KURZUS: Járművillamosság és elektronika 2.

MODUL: I. modul: Diszkrét elektronikai alkatrészek

1. lecke: Passzív elektronikai alkatrészek

| A lecke tanulásának a célja: Az elektronikai építőelemek közül a passzív alkatrészek megismerése.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke elsajátítása után a hallgatóknak ismerniük kell a passzív áramköri elemek (ellenállások, kondenzátorok, tekercsek) szimbólumait, jellemzőit, fontosabb paramétereit.
Dr. Kovács Ernő - Elektronikai alapismeretek, diszkrét félvezetők, erősítők, műveleti erősítők I.
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Áramköri elemek
Az elektronikai áramkörök áramköri elemekből épülnek fel. Az áramköri elemeket két osztályba sorolhatjuk:
aktív áramköri elemek passzív áramköri elemek
Passzív elektronikai alkatrészek
Ellenállás
Az ellenállás az áram és a feszültség közötti kapcsolat leírására alkalmazott arányossági tényező.
Az arányossági tényező linearitása és az ellenállások fizikai megvalósítása szerint az ellenállásokat két csoportra oszthatjuk:
R= U I
Mértékegysége az Ohm ( Ω ). 1 Ω = 1 volt/amper.
Passzív ellenállás feszültség/áram összefüggése egyenfeszültségű áramkörben
1. ábra
elektromos ellenállások (dinamikus ellenállások) a feszültség és az áram közötti differenciális kapcsolaton alapulnak:
r= d u d i
Mindkét ellenállás csoportot csoportosíthatjuk aszerint is, hogy az ellenállás értéke üzemszerűen változtatható-e:
fixértékű ellenállások változtatható értékű ellenállások
Az ellenállásokat csoportosítjuk aszerint is, hogy üzemszerűen mi változtatja az ellenállás értékét:
potenciométer/trimmer potenciométer (csúszka elmozdulás) nyúlásmérőbélyeg (mechanikai behatás, nyúlás) termisztor (hőre változik) (bár a hő mindig változtatja az ellenállás értéket, ezt egyéb esetekben hibának tekintjük) varisztor (feszültségre változik) fotoellenállás (fényre változtatja az értékét) Hall-ellenállás (mágneses térre változik az ellenállás) stb.
A többi, hasonlóan ellenállásként is viselkedő alkatrésztől az különbözteti meg a passzív ellenállásokat, hogy az ellenállásuk értéke nagy relatív állékonyságot mutat a környezeti paraméterekkel szemben. Definíció szerint az ellenállás a feszültség és az áram közötti arányossági tényező, így ez alapján számtalan alkatrészt, vezetéket stb. lehetne ellenállásnak nevezni, azonban ezeket alapvetően nem ellenállás céljaira gyártották. Az ellenállások a modern elektronika egyik leggyakrabban alkalmazott alkatrészei mind diszkrét, mind integrált formában. Feladatuk, hogy megfelelő mértékű elektromos ellenállást biztosítsanak egy áramkör adott részén.
Passzív ellenállás áramköri jelölése
2. ábra
Megvalósítás szerint lehetnek:
Huzalellenállás Rétegellenállás
Huzalellenállások: A huzalellenállásokat alacsony hőmérsékleti együtthatójú, ötvözéssel beállított fajlagos ellenállású anyagokból állítják elő. A legismertebb 1000 °C alatti üzemelésre tervezett huzalellenállás anyagok:
Manganin (Cu-Ni ötvözet, forrasztható) Konstantán (Cr-Ni ötvözet, nem forrasztható)
R=ρ l A
A ρ a fajlagos ellenállás, az l a huzal hossza, A a keresztmetszete.
A huzalellenállások nagy áram terhelhetőségűek, ez egyben a felhasználási területüket is meghatározza. Csak kis értékű ellenállásokat (max. 100 Ω ) készítenek belőlük. A huzalellenállásokat gyártják fix és változtatható kivitelben is (pl. műterhelések, tolóellenállások).
Huzalellenállás
3. ábra
Rétegellenállások
Anyaguk alapján lehetnek: Kristályos szénréteg Szénréteg Tömör szén Fémréteg vagy Cermet
Szobahőmérsékleten a legkedvezőbb paraméterekkel (alacsony zaj, linearitás, hőmérsékleti drift, terhelhetőség, meghibásodási gyakoriság, üzemi hőmérséklet, hőmérsékleti együttható) a fémréteg ellenállás rendelkezik.
A rétegellenállások fizikai megvalósításuk alapján lehetnek:
Önhordó kivitelű (axiális vagy radiális lábkivezetéssel) átmenőfuratos forrasztási technikához (THT). Felületszerelt kivitel (SMT) a felületszerelt forrasztási technikához (ólmos vagy ólommentes forrasztáshoz eltérő kivitel). Vastag- vagy vékonyréteg ellenállások integrált hibrid, multichip stb. áramkörökhöz.
Rétegellenállások főbb típusai
4. ábra
Réteg ellenállásokat gyártják fix és változtatható kivitelben is. A változtatható kivitel is különbözik attól függően, hogy rendszeres állításra (potenciométer) vagy alkalmankénti beállításra használják (trimmer-potenciométerek).
Ellenállások főbb paraméterei:
Névleges ellenállás érték ( Ω , általános célú, precíziós) Tűréshatár (Tolerancia (%)): megadja a névleges ellenállás értékétől való legnagyobb megengedett eltérést Terhelhetőség (W, a megengedett terhelhetőség függ a környezet hőmérsékletétől is.) Veszteségi teljesítmény: P d R = I 2 R= U 2 R Tipikus teljesítmény kategóriák: 1/10, 1/4, 1/3, 1/2, 1, 2, 5, 10 [W] Hőfokfüggés (TCR, ppm/°C) Fizikai méret és kialakítás
Alkalmazási példák:
Feszültségosztás Feszültségejtés Áramosztás Áramkorlátozás
Feszültségosztás
Feszültségosztó kapcsolás
5. ábra
Áramosztás
Áramosztó kapcsolás
6. ábra
Áramkorlátozás
LED előtét (áramkorlátozó) ellenállás méretezése
7. ábra
Elektromos ellenállások (nem lineáris ellenállások)
A passzív ellenállások másik csoportja esetén az ellenállásuk értéke nem mechanikai beavatkozás során változik, hanem valamilyen más elektromos vagy nem elektromos mennyiség hatására. A karakterisztikájuk általában nem lineáris.
Termisztorok
A termisztorok olyan nemlineáris ellenállások, amelyek ellenállása a hőmérséklet függvényében változik. Tikipus felhasználási területük a hőmérsékletmérés, hőmérsékletfüggő kompenzálás.
Hőmérsékleti együttható szempontjából létezik:
Pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTK, PTC) Negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTK, NTC)
Termisztor áramköri jelölése
8. ábra
Varisztor
A varisztorok olyan nem lineáris ellenállások, amelyek ellenállása a rajtuk eső feszültség függvényében változik. Alkalmazási területük általában a túlfeszültség védelem és feszültségfüggő osztás.
Varisztorok feszültségfüggő karakterisztikája
9. ábra
Varisztor áramköri jelölése
10. ábra
Az elektromos ellenállások többi típusa a későbbi fejezetekben ismertetésre kerül!
Kondenzátor
Kondenzátor olyan áramköri alkatrész, amely villamos tér létrehozásával elektromos töltést képes tárolni. A legegyszerűbb kondenzátor legalább két, párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet) és a közöttük lévő elektromosan szigetelő anyagból (dielektrikum) áll.
Síkkondenzátor felépítése és áramköri jelölése
11. ábra
Egy kondenzátor kapacitása meghatározható a
C= ε 0 ε r A d
egyenlettel, ahol ε = dielektromos állandó (permittivitás) A = tároló lemezek felülete d = tároló lemezek távolsága ε 0 = vákuum dielektromos állandója (~8,855*10-12 As/Vm) ε r = dielektromos állandó
Energiamentes kondenzátor viselkedése bekapcsoláskor egyenfeszültségű áramkörben
12. ábra
Kondenzátorok főbb paraméterei:
névleges kapacitás: Mértékegysége a Farad (F, As/V). A gyakorlatban használatos kondenzátorok értékei a Farad tört részeivel egyenlők ( µ F, nF, pF) névleges feszültség: az a legnagyobb megengedett egyenfeszültség érték (vagy egy váltakozó feszültség effektív érték), amely mellett a kondenzátor hosszú ideig működhet anélkül, hogy paraméterei ideig működhet anélkül, hogy paraméterei megfordíthatatlan módon megváltoznának tűréshatár (tolerancia): megadja a névleges kapacitás értékétől való legnagyobb megengedett, százalékban [%] kifejezett eltérést hőmérsékleti tényező frekvenciatartomány polarizált vagy nem polarizált (kivezetések felcserélhetősége)
Kondenzátorok csoportosítása
Dielektrikumuk alapján:
légnemű vagy folyadék műanyag elektrolit kerámia, csillám, kvarc
Mechanikai konstrukciójuk alapján:
önhordó tekercselt hengeres fazék réteg fólia trimmer felületszerelt (SMD)
Értékük relatív állandósága alapján:
fixértékű változtatható értékű
A kondenzátorokra kapcsolható feszültség alakja szerint:
polarizált nem polarizált
Kerámia, SMD és elektrolit kondenzátorok
13. ábra
Tekercs
Az induktivitások fizikai megvalósításai. Mágneses terükben jelentős energiát képesek felhalmozni, amely a tekercsen átfolyó áram hatására jön létre. Mértéke a mágneses fluxus ( Φ). A tekercsek legfontosabb paramétere az induktivitásuk (L). Az induktivitás mértékegysége a Henry. Általában a gyakorlatban mH nagyságrendű tekercseket használnak.
Energiamentes tekercs viselkedése bekapcsoláskor egyenfeszültségű áramkörben
14. ábra
Fajtái:
Légmagos Vasmagos Ferrit-gyűrű, ferrite-bead
Légmagos, vasmagos tekercsek és ferrit bead
15. ábra
Általában kapcsolóüzemű tápegységekben, zavarszűrő kapcsolásokban és áramkorlátozó elemként használjuk. Általában nem katalógus áramkörök, egyedi, kisszériás gyártás jellemző rájuk. A két vagy több tekercsből álló eszközöket transzformátoroknak nevezzük, amelyekkel általában feszültség csökkentést vagy növelést valósítanak meg.

| Önellenőrző kérdések
1. A statikus ellenállás feszültség/áram karakterisztikája milyen jellegű?
| lépcsőzetes
| logaritmikus
| exponenciális
| lineáris
2. A következő alkatrészek közül melyek tartoznak a dinamikus ellenállások közé? (több jó válasz is lehetséges)
| termisztor
| kondenzátor
| varisztor
| fotoellenállás
3. Az ellenállásra, mint áramköri alkatrészre igaz, hogy...(több jó válasz is lehetséges)
| a környezeti paraméterekkel szemben nagy relatív állékonyságot mutat az ellenállás értéke.
| a töltéstárolási képessége hőmérsékletfüggő.
| a feladata megfelelő értékű elektromos ellenállás biztosítása az áramkör egy adott részén.
| az energiát mágneses tér formájában képes tárolni.
4. A kondenzátor egy olyan áramköri alkatrész,...
| amely az energiát mágneses tér formájában képes tárolni.
| amely villamos tér létrehozásával elektromos töltést képes tárolni.
| amelyre tetszőleges polaritású feszültséget kapcsolhatunk.
| amely ellenállása a környezeti paraméterekkel szemben nagy relatív állékonyságot mutat.
5. Egy energiamentes kondenzátor DC feszültségű áramkörbe kapcsolását követően mi tapasztalható?
| Konstans áram kezd el folyni az áramkörben, a kondenzátor feszültsége nem változik.
| A kondenzátor feszültsége elkezd csökkenni nulla értékig, miközben a rajta átfolyó áram növekszik.
| A kondenzátor feszültsége azonnal eléri a tápfeszültséget, miközben áram egyáltalán nem folyik.
| A kondenzátor feszültsége elkezd emelkedni egészen addig, amíg el nem éri a tápfeszültséget, miközben a kezdeti nagy áram nullára csökken.
6. Mely állítás igaz a tekercsre? (több jó válasz is lehetséges)
| Az induktivitás fizikai megvalósítása.
| Az energiát mágneses tér formájában képes tárolni.
| Létezik polarizált és nem polarizált kivitelben is.
| Induktivitásának jellemző mértékegysége a Farád.
7. Egy energiamentes tekercs DC feszültségű áramkörbe kapcsolását követően mi tapasztalható?
| A tekercs feszültsége és áram értéke is nulla marad.
| A tekercs árama elkezd emelkedni addig, amíg el nem ér egy maximum értéket, miközben a kezdetben felugró feszültség érték nullára csökken.
| Konstans tápfeszültség jelenik meg a kapcsain, miközben nagy áram folyik a tekercsen.
| A tekercs feszültsége szinuszosan változik, miközben a rajta átfolyó áram nulla értékűre csökken.