистор
Принцип работы схемы очень прост. В ней используется набор последовательно включенных резисторов, сопротивления которых при переходе от одного к другому изменяются путем умножения на 2, что соответствует изменению веса разрядов двоичного управляющего сигнала. Параллельно выводам каждого резистора подключен нормально замкнутый контакт реле, на обмотку которого подается цифровой сигнал соответствующего разряда. В состоянии покоя общее сопротивление равно нулю. Появление управляющего сигнала, соответствующего единице младшего разряда, размыкает контакт, шунтирующий первый резистор. В рассматриваемом примере на выходе появляется сопротивление 500 Ом. Включение второго реле, соответствующего следующему разряду двоичного сигнала (при отключении первого), дает на выходе сопротивление 1000 Ом. Дальнейшее увеличение двоичного слова на единицу (переход от 2 к 3 в десятичном коде) обеспечивает увеличение выходного сопротивления до 1500 Ом и т. д. Максимальное значение сопротивления составляет 7,5 кОм (все контакты разомкнуты), оно реализуется при подаче двоичного слова 0FH. Таким образом, получается переменный резистор 7,5 кОм с 16 дискретными значениями сопротивления с шагом 500 Ом.
Число разрядов и наименьшее сопротивление в наборе могут задаваться с учетом конкретных требований. Управление реле осуществляется с помощью дискретных транзисторов или микросхем. Подобный вариант схемы можно использовать в сочетании с двоичным счетчиком, реализующим счет вперед или назад, или с микроконтроллером. Очевидно, что при управлении с помощью механического реле выходное сопротивление будет изменяться сравнительно медленно.
1.2. Применение конденсаторов
1.2.1. Выбор конденсатора
В цепях с высокой стабильностью параметров, например в колебательных контурах, применяют керамические и воздушные конденсаторы с высоким классом точности. В цепях, к которым не предъявляются высокие требования по стабильности, например в цепях сглаживающих фильтров выпрямителей, фильтров развязки и блокировки, можно использовать электролитические бумажные конденсаторы. В этих цепях применяются также сегнетоэлектрические конденсаторы.
В цепях высокой частоты устанавливают конденсаторы с высокой предельной частотой, например керамические и вакуумные. Бумажные конденсаторы не применяют в цепях с частотой, превышающей единицы мегагерц.
В цепях при напряжении менее 10 В не рекомендуется применять конденсаторы с вкладными выводами, так как в них может нарушиться контакт с фольгой.
Герметизированные конденсаторы в металлическом корпусе имеют большую емкость на корпус. Если при монтаже ни один вывод конденсатора не соединяется с корпусом устройства, то его необходимо изолировать от шасси на опорах толщиной 0,5–1 см.
1.2.2. Электролитический конденсатор
Конденсаторы могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного тока. Для цепей постоянного тока используют в основном электролитические конденсаторы. При монтаже конденсатора его плюсовой вывод присоединяют к положительному полюсу цепи с учетом соответствия напряжений участков цепи, а минусовой вывод (обычно корпус конденсатора) присоединяется к металлическому корпусу устройства. Следует учесть, что могут быть и неполярные электролитические конденсаторы.
Если полярный конденсатор включить в сеть переменного напряжения, то через него пойдет переменный ток, нагревая конденсатор, и он может выйти из строя. В крайнем случае при отсутствии нужного конденсатора на переменное напряжение вместо него можно применить полярный конденсатор при условии, что его напряжение много больше напряжения сети. Например, полярный конденсатор с напряжением 250 В может работать в сети переменного напряжения 50 В при частоте 50 Гц.
1.2.3. Качество диэлектрика
Качество диэлектрика характеризует сопротивление изоляции или ток утечки. В некоторых цепях существуют высокие требования к сопротивлению изоляции, например к конденсаторам связи между соседними каскадами. Наиболее высокое сопротивление изоляции имеют фторопластовые, стирольные и полипропиленовые конденсаторы, несколько ниже оно у слюдяных, керамических и поликарбонатных.
