Энциклопедия электронных компонентов. Том 1. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, переключатели, преобразователи, реле, транзисторы - Платт Ч.

Автор: Платт Ч.
Теги: электротехника электроника
ISBN: 978-5-9775-3747-6
Год: 2017
Похожие
Энциклопедия электронных компонентов. Том 3.
Краткий справочник. Автомобильные датчики, реле и переключатели
Энциклопедия электронных компонентов. Большие интегральные схемы. Том 1
500 практических схем на ИС
Текст
                    Encyclopedia of
Electronic
Components
volume 1
Charles Platt
(J)makermedia
SEBASTOPOL, CA

Чарльз Платт
Энциклопедия
электронных
компонентов
Резисторы - конденсаторы - катушки
индуктивности - переключатели -
преобразователи - реле - транзисторы
Санкт-Петербург
«БХВ-Петербург»
2017

УДК 621.3
ББК 32.85
П37
Платт Ч.
П37 Энциклопедия электронных компонентов. Том 1. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности,
переключатели, преобразователи, реле, транзисторы: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2017. — 352 с: ил.
ISBN 978-5-9775-3747-6
В первом томе энциклопедии описаны три категории устройств: электронные компоненты, которые
обеспечивают производство, распространение, распределение, преобразование и хранение электри-
ческой энергии (аккумуляторы, реле, резисторы, конденсаторы, трансформаторы и др.); устройства, ис-
пользующие электромагнитную энергию (электромагниты, соленоиды, электродвигатели и др.), а также
полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы). Каждая статья представляет собой законченное
описание какого-либо электронного компонента или группы родственных компонентов. Подробно опи-
сано назначение, принцип действия, основные параметры, варианты изготовления и области примене-
ния электронных компонентов, а также приведены примеры типовых схем их включения. Материал со-
провождается фотографиями, схемами и диаграммами.
Для радиолюбителей
УДК 621.3
ББК 32.85
Группа подготовки издания:
Главный редактор Екатерина Кондукова
Зам. главного редактора Игорь Шишигин
Зав. редакцией Екатерина Капалыгина
Перевод с английского Михаила Райтмана
Редакторы Григорий Добин
Леонид Кочин
Компьютерная верстка Людмилы Гауль
Корректор Зинаида Дмитриева
Оформление обложки Марины Дамбиевой
©2017BHV-St.Petersburg
Authorized Russian translation of the English edition of Make: Encyclopedia of Electronic Components Volume 1, ISBN 978-1 -449-33389-8
© 2012 Helpful Corporation, Inc. published by Maker Media, Inc.
This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to sell the same.
Авторизованный русский перевод английской редакции книги Make: Encyclopedia of Electronic Components Volume 1,
ISBN 978-1 -449-33389-8 © 2012 Helpful Corporation, Inc., изданной Maker Media, Inc.
Перевод опубликован и продается с разрешения O'Reilly Media, Inc, собственника всех прав на публикацию и продажу издания.
Подписано в печать 31.08.16.
Формат 84x1081/i6. Печать офсетная. Усл. печ. л. 36,96.
Тираж 1000 экз. Заказ № 1582.
«БХВ-Петербург», 191036, Санкт-Петербург, Гончарная ул., 20.
Первая Академическая типография «Наука»
199034, Санкт-Петербург, 9 линия, 12/28
ISBN 978-1 -449-33389-8 (англ.) © 2012 Helpful Corporation, Inc.
ISBN 978-5-9775-3747-6 (рус.) © Перевод, оформление, издательство «БХВ-Петербург», 2017

Марку Фрауэнфельдеру, который вернул мне радость Творчества.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ......................... XXIII
1. Спецификации XXIII
2. Википедия XXIII
3. Руководства производителей XXIV
4. Частные руководства XXIV
Энциклопедия как решение XXIV
Читательская аудитория XXV
Полнота XXV
Благодарности XXV
Статья 1. Как пользоваться этой книгой? 1
Энциклопедия — в сравнении с учебником , 1
Теория и практика 1
Структура 1
Предметные пути 2
Добавления и исключения 3
Оформление текста 3
Содержание томов ~ 3
Библиотека Safari* Books Online 4
Как с нами связаться? 4
Электронный архив 5
> ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
>> ПРОИЗВОДСТВО
Статья 2. Химический источник тока.... 7
Описание 7
Устройство 8
Электроды: терминология 9
Оглавление VII

Варианты 10
Гальванические элементы 11
Перезаряжаемые аккумуляторы 12
Параметры 14
Сила тока 14
Электрическая емкость 14
Напряжение 17
Использование 18
Что может пойти не так? 19
Короткое замыкание: перегрев и возгорание 19
Сниженная эффективность, вызванная неправильной
перезарядкой 19
Полный разряд свинцово-кислотного аккумулятора 19
Недостаточная сила тока 19
Неправильная полярность 19
Обратный заряд ♦ *...................♦. 19
Сульфатирование « ,.. 20
Большой ток между аккумуляторами, подключенными
параллельно 20
>> КОММУТАЦИЯ
Статья 3. Перемычка --------.-------------—21
Описание 21
Устройство 21
Варианты 22
Параметры 23
Использование 23
Что может пойти не так? 23
Статья 4. Предохранитель..--.--..-.--.-.-...-.-.-.-..-.-- 25
Описание 25
Устройство 26
Параметры 26
Варианты 27
Миниатюрные трубчатые предохранители 27
Автомобильные предохранители 28
Пластинчатые предохранители 28
Предохранители для установки в монтажные отверстия 29
Самовосстанавливающиеся предохранители 29
Предохранители для поверхностного монтажа 31
Использование 31
VIII Оглавление

Что может пойти не так? 33
Частый выход из строя 33
Повреждение пайки 33
Размещение 33
Статья 5. Кнопка 35
Описание 35
Устройство 36
Варианты 36
Полюсы и направления 36
Поведение при включении/выключении 36
Ползунковая кнопка 37
Конструкция 38
Выводы и покрытие контактов 38
Способ монтажа 39
Герметизированные или негерметизированные 39
Защелкивание 39
Ножная педаль 40
Клавиатура .40
Тактильный переключатель 41
Мембранная клавиатура 41
Селективные кнопки 41
Переключатели мгновенного действия 42
Аварийный выключатель 42
Параметры 42
Использование 42
Что может пойти не так? 42
Отсутствие колпачка кнопки 42
Проблемы при монтаже 43
Проблемы со светодиодами 43
Другие проблемы 43
Статья 6. Переключатель 45
Описание 45
Устройство 46
Варианты 46
Терминология 46
Полюсы и направления 46
Поведение при включении/выключении 47
Переключатель мгновенного действия 48
Кулисный переключатель 49
Ползунковый переключатель 50
Оглавление IX

DIP-переключатель......................................................... 52
Лопаточный тумблер ................................................................................................54
Противовандальный переключатель ...............................................................54
Тактильный переключатель ..................................................................................54
Варианты монтажа 54
Типы выводов 55
Варианты покрытия контактов 55
Параметры 55
Использование 55
Выключатели электропитания 55
Концевые выключатели 56
Логические схемы 57
Альтернативы 57
Что может пойти не так? 58
Искрение 58
Непропаянное соединение 58
Короткое замыкание 58
Загрязнение контактов 58
^^1%» I9\v J^f И l^l w% I vll I О^Л D^^FfjLd >><> mmmn оч л ш ии щщ щ to a > ш iimiiiimiiihmiiiiiiiiiiiimhmhmimmmimmimii i_? jt
Доебезг контактов 59
Механический износ 59
Проблемы при монтаже 59
Непонятная схема 59
Статья 7. Поворотный переключатель .................................61
Описание 61
Устройство 62
Варианты 63
Стандартный 63
Поворотный DIP-переключатель 64
Код Гоея 65
Поворотный переключатель для печатной платы 65
Механический преобразователь 66
Барабанный и дисковый переключатели 66
Переключатель с замком 67
Параметры 67
Использование 67
Что может пойти не так? 68
Уязвимые контакты 68
Перегрузка контактов............ 68
Оглавление

Неточное совмещение 68
Неправильно определенный закорачивающий переключатель 69
Нарушение режима эксплуатации 69
Неправильный вал, неподходящие ручки, утерянные гайки,
слишком большой размер 69
Статья 8. Поворотный энкодер 71
Описание 71
Устройство 72
Варианты 73
Импульсы и фиксаторы 73
Конструкция 73
Выход 73
Сопротивление вращению 73
Параметры 74
Дребезг контактов 74
Помехи при скольжении контактов 74
Использование 74
Что может пойти не так? 75
Еще о дребезге 75
Перегорание контакта 75
Статья 9. Реле- 77
Описание 77
Устройство 78
Варианты 79
Блокировка 79
Полярность 80
Варианты расположения выводов 80
Геоконовое реле 80
^*Г *w" ■■«^■^^■«•» г^^»* ш^" •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••ww
Слаботочные реле 81
Автомобильные реле 81
Реле общего назначения и промышленные 82
Реле времени Л 82
Контактор 83
Параметры 83
Использование 83
Что может пойти не так? 85
Неверное расположение выводов 85
Неправильная ориентация 85
Неправильный тип 85
Неправильная полярность 85
Оглавление XI

Переменный ток и постоянный ток 85
Вибрация ~ 85
Выброс напряжения на катушке реле 85
Искрение 86
Магнитные поля 86
Вредное воздействие окружающей среды 86
>> РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
Статья 10. Резистор 87
Описание 87
Устройство 88
Варианты 89
Резисторная матрица 90
Параметры 91
Допуски 92
Цветовая маркировка номинала 93
Стабильность .* 95
Материалы 95
Использование 97
Последовательное подключение к светодиоду 97
Ограничение тока для транзистора 98
Нагрузочный резистор и резистор утечки 98
Управление тембром звука 99
Резистивно-емкостная цепочка 99
Делитель напряжения „ 99
Последовательные резисторы 100
Параллельные резисторы 100
Что может пойти не так? 101
Нагревание 101
Шумы 101
Индуктивность 101
П/ **" *•-*• «w». • w ......................................................................................................... . w .
Погрешность 101
Неверные номиналы 102
Статья 11. Потенциометр 103
Описание 103
Устройство 104
Варианты 106
Линейная и логарифмическая характеристика 106
Потенциометр классического типа 106
XII Оглавление

Многооборотный потенциометр 107
Многосекционный потенциометр 107
Потенциометр с переключателем 108
Ползунковый потенциометр 108
Подстроенный потенциометр 108
Использование 109
Что может пойти не так? 110
Износ по
Ручки, которые не подходят 111
Утерянные гайки 111
Недостаточная длина оси 111
Ползунковые потенциометры без захвата для пальцев 111
Слишком большой размер 111
Перегрев 112
Неверный тип характеристики 112
Статья 12. Конденсатор , 113
Описание 113
Устройство 114
Варианты 116
Конструкция 116
Основные типы 118
Диэлектрики 120
Параметры 121
Фарады 121
Часто используемые номиналы 122
Диэлектрическая проницаемость 122
Постоянная времени 123
Несколько конденсаторов 123
Переменный ток и емкостное сопротивление 123
Эквивалентное последовательное сопротивление 124
Использование 125
Блокировочный конденсатор 125
Разделительный конденсатор 125
Фильтр верхних частот 125
Фильтр нижних частот 126
Сглаживающий конденсатор 126
Демпфер 127
Конденсатор как замена аккумулятора 127
Что может пойти не так? 128
Неправильная полярность 128
Перегрузка по напряжению 128
Утечка 128
Оглавление XIII

Диэлектрическая память 128
Недостатки, специфичные для электролитических
конденсаторов ~ 128
Нагрев ......*... 129
Вибрация .»..., 129
Номенклатура, вводящая в заблуждение 129
Статья 13. Переменный конденсатор 131
Описание 131
Устройство 131
Варианты 133
Параметры 133
Конструкция 133
Использование 133
Что может пойти не так? 135
Неверная настройка незаземленного подстроечного
конденсатора 135
Наличие покрывающего материала или «фиксирующей
покраски» , 135
Недостаточное экранирование 135
Статья 14. Катушка индуктивности 137
Описание 137
Устройство 138
Протекание постоянного тока через обмотку 139
Магнитный сердечник 140
ЭДС и противодействующая ЭДС 141
Электрическая и магнитная полярность 142
Варианты 143
Магнитные сердечники 143
Немагнитные сердечники 144
Катушки переменной индуктивности 145
Ферритовые шайбы 145
Тороидальные сердечники 145
Гиратор 147
Параметры 147
Вычисление индуктивности 147
Вычисление реактивного сопротивления 148
Вычисление магнитного сопротивления 148
Терминология, которая используется в спецификациях 148
Последовательное и параллельное подключение 149
Постоянная времени 149
XIV Оглавление

Использование 150
Выбор сердечника 152
Миниатюризация..... . ... ...... ........................ .. . 152
Что может пойти не так? 152
Физические недостатки 152
Насыщение............................................................. 152
Проблемы, вызванные радиочастотами 153
>> ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
Статья 15. Трансформатор переменного тока 155
Описание 155
Устройство 156
Срппрчник 157
^m>mff^rm ■* •^■•■«•••••••.••••••••••••••••.•••••••••.••••.•••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••». I <•# I
Отводы 158
Варианты 159
Форма сердечника 159
Силовой трансформатор 159
Штепсельный трансформатор 160
Разделительный трансформатор 160
Автотрансформатор 160
Регулируемый трансформатор 161
Аудиотрансформатор 161
Сдвоенный дроссель ... ..« 162
Трансформатор для поверхностного монтажа 162
Параметры 162
Использование 163
Что может пойти не так? 163
Вход и выход поменялись местами ................................................................ 163
Опасность поражения током от общего заземления 163
Случайная подача постоянного тока 163
Пеоегоузка...-.......................................................^................................................... 163
Неверная частота переменного тока............................................................. 164
Статья 16. Источник питания AC-DC •...-.•.•..•.....•.......•..•.•.•...165
Описание 165
Варианты 165
Источник литания с линейным стабилизатором 166
Импульсный источник питания ........................................................................ 167
Нерегулируемый источник питания 169
Регулируемый источник питания 169
Умножитель напряжения 169
Оглавление XV

Конструкция 169
Использование 169
Что может пойти не так? 170
Удар током высокого напряжения 170
Неисправность конденсатора 170
Электрические помехи 170
Пиковый бросок 170
Статья 17. Конвертер DC-DC 171
Описание 171
Устройство 172
Варианты 173
Понижающий конвертер 173
Повышающий конвертер 173
Конвертер с обратным ходом,
снабженный катушкой индуктивности 173
Конвертер с обратным ходом,
снабженный трансформатором 174
Конструкция 174
Параметры 176
Номинальное напряжение на входе и частота 176
Напряжение на выходе 176
Ток на входе и на выходе 176
Регулирование нагрузки 176
КПД 176
Пульсации и помехи 177
Изолированный или неизолированный 177
Использование 177
Что может пойти не так? 178
Электрические помехи на выходе 178
Избыточный нагрев при отсутствии нагрузки 178
Неточное напряжение на выходе при малой нагрузке 178
Статья 18. Инвертор DC-AC 179
Описание 179
Устройство 179
Варианты 180
Параметры 181
Использование 181
Что может пойти не так? 182
XVI Оглавление

> > СТАБИЛИЗАЦИЯ
Статья 19. Стабилизатор напряжения 183
Описание 183
Устройство 184
Варианты 185
Корпус 185
Популярные типы 185
Регулируемые стабилизаторы 186
Стабилизаторы с разной полярностью 187
Стабилизаторы с низким падением напряжения 187
Линейные стабилизаторы с квазинизким
падением напряжения 187
Функции дополнительного контакта 188
Параметры 188
Использование 188
Что может пойти не так? 189
Неудовлетворительное управление нагревом 189
Переходная характеристика 190
Ошибочное определение компонентов 190
Ошибочно определенные контакты 190
Нестабильная работа, вызванная разрядившимся
аккумулятором 190
Неточное значение поставляемого напряжения 190
> ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭНЕРГИЯ
> > ЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Статья 20. Электромагнит 193
Описание 193
Устройство 194
Варианты 194
Параметры ~ 195
Использование 195
Что может пойти не так? 196
Статья 21. Соленоид 197
Описание 197
Устройство 199
Варианты 200
Низкопрофильный 200
С Фиксацией 200
Оглавление XVII

Поворотный 200
С шарнирным клапаном 201
Параметры 201
Размер обмотки в сравнении с мощностью 201
Использование 201
Что может пойти не так? 202
Нагрев 202
Бросок переменного тока 202
Нежелательная ЭДС 202
Незакрепленный сердечник 202
> > ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Статья 22. Электродвигатель постоянного тока♦.•♦.•.-.♦.♦♦ 203
Описание 203
Устройство 203
Варианты 205
Конфигурация обмоток 205
Редукторный двигатель 206
Бесщеточный электродвигатель постоянного тока 208
Линейный исполнительный механизм 209
Параметры 209
Использование 210
Управление скоростью вращения 211
Управление направлением вращения 212
Концевые выключатели 213
Что может пойти не так? 213
Щетки и коллектор 213
Электрические помехи 213
Э<Ь<Ьекты нагоева 213
Т Т ■■»«•• f~-*m*~^ ............................................................................................ ........ —■
Условия окружающей среды 214
Неправильный тип вала или диаметр 214
Неподходящий тип монтажа электродвигателя 214
Мертвый ход 214
Подшипники 215
Акустический шум 215
Статья 23. Электродвигатель переменного тока..............217
Устройство ~ 217
Конструкция статора 217
Конструкция ротора 219
XVIII Оглавление

Варианты 221
Однофазный асинхронный электродвигатель 222
Трехфазный асинхронный электродвигатель 222
Синхронный электродвигатель 223
Реактивный электродвигатель 224
Частотно-регулируемый электропривод 225
Асинхронный двигатель переменного тока с фазным ротором 225
Универсальный электродвигатель 226
Электродвигатели с питанием от инвертированного
переменного тока 226
Параметры 227
Использование 227
Что может пойти не так? 227
Преждевременный перезапуск 228
Частый перезапуск 228
Пониженное напряжение или асимметрия напряжений 228
Заблокированный электродвигатель 228
Защитные реле 228
Избыточный крутящий момент 228
Внутреннее повреждение 228
Статья 24. Серводвигатель 229
Описание 229
Устройство 230
Варианты 232
Параметры 233
Использование 234
Разновидности для непрерывного вращения 235
Что может пойти не так? 236
Неправильная проводка 236
Несоответствие между валом и насадкой 236
Чрезмерно быстрые команды программного обеспечения 236
Дрожание 236
Перегрузка двигателя 236
Непрерывная работа 236
Электрические помехи 236
Статья 25. Шаговый двигатель 237
Описание 237
Устройство 238
Реактивные шаговые электродвигатели 238
Шаговые двигатели с постоянными магнитами 239
Оглавление XIX

Биполярные шаговые двигатели 241
Униполярные электродвигатели 243
Варианты 244
Двигатель с большим количеством фаз 244
Гибридный двигатель 245
Бифилярный двигатель 245
Многофазный двигатель 245
Ми кроша г 246
Применение датчиков и обратная связь 246
Управление напряжением 247
Параметры 247
Использование 247
Защитные диоды 248
Управление позиционированием 248
Что может пойти не так? 248
Неправильное подключение проводов 248
Потеря шага 249
Превышение крутящего момента 249
Гистерезис 250
Резонанс 250
Рыскание 250
Насыщение 250
Размагничивание ротора 250
> ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
> > ОДИН P-N-ПЕРЕХОД
Статья 26. Диод 251
Описание 251
Устройство 253
Варианты 255
Корпус 255
Импульсные диоды , 255
Выпрямительные диоды 255
Стабилитрон 255
Ограничитель всплесков напряжения 256
Диод Шоттки 256
Вара ктор 256
Туннельный диод, диод Ганна, PIN-диод 257
Диодная матрица 257
Мостовой выпрямитель 257
XX Оглавление

Параметры 257
Применение 258
Выпрямление тока 258
Подавление противоЭДС 260
Выбор напряжения 261
Фиксация напряжения 261
Логический элемент 262
Стабилизация напряжения постоянного тока и подавление
помех 262
Управление напряжением переменного тока и ограничение
сигнала 263
Пороговая схема 264
Что может пойти не так? 265
Перегрузка 265
Неправильная полярность 265
Неверный тип диода 265
Статья 27. Однопереходный транзистор 267
Описание 267
Устройство 268
Варианты 270
Параметры 270
Использование 271
Что может пойти не так? 272
Неправильное наименование 272
Неправильное смещение 272
Перегрузка 272
> > НЕСКОЛЬКО P-N-ПЕРЕХОДОВ
Статья 28. Биполярный транзистор 273
Описание 273
Устройство 273
Усиление по току 276
Терминология 277
Варианты 277
Корпус 278
Цоколевка 278
Использование 279
Пара Дарлингтона 281
Усилители 283
Оглавление XXI

Что может пойти не так? 284
Неправильное подключение биполярного транзистора 284
Неправильное подключение микросхемы с парами
Дарлингтона 284
Повреждение при пайке 285
Избыточный ток или избыточное напряжение 285
Избыточная утечка 285
Статья 29. Полевой транзистор 287
Описание 287
Устройство 287
Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом 287
Поведение полевого транзистора
с управляющим р-n переходом 290
МОП-транзисторы 291
Соединение с подложкой 296
Варианты 297
Полевой транзистор с барьером Шоттки 297
Полевой транзистор с V-образным каналом 297
Траншейный МОП-транзистор 297
Параметры 298
Использование 298
Недостаток р-канала 298
Использование вместо биполярного транзистора '. 298
Входные каскады усилителей 298
Варистор 298
Совместимость с цифровыми устройствами 299
Что может пойти не так? 299
Статическое электричество 299
Нагрев 299
Неправильное смещение 300
Приложение. Условные обозначения 301
Предметный указатель 305
XXII Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ
В наше время, когда информация широко и сво-
бодно доступна в таких объемах, как никогда
ранее, читатель может засомневаться в том, есть
ли какая-либо необходимость в Энциклопедии
электронных компонентов. Все, что вы желаете
узнать, можно отыскать в онлайн-источниках,
верно?
И да, и нет. Давайте рассмотрим доступные источ-
ники.
1. Спецификации
Спецификации важны, но у них есть недостатки.
Одни спецификации детальные, другие — непол-
ные. В некоторых спецификациях в качестве ру-
ководства по использованию компонента при-
ведены примеры схем, во многих остальных —
нет. Ни одна из спецификаций не расскажет вам
о том, как работает компонент, поскольку это
не является их назначением. Зачастую в них
не упоминается о иных компонентах, которые
должны быть добавлены в схеме к описывае-
мому. Например, в некоторых спецификаци-
ях на конвертеры DC-DC ничего не говорится
о требующихся для их работы блокировочных
(шунтирующих) конденсаторах. Спецификация
на оптронную пару не упоминает о нагрузочном
резисторе, необходимом для выхода с открытым
коллектором.
Спецификации не облегчают сравнение цен на
приобретаемые компоненты. Спецификация
одного производителя не приводит сравнение
с продуктами другого и может даже не содержать
указаний об альтернативах, доступных у того же
производителя. Так, спецификация на линейный
стабилизатор напряжения не подскажет вам, что
для случая, в котором важна высокая эффектив-
ность, лучше применить конвертеры DC-DC.
Кроме всего этого, спецификации не расска-
жут вам о том, как избежать распространенных
ошибок. Что произойдет, если вы неправиль-
но подключите этот танталовый конденсатор?
Спецификация выдаст вам обычный перечень
абсолютных максимальных значений, и вы в
итоге будете предоставлены самому себе, сжигая
компоненты, сталкиваясь со странным поведе-
нием схем или выявляя ограничения настолько
известные, что в спецификации даже не потру-
дились о них упомянуть. В общем, мой опыт
подсказывает, что опора на спецификации по-
вышает риск повторного изобретения колеса.
2.Википедия
Охват электронных компонентов в этой онлайн-
энциклопедии впечатляет, но в ней не хватает
последовательности. Некоторые статьи элемен-
тарны, тогда как многие содержат чрезвычайное
количество технических подробностей. Одни
статьи серьезные, а другие поверхностные. Есть
статьи хорошо структурированные, а иные по-
гружаются в рассмотрение специальных тем,
которые интересны авторам статей, но пред-
ставляют незначительную практическую цен-
ность для большинства читателей. Многие темы
Предисловие
XXIII

распределены по большому количеству статей,
что вынуждает вас в поисках необходимой ин-
формации переходить по целому ряду ссылок.
В общем, Википедия может быть полезна, если
вам необходима теория, но с точки зрения прак-
тического применения она вряд ли может счи-
таться приличным подспорьем.
3. Руководства
производителей
Некоторые свободные от предрассудков и стре-
мящиеся помочь пользователям производители
составляют в высшей степени надежные и ин-
структивные обзоры компонентов, которые они
предлагают к продаже. Например, компания
Littelfuse публикует замечательные подборки
документов, в которых рассказано практиче-
ски все, что вам могло бы потребоваться знать
о предохранителях. Но здесь перед вами вста-
ет другая проблема — информации так много,
что вам понадобится несколько часов, чтобы
изучить ее полностью. К тому же, поскольку
эти руководства обычно не получают высокий
рейтинг в поисковой системе Google, их трудно
отыскать. А если в линейке продуктов какого-
либо производителя имеются пробелы, то
в своем руководстве он вряд ли упомянет о них,
и, следовательно, вы не узнаете о том, что имен-
но в ней отсутствует.
4. Частные руководства
Хорошо известно, что многие пользователи
стремятся поделиться во Всемирной паутине
тем, что они по какому-либо вопросу знают (или
думают, что знают). Такие частные руководства
могут предложить на удивление исчерпываю-
щее онлайн-описание довольно специфичных
вопросов — таких как типы конденсаторов, наи-
более подходящих для разделительных филь-
тров акустических систем, или правильное вы-
числение значения ампер-часов для свинцово-
кислотных аккумуляторов.
К сожалению, на некоторых сайтах можно так-
же обнаружить ошибки, необоснованные мне-
ния, плагиат и экстравагантные высказывания.
Мое первое правило таково: три или более
частных руководств должны быть в общем со-
гласны друг с другом, прежде чем их заявлениям
можно начать доверять (но даже и в этом случае
у меня остается небольшая тень сомнения). При
этом на процесс поиска, изучения, сравнения и
проверки может потребоваться значительное
время.
В итоге — да, необходимая вам информация
обычно все-таки существует где-либо онлайн,
но отыскать ее не так уж и легко, — просторы
Всемирной паутины не организованы подобно
энциклопедии.
Ну, а книги? Вообще говоря, они либо предна-
значены для начинающих, либо специализиру-
ются в узких областях. Незначительное число
всеохватывающих книг, действительно, пре-
восходны, но они нацелены в первую очередь
на образовательные нужды и организованы в
соответствии с последовательностью обучения.
То есть, они, попросту, не являются справочни-
ками.
Энциклопедия как решение
Недостаток или недоступность информации пе-
рестали быть проблемой много лет назад. Но ее
обилие, непоследовательность изложения и рас-
средоточение по многим источникам становятся
новыми преградами на пути к получению зна-
ний. Когда вам приходится разыскивать инфор-
мацию в спецификациях, на сайте Википедии,
в руководствах производителей (которые мо-
гут существовать, а могут и отсутствовать),
в частных руководствах (где могут содержаться
скрытые ошибки) и во множестве учебников, то
процесс этот становится неудобным и отнимает
много времени. А если вы планируете в буду-
щем еще раз вернуться к какой-либо теме, вам
XXIV
Предисловие

придется запомнить, какие ресурсы оказались
полезными, а какие нет, — вы можете также об-
наружить, что некоторых из них более не суще-
ствует.
Когда я освещал ту или иную тему, ведя колон-
ку по электронике в журнале Make, то ощутил
реальную потребность в энциклопедии с выве-
ренными фактами и перекрестными ссылками,
которая содержала бы основную информацию
о компонентах в сжатом виде, в последователь-
ном изложении, с информативными фотогра-
фиями, схемами и диаграммами. Она могла бы
сэкономить многим людям массу времени, если
бы давала им сведения о том, как работают ком-
поненты, как их использовать, какие возможны
альтернативы, а также описывала распростра-
ненные ошибки и проблемы.
Таково самое скромное притязание Энциклопе-
дии электронных компонентов.
Читательская аудитория
Подобно любому справочнику, эта книга при-
звана оказать помощь двум категориям чита-
телей: уже осведомленным и еще не осведом-
ленным.
Возможно, вы изучаете электронику и увидели
в каталоге какой-либо компонент — он вызвал
ваш интерес, однако каталог не сообщает в точ-
ности, что этот компонент делает или для чего
обычно используется. Соответственно, вам не-
обходимо отыскать его либо по функции, либо
по названию, но вы не знаете, с чего начать.
В таком случае энциклопедический справочник
может упростить процесс отыскания фактиче-
ских сведений, уберечь вас от заказа неподходя-
щего компонента, а также рассказать о том, как
его следует применять.
Или же, напротив, вы являетесь инженером-
электронщиком или опытным любителем, обду-
мывающим новую схему. Вы помните, что ис-
пользовали такой-то компонент три или четыре
года назад, но на память полагаться не вполне
надежно. Необходимо освежить ваши воспоми-
нания при помощи краткой справки — и тогда
вы открываете эту энциклопедию, чтобы просто
получить подтверждение.
Полнота
Понятно, что эта книга не может включить
описание всех существующих компонентов.
Поставщик Mouser Electronics утверждает, что в
его онлайн-базе данных содержится более двух
миллионов единиц продукции. В Энциклопедии
электронных компонентов нашла место лишь
не столь большая их часть — но при этом она
способна дать вам справку об основных типах
имеющихся там компонентов.
Электронное издание этой книги допускает про-
стое внесение в нее дополнений и обновлений.
Надеюсь на то, что этот ресурс станет постоянно
расширяющимся.
Благодарности
Любой справочник черпает вдохновение из
множества источников, и эта книга не является
исключением. Три источника оказались особо
важными:
• Practical Electronics for Inventors by Paul Scherz
(second edition) McGraw-Hill, 2007;
• Electronic Devices and Circuit Theory by Robert
L. Boylestad and Louis Nashelsky (ninth edi-
tion) Pearson Education Inc., 2006;
• The Art of Electronics by Paul Horowitz and
Winfield Hill (second edition) Cambridge
University Press, 20061.
Я также широко использовал информацию,
собранную компаниями Mouser Electronics и
Jameco Electronics. А что каждый из нас делал бы
1 Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл. Искусство схемо-
техники. Мир, Бином, 2009.
Предисловие
XXV

без книг Getting Started in Electronics Форреста М.
Мимса-третьего (Forrest M. Mims III) или The
TTL Cookbook Дона Ланкастера (Don Lancaster)?
Весомую поддержку я также получил от редак-
тора книги Брайана Джепсона (Brian Jepson) —
он чрезвычайно помог мне в подготовке этого
проекта, Майкла Батлера (Michael Butler), ко-
торый внес значительный вклад в его началь-
ную концепцию и структуру, и Джоша Гейтса
(Josh Gates), выполнившего анализ источников.
Издательство Maker Media проявило веру в мой
труд, а Кевин Келли (Kevin Kelly) невольно по-
влиял на меня своей легендарной заинтересо-
ванностью в «доступе к инструментам».
Проверку основных сведений выполняли Эрик
Моуберг (Eric Moberg), Крис Лиракис (Chris
Lirakis), Джейсон Джордж (Jason George), Рой
Рейби (Roy Rabey), Эмре Танкер (Emre Tuncer)
и Патрик Фагг (Patrick Fagg). Я в долгу перед
ними за оказанную помощь. Ответственность за
все оставшиеся ошибки, естественно, лежит на
мне.
И, наконец, я хотел бы упомянуть своих давних
школьных приятелей: Хью Левинсона (Hugh
Levinson), Патрика Фагга (Patrick Fagg), Грэхема
Роджерса (Graham Rogers), Уильяма Эдмондсона
(William Edmondson) и Джона Уитти (John Witty),
которые помогли мне понять, что быть зануд-
ным подростком, собирающим собственную
аудиоаппаратуру, вполне нормально — задолго
до того, как появилось словечко «ботаник».
Чарльз Платт, 2012 г.
XXVI
Предисловие

КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ
ЭТОЙ КНИГОЙ?
1
Во избежание недоразумений, связанных с назначением этой книги
и методом работы с нею, здесь приводится небольшое описание,
поясняющее, как она задумана и устроена.
Энциклопедия —
в сравнении с учебником
Как подразумевает название этой книги, она яв-
ляется энциклопедией, а не учебником. Другими
словами, она не начинается с элементарных по-
нятий, от которых идет последовательный пере-
ход к более сложным вещам.
Вы можете открыть ее на любой странице, оты-
скать интересующую вас тему, выяснить то, что
вам необходимо узнать, а затем отложить книгу
в сторону. Если вы решите читать ее от начала до
конца, то не обнаружите последовательного из-
ложения понятий с нарастающей сложностью.
Мои предыдущие книги: Make: Electronics1 и
Make: More Electronics2 — следуют подходу, ха-
рактерному для учебников. Однако их охват не
столь обширен как в этой энциклопедии, по-
скольку в учебнике значительное место неиз-
бежно отводится на пошаговые объяснения и
инструкции.
1 На русском языке книга Ч. Платта «Make: Electronics»
вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под названием
«Электроника для начинающих» (http://www.bhv.ru/
books/book.php?id= 189967). - Ред.
2 На русском языке книга Ч. Платта «Make: More Elec-
tronics» вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под
названием «Электроника: логические микросхемы,
усилители и датчики для начинающих» (http://www.
bhv.ra/books/book.php?id= 193257). - Ред.
Теория и практика
Эта книга ориентирована в большей степени
на практику, чем на теорию. Я подразумеваю,
что читатель желает узнать главным образом
об использовании электронных компонентов,
а не о том, почему они работают именно так, а
не иначе. Следовательно, я не включил в книгу
никаких доказательств формул и определений
из теории электричества, а также сколь-нибудь
обширные исторические сведения. Единицы из-
мерения определены лишь в такой мере, в какой
это необходимо во избежание путаницы.
А если теория представляет для вас интерес, то
вы без труда найдете множество книг по теории
электроники.
Структура
Энциклопедия разделена на статьи, каждая из
которых посвящена какому-либо обширно-
му типу компонентов. Следующие два правила
определяют, будет ли какой-либо компонент
полностью рассмотрен в одной статье или ока-
жется внутри какой-либо другой:
• компонент заслуживает собственной
статьи, если он: а) широко используется или
б) используется не столь широко, но обла-
дает своеобразием и, возможно, некоторым
Как пользоваться этой книгой?
1

Предметные пути
историческим статусом. Широко исполь-
зуемым компонентом может оказаться
биполярный транзистор, а компонентом,
который применяется нечасто, но обладает
уникальными особенностями, мог бы стать
однопереходный транзистор;
• компонент не заслуживает собственной
статьи, если он: а) используется редко
или б) очень схож по функциям с другим
компонентом, который применяется более
широко. Например, реостат отнесен к
статье потенциометр, а кремниевый диод,
стабилитрон и германиевый диод объеди-
нены в статье диод.
К этим руководящим принципам неизбежно по-
требовались уточнения, которые в некоторых
случаях могут показаться произвольными. Мое
окончательное решение основано на том, где я
ожидал бы увидеть какой-либо компонент, если
бы сам стал его отыскивать.
Предметные пути
Статьи расположены не в алфавитном, а в те-
матцческом порядке — сгруппированы по пред-
метам, подобно тому как в библиотеке книги, не
относящиеся к художественной литературе, раз-
мещены в соответствии с системой Дьюи3. Это
удобно, если вы не знаете в точности, что ищете,
или вам неизвестны все варианты, которые мо-
гут быть доступны для выполнения задуманной
вами задачи.
Каждая первичная категория разделена на под-
категории, которые, в свою очередь, разделены
по типам компонентов (табл. 1.1). Эта иерархия
3 Dewey Decimal System, десятичная система классифи-
кации Дьюи — библиотечная система классификации
книг, при которой все области знания делятся на
10 классов, а внутри каждого класса выделяются
десятичные подклассы, разделы и подразделы. Изобре-
тена в 1876 г. М. Дьюи. На этой системе основана систе-
ма Библиотеки Конгресса, а также большинство библио-
течных классификаций, применяемых в мире. — Примеч.
перев.
в виде строки пути приводится в верхней части
(колонтитуле) каждой страницы статьи. Статья
конденсатор, например, снабжена следующим
колонтитулом:
электрическая энергия > распределение >
конденсатор
Таблица 7.7. Предметно-ориентированная организация
категорий и статей
Первичная
категория
Электри-
ческая
энергия
Электро-
магнитная
энергия
Полупро-
водниковые
приборы
Вторичная
категория
Производство
Коммутация
Распределение4
Преобразование
Стабилизация
Линейное
движение
Вращательное
движение
Один р-п-
переход
Несколько р-п-
переходов
Тип компонента
Химический источник тока
Перемычка
Предохранитель
Кнопка
Переключатель
Поворотный
переключатель
Поворотный эн кодер
Реле
Резистор
Потенциометр
Конденсатор
Переменный конденсатор
Катушка индуктивности
Трансформатор
Источник питания AC-DC
Конвертер DC-DC
Инвертор DC-AC
Стабилизатор напряжения
Электромагнит
Соленоид
Электродвигатель
постоянного тока
Электродвигатель
переменного тока
Серводвигатель
Шаговый двигатель
Диод
Однопереходный
транзистор
Биполярный транзистор
Полевой транзистор
4 В оригинале автор использует термин «moderation». -
Ред.
Статья 1

Добавления и исключения
В любой классификации обычно встречают-
ся исключения. Вы можете, например, купить
микросхему, содержащую резисторную сбор-
ку. С технической точки зрения, это аналого-
вая интегральная схема, но следует ли отнести
это устройство к интегральным коммутаторам
и компараторам? Вряд ли, и было принято ре-
шение поместить его в статью резистор, по-
скольку это показалось мне более удобным.
Некоторые компоненты обладают смешанными
функциями. Во втором томе этой энциклопедии
(который вскоре будет издан) в подкатегории
интегральная схема мы проведем разграничение
между аналоговыми и цифровыми схемами. Где
же тогда поместить аналого-цифровой пре-
образователь? Он отыщется среди аналоговых
схем, поскольку эта категория лучше выражает
связь с его первичной функцией, и большинство
читателей будет, вероятно, искать его там5.
Добавления и исключения
Возникает также вопрос, что является, а что
не является компонентом. Является ли компо-
нентом провод? Нет, не для целей этой энци-
клопедии. А как насчет DC-DC конвертера?
Поскольку теперь поставщики компонентов
продают подобные устройства в виде закончен-
ных изделий, они были включены сюда в каче-
стве компонентов.
Множество подобных решений пришлось при-
нимать в каждом конкретном случае. Безусловно,
некоторые читатели не согласятся с окончатель-
ным выбором, но примирить все противоречия
было бы все равно невозможно. Что касается
меня, то лучшее, что я смог, — это написать кни-
гу, которая организована таким образом, чтобы
она устраивала меня, когда я пользуюсь ею сам.
5 Предлагаемая автором классификация электронных
компонентов несколько отличается от общепринятой
и направлена на быстрый интуитивный поиск необ-
ходимой информации на страницах энциклопедии. —
Ред.
Оформление текста
Во всей энциклопедии названия компонентов,
которым посвящены отдельные статьи, выде-
лены полужирным шрифтом. Другие важные
термины электроники или названия компонен-
тов выделяются курсивом, когда они первый раз
встречаются в любом из разделов.
Названия компонентов, а также категорий, к ко-
торым они относятся, набраны строчными бук-
вами, кроме тех случаев, когда термин содержит
прописные буквы, поскольку является аббреви-
атурой или представляет торговую марку. Так,
например, подстроечный резистор Trimpot — это
торговая марка компании Bourns, a trimmer (под-
строечный элемент) — нет. LED представляет
собой аббревиатуру, а светодиод (сокращение
от названия светоизлучающий диод) — нет.
Там, где использованы формулы, они пред-
ставлены в формате, знакомом программистам,
но непривычном всем остальным. Так, символ
звездочки (*) используется вместо знака умно-
жения, а слэш (/) означает деление. Когда пары
скобок вложены друг в друга, то наиболее глубо-
ко расположенная пара указывает на операции,
которые должны быть выполнены первыми.
Содержание томов
Из практических соображений, исходя из объ-
ема книги, было принято решение разделить
Энциклопедию электронных компонентов на три
тома. В каждом томе рассмотрены следующие
обширные темы:
• Том 1. Энергия, электромагнетизм и
дискретные полупроводники:
♦ катето\)ияэлектрическаяэнергиясоде\)жит
источники электроэнергии и электрон-
ные устройства, которые обеспечивают
распространение, распределение и пре-
образование энергии;
Как пользоваться этой книгой?

Библиотека Safari9 Books Online
♦ категория электромагнитная энергия со-
держит устройства, которые создают ли-
нейное и вращательное движения;
♦ категория полупроводниковые приборы
содержит основные типы диодов и тран-
зисторов.
• Том 2. Интегральные схемы, источники
света, звука и тепла, а также источники
излучения высокой частоты:
♦ категория интегральные схемы разделена
на аналоговые и цифровые компоненты;
♦ категория источники света охватывает
устройства, начиная с ламп накаливания
и заканчивая светодиодами и небольши-
ми дисплеями. Некоторые отражающие
компоненты — например, жидкокристал-
лические дисплеи и устройства на основе
«электронных чернил» (e-ink), также
включены сюда;
♦ источники звука — главным образом,
электромагнитные.
• Том 3. Датчики.
Сфера датчиков стала настолько обширной,
что для них потребовался отдельный том.
Категория датчики содержит устройства,
которые воспринимают свет, звук, тепло,
движение, давление, наличие газа, влаж-
ность, ориентацию в пространстве, электри-
ческий ток, приближение чего-либо, дейст-
вие силы и радиации.
На момент написания этих строк тома 2 и 3 еще
готовятся к печати, но ожидается, что их содер-
жание будет таким, как представлено здесь.
Библиотека Safari9 Books
Online
Safari Books Online представляет собой онлайн-
библиотеку с выдачей материалов по запросу,
которая позволяет быстро найти ответы на ваши
вопросы среди более чем 7500 справочников
и видеоматериалов, посвященных технологии
и конструированию.
Оформив подписку, вы сможете читать любую
книгу и смотреть любое видео из библиотеки в
онлайн-режиме, в том числе на своем смартфоне
или ином мобильном устройстве. Подписчики
библиотеки получают доступ к новым изданиям
еще до того, как они выйдут из печати, а также
привилегированный доступ к рукописям, нахо-
дящимся в разработке, и имеют возможность
отправлять свои отзывы и замечания авторам.
Копируйте и используйте образцы программно-
го кода, управляйте избранными страницами,
загружайте отдельные главы, помещайте за-
кладки на ключевых разделах, создавайте при-
мечания, распечатывайте страницы и пользуй-
тесь преимуществами множества других функ-
ций, экономящих время.
Эту книгу издательство Maker Media также опу-
бликовало в службе Safari Books Online6. И что-
бы получить полный цифровой доступ к ней,
а также к прочим книгам подобной тематики от
издательства МАКЕ и других, зарегистрируйтесь
бесплатно на сайте http://safaribooksonline.
com.
Как с нами связаться?
Пожалуйста, присылайте издателю коммента-
рии и вопросы, относящиеся к этой книге, по
адресу:
МАКЕ
1005 Gravenstein Highway North
Sebastopol,CA 95472
800-998-9938 (в США или Канаде)
707-829-0515 (международный или местный)
707-829-0104 (факс)
Группа МАКЕ объединяет, воодушевляет, ин-
формирует и поддерживает растущее сообще-
ство творческих людей, которые создают свои
изумительные проекты во дворах, в подвалах
6 Речь здесь идет, разумеется, об исходной, американ-
ской версии книги. — Ред.
Статья 7

Электронный архив
и гаражах. Группа МАКЕ приветствует ваше
право подстраивать, изменять и использовать
любую технологию в соответствии с вашим же-
ланием. Аудитория МАКЕ продолжает расти
в качестве культурного сообщества, которое ве-
рит в улучшение самих себя, окружающей среды
и системы образования — всего нашего мира в
целом. Это намного больше, чем просто объеди-
нение людей, это всемирное движение, во главе
которого находится группа МАКЕ — мы называ-
ем его Maker Movement («Движение творцов»).
Чтобы получить дополнительную информацию
о движении МАКЕ, посетите нас онлайн:
• журнал МАКЕ: http://makezine.com/mag-
azine/;
• выставка Maker Faire: http://makerfaire.
com;
• сайт Makezine.com: http://makezine.com;
• магазин Maker Shed: http://makershed.
com/.
По адресу http://oreil.ly/encyc_electronic_
compvl расположена посвященная этой книге
специальная веб-страница, на которой приве-
дены опечатки, примеры и дополнительная ин-
формация.
Чтобы оставить комментарий или задать техни-
ческие вопросы об этой книге, отправьте элек-
тронное письмо по адресу: bookquestions@or-
eilly.com7.
Дополнительную информацию о наших публи-
кациях, событиях и продуктах можно узнать на
сайте http://makermedia.com.
Найдите нас в социальной сети Facebook:
https://www.facebook.com/makemagazine.
Следуйте за нами в сервисе Twitter: https://
twitter.com/make.
Смотрите нас на канале YouTube: http://www.
youtube.com/makemagazine.
Электронный архив
Учитывая, что русское издание книги выходит
в черно-белом варианте, в отличие от ориги-
нального цветного, что может сказаться на пра-
вильности восприятия цветных компонентов на
имеющихся в ней иллюстрациях, издательство
«БХВ-Петербург» разместило все иллюстрации
книги в электронном архиве, доступном для за-
качки с FTP-сервера издательства по ссылке
ftp://ftp.bhv.ru/978S977S37476.zip или со
страницы книги на сайте www.bhv.ru. Кроме
того, наиболее важные для понимания материа-
ла книги иллюстрации вынесены на цветную
вклейку.
7 Оставить свои комментарии к русскому переводу
этой книги можно на посвященной ей странице сайта
издательства «БХВ-Петербург» по адресу www.bhv.
га. - Ред.
Как пользоваться этой книгой?

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
2
В этой статье рассмотрены электрохимические источники пита-
ния. Чаще всего электричество вырабатывается электромагнитным
способом, но поскольку такие источники нельзя классифициро-
вать как компоненты, они остаются за рамками этой энциклопедии.
Электростатические источники исключены из нее по тем же сообра-
жениям.
Химический источник тока (по англ. battery) иногда называют эле-
ментом или элементом питания, но он может в действительности
содержать несколько элементов, как показано здесь далее. Ранее его
называли также батареей, но теперь это название считается уста-
ревшим.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• конденсатор (см. статью 12)
Описание
Химический источник тока содержит один или
несколько электрохимических элементов, в ко-
торых между двумя погруженными в химиче-
ские компоненты электродами за счет химиче-
ских реакций создается электрический потен-
циал. Этот потенциал может быть высвобожден
как ток, протекающий через нагрузку.
Электрохимический элемент не следует путать
с электролитическим элементом, в котором за
счет использования внешнего источника элек-
троэнергии происходит электролиз, при кото-
ром химические соединения разлагаются на
составные элементы. Таким образом, электро-
литический элемент потребляет электричество,
а электрохимический элемент производит его.
Химические источники тока различаются раз-
мерами: от миниатюрных элементов питания
(«таблеток») до больших свинцово-кислотных
батарей, которые хранят энергию, вырабаты-
ваемую солнечными панелями или ветряками
в местах, удаленных от энергосетей. Массивы
больших аккумуляторов могут обеспечивать
бесперебойное питание предприятий и даже не-
больших поселений, если обычный источник
энергии работает нестабильно. На рис. 2.1 пока-
зан массив аккумуляторов на 480 вольт постоян-
ного тока мощностью 60 кВт, подзаряжаемый за
счет энергии ветра и солнца и обеспечивающий
дневную потребность в электроэнергии корпо-
ративного центра обработки данных. Каждый
свинцово-кислотный аккумулятор в этом мас-
сиве имеет размеры около 70x26x30 см и весит
приблизительно 450 кг.
Условные обозначения химического источни-
ка тока показаны на рис. 2.2. Более длинная из
двух линий представляет в каждом случае поло-
жительный полюс источника. Один из способов
Химический источник тока

Устройство
Электрическая энергия > производство > химический источник токо
Устройство
В химическом источнике энергии обычной кон-
струкции, которую часто используют в демон-
страционных целях, медный стержень высту-
пает в роли электрода, частично погруженного
в раствор сульфата меди, а цинковый — являет-
ся вторым электродом, частично погруженным
в раствор сульфата цинка. Каждый из сульфат-
ных растворов называется электролитом, ис-
точник в целом можно называть элементом,
а каждую из его половин — полуэлементом.
Рис. 2.1. Массив аккумуляторов, обеспечивающий мощность
60 кВт при 480 В постоянного тока и используемый в качестве
резервного источника питания для корпоративного центра
обработки данных. (Фотография публикуется с разрешения
компании Hybridyne Power Systems, Canada, Inc. и группы ком-
паний Hybridyne. Авторское право на фотографию принад-
лежит Hybridyne, международной зарегистрированной тор-
говой марке компании Hybridyne Power Systems Canada Inc.
Дальнейшее воспроизведение фотографии не разрешается
без специального разрешения от группы Hybridyne.)
.3 I.
If
Рис. 2.2. Схематическое обозначение химического источника
тока: каждая пара символов внутри отдельных прямоуголь-
ников идентична по своим функциям
запомнить это — представить, что длинную ли-
нию можно разрезать пополам, чтобы соста-
вить из двух таких частей символ +. Обычно не-
сколько соединенных последовательно симво-
лов указывают на наличие нескольких элемен-
тов внутри батареи — таким образом, символы
в центральном прямоугольнике могут обозна-
чать элемент на 3 В, а символы справа — более
высокое напряжение. Впрочем, на практике та-
кое соглашение соблюдается не всегда.
Рис. ЦВ-2.3. Простой электрохимический элемент
8
Статья 2

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
Устройство
Рис. 2.4. Разрез типичной щелочной батарейки на 1,5 В
Одновременно, электроны, приходящие в мед-
ный электрод, стремятся притянуть положи-
тельные ионы меди, показанные на рисунке
оранжевыми стрелками. Ионы меди изымаются
из электролита на основе сульфата меди, и в ре-
зультате на медном электроде происходит уве-
личение числа атомов меди.
Этот процесс поддерживается, в частности, за
счет того, что атомы цинка теряют электроны
легче, чем атомы меди.
В источниках питания, которые применяются
в бытовой электронике, электролит обычно
имеет консистенцию густой пасты. Такие источ-
ники называют сухими элементами, хотя этот
термин и устарел. Два полуэлемента источника
питания могут быть скомпонованы концентри-
чески — как в обычной щелочной батарейке на
1,5 В типа С, D, АА или ААА (рис. 2.4).
Батарейка на 1,5 В содержит один элемент, а в
батарейках на 6 или 9 вольт несколько элемен-
тов соединены последовательно. Общее напря-
жение такой батарейки равно сумме напряже-
ний ее элементов.
Упрощенный разрез такого элемента приведен
на рис. ЦВ-2.31. Синими стрелками в верхней
части рисунка показано направление движе-
ния электронов от цинкового электрода (анода)
через внешнюю нагрузку к медному (катоду).
Мембранный сепаратор позволяет электронам
перемещаться внутри элемента, но предотвра-
щает смешивание электролитов.
Оранжевые стрелки представляют на этом ри-
сунке положительные ионы меди, а белые —
положительные ионы цинка (ион — это атом
с избыточным или недостаточным количеством
электронов). Ионы цинка вытягиваются элек-
тролитом на основе сульфата цинка из цинково-
го электрода, в результате чего масса цинкового
электрода уменьшается.
1 Иллюстрации с префиксом ЦВ вынесены также и на
цветную вклейку. — Ред.
Электроды: терминология
Электроды элемента питания часто называют
катодом и анодом. Эти термины приводят к пу-
танице, поскольку электроны входят в анод вну-
три элемента и покидают его вне элемента, и в то
же время они входят в катод снаружи элемента и
покидают его внутри элемента. Следовательно,
анод является эмиттером электронов, если вы
смотрите на него снаружи, но и катод также яв-
ляется их эмиттером, если смотреть изнутри.
Условно принято представлять ток протекающим
противоположно движению электронов, и, сле-
довательно, за пределами элемента этот ток про-
текает от катода к аноду — с этой точки зрения
катод можно считать «более положительным»,
чем анод. Чтобы это запомнить, представляйте
себе, что вместо буквы «т» в слове «катод» стоит
знак + так: «ка+од». У больших аккумуляторов
Химический источник тока

Варианты
Электрическая энергия > производство > химический источник тока
катод часто окрашивается или помечается крас-
ным цветом, а анод может быть окрашен или по-
мечен черным или синим цветом.
Когда перезаряжаемый аккумулятор заряжает-
ся, поток электронов движется в обратном на-
правлении, и анод с катодом в действительности
меняются местами. Учитывая это, производите-
ли аккумуляторов могут называть анодом «бо-
лее положительный» электрод. Это приводит
к дополнительной путанице, которая усугубля-
ется производителями электроники, использу-
ющими термин «катод», чтобы обозначить тот
электрод диода, который должен быть «более
отрицательным» (то есть с более низким по-
тенциалом) по сравнению с противоположным
электродом.
Чтобы снизить вероятность ошибок, проще
всего избегать терминов «анод» и «катод» при-
менительно к аккумуляторам и вместо этого
говорить об отрицательном и положительном
контакте (разъеме, выводе, клемме) источника
питания.
В этой энциклопедии принято общеупотреби-
тельное соглашение, в соответствии с которым
термином «катод» обозначается «более отрица-
тельный» электрод диода любого типа.
в аккумуляторе, а также характер обраще-
ния с аккумулятором, влияют на скорость
химического разрушения электродов, кото-
рому они подвержены при многократной
повторной зарядке. В любом случае, коли-
чество циклов зарядки/разрядки аккуму-
ляторов ограничено;
• топливные элементы требуют входящего
потока химически активного газа (напри-
мер, водорода), чтобы поддерживать элект-
рохимическую реакцию в течение длитель-
ного периода. Их рассмотрение выходит за
рамки этой энциклопедии.
Вместо аккумуляторов в некоторых случаях
можно использовать большие конденсаторы,
хотя они обладают меньшей плотностью энер-
гии, и их производство дороже по сравнению
с аккумуляторами такой же мощности. Конден-
сатор заряжается и разряжается гораздо бы-
стрее, чем аккумулятор, поскольку в нем нет
химических реакций, однако аккумулятор во
время цикла разрядки поддерживает напряже-
ние намного более успешно (рис. 2.5).
Варианты
Существуют три типа химических источников
тока:
• гальванические элементы, которые собст-
венно (но нечасто) и называют первичными
элементами. Их нельзя зарядить повторно,
поскольку химические реакции в них нелег-
ко обратить;
• перезаряжаемые аккумуляторы, известные
под (редким) именем вторичных элементов.
Их можно заряжать повторно, создав напря-
жение между клеммами при помощи внеш-
него источника тока, называемого зарядным
устройством. Материалы, использованные
Рис. 2.5. Падение напряжения в разряжающемся конденсато-
ре происходит сначала более круто, чем в аккумуляторе, и это
делает конденсаторы непригодными в качестве замены акку-
муляторам во многих приложениях. Тем не менее, способ-
ность конденсатора к быстрой разрядке при высокой силе
тока иногда может стать существенным преимуществом
ю
Статья 2

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
Варианты
Конденсаторы, которые способны хранить боль-
шое количество энергии, часто называют супер-
конденсаторами.
Гальванические элементы
Плотность энергии в любом гальваническом
элементе выше, чем в любом типе перезаря-
жаемого аккумулятора, а срок службы намного
дольше, поскольку в периоды бездействия заряд
у них теряется намного медленнее (это называ-
ется скоростью саморазряда). Гальванические
элементы могут работать в течение пяти лет и
более, и это делает их идеальными источниками
энергии для применения в таких устройствах,
как детекторы дыма, пульты дистанционного
управления для бытовой электроники или ава-
рийные мигающие лампы.
Гальванические элементы не очень подходят
для обеспечения высокой силы тока при нагруз-
ке ниже 75 Ом. Для применения при высоких
Роаиьчое значение
ори <доросли С-rait? г- 1
ш
эидиые* пы!шево- Ще
Рис. 2.6. Вследствие своего довольно высокого внутреннего
сопротивления щелочные аккумуляторы совершенно непри-
годны для работы при высоких скоростях разряда, и поэтому
их следует применять лишь в тех случаях, когда необходим
слабый ток в течение длительного периода (диаграмма взята
с сайта batteryuniversity.com)
токах предпочтительнее перезаряжаемые акку-
муляторы. Столбиковая диаграмма на рис. 2.6
показывает расчетные и реальные возможности
щелочного гальванического элемента по сравне-
нию с тремя наиболее часто используемыми ти-
пами перезаряжаемых аккумуляторов (при этом
аккумуляторы подключены к сопротивлению,
которое является достаточно низким, чтобы
обеспечить полный их разряд в течение часа).
Расчетная величина Вт-ч/кг обычно определяет-
ся производителем при проверке аккумулятора,
когда его разряжают на нагрузке со сравнитель-
но высоким сопротивлением, что обеспечивает
медленную скорость разряда. Если же аккуму-
лятор разряжать со скоростью C-rate, равной 1
(что соответствует полному разряду в течение
часа), эта величина, как можно видеть, и близко
не совпадает с реальностью.
Распространенными типами перезаряжаемых
аккумуляторов являются угольно-цинковые эле-
менты и щелочные элементы. В угольно-цинко-
вом элементе отрицательный электрод выпол-
нен из цинка, а положительный — из графита.
Популярность элементов такого типа падает,
поскольку они обладают небольшой мощ-
ностью, но благодаря невысокой стоимости
производства они по-прежнему встречаются
в продуктах, продаваемых «вместе с батарейка-
ми». Электролитом в них обычно является хло-
ристый аммоний или хлорид цинка.
В щелочном элементе отрицательный электрод
выполнен из цинкового порошка, положитель-
ный — из диоксида марганца, а в качестве элек-
тролита выступает гидроксид калия. Щелочной
элемент может обеспечить мощность, кото-
рая от трех до пяти раз выше, чем у угольно-
цинкового элемента таких же размеров, и он
менее подвержен спаду напряжения во время
цикла разрядки.
Батарейка на 9 В, показанная на рис. 2.7 сле-
ва, — это угольно-цинковый химический источ-
ник тока (как сообщает его поставщик). Рядом
Химический источник тока
11

Электрическая энергия > производство > химический источник токо
с ним (справа) показан щелочной элемент на
12 В меньших размеров, предназначенный для
использования в охранной сигнализации. Эти
примеры демонстрируют, что тип источника пи-
тания не всегда возможно верно определить на
основе его внешнего вида.
Рис. 2.7. Недорогая батарея угольно-цинковых элементов
(слева); 12-вольтовый щелочной элемент для охранной сигна-
лизации (справа)
Исключительная долговечность при хранении
важна в некоторых военных системах. Этого
можно добиться при использовании резервного
источника тока, в котором внутренние химиче-
ские вещества отделены друг от друга, но перед
началом использования могут быть воссоеди-
нены.
Перезаряжаемые аккумуляторы
Самыми распространенными типами переза-
ряжаемых аккумуляторов являются свинцово-
кислотные, никель-кадмиевые (обозначаются
как NiCad или NiCd), никелъ-металлогидридные
(NiMH), литиево-ионные (Li-ion) и полимерные
литиево-ионные аккумуляторы.
Свинцово-кислотные аккумуляторы существу-
ют уже более века и по-прежнему широко ис-
пользуются в транспортных средствах, охран-
ной сигнализации, аварийном освещении и в
больших системах резервного электропитания.
Ранняя их конструкция называется открытой —
в них в качестве электролита используется
раствор серной кислоты (называемой аккумуля-
торной кислотой), в который периодически тре-
буется добавлять дистиллированную воду. Есть
в таких аккумуляторах и отверстия для выхода
газа, через которые может происходить утечка
кислоты, если аккумулятор перевернуть.
Более широкое применение нашли сейчас свин-
цово-кислотные аккумуляторы с клапанным ре-
гулированием (VRLA) — им не требуется добав-
ление воды в элементы, оснащены они также
и клапаном разгрузки давления, через который,
вне зависимости от положения аккумулятора,
электролит вытечь не сможет. Такие аккумуля-
торы предпочтительно использовать при бес-
перебойной подаче электроэнергии для обору-
дования, занятого обработкой данных. Можно
обнаружить их и в автомобилях и в инвалидных
креслах с электроприводом, поскольку низкий
выход газов и защита от утечек увеличивают
степень безопасности. VRLA-аккумуляторы
можно разделить на два типа: выполненные
по технологии AGM (Absorbent Glass Mat,
абсорбирующее стекловолокно) — электролит
в них абсорбирован сепаратором из стеклово-
локна, и гелевые, электролит которых смешан
с кварцевой пылью, чтобы создать консистент-
ный гель.
Пластины в стандартном свинцово-кислотном
аккумуляторе сделаны из пористого свинца, что
увеличивает площадь поверхности, которая
доступна для кислоты, но при глубоком разря-
де такие пластины могут прийти в негодность.
В свинцово-кислотных аккумуляторах глубокого
цикла пластины цельные. Эти аккумуляторы до-
пускают разряд до низкого уровня — примерно
до 20% от величины полного заряда (хотя про-
изводители могут заявить и более низкое значе-
ние). Это означает, что они более надежны, но
менее пригодны для обеспечения высокой силы
тока. Если такой аккумулятор используется в
системе зажигания двигателя внутреннего сго-
рания, он должен быть крупнее, чем обычный
свинцово-кислотный аккумулятор, предназна-
ченный для этой цели.
12
Статья 2

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
Варианты
Герметичный свинцово-кислотный аккумуля-
тор, питающий систему наружного освещения,
включающегося при срабатывании датчика
движения, показан на рис. 2.8. Этот блок весит
несколько килограммов и неспешно заряжает-
ся днем от панели солнечной батареи размером
15x15 см.
Рис. 2.8. Свинцово-кислотный аккумулятор из системы на-
ружного освещения, срабатывающей отдатчика движения
щелочного элемента питания, который находит-
ся в средней части цикла разряда.
Литиево-ионные и полимерные литиево-ионные
аккумуляторы обладают лучшим отношени-
ем «энергия/масса» по сравнению с никель-
металлогидридными аккумуляторами и широко
используются в таких электронных устройствах,
как ноутбуки, медиапроигрыватели, цифровые
камеры и сотовые телефоны. Большие блоки
литиевых аккумуляторов установлены также в
некоторых электрических транспортных сред-
ствах.
Различные небольшие перезаряжаемые акку-
муляторы показаны на рис. 2.9. Блок NiCad-
элементов (слева вверху) производился ранее
для беспроводных телефонов, но быстро вышел
из употребления. Литиевый аккумулятор на 3 В
(справа вверху) предназначен для цифровой ка-
меры. Три аккумулятора в нижней части фото-
графии представляют собой перезаряжаемые
NiMH-заменители для элементов на 9 В, АА
иААА.
Никель-кадмиевые (NiCad) аккумуляторы спо-
собны выдержать чрезвычайно сильный ток,
но их использование запрещено в Европе из-
за высокой токсичности металлического кад-
мия. Им на замену пришли безопасные никель-
металлогидридные (NiMH) аккумуляторы,
не обладающие вдобавок эффектом памяти,
который мешает полностью зарядить NiCad-
элемент, если он был оставлен в частично раз-
ряженном состоянии в течение недель или меся-
цев. Одноэлементные аккумуляторы типов АА и
ААА, изготовленные по технологии NiMH, об-
ладают расчетным напряжением 1,2 В, а не 1,5 В,
однако производители утверждают, что эти эле-
менты могут быть использованы вместо щелоч-
ных элементов на 1,5 В, так как аккумуляторы
NiMH более ровно поддерживают расчетное на-
пряжение с течением времени. Таким образом,
выходное напряжение только что заряженного
NiMH-аккумулятора сравнимо с напряжением
Рис. 2.9. Блок NiCad-элементов для беспроводного телефона
{слева вверху); литиевый аккумулятор для цифровой камеры
{справа вверху); остальные аккумуляторы — это перезаря-
жаемые NiMH-заменители для обычных щелочных элементов
Химический источник тока
13

Параметры
Электрическая энергия > производство > химический источник токо
Поскольку источник не создает ток в отсутствие
нагрузки, ток следует измерять при подключен-
ной нагрузке, а не с помощью одного лишь из-
мерительного устройства. Если подключить его
непосредственно к клеммам источника или па-
раллельно с нагрузкой, то в этом устройстве не-
медленно возникнет перегрузка с разрушитель-
ными последствиями. Силу тока всегда следует
измерять, подключив измерительное устрой-
ство последовательно с нагрузкой, причем по-
лярность устройства должна соответствовать
полярности источника (рис. 2.11).
Рис. 2.10. Этот блок NiMH-элементов с номиналом 10 А-ч соз-
дает напряжение 12 В за счет десяти элементов размера D,
соединенных последовательно
Блоки NiMH-элементов способны обеспечить
большую мощность, будучи меньше и лег-
че, чем их свинцово-кислотные эквиваленты.
Показанный на рис. 2.10 блок с номиналом
10 А-ч состоит из десяти элементов NiMH раз-
мера D, соединенных последовательно, чтобы
создать напряжение 12 В постоянного тока.
Такой тип блоков полезен в робототехнике и
других устройствах, где небольшое устройство
с электродвигателем должно обладать свободой
перемещения.
Электрическая емкость
Электрическая емкость источника измеряется в
ампер-часах, сокращенно: А-ч или (редко) А/ч,
Небольшие значения измеряются в миллиампер-
часах, обычно сокращаемых до мА-ч. Если от ис-
точника потребляется ток I (в амперах), а Т -
это время (в часах), в течение которого источ-
ник питания способен обеспечивать такой ток,
Параметры
Сила тока
Ток, создаваемый источником, в значительной
степени определяется сопротивлением внешней
нагрузки, подключенной к его разъемам. Но по-
скольку для замыкания цепи внутри источника
должно происходить перемещение ионов, сила
тока будет также ограничена его внутренним со-
противлением, которое следует воспринимать
в качестве активной части цепи.
Рис. 2.11. При измерении силы тока с помощью амперме-
тра (или мультиметра, настроенного на измерение силы
тока) устройство должно быть подключено последовательно
с источником и нагрузкой. Чтобы избежать повреждения
устройства, никогда не подключайте его напрямую к клем-
мам источника или параллельно с нагрузкой. Соблюдай-
те также полярность при подключении измерительного
устройства
14
Статья 2

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
Параметры
то емкость в ампер-часах определяется следую-
щей формулой:
А-ч = I * Т
Если обратить это соотношение, то, зная номи-
нал в ампер-часах, который указан производи-
телем, можно вычислить время в часах, в тече-
ние которого источник способен поддерживать
заданную силу тока:
Т = А-ч / I
Теоретически, значение А-ч постоянно для каж-
дого конкретного источника питания. Следова-
тельно, аккумулятор с номиналом 4 А-ч должен
обеспечивать ток в 1 А в течение 4 часов, 4 А —
в течение часа, 5 А — в течение 0,8 часа (48 ми-
нут) и т. д.
В действительности, такое простое линейное со-
отношение не соблюдается. Оно быстро наруша-
ется при увеличении силы тока, в особенности
при использовании свинцово-кислотных акку-
муляторов, которые не очень хорошо справля-
ются с обеспечением высокой силы тока, — не-
которая часть энергии теряется в виде тепла, и
аккумулятор может по электрохимическим при-
чинам не справиться с поддержанием требуемо-
го тока.
Число Пекерта (названное в 1897 г. по имени его
немецкого автора) является подгоночным коэф-
фициентом для получения более реалистичного
значения Т при высокой силе тока. Если п — это
число Пекерта для данного источника питания,
то тогда приведенную ранее формулу можно
преобразовать к такому виду:
Т = А-ч / 1П
Производители обычно (но не всегда) указы-
вают число Пекерта в спецификации источника
питания. Поэтому, если номинал равен 4 А-ч,
число Пекерта равно 1,2 (типичное значение
для свинцово-кислотных аккумуляторов), сила
тока I = 5 А, и мы желаем узнать, в течение ка-
кого периода времени Т источник способен обе-
спечивать силу тока в 5 А, то:
Т = 4 / 51'2 = приблизительно 4/6,9
Это составляет около 0,58 часа, или 35 минут, —
намного меньше, чем 48 минут, которые дает
исходная формула.
К сожалению, в этом расчете скрывается серьез-
ная проблема. Во времена Пекерта номинал
в ампер-часах определялся производителем ис-
точника питания при получении от него силы
тока в 1 А и измерении продолжительности
времени, в течение которого источник способен
поддерживать такой ток. Если на это уходило
4 часа, то номинал источника питания призна-
вался равным 4 А-ч.
В наши дни этот измерительный процесс вы-
полняется наоборот — вместо задания тока,
который должен быть получен от источника
тока, производитель указывает время продол-
жительности проверки, а затем находит макси-
мальную силу тока, которую источник способен
обеспечить за это время. Часто этот период ра-
вен 20 часам. Следовательно, если современный
номинал источника тока определен в 4 А-ч, то,
вероятно, испытания показали, что он способен
обеспечивать ток силой 0,2 А в течение 20 часов,
а не ток силой 1А в течение 4 часов, как было бы
во времена Пекерта.
Это различие существенно, поскольку источ-
ник, который способен обеспечить силу тока
0,2 А в течение 20 часов, не справится с более
высоким требованием: 1 А в течение 4 часов.
Следовательно, старый и новый номиналы в
ампер-часах означают разные вещи и несовме-
стимы. Если подставить современное значение
номинала в старую формулу Пекерта (как это
сделано ранее), то результат будет обманчиво
оптимистичным. К сожалению, этим фактом
постоянно пренебрегают, формула Пекерта по-
прежнему применяется, и характеристики мно-
гих химических источников тока оцениваются
неверно.
Чтобы учесть нынешний способ определе-
ния номинала в ампер-часах, рассматриваемая
формула была пересмотрена — первоначально
Крисом Гибсоном (Chris Gibson) из компании
Химический источник тока
15

Параметры
Электрическая энергия > производство > химический источник тока
SmartGauge Electronics. Предположим, что
А-чМ — это современный номинал емкости ис-
точника тока в ампер-часах, Н — продолжитель-
ность (в часах) периода проверки при его кали-
бровке производителем, п — как и ранее, число
Пекерта (указываемое производителем), а I —
сила тока, которую вы надеетесь получить от
источника тока. Пересмотренная формула для
определения времени Т такова:
Т = Н * (А-чМ / (I * Н)п )
Как нам узнать величину Н? Многие (но не все)
производители указывают это значение в специ-
фикации источника тока. В качестве альтернати-
вы, которая сбивает с толку, они могут исполь-
зовать термин C-rate, который определяется как
1/Н. Это значит, что можно легко определить
значение Н, если вам известно значение Orate:
Н = 1 / C-rate
Теперь мы можем воспользоваться пересмо-
тренной формулой, чтобы исправить исходный
расчет. Вернемся к нашему примеру: если для
источника тока указан номинал 4 А-ч по со-
временной системе при проверке его разряда в
течение 20 часов (что соответствует параметру
C-rate = 0,05), а производитель по-прежнему
утверждает, что число Пекерта равно 1,2, то мы
можем узнать, как долго нам удастся получать
ток в 5 А, из следующей формулы:
Т = 20 * (4/(5 * 20)г'2) = приблизи-
тельно 20 * 0,021
Это составляет около 0,42 часа, или 25 минут, —
что весьма серьезно отличается от 35 минут, по-
лученных при помощи старого варианта форму-
лы, который никогда не следует применять при
вычислении возможного времени разряда на
основе современного номинала в ампер-часах.
Рассмотренные здесь вопросы могут показаться
запутанными, но они очень важны при оценке
характеристик такого оборудования с аккуму-
ляторами, как электрические транспортные
средства.
На рис. 2.12 показана вероятная действительная
производительность химических источников
тока с числами Пекерта 1,1, 1,2 и 1,3. Эти кри-
вые были получены на основе пересмотренной
версии формулы Пекерта и показывают, как
убывает ожидаемая величина в ампер-часах при
увеличении силы тока. Если, например, источ-
ник, которому производитель присвоил число
Пекерта 1,2, обладает номиналом 100 А-ч при
современном 20-часовом испытании, то когда
мы потребляем от него ток силой 30 А, источник
в действительности выдает лишь 70 А-ч.
А вот и еще один дополнительный фактор - для
любого перезаряжаемого аккумулятора число
Пекерта постепенно увеличивается со временем,
поскольку происходит химическое истощение
аккумулятора.
;1OQ
Число
, Пекерта = 1,1
Число
Пекерта = 1,2
Число
!%%ч% Пекерта = 1,3
бЬ ^ш кажД°г0 аккумулятора
определен номинал в 100 А
*v^%
после проверки в течение 20 ч
током в 5 A (C-rate = 0,05)
■50
Д0"-
• 18 -.ao ■
Tot разрядки, А
:30,
Рис. 2.12. Реальная производительность в ампер-часах, ко-
торую следует ожидать от трех химических источников тока
с числами Пекерта 1,1,1,2 и 1,3 при их разряде током с силой
от 5 до 30 А, при условии, что производитель присвоил но-
минал 100 А-ч каждому источнику на основе современной си-
стемы, как правило, после 20-часового испытания (параметр
C-rate равен 0,05)
16
Статья 2

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
Параметры
Напряжение
Номинальное напряжение полностью заряжен-
ного аккумулятора известно как напряжение
холостого хода — обозначается оно как OCV (от
англ. Open Circuit Voltage) или Voc. Определяется
такое номинальное напряжение как потенциал,
который существует, когда между клеммами не
помещена нагрузка. Поскольку внутреннее со-
противление вольтметра (или мультиметра,
если он настроен на измерение постоянного
тока в вольтах) очень велико, он может быть
подключен непосредственно к клеммам аккуму-
лятора без дополнительной нагрузки и при этом
довольно точно покажет значение OCV без ри-
ска повредить устройство. Полностью заряжен-
ный автомобильный аккумулятор на 12 В мо-
жет обладать значением OCV в 12,6 В, а новый
щелочной аккумулятор обычно имеет значение
OCV9,5B.
Будьте крайне внимательны при настройке
мультиметра для измерения напряжения посто-
янного тока, прежде чем подключить его к ак-
кумулятору. Обычно требуется вставить провод
от красного зажима в гнездо, специально пред-
назначенное для измерения напряжения, а не
силы тока.
Напряжение, выдаваемое источником тока, су-
щественно снизится при подключении к нему
нагрузки, и будет уменьшаться далее при его
разряде с течением времени. По этой причине,
если источник питает такие компоненты, как
цифровые микросхемы, в схему необходимо
включать стабилизатор напряжения, чтобы
не допустить больших его колебаний.
Чтобы измерить напряжение, когда аккумуля-
тор снабжен нагрузкой, измерительный прибор
должен быть подключен параллельно с нагруз-
кой (рис. 2.13). Такой тип измерения позволяет
довольно точно узнать потенциал, приложен-
ный к нагрузке, если только сопротивление на-
грузки мало по сравнению с внутренним сопро-
тивлением устройства.
В табл. 2.1 приведены данные о производитель-
ности химических источников тока пяти широко
Таблица 2.1. Производительность источников тока
пяти широко используемых размеров (данные взяты
из материалов, опубликованных фирмой Panasonic)
Тип
аккуму-
лятора
ААА
АА
С
D
9В
Номинал
(А-ч)
1,15
2,87
7,8
17
0,57
Конечное
напряжение
(В)
0,8
0,8
0,8
0,8
4,8
Нагрузка
(Ом)
75
75
39
39
620
Сила тока
(мА)
20
20
40
40
14
используемых размеров. Указанные в ней номи-
налы получены для щелочных элементов в бла-
гоприятных условиях — при прохождении сла-
бого тока через довольно высокоомную нагрузку
в течение длительных интервалов времени (от
40 до 400 часов, в зависимости от типа источни-
ка). Величины силы тока, приведенные в табли-
це, вычислены дополнительно, как предпола-
гаемые средние значения, — их следует считать
приблизительными. Испытания продолжались
до тех пор, пока окончательное напряжение
каждого 1,5-вольтового источника не снизилось
до 0,8 В, а 9-вольтового — до 4,8 В. Эти значения
рассматривались производителем как приемле-
мые при определении номинала в ампер-часах,
Рис. 2.13. Вольтметр (или мультиметр, настроенный на из-
мерение напряжения) можно подключать непосредственно
к клеммам источника, чтобы определить напряжение разом-
кнутой цепи (OCV), или параллельно с нагрузкой, чтобы опре-
делить напряжение, выдаваемое в действительности под
нагрузкой. Мультиметр следует настроить на измерение на-
пряжения постоянного тока до подключения к источнику —
любой другой режим может вывести прибор из строя
Химический источник тока
17

Использование
Электрическая энергия > производство > химический источник тот
но в реальных ситуациях конечное напряжение
в 4,8 вольта у источника на 9 вольт вряд ли мож-
но было бы счесть пригодным для питания мно-
гих электронных устройств.
В качестве эмпирического правила можно при-
нять следующее: если какое-либо устройство
не допускает сильного снижения напряжения,
то для получения реалистичного номинала не-
большого элемента питания можно разделить
пополам значение в ампер-часах, указанное его
производителем.
Использование
При выборе источника для питания какой-либо
схемы следует учитывать планируемую долго-
вечность при хранении, максимальное и ти-
пичное потребление тока, а также вес аккуму-
лятора. Как уже было показано ранее, номинал
элемента питания в ампер-часах может служить
лишь крайне приблизительным руководством
по части его пригодности. Для цепей на 5 В, по-
требляющих ток 100 мА и меньше, обычно ис-
пользуют источник на 9 В или шесть элементов
на 1,5 В, соединенных последовательно, причем
ток проходит через стабилизатор напряжения
(например, LM7805). Обратите внимание, что
стабилизатор напряжения затрачивает энергию
для своей работы, что приводит к рассеиванию
энергии в виде тепла и падению напряжения.
Минимальная величина падения различна в за-
висимости от типа используемого стабилизато-
ра.
Батареи из элементов могут быть соединены по-
следовательно или параллельно. При последова-
тельном подключении общее напряжение цепи
элементов складывается из значений напряже-
ния отдельных элементов, в то время как номи-
нал в ампер-часах остается таким же, как у одно-
го элемента, при условии, что все элементы оди-
наковы. При параллельном подключении общее
напряжение элементов такое же, как у одного из
них, а общий номинал в ампер-часах склады-
вается из значений номиналов этих элементов,
при условии что они одинаковы (рис. 2.14).
В дополнение к очевидному преимуществу -
портативности, у химических источников тока
есть и дополнительное качество — они свобод-
ны от выбросов напряжения и помех, которые
могут вызвать неправильную работу чувстви-
тельных компонентов. Следовательно, необ-
ходимость в выравнивании напряжения будет
зависеть только от возможных помех, создавае-
мых другими компонентами цепи.
Электродвигатели или другая индуктивная на-
грузка создают начальный скачок напряжения,
который может оказаться во много раз боль-
ше, чем ток, используемый ими после старта,
поэтому следует выбирать такой источник, ко-
торый сможет без повреждения выдержать этот
скачок.
Вследствие опасности возникновения пожа-
ра, правилами авиалиний США и ряда других
стран, ограничивается емкость в ампер-часах
для литиево-ионных аккумуляторов в любом
электронном устройстве, находящемся в ручной
клади или в багаже. Если какое-либо устрой-
ство часто перевозится в пассажирском бага-
же (например, экстренное медицинское обо-
рудование) , предпочтительнее использовать
в нем никель-металлогидридные аккумуляторы
(NiMH).
Рис. 2.14. Теоретические результаты соединения 1,5-воль-
товых элементов для последовательного {вверху справа)
и параллельного {внизу) подключения — при условии, что но-
минал одного элемента равен 2 А-ч
18
Статья 2

Электрическая энергия > производство > химический источник тока
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Короткое замыкание:
перегрев и возгорание
Химический источник питания, который спосо-
бен обеспечить существенную силу тока, может
перегреться, загореться или даже взорваться,
если он замкнут накоротко. Если уронить гаеч-
ный ключ на клеммы автомобильного аккумуля-
тора, то вы увидите яркую вспышку и услышите
сильный хлопок, в разные стороны полетят кап-
ли расплавленного металла. Даже щелочной эле-
мент АА на 1,5 В может стать слишком горячим,
если его клеммы соединить, и никогда не делайте
этого с перезаряжаемым аккумулятором, у кото-
рого внутреннее сопротивление намного ниже,
что приводит к появлению более высокого тока.
Особо опасны литиево-ионные аккумуляторы,
поэтому их почти всегда для ограничения тока
снабжают компонентом, который не следует от-
ключать, — замкнутый накоротко литиевый ак-
кумулятор способен взорваться.
Если блок элементов используется как недоро-
гая и простая замена источнику постоянного
тока на рабочем месте, следует предусмотреть
предохранитель или выключатель. Да и любое
устройство, которое использует существенную
часть мощности источника питания, следует
снабдить предохранителем.
Сниженная эффективность,
вызванная неправильной
перезарядкой
Многим типам аккумуляторов необходимо точ-
но выставленное напряжение заряда и автома-
тическое завершение цикла, когда аккумулятор
полностью зарядится. Несоблюдение этих усло-
вий может привести к необратимому химическо-
му повреждению. Следует использовать заряд-
ное устройство, которое специально предназна-
чено для данного типа аккумуляторов. Детальное
сравнение зарядных устройств и аккумуляторов
выходит за рамки этой энциклопедии.
Полный разряд свинцово-
кислотного аккумулятора
Полный или почти полный разряд свинцово-
кислотного аккумулятора существенно сократит
срок его службы — если он не является устрой-
ством, специально разработанным для глубоко-
го цикла, то даже в этом случае обычно не реко-
мендуется разряжать его более чем на 80%.
Недостаточная сила тока
Химические реакции внутри источника питания
при низких температурах протекают медленнее.
Следовательно, холодный аккумулятор не спосо-
бен обеспечить такую же силу тока, как теплый.
Поэтому зимой автомобильный аккумулятор
выдает меньший ток. В то же время, посколь-
ку масло в двигателе становится при снижении
температуры более вязким, стартеру требуется
больший ток для запуска двигателя. Сочетание
этих причин объясняет, почему автомобильный
аккумулятор отказывается работать в холодное
зимнее утро.
Неправильная полярность
Если зарядное устройство или генератор под-
ключены к аккумулятору с несоблюдением по-
лярности, аккумулятор можно полностью вы-
вести из строя. Предохранитель или автома-
тический выключатель в зарядном устройстве
может предотвратить подобное, а также уберечь
зарядное устройство, но это не гарантировано.
Если два аккумулятора высокой емкости соеди-
нены с несоблюдением полярности (например,
при неуклюжей попытке завести заглохший
автомобиль с помощью кабелей для «прику-
ривания»), то результатом может стать взрыв.
Никогда не наклоняйтесь к автомобильному
аккумулятору при подключении кабелей к нему,
а в идеале — надевайте защитные очки.
Обратный заряд
Обратный заряд может возникнуть, когда ак-
кумулятор полностью разряжается и при этом
Химический источник тока
19

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > производство > химический источник тот
остается (правильно) подключенным последо-
вательно с другими аккумуляторами, которые
все еще обеспечивают питание.
В верхней схеме на рис. ЦВ-2.15 два заряженных
аккумулятора на 6 В подключены последователь-
но и питают активную нагрузку. Аккумулятор,
расположенный слева, прикладывает потенциал
в 6 В к аккумулятору, расположенному справа,
который добавляет свои 6 В, чтобы создать пол-
ные 12 В на нагрузке. Красными и синими лини-
ями на схеме обозначены провода вольтметра,
а числа показывают результаты измерений на-
пряжения, отображающиеся на приборе.
На нижней схеме аккумулятор, расположен-
ный слева, разрядился и превратился в «мерт-
вый груз» для контура — это отмечено серым
цветом. Аккумулятор, расположенный справа,
по-прежнему поддерживает потенциал в 6 В.
Если внутреннее сопротивление разряженного
аккумулятора составляет около 1 Ом, а сопро-
тивление нагрузки — приблизительно 20 Ом, то
потенциал разряженного аккумулятора окажет-
ся около 0,3 В, причем в направлении, противо-
положном напряжению при его нормальном
заряде. Вследствие этого возникает обратный
заряд, который может вывести аккумулятор из
строя. Чтобы избежать такой ситуации, блок
аккумуляторов, состоящий из нескольких эле-
ментов, никогда не следует доводить до полного
разряда.
Сульфатирование
Когда свинцово-кислотный аккумулятор ча-
стично или полностью разряжен и остается в
таком состоянии, на его металлических пласти-
нах образуется осадок сульфата свинца, кото-
рый постепенно отвердевает, создавая преграду
для электрохимических реакций, необходимых
для перезаряда аккумулятора. По этой причине
свинцово-кислотные аккумуляторы не следует
надолго оставлять в разряженном состоянии.
Существуют отдельные примеры того, что даже
незначительный зарядный ток может предот-
вратить сульфатирование, и именно поэтому не-
которые рекомендуют подключать небольшую
солнечную батарею к редко используемому ак-
кумулятору — например, на яхте, где единствен-
ной функцией аккумулятора является запуск
вспомогательного двигателя, если ветер недо-
статочно сильный.
Рис. ЦВ-2.15. Когда пара аккумуляторов на 6 В подключена
последовательно для питания активной нагрузки, то при пол-
ном разряде одного из них он превращается вместо источни-
ка тока в нагрузку и может подвергнуться обратному заряду,
который приведет к полному выходу его из строя
Большой ток между аккумуля-
торами, подключенными
параллельно
Если два аккумулятора подключены параллель-
но и с соблюдением полярности, но один из них
заряжен полностью, а другой нет, то заряженный
аккумулятор будет пытаться зарядить своего
компаньона. Поскольку аккумуляторы соедине-
ны проводами напрямую, сила тока будет огра-
ничена только их внутренним сопротивлением,
а также сопротивлением соединяющих прово-
дов. Это может привести к их перегреву и воз-
можному повреждению. Риск становится более
существенным при соединении аккумуляторов
с высоким номиналом в ампер-часах. В идеале
их следует защищать друг от друга при помощи
предохранителей для больших токов.
20
Статья 2

Электрическая энергия > коммутация > перемычка
ПЕРЕМЫЧКА
3
Перемычка (по англ. jumper) может также называться навесной пере-
мычкой или шунтом. Перемычку не следует путать с проволочной
перемычкой, которая не рассматривается в этой энциклопедии в ка-
честве компонента.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• переключатель (см. статью 6)
Описание
Перемычка является недорогой заменой пере-
ключателя в тех случаях, когда соединение сле-
дует создать (или удалить) лишь несколько раз
за весь срок службы продукта. Как правило, она
позволяет на полупостоянной основе задейство-
вать какую-либо функцию или возможность
печатной платы, часто во время ее производ-
ства. DIF^-микропереключатель выполняет эту
же функцию более удобным образом (см. разд.
«DIP-переключатель» в статье переключатель
этой энциклопедии).
Для обозначения перемычки на схемах нет стан-
дартного символа.
квадратное сечение шириной 0,6 мм и часто яв-
ляются частью колодки, которая впаяна в плату.
В каталогах компонентов перемычки можно
отыскать в разделе под названием «Колодки,
разъемы и гнезда» или каким-либо подобным.
На рис. 3.1 показаны три перемычки: верхняя со-
держит два гнезда на расстоянии 2,5 мм друг от
друга и достаточно глубока, чтобы полностью
Устройство
Перемычка представляет собой небольшой пря-
моугольный пластмассовый блок, содержащий
два (а иногда и больше) металлических гнезда,
расположенных на расстоянии 2-2,5 мм друг
от друга. Гнезда электрически соединены вну-
три блока, и поэтому, когда они надеваются на
два (или более) штырька, расположенных для
этой цели на печатной плате, перемычка шун-
тирует эти штырьки. Штырьки обычно имеют
Рис 3.1. Три перемычки, которые содержат: два гнезда на
расстоянии 2 мм {слева), два гнезда на расстоянии 2,5 мм
(вверху) и четыре гнезда на расстоянии 2,5 мм друг от друга
(справа внизу)
Перемычка
21

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > перемычка
охватить штырек. Левая перемычка содержит
два гнезда на расстоянии 2 мм друг от друга
и позволяет штырькам выйти с противополож-
ной стороны. Правая нижняя перемычка содер-
жит четыре гнезда на расстоянии 2,5 мм друг
от друга.
Группу штырьков, с которой применяется пере-
мычка, часто называют колодкой. Штырьки
в колодке могут быть расположены в один ряд
или в два. Некоторые колодки устроены так,
что их можно расцепить, чтобы получить необ-
ходимое число штырьков. На рис. 3.2 показана
28-штырьковая двухрядная колодка, в которой
на одну из пар штырьков надета перемычка.
Существуют также колодки с гнездами, которые
могут быть использованы в качестве замены из-
готовленных на заказ перемычек, — их преиму-
щество в том, что они часто продаются в виде
длинных лент, от которых можно отломить не-
обходимое количество гнезд. Однако контакты
на колодке с гнездами следует соединять вруч-
ную, впаивая между ними небольшие кусочки
проволоки.
В некоторых перемычках пластиковая верхуш-
ка вытянута вверх примерно на сантиметр и
выполняет роль захвата, что позволяет более
надежно удерживать перемычку во время встав-
ки и вытаскивания. Такой вариант желательно
использовать, если есть достаточно свободного
пространства.
Гнезда внутри перемычки часто выполнены
из бронзы с добавлением фосфора, медно-
никелевого сплава, олова или латуни. Обычно
они золоченые, но у некоторых перемычек -
луженые.
Рис. 3.2. Перемычка надета на пару штырьков двухрядной
28-штырьковой колодки
Варианты
Комплект перемычек может представлять собой
набор, содержащий не только перемычку, но
также и ряд штырьков, для которых она пред-
назначена. Обратитесь к спецификации произ-
водителя, чтобы точно выяснить, что включено
в комплект.
Самые распространенные типы перемычек
имеют только два гнезда, но доступны и такие
варианты, В КОТОРЫХ еСТЬ 12 Гнезд, КОТОрые Рис 3.3. Эти перемычки предназначены для шунтирования
МОГуТ быть расположены В ОДИН рЯД ИЛИ В ДВа. двух или трех зажимных клемм
22
Статья 3

Электрическая энергия > коммутация > перемычка
Параметры
Изредка перемычка может состоять из металли-
ческой полоски с U-образными выемками, пред-
назначенными для использования с зажимными
клеммами (две перемычки этого типа показаны
на рис. 3.3). Не следует путать их с предохрани-
телями для больших токов, которые внешне вы-
глядят похоже.
Параметры
Расстояние между гнездами в перемычке назы-
вается шагом. Как отмечено ранее, самыми рас-
пространенными значениями являются 2,5 мм и
2 мм.
Типичная максимальная мощность для пере-
мычки с шагом 2,5 мм — 2 или 2,5 А при 250 В.
Использование
Перемычка позволяет активировать в схеме
какую-либо функцию из разряда «настроил и
забыл». В качестве примера можно привести
заводскую конфигурацию продукта на исполь-
зование источника переменного тока с напря-
жением 127 или 220 В. В 80-е годы прошлого
века пользователям различного компьютерно-
го оборудования приходилось самостоятельно
устанавливать перемычки, но теперь это неак-
туально.
Что может пойти не так?
Перемычки легко уронить, потерять или вста-
вить неправильно. Приобретайте их с запасом,
чтобы компенсировать их хрупкость и легкость,
с которой они теряются.
Любой участок, где возможно применение пе-
ремычки, должен быть четко помечен, чтобы
функция каждой настройки отчетливо опреде-
лялась.
Недорогие и некачественно изготовленные пе-
ремычки могут самопроизвольно разрушаться
от механического усилия при их вытаскивании.
Пластмассовый корпус может соскочить, оста-
вив сцепленные гнезда на выступающих из мон-
тажной платы штырьках. Это еще одна веская
причина, чтобы иметь небольшой запас пере-
мычек для непредвиденных ситуаций.
Окисление перемычек, у которых контакты не
позолочены или не посеребрены, может создать
дополнительное электрическое сопротивление
или ненадежное подключение.
Перемычка
23

Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ
4
По англ. fuse. В англоязычной литературе часто используется и дру-
гой вариант написания — fuze.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• отсутствуют
Описание
Предохранитель защищает электрическую схе-
му или устройство от избыточного тока — ме-
таллический элемент внутри предохранителя
плавится, размыкая цепь. После того как предо-
хранитель выполнит свою функцию, он должен
быть вынут и заменен (за исключением само-
восстанавливающихся предохранителей, кото-
рые рассмотрены в этой статье далее — см. разд.
«Самовосстанавливающиеся предохранители»).
Про расплавленный сильным током предохра-
нитель говорят, что он перегорел (про само-
восстанавливающиеся предохранители говорят
в таком случае отключился).
Предохранитель может работать как при пере-
менном, так и при постоянном токе, и существу-
ют их конструкции практически для любой силы
тока. В жилых и коммерческих сооружениях
распространены автоматические выключатели,
но при этом большие трубчатые предохранители
по-прежнему применяются для защиты системы
в целом от короткого замыкания или от скачка
тока, вызванного ударом молнии в открытые си-
ловые линии.
В электронных устройствах источник электро-
питания всегда снабжен предохранителем.
Обозначения предохранителя на схемах при-
ведены на рис. 4.1. Чаще всего используются
два варианта, показанные справа. Обозначение
в центре принято стандартами ANSI, IEC и IEEE,
но встречается редко1. Слева от него располо-
жен символ из архитектурных планов, который
понятен подрядчикам на установку электро-
оборудования. Крайний слева символ широко
применялся ранее, но теперь вышел из упо-
требления.
1 В нашей стране принято обозначение согласно ANSI,
IEC. - Ред.
Рис. 4.1. Варианты обозначения предохранителя на схемах
Предохранитель
25

Устройство
Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
Устройство
Параметры
Плавкая вставка в предохранителе — это обычно
провод или металлическая полоска, соединяю-
щая два его вывода. В трубчатом предохраните-
ле она размещена внутри стеклянного или кера-
мического цилиндра с контактами на каждом из
торцов или в небольшой металлической оболоч-
ке (старомодные предохранители для больших
токов могут быть выполнены в виде бумажной
или картонной трубки). Традиционная стеклян-
ная оболочка позволяет визуально определить
перегоревший предохранитель.
Предохранитель реагирует только на силу тока,
но не на напряжение. При выборе предохрани-
теля, который вел бы себя надежно в условиях
установившегося потребления тока, правило
безопасности такое: определите максимальную
силу тока, когда функционируют все компонен-
ты схемы, и добавьте к ней 50%. Тем не менее,
если сила тока скачет, или вероятны острые ее
импульсы, их продолжительность также имеет
значение. Если величину скачка тока в амперах
обозначить как I, а его продолжительность в се-
кундах — как t, то чувствительность предохра-
нителя к скачкам (которую часто обозначают
I2t) определяется такой формулой:
I2t = I2 * t
У некоторых полупроводниковых приборов
также есть номинал I2t, и они должны быть за-
щищены предохранителем с тем же номиналом.
Любой предохранитель для протекающего через
него тока выступает в роли сопротивления —
в противном случае ток не смог бы создать теп-
ло, от которого предохранитель перегорает.
В спецификациях производителей указывается
падение напряжения, которое будет добавлено
в электрическую цепь за счет внутреннего со-
противления предохранителя.
Номинальный ток для предохранителя обыч-
но указан на его оболочке. Это максимальное
значение тока, которое он должен стабильно
выдерживать при указанной производителем
температуре окружающей среды (обычно это
25 °С). Понятие температура окружающей сре-
ды в данном контексте относится именно к не-
посредственному окружению предохранителя,
а не ко всему помещению, в котором он может
находиться. Обратите внимание, что в корпусе,
который содержит и другие компоненты схемы,
температура обычно существенно выше, чем за
его пределами.
В идеале предохранитель должен работать на-
дежно и неограниченно долго при указанном
для него номинальном токе, а перегорать — так
же уверенно, если сила тока превышает макси-
мальную примерно на 20%. Тем не менее, про-
изводители рекомендуют, чтобы постоянная
нагрузка на предохранитель при 25 °С не превы-
шала 75% его номинала.
Номинальное напряжение для предохранителя -
это максимальное напряжение, при котором
можно рассчитывать на безопасное и предска-
зуемое расплавление вставки при избыточной
силе тока. Иногда это называют отключающей
способностью. При превышении этого значения
на оставшихся фрагментах плавкой вставки в
предохранителе может сформироваться элек-
трическая дуга, которая обладает некоторой
электрической проводимостью.
Предохранитель всегда можно использовать
при напряжении ниже номинального — если он
обладает отключающей способностью в 250 В,
то обеспечит ту же степень защиты и при ис-
пользовании напряжения в 5 В.
На рис. 4.2 показаны четыре стеклянных труб-
чатых предохранителя с разными номиналами.
Верхний, с номиналом 15 А, относится к типу
медленно перегорающих — его плавкая вставка
26
Статья 4

Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
Варианты
устроена так, что она, прежде чем расплавить-
ся, сначала поглощает тепло. Под ним находится
предохранитель на 0,5 А с более тонкой плавкой
вставкой. У двух небольших предохранителей
внизу номинал 5 А. При этом два предохраните-
ля в центре имеют максимальное номинальное
напряжение 250 В, для верхнего же (того, что
имеет номинал 15 А) оно составляет 32 В, а для
нижнего (самого маленького) — 350 В. Отсюда
очевидно, что не следует полагаться на размер
предохранителя для определения его номинала.
Рис. 4.2. Четыре стеклянных трубчатых предохранителя
Варианты
Первые предохранители для жилых помещений
состояли из оголенного нихромового прово-
да, обернутого вокруг фарфорового держателя.
В 90-х годах XIX века Эдисон разработал проб-
ковые предохранители, в которых сам предохра-
нитель размещается внутри фарфорового моду-
ля с резьбой, подходящей к патрону для лампы
накаливания. Эта конструкция просуществовала
в некоторых городских зонах США более 70 лет,
такие предохранители можно увидеть в старых
зданиях, и они до сих пор производятся.
Миниатюрные трубчатые
предохранители
Миниатюрные трубчатые предохранители для
бытовых устройств и электронного оборудо-
вания (подобные показанным на рис. 4.2) до-
ступны в размерах, приведенных в табл. 4.1.
За исключением предохранителя диаметром
4,5 мм (европейское дополнение), эти размеры
изначально измерялись в дюймах — сейчас же
они часто описываются только при помощи эк-
вивалентной метрической единицы измерения.
Любой трубчатый предохранитель обычно снаб-
жен с двух сторон кусочками провода, чтобы его
можно было использовать как компонент, мон-
тируемый в отверстия.
Таблица 4.1. Приблизительные размеры часто используемых
миниатюрных трубчатых предохранителей из стекла
или керамики, а также коды, которые используются
для их обозначения
Тип
предохранителя
1AG
2AG
3AG
4AG
5AG
7AG
8AG
Диаметр
(дюймы)
0,177
v4
%2
v4
v4
Диаметр
(мм)
6
4,5
6
7
10
б
б
Длина
(дюймы)
0,588
1%
VU
V/2
\
1
Длина
(мм)
16
15
32
32
38
22
25
Предохранители могут обладать быстрым сра-
батыванием, средним срабатыванием или быть
медленно перегорающими — последний тип
часто называют по-другому: предохранители
с задержкой. У некоторых производителей до-
ступны сверхбыстродействующие предохрани-
тели — для них часто используется термин Slo-
Blo, который в действительности является тор-
говой маркой компании Littelfuse. Впрочем, не
существует никаких стандартизированных тер-
минов, описывающих скорость срабатывания
предохранителя и учитывающих какой-либо
интервал времени.
Предохранитель
27

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
Некоторые трубчатые предохранители — в ка-
честве альтернативы более распространенному
стеклянному цилиндру — выпускаются и в кера-
мическом исполнении. В тех случаях, когда воз-
можно возникновение чрезвычайно высокого
тока (например, в мультиметре, настроенном на
работу в качестве амперметра и случайно под-
ключенном к мощному аккумулятору), пред-
почтительнее керамическая оболочка, так как
она содержит наполнитель, предотвращающий
возникновение электрической дуги. К тому же,
если предохранитель физически разрушается
под воздействием высокого тока, керамические
осколки предпочтительнее стеклянных.
Рис. 4.3. Три автомобильных предохранителя — все они об-
ладают одинаковым номиналом: 30 А на 32 В
Автомобильные предохранители
Автомобильные предохранители можно узнать
по двум лепесткам, предназначенным для встав-
ки в плоские гнезда, из которых предохрани-
тель вряд ли выпадет в результате тряски или
температурных колебаний. Эти предохранители
бывают разных размеров и окрашены в разные
цвета для облегчения их идентификации.
Подборка автомобильных предохранителей по-
казана на рис. 4.3: сверху находится предохра-
нитель, обычно описываемый как тип «maxi»,
а слева внизу — как «mini». Опять-таки, размер
не влияет на функциональность — все три пре-
дохранителя обладают номиналом 30 А на 32 В.
Для рис. 4.4 самый большой из предохраните-
лей с рис. 4.3 был разрезан, чтобы показать вам
его плавкую вставку.
Обычно автомобильные предохранители мон-
тируются вместе в блоке, но если после покупки
автомобиля на него устанавливается дополни-
тельное оборудование, оно может быть защище-
но предохранителем в специальном держателе,
снабженном двумя проводами для подключе-
ния к защищаемому устройству. Такой держа-
тель вместе с двумя предохранителями показан
на рис. 4.5. Подобные держатели производятся
и для других типов предохранителей.
Рис. 4.4. Самый большой из предохранителей с предыдущего
рисунка разрезан, чтобы показать его плавкую вставку
Пластинчатые предохранители
Предохранители для транспортных средств,
рассчитанные на высокие токи, могут постав-
ляться в виде пластин, известных также как
28
Статья 4

Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
Варианты
пережигаемые перемычки (рис. 4.6). Они предна-
значены для фиксации между двумя зажимны-
ми клеммами. Поскольку некоторые перемыч-
ки по внешнему виду похожи на пережигаемые
перемычки, важно хранить их раздельно.
Предохранители для установки
в монтажные отверстия
Небольшие предохранители с выводами кругло-
го сечения, пригодными для монтажа на печат-
ных платах, часто применяются в комбинации
с соответствующими гнездами, — их тогда легко
можно заменить. В каталогах такие предохра-
нители называются сверхминиатюрными —
обычно они применяются в портативных ком-
пьютерах и их источниках питания, в телеви-
зорах, зарядных устройствах и кондиционерах.
На рис. 4.7 показаны три сверхминиатюрных
предохранителя, обладающие свойством мед-
ленного перегорания.
Рис. 4.5. Два лепестковых предохранителя, которые широко
применяются в автомобилях, показаны вместе с держателем
для них. Пластиковый колпачок {справа) закрывает держа-
тель после установки в него предохранителя
Рис. 4.7. Три сверхминиатюрных предохранителя с прово-
лочными выводами — их номиналы {слева направо): 10 А на
250 В; 2,5 А на 250 В и 5 А на 250 В
Рис. 4.6. Этот пластинчатый предохранитель предназначен
для использования в транспортных средствах с дизельным
двигателем. Его номинал 100 А на 36 В
Самовосстанавливающиеся
предохранители
Их точное название — полимерные предохрани-
тели с положительным температурным коэф-
фициентом сопротивления (часто сокращается
до РТС или РРГС). Самовосстанавливающийся
предохранитель состоит из твердотельного гер-
метизированного компонента, который очень
сильно увеличивает свое сопротивление в от-
вет на превышение силы тока, но возвращается
в исходное состояние, когда такой ток прекра-
щается. Таким образом, можно воспринимать
Предохранитель
29

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
его как терморезистор (термистор) с нелиней-
ным откликом.
Три образца самовосстанавливающихся предо-
хранителей, предназначенных для установки
в монтажные отверстия, показаны на рис. 4.8.
Мы уже видели, что трубчатые предохранители
разных размеров могут обладать одинаковыми
номиналами, — точно так же самовосстанавли-
вающиеся предохранители разных номиналов
могут быть одинакового размера: номинал лево-
го предохранителя равен 40 А на 30 В, правого —
2,5 А на 30 В, а верхнего — 1А на 135 В (учтите,
что кодировка, нанесенная на предохранители,
не является номером компонента в каталоге
производителя).
Когда через такой предохранитель проходит
ток, превышающий максимально допустимое
значение, его внутреннее сопротивление резко
возрастает с нескольких Ом до нескольких со-
тен или тысяч Ом, — происходит размыкание
предохранителя. При этом неизбежно возни-
кает небольшая задержка, которая сравнима с
Рис. 4.8. Несколько самовосстанавливающихся предохра-
нителей, предназначенных для установки в монтажные
отверстия
временем срабатывания медленно перегораю-
щего предохранителя.
Самовосстанавливающийся предохранитель со-
держит полимер, в кристаллическую структуру
которого введены частицы графита, проводящие
электричество. Когда протекающий через пре-
дохранитель ток вызывает его нагрев, полимер
переходит в аморфное состояние, разъединяя
частицы графита и разрывая токопроводящие
пути. При этом через компонент по-прежнему
протекает слабый ток, которого достаточно для
поддержания аморфного состояния, — пока не
отключено электропитание. Когда самовосста-
навливающийся предохранитель остывает, он
постепенно восстанавливает кристаллическую
структуру, хотя при этом его сопротивление не
возвращается в точности к исходному значению
более часа.
Максимальная безопасная сила тока для само-
восстанавливающегося предохранителя называ-
ется удерживающим током, а сила тока, которая
приводит к его срабатыванию, — размыкающим
током. На рынке доступны предохранители для
значений размыкающего тока от 20 мА до 100 А.
Однако, в отличие от предохранителей общего
назначения и для электроники, которые могут
обладать номиналом до 600 В, номинал само-
восстанавливающихся предохранителей редко
превышает 100 В.
Кроме того, типичные трубчатые предохраните-
ли лишь в малой степени подвержены влиянию
температуры, тогда как у самовосстанавливаю-
щегося предохранителя номинал по току может
уменьшиться до 75% от нормального значения
при 50 °С, а при 80 °С - упасть до 50%. Другими
словами, предохранитель, номинал которого ра-
вен 4 А при 25 °С, сможет выдержать максималь-
ную силу тока лишь в 3 А, если он будет рабо-
тать при температуре в два раза выше (рис. 4.9).
Из рисунка также видно, что обычные медленно
перегорающие предохранители чувствительны
к температуре, но в меньшей степени, чем само-
восстанавливающиеся.
30
Статья 4

Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
Использование
Типичный
освинцованный
или патронный
предохранитель
Медленно
ч ^ Й^регорающий
*- предЦранитепь
Самовосстанавливающийся \
■ '.олимерный предохранитель
защищают катушки динамиков от перегрузки.
Они подходят для тех ситуаций, когда предохра-
нитель может размыкаться довольно часто или
когда технически неискушенным пользователям
может оказаться трудно заменить предохрани-
тель или вернуть автоматический выключатель
в исходное состояние.
Самовосстанавливающиеся предохранители
выпускаются компаниями PolySwitch, OptiReset,
Everfuse, Polyfuse и Multifuse. Они доступны как
для монтажа на поверхности (SMT), так и для
установки в монтажные отверстия, но не в виде
плавкой вставки.
Рис. 4.9. Эти три кривые дают приблизительное представ-
ление о чувствительности к температуре трех типов предо-
хранителей, которые обычно применяются для защиты элек-
тронного оборудования. На шкале (слева) приведены ориен-
тировочные значения силы тока (в процентах от номинала),
которая будет размыкать предохранитель
Предохранители
для поверхностного монтажа
Поскольку предохранители для поверхностного
монтажа трудно или невозможно заменить по-
сле того как они припаяны к плате, они часто
также бывают самовосстанавливающимися.
На рис. 4.10 показан самовосстанавливающий-
ся предохранитель размером около 8 мм для
поверхностного монтажа. Его номинал равен
230 В, внутреннее сопротивление составляет
50 Ом, удерживающий ток равен 0,09 А, а раз-
мыкающий — 0,19 А.
Использование
Рис. 4.10. Самовосстанавливающийся предохранитель для
поверхностного монтажа
Самовосстанавливающиеся предохранители
используются в источниках питания для ком-
пьютеров, источниках питания для шины USB
и в корпусах громкоговорителей, где они
Любое оборудование, которое может быть под-
ключено к настенной розетке, должно быть
снабжено предохранителем, — не только для
защиты его компонентов, но также и для защи-
ты потребителей, которые могут вскрыть кор-
пус и начать разбирать устройство с помощью
отвертки.
Оборудование, которое содержит мощные элек-
тродвигатели, насосы или другую индуктив-
ную нагрузку, следует защищать при помощи
медленно перегорающих предохранителей, по-
скольку начальный бросок тока при включении
Предохранитель
31

Использование
Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
такого оборудования будет, вероятно, выше,
чем номинал предохранителя, — медленно пе-
регорающий предохранитель выдержит бросок
тока в течение нескольких секунд, а другие пре-
дохранители — нет.
И наоборот, быстродействующие предохрани-
тели следует применять в электронном оборудо-
вании — в особенности, для интегральных схем,
которые легко и быстро выходят из строя.
Любое устройство, которое в значительной
степени ориентировано на питание от аккуму-
лятора, следует защитить предохранителем,
поскольку аккумуляторы ведут себя непредска-
зуемо и, как правило, плохо, когда они замкнуты
накоротко. Несколько параллельно подключен-
ных больших аккумуляторов следует также снаб-
дить предохранителем, чтобы устранить попыт-
ки хорошо заряженного аккумулятора зарядить
своих компаньонов. Большие предохранители
размера «J» с номиналом от 125 до 450 А широ-
ко распространены в хозяйствах, использующих
солнечную энергию, где для ее накопления ча-
сто применяются блоки из свинцово-кислотных
аккумуляторов. Такие предохранители снабже-
ны толстым латунным ушком с каждой стороны,
и поэтому их можно привинтить к соответству-
ющей клемме аккумулятора. Как вариант, они
могут быть и вставлены в соответствующий дер-
жатель для предохранителя.
Для трубчатых предохранителей диаметром до
6 мм, не имеющих проволочных выводов, соот-
ветствующие их размеру держатели доступны
в нескольких вариантах:
• держатель для предохранителя, мон-
тируемый на панели, является, вероятно,
самым распространенным вариантом. Он
состоит из пластиковой трубки с пружинным
контактом в нижней части и пластикового
колпачка, внутри которого расположен вто-
рой контакт. Предохранитель опускается в
трубку и закрывается колпачком. Колпачок
либо навинчивается на трубку для предо-
хранителя, либо надевается на нее, а затем
поворачивается, пока не окажется на своем
месте. Для крепления держателя после его
вставки в отверстие на панели служит гайка.
Такой тип держателей доступен как в фор-
мате полной длины, так и в «укороченном»
варианте (рис. 4.11);
держатель, монтируемый на печатной
плате — по существу такой же, что и для
монтажа панели, но снабжен штырьками для
впаивания в монтажные отверстия платы;
колодка для предохранителя — это не-
большой пластиковый блок с двумя фикса-
торами на поверхности для вставки трубча-
того предохранителя;
фиксаторы для предохранителя могут
быть приобретены и отдельно — они снаб-
жены штырьками для впаивания в монтаж-
ные отверстия;
специальный держатель предохрани-
теля предназначен для врезки на каком-
либо участке провода (см. рис. 4.5) — или
на его конце, или где-либо по ходу. Обычно
он пластиковый и снабжен с обоих концов
металлическими контактами для зажима
или пайки;
держатели предохранителя для установ-
ки в монтажные отверстия применяются
для сверхминиатюрных предохранителей.
Рис. 4.11. Укороченный держатель предохранителя для мон-
тажа на панели показан в разобранном {слева) и собранном
{справа) виде
32
Статья 4

Электрическая энергия > коммутация > предохранитель
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Частый выход из строя
Когда предохранитель в какой-либо цепи часто
перегорает, это называется ошибочным размы-
канием. Как правило, оно может быть вызвано
неправильным расчетом каких-либо компо-
нентов схемы — например, таких как большой
фильтрующий конденсатор в источнике пита-
ния, который должен забирать большую часть
броска тока при включении этого источника.
Формально корректная процедура решения
проблемы ошибочного размыкания такова: сле-
дует измерить при помощи осциллографа вели-
чину броска тока, которая правильно называется
пиковым броском тока, вычислить для получен-
ного сигнала значение i2 * t, а затем выбрать
предохранитель, номинал которого хотя бы
в 5 раз превосходит это значение.
Предохранитель никогда не следует заменять
кусочком провода эквивалентной длины или
любым другим проводником.
Повреждение пайки
Когда предохранитель для установки в мон-
тажные отверстия или монтажа на поверхности
припаивается на место назначения, тепло во
время пайки может привести к тому, что мягкая
плавкая вставка внутри предохранителя частич-
но расплавится и изменит форму. Это может
вызвать изменение номинала такого предохра-
нителя. В целом, с предохранителями следует
обращаться так же осторожно, как и с полупро-
водниками, когда они монтируются с помощью
пайки.
Размещение
Предохранитель следует размещать близко к ис-
точнику тока или к точке подачи питания в цепь,
чтобы он защищал по возможности наиболь-
шую часть схемы.
Предохранитель
33

Электрическая энергия > коммутация > кнопка
КНОПКА
5
Кнопку (по англ. pushbutton) часто называют также кнопочным пере-
ключателем или переключателем без фиксации положения. В этой
энциклопедии кнопка рассматривается отдельно от переключа-
теля, в котором обычно используется исполнительный механизм в
виде рычага вместо кнопки, а также есть хотя бы один полюсный кон-
такт (в кнопке контакты, как правило, не отличаются друг от друга).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• переключатель (см. статью 6)
• поворотный переключатель (см. статью 7)
Описание
Кнопка содержит, по меньшей мере, два контак-
та, которые замыкаются или размыкаются при
ее нажатии. Обычно кнопка, когда внешнее на-
жатие прекращается, возвращается в исходное
положение при помощи пружины.
На рис. 5.1 показаны обозначения кнопки на
схемах. Символы, расположенные внутри каж-
дого прямоугольника, функционально идентич-
ны: вверху расположена нормально разомкнутая
кнопка на одно направление, в центре — нор-
мально замкнутая кнопка на одно направление,
внизу - кнопка на два направления.
В отличие от переключателя, у стандартной
кнопки нет первичного контакта, который мож-
но обозначить как полюс. Тем не менее, одна
кнопка может замыкать или размыкать две от-
дельные пары контактов, и в этом случае ее не-
много неправильно называют двухполюсной
кнопкой (рис. 5.2). Для обозначения ползунко-
вых кнопок с несколькими парами контактов
используются другие символы (см. в этой статье
далее разд. «Ползунок»),
lliJ
—О
Рис. 5.1. Общеупотребительные обозначения простой кнопки
Рис. 5.2. Общеупотребительные обозначения двухполюсной
кнопки
Кнопка
35

Устройство
Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Типичная полноразмерная двухконтактная кноп- ВэОИЭНТЫ
ка показана на рис. 5.3. ~
Рис. 5.3. Простейшая традиционная форма кнопки, в которой
два контакта замыкаются при нажатии
Полюсы и направления
Аббревиатуры, которые определяют число по-
люсов (пар контактов) внутри кнопки, такие же,
как и для переключателей. Несколько приме-
ров прояснят это:
• SPST, известная также как 1Р1Т, — одно-
полюсная, на одно направление;
• DPST, известная также как 2Р1Т, — двух-
полюсная, на одно направление;
• SPDT, известная также как 1Р2Т, — одно-
полюсная, на два направления;
• 3PST, известная также как ЗР1Т, — трех-
полюсная, на одно направление.
В то время как у переключателя может быть
дополнительное центральное положение, у кно-
пок его, как правило, нет.
Рис. 5.4. На разрезе кнопки показаны два подпружиненных
контакта и одна возвратная пружина
Устройство
На рис. 5.4 показана в разрезе кнопка, снабжен-
ная возвратной пружиной, оказывающей со-
противление нажатию на кнопку, а также парой
пружин над контактами, удерживающих каждый
контакт на своем месте и обеспечивающих на-
дежное подключение, когда кнопка нажата (два
верхних контакта электрически соединены, хотя
это и не показано).
Поведение при включении/
выключении
Для обозначения состояния нажатой кнопки ис-
пользуются скобки. По умолчанию кнопка воз-
вращается в противоположное состояние.
• ВЫКЛ-(ВКЛ) или (ВКЛ)-ВЫКЛ - контакты
нормально разомкнуты по умолчанию и
замыкаются при нажатии кнопки. Иногда
это называют подключением «нажать, что-
бы замкнуть» (make-to-make) или кнопкой
Типа А.
• ВКЛ-(ВЫКЛ) или (ВЫКЛ)-ВКЛ- контакты
нормально замкнуты по умолчанию и раз-
мыкаются только при нажатии кнопки.
Иногда это называют подключением «нажать,
чтобы разомкнуть» (make-to-break) или
кнопкой Типа В.
• ВКЛ-(ВКЛ) или (ВКЛ)-ВКЛ - это кнопка
на два направления, в которой одна группа
контактов нормально замкнута. При на-
36
Статья 5

Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Варианты
жатии на кнопку первая группа контактов
размыкается, а вторая — замыкается до тех
пор, пока кнопка не будет отпущена. Иногда
ее называют кнопкой Типа С.
Для кнопки на одно направление могут приме-
няться аббревиатуры НЗ (NC, (Normally Closed,
нормально замкнутый) или HP (NO, Normally
Open, нормально разомкнутый), чтобы обозна-
чить ее как нормально замкнутую или нормально
разомкнутую соответственно.
Ползунковая кнопка
Этот тип кнопок, известный также как ползун-
ковые, содержит тонкий стержень, который
скользит туда и обратно в длинном узком корпу-
се. Контакты на стержне при этом трутся о кон-
такты внутри корпуса. Имея сильное сходство с
ползунковым переключателем, такая кнопка не-
дорога, компактна и хорошо приспособлена для
нескольких соединений (в некоторых моделях
присутствует до восьми полюсов). Однако она
способна выдержать лишь слабые токи, облада-
ет ограниченной долговечностью и подвержена
загрязнению.
Четырехполюсная ползунковая кнопка на два
направления показана на рис. 5.5. Белый нейло-
новый наконечник исполнительного механизма
можно снабдить пластиковым колпачком, фор-
ма которого может быть самой разной.
На рис. 5.6 приведены условные обозначения
двух возможных ползунковых кнопок, причем
черным прямоугольником обозначен каждый
скользящий контакт. Выводы, играющие роль
полюса, помечены буквой Р. На самом деле,
стандартных символов для обозначения пол-
зунковой кнопки не существует, но эти примеры
являются типичными. Непроводящий участок,
который соединяет внутри скользящие кон-
такты, обозначен здесь серым, но в некоторых
спецификациях он может быть обозначен лини-
ей или незакрашенным прямоугольником.
Рис. 5.5. Ползунковая кнопка 4PDT (четырехполюсная, на два
направления) показана без колпачка, который мог бы быть
надет на исполнительный механизм
ШШШШшШВШш
(р)
т
Рис 5.6. Слева: условное обозначение простой однополюс-
ной ползунковой кнопки на два направления (SPDT), в кото-
рой подвижный контакт замыкает либо левую, либо правую
пару фиксированных контактов. Справа: четырехполюсная
кнопка на два направления (4PDT), основанная на том же
принципе. Подвижные контакты кнопок механически соеди-
нены друг с другом при помощи изолятора. Каждый полюс
отмечен буквой Р
Поскольку обозначения ползунковой кнопки
могут быть похожи на обозначения ползунково-
го переключателя, следует внимательно изучить
электрическую схему, чтобы определить, какой
тип компонента обозначен.
Кнопка
37

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Конструкция
Многие кнопочные выключатели поставляются
без колпачков — это позволяет потребителю вы-
брать необходимый ему дизайн и цвет колпачка
по собственному вкусу. Обычно колпачок наде-
вается на конец стержня, который активирует
внутренние контакты.
Несколько образцов колпачков показаны на
рис. 5.7 — рядом с двухполюсной кнопкой на два
направления (DPDT). Любой из этих колпачков
можно надеть на исполнительный механизм
кнопки.
Кнопка с подсветкой содержит небольшую
лампу накаливания, неоновую лампу или све-
тодиод (светоизлунающий диод). У источника
света практически всегда есть два собственных
вывода, которые изолированы от других вы-
водов кнопки в ее корпусе. К источнику света
может быть подано электропитание, чтобы свет
загорался при нажатии кнопки, при ее отпуска-
нии или в какой-либо еще иной момент. Для
светодиодов, расположенных внутри кнопки,
обычно требуются подключенные последова-
тельно внешние резисторы, которые следует вы-
бирать в соответствии с приложенным напряже-
нием (см. статью светодиод во втором томе эн-
циклопедии, чтобы получить дополнительные
сведения о подходящих резисторах).
Образец кнопки с подсветкой показан на
рис. 5.8 — это двухполюсный компонент на два
направления, предназначенный для монтажа на
печатной плате. По краям этой кнопки располо-
жены дополнительные выводы, которые соеди-
нены с внутренним светодиодом, находящимся
под полупрозрачным белым колпачком.
Выводы и покрытие контактов
Здесь варианты такие же, что и для переклю-
чателя — они описаны в соответствующей ему
статье.
Рис. 5.7. Колпачки (кнопки, головки), которые могут по-
ставляться как отдельные принадлежности для некоторых
кнопочных выключателей, показаны здесь рядом с кнопкой,
к которой они подходят
Рис. 5.8. Эта кнопка содержит светодиод под полупрозрач-
ным белым колпачком
38
Статья 5

Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Варианты
Способ монтажа
Обычно кнопка, монтируемая на плате, закре-
пляется в отверстии при помощи гайки, которая
навинчивается на резьбу, имеющуюся на втулке
кнопки (см. рис. 5.3). Как вариант, корпус кноп-
ки может быть снабжен с каждой стороны гиб-
кими пластиковыми выступами, позволяющими
защелкнуть их в вырезанном в плате отверстии
соответствующего размера (этот вариант пока-
зан на рис. 5.4).
Распространенный вариант представляют собой
кнопки, монтируемые на печатной плате. После
установки такого компонента на плате кнопка
должна быть либо выровнена с вырезом на ли-
цевой панели и выступать из нее после сборки
устройства, либо внешняя (не электрическая)
кнопка, являющаяся частью корпуса устройства,
должна нажимать на исполнительный механизм
кнопки после сборки.
Кнопки для поверхностного монтажа, которые
допускают прямое нажатие пальцем, встреча-
ются редко. Тем не менее, на момент подготов-
ки книги около четверти предназначенных для
нажатия кнопок выпускаются в варианте для
поверхностного монтажа. Впрочем, они, как
правило, расположены под мембранами, на ко-
торые и нажимает пользователь, чтобы приве-
сти в действие кнопку под ними, — например,
в пультах дистанционного управления элек-
тронными устройствами.
Рис. 5.9. Шестиполюсная кнопка на два направления (6PDT)
защелкивается и высвобождается при каждом нажатии
Герметизированные
или негерметизированные
Герметизированная кнопка обладает защитой
от проникновения воды, пыли, грязи и других
вредных факторов внешней среды. Это повыша-
ет ее стоимость.
Кнопка с защелкиванием
Этот вариант, известный также как кнопка
с двойным нажимом, содержит механический
храповик, который поворачивается при каждом
нажатии кнопки: при первом нажатии контакты
защелкиваются в замкнутом состоянии, второе
нажатие возвращает контакты в разомкнутое со-
стояние, после чего процесс повторяется. Такая
конструкция обычно устанавливается в карман-
ных фонариках, аудиооборудовании и в автомо-
бильных устройствах. Чаще всего для описания
процесса работы кнопки с двойным нажимом
используется термин защелкивание, но его мож-
но называть также нажим-нажим (push-push),
блокировка, нажатие-защелкивание нажатие-
высвобождение (push-lock push-release), вкл-
нажатие выкл-нажатие (push-on push-off)
и чередование.
В защелкивающейся кнопке с западанием
(lockdown) кнопка в защелкнутом состоянии
визуально ниже, чем в обычном. Однако такая
особенность работы кнопок не всегда отмечает-
ся в их спецификациях.
Шестиполюсная кнопка на два направления,
которая защелкивается и высвобождается при
каждом нажатии, показана на рис. 5.9.
Еще два варианта защелкивающихся кнопок
показаны на рис. 5.10: справа — простая двух-
полюсная защелкивающаяся кнопка на два на-
правления (DPDT) с западанием, слева — защел-
кивающаяся кнопка, последовательно сменяю-
щая четыре состояния, начиная с выключенного
и соединяя при каждом нажатии различные
пары проводов.
Кнопка
39

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > кнопка
устанавливаются в пылесосах, в педалях для
устройств преобразования звука и в прочих
«примочках», которыми пользуются музы-
канты.
Рис. 5.10. Простая двухполюсная защелкивающаяся кноп-
ка на два направления (DPDT) с западанием (справа).
Защелкивающаяся кнопка слева последовательно сменяет
четыре состояния: одно из них выключенное, а остальные
соединяют при каждом нажатии различные пары проводов
Простая кнопка ВЫКЛ-(ВКЛ) может произ-
водить защелкивающее действие, если она от-
правляет импульс микроконтроллеру, про-
граммное обеспечение которого переключает
состояния управляемой схемы. При этом ми-
кроконтроллер может обеспечить неограни-
ченное число вариантов, отвечающих каждому
нажатию кнопки. Примеры такого взаимодей-
ствия можно найти в мобильных телефонах или
портативных медиапроигрывателях.
Кнопки с механическим защелкиванием из-за
сложного внутреннего устройства выходят из
строя чаще, чем простые кнопки ВЫКЛ-(ВКЛ),
но у них есть и преимущество — для их работы
не нужен микроконтроллер (микроконтроллеры
рассмотрены во втором томе энциклопедии).
Ножная педаль
Для кнопок, используемых в качестве ножных
педалей, обычно требуется приложение боль-
шего усилия по сравнению с ручными, — они
сконструированы более прочными и обычно
Клавиатура
Цифровая клавиатура обычно представляет со-
бой прямоугольную панель, на которой установ-
лены 12 или 16 кнопок ВЫКЛ-(ВКЛ). Доступ к
их контактам возможен с помощью многокон-
тактного разъема, который можно подключить
к гибкому шлейфу или вставить в печатную пла-
ту. В некоторых клавиатурах каждая кнопка со-
единена с отдельным контактом такого разъема,
а заземление у всех кнопок общее. Более часто
для кнопок используется матричное кодирова-
ние, которое означает, что каждая из них соеди-
няет отдельную пару проводников в матрице.
Матрица на 16 кнопок показана на рис. 5.11.
Такая конфигурация подходит для выполнения
опроса с помощью микроконтроллера, кото-
рый можно запрограммировать на поочередную
Рис. 5.11. Кнопки в цифровой клавиатуре обычно соединены
проводами, образуя матрицу, при этом каждая кнопка обе-
спечивает соединение отдельной пары проводов. Такая си-
стема подходит для опроса при помощи микроконтроллера
40
Статья 5

Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Варианты
отправку выходного импульса каждому из четы-
рех горизонтальных проводов. Во время каждо-
го импульса микроконтроллер последовательно
проверяет оставшиеся четыре вертикальных
провода, чтобы установить, какой из них несет
сигнал. К входным проводам следует добавить
резистор нагрузки и резистор утечки, чтобы не
допустить непредсказуемого поведения входов
микроконтроллера, когда сигнал отсутствует.
Внешний вид двух цифровых клавиатур показан
на рис. 5.12.
Тактильный переключатель
Несмотря на то, что это устройство называется
переключателем, оно является миниатюрной
(со стороной менее 10 мм) кнопкой, которая
предназначена для вставки в печатную пла-
ту или в макетную плату без пайки (рис. 5.13).
Практически всегда это однополюсное устрой-
ство на одно направление (SPST), но у него мо-
жет быть четыре штырька, — по одной паре на
каждый контакт. Тактильные переключатели
могут устанавливаться в компьютерах под мем-
бранными клавиатурами.
Рис. 5.12. Клавиатура слева кодируется с помощью матрицы
и опрашивается через семь штырьков, которые выступают на
ее тыльной стороне. У клавиатуры справа каждой кнопке со-
ответствует отдельный контакт в разъеме
Мембранная клавиатура
Мембранная клавиатура обычно присутствует
в таких устройствах, как микроволновые печи,
где контакты должны быть герметизированы
от проникновения частиц пищи и жидкостей.
При нажатии пальцем на мембранную клавиа-
туру срабатывают скрытые под ней внутренние
кнопки. Как правило, они специально конструи-
руются для конкретного устройства и не прода-
ются в качестве готовых компонентов, однако
излишки таких клавиатур можно приобрести на
веб-аукционах.
Селективные кнопки
Термин селективные кнопки иногда использу-
ется для обозначения набора кнопок, которые
соединены механически таким образом, что в
каждый момент времени только одна из них мо-
жет установить электрическое соединение: если
какая-либо кнопка нажата — она фиксируется,
если нажимается другая кнопка — она фиксиру-
ется, высвобождая первую кнопку, и т. д. Кнопки
можно нажимать в любой последовательности.
Селективные кнопки находят свое применение,
например, в радиоприемниках, когда нажатием
какой-либо из кнопок можно выбрать тот или
иной диапазон вещания. Тем не менее, такие
кнопки сейчас стали применяться реже.
Рис. 5.13. Типичный тактильный переключатель
Кнопка
41

Параметры
Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Микровыключатель с кнопкой Параметры
Микропереключатель (переключатель мгно-
венного действия, подробно рассмотренный
в статье переключатель этой энциклопедии)
может быть снабжен кнопкой, как показано на
рис. 5.14. Это обеспечивает приемлемую точ-
ность действия, высокую надежность и воз-
можность переключения тока силой около 5 А.
Однако переключатели мгновенного действия
почти всегда являются однополюсными устрой-
ствами.
Рис. 5.14. Кнопка, смонтированная на однополюсном микро-
переключателе на два направления (SPDT)
Аварийный выключатель
Аварийный выключатель является нормально
замкнутым устройством, которое обычно со-
стоит из большой кнопки, надежно фиксирую-
щейся при нажатии в положении «выкл.» и не
отскакивающей обратно. Фланец вокруг кнопки
позволяет зажать ее и вытянуть назад, чтобы
вернуть в положение «вкл.».
Номинал тока для кнопки может составлять
от нескольких миллиампер до 20 А и выше. На
многих кнопках указывается их номинал, на не-
которых — нет. Номинал тока обычно определя-
ется для конкретного напряжения и может быть
иным при переменном токе по сравнению с по-
стоянным.
Использование
Когда выполнены фундаментальные требования
по напряжению, току и надежности, выбор типа
кнопки определяется такими параметрами, как
внешний вид, тактильные ощущения, размер
и простота при сборке устройства. Подобно лю-
бому электромеханическому компоненту, кноп-
ка уязвима к воздействию пыли и влаги. Следует
учесть те способы, которыми устройство может
быть правильно или неправильно использова-
но, чтобы решить, будут ли оправданы допол-
нительные затраты на герметизированный ком-
понент.
Когда кнопка управляет устройством, которое
обладает высокой индуктивной нагрузкой, для
минимизации возможности образования элек-
трической дуги можно добавить демпфер (см. до-
полнительную информацию в разд. «Искрение»
статьи переключатель этой энциклопедии).
Что может пойти не так?
Отсутствие колпачка кнопки
При заказе кнопочного переключателя внима-
тельно читайте спецификации, чтобы понять,
включен ли колпачок в комплект. Колпачки ча-
сто продаются отдельно и могут не подходить
к переключателям других производителей.
42
Статья 5

Электрическая энергия > коммутация > кнопка
Что может пойти не так?
Проблемы при монтаже
У кнопки, которая крепится к панели навинчи-
ванием гайки, эта гайка может легко ослабнуть,
что приведет к выпадению компонента при на-
жатии на него. И, наоборот, при чрезмерной
затяжке гайки можно сорвать резьбу на втулке
кнопки, в особенности на недорогих компонен-
тах, у которых витки резьбы отлиты из пласти-
ка. Для более надежного крепления попробуйте
нанести на резьбу небольшое количество клея
перед окончательной затяжкой гайки. Учтите
при этом, что размеры гаек сильно различаются,
и на поиск замены может потребоваться время.
Проблемы со светодиодами
При использовании кнопки, содержащей све-
тодиод, будьте внимательны при определении
контактов питания светодиода и контактов пе-
реключателя. В спецификации производителя
должно быть разъяснено их отличие, но поляр-
ность контактов светодиода может быть не обо-
значена. Если устройство для проверки диодов
отсутствует, такую кнопку следует проверить
при помощи источника постоянного тока от 3 до
5 В с последовательным резистором на 2 кОм.
Если быстро прикоснуться проводами питания
к выводам светодиода (через резистор), то он
при правильной полярности должен тускло за-
светиться. В случае же неправильной полярно-
сти поданной таким образом мощности будет
недостаточно для перегорания светодиода.
Другие проблемы
Проблемы типа искрения, перегрузки, корот-
кого замыкания, неправильного типа клеммы
и дребезга контактов обычно аналогичны тако-
вым для переключателя и рассмотрены в соот-
ветствующей статье этой энциклопедии.
Кнопка
43

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
6
Термином переключатель (по англ. switch) здесь называется механи-
ческое устройство, управляемое при помощи поворота рычага или
вращения круглой ручки. И хотя у поворотных переключателей и
кнопок есть некоторое сходство функций, этим устройствам посвя-
щены отдельные статьи.
Полупроводниковые ключи рассмотрены в статьях биполярный
транзистор, однопереходный транзистор и полевой транзистор.
Переключающие устройства для интегральных схем рассмотрены во
втором томе энциклопедии. Коаксиальные переключатели исполь-
зуются для высокочастотных сигналов и не включены в эту энци-
клопедию. Многонаправленные переключатели, которые различают
движение пальцев вверх, вниз, влево, вправо, по диагонали, по кругу
и иные их варианты, в эту энциклопедию также не включены.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• кнопка (см. статью 5)
• поворотный переключатель (см. статью 7)
Описание
Переключатель состоит хотя бы из двух контак-
тов, которые замкнуты или разомкнуты, когда
внешний рычаг перекидывается или ручка по-
вернута. Условные обозначения основных типов
выключателей показаны на рис. 6.1.
Самым главным типом переключателей явля-
ется рубильник (рис. 6.2). И хотя он был весьма
распространен в первые годы после открытия
электричества, сейчас его применение ограни-
чено учебными целями в школах и — в более
надежной конструкции — электрощитами пере-
менного тока, поскольку широкая область кон-
такта делает его пригодным для проведения вы-
соких токов. Рубильник может также быть ис-
пользован для «горячей» коммутации мощной
нагрузки.
Рис. 6.1. Два самых распространенных обозначения для
однополюсного переключателя на одно направление (SPST)#
известного также как выключатель. Эти обозначения функ-
ционально идентичны
переключатель
45

Устройство
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Переключатель на два направления может об-
ладать дополнительным центральным положе-
нием. Это положение может не иметь подклю-
чения (положение «выкл.») или же в некоторых
случаях быть соединено с третьим контактом.
Когда переключатель подпружинен для возвра-
щения в одно из своих положений по окончании
нажатия, он действует подобно кнопке, хотя его
внешний вид может не отличаться от переклю-
чателя.
Варианты
Рис. 6.2. Двухполюсный рубильник на одно направление
(DPST), предназначенный для образовательных целей
Устройство
Полюс переключателя обычно соединен с под-
вижным контактом, который создает или раз-
рывает подключение со вторым контактом. Если
полюс всего один, то этот переключатель назы-
вается однополюсным. Если имеется дополни-
тельный полюс, электрически изолированный
от первого и обладающий собственным контак-
том или набором контактов, то такой переклю-
чатель называется двухполюсным. Переключа-
тели, у которых количество полюсов больше
четырех, встречаются редко.
Если на каждый из полюсов приходится только
один вторичный контакт, то это переключатель
на одно направление (ST), который может назы-
ваться также выключателем. Если присутствует
дополнительный вторичный контакт для по-
люса, с которым этот полюс соединяется при
отключении от первого, то это переключатель
на два направления (DT), известный также как
двухпозиционный переключатель.
Поплавковый выключатель, ртутный выключа-
тель, геркон, мембранный переключатель и пере-
ключатель на основе эффекта Холла рассматри-
ваются в качестве датчиков и помещены в тре-
тий том энциклопедии.
Терминология
Многие различные типы переключателей со-
держат части, связанные с одними и теми же
общими функциями. В роли исполнительного
механизма выступает рычаг, ручка или тум-
блер, которые пользователь поворачивает или
нажимает. Этот исполнительный механизм
в переключателе-тумблере размещен внутри
Втулки. Общий контакт внутри переключателя
соединен с полюсом переключателя. Как прави-
ло, это подвижный контакт, при перемещении
которого обеспечивается соприкосновение со
вторичным контактом (который известен также
как неподвижный контакт).
Полюсы и направления
Число полюсов и контактов внутри переключате-
ля определяется рядом аббревиатур. Несколько
примеров прояснят это:
• SPST, известная также как 1Р1Т, — один
полюс, одно направление;
46
Статья 6

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Варианты
• DPST, известная также как 2Р1Т, — два
полюса, одно направление;
• SPDT, известная также как 1Р2Т, — один
полюс, два направления;
• 3PST, известная также как ЗР1Т, — три
полюса, одно направление.
Возможны и другие комбинации.
На рис. 6.3 приведены условные обозначения
для переключателей на два направления с од-
ним, двумя и тремя полюсами. Пунктирными
линиями обозначено механическое соединение,
при помощи которого все секции переключате-
ля перемещаются при повороте переключателя
совместно. Между полюсами отсутствует элек-
трическое соединение.
Поведение при включении/
выключении
Для обозначения возможных состояний пере-
ключателя используются сокращения ВКЛ и
ВЫКЛ. Некоторые производители добавляют
слово НЕТ (NONE), чтобы обозначить отсут-
ствие у переключателя центрального положе-
ния. Другие же не беспокоятся об этом, полагая,
что отсутствие этого слова как раз отсутствие
центрального положения и подразумевает.
• ВКЛ-ВЫКЛ или ВКЛ-НЕТ-ВЫКЛ - обыч-
ный однополюсный выключатель на одно
направление (SPST) без центрального поло-
жения.
• ВКЛ-ВКЛ или ВКЛ-НЕТ-ВКЛ - обычный
однополюсный выключатель на два на-
правления (SPDT) без центрального поло-
жения.
• ВКЛ-ВЫКЛ-ВКЛ - переключатель на два
направления с центральным положением
«выключено» (соединение отсутствует, ког-
да переключатель находится в центральном
положении).
• ВКЛ-ВКЛ-ВКЛ — переключатель на три на-
правления, в котором центральное положе-
ние соединяет со своим набором выводов.
Рис. 6.3. Условные обозначения для трех типов переключате-
лей на два направления: однополюсный {слева вверху); двух-
полюсный [слева внизу); трехполюсный (справа)
Для описания подпружиненных переключате-
лей используются скобки, обозначающие не-
устойчивое состояние переключателя, в котором
он находится только при сохранении нажатия на
исполнительный механизм:
• (ВКЛ)-ВЫКЛ или ВЫКЛ-(ВКЛ) - под-
пружиненный переключатель, который
нормально выключен и возвращается в
это состояние при снятии нажатия. Также
обозначается как HP (NO, Normally Open,
нормально разомкнутый), а иногда назы-
вается Тип А. Принцип его работы сходен
с кнопкой и называется иногда подключе-
нием типа «переключить, чтобы замкнуть»
(make-to-make);
• ВКЛ-(ВЫКЛ) или (ВЫКЛ)-ВКЛ - подпру-
жиненный переключатель, который нор-
мально включен и возвращается в это состоя-
ние при снятии нажатия. Также обозначается
как НЗ (NC, Normally Closed, нормально
замкнутый), а иногда называется Тип В.
В ряде источников также описывается как
подключение типа «переключить, чтобы
разомкнуть» (make-to-break);
Переключатель
47

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
• (ВКЛ)-ВЫКЛ-(ВКЛ) - подпружиненный
переключатель на два направления без
подключения в центральном положении,
в которое он возвращается, когда прекра-
щается нажатие на его исполнительный
механизм.
Возможны и другие комбинации этих обозна-
чений.
Большинство переключателей на два направ-
ления размыкают соединение с одним контак-
том (или набором контактов) до установления
соединения со вторым контактом (или набором
контактов) — это переключатели с разрывом до
включения. Гораздо реже встречаются переклю-
чатели с включением до разрыва, известные так-
же как закорачивающие переключатели, которые
устанавливают второе соединение незадолго
до разрыва первого. Использование закорачи-
вающего переключателя может привести к не-
предвиденным последствиям для электронных
компонентов, подключенных к нему, поскольку
в момент переключения будут ненадолго соеди-
нены обе части такого переключателя.
Рис. 6.4. Два однополюсных переключателя на два направ-
ления (SPDT) мгновенного действия, известные также как
концевые выключатели. Расположенный справа переключа-
тель — полноразмерный. Слева — миниатюрный выключа-
тель с исполнительным механизмом в виде рычага, который
можно укоротить до необходимой длины
Переключатель
мгновенного действия
Переключатель мгновенного действия известен
также как концевой выключатель, а иногда его
называют микровыключателем или основным
переключателем. Такая вспомогательная кон-
струкция часто предназначена для переключе-
ния какой-либо деталью механизма, а не для
нажатия пальцем, — например, в ЗБ-принтерах.
Микровыключатели обычно недорогие, но на-
дежные.
Два переключателя мгновенного действия по-
казаны на рис. 6.4, а разрез такого концевого
переключателя типа ВКЛ-(ВКЛ) приведен на
рис. 6.5. Полюсные контакты переключате-
ля смонтированы на гибкой полоске, которая
может при нажатии на внешнюю кнопку пере-
мещаться внутри переключателя вверх и вниз.
Рис. 6.5. Два контакта внутри этого концевого выключателя
по умолчанию соприкасаются {вверху). Когда нажата внешняя
кнопка, она толкает гибкую металлическую полоску вниз, пока
она не соединится с нижним контактом {внизу). Компонент
(пружина) в форме перевернутой буквы U располагается вну-
три выреза в гибкой полоске и оказывает противодействие
движению полоски в средней части ее пути, заставляя ее при-
нять одно из двух фиксированных положений
48
Статья б

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Варианты
В полоске есть вырез, который позволяет пере-
вернутой U-образной пружине занимать то
или иное фиксированное положение, — так она
удерживает контакты прижатыми в любом со-
стоянии переключателя.
Термин мгновенное действие относится к под-
пружиненному внутреннему механизму, кото-
рый способен фиксироваться в двух крайних по-
ложениях. Переключатель такого типа обычно
однополюсный и на два направления. Другими
словами, он действует в режиме ВКЛ-(ВКЛ),
хотя доступны и варианты ВЫКЛ-(ВКЛ) и (на-
много реже) ВКЛ-(ВЫКЛ).
Корпус концевого переключателя обычно гер-
метизирован, а через отверстие в нем выступа-
ет небольшая кнопка. Тонкий металлический
рычаг (см. рис. 6.4, слева) обеспечивает для
нажатия этой кнопки дополнительное уси-
лие. На свободном конце такого рычага мо-
жет быть смонтирован ролик, чтобы нажатие
кнопки произошло во время соприкосновения
с ним какого-либо движущегося компонента
устройства, — например, кулачка или колесика.
Концевые переключатели широко используют-
ся для ограничения перемещения или враще-
ния подобного компонента.
На рынке доступны в буквальном смысле тысячи
вариантов концевого переключателя различных
размеров, активируемые различной величиной
прилагаемого усилия. Сверхминиатюрные пере-
ключатели мгновенного срабатывания зачастую
могут быть приведены в действие давлением
всего в несколько граммов.
Кулисный переключатель
Три кулисных переключателя показаны на
рис. 6.6, а разрез такого переключателя приве-
ден на рис. 6.7. В этой конструкции подпружи-
ненная шариковая опора при перещелкивании
переключателя перекатывается в одну из сторон
коромысла. Кулисные переключатели часто ис-
пользуются как выключатели электропитания.
Рис. 6.6. Три кулисных переключателя: верхние два предна-
значены для вставки в прямоугольные отверстия соответству-
ющего размера на плате; переключатель внизу предназначен
для монтажа с помощью винтов — ему уже более 20 лет, и он
демонстрирует, что, несмотря на использование других мате-
риалов, основная его конструкция не изменилась
Рис. 6.7. На этом разрезе кулисного переключателя показана
подпружиненная шариковая опора, которая перекатывается
вдоль коромысла, соединяя пары контактов при перещелки-
вании переключателя
Переключатель
49

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Ползунковый переключатель
Многие типы ползунковых переключателей ши-
роко применяются в качестве недорогих, но гиб-
ких, органов управления в небольших электрон-
ных устройствах, начиная с радиочасов и закан-
чивая стереосистемами.
Ползунковый переключатель обычно монтиру-
ется на печатной плате, а его кнопка или колпа-
чок выступают через отверстие в панели. Такая
конструкция более уязвима к воздействию пыли
и влаги по сравнению с другими типами пере-
ключателей — например, с тумблерами (см. в
этой статье далее). Однако ползунковый пере-
ключатель обычно дешевле тумблера, но редко
используется при высоких токах.
Большинство ползунковых переключателей
рассчитаны на два положения, они представля-
ют собой одно- или двухполюсные устройства
на два направления, однако доступны и дру-
гие, менее распространенные, конфигурации
с большим числом полюсов и/или положений.
Сверхминиатюрный ползунковый переключа-
тель показан на рис. 6.8, а некоторые из условных
обозначений таких переключателей приведены
на рис. 6.9. Здесь черными прямоугольниками
обозначены скользящие внутренние контакты,
а выводы, которые выступают в роли полюса,
обозначены в каждом случае буквой Р.
Слева вверху показан однополюсный переклю-
чатель на два направления (SPDT), использую-
щий двухпозиционный ползунок. Справа ввер-
ху — четырехполюсный ползунковый переклю-
чатель на два направления. Слева внизу пред-
ставлен переключатель, в котором нет полюсов,
как таковых, — ползунок может замкнуть любую
из четырех пар контактов. Справа внизу — пол-
зунок замыкает три из четырех возможных пар
контактов (опять-таки, здесь нет полюсов).
Обозначения ползунковых компонентов на схе-
мах не стандартизованы, но показанные при-
меры являются распространенными. Заметьте
также, что условное обозначение ползунково-
го переключателя может совпадать на схеме
устройства с обозначением ползунковой кноп-
ки, поэтому следует внимательно изучить элек-
трическую схему, чтобы определить, какой тип
компонента обозначен.
Рис. 6.8. Этот сверхминиатюрный ползунковый переключа-
тель длиной менее сантиметра обладает номиналом 0,3 А
на 30 В постоянного тока. Более крупные варианты выглядят
практически идентично, но способны выдержать лишь чуть
более сильный ток
Рис. 6.9. Условные обозначения ползунковых переключате-
лей — черными прямоугольниками обозначены здесь под-
вижные контакты, соединяющие пары фиксированных кон-
тактов (детальные объяснения этих вариантов приведены
в основном тексте). Производители могут использовать в сво-
их спецификациях варианты этих обозначений (например,
серый прямоугольник справа вверху, который обозначает
изолированный несущий контактный элемент, может быть за-
менен одной линией или белым прямоугольником с черной
обводкой)
50
Статья 6

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Варианты
Тумблер
Тумблер обеспечивает надежное и точное сраба-
тывание при помощи рычага, который обычно
имеет форму капли и никелирован, хотя в недо-
рогих вариантах устанавливаются и пластико-
вые рукоятки. Когда-то тумблеры использова-
лись практически во всех электронных устрой-
ствах (включая ранние модели компьютеров),
но теперь они утрачивают популярность, хотя
по-прежнему встречаются в таких устройствах,
как автомобильные принадлежности, прибор-
ные щитки моторных лодок и промышленные
органы управления.
Три миниатюрных двухполюсных тумблера
на два направления показаны на рис. 6.10, два
стандартных тумблера для тяжелых режимов
работы — на рис. 6.11, а четырехполюсный тум-
блер на два направления для тяжелых режимов
работы — на рис. 6.12 (тумблеры с большим ко-
личеством полюсов встречаются крайне редко).
На рис. 6.13 изображен автомобильный тум-
блер - его пластиковый рычажок вытянут, что-
бы минимизировать ошибку при эксплуатации.
Высококачественные тумблеры исключитель-
но надежны и могут быть герметизированы от
загрязняющего действия внешней среды при
помощи тонкого чехла-кожуха, выполненного
Рис. 6.11. Два стандартных тумблера, способных выдержать
существенный ток: тумблер слева снабжен быстросоединяе-
мыми зажимами, а тумблер справа — выводами для пайки
(на некоторых из них заметны остатки припоя)
Рис. 6.12. Четырехполюсный тумблер на два направления
с выводами для пайки, способный работать при 25 А и 125 В
переменного тока. Здесь надо отметить, что четырех полюс-
ные переключатели довольно редки
Рис. 6.10. Три миниатюрных тумблера с номиналами от 0,3 до
6 А на 125 В переменного тока (каждый квадратик фоновой
сетки имеет размеры 2,5x2,5 мм)
Рис. 6.13. Тумблер, предназначенный для применения в авто-
мобильной промышленности
Переключатель
51

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
из формованной резины или винила, кото-
рый навинчивается на рукоятку с помощью
резьбы, имеющейся на втулке переключателя
(рис. 6.14).
Стопорный тумблер снабжен рукояткой, кото-
рую необходимо вытянуть против силы удержи-
вающей пружины, прежде чем рукоятку можно
будет переместить из одного положения в дру-
гое. После этого рукоятка возвращается на свое
место, обычно втягиваясь в небольшое гнездо
во втулке переключателя.
DIP-переключатель
DIP-переключатель представляет собой блок
очень маленьких отдельных переключателей и
предназначен для непосредственного монтажа
на поверхности печатной платы либо для уста-
новки на нее с помощью монтажных отверстий.
DIP-переключатели для монтажа с помощью
отверстий имеют два ряда штырьков с шагом
2,54 мм и расстоянием между рядами 7,62 мм —
чтобы их можно было вставить в стандарт-
ное гнездо DIP (Dual-Inline Package, корпус
с двухрядным расположением) или в подходя-
щую конфигурацию отверстий на плате. DIP-
переключатели для монтажа на поверхности
могут обладать шагом 2,54 или 1,27 мм.
Большинство блоков DIP-переключателей
(рис. 6.15) состоят из однополюсных переклю-
чателей на одно направление, каждый из кото-
рых может создавать или разрывать соединение
между двумя штырьками на противоположных
сторонах корпуса переключателя. Положения
переключателя обычно обозначены как ВКЛ
(ON) и ВЫКЛ (OFF). Количество переключа-
телей в блоке обычно называют числом «по-
зиций» — его не следует смешивать с двумя
позициями каждого рычажка в переключателе.
Однополюсные DIP-переключатели на одно на-
правление выпускаются с 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,
12 и 16 позициями.
На рис. 6.16 приведены соединения внутри DIP-
переключателя.
Рис. 6.14. Резиновый или виниловый кожух содержит гайку,
которая навинчивается на резьбу тумблера для его защиты от
воздействия пыли или воды
Рис. 6.15. Как можно видеть, блоки DIP-переключателей мо-
гут иметь различное количество «позиций», которые обо-
значают число малых переключателей, а не число состояний
переключателя
Рис. 6.16. Внутренние соединения 16-штырькового DIP-пере-
ключателя
52
Статья 6

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Варианты
В ранних моделях IBM-совместимых персо-
нальных компьютеров от пользователя часто
требовалась ручная настройка внутренних DIP-
переключателей при выполнении таких обыч-
ных обновлений, как добавление жесткого дис-
ка. И хотя теперь такая настройка явно устарела,
DIP-переключатели по-прежнему применяются
в научном оборудовании, когда можно ожидать,
что пользователь достаточно компетентен, что-
бы открыть корпус и похозяйничать внутри.
С учетом величины интервалов в 2,54 мм для
переключения отдельных рычажков удобнее
пользоваться небольшой отверткой или кончи-
ком шариковой ручки, а не пальцем.
DIP-переключатели могут также использо-
ваться на этапе создания пробных образцов, по-
скольку они обеспечивают удобный способ про-
верки схемы в различных режимах работы.
Большинство DIP-переключателей снабжено про-
волочными выводами, длина которых достаточ-
на для вставки в стандартную макетную плату.
Варианты корпуса DIP-переключателя могут
быть такими: стандартный, заниженный, распо-
ложенный под углом 90 градусов по отношению
к монтажной плате и типа пианино (в котором
на рычажки переключателей необходимо на-
жимать, как на маленькие кулисные переключа-
тели, а не передвигать в обоих направлениях).
Существуют варианты переключателей SPDT,
DPST, DPDT, 3PST и 4PST, но они мало распро-
странены.
Некоторые внешние штырьки DIP-переключа-
теля могут быть соединены с его дополнитель-
ными внутренними контактами, и чтобы убе-
диться в расположении внутренних соединений,
необходимо обратиться к спецификации произ-
водителя.
Однополюсный DIP-переключатель на два на-
правления с шагом 2,54 мм, предназначенный
для поверхностного монтажа, с пластиковой
крышкой, которая защищает переключатели от
загрязнения при пайке «волной припоя», пока-
зан на рис. 6.17, слева. Тот же DIP-переключатель,
но уже со снятой защитной крышкой, — на
рис. 6.17, справа.
SIP-переключатель
SIP-переключатель — это блок небольших от-
дельных переключателей, сходный по принци-
пу работы с DIP-переключателем, но исполь-
зующий лишь один ряд штырьков, а не два.
SIP-переключатели применяются там же, где
и DIP-переключатели, а основное их различие
состоит в том, что SIP-переключатель занимает
меньше места, но при этом, пожалуй, менее удо-
бен в использовании.
Внутренние соединения типичного 8-штырько-
вого SIP-переключателя показаны на рис. 6.18 —
как можно видеть, один из выводов каждого ма-
лого переключателя подключен к общей шине.
Расстояние между штырьками равно 2,54 мм,
как в обычном DIP-переключателе.
Рис. 6.17. Однополюсный DIP-переключатель на два направ-
ления, предназначенный для монтажа на поверхности, по-
ставляется с пластиковой крышкой, защищающей его во вре-
мя пайки «волной припоя» (слева); тот же DIP-переключатель,
но без крышки {справа)
Рис. 6.18. Внутренние соединения 8-штырькового SIP-пере-
ключателя подключены к общей шине
Переключатель
53

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Лопаточный тумблер
Лопаточный тумблер снабжен плоским пласти-
ковым рычажком в форме лопатки, который
достаточно велик, чтобы обеспечить безоши-
бочный захват. Внутри он часто напоминает ку-
лисный переключатель и обычно используется
для источников переменного тока. Корпуса не-
которых тумблеров поставляются также с ло-
паточными исполнительными механизмами.
Сверхминиатюрный лопаточный тумблер пока-
зан на рис. 6.19.
Рис. 6.19. Сверхминиатюрный лопаточный тумблер. Полно-
размерные его варианты часто используются как выключате-
ли электропитания
Противовандальный
переключатель
Противовандальный переключатель обычно
выполняется из нержавеющей стали и спосо-
бен противостоять большинству типов непра-
вильного обращения, а также защищен от воз-
действия погодных факторов. Кнопки, которые
позволяют пешеходам переключить сигнал
светофора, представляют собой разновидность
противовандального переключателя.
Тактильный переключатель
Тактильный переключатель рассматривается
в качестве кнопки в соответствующей статье
(см. разд. «Тактильный переключатель» в статье
кнопка).
Варианты монтажа
Переключатель для панельного монтажа обыч-
но имеет втулку с резьбой, которая вставляется
с тыльной стороны лицевой панели устройства в
отверстие соответствующего размера. Фиксация
переключателя осуществляется с лицевой сто-
роны панели с помощью пружинной шайбы и
гайки (зачастую, двух гайек), навинчиваемой на
резьбу на втулке переключателя.
Монтаж на лицевой панели обычно означает,
что винты, которые видны на лицевой панели,
входят в держатели выключателя с обратной
стороны панели. Исполнительный механизм
переключателя доступен при этом через вырез
в панели. Такой тип монтажа применяется глав-
ным образом для кулисных переключателей и
иногда для ползунковых.
Монтаж на субпанели означает, что переключа-
тель устанавливается на отдельной панели или
шасси за панелью управления. Исполнительный
механизм переключателя при этом также досту-
пен через соответствующий вырез.
Для монтажа с защелкиванием необходим пере-
ключатель с гибкими пластиковыми или метал-
лическими лапками с каждой стороны — он про-
талкивается через вырез в панели, а лапки при
этом распрямляются и удерживают переключа-
тель.
Переключатели для монтажа на печатных
платах снабжены штырьками, которые при-
паиваются к печатной плате. У них могут быть
дополнительные выступы, которые можно так-
же припаять, чтобы обеспечить механическую
жесткость.
Переключатели для поверхностного монтажа
крепятся к плате так же, как и другие компонен-
ты с подобным типом монтажа.
54
Статья6

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Параметры
Типы выводов
Переключатели (так же, как и кнопки) бывают
с различными типами выводов:
• лепестки для пайки — это небольшие
язычки, в каждом из которых обычно есть
отверстие для продевания в него до начала
пайки кончика провода;
• выводы для монтажа на печатной плате —
это штырьки, которые выступают из нижней
части переключателя и подходят для вставки
в печатную плату (такой тип известен также
как монтаж с помощью отверстий). Выводы
могут быть согнуты под прямым углом, что-
бы обеспечить монтаж компонента вплот-
ную к плате, — при этом исполнительный
механизм переключателя оказывается сбоку
(такой тип выводов называется уголковым
для печатной платы).
Многие производители предлагают на вы-
бор переключатели с прямыми или с изог-
нутыми выводами, но при этом компонент
может быть приведен в каталоге в любом
из этих вариантов без указания на то, что
есть другой, — так что внимательно читайте
спецификации производителя;
t быстросоединяемые выводы имеют форму
лопатки для их вставки в соединительные
разъемы, которые широко используются
в автомобильных устройствах. В качестве
варианта иногда предлагаются гибридные
быстросоединяемые выводы, которые
могут также выполнять функцию лепестков
для пайки;
• зажимные выводы снабжены винтами, кото-
рые предварительно смонтированы в плос-
ких зажимах и позволяют присоединить
провода без пайки;
• проволочные выводы — это гибкие изоли-
рованные провода, часто с зачищенными
и лужеными концами, которые выступают
как минимум на пару сантиметров от ком-
понента (такой вариант начинает встре-
чаться реже).
Варианты покрытия контактов
Внутренние электрические контакты переклю-
чателя обычно покрываются серебром или зо-
лотом. Сплавы для покрытия на основе никеля,
олова или серебра дешевле, но менее распро-
странены. Другие покрытия встречаются до-
вольно редко.
Параметры
Переключатели, предназначенные для элек-
тронных устройств, сильно различаются по до-
пустимой мощности в зависимости от своего на-
значения:
• кулисные переключатели, лопаточные
тумблеры и тумблеры часто используются
для включения и выключения электропи-
тания и обычно обладают номиналом 10 А
на 125 В переменного тока, хотя у некото-
рых тумблеров номинал доходит до 30 А;
• микропереключатели или концевые выклю-
чатели могут обладать похожим номина-
лом, хотя у миниатюрных версий допусти-
мая мощность ниже;
• ползунковые переключатели не способны
выдержать значительную мощность и часто
обладают номиналом около 0,5 А (или мень-
ше) на 30 В постоянного тока;
• DIP- и SIP-переключатели обладают ти-
пичным максимальным номиналом 100 мА
на 50 В и не предназначены для частого
использования. Как правило, их переклю-
чают только тогда, когда отключено элект-
ропитание устройства.
Использование
Выключатели электропитания
Когда простой однополюсный переключатель
на одно направление служит для включения и
выключения электропитания постоянного тока,
Переключатель
55

Использование
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
он по договоренности действует на положитель-
ной стороне источника питания, которая из-
вестна также как сторона высокого напряжения.
Основной причиной для соблюдения этой до-
говоренности является ее широкое распростра-
нение — если следовать ей, возникнет меньше
путаницы.
Более важным является требование, чтобы вы-
ключатель питания переменного тока использо-
вался на «активной» стороне источника (фаз-
ный провод), а не на «нейтральной».
Если у вас есть какие-либо сомнения по поводу
этих принципов (пояснение которых выходит за
рамки нашей энциклопедии), загляните в спра-
вочник на эту тему.
В некоторых случаях дополнительной мерой
предосторожности может стать использование
двухполюсного компонента на одно направле-
ние, чтобы переключать сразу обе стороны ис-
точника питания переменного тока. При этом
провод заземления источника переменного
тока никогда не должен размыкаться, поскольку
устройство, включенное в электрическую розет-
ку, всегда должно быть заземлено.
Концевые выключатели
Пример использования двух концевых выклю-
чателей с электродвигателем постоянного тока
и двумя выпрямительными диодами показан
на рис. 6.20. В этой схеме предполагается, что
электродвигатель вращается по часовой стрел-
ке, когда его нижний вывод положителен, и
против часовой стрелки, когда положителен его
верхний вывод. В каждом концевом переклю-
чателе использованы (и показаны) только два
вывода — они являются нормально замкнуты-
ми. Внутри переключателей могут быть и дру-
гие выводы, нормально разомкнутые, которыми
можно пренебречь.
Электродвигатель приводится в действие через
двухкатушечное двухполюсное реле на два на-
правления (DPDT) с механической блокиров-
кой, которое остается в любом из двух поло-
жений неограниченно долго без потребления
энергии. Когда верхняя катушка реле получает
сигнал от кнопки или какого-либо другого ис-
точника, реле перебрасывается в верхнее поло-
жение, которое пропускает положительный ток
через нижний концевой выключатель к нижне-
му выводу электродвигателя. Электродвигатель
вращается по часовой стрелке, пока рычаг, при-
крепленный к его валу, не нажмет на нижний
концевой выключатель, тем самым его размы-
кая. Положительный ток блокируется нижним
диодом, и поэтому электродвигатель останав-
ливается.
Когда активируется нижняя катушка реле, оно
перебрасывается в нижнее положение. Теперь
положительный ток может поступать на верх-
нюю сторону электродвигателя через верхний
концевой выключатель. Электродвигатель вра-
щается против часовой стрелки, пока его рычаг
Рис. 6.20. На этой схеме нормально замкнутый концевой
переключатель размыкается при нажатии на рычаг, присо-
единенный к электродвигателю, тем самым отключая подачу
энергии на каждый из концов его рабочего участка и предот-
вращая перегрузку и перегорание. Двухкатушечное реле
с механической блокировкой активирует электродвигатель.
Выпрямительные диоды разрешают подачу питания к элек-
тродвигателю, чтобы изменить направление вращения при
размыкании концевого выключателя
56
Статья 6

Злектрическая энергия > коммутация > переключатель
Использование
не разомкнет верхний концевой выключатель,
снова остановив вращение. Эта простая система
позволяет электродвигателю постоянного тока
вращаться в любом направлении при сколь угод-
но долгом нажатии на кнопку, исключая риск
перегорания при достижении электродвигате-
лем одной из границ диапазона перемещения.
Подобная схема используется в таких устрой-
ствах, как стеклоподъемники в автомобилях.
Если допускается только ручное управление,
вместо реле с блокировкой может быть приме-
нена двухполюсная кнопка на два направления
(DPDT). Однако в такой ситуации может потре-
боваться достаточно долго удерживать кнопку
нажатой, чтобы полностью переместить рычаг
электродвигателя на противоположную сторону
его рабочего хода. Более удобно тогда было бы
вместо кнопки применить двухполюсный пере-
ключатель на два направления (DPDT).
Логические схемы
Логические схемы, которые работают исклю-
чительно на переключателях (например, для
сложения двоичных чисел), сконструировать
можно, но они встречаются редко и не имеют
практического применения.
Самым известным и простым примером такой
логической схемы является пара однополюсных
переключателей на два направления (SPDT),
с помощью которых можно включать/выклю-
чать свет с обоих концов лестничной клетки.
При этом один из таких переключателей уста-
новлен в верхней части лестницы, а второй —
в нижней (рис. 6.21). Любой из переключателей
будет включать свет, если он в данный момент
выключен, или выключать, если он включен.
Чтобы расширить эту схему за счет третьего
переключателя с такими же функциями, следу-
ет использовать двухполюсный переключатель
на два направления (DPDT), — как показано на
рис. 6.22.
Альтернативы
Микроконтроллеры, ставшие в последнее
время дешевыми и более распространенны-
ми, забрали на себя множество функций, ко-
торые ранее осуществлялись в электронных
устройствах при помощи переключателей.
Так, система меню на основе микроконтрол-
лера может задействовать один поворотный
энкодер со встроенной в него однополюсной
кнопкой на одно направление (SPST) и на этой
основе предоставить возможность выбирать
и настраивать множество параметров в таком
устройстве, как автомобильная стереосистема,
где некогда функции выбирались и настраи-
вались с помощью отдельных переключателей
и потенциометров. Вариант с поворотным энко-
дером занимает меньше места, дешевле для раз-
работки (с учетом того, что микроконтроллер
будет использован в устройстве еще для каких-
либо целей) и может оказаться более надеж-
ным, поскольку при этом уменьшается число
-'■ -«
i
-"■■-#...—и
Рис. 6.21. Однополюсные переключатели на два направле-
ния (SPDT) широко используются во внутренней электропро-
водке — любой из них будет включать свет, если он выклю-
чен, и выключать, если включен
Рис. 6.22. Если у трех переключателей должны быть такие же
функции управления включением/выключением одной лам-
пы, в схему, показанную на рис. 6.21, следует добавить двух-
полюсный переключатель на два направления (DPDT)
переключатель
57

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > коммутация > переключатель
электромеханических компонентов и движу-
щихся деталей. Проще ли им пользоваться —
это дело вкуса. Стоимость и эргономика долж-
ны быть основными факторами, учитываемыми
при решении о том, где и как применять пере-
ключатели.
Что может пойти не так?
Искрение
Контакты внутри переключателя станут быстро
разрушаться, если возникнет искрение, — элек-
трическая дуга, которая обычно появляется,
когда переключатель размыкает цепь с боль-
шим током или с высоким напряжением (как
правило, свыше 10 А или более 100 В). Самой
распространенной причиной этого является ин-
дуктивная нагрузка, которая создает противо-
действующую ЭДС (электродвижущую силу)
при включении устройства и прямую ЭДС при
выключении. Получающийся выброс может
в несколько раз превышать силу тока, кото-
рый потребляет нагрузка при постоянной ра-
боте. В цепях постоянного тока искрение мож-
но снизить, используя выпрямительный диод,
подключенный параллельно с нагрузкой (его
полярность заблокирует ток, вызываемый па-
разитной ЭДС). Часто такой диод называют об-
ратным диодом или возвратным диодом. В це-
пях переменного тока, когда диод использовать
нельзя, вокруг нагрузки можно поместить демп-
фер — простую комбинацию конденсатора и ре-
зистора. Демпфер можно также использовать
и для защиты самого переключателя в цепях
постоянного тока (см. разд. «Демпфер» в статье
конденсатор).
При работе с индуктивной нагрузкой разумно
использовать переключатели, номинал которых
в два раза выше, чем нормально потребляемый
ток в цепи.
Непропаянное соединение
Переключатели, которые работают при значи-
тельных токах, снабжены прочными вывода-
ми, и эти выводы крепятся к проводу большого
сечения. При пайке такого соединения общая
теплоемкость провода и вывода станет погло-
щать намного больше тепла, чем небольшой
компонент печатной платы, поэтому следует
пользоваться паяльником мощностью не менее
30 Вт. Паяльники с меньшей мощностью могут
оказаться неспособны полностью расплавить
припой (хотя будет казаться обратное), и в ре-
зультате возникнет непропаянное соединение,
которое может обладать сравнительно высо-
ким электрическим сопротивлением и окажется
механически слабым, подверженным разрыву.
Любое хорошо пропаянное соединение должно
выдерживать изгибание провода, присоединен-
ного к нему.
Короткое замыкание
Поскольку многие переключатели по-прежнему
присоединяются к схеме при помощи лепестков
для пайки, зажимных клемм или быстросоеди-
няемых выводов, существенную опасность могут
представлять провода, которые случайно откре-
пились. В качестве дополнительной меры предо-
сторожности для защиты проводов и выводов на
тыльной стороне сетевого выключателя следует
применять термоусаживаемые трубки. Сетевые
выключатели всегда следует использовать в со-
четании с подходящими предохранителями.
Загрязнение контактов
В условиях, когда возможно присутствие пыли
или воды, следует использовать герметизиро-
ванные переключатели. Особо уязвимы для
загрязнения ползунковые переключатели, и,
кроме того, их трудно герметизировать. При
ухудшении контактов переключателей в аудио-
компонентах будет возникать «треск».
58
Статья 6

Электрическая энергия > коммутация > переключатель
Что может пойти не так?
Неверный тип вывода
Поскольку присутствующие на рынке переклю-
чатели имеют различные типы выводов, очень
легко заказать неправильный. Переключатели
могут быть снабжены штырьками для вставки
в монтажные отверстия печатных плат, зажим-
ными клеммами, быстросоединяемыми вывода-
ми или лепестками для пайки. Могут попасться
и варианты для поверхностного монтажа. Если,
например, в устройстве необходима вставка
штырьков в печатную плату, а переключатель
будет снабжен лепестками для пайки, его нельзя
будет использовать.
Шифр компонента обычно включает коды,
идентифицирующие каждый вариант вывода,
и их следует внимательно изучить.
Дребезг контактов
Дребезг контактов известен также как дребезг
переключателя. Когда два контакта смыкаются
очень быстро, между ними возникают микро-
скопические вибрации, которые могут вызвать
короткие размыкания, пока контакты не зафик-
сируются. Этот эффект не воспринимается че-
ловеком, но может быть воспринят логической
микросхемой как серия импульсов. Для устра-
нения дребезга переключателя, обеспечиваю-
щего логический вход, используются различные
стратегии, подробно рассмотренные в статье
о логических микросхемах во втором томе этой
энциклопедии.
Механический износ
Тумблер и кулисный переключатель содержат
механическую ось, которая в неблагоприятных
условиях постепенно изнашивается. Проблемой
таких переключателей также является и трение,
поскольку в их конструкцию часто входит закруг-
ленный наконечник рычажка, который трется
о центральную часть подвижного контакта.
Пружина внутри микропереключателя или вну-
три конечного выключателя может выйти из
строя в результате усталости металла, хотя та-
кое бывает редко. Ползунковый переключатель
гораздо менее надежен, поскольку его контакты
истираются друг о друга при каждом изменении
положения переключателя.
В любом устройстве, которому требуется частое
переключение, или когда выход переключателя
из строя является угрожающей неисправностью,
благоразумнее всего избегать применения недо-
рогих переключателей.
Проблемы при монтаже
В переключателе для монтажа на панели, кото-
рый закрепляется при помощи гайки, эта гайка
может легко ослабнуть, в результате чего ком-
понент выпадет внутрь корпуса. И наоборот,
при чрезмерной затяжке гайки можно сорвать
резьбу на втулке переключателя, в особенно-
сти на недорогих компонентах, у которых витки
резьбы отлиты из пластика. Для более надежно-
го крепления попробуйте нанести на резьбу не-
большое количество клея перед окончательной
затяжкой гайки. Учтите при этом, что размеры
гаек сильно различаются, и на поиск замены,
если что, может потребоваться время.
Непонятная схема
В некоторых принципиальных схемах для удоб-
ства при рисовании схемы полюса многопо-
люсного переключателя могут быть визуально
отделены друг от друга и даже оказаться на раз-
личных страницах. Обычно (но не всегда) по-
люса на схемах соединены пунктирной линией.
При отсутствии такого пунктира сегменты пере-
ключателя часто отмечаются кодами, указы-
вающими на их общность, — например, SWl(a)
и SWl(b) почти наверняка являются различны-
ми частями одного переключателя со связанны-
ми полюсами.
Переключатель
59

Электрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
ПОВОРОТНЫЙ
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
7
По англ. rotary switch. He следует смешивать его с поворотным энко-
дером, которому посвящена в этой энциклопедии отдельная статья.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• переключатель (см. статью 7)
• поворотный энкодер (см. статью 8)
Описание
Поворотный (галетный) переключатель уста-
навливает электрическое соединение между ро-
тором, установленным на оси, которая повора-
чивается с помощью круглой ручки, и одним из
двух или нескольких неподвижных контактов.
Традиционно этот компонент использовался ра-
нее для выбора диапазона частот в радиоприем-
нике, телевизионного канала в телевизоре или
входа в предусилителе стереосистемы. Начиная
с 90-х годов прошлого века он практически вы-
теснен поворотным энкодером. Однако по-
воротный переключатель по-прежнему нахо-
дит себе применение в военном оборудовании,
полевых устройствах, промышленных органах
управления, а также там, где необходим проч-
ный компонент, который выдержит жесткое
обращение и, возможно, суровые условия окру-
жающей среды. К тому же, данные на выходе по-
воротного энкодера должны быть декодирова-
ны и интерпретированы, например, с помощью
микроконтроллера, в то время как поворотный
переключатель является полностью пассивным
компонентом, для работы которого не требуется
дополнительная электроника.
Типичные условные обозначения поворотного
переключателя (и функционально идентичные)
показаны на рис. 7.1. Упрощенное изображение
внутреннего устройства традиционного галет-
ного переключателя приведено на рис. 7.2 —
соединенный с ротором отдельный контакт
поочередно соединяется с каждым из непод-
вижных контактов, закрепленных на пластине,
называемой галетой.
Рис. 7.1. Типичные условные обозначения (и функционально
идентичные) поворотного переключателя. В зависимости от
типа переключателя количество контактов может быть иным
Поворотный переключатель
61

Устройство
Электрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
Подборка поворотных переключателей показа-
на на рис. 7.3: слева вверху — открытый пере-
ключатель, контакты которого не защищены
от загрязнения (теперь компоненты этого типа
встречаются редко), справа вверху — двенадца-
типозиционный однополюсный переключатель
Рис. 7.2. Упрощенное изображение внутреннего устройства
обычного однополюсного галетного переключателя на шесть
направлений
с номиналом 2,5 А на 125 В переменного тока,
слева внизу — четырехпозиционный однопо-
люсный переключатель с номиналом 0,3 А на
16 В постоянного тока или на 100 В переменного
тока, справа внизу — двухпозиционный двухпо-
люсный переключатель с таким же номиналом,
что и у переключателя рядом с ним. Все герме-
тизированные переключатели могут быть смон-
тированы по выбору либо на щитке, либо в мон-
тажном отверстии печатной платы.
Устройство
У переключателя может быть несколько под-
вижных контактов (полюсов), каждый из кото-
рых соединен с собственным сектором ротора,
Возможно расположение роторов таким обра-
зом, чтобы они соединялись с неподвижными
контактами, расположенными на отдельных
галетах переключателя, хотя два, три или четы-
ре сектора ротора, направленные в разные сто-
роны, могут соединяться и с контактами одной
галеты, если у переключателя небольшое число
позиций.
Поворотные переключатели обычно изготавли-
ваются с количеством позиций не более двенад-
цати, но обладают возможностью ограничения
числа позиций при помощи стопора. Обычно
это штырек, который может быть прикреплен к
шайбе, надетой на втулку переключателя. Такой
штырек вставляется в выбранные отверстия,
чтобы исключить поворот переключателя далее
выбранной позиции. Например, восьмипозици-
онный поворотный переключатель можно на-
строить так, чтобы у него были доступны только
семь позиций (или даже бы две).
В спецификации поворотного переключателя
обычно указывается угол, на который пово-
рачивается переключатель между соседними
позициями. Так, в поворотном переключате-
ле на 12 позиций угол поворота обычно равен
30 градусам.
Рис. 7.3. Подборка поворотных переключателей
62
Статья!

Злектрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
Варианты
Варианты
Стандартный
Галетный переключатель традиционного типа
предназначен для панельного монтажа, диа-
метр его корпуса составляет от 2,5 до 4 см. Если
он содержит несколько галет, расстояние между
каждой парой равно около 1 см. Такой пере-
ключатель производит слышимый и осязаемый
щелчок при повороте из одного положения в
другое.
На рис. 7.4 показан прочный герметизирован-
ный поворотный переключатель с пятью галета-
ми. У него пять полюсов (по одному на галету), а
максимальное число позиций равно 12. Номинал
контактов составляет 0,5 А на 28 В постоянного
тока. Такой тип компонента для тяжелых режи-
мов работы встречается все реже.
Если ротор поворотного переключателя уста-
навливает соединение со следующим контак-
том незадолго до размыкания соединения с
предыдущим, такой переключатель называется
Рис. 7.4. Пятиполюсный поворотный переключатель на 12 по-
зиций
закорачивающим или переключателем типа «за-
мыкание до размыкания» {make-before-break).
В незакорачивающем (или переключателе типа
«размыкание до замыкания» (break-Ъфге-
make)) небольшой интервал времени отделяет
одно подключение от другого. Это может быть
весьма важно для компонентов, соединенных
с переключателем.
Ось может быть круглого сечения, со шлицами
или D-образного сечения. Ручка управления
редко поставляется вместе с переключателем, и
ее следует подбирать под ось. Некоторые разме-
ры оси являются метрическими, в то время как
остальные измеряются в дюймах, причем самым
старым стандартом является диаметр у4 дюйма
(6,35 мм). Некоторые переключатели со шлице-
вой осью снабжены адаптером для ручки управ-
ления с внутренним D-образным сечением — та-
кой адаптер можно надеть на ось в любом из 12
или более положений, чтобы минимизировать
расхождение положения корпуса самого пере-
ключателя и правильно ориентировать ручку
управления относительно меток, нанесенных на
лицевой панели.
Миниатюрные поворотные переключатели мо-
гут иметь диаметр 1,25 см и обычно завершают-
ся штырьками для монтажа в отверстиях на ком-
пьютерной плате. Такие переключатели обычно
обладают меньшим номиналом по сравнению
с полноразмерными.
Поворотные переключатели должны быть на-
дежно закреплены, чтобы выдерживать боль-
шие поворотные усилия, которые могут при-
лагать к ним пользователи. В конструкции для
панельного монтажа на втулку переключателя
навинчивается гайка. Варианты для установки
в монтажные отверстия могут быть закрепле-
ны на печатной плате с помощью оси, которая
свободно проходит через вырез в панели. Чтобы
минимизировать механическую нагрузку на пе-
чатную плату, фиксаторы в таких переключа-
телях обычно слабее, чем в полноразмерных,
а ручка управления меньше, чтобы снизить раз-
мер рычага.
Поворотный переключатель
63

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
Поворотный DIP-переключатель
Обычный DIP-переключатель представляет со-
бой ряд миниатюрных однополюсных переклю-
чателей на одно направление (SPST), которые
предназначены для размещения в стандартных
DIP-отверстиях монтажной платы (он рас-
смотрен в статье переключатель этой энци-
клопедии).
Поворотный DIP-переключатель (известный
также как поворотный переключатель с преоб-
разованием выходного сигнала или кодированный
поворотный переключатель) вопреки своему на-
званию не соответствует DIP-конструкции. Его
размер равен около 1 см, и обычно он снабжен
пятью штырьками, один из которых можно счи-
тать входным или общим, а остальные четыре
могут работать в качестве выходных (функция
и схема подключения штырьков не стандарти-
зированы). Штырьки эти расположены с шагом
2,54 мм друг от друга. Круговая шкала в верхней
части переключателя имеет либо 10 (с номера-
ми от 0 до 9), либо 16 позиций (с номерами от
0 до 9 и далее с буквенными обозначениями от
А до F), — на рис. 7.5 показаны переключатели
обоих типов.
Каждая позиция круговой шкалы замыкает пару
контактов внутри этого компонента, создавая
уникальную, закодированную в двоичном виде,
десятичную конфигурацию (в 10-позиционном
переключателе) или же шестнадцатеричную
конфигурацию (в 16-позиционном переключа-
теле) четырех выходных штырьков. Состояние
коммутации штырьков относительно положе-
ния переключателя приведено в табл. 7.1. Здесь
показаны положительные и отрицательные со-
стояния четырех выходных штырьков поворот-
ного DIP-переключателя на 16 позиций с реаль-
ным кодированием, при условии что общий шты-
рек переключателя соединен с положительным
напряжением источника питания. Поворотный
DIP-переключатель на 10 позиций использовал
бы только состояния от 0 до 9. В переключателе
с дополнительным кодированием положитель-
ные и отрицательные состояния поменялись бы
местами.
Таблица 7.7. Состояние коммутации штырьков
относительно положения переключателя
Рис. 7.5. Поворотный DIP-переключатель, известный также
как поворотный переключатель с преобразованием выход-
ного сигнала, можно в некоторых устройствах использовать
для замены DIP-переключателя
Положение
переключателя
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
А
В
С
D
LJJ
F
Штырек 1
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
Штырек 2
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
Штырек 3
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
Штырек 4
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
64
Статья 7

Злектрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
Варианты
Поскольку каждая позиция переключателя
определяется с помощью уникальной двоичной
комбинации, перед нами пример абсолютного
кодирования. Для сравнения — типичный по-
воротный энкодер использует относительное
кодирование, так как он всего лишь генерирует
при повороте вала ряд неотличающихся им-
пульсов.
Поворотный DIP-переключатель с реальным ко-
дированием создает соединение между входным
и выходным штырьками, если присутствует дво-
ичная единица. В варианте с дополнительным
кодированием выход инвертирован. Такой пере-
ключатель предназначен, главным образом, для
использования с микроконтроллером, позволяя
всего лишь с помощью четырех входных штырь-
ков микроконтроллера отслеживать до шестнад-
цати различных позиций переключателя.
Некоторые производители выпускают шести-
штырьковые поворотные DIP-переключатели,
в которых имеются два ряда по три штырька,
а два центральных штырька в каждом из рядов
соединены внутри, выступая в роли полюса пе-
реключателя.
Поворотные DIP-переключатели доступны со
шлицем под отвертку, с небольшой рифленой
ручкой или с ручкой побольше. В версии со шли-
цем высота компонента минимальна, что может
оказаться важным в тех случаях, когда печатные
платы размещены близко друг к другу.
Вертикальный вариант для ПК располагает-
ся под углом 90 градусов к монтажной плате,
и его штырьки занимают меньшее пространство
(см. рис. 7.5, слева).
Большинство поворотных DIP-переключателей
предназначено для установки в монтажные от-
верстия, но доступны и версии для поверхност-
ного монтажа.
внутренние компоненты во время пайки мон-
тажных плат «волной припоя».
Надо также иметь в виду, что поворотный DIP-
переключатель является довольно хрупким
устройством и не предназначен для частого или
грубого использования. Скорее всего, он будет
играть роль устройства типа «настроил и за-
был», состояние которого задается во время
монтажа на плате.
Код Грея
Код Грея, названный так по имени его автора,
Франка Грея (Frank Gray), — это система абсо-
лютного кодирования выходного сигнала пере-
ключателя при помощи ряда непоследователь-
ных двоичных чисел, которые выбраны таким
образом, чтобы каждое из них отличалось от
предыдущего только одной цифрой. Такие на-
боры чисел удобны, поскольку при этом исклю-
чается риск того, что при повороте переключа-
теля некоторые биты выходного сигнала будут
изменены раньше других, приводя к ошибочной
интерпретации. Небольшое количество пово-
ротных переключателей или поворотных эн-
кодеров доступно с выходным сигналом в виде
кода Грея.
Как правило, микроконтроллер должен исполь-
зовать таблицу преобразования, чтобы конвер-
тировать каждый двоичный импульс в угловое
положение переключателя.
Поворотный переключатель
для печатной платы
Для монтажа на печатных платах выпускаются
также миниатюрные переключатели с обычным,
некодированным, выходным сигналом. Иногда
для выбора положения такого переключателя
необходима отвертка или гаечный ключ.
Поворотные DIP-переключатели в больший- На рис. 7.6 показан однополюсный переключа-
стве своем герметизированы, чтобы защитить тель на восемь позиций. Его номинал составляет
Поворотный переключатель
65

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > поворотный переключателе
0,5 А на 30 В постоянного тока, но он не пред-
назначен для активного переключения такого
тока.
Рис. 7.6. Этот миниатюрный переключатель предназначен
для монтажа в печатную плату. Его можно использовать для
установки какого-либо параметра перед отправкой устрой-
ства потребителю
Механический преобразователь
Механический преобразователь работает по-
добно поворотному DIP-переключателю, но
предназначен для более интенсивного исполь-
зования. Он выдает в двоичном представлении
десятичное значение, которое соответствует по-
ложению вала. Размер механического преобра-
зователя обычно равен размеру миниатюрного
поворотного переключателя, и предназначен он
для панельного монтажа.
Переключатели Grayhill 51-й серии имеют 12 по-
зиций, в каждой из которых код генерируется
при помощи четырех выводов. Переключатели
Bourns EAW обеспечивают 128 позиций, в каж-
дой из которых код генерируется с помощью
8 выводов.
Барабанный и дисковый
переключатели
Барабанный переключатель с кнопками - это
простое электромеханическое устройство, кото-
рое позволяет оператору передать числовой код
в качестве входных данных для оборудования,
которое обрабатывает их, например, при управ-
лении производственным процессом.
Десятичный вариант такого переключателя со-
держит колесико, на которое нанесены цифры
от 0 до 9, обычно белого или черного цвета,
видимые по одной в окошке на лицевой сторо-
не переключателя. Кнопка над колесиком, по-
меченная знаком «минус», поворачивает его до
следующего меньшего числа, а кнопка под коле-
сиком, помеченная знаком «плюс», поворачи-
вает его до следующего большего числа. Разъем
на тыльной стороне блока содержит общий
(входной) штырек и четыре выходных штырь-
ка со значениями 1,2,4 и 8. Часто предусматри-
вается также дополнительный набор штырьков
со значениями 1, 2, 3 и 4. Состояния выходных
штырьков суммируются со значением, которое в
данный момент отображается на колесике. Как
правило, два, три или четыре барабанных пере-
ключателя (каждый из которых обладает неза-
висимым набором штырьков разъема) объеди-
нены в один блок, хотя доступны и отдельные
барабанные переключатели, которые можно
расположить в ряд.
Дисковый переключатель работает подобно ба-
рабанному, только он использует диск вместо
двух кнопок. На рынке доступны миниатюрные
дисковые переключатели, предназначенные для
установки в монтажные отверстия печатных
плат.
Выпускаются также и шестнадцатеричные вер-
сии — с цифрами от 0 до 9, за которыми следуют
буквы от А до F, хотя такие варианты менее рас-
пространены по сравнению с десятичными.
66
Статья!

Злектрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
Параметры
Переключатель с замком
Переключатель с замком обычно представляет
собой двухпозиционный поворотный переклю-
чатель, который можно повернуть только после
вставки ключа в замок, присоединенный к верх-
ней части вала. Такой тип переключателей почти
всегда обладает конфигурацией ВЫКЛ-(ВКЛ) и
применяется для управления электропитанием.
Переключатели с замком можно обнаружить
в лифтах (для доступа пожарных бригад), в кас-
совых аппаратах или в оборудовании для об-
работки данных, где включение и отключение
питания разрешено только системному админи-
стратору.
Параметры
Полноразмерный поворотный переключатель,
в зависимости от его предназначения, может
иметь номинал от 0,5 А на 30 В постоянного
тока до 5 А на 125 В переменного тока. Очень не-
многие переключатели имеют номинал 30 А на
125 В переменного тока — это высококачествен-
ные, надежные и дорогие компоненты.
Типичный поворотный DIP-переключатель
имеет номинал 30 мА на 30 В постоянного тока,
а при подключенном токе (постоянном потоке
без переключения) его номинал не превосходит
100 мА на 50 В постоянного тока.
быть снабжен резистивной цепочкой, смонтиро-
ванной вокруг его контактов подобно многото-
чечному делителю напряжения, чтобы каждое
положение ротора обеспечивало уникальную
величину потенциала между положительным
напряжением источника питания и отрица-
тельным заземлением. Этот принцип проил-
люстрирован на рис. 7.7, где все резисторы об-
ладают одинаковым номиналом. Напряжение
может быть подано на вход микроконтроллера,
при условии что микроконтроллер использует
общее с переключателем заземление, и аналого-
цифровой преобразователь внутри микрокон-
троллера переведет величину напряжения в чис-
ловое значение.
Преимущество этой схемы заключается в том,
что она обеспечивает очень быстрое управле-
ние, и при этом всего лишь с помощью одного
штырька микроконтроллера дает возможность
отслеживать до двенадцати входных состояний.
Использование
В дополнение к традиционному назначению —
для выбора режима или параметра — поворот-
ный переключатель обеспечивает удобный для
пользователя способ ввода данных. Например,
три десятипозиционных переключателя позво-
ляют пользователю ввести десятичное число в
диапазоне от 000 до 999.
При использовании совместно с микроконт-
роллером поворотный переключатель может
Рис. 7.7. Вокруг контактов поворотного переключателя мож-
но собрать резистивную цепочку с полюсом переключателя,
подключенным к микроконтроллеру, у которого есть встро-
енный аналого-цифровой преобразователь, с помощью ко-
торого микроконтроллер переводит величину напряжения
во внутреннее числовое значение. Таким образом, один шты-
рек может отслеживать до двенадцати входных состояний
Поворотный переключатель
67

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > коммутация > поворотный переключать
Для цепочки, состоящей из восьми резисторов,
как показано на рис. 7.7, каждый из них может
обладать номиналом 250 Ом (в характеристи-
ках конкретного микроконтроллера могут быть
указаны иные значения). Чтобы избежать не-
однозначности на входе, в такой схеме следует
использовать незакорачивающий поворотный
переключатель. На вход микроконтроллера
следует добавить нагрузочный резистор номи-
налом примерно 10 кОм, чтобы не возникал
риск его «зависания» при перемещении ротора
переключателя от одного контакта к другому.
Программный код, который управляет микро-
контроллером, может также содержать интер-
вал подавления, в течение которого микрокон-
троллер будет игнорировать переключатель.
Поскольку поворотный переключатель является
электромеханическим устройством, он обладает
типичной уязвимостью по отношению к пыли
и влаге, в дополнение к тому, что он больше по
размерам, тяжелее и дороже, чем поворотный
энкодер.
Поворотные переключатели частично могут
быть заменены кнопками, соединенными с
микроконтроллером. Такой вариант можно об-
наружить в различных устройствах, начиная с
цифровых будильников и заканчивая мобиль-
ными телефонами. Кнопочная альтернатива
предпочтительна по причине меньшей стоимо-
сти, а также тогда, когда на панели управления и
за ней ограничено пространство.
Что может пойти не так?
Уязвимые контакты
Большинство современных поворотных пере-
ключателей герметизировано, но некоторые —
нет. Любой переключатель с открытыми кон-
тактами особо подвержен воздействию пыли и
влаги, что неизбежно приведет к ненадежному
соединению. Такая неисправность встречалась
в старых телевизорах, для которых требовалась
периодическая чистка переключателя каналов.
Открытые контакты также более подвержены
побочным эффектам температурного цикла -
когда устройство нагревается, а затем остывает.
Перегрузка контактов
Контакты недорогого поворотного переключа-
теля особо подвержены искрению, поскольку
пользователь может поворачивать переключа-
тель медленно, а это вызовет постепенное сце-
пление и расцепление контактов, вместо мгно-
венного действия, которое характерно для хоро-
шо изготовленного тумблера. Если поворотный
переключатель должен управлять значительны-
ми токами или выбросами тока, вам следует вы-
брать переключатель соответствующего номи-
нала, невзирая на его повышенную стоимость.
Дополнительную информацию о подавлении
искрения в переключателях вы найдете в разд.
«Демпфер» статьи конденсатор).
Неточное совмещение
Большинство ручек для поворотных переключа-
телей снабжено указателем или имеет белую по-
лоску, которая обеспечивает четкое визуальное
указание положения переключателя. Если же
он не выравнивается в точности с отметками на
панели, может возникнуть путаница. Для обору-
дования, собираемого вручную, сначала можно
установить переключатель, после чего прикле-
ить или как-то иначе прикрепить в нужном месте
на контрольной панели соответствующие мет-
ки, сделав их для более точного выравнивания
на отдельном куске ламинированной карточки,
пластика или металла. Если переключатель за-
креплен непрочно, его корпус может слегка про-
ворачиваться при повторяющемся переключе-
нии, что приведет к ошибочной интерпретации
положения ручки.
68
Статья!

Злектрическая энергия > коммутация > поворотный переключатель
Что может пойти не так?
Неправильно определенный
закорачивающий переключатель
Если вместо незакорачивающего переключателя
использован закорачивающий, результат его ра-
боты может сбить вас с толку или даже привести
к ущербу, так как один из его выводов окажется
во время поворота переключателя на короткое
время соединенным с соседним. При этом может
одновременно активироваться несколько функ-
ций схемы, а в самом худшем случае соседние
выводы могут оказаться соединенными с проти-
воположными полюсами источника питания.
Нарушение режима эксплуатации
Усилие вращения, которое должно быть приме-
нено к обычному полноразмерному поворотно-
му переключателю, значительно больше, чем при
работе с большинством других типов выключа-
телей для панельного монтажа. Соответственно,
в результате прилагаемых неадекватных усилий
вращательное движение рукоятки скорее все-
го со временем ослабит гайку, удерживающую
переключатель на месте. Облегченные параме-
тры эксплуатации миниатюрных поворотных
переключателей не решают эту проблему окон-
чательно, поскольку пользователи, привык-
шие к переключателям старого типа, могут по-
прежнему прилагать такое же усилие.
С учетом сказанного, поворотные переключа-
тели должны быть смонтированы с расчетом
на грубое обращение. Было бы разумно нане-
сти под гайку, удерживающую переключатель
на месте, какое-либо клеящее вещество, чтобы
предотвратить ее ослабление. Переключатель не
следует монтировать на тонкой или хрупкой па-
нели. При использовании миниатюрного пово-
ротного переключателя, который предназначен
для вставки в монтажные отверстия на печатной
плате, эта плата должна быть достаточно проч-
ной и должным образом защищенной.
Неправильный вал,
неподходящие ручки, утерянные
гайки, слишком большой размер
Указанные проблемы идентичны проблемам,
встречающимся при работе с потенциометром,
который рассмотрен в соответствующей статье
этой энциклопедии.
Поворотный переключатель
69

Электрическая энергия > коммутация > поворотный энкодер
ПОВОРОТНЫЙ ЭНКОДЕР
8
Термин поворотный энкодер (по англ. rotational encoder) с неко-
торых пор стал применяться для обозначения высококачествен-
ных компонентов, которые зачастую используют оптические ме-
тоды для точного измерения угла поворота (более 100 интервалов
в 360 градусах). Более дешевые и простые электромеханические
устройства назывались до этого преобразователями угла поворо-
та вала. Однако теперь термин поворотный энкодер применяет-
ся почти к любому устройству, которое способно преобразовать
угол поворота ручки в цифровой сигнал при помощи размыкания
и замыкания внутренних механических контактов, — именно в
таком смысле этот термин используется здесь. Иногда — при по-
мощи термина механический поворотный энкодер — указывает-
ся на его отличие от других типов преобразователей. Магнитные
и оптические преобразователи угла поворота не содержат механи-
ческих контактов, отнесены в этой энциклопедии к категории датчи-
ков и рассматриваются в третьем томе. Их можно обнаружить в таких
устройствах, как оптическая мышь.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• поворотный переключатель (см. статью 7)
Описание
Поворотный энкодер имеет круглую ручку, ко-
торую пользователь может вращать, чтобы
отобразить ряд значений на жидкокристалли-
ческом дисплее или настроить вход/выход на
устройстве типа стереоусилителя. Этот компо-
нент почти всегда соединен с входами микро-
контроллера и обычно снабжен фиксаторами,
которые обеспечивают осязательную обратную
связь, помогающую различать близко располо-
женные позиции. Поворотный энкодер часто
позволяет пользователю осуществить выбор
нужной позиции путем нажатия на ручку, при
котором замыкается внутренний переключатель
с самовозвратом. Следовательно, этот тип пре-
образователя действует и как кнопка, и как пе-
реключатель.
Поворотный энкодер является накапливающим,
или относительным, устройством, а это значит,
что он при повороте просто создает и разры-
вает соединения внутреннего переключателя,
не определяя уникального кода для идентифи-
кации каждой абсолютной позиции поворо-
та. Абсолютный преобразователь рассмотрен
в статье поворотный переключатель этой
энциклопедии.
Для обозначения поворотного энкодера нет
условного изображения.
поворотный энкодер
71

Устройство
Электрическая энергия > коммутация > поворотный энкодер
Устройство
Поворотный энкодер содержит две пары кон-
тактов, которые при вращении ручки размыка-
ются и замыкаются в противофазе друг с дру-
гом — при вращении по часовой стрелке пара
контактов А может замкнуться до пары В, при
вращении против часовой стрелки пара В мо-
жет замкнуться до пары А (в некоторых преоб-
разователях это различие фаз обратное). Таким
образом, если один из контактов каждой пары
соединен со входом микроконтроллера, запро-
граммированного должным образом, а второй
контакт — подключен к отрицательному полюсу
батареи (заземлен), то микроконтроллер спосо-
бен выяснить, в какую сторону вращается руч-
ка, установив, какая пара контактов замыкается
первой. После этого микроконтроллер может
подсчитать количество импульсов от контактов
и проинтерпретировать его, изменив вывод или
обновив содержимое дисплея.
Упрощенная схема поворотного энкодера по-
казана на рис. 8.1. Две кнопки, обведенные
пунктирной линией, представляют здесь вну-
тренние контакты преобразователя, темный
прямоугольник микросхемы обозначает микро-
контроллер. Ручка управления и валик, при
вращении которого замыкаются внутренние
контакты, не показаны. В этой схеме подразуме-
вается, что замыкание контакта переводит вход-
ной сигнал микросхемы в «низкое» состояние.
На каждый вывод микросхемы добавлен нагру-
зочный резистор, чтобы избежать «зависания»
выводов, когда разомкнута какая-либо пара
контактов.
Рис. 8.1. Упрощенная схема устройства типичного пово-
ротного энкодера: кнопки, обведенные пунктирной линией,
представляют здесь внутренние контакты преобразователя,
темный прямоугольник микросхемы обозначает микрокон-
троллер
Рис. ЦВ-8.2. Расчетные выходные сигналы поворотного эн-
кодера при условии, что общие выводы пар контактов под-
ключены к отрицательному полюсу батареи (заземлены).
«Высокий» уровень сигнала здесь свидетельствует о заземле-
нии пары контактов. Количество фиксаторов по отношению
к количеству импульсов на поворот может, в зависимости от
типа энкодера, быть различным
72
Статья 8

Электрическая энергия > коммутация > поворотный энкодер
Варианты
На рис. ЦВ-8.2 приведен принципиальный вид
выходного сигнала поворотного энкодера, когда
ручка вращается по часовой стрелке (вверху), а
затем - против часовой стрелки (внизу). У неко-
торых энкодеров, как уже было отмечено ранее,
эта последовательность фаз может быть обрат-
ной. Состояния выводов (штырьков) обозначе-
ны здесь красным и черным цветом в предполо-
жении, что выводы, общие для обеих пар кон-
тактов, подключены к отрицательному полюсу
батареи (заземлены). Таким образом «высокий»
сигнал в графическом представлении указывает
в действительности на то, что преобразователь
выполняет обнуление выходного сигнала.
Микроконтроллеры стали настолько вездесу-
щими, а поворотные энкодеры — настолько
недорогими, что они вытеснили поворотные
переключатели во многих устройствах, исполь-
зующих слабый ток. Комбинация поворотного
энкодера и микроконтроллера является мно-
гофункциональной и позволяет отображать
и контролировать практически неограниченное
количество опций меню и параметров.
Варианты
Есть два типа поворотных энкодеров, которые
содержат механические контакты: абсолютный
и относительный. Абсолютный энкодер генери-
рует код, соответствующий каждому конкретно-
му углу поворота. Этот код обычно представляет
собой двоичный сигнал, приходящий от четырех
и более штырьков. Такое устройство рассматри-
вается в разделе о механическом преобразовате-
ле в статье поворотный переключатель этой
энциклопедии. Представленные далее варианты
являются относительными энкодерами.
Импульсы и фиксаторы
У различных производителей поворотные эн-
кодеры могут выдавать от 4 до 24 импульсов на
оборот и снабжены фиксаторами количеством
от 12 до 36 (или совсем лишены их в некоторых
моделях). Соотношение между импульсами и
фиксаторами, показанное на рис. ЦВ-8.2, явля-
ется типичным, но далеко не универсальным, —
количество фиксаторов может быть равно чис-
лу импульсов на оборот, превосходить его или
быть меньше него.
Конструкция
Поворотные энкодеры обычно являются
устройствами для панельного монтажа или для
вставки в монтажные отверстия. Во второй
категории большинство из них монтируется
горизонтально, а незначительная часть распо-
лагается под углом 90 градусов к плате.
Выход
В энкодере, содержащем два переключателя,
возможны четыре комбинации их состояний:
ВЫКЛ-ВЫКЛ, ВКЛ-ВЫКЛ, ВЫКЛ-ВКЛ и ВКЛ-
ВКЛ — это называется квадратурным выходом.
Все поворотные энкодеры, рассматриваемые
здесь, согласуются с этой системой.
Сопротивление вращению
Поворотные энкодеры сильно различаются по
сопротивлению, которое они оказывают при
вращении пользователем ручки управления.
В значительной степени эту функцию выполня-
ют фиксаторы, если они присутствуют. Тем не
менее, все поворотные энкодеры, как правило,
обладают меньшим сопротивлением враще-
нию, чем поворотные переключатели, а также
не имеют ручек для тяжелых режимов работы,
которые обычно устанавливаются на поворот-
ные переключатели. Поскольку энкодер создает
только поток импульсов, не сообщая данных об
абсолютном положении вала, для него неумест-
на ручка с каким-либо указателем.
Поворотный энкодер
73

Параметры
Электрическая энергия > коммутация > поворотный энкодер
Параметры
Практически все поворотные энкодеры рассчи-
таны для работы с источником питания низкого
напряжения — 12 В постоянного тока или мень-
ше и предназначены для слабых токов, что от-
ражает их назначение, — управление входами
микроконтроллера.
На рис. 8.3 показаны некоторые из таких эн-
кодеров: вверху — 9 импульсов на оборот, 36
фиксаторов, 10 мА на 10 В постоянного тока,
слева — 20 импульсов на оборот, 20 фиксато-
ров, с переключателем, справа — 24 импульса
на оборот, без фиксаторов, 1 мА на 5 В постоян-
ного тока, в центре — 16 импульсов на оборот,
без фиксаторов, 1 мА на 5 В постоянного тока,
внизу — 12 импульсов на оборот, 24 фиксатора,
1 мА на 10 В постоянного тока (для его поворота
требуется соответствующая крестообразная от-
вертка).
Рис. 8.3. Поворотные энкодеры, обладающие различными
характеристиками
Дребезг контактов
Любой механический переключатель в той или
иной степени страдает от дребезга контактов
при их замыкании. Спецификации поворотных
энкодеров могут содержать характеристики дли-
тельности дребезга, величина которой состав-
ляет от 2 до 5 миллисекунд и называется иногда
временем успокоения. Естественно, предпочти-
тельнее значение поменьше. Микроконтроллер,
который интерпретирует информацию от эн-
кодера о его положении, может содержать про-
цедуру устранения дребезга, которая просто иг-
норирует любые сигналы, которые возникают
после замыкания переключателя в течение пе-
риода дребезга.
Помехи при скольжении
контактов
Помехи при скольжении контактов являются
противоположностью дребезга контактов. Когда
два контакта приходят в соединение, а затем
трутся друг о друга (как это происходит внутри
преобразователя угла поворота при вращении
ручки), в соединении могут возникать непро-
должительные разрывы.
Спецификации энкодеров обычно не сообщают
этой характеристики.
Использование
Как отмечено ранее, поворотный энкодер может
применяться только в сочетании с микрокон-
троллером или подобным ему устройством, ко-
торое способно интерпретировать разность фаз
между парами контактов, а также может подсчи-
тывать число событий размыкания/замыкания
при повороте ручки (некоторые специализиро-
ванные микросхемы предназначены именно для
этой цели).
Поворотный энкодер можно включить в кон-
струкцию устройства таким образом, чтобы он
74
Статья 8

Электрическая энергия > коммутация > поворотный энкодер
Что может пойти не так?
приводился в действие шаговым электродви-
гателем, обеспечивая обратную связь в зави-
симости от угла поворота вала двигателя, а его
выходной сигнал при этом может быть исполь-
зован для вычисления углового ускорения.
Программирование микроконтроллера для ин-
терпретации данных, получаемых от поворот-
ного энкодера, представляет собой весьма не-
тривиальную задачу. Обычно программа долж-
на выполняться в последовательности, которая
приведена в следующем псевдокоде:
• Проверка:
♦ если энкодер содержит кнопочный пере-
ключатель, проверить его. Если кнопка
нажата, перейти к соответствующей под-
программе;
♦ состояние контактов А;
♦ состояние контактов В.
Сравнить их состояние с сохраненными
ранее состояниями контактов А и В. Если
статус не изменился, выполнить повтор
блока Проверка.
• Устранение дребезга:
♦ многократно проверить состояние кон-
тактов в течение 50 миллисекунд, выпол-
нить подсчет состояний контактов А и В
(интервал в 50 мс может быть уточнен
для различных энкодеров, поскольку
преобразователь с большим числом им-
пульсов на оборот будет стремиться к
тому, чтобы они были короче);
♦ сравнить общее количество измененных
состояний с количеством неизмененных.
Если число измененных состояний суще-
ственно меньше, то, вероятно, сигнал оши-
бочен и был вызван дребезгом контактов
или помехами при скольжении. Вернуться
к блоку Проверка и начать заново.
§ Интерпретация:
♦ определить направление вращения на
основе следующих четырех возможнос-
тей (определять, как интерпретируются
эти переходы, будет конкретный тип
энкодера):
• контакты А были разомкнуты, а затем
замкнулись;
• контакты А были замкнуты, а затем
разомкнулись;
• контакты В были разомкнуты, а затем
замкнулись;
• контакты В были замкнуты, а затем
разомкнулись;
♦ если необходимо, проверить переменную,
которая хранит направление вращения;
♦ в зависимости от направления вращения
увеличить или уменьшить значение
переменной счетчика импульсов;
♦ выполнить действие, которое соответст-
вует направлению вращения и общему
количеству импульсов;
♦ вернуться к блоку Проверка.
Что может пойти не так?
Еще о дребезге
Чтобы уменьшить влияние дребезга, в дополне-
ние к применяемому в микроконтроллере алго-
ритму его устранения, на каждом выходном за-
жиме энкодера можно установить развязываю-
щий конденсатор емкостью ОД мФ.
Перегорание контакта
Поворотные энкодеры совместимы с транзис-
торно-транзисторной логикой и обычно не
предназначены для приведения в действие даже
такого небольшого выходного устройства, как
светодиод. Их контакты чрезвычайно хрупкие
и могут быть легко повреждены при попыт-
ке подключения сколь-нибудь значительного
тока.
Поворотный энкодер
75

Электрическая энергия > коммутация > реле
РЕЛЕ
9
Рассматриваемый здесь компонент (по англ. relay) следовало бы на-
зывать электромагнитным реле с якорем — чтобы отличать его от
твердотельного реле, однако столь полный термин применяется
крайне редко. Можно назвать его также и электромеханическим
реле, но мы здесь под термином реле будем просто иметь в виду
устройство с соответствующими функциями, но не являющееся твер-
дотельным.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• твердотельное реле (представлено во втором томе энцикло-
педии)
• переключатель (см. статью 6)
Описание
Реле позволяет электрическому сигналу или им-
пульсу включать (или выключать) электриче-
ский ток. Как правило, для управления реле ис-
пользуется низкое напряжение или слабый ток,
чтобы с его помощью управлять высоким напря-
жением и/или сильным током. Сигнал низкого
напряжения (слабого тока), выданный сравни-
тельно небольшим и экономичным переключа-
телем, может быть передан в реле по простому
тонкому проводу, после чего реле включит по-
дачу на нагрузку сильного тока. Так, например,
в автомобиле при повороте ключа зажигания
отправляется сигнал в реле, расположенное ря-
дом со стартером.
Несмотря на то, что полупроводниковые пере-
ключающие устройства работают быстрее и яв-
ляются более надежными, у реле, все же, есть
некоторые преимущества: они способны об-
рабатывать переключение на два направления
и/или несколько полюсов, а также могут ока-
заться дешевле, когда дело касается высокого
напряжения или тока. Их преимущества по
сравнению с твердотельными реле и транзи-
сторами приведены в табл. 28.1 (см. статью би-
полярный транзистор этой энциклопедии).
Распространенные условные обозначения реле
на одно направление показаны на рис. 9.1, а на
рис. 9.2 приведены обозначения реле на два на-
правления. Внешний вид и ориентация катушки
и контактов в этих обозначениях могут суще-
ственно различаться, однако функциональность
остается неизменной.
J
\
S \
Рис. 9.1. Широко используемые и функционально идентич-
ные условные обозначения однополюсного реле на одно
направление (SPST)
Реле
77

Устройство
Электрическая энергия > коммутация > реле
Рис. 9.2. Широко используемые и функционально иден-
тичные условные обозначения однополюсного реле на два
направления (SPDT)
Устройство
Реле состоит из катушки, якоря и хотя бы одной
пары контактов. Ток протекает через катуш-
ку, которая действует как электромагнит и
создает магнитное поле, приводящее в движе-
ние якорь, часто имеющий форму поворотного
кронштейна, который в результате замыкает
(или размыкает) контакты силовой части реле.
Эти детали и показаны на упрощенном изо-
бражении (рис. 9.3) двухполюсного реле на
Рис. 9.3. Это упрощенное изображение показывает основные
детали двухполюсного реле на одно направление (DPST)
одно направление (DPST). Два удерживающих
контакты блока выполнены из изолирующего
материала: блок слева поддерживает полоски с
контактами, а блок справа прижимает контакты
друг к другу, когда якорь поворачивается вокруг
своей оси в ответ на магнитное поле катушки.
Электрические соединения контактов и катушки
для упрощения опущены.
Несколько небольших реле, способных работать
при различных значениях напряжения и силы
тока, показаны на рис. 9.4: слева вверху — авто-
мобильное реле на 12 В постоянного тока, кото-
рое вставляется в специальное гнездо, показан-
ное непосредственно под ним, справа вверху -
однополюсное реле на 24 В постоянного тока на
два направления (SPDT) с открытыми контак-
тами и катушкой, что делает его пригодным для
использования только в очень чистых и сухих
внешних условиях, далее сверху вниз — четыре
реле в герметизированных пластиковых корпу-
сах, предназначенные для работы с токами в 5 А
при 250 В переменного тока, 10 А при 120 В пере-
менного тока, 0,6 А при 125 В переменного тока
и 2 А при 30 В постоянного тока, соответственно
(у двух верхних из них катушки рассчитаны на
12 В постоянного тока, а нижние два снабжены
катушками на 5 В. Все они являются реле без ме-
ханической блокировки, за исключением самого
нижнего, которое снабжено такой блокировкой
и двумя катушками), слева внизу — реле на 12 В
постоянного тока в прозрачном корпусе, его но-
минал равен 5 А на 240 В переменного тока или
на 30 В постоянного тока.
Конфигурация реле обозначается при помо-
щи таких же сокращений, что и для переклю-
чателей: SP, DP, ЗР и 4Р соответствуют 1, 2, 3
или 4 полюсам (реле с числом полюсов свыше 4
встречаются редко), ST и DT обозначают пере-
ключение на одно или на два направления. Эти
сокращения обычно объединяются, например,
так: 3PST или SPDT. Кроме того, могут исполь-
зоваться обозначения: Тип А — означающий
нормально разомкнутое реле, Тип В — нормаль-
но замкнутое и Тип С — на два направления,
78
Статья 9

Электрическая энергия > коммутация > реле
Варианты
перед которыми стоит число, указывающее на
количество полюсов. Соответственно, запись
2 Тип С означает двухполюсное реле на два на-
правления.
Варианты
Блокировка
Различают два основных типа реле: с блокиров-
кой и без блокировки:
• реле без блокировки, известное также как
моностабильное реле, является самым рас-
пространенным, — оно напоминает пере-
ключатель мгновенного действия или кноп-
ку тем, что его контакты возвращаются
в исходное положение, когда подача пита-
ния на реле прерывается. Это может быть
важным в тех ситуациях, когда реле должно
вернуться в исходное состояние в случае
отключения энергии;
• у реле с блокировкой, наоборот, нет состоя-
ния по умолчанию — они почти всегда имеют
контакты на два направления, которые
остаются в том или ином положении, вне
зависимости от наличия питающего на-
пряжения. Для такого реле необходим лишь
короткий импульс, чтобы изменить его
состояние. В терминах для полупроводни-
ков его поведение подобно триггеру.
В однокатугиечном реле с блокировкой поляр-
ность напряжения, приложенного к катушке,
определяет, какая пара контактов будет замкну-
та. В двухкатушечном реле с блокировкой вто-
рая катушка перемещает якорь между двумя его
состояниями.
Условные обозначения двухкатушечного реле с
блокировкой показаны на рис. 9.5. Иногда ва-
рианты обозначений не позволяют определить,
какое положение переключателя вызывает каж-
дая катушка, поэтому вам может потребоваться
изучить спецификации производителя или про-
тестировать реле путем подачи номинального
напряжения к случайно выбранной паре вводов
с проверкой наличия замкнутой цепи между
теми или иными парами выводов.
Рис. 9.4. Подборка небольших реле с питанием от постоян-
ного тока
Рис. 9.5. Функционально идентичные условные обозначения
двухкатушечного реле с блокировкой
Реле
79

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > рем
Полярность
Существуют три типа реле постоянного тока:
• в нейтральном реле полярность постоянного
тока, протекающего через катушку, несуще-
ственна, — реле работает одинаково хорошо
в любом направлении;
• поляризованное реле содержит диод, подклю-
ченный последовательно к катушке, чтобы
блокировать ток в одном из направлений;
• реле с торможением содержит рядом с яко-
рем постоянный магнит, который ускоряет
быстродействие, когда ток протекает через
катушку в одном из направлений, но бло-
кирует отклик, когда ток протекает в обрат-
ном направлении.
В спецификациях производителей может не
применяться эта терминология, но будет указа-
но, чувствительна ли катушка реле к полярности
напряжения постоянного тока.
Все реле способны коммутировать цепи пере-
менного тока, но только реле переменного тока
предназначены для использования переменного
тока в своих катушках.
Варианты расположения выводов
Расположение и функции выводов или быстро-
соединяемых зажимов реле у производителей
не стандартизированы. Зачастую на компоненте
может быть нанесено какое-либо обозначение
функций выводов, но всегда следует свериться
со спецификацией производителя и/или прове-
рить цепь с помощью измерительного прибора.
На рис. 9.6 показаны четыре варианта конфигу-
рации выводов, взятые из спецификации про-
изводителя. Эти конфигурации совершенно
различны по функциональности, хотя все они
относятся к двухполюсным реле на два направ-
ления. На каждой схеме катушка реле изображе-
на в виде прямоугольника, выводы обозначены
кружками, причем черный цвет соответствует
состоянию под током, а белый — обесточенному
состоянию. Изогнутые линии показывают воз-
можные соединения между полюсами и другими
контактами внутри реле. Контакты изображены
в виде стрелок. Следовательно, полюс 4 может
быть соединен либо с контактом 3, либо с кон-
тактом 5, а полюс 9 — с контактом 8 или 10.
На этих схемах реле показаны в виде сверху,
В некоторых спецификациях реле показаны
снизу, а в некоторых — в двух видах. Ряд про-
изводителей используют для обозначения
внутренних функций несколько отличающиеся
символы. Так что, при возникновении сомне-
ний используйте для проверки измерительный
прибор.
Герконовое реле
Герконовое реле — это самый маленький тип
электромеханических реле, который применя-
ется в основном в испытательном оборудовании
и телекоммуникациях. При сопротивлении ка-
тушки от 500 до 2000 Ом такие реле потребляют
незначительную мощность. Их конструкция со-
стоит из герконового переключателя, вокруг ко-
торого намотана катушка.
10 9 8
ш
3 4 5
10 9 8 ?
ил i
12 10 9
4 5
12
10 9 8 ?
3 4 5 6
.„»., „.»..„!
Рис. 9.6. Варианты расположения выводов реле, изображен-
ные так, как это обычно приводится в спецификациях произ-
водителей: слева вверху — од но катушечное, без блокировки;
справа вверху — однокатушечное, с блокировкой; слева вни-
зу — двухкатушечное, с блокировкой; справа внизу — двух-
катушечное, с блокировкой, альтернативный вариант распо-
ложения. (Адаптировано из спецификации фирмы Panasonic.)
80
Статья 9

Электрическая энергия > коммутация > реле
Варианты
Герконовые реле обладают ограниченной ком-
мутационной способностью по току и непригод-
ны для работы с индуктивной нагрузкой.
На рис. 9.7 показано упрощенное изображение
герконового реле: два черных контакта заклю-
чены в стеклянную или пластиковую оболочку
и намагничены таким образом, что магнитное
поле от окружающей оболочку катушки приги-
бает их друг к другу, создавая соединение. Когда
питание катушки отключается, магнитное поле
исчезает, и контакты разъединяются.
На рис. 9.8 показаны два герконовых реле: слева
вверху и в центре. А слева внизу — реле, вскры-
тое при помощи ленточно-шлифовального стан-
ка: видна медная катушка и находящаяся внутри
нее капсула с контактами реле.
Герконовые реле для поверхностного монтажа
могут иметь размеры менее 13x5 мм. Варианты
их для установки в монтажные отверстия часто
бывают размером 18x8 мм и со штырьками в два
ряда, хотя некоторые из них доступны в корпу-
сах SIP.
больше, требуют чуть больший ток для катушки
и доступны в вариантах, которые могут комму-
тировать цепи с чуть более высокими напряже-
нием и силой тока. Обычно они снабжены двумя
рядами штырьков, расположенными на расстоя-
нии 5 или 7,6 мм друг от друга. Два правых ниж-
них реле на рис. 9.4 — реле слабых сигналов.
Автомобильные реле
Автомобильное реле обычно заключено в плас-
тиковый корпус кубической формы и снабжено
в нижней части выводами для быстрого под-
ключения, с помощью которых оно вставляет-
ся в соответствующее гнездо. Как и следовало
ожидать, автомобильные реле предназначены
для работы с источником питания на 12 В по-
стоянного тока.
Слаботочные реле
Слаботочные реле известны также как реле
низкоуровневого сигнала. Реле этого типа могут
занимать столько же места, сколько герконо-
вые реле, но обычно выступают вверх немного
Рис. 9.7. На этом упрощенном изображении показано герко-
новое реле, состоящее из намагниченного язычкового пере-
ключателя, расположенного внутри стеклянной или пласти-
ковой капсулы, который замыкается с помощью намотанной
на капсулу катушки
Рис. 9.8. Три герконовых реле, у одного из которых при помо-
щи ленточно-шлифовального станка частично удален корпус,
чтобы показать медную катушку и внутренние контакты
Реле
81

Варианты
Электрическая энергия > коммутация > pent
Реле общего назначения
и промышленные
Реле этого типа выпускаются в самых различ-
ных вариантах, и при их создании обычно не
придается особого значения размерам. Все они
способны коммутировать большие токи и вы-
сокое напряжение. Обычно реле общего назна-
чения предназначены для вставки в гнездо типа
восьмиштырькового цоколя, который когда-то
использовался для вакуумных ламп. Цоколь
этот, в свою очередь, завершается язычками для
пайки, зажимными клеммами или быстросо-
единяемыми выводами и предназначен для кре-
пления к шасси, — это позволяет вынуть реле
и выполнить его замену без повторной пайки.
На рис. 9.9 показаны два промышленных реле —
оба они являются двухполюсными на два на-
правления (DPDT) с катушками на 12 В посто-
янного тока и предназначены для работы с то-
ками до 10 А при 240 В переменного тока. Реле
слева имеет восьмиштырьковый цоколь. Гнездо,
которое подходит для такого цоколя, показано
на рис. 9.10.
Реле времени
Используемое обычно для управления произ-
водственными процессами реле времени вклю-
чает и выключает выходной сигнал через
Рис. 9.10. Гнездо, снабженное зажимными клеммами и пред-
назначенное для реле с восьмиштырьковым цоколем
Рис. 9.9. Два реле, потребляющие 12 В постоянного тока
и способные коммутировать до 10 А при 240 В переменного
тока
Рис. 9.11. Управляющие переключатели на реле времени,
позволяющие выполнять раздельную настройку интервалов
включения и выключения
82
Статья9

Электрическая энергия > коммутация > реле
Параметры
заданные интервалы времени, повторение ко-
торых можно запрограммировать. Образец,
показанный на на рис. 9.11, снабжен восьми-
штырьковым цоколем, имеет катушку, потреб-
ляющую 12 В постоянного тока, и предна-
значен для работы с токами до 10 А при 240 В
переменного тока.
Контактор
Контактор действует подобно реле, но предна-
значен для коммутации высокого тока (до не-
скольких тысяч ампер) при высоком напряже-
нии (до нескольких киловольт). По размеру он
может как уместиться на ладони, так и достигать
нескольких десятков сантиметров. Контактор
можно использовать для управления такой суще-
ственной нагрузкой, как очень большие электро-
двигатели, блоки ламп высокой мощности или
высокопроизводительные источники питания.
Параметры
В спецификациях обычно указывают макси-
мальные значения напряжения и тока для кон-
тактов, а также номинальные величины напря-
жения и тока для катушки, хотя в некоторых
случаях вместо номинального тока для катушки
приведено ее сопротивление. Приближенное
значение потребляемого тока можно оценить,
если необходимо, с помощью закона Ома.
Минимальное напряжение, которое необходи-
мо для активации реле, обычно указывается как
Must Operate By, а напряжение Must Release By
является максимальным напряжением для
катушки, которое реле будет игнорировать.
Номинал реле устанавливается в предположе-
нии, что катушка может оставаться под током
в течение продолжительного времени, если не
указано обратное.
Хотя на основании номинала для контактов
можно предположить, что реле способно комму-
тировать большую нагрузку, это не обязательно
окажется верным, если нагрузка обладает суще-
ственной индуктивностью.
• Герконовые реле — обычно используют
для катушки напряжение 5 В постоянного
тока, а номинал контактов доходит до
0,25 А при 100 В. Варианты для установки
в монтажные отверстия (для печатных
плат) могут иметь напряжение для катушки
в 5,6,12 или 24 В постоянного тока, причем
в некоторых случаях заявлено, что они
способны коммутировать ток от 0,5 до 1 А
при 100 В, хотя такой номинал относится
исключительно к неиндуктивной нагрузке.
• Слаботочные реле/реле низкоуровневого сиг-
нала — обычно используют напряжение ка-
тушки от 5 до 24 В постоянного тока, потреб-
ляя около 20 мА. Максимальный комму-
тируемый ток для неиндуктивной нагрузки
составляет от 1 до 3 А.
• Промышленные реле/реле общего назначе-
ния — очень широкий диапазон возможных
значений, напряжение катушки может со-
ставлять от 48 В постоянного тока или 125 В
переменного тока до 250 В переменного
тока. Номинал контактов обычно от 5 до
30 А.
• Автомобильные реле — напряжение катушки
равно 12 В переменного тока, а номинал
контактов часто равен 5 А при напряжении
до 24 В постоянного тока.
• Реле времени — обычно для них напряжение
катушки равно 12 В постоянного тока, 24 В
постоянного тока, 24 В переменного тока,
125 В переменного тока или 230 В пере-
менного тока. Интервал времени может
составлять от ОД с до 9999 часов в неко-
торых случаях. Распространенные значе-
ния номинала контактов составляют от 5 до
20 А при напряжении от 125 до 250 В пере-
менного или постоянного тока.
Использование
Реле можно найти в такой бытовой технике, как
посудомоечные машины, стиральные машины,
холодильники, кондиционеры, копировальные
аппараты, а также в других устройствах, где
Реле
83

Использование
Электрическая энергия > коммутация > рея
мощная нагрузка (например, электродвигатель
или компрессор) должна подключаться и от-
ключаться при помощи управляющего переклю-
чателя, термостата или электронной схемы.
На рис. 9.12 показан распространенный вариант
применения реле в небольших масштабах, где
сигнал от микроконтроллера (ток в несколько
миллиампер при 5 В постоянного тока) подает-
ся на базу транзистора, который управляет реле.
В этом случае логический выход может комму-
тировать ток в 10 А при 125 В переменного тока.
Обратите внимание, что выпрямительный диод
подключен параллельно с катушкой реле.
Реле с блокировкой удобно в тех случаях, когда
соединение должно сохраняться при отключе-
нии или прерывании питания, или если потре-
бление энергии должно быть минимизировано.
Наиболее часто они используются в устройствах
для обеспечения безопасности. Тем не менее,
в схеме может понадобиться функция «сброс
питания», чтобы восстановить для реле с бло-
кировкой исходные настройки по умолчанию.
На рис. 9.13 показана цепь, содержащая все воз-
можные средства защиты против всплесков на-
пряжения. В ней есть демпфер для защиты кон-
тактов реле, выпрямительный диод для пода-
вления противодействующей ЭДС, создаваемой
катушкой реле, а также еще один выпрямитель-
ный диод для защиты реле от ЭДС, создаваемой
электродвигателем, когда реле его включает и
выключает. Демпфер можно изъять, если элек-
тродвигатель потребляет сравнительно слабый
ток (менее 5 А) или же реле работает с неиндук-
тивной нагрузкой. Диод для катушки реле мож-
но изъять, если в цепи нет полупроводников или
других компонентов, уязвимых для скачков на-
пряжения. Тем не менее, такой скачок может от-
разиться на компонентах смежных цепей, кото-
рые являются электрически изолированными.
Сильный всплеск может даже распространиться
по внутренней проводке переменного тока.
Сведения о применении комбинации «резистор-
конденсатор» для создания демпфера см. в разд.
«Демпфер» статьи конденсатор этой энцикло-
педии.
"™
V V
Рис. 9.12. Сигнал от цифрового источника, например от
микроконтроллера, может коммутировать значительное на
пряжение и ток, если он подан на базу транзистора, активи
рующего реле
>
I
Ы
Рис. 9.13. На этой условной схеме показаны три типа средств
защиты против скачков напряжения, создаваемых индуктив
ной нагрузкой (в данном случае электродвигателем) и катуш
кой реле
84
Статья)

Электрическая энергия > коммутация > реле
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Неверное расположение выводов
Отсутствие стандартов расположения выводов
реле может привести к ошибкам, если какое-либо
реле заменено сходным по виду, но в действи-
тельности не являющимся таковым. В частности,
у реле разных производителей выводы, которые
подключаются к нормально замкнутым контак-
там, могут меняться местами с выводами, веду-
щими к нормально разомкнутым контактам.
Вызвать путаницу может также и расположение
выводов, поскольку в некоторых спецификаци-
ях оно рассматривается сверху, в других — сни-
зу, а иногда и с обеих сторон.
Неправильная ориентация
Небольшие реле, предназначенные для вставки
в монтажные отверстия печатных плат, обычно
имеют штырьки, равномерно расположенные
друг от друга на расстоянии, кратном 2,54 мм.
Перед вставкой таких реле в плату следует
их правильно сориентировать относительно
остального монтажа схемы. Почти у всех реле
есть идентификационная метка, впрессованная
в один из углов пластиковой оболочки. Про-
изводители не стандартизируют положение
и значение этих меток, но обычно они описаны
в спецификациях. Если вы используете реле
такого типа, какой не использовали ранее, хо-
рошей мерой предосторожности будет его про-
верка с помощью измерительного прибора, что-
бы уточнить назначение выводов до установки
реле.
Неправильный тип
Реле с блокировкой может выглядеть абсолютно
так же, как и реле без блокировки того же про-
изводителя, и подавать ток на катушку могут те
же самые два штырька. Тем не менее, в реле с
блокировкой контакты не станут возвращаться в
исходное положение (как в реле без блокировки
при отсутствии тока), вызывая ошибки в работе
схемы, которые весьма трудно выявить. Номер
компонента, указанный на версиях одного и
того же реле с блокировкой или без блокиров-
ки, может различаться лишь одной буквой или
цифрой, и его следует внимательно уточнять.
Неправильная полярность
Для реле, катушка которого потребляет посто-
янный ток, может потребоваться подача пита-
ния с соблюдением полярности. В противном
случае возможна его неправильная работа.
Переменный ток
и постоянный ток
Катушка реле, которая предназначена для по-
требления постоянного тока, не будет работать
от переменного тока, и наоборот. Скорее всего,
номинал контактов реле будет различным в за-
висимости от того, какой ток коммутируется:
переменный или постоянный.
Вибрация
Вибрация — это шум, создаваемый контактами
реле, когда они осуществляют быстрое нестаци-
онарное подключение. Вибрация потенциально
вредна для контактов реле, и ее следует избегать.
Она может также создавать электрические по-
мехи, которые воспрепятствуют работе других
компонентов. В число возможных устранимых
причин вибрации входит недостаточное напря-
жение или колебания мощности.
Выброс напряжения
на катушке реле
Катушка реле является индуктивным устрой-
ством — одного только включения и выключе-
ния большого реле достаточно для создания вы-
бросов напряжения. Чтобы устранить эту про-
блему, следует подключить к выводам катушки
выпрямительный диод, полярность которого
противоположна питающему напряжению.
Реле
85

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > коммутация > рем
Искрение
Проблема искрения рассмотрена в статье пере-
ключатель этой энциклопедии. Обратите вни-
мание, что контакты внутри герконового реле
настолько малы, что они особо восприимчивы
к искрению и могут даже расплавиться и прива-
риться друг к другу, если реле используется для
управления избыточным током или индуктив-
ной нагрузкой.
Магнитные поля
Реле создают во время своей работы магнитные
поля, и поэтому реле не следует размещать ря-
дом с компонентами, восприимчивыми к таким
полям.
Надо также иметь в виду, что герконовый пере-
ключатель внутри герконового реле может быть
внезапно активирован внешним магнитным по-
лем. Реле такого типа лучше заключить в метал-
лическую оболочку, чтобы обеспечить хоть
какую-то степень защиты. Надежность этой за-
щиты можно определить, проверив работу реле
в реальных условиях.
Вредное воздействие
окружающей среды
Пыль, окисление или влага на контактах реле
представляют существенную проблему. По
большей части реле герметизируются и должны
оставаться герметизированными.
Реле подвержены вибрации, которая может на-
нести ущерб контактам и ускорить изнашивание
движущихся частей, а сильная вибрация может
даже полностью вывести реле из строя. В не-
благоприятных условиях окружающей среды
следует применять твердотельные реле (рас-
сматриваемые во втором томе энциклопедии).
86
Статья 9

Электрическая энергия > распределение > резистор
РЕЗИСТОР
10
По англ. resistor.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• потенциометр (см. статью 11)
Описание
Резистор в электронике является одним из са-
мых фундаментальных компонентов. Его назна-
чение - сдерживать протекание тока и создавать
падение напряжения. Резистор, как правило,
представляет собой сравнительно плохой про-
водник электричества (сопротивление которо-
го измеряется в омах — эта единица измерения
всюду обозначается греческой буквой омега: Q),
с двумя проводниками, прикрепленными к обе-
им его концам или сторонам.
Условные обозначения, представляющие ре-
зистор, показаны на рис. 10.1: слева — тради-
ционный американский символ, справа — бо-
лее современный его европейский эквивалент.
Американский символ все еще применяется
иногда в европейских схемах, а европейский
символ — в американских. Буквы К или М
указывают, что значение номинала резистора
измерено в тысячах или миллионах Ом, соот-
ветственно. Когда эти символы используются в
Европе (и, иногда, в США), они замещают деся-
тичный разделитель. Таким образом резистор
на 4,7 кОм можно обозначить как 4К7, резистор
на 3,3 МОм — как ЗМЗ, и т. д. (числовое значе-
ние на рис. 10.1 выбрано произвольно).
Резистор широко применяется для таких целей,
как ограничение скорости заряда конденсато-
ра, обеспечение соответствующего управляю-
щего напряжения для полупроводниковых при-
боров типа биполярных транзисторов, защи-
та светодиодов или других полупроводниковых
компонентов от избыточного тока, настройка
или ограничение частотной характеристики
в аудиоцепи (в сочетании с другими компонента-
ми), повышение или понижение напряжения на
входном штырьке цифровой логической микро-
схемы или контроль напряжения в какой-либо
точке цепи. В последнем случае два резистора
могут быть соединены последовательно, чтобы
получился делитель напряжения.
Когда требуется переменное сопротивление,
вместо резистора можно применить потенцио-
метр.
Рис. 10.1. Обозначения резисторов: символ слева более рас-
пространен в США, а правый широко используется в Европе
(значение 4,7 кОм выбрано произвольно)
Резистор
87

Устройство
Электрическая энергия > распределение > резистор
На рис. ЦВ-10.2 показаны резисторы с различ-
ными номиналами. Их рассеивающая мощность
составляет — сверху вниз: 3 Вт, 1 Вт, г/2 Вт, г/4 Вт,
У4 Вт, У4 Вт и х/8 Вт. Точность (допуск) каждо-
го резистора составляет — сверху вниз: ±5%, 5%,
5%, 1%, 1%, 5% и 1%. Корпус бежевого цвета
часто указывает на то, что допуск равен 5%, а
корпус синего цвета соответствует допуску 1%
или 2%. Резисторы с корпусами синего и темно-
коричневого цветов содержат металлопленоч-
ные элементы, а резисторы с корпусами беже-
вого цвета, а также зеленый резистор, содержат
угольную пленку. Дополнительная информация
о параметрах резисторов приведена далее в разд.
«Параметры».
Устройство
В процессе сдерживания протекания тока и сни-
жения напряжения резистор поглощает электри-
ческую энергию, которую он должен рассеять
в виде тепла. В самых современных электрон-
ных схемах тепловое рассеяние обычно состав-
ляет доли ватта.
Если R — сопротивление в омах, I — сила про-
текающего через резистор тока в амперах, а V -
падение напряжения, создаваемое резистором
(разность электрических потенциалов между
двумя контактами, к которым он подключен),
закон Ома утверждает следующее:
V = I * R
Это еще один способ сказать, что резистор на
1 Ом допускает силу тока в 1 А, когда разность
потенциалов между концами резистора состав-
ляет 1 В.
Если W — рассеиваемая резистором мощность
в ваттах, то в цепи постоянного тока:
W = V * I
Подставив закон Ома, можно получить мощ-
ность, выраженную через силу тока и сопротив-
ление:
Рис. ЦВ-10.2. Подборка типичных резисторов
W = I2 * R
Можно также выразить мощность через напря-
жение и сопротивление:
W = V2 / R
Эти формулы могут быть полезны в ситуациях,
когда вы не знаете величину падения напряже-
ния или силу тока соответственно.
Примерно такие же соотношения существуют
и при использовании переменного тока, хотя
мощность тогда будет выражаться более слож-
ной формулой.
Статья 10

Электрическая энергия > распределение > резистор
Варианты
Варианты
• Аксиальные резисторы снабжены двумя
выводами, которые выходят с противопо-
ложных сторон корпуса, обычно цилиндри-
ческого.
• Радиальные резисторы снабжены парал-
лельными выводами, выходящими с одной
стороны корпуса и распространены мало.
• Прецизионные резисторы обычно обладают
допуском, не превосходящим ±1%.
• Резисторы общего назначения менее ста-
бильны, и их номинал менее точен.
• Мощные резисторы обычно рассеивают
мощность в 1-2 Вт или более, в особенности,
в источниках питания и усилителях мощ-
ности. Они больше по размерам и для
них может потребоваться теплоотвод или
охлаждение при помощи вентилятора.
• Проволочные резисторы используются там,
где компонент должен выдерживать зна-
чительное нагревание. Проволочный ре-
зистор часто состоит из непроводящей
трубки или сердечника (плоского или ци-
линдрического), вокруг которых намотано
несколько витков резистивной проволоки.
Эта проволока обычно выполнена из хромо-
никелевого сплава, известного как нихром
(иногда обозначается Ni-хром), и помещена
в защитную оболочку.
Тепло, создаваемое током, который про-
ходит через резистивную проволоку, яв-
ляется потенциальной проблемой для
электронных схем, температура которых
должна быть ограничена. Тем не менее,
в таких бытовых устройствах, как фены,
тостеры и тепловентиляторы, элемент из
нихрома используется именно для выработ-
ки тепла. Проволочные резисторы исполь-
зуются также в ЗБ-принтерах для расплав-
ления пластика (или какого-либо другого
материала), которому придается определен-
ная форма на выходе устройства.
Рис. 10.3. Резистор с толстой пленкой. Размер его стороны
равен около 2,5 см, а толщина составляет 0,8 мм
• Резисторы с толстой пленкой иногда выпус-
каются плоскими и квадратными. Образец,
показанный на рис. 10.3, предназначен для
рассеивания со своей плоской поверхности
мощности в 10 Вт. Сопротивление этого
компонента составляет 1 кОм.
• Резисторы для поверхностного монтажа
обычно состоят из резистивного красочного
слоя, нанесенного на верхнюю часть плас-
тинки из керамического сплава оксида алю-
миния, часто имеющего длину около 6 мм, —
такая структура известна как форм-фактор
2512. Каждый резистор для поверхностного
монтажа снабжен двумя никелированными
выводами, которые покрыты припоем,
плавящемся при монтаже резистора на пла-
те. Верхняя поверхность резистора обычно
покрыта черной эпоксидной смолой, защи-
щающей резистивный элемент.
Резистор
89

Варианты
Электрическая энергия > распределение > резистор
Резисторная матрица
Резисторная матрица известна также как набор
резисторов или резистивная цепочка и состоит
из интегральной схемы, содержащей несколько
резисторов с одинаковым номиналом.
Резисторная матрица в корпусе с однорядным рас-
положением выводов (SIP) может обладать тремя
возможными внутренними конфигурациями:
изолированной, с общей шиной и со сдвоенным
сопротивлением. Эти варианты показаны на
рис. 10.4 вверху, в центре и внизу соответствен-
но. Изолированный вариант часто доступен в
SIP-корпусе с 6,8 или 10 штырьками. Варианты
с общей шиной и со сдвоенным сопротивлением
обычно снабжены 8,9,10 или 11 штырьками.
В изолированной конфигурации каждый ре-
зистор электрически независим от остальных
Рис. 10.4. Несколько резисторов можно поместить в корпус
с однорядным расположением выводов (SIP) различными
способами
Рис. 10.5. Несколько резисторов можно поместить в корпус
DIP
90
Статья 10

Злектрическая энергия > распределение > резистор
Параметры
и доступен через собственную пару штырьков.
При общей шине один из концов каждого ре-
зистора подключен к общей шине, доступной
через единственный штырек, а остальные кон-
цы резисторов доступны через собственные от-
дельные штырьки. Конфигурация со сдвоенным
сопротивлением является более сложной. Она
содержит пары резисторов, подключенных меж-
ду заземлением и внутренней шиной, причем
средняя точка каждой пары резисторов доступ-
на через отдельный штырек. Резисторные пары,
подобные описанным, работают как делители
напряжения и широко используются в логиче-
ских схемах с эмиттерными связями, которым
необходимо выходное напряжение в 2 В.
Корпус с двухрядным расположением выводов
(DIP) допускает похожий набор внутренних кон-
фигураций (рис. 10.5): вверху — изолированные
резисторы обычно доступны в DIP-корпусах
с 4, 7, 8, 9 или 10 штырьками, в центре — кон-
фигурация с общей шиной с 8,14,16,18 или 20
штырьками, внизу — конфигурация со сдвоен-
ным сопротивлением обычно снабжена 8,14,16,
18 или 20 штырьками.
На рис. 10.6 показан внешний вид резисторных
матриц в корпусах SIP и DIP. В этих корпусах
содержатся (слева направо): семь резисторов по
120 Ом в изолированной конфигурации, тринад-
цать резисторов по 120 Ом с общей шиной, семь
резисторов по 5,6 кОм с общей шиной и шесть
резисторов по 1 кОм с общей шиной.
Резисторные матрицы с изолированной кон-
фигурацией или с общей шиной — это удобное
средство уменьшения количества компонентов
цепи, в которой нескольким микросхемам тре-
буются резисторы нагрузки и утечки или рези-
сторы на выходных зажимах. Конфигурация
с общей шиной удобна также в сочетании с се-
мисегментным светодиодным индикатором,
в котором каждый сегмент должен завершаться
последовательным резистором, и все резисторы
подключены к общему заземлению или к обще-
му источнику напряжения.
Существуют также микросхемы для поверхност-
ного монтажа, содержащие пару резисторов,
представляющих собой одиночный делитель
напряжения.
Микросхемы, содержащие несколько резистив-
но-емкостных цепей (каждая из которых состоит
из конденсатора и последовательного резисто-
ра), хотя и редко, но тоже встречаются. Модуль,
содержащий одиночную резистивно-емкостную
цепь может использоваться в качестве демпфе-
ра для защиты контактов переключателя или
реле, коммутирующих существенную индук-
тивную нагрузку.
Дополнительную информацию о демпфирую-
щих цепях см. в разд. «Демпфер» статьи конден-
сатор этой энциклопедии.
Параметры
Рис. 10.6. Резисторные матрицы в корпусах DIP и SIP
Один килоом, обычно обозначаемый так: 1 кОм,
составляет 1000 Ом. Один мегаом, обычно за-
писываемый как 1 МОм, равен 1000 кОм. Один
гигаом составляет 1000 МОм, хотя эта единица
используется редко. Сопротивления менее 1 Ом
Резистор
91

Параметры
Электрическая энергия > распределение > резистор
также встречаются нечасто и обычно обозна-
чаются десятичным числом, за которым следу-
ет символ Q. В отдельных случаях применяет-
ся термин миллиом (одна тысячная доля ома).
Эквивалентные величины сопротивлений при-
ведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1. Эквивалентные значения в омах, килоомах
и мегаомах
Ом
1
10
100
1000
10 000
100 000
1 000 000
кОм
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
МОм
0,000001
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
Значение сопротивления в цепях постоянного и
переменного тока остается постоянным, за ис-
ключением того случая, когда переменный ток
достигает очень высокой частоты.
В обычных электронных устройствах, как пра-
вило, используются сопротивления от 100 Ом
до 10 МОм. Номинал мощности может изме-
няться от у16 Вт до 1000 Вт, но для большинства
электронных схем обычен диапазон от 1/8 Вт до
У2 Вт (меньшее значение у схем с поверхност-
ным монтажом).
как показано на рис. 10.7, где каждый ромб пред-
ставляет возможный диапазон действительных
значений резистора с допуском 20%, а теорети-
ческое значение сопротивления резистора пока-
зано горизонтальным белым отрезком в центре
ромба.
Допуски
Допуск, или точность, резистора может состав-
лять от ±0,001% до ±20%, но чаще всего это зна-
чение равно ±1,2,5 или 10%.
Традиционный диапазон значений резисто-
ров был установлен тогда, когда нормой явля-
лась точность в 20%. Значения при этом были
разнесены далеко друг от друга, чтобы свести
к минимуму риск того, что какой-либо резистор
с сопротивлением у крайней границы его допу-
стимого диапазона обладает таким же сопротив-
лением, как у другого резистора, но у противо-
положной границы его допустимого диапазона,
а также округлены до 10,15, 22, 33,47, 68 и 100,
Рис. 10.7. Графическое представление стандартных значений
сопротивления резисторов (белые линии), установленных
Международной электротехнической комиссией: здесь по-
казан допустимый диапазон реальных значений при условии,
что точность составляет ±20%. Наложения соседних диапазо-
нов, если они есть, отмечены черным
92
Статья W

Электрическая энергия > распределение > резистор
Параметры
Шкала сопротивлений повторяет себя с множи-
телем 10. То есть, например, если начать с рези-
стора в 100 Ом, то следующими значениями по
возрастанию будут 150, 220, 330, 470, 680 Ом
и 1 кОм, а диапазон резисторов, начинающийся
с 1 Ом будет таким: 1,5,2,2,3,3,4,7,6,8 и 10 Ом.
Коэффициенты для расчета сопротивлений
теперь приводятся Международной электро-
технической комиссией (МЭК) в виде таблицы
рекомендованных значений в стандарте 60063 —
к основной последовательности были добавле-
ны промежуточные коэффициенты, учитываю-
щие повышенную точность. В табл. 10.2 приве-
дены значения резисторов с допусками ±20%,
±10% и ±5%.
Таблица 10.2. Стандартные значения для резисторов
разной точности. Для резисторов за пределами
показанного диапазона значения могут быть найдены путем
умножения или деления (многократного, если необходимо)
на коэффициент 10
резисторов
к
X
л
1
1
й
Допуск резисторов (±)
20%
100
68
47
33
22
15
10
10%
100
82
68
56
47
39
33
27
22
18
15
12
10
5%
100
91
82
75
68
62
56
51
47
43
39
36
33
30
27
24
22
20
18
16
15
13
12
11
10
Надо отметить, что резисторы с допуском 5%
становятся все более распространенными, а
МЭК установила также рекомендуемые значе-
ния из трех цифр для резисторов, точность ко-
торых составляет ±0,5%.
Поскольку многие конденсаторы по-прежнему
обладают допуском не точнее, чем 20%, их но-
миналы соответствуют старому набору значе-
ний для сопротивлений, только при этом еди-
ницей измерения является фарада или ее доли
(см. дополнительную информацию в статье
конденсаторы этой энциклопедии).
Цветовая маркировка номинала
Аксиальные резисторы для установки в мон-
тажные отверстия традиционно помечены тре-
мя цветными полосками, которые обозначают
номинал компонента. Каждая из первых двух
полосок представляет цифру от 0 до 9, а третья
полоска указывает на десятичный множитель
(количество нулей от 0 до 9, которые необхо-
димо добавить после цифры). Четвертая поло-
ска — серебряного или золотого цвета — ука-
зывает на допуск в 10% или 5% соответственно.
Отсутствие четвертой полоски означает допуск
в 20%, хотя такое встречается сейчас очень
редко.
Многие резисторы теперь маркируются с по-
мощью пяти цветных полосок, чтобы предста-
вить промежуточные или дробные значения. При
такой схеме первые три полоски соответствуют
числовым значениям (с использованием той
же цветовой системы, что и ранее), а четвертая
полоска является множителем. Пятая полоска,
у противоположного конца резистора, указыва-
ет на допуск.
На рис. ЦВ-10.8 цвет для каждого числа или
множителя приведен в виде «спектра» в верхней
части иллюстрации, а допуск, или точность ре-
зистора, который выражен в виде процентного
значения, обозначен с помощью серебряного,
золотого или других цветов в нижней ее части.
Резистор
93

Параметры
Электрическая энергия > распределение > резистор
Здесь в качестве примера показаны два резис-
тора:
• верхний обладает номиналом 1 кОм, кото-
рый обозначен коричневой и черной по-
лосками слева (представляющими цифру
1, за которой следует 0) и третьей полоской
красного цвета (означающей два допол-
нительных нуля), полоска золотого цвета
справа указывает на точность в 5%;
• резистор внизу обладает номиналом
1,05 кОм, что обозначено при помощи
коричневой, черной и зеленой полосок
слева (представляющих цифры 1, 0 и 5)
и четвертой полоской коричневого цвета
(означающей один дополнительный нуль),
коричневая полоска справа указывает на
точность в 1%.
Во всех современных схемах маркировки три
или четыре полоски, которые представляют
значение сопротивления, расположены близко
друг к другу и отделены большим промежутком
от полоски, обозначающей допуск. Значение но-
минала следует считывать, держа резистор так,
Рис. ЦВ-10.8. Цветовая маркировка резисторов, устанавли-
ваемых в монтажные отверстия
чтобы группа близко расположенных полосок
находилась слева.
В очень старом оборудовании резисторы могут
быть маркированы по схеме «корпус-верхушка-
точка», в которой цвет корпуса представляет
начальную цифру, цвет краев — вторую цифру,
а точкой обозначен множитель. Соответствие
цвета цифрам такое же, как и в современной
цветовой схеме.
Некоторую путаницу вносят резисторы, у кото-
рых первые три полоски определяют значение с
помощью старого трехполосного обозначения,
четвертая полоска обозначает допуск, а пятая
полоска на противоположном конце компонен-
та — надежность. Однако такая схема встреча-
ется редко.
В устройствах специального назначения (на-
пример, в военном оборудовании) при цветовой
маркировке могут использоваться и иные услов-
ные обозначения.
Обычно у угольных резисторов, предназначен-
ных для установки в монтажные отверстия, кор-
пус бежевого цвета, а у металлопленочных рези-
сторов цвет корпуса часто синий. Тем не менее,
в довольно редких случаях синий цвет корпуса
может означать резистор-предохранитель (кото-
рый подобно предохранителю предназначен для
безопасного перегорания в случае перегрузки),
а белый цвет корпуса может указывать на невос-
пламеняющийся резистор. Будьте внимательны
при замене таких «особых» резисторов.
На некоторых современных резисторах могут
быть нанесены числовые значения их номина-
ла. Резисторы для поверхностного монтажа так-
же маркируются цифрами, но они представляют
собой код, а не прямое представление сопротив-
ления: последняя цифра указывает на число ну-
лей в номинале, предшествующие ей две или три
цифры определяют само значение, а буква R слу-
жит для обозначения десятичной точки. Таким
образом, резистор для поверхностного монта-
жа, обозначенный 3R3, обладает номиналом в
94
Статья 10

Электрическая энергия > распределение > резистор
Материалы
3,3 Ом, обозначение 330 соответствует номина-
лу 33 Ом, а 332 - номиналу 3300 Ом. Резистор
для поверхностного монтажа с маркировкой
2152 обладает номиналом 21500 Ом.
Резистор для поверхностного монтажа, марки-
рованный единственным нулем, представляет
собой компонент с нулевым сопротивлением и
выполняет ту же функцию, что и проволочная
перемычка. Такой резистор, играющий роль
моста между дорожками монтажной платы,
удобнее и проще вставить с помощью оборудо-
вания автоматизированных производственных
линий.
Когда номиналы резисторов указывают на схе-
мах, отпечатанных на бумаге, плохая печать мо-
жет привести к исчезновению десятичных точек
или появлению пятен, похожих на десятичные
точки. В Европе эту проблему решают при помо-
щи добавления буквы, заменяющей десятичную
точку: резистор на 5,6 кОм будет обозначен как
5К6, а резистор на 3,3 МОм — как ЗМЗ. Изредка к
подобной практике прибегают и в Соединенных
Штатах.
Стабильность
Этим термином описывается способность ре-
зистора поддерживать точный номинал вне за-
висимости от таких факторов, как температура,
влажность, вибрация, цикличность нагрузки,
сила тока и напряжение.
Температурный коэффициент резистора (часто
обозначается как Тст или Тс — его не следует сме-
шивать с постоянной времени заряжающегося
конденсатора) показывает, на сколько миллион-
ных долей изменяется сопротивление при откло-
нении температуры на один градус от комнатной
(обычно подразумевается, что она составляет
25 °С). Температурный коэффициент может
быть положительным или отрицательным.
Коэффициент напряжения резистора — часто
обозначается как Vc — описывает изменение но-
минала резистора, которое может проявляться
в виде зависимости от изменения напряжения.
Обычно это существенно только тогда, когда
резистивный элемент выполнен на основе угле-
рода. Если VI — номинальное напряжение ре-
зистора, R1 — его номинальное сопротивление
при этом напряжении, V2 равно 10% от номи-
нального напряжения, a R2 — реальное сопро-
тивление при таком напряжении, то коэффици-
ент напряжения можно определить с помощью
следующей формулы:
Vc = (100
V2))
(R1 - R2)) / (R2 * (VI -
Материалы
Резисторы изготавливаются из различных ма-
териалов:
• углеродный композит — частицы углерода
смешаны со связующим веществом.
Плотность углерода определяет величину
общего сопротивления, которое обыч-
но составляет от 5 Ом до 10 МОм. Недо-
статок резисторов на этой основе —
низкая точность (допуск в 10% является
обычным), сравнительно высокий коэф-
фициент напряжения и внесение шумов
в чувствительные схемы. Тем не менее,
такие резисторы обладают низкой индук-
тивностью и довольно терпимы к пере-
грузкам;
• угольная пленка — недорогой и популярный
вариант, который изготавливается путем
нанесения угольной пленки на керамичес-
кую подложку. Конструкция этих резисто-
ров допускает установку в монтажные
отверстия, а также поверхностный мон-
таж. Диапазон номиналов сравним со зна-
чениями для композитных резисторов, но
точность лучше — обычно 5% — за счет
спиральной канавки в угольном покрытии,
которая создается в процессе производства.
Резисторы с угольной пленкой страдают
теми же недостатками, что и композитные,
Резистор
95

Материалы
Электрическая энергия > распределение > резистор
но в меньшей степени, и их не следует
использовать вместо резисторов с металли-
ческой пленкой в тех случаях, когда важна
точность;
металлическая пленка — металлическая
пленка осаждается на керамическую под-
ложку. Эти резисторы обычно обладают
лучшими характеристиками по сравнению
с резисторами на основе угольной пленки.
В процессе производства в металлической
пленке может быть проделана канавка для
корректировки общего сопротивления, что
может привести к повышенной индуктив-
ности такого резистора по сравнению с ком-
позитным, хотя его шум будет ниже. Доступ-
на точность 5%, 2% и 1%. Резисторы этого
типа изначально были более дорогими, чем
их эквиваленты с угольной пленкой, но
теперь это различие незначительно. Они
доступны как для установки в монтажные
отверстия, так и для поверхностного мон-
тажа и выпускаются в маломощных вари-
антах (обычная мощность равна г/8 Вт).
На резисторы с толстой пленкой покры-
тие наносится распылением, а в резисторах
с тонкой пленкой используется металли-
зированный нихром. Последние обладают
пологим температурным коэффициентом
и обычно используются в таких условиях,
где присутствует широкий диапазон рабо-
чих температур — например, на спутниках;
металлическая фольга — тот тип фольги,
который используется в резисторах с ме-
таллической пленкой, здесь наносится на
керамическую пластину и протравливается,
чтобы достичь необходимого общего сопро-
тивления. Как правило, у таких резисторов
аксиальные выводы, и они могут быть
исключительно точными и стабильными,
но их максимальное сопротивление огра-
ничено;
проволока в прецизионных резисторах.
Раньше она использовалась в устройствах,
требующих высокой точности, но теперь
в значительной степени заменена металли-
ческой фольгой;
• проволока в мощных резисторах — резис-
тивная проволока обматывается вокруг
сердечника, обычно керамического, что
стало причиной появления неправильного
названия «керамический» резистор. Такая
конструкция используется, как правило,
когда требуется мощность рассеивания
в 1 или 2 Вт. Сердечник может быть также
выполнен из стекловолокна или какого-
либо другого материала, который является
непроводящим и активно отводит тепло.
Мощный резистор этого типа либо заглуб-
ляется (обычно в стекловидную эмаль
или в цемент), либо монтируется в алю-
миниевой оболочке, которая может быть
зафиксирована на теплоотводе. На нем
практически всегда указывается номинал
в омах с помощью обычных чисел (не
кодов).
На рис. 10.9 показаны два типичных прово-
лочных резистора: верхний резистор обладает
номиналом 12 Вт и 180 Ом, а нижний — 13 Вт и
15 кОм.
Рис. 10.9. Два проволочных резистора со значительно от-
личающимися сопротивлениями, но со сходной мощностью
рассеивания
96
Статья 10

Электрическая энергия > распределение > резистор
Использование
Рис. 10.10. Большой проволочный резистор с номинальной
мощностью рассеивания 25 Вт
Рис. 10.11. Два резистора с небольшими номиналами: це-
ментные оболочки удалены, чтобы показать резистивные
элементы
Большой проволочный резистор с номиналом
25 Вт и 10 Ом показан на рис. 10.10.
На рис. 10.11 показаны два резистора, заключен-
ные в цементные оболочки и без них — чтобы
можно было увидеть их элементы: слева — ре-
зистор с номиналом 1,5 Ом на 5 Вт, в котором
использован проволочный элемент, справа —
резистор с очень малым номиналом 0,03 Ом
и мощностью 10 Вт.
На рис. 10.12 у резистора вверху — открытый
элемент на 30 Ом, а у резистора внизу — с номи-
налом 10 Вт на 6,5 Ом (элемент покрыт аноди-
рованным алюминием, чтобы обеспечить рас-
сеивание тепла).
В мощных резисторах рассеивание тепла следует
тщательно проанализировать. Если другие фак-
торы (например, напряжение) остаются одина-
ковыми, то через резистор с меньшим номи-
налом будет протекать больший ток, чем через
резистор с высоким номиналом, а рассеивание
тепла, как известно, пропорционально квадрату
силы тока. Следовательно, в тех ситуациях, где
необходимо низкое сопротивление, потребуют-
ся мощные проволочные резисторы.
Их конструкция — проволочная обмотка — соз-
дает значительную индуктивность, что делает
их непригодными для пропуска высоких частот
или импульсов.
Использование
Далее описаны некоторые из наиболее распро-
страненных вариантов применения резисторов.
Рис. 10.12. Резисторы на 30 Ом {вверху) и на 6,5 Ом {внизу)
Последовательное подключение
к светодиоду
Чтобы защитить светодиод от повреждения
избыточным током, подбирается последова-
тельный резистор, который допускает ток, не
превосходящий указанного в спецификации
Резистор
97

Использование
Электрическая энергия > распределение > резистор
производителя. В случае с одиночным свето-
диодом, монтируемым в отверстия (который ча-
сто называют индикатором), прямой ток часто
ограничивается значением около 20 мА, а номи-
нал резистора будет зависеть от применяемого
напряжения (рис. 10.13).
При использовании мощных светодиодов (ко-
торые могут содержать несколько элементов
внутри одного корпуса размером 5 или 10 мм)
или светодиодных матриц, которые теперь при-
меняются в домашнем освещении, допустимый
ток может быть намного больше, а светодиод-
ная конструкция может содержать собственные
электронные ограничители тока. Подробности
следует уточнять в спецификации.
Нагрузочный резистор
и резистор утечки
Когда механический переключатель или кноп-
ка присоединяется ко входу логической микро-
схемы или микроконтроллера, используют-
ся нагрузочный резистор или резистор утечки,
которые, соответственно, либо прикладывают
к выводу положительное напряжение, либо за-
земляют его, предотвращая «зависание» в про-
межуточном состоянии, когда переключатель
разомкнут.
На рис. 10.15 в верхнюю схему включен резистор
утечки, а в нижнюю — нагрузочный резистор.
Обычный номинал каждого из них равен 10 кОм.
Ограничение тока
для транзистора
На рис. 10.14 показан транзистор, коммутирую-
щий или усиливающий ток, который протекает
из точки В в точку С. Резистор служит для за-
щиты базы транзистора от избыточного тока,
текущего из точки А. Резисторы также широко
используются для предотвращения избыточно-
го тока, протекающего между точками В и С.
Рис. 10.13. Последовательный резистор необходим, чтобы
ограничить силу тока, протекающего через светодиод
Рис. 10.14. Резистор, как правило, необходим, чтобы защи-
тить базу транзистора от избыточного тока
Рис. 10.15. Резистор утечки (вверху) или нагрузочный рези-
стор (внизу) предотвращают «зависание» входного контакта
логической микросхемы или микроконтроллера в промежу-
точном состоянии, когда кнопка не нажата
98
Статья Ю

Электрическая энергия > распределение > резистор
Использование
Когда кнопка нажата, ее непосредственное под-
ключение к положительному напряжению или
к заземлению с легкостью преодолевает эффект
от работы резистора. Выбор нагрузочного рези-
стора или резистора утечки может зависеть от
типа применяемой микросхемы.
Управление тембром звука
Комбинация «резистор-конденсатор» может
ограничивать верхние частоты в простой цепи,
контролирующей тембр звука (рис. 10.16).
Сигнал, идущий из точки А в точку В, пропущен
через последовательный резистор с конденса-
тором, который отводит верхние частоты на
заземление. Такая схема известна как фильтр
нижних частот.
Рис. 10.16. Эту конфигурацию можно использовать для
удаления из аудиосигнала верхних частот. Она известна как
фильтр нижних частот, поскольку только нижние частоты
будут пропущены из точки А в точку В
Резистивно-емкостная цепочка
Резистор станет регулировать время заряд-
ки/разрядки конденсатора, если его подклю-
чить к этому конденсатору последовательно
(рис. 10.17). При замыкании переключателя
резистор ограничивает скорость, с которой кон-
денсатор будет заряжаться от источника пита-
ния. Поскольку конденсатор в идеале обладает
бесконечным сопротивлением постоянному
току, напряжение, измеренное в точке А, будет
повышаться до тех пор, пока не приблизится к
питающему напряжению.
Такую схему часто называют RC-цепонкой
(Resistor-Capacitor, сопротивление-конденсатор).
Более подробно она рассмотрена в статье кон-
денсатор этой энциклопедии.
Рис. 10.17. В RC-цепочке {сопротивление-конденсатор),
Делитель напряжения
Два резистора можно использовать для соз-
дания делителя напряжения (рис. 10.18). Если
Vin — питающее напряжение, то выходное на-
пряжение Vout, измеряемое в точке А, определя-
ется по такой формуле:
v
= V * (R2 / (Rl + R2))
В действительности, на значение напряжения
Vout будет влиять степень нагрузки на выходе.
Если выходной узел обладает высоким импе-
дансом, как, например, при входе на логиче-
когда переключатель замкнут, резистор ограничивает ско- ^
рость прироста потенциала конденсатора, измеряемого СКуЮ микросхему ИЛИ КОМПаратор, ТО ОН будет
в точке а более восприимчив к электрическому шуму,
Резистор
99

Использование
Электрическая энергия > распределение > резистор
Рис 10.18. В цепи постоянного тока пару резисторов можно
подключить последовательно, чтобы она работала как дели-
тель напряжения. Напряжение, измеренное в точке А# будет
меньше, чем питающее, но выше потенциала заземления
и в делителе напряжения могут потребоваться
резисторы с низким номиналом, чтобы поддер-
живать повышенную силу тока и стабильность
работы подключенного устройства.
Последовательные резисторы
Если последовательно включенные резисторы
обладают номиналами Rl, R2, R3 ..., то общее
сопротивление R определяется сложением от-
дельных значений:
Rl
R2 + R3.
Протекающий через каждый резистор ток будет
одинаковым, а напряжение станет изменяться
в зависимости от сопротивления каждого рези-
стора. Если питающее напряжение для последо-
вательных резисторов равно VS, сумма номина-
лов всех резисторов равна RT, а сопротивление
одного из них составляет R1, то напряжение VI
на этом резисторе будет определяться по фор-
муле:
VI = VS * (Rl / RT)
Параллельные резисторы
Когда два или более резисторов (Rl, R2, R3 ...)
подключены параллельно, их общее сопротив-
ление R определяется по формуле:
l/R = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3) . . .
Допустим, что все отдельные значения Rl, R2,
R3 ... одинаковы. Обозначим эту величину как
RI, а количество резисторов через N. Тогда их
общее сопротивление RT при параллельном
подключении будет равно:
RT = RI / N
Если все резисторы обладают одинаковым со-
противлением, а также одинаковым номиналом
мощности в ваттах (WI), то тогда общая мощ-
ность (WT), которую они могут обеспечить при
параллельном подключении к источнику пита-
ния, будет равна:
WT = WI * N
Следовательно, если устройству необходимы
резисторы большой мощности, их можно заме-
нить несколькими маломощными резисторами
с большим номиналом, подключив их парал-
лельно, — и это может обойтись дешевле оди-
ночного проволочного резистора высокой мощ-
ности.
Например, если предусмотрен резистор с мощ-
ностью 5 Вт и номиналом 50 Ом, то его можно
заменить десятью резисторами по 0,5 Вт с но-
миналом 500 Ом каждый. Учитывайте, впрочем,
и то, что при очень плотной их компоновке мо-
гут возникнуть помехи для рассеивания тепла.
100
Статья 10

Электрическая энергия > распределение > резистор
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Нагревание
Резисторы — наверное, самые надежные из всех
электронных компонентов, с высокой степенью
безотказности и долгим сроком службы. Трудно
вывести резистор из строя при его перегреве с
помощью паяльника.
Номинал мощности резистора не обязательно
означает, что его следует постоянно использо-
вать для рассеивания такого количества тепла.
Небольшие резисторы (у4 Вт и менее) могут пе-
регреваться так же легко, как и большие. Вообще
говоря, при постоянной работе безопаснее не
превышать 75% от номинальной мощности
резистора.
Как и следовало ожидать, перегрев является
проблемой в основном у мощных резисторов,
для которых следует обеспечить рассеивание
тепла. Принимая решение о том, насколько
большой теплоотвод использовать и какую вен-
тиляцию обеспечить, следует учитывать степень
«скученности» компонентов схемы. Некоторые
мощные резисторы могут надежно работать
при температурах до 250 °С, но при этом распо-
ложенные рядом компоненты могут оказаться
менее выносливыми, и их пластиковые корпуса
могут размягчиться или расплавиться.
Шумы
Электрический шум, вводимый резистором
в цепь, будет различным в зависимости от соста-
ва резистора, но для каждого отдельного компо-
нента он будет пропорционален напряжению
и току. Для цепей с низким уровнем шума
(например, на входном каскаде усилителя
с большим коэффициентом усиления) следует
применять резисторы малой мощности и, по
возможности, при низком напряжении.
Индуктивность
Обмотка из проволоки в проволочных резисто-
рах будет при низких частотах обладать значи-
тельной индуктивностью. Это явление называет-
ся паразитной индуктивностью. Обмотка будет
также иметь резонансную частоту. Резисторы
такого типа непригодны для устройств, в кото-
рых частота превышает 50 кГц.
Погрешность
При использовании резисторов с допуском
10%, неточные номиналы могут в некоторых
устройствах привести к серьезным проблемам.
Например, если в делителе напряжения один
из резисторов окажется у верхней границы
диапазона допустимых значений, а второй —
у нижней, то напряжение, получаемое в точ-
ке соединения резисторов, будет отличаться от
ожидаемого.
Вернемся к схеме, приведенной на рис. 10.18.
Если номинал R1 равен 1 кОм, номинал R2 —
5 кОм, а источник питания обеспечивает 12 В
постоянного тока, то напряжение в точке А
должно составлять:
V = 12 * ( (5 / (5 + 1) ) =10
Однако если действительное значение R1 равно
1,1 кОм, a R2 — 4,5 кОм, то реальное напряже-
ние, получаемое в точке А, будет:
V = 12 * ((4,5 / (4,5 + 1,1)) = 9,6
Если резисторы обладают номиналом у проти-
воположных сторон своих диапазонов, причем
значение R1 равно 900 Ом, а у нижнего резисто-
ра реальное значение равно 5,5 кОм, то действи-
тельное значение напряжения составит:
V = 12 * ((5,5 / (5,5 + 0,9)) = 10,3
Эта ситуация усугубляется, если выбраны два
резистора с одинаковым номиналом, чтобы обе-
спечить в точке соединения половину величины
Резистор
101

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > распределение > резистор
питающего напряжения (в данном примере —
6 В). Если использованы два резистора по
5 кОм, причем реальный номинал верхнего ра-
вен 4,5 кОм, а нижнего — 5,5 кОм, то действи-
тельное напряжение составит:
V = 12
((5,5 / (4,5 + 5,5)) = 6,6
Насколько существенно такое отклонение, будет
зависеть от конкретной цепи, для которой ис-
пользуется этот делитель напряжения.
Обычные резисторы для установки в монтаж-
ные отверстия иногда могут обладать номина-
лом, выходящим за пределы указанного для них
диапазона, вследствие неудовлетворительно
проведенного производственного процесса. Вам
следует выработать для себя стандартную про-
цедуру — проверять с помощью измерительного
прибора каждый резистор перед его монтажом
в цепь.
При измерении падения напряжения, вводи-
мого резистором в активную цепь, измеритель-
ный прибор, который обладает собственным
внутренним сопротивлением, будет забирать
часть тока. Это явление известно как нагрузка
измерителя, которая проявляется в искусствен-
но заниженном значении разности потенциалов
на концах резистора. Указанная проблема ста-
новится существенной только при работе с ре-
зисторами, обладающими высоким номиналом
(таким как 1 МОм), сравнимым с внутренним
сопротивлением измерительного прибора (ско-
рее всего, 10 МОм или выше).
Неверные номиналы
Когда пользователь сортирует резисторы, поме-
щая их в небольшие контейнеры, он может оши-
биться, и тогда различные номиналы окажутся
смешанными. Это еще один довод в пользу про-
верки номиналов компонентов перед их исполь-
зованием. Ошибки при идентификации компо-
нентов легко совершаются по недосмотру: визу-
альное различие между резисторами на 1 МОм
и на 100 Ом — всего одна цветная полоска.
102
Статья 10

Электрическая энергия > распределение > потенциометр
ПОТЕНЦИОМЕТР
11
По англ. potentiometer. Известен также как переменный резистор,
можно заменить это название и термином реостат.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• поворотный энкодер (см. статью 8)
• резистор (см. статью 10)
Описание
Когда к потенциометру приложено напряже-
ние, он способен отделить от него регулируемую
часть. Это нередко применяется для настройки
чувствительности, баланса, входа или выхода —
в особенности в аудиооборудовании и датчиках
типа детекторов перемещения.
Потенциометр также можно включать в цепь
в качестве переменного сопротивления, и в этом
случае его действительно следует называть пере-
менным резистором, хотя большинство все так
же назовет его потенциометром.
Потенциометр можно применить и для регули-
ровки питания, подаваемого на схему, и в этом
случае его точнее называть реостатом, хотя
этот термин начинает устаревать. Массивные
реостаты когда-то использовались, например,
для уменьшения яркости освещения в театре,
но теперь в большинстве устройств высокой
мощности их место заняли полупроводниковые
компоненты.
Полноразмерный потенциометр классического
стиля показан на рис. 11.1.
Потенциометр
Рис. 11.1. Типичный потенциометр классического стиля, его
диаметр около 2,5 см
103

Устройство
Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Устройство
Рис. 11.2. Сверху вниз: американские {слева) и европейские
{справа) обозначения потенциометра, реостата и построечно-
го потенциометра. Значение 4,7 кОм выбрано произвольно
Условные обозначения потенциометра и дру-
гих связанных с ним компонентов показаны на
рис. 11.2, где для каждого случая слева приведен
американский вариант, а справа — европейский.
Обозначения собственно потенциометра распо-
ложены в верхнем фрагменте иллюстрации, кор-
ректные обозначения переменного резистора
или реостата (хотя вместо них часто использу-
ется символ потенциометра) — в центральном,
а подстроечный переменный резистор, обыч-
но называемый триммером или Trimpot'oM, —
в нижнем. В этих примерах каждому резисто-
ру присвоен произвольно выбранный номинал
в 4700 Ом. Обратите также внимание на исполь-
зование буквы К вместо десятичного разделите-
ля в европейском варианте.
Потенциометр имеет три вывода: внешняя пара
соединена с противоположными сторонами вну-
треннего резистивного элемента — например,
с полоской проводящего пластика, которую ино-
гда называют дорожкой, а центральный третий
вывод подключен изнутри к так называемому
скользящему контакту, иногда называемому
считывателем (pick-off), который касается по-
лоски и может быть перемещен от одного края
к другому поворотом рукоятки, винта или пере-
движением ползунка.
Если к противоположным сторонам резистив-
ного элемента приложен электрический потен-
циал, то напряжение, «снимаемое» скользящим
контактом, при его перемещении будет изме-
няться. В таком режиме потенциометр рабо-
тает как резистивный делитель напряжения.
Если, например, в потенциометре с линейной
характеристикой (см. в этой статье далее разд.
«Варианты») подключить отрицательный кон-
такт 12-вольтового аккумулятора к выводу
справа, а положительный контакт — к выводу
слева, то в итоге, когда потенциометр повернут
по часовой стрелке на одну треть всего диапазо-
на, вы получите на центральном выводе потен-
циал 8 В.
Это рассуждение иллюстрирует рис. 11.3, где
основание вала потенциометра соединено с пле-
чом, которое перемещает скользящий контакт
вдоль резистивного элемента. Показанные зна-
чения напряжения подразумевают, что рези-
стивный элемент обладает линейной характе-
ристикой, и значения эти будут лишь немного
варьироваться вокруг показанных величин в за-
висимости от сопротивления проводов и прочих
обстоятельств.
Поскольку на потенциометре падает напряже-
ние, а также через него протекает ток и, следо-
вательно, создается тепло, которое должно быть
рассеяно. В устройстве на основе аудиоцепи
слабые токи и малое напряжение нагревают его
104
Статья 11

Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Устройство
незначительно. Если же потенциометр исполь-
зуется в более мощных устройствах, он должен
обладать соответствующим номиналом, чтобы
выдержать подаваемую на него мощность, а
также находиться в вентилируемой зоне, чтобы
рассеивание тепла усиливалось.
При использовании потенциометра в качестве
переменного резистора или реостата, один из
его концов может быть связан с центральным
выводом. Дело в том, что если неиспользуемый
концевой вывод остается неподключенным,
в чувствительных схемах возникает риск навод-
ки паразитного напряжения, или «шума».
На рис. 11.4 в демонстрационных целях показан
потенциометр, регулирующий величину после-
довательного сопротивления для светодиода.
Однако для таких случаев более типично приме-
нение подстроечного элемента, поскольку поль-
зователю вряд ли потребуется возвращать его
в исходное положение.
Рис. 11.3. Действие потенциометра
Рис. 11.4. Потенциометр можно использовать для регулиро-
вания величины последовательного сопротивления — под-
ключение скользящего контакта к одному из концевых выво-
дов снижает риск наводок электрического шума
Потенциометр
105

Варианты
Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Варианты
Линейная и логарифмическая
характеристика
Если ширина и толщина резистивного элемен-
та потенциометра неизменны, электрический
потенциал на скользящем контакте будет из-
меняться пропорционально углу поворота вала
или перемещению скользящего контакта (пол-
зунка). О потенциометрах такого типа говорят,
что они обладают линейной функциональной
характеристикой.
В аудиосистемах, поскольку человеческий слу-
ховой аппарат реагирует на звуковое давление
нелинейным образом, потенциометр с линей-
ной характеристикой казался бы действующим
слишком медленно у одного конца шкалы и че-
ресчур резко у другого. Эту проблему обычно
решали с помощью неравномерного резистив-
ного элемента. Однако с недавнего времени для
этого используется комбинация резистивных
элементов, как более дешевый вариант. О таких
потенциометрах говорят, что они обладают ло-
гарифмической характеристикой (поскольку его
сопротивление изменяется пропорционально
логарифму угла поворота). Обратная логариф-
мическая, или антилогарифмическая, характе-
ристика меняется в обратном направлении, но
такой тип встречается все реже.
устройства, а на резьбу навинчивается гайка,
удерживающая потенциометр на месте. Часто
у основания оси имеется также небольшой на-
правляющий шип, вставка которого в соответ-
ствующее отверстие на лицевой панели позво-
ляет предотвратить свободное проворачивание
всего компонента.
Многие современные потенциометры выпу-
скаются в более миниатюрном варианте и мо-
гут быть заключены в пластиковый коробча-
тый корпус, а не в цилиндрическую оболочку
(рис. 11.5). Скорее всего, они будут иметь мень-
ший номинал мощности, но принцип их работы
остается тем же.
Три вывода на внешней стороне потенциометра
могут быть представлены язычками для пайки,
зажимными клеммами или штырьками для не-
посредственного монтажа на печатной плате.
Штырьки эти бывают как прямыми, так и изо-
гнутыми под углом 90°.
Для резистивного элемента потенциометра мо-
жет использоваться угольная пленка, пластик,
металлокерамика или проволока, обмотанная
Потенциометр классического типа
Потенциометр классического типа состоит из
круглого корпуса, диаметром обычно от 1,2 до
2,5 см, содержащего резистивную полоску, вы-
полненную в виде части окружности. Типичный
образец такого потенциометра показан на
рис. 11.1, хотя сейчас распространены и миниа-
тюрные варианты. Установленная в корпусе ось
поворачивает прижатый к полоске внутренний
скользящий контакт. При панельном монтаже
резьбовая втулка в основании оси вставляется в
отверстие лицевой панели корпуса электронного
Рис. 11.5. Два современных миниатюрных потенциометра:
слева — на 5 кОм, справа — на 10 кОм. Оба рассеивают мощ-
ность до 50 мВт
106
Статья И

Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Варианты
вокруг изолятора. Потенциометры с угольной
пленкой обычно самые дешевые, а потенциоме-
тры с проволочной обмоткой, как правило, до-
роже всех.
Потенциометры с проволочной обмоткой могут
работать с большей мощностью, чем другие ва-
рианты, но при переходе скользящего контакта
от одного витка внутреннего проволочного эле-
мента к другому выходной сигнал будет менять-
ся дискретно, а не плавно.
В потенциометре со стопорами подпружинен-
ный рычаг в контакте с зубчатым внутренним
колесиком приводит к дискретному повороту
оси, в результате чего выходной сигнал окажет-
ся ступенчатым, даже если резистивный элемент
непрерывен.
Ось потенциометра может быть выполнена из
металла или пластика, ее длина, диаметр и фор-
ма у разных компонентов могут варьироваться
(рис. 11.6). На торец оси можно надеть ручку
управления. При этом некоторые ручки наса-
живаются с усилием, и этого достаточно, чтобы
ручка держалась, другие же снабжены устано-
вочным винтом для их крепления. Предназна-
ченный под ручку конец оси может быть со
шлицем, разделенным, гладкого круглого сече-
ния или круглого сечения с плоским срезом,
который соответствует форме гнезда в ручке
управления и уменьшает вероятность ослабле-
ния и свободного прокручивания ручки. Иногда
оси имеют на торце щель, чтобы их можно было
поворачивать с помощью отвертки.
Многооборотный потенциометр
Большей точности дают возможность добиться
потенциометры, дорожка внутри которых вы-
полнена в форме винтовой линии, позволяю-
щей скользящему контакту совершить несколь-
ко витков (обычно 3, 5 или 10) на своем пути
от одного края дорожки до другого. Некоторые
многооборотные потенциометры используют
винтовую резьбу, которая перемещает скользя-
щий контакт вдоль линейной или круговой до-
рожки. Этот тип потенциометров можно срав-
нить с подстроечными элементами, в которых
с помощью нескольких поворотов отвертки
прокручивается червячная передача, переме-
щающая скользящий контакт между противопо-
ложными концами круговой дорожки.
Рис. 11.6. Три варианта осей потенциометров
Многосекционный потенциометр
Два потенциометра (или, редко, большее их
число) могут быть объединены так, чтобы их
резистивные элементы и скользящие контакты
имели одну общую ось, но работали на разных
напряжениях или обладали различными ха-
рактеристиками. Каждый комплект «сопротив-
ление-скользящий контакт» таких потенцио-
метров называется секцией, а сами потенциоме-
тры — многосекционными.
В плоскосекционных потенциометрах два ре-
зистивных элемента заключены в один корпус.
Некоторые двухсекционные потенциометры
потенциометр
107

Варианты
Электрическая энергия > распределение > потенциометр
выполнены по концентрической схеме, то есть
в них секции управляются раздельно при по-
мощи двух осей — одна внутри другой, и для
них следует использовать подходящие концен-
трические ручки. Впрочем, вы вряд ли встрети-
те в продаже такие потенциометры в качестве
отдельных компонентов.
Потенциометр с переключателем
В этом варианте потенциометра при повороте
оси по часовой стрелке из начального крайнего
положения меняется состояние переключателя,
соединенного с внешними выводами. Такой по-
тенциометр можно использовать для подачи пи-
тания на связанные компоненты (например, на
звуковой усилитель). Как вариант, переключа-
тель внутри потенциометра можно выполнить
так, чтобы он приводился в действие нажатием
на ось или ее вытягиванием.
Ползунковый потенциометр
В ползунковом потенциометре резистивная по-
лоска — прямая, и скользящий контакт линей-
но перемещается вдоль нее при помощи язычка
или выступа, снабженного пластиковой ручкой
или захватом для пальцев. Такие потенциоме-
тры по-прежнему можно найти в некоторых
типах аудиооборудования. Принцип работы
Рис. 11.7. Ползунковые потенциометры
и количество выводов у них такие же, как и
у классических потенциометров. Ползунковые
потенциометры обычно снабжены язычками
для пайки или штырьками для печатных плат.
На рис. 11.7 больший потенциометр, длиной око-
ло 9 см, предназначен для монтажа за панелью,
через щель в которой выступает ползунок.
Резьбовые отверстия с обоих концов потенцио-
метра служат для его крепления винтами с об-
ратной стороны панели. Съемный пластиковый
захват для пальцев (он поставляется отдельно,
и возможны различные его варианты) помещен
на иллюстрации над своим местом. Язычки вы-
водов для пайки находятся под потенциометром
и здесь не видны. Меньший потенциометр пред-
назначен для установки в монтажные отверстия
на печатной плате.
Подстроенный потенциометр
Подстроечный потенциометр часто называется
Trimpot-потенциометром, хотя в действитель-
ности Trimpot — это частная торговая марка
фирмы Bourns. Обычно подстроечные потен-
циометры монтируются непосредственно на
платах, чтобы обеспечить при их производстве
точную подстройку, компенсирующую отклоне-
ния других компонентов. Они всегда обладают
линейной характеристикой. Подстроечные по-
тенциометры могут быть одно- или многообо-
ротными — последние содержат червячную ше-
стерню, сцепленную с шестеренкой, к которой
прикреплен скользящий контакт. Они могут
подстраиваться с помощью отвертки или же мо-
гут быть снабжены небольшой рифленой осью,
колесиком или ручкой управления. Обычно
подстроечные потенциометры недоступны для
конечного пользователя оборудования, а их па-
раметры могут быть после сборки оборудования
зафиксированы.
На рис. 11.8 правый потенциометр Spectrol имеет
однооборотную конструкцию, а левый — много-
оборотную. Его червячная шестерня находится
внутри корпуса, под головкой винта, и сцеплена
108
Статья 11

Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Использование
с внутренней шестеренкой,
скользящий контакт.
перемещающей ИсПОЛЬЗОВЭНИе
На рис. 11.9 подстроенный потенциометр на
2 кОм снабжен рифленым диском, что позволя-
ет легко вращать его пальцами, хотя этот диск
имеет также шлиц под отвертку с плоским нако-
нечником.
Потенциометры классического типа когда-то
повсеместно использовались для регулировки
громкости, басов и тембра в аудиооборудова-
нии, но теперь все в большей степени замещают-
ся такими цифровыми устройствами ввода, как
тактильные переключатели (см. разд. «Так-
тильный переключатель» статьи 6) или по-
воротные энкодеры (см. статью 8), которые
являются более надежными и могут оказаться
дешевле, в особенности, если принимать во вни-
мание стоимость сборки.
Сейчас потенциометры широко используются
в устройствах для регулирования силы све-
та ламп, а также мощности кухонных плит
(рис. 11.10). В таких устройствах полупроводни-
ковый переключающий компонент симистор
(рассмотренный во втором томе энциклопедии
Рис. 11.8. Подобно большинству подстроенных потенциоме-
тров, показанные здесь предназначены для установки в мон-
тажные отверстия печатной платы
Рис. 11.9. Подстроенный потенциометр с рифленым диском,
облегчающим настройку пальцами
Рис. 11.10. Типичное применение потенциометра в сочетании
с динистором (диодным тиристором), симистором и конден-
сатором для управления яркостью лампы накаливания, ис-
пользующей источник питания переменного тока (динисторы
и симисторы рассмотрены во втором томе энциклопедии)
Потенциометр
109

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > распределение > потенциометр
симметричный триодный тиристор, или триак—
от англ. TRIAC, Triode for Alternating Current)
фактически выполняет работу по уменьшению
подачи питания к лампе или к конфорке за счет
очень частого его прерывания, а потенциометр
настраивает рабочий цикл этих прерываний.
При этом расходуется намного меньше мощ-
ности, чем в том случае, когда потенциометр
управляет освещением или нагревом напрямую,
как реостат. А поскольку задействована мень-
шая мощность, здесь может быть применен не-
большой и недорогой потенциометр, который
не станет сильно нагреваться.
Поскольку настоящие логарифмические потен-
циометры стали менее распространенными, то
в качестве их замены для управления входным
аудиосигналом можно использовать линейный
потенциометр в сочетании с постоянным рези-
стором (рис. 11.11).
Что может пойти не так?
Износ
Поскольку потенциометры классического типа
являются устройствами электромеханически-
ми, их эффективность постепенно ухудшает-
ся при истирании их движущихся частей друг
о друга. Длинное открытое гнездо ползункового
потенциометра делает его особо уязвимым для
попадания пыли, воды или смазки. Попытаться
продлить срок его службы можно с помощью
очистки контактов растворителем, примене-
нием смазывающих аэрозолей или сжатого
воздуха для чистки потенциометра изнутри.
Потенциометры с угольной пленкой являют-
ся наименее надежными, и в аудиоаппаратуре
в конечном итоге приводят при повороте ручки
к появлению «треска», информируя тем самым
о повреждении резистивного элемента.
Если скользящий контакт потенциометра изно-
шен до такой степени, что он больше не обеспе-
чивает электрическое соединение с дорожкой,
а сам потенциометр используется как перемен-
ный резистор, возможны два варианта отказа
Рис. 11.11. В этой цепи линейный потенциометр на 100 кОм
в сочетании с резистором на 22 кОм создает приближенное
к логарифмическому управление громкостью в аудиосисте-
ме, входной сигнал в которую поступает через монофониче-
ский разъем, показанный слева
Потенциометр можно использовать также и для
согласования сенсорного или аналогового вход-
ного устройства с аналого-цифровым преобра-
зователем или для калибровки устройств типа
датчиков температуры или движения.
Рис. 11.12. Если скользящий контакт потенциометра выходит
из строя в результате износа (отмечен отделенной стрелкой),
а потенциометр используется как переменный резистор, сни-
маемое с него напряжение упадет до нуля (схема вверху), если
скользящий контакт не был подключен к одному из концов
дорожки (схема внизу)
110
Статья II

Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Что может пойти не так?
в работе (рис. 11.12). Очевидно, что нижняя схе-
ма обеспечит лучший исход — это еще один ар-
гумент в пользу подключения скользящего кон-
такта к «неиспользуемому» концу дорожки.
Если вы разрабатываете печатную плату, кото-
рая будет проходить через производственный
процесс, колебания температуры во время пайки
«волной припоя» и последующая промывка для
удаления остатков флюса создадут неблагопри-
ятные условия для потенциометров, в особен-
ности ползунковых, внутренние части которых
легко загрязняются. Поэтому надежнее смонти-
ровать потенциометры вручную по завершении
автоматизированного процесса.
Ручки, которые не подходят
Ручки управления практически всегда постав-
ляются отдельно от потенциометров. Убедитесь
в том, что ось потенциометра (которая может
быть круглого сечения, с плоским срезом или
рифленой) соответствует выбранной вами руч-
ке. Обратите внимание на то, что диаметр оси
иногда указывается в дюймах, а иногда — в ме-
трических единицах.
Ползунковые потенциометры
без захвата для пальцев
Ползунковые потенциометры часто продают-
ся без рукоятки или пластикового захвата, ко-
торый заказывается отдельно и может быть
поставлен в различных вариантах. Захват для
пальцев обычно надевается на металлический
или пластиковый выступ или язычок, который
перемещает ползунок в ту или иную сторону.
Слишком большой размер
Если вам необходимо узнать размеры потенцио-
метра, обратитесь лучше к спецификации про-
изводителя. Фотографии устройств могут вво-
дить в заблуждение, поскольку потенциометр
обычного типа диаметром 12 мм выглядит прак-
тически так же, как и потенциометр диаметром
25 мм. Высокомощные потенциометры дороже,
а их диаметр больше: от 5 до 7,6 см (рис. 11.13).
Утерянные гайки
Потенциометры, монтируемые на панели, почти
всегда комплектуются гайкой, которая подхо-
дит к резьбе на втулке, кроме того, в комплект
может входить также и дополнительная гайка
со стопорной шайбой. Тем не менее, поскольку
резьба на потенциометрах не стандартизирова-
на, в случае утери этих гаек у вас могут возник-
нуть сложности с поиском точной замены.
Недостаточная длина оси
Если у вас есть сомнения при выборе потенцио-
метра с той или иной длиной оси, приобрети-
те потенциометр с длинной осью, которую вы
всегда сможете укоротить до необходимой ве-
личины.
Рис. 11.13. Диаметр большего потенциометра около 7,5 см,
его номинал равен 5 Ом, и он может работать при токах свы-
ше 4 А. Диаметр меньшего потенциометра равен 16 мм, номи-
нал — 2 кОм и Уа Вт. Его штырьки предназначены для вставки
в монтажные отверстия печатной платы, а на рифленую ось
можно надеть ручку управления. Несмотря на неравенство
размеров, принцип работы и основные функции этих потен-
циометров одинаковы
Потенциометр
111

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > распределение > потенциометр
Перегрев
Убедитесь в том, что вокруг потенциометра вы-
сокой мощности есть достаточное воздушное
пространство. Тщательно рассчитайте макси-
мальное падение напряжения и ток, который
вы можете использовать, и выберите компо-
нент с соответствующим номиналом. Обратите
внимание, что если вы применяете потенцио-
метр в качестве реостата, ему придется работать
с большим током, когда скользящий контакт
перемещается для уменьшения его сопротив-
ления. Если, например, постоянный ток в 12 В
приложен через реостат на 10 Ом к компоненту
с сопротивлением 20 Ом, то сила тока в этой
цепи будет изменяться от 0,4 до 0,6 А в зависи-
мости от положения реостата. При максималь-
ном значении реостат будет создавать падение
напряжения в 4 В и, следовательно, рассеивать
мощность 1,6 Вт со всей длины своего резистив-
ного элемента. Если настроить этот реостат так,
чтобы обеспечить сопротивление 4 Ом, то соз-
даваемое им падение напряжения будет равно
2 В, сила тока в цепи составит 0,5 А, и тогда рео-
стат станет рассеивать мощность 1 Вт с 0,4 дли-
ны своего резистивного элемента.
Проволочный потенциометр лучше справится
с интенсивным рассеиванием на коротком
участке своего резистивного элемента по срав-
нению с другими типами реостатов. Добавьте
к реостату последовательный резистор с фикси-
рованным номиналом, если необходимо нало-
жить ограничение на силу тока.
При использовании подстроечного потенциоме-
тра ограничьте силу тока, протекающего через
скользящий контакт, значением 100 мА, устано-
вив его в качестве абсолютного максимума.
Неверный тип характеристики
При покупке потенциометра ознакомьтесь с его
спецификацией, чтобы выяснить, какой харак-
теристикой он обладает: линейной или логариф-
мической. Если необходимо, подключите из-
мерительный прибор, установив потенциометр
в центральное положение, чтобы уточнить тип
характеристики. Удерживая щупы измерителя
на месте, покрутите ось потенциометра, что-
бы определить, каким образом ориентирована
характеристика.
112
Статья 11

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
КОНДЕНСАТОР
12
Слово конденсатор (по англ. capacitor) в англоязычной литературе
очень часто сокращается до cap (можно сопоставить с разговорным
«кондёр». — Примеч. перев.). Ранее (преимущественно, в Великобри-
тании) использовался термин condenser, но теперь он устарел.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• конденсатор переменной емкости (см. статью 13)
• химический источник тока (см. статью 2)
Описание
Конденсатор, подключенный к выводам источ-
ника питания постоянного тока, накапливает
заряд, который сохраняется в нем и после от-
ключения источника. Таким образом, конден-
сатор - подобно небольшому перезаряжаемому
аккумулятору — хранит (и впоследствии может
высвободить) энергию. Скорость заряда/раз-
рядки конденсатора чрезвычайно высокая, но
она может быть уменьшена последовательным
резистором, что позволяет использовать кон-
денсатор во многих электронных схемах в каче-
стве компонента для измерения времени.
Конденсатор можно также задействовать для
блокировки постоянного тока, содержащего им-
пульсы электрического «шума», переменного
тока, звуковых сигналов или других волновых
помех. Это свойство позволяет ему сглаживать
выходное напряжение источников питания,
удалять выбросы сигналов, которые в против-
ном случае вызвали бы ложное срабатывание
компонентов цифровых схем, настраивать ча-
стотную характеристику аудиоцепи или объеди-
нять отдельные компоненты или элементы кон-
тура, которые должны быть защищены от про-
хождения постоянного тока.
Условные обозначения конденсаторов показаны
на рис. 12.1: слева вверху — неполяризованный
(нечувствительный к полярности) конденсатор,
а другие два символа предписывают использо-
вать поляризованный конденсатор и ориентиро-
вать его, как показано (вариант внизу чаще всего
используется в Европе). Здесь надо иметь в виду,
что символ неполяризованного конденсатора
может также использоваться для обозначения
поляризованного, если к нему добавить знак +.
Кстати, символы поляризованных конденса-
торов иногда приводятся без знака +, но они
в любом случае указывают на необходимость
соблюдать полярность.
Рис. 12.1. Условные обозначения неполяризованного (вверху
слева) и поляризованных конденсаторов
Конденсатор
113

Устройство
Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Устройство
В своей простейшей форме конденсатор состо-
ит из двух пластин, к каждой из которых при-
соединен провод для подключения к источнику
питания постоянного тока. Эти пластины раз-
делены тонким изолирующим слоем, называе-
мом диэлектриком, который обычно находится
в твердом или пастообразном состоянии, но мо-
жет быть также и жидкостью, гелем, газом или
вакуумом.
Пластины в большинстве конденсаторов выпол-
нены из тонкой металлической или металлизи-
рованной пластиковой пленки. Чтобы миними-
зировать размер компонента, эта пленка — для
придания конденсатору компактной цилиндри-
ческой формы — может быть свернута в рулон
или скомпонована в виде нескольких переме-
жающихся плоских секций.
Рис. ЦВ-12.2. Поскольку пластины конденсатора обладают
электрической проводимостью, при подключении источника
питания постоянного тока они заполнятся положительными
и отрицательными зарядами соответственно полюсу источни-
ка, к которому они подключены. А так как противоположные
заряды притягивают друг друга, они станут накапливаться по
обе стороны диэлектрика (изолирующего слоя)
При подключении источника питания электро-
ны с него начнут перемещаться на пластину,
подключенную к его отрицательному полюсу,
и будут стремиться оттолкнуть электроны дру-
гой пластины. Это можно представить как созда-
ние на соседней пластине дырок или как притя-
гивание положительных зарядов (рис. ЦВ-12.2).
Когда конденсатор отключается от источника
питания, противоположные заряды на его пла-
стинах из-за их взаимного притяжения останут-
ся пребывать в состоянии равновесия, хотя на-
пряжение будет постепенно уменьшаться вслед-
ствие утечки через диэлектрик или как-либо
еще.
Если к выводам заряженного конденсатора под-
ключить резистор, конденсатор станет разря-
жаться через этот резистор со скоростью, зави-
сящей от величины сопротивления резистора.
И, наоборот, если конденсатор заряжается через
резистор, этот резистор будет ограничивать ско-
рость его зарядки.
Группа из резистора и подключенного последо-
вательно с ним конденсатора называется резис-
тивно-емкостной цепочкой. На рис. 12.3 такая
цепочка показана с однополюсным переклю-
чателем на два направления — с его помощью
и происходит зарядка и разрядка конденсатора
через последовательный резистор. Напряжение
в точке А возрастает нелинейно (по отношению
к отрицательному полюсу источника питания)
пока конденсатор заряжается и убывает нели-
нейно при его разрядке, что видно из приведен-
ных на иллюстрациях графиков зависимости
времени заряда/разряда от напряжения в этой
точке. Из них в любой момент можно найти для
рассматриваемой цепи постоянную времени -
время, которое требуется конденсатору, чтобы
уровень его заряда составил 63% от приложен-
ного к нему напряжения (см. в этой статье да-
лее разд. «Постоянная времени»).
Когда конденсатор подключен к источнику пе-
ременного тока, каждый приток электронов к
одной из его пластин вызывает эквивалентный
114
Статья U

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Устройство
приток положительных зарядов к противопо-
ложной пластине, а когда полярность источника
питания меняется на обратную, заряды на пла-
стинах меняются местами. Такие перемещения
Рис. 12.3. Резистивно-емкостная цепочка с переключателем,
который управляет зарядкой и разрядкой конденсатора: кри-
вая вверху дает примерное представление о поведении кон-
денсатора во время зарядки, кривая внизу иллюстрирует его
поведение во время разрядки
зарядов могут создать впечатление, что кон-
денсатор проводит переменный ток, несмотря
на то, что разделяющий пластины диэлектрик
является изолятором (рис. ЦВ-12.4). Поэтому о
конденсаторе и говорят, что он «проводит» пе-
ременный ток, хотя в действительности этого не
происходит. Тем не менее, для удобства изложе-
ния, а также и потому, что такое понятие глубо-
ко укоренилось в обиходе, в этой энциклопедии
о конденсаторах говорится как о компонентах,
«проводящих» переменный ток.
В зависимости от емкости конденсатора, он бло-
кирует переменный ток определенных частот,
пропуская остальные. Вообще говоря, конденса-
тор малой емкости будет довольно эффективно
пропускать высокие частоты, поскольку каждый
малый импульс тока полностью заполняет каж-
дую его пластину. Однако эта ситуация ослож-
няется индуктивным сопротивлением конденса-
тора, создающим эффективное последователь-
ное сопротивление (см. в этой статье далее разд.
«Переменный ток и емкостное сопротивление»).
Рис. ЦВ-12.4. На схеме слева источник переменного тока соз-
дает на верхней пластине конденсатора положительный за-
ряд, а на нижней — отрицательный. Этот процесс влечет за
собой условное протекание тока в направлении, которое по-
казано стрелками. Чуть позже, когда переменный ток меняет-
ся на обратный, направление условного тока также меняется
на противоположное (схема справа), создавая впечатление,
что конденсатор «проводит» переменный ток
Конденсатор
115

Варианты
Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Варианты
Конструкция
Тремя самыми распространенными формами
корпуса конденсаторов являются цилиндр, диск
и прямоугольная пластинка:
• цилиндрический конденсатор (рис. 12.5 и
12.6) может иметь аксиальные (выводные
контакты присоединены с обеих сторон) или
радиальные выводы (оба вывода выходят из
одного торца конденсатора).
Радиальные конденсаторы используются
более широко, поскольку они допускают
легкую вставку в монтажную плату. Такой
конденсатор обычно заключается в неболь-
шую алюминиевую капсулу, запаянную с
одного торца и помещенную в тонкую обо-
лочку изоляционного пластика, другой то-
рец капсулы закрывается изолирующим
диском, через который и выведены контакт-
ные проволоки;
• дисковый конденсатор (который иногда
называют «пуговичным» конденсатором)
обычно покрыт изолирующим керамичес-
ким составом и снабжен радиальными
выводами (рис. 12.7). Современные
керамические конденсаторы с небольшим
номиналом могут иметь форму квадратных
пластинок и, скорее всего, будут залиты в
эпоксидную смолу;
• конденсаторы для поверхностного монта-
жа (рис. 12.8) выглядят практически так
же, как и резисторы для поверхностного
монтажа, имеют два проводящих язычка
или контакта с противоположных сто-
рон, могут быть квадратными или прямо-
угольными, а их габариты обычно редко
превышают несколько миллиметров. Впро-
чем, конденсаторы с большим номиналом
неизбежно больше по размерам, но так-
же могут быть предназначены для исполь-
зования при поверхностном монтаже.
Многие конденсаторы являются неполяризован-
ными, то есть нечувствительными к полярности,
Рис. 12.5. Электролитические цилиндрические конденсато-
ры с радиальными выводами
Рис. 12.6. Электролитические цилиндрические конденсато-
ры с радиальными {вверху и внизу) и аксиальными (в центре)
выводами
Статья И

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Варианты
Тем не менее, электролитические и танталовые
конденсаторы должны подключаться к любому
источнику постоянного тока с соблюдением по-
лярности, которая определяется так:
Рис. 12.7. Типовые керамические конденсаторы: слева —
с номиналом 0,1 мкФ на 50 В; в центре — 1 мкФ на 50 В;
справа — 1 мкФ на 50 В
Рис. 12.8. Конденсаторы для поверхностного монтажа в боль-
шинстве своем такие же крошечные, как и другие компонен-
ты для поверхностного монтажа, однако этот электролити-
ческий конденсатор с номиналом 4700 мкФ на 10 В обладает
основанием, сторона которого около 15 мм (в центре ближай-
шей стороны виден язычок для пайки)
• если один из выводов длиннее другого, то
это, как правило, «более положительный»
вывод;
• метка или полоска на одном из концов
конденсатора означает «более отрицатель-
ный» контакт;
• у танталовых конденсаторов положитель-
ный вывод будет, скорее всего, отмечен сим-
волом + на корпусе;
• стрелка, нанесенная на боковую сторону
конденсатора, обычно указывает на «более
отрицательный» вывод;
• у конденсатора с алюминиевым корпусом
один из аксиальных выводов, как уже отме-
чалось ранее, проходит через изолирующий
диск, а второй — составляет единое целое
с торцом корпуса. При этом провод со сто-
роны изолированного диска должен быть
«более положительным», чем провод у дру-
гого торца конденсатора.
Конденсаторная матрица состоит из двух или
большего числа конденсаторов, которые изо-
лированы друг от друга внутри общего корпуса
и доступны через наружные контакты (рис. 12.9
и 12.10). Они поставляются в вариантах для по-
верхностного монтажа, а также в корпусах DIP
(корпус с двухрядным расположением выводов)
и SIP (корпус с однорядным расположением вы-
водов), предназначенных для установки в мон-
тажные отверстия.
Внутренние компоненты такой матрицы могут
быть соединены в виде одной из трех конфи-
гураций: изолированной, с общей шиной или с
двухконцевой общей шиной. Технически имен-
но изолированную конфигурацию следует назы-
вать конденсаторной матрицей, однако на прак-
тике все три конфигурации обычно называют
конденсаторной сборкой.
Конденсаторные сборки позволяют уменьшить
количество компонентов в таких цепях, где
цифровым логическим микросхемам необходи-
мы развязывающие конденсаторы. По сути, их
можно сравнить с резисторными матрицами.
Конденсатор
117

Варианты Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Также встречаются, хотя и нечасто, микросхе-
мы, содержащие резистивно-емкостные цепоч-
ки, — несколько пар «резистор-конденсатор».
Основные типы
• Электролитические конденсаторы сравни-
тельно дешевы, компактны, обладают боль-
шими номиналами и благодаря этим каче-
ствам широко используются в бытовой
электронике, в особенности в источниках
питания (все конденсаторы, представленные
на рис. 12.5 и 12.6, — электролитические,
а конденсатор на рис. 12.11 имеет наи-
большую емкость среди себе подобных).
Рис. 12.9. Конденсаторная сборка чаще всего состоит из ми-
кросхемы в SIP-корпусе, содержащей несколько конденсато-
ров в одной из трех конфигураций: вверху — изолированная
конфигурация; в центре — конфигурация с общей шиной;
внизу — двухконцевая общая шина. Составляющие такую схе-
му конденсаторы обычно имеют номиналы от 0,001 мкФ до
0,1 мкФ
Рис. 12.11. Емкости этого электролитического конденса-
Рис. 12.10. Конденсаторная матрица в SIP-корпусе для уста- тора на 13 000 мкФ более чем достаточно для большинства
новки в монтажные отверстия повседневных приложений
118 Статья 12

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Варианты
Электролитическим конденсаторам для
поддержания их работы требуется наличие
электрического потенциала (емкостные ха-
рактеристики электролитического конден-
сатора восстанавливаются только при пе-
риодическом приложении напряжения), и
в таких условиях они могут служить доста-
точно долго. Тем не менее, следует иметь
в виду, что влажная паста внутри конденса-
тора, предназначенная для улучшения его
диэлектрических свойств под напряжением,
Рис. 12.12. Схематическое изображение внутреннего устрой-
ства биполярного электролитического конденсатора, кото-
рый известен также как неполяризованный электролити-
ческий конденсатор. Он состоит из двух последовательных
электролитических конденсаторов, подключенных друг к
другу противоположными полярностями
Рис. 12.13. Биполярные электролитические конденсаторы:
больший размер конденсатора слева вверху говорит о его
высоком номинале по напряжению; символы ВР на осталь-
ных двух конденсаторах являются сокращением слова bipolar
(«биполярный»), означающем, что они не обладают поляр-
ностью, несмотря на то, что один из выводов может быть ко-
роче другого
по прошествии нескольких лет подвержена
высыханию, и если на электролитический
конденсатор, который хранился около деся-
ти лет, подать питание, то может произойти
короткое замыкание.
Биполярный электролитический конденса-
тор представляет собой единый блок, содер-
жащий два электролитических конденсато-
ра, последовательно соединенных концами
с противоположной полярностью (рис. 12.12
и 12.13), в результате чего такую комбина-
цию можно использовать, когда напряже-
ние сигнала колеблется выше и ниже О В по-
стоянного тока. На корпусах компонентов
этого типа нанесена маркировка ВР (би-
полярный) или NP (неполяризованный).
Такой конденсатор можно использовать
в аудиоцепях, для которых обычно не
подходят поляризованные конденсаторы,
к тому же он, скорее всего, окажется де-
шевле неэлектролитического. Однако он
страдает теми же недостатками, что и все
электролитические конденсаторы.
Танталовые конденсаторы компактны, но
сравнительно дороги, могут быть уязви-
мы к выбросам напряжения, а также чув-
ствительны к приложению неправильной
полярности. Обычно они залиты в эпок-
сидную смолу, а не смонтированы внутри
небольшой алюминиевой капсулы как
электролитические, вследствие чего ве-
роятность испарения или высыхания их
электролита снижается. Танталовые конден-
саторы для поверхностного монтажа утра-
чивают популярность, так как становятся
доступными керамические конденсаторы с
большими номиналами, меньшими разме-
рами и меньшим эквивалентным последо-
вательным сопротивлением.
На рис. 12.14 два танталовых конденсатора
(с номиналами 330 мкФ на 6,3 В и 100 мкФ
на 20 В) показаны над конденсатором с
пленкой из полиэстера с номиналом 10 мкФ
на 100 В (конденсаторы с пластиковой плен-
кой, в том числе и полиэстерной, рассмот-
рены в разд. «Диэлектрики» этой главы).
Конденсатор
119

Диэлектрики
Электрическая энергия > распределение > конденсатор
• Однослойные керамические конденсаторы
часто используются для шунтирования и
подходят для высокочастотных и аудио-
устройств. Их номинал не слишком стабилен
при изменении температуры, хотя варианты
с маркировкой NPO более стабильны. Мно-
гослойные керамические конденсаторы
компактнее, чем однослойные, и поэтому
становятся все более популярными.
На рис. 12.15 показаны три многослойных
керамических конденсатора — даже самый
большой из них (с номиналом 47 мкФ на
16 В), расположенный справа внизу, имеет
размер всего в 5 мм.
Диэлектрики
Рис. 12.14. Два танталовых конденсатора показаны над не-
поляризованным конденсатором с пленкой из полиэстера.
Полярность танталовых конденсаторов обозначена в каждом
случае знаком + рядом с более длинным выводом
Рис. 12.15. Многослойные неполяризованные керамические
конденсаторы чрезвычайно компактны: вверху — номинал
1000 пф (то есть, 1 нФ) на 100 В; слева внизу — 1 мкФ на 25 В;
справа внизу — 47 мкФ на 16 В
Диэлектрик, применяемый в конденсаторе, чаще
всего состоит из электролитического слоя, кера-
мического состава и пластиковой пленки (из по-
ликарбоната, полипропилена или полистирола)
или бумаги.
• Электролитический слой в электролити-
ческом конденсаторе традиционно состоит
из бумаги, пропитанной электролитом,
Она перемежается с тонкой алюминиевой
пленкой, на которую осажден слой оксида
алюминия. Эти слои скручиваются в рулон,
чтобы образовать цилиндрический ком-
понент. Функционирующий диэлектрик
возникает при подаче напряжения.
• Полиэстер — это самый распространенный
тип пластиковой пленки, обладающей са-
мой высокой диэлектрической постоян-
ной, которая позволяет добиться наивыс-
шей емкости на единицу объема. Конден-
саторы на ее основе широко применяются
в устройствах постоянного тока, часто ис-
пользуются для развязки, связки и шунти-
рования, но не подходят для тех случаев,
где требуется стабильность и низкая утечка,
а также могут оказаться неприменимы для
высоких токов. Кроме того, свернутые в ру-
лон слои такой пленки создают паразитную
индуктивность.
120
Статья U

Злектрическая энергия > распределение > конденсатор
Параметры
Поликарбонат — очень стабилен терми-
чески, конденсаторы на его основе часто
используются для фильтров и схем син-
хронизации, которым необходима фикси-
рованная частота, а также в силу своего
превосходного качества находят примене-
ние в военной технике, однако весьма
дороги.
Полипропилен — уязвим для нагрева (типич-
ный максимум равен 85 °С) и менее стабилен
термически по сравнению с поликарбона-
том, однако очень низкий коэффициент ди-
электрических потерь позволяет ему ра-
ботать на высокой мощности при высоких
частотах. Конденсаторы на его основе яв-
ляются популярным выбором для разде-
лительных фильтров в акустических систе-
мах, а также применяются в импульсных
источниках электропитания. Обычно они
больше по размерам, чем другие конден-
саторы, использующие диэлектрик в ви-
де пленки. На рынке доступны полипро-
пиленовые конденсаторы со значениями
допуска до 1%.
Пленки Mylar, Polyester и другие часто ис-
пользуются в аудиоцепях, для которых не
является проблемой ограничение по напря-
жению (обычно менее 100 В постоянного
тока), а неполяризованность выступает как
преимущество.
Параметры
Фарады
Электрическая емкость конденсатора измеря-
ется в фарадах и обозначается буквой Ф. Кон-
денсатор, который можно зарядить, приложив
к его пластинам разность потенциалов в 1 В
в течение 1 секунды, и при этом он потребит ток
в 1 А, обладает емкостью в 1 фараду.
Поскольку фарада — большая единица измере-
ния, конденсаторы в электронных схемах почти
всегда обладают дробными номиналами: микро-
фарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада
(пФ). Для сокращенного написания единицы
«микрофарада» иногда используется грече-
ская буква |х («мю»). Так, например, 10 цФ
означает то же, что и 10 мкФ. Соответственно,
1 Ф = 1 000 000 мкФ, а 1 мкФ = 1 000 000 пФ.
Следовательно, 1 фарада эквивалентна трил-
лиону пикофарад — это очень широкий диапа-
зон возможных значений. Таблицы 12.1 и 12.2
демонстрируют эквивалентные значения для
разных единиц измерения емкости.
Таблица 12.1. Эквивалентные значения в пикофарадах,
нанофарадах и микрофарадах (единица измерения нФ
применяется, в основном, в Европе)
пФ
1
10
100
1000
10 000
100000
1000 000
нФ
0,001
0,01
о,1
1
10
100
1000
мкФ
0,000001
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
Таблица 12.2. Эквивалентные значения микрофарад и фарад.
Поскольку фарада — очень большая единица измерения,
в электронных схемах почти всегда используются
дробные номиналы
мкФ
1
10
100
1000
10000
100 000
1000 000
ф
0,000001
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
Единица измерения нФ более распространена
в Европе, чем в США. Емкость в 1 нФ в США ча-
сто записывают в виде 0,001 мкФ или 1000 пФ.
Подобным образом емкость в 10 нФ почти всег-
да записывается как 0,01 мкФ, а емкость в ОД нФ
скорее всего будет представлена как 100 пФ.
В европейских схемах символы для обозначения
номинала могут использоваться вместо деся-
тичного разделителя — например, конденсатор
емкостью 4,7 пФ может быть обозначен как 4р7,
конденсатор емкостью 6,8 нФ — как 6п8, а кон-
денсатор на 3,3 мкФ — как ЗцЗ.
Конденсатор
121

Параметры
Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Часто используемые номиналы
Традиционный диапазон номиналов конденса-
торов был разработан по тому же принципу, что
и диапазон номиналов резисторов, в предполо-
жении о допуске ±20% и с выбором множителей,
которые могли бы минимизировать перекрытие
между соседними диапазонами допусков. Этому
требованию удовлетворяют множители 1,0,1,5,
2,2, 3,3, 4,7, 6,8 и 10 (в статье 10 приведено
более детальное объяснение, включающее гра-
фическое представление номиналов и областей
их перекрытия, — см. рис. 10.7). И хотя теперь
многие резисторы производятся с высокой точ-
ностью, допуск в 20% все также распространен
для электролитических конденсаторов. На рын-
ке доступны конденсаторы и других типов —
с точностью 10 или 5%, но они более дорогие.
В обычных электронных устройствах номиналы
больше 4700 мкФ и меньше 10 пФ встречаются
редко.
На конденсаторах с большим номиналом, ско-
рее всего, будет указано действительное значе-
ние емкости, а небольшие конденсаторы мар-
кируются с помощью различных кодов. Эти
коды не стандартизированы производителями,
и допускают всевозможные цвета и сокраще-
ния. Мультиметр, который может измерять
емкость, — вот наиболее быстрый, простой
и надежный метод определения номинала ком-
понента по сравнению с разгадыванием кодов.
В дополнение к емкости на большом конденса-
торе будет, вероятно, указано и значение рабо-
чего напряжения, поскольку превышение этого
значения увеличивает риск повреждения ди-
электрика. Кроме того, для электролитических
конденсаторов следует также избегать напряже-
ния, которое намного ниже номинального, по-
скольку таким конденсаторам для поддержания
их работы требуется электрический потенциал.
• Электролитические конденсаторы доступны
на рынке по умеренным ценам и обладают
более широким диапазоном номиналов по
сравнению с другими распространенными
конденсаторами. Этот диапазон содержит
значения от 1 до 4700 мкФ, а, иногда, и
выше. Диапазон их рабочего напряжения -
обычно от 6,3 В до 100 В постоянного тока,
но иногда может достигать значения 450 В.
• Танталовые конденсаторы обычно не вы-
пускаются с емкостью больше 150 мкФ или
для напряжения выше 35 В постоянного
тока.
• Однослойные керамические конденсаторы
обладают небольшими номиналами - от
0,01 до 0,22 мкФ, и их рабочее напряжение
обычно не превосходит 50 В постоянного
тока, хотя номинал некоторых небольших
конденсаторов для специального приме-
нения может оказаться гораздо выше. До-
вольно распространен среди них и большой
допуск: от +80% до -20%.
• Емкость некоторых вариантов многослой-
ных керамических конденсаторов достигает
47 мкФ, хотя более распространенной верх-
ней границей для них является 10 мкФ. Они
редко рассчитаны на напряжение выше
100 В постоянного тока, а допуск некоторых
из них равен ±5%.
Диэлектрическая проницаемость
Если А — площадь каждой пластины конден-
сатора (измеряемая в см2), Т — толщина диэ-
лектрика (см), а К — диэлектрическая прони-
цаемость конденсатора, то тогда его емкость С
(в фарадах) может быть вычислена по формуле:
С = (0,0885
К
А) / Т
Диэлектрическая проницаемость воздуха рав-
на 1, у других диэлектриков она имеет собствен-
ные стандартные значения. У полиэтилена,
например, значение диэлектрической проницае-
мости равно около 2,3. Таким образом, конден-
сатор с площадью пластины 1 см2 и полиэтиле-
новым диэлектриком толщиной 0,01 см будет
обладать емкостью около 20 пФ. Танталовый
конденсатор с такой же площадью пластин
122
Статья U

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Параметры
и толщиной диэлектрика обладает емкостью
около 100 пФ, так как диэлектрическая прони-
цаемость оксида тантала намного выше, чем у
полиэтилена.
Постоянная времени
Когда конденсатор заряжается через последова-
тельный резистор в резистивно-емкостной цепи
(см. рис. 12.3), и этот процесс начинается с от-
сутствия заряда на его пластинах, то постоянная
времени — это время в секундах, необходимое
для достижения конденсатором значения заряда
в 63% от величины питающего напряжения. По
истечении дополнительного интервала времени,
равного первому, конденсатор наберет еще 63%
от остающейся разницы между его текущим зна-
чением напряжения и напряжением источника
питания, и т. д. Теоретически, конденсатор будет
все ближе и ближе подходить к полной зарядке,
но никогда не достигнет 100%. Тем не менее,
пятикратного значения постоянной времени
достаточно, чтобы конденсатор достиг заряда
в 99%, которое рассматривается как достаточно
близкое к полной зарядке для всех практиче-
ских целей.
Постоянная времени является простой функци-
ей от сопротивления и емкости. Если R — номи-
нал резистора (Ом), а С — емкость конденсатора
(Ф), то величину постоянной времени, ТС, мож-
но вычислить по формуле:
ТС = R * С
Если в этой формуле умножить значение R на
1000, а величину С разделить на 1000, постоян-
ная времени не изменится, и мы сможем исполь-
зовать для сопротивления более удобный номи-
нал в килоомах, а также микрофарады для ем-
кости. Другими словами, формула говорит нам
о том, что последовательный резистор на 1 кОм
с конденсатором емкостью 1000 мкФ обладают
постоянной времени в 1 секунду.
Из этой формулы проистекает вывод о том, что
если значение R снижается до нуля, то конден-
сатор будет заряжаться мгновенно. В действи-
тельности же время зарядки будет коротким,
но конечным, — на его величину влияют такие
факторы, как электрическое сопротивление ис-
пользованных материалов.
Соединение конденсаторов
Если два или более конденсаторов подключены
параллельно, их общая емкость равна сумме от-
дельных емкостей.
Если два или более конденсаторов подключены
последовательно, соотношение между их общей
емкостью С и отдельными значениями емкости
(Cl, C2, СЗ . . .) определяется следующей фор-
мулой:
1/С = (1/С1) + (1/С2) + (1/СЗ). . .
Формула для вычисления общей емкости по-
следовательных конденсаторов напоминает
формулу, которая используется для вычисления
общего сопротивления параллельных резисто-
ров (см. статью 10).
Переменный ток
и емкостное сопротивление
Кажущееся сопротивление конденсатора пере-
менному току называется емкостным сопротив-
лением. В следующей формуле емкостное сопро-
тивление (Хс, в омах) получено в виде функции
емкости (С, в фарадах) и частоты переменного
тока (f, в герцах):
Хс = 1 / (2п * f * С)
Из этой формулы видно, что при уменьшении
частоты до нуля емкостное сопротивление ста-
новится бесконечным, — другими словами, кон-
денсатор теоретически обладает бесконечным
сопротивлением, когда через него пытаются
пропустить постоянный ток. В действительно-
сти диэлектрик обладает конечным сопротив-
лением, и поэтому всегда возникает некоторая
утечка.
Конденсатор
123

Параметры
Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Из этой формулы видно также, что емкостное
сопротивление уменьшается при увеличении
емкости конденсатора и/или приложенной к
нему частоты. Из этого следует, что сигнал пе-
ременного тока будет менее ослабленным при
высоких частотах, особенно если используется
небольшой конденсатор. Однако на деле кон-
денсаторы обладают некоторым индуктивным
сопротивлением. Его величина будет зависеть
от конструкции (цилиндрическая или в виде не-
скольких плоских пластин), длины, использо-
ванных при его производстве материалов, дли-
ны выводов и других факторов. Индуктивное
сопротивление увеличивается с повышением
частоты, а поскольку емкостное сопротивление
уменьшается при повышении частоты, кривые
этих двух зависимостей пересекутся в некото-
рой точке. Эта точка представляет собственную
частоту конденсатора, которую часто называют
также резонансной частотой (рис. 12.16).
Эквивалентное последовательное
сопротивление
Теоретически, идеальный конденсатор должен
был бы быть исключительно реактивным, без
какого-либо сопротивления. В действительно-
сти конденсаторы неидеальны и обладают экви-
валентным последовательным сопротивлением
(ЭПС). Оно определяется как сопротивление
резистора, который следовало бы подключить
последовательно с идеальным конденсатором,
чтобы такая комбинация вела себя подобно ре-
альной версии конденсатора.
Если Хс — реактивное сопротивление конден-
сатора, то его коэффициент Q (добротность)
определяется с помощью простой формулы:
Q = Хс / ЭПС
Таким образом, добротность выше, если вели-
чина ЭПС ниже. Тем не менее, реактивное со-
противление конденсатора будет сильно зави-
сеть от частоты, и эта простая формула является
лишь приближением.
Добротность конденсаторов не следует путать
с добротностью катушек индуктивности, кото-
рая рассчитывается совсем по-другому.
Рис. 12.16. По мере увеличения частоты переменного тока,
приложенного к конденсатору, его емкостное сопротивле-
ние уменьшается, а индуктивное сопротивление возрастает.
Резонансная частота конденсатора находится в точке пересе-
чения этих двух функций
Рис. 12.17. Блокировочный конденсатор (обычно номиналом
0,1 мкФ) предназначен для защиты логической интегральной
микросхемы от скачков напряжения и помех в источнике
питания
124
Статья U

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Использование
Использование
В следующих далее разделах показано несколь-
ко упрощенных схем обычного использования
конденсаторов.
Блокировочный конденсатор
На рис. 12.17 конденсатор с малым номиналом
(часто в 0,1 мкФ) соединен со штырьком подачи
питания на чувствительную цифровую микро-
схему, чтобы отводить на отрицательное за-
земление высокочастотные выбросы или шум.
Такой блокировочный конденсатор может быть
назван также развязывающим конденсатором.
Разделительный конденсатор
На рис. 12.18 разделительный конденсатор на
1 мкФ передает импульс из одного звена цепи в
другое, блокируя при этом напряжение постоян-
ного тока (может возникнуть некоторое измене-
ние формы сигнала).
Фильтр верхних частот
На рис. 12.19 конденсатор емкостью ОД мкФ
блокирует низкочастотную составляющую
сложного сигнала и передает только верхнюю
частоту, которая была наложена на нижнюю.
Рис. 12.18. Разделительный конденсатор (обычно номина-
лом около 1 мкФ) не допускает проникновения постоянного
тока из одного звена цепи в другое, но позволяет передавать
импульсы
Рис. 12.19. Небольшой конденсатор (обычно емкостью
0,1 мкФ) можно использовать для создания фильтра верхних
частот, пропускающего верхние частоты и блокирующего
нижние
Конденсатор
125

Использование Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Фильтр нижних частот Сглаживающий конденсатор
На рис. 12.20 развязывающий конденсатор ем- На рис. 12.21 конденсатор емкостью 100 мкФ
костью ОД мкФ отводит высокочастотную со- заряжается и разряжается, чтобы сглаживать
ставляющую сложного сигнала на отрицательное сигнал переменного тока после того, как диод
заземление, сохраняя только нижнюю частоту, удалил отрицательную часть.
Конденсатор с небольшим номиналом (таким
как 0,001 мкФ) срезает высокочастотный шум
в радиосигнале с амплитудной модуляцией, не
затрагивая аудиочастоты.
£от?л';Л-:ИИ8
,~ Г?
Рис. 12.20. Небольшой конденсатор (обычно емкостью Рис. 12.21. Конденсатор емкостью 100 мкФ или выше сглажи-
0,1 мкФ) в такой конфигурации направляет верхние частоты вает верхнюю половину сигнала переменного тока, который
на отрицательное заземление, выполняя фильтрацию анало- прошел через диод. Конденсатор заряжается при каждом
гового сигнала положительном импульсе и разряжается, чтобы «заполнить
пропуски» между импульсами
126 Статья П

Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Использование
Демпфер
На рис. 12.22 резистивно-емкостная цепочка
(внутри белого пунктира) называется демпфе-
ром, когда она используется для защиты пере-
ключателя от искрения — то есть, от продолжи-
тельного искрового разряда, который способен
быстро разрушить контакты переключателя.
Искрение может возникать в переключателях,
кнопках или в реле, которые управляют такой
индуктивной нагрузкой, как электродвигатель.
Эта проблема становится существенной при
больших токах (10 А или больше) или при срав-
нительно высоком напряжении переменного
или постоянного тока (100 В или выше).
Когда переключатель разомкнут, магнитное
поле, которое поддерживалось индуктивной
нагрузкой, затухает, вызывая всплеск тока, или
прямую ЭДС. Конденсатор в демпфере поглоща-
ет этот всплеск, тем самым защищая контакты
переключателя. Когда переключатель вновь за-
мыкается, конденсатор разряжается, но рези-
стор ограничивает импульс тока — опять-таки,
защищая переключатель.
Демпфер для переключателя в цепи постоянного
тока обычно состоит из конденсатора емкостью
0,1 мкФ (из полипропилена или полиэстера) с
номинальным напряжением 125 В переменного
тока или 200 В постоянного тока и угольного ре-
зистора на 100 Ом с номиналом 0,5 Вт или выше.
Готовые демпферы, которые содержат подходя-
щие пары «конденсатор-резистор», доступны у
некоторых поставщиков, в основном, для про-
мышленного применения.
В цепи переменного тока демпфер можно под-
ключить к самой индуктивной нагрузке. И хотя
в цепи постоянного тока при этом используется
диод, в цепи переменного тока его применить
нельзя.
Несмотря на то, что такие переключающие
устройства, как полупроводниковые комму-
таторы, не содержат механических контактов,
они все же могут быть повреждены сильными
импульсами противодействующей ЭДС. Их так-
же можно защитить с помощью демпфера, если
они управляют индуктивной нагрузкой, которая
потребляет ток 10 А или больше при напряже-
нии 100 В или выше.
Рис. 12.22. Резистивно-емкостная цепочка (выделена белым
пунктиром) защищает переключатель, который управляет на-
грузкой с большой индуктивностью. При подобном использо-
вании резистивно-емкостную цепочку называют демпфером
Конденсатор
как замена аккумулятора
В некоторых устройствах аккумулятор мож-
но заменить конденсатором, хотя он обладает
меньшей плотностью энергии и будет более до-
рогим для производства. Конденсатор заряжает-
ся и разряжается намного быстрее, чем аккуму-
лятор, поскольку это не связано с химическими
реакциями, однако аккумулятор поддерживает
напряжение во время цикла разрядки гораздо
успешнее.
Конденсаторы, которые могут хранить очень
большое количество энергии, часто называют
суперконденсаторами.
Конденсатор
127

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > распределение > конденсатор
Что может пойти не так?
Распространенные проблемы, связанные с кон-
денсаторами, таковы: износ вследствие старения
(особенно у электролитических), индуктивное
сопротивление (особенно при цилиндрической
конструкции), нелинейный отклик, удельное со-
противление, избыточная утечка тока и диэлек-
трическая память. Некоторые из этих проблем
рассмотрены далее. Следует внимательно изу-
чить спецификацию производителя в сочетании
с приведенными ранее в разд. «Варианты» све-
дениями о структуре конденсаторов, прежде чем
отдать предпочтение какому-либо их типу.
Неправильная полярность
Поляризованный конденсатор, если его непра-
вильно подключить к источнику питания по-
стоянного тока, фактически не будет обладать
каким-либо сопротивлением, — в результате
может возникнуть очень большой ток, который
повредит конденсатор и, вероятно, другие ком-
поненты цепи. Несоблюдение полярности у тан-
талового конденсатора может привести к разру-
шительным последствиям и даже к его взрыву,
в зависимости от силы тока.
Перегрузка по напряжению
Если для конденсатора превышено рабочее на-
пряжение постоянного тока, возникает риск
пробоя диэлектрика и появления искры, свиде-
тельствующей о возникновении короткого за-
мыкания. Заметьте, что номинал постоянного
тока для конденсатора не означает, что его мож-
но благополучно применять с тем же напряже-
нием переменного тока. Максимальное напряже-
ние переменного тока не должно превышать 0,7
номинального напряжения постоянного тока.
Если конденсатор с номиналом для постоянного
тока напрямую подключить к линии электро-
снабжения переменного тока, возникнет корот-
кое замыкание.
Если конденсаторы подключены последователь-
но или параллельно, то в идеале номинальное
напряжение для каждого из них должно быть
одинаковым и, естественно, не меньше, чем пи-
тающее напряжение.
Танталовые конденсаторы легко повредить
всплесками тока, которые превышают их макси-
мальное рабочее напряжение. Они непригодны
для высокочастотной развязки вследствие своей
индуктивности.
Утечка
Утечка заряда — это проблема, в особенности
касающаяся электролитических конденсаторов,
которые непригодны для сохранения заряда в
течение продолжительного интервала времени.
Более подходящими для этого можно считать
конденсаторы с пленкой из полипропилена или
полистирола.
Диэлектрическая память
При этом явлении, известном также как диэлек-
трическая абсорбция, электролит конденсато-
ра сохраняет некоторую часть бывшего на нем
напряжения после разрядки конденсатора и от-
ключения его от цепи. В особенности страдают
от этого однослойные керамические конден-
саторы.
Недостатки, специфичные
для электролитических
конденсаторов
Электролитические конденсаторы обладают
высоким индуктивным сопротивлением, произ-
водятся с большими допусками и существенно
ухудшаются со временем. В то время как други-
ми компонентами можно запасаться и исполь-
зовать их в течение нескольких лет, такая стра-
тегия в случае с электролитическими конденса-
торами весьма непрактична.
128
Статья U

Злектрическая энергия > распределение > конденсатор
Что может пойти не так?
«Конденсаторная чума», которой подверг-
лись многие конденсаторы, выпущенные по-
сле 1999 года, преподала полезный урок от-
носительно их потенциальной непрочности.
Неправильный состав диэлектрика приводил
к его разрушению с высвобождением водорода,
который в итоге вздувал алюминиевые корпуса
конденсаторов и взрывал их. От этого пострада-
ли монтажные платы многих производителей.
Поскольку понадобилось два года на то, чтобы
эта проблема стала очевидной, буквально мил-
лионы плат с неисправными конденсаторами
были проданы, прежде чем этот дефект был
обнаружен и исправлен.
К сожалению, электролитические конденсато-
ры непросто заменить конденсаторами другого
типа в таких устройствах, как источники пита-
ния, поскольку подобные заменители будут су-
щественно больше по размерам и дороже.
Вибрация
В оборудовании с сильной вибрацией электро-
литические конденсаторы должны быть защи-
щены механической фиксацией с помощью кон-
денсаторной скобы.
Номенклатура, вводящая
в заблуждение
В Соединенных Штатах обозначение mF из-
редка может быть использовано как возможная
альтернатива |iF. Это способно стать источни-
ком путаницы, поскольку обозначение mF пра-
вильно, но очень редко применяется для обо-
значения единицы «миллифарада». Избегайте
использовать такой термин.
Нагрев
Наличие эквивалентного последовательного
сопротивления (ЭПС) у конденсатора большой
емкости с неизбежностью означает, что он дол-
жен во время своей работы рассеивать некото-
рую мощность в виде тепла. Пульсирующий ток
также может вызывать нагрев, и эффективность
конденсатора при повышении температуры ста-
нет меняться. Для электролитических конденса-
торов обычной является максимальная темпе-
ратура 85 °С.
Конденсатор
129

Электрическая энергия > распределение > переменный конденсатор
ПЕРЕМЕННЫЙ КОНДЕНСАТОР
13
По англ. variable capacitor. В англоязычной литературе ранее (пре-
имущественно, в Великобритании) использовался термин variable
condenser, но теперь он устарел.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• конденсатор (см. статью 12)
Описание
Переменный конденсатор осуществляет управ-
ление емкостью во многом подобно тому, как
потенциометр осуществляет управление со-
противлением.
Небольшие подстроенные конденсаторы широко
распространены и применяются в основном для
настройки высокочастотных контуров. Многие
из них выглядят практически неотличимо от
подстроенных потенциометров.
Большие конденсаторы переменной емкости
были в свое время разработаны главным обра-
зом для настройки радиоприемников и называ-
лись, соответственно, настроенными конденса-
торами. Начиная с 70-х годов прошлого века, их
постепенно вытеснили более дешевые, простые
и надежные компоненты. В настоящее время
они по-прежнему применяются в производстве
полупроводниковых приборов, в высокочастот-
ном оборудовании для сварки пластика, в хи-
рургических и стоматологических инструмен-
тах, а также в аппаратуре для радиолюбитель- УСТРОЙСТВО
ской связи.
Условные обозначения, которые обычно ис-
пользуются для изображения переменного кон-
денсатора и подстроечного конденсатора, при-
ведены на рис. 13.1.
Компонент, представляющий собой разно-
видность диода с переменной емкостью, управ-
ляемой с помощью обратного напряжения,
получил название Варактор (см. в этой статье
далее разд. «Варактор»).
Рис 13.1. Типичные условные обозначения переменного кон-
денсатора (слева) и подстроечного конденсатора (справа)
Традиционная конструкция переменного кон-
денсатора представляет собой две жесткие пла-
стины в форме полукруга, разделенные воздуш-
ной прослойкой от 1 до 2 мм. Чтобы добиться
большей емкости, добавляются дополнитель-
ные пары перемежающихся пластин, образую-
щие секции. Один набор пластин называется ро-
тором — он монтируется на оси, которую можно
Переменный конденсатор
131

Устройство
Электрическая энергия > распределение > переменный конденсату
поворачивать, обычно с помощью выступаю-
щей наружу ручки управления. Второй набор
пластин, называемый статором, монтируется
на раме блока с керамическими изоляторами.
Когда наборы пластин полностью сомкнуты,
емкость между ними максимальна, а при вра-
щении ротора наборы пластин постепенно рас-
ходятся, и емкость снижается практически до
нуля (рис. 13.2).
Воздушные зазоры между наборами пластин
играют роль диэлектрика. Диэлектрическая
проницаемость воздуха примерно равна 1 и не-
значительно изменяется в зависимости от тем-
пературы.
Самой распространенной формой пластин
является полукруг, который обеспечивает ли-
нейную зависимость между емкостью и углом
поворота. Другие их формы применяются для
создания нелинейной зависимости.
Для повышения точности настройки в конструк-
цию переменного конденсатора иногда включа-
ются зубчатые передачи, дающие возможность
несколькими оборотами ручки управления
плавно и медленно перемещать пластины ро-
тора. Во времена расцвета переменных конден-
саторов производились блоки с повышенной
механической точностью, которые содержали
беззазорные зубчатые передачи. Они состояли
из пары шестерен одинакового размера, смон-
тированных вплотную друг к другу, и пружины
между ними, которая стремилась вращать эти
шестерни в противоположных направлениях,
Эта пара шестерен была сцеплена с одной веду-
щей шестерней, устраняя люфт, или «мертвый
ход», который обычно присутствует при сцепле-
нии зубьев шестерен.
На рис. 13.3 показан старинный переменный
конденсатор с пружиной (обведена кружком),
обеспечивающей беззазорную зубчатую переда-
чу. Этот конденсатор двухсекционный - он раз-
делен на две части: номинал одной изменяется
от 0 до 35 пФ, а второй — от 0 до 160 пФ.
Рис. 13.2. На этом упрощенном изображении переменного
конденсатора верхние пластины образуют ротор, прикре-
пленный к центральной оси, а нижние представляют собой
статор: площадь перекрытия пластин ротора и статора опре-
деляет емкость
Рис. 13.3. Переменный конденсатор традиционного типа,
предназначенный для настройки радиочастот. Обведенная
кружком пружина обеспечивает беззазорное зубчатое
зацепление
132
Статья В

Электрическая энергия > распределение > переменный конденсатор
Варианты
Варианты
Традиционный переменный конденсатор с от-
крытыми жесткими вращающимися пластина-
ми и воздушной прослойкой отыскать становит-
ся все труднее. Небольшие современные пере-
менные конденсаторы полностью закрыты, и
их пластины (лопасти) не видны. В некоторых
конденсаторах вместо пластин или лопастей ис-
пользуется пара концентрических цилиндров с
внешним барашком, который перемещает один
из цилиндров вверх или вниз, настраивая тем
самым степень перекрытия цилиндров, которая
и определяет емкость.
На рынке доступны подстроенные конденсато-
ры с различными диэлектриками, такими как
слюда, тонкие керамические пластинки или
пластик.
Параметры
Большой традиционный переменный конденса-
тор позволяет регулировать емкость в диапазо-
не от близкого к нулю значения до ограничен-
ной механическими факторами величины, не
превышающей 500 пФ (см. статью 12, в кото-
рой рассказано о единицах измерения электри-
ческой емкости).
Максимальный номинал подстроечного конден-
сатора редко превосходит 150 пФ. На таких кон-
денсаторах может быть указан их номинал или
нанесена цветовая маркировка, однако универ-
сального набора цветных кодов не существует.
Например, коричневый цвет может обозначать
максимальное значение около 2 или 40 пФ —
в зависимости от производителя, так что под-
робности выясняйте в спецификациях. Верхняя
граница номинальной емкости подстроечно-
го конденсатора обычно не меньше, чем ука-
занный номинал, но часто может на 50% его
превышать.
Конструкция
Подстроечные конденсаторы предназначены
для монтажа на печатных платах. Большинство
из них монтируется на поверхности, некото-
рые — с помощью монтажных отверстий. Блоки
для поверхностного монтажа могут иметь раз-
меры 4x4 мм или меньше, варианты для уста-
новки в монтажные отверстия обычно имеют
размеры 5x5 мм или больше. Внешне подстро-
ечные конденсаторы напоминают однооборот-
ные подстроечные потенциометры с винтовой
головкой по центру квадратного корпуса.
На рис. 13.4 показана модель подстроечного
конденсатора, предназначенная для вставки
в монтажные отверстия.
Рис. 13.4. Построечный конденсатор с номиналом в диапазо-
не от 1,5 до 7,0 пФ
Использование
Переменный конденсатор часто применяет-
ся для настройки индуктивно-емкостной цепи
(LC-цепи), называемой так потому, что катуш-
ка индуктивности (реактивное сопротивление
которой обычно обозначают буквой L) подклю-
чена параллельно с переменным конденсатором
(обозначаемым буквой С).
На рис. 13.5 приведена условная схема такой
цепи, проиллюстрирующая это понятие. Когда
переключатель находится в верхнем положении,
переменный конденсатор
133

Использование
Электрическая энергия > распределение > переменный конденсатор
Рис. 13.5. В этой условной цепи конденсатор заряжается
через двухполюсный выключатель в его верхней позиции.
Когда переключатель переводится в нижнюю позицию, кон-
денсатор образует индуктивно-емкостную цепь с катушкой и
резонирует с частотой, которая определяется их номинала-
ми. В реальности, чтобы получить видимый результат работы
светодиода, понадобились бы очень высокие номиналы
конденсатор большой емкости с фиксирован-
ным номиналом заряжается от источника пи-
тания постоянного тока. Когда переключатель
переводится в нижнее положение, конденсатор
пытается пропустить ток через катушку — но
реактивное сопротивление катушки блокирует
ток и переводит его энергию в магнитное поле.
После разрядки конденсатора магнитное поле
исчезает, а его энергия преобразуется обратно
в электричество. Оно возвращается назад к кон-
денсатору, но с измененной полярностью. Цикл
повторяется снова, причем ток протекает в об-
ратном направлении. Слаботочный светодиод
в этой цепи будет мигать в соответствии с ко-
лебаниями напряжения, пока не иссякнет
энергия.
Поскольку такие колебания напоминают воду,
которая плещется от одной стороны бака к дру-
гой, индуктивно-емкостную цепь иногда на-
зывают колебательным контуром1. На деле для
работы рассмотренного контура потребовались
бы нереально большие номиналы. Их можно
определить с помощью следующей формулы,
в которой f — это частота (Гц), L — индуктив-
ность (Гн), а С — электрическая емкость (Ф):
f = 1 / (2п * V(L * С) )
То есть, для частоты в 1 Гц потребовалась бы
массивная катушка с очень емким конденсато-
ром — не менее 0,1 Ф.
Тем не менее, индуктивно-емкостная цепь из
очень маленькой катушки и переменного кон-
денсатора хорошо работает на весьма высоких
частотах (вплоть до 1000 МГц). На рис. 13.6
приведена схема, на которой вместо светодиода
и резистора из условной схемы использованы
наушники с высоким полным сопротивлением
и диод {справа), а переменный конденсатор за-
нимает место постоянного. Теперь, после до-
бавления антенны {вверху) и заземляющего
провода {внизу) эта индуктивно-емкостная цепь
способна принимать радиосигнал, используя
его в том числе и в качестве источника питания.
Резонансная частота этого контура настраи-
вается переменным конденсатором. При этом
на резонансной частоте импеданс максимален,
и в результате другие частоты будут отклонены
и перенаправлены на заземление. С соответст-
1 По-английски эта цепь называется tank circuit —
буквально, «резервуарный контур». В русском варианте
речь идет просто о колебаниях. — Примеч. перев.
Рис. 13.6. Принцип индуктивно-емкостной цепи использован
здесь в элементарном контуре, который можно настроить
на радиостанцию, чтобы услышать еле различимый звук
в наушниках, использовав в качестве источника питания
только принимаемый сигнал. Переменный конденсатор здесь
подстраивает частоту контура в резонанс с несущей радио-
сигнала
134
Статья U

Электрическая энергия > распределение > переменный конденсатор
Что может пойти не так?
вующими улучшениями и усилением основной
принцип индуктивно-емкостной цепи исполь-
зуется в радиоприемниках и передатчиках с ам-
плитудной модуляцией.
Поскольку диапазон емкостей переменных
конденсаторов ограничен, они непригодны для
большинства времязадающих цепей.
Подстроечные конденсаторы обычно можно
увидеть в передатчиках высокой мощности, ре-
трансляторах кабельного телевидения, базовых
станциях сотовой связи и в подобных им про-
мышленных установках. Там они могут исполь-
зоваться для точной настройки резонансной ча-
стоты колебательного контура (рис. 13.7).
Помимо настройки частоты контура, подстро-
енный конденсатор можно использовать для
компенсации колебаний емкости или индуктив-
ности цепи, вызванных переложением проводов
или изменением дорожек на плате в процессе
ее усовершенствования. Повторная настройка
подстроечного конденсатора проще, чем замена
конденсаторов с постоянным номиналом.
Подстроечные конденсаторы можно также при-
менять для компенсации емкостного сопротив-
ления контура, которое со временем постепенно
смещается.
Что может пойти не так?
Неверная настройка
незаземленного подстроечного
конденсатора
Хотя подстроечные конденсаторы и не поляри-
зованы, производитель может пометить один из
выводов знаком +, а другой (иногда) еще и зна-
ком -. Если у такого конденсатора отрицатель-
ный вывод оставить неподключенным или неза-
земленным, то в процессе его настройки метал-
лический наконечник отвертки внесет в настра-
иваемую величину нежелательные отклонения.
Поэтому всегда заземляйте соответствующий
вывод подстроечного конденсатора перед его
точной настройкой. Желательно также пользо-
ваться отверткой с пластиковым наконечником.
Наличие покрывающего
материала или «фиксирующей
покраски»
Покрывающий материал — это резиноподобное
вещество, которое может быть нанесено на со-
бранные компоненты, чтобы защитить их от
влаги или вибрации. Фиксирующая покраска —
это пятнышко краски, которое не допускает по-
ворота винта настройки после завершения его
регулировки. Многие производители советуют
не применять такие материалы для подстроеч-
ных конденсаторов, поскольку при их проник-
новении внутрь корпуса конденсатор может
выйти из строя.
Рис. 13.7. Подстроенный конденсатор, подключенный после-
довательно с пьезокристаллом, с помощью операционного
усилителя выполняет точную настройку частоты этого эле-
ментарного контура
Недостаточное экранирование
Переменные конденсаторы должны быть экра-
нированы во время эксплуатации для защиты от
влияния внешних емкостных эффектов — ведь
вблизи переменного конденсатора достаточно
подержать руку, чтобы изменить его настройку.
Переменный конденсатор
135

Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ
14
Термин катушка индуктивности (по англ. inductor) использован
здесь для описания катушки, назначением которой в комбинации с
резисторами и/или конденсаторами является создание собственной
индуктивности в электронной схеме, зачастую за счет пропускания
переменного тока. Разновидностью катушки индуктивности является
дроссель. Для сравнения, в статье электромагнит этой энциклопе-
дии рассмотрена катушка, содержащая сердечник из ферромагнит-
ного материала, который не перемещается относительно обмотки и
предназначен для притягивания или отталкивания других деталей
конструкции, реагирующих на магнитное поле. Катушка же с сер-
дечником из ферромагнитного материала, который перемещается в
результате протекания тока через обмотку, рассматривается в этой
энциклопедии как соленоид, несмотря на то, что этот термин иногда
используется в более широком смысле.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• соленоид (см. статью 21)
• электромагнит (см. статью 20)
Описание
Катушка индуктивности — это обмотка, которая
создает магнитное поле внутри себя или в сер-
дечнике в результате протекания через нее элек-
трического тока. Ее можно использовать в цепях
для блокировки переменного тока или для из-
менения формы его сигнала или диапазона ча-
стот. В последней роли она может настраивать
простое радиоприемное устройство или раз-
личные типы генераторов. Она способна также
защищать чувствительное оборудование от раз-
рушающих всплесков напряжения.
Условные обозначения катушки индуктив-
ности содержат обмотку, которая может изо-
бражаться двумя способами, показанными на
рис. 14.1: нижний вариант становится более
распространенным, хотя и верхний еще не уста-
рел (функциональность символов обоих вари-
антов одинаковая).
Рис. 14.1. Символ обмотки в катушке индуктивности мо-
жет быть представлен двумя функционально идентичными
способами: линия (или линии) рядом с обмоткой обозначают
твердый сердечник, при этом пунктиром обозначен сердеч-
ник, который содержит металлические частицы
ктушка индуктивности
137

Устройство
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Одна или две параллельные линии рядом с об-
моткой означают, что она намотана вокруг твер-
дого сердечника из материала, который можно
намагнитить, при этом одна или две пунктир-
ные линии означают, что она намотана вокруг
сердечника, содержащего металлические ча-
стицы, — например, железные опилки. Когда
сердечник не показан, подразумевается, что
он воздушный (см. в этой статье далее разд.
«Немагнитные сердечники»).
Рис. 14.2. Четыре катушки индуктивности, предназначенные
для установки в монтажные отверстия печатных плат
Рис. 14.3. Ток условного направления, протекающий по про-
воду слева направо (как отмечено прямой стрелкой), приво-
дит к появлению магнитного поля вокруг провода (показано
круговыми стрелками)
На рис. 14.2 показана подборка катушек индук-
тивности, предназначенных для установки в
монтажные отверстия.
Устройство
Постоянный ток, протекающий через провод-
ник, например, через проволоку, создает вокруг
этого проводника магнитное поле. На рис. 14.3
ток условного направления (протекающий от
плюса к минусу) проходит через прямой про-
вод слева направо (как показано прямой стрел-
кой). Возникающее при этом магнитное поле
показано круговыми стрелками. Если теперь
этот провод согнуть в виде дуги, как показано
на рис. 14.4, результирующая сила магнитного
поля будет направлена сквозь дугу вниз. Об этой
магнитной силе принято говорить, что она на-
правлена от южного полюса к северному.
Если принять, что постоянный ток циркулирует
внутри замкнутого кругового проводника по ча-
совой стрелке, то возникающее магнитное поле
станет создавать силу, направленную через него
вниз (рис. 14.5).
Рис. 14.4. Если провод согнуть дугой, магнитное поле может
создать результирующую силу, показанную в виде большой
прямой стрелки
138
Статья М

Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Устройство
И, наоборот, если бы внутри кругового провод-
ника переместить магнит, он вызвал бы в этом
проводнике импульс электрического тока.
Следовательно, протекающее через провод
электричество может вызвать вокруг этого
провода магнитное поле, и, наоборот, магнит,
перемещающийся рядом с проводом, способен
вызвать в нем электрический ток. Этот прин-
цип используется в электрическом генераторе,
а также в трансформаторе, где переменный
ток в первичной обмотке вызывает переменное
магнитное поле в сердечнике, а затем это поле из
сердечника преобразуется в переменный ток во
вторичной обмотке.
Заметьте, что стационарное или неизменное
магнитное поле не приводит к появлению элек-
трического тока.
Протекание постоянного тока
через обмотку
Если провод образует спираль (последователь-
ность расположенных рядом витков), и через
него проходит постоянный ток, то результи-
рующее магнитное поле способно создать силу
в направлении, показанном для каждого случая
прямой стрелкой (рис. 14.6). Это направление
зависит от того, намотан ли провод по часовой
стрелки или против, а также от направления
тока. Такую спираль обычно называют катуш-
кой или обмоткой.
В действительности магнитное поле не являет-
ся разомкнутым, и его силовые линии замыка-
ются, образуя вокруг катушки индуктивности
Рис. 14.5. Если ток протекает по круговому проводнику в на-
правлении по часовой стрелке, он будет вызывать магнитное
поле, создающее силу, показанную здесь стрелкой S-»N
Рис. 14.6. Когда постоянный ток проходит через обмотку, он
создает магнитное поле, действующее в виде силы, направ-
ление которой зависит от направления тока и направления
обмотки: по часовой стрелке или против (в каждом случае эта
сила показана здесь прямой стрелкой)
ктушка индуктивности
139

Устройство
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
концентрические окружности, создающие маг-
нитную цепь. Эту замкнутость поля можно про-
демонстрировать с помощью традиционного
школьного эксперимента с поднесением компа-
са или рассыпав железные опилки на листе бу-
маги, помещенном над магнитом. Упрощенное
изображение силовых линий, образующих маг-
нитную цепь, показано на рис. 14.7, где обмот-
ка создает магнитное поле. Обратите внимание,
что всюду в этой энциклопедии зеленый цвет
используется, чтобы указать на наличие магнит-
ной силы1.
Замкнутость магнитного поля не является для
основной функции катушки индуктивности су-
щественным фактором. На самом деле, внеш-
нее магнитное поле служит, по большей части,
источником проблем в электронных устрой-
ствах, поскольку оно может взаимодействовать
1 Напомним, что полный комплект цветных иллюстра-
ций энциклопедии содержится в электронном архиве,
доступном для закачки с FTP-сервера издательства по
ссылке ftp://ftp.bhv.ru/978S977S37476.zip или со
страницы книги на сайте www.bhv.ru. — Ред.
с другими компонентами и вызывает необходи-
мость магнитного экранирования. К тому же,
это поле при его замыкании в воздухе ослабле-
но, поскольку воздух обладает более высоким
магнитным сопротивлением (это магнитный эк-
вивалент электрического сопротивления), чем
сердечник электромагнита.
Полярность магнитного поля, создаваемого ка-
тушкой индуктивности, можно продемонстри-
ровать, перемещая небольшой постоянный маг-
нит по направлению к обмотке (рис. 14.8): если
этот магнит имеет полярность, противополож-
ную полярности обмотки, он будет стремиться
отталкиваться от нее, поскольку одинаковые
полюсы отталкиваются, а ежели он обладает той
же полярностью, то станет притягиваться, так
как противоположные полюсы притягиваются.
Этот принцип может использоваться в солено-
идах.
Магнитный сердечник
Индуктивность обмотки возрастет, а точка на-
сыщения сместится в сторону уменьшения, если
использовать магнитный сердечник. Термин
Рис. 14.7. Магнитное поле в реальности не является разом-
кнутым, и каждая силовая линия, проходящая через стерж-
невой магнит, замыкается за его пределами (замкнутость маг-
нитных полей на других схемах опущена для простоты)
Рис. 14.8. Постоянный магнит {слева) будет либо притягивать-
ся к обмотке, питаемой постоянным током, либо отталкивать-
ся от нее, в зависимости от полярности магнитных полей
140
Статья М

Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Устройство
«магнитный» в данном контексте не означает,
что сердечник должен быть постоянным маг-
нитом, — имеется в виду, что сердечник мож-
но быстро намагнитить кратковременным им-
пульсом тока через окружающую его обмотку.
Сердечник улучшает эффективность катушки
индуктивности, так как обладает меньшим маг-
нитным сопротивлением, чем воздух. Другими
словами, магнитный поток будет с большей лег-
костью протекать через сердечник, чем через
воздух.
Грубо говоря, магнитная проницаемость маг-
нитного контура противоположна его магнитно-
му сопротивлению — она является мерой того,
насколько легко может быть вызвано магнитное
поле, и обычно сравнивается с магнитной про-
ницаемостью воздуха, которая приблизительно
равна 1 (магнитная проницаемость различных
типов сердечников рассмотрена далее в разд.
«Параметры» этой статьи).
Сердечник катушки содержит магнитные до-
мены, которые действуют подобно небольшим
магнитам с северным и южным полюсами.
В отсутствие поляризующего магнитного поля
эти домены выстроены в произвольном поряд-
ке. При появлении вокруг них магнитного поля
и его возрастании домены выравниваются по
нему, увеличивая общую магнитную силу. Когда
домены выровнены практически равномерно,
сердечник приближается к магнитному насыще-
нию и перестает вносить вклад в общее магнит-
ное поле. Протекание тока в катушке индуктив-
ности в этот момент стабилизируется.
Когда питание обмотки отключается, домены
возвращаются к прежней случайной ориента-
ции лишь частично, поэтому сердечник остает-
ся слабо намагниченным. Этот эффект известен
как гистерезис, а остающееся слабое магнитное
поле называется остаточным намагничиванием.
ЭДС и противодействующая ЭДС
Когда к катушке индуктивности прикладывает-
ся постоянный ток, на создание насыщенного
магнитного поля требуется короткий, но из-
меримый интервал времени. Возрастающее на
протяжении этого интервала магнитное поле
приводит к появлению в проволоке катушки
электродвижущей силы (ЭДС). Поскольку эта
сила препятствует прилагаемому току, ее назы-
вают противодействующей ЭДС (противоЭДС).
Она существует, пока поле увеличивается до
своей полной интенсивности, а когда поле до-
стигает устойчивого состояния, ток начинает
протекать через обмотку нормально.
Этот переходный резистивный эффект вызван
собственной индуктивностью обмотки, и он
противоположен поведению конденсатора, ко-
торый поддерживает начальный бросок посто-
янного тока, пока не зарядится полностью, после
чего блокирует дальнейшее протекание тока.
Если переменный ток высокой частоты пы-
тается пройти через катушку индуктивности,
и каждый его импульс слишком короток, чтобы
преодолеть противоЭДС, то обмотка будет бло-
кировать ток. Соответственно, обмотку можно
рассчитать так, чтобы она подавляла некоторые
частоты, пропуская остальные.
Даже простая электрическая цепь, которая не
содержит обмотки, все же обладает некоторой
собственной индуктивностью просто потому,
что цепь состоит из проводов, а любой прямой
отрезок провода вызывает появление магнит-
ного поля при подаче питания на него. Однако
эти индуктивные эффекты настолько малы, что
в практических приложениях ими обычно мож-
но пренебречь.
Переходное электрическое сопротивление пере-
менному току, оказываемое либо катушкой ин-
дуктивности, либо конденсатором, называется
реактивным сопротивлением, хотя оно возни-
кает в различающихся электрических услови-
ях: обмотка препятствует начальному импульсу
Катушка индуктивности
141

Устройство
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
постоянного тока, а затем постепенно разреша-
ет его прохождение, в то время как конденсатор
допускает начальный импульс постоянного тока,
а затем препятствует ему.
Когда поток постоянного тока через обмотку от-
ключается, созданное обмоткой магнитное поле
затухает и высвобождает накопленную энер-
гию. Это может вызвать импульс прямой ЭДС,
которая, подобно противоЭДС, способна пре-
пятствовать работе других компонентов цепи.
Такие устройства, как электродвигатели и боль-
шие реле, содержащие массивные обмотки, спо-
собны создавать сильные всплески противоЭДС
и прямой ЭДС. Прямую ЭДС, которая возника-
ет, когда прерывается подача питания на обмот-
ку, обычно устраняют, подключая параллельно
с обмоткой диод, позволяя току протекать через
него, — это называется отсеканием неустано-
вившегося напряжения. Широко применяется
и комбинация «диод-конденсатор», известная
как демпфер (см. дополнительную информацию
в разд. «Демпфер» статьи конденсатор этой
энциклопедии).
Схема, демонстрирующая ЭДС и противоЭДС,
показана на рис. 14.9. Обмотка представляет со-
бой катушку, содержащую около 30 м монтаж-
ного провода 26-го (или меньшего) калибра2
или обмоточного провода. Она станет работать
более интенсивно, если внутрь катушки вста-
вить кусок железа или стали, — например, оцин-
кованную трубку диаметром полдюйма. При
нажатии кнопки ток ненадолго задерживается
созданной обмоткой противоЭДС, которая от-
водится через светодиод D1, вспыхивающий на
мгновение. После этого реактивное сопротив-
ление обмотки снижается, позволяя току про-
текать через обмотку в обход светодиода. Когда
кнопка отпускается, магнитное поле обмотки
затухает, а вызванная им прямая ЭДС проходит
через светодиод D2, который при этом на мгно-
вение вспыхивает. Заметьте, что полярность
прямой ЭДС и противоЭДС противоположная,
и поэтому светодиоды в цепи ориентированы
в противоположные стороны.
Резистор на 220 Ом должен обладать мини-
мальной мощностью У4 Вт, а кнопку не следует
удерживать нажатой слишком долго, поскольку
электрическое сопротивление обмотки сравни-
тельно низкое. Светодиоды должны обладать
номиналом для минимального прямого тока не
более 5 мА.
Рис. 14.9. Проверочная цепь для демонстрации ЭДС и про-
тивоЭДС возникающих в начале и по окончании протекания
постоянного тока через обмотку
Электрическая
и магнитная полярность
Чтобы запомнить полярность или направление
магнитного поля, которое создается протекаю-
щим током, придуманы различные мнемони-
ческие правила и схемы. Так, правило правой
руки гласит, что если пальцы правой руки
Диаметр около 0,5 мм. — Примеч. перев.
142
Статья 14

Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Варианты
обхватывают обмотку в том же направлении,
в каком намотаны ее витки, и если постоянный
ток условного направления также протекает
в эту сторону, то отставленный большой палец
будет указывать направление основной силы,
создаваемой магнитным полем.
По договоренности магнитное поле ориентиро-
вано с юга на север, что можно запомнить так:
северная область магнитного поля соответству-
ет отрицательной стороне обмотки — в англий-
ском языке слова северный (north) и отрица-
тельный (negative) начинаются с буквы N. Это
мнемоническое правило действует только тогда,
когда ток условного направления (положитель-
ный) протекает через обмотку, намотанную по
часовой стрелке.
Еще один способ называется правилом бурав-
чика: мы предполагаем, что постоянный ток
условного направления протекает от рукоятки
буравчика через его металлическую часть к его
острию. Если буравчик поворачивать по часо-
вой стрелке, в том же направлении, что и ток, то
буравчик станет ввинчиваться в пробку в том же
направлении, что и результирующая магнитная
сила.
Варианты
Материалы сердечника, его форма, тип выводов
катушки (для установки в монтажные отвер-
стия на плате или для поверхностного монтажа)
и ее наружная обработка (некоторые катушки
Рис. 14.10. Условные обозначения ферритовой шайбы {край-
нее справа) и катушек переменной индуктивности (все осталь-
ные символы, идентичные по функциональности)
индуктивности заливаются в изолирующий ма-
териал, а у других создающая магнитное поле
обмотка остается открытой) могут иметь самые
разные варианты.
Кроме того, существуют два функциональных
варианта: катушки переменной индуктивности
и ферритовые шайбы (их условные обозначения
приведены на рис. 14.10).
Магнитные сердечники
Магнитный сердечник может быть выполнен
из цельного куска железа, из железных или
стальных пластин, разделенных тонким изоли-
рующим материалом, из порошкового железа,
смешанного со связующим веществом, или из
ферритовой смеси, получаемой на основе нике-
ля, цинка, марганца или их комбинации. Желез-
ный сердечник обладает магнитной проницае-
мостью, которая не менее чем в 1000 раз выше,
чем у воздуха. У некоторых ферритов эта вели-
чина доходит до 10 000.
Одним из существенных недостатков магнит-
ного сердечника является гистерезис, который
в данном контексте означает свойство сердечни-
ка сохранять некоторую магнитную «память»,
когда цикл переменного тока меняется с по-
ложительного на отрицательный и наоборот.
Остаточный магнетизм должен преодолевать-
ся очередным импульсом переменного тока.
Способность сердечника сохранять магнитную
полярность называется остаточной магнитной
индукцией. Железные сердечники этому подвер-
жены особо.
Еще одним недостатком некоторых магнитных
сердечников является то, что в них могут возни-
кать вихревые токи, вызванные магнитным по-
лем обмотки. Эти электрические токи циркули-
руют внутри сердечника, снижая его эффектив-
ность за счет выделения тепла, в особенности,
если ток обмотки большой. Можно подавить
эти токи, если собрать сердечник из железных
или стальных пластин, разделенных тонкими
Катушка индуктивности
143

Варианты
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивност
слоями изоляции. Порошковое железо также
подавляет вихревые токи, поскольку его части-
цы находятся в ограниченном контакте друг с
другом. Ферриты не являются проводниками и,
следовательно, тоже не подвержены влиянию
вихревых токов, поэтому они находят самое ши-
рокое применение.
Как гистерезис, так и вихревые токи влекут за
собой потери энергии на каждом периоде пере-
менного тока. Следовательно, эти потери воз-
растают линейно с увеличением частоты пере-
менного тока. В результате этого сердечники
катушек индуктивности, которые страдают лю-
бым из этих недостатков, не подходят для рабо-
ты с высокими частотами.
Немагнитные сердечники
Можно избежать проблем, связанных с магнит-
ными сердечниками, если разместить обмотку
вокруг немагнитного сердечника: пустотелого
(называемого воздушным сердечником), керами-
ческого или пластикового. Магнитная проница-
емость керамического и пластикового сердечни-
ка близка к магнитной проницаемости воздуха.
Катушка индуктивности с немагнитным сердеч-
ником будет невосприимчива к вихревым токам
и остаточной магнитной индукции, но окажется
значительно больше по размерам, чем обмотка
с магнитным сердечником с такой же индуктив-
ностью. В случае с очень простым радиоприем-
ником — таким как детекторный, обмотка с воз-
душным сердечником, с помощью которой осу-
ществляется настройка на радиочастоту, может
достигать нескольких сантиметров в диаметре.
Принципиальная схема цепи для детекторного
приемника (который называется так, поскольку
использует диод, содержащий кристалл герма-
ния3) приведена на рис. 14.11. Антенна в верхней
части иллюстрации принимает сигналы, переда-
ваемые радиостанциями. Обмотка может снаб-
жаться отводами (отмечены черными точками),
чтобы обеспечить простой выбор различных
значений индуктивности, оставляя лишь узкий
диапазон частот. Белый компонент справа в виде
перевернутой буквы Т — это наушники с высо-
ким полным сопротивлением. Диод блокирует
3 Детекторный приемник в англоязычной литературе
иногда называется crystal set — то есть, настраиваемый с
помощью кристалла. — Ред.
Рис. 14.11. Элементарное применение катушки индуктивно-
сти в недавнем прошлом — настройка на частоту радиостан-
ции, как в этом детекторном приемнике
Рис. 14.12. Катушка переменной индуктивности: ее индук-
тивность настраивается с помощью винтовой резьбы, кото-
рая изменяет степень погружения сердечника внутрь об-
мотки (сердечник здесь вращается шестигранным ключом).
Номинал этой катушки изменяется в диапазоне от 0,09 до
0,12 мкГн
144
Статья Ц

Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Варианты
нижнюю половину импульса переменного тока
в радиосигнале, а поскольку сигнал обладает
амплитудной модуляцией, наушники реагируют
на изменения интенсивности сигнала и воспро-
изводят закодированный в нем звук.
Катушки переменной
индуктивности
Катушка переменной индуктивности, известная
также как регулируемая катушка индуктивности,
встречается довольно нечасто и может изготов-
ляться с применением магнитного сердечника,
который можно перемещать внутри обмотки с
помощью винтовой резьбы, — индуктивность
всего узла возрастает по мере проникновения
сердечника внутрь обмотки (рис. 1412).
Ферритовые шайбы
Ферритовая шайба «выворачивает наизнанку»
конструкцию типичной катушки индуктивно-
сти - провод в ней проходит через отверстие
в центре шайбы, а не наматывается вокруг сер-
дечника (рис. 14.13): вверху — шайба разделена
на две секции, каждая из которых смонтирована
Рис. 14.13. Два образца ферритовых шайб: они могут погло-
щать радиочастотное излучение от провода или защищать
провод от помех
в половине пластиковой оболочки (эти секции
можно сомкнуть вокруг провода), внизу — шай-
ба, которая должна надеваться на провод.
Назначение шайбы заключается либо в ограни-
чении радиочастотного излучения от провода за
счет его поглощения шайбой (где оно преобра-
зуется в тепло), либо в защите провода от внеш-
них источников радиочастотного излучения.
Источниками радиочастот могут быть кабели
от компьютера к периферийным устройствам,
регуляторы освещенности и некоторые типы
электродвигателей.
Тороидальные сердечники
Магнитный контур, создаваемый сердечником
в форме стержня, должен быть замкнут за счет
того, что его силовые линии проходят от одно-
го конца стержня к другому через окружающий
воздух. Поскольку воздух обладает низкой маг-
нитной проницаемостью, это является главной
причиной неэффективности стержневых сер-
дечников. В сравнении со стержнем, тор (геоме-
трическое тело, напоминающее по форме буб-
лик) содержит завершенный магнитный контур
внутри сердечника, что существенно увеличива-
ет его эффективность. К тому же, поскольку его
поле ограничено лучше, тороидальной катушке
индуктивности требуется небольшое (или со-
всем не требуется) экранирование для защиты
других компонентов от блуждающих магнитных
полей.
На рис. 14.2 вы могли видеть две тороидальные
катушки индуктивности, предназначенные для
вставки в монтажные отверстия: слева внизу —
номиналом 345 мкГн, справа внизу — номиналом
15 мкГн. Катушка слева внизу снабжена штырь-
ками для вставки в печатную плату.
Катушки индуктивности для поверхностного
монтажа (рис. 14.14 - 14.16) часто являются то-
роидальными — это дает возможность добиться
от компонента максимальной эффективности
при его минимальных размерах.
Катушка индуктивности
145

Варианты Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
На диаграмме, приведенной на рис. 14.17, пред-
ставлены некоторые типы сердечников для ка-
тушек индуктивности, типичные значения их
индуктивности и максимальные частоты.
Рис. 14.14. В типичной тороидальной катушке индуктивности
обмотка наматывается вокруг магнитного сердечника в фор-
ме тора: этот компонент для поверхностного монтажа {слева
показан вид с нижней стороны, а справа — вид сверху) нахо-
дится у нижней границы диапазона размеров — его номинал
составляет 750 нГн
Рис. 14.15. Тороидальная катушка индуктивности средних
размеров, предназначенная для поверхностного монтажа:
слева показан вид снизу, справа — вид сверху. Ее номинал
равен 25 мкГн
Рис. 14.16. Тороидальная катушка индуктивности больших Рис. 14.17. Некоторые часто используемые типы сердечни-
размеров, предназначенная для поверхностного монтажа: ков катушек индуктивности и их характеристики (адаптиро-
слева показан вид снизу, справа — вид сверху. Ее номинал вано с веб-страницы Producing wound components, R.CIark@
равен 3,8 мкГн surrey.ac.uk)
146 Статья Ц

Злектрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Параметры
Гиратор
Гиратор — это небольшая цепь, иногда в инте-
гральном исполнении, которая использует ре-
зисторы, полупроводник и конденсатор, что-
бы сымитировать некоторые (но не все) свой-
ства катушки индуктивности, имеющей обмотку
(рис. 14.18). Полупроводниковым прибором
может являться транзистор или конденсатор —
в зависимости от конкретной цепи.
Поскольку магнитное поле здесь не возникает,
гиратор полностью избавлен от проблем на-
сыщения и гистерезиса, которым подвержены
обмотки с сердечниками, при этом он не созда-
ет и противоЭДС. Гиратор сначала всего лишь
ослабляет сигнал, а затем постепенно снижает
реактивное сопротивление, имитируя тем са-
мым поведение катушки индуктивности.
Впрочем, гиратор налагает некоторые ограни-
чения на схему цепи — в то время как ни один
из выводов реальной катушки индуктивности не
нужно заземлять, для гиратора заземление не-
обходимо. Тем не менее, эксплуатационные пре-
имущества гираторов превосходны, поскольку
они способны сымитировать высокую индук-
тивность без паразитных эффектов, позволяют
более точную калибровку (что влечет за собой
более предсказуемую работу) и не создают маг-
нитных полей, которые способны вызывать по-
мехи для других компонентов.
Параметры
Вычисление индуктивности
Магнитная индуктивность катушки измеряется
в генри. Эта единица измерения названа в честь
Джозефа Генри — одного из первопроходцев
в изучении электромагнетизма. Она определяет-
ся для гипотетической катушки индуктивности,
в которой ток испытывает колебания, что при-
водит к появлению ЭДС. Если частота колеба-
ний составляет 1 ампер в секунду, а создаваемая
ЭДС равна 1 В, то индуктивность такой катушки
равна 1 генри.
Для обозначения индуктивности обычно ис-
пользуется буква L (чтобы вывести удобную
формулу, будем выражать значение L в микро-
генри). Итак, если D — диаметр катушки ин-
дуктивности, N — количество витков провода,
a W — длина намотки (если смотреть на обмотку
сбоку, как показано на рис. 14.19), то тогда точ-
ное соотношение между этими параметрами бу-
дет весьма сложным, но его можно упростить до
следующей приближенной формулы:
L = прибл. (D2*N2) / ((18*D) + (40*W))
Отсюда видно, что индуктивность возрастает
при увеличении диаметра обмотки, а также (что
более существенно) пропорциональна квадрату
Рис. 14.18. Возможная схема замены катушки индуктивности
гщтором, который можно использовать в тех случаях, ког-
да обычная обмотка оказалась бы неприемлемо громоздкой
Рис. 14.19. Размеры обмотки, используемые в формуле
приближенного вычисления ее индуктивности
ктушка индуктивности
147

Параметры
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
количества витков. Если количество витков
остается постоянным, индуктивность будет
выше для более короткой обмотки, а также для
длинной обмотки малого диаметра.
Поскольку генри является большой единицей
измерения, индуктивность катушек, применяе-
мых в электронике, обычно измеряется в мил-
лигенри (мГн), микрогенри (мкГн) и наногенри
(нГн), причем 1 Гн = 1000 мГн, 1 мГн = 1000 мкГн,
а 1 мкГн = 1000 нГн. Эти соотношения и приве-
дены в табл. 14.1.
Таблица 14.1. Эквивалентные значения
единиц измерения индуктивности
нГн
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
мкГн
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
мГн
0,000001
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
Вычисление
реактивного сопротивления
Реактивное сопротивление катушки индуктив-
ности (то есть ее динамическое сопротивление
переменному току) меняется в зависимости от
частоты тока. Если f — частота переменного тока
(Гц), a L — индуктивность (Гн), то тогда реак-
тивное сопротивление XL в омах будет опреде-
ляться следующей формулой:
Хт = 2п * f * L
Из этого равенства видно, что если частота стре-
мится к нулю (постоянный ток) или же индук-
тивность стремится к нулю (короткий отрезок
прямого провода), то реактивное сопротивление
также стремится к нулю. И, наоборот, катушка
индуктивности будет сильнее препятствовать
току при увеличении частоты и/или индуктив-
ности.
Вычисление
магнитного сопротивления
Для обозначения магнитного сопротивления ча-
сто используют букву S, а для обозначения маг-
нитной проницаемости — греческую букву \i (не
смешивайте с теми случаями, где она обознача-
ет коэффициент 1/1 000 000, как в цФ, то есть
в единице «микрофарада»). И если А — площадь
поперечного сечения магнитного контура, a L -
его длина, то:
S = L / ]1 * А
Терминология,
которая используется
в спецификациях
Типичная спецификация производителя для ка-
тушки индуктивности должна содержать индекс
индуктивности, который выражается в мкГн на
100 витков провода (при условии что провод на-
матывается в один слой) — для катушек с сердеч-
ником из порошкового железа, и в мГн на 1000
витков провода — для катушек с ферритовыми
сердечниками.
Параметр DCR — это сопротивление катушки
постоянному току, которое определяется исходя
из диаметра провода и его длины.
Параметр SRF — это собственная частота.
Катушку индуктивности следует выбирать таким
образом, чтобы частота протекающего через нее
переменного тока никогда не приближалась бы
к собственной частоте.
Параметр ISAT (или hat) — это ток насыщения,
который приводит к тому, что магнитный сер-
дечник утрачивает свою функцию в результате
магнитного насыщения. Когда такое происхо-
дит, индуктивность падает, а ток в обмотке воз-
растает чрезмерно.
148
Статья И

Злектрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Постоянная времени
Последовательное
и параллельное подключение
Поскольку индуктивность катушки, проводя-
щей постоянный ток, пропорциональна силе
тока, вычисление общей индуктивности после-
довательно или параллельно соединенных кату-
шек выполняется так же, как и для резисторов
(рис. 14.20).
При последовательном подключении через все
катушки неизбежно протекает одинаковый ток,
и тогда общую индуктивность можно найти сум-
мированием отдельных значений индуктивно-
сти. Когда катушки подключены параллельно,
ток распределяется в соответствии со значения-
ми индуктивности, — следовательно, если L1 —
индуктивность первой катушки, L2 — индуктив-
ность второй катушки и т. д., то общая индук-
тивность L этой цепи определяется по формуле:
l/L = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3. . .
В действительности же, различия между ка-
тушками (например, в их электрическом сопро-
тивлении) и магнитное взаимодействие между
ними усложняют это простое соотношение.
Постоянная времени
Подобно тому как постоянная времени для кон-
денсатора определяет скорость, с которой он на-
капливает заряд при подаче на него питания че-
рез резистор, постоянная времени для катушки
индуктивности определяет скорость, с которой
она постепенно позволяет току протекать через
нее, преодолевая ЭДС, создаваемую обмоткой.
В обоих случаях постоянная времени равна
числу секунд, которое необходимо компоненту,
чтобы текущее значение параметра составило
приблизительно 63% от его максимального зна-
чения.
В случае с катушкой индуктивности предполо-
жим, что внутреннее сопротивление источника
питания равно нулю, сопротивление обмотки
также нулевое, а начальный ток отсутствует.
И если L — индуктивность катушки, a R — со-
противление последовательного резистора, то
тогда постоянная времени ТС (в секундах) опре-
деляется следующей формулой:
ТС = L / R
Следовательно, обмотка с индуктивностью
10 мГн (0,01 Гн), последовательно с которой
подключен резистор на 100 Ом, пропустит 63%
от величины полного тока за 0,001 с или за У10
часть миллисекунды, затем ей потребуется такое
же дополнительное время, чтобы ток увеличил-
ся еще на 63% от оставшейся разности между
текущим и максимальным значением силы тока
в цепи, и т. д. Теоретически, реактивное сопро-
тивление обмотки никогда не сможет упасть до
нуля, но на практике пятикратное значение по-
стоянной времени считается достаточным для
достижения максимального протекания тока.
Рис. 14.20. Вычисление общей индуктивности катушек, под-
ключенных параллельно (вверху) и последовательно (внизу)
кщшка индуктивности
149

Использование
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Использование
Поскольку индуктивность катушки доходит до
максимума при увеличении силы тока, а затем
постепенно снижается, катушку индуктивности
можно использовать для блокирования или для
ослабления верхних частот. Цепь, которая вы-
полняет эту функцию, часто называют филь-
тром нижних частот.
Схема и графическое представление частотной
характеристики такого фильтра показаны на
рис. 14.21. Основным применением его может
стать использование в качестве разделительного
фильтра в акустической системе, где высокоча-
стотные сигналы не проходят на низкочастот-
ный динамик, а перенаправляются на высоко-
частотный.
Если положение катушки индуктивности в цепи
изменено так, чтобы она шунтировала сигнал до
выхода, то результат будет обратным, и такая
цепь превратится в фильтр верхних частот.
Схема и графическое представление частотной
характеристики такого фильтра показаны на
рис. 14.22.
Заметьте, что конденсаторы также могут ис-
пользоваться для создания частотных филь-
тров, но поскольку их функция приблизительно
обратна функции катушек, положение конден-
сатора в цепи должно быть противоположным
положению катушки (примеры схем для филь-
тров с использованием конденсаторов можно
найти в соответствующей этому компоненту
статье энциклопедии).
Выходной сигнал
на различных частотах
(при условии постоянного
входного сигнала 80 дБ)
г-ЛАДЛ/
Of
Рис. 14.21. Используя свойство катушки индуктивности бло- Рис. 14.22. Здесь катушка индуктивности отводит нижние
кировать диапазон частот, фильтр нижних частот подавляет частоты от вывода, позволяя проходить верхним частотам
верхние частоты
150
Статья М

Рис. ЦВ 2.3. Простой
электрохимический элемент
Рис. ЦВ-8.2. Расчетные выходные сигналы преобразо-
вателя угла поворота при условии, что общие выводы
пар контактов подключены к отрицательному полю-
су батареи (заземлены). «Высокий» уровень сигнала
здесь свидетельствует о заземлении пары контак-
тов. Количество фиксаторов по отношению к количе-
ству импульсов на поворот может, в зависимости от
типа преобразователя, быть различным
Рис. ЦВ-2.15. Когда пара аккумуляторов на 6 В под-
ключена последовательно для питания активной
нагрузки, то при полном разряде одного из них он
превращается вместо источника тока в нагрузку
и может подвергнуться обратному заряду, кото-
рый приведет к полному выходу его из строя
I
Рис. ЦВ-10.2. Подборка типичных
резисторов

Рис. ЦВ-10.8. Цветовая маркировка резисторов,
устанавливаемых в монтажные отверстия
Рис. ЦВ-12.2. Поскольку пластины конден-
сатора обладают электрической проводи-
мостью, при подключении источника пита-
ния постоянного тока они заполнятся поло-
жительными и отрицательными зарядами со-
ответственно стороне источника, к которой
они подключены. А так как противоположные
заряды притягивают друг друга, они станут
накапливаться по обе стороны диэлектрика
(изолирующего слоя)
Рис. ЦВ-12.4. На схеме слева источник
переменного тока создает на верхней пластине
конденсатора положительный заряд, а на
нижней — отрицательный. Этот процесс влечет
за собой условное протекание тока в направлении,
которое показано стрелками. Чуть позже,
когда переменный ток меняется на обратный,
направление условного тока также меняется
на противоположное (схема справа), создавая
впечатление, что конденсатор «проводит»
переменный ток
Рис. ЦВ-17.2. Чтобы добиться широтно-
импульсной модуляции, устанавливается уро-
вень рассогласования путем сравнения выхо-
да преобразователя с опорным напряжением.
Уровень рассогласования, показанный оранже-
вой линией, затем вычитается из выходного
сигнала генератора линейно изменяющегося
напряжения. Ширина импульса изменяется со-
ответствующим образом

Рис. ЦВ-23.11. На графике показано напряжение,
подаваемое через три провода трехфазного источ-
ника электропитания (цвет кривых выбран произ-
вольно): трехфазный электродвигатель содержит
число обмоток, кратное трем, — зачастую шесть,
как показано здесь схематически. Три провода от
источника питания подключены напрямую к этим
обмоткам, индуцируя при этом вращающееся маг-
нитное поле
Рис. ЦВ-22.2. Три последовательные фазы ра-
боты типичного трехобмоточного электро-
двигателя постоянного тока при рассмотре-
нии с торцевой стороны его вала (сам вал не
показан): когда магнитные силы приводят
ротор во вращение, через коллектор в центре
коммутируется ток, подаваемый на обмотки

Рис. ЦВ-25.9. Биполярный шаговый двига-
тель — незадолго до того как ротор успел
сделать первый шаг в ответ на магнитные
поля, созданные обмотками статора
Рис. ЦВ-25.10. Биполярный шаговый двига-
тель из рис. ЦВ-25.9 показан с передвину-
тым на один шаг ротором, при этом поляр-
ность обмотки изменилась, чтобы побудить
его к выполнению второго шага
Рис. ЦВ-25.2. В шаговом двигателе с переменным
магнитным сопротивлением ротор вращается, что-
бы минимизировать магнитное сопротивление при
каждой подаче питания на очередную пару обмоток
(на каждом шаге показано, что на обмотки уже пода-
но питание, но ротор еще не успел на это отреагиро-
вать)
Рис. ЦВ-25.11. Биполярный шаговый дви-
гатель после осуществления второго шага
и непосредственно перед выполнением
третьего

Рис. ЦВ-25.12. Биполярный шаговый двигатель
после выполнения третьего шага: когда ротор
отреагирует на новое расположение магнит-
ных полей, его ориентация станет функцио-
нально идентичной той, которая изображена
на первом шаге (см. рис. ЦВ-25.9)
Рис. ЦВ-25.13. Обмотки этого униполярного
шагового двигателя показаны сразу после по-
дачи на них питания: ротору потребуется
время, чтобы отреагировать на это, сделав
первый шаг
Рис. ЦВ-25.14. Двигатель из рис. ЦВ-25.13 по-
казан с обмотками, на которые подано пита-
ние, чтобы ротор выполнил второй шаг
Рис. ЦВ-25.15. Двигатель из рис. ЦВ-25.14 по-
казан с обмотками, на которые подано пита-
ние, чтобы ротор выполнил третий шаг

Рис. ЦВ-25.16. Когда ротор выполнит четвер-
тый шаг, он вернется в то положение, которое
функционально идентично показанному на
первом шаге
Рис. ЦВ-26.8. Однополупериодный выпрями-
тель: в такой конфигурации диод позволяет
переменному току циркулировать против ча-
совой стрелки, но блокирует его протекание
по часовой стрелке (черный фрагмент провод-
ника)
Рис. ЦВ-26.4. Внутреннее строение диода ср-п-
переходом: в режиме прямого смещения напря-
жение от аккумулятора вынуждает заряды на
п- и р-слоях перемещаться в диоде к централь-
ному переходу, и через него начинает проте-
кать ток (слева); в режиме обратного смеще-
ния заряды на п- и р-слоях отталкиваются от
центрального перехода, который становится
обедненной областью, неспособной пропускать
значительный ток (справа)
Рис. ЦВ-26.9. Принципиальная схема, широко
используемая для создания мостового выпря-
мителя (цвет здесь обозначает полярность):
провода черного цвета не пропускают ток, по-
скольку диод блокирует его (заметьте, что по-
лярность у нагрузки остается постоянной)

Рис, ЦВ-26.10. Вверху: синусоида, показывающая ам-
плитуду напряжения источника переменного тока,
которая колеблется от положительных до отри-
цательных значений относительно нейтральной
линии; в центре: переменный ток, преобразованный
двухполупериодным выпрямителем (поскольку диоды
не проводят ток ниже порогового напряжения, между
импульсами появляются небольшие промежутки);
внизу: выходной сигнал однополупериодного выпрями-
теля
Рис. ЦВ-27.4. Внутреннее устройство
однопереходного транзистора
Рис. ЦВ-28.2. Протекание тока через п-р-п-
и р-п-р-транзисторы
Рис. ЦВ-28.7. Этот график, взятый в адаптированном
виде из спецификации мощного транзистора компании
Philips, определяет область устойчивой работы компо-
нента

Рис. ЦВ-29.4. Ток условного направления сво-
бодно протекает от стока к истоку через ка-
нал отрицательно легированного плоскостного
полевого транзистора (вверху); понижение на-
пряжения затвора по отношению к напряже-
нию истока создает полевой эффект, который
приводит к запиранию тока (внизу)
Рис. ЦВ-29.5. Ток условного направления сво-
бодно протекает от истока к стоку через
канал положительно легированного плоскост-
ного полевого транзистора (вверху); более вы-
сокое напряжение затвора по сравнению с на-
пряжением истока создает полевой эффект,
который вызывает запирание тока (внизу)
Рис. ЦВ-29.8. Два МОП-транзистора: для транзи-
стора в корпусе типа ТО-220 (слева) заявлен ток
на стоке до 65 А при непрерывной работе, а напря-
жение пробоя между стоком и истоком равно 100 В;
транзистор в меньшем корпусе (справа) обеспечи-
вает ток на стоке 175 мА при непрерывной рабо-
те и напряжение пробоя между стоком и истоком
300 В
Рис. ЦВ-29.9. Проводимость тока в обедняю-
щих и обогащающих МОП-транзисторах с
п-каналом — идея заимствована из книги The
Art of Electronics Хоровица (Horowitz) и Хилла
(Hill)

Злектрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
Использование
Катушку индуктивности можно объединить с
конденсатором, чтобы образовать полосовой
фильтр (рис. 14.23). В этой конфигурации ка-
тушка индуктивности блокирует верхние часто-
ты, а конденсатор — нижние частоты, позволяя
проходить лишь ограниченной полосе частот.
Опять-таки, если компоненты поменять места-
ми, чтобы отводить сигнал от выхода, результат
окажется противоположным (рис. 14.24) — это
узкополосный режекторный фильтр (фильтр-
пробка).
Эффективность таких фильтров сильно зависит
от номиналов компонентов и в большинстве слу-
чаев для создания реальной схемы потребуются
дополнительные компоненты — рассмотрение
таких замысловатых фильтрующих контуров
выходит за рамки этой энциклопедии.
Катушки индуктивности существенно важны
для DC-DC конвертеров и источников элек-
тропитания, в которых изменения напряжения
вызываются быстрым переключением (необхо-
димые подробности о них смотрите в соответ-
ствующих статьях этой энциклопедии).
Вообще, по мере того как электронное оборудо-
вание становится все более миниатюрным, не-
избежная громоздкость катушек индуктивности
ограничивает область их применения. Тем не
менее, они по-прежнему могут использоваться
для настройки генераторов, для блокирования
неожиданных острых импульсов в источниках
Рис. 14.23. Если номиналы конденсатора и катушки индук-
тивности выбраны правильно, а сами компоненты подклю-
чены последовательно, катушка индуктивности будет блоки-
ровать верхние частоты, а конденсатор — нижние, создавая
полосовой фильтр, через который может пройти только узкая
полоса частот
Рис. 14.24. В этом случае конденсатор и катушка индуктивно-
сти пропускают лишь узкую полосу частот, отводя все осталь-
ные от выхода. В результате получается фильтр-пробка
ктушка индуктивности
151

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > распределение > катушка индуктивности
питания и для защиты оборудования от вне-
запных всплесков напряжения (например, они
применяются в устройствах подавления скачков
тока в компьютерном оборудовании).
Выбор сердечника
Катушки индуктивности с воздушным сердечни-
ком обладают сравнительно низкой индуктив-
ностью, так как у них малая магнитная прони-
цаемость. Тем не менее, они могут работать при
очень высоких частотах (до нескольких гигагерц)
и выдерживают более сильные пиковые токи.
Катушки индуктивности с железным сердечни-
ком страдают от увеличения потерь мощности
вследствие гистерезиса и вихревых токов с ро-
стом частоты переменного тока, проходящего
через катушку. Таким образом, катушки индук-
тивности с железным сердечником непригодны
для частот намного выше 10 кГц.
Миниатюризация
Катушка индуктивности с малым номиналом
может быть выполнена в виде спирали, вытрав-
ленной в печатной плате для тех применений,
где размер должен быть минимальным. Они
могут быть внедрены и в интегральные микро-
схемы. Однако в небольших устройствах, подоб-
ных мобильным телефонам, более распростра-
ненным является замена катушек гираторами,
о которых было рассказано ранее.
Что может пойти не так?
Физические недостатки
Теоретически идеальная катушка индуктивно-
сти не обладает сопротивлением или емкостью,
а также не допускает потерь энергии. В реаль-
ности катушка индуктивности обладает как со-
противлением, так и емкостью, а также создает
электрические помехи и может воспринимать
их. Обычно она генерирует блуждающие маг-
нитные поля, и с ней, как правило, сложнее
иметь дело, чем с двумя ее собратьями: рези-
стором и конденсатором.
Паразитная емкость возникает между соседни-
ми витками провода. Эта емкость становится
более существенной при высоких частотах, что
в итоге приводит к тому, что обмотка начинает
испытывать авторезонанс.
Путями решения обозначенных проблем явля-
ются подбор формы обмотки и выбор материала
сердечника (эти вопросы выходят за рамки эн-
циклопедии).
Гиратор следует рассматривать в качестве воз-
можной замены катушкам индуктивности в си-
туациях, когда использовать катушки затрудни-
тельно или слишком дорого.
Насыщение
Индуктивность возрастает по мере увеличения
тока, проходящего через обмотку, но если ис-
пользуется магнитный сердечник, то его вклад
в индуктивность резко прекратится, когда сер-
дечник станет магнитно насыщенным. Другими
словами, когда все распределенные случайным
образом магнитные домены в сердечнике будут
вынуждены выстроиться в соответствии с на-
растающим магнитным полем, сердечник не
сможет стать еще более намагниченным и пере-
станет вносить вклад в индуктивность.
Обратите внимание, что когда сердечник до-
стигает уровня насыщения, его гистерезис воз-
растает, поскольку на его перемагничивание
с обратной полярностью требуется большая
энергия. Средства против насыщения могут
быть такими: сердечник больших размеров,
ток меньшей силы, меньшее количество вит-
ков обмотки, а также применение сердечника
с низкой магнитной проницаемостью (напри-
мер, воздушного).
152
Статья Н

Злектрическая энергия > распределение > катушка индуктивности Что может пойти не так?
Проблемы, Оба этих эффекта увеличивают эффективное
сопротивление обмотки. Для их минимизации
Вызванные радиочастотами разработаны различные формы сердечников, но
Различные сложности, сказывающиеся на эф- их рассмотрение выходит за рамки этой энци-
фективности катушек индуктивности, создают клопедии.
радиочастоты:
Главный вывод таков: для работы с радиоча-
§ поверхностный эффект — это склонность стотами следует применять катушки индуктив-
переменного тока высокой частоты про- ности, которые специально предназначены для
текать преимущественно по поверхности этих целей,
провода;
• эффектом близости называется стремление
магнитных полей, вызванных соседними
витками провода, создавать вихревые токи
в обмотке.
Катушка индуктивности 153

Электрическая энергия > преобразование >
трансформатор переменного тока
ТРАНСФОРМАТОР
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
15
По англ. AC-AC transformer
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• источник электропитания (см. статью 16)
• конвертер DC-DC (см. статью 17)
• инвертор DC-AC (см. статью 18)
Описание
Трансформатор превращает напряжение пере-
менного тока (АС) на входе в одно или несколь-
ко значений напряжения переменного тока на
выходе, причем значения эти могут быть как
выше, так и ниже исходного.
Трансформаторы бывают самых разных разме-
ров: от крошечных устройств согласования им-
педанса в аудиоаппаратуре типа микрофонов до
многотонных монстров, обеспечивающих вы-
соким напряжением государственные энергети-
ческие сети. Практически все электронное обо-
рудование, которое предназначено для питания
от городской сети переменного тока в домах или
на предприятиях, требует наличия трансформа-
тора.
На рис. 15.1 показаны два трансформатора ма-
лой мощности: трансформатор на дальнем пла-
не, будучи подключен к источнику переменного
тока напряжением 125 В, выдает напряжение
36 В переменного тока силой 0,8 А, а миниатюр-
ный трансформатор (производства компании
Radio Shack) на переднем плане обеспечивает
под нагрузкой переменный ток около 12 В силой
300 мА (в отсутствие нагрузки выдаваемое им
напряжение превысит 16 В переменного тока).
Рис. 15.1. Два трансформатора малой мощности: трансфор-
матор на дальнем плане с габаритами около 2,5x5x5 см обе-
спечивает напряжение 36 В переменного тока силой 0,8 А;
маркировка SEC. на меньшем трансформаторе является со-
кращением слова secondary («вторичный») и указывает на то,
что номинал относится ко вторичной обмотке
Трансформатор переменного тока
155

Устройство
Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тока
Рис. 15.2. Альтернативные обозначения трансформатора с
ферромагнитным сердечником {вверху) и воздушным сердеч-
ником {внизу): различные символы для изображения обмоток
слева и справа функционально идентичны
Условные обозначения трансформатора приве-
дены на рис. 15.2 (различные варианты изобра-
жений обмотки слева и справа функционально
идентичны): вверху — трансформатор с магнит-
ным сердечником (имеется в виду, что этот сер-
дечник можно намагнитить), внизу — трансфор-
матор с воздушным сердечником (трансфор-
маторы этого типа редки, поскольку они менее
эффективны). Почти всегда подразумевается,
что для каждого обозначения слева изображен
вход трансформатора через первичную обмотку,
а справа — выход трансформатора через вто-
ричную обмотку. Часто эти две обмотки изобра-
жают с разным количеством витков, чтобы ука-
зать на то, какое напряжение обеспечивает этот
трансформатор: пониженное (в этом случае на
вторичной обмотке будет меньше витков) или
повышенное (в этом случае меньше витков ока-
жется на первичной обмотке).
стальных пластин. Этот магнитный поток соз-
дает во вторичной обмотке ток, обеспечиваю-
щий напряжение на выходе трансформатора
(в действительности, обмотки обычно состоят
из нескольких тысяч витков тонкой обмоточной
проволоки, называемой также эмалированным
проводом, а формы сердечников бывают самых
различных конфигураций).
Возникновение во вторичной обмотке тока, вы-
званного магнитным потоком, созданным током
в первичной обмотке, называется взаимоиндук-
цией. И если ко вторичной обмотке подключить
нагрузку, она будет потреблять ток от первичной
обмотки, хотя между обмотками нет электриче-
ского соединения.
В идеальном трансформаторе без потерь отно-
шение числа витков двух обмоток определяет,
будет ли напряжение на выходе выше входного,
ниже его или равным ему. Если V и Vs — зна-
чения напряжения на первичной и вторичной
обмотках соответственно, а N и Ns — число
витков проволоки в первичной и вторичной
обмотках, то отношение между ними определя-
ется следующей формулой:
V / V
NP
Устройство
На рис. 15.3 приведено упрощенное изображе-
ние трансформатора: переменный ток, проте-
кающий через первичную обмотку, вызывает
переменный магнитный поток в многослой-
ном сердечнике, составленном из нескольких
Рис. 15.3. Три основные части трансформатора, показанные
в упрощенном виде
156
Статья 15

Злектрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тока
Устройство
Можно запомнить простое правило: чем мень-
ше витков, тем ниже напряжение, а чем больше
витков, тем выше напряжение.
Повышающий трансформатор обладает более
высоким напряжением на выходе, чем на входе,
а понижающий трансформатор имеет более вы-
сокое напряжение на входе по сравнению с вы-
ходом (рис. 15.4).
В идеальном трансформаторе без потерь мощ-
ность на входе будет равна мощности на выходе.
Если Vin и Vout — значения напряжения на входе
и выходе, a Iin и Iout — соответствующие значения
силы тока, отношение между ними определяется
следующей формулой:
v
I = V
in o
Следовательно, если трансформатор удваивает
напряжение, он позволяет извлечь со вторичной
обмотки только половину исходной силы тока,
если же напряжение снижается вдвое, то доступ-
ный ток будет в два раза больше.
Трансформаторы не являются эффективными
на все 100%, однако их действительная эффек-
тивность превышает 98%, так что приведенные
здесь соотношения между значениями напряже-
ния, силы тока и количеством витков в обмот-
ках достаточно реалистичны.
Когда трансформатор не нагружен, первичная
обмотка ведет себя подобно простой катушке
индуктивности с реактивным сопротивлением,
которое замедляет протекание тока. Следо-
вательно, мощный трансформатор потребля-
ет сравнительно мало электричества, если его
оставить включенным в электрическую розетку,
не подключив никакой нагрузки к его выходу.
Мощность, которую он все-таки при этом по-
требляет, будет теряться в виде тепла.
Рис. 15.4. При условии что трансформатор обладает
100%-ной эффективностью, отношение величины входного
напряжения к величине напряжения на выходе равно отно-
шению числа витков в первичной и вторичной обмотках
Сердечник
О ферромагнитном сердечнике часто говорят,
что он сделан из железа, но в действительности
он гораздо чаще выполняется из кремнистой
стали с высокой магнитной проницаемостью.
Чтобы снизить потери, вызываемые вихревыми
токами, сердечник обычно делается слоистым —
собранным из нескольких пластин, которые от-
делены друг от друга тонкими слоями лака или
какого-либо другого подобного ему изолятора.
Вихревые токи при этом будут заключены в пре-
делах толщины каждой из пластин.
Поскольку напряжение постоянного тока мо-
жет вызвать магнитное насыщение сердечни-
ка, все трансформаторы должны работать от
переменного или импульсного тока. Обмотка
и геометрическая форма трансформатора опти-
мизируются под диапазон частот, напряжение
и силу тока, при которых он должен работать.
Существенное отклонение от этих значений мо-
жет вывести его из строя.
реформатор переменного тока
157

Устройство
Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тот
Отводы
Отвод в трансформаторе — это выходящий на-
ружу проводник, присоединенный к части пер-
вичной или (чаще) вторичной обмотки. Если
входное напряжение на первичной стороне
приложить между началом обмотки и проме-
жуточным отводом, то тем самым уменьшится
количество витков, к которым оно приложено, и
увеличится отношение числа витков на выходе
к числу витков на входе, повышая напряжение
на выходе. Если на вторичной стороне снимать
выходное напряжение между началом обмотки
и промежуточным отводом, то уменьшится чис-
ло витков, с которых оно снимается, и, следова-
тельно, станет меньше отношение числа витков
на выходе к числу витков на входе, что приведет
к уменьшению напряжения. Это можно подыто-
жить так:
• отвод на первичной стороне может увели-
чивать напряжение на выходе;
• отвод на вторичной стороне может обес-
печить понижение выходного напряжения.
В универсальных сетевых адаптерах выбор
входного напряжения может обеспечиваться
при помощи переключателя на два направления,
дающего возможность задействовать либо всю
первичную обмотку, либо ее фрагмент, ограни-
ченный отводом (рис. 15.5). Впрочем, совре-
менному электронному оборудованию зачастую
не требуется адаптер напряжения, поскольку
внутренний стабилизатор напряжения или
DC-DC конвертер сам справляется с широким
диапазоном напряжений на входе, обеспечивая
довольно устойчивое напряжение на выходе.
Чтобы предоставить пользователю возмож-
ность выбора напряжений на выходе трансфор-
маторов, их вторичная обмотка снабжается от-
водами весьма часто, — большинство силовых
трансформаторов имеют, по крайней мере, два
выхода, поскольку стоимость добавления отво-
дов ко вторичной обмотке достаточно низкая.
В качестве альтернативы отводам нередко соз-
даются две или несколько отдельных вторичных
обмоток, которые обеспечивают электрическую
изоляцию выводов друг от друга (рис. 15.6).
Если первичная обмотка трансформатора намо-
тана в том же направлении, что и вторичная, на-
пряжение на выходе будет отличаться по фазе на
Рис. 15.5. Универсальный сетевой адаптер может обеспечить
фиксированное напряжение на выходе при помощи переклю-
чателя на два направления, прикладывая напряжение 230 В
переменного тока к первичной обмотке трансформатора или
115 В переменного тока к отводу в средней части первичной
обмотки
Рис. 15.6. Несколько значений напряжения на выходе можно
получить при помощи трансформатора, вторичная обмотка
которого снабжена отводами {вверху), или с помощью не-
скольких отдельных вторичных обмоток {внизу). В послед-
нем случае выводы будут электрически изолированы друг от
друга
158
Статья I5

Злектрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тока
Варианты
Если в центре вторичной обмотки есть отвод,
рассматриваемый в качестве заземления, то по
отношению к нему напряжения на противо-
положных сторонах вторичной обмотки будут
в противофазе (рис. 15.7).
180° от напряжения на входе. На схемах у одной
из сторон катушки трансформатора обычно
ставят точку, чтобы отметить начало обмотки.
Если точки у первичной и вторичной обмоток
расположены с одинаковой стороны катушек,
то между входом и выходом разность фаз со-
ставит 180°. Для большинства применений
(в особенности, когда выходной сигнал силово- ВЭРИЭНТЫ
го трансформатора будет потом преобразован
в постоянный ток) это несущественно.
Форма сердечника
Броневой сердечник — это замкнутый прямо-
угольник (см. рис. 15.3). Он является самым
эффективным, но и наиболее дорогим для про-
изводства. Еще один вариант — это С-образный
сердечник1 (три стороны прямоугольника).
Популярен также сердечник в виде комбинации
букв Е и I2 — он состоит из блока пластин в фор-
ме буквы Е, вокруг верхней и нижней перекла-
дин которой намотаны две обмотки (обмотки
также могут быть намотаны концентрически во-
круг центральной перекладины буквы Е), а до-
полнительный блок плоских пластин добавлен,
чтобы закрыть пробелы в букве Е и замкнуть
магнитную цепь.
На рис. 15.8 небольшой трансформатор, пока-
занный ранее на рис. 15.1, разрезан ленточной
пилой и обработан на ленточно-шлифовальном
станке для демонстрации его обмоток — отчет-
ливо видно, что первичная и вторичная обмот-
ки трансформатора являются концентрически-
ми. Видна также конфигурация его сердечника
в формате E-I (на рис. 15.9 эта конфигурация для
большей наглядности обведена яркой линией).
Рис. 15.7. Точками отмечены начала каждой обмотки: когда
первичная и вторичная обмотки намотаны в одинаковом на-
правлении, напряжение на выходе будет отличаться по фазе
на 180° от напряжения на входе {вверху); там, где точки ука-
зывают на намотку в противоположных направлениях, на-
пряжение на выходе будет совпадать по фазе с напряжением
на входе (в центре); там, где центральный отвод вторичной
обмотки выступает в качестве общего заземления, напряже-
ния на противоположных сторонах вторичной обмотки будут
в противофазе (внизу)
Силовой трансформатор
Силовой трансформатор обычно крепится бол-
тами на шасси или устанавливается внутри ка-
меры или шкафа, содержащего электрическое
оборудование. Лепестки для пайки или соот-
ветствующие разъемы позволяют подключить
1 В России: П-образный. — Примеч. перев.
2 В России: Ш-образный. — Примеч. перев.
Трансформатор переменного тока
159

Варианты
Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тот
Рис. 15.8. Внутреннее устройство небольшого трансформа-
тора с рис. 15.1
Рис. 15.9. Пластины, составляющие сердечник в формате Е-1,
обведены, чтобы показать их границы
трансформатор с одной стороны к сетевому шну-
ру, а с другой — к монтажной плате. Небольшие
силовые трансформаторы, подобные показан-
ному на рис. 15.1, сконструированы для установ-
ки в монтажные отверстия с помощью штырь-
ков, позволяющих вставить их непосредственно
в плату.
Штепсельный трансформатор
Штепсельный трансформатор обычно запаи-
вается в пластиковый корпус, который можно
подключить напрямую в настенную сетевую ро-
зетку. Визуально он похож на сетевой адаптер,
но выдает на выходе переменный, а не постоян-
ный ток.
Разделительный трансформатор
Разделительный трансформатор известен также
как трансформатор с коэффициентом трансфор-
мации 1:1 — соотношение между числом витков
в первичной и во вторичной его обмотках равно
1:1, и поэтому напряжение на выходе такого
трансформатора совпадает с напряжением на
его входе. Электрооборудование, подключенное
к разделительному трансформатору, отделено
от электрического заземления электропровод-
ки переменного тока, и это снижает опасность
работы с находящимся под напряжением обо-
рудованием, поскольку электрический потен-
циал между ним и «землей» пренебрежимо мал.
Следовательно, если дотронуться до заземлен-
ного объекта и одновременно коснуться прово-
да под напряжением в таком оборудовании, то
ток, проходящий в результате этого через тело
коснувшегося, не должен быть потенциально
смертельным.
Автотрансформатор
В автотрансформаторе имеется только одна
обмотка, снабженная отводами для снятия вы-
ходного напряжения. Взаимная индукция при
этом возникает между участками обмотки.
В автотрансформаторе, в отличие от трансфор-
матора с двумя обмотками, где выход электриче-
ски изолирован от входа, существует общее со-
единение между входом и выходом (рис. 15.10).
Автотрансформаторы часто используются для
согласования импеданса в аудиоцепях, а также
для обеспечения на выходе напряжения, кото-
рое незначительно отличается от входного.
160
Статья /5

Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тока
Варианты
Рис. 15.10. Автотрансформатор содержит только одну обмот-
ку и сердечник: пониженное напряжение на выходе можно
получить с помощью отвода в обмотке. Общее соединение не
обеспечивает электрическую изоляцию выхода от входа
Регулируемый трансформатор
Регулируемый трансформатор, известный также
как вариак, похож на проволочный потенцио-
метр, и в нем так же, как и в автотрансформато-
ре, используется лишь одна обмотка. Функцию
подвижного отвода выполняет в нем скользящий
контакт, который можно передвигать (повора-
чивать) для соприкосновения с любой частью
обмотки. Подобно автотрансформатору, у регу-
лируемого трансформатора существует общее
соединение между входом и выходом.
Аудиотрансформатор
Когда сигнал передается между двумя каскадами
схемы, обладающими различным импедансом,
то он может частично отразиться или ослабить-
ся. Дело в том, что хоть импеданс и измеряется
в омах, но он отличается от электрического со-
противления постоянному току, поскольку учи-
тывает реактивное сопротивление и емкостное
сопротивление, и, следовательно, зависит от ча-
стоты.
Устройство с малым входным импедансом
будет стремиться потребить от источника
значительный ток, и если источник обладает
высоким выходным импедансом, в результате
его напряжение существенно снизится. Обычно
входной импеданс устройства должен быть хотя
бы в 10 раз больше выходного импеданса того
устройства, которое обеспечивает подачу пи-
тания. Для согласования импеданса можно ис-
пользовать и пассивные компоненты (резисто-
ры, конденсаторы, обмотки), но в некоторых
случаях предпочтительнее небольшой транс-
форматор.
Если Np и Ns означают количество витков прово-
да в первичной и вторичной обмотках трансфор-
матора, Zp — импеданс устройства (например,
аудиоусилителя), подающего сигнал на первич-
ную сторону трансформатора, a Zs — импеданс
устройства (например, громкоговорителя), по-
требляющего мощность со вторичной стороны,
тогда:
Np
Ns = V(Zp
Zs)
Допустим, что аудиоусилитель с номиналь-
ным выходным импедансом в 640 Ом приводит
в действие громкоговоритель с импедансом
8 Ом. Для этих условий следует подобрать со-
гласующий трансформатор с таким отношением
числа витков первичной обмотки к числу витков
вторичной:
V (640/8) = V80 = приблизительно 9:1
Два трансформатора на рис. 15.11 представляют
собой компоненты для установки в монтажные
отверстия и предназначены для телекоммуни-
кационных целей, но они способны пропускать
аудиочастоты и могут быть использованы для
согласования импеданса в таких устройствах,
как предварительный усилитель.
Трансформаторы на рис. 15.12 предназначены
для связи каскадов аудиоцепей. Значения им-
педанса у правого равны 500 Ом (первичный)
и 8 Ом (вторичный), слева — полностью гер-
метизированный согласующий трансформатор
с отношением витков 1:1.
1рансформатор переменного тока
161

Параметры
Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного токо
Сдвоенный дроссель
В сдвоенном дросселе первичная и вторичная об-
мотки располагаются рядом, чтобы минимизи-
ровать взаимную емкость.
Рис. 15.11. Трансформаторы для установки в монтажные от-
верстия, которые могут быть использованы для согласования
импеданса
Рис. 15.12. Трансформаторы для установки в монтажные от-
верстия, предназначенные для связи каскадов аудиоцепей
Рис. 15.13. Два трансформатора для поверхностного монта-
жа: размер каждого менее 5 мм. Обычно такие трансформа-
торы используются в аппаратуре связи и предназначены для
работы с частотами выше 5 МГц
Трансформатор для
поверхностного монтажа
Размер трансформаторов для поверхностного
монтажа (рис. 15.13) может составлять менее
5 мм. Они используются для согласования им-
педанса, подключения к линии и фильтрации.
Параметры
При выборе силового трансформатора основное
значение имеет его способность к передаче мощ-
ности. Она обозначается при помощи термина
VA, который является сокращением слов volts
times amps (вольты, помноженные на амперы).
Значение VA не следует смешивать с ваттами,
поскольку мощность в ваттах измеряется в цепи
постоянного тока, а в цепи переменного тока на-
пряжение и сила тока постоянно колеблются.
Величина VA в действительности является ка-
жущейся мощностью, поскольку учитывает ре-
активное сопротивление.
Соотношение между величиной VA и мощ-
ностью в ваттах W различно в зависимости от
рассматриваемого устройства. В самом худшем
случае оно такое:
W = 0,65 VA (приближенно)
Другими словами, усредненная мощность, ко-
торую можно потребить от трансформатора,
должна составлять не менее, чем две трети от
величины VA.
В спецификациях к трансформаторам часто ука-
зывают входное напряжение, выходное напря-
жение и вес компонента. Все эти параметры не
требуют объяснения.
162
Статья 15

Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тока
Использование
Для трансформаторов связи могут быть также
приведены значения входного и выходного им-
педанса.
Использование
В большинстве электронных цепей за силовым
трансформатором следует выпрямитель для пре-
образования переменного тока в постоянный,
а также конденсаторы для сглаживания пуль-
саций питания. Использование готового ис-
точника электропитания или сетевого адап-
тера, который уже содержит все необходимые
компоненты, более эффективно в плане затраты
времени и средств, чем сборка такого источника
с нуля (см. статью 16).
Что может пойти не так?
Вход и выход поменялись местами
Предположим, что трансформатор предназначен
для обеспечения напряжения в 10 В, используя
бытовую электросеть на 115 В. Если трансформа-
тор по ошибке подключить к 115 В переменного
тока не той стороной, то выходное напряжение
окажется свыше 1000 В, — достаточно, чтобы
привести к смертельному исходу, не говоря уже
о разрушении подключенных к нему компонен-
тов. Неправильное подключение трансформато-
ра может повредить и его. Поэтому необходимо
проявлять предельное внимание при подключе-
нии силовых трансформаторов. Для проверки
напряжения на выходе следует использовать из-
мерительный прибор. Все устройства, содержа-
щие трансформаторы, должны быть снабжены
предохранителями на стороне, находящейся под
напряжением, а также заземлены.
Опасность поражения током
от общего заземления
При работе с оборудованием, которое исполь-
зует автотрансформатор, шасси устройства
оказывается подключенным через него к одно-
му из проводов источника переменного тока на
115 В. Пока используется штепсель, который
позволяет избежать неправильной полярности,
шасси останется «нейтральным». Однако, если
применить неподходящий сетевой шнур, или же
к штепсельной розетке неправильно подведена
проводка, шасси может оказаться под напряже-
нием. В целях защиты, до начала работы с лю-
бым устройством, которое использует питание
115 В переменного тока от автотрансформатора,
подключите это устройство к разделительному
трансформатору, а сам разделительный транс-
форматор подключите к штепсельной розетке.
Случайная подача
постоянного тока
Если на вход трансформатора подать постоян-
ный ток, то сравнительно низкое сопротивление
первичной обмотки приведет к возникновению
сильного тока, который может повредить ком-
понент. Трансформаторы следует использовать
только для переменного тока.
Перегрузка
Если трансформатор перегружен, будет выра-
батываться тепло, которого может оказаться
достаточно, чтобы разрушить тонкие слои изо-
ляции между витками обмотки. Как следствие,
на выходе может неожиданно возникнуть на-
пряжение, равное входному. Трансформаторы
с тороидальным (кольцевым) сердечником осо-
бо опасны в этом плане, поскольку их первичная
и вторичная обмотка обычно накладываются
друг на друга.
Некоторые (не все) силовые трансформаторы
содержат плавкий предохранитель, который
перегорает, если превышен порог температуры.
Трансформатор с перегоревшим предохраните-
лем следует обесточить.
Последствия умеренной перегрузки могут ока-
заться не очевидными, но с течением времени
реформатор переменного тока
163

Что может пойти не так? Электрическая энергия > преобразование > трансформатор переменного тока
они накапливаются, так что, при проектирова- переменный ток с частотой 50 Гц. Многие си-
ний оборудования, расположенного вокруг си- ловые трансформаторы рассчитаны на совме-
лового трансформатора, следует принимать во стимость с любой из этих частот, но если транс-
внимание необходимость вентилирования и от- форматор предназначен исключительно для
вода тепла. частоты 60 Гц, он может выйти из строя из-за
перегрева, если его использовать с источником
тока частотой 50 Гц. Однако трансформатор на
Неверная частота 50 Гц можно с уверенностью применять при ча-
переменного ТОКа стоте переменного тока 60 Гц.
В Соединенных Штатах однофазный перемен-
ный ток колеблется с частотой 60 Гц, а в России
и в некоторых других странах используется
164 Статья 15

Электрическая энергия > преобразование > источник питания AC-DC
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ AC-DC
16
Источник питания AC-DC (по англ. AC-DC power supply) известен
также как сетевой адаптер. Когда он выполнен в виде небольшой
(умещающейся на ладони) пластиковой коробочки, которая подклю-
чается напрямую в штепсельную розетку, его порой называют в раз-
говорной речи wall-wart (что-то типа «бородавка на стене»).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• трансформатор (см. статью 15)
• конвертер DC-DC (см. статью 17)
• инвертор DC-AC (см. статью 18)
Описание
Источник питания AC-DC (в том смысле, как он
представлен в этой статье) конвертирует пере-
менный ток (АС) в постоянный ток (DC) низ-
кого напряжения, необходимый большинству
электронных устройств. То есть, вопреки своему
названию, источнику электропитания для рабо-
ты в действительности необходима подача пита-
ния извне.
пластиковой коробочки, которая вставляется
в штепсельную розетку и поставляет им посто-
янный ток через провод, заканчивающийся ми-
ниатюрным разъемом. Такой внешний источник
электропитания часто, но не всегда, называют
сетевым адаптером.
Хотя источник электропитания не является от-
дельным компонентом, он часто продается
поставщиками компонентов в виде готового
блока.
Большие устройства, такие как компьютеры
или стереосистемы, обычно снабжены внутрен-
ним источником электропитания, который под- ВэрИЭНТЫ
ключается напрямую к штепсельной розетке.
Устройства меньших размеров с питанием от
аккумуляторов (например, мобильные телефо-
ны или плееры), как правило, используют внеш-
ний источник электропитания в виде небольшой
Два основных варианта источника электропита-
ния таковы: источник питания с линейным регу-
лированием и импульсный источник питания.
кточник питания AC-DC
165

Варианты
Электрическая энергия > преобразование > источник питания АС-К
Источник питания с линейным
стабилизатором
Источник питания с линейным стабилизатором
(рис. 16.1) конвертирует переменный ток в по-
стоянный в три этапа:
1. Силовой трансформатор снижает напря-
жение переменного тока на входе.
2. Выпрямитель конвертирует переменный ток
в несглаженный постоянный ток (выпря-
мители рассмотрены в статье диод этой
энциклопедии).
3. Стабилизатор напряжения в сочетании
с одним или несколькими конденсатора-
ми управляет напряжением постоянного
тока, сглаживает его и устраняет переходные
процессы.
Такой стабилизатор называется линейным,
поскольку содержит один или несколько
транзисторов, функционирующих в ли-
нейном режиме — то есть, поддерживающих
линейную зависимость от изменения тока
в базе, пока он меньше их уровня насыще-
ния. По названию линейного стабилизатора
напряжения и назван источник питания.
Рис. 16.1. Упрощенная схема простого источника питания
с линейным стабилизатором
Этот тип источников питания можно также на-
звать источником на основе трансформато-
ра, так как первый этап конвертации содержит
трансформатор, понижающий напряжение пе-
ременного тока перед его выпрямлением.
Поскольку выпрямитель в источнике питания
обычно пропускает каждый импульс переменно-
го тока через пару кремниевых диодов, он созда-
ет при максимальном токе падение напряжения
около 1,2 В. Сглаживающий конденсатор при
удалении пульсаций тока снижает напряжение
примерно на 3 В, в то время как стабилизатору
напряжения обычно необходима разность не
менее чем в 2 В между напряжениями на входе
и на выходе. С учетом этих условий, а также при-
нимая во внимание, что входное напряжение
переменного тока может оказаться ниже номи-
нального уровня, напряжение на выходе сило-
вого трансформатора должно быть по меньшей
мере на 8 В выше, чем предельное желаемое зна-
чение напряжения постоянного тока на выходе.
Эта избыточная мощность рассеивается в виде
тепла.
Основной принцип работы источника питания
с линейным стабилизатором возник на заре кон-
струирования таких электронных устройств, как
радиоприемники. Последующие варианты этого
источника питания — уже на основе транзисто-
ров — оставались широко распространенными
в течение 90-х годов прошедшего столетия.
Затем более привлекательным вариантом стали
импульсные источники питания, так как стои-
мость полупроводников и сборки снизилась,
а также стали доступны высоковольтные тран-
зисторы, которые позволяют цепи работать на-
прямую с выпрямленным сетевым напряжением
без понижающего силового трансформатора.
Некоторые внешние сетевые адаптеры по-
прежнему основаны на трансформаторах, но
их становится все меньше. Они легко узнаются
по своим довольно большим размерам и весу
(рис. 16.2).
166
Статья /6

Электрическая энергия > преобразование > источник питания AC-DC
Варианты
Рис. 16.2. Простой сетевой адаптер на основе трансформато-
ра может быть помещен в пластиковый корпус и предназна-
чен для вставки в штепсельную розетку. Однако теперь такая
конструкция будет содержать, скорее всего, импульсный ис-
точник питания, который обычно легче, меньше по размеру
и дешевле
Рис. 16.3. Сравнительно старый и недорогой сетевой адаптер
содержит только минимальный набор компонентов и не обе-
спечивает стабилизированный постоянный ток, необходи-
мый электронным устройствам
На рис. 16.3 можно увидеть компоненты внутри
недорогого и довольно старого сетевого адап-
тера: выход с силового трансформатора напря-
мую подключен к четырем диодам (маленькие
черные цилиндры), которые образуют двухпо-
лупериодный выпрямитель, а единственный
электролитический конденсатор обеспечивает
некоторую степень сглаживания. Впрочем, по-
скольку стабилизатор напряжения отсутствует,
выходной сигнал такого адаптера будет сильно
меняться в зависимости от нагрузки, что не го-
дится для питания чувствительных электрон-
ных устройств.
Импульсный источник питания
Импульсный источник питания (рис. 16.4)
в англоязычной литературе обозначается аббре-
виатурой SMPS и известен также как switcher.
Он преобразует переменный ток в постоянный
в два этапа:
1. Выпрямитель превращает входной пере-
менный ток в несглаженный постоянный
ток без силового трансформатора.
2. DC-DC конвертер включает и выклю-
чает его с очень высокой частотой, ис-
пользуя широтно-импулъсную модуляцию,
чтобы уменьшить его среднее эффектив-
ное напряжение. Обычно это преобра-
зователь с обратным ходом, содержащий
трансформатор, однако переключение
с высокой частотой позволяет применить
меньший трансформатор, чем тот, который
используется в источнике питания с ли-
нейным регулированием (в статье DC-DC
конвертер этой энциклопедии можно
найти объяснение принципов его работы).
Внутреннее устройство одного из ранних вари-
антов импульсного источника питания, предна-
значенного обеспечивать 12 В постоянного тока
силой до 4 А, показано на рис. 16.5. Этот источ-
ник питания выделяет довольно много тепла,
вследствие чего для его компонентов необходи-
мо просторное расположение и вентилируемый
корпус.
кточник питания AC-DC
167

Варианты Электрическая энергия > преобразование > источник питания AGDC
Импульсный источник питания небольших раз-
меров, который теперь почти всегда применя-
ется для портативных компьютеров, показан
на рис. 16.6. Обратите внимание на меньший
корпус и большее количество компонентов по
сравнению с более ранним источником питания,
показанным на рис. 16.5. Современный блок
Рис. 16.5. Внутреннее устройство одного из ранних вариан-
тов импульсного источника питания
Рис. 16.4. Сильно упрощенная схема импульсного источника
питания (обратите внимание на отсутствие силового транс-
форматора на 115 В переменного тока): трансформатор, ^....„.
включенный в эту схему, работает в условиях высокой часто-
ты переключения, вследствие чего он может быть меньше, Рис. 16.6. Внутреннее устройство типового импульсного
дешевле и легче силового трансформатора источника питания для портативных компьютеров
168 Статья /б

Электрическая энергия > преобразование > источник питания AC-DC
Конструкция
обеспечивает также сравнительно большую
мощность и выделяет меньше тепла. И хотя этот
образец рассчитан на ток в 5 А, трансформатор
в нем (скрыт за маркированной оберткой в цен-
тре блока) меньше, чем силовой трансформатор,
который можно было бы увидеть в старом сете-
вом адаптере, обеспечивающем ток всего лишь
в500мА.
Современный источник питания полностью за-
крыт, тогда как для ранних его вариантов требо-
валось вентилирование. На внутренней стороне
пластикового корпуса импульсного источника
питания необходима металлическая прокладка
(на рис. 16.6 удалена), экранирующая высокоча-
стотное электромагнитное излучение.
Нерегулируемый источник
питания
Нерегулируемый источник питания обычно со-
стоит из трансформатора и выпрямительных
диодов. Напряжение на его выходе сглаживает-
ся лишь отчасти или не сглаживается совсем.
Регулируемый источник питания
Регулируемый источник питания — это, как
правило, источник питания с линейным регу-
лированием, который содержит в себе настраи-
ваемый стабилизатор напряжения. Такой тип
источников питания применяется в лаборатори-
ях, а также для подачи питания стендовым об-
разцам электронных устройств во время их раз-
работки.
Умножитель напряжения
Таким устройствам, как фотокопировальные
аппараты и лазерные принтеры, телевизоры,
электронно-лучевые трубки и микроволновые
печи, требуется напряжение, которое значитель-
но выше имеющегося в бытовых сетевых розет-
ках переменного тока. Умножитель напряжения
обычно содержит повышающий трансформатор,
за которым следуют компоненты для преобразо-
вания переменного тока в постоянный (деталь-
ное рассмотрение умножителей напряжения
выходит за рамки этой энциклопедии).
Конструкция
Бескорпусный источник питания состоит из
компонентов, размещенных на печатной пла-
те, обычно смонтированной на металлическом
шасси. У него нет корпуса или охлаждения с по-
мощью вентилятора.
Закрытый источник питания помещен в защит-
ный металлический корпус с отверстиями, и при
необходимости он снабжается вентилятором.
Обычно в такой конструкции поставляются ис-
точники питания для настольных компьютеров.
Источники питания доступны также в вариан-
тах для монтажа на стойке или на DIN-рейке.
Использование
Поскольку импульсный источник питания не
содержит силового трансформатора, он легче
и меньше, а также может оказаться дешевле, чем
источник питания с линейным регулированием.
Импульсный источник является также более
производительным и теряет меньше энергии
в виде тепла. Эти преимущества сделали им-
пульсные источники питания самым попу-
лярным вариантом обеспечения электронных
устройств постоянным током. Тем не менее,
внутренние высокочастотные колебания тока,
сопутствующие работе импульсных источников
питания, способны вызывать электромагнитные
помехи, которые должны быть отфильтрованы,
чтобы защитить выход устройства, а также ми-
нимизировать риск обратной связи этих помех
с переменным током в электропроводке. В сиг-
нале, который переключается с высокой часто-
той, могут также возникать гармоники, которые
следует гасить.
кточник питания AC-DC
169

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > преобразование > источник питания AC-DC
Высококачественные источники питания с ли-
нейным стабилизатором по-прежнему находят
себе применение в лабораторном оборудова-
нии, при обработке сигналов, требующей низ-
кого уровня помех, а также в других узких об-
ластях, где необходима высокая стабильность
и выходной сигнал с малыми пульсациями.
Такие источники довольно тяжелые, громозд-
кие и малопроизводительные.
В табл. 16.1 приведено сравнение преимуществ
и недостатков источников питания с линейным
стабилизатором и импульсных источников пи-
тания.
Таблица 16.1. Сравнение характеристик источников
питания с линейным стабилизатором и импульсных
источников питания (адаптировано по данным компании
Acopian Technical Company)
Количество
компонентов
Нестабильность
выходного
напряжения
по нагрузке
Нестабильность
выходного
напряжения по сети
Амплитуда
колебаний (средне-
квадратичная)
кпд
Электромагнитные
помехи
Утечка тока
Размеры
Вес
Управление
нагревом
Импульсный
источник
питэния
Большое
0,05-0,5%
0,05-0,2%
10-25мВ
70-85%
Сильные
Высокая
Небольшие
Небольшой
Обычно
охлаждается
при помощи
вентилятора
Источник
питэния
слинейным
стабилизатором
Умеренное
0,005-0,2%
0,005-0,05%
0,25-1,5 мВ
40-60%
Очень слабые
Низкая
Большие
Большой
Обычно
охлаждается
с помощью
конвекции
Что может пойти не так?
Удар током высокого напряжения
Один или несколько конденсаторов в источни-
ке питания могут сохранять довольно высокое
напряжение в течение некоторого времени по-
сле отключения блока, и если источник питания
вскрывается для осмотра или ремонта, то сле-
дует с осторожностью прикасаться к его компо-
нентам.
Неисправность конденсатора
Если в импульсном источнике питания выйдет
из строя (в результате производственного дефек-
та, неправильного применения или вследствие
старения) электролитический конденсатор, по-
зволив прямое прохождение переменного тока,
то высокочастотный полупроводниковый ключ
может также выйти из строя, что позволит вход-
ному напряжению неожиданно появиться на вы-
ходе. Отказ конденсатора является также потен-
циальной проблемой для источников питания
с линейным стабилизатором (дополнительную
информацию о режимах отказа конденсаторов
можно найти в статье 12).
Электрические помехи
Постепенное старение электролитических кон-
денсаторов с течением времени будет приводить
к повышению электрических помех, связанных
с высокочастотным переключением в импульс-
ном источнике питания.
Пиковый бросок
Импульсный источник питания допускает на-
чальный бросок или всплеск тока, пока его
конденсаторы накапливают заряд. Это может
отразиться на других компонентах контура,
и поэтому необходимо использовать предохра-
нитель, выдерживающий кратковременное, но
значительное отклонение от нормального по-
требления мощности.
170
Статья К

Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
КОНВЕРТЕР DC-DC
17
Конвертер DC-DC (по англ. DC-DC converter) часто называют импульс-
ным стабилизатором, а иногда — переключателем. При этом его не
следует смешивать с импульсным источником питания.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• источник питания AC-DC (см. статью 16)
• инвертор DC-AC (см. статью 18)
• стабилизатор напряжения (см. статью 19)
Описание
Конвертер DC-DC, который иногда называют
просто конвертером, получает на входе напря-
жение постоянного тока и преобразует его в ста-
билизированное напряжение постоянного тока
на выходе. Напряжение на выходе может быть
выше или ниже входного, может изменяться
пользователем за счет добавления внешнего
резистора, а также, в зависимости от типа при-
меняемого преобразователя, может быть пол-
ностью электрически изолированным от входа.
Общий КПД конвертера не слишком зависит от
разности между напряжением на входе и на вы-
ходе и часто превышает 90%, при этом потери
на нагрев минимизированы, а сам блок может
быть исключительно компактным.
Конвертер DC-DC является интегрирован-
ной схемой, которая содержит высокоскорост-
ное переключающее устройство (практиче-
ски всегда это МОП-транзистор) в сочетании
с контуром генератора, катушкой индуктив-
ности и диодом. Для сравнения, линейный
стабилизатор обычно основан на биполяр-
ных транзисторах, напряжение на его входе
должно всегда быть больше, чем на выходе,
а его эффективность обратно пропорциональна
создаваемому им падению напряжения (допол-
нительную информацию о нем можно получить
в статье стабилизатор напряжения этой эн-
циклопедии).
Конвертер DC-DC обычно находится на выходе
импульсного источника питания.
Для DC-DC конвертера не существует унифи-
цированного обозначения, а некоторые упро-
щенные схемы, показывающие принципы ра-
боты широко используемых преобразователей,
рассмотрены далее в разд. «Варианты» этой
статьи.
Ыертер DC-DC
171

Устройство
Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
Устройство
Внутренний генератор управляет МОП-тран-
зистором, который с высокой частотой (обычно
от 50 кГц до 1 МГц) включает и выключает по-
стоянный ток на входе. Напряжение на выходе
настраивается за счет изменения скважности
генератора — длительности каждого импульса
«включено» по отношению к интервалу «вы-
ключено». Это называется широтно-импулъсной
модуляцией (ШИМ). Скважность управляется на
основе определения напряжения на выходе пре-
образователя, которое затем с помощью ком-
паратора вычитается из опорного напряжения,
чтобы определить величину расхождения. Эта
величина передается другому компаратору, ко-
торый вычитает напряжение рассогласования
из сигнала генератора линейно изменяющего-
ся напряжения. Если расхождение возрастает,
то сигнал генератора срезается сильнее, меняя
тем самым реальное отношение длин импульсов
включения/выключения.
Упрощенная схема ШИМ-цепи показана на
рис. 17.1, в ней для наглядности опущены другие
компоненты. Система вычитания напряжения
рассогласования из напряжения генератора ли-
нейно изменяющегося напряжения для получе-
ния сигнала с широтно-импульсной модуляцией
показана на рис. ЦВ-17.2.
Ключевым звеном для эффективной работы
DC-DC конвертера является катушка индук-
тивности, которая хранит энергию в своем маг-
нитном поле во время импульса «включено» и
высвобождает ее во время разряда. Таким об-
разом, катушка индуктивности используется как
временное хранилище и минимизирует пуль-
сации тока. Во всех типах конвертера для этой
цели используется катушка, хотя ее размещение
меняется по отношению к диоду и конденсатору,
которые завершают основную цепь.
Рис. 17,1. Ядром DC-DC конвертера является переключатель
на основе МОП-транзистора, который на высокой частоте
работает с широтно-импульсной модуляцией, используемой
для создания регулируемого напряжения постоянного тока
на выходе
Рис. ЦВ-17.2. Чтобы добиться широтно-импульсной модуля-
ции, устанавливается уровень рассогласования путем срав-
нения выхода конвертера с опорным напряжением. Уровень
рассогласования, показанный оранжевой линией, затем вы-
читается из выходного сигнала генератора линейно изменяю-
щегося напряжения. Ширина импульса изменяется соответ-
ствующим образом
172
Статья I/

Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
Варианты
Варианты
В конвертерах DC-DC используются четыре
основные цепи переключения, которые рассмо-
трены в следующих разделах наряду с формулой
для определения отношения между величина-
ми напряжения на входе (Vin) и на выходе (Vout)
в каждом случае. В этих формулах переменная
D - это скважность в последовательности им-
пульсов, создаваемой внутренним переключа-
телем на основе МОП-транзистора. Скважность
является той частью от всего цикла «включение-
выключение», которая занята импульсом «вклю-
чено». Другими словами, если обозначить как
Топ продолжительность импульса «включено»,
a Toff обозначить время «выключено», то тогда:
D = Т / (Т + Т )
Рис. 17.3. Основная конфигурация понижающего DC-DC кон-
вертера (адаптировано из спецификаций продукции Maxim
Integrated Products)
Понижающий конвертер
Взгляните на рис. 17-3: напряжение на выходе
ниже, чем напряжение на входе, а вход и выход
используют общее заземление. Для этой цепи:
V = V
out 1
V.J
Рис. 17.4. Основная конфигурация повышающего DC-DC кон-
вертера (адаптировано из спецификаций продукции Maxim
Integrated Products)
Повышающий конвертер
Посмотрите на рис. 17.4: напряжение на выходе
больше, чем напряжение на входе, а вход и вы-
ход используют общее заземление. Для такой
цепи:
V = V / (1-D)
Конвертер с обратным ходом,
снабженный катушкой
индуктивности
Такой конвертер обычно называется пони-
жающе-повышающим конвертером (рис. 17.5):
напряжение на выходе может быть меньше
или больше, чем напряжение на входе, а вход
Рис. 17.5. Основная конфигурация конвертера с обратным
ходом (адаптировано из спецификаций продукции Maxim
Integrated Products)
и выход используют общее заземление. Для этой
цепи:
v
= V
(D / (1-D))
Конвертер DC-DC
173

Варианты
Электрическая энергия > преобразование > конвертер DGDC
Конвертер
с обратным ходом,
снабженный трансформатором
Посмотрите на рис. 17.6: напряжение на выходе
может быть меньше или больше, чем напряже-
ние на входе, а вход и выход изолированы друг
от друга. Для этой цепи:
V = V
out 1
* (D / (1-D))
Использование трансформатора в преобразова-
теле позволяет получить несколько выходов с
различными напряжениями за счет использова-
ния нескольких обмоток трансформатора.
Конструкция
Конвертер может быть заключен в плоскую пря-
моугольную коробку, для которой не требуется
дополнительный теплоотвод, и снабжен штырь-
ками для вставки в монтажные отверстия на
печатной плате. Габариты его обычно не превы-
шают 5x5 см, а номинальная мощность может
составлять от 5 до 30 Вт.
Конвертеры такого типа приведены на рис. 17.7:
вверху — напряжение на входе от 9 до 18 В по-
стоянного тока, фиксированное напряжение на
выходе, который полностью изолирован от вхо-
да, равно 5 В постоянного тока на 3 А, типичная
эффективность составляет около 80%, корпус
выполнен из меди, которая обеспечивает хоро-
шее рассеивание тепла и электрическое экрани-
рование, в центре — напряжение на входе от 9 до
18 В постоянного тока, фиксированное напряже-
ние на выходе, который полностью изолирован
от входа, равно 5 В постоянного тока на 500 мА,
типичная эффективность составляет около
75% (производитель утверждает, что внешние
конденсаторы необходимы лишь в экстренных
случаях), внизу — SIP-корпус, на входе фикси-
рованное напряжение 12 В постоянного тока, на
выходе, который полностью изолирован от вхо-
да, фиксированное напряжение 5 В постоянного
тока силой в 600 мА, типичная эффективность
составляет около 75%, необходимы внешние
конденсаторы для подавления пульсаций.
Преобразователи с низкой мощностью доступ-
ны также в виде устройств для поверхностного
монтажа.
^(ч
Рис. 17.6. Основная конфигурация конвертера с обратным
ходом, снабженного трансформатором (адаптировано из
спецификаций продукции Maxim Integrated Products)
Рис. 17.7. Подборка герметизированных DC-DC конвертеров
174
Статья V

Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
Варианты
Некоторые конвертеры с регулируемым вы-
ходом поставляются в виде нескольких компо-
нентов, смонтированных на поверхности мини-
платы, оснащенной штырьками для вставки в
монтажные отверстия печатной платы. Их вы-
сокая эффективность позволяет справиться с
большой мощностью для устройства столь ма-
лых размеров.
Так, конвертер, показанный на рис. 17.8, полу-
чает на входе напряжение в диапазоне от 4,5 до
14 В постоянного тока и обладает регулируемым
напряжением на выходе от 0,6 до 6 В постоянно-
го тока. Его номинал равен, на удивление, 10 А
или 50 Вт, а эффективность превышает 90%.
Однако он потребляет без нагрузки ток в 80 мА
и вследствие этого существенно нагревается.
Для защиты этого конвертера от перегрева сле-
дует использовать специальное устройство или
автоматический выключатель, если преобразо-
ватель не будет питать нагрузку постоянно.
Мини-плата, представленная на рис. 17.9, прини-
мает на входе напряжение от 7 до 36 В постоян-
ного тока и обладает регулируемым напряжением
на выходе в диапазоне от 2,5 до 12,6 В постоянно-
го тока силой до 6 А. Она не является изолиро-
ванной (поскольку имеет общую отрицательную
шину) и, как утверждается, обладает эффектив-
ностью более 95% при полной нагрузке.
А мини-плата, изображенная на рис. 17.10, при-
нимает на входе напряжение от 4,5 до 14 В по-
стоянного тока и обладает регулируемым на-
пряжением на выходе в диапазоне от 0,6 до 6 В
постоянного тока силой до 20 А. Она также не
является изолированной (поскольку имеет об-
щую отрицательную шину) и, как утверждается,
обладает эффективностью более 90% при пол-
ной нагрузке.
Рис. 17.8. Регулируемый конвертер постоянного тока с номи-
налом 10 А или 50 Вт: напряжение на выходе определяется до-
бавлением внешнего резистора или подстроенного потенцио-
метра. Для этого компонента необходимы внешние сглаживаю-
щие конденсаторы, как указано в его спецификации
Рис. 17.9. Еще один регулируемый конвертер постоянно-
го тока: напряжение на выходе определяется добавлением
внешнего резистора или подстроечного потенциометра. Для
этого компонента необходимы внешние сглаживающие кон-
денсаторы, как указано в его спецификации
Конвертер DC-DC
175

Параметры
Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
позволяют также обеспечить положительное
напряжение и равное ему по величине отрица-
тельное относительно штырька заземления.
Рис. 17.10. И еще один регулируемый конвертер DC-DC: на-
пряжение на выходе определяется добавлением внешнего
резистора или подстроенного потенциометра. Для этого ком-
понента необходимы внешние сглаживающие конденсаторы,
как указано в его спецификации
Параметры
Характерные параметры DC-DC конвертеров
приведены в разделах далее.
Номинальное напряжение
на входе и частота
На рынке доступны конвертеры в широком
диапазоне значений входного напряжения, по-
скольку ШИМ может соответствующим образом
настраиваться. Часто конвертеры позволяют
вовсе без какой-либо адаптации использовать
оборудование в разных странах, при любом на-
пряжении от 100 до 250 В переменного тока и с
частотой 50 или 60 Гц.
Ток на входе и на выходе
Поскольку значения напряжения на входе и на
выходе будут, скорее всего, различными, один
только ток не является надежным средством для
управления мощностью. В спецификации долж-
но быть указано значение входного тока без на-
грузки (при разомкнутой цепи на выходной сто-
роне) — этот ток будет полностью рассеян в виде
тепла.
Регулирование нагрузки
Регулирование нагрузки обычно выражается в
процентах и означает ту степень, до которой мо-
жет понижаться выходное напряжение при уве-
личении нагрузки на преобразователь постоян-
ного тока. Если Vnil — измеренное без нагрузки
значение выходного напряжения, a Vmax - изме-
ренное значение выходного напряжения с мак-
симальной расчетной нагрузкой, то тогда:
Регулирование нагрузки =
= 100 * (V п - V ) /V
nil max max
Заметьте, однако, что некоторые конвертеры
разработаны с тем расчетом, что их никогда не
будут использовать с нулевой нагрузкой на вы-
ходе. В таких случаях в роли величины Vnil вы-
ступает значение напряжения при минимальной
расчетной нагрузке.
Напряжение на выходе
Как отмечалось ранее, многие конвертеры по-
зволяют настраивать напряжение на выходе пу-
тем добавления внешнего резистора или потен-
циометра. Как вариант, может присутствовать
несколько фиксированных значений выходно-
го напряжения, которые доступны через раз-
личные штырьки на корпусе. Преобразователи
кпд
КПД — это мера того, насколько много входного
тока рассеивается в виде тепла. Преобразователь
с входным напряжением 12 В, потребляющий
300 мА входного тока, будет расходовать мощ-
ность 3,6 Вт (3600 мВт). Если его КПД равна
80%, то он будет рассеивать в виде тепла около
20% от этой мощности, то есть 720 мВт.
176
Статья /7

Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
Использование
Пульсации и помехи
В англоязычной литературе пульсации и помехи
иногда обозначаются сокращением R/N — эту
величину можно измерять в мВ или в процен-
тах. Внимательно читайте спецификации, чтобы
выяснить, необходимо ли для получения ука-
занных значений использовать сглаживающие
конденсаторы. Часто дело обстоит именно так.
Изолированный
или неизолированный
Ключевой блок информации об этом часто рас-
полагается в верхней части спецификации, а не
в подробных характеристиках.
Использование
Поскольку DC-DC конвертер создает электриче-
ские помехи, следует предотвратить его влияние
на другие компоненты, добавив солидные раз-
вязывающие конденсаторы как можно ближе к
входным и выходным его штырькам. Для боль-
шинства конвертеров наличие внешних конден-
саторов является обязательным, а их эффек-
тивное последовательное сопротивление (ЭПС)
должно быть настолько малым, насколько воз-
можно (объяснение термина ЭПС см. в статье
конденсатор этой энциклопедии). Исходя из
этих соображений, танталовые конденсаторы
предпочтительнее электролитических, к тому
же они более надежные. Некоторые произво-
дители рекомендуют подключать танталовый
конденсатор параллельно с электролитическим.
Также часто рекомендуется дополнять конден-
саторы с большим номиналом на выходной сто-
роне небольшим керамическим конденсатором
емкостью обычно в 0,1 мкФ.
Номинал по напряжению для каждого конденса-
тора должен в два раза превышать величину на-
пряжения в той точке цепи, где он использован.
Величина емкости конденсатора для преобра-
зователей сильных токов, как правило, должна
быть выше: если значение 100 мкФ можно счи-
тать стандартным, то для высокой силы тока ве-
личина емкости может достигать 1000 мкФ.
В то время, как спецификации для некоторых
типов компонентов часто являются недостаточ-
но подробными, характеристики DC-DC кон-
вертеров в части, касающейся развязывающих
конденсаторов, обычно содержат детальные ин-
струкции. Следование этим инструкциям прин-
ципиально важно. В тех сравнительно редких
случаях, когда в спецификации не упоминается
о необходимости для того или иного конвертера
развязывающих конденсаторов, это не обяза-
тельно означает, что эти конденсаторы не требу-
ются. Производитель может предполагать, что
они будут применяться как нечто само собой
разумеющееся.
DC-DC конвертеры используются в очень ши-
роком диапазоне устройств, обеспечивая подачу
тока силой от нескольких миллиампер до десят-
ков ампер. В нижней части шкалы находятся та-
кие устройства, как мобильные телефоны, пор-
тативные компьютеры и планшеты, — они часто
содержат участки цепи, которым требуются раз-
личные значения напряжения, и некоторые из
них могут быть выше напряжения единственно-
го аккумулятора или аккумуляторной батареи,
которая питает само устройство. DC-DC кон-
вертер может удовлетворить этому требованию.
Поскольку конвертер может предназначаться
для обеспечения фиксированного напряжения
на выходе в ответ на диапазон напряжений на
входе, он может также компенсировать посте-
пенное уменьшение напряжения, которое воз-
никает при использовании аккумулятора.
Повышающий конвертер можно использовать,
например, в светодиодном фонарике — чтобы
удвоить напряжение от одного аккумулятора на
1,5 В, когда для питания светодиода необходимо
напряжение в 3 В. Подобным же образом такой
конвертер может обеспечить необходимое на-
пряжение для включения флуоресцентной лам-
пы с холодным катодом, которая создает под-
светку в жидкокристаллических мониторах.
Конвертер DC-DC
177

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > преобразование > конвертер DC-DC
В печатной плате, которая изначально заполне-
на компонентами с питанием от единственного
источника на 5 В постоянного тока, конвер-
тер можно задействовать для получения на-
пряжения 12 В постоянного тока с какой-либо
специальной целью, — например, для питания
аналого-цифрового преобразователя или для
последовательной передачи данных.
Если электромеханическое реле или другая ин-
дуктивная нагрузка использует общее заземле-
ние с такими компонентами, как логические ми-
кросхемы или микроконтроллеры, может ока-
заться непросто защитить чувствительные ком-
поненты от всплесков напряжения. При помощи
конвертера с обратным ходом, снабженного
трансформатором, который отделяет выход от
входа, можно добиться отделения «шумной» ча-
сти цепи, при условии, что сам преобразователь
не создает помех. Поскольку электромагнитные
помехи, создаваемые конвертерами, сильно раз-
личаются в зависимости от конкретной модели,
следует внимательно смотреть спецификации.
Компоненты с очень малой мощностью могут пе-
рехватывать электромагнитные помехи от про-
водов или от дорожек, ведущих к конвертеру и от
него. В схемах такого типа невозможно добиться
достаточного подавления помех, и поэтому кон-
вертер для них не подходит.
Что может пойти не так?
Электрические помехи на выходе
Электролитические конденсаторы часто неудо-
влетворительно сглаживают используемые вы-
сокие частоты, и для улучшения ситуации могут
понадобиться многослойные керамические или
танталовые конденсаторы. Узнайте из специфи-
кации их минимальный и максимальный номи-
нал. Изучите также рекомендации относительно
размещения конденсатора на входной стороне,
а также на стороне выходного сигнала.
Избыточный нагрев
при отсутствии нагрузки
Некоторые DC-DC конвертеры выделяют значи-
тельное количество тепла, когда они работают
без нагрузки. В спецификации производителя
эта потенциальная проблема может упоминать-
ся не очень внятно или подробно. Уточните для
себя входной номинал, обычно выражаемый
в мА и определяемый при отсутствии нагруз-
ки, — весь этот ток будет рассеян в виде тепла,
а очень малый размер многих преобразовате-
лей может привести к их локальному перегреву,
в особенности потому, что для многих из них не
обеспечивается отвод тепла.
Неточное напряжение на выходе
при малой нагрузке
Некоторые DC-DC конвертеры предназначены
для работы с постоянным наличием нагрузки
на выходе, которая составляет по меньшей мере
10% от расчетной. Ниже этого порога напряже-
ние на выходе может оказаться чрезвычайно не-
точным. Всегда внимательно изучайте специфи-
кации на предмет наличия фраз вроде: «Нагрузка
менее 10% приведет к увеличению выходного
напряжения, которое может возрасти до удво-
енной величины указанного напряжения на вы-
ходе, если нагрузка на выходе станет менее 5%».
Всегда используйте измерительный прибор для
проверки выходного напряжения конвертера
под различными нагрузками, а также выполняй-
те эту проверку перед установкой конвертера
в цепь.
178
Статья 17

Электрическая энергия > преобразование > инвертор DC-AC
ИНВЕРТОР DC-AC
18
Инвертор DC-AC (по англ. DC-AC inverter) не следует смешивать с ло-
гическим инвертором, который в качестве цифрового компонента
логических схем инвертирует состояние входного низковольтного
постоянного тока с высокого на низкое или с низкого на высокое.
Логические инверторы рассмотрены во втором томе энциклопедии.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• источник питания AC-DC (см. статью 16)
• конвертер DC-DC (см. статью 17)
Описание
Инвертор DC-AC (инвертирующий усилитель
мощности) включен сюда в качестве антагони-
ста источнику электропитания, или сетевому
адаптеру, так как он обладает противоположной
функцией. Инвертор получает на входе посто-
янный ток (как правило, 12 В постоянного тока УСТРОЙСТВО
от автомобильного, например, аккумулятора)
и выдает на выходе переменный ток в диапазо-
не 110-120 В или 220-240 В, который подходит
для питания многих устройств с низкой мощ-
ностью. Внутреннее устройство недорогого
инвертора показано на рис. 18.1.
Рис. 18.1. Внутренние компоненты инвертора мощностью
175 Вт
Первая ступень инвертора, как правило, повы-
шает входное напряжение 12 В постоянного тока
до более высокого напряжения постоянного
тока при помощи внутреннего конвертера DC-
DC, а затем использует переключающую цепь,
чтобы создать приближение к синусоидально-
му сигналу, который характеризует напряжение
переменного тока.
Цифровые переключающие компоненты созда-
ют прямоугольные волны, за простой формой
которых скрывается наличие более высоких ча-
стот, или гармоник, которые игнорируются не-
которыми устройствами (в особенности теми,
которые превращают электричество в тепло), но
Инвертор DC-AC
179

Варианты
Электрическая энергия > преобразование > инвертор DC-K
могут доставить неприятности бытовой элек-
тронике. Основной задачей при конструиро-
вании инвертора является подгонка или ком-
бинирование прямоугольных волн так, чтобы
они с разумной точностью имитировали клас-
сическую синусоиду переменного тока. Вообще
говоря, чем точнее инвертор имитирует сину-
соидальную волну, тем более дорогостоящим он
оказывается.
Самый простой инвертор создавал бы строго
прямоугольный сигнал, подобный тому, кото-
рый показан на рис. 18.2 и наложен на сопо-
ставимую синусоиду. Заметьте, что переменный
ток в 115 В на самом деле достигает пикового
значения в 163 В, поскольку число 115 являет-
ся аппроксимирующим среднеквадратическим
значением всех величин напряжения за время
одного положительного цикла. Другими слова-
ми, если напряжение измерено х раз в течение
периода, то среднеквадратическое значение
можно вычислить, возведя каждый результат
в квадрат, сложив все полученные величины, раз-
делив сумму на х, а затем вычислив квадратный
корень из результата. Среднеквадратическое
значение важно в качестве средства для вычис-
ления действительной поставляемой мощности,
так как его можно умножить на величину силы
тока, чтобы получить приблизительное значе-
ние мощности в ваттах.
Варианты
В качестве первого шага к лучшей аппроксима-
ции синусоиды можно добавить промежутки
с нулевым напряжением между прямоугольны-
ми импульсами. Такой «сигнал с промежутка-
ми» показан на рис. 18.3.
Дальнейшего улучшения можно добиться, если
добавить к каждому первичному импульсу более
короткий импульс с более высоким напряжени-
ем, как показано на рис. 18.4. Выходной сигнал
такого типа называют модифицированным си-
нусоидальным сигналом, хотя на самом деле это
Рис. 18.3. За счет вставки пауз или промежутков с нулевым
напряжением между прямоугольными импульсами можно
создать более точное подобие синусоиды
'Время '
Рис. 18.2. Сравнение синусоиды переменного тока и прямо-
угольных импульсов с такой же частотой: они обеспечивают
приблизительно одинаковую мощность
Рис. 18.4. Вторичный поток более узких прямоугольных
импульсов может улучшить точность выходного сигнала
инвертора
180
Статья 18

Злектрическая энергия > преобразование > инвертор DC-AC
Параметры
прямоугольные импульсы, которые изменены
для подгонки под синусоиду. Погрешность та-
кого сигнала выражается при помощи коэффи-
циента гармонических искажений (КГИ). В не-
которых авторитетных источниках приведена
оценка того, что величина КГИ для «волны с
промежутками» составляет около 25%, а добав-
ление более коротких прямоугольных импуль-
сов уменьшает это значение до 6,5%. С таким
мнением согласны немногие, но несомненно,
что «многоступенчатая» последовательность
прямоугольных импульсов обеспечивает более
точную имитацию синусоидального сигнала.
Инвертор с настоящей синусоидой обычно ис-
пользует широтно-импулъсную модуляцию
(ШИМ), позволяющую достичь значения КГИ
менее 1%. Он генерирует поток импульсов с
частотой, которая намного выше частоты пере-
менного тока на входе, а затем изменяет их ши-
рину таким образом, чтобы усредненное напря-
жение достаточно близко аппроксимировало
изменения напряжения в синусоидальной вол-
не. Упрощенное представление этого принципа
показано на рис. 18.5.
Параметры
П15
■ Ж'1'
■■£■■'■■
115
•163
8ремя
Рис. 18.5. Широтноимпульсная модуляция изменяет ши-
рину импульсов, подаваемых с высокой частотой. Значения
ширины могут быть усреднены, чтобы сгенерировать напря-
жение, которое является близким приближением к синусо-
идальному
Небольшие инверторы обычно рассчитаны на
обеспечение мощности до 100 Вт и могут быть
оснащены штепселем на 12 В постоянного тока
для вставки в автомобильный прикуриватель.
Поскольку недорогой инвертор может обладать
КПД около 80%, то для обеспечения мощности
100 Вт при 135 В переменного тока может по-
требоваться постоянный ток силой в 10 А при
напряжении 12 В. Прикуриватель обычно защи-
щен предохранителем с номиналом 15 или 20 А,
так что мощность 100 Вт является разумным зна-
чением. Инверторы с номиналом более 150 Вт
обычно снабжены кабелями, которые заверша-
ются большими зажимами типа «крокодил» для
прямого подключения к клеммам аккумулятора
на 12 В.
Несмотря на то, что для проворачивания ко-
ленчатого вала непрогретого двигателя авто-
мобильный аккумулятор может выдавать ток
100 А и более, он не в состоянии обеспечивать
эту мощность долее 30 секунд. Инверторы с но-
миналом в районе 500 Вт превысят нормальные
возможности одного автомобильного аккуму-
лятора, даже если этот аккумулятор установлен
в автомобиле, и его можно подпитывать за счет
работающего двигателя, чтобы его генератор
переменного тока взял на себя некоторую долю
нагрузки. Так что, к инвертору на 500 Вт лучше
всего подавать электропитание от двух или бо-
лее автомобильных аккумуляторов на 12 В, под-
ключенных параллельно.
Использование
Небольшие инверторы обычно применяются
в автомобилях, чтобы подавать питание на за-
рядные устройства для мобильных телефонов,
на музыкальные проигрыватели или на порта-
тивные компьютеры. Мощные инверторы яв-
ляются неотъемлемой частью комплексов по
использованию солнечной и ветровой энергии,
расположенных вне основной энергосистемы,
Инвертор DC-AC
181

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > преобразование > инвертор DC-AC
где энергия аккумулятора должна быть преоб-
разована в переменный ток для бытовых нужд.
Бесперебойные источники питания также содер-
жат аккумуляторы и инверторы, которые могут
обеспечить работу компьютера в течение непро-
должительного времени. В электромобилях на
аккумуляторах с двигателями, использующими
переменный ток, применяются инверторы с ис-
ключительно большой силой тока.
Единодушного мнения по поводу возможных
пагубных эффектов от применения недорогих
инверторов с модифицированной синусоидой
для питания электронного оборудования нет.
Отдельные примеры наводят на мысль, что
если оборудование использует собственный им-
пульсный источник питания или сетевой адап-
тер (либо смонтированный внутри, либо в виде
наружного подключаемого блока), то система
фильтрации, встроенная в источник питания,
будет блокировать гармоники, приходящие от
инвертора.
Другие примеры свидетельствуют, что недоро-
гие инверторы могут вызывать неблагоприят-
ные эффекты в устройствах, содержащих син-
хронные электродвигатели, которые работают
напрямую от переменного тока. Есть сообщения
о том, что инверторы на основе модифициро-
ванной синусоиды могут быть непригодны для
Рис. 18.6. Дешевый инвертор может генерировать искажен-
ный сигнал, который обладает даже большей степенью шума,
чем строго прямоугольный сигнал (этот пример адаптирован
на основе реальных показаний осциллографа)
использования в системах флуоресцентного
освещения и в электронных фотовспышках. Тем
не менее, различия в конструкции и в качестве
компонентов не позволяют сделать обобщаю-
щий вывод, хотя дешевый инвертор может гене-
рировать сигнал такой формы, которая не будет
даже близким приближением к прямоугольной
волне (рис. 18.6).
Что может пойти не так?
Несколько аккумуляторов, подключенных па-
раллельно и предназначенных для питания мощ-
ного инвертора, должны обладать одинаковыми
характеристиками и возрастом, а также быть за-
ряжены одинаково, чтобы предотвратить силь-
ные и потенциально опасные токи между самими
аккумуляторами, которые в противном случае
будут пытаться достичь одинаковой степени за-
ряда. Все соединения должны быть выполнены
подходящими толстыми проводами и надежно
прижаты к чистым клеммам аккумулятора (до-
полнительную информацию об использовании
аккумуляторов можно получить в статье хими-
ческий источник тока этой энциклопедии).
Проблемы, связанные с инверторами, будут,
скорее всего, достаточно «приземленными»:
проводка на 12 В, ведущая к инвертору, может
перегреться, если на нее положить одежду или
постельное белье, мощный инвертор с вентиля-
торным охлаждением может перегреться, если
вентилятор загрязнен накопившейся пылью,
а вентиляционные отверстия загорожены вслед-
ствие его неудачного размещения, зажимы-
«крокодилы» могут соскочить с клемм аккуму-
лятора, а выбросы тока, создаваемые такими
индуктивными нагрузками, как электродвигате-
ли, могут задействовать выключатель инверто-
ра, в особенности если они используются в со-
четании с другим оборудованием.
И, как обычно, с большими токами следует об-
ращаться осторожно и почтительно, вне зави-
симости от того, что напряжение «всего лишь
12 вольт».
182
Статья 18

Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
19
Стабилизатор напряжения (по англ. voltage regulator) правильнее
было бы называть линейным стабилизатором напряжения — чтобы
отличить его от импульсного стабилизатора или конвертера DC-
DC. Однако столь полное название широко не применяется, и под
названием «стабилизатор напряжения» обычно понимается именно
линейный стабилизатор напряжения.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• источник питания AC-DC (см. статью 16)
• конвертер DC-DC (см. статью 17)
Описание
Линейный стабилизатор напряжения обеспе-
чивает точно заданное выходное напряжение
постоянного тока, которое он создает на осно-
ве нерегулируемого или плохо отрегулирован-
ного входного напряжения постоянного тока.
Напряжение на выходе остается постоянным
вне зависимости от загрузки стабилизатора
(в определенных пределах) — это недорогой,
простой и чрезвычайно надежный компонент.
Более или менее стандартизированного символа
для обозначения линейного стабилизатора на-
пряжения на схемах не существует.
На рис. 19.1 показан типичный внешний вид ши-
роко используемого стабилизатора напряжения,
рассчитанного на выходной постоянный ток
около 1 А. В корпус такого типа заключены ста-
билизаторы LM7805, LM7806, LM7812 и подоб-
ные им в серии LM78xx, расстояние между вы-
водами равно 2,54 мм, а их функции обозначены
на иллюстрации. Стабилизаторы другого типа
могут выглядеть иначе или так же, но назначе-
ние выводов может оказаться иным, — так что,
для верности, всегда изучайте спецификации.
Рис. 19.1. Корпус типичного стабилизатора напряжения: дру-
гие стабилизаторы могут существенно отличаться от этого, а
назначение штырьков может быть иным, так что подробности
узнавайте из спецификаций производителя
Стабилизатор напряжения
183

Устройство
Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
Устройство
Все линейные стабилизаторы напряжения функ-
ционируют так: они получают обратную связь
от сигнала на выходе, определяют величину
ошибки, сравнивая напряжение на выходе с эта-
лонным значением напряжения (которое обыч-
но обеспечивается стабилитроном), а затем ис-
пользуют эту величину ошибки для управления
базой регулирующего транзистора, который
размещен между входом и выходом стабилиза-
тора. Поскольку этот транзистор работает ниже
уровня насыщения, его выходной ток линейно
зависит от тока, приложенного к базе, и имен-
но это свойство определяет название линейного
стабилизатора.
На рис. 19.2 в упрощенном виде показаны от-
ношения между этими функциями, а на рис. 19.3
приведено чуть больше подробностей, и в каче-
стве регулирующего транзистора используется
пара Дарлингтона. База этой пары управляется
двумя другими транзисторами и компаратором,
который выявляет значение ошибки напряже-
ния. Такой вариант стабилизатора напряжения
известен как стандартный тип.
Необходимая разность напряжений между ба-
зой и эмиттером n-p-n-транзистора составляет
минимум 0,6 В. Поскольку внутри стабилизато-
ра напряжения стандартного типа используется
несколько транзисторов, ему необходима мини-
мальная разность напряжений на входе и выходе
в 2 В постоянного тока. Эта разность называется
падением напряжения. Если разность напряже-
ний падает ниже этого минимума, стабилизатор
перестает обеспечивать стабильное напряжение
на выходе, пока напряжение на входе не повы-
сится снова. Стабилизаторы с низким падением
напряжения (рассмотренные далее в разд. «Ва-
рианты» этой статьи) допускают меньшую раз-
ность напряжений, но они более дорогостоящие
и используются не так широко.
Рис. 19.2. Линейный стабилизатор напряжения обычно со-
стоит из транзистора, база которого управляется корректи-
рующей обратной связью на основе выходного напряжения
Рис. 19.3. Существенные внутренние элементы стабилиза-
тора напряжения стандартного типа: пара Дарлингтона, два
транзистора, делитель напряжения, компаратор и источник
эталонного напряжения — обведены белым пунктиром
184
Статья 19

Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
Варианты
Теоретически, для создания стабилизатора на-
пряжения можно использовать дискретные
компоненты, но это перестало быть выгодным с
точки зрения стоимости уже несколько десяти-
летий назад. Теперь стабилизатор напряжения
понимается как один небольшой интегриро-
ванный блок, содержащий основную цепь, до-
полненную дополнительными удобными функ-
циями, — такими как автоматическая защита от
перегрузки и избыточного нагрева: вместо того
чтобы перегореть в случае перегрузки, компо-
нент всего лишь отключается. Большинство
стабилизаторов напряжения выдерживают так-
же случайную неправильную подачу питания
(например, при вставке аккумуляторов не той
стороной), а также неправильное подключение
стабилизатора к монтажной плате.
В принципе, удовлетворить требование подачи
питания со снижением напряжения могут и иные
компоненты — в самом простом случае, если два
последовательных резистора подключить к ис-
точнику питания, они образуют делитель напря-
жения, который обеспечивает промежуточное
значение напряжения в точке соединения между
резисторами. Однако это напряжение подверже-
но изменениям в зависимости от колебаний на-
пряжения на входе и/или импеданса нагрузки.
А стабилизатор напряжения — это простейшее
средство поддержания стабильного напряже-
ния, которое остается таким вне зависимости от
отклонений напряжения на входе или колеба-
ний мощности, потребляемой нагрузкой.
Недостатком стабилизатора напряжения стан-
дартного типа является его низкая эффектив-
ность, в особенности, когда сравнительно вы-
сокое входное напряжение используется для до-
стижения сравнительно низкого напряжения на
выходе. Если Vin — входное напряжение, Vout —
напряжение на выходе, a Iout — выходной ток, то
величина средней потери мощности Р определя-
ется по формуле:
Р = I * (V - V )
out in out
Например, если ток на выходе равен 1 А, вход-
ное напряжение составляет 9 В постоянного
тока, а выходное — 5 В постоянного тока, то
44% входной мощности будет потеряно, — то
есть компонент окажется эффективен лишь на
56%, а потерянная мощность (около 4 Вт в дан-
ном случае) будет рассеяна в виде тепла. Даже
когда стабилизатор стандартного типа работает
с минимальным значением напряжения отпуска-
ния в 2 В постоянного тока, он будет рассеивать
мощность в 1 Вт, обеспечивая ток силой 0,5 А.
Варианты
Корпус
Корпус стабилизаторов серии LM78xx, показан-
ный на рис. 19.1, содержит алюминиевую пла-
стину с отверстием, к которому можно прикре-
пить теплоотвод. Стабилизатором напряжения с
меньшим расчетным максимальным выходным
током (обычно в 100 мА) не требуется отвод
тепла, и они доступны в корпусах, напоминаю-
щих небольшой транзистор.
На рынке доступны также интегральные схемы,
содержащие два стабилизатора напряжения,
электрически изолированные друг от друга.
Популярные типы
В серии LM78xx последние две цифры номера
компонента определяют его фиксированное вы-
ходное напряжение. Так, стабилизатор LM7805
обеспечивает 5 В постоянного тока, LM7806 —
6 В постоянного тока и т. д. Для стабилизаторов
с дробными величинами напряжениями (рас-
пространено значение 3,3 В) в номере компо-
нента может быть добавлена дополнительная
буква, — например, так: 78МЗЗ.
Различными производителями выпускается
множество экземпляров стабилизаторов се-
рии LM78xx, и эти экземпляры функционально
Стабилизатор напряжения
185

Варианты
Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряженш
идентичны, вне зависимости от дополнитель-
ных букв, добавленных к номерам компонентов,
чтобы обозначить его поставщика или какие-
либо иные атрибуты.
Стабилизаторы LM7&X* обычно обладают рас-
четной точностью в пределах 4%, хотя кон-
кретные образцы почти всегда обеспечивают
напряжение более точное, чем допускает этот
диапазон.
Регулируемые стабилизаторы
Несмотря на то, что большинство стабилиза-
торов обладает фиксированным выходным на-
пряжением, некоторые из них позволяют уста-
новить значение на выходе за счет добавления
одного или нескольких резисторов.
Популярным образцом такого типа является
стабилизатор LM317. Его выходное напряже-
ние может составлять от 1,25 до 37 В постоян-
ного тока, причем оно настраивается с помощью
резистора и подстроечного потенциометра
(рис. 19.4). Если R1 — номинал постоянного
резистора, a R2 — номинал подстроечного по-
тенциометра, как отмечено на схеме, то выход-
ное напряжение Vout определяется по формуле:
v
= 1,25 * (1 + (R2 / R1))
Типичными значениями для R1 и R2 будут
240 Ом и 5 кОм, соответственно. При этом, если
подстроечный потенциометр установлен в се-
редине своего диапазона, значение Vout может
составлять 1,25 * (1 + (2500 / 240)) = прибли-
зительно 15 В постоянного тока, и на входе по-
требуется напряжение как минимум 17 В посто-
янного тока. Однако, если уменьшить сопротив-
ление подстроечного потенциометра до 720 Ом,
выходное напряжение составит 5 В постоянного
тока. На практике значение сопротивления под-
строечного потенциометра следует выбирать
так, чтобы при его нахождении в середине диа-
пазона обеспечивалось бы желаемое напряже-
ние на выходе. После этого можно будет настро-
ить его более точно.
Рис. 19.4. Схема регулируемого стабилизатора LM317L,
основанная на цепи, рекомендованной компанией National
Semiconductor (для подавления пульсаций добавлены развя-
зывающие конденсаторы)
Несмотря на то, что регулируемые стабилизато-
ры обладают столь прекрасным качеством как
универсальность, общее рассеивание мощности
при этом по-прежнему пропорционально разно-
сти между входным и выходным напряжением.
И чтобы минимизировать потери на нагрев, эта
разность не должна превышать напряжение от-
пускания на большее, чем это необходимо, зна-
чение.
Регулируемому стабилизатору также могут по-
требоваться развязывающие конденсаторы
большей емкости, чем у регулятора с фиксиро-
ванным выходным напряжением (рекоменда-
ции производителя в этой части для стабилиза-
тора LM317 показаны на рис. 19.4).
186
Статья 19

Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
Варианты
Стабилизаторы
с разной полярностью
В то время как большинство линейных стабили-
заторов напряжения предназначены для «поло-
жительного входа» (ток условного направления
от входа к выходу), некоторые разработаны для
«отрицательного входа». В этом варианте общий
вывод является положительным, а вход и выход
отрицательны по отношению к нему.
Стабилизаторы с низким
падением напряжения
Стабилизаторы с низким падением напряжения
(в англоязычной литературе иногда обознача-
ются аббревиатурой LDO) делают возможным
намного более низкое падение напряжения
за счет применения единственного p-n-р или
МОП-транзистора. Такие стабилизаторы ши-
роко используются в устройствах с питанием
от аккумуляторов, где эффективность должна
быть максимальной, а рассеивание тепла сведе-
но к минимуму. Например, стабилизатор LM330
с выходным напряжением 5 В постоянного тока
выдерживает падение напряжения 0,6 В, позво-
ляя использовать его с четырьмя элементами
ААА. В LDO-стабилизаторе падение напряже-
ния в действительности изменяется в зависи-
мости от тока нагрузки и может понизиться до
одной десятой части расчетного значения, если
ток на выходе минимален.
Большинство стабилизаторов с низким паде-
нием напряжения поставляется в корпусах для
поверхностного монтажа и рассчитано на мак-
симальный выходной ток от 100 до 500 мА.
Исключений совсем мало — обычно они немно-
го дороже, чем стабилизаторы с типичным зна-
чением падения напряжения в 2 В.
На рис. 19.5 показаны три стабилизатора напря-
жения — их номиналы, слева направо: 5 В посто-
янного тока в 1 А, 12 В постоянного тока в 1 А
и 5 В постоянного тока в 7,5 А. Два стабилизато-
ра меньших размеров относятся к серии LM78xx,
для большого стабилизатора заявлено низкое
максимальное значение падения напряжения
в 1,5 В постоянного тока, а его выходное напря-
жение можно регулировать с помощью внешне-
го потенциометра и резистора.
Рис. 19.5. Два стабилизатора напряжения из серии 1_М78хх
и один настраиваемый стабилизатор для больших токов с
малым падением напряжения и номиналом 5 В постоянного
тока (можно настроить и на большее значение) силой в 7,5 А
Линейные стабилизаторы
с квазинизким напряжением
отпускания
Там, где стандартный стабилизатор использу-
ет пару Дарлингтона в качестве регулирующе-
го транзистора, а LDO-стабилизатор — един-
ственный p-n-p-транзистор, так называемый
квази-Ы>О-стабгишзатор основан на комби-
нации из n-p-п- и p-n-p-транзисторов и об-
ладает промежуточным значением падения
напряжения обычно в 1,5 В постоянного тока
как максимум. Тем не менее, термины LDO и
квази-LDO не используются в данной области
компонентов единообразно. Например, один
Стабилизатор напряжения
187

Параметры
Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
из производителей поставляет квази-LDO
стабилизаторы как LDO-стабилизаторы, a LDO-
стабилизаторы описывает как стабилизаторы
с очень низким падением напряжения. Так что, для
определения реальных характеристик продук-
ции смотрите спецификации вне зависимости от
того, к какой классификации она относится.
Функции дополнительного
контакта
Некоторые стабилизаторы напряжения снабже-
ны дополнительным контактом, который обыч-
но называют контактом включения — он вы-
ключает устройство в ответ на сигнал от микро-
контроллера или логического элемента.
В ряде стабилизаторов предлагается и другая
возможность — дополнительный контакт со-
стояния, который может сигнализировать мик-
роконтроллеру о возникновении режима ошиб-
ки, если выходное напряжение стабилизатора
падает существенно ниже расчетного значения.
В устройствах с питанием от аккумулятора жела-
тельно также наличие датчика разряда аккуму-
лятора, поскольку стабилизатор может просто
отключиться без предупреждения, если входное
напряжение окажется для него недостаточным.
Некоторые стабилизаторы, такие как LP2953,
выдают сигнал о разряде аккумулятора через
дополнительный контакт.
Параметры
Линейные стабилизаторы напряжения с един-
ственным фиксированным значением выходно-
го напряжения обычно обеспечивают на выходе
постоянный ток в 3,3, 5, 6, 8, 9,10,12,15,18 и
24 В. Есть также малое количество вариантов с
промежуточными значениями, но чаще всего ис-
пользуются величины 5,6,9,12 и 15 В. Входное
напряжение может достигать величины до 35 В
постоянного тока.
Максимальный выходной ток обычно равен
1 или 1,5 А для традиционной трехштырько-
вой конструкции типа ТО-220 для установки
в монтажные отверстия. Доступен также ва-
риант и для поверхностного монтажа. Другие
конструкции для поверхностного монтажа об-
ладают меньшими пределами мощности.
Точность стабилизатора напряжения можно
выразить в процентах или в виде значения ре-
гулирования нагрузки в мВ. Типичная величи-
на регулирования нагрузки составляет 50 мВ,
а точность стабилизации напряжения может на-
ходиться в диапазоне от 1 до 4%, в зависимости
от производителя и компонента. Несмотря на то,
что стабилизаторы с низким падением напряже-
ния обычно более эффективны, им требуется
больший ток для вывода заземления. Впрочем,
это обычно несущественно.
Использование
Некоторые компоненты, такие как большинство
старых КМОП-микросхем или традиционная
ТТЛ-версия таймера 555, допускают широкий
диапазон приемлемого входного напряжения,
однако большинству современных логических
микросхем и микроконтроллеров необходимо
должным образом контролируемое электропи-
тание. Для этого обычно используются стабили-
заторы, подобные LM7805, в особенности в не-
больших и сравнительно простых устройствах,
которые потребляют умеренный ток, содержат
небольшое число компонентов и получают пи-
тание от аккумулятора или сетевого адаптера.
Полноценный импульсный источник питания
для такого применения излишен.
Линейный стабилизатор напряжения не может
незамедлительно реагировать на изменения
входного напряжения, и если питание на входе
содержит всплески напряжения, то они могут
пройти через стабилизатор. Для предотвраще-
ния этого следует применять развязывающие
конденсаторы.
188
Статья 19

Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
Что может пойти не так?
На рис. 19.6 приведена принципиальная схема
использования стабилизатора LM7805 с развя-
зывающими конденсаторами, рекомендованны-
ми производителем.
Для устройств с питанием от химического ис-
точника тока, которым в течение длительных
периодов необходима энергия в режиме ожида-
ния, а полная мощность задействуется лишь из-
редка, весьма важен такой параметр, как ток по-
коя, потребляемый минимально нагруженным
стабилизатором напряжения. Современные
LDO-стабилизаторы, когда они нагружены
очень слабо, потребляют ток до 100 мкА. Другие
типы могут потреблять существенно больше.
Поэтому, чтобы отыскать наиболее подходящий
компонент для конкретного применения, срав-
нивайте технические данные подбираемых ста-
билизаторов.
Рис. 19.6. Типичная схема использования стабилизатора
LM7805: номиналы конденсаторов основаны на рекоменда-
циях компании Fairchild Semiconductor
Заметьте также, что DC-DC конвертеры, ког-
да они нагружены незначительно, могут по-
треблять существенный ток и в результате рас-
сеивают большое количество тепла. Поэтому
в такой ситуации предпочтительнее LDO-
стабилизаторы.
Что может пойти не так?
Неудовлетворительное
управление нагревом
Возможность выбора широкого диапазона на-
пряжений в таком настраиваемом стабилизато-
ре, как LM317, может вызвать соблазн исполь-
зовать его по принципу «один размер подходит
всем», — чтобы обеспечить выходное напря-
жение от 5 до 18 В постоянного тока при неиз-
менном входном напряжении 24 В постоянно-
го тока. Если считать, что сила тока на выходе
равна 1 А, то в самом худшем случае мощность
рассеивания тепла составит почти 20 Вт. Чтобы
достичь разумной эффективности и ограничить
тепловые потери на управляемом уровне, вход-
ное напряжение не должно превосходить напря-
жение на выходе больше, чем на величину паде-
ния напряжения на стабилизаторе.
Даже когда стабилизатор напряжения использу-
ется должным образом, он может вырабатывать
больше тепла, чем ожидалось, если цепь изме-
нялась в процессе ее разработки. Исходный на-
бор компонентов мог потреблять всего 100 мА,
но с появлением дополнительных потребностей
и добавлением новых компонентов (в особен-
ности, реле или светодиодных дисплеев) рас-
ход мощности может резко возрасти, приводя к
неожиданной для вас величине тепловых потерь
и повышая вероятность внезапного (и загадоч-
ного) отключения, если стабилизатор не снаб-
жен достаточным отводом тепла.
Стабилизатор напряжения
189

Что может пойти не так?
Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
Переходная характеристика
Когда потребление мощности нагрузкой испы-
тывает существенные колебания (например,
если где-либо в цепи включается индуктивное
устройство), стабилизатору напряжения требу-
ется определенное время, чтобы отрегулировать
себя и поддержать заданное выходное напряже-
ние. Это запаздывание по времени называется
переходной характеристикой. Если кратковре-
менные колебания возможны, а другие компо-
ненты схемы могут быть чувствительны к ним,
то следует поместить конденсатор большой ем-
кости между выходом стабилизатора напряже-
ния и заземлением.
Времени переходной характеристики может
оказаться недостаточно, чтобы заблокировать
внезапные короткие всплески входного напря-
жения. Это может возникать, например, когда в
качестве источника питания используется недо-
рогой сетевой адаптер, не обладающий хорошо
сглаженным выходным напряжением. Для обе-
спечения лучшей защиты от колебаний мощно-
сти можно добавить развязывающие конденса-
торы емкостью 1 мкФ ко входу и выходу стаби-
лизатора.
Ошибочное определение
компонентов
Многие типы линейных стабилизаторов на-
пряжения выглядят сходно, и требуется повы-
шенное внимание, чтобы отличить те из них,
которые обладают фиксированным выходным
напряжением, от тех, которые допускают его ре-
гулирование. При использовании серии LM78xx
перепроверьте последнюю пару цифр в номере
компонента, которые дают единственное указа-
ние на тип выхода, — применение компонента
серии LM7808 вместо LM7805 может оказаться
достаточным, чтобы вывести из строя все ми-
кросхемы логической цепи, рассчитанные на 5 В
постоянного тока. Не ленитесь использовать из-
мерительный прибор для проверки выходного
напряжения любого источника питания до под-
ключения к нему цепи.
Ошибочно определенные
контакты
В стабилизаторах напряжения серии LM78n
используется довольно очевидная и логичная
схема назначения функций контактам: вход сле-
ва, заземление по центру, а выход справа, если
смотреть на стабилизатор спереди, держа его
штырьками вниз. К сожалению, логичность этой
схемы может привить легкомысленную при-
вычку не озабочиваться дополнительной про-
веркой функций контактов при подключении
компонента. Так, в отрицательных стабилизато-
рах напряжения серии LM79xjc штырьки входа
и заземления меняются местами, а для регули-
руемых стабилизаторов используется и другой
вариант схемы. Поэтому перед подключением
компонента будет нелишним посмотреть специ-
фикацию производителя.
Нестабильная работа, вызванная
разрядившимся аккумулятором
Если стабилизатор, рассчитанный на обеспече-
ние 6 В постоянного тока, обладает падением
напряжения в 2 В постоянного тока и получает
питание от аккумулятора на 9 В, то это напря-
жение может легко стать меньше минимально
приемлемого значения в 8 В постоянного тока,
если аккумулятор старый или истощенный.
В этом случае выходное напряжение стабилиза-
тора снижается или начинает колебаться.
Неточное значение
поставляемого напряжения
Стабилизатор напряжения удерживает выход-
ное напряжение между своим выходным штырь-
ком и клеммой заземления. Тонкие дорожки
на монтажной плате или продолжительное вре-
мя работы проводов с очень малым сечением
могут создавать некоторое электрическое сопро-
тивление, уменьшающее действительное зна-
чение напряжения, поставляемое компоненту.
Закон Ома утверждает, что падение напряжения,
190
Статья 19

Электрическая энергия > стабилизация > стабилизатор напряжения
Что может пойти не так?
создаваемое дорожкой (или тонким проводом),
будет пропорционально силе тока, протекаю-
щего через них. Если, например, сопротивление
между выходом стабилизатора и компонентом
равно 0,5 Ом, а сила тока равна 0,1 А, то падение
напряжения составит всего 0,05 В. Но если ток
возрастет до 1 А, падение напряжения будет уже
равно 0,5 В. С учетом этого линейный стабили-
затор напряжения следует размещать ближе к
компонентам, которые чувствительны к вели-
чине напряжения. В схемах на основе печатных
плат дорожки, которые поставляют мощность,
не должны обладать значительным сопротивле-
нием.
При использовании линейных стабилизаторов
напряжения с регулируемым выходом может
возникнуть соблазн подключить настроеч-
ный резистор R1 к положительному концу на-
грузки, чтобы добиться «более точного» по-
лучаемого напряжения. Однако такая конфи-
гурация не приведет к желаемому результату.
Сопротивление R1 всегда следует подключать
насколько возможно близко между выходным
и настроечным контактом стабилизатора на-
пряжения, а сопротивление R2 — между на-
строечным штырьком и отрицательным концом
нагрузки. Это проиллюстрировано на рис. 19.7,
причем более светлый провод на каждой из схем
указывает на то, что он обладает существенным
сопротивлением.
Рис. 19.7. Когда подключение между регулируемым стабили-
затором напряжения и компонентами нагрузки обладает су-
щественным сопротивлением (показано здесь в виде серого
«резистивного провода»), сопротивление R1 всегда следует
подключать насколько возможно близко к контактам стаби-
лизатора, как показано на верхней схеме (заимствовано из
схем, подготовленных компанией National Semiconductor)
Стабилизатор напряжения
191

Электромагнитная энергия > линейное движение > электромагнит
ЭЛЕКТРОМАГНИТ
20
Термин электромагнит (по англ. electromagnet) используется здесь
для обозначения обмотки, содержащей сердечник из ферромагнит-
ного материала, который относительно этой обмотки не перемеща-
ется. Такой сердечник используется исключительно для создания
магнитного поля, которое притягивает или отталкивает другие де-
тали, обладающие соответствующими магнитными свойствами. Если
же центральный сердечник перемещается в ответ на магнитную силу,
созданную протекающим через обмотку током, то это соленоид, ко-
торый рассмотрен в отдельной статье.
Для сравнения: в статье катушка индуктивности рассмотрена об-
мотка, которая может обладать, а может и не обладать ферромагнит-
ным сердечником, и используется в специальных случаях для созда-
ния реактивного сопротивления или собственной индуктивности в
электронной схеме, зачастую совместно с применением переменно-
го тока и в комбинации с резисторами и/или конденсаторами. Статья
катушка индуктивности содержит основное определение и объяс-
нение магнитной силы, создаваемой электричеством.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• соленоид (см. статью 21)
• электродвигатель постоянного тока (см. статью 22)
• электродвигатель переменного тока (см. статью 23)
Описание
Электромагнит состоит из обмотки, которая
создает магнитное поле в ответ на электриче-
ский ток. Это поле направляется и усиливается
при помощи сердечника из магнитного мате-
риала (то есть из материала, который можно
намагнитить). Электромагниты встроены в
электродвигатели, генераторы, громкоговори-
тели, микрофоны и в такие технические устрой-
ства, как поезда на магнитной подушке. Сами по
себе электромагниты обеспечивают удержание,
подъем или перемещение с помощью электри-
ческого тока любых объектов, в которых может
образовываться магнитное поле.
Для обозначения электромагнитов на схемах
специальных символов не придумано, и поэто-
му в этих целях используется символ катушки
индуктивности с твердотельном сердечником,
приведенный на рис. 14.1 (центральный вари-
ант в каждой из трех групп) в статье катушка
индуктивности этой энциклопедии.
Электромагнит
193

Устройство
Электромагнитная энергия > линейное движение > электромагнит
На рис. 20.1 показан маленький простой элек-
тромагнит диаметром около 2,5 см.
Варианты
Рис. 20.1. Электромагнит диаметром около 2,5 см, рассчитан-
ный на потребление постоянного тока силой 0,25 А на 12 В
Устройство
Электрический ток, протекающий через круго-
вой провод (или через последовательность вит-
ков, образующих спираль, или обмотку), ин-
дуцирует магнитное поле в центре окружности,
описанной этим проводом (витками). Это про-
иллюстрировано в статье катушка индуктив-
ности — в особенности, схемами на рис. 14.3-
14.6.
Если неподвижный элемент из ферромагнитного
материала помещен в центр кольца или обмот-
ки, он увеличивает магнитную силу, поскольку
магнитное сопротивление этого материала на-
много ниже, чем магнитное сопротивление воз-
духа. Такая комбинация обмотки и сердечника
и является электромагнитом (рис. 20.2). Более
подробное объяснение этого эффекта можно
найти в разд. «Магнитный сердечник» статьи
катушка индуктивности.
Величина электромагнитной плотности потока
пропорциональна силе тока, протекающего че-
рез обмотку, при условии что питание осущест-
вляется постоянным током.
Конструкция электромагнитов различна в зави-
симости от их применения. В простейшем вари-
анте — это единственная обмотка, намотанная
вокруг стержня, который может завершаться
своего рода пятой — например, для поднятия
металлического лома. Такое устройство доволь-
но неэффективно, поскольку магнитный контур
замыкается через воздух, окружающий электро-
магнит.
Более эффективная традиционная конструкция
состоит из сердечника в форме буквы U, вокруг
которого намотана одна или несколько обмо-
ток. Если U-образный сердечник соответствую-
щим образом согнут (рис. 20.3), он напоминает
подковообразный магнит. Такая конструкция
становится все менее распространенной, по-
скольку дешевле выполнить намотку вокруг
двух отдельных прямых вертикальных сердеч-
ников, а затем соединить их. Тем не менее, под-
ковообразная конфигурация является чрезвы-
чайно эффективной, так как обмотки создают
Рис. 20.2. Постоянный ток условного направления (от плюса
к минусу), протекающий через провод, обмотанный вокруг
ферромагнитного стержня, индуцирует в нем магнитную силу,
которая условно принимается направленной с юга на север
194
Статья 20

Злектромагнитная энергия > линейное движение > электромагнит
Параметры
северный и южный магнитный полюса на от-
крытых концах U-образного сердечника, а маг-
нитный контур замыкается через любой объ-
ект, который притягивается к открытым концам
магнита и соединяет их. Такой притянутый объ-
ект показан на рис. 20.3 в виде прямоугольной
пластины. Поскольку магнитный контур есте-
ственным образом стремится ограничить свою
протяженность, а также и потому, что эта цель
достигается, если контур замкнут, сила притя-
жения подковообразного магнита является мак-
симальной.
Электромагнит с питанием от постоянного тока
естественным образом создает однонаправ-
ленное и стабильное магнитное поле. Если же
подать на него переменный ток, электромаг-
нит так же можно будет использовать для при-
ложения притягивающей силы к пассивному
объекту, который не намагничен, но обладает
способностью к намагничиванию. Такой элек-
тромагнит станет менять свою полярность поч-
ти с такой же частотой, что и переменный ток,
индуцируя равную по величине и противопо-
ложную по направлению переменную поляр-
ность в объекте назначения, что и приведет к их
взаимному притяжению. Сердечник такого маг-
нита составляется из пластин, разделенных тон-
кими слоями изоляции, — это позволяет пода-
вить вихревые токи, вызываемые переменным
током. Но, все же, электромагнит с питанием
от переменного тока оказывается менее эффек-
тивным, чем сравнимый с ним электромагнит
на постоянном токе, поскольку он подвержен
гистерезису, и его мощность дополнительно рас-
ходуется на периодическое изменение полярно-
сти магнитных доменов в сердечнике.
Некоторые электромагниты, о которых заявле-
но, что они пригодны для работы от источника
питания переменного тока, на самом деле содер-
жат в своей конструкции выпрямители, преоб-
разующие переменный ток в постоянный.
Параметры
Электромагниты обычно описываются в терми-
нах потребляемой ими мощности и удерживаю-
щей силы (веса железного объекта, который они
способны удержать), измеряемой в граммах или
в килограммах.
Использование
Рис. 20.3. Традиционная конструкция электромагнита имеет
родословную, которая простирается уже более чем на сто
лет. Такое устройство максимизирует эффективность за счет
замыкания магнитного контура через любой объект, который
притягивается магнитом
Электромагниты применяются главным обра-
зом в качестве сборочных узлов в электродви-
гателях и генераторах, реле, громкоговорителях
и дисководах, а также в магнитофонах (и в ви-
деомагнитофонах) для намагничивания с по-
мощью магнитного поля различной интенсив-
ности специальной ленты на основе оксида же-
леза при записи аудио- или видеосигнала. В этом
случае используется вариант подковообраз-
ного магнита с очень узким зазором, ширина
Злектромагнит
195

Что может пойти не так?
Электромагнитная энергия > линейное движение > электромагнит
которого, наряду со скоростью перемещения
ленты вдоль магнитной головки, определяет
значение самой высокой частоты, которую мо-
жет записать этот электромагнит. Процесс запи-
си на пленку можно обратить, если электромаг-
нит «считывает» пленку и превращает сигнал
в слабый переменный ток, который может
быть усилен и воспроизведен через громко-
говоритель.
Простое применение электромагнит находит
в традиционном дверном звонке, где одна или
несколько обмоток притягивают подпружи-
ненный рычаг, в верхней части которого рас-
положена головка, ударяющая по колокольчику.
Когда рычаг притягивается в сторону колоколь-
чика, он разрывает контакт, который подает пи-
тание на электромагнит, — это позволяет рычагу
вернуться в исходное положение, при котором
цепь восстанавливается, и процесс повторяется,
пока к звонку подается питание. Размеры и вес
составных частей такого дверного звонка давно
уже привели к тому, что он устарел, поскольку
электронные версии, содержащие небольшие
громкоговорители, стали дешевле. Тем не менее,
соленоид по-прежнему может использоваться
в таких звонках, которые производят единич-
ный или парный сигнал.
В любом устройстве, использующем электрон-
но-лучевую трубку, электромагнитные обмотки
применяются в отклоняющих системах вокруг
горловины трубки, изменяющих направление
электронных лучей на пути к экрану. На этом же
принципе основаны и электронные микроско-
пы. В некоторых случаях этих же целей достига-
ют с помощью электростатически заряженных
пластин.
Электромагнит может использоваться и для акти-
вации герконового переключателя (см. рис. 9.7) —
в этом случае комбинация электромагнита и пе-
реключателя функционирует как реле.
Если электромагнит получает питание от пере-
менного тока, его можно использовать для
размагничивания других объектов. При этом
переменный ток либо подается с убывающей
силой, чтобы магнитное поле постепенно све-
лось к нулю, либо сам электромагнит постепен-
но удаляется от объекта, опять-таки уменьшая
магнитное воздействие практически до нуля.
Вторая процедура может периодически исполь-
зоваться для размагничивания записей, а также
воспроизводящих головок в магнитофонах, ко-
торые в противном случае приобретают оста-
точный магнетизм, создающий фоновые шипя-
щие шумы на пленке.
Традиционное применение мощных электро-
магнитов — подъем и перемещение металли-
ческого лома или тяжелых объектов, таких
как утилизируемые автомобили. Более совре-
менное применение электромагниты обрели
в магнитно-резонансной томографии (МЫ,
Magnetic Resonance Imaging), которая револю-
ционизировала некоторые области медицины.
В очень больших масштабах электромагниты
используются в ускорителях заряженных ча-
стиц, где для их разгона питание подается по-
следовательно на несколько магнитных обмо-
ток, а также в термоядерных реакторах, в кото-
рых высокотемпературная плазма удерживается
с помощью магнитного поля.
Что может пойти не так?
Поскольку электромагниту необходима посто-
янная подача энергии для поддержания маг-
нитной силы, хотя он и не производит никакой
работы, пока его объект остается неподвижным
(в контакте с сердечником магнита), протекаю-
щий через обмотку магнита ток должен пол-
ностью рассеиваться в виде тепла (см. допол-
нительную информацию в разд. «Нагрев» статьи
соленоид этой энциклопедии).
196
Статья 20

Электромагнитная энергия > линейное движение > соленоид
СОЛЕНОИД
21
Исторически термин соленоид (по англ. solenoid) использовался для
описания любой обмотки без магнитного сердечника. В последнее
время и в большинстве случаев так называют обмотку, внутри кото-
ром цилиндрический сердечник перемещается в ответ на магнитное
поле, создаваемое обмоткой.
В этой энциклопедии термину электромагнит отведена отдельная
статья, в которой рассмотрена обмотка с центральным компонентом
из ферромагнитного материала, не перемещающимся относительно
обмотки. Такое устройство используется только для притягивания
или отталкивания других деталей, обладающих магнитными свой-
ствами. Кроме того, в статье катушка индуктивности рассмотрена
обмотка, которая служит специальной цели, — созданию реактивно-
го сопротивления, или собственной индуктивности, в электронной
цепи, часто при использовании переменного тока и в сочетании с ре-
зисторами и/или конденсаторами. Эта же статья содержит и элемен-
тарное рассмотрение и объяснение магнитной силы, создаваемой
электричеством.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• катушка индуктивности (см. статью 14)
Описание
Типичный соленоид состоит из полой обмотки,
расположенной внутри рамы, представляющей
собой либо закрытый по образующей цилиндр,
либо коробчатый каркас с открытыми сторона-
ми. В случае цилиндра его противоположные
торцы могут называться полюсными сторонами.
По крайней мере в одной из полюсных сторон
есть отверстие, через которое сердечник (из-
вестный также как якорь) втягивается и вытал-
кивается соленоидом. Таким образом, соленоид
является устройством для создания линейной
механической силы в ответ на ток, протекающий
через него. В большинстве соленоидов, чтобы
эта механическая сила сохранялась, протекание
тока должно поддерживаться непрерывно.
На рис. 21.1 показан небольшой соленоид с от-
крытой рамой — в верхней половине иллюстра-
ции изображены три его основные части: рама,
пружина сжатия и сердечник, а в нижней — эти
части приведены в сборе.
Более крупный закрытый цилиндрический со-
леноид показан на рис. 21.2: пружина и сердеч-
ник вынуты.
Соленоид
197

Описание Электромагнитная энергия > линейное движение > соленоид
На рис. 21.3 приведено упрощенное изображе-
ние цилиндрического соленоида, разрезанного
пополам: цилиндрическая оболочка, которую
часто называют рамой, обмотка, сердечник,
который втягивается в обмотку ее магнитным
полем, треугольный ограничитель, который
сдерживает перемещение сердечника вверх.
Рама соленоида выполняет не только функцию
защиты обмотки, но и обеспечивает создание
магнитного контура, который замыкается че-
рез сердечник.
Внешняя часть сердечника часто снабжается
немагнитным хомутом или перфорированной
пластиной для соединения с другими компо-
нентами устройства. Для этой цели может ис-
пользоваться нержавеющая сталь. Упор может
быть снабжен штоком (также изготовленным из
нержавеющей стали), если соленоид предназна-
чен как для втягивания, так и для выталкивания
сердечника. Пружины для регулирования уси-
лия сердечника или для его возврата в исходное
положение при прерывании прохождения тока
через обмотку здесь не показаны.
Поскольку для соленоида нет стандартного
условного обозначения, а также и потому, что
Рис. 21.1. Небольшой соленоид на 12 В постоянного тока Рис. 21.2. Более крупный соленоид на 24 В постоянного тока
198 Статья 21

Электромагнитная энергия > линейное движение > соленоид
Устройство
этот тип компонентов широко используется в
сочетании с вентилями, любая схема, содержа-
щая соленоиды, скорее всего сделает акцент на
потоке жидкости или газа при помощи симво-
лов, разработанных для этой цели. В таких схе-
мах соленоид может быть представлен простым
прямоугольником. Тем не менее, изредка там
могут встречаться и символы, показанные на
рис. 21.4.
Устройство
Рис. 21.3. Упрощенное изображение разрезанного пополам
соленоида (показаны только основные его части)
Рис. 21.4. Хотя для соленоида нет стандартного условного
обозначения, в схемах иногда могут встретиться такие сим-
волы
Ток, протекающий через обмотку, создает маг-
нитную силу (соответствующие пояснения при-
ведены в статье катушка индуктивности этой
энциклопедии — см. рис. 14.3-14.6).
Если сердечник выполнен из такого материала,
как мягкое железо, обмотка будет индуцировать
в сердечнике равную по величине противопо-
ложную магнитную полярность. Поэтому сер-
дечник станет пытаться занять внутри обмотки
такое положение, при котором его концы рас-
положены на равных расстояниях от концов
обмотки. Если на свободный конец сердечника
надето кольцо, оно может увеличить усилие вы-
талкивания сердечника, когда он находится поч-
ти у границы своего хода, поскольку дополни-
тельное магнитное усилие на выталкивание рас-
пределится между кольцом и рамой соленоида.
Для обеспечения некоторой противодействую-
щей силы, компенсирующей увеличение силы
втягивания, которая возникает по мере того,
как все большая часть сердечника оказывается
внутри обмотки, в конструкцию соленоида ино-
гда добавляется пружина. Пружина может также
применяться для извлечения сердечника, хотя
бы частичного, когда прерывается подача тока
на обмотку.
Если сердечник представляет собой постоянный
магнит, то при изменении направления протека-
ния через обмотку постоянного тока изменится
и направление движения сердечника.
Соленоид
199

Варианты
Электромагнитная энергия > линейное движение > соленоид
Соленоид с ненамагниченным сердечником мо-
жет приводиться в действие переменным током,
поскольку изменения полярности магнитного
поля, создаваемого обмоткой, будут индуциро-
вать равные по величине противоположные из-
менения полярности в сердечнике. Тем не менее,
кривая усилия соленоида с питанием от перемен-
ного тока отличается от кривой усилия соленои-
да с питанием от постоянного тока (рис. 21.5).
Кроме того, переменный ток будет, скорее всего,
вызывать гудение, жужжание и вибрацию.
Рама соленоида увеличивает магнитную мощ-
ность, которую может развить обмотка, за счет
обеспечения магнитного контура с магнитным
сопротивлением намного меньшим, чем у воз-
духа (магнитное сопротивление является маг- ВдрИЭНТЫ
нитным эквивалентом электрического сопро-
тивления). Более подробное рассмотрение этого
явления приведено в разд. «Магнитный сердеч-
ник» статьи катушка индуктивности. Если
ток, протекающий через обмотку, увеличится до
такого значения, что рама станет магнитно на-
сыщенной, тяговая мощность соленоида резко
выравнится.
можно уменьшить, если производитель преду-
смотрит последовательный резистор и переклю-
чатель, действующий как обходной выключатель,
Этот переключатель нормально замкнут, но он
механически размыкается, когда сердечник до-
стигает окончания своего хода, и таким образом
отводит электричество через последовательный
резистор. Тот, в свою очередь, в результате про-
текания через него тока слегка нагревается, од-
нако за счет увеличения общего сопротивления
системы величина этого нагрева незначительна,
Номинал резистора подбирается так, чтобы обе-
спечить минимальную мощность, необходимую
для удержания сердечника в конце его хода.
Самый распространенный вариант — трубчатый
(см. рис. 21.2), с открытой рамой в качестве вто-
рой возможности. Кроме того, возможны и ва-
рианты, приведенные далее.
Тепло, производимое соленоидом, когда он под-
держивается в состоянии под напряжением,
Низкопрофильный
Укороченный и более плоский соленоид, кото-
рый может использоваться, если допускается
короткий рабочий ход.
Усилие, прилагаемое к сердечнику
ш время его перемещения снаружи
от обмотки внутрь нее
в гипотетических соленоидах
переменного ш постоянного тока.
Переменный ток it,.(l •>■*'■*"'
Постоянный ток
Внутри',,'
Рис. 21.5. Сравнение силы, действующей на сердечник, отно-
сительно его расположения в обмотке гипотетических соле-
ноидов с питанием от переменного и постоянного тока
С фиксацией
Постоянный магнит удерживает сердечник, ког-
да он достигает границы своего хода, и продол-
жает удерживать его после отключения питания
соленоида. Сердечник при этом также является
постоянным магнитом и высвобождается при
подаче через обмотку тока противоположной
полярности.
Поворотный
Этот вариант схож по принципу с бесщеточным
двигателем постоянного тока — здесь сердеч-
ник поворачивается в пределах заданного угла
(обычно от 25 до 90 градусов) вместо линейно-
го перемещения. Такой вариант используется
200
Статья 21

Электромагнитная энергия > линейное движение > соленоид
Параметры
в качестве механического индикатора в панелях
управления, хотя и вытесняется теперь исклю-
чительно электронными индикаторами.
С шарнирным клапаном
Вместо сердечника здесь использована неболь-
шая пластинка на шарнире («клапан»), кото-
рая притягивается, когда соленоид активен,
и отскакивает назад, когда прекращается пода-
ча питания.
Параметры
Длина рабочего хода, продолжительность ра-
бочего цикла и удерживающая сила являются
наиболее важными характеристиками, которые
можно найти в спецификациях соленоидов.
Удерживающая сила для соленоидов постоян-
ного тока может составлять от нескольких грам-
мов до сотен килограммов. Величина этой силы
обратно пропорциональна длине соленоида,
если остальные параметры одинаковы. Сила,
с которой соленоид может действовать на свой
сердечник, также меняется в зависимости от по-
ложения сердечника относительно его рабочего
хода.
Рабочий цикл представляет особую важность,
так как соленоид продолжает потреблять мощ-
ность и производить тепло до тех пор, пока он
удерживает сердечник в конце его рабочего хода
(при условии что это соленоид без фиксации).
Начальный выброс тока в соленоиде перемен-
ного тока создает дополнительный нагрев.
Рабочий цикл вычисляется просто: если Т1 —
время, в течение которого соленоид включен,
аТ2 - время, в течение которого он выключен,
то рабочий цикл D, выраженный в процентах,
получается по формуле
D = 100 * (Т1 / (Т1 + Т2) )
Некоторые соленоиды предназначены для вы-
держивания 100%-ного рабочего цикла, но
большинство — нет, и в этом случае существует
максимальное значение не только для парамет-
ра D, но также и для продолжительности време-
ни пребывания во включенном состоянии, вне
зависимости от рабочего цикла. Предположим,
что соленоид рассчитан на 25%-ный рабочий
цикл. Если этот соленоид должным образом
был включен на одну секунду и выключен на
три секунды, то тепло успеет рассеяться, не до-
стигнув уровня перегрева. Если такой соленоид
находился во включенном состоянии в течение
минуты и в выключенном — в течение трех ми-
нут, его рабочий цикл все также равен 25%, од-
нако то тепло, которое могло накопиться в тече-
ние одноминутного периода включения, может
перегреть компонент, прежде чем период вы-
ключения позволит ему рассеяться.
Размер обмотки в сравнении
с мощностью
Поскольку дополнительные витки обмотки ин-
дуцируют большую магнитную силу, крупный
соленоид окажется более мощным, чем неболь-
шой. Однако это также означает, что если оба
таких соленоида предназначены для создания
одинаковой силы на одинаковом расстоянии,
то меньший соленоид будет, вероятно, потреб-
лять больший ток (и, следовательно, выделять
больше тепла), поскольку у него меньше витков
в обмотке.
Использование
Соленоиды используются главным образом
в цепях управления вентилями в потоках жид-
кости или газа. Такие цепи можно найти в лабо-
раторных и промышленных системах управле-
ния процессами, в топливных инжекторах, в си-
стемах летательных и космических аппаратов,
в военных установках и в медицинских устрой-
ствах. Соленоиды могут также использоваться
в некоторых электронных замках, в бильярдах-
автоматах и в робототехнике.
Соленоид
201

Что может пойти не так?
Электромагнитная энергия > линейное движение > соленоид
Что может пойти не так?
Нагрев
Перегрев — это первое, на что следует обратить
внимание при работе с соленоидами, в особен-
ности, если превышено максимальное время
работы во включенном состоянии или величина
рабочего цикла. Когда сердечнику препятствуют
в достижении им конца его рабочего хода, это
может стать еще одной причиной перегрева.
Поскольку сопротивление обмотки возраста-
ет при нагреве, нагретый соленоид пропускает
меньший ток и, следовательно, вырабатывает
меньшую мощность. Этот эффект более выра-
жен в соленоиде постоянного тока, чем в соле-
ноиде переменного тока.
Кривая силы, приводимая производителем,
должна показывать производительность соле-
ноида при его максимальной расчетной темпе-
ратуре, которая обычно составляет около 75 °С
при предполагаемой температуре окружающей
среды в 25 °С. Превышение этих значений мо-
жет привести к тому, что соленоид откажется ра-
ботать. Как и во всех обмотках, использующих
эмалированную проволоку, существует опас-
ность избыточного нагрева, который расплав-
ляет изоляцию, разделяющую витки обмотки,
и приводит к короткому замыканию в обмотке,
вызывающему больший ток и выделение допол-
нительного тепла.
Бросок переменного тока
Когда соленоид переменного тока достигает
конца рабочего хода, внезапная остановка сер-
дечника приводит к возникновению прямой
ЭДС, которая создает дополнительное тепло.
Вообще говоря, при более длинном ходе возни-
кает больший бросок тока. Следовательно, бы-
страя цикличность усиливает нагрев обмотки.
Нежелательная ЭДС
Подобно любому устройству, содержащему об-
мотку, соленоид создает противоЭДС при под-
ключении питания и прямую ЭДС при его от-
ключении. Соответственно, может потребовать-
ся защитный диод для подавления выбросов
мощности, которые могут отразиться на других
компонентах.
Незакрепленный сердечник
Во многих соленоидах сердечник не закреплен
или не удерживается внутри рамы и поэтому мо-
жет выпасть, если соленоид наклонить или под-
вергнуть сильной вибрации.
202
Статья 2]

Электромагнитная энергия > вращательное движение >
электродвигатель постоянного тока
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
22
Вэтой статье словами традиционный электродвигатель постоянно-
го тока (по англ. DC motor) определяется самая старая и самая про-
стая конструкция, в которой энергия через две щетки и секционный
коллектор передается на две или более электромагнитные обмотки,
смонтированные на валу электродвигателя.
Здесь же рассмотрены и бесщеточные двигатели постоянного тока,
поскольку этим термином можно определить электродвигатель,
также получающий питание от источника постоянного тока, но с по-
мощью широтно-импульсной модуляции преобразуемого в нем в по-
следовательность импульсов.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• электродвигатель переменного тока (см. статью 23)
• серводвигатель (см. статью 24)
• шаговый двигатель (см. статью 25)
Описание
Традиционный электродвигатель постоянного
тока использует постоянный ток для создания
магнитной силы, которая поворачивает выход-
ной вал. Когда полярность напряжения посто-
янного тока меняется на обратную, двигатель
также изменяет направление вращения на про-
тивоположное. Обычно сила, создаваемая дви-
гателем, одинакова для каждого направления.
Устройство
Подаваемый на двигатель ток проходит через
две или несколько обмоток, которые смонти-
рованы на валу двигателя и вращаются вместе с
ним. Этот узел называется ротором. Магнитная
сила, создаваемая током, сосредотачивается с
помощью сердечников или полюсов из мягкого
железа или высококремнистои стали и взаимо-
действует с полями, созданными постоянными
магнитами, которые установлены вокруг ротора
в неподвижном узле, называемом статор.
Питание на обмотки подается через пару ще-
ток, часто изготовленных из графитовой сме-
си. Щетки прижимаются пружинами к муфте,
которая вращается вместе с валом и разделена
на секции, соединенные с обмотками. Эта муфта
называется коллектором. Когда коллектор вра-
щается, его секции, последовательно проходя
под щетками, получают от них питание и пере-
дают его обмоткам двигателя.
На рис. 22.1 показана самая простая конструк-
ция традиционного электродвигателя постоян-
ного тока. В действительности, небольшие дви-
гатели постоянного тока обычно имеют три или
более обмоток на роторе — это обеспечивает
более плавную работу.
Электродвигатель постоянного тока
203

Устройство
Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тот
Функционирование трехобмоточного двига-
теля показано на рис. ЦВ-22.2 (три части этой
иллюстрации следует рассматривать как после-
довательные фазы работы одного двигателя,
в котором ротор поворачивается против часо-
вой стрелки). Щетки выделены здесь красным
и синим цветами, чтобы обозначить положи-
тельное и отрицательное напряжение соответ-
ственно. Обмотки соединены последовательно,
причем питание подается через коллектор к точ-
кам, расположенным между каждой парой об-
моток. Направление тока через каждую обмот-
ку определяет ее магнитную полярность, обо-
значенную буквой N для севера и буквой S для
юга. Когда на две последовательные обмотки
подается питание, а к средней точке мощность
не прикладывается, каждая из обмоток выраба-
тывает меньшее магнитное поле, чем обмотка,
Рис. 22.1. Простейший традиционный электродвигатель по-
стоянного тока: обмотка, вал и коллектор образуют ротор;
неподвижная магнитная деталь, внутри которой он вращает-
ся, называется статором
Рис. ЦВ-22.2. Три последовательные фазы работы типично-
го трехобмоточного электродвигателя постоянного тока при
рассмотрении с торцевой стороны его вала (сам вал не по-
казан): когда магнитные силы приводят ротор во вращение,
через коллектор в центре коммутируется ток, подаваемый на
обмотки
204
Статья 22

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока
Варианты
питаемая в отдельности, — на иллюстрации это
отмечено с помощью строчных белых букв п и
s. Если же оба конца обмотки обладают равным
потенциалом, то обмотка не создает никакого
магнитного поля.
Статор двигателя состоит из цилиндрического
постоянного магнита с двумя полюсами — он
показан на иллюстрации в виде двух черных дуг,
разделенных для наглядности промежутками,
хотя на практике этот магнит может быть вы-
полнен и как единая деталь. Противоположные
магнитные полюсы ротора и статора притяги-
ваются, а одинаковые — отталкиваются друг от
друга.
Двигатели постоянного тока могут быть весьма
компактными (рис. 22.3) — размер рамы этого
двигателя составляет около 18 мм, но и доста-
точно мощными для своего размера — двига-
тель, который в разобранном виде показан на
рис. 22.4, вынут из трюмной помпы, работаю-
щей от 12 В постоянного тока и рассчитанной на
откачивание 190 литров воды в час с помощью
небольшой крыльчатки, прикрепленной к ро-
тору (справа). Его конструкция состоит из двух
исключительно мощных неодимовых магнитов
статора, едва заметных внутри кожуха двигате-
ля (слева вверху), и ротора с пятью обмотками.
Рис. 22.3. Миниатюрный двигатель на 1,5 В постоянного тока:
его размер составляет около 18 мм
Варианты
Конфигурация обмоток
Последовательное подключение обмоток, по-
казанное на рис. ЦВ-22.2, называется кон-
фигурацией «треугольник». Обмотки могут
также соединяться в конфигурации «звезда»
(Y-конфигурация) — упрощенные схемы обеих
конфигураций приведены на рис. 22.5. Вообще
говоря, конфигурация «треугольник» лучше
всего подходит для высокоскоростных при-
менений, но при малой скорости обеспечи-
вает сравнительно низкий крутящий момент.
Конфигурация «звезда» обеспечивает больший
Рис. 22.4. Традиционный двигатель постоянного тока, извле-
ченный из своего цилиндрического кожуха: щетки двигателя
прикреплены к белому пластиковому торцевому элементу
{слева внизу). Большие квадраты клетчатой бумаги, использо-
ванной в качестве фона, имеют размер 2,54x2,54 см и разде-
лены на клетки с размером стороны 0,254 см
Электродвигатель постоянного тока
205

Варианты
Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока
крутящий момент при малой скорости, но ско-
рость вращения двигателя, обмотки которого
соединены «звездой», невысока.
Редукторный двигатель
Редукторный двигатель содержит блок редук-
торов, которые увеличивают крутящий момент,
доступный на выходном вале, одновременно
уменьшая скорость его вращения. Зачастую это
необходимо, поскольку эффективная скорость
вращения традиционного двигателя постоянно-
го тока может составлять от 3000 до 8000 обо-
ротов в минуту, что чересчур быстро для боль-
шинства устройств. Редуктор и двигатель часто
заключены в общий закрытый цилиндрический
корпус (рис. 22.6).
Разобранный двигатель, у которого под крыш-
кой видна часть зубчатой передачи (слева ввер-
ху), а ответная часть смонтирована на отдель-
ной круглой пластине (слева в центре), показан
на рис. 22.7. Когда двигатель собран, шестерни
Рис. 22.5. Обмотки ротора традиционного двигателя посто-
янного тока могут соединяться в виде конфигурации «тре-
угольник» {вверху) или «звезда» {внизу)
Рис. 22.6. Два небольших типичных редукторных двигателя
Рис. 22.7. Прямозубая цилиндрическая зубчатая передача из
редукторного двигателя обеспечивает снижение скорости и
увеличение крутящего момента
206
Статья 22

Зпектромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока
Варианты
приходят в зацепление. Как и у двигателя трюм-
ной помпы (см. рис. 22.4), магниты статора на-
ходятся внутри цилиндрического кожуха (спра-
ва вверху). Обратите внимание, что щетки на
белой пластиковой пластине снабжены резисто-
ром и конденсатором, подавляющими всплески
напряжения (справа внизу).
Прямозубые цилиндрические зубчатые передачи
(рис. 22.8) широко используются для пониже-
ния скорости вращения, но им может потребо-
ваться три или более пар шестерен, сцепленных
последовательно. Общее снижение скорости
вычисляется тогда умножением отдельных ко-
эффициентов передачи. Так, если три пары ше-
стерен имеют коэффициенты передачи 37 : 13,
31:15 и 39 :17, то общее снижение скорости R
определяется так:
R = (37 * 31 * 39) / (13 * 15 * 17)
Следовательно:
R = 44733 / 3315 = около 13,5 : 1
В спецификациях величина R всегда выражена
целым числом. Например, для зубчатой пере-
дачи, показанной на рис. 22.7, производителем
рассчитан общий понижающий коэффициент,
равный 50:1. В действительности, в таком коэф-
фициенте следует ожидать наличия дробной ча-
сти. Это связано с тем, что если бы коэффициент
передачи для двух шестерен выражался целым
числом, то тогда срок их службы сократился бы,
поскольку какой-либо дефект зуба малой ше-
стерни при каждом обороте ударял бы в те же
самые точки большой шестерни. Из этих сооб-
ражений числа зубьев двух шестерен в переда-
че обычно не имеют общих множителей (как в
приведенном ранее примере), и если двигатель
вращается со скоростью 500 оборотов в минуту,
то маловероятно, что при заявленном переда-
точном отношении 50:1 на выходе будет точно
10 оборотов в минуту. Впрочем, поскольку тра-
диционные двигатели постоянного тока редко
используются в устройствах, требующих вы-
сокой точности, это обстоятельство обычно не
вызывает существенных сложностей, но о нем
следует помнить.
Чуть более дорогостоящим вариантом зубча-
тых передач являются планетарные передачи
(рис. 22.9). Внешнее кольцевое зубчатое коле-
со называется кольцевой шестерней, в центре
Рис. 22.8. Пара прямозубых шестерен
Рис. 22.9. Планетарные передачи распределяют крутящий
момент от электродвигателя среди большего числа зубьев,
чем в простых прямозубых передачах
Электродвигатель постоянного тока
207

Варианты
Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного шога
расположена солнечная шестерня, а промежу-
точные планетарные шестерни могут быть уста-
новлены на водиле. Максимальное понижение
скорости достигается при вращении солнечной
шестерни по неподвижной кольцевой, при этом
итоговое вращение забирается с водила плане-
тарных шестерен. Если А — количество зубьев
кольцевой шестерни, a S — количество зубьев
солнечной шестерни, то тогда общее понижение
скорости R вычисляется по следующей формуле:
R = (S + А) / S
Заметьте, что в такой конфигурации привода
число зубьев каждой планетарной шестерни не
влияет на снижение скорости. Так, на рис. 22.9 у
солнечной шестерни 27 зубьев, а у кольцевой —
45. Следовательно, понижающий коэффициент
находится по формуле:
R = (27 + 45) / 27 = около 2,7 : 1
Последовательного понижения скорости можно
добиться за счет каскадного подключения бло-
ков планетарных передач, при котором водило
одного блока вращает солнечную шестерню сле-
дующего.
Планетарные передачи используются глав-
ным образом в электроприводах с высокой на-
грузкой, так как при этом сила распределяется
по нескольким парам шестерен, что снижает
износ их зубьев и минимизирует истощение
смазки. Планетарная зубчатая передача может
быть также более компактной, чем прямозубая
цилиндрическая. Эти преимущества следует
сопоставить с более высокой стоимостью и по-
вышенным трением вследствие большего числа
шестерен, взаимодействующих друг с другом.
Бесщеточный электродвигатель
постоянного тока
В бесщеточном электродвигателе постоянного
тока (в англоязычной литературе иногда назы-
ваемом brushless DC motor, BLDC motor) обмотки
расположены в статоре, а постоянные магниты
перемещены в ротор. Большим преимуществом
такой конструкции является возможность пода-
чи питания напрямую к обмоткам, что устраня-
ет необходимость в щетках, которые являются
основным источником неисправностей в дви-
гателях постоянного тока из-за их износа. Тем
не менее, поскольку здесь нет вращающегося
коллектора для коммутации постоянного тока
в обмотках, ток должен коммутироваться до-
полнительными электронными компонентами,
которые увеличивают стоимость электродвига-
теля.
В конфигурации inrunner статор расположен во-
круг ротора, а в конфигурации outrunner статор
располагается в центре двигателя, а ротору при-
дается форма кольца или чаши, вращающейся
вокруг статора. Такая конструкция распростра-
нена в небольших охлаждающих вентиляторах,
лопасти которых прикреплены к внешней по-
верхности чаши с вделанными в нее постоянны-
ми магнитами (рис. 22.10, внизу). Здесь обмотки
статора в нормальном состоянии скрыты и по-
мещены внутри корпуса вентилятора {вверху),
а питание управляется компонентами, смон-
тированными на круглой печатной плате с по-
мощью поверхностного монтажа.
Использование системы на полупроводниковых
ключах для последовательной подачи питания
на обмотки называется электронной коммута-
цией. Здесь могут применяться датчики на эф-
фекте Холла, определяющие положение ротора
и передающие эту информацию в контур управ-
ления частотой — чтобы он оставался «на шаг
впереди» ротора (при его раскручивании) или
синхронизировался с ним (для поддержания
постоянной скорости). Эта система совместима
с реактивным синхронным двигателем или син-
хронным электродвигателем, рассмотренными
в статье электродвигатель переменного тока
этой энциклопедии.
В то время как традиционные электродвигате-
ли постоянного тока были серийно доступны
с конца XIX века, бесщеточные электродвига-
208
Статья 22

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока
Параметры
тели постоянного тока стали внедряться только
с 60-х годов прошлого века, когда доступность
полупроводниковой управляющей электроники
сделала конструкцию таких электродвигателей
экономически оправданной.
Линейный исполнительный
механизм
Линейный исполнительный механизм — это об-
щий термин для любого устройства, которое
способно создавать толкательное или тяговое
усилие вдоль прямой. В промышленных при-
ложениях исполнительные механизмы могут
приводиться в действие пневматически или ги-
дравлически, но в небольших блоках они обыч-
но приводятся в действие традиционным элек-
тродвигателем постоянного тока. Более точно
(но редко) их называют электромеханическими
линейными исполнительными механизмами.
Вращательное усилие электродвигателя обыч-
но преобразуется в линейное перемещение при
помощи вала с винтовой резьбой в сочетании
с муфтой или втулкой. Такой блок часто уста-
навливается в корпусе, содержащем концевые
выключатели, которые автоматически оста-
навливают электродвигатель при достижении
границы рабочего хода (описание концевых
выключателей можно найти в разд. «Концевые
выключатели» статьи переключатель этой эн-
циклопедии).
Параметры
Рис. 22.10. Типичный вентилятор охлаждения с бесщеточным
электродвигателем постоянного тока использует неподвиж-
ные обмотки, вокруг которых вращаются постоянные магни-
ты, вмонтированные в чашу с лопастями
В спецификации производителя обычно ука-
зываются максимальное рабочее напряжение
и типичное потребление тока при умеренной
нагрузке электродвигателя, а также ток тор-
можения, который потребляет двигатель, когда
он нагружен настолько сильно, что перестает
вращаться. Если ток торможения не указан, его
можно определить опытным путем, подключив
амперметр (или мультиметр, настроенный на
измерение силы тока) последовательно с элек-
тродвигателем и приложив к его валу заторма-
живающее усилие, вплоть до его полной оста-
новки. Электродвигатели обычно защищаются
с помощью медленно перегорающих предо-
хранителей, которые выдерживают колебания
мощности, возникающие при запуске электро-
двигателя или при изменении их нагрузки.
В дополнение к этому может указываться кру-
тящий момент, который способен развить
электродвигатель. Крутящий момент можно
представить так: если один конец рычага слу-
жит точкой поворота, а к другому концу прикре-
плен груз, то крутящий момент, действующий на
Злектродвигатель постоянного тока
209

Использование Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тот
точку поворота, находится умножением веса на
длину рычага.
В Соединенных Штатах крутящий момент ча-
сто выражается в фунто-футах или в унцие-
дюймах — для небольших электродвигателей.
В метрической системе крутящий момент может
быть выражен в грамм-сантиметрах, ньютон-
метрах (Н»м) или дина-метрах (дин»м). Как
известно, один ньютон равен 100 000 дин.
А одна дина определяется как сила, необходи-
мая для ускорения тела массой 1 г, таким обра-
зом, чтобы его скорость увеличивалась на 1 см/с
каждую секунду. Один ньютон-метр приблизи-
тельно равен 0,738 фунто-фута.
Скорость вращения традиционного электродви-
гателя постоянного тока можно регулировать
изменением подаваемого напряжения. Однако
если напряжение упадет ниже 50% от расчетно-
го значения, то электродвигатель может попро-
сту остановиться.
Мощность, создаваемая электродвигателем,
определяется как произведение скорости вра-
щения на крутящий момент при этой скорости.
Наибольшая мощность будет развиваться, когда
электродвигатель работает на скорости, состав-
ляющей половину скорости холостого хода, и
при этом обеспечивает половинный крутящий
момент торможения. Однако работа электро-
двигателя в таком режиме обычно приводит к
появлению неприемлемого количества тепла и
сокращает срок его службы.
Небольшие электродвигатели постоянного тока
должны работать на скорости 70-90% от вели-
чины скорости холостого хода и при 10-30%
от величины крутящего момента блокировки.
В этом режиме электродвигатель наиболее эф-
фективен.
В идеале электродвигатели постоянного тока,
которые используются с редуктором, должны
приводиться в движение напряжением меньше
номинального. Это продлит срок службы элек-
тродвигателя.
При выборе электродвигателя важно также при-
нимать во внимание осевую нагрузку (вес или
сила, которая будет приложена вдоль оси или
вала электродвигателя) и радиальную нагрузку
(вес или сила, которая будет приложена перпен-
дикулярно оси). Максимальные значения этих
величин должны указываться в спецификациях.
В любительском конструировании номиналы
электродвигателей для авиамоделей обычно
определяют в ваттах на фунт (сокращается как
Вт/фунт). Диапазон значений обычно состав-
ляет от 50 до 250 Вт/фунт — большие значения
обеспечивают лучшую производительность.
Соотношения между крутящим моментом, ско-
ростью вращения, напряжением и силой тока в
традиционном электродвигателе постоянного
тока, при условии, что гипотетический электро-
двигатель эффективен на 100%, можно без тру-
да описать следующими постулатами:
• если сила тока постоянна, то крутящий мо-
мент также будет постоянным, вне зависи-
мости от скорости вращения электродви-
гателя;
• если нагрузка, приложенная к электро-
двигателю, остается постоянной (тем самым
вынуждая электродвигатель выдерживать
постоянный крутящий момент), то ско-
рость вращения электродвигателя будет
определяться приложенным напряжением;
• если подаваемое на электродвигатель на-
пряжение остается постоянным, то крутя-
щий момент будет обратно пропорционален
скорости вращения.
Использование
Преимуществами традиционного электродви-
гателя постоянного тока являются его низкая
стоимость и простота, однако он пригоден лишь
для периодического использования, поскольку
изнашиваемость щеток и коллектора снижа-
ет срок его службы. Скорость вращения такого
210
Статья 22

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока
Использование
двигателя будет равномерной лишь приблизи-
тельно, что делает его непригодным для точных
применений.
По мере снижения стоимости управляющей
электроники, традиционные электродвигатели
постоянного тока все более вытесняются бес-
щеточными электродвигателями постоянного
тока. Их долговечность и управляемость яв-
ляются очевидными преимуществами в таких
сферах применения, как приводы жестких дис-
ков, компьютерные вентиляторы с переменной
скоростью вращения, проигрыватели компакт-
дисков и некоторые электроинструменты.
Разнообразие доступных размеров, а также хо-
рошее соотношение мощность-вес, привело к их
активному применению в игрушках и неболь-
ших транспортных средствах, начиная с радио-
управляемых автомобилей, самолетов и верто-
летов и заканчивая персональными устройства-
ми для перемещения типа самоката Segway. Они
используются также в дисковых проигрывате-
лях с прямым приводом.
Когда в каком-либо устройстве необходимо
преобразование вращательного движения вала
электродвигателя в линейное, более надеж-
ным и простым решением может оказаться се-
рийно производимый линейный исполнитель-
ный механизм, а не создание кривошипа с нуля
и соединение его со штоком или с элементом,
приводимым в движение кулачком. Большие
линейные исполнительные механизмы исполь-
зуются в производственной автоматике, а блоки
меньших размеров популярны в любительской
робототехнике и могут также применяться для
управления небольшими системами в доме, —
например, дистанционно управляемой межком-
натной дверью.
Управление скоростью вращения
Чтобы управлять скоростью вращения тради-
ционного электродвигателя постоянного тока,
последовательно с ним можно подключить рео-
стат или потенциометр, но эффективность
такого решения сомнительна, поскольку эти
компоненты будут создавать падение напряже-
ния и вырабатывать тепло. В любом случае рео-
стат должен надлежащим образом подбираться
по номиналу и, вероятно, иметь проволочную
основу. Падение напряжения между движком
и входным выводом реостата, а также силу тока
в цепи следует измерить при различных рабо-
чих условиях, чтобы убедиться в правильности
расчетной мощности.
В качестве средства управления скоростью для
традиционного электродвигателя постоянно-
го тока предпочтительнее широтно-импульсная
модуляция (ШИМ). Схема, которая служит этой
цели, иногда называется прерывателем, по-
скольку она разрывает непрерывный электриче-
ский поток на отдельные импульсы. Обычно эти
импульсы имеют постоянную частоту, но разли-
чаются длительностью. Длительность импульса
определяет среднюю обеспечиваемую мощность,
а частота достаточно высока и поэтому не отра-
жается на плавности работы электродвигателя.
Для создания последовательности импульсов
с ШИМ можно воспользоваться однопереход-
ным транзистором с управляемым порогом
(PUT, Programmable Unijunction Transistor), под-
ключив к его эмиттеру потенциометр. Выходной
сигнал с такого транзистора поступает на триод-
ный тиристор (SCR, Silicon-Controlled Rectifier),
который подключен последовательно с электро-
двигателем или может напрямую соединять-
ся с ним, если электродвигатель небольшой
(см. рис. 27.7 в статье однопереходный тран-
зистор).
Как вариант, для создания последовательности
импульсов можно использовать таймер 555,
управляющий МОП-транзистором, подключен-
ным последовательно с электродвигателем.
В качестве источника импульсов можно также
задействовать микроконтроллер, поскольку
многие микроконтроллеры обладают встроен-
ной ШИМ-функцией. Для такого микроконт-
Злектродвигатель постоянного тока
211

Использование
Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тот
роллера потребуется отдельный стабилизиро-
ванный источник питания (обычно 5 или 3,3 В
постоянного тока, а иногда меньше) и переклю-
чающий компонент — такой как биполярный
транзистор с изолированным затвором (IGBT,
Insulated-Gate Bipolar Transistor), чтобы снаб-
жать электродвигатель достаточной мощностью
и управлять обратным напряжением. Эти ком-
поненты приведут к увеличению стоимости си-
стемы, но многие современные устройства уже
содержат в себе микроконтроллеры, — просто,
чтобы обрабатывать пользовательские входные
данные. Еще одним преимуществом от использо-
вания микроконтроллера является возможность
изменения его выходного сигнала путем дора-
ботки программного обеспечения, — например,
когда старый электродвигатель заменяется но-
вым с другими характеристиками, или если по
каким-либо причинам поменялись требования.
Кроме того, микроконтроллер позволяет задей-
ствовать дополнительные сложные функции —
такие как предварительно заданный набор ско-
ростей, запоминание пользовательских настро-
ек и/или реакции, например, на избыточное
потребление тока или нагрев электродвигателя.
На рис. 22.11 приведена ШИМ-схема, исполь-
зующая микроконтроллер и биполярный тран-
зистор с изолированным затвором.
Управление направлением
вращения
Одной из самых ранних систем изменения на-
правления вращения электродвигателя посто-
янного тока за счет простой смены полярности
его источника питания является схема, назы-
ваемая Н-мост (рис. 22.12): переключатели,
расположенные по диагонали, замкнуты, два
других переключателя — разомкнуты, а чтобы
изменить направление вращения электродви-
гателя, состояние переключателей меняется на
противоположное. Очевидно, что эта схема эле-
ментарна, однако термин «Н-мост» все также
используется даже тогда, когда она оформлена
в виде отдельной микросхемы, — например,
мостового контроллера LMD18200 компании
National Semiconductor.
Рис. 22.11. Образец схемы для управления электродвигате-
лем постоянного тока с помощью широтно-импульсной моду-
ляции: здесь используются микроконтроллер и биполярный
транзистор с изолированным затвором
Рис. 22.12. Направление вращения электродвигателя посто-
янного тока можно изменить на противоположное с помощью
этой очень простой схемы, известной как Н-мост: размыкая и
замыкая переключатели, расположенные по диагонали друг
к другу
212
Статья 22

Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока Что может пойти не ток?
скоростью вращения ускоряют изнашивание
в тех местах, где щетки касаются коллектора.
Рис. 22.13. Двухполюсный переключатель на два направле-
ния или реле могут изменить направление вращения тради-
ционного электродвигателя постоянного тока за счет простой
смены полярности источника питания
С этой же целью можно применить двухполюс-
ный переключатель на два направления или
реле (рис. 22.13).
Концевые выключатели
Когда традиционный электродвигатель посто-
янного тока используется в пределах ограни-
ченного для перемещения диапазона, чтобы
защитить двигатель от останова и перегорания
по достижении любого из концов разрешенного
рабочего хода, он может снабжаться концевы-
ми выключателями (описание которых можно
найти в разд. «Концевые выключатели» статьи
переключатель этой энциклопедии).
Что может пойти не так?
Щетки и коллектор
Главными причинами выхода из строя электро-
двигателей постоянного тока являются исти-
рание щеток, а также износ, окисление и/или
загрязнение коллектора. Некоторые электро-
двигатели сконструированы с возможностью
замены щеток, но герметизированные и редук-
торные электродвигатели этого, как правило,
не допускают. Сильный ток вкупе с высокой
Электрические помехи
Прерывистый контакт между щетками и сек-
циями коллектора в традиционном электро-
двигателе постоянного тока способен вызывать
всплески напряжения, которые могут вернуться
к источнику питания электродвигателя и вы-
звать различные случайные эффекты в других
компонентах схемы.
Искрение в коллекторе также может стать суще-
ственным источником электромагнитных помех
(ЭМЛ), особенно если используются недорогие
или плохо подогнанные щетки. Даже если кол-
лектор работает без помех, быстрое создание
магнитного поля в обмотке электродвигате-
ля с последующим его затуханием может вы-
звать выбросы, которые проникнут в источник
питания.
Провода, которые подводят питание к электро-
двигателю, должны представлять собой скру-
ченную пару, чтобы излучаемые ими электро-
магнитные помехи стремились погасить друг
друга. Их следует прокладывать в стороне от ин-
формационных шин или выходов кодирующих
устройств. При необходимости их можно экра-
нировать. Информационные шины от датчиков
в бесщеточных электродвигателях также могут
быть экранированы.
Подключение конденсатора к выводам электро-
двигателя может существенно снизить ЭДС.
У некоторых электродвигателей такие конден-
саторы установлены производителем, и если
электродвигатель смонтирован в закрытом кор-
пусе, может потребоваться его разборка, чтобы
выяснить, присутствует ли конденсатор.
Эффекты нагрева
Поскольку КПД всех электродвигателей в реаль-
ности менее чем 100%, часть мощности теряется
Электродвигатель постоянного тока
213

Что может пойти не так? Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного том
во время нормальной работы электродвигателя
и рассеивается в виде тепла. Сопротивление об-
моток электродвигателя и, как следствие, соз-
даваемая ими магнитная сила при возрастании
температуры уменьшаются, электродвигатель
становится менее эффективным и пытается
потребить больший ток, усугубляя ситуацию.
К рассчитанной производителем для вашего
электродвигателя максимальной температуре
следует относиться серьезно.
Если избыточный нагрев имеет место, самой
уязвимой частью электродвигателя становится
изоляция проводов обмотки. Короткое замы-
кание между соседними обмотками в результате
пробоя изоляции снизит производительность
электродвигателя, увеличив потребляемую им
мощность, что приведет к выделению еще боль-
шего тепла. Если корпус электродвигателя име-
ет выступающие наружу щелевидные отгибы,
к этим охлаждающим ребрам следует обеспе-
чить доступ открытого воздуха.
Частый пуск, останов и изменение направления
вращения также приводят к выделению тепла
в результате скачков мощности и снижают срок
службы электродвигателя.
Условия окружающей среды
Теплая и сухая окружающая среда способна ис-
сушить смазку подшипников и графитовые щет-
ки. И, напротив, очень холодная окружающая
среда приводит к загустеванию смазки. Если
электродвигатель предназначен для использо-
вания в нетипичных условиях окружающей сре-
ды, следует проконсультироваться с его произ-
водителем.
Неправильный тип вала
или диаметр
Электродвигатели могут иметь выходной
вал различного диаметра, иногда он измерен
в дюймах, а иногда — в миллиметрах, может
быть длинным или коротким, а также иметь
D-образное сечение или шлицы для сопряжения
с соответствующими приспособлениями типа
зубчатых передач, шкивов или соединительных
муфт. Чтобы выяснить совместимость, необхо-
димо тщательно изучать спецификации.
В сфере любительской электроники поставщики
могут предлагать изготовленные для различных
целей и конкретных валов электродвигателей
специальные диски или рычаги.
Неподходящий тип монтажа
электродвигателя
Монтажные выступы или фланцы могут при-
сутствовать, но могут и отсутствовать, и могут
также оказаться несовместимыми с устрой-
ством, для которого предназначен электродви-
гатель. Один и тот же электродвигатель может
быть доступен с различными вариантами мон-
тажа, которые отличаются только одной буквой
или цифрой в маркировке компонента. Вариант
монтажа, который был доступен раньше, может
устареть и попросту перестать поступать в про-
дажу. Опять-таки, изучение спецификаций не-
обходимо.
Мертвый ход
Мертвый ход — это ослабление или «люфт»
в зубчатой передаче, который возникает вслед-
ствие наличия небольших зазоров между заце-
пленными зубьями шестерен. Поскольку мерт-
вый ход накапливается при последовательном
зацеплении шестерен, его величина может стать
существенной для медленного электродвигателя
с редуктором. При измерении на выходном валу
он обычно составляет от 1 до 7° и возрастает при
увеличении нагрузки.
Если редукторный электродвигатель исполь-
зуется как устройство позиционирования
и снабжен кодирующим устройством, которое
подсчитывает обороты вала электродвигателя,
214
Статья 22

Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель постоянного тока Что может пойти не так?
то управляющая электроника может привести
электродвигатель к «рысканию» в попытке
преодолеть гистерезис, вызванный мертвым
ходом. Шаговый двигатель или серводви-
гатель, вероятно, лучше подойдут для такого
применения.
Подшипники
Подшипники электродвигателя, который не рас-
считан на существенную осевую нагрузку, могут
выйти из строя, когда к ним прикладывается
избыточное усилие при надевании выходной
шестерни или шкива на вал электродвигателя.
Даже небольшое повреждение подшипников
может вызывать существенный шум (см. следу-
ющий раздел) и привести к сокращению срока
службы компонента.
В бесщеточных электродвигателях постоянного
тока самой частой причиной поломки являет-
ся износ подшипников. Попытки восстановить
подшипники при помощи их разборки и до-
бавления смазки обычно не стоят затраченных
усилий.
Акустический шум
Хотя электродвигатели обычно не считаются
шумными устройствами, их корпус может вы-
ступать в роли резонатора, а шум от подшипни-
ков станет, скорее всего, возрастать со временем,
при этом шарикоподшипники сначала шумят
меньше, а шестерни создают шум изначально.
Если устройство содержит несколько электро-
двигателей или работает в непосредственной
близости к людям, которые чувствительны
к шуму (например, в медицинских учреждени-
ях), следует убедиться, что валы электродвига-
телей хорошо сбалансированы, а сами электро-
двигатели можно установить на резиновые изо-
ляторы или муфты, которые будут поглощать
вибрацию.
Электродвигатель постоянного тока
215

Электромагнитная энергия > вращательное движение >
электродвигатель переменного тока
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
23
Разграничение между электродвигателями переменного и постоян-
ного тока стало размытым, поскольку контроллеры для двигателей
постоянного тока все чаще используют широтно-импульсную моду-
ляцию, которую можно рассматривать как одну из форм переменно-
го тока.
Все электродвигатели, которые потребляют постоянный ток, отне-
сены к статье электродвигатель постоянного тока этой энцикло-
педии, вне зависимости от того, осуществляют ли они внутреннюю
модуляцию тока.
Шаговые двигатели и серводвигатели рассматриваются как осо-
бые случаи, каждый в собственной статье.
Представленные же здесь электродвигатели переменного тока (по
англ. AC motor), — это такие двигатели, которые потребляют перемен-
ный ток, обычно синусоидальной формы с фиксированной частотой.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• электродвигатель постоянного тока (см. статью 22)
• серводвигатель (см. статью 24)
• шаговый двигатель (см. статью 25)
Описание
Электродвигатель переменного тока использу-
ет источник питания переменного тока, чтобы
создавать меняющееся магнитное поле, которое
вращает его вал.
питает одну или несколько обмоток в статоре,
создавая переменные магнитные поля, которые
взаимодействуют с ротором (рис. 23.1): здесь
обмотки создают магнитные силы, отмеченные
стрелками, N — представляет северный, a S —
южный магнитный полюс.
Устройство
Электродвигатель переменного тока состоит,
главным образом, из двух частей: статора, ко-
торый остается неподвижным, и ротора, вра-
щающегося внутри статора. Переменный ток
Конструкция статора
В электрические вентиляторы со штепсельным
подключением обычно устанавливают электро-
двигатели переменного тока. Статор большо-
го электровентилятора показан на рис. 23.2 -
большой диаметр каждой обмотки усиливает их
Электродвигатель переменного тока
217

Устройство Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного токо
магнитное действие. Статор электровентилято-
ра меньших размеров показан на рис. 23.3 — он
йй содержит всего одну обмотку (она здесь оберну-
tt < та черной изоляционной лентой).
Сердечник статора напоминает сердечник
трансформатора, поскольку обычно представ-
ляет собой набор пластин из высококремнистой
i H I Щ f ЙйШ стали (а иногда из алюминия или из чугуна),
^ изолированных друг от друга тонкими прослой-
ками шеллака (или подобной ему смеси), что по-
могает предотвратить возникновение вихревых
ё токов, которые в противном случае могли бы
^ циркулировать через всю толщу статора, снижая
| < его эффективность.
Обмотки, намотанные вокруг статора, часто на-
зывают обмотками возбуждения, поскольку они
«"■" шгштое па№ «^ запускает *-
гатель.
магнитная сила
Рис. 23.2. Статор большого электрического вентилятора:
каждая обмотка из медной проволоки располагается вокруг
выступов, направленных внутрь к центральному отверстию,
в котором обычно помещается ротор, обмотки перекрыва-
ются, поскольку их диаметр максимизирован для увеличения
магнитного действия, а каждая обмотка снабжена отводами,
чтобы дать возможность пошагового выбора скорости с по-
мощью внешнего поворотного переключателя
Рис. 23.3. Статор электрического вентилятора меньших раз-
меров содержит единственную обмотку (она здесь обернута
изоляционной лентой): ее вполне достаточно для индуциро-
вания магнитного поля, но обычно она менее эффективна по
сравнению с двигателем, использующим несколько обмоток
218
Статья 23

Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тока Устройство
Конструкция ротора
В большинстве электродвигателей переменного
тока ротор не содержит никаких обмоток и не
соединяется электрически с остальной частью
двигателя. Он приводится в действие исключи-
тельно вызываемыми обмоткой магнитными
эффектами — такой тип двигателей известен как
асинхронные электродвигатели.
Когда напряжение переменного тока изменя-
ется с положительного на отрицательное, маг-
нитная сила, возникшая в статоре, снижается
и возникает новое магнитное поле с противопо-
ложной полярностью. Поскольку статор пред-
назначен для создания асимметричного поля, он
индуцирует в роторе вращающееся магнитное
поле. Понятие вращающегося магнитного поля
является фундаментальным для электродвига-
телей переменного тока.
Подобно статору, ротор выполнен из пластин
высококремнистой стали, пронизанных немаг-
нитными стержнями, обычно изготавливаемы-
ми из алюминия, а иногда и из меди, и ориен-
тированными приблизительно параллельно оси
вращения. Эти стержни закорочены между со-
бой с помощью колец с каждой стороны ротора
для формирования проводящей клетки. Именно
это объясняет, почему такие электродвигатели
в разговорной речи иногда называют двигате-
лями «с беличьей клеткой».
На рис. 23.4 показана конфигурация ротора
с клеткой, причем для наглядности окружающие
ее стальные пластины убраны. В действительно-
сти стержни клетки почти всегда расположены
немного под углом (рис. 23.5), что повышает
плавность хода и снижает вероятность магнит-
ного заклинивания или флуктуации крутящего
момента, появляющихся в противном случае.
Рис. 23.4. Ротор типичного электродвигателя переменного
тока содержит алюминиевую (иногда — медную) клетку, в ко-
торой под действием вращающегося магнитного поля внутри
стального корпуса ротора (для наглядности он здесь опущен)
возникают вихревые токи. Эти токи приводят к возникнове-
нию собственных магнитных полей, взаимодействующих с
полями, создаваемыми обмотками статора
Рис. 23.5. Для обеспечения плавной работы электродвигате-
ля продольные элементы клетки обычно слегка наклонены
Электродвигатель переменного тока
219

Устройство Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тока
^^^Щ
SSf
,^шт-:
?ШФ?'?*^V
Рис. 23.6. Стальные пластины в роторе электродвигателя пе-
ременного тока обычно расположены со сдвигом, а канавки
предназначены для размещения клетки из алюминиевых или
медных проводников
Рис. 23.7. Разрез ротора: стальная пластина показана тем-
ным цветом, а внедренные элементы алюминиевой клетки —
светлым
На рис. 23.6 показаны стальные пластины ро-
тора с канавками, в которых размещается алю-
миниевая клетка с наклоненными ребрами, а
на рис. 23.7 приведен разрез ротора: элементы
клетки выделены светлым, а пластина имеет бо-
лее темную окраску.
Реальный ротор асинхронного электродвигате-
ля показан на рис. 23.8 — он был снят со статора,
показанного на рис. 23.3. До разборки подшип-
ники с каждой стороны ротора были прикрепле-
ны к статору болтами.
Хотя клетка сама по себе немагнитная, она про-
водит электрический ток. Следовательно, вра-
щающееся магнитное поле, которое индуциро-
вано в стальной части ротора, создает в клетке
существенный вторичный электрический ток, —
до тех пор, пока магнитное поле внутри ротора
вращается быстрее, чем сам ротор. Ток в про-
дольных элементах клетки создает собственное
магнитное поле, которое взаимодействует с по-
лями, созданными обмотками статора. При этом
Рис. 23.8. Ротор небольшого электродвигателя от вен гилято-
ра: алюминиевая клетка и ее торцевые части выглядят светло-
серыми, а стальные пластины имеют более темный цвет
220
Статья 23

Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тока Варианты
притяжение и отталкивание между этими поля-
ми приводит ротор в движение.
Заметьте, что если скорость вращения ротора
возрастает до соответствия частоте перемен-
ного тока, питающего обмотки статора, клетка
в роторе перестает поворачиваться относитель-
но магнитных силовых линий ротора и прекра-
щает извлекать из них мощность. В идеальном
электродвигателе без трения его рабочая ско-
рость вращения при отсутствии нагрузки была
бы в равновесии с частотой переменного тока,
но в реальности асинхронный электродвигатель
никогда не достигает этой скорости.
При подаче на асинхронный электродвигатель
питания при неподвижном роторе, он создает
сильный всплеск тока, что во многом подоб-
но замкнутому накоротко трансформатору.
С электротехнической точки зрения, обмотки
в статоре можно сравнить с первичной обмоткой
трансформатора, а клетка в роторе в продолже-
ние этой аналогии напоминает вторичную об-
мотку. Вращательное усилие, возникающее
Потребление тока
при запуске асинхронного
электродвигателя
в неподвижном роторе, называется крутящим
моментом при заторможенном роторе. Когда же
электродвигатель набирает обороты, потребле-
ние им мощности снижается (рис. 23.9).
Когда к работающему электродвигателю при-
кладывается механическая нагрузка, скорость
вращения ротора снижается. В результате ско-
рость вращения встроенной в ротор клетки из
проводников начинает отставать от скорости
вращения магнитного поля, вследствие чего она
начинает потреблять большую мощность и стре-
мится восстановить это отставание. Скорость
вращения поля определяется частотой источни-
ка питания переменного тока и, следовательно,
является постоянной. Разность же между скоро-
стями вращения магнитного поля и ротора на-
зывается скольжением. Более высокие значения
скольжения вызывают потребление большей
мощности, и таким образом асинхронный элек-
тродвигатель автоматически находит равнове-
сие для любой нагрузки в пределах расчетного
диапазона.
При работе с полной нагрузкой небольшой асин-
хронный электродвигатель может обладать зна-
чением скольжения от 4 до 6 процентов. У боль-
ших электродвигателей эта величина будет ниже.
Варианты
Рис. 23.9. Приближенная зависимость, показывающая типич-
ное потребление тока асинхронным двигателем переменного
тока, когда он начинает работу из состояния покоя и набира-
ет обороты в течение некоторого времени
Варианты типового асинхронного электродви-
гателя, рассмотренного ранее, обычно предна-
значены для использования преимуществ одно-
фазного или трехфазного переменного тока.
Синхронный электродвигатель — это вариант,
в котором ротор поддерживает постоянную ско-
рость вращения вне зависимости от небольших
колебаний нагрузки.
Некоторые электродвигатели переменного тока
содержат коллектор, который позволяет выпол-
нить внешнее подключение к обмоткам, распо-
ложенным на роторе, и осуществлять управле-
ние скоростью вращения.
Электродвигатель переменного тока
221

Варианты Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тот
Линейный электродвигатель состоит из двух
рядов обмоток, питаемых серией импульсов,
которые могут перемещать постоянный магнит
или электромагнит, расположенный между об-
мотками. Как вариант, обмотки линейного элек-
тродвигателя могут перемещаться в результате
магнитного взаимодействия с неподвижным
брусом, разделенным на сегменты. Детальное
описание линейных электродвигателей выходит
за рамки этой энциклопедии.
Однофазный асинхронный
электродвигатель
Большинство асинхронных электродвигателей
работает от однофазного переменного тока (как
правило, от бытовой электросети). Электро-
двигатели этого типа не могут запускаться авто-
матически, поскольку обмотки статора и ротор
у них симметричны. Простая подача на них
электропитания приводит к появлению вибра-
ции, а не вращения.
Чтобы вращение смогло начаться, конструкция
статора должна быть изменена таким образом,
чтобы он индуцировал асимметричное маг-
нитное поле, которое является более мощным
в одном направлении, чем в остальных. Самый
простой способ добиться этого — добавить
к статору одну или несколько закорачивающих
обмоток. Каждая такая обмотка зачастую пред-
ставляет собой лишь виток из медного провода
с большим сечением (закорачивающие медные
витки видны на статоре вентилятора, показан-
ном на рис. 23.3). Этот прием снижает эффек-
тивность электродвигателя, уменьшая его кру-
тящий момент, и обычно используется в неболь-
ших устройствах типа электровентиляторов,
для которых величина крутящего момента несу-
щественна. Поскольку закорачивающие обмот-
ки частично препятствуют магнитному полю,
такую конфигурацию часто называют электро-
двигателем с экранированными полюсами.
Более дорогой, но более эффективной альтер-
нативой закорачивающей обмотке является
конденсатор. Если питание подается на одну или
несколько обмоток статора через конденсатор,
то он станет вносить разность фаз между эти-
ми и остальными обмотками электродвигате-
ля, индуцируя асимметричное магнитное поле.
В конструкцию такого электродвигателя можно
встроить центробежный автоматический вы-
ключатель, который отключит конденсатор от
цепи, когда электродвигатель достигнет при-
близительно 80% от своей расчетной скорости
вращения. Отключение конденсатора и предо-
ставление прямого подключения питания к об-
моткам статора увеличит эффективность элек-
тродвигателя.
Третий вариант старта — добавление в статор
второй обмотки, которая использует меньшее
количество витков провода с меньшим сечени-
ем и обладает большим сопротивлением, чем
основная обмотка. Вследствие этого магнитное
поле будет располагаться под углом, инициируя
начало вращения электродвигателя. Такая кон-
фигурация называется асинхронным электро-
двигателем с расщепленной фазой. Его пусковую
обмотку часто называют дополнительной обмот-
кой, и она составляет примерно 30% от обще-
го объема обмоток в электродвигателе. Опять-
таки, в этот электродвигатель можно встроить
центробежный выключатель, отключающий до-
полнительную обмотку от цепи, когда электро-
двигатель достигает 75-80% от расчетной ско-
рости вращения.
Соотношение между скоростью вращения элек-
тродвигателя и крутящим моментом для трех
типов электродвигателей, рассмотренных здесь,
показано на рис. 23.10. Эти кривые упрощены
и не отражают эффекта, который возник бы при
использовании центробежного выключателя.
Трехфазный асинхронный
электродвигатель
Крупные асинхронные электродвигатели часто
являются трехфазными устройствами. Трех-
фазный переменный ток (который, безусловно,
222
Статья 23

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тока Варианты
представляет собой простейшую форму много-
фазного переменного тока) поставляется —
обычно для промышленного использования —
электроэнергетической компанией или генера-
тором по трем проводам, каждый из которых
несет переменный ток с фазой, отличающейся
на 120° относительно двух других проводов.
На рис. ЦВ-23.11 показана распространенная
конфигурация обмоток статора для трехфазного
электродвигателя. Поскольку три провода трех-
фазного переменного тока поочередно подводят
к обмоткам пиковое напряжение, они идеально
подходят для вращения ротора электродвигате-
ля с помощью индукции, при этом для запуска
не требуется закорачивающая обмотка или кон-
денсатор. Трехфазные асинхронные электро-
двигатели для тяжелых режимов работы исклю-
чительно надежны, они лишены щеток и, как
правило, не требуют обслуживания.
Синхронный электродвигатель
Синхронный электродвигатель представляет
собой разновидность асинхронного электро-
двигателя, который сконструирован таким об-
разом, чтобы достигать равновесия и сохранять
его, когда ротор вращается полностью синхрон-
но с переменным током от источника питания.
Скорость вращения такого электродвигателя
зависит от количества полюсов (магнитных
обмоток) в статоре и от числа фаз в источнике
запуск ш работа
с участием конденсатора
у с расщепленной
фазой
1 с экранироваинь
Рис. 23.10. Приближенные кривые, показывающие зависи-
мость между скоростью вращения и крутящим моментом для
трех типов однофазного асинхронного электродвигателя.
График заимствован из книги AC Induction Motor Fundamen-
tals («Основы асинхронных электродвигателей переменного
тока»), опубликованной компанией Microchip Technology Inc.
Рис. ЦВ-23.11. На графике показано напряжение, подавае-
мое через три провода трехфазного источника электропита-
ния (цвет кривых выбран произвольно): трехфазный электро-
двигатель содержит^ число обмоток, кратное трем, — зача-
стую шесть, как показано здесь схематически. Три провода от
источника питания подключены напрямую к этим обмоткам,
индуцируя при этом вращающееся магнитное поле
Электродвигатель переменного тока
223

Варианты Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного токо
питания. Если R — число оборотов синхронно-
го электродвигателя в минуту, f — частота пере-
менного тока (Гц), ар — количество полюсов на
фазу, то:
R = (120 * f) / р
В этой формуле подразумевается, что частота
переменного тока равна 60 Гц. В тех странах, где
используется переменный ток частотой 50 Гц,
число 120 следует заменить числом 100.
Существуют два основных типа синхронных
электродвигателей: с независимым возбуждени-
ем, которым для начала вращения необходи-
ма внешняя мощность, и с самовозбуждением,
которые являются самозапускающимися (по-
скольку синхронные электродвигатели с само-
возбуждением более распространены в элек-
тронных устройствах, в этой энциклопедии
варианты с независимым возбуждением не рас-
сматриваются).
Гистерезисный электродвигатель — это син-
хронный электродвигатель, содержащий сплош-
ной ротор, отлитый из кобальтовой стали, кото-
рый обладает высокой коэрцитивностью, — это
означает, что после его намагничивания требу-
ется существенное магнитное поле, чтобы из-
менить его магнитную полярность. Вследствие
этого полярность ротора запаздывает относи-
тельно постоянно изменяющейся полярности
статора, создавая силу, которая вращает ротор.
Поскольку угол запаздывания не зависит от ско-
рости вращения электродвигателя, он обеспечи-
вает постоянный крутящий момент со времени
запуска.
Реактивный электродвигатель
Магнитное сопротивление — это магнитный
эквивалент электрического сопротивления.
Если кусок железа может свободно переме-
щаться в магнитном поле, то он будет стремить-
ся занять относительно этого поля равновес-
ное положение, чтобы уменьшить магнитное
сопротивление магнитного контура. Этот прин-
цип использовался в самых ранних реактив-
ных электродвигателях, предназначенных для
работы от переменного тока и переживающих
второе рождение сейчас, когда стала недорогой
электроника, управляющая приводами с пере-
менной частотой.
Простейший реактивный электродвигатель со-
держит выполненный из мягкого железа ротор
с защитными выступами, который вращается
внутри статора, магнитно возбуждаемого с по-
мощью своего набора обращенных внутрь по-
люсов. Ротор поворачивается, пока его выступы
не выровняются с полюсами статора, миними-
зировав тем самым магнитное сопротивление.
Принципиальная схема реактивного электро-
двигателя показана на рис. 25.2 (она помещена в
статье шаговый двигатель этой энциклопедии,
так как в шаговых двигателях магнитное сопро-
тивление применяется в первую очередь).
Хотя реактивный электродвигатель может ра-
ботать от многофазного источника питания
переменного тока постоянной частоты, пита-
ние переменной частоты значительно увеличи-
вает его полезность. Синхронизация частоты
регулируется скоростью вращения электродви-
гателя, определяемой датчиком. За счет этого
подающие питание импульсы могут оставаться
«на шаг впереди» ротора. Поскольку ротор не
является магнитом, он не создает противоЭДС,
позволяя достигать очень высоких скоростей
вращения.
Простота самого электродвигателя выступа-
ет как компенсация стоимости электроники,
поскольку ему не требуется коллектор, щет-
ки, постоянные магниты или обмотки ротора.
Реактивные электродвигатели обладают следу-
ющими характеристиками:
• собраны из недорогих деталей, которые
легко производятся и являются высоко-
надежными;
• имеют компактный размер и малый вес;
224
Статья 23

Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тока Варианты
• достигают эффективности более 90%;
• обеспечивают высокий стартовый крутя-
щий момент и высокую рабочую скорость
вращения.
Среди их недостатков можно назвать шум,
магнитную блокировку и высокие требования
к соблюдению допустимых отклонений при
производстве, поскольку воздушный зазор
между ротором и статором должен быть мини-
мизирован.
Реактивный электродвигатель может функцио-
нировать синхронно, если он разработан с такой
целью.
Асинхронный двигатель
переменного тока
с фазным ротором
Статор в таком варианте, в основном, такой
же, как и в однофазном асинхронном электро-
двигателе, но ротор содержит собственный на-
бор обмоток. Они электрически доступны через
коллектор и щетки, как в электродвигателе
постоянного тока. Поскольку максимальный
крутящий момент (известный также как предель-
ный перегрузочный момент) пропорционален
Частотно-регулируемый
электропривод
Простейший асинхронный электродвигатель об-
ладает существенными недостатками. Мощность,
которую он потребляет при запуске из состояния
покоя, может понизить питающее напряжение
настолько, что это отразится на других устрой-
ствах, которые используют этот же источник
питания переменного тока (отсюда — кратко-
временное «проседание» освещения, которое
может возникнуть, когда начинает работать
компрессор в кондиционере воздуха или
холодильнике). Вращающийся электродвига-
тель может создавать электрические помехи,
которые возвращаются в источник питания
и, опять-таки, способны вызвать проблемы
в других устройствах. Кроме того, большим
недостатком является узкий диапазон скорос-
тей вращения асинхронного электродвигателя
переменного тока.
Приход эпохи недорогих полупроводниковых
технологий содействовал разработке для асин-
хронных электродвигателей источников пита-
ния с переменной частотой. Поскольку импеданс
электродвигателя при уменьшении частоты сни-
жается, сила потребляемого им тока увеличива-
ется. Чтобы избежать этого, источник питания
с переменной частотой также изменяет и пода-
ваемое им напряжение.
Рис. 23.12. Электродвигатель в электродрели содержит об-
мотки в щеточном роторе, что обеспечивает на выходе пере-
менную скорость вращения. В большинстве электродвигате-
лей переменного тока скорость вращения не настраивается,
и ротор не обладает электрическим соединением с остальной
частью электродвигателя
Ытродвигатель переменного тока
225

Варианты Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного токо
электрическому сопротивлению обмоток рото-
ра, параметры электродвигателя можно отрегу-
лировать через коллектор при помощи увели-
чения или уменьшения внешнего сопротивле-
ния. Более высокое сопротивление обеспечит
больший крутящий момент при малой скорости
вращения, когда проскальзывание между ско-
ростью вращения ротора и вращением маг-
нитного поля, индуцированного статором, мак-
симально. Это в особенности удобно в таких
электроинструментах, как электродрели, для
которых желателен высокий крутящий момент
при малой скорости вращения, даже если элек-
тродвигатель может быстро развить полную
скорость при уменьшении внешнего сопротив-
ления. Как правило, сопротивление регулирует-
ся с помощью переключателя на дрели.
На рис. 23.12 показан асинхронный двигатель
переменного тока с фазным ротором. Недоста-
ток такой конфигурации состоит в том, что щет-
кам, которые подают питание на ротор, время
от времени требуется обслуживание. Большие
электродвигатели подобного типа используются
также в промышленных установках — таких как
печатные станки и подъемники, для которых
необходимость наличия переменной скорости
делает непригодным простой трехфазный элек-
тродвигатель.
родвигатель постоянного тока, за исключением
того, что статор в универсальном электродвига-
теле использует электромагниты вместо посто-
янных магнитов, которые являются характерной
чертой электродвигателя постоянного тока.
При питании от переменного тока последова-
тельное подключение статора и ротора обеспе-
чивает дублирование в роторе каждого импуль-
са, который возникает в статоре, что приводит к
взаимному отталкиванию. Добавление закора-
чивающей обмотки в статор обеспечивает необ-
ходимую асимметрию магнитного поля, чтобы
электродвигатель смог начать вращение.
Универсальные электродвигатели не ограниче-
ны по частоте переменного тока и способны ра-
ботать на очень больших скоростях вращения.
Они обладают высоким начальным крутящим
моментом, компактны и недороги в производ-
стве. Применяются они в таких устройствах, как
миксеры, пылесосы и фены. В мастерских их
можно найти во фрезерных станках и в миниа-
тюрных электроинструментах (например, серии
Dremel).
Поскольку универсальному электродвигателю
необходимы коллектор и щетки, он пригоден
только для периодического использования.
Универсальный электродвигатель
Электродвигатель с фазным ротором может
быть назван также универсальным электродви-
гателем9тесли обмотки его ротора и статора под-
ключены последовательно. Такая конфигурация
позволяет подавать к нему питание как пере-
менного, так и постоянного тока.
Постоянный ток, поданный на ротор и статор,
вызывает в них взаимное магнитное отталки-
вание, и ротор начинает вращение. При враще-
нии ротора щетки, касающиеся разделенного
коллектора, меняют полярность напряжения
в обмотках ротора, и процесс повторяется. Эта
конфигурация очень похожа на обычный элект-
Электродвигатели с питанием
от инвертированного
переменного тока
Может показаться, что некоторые современные
бытовые электроприборы содержат электро-
двигатель переменного тока, но на самом деле
переменный ток в них выпрямляется до посто-
янного тока, а затем преобразуется с помощью
широтно-импульсной модуляции, чтобы обе-
спечить управление переменной скоростью вра-
щения. Такой электродвигатель фактически яв-
ляется электродвигателем постоянного тока
(дополнительную информацию о них см. в соот-
ветствующей статье).
226
Статья 23

Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного тока Параметры
Параметры
Поскольку простой асинхронный электродвига-
тель переменного тока управляется с помощью
частоты источника питания, скорость вращения
типичного четырехполюсного электродвига-
теля ограничена значением 1800 об/мин (или
1500 об/мин в тех странах, где принята частота
переменного тока 50 Гц).
Частотно-регулируемый электродвигатель,
универсальный электродвигатель и двигатель
с фазным ротором преодолевают это ограниче-
ние и способны развивать скорость вращения
от 10 000 до 30 000 об/мин. Синхронные элек-
тродвигатели обычно работают на скорости
1800 или 1200 об/мин, в зависимости от ко-
личества полюсов электродвигателя (там, где
используется частота переменного тока 50 Гц
вместо 60 Гц, они работают на скорости 1500
или 1000 об/мин).
Рассмотрение вопроса о крутящем моменте, ко-
торый может создать электродвигатель, можно
найти в разд. «Параметры» статьи электродви-
гатель постоянного тока этой энциклопедии.
Использование
Старомодные проигрыватели (в них опорная
платформа поддерживает виниловый диск, ко-
торый должен вращаться с фиксированной ско-
ростью) и электрические часы (аналогового
типа) были основной сферой применения син-
хронных электродвигателей, использовавших
частоту источника питания переменного тока
доя управления скоростью вращения электро-
двигателя. На смену этим устройствам пришли
проигрыватели компакт-дисков (которые обыч-
но приводятся в действие бесщеточными элек-
тродвигателями постоянного тока) и цифровые
часы (использующие кварцевые генераторы).
Многие бытовые приборы продолжают исполь-
зовать асинхронные электродвигатели с пита-
нием от переменного тока. Небольшие венти-
ляторы охлаждения в электронном оборудо-
вании иногда используют переменный ток, что
позволяет снизить ток, который должен обе-
спечиваться источником питания постоянного
тока. Асинхронный электродвигатель обычно
тяжелее и обладает меньшей эффективностью
по сравнению с другими типами двигателей,
а ограничение на скорость вращения, налагае-
мое частотой источника питания переменного
тока, является его существенным недостатком.
Обычный асинхронный электродвигатель не
может обеспечить усложненное управление,
которое необходимо в таких современных
устройствах, как CD- и DVD-проигрыватели,
струйные принтеры и сканеры. Шаговые дви-
гатели, серводвигатели и электродвигатели
постоянного тока, управляемые с помощью
широтно-импульсной модуляции, для таких при-
менений предпочтительнее.
Реактивный электродвигатель может найти
себе применение в таких высокоскоростных
и высокотехнологичных устройствах, как пыле-
сосы, фены и насосы. Большие электродвигате-
ли с переменным магнитным сопротивлением
и высокой силой тока могут применяться
для электропитания транспортных средств.
Варианты меньших размеров используются
в некоторых автомобилях для подачи питания
в систему рулевого управления и на стеклоочи-
ститель.
Что может пойти не так?
По сравнению с другими устройствами, имею-
щими движущиеся части, бесщеточный асин-
хронный электродвигатель является одним из
самых надежных и эффективных устройств,
которые когда-либо были изобретены. Однако
есть способы вывести из строя и его. Общие
проблемы, относящиеся ко всем типам электро-
двигателей, рассмотрены в разд. «Эффекты на-
грева» статьи 22. Далее же описаны проблемы,
относящиеся именно к электродвигателям пере-
менного тока.
Электродвигатель переменного тока
227

Что может пойти не так? Электромагнитная энергия > вращательное движение > электродвигатель переменного люю
Преждевременный перезапуск
Большие промышленные трехфазные асинх-
ронные электродвигатели могут выйти из
строя, если повторно подать на них питание до
полной остановки вращения.
Частый перезапуск
Если электродвигатель многократно останав-
ливать и запускать, то возможно накаплива-
ние тепла, которое появляется при начальном
всплеске тока.
Пониженное напряжение
или асимметрия напряжений
Понижение напряжения может привести к тому,
что электродвигатель станет потреблять ток
больше расчетного. Если эта ситуация будет со-
храняться, возникнет перегрев.
В трехфазных электродвигателях, у которых
одна из фаз не является сбалансированной по
напряжению с другими, также может возник-
нуть проблема. Самыми распространенными ее
причинами являются разомкнутый выключа-
тель, неправильная намотка или перегоревший
предохранитель, которые влияют лишь на один
из трех проводников. Электродвигатель будет
пытаться работать с использованием двух про-
водников, которые все еще обеспечивают мощ-
ность, но результат окажется, скорее всего, раз-
рушительным.
Заблокированный электродвигатель
Когда питание подается на асинхронный элек-
тродвигатель, а его вращению препятствуют,
проводникам ротора приходится выдерживать
сильный ток, который полностью рассеивается
в виде тепла. От этого выброса тока либо сгорит
электродвигатель, либо перегорит предохрани-
тель или выключатель. При проектировании
оборудования следует позаботиться о том, что-
бы свести к минимуму риск блокировки или за-
клинивания асинхронного электродвигателя.
Защитные реле
Для промышленных трехфазных электродви-
гателей выпускаются сложные защитные реле,
которые могут справиться со всеми перечислен-
ными здесь неприятностями, но их подробное
рассмотрение выходит за рамки этой энцикло-
педии.
Избыточный крутящий момент
Как уже отмечалось ранее, крутящий момент
асинхронного электродвигателя возрастает с
увеличением проскальзывания (разности ско-
ростей) между вращением магнитного поля и
вращением ротора. Следовательно, если элек-
тродвигатель перегружен и вынужден работать
медленнее, его вращательное усилие возраста-
ет. А это может вывести из строя другие части
устройства, присоединенные к электродвигате-
лю, — например, приводные ремни.
Внутреннее повреждение
В роторе перегруженного асинхронного элек-
тродвигателя могут появиться трещины или
разрывы. Это может стать очевидным, если
понизилась выходная мощность или возникла
вибрация, но иногда обнаруживается по суще-
ственному изменению мощности, потребляемой
неисправным двигателем.
228
Статья 23

Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
СЕРВОДВИГАТЕЛЬ
24
Серводвигатель (по англ. servo motor), если он предназначен для
использования в небольших устройствах, которые управляются дис-
танционно и получают питание от аккумулятора, следует называть
сервоприводом с дистанционным управлением. Однако на практике
это название часто сокращается.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• электродвигатель постоянного тока (см. статью 22)
• электродвигатель переменного тока (см. статью 23)
• шаговый двигатель (см. статью 25)
Описание
Фактически серводвигатель является комби-
нацией из электродвигателя, редуктора и ми-
ниатюрной управляющей электроники, обычно
скомпонованной внутри очень компактного за-
крытого корпуса. Сам электродвигатель может
работать как на переменном, так и на постоян-
ном токе, а в случае постоянного тока может
быть со щетками или без них. Серводвигатель
отличается от электродвигателей других типов
тем, что он не предназначен для продолжитель-
ного вращения — это устройство позициони-
рования. Диапазон поворота для него может
превышать 180°, но будет значительно меньше
360°.
На рис. 24.1 показаны два типичных серводвига-
теля с дистанционным управлением (вид со сто-
роны управляющих органов), а на рис. 24.2 —
вид серводвигателя сбоку.
Рис. 24.1. Типичный серводвигатель с дистанционным управ-
лением способен развивать крутящий момент более 50 дюйм-
унций (0,353 Н-м), получает электропитание от трех или четы-
рех элементов типа А А, а вес его не превышает 60 граммов
Серводвигатель
229

Устройство
Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
Электроника, расположенная внутри корпуса
двигателя, интерпретирует команды от внеш-
него блока управления. Код команды задает
желаемый угол поворота управляющего орга-
на, измеряемый как смещение в любую из сто-
рон относительно центрального положения
электродвигателя, — он быстро поворачивается
в заданное положение и останавливается. Пока
длится команда, и на электродвигатель подает-
ся питание, он удерживается в этом положении
и препятствует любому внешнему поворачива-
ющему усилию. В отсутствие такого усилия не-
подвижный электродвигатель потребляет очень
небольшой ток.
На рис. 24.3 показаны электронные компонен-
ты типичного серводвигателя с дистанционным
управлением.
Устройство
Рис. 24.2. Серводвигатели с дистанционным управлением по
большей части не сильно отличаются друг от друга по разме-
рам (показан типичный вид сбоку)
Рис. 24.3. Электроника внутри серводвигателя декодирует
поток импульсов, которые задают угол поворота электро-
двигателя
Серводвигатели обычно управляются при по-
мощи широтно-импулъсной модуляции (ШИМ).
Промышленному серводвигателю, как правило,
необходим блок управления, который постав-
ляется в готовом виде его производителем, при
этом схема кодирования управляющих сигналов
иногда бывает запатентованной. Серводви-
гатель для тяжелых режимов эксплуатации
может работать на трехфазном токе довольно
высокого напряжения и использоваться в та-
ком оборудовании, как автоматизированные
производственные линии (далее в этой статье
рассматриваются в основном небольшие серво-
двигатели с дистанционным управлением, а не
промышленные агрегаты).
Для небольших серводвигателей с дистанци-
онным управлением поток управляющих им-
пульсов поступает с постоянными интервала-
ми в 20 мс, при этом положительная величина
каждого сигнала интерпретируется как коман-
да позиционирования двигателя, а интервалы
между импульсами игнорируются. Типичная
продолжительность импульса для небольшого
двигателя составляет от 1 до 2 мс, при этом за-
дается диапазон от -90 до +90° относительно
центрального положения. Многие современные
двигатели способны выходить за эти пределы, и
их можно откалибровать таким образом, чтобы
установить точное соотношение между шириной
230
Статья 24

Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
Устройство
импульса и углом поворота. После этого двига-
телем можно управлять с помощью таблицы
преобразования, заложенной в программное
обеспечение микроконтроллера, или через ко-
эффициент преобразования между углом пово-
рота и шириной импульса.
На рис. 24.4 показан типичный диапазон дли-
тельностей импульсов для серводвигателя вну-
три фиксированного периода в 20 мс (частота
50 Гц) между началами соседних импульсов,
а также значение каждой длительности импуль-
са. Импульсы с промежуточным значением дли-
тельности интерпретируются как инструкции
поворота в промежуточные положения.
Небольшие серводвигатели пользователь дол-
жен снабдить системой управления, отвечающей
указанным здесь требованиям. Как правило, это
делается путем программирования микрокон-
троллера, поскольку некоторые микроконтрол-
леры позволяют обеспечить ШИМ-выход, спе-
циально предназначенный для серводвигателя
с дистанционным управлением. В любом случае,
такой микроконтроллер может непосредственно
подключаться к серводвигателю, предоставляя
Рис. 24.4. Угол поворота небольшого серводвигателя с дис-
танционным управлением задается длительностью импульса,
поступающего от блока управления (длительность импульса
составляет от 1 до 2 мс). Частота импульсов постоянная и рав-
на 50 Гц
очень простой и гибкий способ управления
устройством позиционирования.
Впрочем, можно использовать и простой гене-
ратор импульсов — например, микросхему тай-
мера 555. Поставщики компонентов для люби-
телей предлагают также платы устройств управ-
ления, причем некоторые из таких плат снабже-
ны USB-разъемами, что позволяет управлять
серводвигателем при помощи компьютерных
программ.
Схема на рис. 24.5 иллюстрирует подключение
таймера 555 к серводвигателю с дистанционным
управлением, причем номиналы компонентов
подобраны так, чтобы обеспечить постоянную
частоту в 48 Гц (интервал между пиками немно-
го больше 20 мс). Конденсатор емкостью 1 мкФ
в этой цепи заряжается через резистор на 2,2 кОм
с последовательным диодом, шунтирующим ре-
зистор на 28 кОм. Время подзарядки конден-
сатора представляет для микросхемы таймера
цикл «включено». Затем конденсатор разря-
жается через резистор на 28 кОм, представляя
Рис. 24.5. Серводвигателем с дистанционным управлением
можно управлять с помощью таймера 555, у компонентов
которого соответствующим образом подобраны номина-
лы. Угловое положение серводвигателя задается потенцио-
метром
Серводвигатель
231

Варианты
Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
цикл «выключено». Потенциометр на 1 кОм,
подключенный последовательно с резисторами
по 5 кОм, действует как делитель напряжения на
управляющем выводе таймера, настраивая его
пороги зарядки и разрядки. Поворотом потен-
циометра время «включено» для каждого перио-
да удлиняется или укорачивается без изменения
частоты. На практике, поскольку конденсаторы
производятся с широкими допусками, нельзя
строго гарантировать частоту на выходе тайме-
ра. Но, к счастью, большинство серводвигателей
терпимо относится к небольшой неточности.
Поскольку двигатели сервоприводов запитаны
от того же источника питания, что и таймер, для
подавления помех и противоЭДС следует доба-
вить в схему между подачей питания на двига-
тель и отрицательным заземлением защитный
диод и конденсатор.
В число электронных компонентов, размещен-
ных в корпусе серводвигателя, входит потен-
циометр, движок которого поворачивается
вместе с выходным валом, обеспечивая тем
самым обратную связь, подтверждающую по-
ложение двигателя. Ограниченный диапазон
вращения потенциометра определяет пределы
поворота выходного вала двигателя.
Варианты
Как уже было отмечено, конструкция неболь-
ших серводвигателей может быть основана на
электродвигателях постоянного тока со щетка-
ми или без них. Естественно, бесщеточные элек-
тродвигатели служат дольше и создают меньше
электрических помех (сравнение электродви-
гателей без щеток и со щетками можно найти
в статье электродвигатель постоянного тока
этой энциклопедии).
Редуктор серводвигателей может состоять
из нейлоновых, поликарбонатных или метал-
лических шестерней (нейлоновые шестерни
внутри недорогого серводвигателя с дистанци-
онным управлением показаны на рис. 24.6).
Бесщеточный электродвигатель и металличе-
ские шестерни несколько увеличивают стои-
мость серводвигателя. Металлические шестерни
прочнее нейлоновых (которые могут треснуть
от нагрузки), однако изнашиваются быстрее,
приводя к мертвому ходу и неточности в работе
зубчатой передачи. Трение между нейлоновы-
ми поверхностями очень мало, и поэтому ней-
лон, безусловно, более пригоден для серводви-
гателей, которые не предназначены для работы
в условиях сильных нагрузок. Поликарбонат,
как утверждается, в пять раз прочнее нейлона
и может выступать в качестве удовлетворитель-
ного компромисса. Если в блоке шестерен про-
исходит поломка (например, зубья могут сло-
маться вследствие избыточной нагрузки), то
производители обычно предоставляют их смен-
ный набор, который должен установить сам
пользователь. Для этого требуется ловкость рук
и терпение, а также некоторый навык.
Серводвигатели могут иметь роликовые под-
шипники или простые подшипники из порош-
ковых материалов — последние дешевле, но на-
много менее прочны при боковой нагрузке.
1 §§il
Рис. 24.6. Нейлоновые шестерни внутри серводвигателя
232
Статьям

Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
Параметры
Внутренняя электроника так называемых циф-
ровых серводвигателей более быстродействую-
щая, чем у аналоговых серводвигателей, — по-
скольку цифровые устройства считывают входя-
щий поток сигналов с более высокой частотой,
они быстрее реагируют на короткие и короткие
команды от блока управления. С учетом этого
их предпочитают любители конструирования
авиамоделей, использующих серводвигатели
для управления полетом. Внешне управляющий
протокол для цифровых и аналоговых серво-
двигателей одинаков, хотя цифровой серводви-
гатель можно перепрограммировать, указав но-
вые значения кодов, определяющих пределы его
диапазона. Для этого необходимо приобрести
отдельный программный модуль.
Наиболее популярными производителями не-
больших серводвигателей являются компании
Futaba и Hitec. И хотя управляющие протоколы
у них практически одинаковые, форма выход-
ных валов их двигателей различается (эти валы
обычно называют шлицевыми, поскольку они
снабжены канавками для надевания дополни-
тельных приспособлений). Так, вал двигателя
компании Futaba имеет 25 канавок, а вал дви-
гателя компании Hitec — 24. Поэтому приобре-
таемые вами дополнительные приспособления
должны соответствовать марке выбранного сер-
водвигателя.
Параметры
Небольшой серводвигатель весит от 30 до 60 г,
затрачивает 1-2 с на поворот из одного крайне-
го положения в другое и способен развивать на
удивление высокий крутящий момент (0,35 Нм
или выше).
• Напряжение — небольшие серводвигатели
изначально разрабатывались для работы
от напряжения 4,8 В перезаряжаемых
аккумуляторов авиамоделей. Однако на них
в рабочем режиме вполне можно подавать
питание от 5 до 6 В постоянного тока.
Некоторые серводвигатели предназначены
и для более высокого напряжения.
Сила тока — спецификации большинства
производителей часто не указывают
мощность, которую потребляет серводви-
гатель, когда он развивает максимальный
крутящий момент (или, напротив, не раз-
вивает момента совсем). Поскольку не-
большие серводвигатели часто получают
питание от трех или четырех последова-
тельных щелочных элементов типа АА,
маловероятно, что максимальное потреб-
ление тока будет намного превышать 1 А.
Когда питание подано на двигатель, но он
не вращается и не оказывает сопротивление
внешнему усилию, потребляемая им мощ-
ность пренебрежимо мала. Это свойство
и делает серводвигатели подходящими для
дистанционно управляемых устройств с пи-
танием от аккумуляторов.
Некоторые серводвигатели, диапазон по-
ворота которых превышает 180°, могут
откликаться на импульсы продолжитель-
ностью менее 1 мс и более 2 мс. Только что
приобретенный серводвигатель следует
проверить с помощью микроконтроллера,
который способен пошагово выдать широ-
кий диапазон продолжительностей импуль-
сов, чтобы опытным путем установить пре-
делы поворота. Импульсы, длительность
которых выходит за расчетный диапазон
серводвигателя, будут игнорированы и не
причинят вреда.
Скорость поворота или время перемещения,
которые указаны в спецификации, — это
время, необходимое серводвигателю, что-
бы повернуться на 60° при отсутствии на-
грузки на выходном валу. Серводвигатель
с высоким крутящим моментом обычно
достигает своего вращающего усилия за
счет применения большего передаточного
коэффициента, что приводит к увеличению
времени перемещения.
Серводвигатель
233

Использование
Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
Использование
Чаще всего небольшие серводвигатели исполь-
зуются для поворота закрылков или руля в авиа-
модели, управления моделью судна, автомобиля
или робота на колесах, а также для поворота ма-
нипуляторов робота.
К серводвигателю обычно подходят три прово-
да, окрашенные в красный (электропитание),
черный или коричневый (заземление), а также
в оранжевый, желтый или белый (для передачи
последовательности импульсов от блока управ-
ления) цвета. Провод заземления двигателя дол-
жен быть общим с заземлением блока управле-
ния, и, следовательно, между проводом питания
(красным) и заземлением следует подключить
керамический развязывающий конденсатор
емкостью от 0,1 до 0,01 мкФ, а также исполь-
зовать защитный диод. Ни диод, ни конденса-
тор не следует подключать к проводу, несущему
управляющие сигналы, поскольку это внесет по-
мехи в последовательность импульсов.
При подаче питания на серводвигатель следует
с осторожностью использовать сетевой адаптер,
поскольку его выходное напряжение может ока-
заться недостаточно сглаженным. Стабилизатор
напряжения не требуется, но развязывающие
конденсаторы обязательны.
На рис. 24.7 приведены две чисто теоретические
схемы: вверху — система с питанием от аккуму-
ляторов (возможно, от четырех перезаряжае-
мых NiMH-аккумуляторов на 1,2 В). Поскольку
аккумуляторы обычно не создают выбросов на-
пряжения, конденсаторы не использованы, но
подключен диод, защищающий микроконтрол-
лер от ЭДС, возникающей при запуске серво-
двигателя. Внизу — в схему добавлены дополни-
тельные предохраняющие устройства, которые
могут понадобиться при использовании посто-
янного тока, получаемого от сетевого адап-
тера. Так, преобразователю постоянного
тока, который отводит 6 В для серводвигателя,
необходимы сглаживающие конденсаторы (это
IS
«life
Рис. 24.7. Две возможные схемы питания серводвигателя:
вверху—схема запитана от аккумулятора (например, от четы-
рех NiMH-элементов по 1,2 В); внизу— используется сетевой
адаптер на 9 В постоянного тока
должно быть указано в спецификации), они же
необходимы и для стабилизатора напряже-
ния, который поставляет микроконтроллеру
5 В постоянного тока. Опять-таки, присутствует
защитный диод. На обеих схемах проводник, со-
единяющий напрямую серводвигатель и микро-
контроллер, представляет собой управляющий
провод, по которому к серводвигателю переда-
ются импульсы.
Поставщики электронных устройств для люби-
тельского конструирования предлагают к сер-
водвигателям различные дополнительные при-
способления (рис. 24.8). Это могут быть диски,
234
Статья 24

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
Использование
<лййШй^*
Штш
Рис. 24.8. Различные приспособления (насадки), предлагае-
мые производителями серводвигателей: синяя насадка (здесь
более светлая) — металлическая, остальные — пластиковые
рычаги с одним или двумя плечами, а также
с четырьмя плечами в перекрещенной конфигу-
рации. Приспособление в виде одиночного ры-
чага часто называют насадкой — этот термин мо-
жет широко применяться для любого типа при-
способления. Насадка обычно имеет отверстия,
чтобы к ней можно было с помощью небольших
шурупов или болтов с гайками прикрепить дру-
гие компоненты.
Надетая на шлицевой вал двигателя насадка
удерживается на своем месте с помощью шурупа
в центре. Как отмечалось ранее, у двух ведущих
производителей небольших серводвигателей
(Futaba и Hitec) шлицевые валы несовместимы.
Разновидности для непрерывного
вращения
Существует возможность изменения небольшо-
го серводвигателя таким образом, чтобы он мог
вращаться непрерывно.
Сначала следует открыть корпус двигателя
и с помощью блока управления отцентриро-
вать потенциометр на отправку импульсов дли-
ной около 1,5 мс. Затем скользящий контакт
потенциометра приклеить или каким-либо
иным способом зафиксировать в этом точном
центральном положении, а затем отключить его
от цепи привода. Механические стопоры, ко-
торые ограничивают вращение вала двигателя,
следует срезать, после чего собрать серводвига-
тель заново.
Поскольку потенциометр зафиксирован, вну-
тренняя электроника двигателя теперь «видит»
вал так, словно он постоянно находится в цен-
тральном положении. И если блок управления
посылает импульс с командой на поиск поло-
жения относительно центра по часовой стрелке
или против нее, то двигатель начнет вращаться,
чтобы достичь этого положения. А так как по-
тенциометр не будет обеспечивать обратную
связь, чтобы сообщить о том, что двигатель до-
стиг цели, вал будет вращаться неограниченно
долго.
В таком режиме характерная функция серводви-
гателя отключена — он больше не может пово-
рачиваться на указанный угол. К тому же могут
возникнуть сложности с его остановкой, так как
он должен получить команду, которая в точно-
сти соответствует фиксированному положению
потенциометра. Поскольку потенциометр мог
в процессе его фиксации незначительно сме-
ститься, может потребоваться методом подбора
определить тот сигнал, который соответствует
положению потенциометра.
Цель модификации серводвигателя для непре-
рывного вращения заключается в получении
преимуществ от его высокого крутящего момен-
та, небольшого размера, малого веса и простоты
управления с помощью микроконтроллера.
В ответ на проявленный любителями интерес
к переделке серводвигателей под непрерывное
вращение, некоторые производители снабжают
теперь серводвигатели встроенной функцией
непрерывного вращения. Обычно такие серво-
двигатели содержат подстроечный потенцио-
метр для калибровки двигателя, чтобы задать
его неотцентрированное положение.
Серводвигатель
235

Что может пойти не так?
Электромагнитная энергия > вращательное движение > серводвигатель
Что может пойти не так?
Неправильная проводка
Следует сверяться со спецификацией произ-
водителя для уточнения цветовой маркировки
проводов. У простого электродвигателя посто-
янного тока можно изменить направление вра-
щения при изменении полярности источника
питания, но это абсолютно не годится для сер-
водвигателя.
Перегрузка двигателя
Серводвигатель, способный создать усилие
в 9 Н на расстоянии 2,5 см от оси вала, может
при заклинивании с легкостью развить такой
крутящий момент, который вырвет его из опор,
а также погнет или сломает любой рычаг или
приспособление, присоединенные к валу. На
такой случай рекомендуется добавлять в кон-
струкцию «слабое звено», которое предсказуемо
выходило бы из строя и было бы простым и не-
дорогим для ремонта.
Несоответствие между валом
и насадкой
Приспособления для шлицевого вала двигателя
одного производителя могут не подходить для
вала другого, и их нельзя будет надеть принуди-
тельно.
Непрерывная работа
Небольшие серводвигатели не предназначены
для непрерывной работы. Постоянная их на-
грузка приводит к износу — в особенности, если
двигатель имеет щеточный коллектор или ре-
дуктор с металлическими шестернями.
Чрезмерно быстрые команды
программного обеспечения
Программа микроконтроллера, которая задает
положение серводвигателя, должна оставлять
достаточное время на получение ответа от серво-
двигателя, прежде чем указать новое положение.
Возможно, придется добавить в такую програм-
му циклы задержки или интервалы ожидания.
Дрожание
Если рычаг серводвигателя, непредсказуемо
подергивается, это обычно указывает на то,
что последовательность импульсов искажа-
ется внешними электрическими помехами.
Управляющий провод к серводвигателю дол-
жен быть по возможности коротким, и его не
следует прокладывать вблизи от проводников
переменного тока или цепей с высокочастотным
переключением, а также рядом с управляющими
проводами других серводвигателей.
Электрические помехи
Электродвигатели со щетками всегда являются
источниками электромагнитных помех, да и лю-
бой серводвигатель создает падение или всплеск
напряжения при своем запуске и остановке. Для
защиты от этого чувствительных микроконтрол-
леров и других интегральных микросхем одного
диода может быть недостаточно. Чтобы свести
проблемы к минимуму, лучше подавать питание
на серводвигатель от источника положительно-
го напряжения, который отделен от стабилизи-
рованного источника питания, используемого
микросхемами. Можно также добавить к источ-
нику питания микроконтроллера фильтрующие
конденсаторы высокой емкости. Но, к сожале-
нию, общее заземление между электродвигате-
лем и микросхемами неизбежно.
236
Статья 24

Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
25
Несмотря на то, что шаговый двигатель (по англ. stepper motor)
представляет собой вариант асинхронного электродвигателя, он
заслуживает в этой энциклопедии отдельной статьи, поскольку при-
обрел значительную и исключительную важность в электронном
оборудовании, для которого необходимо точное позиционирование
движущихся частей и цифровое управление.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• электродвигатель постоянного тока (см. статью 22)
• электродвигатель переменного тока (см. статью 23)
• серводвигатель (см. статью 24)
Описание
Шаговый двигатель поворачивает свой привод-
ной вал на заданный шаг в ответ на последова-
тельность импульсов (обычно по одному шагу
на импульс). Эти импульсы передаются груп-
пе обмоток в статоре, представляющем собой
неподвижный узел электродвигателя, обычно
окружающий ротор, являющийся вращающим-
ся узлом электродвигателя. Шаги могут также
называться фазами, а о электродвигателе, кото-
рый поворачивается на небольшие шаги, могут
сказать, что он обладает большим количеством
(J)U3.
Теоретически шаговый двигатель потребляет
энергию для обмоток своего статора на постоян-
ном уровне, который не меняется в зависимости
от скорости вращения. Следовательно, крутя-
щий момент уменьшается при увеличении ско-
рости, и наоборот, он максимален, когда элек-
тродвигатель неподвижен или заблокирован.
Шаговому двигателю необходима соответст-
вующая система управления, способная обе-
спечить последовательность импульсов. Такая
система может состоять из небольшой выделен-
ной цепи, микроконтроллера или компьютера
и транзисторов, способных работать с необхо-
димой силой тока. Диапазон крутящего момен-
та для электродвигателя может быть расширен
за счет применения блока управления, который
увеличивает напряжение при увеличении часто-
ты следования управляющих импульсов.
Поскольку поведение такого двигателя управ-
ляется внешней электроникой, а его внутреннее
устройство, как правило, симметрично, шаго-
вый двигатель может вращаться в обоих на-
правлениях с одинаковым крутящим моментом,
а также способен удерживаться в неподвижном
состоянии, хотя обмотки статора будут при этом
продолжать потреблять мощность.
Шаговый двигатель
237

Устройство
Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Устройство
Статор шагового двигателя имеет несколько
полюсов, выполненных из мягкого железа или
из другого магнитного материала. Каждый по-
люс может обладать собственной обмоткой, но
более распространен вариант, когда несколько
полюсов используют одну большую обмотку. Во
всех типах шаговых двигателей группы полюсов
статора, чтобы привести ротор в движение, на-
магничиваются последовательно, но они могут
быть запитаны и все вместе, чтобы удерживать
ротор неподвижным.
Ротор может содержать один или несколько по-
стоянных магнитов, которые взаимодействуют
с магнитными полями, создаваемыми в статоре.
Заметьте, что шаговые двигатели этим отлича-
ются от электродвигателя переменного тока
«с беличьей клеткой», в котором клетка внедре-
на в ротор и взаимодействует с вращающимся
магнитным полем, но не состоит из постоянных
магнитов.
На рис. 25.1 показаны (по часовой стрелке, на-
чиная от верхнего левого) небольшие шаговые
Рис. 25.1. Три небольших шаговых двигателя
двигатели с четырьмя, пятью и шестью прово-
дами (различия между ними рассматриваются
в следующем разделе). Двигатель слева вверху
имеет вал с резьбой, на который можно надеть
резьбовую втулку, чтобы при вращении двига-
теля в том или ином направлении она могла бы
подниматься или опускаться.
Реактивные шаговые
электрод ви гател и
В простейшем варианте шагового двигателя ис-
пользуется ротор, который не содержит посто-
янных магнитов. Он основан на принципе пере-
менного магнитного сопротивления (магнитное
сопротивление — это магнитный эквивалент
электрического сопротивления). Ротор будет
стремиться выровнять имеющиеся на нем вы-
ступающие элементы, обычно называемыми
зубьями, по внешнему источнику (или источни-
кам) магнитного поля, поскольку тогда магнит-
ное сопротивление системы снизится (дополни-
тельная информация о переменном магнитном
сопротивлении содержится в разд. «Реактивный
электродвигатель» статьи электродвигатель
переменного тока этой энциклопедии).
Электродвигателю с переменным магнитным со-
противлением необходим внешний блок управ-
ления, который всего лишь последовательно
подает питание на его обмотки. Эту ситуацию
иллюстрирует рис. ЦВ-25.2, где шесть полюсов
(питаемых попарно) распределены симметрич-
но вокруг ротора с четырьмя выступами (зубья-
ми): шесть полюсов статора и четыре зуба — это
минимальное количество, которое обеспечи-
вает устойчивую работу реактивного шагового
электродвигателя.
Здесь сердечник каждого полюса изображен
зеленым, когда он намагничен, и серым, если
не намагничен. На каждом шаге зафиксирован
момент, когда на обмотки статора питание уже
подано, но ротор еще не успел на это отреагиро-
вать. Внешнее коммутирующее устройство, ко-
торое подает питание на обмотки, не показано
238
Статья 25

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Устройство
Рис. ЦВ-25.2. В шаговом двигателе с переменным магнитным
сопротивлением ротор вращается, чтобы минимизировать
магнитное сопротивление при каждой подаче питания на
очередную пару обмоток (на каждом шаге показано, что на
обмотки уже подано питание, но ротор еще не успел на это
отреагировать)
для простоты. В реальном электродвигателе ро-
тор имел бы множество зубьев, а зазор между
ними и статором был бы исключительно узким,
чтобы обеспечить максимальный магнитный
эффект.
В шестиполюсном реактивном электродвигате-
ле, у которого ротор снабжен четырьмя зубь-
ями, при каждой подаче блоком управления
питания на новую пару полюсов ротор пово-
рачивается на 30° против часовой стрелки. Эта
величина называется угловым шагом и означа-
ет, что электродвигатель совершает 12 шагов
за время полного оборота своего вала на 360°.
Такая конфигурация очень похожа на трехфаз-
ный асинхронный электродвигатель перемен-
ного тока (см. рис. ЦВ-23.11 в статье электро-
двигатель переменного тока этой энцикло-
педии). Однако электродвигатель переменного
тока предназначен для подключения к источни-
ку тока с постоянной частотой и подразумевает
плавную и непрерывную работу, а не дискрет-
ные шаги.
Вообще, реактивные электродвигатели — это
обычно больше, чем просто устройства с намаг-
ниченными роторами, и им часто необходима
обратная связь от датчика, который отслежи-
вает угол поворота вала и обеспечивает инфор-
мацией управляющую электронику, — такая
система называется замкнутой. Большинство
же небольших шаговых двигателей работает
в разомкнутой системе, для которой обратная
связь считается излишней, если для отслежива-
ния положения ротора двигателя используется
простой подсчет количества импульсов.
Шаговые двигатели
с постоянными магнитами
Более часто ротор шагового двигателя содержит
постоянные магниты. Для таких устройств не-
обходимо, чтобы блок управления был спосо-
бен менять полярность магнитного поля, созда-
ваемого каждой обмоткой статора, — чтобы они
могли попеременно притягивать и отталкивать
магниты ротора.
Шаговый двигатель
239

Устройство
Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
N
,11,1,5
ттпгсг
Л Л Л I
г
Рис. 25.3. В биполярном электродвигателе магнитное поле,
создаваемое обмоткой, изменяет свою полярность при про-
стом изменении направления тока через нее
Л А Л 1
Рис. 25.4. Магнитное поле в этой обмотке меняет полярность
при постоянной подаче положительного напряжения к цен-
тральному отводу обмотки и заземлении одного или другого
конца обмотки
В биполярном электродвигателе магнитное поле,
создаваемое обмоткой, изменяет свою поляр-
ность при простом изменении направления тока
через нее (рис. 25.3). В униполярном электро-
двигателе магнитное поле меняет полярность
при подаче положительного напряжения к цен-
тральному отводу обмотки и заземлении одного
или другого конца (рис. 25.4).
Электродвигатель любого из этих типов часто
конструируется с верхней и нижней чашками,
окружающими единственный ротор (рис. 25.5).
Большая одиночная обмотка или обмотка с цен-
тральным отводом индуцирует магнитное поле в
полюсах верхней чашки, которое на один шаг от-
личается по фазе от второй группы полюсов, пи-
таемых собственной обмоткой на нижней чашке
(все три двигателя, показанные на рис. 25.1, при-
надлежат к этому типу). Ротор электродвигателя
достаточно протяженный, чтобы его охватили
обе чашки, и он попеременно вращается отно-
сительно каждой из них.
На рис. 25.6 чашки электродвигателя с четырьмя
проводами отделены друг от друга: ротор остал-
ся в его левой части (он помещен в черный ци-
линдр, который представляет собой постоянный
магнит, разделенный на несколько полюсов),
а в правой его части видна обмотка, окружаю-
щая металлические зубья, которые играют роль
полюсов статора, когда на обмотку подается
питание.
На рис. 25.7 разборка того же двигателя продол-
жена: обмотка по периферии была защищена
изоляционной лентой, которая здесь удалена,
чтобы сделать обмотку видимой (справа внизу),
оставшаяся половина электродвигателя (справа
240
Статья 25

Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Устройство
Рис. 25.5. Упрощенное изображение распространенного
типа двигателя с двумя чашками
Рис. 25.6. Шаговый электродвигатель с двумя чашками рас-
крыт, чтобы показать его ротор {слева) и один из статоров
{справа), окруженный обмоткой
вверху) содержит вторую, скрытую от нас, но
идентичную первой, обмотку со своим набо-
ром полюсов, которые расположены со сдвигом
фазы на один шаг относительно полюсов в пер-
вой чашке.
Поскольку действие магнитных полей в шаговом
двигателе с двумя чашками изобразить сложно,
на дальнейших схемах приведены упрощенные
конфигурации с минимальным количеством по-
люсов статора, каждый из которых снабжен соб-
ственной обмоткой.
Биполярные шаговые двигатели
Самый простой способ изменить направление
тока в обмотке — использовать конфигурацию
переключателей в виде Н-моста9 как это пока-
зано на рис. 25.8, где стрелкой отмечено направ-
ление магнитного поля. В реальных устрой-
ствах используются полупроводниковые ключи
Рис. 25.7. Разборка шагового двигателя, показанного на
рис. 25.6, продолжена
и, вообще, на рынке доступны интегральные
микросхемы, которые содержат все необходи-
мые компоненты для управления биполярным
шаговым двигателем.
На рис. ЦВ-25.9-ЦВ-25.12 представлены четы-
ре последовательных состояния биполярного
электродвигателя. Как и ранее, полюса обмоток,
на которые подано питание, выделены зеленым
Шаговый двигатель
241

Устройство Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
цветом, обмотки без питания окрашены в серый
цвет, а ротор на каждом шаге показан незадолго
до того, как он успел отреагировать на магнит-
ное поле (управляющая электроника Н-моста
в каждой обмотке для простоты опущена).
Рис. 25.8. Простейший и наиболее элементарный способ Рис. ЦВ-25.10. Биполярный шаговый двигатель из
изменения направления тока через обмотку с помощью рис. ЦВ-25.9 показан с передвинутым на один шаг ротором,
Н-моста: на практике эти переключатели заменяются полу- при этом полярность обмотки изменилась, чтобы побудить
проводниковыми компонентами его к выполнению второго шага
Рис. ЦВ-25.9. Биполярный шаговый двигатель — незадолго Рис. ЦВ-25.11. Биполярный шаговый двигатель после осу-
до того как ротор успел сделать первый шаг в ответ на магнит- ществления второго шага и непосредственно перед выпол-
ные поля, созданные обмотками статора нением третьего
242 Статья 25

Злектромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Устройство
Рис. ЦВ-25.12. Биполярный шаговый двигатель после выпол-
нения третьего шага: когда ротор отреагирует на новое рас-
положение магнитных полей, его ориентация станет функ-
ционально идентичной той, которая изображена на первом
шаге (см. рис. ЦВ-25.9)
Униполярные электродвигатели
Управляющая электроника для униполярного
электродвигателя может быть проще, чем для
биполярного, поскольку обычные переклю-
чающие транзисторы могут выполнить зазем-
ление как одного, так и другого конца обмотки.
Классический униполярный шаговый двигатель
с пятью проводами, который часто предлагается
для любителей и используется в робототехни-
ческих и подобных им проектах, может приво-
диться в движение даже такой простой систе-
мой, как набор микросхем таймера 555. Однако
этот тип двигателей оказывается менее мощным
для своего размера и веса, поскольку в каждый
момент времени питание подается только на по-
ловину каждой из обмоток.
На рис. ЦВ-25.13—ЦВ-25.16 схематически пред-
ставлена простейшая конфигурация униполяр-
ной системы, использующей четыре обмотки
статора и ротор, содержащий шесть магнитных
полюсов. На каждом шаге зафиксирована си-
туация, когда на обмотки статора только что по-
дано питание, а ротор еще не успел повернуться
Рис. ЦВ-25.13. Обмотки этого униполярного шагового двига-
теля показаны сразу после подачи на них питания: ротору по-
требуется время, чтобы отреагировать на это, сделав первый
шаг
Рис. ЦВ-25.14. Двигатель из рис. ЦВ-25.13 показан с обмот-
ками, на которые подано питание, чтобы ротор выполнил
второй шаг
Шаговый двигатель
243

Варианты
Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Рис. ЦВ-25.15. Двигатель из рис. ЦВ-25.14 показан с обмот-
ками, на которые подано питание, чтобы ротор выполнил
третий шаг
в ответ на это. Металлические сердечники об-
моток, на которые подано питание, выделены
зеленым цветом. Провода, которые не прово-
дят ток, показаны серым цветом. Разомкнутое и
замкнутое состояния переключателей а, Ь, с и d
определяют путь протекания тока по проводам,
которые показаны черным цветом.
Заметьте, что обмотки на противоположных
сторонах двигателя получают электропитание
одновременно, в то время как от другой пары
обмоток питание отключается. Если настроить
блок управления так, чтобы циклы «включено»
для обмоток перекрывались, можно добиться
большего крутящего момента, но при этом по-
высится потребление мощности.
Электродвигатель, содержащий большее чис-
ло полюсов статора, может поворачиваться на
меньший шаг, если питание на обмотки полю-
сов подается раздельно. Однако, если каждая
обмотка наматывается отдельно, это повысит
стоимость такого двигателя.
Ж
Рис. ЦВ-25.16. Когда ротор выполнит четвертый шаг, он вер-
нется в то положение, которое функционально идентично
показанному на первом шаге
Варианты
В дополнение к биполярному и униполярному
типу, которые рассмотрены ранее, доступны еще
три варианта.
Двигатель с большим
количеством фаз
Термин двигатель с большим количеством фпз
определяет любой тип шагового двигателя, в ко-
тором дополнительные полюсы уменьшают ве-
личину шага. Преимущества большого количе-
ства фаз заключаются в более плавном ходе при
высокой скорости вращения и большей точно-
сти при выборе желаемого положения двигате-
ля. Дополнительные обмотки могут также обе-
спечить повышенную плотность энергии, что,
естественно, увеличивает стоимость двигателя.
244
Статьях

Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Варианты
Гибридный двигатель
В этом типе двигателей используется зубчатый
ротор, который обеспечивает переменное маг-
нитное сопротивление и при этом содержит
также постоянные магниты. Такой двигатель
стал довольно распространенным, поскольку
добавление зубьев к ротору позволяет добить-
ся большей точности и эффективности. С точки
зрения управления, гибридный двигатель ведет
себя подобно обычному шаговому двигателю
с постоянным магнитом.
Рис. 25.17. В бифилярном двигателе две обмотки наматыва-
ются параллельно вокруг каждого полюса: они могут быть
соединены с помощью центрального отвода, чтобы сымити-
ровать униполярный двигатель {верхние схемы); можно также
подавать на них питание параллельно [центральные схемы)
или последовательно {схемы внизу), чтобы сымитировать би-
полярный двигатель
Бифилярный двигатель
В двигателе этого типа, который иногда назы-
вают универсальным шаговым двигателем, для
каждого полюса статора наматываются парал-
лельно две обмотки. Если полюсов два (или две
группы полюсов), и оба конца каждой из обмо-
ток доступны через провода, которые выходят
из двигателя, то всего получится восемь прово-
дов. Вследствие этого, такой тип часто называют
восъмипроводным двигателем.
Преимущество этой схемы заключается в том,
что она допускает три возможные конфигура-
ции для внутренних обмоток, — при выбороч-
ном закорачивании проводов можно добиться
того, что двигатель будет работать в униполяр-
ном или в биполярном режиме.
На верхней паре упрощенных схем (рис. 25.17)
показано, что один конец одной обмотки со-
единен с началом следующей, а положительное
напряжение приложено к средней точке, как
в униполярном двигателе. Магнитная поляр-
ность этой обмотки задается при помощи за-
земления какого-либо из ее концов. Фрагменты
каждой обмотки, не проводящие ток, показаны
более светлыми.
На центральной паре схем показаны соединен-
ными соседние концы обмоток, так что теперь
питание на них подается параллельно, а магнит-
ная полярность задается полярностью напряже-
ния, как в биполярном двигателе.
Обмотки могут быть также соединены после-
довательно, как показано на нижней паре схем.
Это обеспечит больший крутящий момент при
меньшей скорости вращения, а также позволит
работать с более высоким напряжением при
меньшей силе тока.
Многофазный двигатель
В многофазном двигателе несколько обмоток
статора обычно соединены последовательно,
Шаговый двигатель
245

Варианты
Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
а между каждой парой располагается централь-
ный отвод. Возможная конфигурация показана
на рис. 25.18, где представлены два последова-
тельных шага при вращении, хотя угловой шаг
можно уменьшить вдвое, единовременно изме-
няя полярность напряжения только в одном ме-
сте. Способ намотки позволяет на каждом шаге
отключить питание только от одной обмотки,
поскольку ее концы будут иметь одинаковый
потенциал. Таким образом, двигатель этого типа
способен развить высокий крутящий момент
при довольно малых габаритах.
В некоторых многофазных двигателях дополни-
тельные провода обеспечивают доступ к обоим
концам каждой обмотки, а сами обмотки внутри
не соединены. Это позволяет особым образом
настроить управление таким двигателем.
Рис. 25.18. Многофазный шаговый двигатель: при подаче на-
пряжения указанным образом на каждом шаге только одна из
обмоток остается без питания — это позволяет достичь высо-
кого крутящего момента по сравнению с размером двигателя
Микрошаг
Соответствующим образом сконструированный
шаговый двигатель может совершать очень ма-
лые промежуточные шаги, если управляющее
напряжение модулируется до промежуточных
значений. Некоторые производители приводят
величину углового шага в 0,007°. Однако рабо-
тающий в таком режиме двигатель менее спосо-
бен к созданию крутящего момента.
Простейшая форма микрошага — половинный
шаг. Чтобы добиться этого в униполярном дви-
гателе, каждая обмотка проходит через состоя-
ние «выключено» перед изменением своей маг-
нитной полярности.
Применение датчиков
и обратная связь
Пока последовательность импульсов, идущая
к двигателю, дает ротору достаточно времени на
отклик, в механизме обратной связи от ротора
для подтверждения его положения необходи-
мости нет, и можно обойтись разомкнутой си-
стемой. Если же возникает неожиданное уско-
рение или замедление, колебания нагрузки и/
или изменение направления вращения, а также
при использовании высоких скоростей враще-
ния может потребоваться замкнутая систему
246
Статья 25

Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Параметры
в которой датчики обеспечивают обратную
связь, отслеживая положение ротора.
Управление напряжением
Для быстрого выполнения шагов двигателя не-
обходимо быстрое создание и исчезновение
магнитных полей в обмотках статора, но соб-
ственная индуктивность обмоток может огра-
ничивать скорость вращения двигателя. Один
из способов справиться с этим — использовать
более высокое напряжение.
Более продвинутое решение состоит в примене-
нии блока управления, обеспечивающего высо-
кое начальное напряжение, которое снижается
или ненадолго прерывается, когда датчик сооб-
щает о том, что ток в обмотке достаточно возрос,
чтобы преодолеть собственную индуктивность
обмоток, и достиг требуемого предела. Такой
тип блока управления может называться преры-
вателем, поскольку напряжение действительно
прерывается, — обычно при помощи мощных
транзисторов. Это один из вариантов широтно-
шпульсной модуляции.
Использование
Параметры
Угловой шаг шагового двигателя — это угловое
перемещение его вала при каждом полном шаге,
выраженное в градусах. Угловой шаг опреде-
ляется физической конструкцией двигателя.
Самый грубый угловой шаг равен 90°, а усовер-
шенствованные шаговые двигатели способны
обеспечить шаг в 1,8° (без микрошага).
Максимальный крутящий момент, который мо-
жет обеспечить двигатель, рассмотрен в разд.
«Параметры» статьи электродвигатель по-
стоянного тока этой энциклопедии.
Вес и габариты двигателя, длина вала и его диа-
метр являются основными конструктивными
параметрами шагового двигателя, которые сле-
дует уточнить до начала его использования.
Шаговые двигатели применяются для управ-
ления поиском дорожек в дисковых приводах,
движением печатающей головки и подачей бу-
маги в принтерах, а также перемещением счи-
тывающего блока при сканировании в сканерах
и копировальных аппаратах.
В промышленной и лабораторной сферах они
находят применение при настройке оптических
устройств (современные телескопы часто наво-
дятся на объект при помощи шаговых двига-
телей) и управлении вентилями в жидкостных
системах.
Шаговый двигатель может использоваться так-,
же и для приведения в действие линейного испол-
нительного механизма — при помощи стержня
с резьбой (называемого ходовым винтом) или
червячной передачи (дополнительные сведе-
ния о линейных исполнительных механизмах
можно найти в соответствующем разделе статьи
электродвигатель постоянного тока). И хотя
шаговый двигатель обеспечивает большую точ-
ность, чем традиционный электродвигатель по-
стоянного тока, передача неизбежно приведет
к появлению некоторой неточности.
Преимущества шаговых двигателей таковы:
• точное позиционирование, как правило,
в пределах 3-5% на шаг. Процентная шаго-
вая ошибка не накапливается при вращении
двигателя;
• возможность работы без редуктора с широ-
ким диапазоном скоростей, включая очень
малые;
• запуск, останов и смена направления вра-
щения выполняются без осложнений;
• для устройств с разомкнутым контуром
доступны недорогие аппаратные средства
управления;
• высокая надежность, поскольку отсутству-
ют щетки и коллектор.
Шаговый двигатель
247

Что может пойти не так?
Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
А вот и недостатки шаговых двигателей:
• шум и вибрация;
• резонанс при малых скоростях вращения;
• нарастающая потеря крутящего момента
при высоких скоростях вращения.
Защитные диоды
Небольшой шаговый двигатель может приво-
диться в действие напрямую от мощных транзи-
сторов, от пар Дарлингтона или даже от тайме-
ров 555. Двигатели же покрупнее создают про-
тивоЭДС, когда индуцируется магнитное поле
каждой обмотки статора, или же прямую ЭДС,
когда этому полю дается возможность ослабеть.
Биполярные электродвигатели также создают
всплески напряжения при изменении направ-
ления тока. В униполярном электродвигателе,
пока на половину обмотки подается питание че-
рез ее центральный отвод, вторая половина при-
обретет наведенное напряжение, поскольку эта
обмотка действует подобно линейному транс-
форматору.
Для противодействия этим эффектам следует
дополнить схемы питания шаговых двигателей
защитными диодами. Упрощенная схема, иллю-
стрирующая размещение диодов для биполяр-
ного электродвигателя, показана на рис. 25.19.
На рынке доступны интегральные микросхемы,
которые уже содержат защитные диоды наря-
ду с необходимыми мощными транзисторами.
Кроме того, шаговые двигатели могут иметь
и встроенные защитные диоды. Сверьтесь со
спецификацией производителя, чтобы узнать
необходимые подробности до подключения
электродвигателя к источнику питания.
Управление позиционированием
Встроенная управляющая электроника в сер-
водвигателе обычно поворачивает вал в точ-
но известное положение в ответ на широтно-
импульсную модуляцию от внешнего источника,
такого как микроконтроллер, а в шаговом дви-
гателе с открытой системой угол поворота необ-
ходимо вычислять, подсчитывая число шагов от
исходного положения. Это ограничение шагово-
го двигателя можно преодолеть за счет исполь-
зования обратной связи, но при этом потребу-
ется слежение за двигателем, которое усложняет
внешний блок управления. Выбор между шаго-
вым двигателем и серводвигателем следует оце-
нивать для каждого конкретного случая.
Что может пойти не так?
Общие проблемы, относящиеся ко всем ти-
пам электродвигателей, рассмотрены в разд.
«Эффекты нагрева» статьи 22. Далее же описа-
ны проблемы, относящиеся именно к шаговым
двигателям.
Рис. 25.19. Цепь Н-моста следует дополнить защитными дио-
дами, чтобы предохранить ее от противоЭДС, создаваемой
колебаниями тока в обмотке статора
Неправильное
подключение проводов
Поскольку шаговый двигатель запитывается че-
рез несколько проводов, существует значитель-
ный риск ошибки при их подключении, посколь-
ку многие электродвигатели не маркируются
248
Статья 25

Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Что может пойти не так?
с помощью номеров компонентов. Таким об-
разом, первая сложность — установить, какого
типа электродвигатель. Если отключить его от
источника питания, а затем попробовать про-
вернуть его вал пальцами, то электродвигатель с
намагниченным ротором будет вращаться не так
свободно, как реактивный электродвигатель,
поскольку магниты в роторе станут оказывать
скачкообразное сопротивление вращению.
Если униполярный электродвигатель весьма
невелик по размерам и снабжен пятью прово-
дами, то почти наверняка он содержит две об-
мотки, каждая из которых имеет центральный
отвод. Их функции можно определить, подав
положительное напряжение на красный провод
и поочередно заземляя остальные провода. Если
прикрепить небольшой кусочек изоляционной
ленты на вал двигателя, он поможет отследить
направление вращения.
Мультиметр, настроенный на измерение сопро-
тивления, также может оказаться полезным при
выяснении внутренних соединений обмоток
электродвигателя, поскольку сопротивление
между концами обмотки должно быть прибли-
зительно в два раза выше, чем сопротивление
между центральным отводом и любым из кон-
цов обмотки.
Многофазный электродвигатель может иметь
пять проводов, но в этом случае сопротивление
между любыми двумя несмежными проводами
будет в 1,5 раза больше сопротивления между
любыми двумя смежными проводами.
Потеря шага
Если электродвигатель в разомкнутой системе
пропускает импульсы от блока управления, то
блок управления не сможет точно оценить угол
поворота вала, — происходит так называемая
потеря шага. Поскольку это может быть вы-
звано неожиданными и резкими изменения-
ми управляющей частоты, ее следует увеличи-
вать (или уменьшать) постепенно, — то есть,
скорость вращения электродвигателя следует
изменять плавно. Надо понимать, что шаговые
двигатели не могут мгновенно отреагировать на
изменения скорости вследствие инерции рото-
ра или устройства, которое двигатель приводит
в действие.
Потеря шага может возникать также, если элек-
тродвигатель продолжает вращение после того,
как прервана подача питания (либо намеренно,
либо вследствие внешней неисправности). В от-
крытой системе блок управления должен быть
сконструирован так, чтобы электродвигатель
возвращался в исходное положение при возоб-
новлении подачи питания.
Когда же электродвигатель поворачивается на
один или несколько шагов дальше указанной
точки остановки, это называют проскакиванием.
Превышение крутящего момента
Когда электродвигатель неподвижен, и на него
не подается питание, стопорящий крутящий мо-
мент — это максимальное вращательное усилие,
которое может быть приложено, прежде чем вал
начнет вращаться. Когда электродвигатель не-
подвижен, и блок управления подает на него пи-
тание, удерживающий крутящий момент — это
максимальное вращательное усилие, которое
может быть приложено, прежде чем вал начнет
вращаться, а входной крутящий момент — это
максимальный крутящий момент, который мо-
жет развить электродвигатель, чтобы преодо-
леть сопротивление и достичь полной скорости.
Если двигатель вращается, то предельным крутя-
щим моментом называется максимальный кру-
тящий момент, который может обеспечить элек-
тродвигатель без потери шага (выпадения из
синхронизации со своим блоком управления).
Некоторые или все эти величины должны быть
указаны в спецификации электродвигателя.
Превышение любого параметра из них приведет
к возникновению потери шага.
Шаговый двигатель
249

Что может пойти не так?
Электромагнитная энергия > вращательное движение > шаговый двигатель
Гистерезис
Термин гистерезис часто используется для обо-
значения общей ошибки между реальным по-
ложением, которого достигает двигатель при
вращении по часовой стрелке, и реальным поло-
жением при вращении против часовой стрелки,
когда блок управления дает шаговому двигателю
команду поиска определенного положения. Эта
разность может возникнуть вследствие того, что
шаговый двигатель стремится остановиться не-
много раньше указанного положения, особенно
при существенной нагрузке. Любое устройство,
которому необходимо точное позиционирова-
ние, необходимо проверить в реальных усло-
виях, чтобы определить величину гистерезиса
электродвигателя.
Резонанс
Электродвигатель обладает естественной ре-
зонансной частотой. Если он совершает шаги
с частотой, которая близка к резонансной, ви-
брация будет усиливаться, и это может привести
к ошибкам при позиционировании, к износу ше-
стерен (если они присоединены), подшипников,
к появлению шума и других проблем. В хорошей
спецификации должна быть указана резонанс-
ная частота электродвигателя, а сам электро-
двигатель должен, по возможности, работать
с более высокой частотой. Проблему можно
преодолеть, если снабдить двигатель проре-
зиненной опорой или если использовать в со-
четании с приводным валом такой эластичный
компонент, как приводной ремень. Можно по-
пытаться достичь амортизации вибрации путем
добавления веса к опоре электродвигателя.
Заметьте, что если напрямую к валу электро-
двигателя прикреплен существенный вес, то это
может снизить резонансную частоту и должно
учитываться.
Резонанс также может приводить к появлению
потери шага (см. предыдущие разделы).
Рыскание
В системе с обратной связью датчик в электро-
двигателе сообщает угловое положение вала
блоку управления и, если необходимо, блок
управления отвечает, настраивая это положе-
ние. Как и в любой системе с обратной связью,
при этом появляется небольшая задержка по
времени, и при некоторой скорости вращения
в двигателе может начаться рыскание или коле-
бания, поскольку блок управления выполнил
избыточную коррекцию и теперь должен ее
снова подправить. В некоторых блоках управ-
ления для замкнутых систем это устранено за
счет работы по большей части в разомкнутом
режиме, а коррекция используется только тогда,
когда электродвигатель оказывается в условиях
(например, при внезапном изменении скорости
вращения), при которых возможно появление
потери шага.
Насыщение
Было бы заманчиво увеличить крутящий мо-
мент шагового двигателя, повысив напряжение
(при этом возрастет ток в обмотках статора), но
на практике электродвигатели обычно сконстру-
ированы так, что сердечники обмоток уже при
номинальном напряжении достаточно близки
к насыщению. Следовательно, повышением на-
пряжения можно добиться лишь незначитель-
ного прироста мощности и существенного уве-
личения нагрева.
Размагничивание ротора
Постоянные магниты в роторе при нагреве
могут оказаться частично размагниченными.
Размагничивание может также возникнуть, если
магниты подвергнуты действию переменного
тока высокой частоты при неподвижном роторе.
Следовательно, попытки запуска шагового дви-
гателя на высокой скорости, когда ротор закли-
нило, могут привести к безвозвратной потере
производительности.
250
Статья Ъ

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
диод
26
Термин диод (по англ. diode) почти всегда означает полупроводни-
ковое устройство, полное название которого — диод с электронно-
дырочным (р-п) переходом, хотя такой полный термин используется
нечасто, — раньше этот компонент вообще назывался кристалличе-
ским диодом, поскольку до него под диодом обычно понимали тип
электровакуумного прибора, который теперь редко используется
и лишь в радиопередатчиках с высокой мощностью, а также в неко-
торых моделях аудиоаппаратуры высшего класса.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• выпрямитель (см. разд. «Выпрямление тока» далее в этой
статье)
• однопереходный транзистор (см. статью 27)
• светодиод (светоизлучающий диод) (см. соответствующую
статью во втором томе энциклопедии)
Описание
Диод — это устройство с двумя выводами, по-
зволяющее току протекать через него только
в одном направлении (называемым прямым на-
правлением), — если анод диода обладает более
высоким положительным потенциалом по срав-
нению с катодом. О таком состоянии диода еще
говорят, что он подключен с прямым смещени-
ем. Если полярность напряжения изменена на
обратную, то диод оказывается подключенным
с обратным смещением и будет стремиться вос-
препятствовать прохождению через него тока
в пределах своего номинала.
Диоды часто входят в состав выпрямителей —
для преобразования переменного тока в посто-
янный. Их можно также использовать для пода-
вления всплесков напряжения или для защиты
компонентов, которые оказались бы уязвимыми
в условиях изменения напряжения на обратное.
Есть у диодов и специализированные примене-
ния — для высокочастотных контуров.
Для регулирования напряжения служит стаби-
литрон, варактор способен управлять генера-
тором высокой частоты, а туннельные диоды,
диоды Тонна и PIN-диоды, благодаря присущему
им свойству быстрого переключения, находят
применение в высокочастотных устройствах.
Светодиод представляет собой высокоэффек-
тивный источник света и рассмотрен во втором
томе энциклопедии, а фотодиод, в зависимо-
сти от яркости падающего на него света, изме-
няющий свое сопротивление проходящему току,
рассматривается в качестве датчика в третьем
ее томе.
fiuod
251

Описание Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
На рис. 26.1 приведены условные обозначения Незакрашенность треугольника на схемах не
типичного диода. означает какого-либо функционального отли-
чия обозначаемого им диода по сравнению с
Различные способы обозначения диода, пред- треугольником закрашенным, а направление
ставляющие его варианты, приведены на стрелки всегда указывает направление условно-
рис. 26.2: го тока — от плюса к минусу — если диод под-
• вверху - каждый символ в этой группе из ключей с прямым смещением, однако функции
шести диодов обозначает стабилитрон (все стабилитронов и варакторов связаны с их об-
символы функционально идентичны); Ратньш подключением, и поэтому они исполь-
зуются для тока, протекающего в направлении,
• слева внизу — туннельный диод;
• внизу в центре — диод Шоттки;
• справа внизу — варактор.
./V
Рис 26.1. Широко используемые и функционально идентич-
ные обозначения типичного диода: стрелка, образованная
вершиной треугольника, указывает направление условного
тока (от положительного к отрицательному), если диод под-
ключен с прямым смещением
--у
Рис. 26.2. Широко используемые условные обозначения для Рис. 26.3. Диоды с различной способностью пропускания
специальных типов диодов тока в прямом направлении и номиналами от 7,5 А [вверху)
до 300 мА [внизу)
252 Статья 26

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Устройство
обратном стрелке. Ломаную линию в обозначе-
нии стабилитрона можно представить как разо-
гнутую букву Z1, а линию с завитками в обозна-
чении диода Шоттки — как букву S2, хотя иногда
эти линии рисуют в зеркальном отражении.
На рис. 26.3 показана подборка выпрямитель-
ных и сигнальных диодов: вверху — выпрями-
тельный диод с номиналом 7,5 А на 35 В посто-
янного тока, второй сверху — выпрямительный
диод с номиналом 5 А на 35 В постоянного тока,
в центре — выпрямительный диод с номиналом
3 А на 35 В постоянного тока, второй снизу —
выпрямительный диод 1N4001 с номиналом
1А на 35 В постоянного тока, внизу — сигналь-
ный переключающий диод 1N4148 с номиналом
300 мА (все значения указаны для прямого не-
прерывного тока и среднеквадратичного зна-
чения напряжения, однако пиковый ток может
значительно превышать значение непрерыв-
ного тока, не повреждая компонент). Каждый
цилиндрический диод помечен серебряной по-
лоской (на диоде 1N4148 она черная), обозна-
чающей его катод или тот конец диода, который
должен быть «более отрицательным», когда
компонент используется с прямым смещением.
Дополнительную информацию о диодах следует
искать в соответствующих спецификациях.
(со стороны анода, положительной) — испыты-
вает дефицит электронов, что создает итоговый
положительный заряд. Дефицит электронов
можно представить как избыток «положитель-
ных зарядов» или, как принято говорить, —
дырок, которые можно рассматривать в качестве
пустот, пригодных для заполнения электро-
нами.
Когда отрицательный полюс внешнего источ-
ника напряжения подключен к катоду диода,
а положительный — к его аноду (диод действу-
ет с прямым смещением), то электроны и дырки
за счет взаимного отталкивания устремляются
к переходу между п- и р-слоями (рис. ЦВ-26.4).
При этом, если, например, в кремниевом дио-
де разность потенциалов превышает значение,
близкое к 0,6 В (называемое пороговым напря-
жением перехода), то заряды начинают прони-
кать сквозь этот переход (у германиевого диода
значение порогового напряжения составляет
около 0,2 В, а у диода Шоттки — около 0,4 В).
Устройство
Диод с р-п-переходом — это двухслойный полу-
проводник, обычно изготовленный из кремния,
иногда из германия и изредка из других мате-
риалов. В эти слои добавлены примеси для ре-
гулирования их электрических характеристик
(более подробно это рассмотрено в статье 28).
N-слой (со стороны катода, отрицательной) —
обладает избытком электронов, которые со-
здают итоговый отрицательный заряд. Р-слой
1 От английского варианта их названия: Zener diode. —
Примеч. перев.
2 В английском варианте — это Schottky diode. — Примеч.
перев.
Рис. ЦВ-26.4. Внутреннее строение диода с р-п-переходом:
в режиме прямого смещения напряжение от источника вы-
нуждает заряды на п- и р-слоях перемещаться в диоде к цен-
тральному переходу, и через него начинает протекать ток
{слева)-, в режиме обратного смещения заряды на п- и р-слоях
отталкиваются от центрального перехода, который становит-
ся обедненной областью, неспособной пропускать значи-
тельный ток {справа)
Диод
253

Устройство
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Если отрицательный полюс внешнего источника
напряжения подключен к аноду диода, а поло-
жительный — к его катоду (диод действует с об-
ратным смещением), то электроны и дырки от-
талкиваются от перехода между п- и р-слоями,
и этот переход становится обедненной областью,
которая блокирует ток.
Подобно любому электронному компоненту,
диод не является эффективным на все 100% —
при подключении с прямым смещением он до-
бавляет в схему небольшое падение напряже-
ния — около 0,7 В для кремниевого диода (диоды
Шоттки способны создать падение напряжения
всего в 0,2 В, германиевые диоды — 0,3 В, а неко-
торые светодиоды — от 1,4 до 4 В). Эта энергия
Я? о
к- Ю
и о
гл. л
..- с
со
т:
Рис. 26.5. Когда прямое напряжение в диоде достигает поро-
гового напряжения перехода, диод начинает пропускать ток.
Если на диод подано обратное напряжение, то сначала воз-
никает небольшой ток утечки. Избыточное прямое или обрат-
ное напряжение вызовет ток, достаточный для повреждения
компонента
рассеивается в виде тепла. При подключении
с обратным смещением диод — на этот раз для
своей задачи по блокированию тока — так же не
является эффективным на 100%. Очень малый
ток, которому удается пройти через такой диод,
называется утечкой, — он практически всегда
меньше 1 мА и, в зависимости от типа диода,
может составлять всего лишь несколько микро-
ампер.
Теоретическая характеристика типичного р-п-
диода проиллюстрирована на рис. 26.5: в правой
части графика видно, что если диод подключен
с прямым смещением, то при постепенном воз-
растании потенциала ток через него не проходит
до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое
напряжение перехода, после чего сила тока воз-
растает очень резко, так как динамическое сопро-
тивление диода убывает почти до нуля. В левой
части графика показано, что если диод подклю-
чен с обратным смещением, то при постепен-
ном возрастании потенциала вначале через него
проникает лишь очень небольшой ток утечки.
В конечном итоге, если потенциал становится
достаточно высоким, диод достигает своего вну-
треннего напряжения пробоя, и его эффективное
сопротивление снова снижается почти до нуля.
Таким образом, у любого из концов кривой
диод легко и навсегда выходит из строя из-за
избыточного тока, поэтому для всех диодов (за
исключением стабилитронов и варакторов), не
следует допускать, чтобы обратное смещение
в диоде достигало уровня напряжения пробоя.
Рассматривая графики на рис. 26.5, имейте
в виду, что масштабы по осям в целях наглядно-
сти не выдержаны — для многих диодов величи-
на напряжения пробоя при обратном смещении
в 100 раз превышает величину порогового на-
пряжения при прямом смещении.
254
Статьям

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Варианты
Варианты
Корпус
На корпусах некоторых диодах не указано во-
все никакой информации, на некоторых может
быть приведен номер компонента, — любая до-
полнительная информация встречается редко.
Не существует и договоренностей об обозначе-
нии электрических характеристик компонента
с помощью цвета или сокращений. Если один из
выводов как-либо помечен, то почти наверняка
это катод. Один из способов запомнить значение
полоски на стороне катода у выпрямительного
или сигнального диода — представить ее как ли-
нию, которая присутствует на условном обозна-
чении диода.
Общепринятого максимального или минималь-
ного номинала, на основе которого можно отде-
лить импульсные диоды от выпрямительных, не
существует.
Стабилитрон
Характеристики стабилитрона (типичный ста-
билитрон показан на рис. 26.6) в целом весьма
схожи с характеристиками импульсного или вы-
прямительного диода, за исключением того, что
его напряжение пробоя ниже.
Импульсные диоды
Импульсные диоды известны также как пере-
ключающие диоды, или быстродействующие
диоды, — их небольшой размер обеспечивает
низкое сопротивление перехода и быстрое вре-
мя отклика. Импульсные диоды не предназна-
чены для работы с сильными токами. Ранее они
традиционно выпускались с аксиальными выво-
дами для установки в монтажные отверстия (по-
добно традиционным резисторам), и хотя такой
их вариант по-прежнему существует, сейчас им-
пульсные диоды чаще доступны в варианте для
поверхностного монтажа.
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды по размерам больше,
чем импульсные и способны работать с боль-
шими токами, но более высокое сопротивление
перехода делает их непригодными для быстрого
переключения. Выпрямительные диоды часто
снабжены аксиальными выводами, хотя для
работы с большими токами имеются и другие
варианты конструкции корпуса — они могут
содержать теплоотвод или обладать возмож-
ностью подключения к теплоотводу.
Рис. 26.6. Стабилитрон 1 N4740
Стабилитроны предназначены для подключе-
ния с обратным смещением — то есть, ток
условного направления прикладывается к ним
по сравнению с обычными диодами «в непра-
вильном направлении», а по мере увеличения
тока динамическое сопротивление стабилитро-
нов уменьшается. Эта зависимость показана
на рис. 26.7, где двумя кривыми представлена
производительность различных стабилитронов
(кривые адаптированы из спецификации про-
изводителя). Такое поведение стабилитронов
позволяет использовать их в простых цепях ста-
билизаторов напряжения, поскольку они позво-
ляют току протекать в обратном направлении
при напряжении, ограниченном напряжением
пробоя диода. Другие применения стабилитро-
нов рассмотрены в разд. «Стабилизация напря-
жения постоянного тока и подавление помех»
этой статьи.
Диод
255

Варианты
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Ч,,
Диод Шоттки
Диод Шоттки обладает низким сопротивлением
перехода, что обеспечивает более быстрое пере-
ключение по сравнению с типичными кремние-
выми диодами. Он также создает меньшее пря-
мое падение напряжения, что может оказать-
ся желательно в низковольтных устройствах,
и обеспечивает меньшее рассеяние мощности,
когда используется для управления протекани-
ем тока.
Производится диод Шоттки на основе перехода
«полупроводник-металл», вследствие чего ока-
зывается немного дороже типичных кремние-
вых диодов с похожими характеристиками по
напряжению и току.
Рис. 26.7. В спецификации производителя могут быть при-
ведены подобные графики, показывающие изменение дина-
мического сопротивления двух стабилитронов с обратным
смещением в ответ на изменение силы тока
Ограничитель всплесков
напряжения
Этот вариант стабилитрона предназначен для
защиты чувствительных устройств от всплесков
напряжения, ограничивая эти всплески путем
отвода их энергии на «землю». Ограничитель
способен поглотить напряжение до 30 000 В —
от удара молнии или статического разряда.
Обычно такой стабилитрон объединяется с дру-
гими диодами в интегральной микросхеме для
поверхностного монтажа.
Стабилитроны могут использоваться также в це-
пях для подавления электростатического разря-
да, который может возникнуть, когда кто-либо
непреднамеренно аккумулировал электростати-
ческий потенциал, а затем заземлил его, прикос-
нувшись к электронному устройству.
Варактор
Варактор известен также как варикап. Диоды
этого типа обладают переменной емкостью, ко-
торая управляется обратным напряжением. Хотя
другие диоды также могут проявлять подобное
свойство, варактор специально предназначен
для его использования при очень высоких часто-
тах. Приложенное к нему напряжение расширяет
или сужает обедненную область перехода между
р- и n-зонами, что аналогично сближению или
отдалению пластин конденсатора.
Поскольку максимальная емкость варактора не-
высока (около 100 пФ), варианты его примене-
ния ограниченны. Он широко используется в ра-
диочастотных устройствах, где его управляемая
напряжением емкость обеспечивает уникальное
средство управления частотой контура генерато-
ра. Почти во всех радио-, сотовых и беспровод-
ных приемниках варактор управляет генерато-
ром схемы фазовой синхронизации. В приемни-
ках радиолюбительской связи его можно также
использовать для точной подстройки фильтра,
отслеживающего принимаемую радиочастоту.
Варактор всегда работает с обратным смещени-
ем ниже своего напряжения пробоя, чтобы пря-
мая проводимость отсутствовала. Напряжение,
256
Статья26

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Параметры
которое управляет варактором, должно быть
абсолютно свободно от случайных колебаний,
которые влияют на его резонансную частоту.
Туннельный диод, диод Ганна,
PIN-диод
Диоды этих типов используются чаще всего
в устройствах с очень высокой частотой вплоть
до микроволнового излучения, где непригодны
обычные диоды, поскольку они не обладают до-
статочно высокой скоростью переключения.
Диодная матрица
Для создания диодной матрицы два или более
диодов могут быть помещены в одиночный DIP-
корпус или (более часто) в интегральную микро-
схему для поверхностного монтажа. Внутренняя
конфигурация и разводка выводов такой микро-
схемы различны в зависимости от устройства,
которому она предназначена. Диодные матрицы
можно использовать для оконцовки информа-
ционных шин или для уменьшения шума из-за
отражений.
Мостовой выпрямитель
Хотя это тоже диодная матрица, в каталогах
компонентов она обычно приводится под назва-
нием мостовой выпрямитель. На рынке доступ-
ны многочисленные его варианты для установки
в монтажные отверстия с номиналами до 25 А.
Некоторые мостовые выпрямители предназна-
чены для работы на однофазном токе, тогда как
другие обрабатывают трехфазный переменный
ток. Мостовые выпрямители с зажимными кон-
тактами способны выпрямлять ток силой 1000 А
при напряжении более 1000 В. Однако модуль
мостового выпрямителя обычно не содержит
никакого приспособления для сглаживания или
фильтрации выхода (см. разд. «Выпрямление
шока» в этой статье далее, чтобы узнать допол-
нительную информацию о поведении мостового
выпрямителя).
Параметры
В спецификации производителя для типичного
диода должны быть указаны следующие харак-
теристики, которые могут использовать приве-
денные здесь сокращения:
• максимальный прямой ток: If, Io или IOmax;
• прямое напряжение (падение напряжения
на диоде): Vf;
• пиковое обратное постоянное напряжение
(может называться максимальным бло-
кирующим напряжением или напряжением
пробоя): Piv, Vdc или Vbr;
• максимальный обратный ток (называемый
также утечкой): 1г.
Спецификации могут содержать и дополнитель-
ные параметры, если диод используется для пе-
ременного тока, а также включать информацию
о пиковом прямом броске тока и приемлемых
рабочих температурах.
Типичным сигнальным диодом является 1N4148
(приведен в нижней части рис. 26.3) — ограни-
чение прямого тока для него составляет око-
ло 300 мА, создаваемое падение напряжения
около 1 В, он также может выдержать пиковое
обратное напряжение в 75 В (эти значения мо-
гут немного отличаться у различных произво-
дителей).
Выпрямительные диоды серий 1N4001,1N4002
и 1N4003 рассчитаны на максимальный прямой
ток в 1 А и создают падение напряжения чуть
более 1 В. Они способны выдержать от 50 до
1000 В обратного напряжения, в зависимости
от компонента. Опять-таки, эти значения могут
быть немного различными у разных производи-
телей.
Стабилитроны описываются другими характе-
ристиками, поскольку они подключаются с об-
ратным смещением и используются в качестве
устройств управления напряжением, а не как
выпрямительные устройства. В спецификациях
Циод
257

Применение
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
производителей на них будут, скорее всего, со-
держаться следующие параметры:
• напряжение стабилизации — потенциал,
при котором диод, подключенный с обрат-
ным смещением, начинает пропускать ток
обратного направления (напоминает на-
пряжение пробоя) :Vz;
• импеданс стабилитрона, или динамическое
сопротивление (эффективное сопротивле-
ние диода, определяемое, когда он подклю-
чен с обратным смещением при напряжении
стабилитрона): Zz;
• максимальный или допустимый ток стаби-
литрона (или обратный ток): Iz или Izm;
• максимальное или общее рассеяние мощ-
ности: Pd или Ptot.
Для напряжения стабилизации могут быть ука-
заны минимальное и максимальное значения
или же только максимальное.
Ограничения на прямой ток для стабилитронов
часто не указываются, поскольку они не предна-
значены для подключения с прямым смещением.
Применение
Выпрямление тока
Выпрямительный диод, как подразумевает его
название, широко используется для выпрямле-
ния переменного тока, — то есть для превраще-
ния переменного тока в постоянный.
Однополупериодный выпрямитель использует
единственный диод для блокировки одной по-
ловины синусоидального сигнала переменного
тока. На рис. ЦВ-26.8 показана принципиальная
схема такого выпрямителя: вверху — диод позво-
ляет току циркулировать через нагрузку против
часовой стрелки, внизу — диод блокирует ток,
который пытается циркулировать по часовой
стрелке. Хотя в выходном сигнале между им-
пульсами имеются «промежутки», он пригоден
Рис. ЦВ-26.8. Однополупериодный выпрямитель: в такой
конфигурации диод позволяет переменному току циркули-
ровать против часовой стрелки, но блокирует его протекание
по часовой стрелке (черный фрагмент проводника)
Рис. ЦВ-26.9. Принципиальная схема, широко используемая
для создания мостового выпрямителя (цвет здесь обозначает
полярность): провода черного цвета не пропускают ток, по-
скольку диод блокирует его (заметьте, что полярность у на-
грузки остается постоянной)
258
Статья 26

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Применение
для простых задач типа подачи питания на све-
тодиод, а при добавлении сглаживающего кон-
денсатора может питать обмотку реле постоян-
ного тока.
Двухполупериодный выпрямитель, называемый
также мостовым выпрямителем (рис. ЦВ-26.9),
содержит четыре диода, что обеспечивает более
эффективный выходной сигнал, обычно филь-
труемый и сглаживаемый затем соответствую-
щими конденсаторами.
Сравнение входного и выходного сигнала для
однополупериодного и двухполупериодного вы-
прямителей приведено на рис. ЦВ-26.10.
Для создания выпрямителей редко использу-
ются дискретные компоненты, так как на рын-
ке доступны серийно выпускаемые мостовые
выпрямители в виде интегрированных мо-
дулей. В качестве дискретных компонентов
выпрямительные диоды чаще применяются для
подавления импульсов противоЭДС (см. об этом
далее).
На рис. 26.11 показана старая, но широко до сих
пор применяемая, конструкция двухполупери-
одного мостового выпрямителя: размеры это-
го блока составляют примерно 5x5x4 см, и он
разделен на четыре секции (имеющие лепестки
для пайки, выведенные с правой его стороны),
каждая из которых соответствует функциональ-
ности одного современного диода.
Корпуса сравнительно новых выпрямителей по-
казаны на рис. 26.12: левый — рассчитан на не-
прерывный ток 20 А при среднеквадратичном
напряжении 800 В, а правый — на непрерывный
ток 4 А при среднеквадратичном напряжении
200 В.
Рис. ЦВ-26.10. Вверху: синусоида, показывающая амплитуду
напряжения источника переменного тока, которая колеблет-
ся от положительных до отрицательных значений относитель-
но нейтральной линии; в центре: переменный ток, преобра-
зованный двухполупериодным выпрямителем (поскольку
диоды не проводят ток ниже порогового напряжения, между
импульсами появляются небольшие промежутки); внизу, вы-
ходной сигнал однополупериодного выпрямителя
Рис. 26.11. До того как производство микросхем достигло
совершенства в конце 60-х годов прошлого века, широко ис-
пользовались селеновые выпрямители такого типа с разме-
ром стороны около 5 см
Диод
259

Применение
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Рис. 26.12. Двухполупериодные мостовые выпрямители ши-
роко доступны в таких корпусах
На рис. 26.13 выпрямитель слева рассчитан на
непрерывный ток 4 А при среднеквадратичном
напряжении 50 В, а выпрямитель справа — на
непрерывный ток 1,5 А при среднеквадратич-
ном напряжении 200 В.
Сигнал постоянного тока от модульных выпря-
мителей обычно снимается с крайних выводов,
а два центральных вывода принимают пере-
менный ток. Положительный вывод постоян-
ного тока может быть длиннее остальных трех
и обычно помечен символом +.
Двухполупериодные мостовые выпрямители
выпускаются также и в формате для поверх-
ностного монтажа — показанный на рис. 26.14
выпрямитель рассчитан на непрерывный ток
силой 0,5 А.
Рис. 26.13. Небольшие двухполупериодные мостовые вы-
прямители способны работать с непрерывным током от 1,5
до 4 А
Рис. 26.14. Этот компонент для поверхностного монтажа раз-
мером около 5 мм содержит четыре диода, формирующих
цепь двухполупериодного мостового выпрямителя, и спосо-
бен пропускать непрерывный ток в 0,5 А
Подавление противоЭДС
Обмотка реле, электродвигатель или другое
устройство со значительной индуктивностью
при своем включении или выключении обычно
создают всплеск напряжения. Чтобы защитить
другие компоненты цепи, можно шунтировать
эту ЭДС через выпрямительный диод, который
в такой конфигурации может называться за-
щитным диодом, фиксирующим диодом или по-
давителем помех, вызванных переходными про-
цессами (рис. 26.15).
260
Статья 26

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Применение
напряжения. Аккумулятор подает 9 В постоян-
ного тока через нижний диод на катодную сто-
рону верхнего диода, но сетевой адаптер «кроет»
его напряжением 12 В постоянного тока через
верхний диод. Поэтому аккумулятору не удается
подавать питание в цепь, пока не отключен сете-
вой адаптер. Когда же он отключен, на его место
заступает аккумулятор, а верхний диод теперь
не позволяет аккумулятору пропускать ток на-
зад через сетевой адаптер.
mm
Рис. 26.15. Выпрямительный диод очень часто подключается
к выводам электродвигателя {вверху), реле {внизу) или друго-
го устройства со значительной индуктивностью, которое соз-
дает всплеск обратного напряжения при своем включении
или выключении. Этот всплеск и шунтируется через диод, за-
щищающий остальные компоненты цепи
Рис. 26.16. Два диода с соединенными катодами автоматиче-
ски выбирают либо сетевой адаптер, обеспечивающий 12 В
постоянного тока, либо внутренний аккумулятор на 9 В
Выбор напряжения
Диод чувствителен к относительному напряже-
нию между его анодным и катодным выводами.
Другими словами, если катод находится под на-
пряжением 9 В относительно заземления в цепи,
а анод — под напряжением 12 В, то разность в 3 В
с легкостью превысит пороговое напряжение,
и диод станет пропускать ток (действительные
приемлемые значения зависят от пропускной
способности диода для прямого напряжения).
Если напряжение обратное, диод этот ток будет
блокировать.
Это свойство можно использовать, чтобы
какое-либо устройство автоматически выбира-
ло либо сетевой адаптер, либо аккумулятор на
9 В (рис. 26.16): когда сетевой адаптер, который
подает 12 В постоянного тока, включен в сете-
вую розетку, он начинает конкурировать с акку-
мулятором за подачу питания на стабилизатор
Стабилизатор напряжения в этой схеме при-
нимает либо 12, либо 9 В постоянного тока
и преобразует их в 5 В постоянного тока (ра-
ботая на 12 В постоянного тока, стабилизатор
потеряет больше мощности, которая будет рас-
сеяна в виде тепла).
Фиксация напряжения
Диод может использоваться и для того, чтобы
зафиксировать напряжение на желаемом уров-
не. Если вход на 5 В в КМОП-схеме или подоб-
ном ей чувствительном устройстве должен быть
защищен от превышения диапазона, можно
соединить анод диода со входом, а катод — с ис-
точником напряжения на 5 В. Если входное на-
пряжение немного превысит 5,6 В, то разность
потенциалов станет выше порогового напряже-
ния перехода диода, и он отведет избыточную
энергию (рис. 26.17).
Диод
261

Применение
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Рис. 26.17. Фиксирующий диод может ограничивать выход-
ное напряжение (в этом примере до величины около 5,6 В):
если входное напряжение становится выше этого значения
относительно общего заземления, то разность потенциалов
на диоде возвращает избыточное напряжение обратно на ис-
точник питания 5 В
Логический элемент
Сигнальный диод не сильно хорош в качестве
логического элемента, поскольку он обычно
создает снижение напряжения в 0,6 В, которое
может стать существенным для цепи на 5 В и, ве-
роятно, неприемлемым в цепи на 3,3 В. Однако
он, все же, может оказаться полезным на вы-
ходной стороне — например, если два или более
выходов от логической микросхемы или микро-
контроллера предназначены для приведения
в действие или для совместного использования
другого устройства, — например, единственного
светодиода (рис. 26.18). В этой роли подклю-
ченные параллельно диоды ведут себя подобно
логическому элементу ИЛИ, предотвращая об-
ратное протекание питающего тока с одного вы-
хода микросхемы на другой.
Стабилизация напряжения посто-
янного тока и подавление помех
Как отмечалось ранее, динамическое сопротив-
ление стабилитрона, подключаемого с обратным
смещением, при увеличении тока уменьшается.
Такая зависимость начинается тогда, когда воз-
никает пробой диода (при напряжении стабили-
трона), и оно приблизительно линейно в огра-
ниченном диапазоне. Спецификация произво-
дителя может содержать сведения, относящиеся
к динамическому сопротивлению стабилитрона
в ответ на ток (см. рис. 26.7).
Столь уникальное поведение стабилитрона де-
лает его пригодным в качестве очень просто-
го регулятора напряжения, если он подключен
последовательно с резистором (рис. 26.19).
Полезно представлять этот диод и резистор как
своего рода делитель напряжения в схеме, где
мощность снимается в точке А. Если колебания
источника питания увеличивают входное на-
пряжение, то это вызовет увеличение силы тока,
протекающего через стабилитрон, и его динами-
ческое сопротивление соответствующим обра-
зом уменьшится. Меньшее сопротивление этого
компонента в делителе напряжения уменьшит
выходное напряжение в точке А, компенсировав
тем самым всплеск входного напряжения.
Рис. 26.18. Два или более выходов логической микросхемы
или микроконтроллера могут быть связаны с диодами для
питания другого устройства (например, светодиода) — при
этом диоды защищают микросхему от обратного тока (диоды
здесь формируют логический элемент ИЛИ)
Рис. 26.19. Упрощенная принципиальная схема, иллюстриру-
ющая способность стабилитрона компенсировать изменения
напряжения источника питания или нагрузки в цепи, созда-
вая приблизительно постоянное напряжение в точке А
262
Статья 26

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Применение
И, наоборот, если нагрузка в цепи возрастает
и стремится понизить входное напряжение, то
протекающий через стабилитрон ток будет
уменьшаться, а напряжение в точке А — увели-
чиваться, опять-таки компенсируя колебания
в цепи.
Поскольку последовательный резистор мо-
жет стать источником тепла, следовало бы для
управления нагрузкой добавить транзистор
(рис. 26.20).
Рис. 26.21. Два последовательных стабилитрона, соединен-
ные противоположными полярностями, могут срезать или
ограничивать синусоидальное напряжение переменного тока
Рис. 26.20. В цепь, показанную на рис. 26.19, можно добавить
транзистор, чтобы снизить потери мощности через резистор
На практике вместо дискретных компонентов
в такой схеме скорее всего был бы использован
модульный стабилизатор напряжения типа
LM7805, поскольку он обладает функциями
автокалибровки, не требует наличия последо-
вательного резистора и довольно мало чув-
ствителен к температуре. При этом компонент
LM7805 содержит собственный стабилитрон,
и принцип его работы остается тем же.
Управление напряжением перемен-
ного тока и ограничение сигнала
Вполне практично применять стабилитроны
для ограничения напряжения переменного тока
и/или срезания его синусоидального сигнала
с помощью двух последовательно соединенных
компонентов, подключенных противополож-
ными полярностями, — когда один из диодов
подключен с обратным смещением, а второй —
Рис. 26.22. Входной сигнал переменного тока, который вы-
глядит правильной синусоидой (вверху), и его обрезанная
версия (внизу), созданная с помощью последовательно под-
ключенных стабилитронов (см. схему на рис. 26.21)
с прямым (принципиальная схема приведена на
рис. 26.21, а срезание синусоидального сигнала
переменного тока — на рис. 26.22). Стабилитрон,
подключенный с прямым смещением, действует
подобно любому диоду, — он позволяет току
Диод
263

Применение
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
протекать сравнительно свободно, пока напря-
жение не превосходит порогового значения.
Когда переменный ток меняет направление, ста-
билитроны меняются своими функциями: пер-
вый начинает пропускать ток, а второй — огра-
ничивает напряжение. Действуя таким образом,
эти диоды отводят пиковое напряжение от на-
грузки. Напряжение стабилизации для каждо-
го из диодов следует подбирать так, чтобы оно
незначительно превосходило напряжение пере-
менного тока (для управления напряжением)
или было ниже его (для срезания сигнала).
Пороговая схема
Стабилитрон можно использовать для обна-
ружения небольшого изменения напряжения
и переключения выхода в ответ на него.
Верхняя схема на рис. 26.23 демонстрирует ста-
билитрон, который не пропускает напряжение
на эмиттер p-n-p-транзистора, пока входной
сигнал меньше напряжения пробоя стабили-
трона. В этом режиме транзистор является от-
носительно непроводящим, через него проходит
очень малый ток, и на выходе создается почти
нулевое напряжение. Но как только входной
сигнал становится выше напряжения стабили-
зации, транзистор начинает работать, и на вы-
ход поступает мощность. Таким образом, вход-
ной сигнал дублируется на выходе, как показано
в верхней части рис. 26.24.
■,'бремй: ■■
Рис. 26.23. Стабилитрон можно использовать в сочетании с Рис. 26.24. Теоретический выходной сигнал от транзисторов
p-n-p-транзистором из схем, представленных на рис. 26.23
264
Статья 26

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > диод
Что может пойти не так?
Нижняя схема на рис. 26.23 изображает стаби-
литрон, который не пропускает напряжение на
базу n-p-n-транзистора, пока входной сигнал
ниже напряжения пробоя стабилитрона. В этом
режиме транзистор является сравнительно не-
проводящим, и мощность подается на выход.
Как только входной сигнал становится выше на-
пряжения стабилизации, транзистор активизи-
руется, отклоняя ток на землю в обход вывода,
напряжение на котором приближается к нулю.
Таким образом, входной сигнал инвертируется,
как показано в нижней части рис. 26.24 (при
условии, что сила тока достаточна для насыще-
ния транзистора).
Что может пойти не так?
Перегрузка
Если превышено максимальное значение тока
в прямом направлении, то нагрев, скорее всего,
повредит диод. Если диод подключен с обрат-
ным смещением при напряжении выше предель-
ного обратного, то такой ток преодолеет спо-
собность диода к его блокировке и произойдет
лавинный пробой, который, наверняка, разрушит
компонент. График на рис. 26.5 иллюстрирует
диапазон производительности гипотетического
типового диода.
Неправильная полярность
Стабилитроны выглядят почти идентично дио-
дам других типов, и для всех диодов соблюдает-
ся одинаковое соглашение о маркировке катода
в целях его идентификации. Но при этом ста-
билитроны должны подключаться с обратным
смещением, а остальные диоды — с прямым.
Это создает значительный риск неправильной
установки стабилитрона «не той стороной»,
что может привести к разрушительным или,
по меньшей мере, запутывающим результатам,
в особенности при использовании источника
питания. Очень низкое сопротивление диода
прямому току делает его особо подверженным
перегоранию в случае некорректной установки.
Неверный тип диода
Если стабилитрон случайно использован там,
где более уместен сигнальный или выпрями-
тельный диод, цепь станет функционировать
неправильно, так как стабилитрон будет, веро-
ятно, обладать намного меньшим напряжением
пробоя и, следовательно, не станет блокировать
обратный ток. И наоборот, если сигнальный или
выпрямительный диод использован в цепи там,
где необходим стабилитрон, обратное напряже-
ние будет сдерживаться (или стабилизировать-
ся) по значению прямого напряжения диода.
Поскольку маркировка диодов часто выполнена
некачественно, хорошей мерой предосторожно-
сти будет хранение стабилитронов отдельно от
диодов других типов.
Диод
265

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > однопереходный транзистор
ОДНОПЕРЕХОДНЫЙ
ТРАНЗИСТОР
27
Однопереходный транзистор (по. англ. unijunction transistor, UJT)
и однопереходный транзистор с управляемым порогом (по англ.
programmable unijunction transistor, PUT) различны по внутреннему
устройству, но довольно сходны по функциям и поэтому объедине-
ны в этой статье.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• диод (см. статью 26)
• биполярный транзистор (см. статью 28)
• полевой транзистор (см. статью 29)
Описание
Несмотря на свои названия, однопереходный
транзистор (двухбазовый диод) и однопере-
ходный транзистор с управляемым порогом не
являются — подобно биполярным транзисто-
рам — устройствами для усиления тока. Они
представляют собой коммутирующие компо-
ненты, которые больше похожи на диоды, чем
на транзисторы.
Однопереходный транзистор можно использо-
вать в цепях генераторов низкой и средней ча-
стоты, а однопереходный транзистор с управ-
ляемым порогом обеспечивает подобную функ-
циональность с добавлением более сложного
управления, при этом он может работать при
слабых токах. Популярность однопереходных
транзисторов снизилась в 80-е годы прошлого
столетия после изобретения таких компонен-
тов, как таймер 555, который обладает боль-
шей гибкостью и более стабильной частотой
на выходе при конкурентоспособной стоимо-
сти (интегральная схема таймера 555 созда-
ет прямоугольный сигнал, а однопереходные
транзисторы — последовательность всплесков
напряжения). Однопереходные транзисторы сей-
час распространены мало, а однопереходные
транзисторы с управляемым порогом все так же
широко доступны в виде дискретных компонен-
тов для установки в монтажные отверстия и ча-
сто используются для запуска тиристора (этот
компонент рассмотрен во втором томе энци-
клопедии), а также находят применение в цепях
малой мощности, где он может потреблять ток
всего в несколько микроампер.
На рис. 27.1 и 27.2 показаны условные обозна-
чения этих двух компонентов — хотя символ
однопереходного транзистора очень похож на
символ полевого транзистора, ведет он себя аб-
солютно иначе: изогнутая стрелка — в отличие
от прямой стрелки, идентифицирующей поле-
вой транзистор, — является характерным при-
знаком однопереходного транзистора, и это
различие существенно важно. Условное же обо-
значение однопереходного транзистора с управ-
ляемым порогом непосредственно указывает на
его функцию, поскольку напоминает диод с до-
бавленным подключением к затвору.
Однопереходный транзистор
267

Устройство
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > однопереходный транзистор
На рис. 27.3 показаны: слева — однопереход-
ный транзистор старого образца (максимальная
мощность 300 мВт, напряжение между базами
35 В), б центре — однопереходный транзистор
старого образца (мощность 450 мВт, напряжение
между базами 35 В), справа — однопереходный
Рис. 27.1. Условное обозначение однопереходного транзи-
стора. Обратите внимание на изогнутую стрелку — символ
для полевого транзистора выглядит сходно, но стрелка у него
прямая, и функциональность этих двух компонентов совер-
шенно различная
Рис. 27.2. Условное обозначение однопереходного транзи-
стора с управляемым порогом. Этот символ однозначно ука-
зывает на подобие функций такого транзистора диоду — с до-
бавлением затвора для настройки порогового напряжения
Рис. 27.3. Слева и в центре — устаревающие однопереход-
ные транзисторы; справа — однопереходный транзистор с
управляемым порогом, который по-прежнему широко до-
ступен и часто используется в качестве пускового устройства
для тиристора
транзистор с управляемым порогом (мощность
300 мВт, прямое напряжение между затвором
и катодом 35 В, напряжение между анодом и ка-
тодом 40 В).
Устройство
Однопереходный транзистор представляет со-
бой полупроводниковое устройство с тремя вы-
водами, но состоит только из двух областей, раз-
деленных единственным переходом, — отсюда
и его название. Выводы, подключенные к про-
тивоположным сторонам единственного канала
из полупроводника n-типа, называются базой-1
и базой-2, при этом базе-2 необходим потенци-
ал, который немного выше потенциала базы-1.
Небольшая область р-типа между базой-1 и
базой-2 называется эмиттером.
Схема на рис. ЦВ-27.4 дает приблизительное
представление о внутреннем устройстве одно-
переходного транзистора: если к эмиттеру не
приложено напряжение, довольно высокое вну-
треннее сопротивление однопереходного тран-
зистора (обычно больше 5 кОм) не пропускает
ток от базы-2 к базе-1. Когда же положитель-
ный потенциал на эмиттере возрастает до за-
пускающего напряжения (которое подобно по-
роговому напряжению перехода диода с прямым
смещением), внутреннее сопротивление падает
очень быстро, позволяя току войти в компонент
как через эмиттер, так и через базу-2, и выйти
через базу-1 (термин «ток» обозначает здесь
ток условного направления — как мы помним,
электроны перемещаются в противоположную
сторону). При этом ток, протекающий от базы-2
к базе-1, значительно выше, чем ток, протекаю-
щий от эмиттера к базе-1.
График на рис. 27.5 отражает поведение одно-
переходного транзистора: по мере возрастания
напряжения, приложенного к эмиттеру, ток, по-
ступающий в компонент от эмиттера, возрас-
тает незначительно — до тех пор, пока не будет
достигнуто запускающее напряжение. Тогда
268
Статья 21

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > однопереходный транзистор
Устройство
Запускающее
напряжение
и о пасть
насыщения
| О тр и цате)'; ь и ое
\ сопротивление
\
Напряжение
впадины
г те ре ' н**
>.
Рис. 27.5. Характеристика однопереходного транзистора:
когда положительный потенциал на эмиттере доходит до ве-
личины запускающего напряжения, внутреннее сопротивле-
ние резко снижается, и — пока ток возрастает — компонент
проходит через фазу, известную как «отрицательное сопро-
тивление»
Рис. ЦВ-27.4. Внутреннее устройство однопереходного
транзистора
внутреннее сопротивление компонента резко
падает, что приводит к уменьшению напряже-
ния на эмиттере, и ток начинает быстро расти.
Поскольку сопротивление здесь снижено, эту
область называют отрицательным сопротив-
лением (в действительности, сопротивление не
может быть меньше нуля, но здесь его назы-
вают так, потому что отрицательным является
изменение сопротивления). Когда напряжение
эмиттера падает до минимального значения, на-
зываемого напряжением впадины, ток продол-
жает возрастать при небольшом увеличении на-
пряжения. В спецификациях пиковый ток часто
обозначают 1р, а ток впадины — Iv.
На рис. 27.6 показана испытательная схема для
демонстрации функций однопереходного тран-
зистора, в которой вольтметр отображает его
состояние. Типичное напряжение источника пи-
тания может составлять от 9 до 20 В постоянно-
го тока.
Однопереходный транзистор с управляемым по-
рогом ведет себя во многом подобно однопере-
ходному транзистору, но внутри устроен совер-
шенно иначе — он состоит из четырех полупро-
водниковых слоев, функционирующих подобно
тиристору, и приводится в действие путем уве-
личения напряжения на аноде.
На рис. 27.7 приведена испытательная схема
для однопереходного транзистора с управляе-
мым порогом — он начинает работать, когда
напряжение на его аноде превышает пороговый
уровень, устанавливаемый с помощью затвора.
Когда транзистор запущен, его внутреннее со-
противление падает, ток начинает протекать от
анода к катоду, некоторое его количество про-
никает также и через затвор. Такое поведение
почти идентично поведению диода с прямым
смещением, за исключением того, что порого-
вым уровнем можно управлять (или «програм-
Однопереходный транзистор
269

Варианты
Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > однопереходный транзистор
Рис. 27.6. Испытательная схема для однопереходного тран-
зистора, где вольтметр отображает его отклик на увеличение
(с помощью потенциометра) напряжения, приложенного к
эмиттеру
Рис. 27.7. Испытательная схема для однопереходного тран-
зистора с управляемым порогом, где вольтметр отображает
его отклик на увеличение (с помощью потенциометра) напря-
жения, приложенного к аноду
мировать» его), в соответствии с величиной
положительного потенциала, приложенного
к затвору. Этот потенциал устанавливается при
помощи сопротивлений R1 и R2, действующих
как делитель напряжения.
Выходное напряжение однопереходного тран-
зистора с управляемым порогом описывается
кривой, которая очень похожа на кривую, пока-
занную на рис. 27.5, хотя ток и напряжение сле-
дует измерять на катоде.
Варианты
Однопереходный транзистор с управляемым
порогом и однопереходный транзистор не про-
изводятся в качестве компонентов для поверх-
ностного монтажа.
Однопереходный транзистор обычно помеща-
ется в черный пластиковый корпус, хотя ста-
рые варианты выпускались в виде «баночек».
Однопереходные транзисторы с управляемым
порогом практически всегда помещаются в чер-
ный пластиковый корпус. Если направить выво-
ды вниз, а плоскую сторону повернуть к себе, то
выводы однопереходного транзистора с управ-
ляемым порогом обычно соответствуют следу-
ющим функциям (слева направо): анод, затвор
и катод.
Параметры
Запускающее напряжение однопереходного
транзистора vt можно вычислить, исходя из
значений R1 и R2 (см. рис. 27.6) и напряжения
на базе-1, по следующей формуле:
= v_
(R1 /
Здесь Rbb обозначает сумму Rl + R2, a Vbb - об-
щее напряжение между этими двумя резистора-
ми (это то же самое, что и напряжение питания
на рис. 27.6). Величина Rl / Rbb называется ко-
эффициентом передачи и часто обозначается
с помощью греческой буквы г\.
270
Статья 27

Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > однопереходный транзистор
Использование
Обычно значение запускающего напряжения
для однопереходного транзистора составляет
не менее 0,7 — когда сопротивление R1 выбрано
большим, чем R2 (типичными значениями R1
и R2 могут быть 180 и 100 Ом соответствен-
но). Если сопротивление R4 равно 50 кОм,
а в качестве резистора R3 использован линей-
ный потенциометр на 100 кОм, то однопереход-
ный транзистор должен запускаться, когда по-
тенциометр находится вблизи середины своего
диапазона. Напряжение насыщения эмиттера
обычно составляет от 2 до 4 В.
Для однопереходного транзистора с управляе-
мым порогом типичными значениями в испыта-
тельной цепи (см. рис. 27.7) могут быть следую-
щие: напряжение питания от 9 до 20 В посто-
янного тока, сопротивление R1 — 28 кОм, R2 —
16 кОм, R5 — 20 Ом, R4 — 280 кОм и линейный
потенциометр R3 на 500 кОм. Однопереходный
транзистор с управляемым порогом также дол-
жен запускаться, когда потенциометр находится
вблизи середины своего диапазона.
Установившийся прямой ток от анода к като-
ду обычно не превышает 150 мА, а от затвора
к катоду — обычно не более 50 мА. Рассеивание
мощности не должно превосходить 300 мВт.
При температуре выше 25 °С эти величины мо-
гут быть ниже.
В зависимости от используемого однопереход-
ного транзистора с управляемым порогом, по-
требление энергии можно существенно снизить,
увеличив номиналы резисторов в 100 раз и по-
низив напряжение питания до 5 В. Выходной
сигнал с катода однопереходного транзистора с
управляемым порогом можно затем направить
на базу n-p-n-транзистора для усиления.
Использование
На рис. 27.8 показана простая схема генератора
на основе однопереходного транзистора, а на
рис. 27.9 — подобная схема для однопереходно-
го транзистора с управляемым порогом. Сначала
напряжение питания заряжает конденсатор —
Рис. 27.8. Принципиальная схема генератора на однопере-
ходном транзисторе: по мере накопления заряда на конден-
саторе возрастает напряжение на эмиттере — до тех пор,
пока не произойдет запуск однопереходного транзистора,
при котором конденсатор разряжается через эмиттер
f™iir
Рис. 27.9. Принципиальная схема генератора на однопере-
ходном транзисторе с управляемым порогом: по мере на-
копления заряда на конденсаторе возрастает напряжение
на аноде до тех пор, пока не произойдет запуск однопере-
ходного транзистора с управляемым порогом, при котором
конденсатор разряжается через анод. Напряжение затвора
устанавливается с помощью резисторов R1 и R2, позволяю-
щих настроить запускающее напряжение
Однопереходный транзистор
271

Что может пойти не так? Полупроводниковые приборы > один р-п-переход > однопереходный транзистор
до тех пор, пока потенциал на эмиттере одно-
переходного транзистора или на затворе одно-
переходного транзистора с управляемым поро-
гом не достигнет порогового напряжения, после
чего конденсатор разряжается через эмиттер,
и цикл повторяется. Номиналы резисторов
должны быть близкими к использованным
в рассмотренных ранее испытательных схемах
(см. рис. 27.6 и 26.7), а конденсатор емкостью
2,2 мкФ обеспечит видимые импульсы от свето-
диода (конденсаторы с меньшими номиналами
будут обеспечивать колебания более высокой
частоты). В цепи с однопереходным транзисто-
ром с управляемым порогом при помощи регу-
лирования номиналов R1 и R2 можно добиться
точного управления срабатыванием компо-
нента.
Как уже отмечалось ранее, самым распростра-
ненным вариантом применения однопереход-
ного транзистора с управляемым порогом в на-
стоящее время является запуск тиристора.
Неправильное смещение
Ни однопереходный транзистор, ни однопере-
ходный транзистор с управляемым порогом не
предназначены для подключения с обратным
смещением. В однопереходном транзисторе не-
большое прямое смещение следует приложить
от базы-2 к базе-1 (то есть, база-2 должна об-
ладать большим потенциалом относительно
базы-1) вне зависимости от напряжения на
эмиттере (напряжение эмиттера может быть
равным О В и выше).
Однопереходный транзистор с управляемым
порогом должен подключаться с прямым сме-
щением между анодом и катодом (анод должен
обладать большим потенциалом относительно
катода), а промежуточное положительное на-
пряжение на затворе определяется резисторами
R1 и R2, действующими как делитель напряже-
ния (см. рис. 27.7). Несоблюдение правильности
смещения приведет к непредсказуемому поведе-
нию цепи и может вывести компонент из строя.
Что может пойти не так?
Неправильное наименование
Однопереходный транзистор с управляемым
порогом иногда называют просто однопереход-
ным транзистором. Принимая во внимание, что
режимы работы этих транзисторов полностью
различны, однопереходный транзистор с управ-
ляемым порогом всегда следует называть его
полным именем.
Цепь не будет работать, если вместо однопере-
ходного транзистора подключить однопереход-
ный транзистор с управляемым порогом или
если последний заменить на обычный однопе-
реходный.
Перегрузка
Подобно любому полупроводниковому прибо-
ру, однопереходный транзистор и однопереход-
ный транзистор с управляемым порогом долж-
ны быть защищены от избыточного тока, от
которого компонент может перегореть. Никогда
не подключайте любой из этих компонентов на-
прямую к источнику питания без соответствую-
щих резисторов, ограничивающих протекание
тока. Максимальное непрерывное рассеивание
мощности однопереходного транзистора и од-
нопереходного транзистора с управляемым по-
рогом обычно составляет 300 мВт.
272
Статья 27

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
28
Слово транзистор само по себе часто используется в значении би-
полярный транзистор (по англ. bipolar transistor), поскольку именно
этот тип транзисторов широко распространен в области дискретных
полупроводников. Тем не менее, правильно называть его именно би-
полярным транзистором. Иногда его называют еще и биполярным
плоскостным транзистором (bipolar junction transistor, BJT).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• однопереходный транзистор (см. статью 27)
• полевой транзистор (см. статью 29)
• динистор (рассматривается во втором томе энциклопедии)
• симистор (рассматривается во втором томе энциклопедии)
• реле (см. статью 9)
• твердотельное реле (рассматривается во втором томе энци-
клопедии)
Описание
Биполярный транзистор усиливает колебания
тока или же служит для его включения/выклю-
чения. В режиме усиления он заменил вакуум-
ные приборы, которые ранее использовались для
усиления аудиосигнала и во многих других об-
ластях. В режиме коммутации он напоминает
реле, хотя в состоянии «выключено» транзи-
стор все же пропускает очень малый ток, извест-
ный как ток утечки.
Биполярный транзистор, если он заключен в от-
дельный корпус с тремя выводами или контак-
тами, представляет собой дискретное полупро-
водниковое устройство. Пара Дарлингтона хотя
и содержит фактически два транзистора, но рас-
сматривается здесь как дискретный компонент,
поскольку она заключена в корпус, подобный
корпусу биполярного транзистора, и функцио-
нирует как единый транзистор. Корпус, содер-
жащий несколько транзисторов, называется ин-
тегральной схемой (большинство интегральных
схем рассмотрены во втором томе этой энцикло-
педии).
Устройство
Хотя самые первые транзисторы изготавлива-
лись из германия, наиболее распространенным
материалом для них стал кремний. Кремний в
чистом виде при комнатной температуре ведет
себя как изолятор, но его можно легировать (ак-
куратно «загрязнить») примесями, которые соз-
дадут избыток электронов, не связанных с кон-
кретными атомами, — в результате получается
полупроводник п-типа, через который можно
Биполярный транзистор
273

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
вызвать движение электронов, если на него по-
дать внешнее напряжение смещения. Прямое
смещение означает подачу положительного на-
пряжения, а обратное смещение — изменение
полярности этого напряжения.
Некоторые легирующие примеси могут вызвать
дефицит электронов, который можно представ-
лять как избыток «дырок», способных быть за-
полненными электронами, — в результате полу-
чается полупроводник р-типа.
Биполярный n-p-n-транзистор состоит из тонко-
го центрального слоя р-типа, который помещен
между двумя более толстыми слоями п-типа, —
эти три слоя, каждый из которых снабжен про-
водом или контактом, называются коллектором,
базой и эмиттером. Когда к эмиттеру приложен
отрицательный заряд, электроны вследствие от-
талкивания от него вынуждены будут сместить-
ся к центральному слою базы. А если к базе
приложено прямое смещение (положительный
потенциал), электроны станут притягивать-
ся к ней. Поскольку слой базы очень тонкий,
собравшиеся в ее зоне электроны окажутся весь-
ма близки к коллектору. Когда напряжение базы
увеличивается, дополнительная энергия побуж-
дает электроны войти в коллектор, откуда они
начнут двигаться к положительному источнику
тока, который можно представить как область,
обладающую еще большим дефицитом элект-
ронов.
Таким образом, эмиттер биполярного п-р-п-
транзистора испускает электроны в транзистор,
а коллектор забирает их от базы и выводит их
за пределы транзистора. Важно помнить, что
поскольку электроны несут отрицательный за-
ряд, поток электронов перемещается от минуса
к плюсу. Соответственно, понятие о токе, кото-
рый протекает от плюса к минусу, — это услов-
ность, которая существует только по истори-
ческим причинам. И, тем не менее, стрелка на
условном обозначении транзистора показывает
направление именно условного тока (от плюса
к минусу).
В p-n-p-транзисторе тонкий слой n-типа по-
мещен между двумя более толстыми слоями
р-типа, база смещена отрицательно относитель-
но эмиттера, и действие такого транзистора об-
ратное, поскольку теперь термины «эмиттер»
и «коллектор» относятся к перемещению ды-
рок, а не электронов. Коллектор отрицателен по
отношению к базе, и результирующий ток «от
плюса к минусу» протекает от эмиттера через
базу к коллектору. Стрелка на условном обозна-
чении p-n-p-транзистора все так же указывает
направление условного положительного тока.
На рис. 28.1 приведены условные обозначения
n-p-п- и р-п-р-транзисторов — буквами С, В
и Е здесь обозначены соответственно коллек-
тор, база и эмиттер каждого транзистора. Иног-
да круги в символах биполярных транзисторов
опускают — как на всех обозначениях справа.
Рис. 28.1. Условные обозначения n-p-n-транзистора {вверху)
и p-n-p-транзистора (в центре и внизу): в зависимости от схе-
мы, где изображены эти символы, они могут быть повернуты
или зеркально отражены. Круги (как на обозначениях справа)
иногда опускаются, но функции компонентов это не меняет
274
Статья 28

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
Устройство
Наиболее часто встречающееся обозначение
n-p-n-транзистора показано вверху, в центре
изображен p-n-p-транзистор (это наиболее рас-
пространенная ориентация символа, поскольку
его коллектор должен обладать меньшим по-
тенциалом по сравнению с эмиттером, а отрица-
тельное заземление обычно находится в нижней
части схемы), внизу символ р-п-р-транзистора
зеркально отражен, чтобы положения эмит-
тера и коллектора оставались такими же, как
они изображены в символе п-р-п-транзистора
вверху.
Часто могут встретиться и другие варианты рас-
положения символов транзисторов на схемах —
это делается, в основном, чтобы упростить схе-
му, уменьшив число пересекающихся проводов.
Направление стрелки в символе (наружу или
внутрь) всегда служит различием между n-p-п- и
Рис. ЦВ-28.2. Протекание тока через n-p-п- и р-п-р-
транзисторы
p-n-p-транзисторами соответственно и обозна-
чает направление тока, протекающего от плюса
к минусу.
В схемах устройств n-p-n-транзисторы исполь-
зуются намного шире, чем р-п-р-транзисторы,
поскольку производство транзисторов р-п-
р-типа изначально было трудным и дорогим.
Кроме того, n-p-n-транзисторы обеспечивают
более быстрое переключение, поскольку элек-
троны обладают большей подвижностью по
сравнению с дырками.
Чтобы запомнить функции коллектора и эмит-
тера в n-p-n-транзисторе, можно представить,
что коллектор собирает положительный ток
в транзистор, а эмиттер выпускает положитель-
ный ток из транзистора.
Направление протекания тока в n-p-п- и
p-n-p-транзисторах проиллюстрировано на
рис. ЦВ-28.2: слева вверху n-p-n-транзистор не
пропускает ток (за исключением небольшой
утечки) от своего коллектора к эмиттеру, пока
на его базе удерживается потенциал, равный
или близкий потенциалу эмиттера, который
в данном случае подключен к минусу или к за-
землению, слева внизу фиолетовый символ плю-
са указывает на то, что теперь база находится
под относительно положительным напряже-
нием — по меньшей мере, на 0,6 В выше, чем
у эмиттера (для транзистора на основе крем-
ния), что позволяет электронам перемещаться
от эмиттера к коллектору в направлении, обо-
значенном синими стрелками (красные стрелки
отмечают принятое направление протекания
тока от плюса к минусу). Стрелками меньшего
размера обозначен менее сильный ток. Резистор
добавлен, чтобы защитить транзистор от избы-
точного тока, — его можно представлять как на-
грузку для этих цепей.
Справа вверху p-n-p-транзистор не проводит ток
(за исключением небольшой утечки) от своего
эмиттера к коллектору, пока на его базе удер-
живается потенциал, равный или близкий по-
тенциалу эмиттера, который в данном случае
Ъиполярный транзистор
275

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
подключен к плюсу источника питания. Справа
внизу фиолетовый символ минуса указывает на
то, что теперь база находится под относитель-
но отрицательным напряжением — по меньшей
мере, на 0,6 В ниже, чем у эмиттера, что позволя-
ет электронам и току протекать, как показано.
Заметьте, что в n-p-n-транзисторе ток протекает
в базу, а в р-п-р-транзисторе — от базы, чтобы
обеспечить проводимость. На обеих схемах в
целях их упрощения был опущен резистор, ко-
торый обычно добавляется для защиты базы.
Транзистор n-p-n-типа усиливает ток базы толь-
ко до тех пор, пока положительный потенциал,
приложенный к коллектору, выше, чем потен-
циал, приложенный к базе, при этом потенциал
базы должен быть выше, чем потенциал эмитте-
ра, хотя бы на 0,6 В. Пока транзистор подключен
с таким смещением, и пока сила тока остается в
пределах, указанных производителем, неболь-
шое изменение силы тока, поданного на базу,
станет вызывать гораздо большее изменение
тока между коллектором и эмиттером. Именно
поэтому транзистор можно называть усилите-
лем тока.
Чтобы управлять потенциалом базы и гаранти-
ровать, что он будет оставаться ниже, чем потен-
циал коллектора, но выше потенциала эмиттера
(в n-p-n-транзисторе), часто используют дели-
тель напряжения, как показано на рис. 28.3 (до-
полнительную информацию о назначении дели-
теля напряжения можно получить в статье 10
этой энциклопедии).
Усиление по току
Величина увеличения силы тока транзисто-
ром называется усилением по току или ^-коэф-
фициентом, который можно выразить в виде
отношения увеличения тока в коллекторе к вы-
звавшему его увеличению тока в базе. Для обо-
значения этого отношения обычно используется
греческая буква (3. Сама формула выглядит так:
р = Л1с
Л1Ь
Рис. 28.3. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения,
обеспечивающий приемлемое смещение для базы п-р-п-
транзистора
где 1с — ток в коллекторе, Ib — ток в базе, а сим-
вол А обозначает небольшое изменение значе-
ния величины, которая следует за ним.
Усиление по току обозначается также символа-
ми hFE, где буква Е означает общий эмиттер, F -
прямой ток, а строчная буква h свидетельствует
о том, что этот транзистор является «гибрид-
ным» устройством1.
Р-коэффициент всегда больше единицы и зача-
стую около 100, хотя он может быть различным
в зависимости от типа транзистора. На него так-
же влияет температура, приложенное к тран-
зистору напряжение, сила тока в коллекторе
и производственные погрешности. Когда тран-
зистор используется за пределами расчетных
В России принято обозначение п21Э. — Ред.
276
Статья 28

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
Варианты
параметров, формулу для определения коэффи-
циента усиления применять нельзя.
Есть только два подключения, при которых ток
может поступать в n-p-n-транзистор, и одно под-
ключение, где он покидает его. Следовательно,
если 1е - ток от эмиттера, 1с — ток, поступающий
в коллектор, а 1Ь — ток, поступающий в базу, то:
1=1 + L
Если потенциал, приложенный к базе п-р-п-
транзистора, снижается до такой степени, что
он превышает потенциал эмиттера менее чем
на 0,6 В, транзистор перестает проводить ток ВЭОИЭНТЫ
и переходит в состояние «выключено», хотя
по-прежнему будет присутствовать небольшой
ток утечки от коллектора к эмиттеру.
исключает любой ток от коллектора к эмиттеру,
за исключением небольшого тока утечки.
Активный режим или линейный режим — это
промежуточное состояние между отсечкой и
насыщением, при котором р-коэффициент или
значение hFE (отношение тока коллектора к току
базы) остаются приблизительно постоянными,
то есть ток в коллекторе при этом почти линей-
но пропорционален току в базе. Такое линейное
отношение нарушается, когда транзистор дости-
гает точки насыщения.
Транзисторы для слабых сигналов обладают мак-
Когда ток, поступающий в базу транзистора, воз-
растает до такой степени, что транзистор более
не способен его усиливать, он достигает насыще-
ния, при котором его внутренний импеданс пада-
ет до минимального значения. Теоретически это
допускает возникновение сильного тока, но на
практике транзистор, как правило, от поврежде-
ния сильным током, возникающим в результате
насыщения, защищается резисторами.
У любого транзистора есть максимальные зна-
чения для тока в коллекторе, тока в базе и для
разности потенциалов между коллектором
и эмиттером. Эти параметры обычно указаны
в спецификации, и их превышение может вы-
вести компонент из строя.
Терминология
В режиме насыщения база транзистора насы-
щена электронами (так что для них больше нет
места), и внутренний импеданс между коллек-
тором и эмиттером падает настолько низко, на-
сколько возможно.
Режим отсечки n-p-n-транзистора — это со-
стояние, при котором низкое напряжение базы
симальным током коллектора в 500 мА и мак-
симальной рассеиваемой мощностью в 1 Вт. Их
можно использовать для усиления аудиосигнала
от низкоуровневого входа или для коммутации
слабых токов. При определении того, сможет ли
такой транзистор управлять индуктивной на-
грузкой вроде электродвигателя или обмотки
реле, учитывайте, что начальный бросок тока
будет выше, чем расчетное потребление тока
при установившемся режиме.
Небольшие переключательные транзисторы по
своим характеристикам частично пересекаются
с транзисторами для слабых сигналов, но обыч-
но обладают меньшим временем отклика, малым
Р-коэффициентом и могут быть сильнее ограни-
чены по силе тока в коллекторе. Уточняйте не-
обходимые подробности в спецификации про-
изводителя.
Высокочастотные транзисторы используются,
главным образом, в видеоусилителях и в гене-
раторах. Они обладают небольшими размерами,
а максимальный номинал их частоты составляет
2000 МГц.
Мощные транзисторы способны работать с
мощностью от 1 Вт, причем верхний предел мо-
жет достигать 500 Вт при силе тока 150 А. Они
5иполярный транзистор
277

Варианты
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
больше по размерам, чем транзисторы осталь-
ных типов, и могут использоваться в выход-
ных каскадах аудиоусилителей, а также в им-
пульсных источниках питания AC-DC (см.
статью 16). Усиление по току у них обычно на-
много меньше, чем у небольших транзисторов
(20 или 30, в отличие от 100 и выше).
На рис. 28.4 показаны образцы транзисторов:
• вверху — мощный n-p-n-транзистор серии
2N3055. Этот тип появился в конце 60-х го-
дов прошлого столетия, и его варианты
по-прежнему выпускаются. Такие транзи-
сторы часто можно обнаружить в источни-
ках питания и в двухтактных усилителях
мощности, они обладают общим рассеива-
нием мощности в 115 Вт;
• крайний слева во втором ряду — мощный
переключательно-усилительныйр-п-р-тран-
зистор общего назначения с номинальной
мощностью рассеивания до 50 Вт;
• крайний справа во втором ряду — высоко-
частотный переключательный транзистор
для использования в балластной нагрузке
освещения, в конвертерах, инверторах,
импульсных стабилизаторах и в системах
управления электродвигателями. Он вы-
держивает довольно высокое напряжение
(пиковое значение до 700 В между коллек-
тором и эмиттером), а его номинальная
мощность рассеивания составляет 80 Вт;
• два транзистора в центре второго ряда -
варианты переключательных п-р-п-тран-
зисторов серии 2N2222 для слабых сигна-
лов. Они появились в 60-х годах прошлого
столетия и по-прежнему широко исполь-
зуются. Металлический цилиндр здесь пред-
ставляет собой корпус типа ТО-19, который
способен обеспечить немного большее рас-
сеивание мощности, чем недорогой пласти-
ковый корпус типа ТО-92, — 1,8 Вт против
1,5 Вт, если температура коллектора не пре-
вышает 25 °С.
Корпус
Традиционно транзисторы для слабых сигналов
размещались ранее в небольших алюминиевых
«баночках» диаметром около 6 мм, и они до сих
пор все еще встречаются в таком виде. Более
распространенным является корпус из черного
пластика. Мощные транзисторы помещаются
либо в прямоугольный модуль из черного пла-
стика с металлической стенкой, либо в круглую
металлическую «пуговицу». Оба этих варианта
предназначены для рассеивания тепла при по-
мощи теплоотвода, прикрепленного винтами.
Рис. 28.4. Образцы широко используемых транзисторов
Цоколевка
Зачастую корпус транзистора не дает никакой
подсказки о том, какой вывод является эмит-
тером, какой — базой, а какой — коллектором.
278
Статья 28

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
Использование
Корпуса старого типа снабжены выступающим
лепестком, который обычно указывает на эмит-
тер, но не всегда. Если мощный транзистор за-
ключен в металлический корпус, то обычно он
Рис. 28.5. Транзистор n-p-n-типа будет вести себя так, словно
он содержит два диода, подключенных, как показано здесь.
Если назначение выводов транзистора неизвестно, базу мож-
но определить, проверив проводимость
соединен внутри с коллектором. У транзисторов
для поверхностного монтажа поищите точку или
метку, которая должна идентифицировать базу
биполярного транзистора или затвор полевого
транзистора.
Транзистор для установки в монтажные отвер-
стия обычно снабжен номером компонента, ко-
торый напечатан или выгравирован на корпусе,
хотя может потребоваться увеличительное стек-
ло, чтобы его разглядеть. Затем спецификацию
компонента можно поискать в Интернете. Если
она окажется недоступна, чтобы удостоверить-
ся в назначении выводов транзистора, потребу-
ется проверка их с помощью измерительного
прибора.
Некоторые мультиметры обладают режимом
проверки транзисторов, с помощью которо-
го можно определить его функции и заодно —
(5-коэффициент. Можно также переключить
прибор в режим проверки диодов, и тогда п-р-
n-транзистор без поданного напряжения дол-
жен вести себя так, словно между его выводами
подключены диоды (рис. 28.5). Когда назначе-
ние выводов транзистора неизвестно, этой про-
верки будет достаточно, чтобы определить базу,
после чего можно опытным путем определить
коллектор и эмиттер, протестировав транзистор
в простой низковольтной цепи (рис. 28.6).
Использование
Рис. 28.6. Такую несложную схему функционального макета
можно использовать для опытной проверки транзистора,
определяя его функциональность и идентифицируя выводы
коллектора и эмиттера
Приведенные далее сокращения и аббревиатуры
широко используются в спецификациях транзи-
сторов. Некоторые или все буквы, следующие за
начальной, обычно (но не всегда) расположены
в виде подстрочных символов:
• hFE — усиление по току;
• р — то же, что и hFE;
• vceo ~~ напряжение между коллектором
и эмиттером (нет подключения к базе);
• Vcbo "" напряжение между коллектором
и базой (нет подключения к эмиттеру);
Ьиполярный транзистор
279

Использование
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
• ^ево ~~ напряжение между эмиттером и ба-
зой (нет подключения к коллектору);
• VcEsat ~~ напряжение насыщения между
коллектором и эмиттером;
• ^BEsat ~ напряжение насыщения между базой
и эмиттером;
• 1с — сила тока, измеренная на коллекторе;
• 1СМ — максимальная сила тока на коллек-
торе;
• 1ВМ — максимальная сила тока на базе;
• Ртот — общее максимальное рассеяние мощ-
ности при комнатной температуре;
• Tj — максимальная температура перехода,
при которой не происходит повреждения.
Часто эти параметры используются для указа-
ния «абсолютных максимальных значений» для
компонента. Если превысить эти максимумы,
может произойти выход из строя.
Спецификация производителя может также со-
держать график, демонстрирующий область
устойчивой работы (SOA, Safe Operating Area)
транзистора. Чаще всего он приводится для
мощных транзисторов, поскольку нагрев для
них становится самой существенной проблемой.
График на рис. ЦВ-28.7 в адаптированном виде
взят из спецификации для мощного кремниево-
го диффузионного транзистора, производимого
компанией Philips. Область устойчивой работы
ограничена сверху горизонтальным отрезком,
представляющим максимальный допустимый
ток, а справа — вертикальным отрезком, пред-
ставляющим максимальное допустимое напря-
жение. Однако прямоугольная область, находя-
щаяся между этими границами, уменьшается за
счет двух наклонных отрезков, представляющих
общий предел мощности и второй предел про-
боя. Последняя величина описывает способ-
ность транзистора к образованию локальных
внутренних «горячих точек», которые прово-
дят больший ток и от этого нагреваются силь-
нее. Вследствие этого они могут проводить ток
еще лучше — и в итоге кремний расплавляется,
и происходит короткое замыкание. Общий
предел мощности и второй предел пробоя
уменьшают область устойчивой работы, кото-
рая в противном случае определялась бы ис-
ключительно максимальным допустимым током
и максимальным допустимым напряжением.
Использование дискретных транзисторов по-
шло на убыль, когда интегральные схемы ста-
ли дешевле и начали вытеснять цепи на основе
большого числа транзисторов. Например, аудио-
усилитель мощностью 5 Вт, ранее собиравшийся
из множества компонентов, теперь можно при-
обрести в виде микросхемы, которой потребу-
ется лишь несколько внешних конденсаторов.
о л
о, ох
0 001
Рис. ЦВ-28.7. Этот график, взятый в адаптированном виде из
спецификации мощного транзистора компании Philips, опре-
деляет область устойчивой работы компонента
280
Статья 28

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
Использование
В более мощной аудиоаппаратуре интегральные
схемы обычно применяют для обработки вход-
ного сигнала, но для работы с выходом высокой
мощности используются отдельные мощные
транзисторы.
Пара Дарлингтона
Дискретные транзисторы удобны в тех случаях,
когда усиление тока или переключение необ-
ходимо лишь в одном месте цепи, — например,
для вывода микроконтроллера, который дол-
жен включать и выключать небольшой электро-
двигатель. Электродвигатель может работать от
такого же напряжения, что и микроконтроллер,
но ему необходим ток существенно сильнее,
чем типичный максимальный ток в 20 мА, до-
ступный на выходе микроконтроллера. В этом
случае можно использовать пару Дарлингтона,
общий коэффициент усиления которой может
быть равен 100 000 и выше (рис. 28.8).
В приведенном здесь примере микросхема
должна использовать общее с транзисторами
заземление (не показано). Может потребовать-
ся также необязательный резистор, предотвра-
щающий утечку из первого транзистора (когда
он в «выключенном» состоянии), от которой
мог бы сработать второй. Диод защищает тран-
зисторы от неустановившегося напряжения, ко-
торое может возникнуть при пуске и останове
электродвигателя.
Если микросхему микроконтроллера заменить в
этой схеме потенциометром, подающим на дви-
гатель мощность от источника питания, то такая
цепь сможет функционировать как устройство
управления скоростью вращения электродви-
гателя (при условии, что используется типовой
электродвигатель постоянного тока).
Пара Дарлингтона обычно помещается в одном
корпусе, похожем на корпус транзистора, и на
схемах тогда может быть обозначена при помо-
щи символа, приведенного на рис. 28.9.
Различные варианты корпусов пар Дарлингтона
для установки в монтажные отверстия показаны
на рис. 28.10. Как можно видеть, в одной инте-
гральной микросхеме могут быть объединены
семь или даже восемь пар Дарлингтона. Каждая
пара транзисторов в таких микросхемах обыч-
но обладает номиналом в 500 мА, но их можно
Рис. 28.8. Если эмиттер одного n-p-n-транзистора подключен
к базе другого, они образуют пару Дарлингтона (здесь она
обведена белым пунктиром): произведение величины усиле-
ния первого транзистора на величину усиления второго дает
общее усиление этой пары
Рис. 28.9. Когда пара Дарлингтона помещена в общий корпус,
напоминающий транзисторный, ее можно обозначить таким
символом: выводы этого корпуса следует использовать так,
как будто они являются эмиттером, базой и коллектором оди-
ночного п-р-п-транзистора
Биполярный транзистор
281

Использование
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
подключить параллельно, чтобы допустить бо-
лее высокий ток. Подобная микросхема обыч-
но содержит защитные диоды, чтобы она могла
напрямую управлять индуктивной нагрузкой.
Рис. 28.10. Различные варианты корпусов для пар Дар-
лингтона —- слева направо: тип 2N6426 содержит пару
Дарлингтона, рассчитанную на непрерывный ток в коллекто-
ре силой до 500 мА; тип 2N6043 рассчитан на непрерывный
ток в 8 А; микросхемы ULN2003 и ULN2083 содержат семь
и восемь пар Дарлингтона соответственно
На рис. 28.11 приведена типичная схема под-
ключения микросхемы, содержащей семь пар
Дарлингтона (выводы микроконтроллера здесь
показаны условно и не соответствуют никако-
му реальному микроконтроллеру): микросхема
(ULN2003 или подобная ей) содержит семь пар
Дарлингтона, для каждой из которых «входной»
вывод расположен слева, а «выходной» — на-
против него справа. Таким образом, любой из
выводов с первого по седьмой на левой сторо-
не микросхемы может быть использован для
управления устройством, подключенным к вы-
воду на противоположной ее стороне.
При положительном напряжении на входе ми-
кросхемы на ее выходе возникает отрицатель-
ный потенциал, хотя в действительности тран-
зисторы внутри микросхемы потребляют ток от
внешнего устройства, — в этом примере его роль
играет электродвигатель. Устройство можно за-
питать от отдельного источника положительно-
го напряжения (здесь — 12 В постоянного тока),
но заземление должно быть общее с микрокон-
троллером или с любым другим компонентом,
который подключен ко входу. Нижний правый
вывод микросхемы использует 12 В постоянно-
го тока, поскольку этот вывод подключен вну-
три к фиксирующим диодам (по одному на каж-
дую пару Дарлингтона), защищающим схему от
всплесков, вызванных индуктивной нагрузкой.
Исходя из этого, электродвигатель здесь не
снабжен фиксирующим диодом.
Рис. 28.11. Микросхема, подобная ULN2003, содержит семь
пар Дарлингтона: она потребляет ток от того устройства,
которым управляет
Рис. 28.12. Корпус пары Дарлингтона для поверхностного
монтажа (сторона каждого квадрата фона равна 2,54 мм)
282
Статья 28

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор Использование
Микросхема Дарлингтона не имеет отдельного
вывода для подключения к источнику положи-
тельного напряжения, поскольку находящиеся в
нем транзисторы должны потреблять мощность
от устройств, подключенных к нему.
Пара Дарлингтона для поверхностного монтажа
показана на рис. 28.12 — ее размер чуть более
2,5 мм в длину, но при этом номинал тока кол-
лектора составляет до 500 мА, а общее рассеи-
вание мощности — 250 мВт (при температуре
компонента не выше 25 °С).
Усилители
Существуют два основных типа транзисторных
усилителей:
• конфигурация с общим коллектором
(рис. 28.13) обеспечивает усиление по току,
но не по напряжению. Конденсатор на входе
препятствует поступлению постоянного
тока в цепь усилителя, а два резистора,
образующие делитель напряжения на базе
транзистора, определяют среднюю точку
напряжения (известную также как тонка
покоя или рабочая точка), от которой уси-
ливаемый сигнал может отклоняться на по-
вышение или на понижение;
• усилитель с общим эмиттером обеспечивает
усиление по напряжению вместо усиления
по току, но при этом он инвертирует фазу
входного сигнала (дальнейшее рассмотре-
ние устройства усилителей выходит за рам-
ки этой энциклопедии).
В коммутирующих устройствах современные
транзисторы предназначены для работы с более
высокими токами, чем ранние версии транзи-
сторов, но и они, все же, имеют некоторые огра-
ничения: немногие транзисторы способны вы-
держать ток больше 50 А от коллектора к эмит-
теру, да и значение напряжения в 1000 В обычно
является для них максимальным. В силу этого
продолжают существовать электромеханиче-
ские реле, сохраняющие до сих пор некоторые
преимущества перед полупроводниковыми ком-
понентами (табл. 28.1).
Рис. 28.13. Принципиальная схема усилителя с общим кол-
лектором
Рис. 28.14. Принципиальная схема усилителя с общим эмит-
тером
биполярный транзистор
283

Что может пойти не так? Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор
Таблица 28.1. Сравнение возможностей транзисторов, твердотельных реле и электромеханических реле
Долгосрочная надежность
Нормально замкнутые контакты?
Контакты на два направления?
Способность коммутации
сильных токов
Способность коммутировать
переменный ток
Запуск при помощи напряжения
переменного тока?
Допустимость миниатюризации
Уязвимость к нагреву
Уязвимость к коррозии
Пригодность для высоких
скоростей переключения
Преимущество в стоимости для
низкого напряжения и слабого
тока
Преимущество в стоимости для
высокого напряжения и сильного
тока
Утечка тока в состоянии
«выключено»
Запускающая цепь изолирована
от коммутирующей цепи
Транзистор
Превосходная
Нет
Нет
Ограниченная
Нет
Нет
Превосходная
Да
Нет
Превосходная
Да
Нет
Да
Нет
Твердотельное реле
Превосходная
Да
Нет
Небольшая
Да
Да
Слабая
Да
Нет
Хорошая
Нет
Нет
Да
Да
Электромеханическое
реле
Ограниченная
Да
Да
Хорошая
Да
Да
Слабая
Несильная
Да
Слабая
Нет
Да
Нет
Да
Что может пойти не так?
Неправильное подключение
биполярного транзистора
Неправильное определение выводов или кон-
тактов транзистора может с очевидностью стать
потенциальной причиной выхода его из строя,
однако случайная перемена мест коллектора и
эмиттера не обязательно повредит транзистор, —
благодаря внутренней симметрии устройства он
в действительности будет работать и тогда, ког-
да коллектор и эмиттер перепутаны. Солидный
производитель полупроводников, компания
Rohm, упоминает о возможности такой ситуа-
ции на страницах с общей информацией своих
спецификаций и делает вывод о том, что основ-
ным индикатором неправильного подключения
является уменьшение р-коэффициента (или
величины hFE) до У10 от значения, указанного в
спецификации. Если вы используете транзистор,
который работает, но обеспечивает усиление
намного меньше ожидаемого, проверьте, не по-
менялись ли местами эмиттер и коллектор.
Неправильное подключение
микросхемы с парами
Дарлингтона
В то время как одиночная пара Дарлингтона
функционирует практически неотличимо от
одиночного транзистора, несколько пар Дар-
лингтона, помещенных в DIP-корпус, могут соз-
дать путаницу, поскольку этот компонент ведет
себя не так, как большинство других микросхем
(например, логических).
284
Статья 28

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > биполярный транзистор Что может пойти не так?
Частой ошибкой является заземление выход-
ного устройства вместо подачи на него положи-
тельного напряжения. Посмотрите на рис. 28.11
и представьте неправильное подключение отри-
цательного напряжения — вместо 12 В положи-
тельного постоянного тока.
Дополнительная неясность может появиться
после прочтения спецификации производите-
ля на такую пару Дарлингтона, как микросхема
ULN2003. Спецификация описывает внутрен-
ние функции микросхемы, словно она содержит
логические инверторы. Хотя и возможно так
представлять работу этой микросхемы, но в дей-
ствительности она содержит биполярные тран-
зисторы, которые усиливают ток, подаваемый
на базу каждой пары. В спецификациях также
обычно не показывают положительное подклю-
чение, которое следует сделать к выводу общего
диода (как правило, справа внизу), чтобы обе-
спечить защиту от всплесков тока, вызываемых
индуктивной нагрузкой. Этот вывод следует от-
личать от вывода общего заземления (обычно
слева внизу) — положительное подключение
к выводу общего диода является необязатель-
ным, а подключение к общему заземлению —
необходимым.
Повреждение при пайке
Подобно любому полупроводниковому прибо-
ру, транзисторы уязвимы к нагреву и могут быть
повреждены при пайке, хотя такое происходит
редко, если использовать паяльник малой мощ-
ности. В качестве теплоотвода при пайке каждо-
го вывода можно использовать медный зажим-
«крокодил».
Избыточный ток или избыточное
напряжение
В процессе работы транзистор может выйти из
строя, если на него будут поданы ток или напря-
жение, выходящие за номинальный диапазон.
Если пропустить такой ток через транзистор, не
защищенный последовательным резистором, то
он почти наверняка перегорит, это же произой-
дет, если будет использован резистор с непра-
вильным номиналом.
Максимальная мощность, которую может рас-
сеивать транзистор, указана в его специфика-
ции. Допустим, например, что эта величина рав-
на 200 мВт, и вы используете источник питания
на 12 В постоянного тока. Без учета тока базы
максимальный ток коллектора будет равен 200 /
12 = приблизительно 15 мА. Если эмиттер тран-
зистора заземлен, а приложенная к транзистору
нагрузка обладает высоким импедансом, и мы
проигнорируем взаимное сопротивление, то на
основе закона Ома можно заключить, что ре-
зистор, который следует поместить между кол-
лектором и источником напряжения, должен
обладать сопротивлением не менее 12 / 0,015 =
800 Ом.
Когда транзисторы используются в переключа-
ющих устройствах, то обычно ток базы состав-
ляет У5 от величины тока коллектора, так что
в рассматриваемом здесь примере подошел бы
резистор на 4,7 кОм. Чтобы уточнить реальные
значения тока и напряжения, следует использо-
вать измерительный прибор.
Избыточная утечка
В паре Дарлингтона или в любой другой конфи-
гурации, где выход одного транзистора подклю-
чен к базе другого, ток утечки на первом транзи-
сторе, пока он находится в состоянии «выклю-
чено», может усиливаться вторым транзисто-
ром. Если это неприемлемо, можно использо-
вать шунтирующий резистор, отводящий часть
тока от базы второго транзистора на «землю».
Конечно же, этот резистор также будет «воро-
вать» часть тока базы, когда первый транзистор
активен, однако номинал резистора обычно
подбирается так, чтобы он забирал не более 10%
активного тока (см. рис. 28.8, где приведен при-
мер шунтирующего резистора, добавленного
к паре Дарлингтона).
биполярный транзистор
285

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
29
Термин полевой транзистор (по англ. field effect transistor) охваты-
вает семейство устройств, которое составляют главным образом по-
левые транзисторы с управляющим р-п переходом (являющиеся са-
мой простой их типичной разновидностью) и полевые транзисторы
соструктуройметалл-оксид-полупроводник(\лп\лМОП-транз\лсторъ\,
которые иногда называют также полевыми транзисторами с изо-
лированным затвором). Поскольку принципы их работы во многом
совпадают, все семейство полевых транзисторов собрано в этой
статье.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• диод (см. статью 26)
• однопереходный транзистор (см. статью 27)
• биполярный транзистор (см. статью 28)
Описание
Полевой транзистор создает электрическое
поле, позволяющее управлять током, проте-
кающим через канал в полупроводнике. Мини-
атюрные полевые МОП-транзисторы лежат
в основе комплементарных металл-оксидных по-
лупроводниковых (КМОП) интегральных мик-
росхем, а большие дискретные МОП-транзис-
торы, способные коммутировать существенные УСТРОЙСТВО
токи, находят свое применение, например, в ре-
гуляторах силы света ламп, аудиоусилителях
и блоках управления электродвигателями. Се-
мейство полевых транзисторов стало незамени-
мым и в компьютерной электронике.
в них управляющее напряжение задает интен-
сивность поля, которому требуется незначитель-
ный или нулевой ток. Пренебрежимо малый ток
утечки через затвор полевого транзистора дела-
ет его идеальным для использования в устрой-
ствах малой мощности, таких как портативные
карманные устройства.
В этом разделе рассматриваются два наиболее
широко используемых типа полевых транзи-
сторов: с управляющим р-п переходом и МОП-
транзисторы.
Биполярный транзистор обычно представ-
ляют в роли усилителя тока, так как протекаю-
щий через него ток управляется током меньшей
силы, протекающим через базу. В отличие от би-
полярных, все полевые транзисторы рассматри-
ваются как усилители напряжения, поскольку
Полевые транзисторы
с управляющим р-п переходом
Полевой транзистор с управляющим р-п пере-
ходом является простейшей разновидностью
Полевой транзистор
287

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
полевого транзистора. Подобно тому как би-
полярный транзистор может быть n-p-п- или
p-n-p-типа, полевой транзистор с управляющим
р-n переходом может обладать п-каналом или
р-каналом в зависимости от того, как — отри-
цательно или положительно — легирован канал,
проводящий ток через устройство (подробное
объяснение легирования полупроводников
можно найти в статье биполярный транзистор
этой энциклопедии). Поскольку отрицательные
заряды обладают большей подвижностью, раз-
новидность транзисторов с n-каналом допуска-
ет более быстрое переключение и применяется
шире, чем разновидность с р-каналом.
На рис. 29.1 приведено условное обозначение
полевого транзистора с n-каналом рядом с обо-
значением п-р-п-транзистора. Подобие этих
обозначений свидетельствует о подобии и са-
мих устройств — как усилителей или переклю-
чателей, однако при этом важно помнить, что
полевой транзистор является главным образом
усилителем напряжения, в то время как бипо-
лярный транзистор — усилителем тока.
На рис. 29.2 показаны три полевых транзи-
стора с управляющим р-n переходом: два из
них (слева и справа) — это транзисторы типа
J112 с n-каналом, поставляемые многими про-
изводителями, в том числе компаниями Fairchild
Semiconductor и On Semiconductor соответствен-
но. Несмотря на то, что полные маркировки
компонентов различны, их характеристики
практически одинаковы, включая напряжение
«сток-затвор» 35 В, напряжение «сток-исток»
35 В и силу тока затвора 50 мА. Транзистор типа
2N4392 (в центре) с металлическим армирова-
нием обладает похожими характеристиками,
однако дороже в три раза, поскольку его мощ-
ность рассеивания составляет 1,8 Вт по сравне-
нию с 300 и 350 мВт для двух предшествующих
транзисторов.
На рис. 29.3 приведены условные обозначения
для полевых транзисторов с n-каналом (слева)
и с р-каналом (справа). Оба варианта обозна-
чений вверху и внизу широко используются
и функционально идентичны. Поскольку верх-
ние варианты обозначений симметричны,
Рис. 29.1. Сравнение условных обозначений полевого тран-
зистора с n-каналом {слева) и биполярного п-р-п-транзистора
{справа) наводит на мысль об их функциональном сходстве в
качестве переключателей или усилителей, хотя их поведение
заметно различается
Рис. 29.2. Полевые транзисторы с управляющим р-n пере-
ходом
Рис. 29.3. Условные обозначения полевых транзисторов
с управляющим р-n переходом: слева — с n-каналом, спра-
ва — с р-каналом (верхние и нижние символы для каждо-
го типа транзисторов функционально идентичны). Кружки
в обозначении компонентов могут быть опущены. Буква S
в симметричных вариантах обозначений также иногда опус-
кается, хотя при этом возникает некоторая неоднозначность
288
Статья 29

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Устройство
чтобы уточнить, какой из выводов является ис-
током (Source), следует добавлять к изображе-
нию букву S. Тем не менее, на практике ее часто
опускают, что приводит к некоторой неодно-
значности, и хотя исток и сток у некоторых по-
левых транзисторов с управляющим переходом
фактически взаимозаменяемы, это верно не для
всех типов транзисторов. Кружок в обозначе-
нии дискретных компонентов иногда опускают,
и почти никогда его не добавляют, когда пока-
зывают соединение транзисторов, образующих
интегральную схему.
На рис. ЦВ-29.4 схематически изображено
внутреннее устройство полевого транзистора с
n-каналом. В этом компоненте электроны весьма
свободно перемещаются от истока через отри-
цательно легированный канал и выходят через
сток. Соответственно, ток условного направле-
ния протекает от вывода-стока к выводу-истоку,
обладающему меньшим потенциалом (вверху).
В этом смысле полевой транзистор с управляю-
щим переходом подобен нормально открытому
переключателю — он обладает низким сопро-
тивлением до тех пор, пока потенциал затвора
равен потенциалу истока, однако, если потенци-
ал затвора станет ниже потенциала истока, т. е.
затвор приобретет более отрицательное напря-
жение, чем исток, — произойдет запирание тока
в результате появления поля, созданного затво-
ром (внизу).
"Ч.
Рис. ЦВ-29.4. Ток условного направления свободно протека-
ет от стока к истоку через канал отрицательно легированного
полевого транзистора с управляющим переходом (вверху);
понижение напряжения затвора по отношению к напряже-
нию истока создает полевой эффект, который приводит к за-
пиранию тока (внизу)
Рис. ЦВ-29.5. Ток условного направления свободно протекает
от истока к стоку через канал положительно легированного по-
левого транзистора с управляющим переходом (вверху); более
высокое напряжение затвора по сравнению с напряжением
истока создает полевой эффект, который вызывает запирание
тока (внизу)
Полевой транзистор
289

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Для полевого транзистора с р-каналом ситуация
противоположная (рис. ЦВ-29.5). Теперь исток
положителен (но он по-прежнему называется
истоком), а сток можно заземлить. Ток услов-
ного направления свободно протекает теперь от
истока к стоку, пока затвор обладает таким же
потенциалом, что и исток. А если напряжение
затвора становится выше напряжения истока,
происходит запирание тока.
Биполярный транзистор по умолчанию стремит-
ся заблокировать протекание тока, но уменьша-
ет свое сопротивление, когда его база подклю-
чена с прямым смещением. Следовательно, его
можно называть обогащающим устройством.
В отличие от него, полевой транзистор с п-кана-
лом по умолчанию пропускает ток и увеличивает
свое сопротивление, когда его база подключена
с обратным смещением, при котором на границе
с базой расширяется обедненный слой. Поэтому
такой транзистор можно называть обедняющим
устройством.
Основные характеристики полевого транзисто-
ра с управляющим р-n переходом в сравнении
с биполярным n-p-n-транзистором подытожены
в табл. 29.1.
Таблица 29.1. Сопоставление характеристик полевого транзистора с п-каналом и биполярного п-р-п-транзистора
Тип усиления
Активное смещение
Состояние без смещения
Состояние со смещением
Биполярный п-р-п-транзистор
потоку
положительное
проводимость отсутствует
проводимость повышается
Полевой транзистор с п-каналом
по напряжению
отрицательное
проводимость присутствует
проводимость понижается
Поведение полевого транзистора
с управляющим р-n переходом
Разность между напряжением затвора и истока
в полевом транзисторе с управляющим р-n пе-
реходом обычно обозначают как V^, а разность
между напряжением стока и истока — Ул.
Предположим, что затвор полевого транзистора
с п-каналом соединен с истоком, так что Vgs = 0.
Если теперь величина V^ возрастет, то проте-
кающий через канал транзистора ток также воз-
растет, — более или менее линейно относитель-
но V^. Другими словами, полевой транзистор с
управляющим р-n переходом изначально ведет
себя подобно резистору с малым номиналом,
для которого отношение напряжения на нем
к силе протекающего через него тока прибли-
зительно постоянно. Эту фазу функционирова-
ния полевого транзистора называют омической
областью. Несмотря на то, что сопротивления
канала при отсутствии смещения в плоскостном
полевом транзисторе зависит от типа компонен-
та, обычно оно составляет от 10 Ом до 1 кОм.
Если напряжение V^ будет возрастать далее,
в конце концов дополнительный ток возникать
перестанет. В этот момент канал становится на-
сыщенным, и такой плоский участок называют
областью насыщения. Часто используется сокра-
щение 1^, которое означает «ток насыщенного
стока при нулевом смещении». Хотя эта вели-
чина является почти постоянной для любого
конкретного полевого транзистора, она может
немного различаться от одного компонента
к другому в результате отклонений при произ-
водстве.
Если напряжение V^ продолжит расти, то в ка-
кой-то момент компонент перейдет в состояние
пробоя, которое иногда полностью называют
формальным термином «пробой между стоком
и истоком». Ток, протекающий при этом через
полевой транзистор с управляющим р-n перехо-
дом, теперь будет ограничен только характери-
стиками внешнего источника электропитания.
Такое состояние пробоя может оказаться разру-
шительным для компонента, и его можно срав-
нить с состоянием пробоя типичного диода.
290
Статья 29

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Устройство
Что произойдет, если напряжение затвора ста-
нет меньше напряжения истока, то есть величи-
на Vgs станет отрицательной? В омической обла-
сти компонент теперь поведет себя так, словно
он обладает более высоким сопротивлением,
и будет достигать области насыщения при мень-
шей силе тока (хотя и при том же значении
напряжения V^. Следовательно, при уменьше-
нии напряжения затвора по отношению к на-
пряжению истока возрастает эффективное со-
противление компонента, и он фактически мо-
жет работать как варистор.
Верхняя схема на рис. 29.6 иллюстрирует это
графически. Расположенный под ней график
для полевого транзистора с р-каналом выглядит
почти идентично, за исключением того, что на-
правление тока обратное и его запирание про-
исходит, когда напряжение затвора становится
выше напряжения истока. Кроме того, область
пробоя достигается быстрее у транзисторов
с р-каналом, чем у транзисторов с п-каналом.
• В
Рис. 29.6. На верхнем графике показана зависимость тока,
протекающего через n-канал полевого транзистора с управ-
ляющим переходом, от напряжения затвора и истока; ниж-
ний график относится к плоскостному полевому транзистору
с р-каналом
МОП-транзисторы
МОП-транзисторы стали одними из самых ши-
роко используемых компонентов в электронике,
начиная с компьютерной памяти и заканчивая
импульсными источниками питания. Название
«МОП-транзистор» является сокращением от
полной формы полевой транзистор со струк-
турой металл-оксид-полупроводник (упрощен-
ный разрез МОП-транзистора с n-каналом по-
казан на рис. 29.7, а два МОП-транзистора — на
рис. ЦВ-29.8).
Подобно полевому транзистору с управляющим
переходом, МОП-транзистор имеет три вывода:
сток, затвор и исток, и функционирует за счет
создания полевого эффекта, который управля-
ет током, протекающим через канал (некоторые
МОП-транзисторы имеют четвертый вывод —
они будут рассмотрены далее). Однако в струк-
туре МОП-транзистора имеются тонкий слой
диоксида кремния (отсюда слово «оксид» в на-
звании), который отделяет затвор от канала, по-
вышая тем самым импеданс затвора как мини-
мум до 100 000 ГОм и снижая ток затвора фак-
тически до нуля, а также металлические исток
и сток, соединенные с каждой из сторон канала
(отсюда появление слова «металл» в названии).
Высокий импеданс затвора МОП-транзистора
позволяет подключать его напрямую к выходу
Полевой транзистор
291

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
цифровой интегральной схемы. Слой с диокси-
дом кремния представляет собой диэлектрик, а
это значит, что поле, приложенное к одной из
его сторон, создает поле противоположной по-
лярности на другой стороне. Затвор, присоеди-
ненный к поверхности этого слоя, действует так
же, как одна из пластин конденсатора.
Рис. 29.7. Упрощенное изображение МОП-транзистора
с n-каналом: толщина слоя с диоксидом кремния сильно
увеличена для наглядности, показанные черным выводы —
металлические
Ш1ШШт
«я
Рис. ЦВ-29.8. Два МОП-транзистора: для транзистора в кор-
пусе типа ТО-220 {слева) заявлен ток на стоке до 65 А при
непрерывной работе, а напряжение пробоя между стоком
и истоком равно 100 В; транзистор в меньшем корпусе
{справа) обеспечивает ток на стоке 175 мА при непрерывной
работе и напряжение пробоя между стоком и истоком 300 В
Диоксид кремния обладает также чрезвычай-
но полезным свойством изолирования затвора
от канала, предотвращая тем самым нежела-
тельный обратный ток. В полевом транзисторе
с управляющим переходом, у которого отсут-
ствует диэлектрический слой, при повышении
напряжения истока более чем на 0,6 В относи-
тельно затвора непосредственное внутреннее
соединение между затвором и каналом позволя-
ет отрицательным зарядам свободно протекать
от истока к затвору, а поскольку внутреннее со-
противление будет очень низким, итоговая сила
тока может оказаться разрушительной. Именно
поэтому полевые транзисторы с управляющим
переходом всегда следует подключать с обрат-
ным смещением.
МОП-транзистор свободен от таких ограниче-
ний, и напряжение затвора может быть выше или
ниже напряжения истока. Это свойство позволя-
ет использовать МОП-транзистор с п-каналом
не только как обедняющее устройство, но также
и в качестве обогащающего устройства, которое
является «нормально выключенным» и может
быть включено при появлении прямого смеще-
ния. Главным различием между такими устрой-
ствами является степень легирования канала
МОП-транзистора отрицательными носителя-
ми заряда, который, таким образом, будет или
не будет проводить ток с небольшой помощью
смещения на затворе1:
• в обедняющем устройстве канал проводит
ток, но если приложить отрицательное на-
пряжение к затвору, то может произойти за-
пирание тока;
• в обогащающем устройстве канал не прово-
дит ток, но если приложить положительное
напряжение к затвору, то он может начать
его проводить.
В любом из этих случаев смещение от ми-
нуса к плюсу вызывает проводимость кана-
ла — варианты с обеднением и с обогащением
1 В России употребляют также термины МОП-тран-
зистор со встроенным и индуцированным каналом. -
Ред.
292
Статья29

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Устройство
просто начинают работать с различных позиций
(рис. ЦВ-29.9). Вертикальная (логарифмиче-
ская) ось показывает силу тока, который прохо-
дит через канал МОП-транзистора, а левая кри-
вая описывает поведение устройства с обедне-
нием. Когда эта кривая пересекает центральную
линию, которая представляет нулевое смещение,
канал естественно становится проводящим —
как в полевом транзисторе с управляющим р-п
переходом. При перемещении вдоль этой кри-
вой влево при обратном смещении (показанном
на горизонтальной оси) компонент становится
все менее проводящим, пока его проводимость
не снизится до нуля.
Правая кривая на этом же графике представ-
ляет обогащающий МОП-транзистор, который
является непроводящим при нулевом смеще-
нии. При увеличении прямого смещения ток че-
рез него также возрастает — как в биполярном
транзисторе.
Кстати, МОП-транзистор, подобно полевому
транзистору с управляющим р-n переходом, мо-
жет иметь положительно легированный канал и
функционировать как в обедняющем, так и в обо-
гащающем режиме (рис. 29.10). Как и ранее, ле-
вая кривая показывает поведение обедняющего
МОП-транзистора,аправаяотноситсякварианту
с обогащением. По горизонтальной оси теперь
откладывается разность напряжений на затво-
ре и стоковом выводе. Компонент с обеднением
обладает естественной проводимостью при ну-
левом смещении, пока напряжение на затворе
не станет выше напряжения на стоке, произво-
дя запирание тока. Компонент с обогащением
не проводит ток, пока не приложено обратное
смещение.
На рис. 29.11 приведены условные обозначе-
ния для обедняющих МОП-транзисторов. Как
и в случае с полевыми транзисторами с управля-
ющим р-n переходом, в симметричные варианты
символов следует добавлять букву S, чтобы уточ-
нить, какой вывод является истоком (но этого
часто не делают). Стрелка, направленная влево,
обозначает компонент с n-каналом (обозначе-
ния слева), а в обозначениях справа направлен-
ная вправо стрелка обозначает МОП-транзистор
с р-каналом. Зазор между двумя вертикальными
'■: - ^НЯЮЩИИ
.; >■. эанзистор
■ -■-> этапом
I Обогащающий
| МОП-транзистор
I с каналом
Обогащающий . \
МОП-транзйстор '|
с р-каналом \
Обедняющий
МОП-транзистор
c р-каналом
Рис. ЦВ-29.9. Проводимость тока в обедняющих и обогащаю- Рис. 29.10. Проводимость тока в обедняющих и в обогащаю-
щих МОП-транзисторах с n-каналом — идея заимствована из щих МОП-транзисторах с р-каналом
книги The Art of Electronics Хоровица (Horowitz) и Хилла (Hill)
Полевой транзистор
293

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
У..
Рис. 29.11. Условные обозначения обедняющих МОП-
транзисторов (со встроенным каналом), функционирую-
щих подобно плоскостным полевым транзисторам: сим-
волы в левой части функционально идентичны и пред-
ставляют обедняющие МОП-транзисторы с п-каналом;
символы в правой части одинаково широко применя-
ются для обозначения обедняющего МОП-транзистора
с р-каналом
линиями в каждом символе представляет ди-
электрик из диоксида кремния, а правая верти-
кальная линия — сам канал.
Для обогащающих МОП-транзисторов в незна-
чительно отличающемся комплекте символов
используется прерывистая линия между исто-
ком и стоком (рис. 29.12), напоминающая о том,
что такие компоненты являются «нормально
выключенными» при нулевом смещении, а не
«нормально включенными». Здесь снова стрел-
ка, направленная влево (обозначения слева),
представляет МОП-транзистор с n-каналом, а
стрелка, направленная вправо (обозначения
справа), — МОП-транзистор с р-каналом.
Поскольку в отношении МОП-транзисторов есть
множество поводов для путаницы, на рис. 29.13
и 29.14 подведены некоторые итоги. Здесь суще-
ственные части каждого символа представле-
ны в «разобранном» виде и снабжены текстом,
который объясняет их назначение. Любой из
символов рис. 29.13 может быть наложен на лю-
бой из символов рис. 29.14, чтобы объединить
представленные ими функции. Так, например,
если верхний символ из рис. 29.13 наложить на
Рис. 29.12. Условные обозначения обогащающих МОП-
транзисторов (с индуцированным каналом): символы в левой
части функционально идентичны и представляют обогащаю-
щий МОП-транзистор с n-каналом; символы в правой части
представляют обогащающий МОП-транзистор с р-каналом
нижний символ из рис. 29.14, мы получим МОП-
транзистор обогащающего типа с п-каналом.
Чтобы попытаться еще более прояснить пове-
дение МОП-транзисторов, на рис. 29.15—29.18
приведены соответствующие графики. Подобно
полевым транзисторам с управляющим пере-
ходом, МОП-транзисторы обладают началь-
ной омической областью, за которой следует
область насыщения, где ток сравнительно сво-
бодно протекает через устройство. Напряжение
«затвор-исток» определяет, какой ток допуска-
ется. Однако важно обратить особое внимание
на оси графиков, которые различны для каждо-
го из четырех типов МОП-транзисторов.
На всех этих графиках присутствует напряже-
ние смещения, которое допускает протекание
нулевого тока (представленного линией графи-
ка, которая накладывается на горизонтальную
ось). Другими словами, МОП-транзистор может
работать как переключатель. Действительные
значения напряжения, при котором это будет
происходить, зависят от конкретно рассматри-
ваемого компонента.
294
Статья 29

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Устройство
Рис. 29.13. Любой из этих двух символов может быть объеди- Рис. 29.14. Любой из этих двух символов может быть объеди-
нен с любым из двух символов рис. 29.14, чтобы образовать нен с любым из двух символов рис. 29.13, чтобы образовать
одно из четырех обозначений МОП-транзисторов одно из четырех обозначений МОП-транзисторов
00<\;ДИИЮ..Ц'/{.:<. '
5
Разность
О 20
I 'А ИС"Г)КЗ, В
Разность напряжений '.itoi^i и истока. В
Рис. 29.15. Протекание тока через МОП-транзистор обедняю- Рис. 29.16. Протекание тока через МОП-транзистор обед-
щего типа с n-каналом няющего типа с р-каналом
Полевой транзистор
295

Устройство
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
+6 В
-г» в
5S
•4 В
-4 8
Рис. 29.17. Протекание тока через МОП-транзистор обога-
щающего типа с n-каналом
Рис. 29.18. Протекание тока через МОП-транзистор обога-
щающего типа с р-каналом
МОП-транзистор обогащающего типа с п-кана-
лом особенно удобен в качестве переключателя,
поскольку в состоянии «нормально выключен»
(при нулевом смещении) он проявляет очень
сильное сопротивление протеканию тока. Ему
необходимо довольно низкое положительное
напряжение на затворе и фактически нулевой
ток затвора, чтобы начать пропускать ток услов-
ного направления от стокового вывода к выводу-
истоку. Поэтому им можно управлять напрямую
с помощью типичной микросхемы на 5 В.
МОП-транзисторы обедняющего типа сейчас
используются менее широко, чем МОП-тран-
зисторы обогащающего типа.
Соединение с подложкой
До сих пор еще ничего не было сказано о четвер-
том выводе, который имеется у многих МОП-
транзисторов и называется выводом подложки.
296
Он соединяется с подложкой, на которой смон-
тированы остальные части компонента, и игра-
ет роль диодного соединения с каналом. Обычно
он закорочен на вывод истока, и это отображено
на условных обозначениях, которые применя-
ются до сих пор. Возможно, однако, использо-
вать вывод подложки, чтобы сдвинуть поро-
говое напряжение затвора МОП-транзистора,
либо сделав вывод подложки более отрицатель-
ным, чем вывод-исток (в МОП-транзисторе
с n-каналом), либо более положительным
(в МОП-транзисторе с р-каналом). Варианты
условных обозначений МОП-транзисторов,
показывающие вывод подложки, приведены
на рис. 29.19 — для МОП-транзисторов обед-
няющего типа и на рис. 29.20 — для МОП-
транзисторов обогащающего типа (детальное
рассмотрение использования вывода подложки
для настройки характеристик затвора выходит
за рамки этой энциклопедии).
Статья 29

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Варианты
Рис. 29.19. Варианты условных обозначений МОП-транзис-
торов обедняющего типа, показывающие, что вывод подлож-
ки доступен отдельно, а не соединен с выводом истока
Рис. 29.20. Варианты условных обозначений МОП-транзис-
торов обогащающего типа, показывающие, что вывод под-
ложки доступен отдельно, а не соединен с выводом истока
Варианты
Помимо рассмотренных ранее двух типов поле-
вых транзисторов существует еще несколько.
Полевой транзистор с барьером
Шоттки
Этот вариант (в англоязычной литературе
используется сокращение MESFET — Metal-
Semiconductor Field Effect Transistor, полевой тран-
зистор со структурой металл-полупроводник)
выполняется на основе арсенида галлия и ис-
пользуется в основном для усиления радиоча-
стот (их рассмотрение выходит за рамки этой
энциклопедии).
Полевой транзистор с V-образным
каналом
В то время как большинство полевых транзисто-
ров способно работать лишь с несильными то-
ками, полевой транзистор с V-образным каналом
(в англоязычной литературе часто сокращается
как VMOS FET — его канал напоминает по форме
букву V, о чем и говорит его название) способен
к работе с установившимся током не менее 50 А
и с напряжением до 1000 В. Он обладает воз-
можностью проводить большой ток, поскольку
сопротивление его канала намного меньше 1 Ом.
Такие устройства, которые обычно называют
мощными полевыми транзисторами, доступны у
большинства производителей полупроводников
и широко используются в импульсных источни-
ках питания.
Траншейный МОП-транзистор
Траншейный МОП-транзистор (Trenchgate
MOS) — это вариант МОП-транзистора, в ко-
тором ток протекает вертикально, а не горизон-
тально. Кроме этого он содержит другие инно-
вации, которые приводят к еще более низкому
сопротивлению канала, допускающему сильные
токи с минимальной выработкой тепла. Такие
устройства находят применение в автомобиль-
ной промышленности в качестве замены элек-
тромеханическим реле.
Полевой транзистор
297

Параметры
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Параметры
Использование
В спецификациях обычно перечисляют следую-
щие максимальные значения характеристик по-
левых транзисторов с управляющим переходом:
• V^ — напряжение «сток-исток», которое
означает разность потенциалов между сто-
ком и истоком);
• V^ — напряжение «сток-затвор», которое
означает разность потенциалов между сто-
ком и затвором);
• V^ — обратное напряжение «затвор-исток»;
• ток затвора и общее рассеивание мощности
в мВт.
Заметьте, что разность напряжений — это вели-
чина относительная, а не абсолютная. Следова-
тельно, напряжение 50 В на стоке и 25 В на ис-
токе могут быть приемлемыми для компонента
со значением Vds, равным 25 В. Подобным же
образом, если запирание в полевом транзисторе
с управляющим переходом начинается тогда,
когда затвор становится «более отрицатель-
ным», чем исток, то этого можно добиться, на-
пример, если исток обладает потенциалом 6 В,
а затвор — потенциалом 3 В.
Полевые транзисторы с управляющим перехо-
дом, предназначенные для слаботочных ком-
мутирующих устройств, обладают типичным
сопротивлением канала всего в несколько ом
и максимальной частотой переключения около
10 МГц.
Спецификация МОП-транзистора обычно со-
держит такие значения:
• пороговое напряжение затвора, которое
может быть обозначено как Vgs (или УЛ)
и определяет то относительное напряжение,
при котором затвор начинает играть актив-
ную роль;
• максимальный ток утечки в рабочем состоя-
нии, который может быть обозначен как
Id(on) и определяет предельный ток (обычно
при 25 °С) между истоком и затвором.
Сочетание очень высокого импеданса затвора,
очень низкого уровня помех, очень малого по-
требления мощности в нерабочем состоянии и
очень быстрой переключательной способно-
сти делает МОП-транзисторы пригодными для
многих приложений.
Недостаток р-канала
МОП-транзисторы с р-каналом обычно менее
популярны, чем МОП-транзисторы с п-каналом,
вследствие более высокого удельного сопротив-
ления кремния р-типа, что приводит к меньшей
подвижности носителей заряда и является неко-
торым неудобством.
Использование вместо
биполярного транзистора
Во многих случаях подходящий МОП-транзис-
тор обогащающего типа может с лучшими ре-
зультатами выступить на замену биполярного
транзистора: меньше помех, более высокий им-
педанс и, вероятно, меньшее рассеивание мощ-
ности.
Входные каскады усилителей
Хотя МОП-транзисторы прекрасно подходят
для использования во входном каскаде усили-
теля аудиосигнала, для этой особой цели те-
перь доступны микросхемы, содержащие МОП-
транзисторы.
Варистор
Простой варистор (резистор, сопротивление
которого управляется напряжением) можно
сконструировать на основе полевого транзи-
стора с управляющим переходом или МОП-
транзистора, если только его рабочий диапазон
ограничен линейной омической областью.
298
Статья 29

Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
Что может пойти не так?
Совместимость с цифровыми
устройствами
Полевой транзистор с управляющим р-n перехо-
дом в большинстве случаев может использовать
источники питания с напряжением до 25 В по-
стоянного тока. Однако, чтобы управлять сво-
им затвором, он способен принимать высокий/
низкий выходной сигнал от цифрового устрой-
ства на 5 В. Нагрузочный резистор с номиналом
4,7 кОм хорошо подходит при использовании
полевого транзистора в сочетании с логической
микросхемой, которая может обладать амплиту-
дой колебаний напряжения лишь в 2,5 В между
нижним и верхним порогами.
Что может пойти не так?
Статическое электричество
Поскольку затвор МОП-транзистора изолиро-
ван от остальных его компонентов и функцио-
нирует во многом подобно пластине конденса-
тора, то он с большой вероятностью способен
накапливать статическое электричество. Этот
статический заряд может впоследствии разря-
диться внутрь транзистора, повредив его.
Особо уязвимы к электростатическому разря-
ду МОП-транзисторы, поскольку слой оксида
у них очень тонкий, и вам следует принимать
особые меры предосторожности при обращении
с ними, — при работе с МОП-транзисторами
всегда дотрагивайтесь до заземленного пред-
мета или носите заземленный браслет, а также
убедитесь в том, что любая цепь, использующая
МОП-транзисторы, содержит соответствующую
защиту от статического электричества и вспле-
сков напряжения.
МОП-транзисторы не следует вставлять или
вынимать, пока цепь, в которой они работают,
находится под напряжением, или присутству-
ет остаточное напряжение в неразрядившихся
конденсаторах.
Нагрев
Возможность выхода из строя мощных МОП-
транзисторов вследствие перегрева заслужива-
ет отдельного рассмотрения. Компания Vishay
в примечании к использованию компонентов
(«Текущие номиналы мощности мощных полу-
проводниковых приборов») сообщает, что ком-
понентам этого типа в реальных условиях вряд
ли придется работать при температуре менее
90 °С, но при этом в спецификациях приводит
характеристики мощности в предположении о
стандартных 25 °С.
С другой стороны, номиналы для непрерывно-
го потока мощности имеют слабое отношение
к переключающим устройствам, скважность
которых намного меньше 100%. Другие факто-
ры также играют роль: вероятность всплесков
мощности, частота переключения и целостность
соединения между компонентом и его теплоот-
водом. Сам теплоотвод также приводит к по-
явлению погрешности, поскольку он стремит-
ся выровнять температуру компонента, кроме
того, конечно же нет простого способа узнать
действительную температуру перехода в МОП-
транзисторе в каждый конкретный момент.
Принимая во внимание множество неопреде-
ленных факторов, следует выбирать мощные
МОП-транзисторы чрезвычайно осторож-
но. Согласно руководству из онлайн-журнала
ЕЕ Times, действительный ток, коммутируемый
МОП-транзистором, должен составлять менее
половины его номинального тока при 25 °С, рас-
пространенное же значение составляет от одной
четверти до трети.
На рис. 29.21 показан рекомендованный макси-
мальный ток на стоке при различных темпера-
турах в реальных условиях. Превышение этих
значений приведет к появлению дополнитель-
ного тепла, которое не сможет рассеяться и вы-
зовет его дальнейшее накопление, что в конеч-
ном итоге повлечет неконтролируемые темпера-
турные условия и выход компонента из строя.
Полевой транзистор
299

Что может пойти не так?
Полупроводниковые приборы > несколько р-п-переходов > полевой транзистор
^Зависимость максимального тока
на истоке 'мощного
' чч,2 МОП-транзистора
"Ч"\Л от температуры
'ччч корпуса
ч
л:,}
Рис. 29.21. Максимальный рекомендуемый ток на стоке
мощного МОП-транзистора в зависимости от температуры
его корпуса (позаимствовано из руководства Power MOSFET
Tutorial онл айн-журнал а ЕЕ Times)
Неправильное смещение
Как отмечалось ранее, подключение полевого
транзистора с управляющим переходом с пря-
мым смещением может привести к ситуации,
когда напряжение на затворе превысит напря-
жение на истоке приблизительно на 0,6 В или
более (в полевом транзисторе с п-каналом),
и переход между затвором и истоком начнет ве-
сти себя подобно диоду с прямым смещением, то
есть приобретет очень малое сопротивление, что
приведет к возникновению избыточного тока
и разрушительным последствиям. Необходимо
проектировать устройства таким образом, что-
бы возможные ошибочные действия пользова-
теля никогда не приводили к подобному исходу.
300
Статья 29

ПРИЛОЖЕНИЕ. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Здесь собраны условные обозначения компонентов, которые рассмот-
рены в этом томе. Символы, которые обладают сильным сходством,
сгруппированы — так, потенциометр расположен рядом с резистором,
а все типы транзисторов находятся в одной группе.
Варианты обозначений, расположенные рядом друг с другом, функцио-
нально идентичны.
Когда компонент обладает полярностью, которую обязательно следу-
ет соблюдать, или же он широко используется с определенной поляр-
ностью, она отмечена белым знаком «плюс» в кружке 0, однако надо
иметь в виду, что этот символ не является частью обозначения. В случае
с поляризованными конденсаторами, для которых знак «плюс» обыч-
но указан (или должен быть указан) на обозначении, этот знак является
частью обозначения и представляет собой простой черный плюс.
Представленный здесь набор символов не задуман как исчерпывающая
подборка вариантов обозначений, и некоторые редкие варианты могут
отсутствовать. Однако его должно хватить для идентификации компо-
нентов, рассмотренных в этом томе энциклопедии.
Условные обозначения 301

4°
Химический источник тока: один элемент Диод: варактор
Химический источник тока: два элемента Диод: стабилитрон
Химический источник тока: несколько элементов Предохранитель
41-
Конденсатор: неполяризованный
Предохранитель (стандарты ANSI, IEC, IEEE)
Конденсатор: поляризованный
Предохранитель (в строительных чертежах)
Конденсатор: переменный
Предохранитель (устаревающий вариант)
'-м-
Диод
Катушка индуктивности: воздушный сердечник
Ч Ч
Диод Шоттки
Катушка индуктивности: твердый сердечник
-й-
Диод: туннельный
Рис. П.1. Условные обозначения
Катушка индуктивности: порошковый сердечник
302
Приложение

Катушка индуктивности: ферритовая шайба
lOOCb
эщс
Реле: однополюсное на два направления,
с двумя обмотками и блокировкой
ПЯЯГ1
4.7К
-ЛЛЛЛг-
Катушка индуктивности: соленоид / электромагнит Резистор
Катушка индуктивности: переменная
Резистор: потенциометр
Кнопка: нормально разомкнутая
4.7К 4К7
Резистор: переменный или реостат
Кнопка: нормально замкнутая
4.7К 4К7
Резистор: подстроечный
- —О tO—
—# •— —О О—
Кнопка: на два направления
Переключатель: однополюсный,
на одно направление
Кнопка: двухполюсная
Переключатель: однополюсный,
на два направления
11
Реле* однополюсное на одно направление,
нормально разомкнутое, без блокировки
Y-V
Переключатель: двухполюсный,
на два направления
Реле: однополюсное на два направления,
без блокировки
Рис. П.2. Условные обозначения: продолжение
Переключатель: трехполюсный,
на два направления
Условные обозначения
303

о °o
• т • ° T °
• I • о I о
Переключатель: поворотный
Транзистор: биполярный, р-п-р
Е = Эмиттер
В = База
С = Коллектор
ттт
Переключатель: ползунковый, однополюсный
на два направления
D = Сток
G = Затвор
S = Исток
Транзистор: полевой с управляющим переходом
и п-каналом
4 4 4 4 4 4
Т Т Т Т Т Т
Переключатель: ползунковый, четырехполюсный
на два направления
D = Сток
G = Затвор
S = Исток
Транзистор: полевой с управляющим переходом
и р-каналом
Трансформатор: твердый сердечник
D = Сток
G = Затвор
S = Исток
Транзистор: МОП, обедняющий, с п-каналом
Трансформатор: воздушный сердечник
D = Сток
G = Затвор
S = Исток
Транзистор: МОП, обедняющий, с р-каналом
Трансформатор: выходной сигнал с той же фазой
D = Сток
G = Затвор
S = Исток
Транзистор: МОП, обогащающий, с п-каналом
Трансформатор: выходной сигнал в противофазе
D = Сток
G = Затвор
S = Исток
Транзистор: МОП, обогащающий, с р-каналом
Трансформатор: вторичная обмотка с отводом
■<
IE IE
Транзистор: биполярный, п-р-п
Е = Эмиттер
В = База
С = Коллектор
А = Анод
G = Затвор
С = Катод
Транзистор: однопереходный,
с управляемым порогом
В2 = База-2
Е = Эмиттер
В1 = База-1
В1
Транзистор: однопереходный
Рис. П.З. Условные обозначения: окончание
304
Приложение

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
DIP-переключатель 52
н
Н-мост 241
N
п-канал 288
п-слой 253
р-канал 288
р-слой 253
R
RC-цепочка 99
SIP-переключатель 53
Y (конфигурация обмоток) 205
(3-коэффициент 276
Абсолютное
кодирование 65
устройство 71
Абсолютный преобразователь 71
Аварийный выключатель 42
Автомобильное реле 81
Авторезонанс 152
Автотрансформатор 160
Аккумулятор
глубокого цикла 12
никель-кадмиевый (NiCad) 13
никель-металлогидридный (NiMH) 13
обратный заряд 19
перезаряжаемый 10
свинцово-кислотныи с клапанным
регулированием (VRLA) 12
Аккумуляторная кислота 12
Аксиальный резистор 89
Активный режим 277
Ампер-час 14
Амплитудная модуляция 145
Аналоговый серводвигатель 233
Предметный указатель
305

Анод 9
диода 251
Асинхронный электродвигатель 219
переменного тока с фазным ротором 225
с расщепленной фазой 222
База 274
Батарея аккумуляторная 7
Бесщеточный электродвигатель постоянного
тока 208
Биполярный
транзистор 273
электролитический конденсатор 119
Бифилярный двигатель 245
Блокировочный конденсатор 125
в
Валшлицевой 233
Варактор 251,256
Вариак 161
Варикап 256
Варистор 291
Величина C-rate 16
Взаимоиндукция 156
Внутреннее сопротивление 14
Водило планетарной передачи 208
Восьмипроводной (шаговый) двигатель 245
Восьмиштырьковый цоколь 82
Время успокоения 74
Вторичная обмотка трансформатора 156
Вторичный элемент 10
Второй предел пробоя (транзистора) 280
Втулка переключателя 46
Входной крутящий момент 249
Вывод подложки (МОП-транзистора) 296
Выводы
быстросоединяемые 55
для печатной платы 55
зажимные 55
проволочные 55
уголковые 55
Выключатель 46
аварийный 42
концевой 213
обходной 200
Выпрямитель 251
мостовой 257
Выпрямительный диод 255,258
Высокоскоростной диод 255
Высокочастотный транзистор 277
Выход квадратурный 73
Галета поворотного переключателя 62
Гальванический элемент 10
Гармоники 179
Генри 147
Гигаом 91
Гиратор 147
Гистерезис 143,195
шагового двигателя 250
Гистерезисный электродвигатель 224
Двухпозиционный переключатель 46
Двухполюсный переключатель 46
Делитель напряжения 67,87,99
Дельта (конфигурация обмоток) 205
Демпфер 127,142
Динамическое сопротивление 254,255
Диод 251
анод 251
быстродействующий 255
306
Предметный указатель

варактор 256
варикап 256
выпрямительный 255,258
Ганна 251
защитный 260
импульсный 255
катод 251
логический элемент 262
переключательный 255
PIN 251
туннельный 251
фиксация напряжения 261
фиксирующий 260
Дисковый
конденсатор 116
переключатель 66
Дискретное устройство 273
Диэлектрик 120,132,292
Диэлектрическая
абсорбция 128
постоянная конденсатора 122
Добротность конденсатора 124
Домены 141,152
Дополнительное кодирование 65
Допуск резистора 92
Дорожка потенциометра 104
Дребезг контактов 59,74
Дырка 114,253
Емкостное сопротивление конденсатора 123
Закон Ома 88
Закорачивающая обмотка 222
Закорачивающий переключатель 48
Замкнутая система 239,246
Запирание тока 289
Запускающее напряжение
(однопереходного транзистора) 268
Заряд положительный 114
Зарядное устройство 10
Защитный диод 260
Звезда (конфигурация обмоток) 205
И
Импульсный
диод 255
источник питания 167
Инвертирующий усилитель мощности 179
Инвертор с настоящей синусоидой 181
Индекс индуктивности 148
Индикатор 98
Индуктивно-емкостная цепь 133
Индуктивное сопротивление 115
конденсатора 124
Индуктивность: собственная 141
Интегральная
микросхема 287
схема 273
Ион 9
Искрение 58
Исполнительный механизм
линейный 209,247
переключателя 46
Источник питания
бескорпусный 169
закрытый 169
импульсный 167
нерегулируемый 169
регулируемый 169
с линейным стабилизатором 166
К
Кажущаяся мощность 162
Катод 9
Предметный указатель
307

Катод (диода) 251
Катушка индуктивности 137
обмотка 139
переменной индуктивности 145
регулируемая 145
реле 78
сердечник 137
собственная частота 148
Квадратурный выход 73
Керамический конденсатор 120
Килоом 91
Кнопка
нормально замкнутая (NC) 37
нормально разомкнутая (N0) 37
ползунковая 37
с двойным нажимом 39
селективная 41
с подсветкой 38
Кнопочный переключатель 35
Код Грея 65
Кодирование
абсолютное 65
дополнительное 65
относительное 65
реальное 65
Кодированный поворотный переключатель 64
Колебательный контур 134
Коллектор 274
электродвигателя постоянного тока 203
Колодка 21,22
с гнездами 22
Кольцевая шестерня планетарной передачи 207
Комплект перемычек 22
Конденсатор
биполярный электролитический 119
блокировочный 125
дисковый 116
диэлектрическая постоянная 122
для поверхностного монтажа 116
добротность 124
емкостное сопротивление 123
индуктивное сопротивление 124
керамический 120
настроечный 131
переменный 131
подстроечный 131
постоянная времени 114,123
развязывающий 125
разделительный 125
резонансная частота 124
сглаживающий 126
собственная частота 124
с радиальными выводами 116
танталовый 119
цилиндрический 116
электролитический 118
Конденсаторная
матрица 117
сборка 117
Контактор 83
Конфигурация обмоток
Y 205
дельта 205
звезда 205
треугольник 205
Концевой выключатель 48,213
Коэффициент
гармонических искажений 181
напряжения резистора 95
передачи (однопереходного транзистора) 270
Крутящий момент
блокировки электродвигателя 210
входной 249
предельный 249
при заторможенном роторе 221
стопорящий 249
удерживающий 249
электродвигателя постоянного тока 209
Кулисный переключатель 49
308
Предметный указатель

л
Лавинный пробой 265
Легирование 288
Лепесток для пайки 55
Линейный
исполнительный механизм 209,247
стабилизатор напряжения 166
режим 277
стабилизатор напряжения 183
электродвигатель 222
Лопаточный тумблер 54
м
Магнетизм остаточный 141
Магнит подковообразный 194
Магнитная
индукция остаточная 143
проницаемость 141
цепь 140
Магнитное
заклинивание 219
насыщение 141
сопротивление 140,194,200,224
Магнитные домены 141,152
Магнитный сердечник 140
Матричное кодирование 40
Мгновенное действие (переключателя) 49
Мегаом 91
Мембранная клавиатура 41
Мембранный сепаратор 9
Мертвый ход 232
электродвигателя постоянного тока 214
Механический поворотный энкодер 71
Микровыключатель 48
Микроконтроллер (серводвигателя) 231
Микрофарада 121
Миллиампер-час 14
Миллиом 92
Миллифарада 129
Многофазный шаговый двигатель 245
Модифицированное синусоидальное
напряжение 180
Модуляция амплитудная 145
Монтаж
на лицевой панели 54
на печатных платах 54
на субпанели 54
панельный 54
поверхностный 54
с защелкиванием 54
с помощью отверстий 55
МОП-транзистор 291
траншейный 297
Мостовой выпрямитель 257
Мощность кажущаяся 162
Мощный
полевой транзистор 297
резистор 89
транзистор 277
н
Нагрузка 7
измерителя 102
Нагрузочный резистор 68,98
Накапливающее устройство 71
Нанофарада 121
Напряжение
впадины (однопереходного транзистора) 269
пробоя (диода) 254
разомкнутой цепи 17
стабилитрона 262
Настроечный конденсатор 131
Насыщение (транзистора) 277
Невоспламеняющийся резистор 94
Нейтральное реле 80
Неподвижный контакт переключателя 46
Н-мост 212
Номинальное напряжение предохранителя 26
Предметный указатель
309

Номинальный ток предохранителя 26
Нормально замкнутая кнопка 37
Нормально разомкнутая кнопка 37
Обедненная область 254
Обедненный слой 290
Обедняющее устройство 290
Область
насыщения (полевого транзистора) 290
отрицательного сопротивления 269
устойчивой работы (транзистора) 280
Обмотка
возбуждения 218
закорачивающая 222
шагового двигателя 237
электромагнита 194
Обогащающее устройство 290
Обратное смещение 251,274
Обходной выключатель 200
Общий
контакт переключателя 46
предел мощности (транзистора) 280
Ограничитель переходного напряжения 256
Однопереходный транзистор 267
с управляемым порогом 267
Однополюсный переключатель 46
Однофазный переменный ток 221
Омическая область (полевого транзистора) 290
Осевая нагрузка на электродвигатель
постоянного тока 210
Основной переключатель 48
Остаточная магнитная индукция 143
Остаточное намагничивание 141
Отвод трансформатора 158
Отключающая способность предохранителя 26
Относительное кодирование 65
Отсекание напряжения 142
Ошибочное размыкание предохранителя 33
п
Панельный монтаж 54
Пара Дарлингтона 248, 281
Паразитная
емкость 152
индуктивность 101
Первичная обмотка трансформатора 156
Первичный элемент 10
Пережигаемая перемычка 29
Переключатель
барабанный 66
без фиксации положения 35
BDIP-корпусе 52
BSIP-корпусе 53
втулка 46
двухпозиционный 46
двухполюсный 46
дисковый 66
дребезг контактов 59
закорачивающий 48,63
кнопочный 35
кулисный 49
мгновенного действия 42, 48
на два направления (DT) 46
на одно направление (ST) 46
незакорачивающий 63
неподвижный контакт 46
нормально замкнутый (NC) 47
нормально разомкнутый (NO) 37,47
общий контакт 46
однополюсный 46
основной 48
подвижный контакт 46
310
Предметный указатель

ползунковый 50
полюс 46
противовандальный 54
с включением до разрыва 48
с замком 67
с разрывом до включения 48
стратегии устранения дребезга 59
герконовый 80,196
Переключательный диод 255
Переменное магнитное сопротивление 238
Переменный
конденсатор 131
резистор 103
ток 155,165
однофазный 221
трехфазный 221
Перемычка 21
шаг между гнездами 23
Переходная характеристика 190
Переходные процессы 166
Пиковый бросок тока 33
Пикофарада 121
Планетарная передача 207
водило 208
кольцевая шестерня 207
планетарные шестерни 208
солнечная шестерня 208
Планетарные шестерни планетарной
передачи 208
Полевой транзистор с управляющим
переходом 287
Плотность потока 194
Поверхностный эффект 153
Поворотный
DIP-переключатель 64
переключатель
галета 62
кодированный 64
ротор 61
с преобразованием выходного сигнала 64
стопор 62
Повышающий трансформатор 157
Подавитель помех, вызванных переходными
процессами 260
Подвижный контакт переключателя 46
Подковообразный магнит 194
Подстроечный
конденсатор 131
потенциометр 108
Полевой транзистор 287
мощный 297
с V-образным каналом 297
с барьером Шоттки 297
со структурой металл-оксид-полупроводник
291
Ползунковый переключатель 50
Положительный заряд 114
Полосовой фильтр 151
Полупроводник 253
п-типа 273
р-типа 274
Полуэлемент 8
Полюс
кнопки 35
переключателя 46
Поляризованное реле 80
Помехи
при скольжении контактов 74
электромагнитные 169,213
Понижающий трансформатор 157
Пороговое напряжение перехода 253
Последовательный резистор 97
Постоянная времени 149
конденсатора 114,123
Постоянный ток 165
Потенциометр
двухсекционный 107
Предметный указатель
311

дорожка 104
классический 106
линейная характеристика 106
логарифмическая характеристика 106
многосекционный 107
плоскосекционный 107
подстроечный 108
скользящий контакт 104
с переключателем 108
Потеря шага 249
Правило правой руки 142
Предельный
крутящий момент 249
перегрузочный момент 225
Предохранитель
номинальное напряжение 26
номинальный ток 26
отключающая способность 26
ошибочное размыкание 33
перегорание 25
плавкая вставка 26
полимерный с положительным
температурным коэффициентом
сопротивления 29
пробковый 27
размыкание 30
размыкающий ток 30
с задержкой 27
удерживающий ток 30
Преобразователь
абсолютный 71
напряжения с обратным ходом 167
постоянного тока 171
повышающий 173
понижающе-повышающий 173
понижающий 173
с трансформатором 174
угла поворота 71
механический 71
фиксаторы 71
Прерыватель 211,247
Прецизионный резистор 89
Пробой
между стоком и истоком 290
полевого транзистора 290
Проволочный резистор 89
Проскакивание (шагового двигателя) 249
Противовандальный переключатель 54
ПротивоЭДС 141,248,259
Процессы переходные 166
Прямая ЭДС 127
Прямое
направление тока 251
смещение 251,274
Прямозубая цилиндрическая зубчатая
передача 207
Рабочая точка (усилителя) 283
Радиальная нагрузка на электродвигатель
постоянного тока 210
Радиальный резистор 89
Радиочастоты 153
Развязывающий конденсатор 125
Разделительный
конденсатор 125
трансформатор 160
фильтр 150
Размагничивание 196
Размыкающий ток предохранителя 30
Реактивное сопротивление 134,141
Реальное кодирование 65
Регулируемая катушка индуктивности 145
Редукторный двигатель 206
Режим
насыщения (транзистора) 277
отсечки 277
312
Предметный указатель

Резистивная цепочка 67,90
Резистивно-емкостная цепочка 99,114
Резистор 87
аксиальный 89
для поверхностного монтажа 89
коэффициент напряжения 95
мощный 89
нагрузочный 68,98
невоспламеняющийся 94
общего назначения 89
переменный 103
последовательный 97
прецизионный 89
проволочный 89
радиальный 89
с нулевым сопротивлением 95
с толстой пленкой 89
температурный коэффициент 95
утечки 98
Резисторная матрица 90
Резистор-предохранитель 94
Резонансная частота конденсатора 124
Реле
автомобильное 81
без блокировки 79
времени 82
герконовое 80
двухкатушечное 79
катушка 78
нейтральное 80
однокатушечное 79
поляризованное 80
с блокировкой 79
с торможением 80
слабых сигналов 81
электромеханическое 77
якорь 78
Реостат 103
Ротор
переменного конденсатора 131
поворотного переключателя 61
шагового двигателя 237
электродвигателя переменного тока 217
электродвигателя постоянного тока 203
Рубильник 45
Рыскание (шагового двигателя) 250
Светодиод 251
Сглаживающий конденсатор 126
Селективная кнопка 41
Серводвигатель 229
аналоговый 233
цифровой 233
Сердечник 137
магнитный 140
соленоида 197
трансформатора 157
Сетевой адаптер 165
Силовой трансформатор 159
Синхронный электродвигатель 221,223
с независимым возбуждением 224
с самовозбуждением 224
Система
замкнутая 239,246
разомкнутая 239
скважность 172
Скольжение электродвигателя 221
Скользящий контакт потенциометра 104
Скорость
вращения электродвигателя при отсутствии
нагрузки 210
саморазряда аккумулятора 11
Смещение
обратное 251,274
прямое 251,274
Предметный указатель
313

Собственная
индуктивность 141
частота
катушки индуктивности 148
конденсатора 124
Соленоид 197
низкопрофильный 200
поворотный 200
сердечник 197
с фиксацией 200
с шарнирным клапаном 201
трубчатый 200
якорь 197
Солнечная шестерня планетарной передачи 208
Сопротивление
динамическое 254,255
катушки постоянному току 148
переменное магнитное 238
реактивное 141
эквивалентное последовательное (ЭПС) 124
Стабилизатор напряжения
линейный 166,183
переходная характеристика 190
с низким падением напряжения 187
стандартного типа 184
ток покоя 189
контакт включения 188
контакт состояния 188
Стабилитрон 251,255
Статор
переменного конденсатора 132
шагового двигателя 237
электродвигателя
переменного тока 217
постоянного тока 203
Стопорный тумблер 52
Стопор поворотного переключателя 62
Стопорящий крутящий момент 249
Суперконденсатор 11,127
Сухой элемент 9
Таймер 555 248
Тактильный переключатель 41
Танталовый конденсатор 119
Температурный коэффициент резистора 95
Теплоотвод 89
транзистора 278
Ток
блокировки электродвигателя постоянного
тока 209
насыщения катушки индуктивности 148
переменный 155,165
покоя 189
постоянный 165
прямое направление 251
условного направления 138
утечки 273
Топливный элемент 10
Точка покоя (усилителя) 283
Транзистор
активный режим 277
биполярный 273
второй предел пробоя 280
высокочастотный 277
линейный режим 277
мощный 277
область устойчивой работы 280
общий предел мощности 280
однопереходный 267
запускающее напряжение 268
коэффициент передачи 270
напряжение впадины 269
с управляемым порогом 267
переключательный 277
полевой 287
регулирующий 184
режим насыщения 277
для слабых сигналов 277
Трансформатор
вторичная обмотка 156
первичная обмотка 156
314
Предметный указатель

повышающий 157
понижающий 157
разделительный 160
регулируемый 161
с коэффициентом трансформации 1:1 160
сердечник 157
силовой 159
штепсельный 160
Траншейный МОП-транзистор 297
Треугольник (конфигурация обмоток) 205
Трехфазный переменный ток 221
Триммер 104
Тумблер 51
лопаточный 54
стопорный 52
Туннельный диод 251
ф
Фаза шагового двигателя 237
Фарада 121
Ферритовая шайба 145
Фиксаторы в поворотном энкодере 71
Фиксирующий диод 260
Фильтр
верхних частот 125,150
нижних частот 99,126,150
полосовой 151
разделительный 150
узкополосный режекторный 151
Фильтр-пробка 151
Фотодиод 251
Угловой шаг 239,247
Удерживающий
крутящий момент 249
ток предохранителя 30
Узкополосный режекторный фильтр 151
Умножитель напряжения 169
Универсальный
шаговый двигатель 245
электродвигатель 226
Усиление по току 276
Усилитель
конфигурация с общим коллектором 283
конфигурация с общим эмиттером 283
напряжения 287
рабочая точка 283
тока 276,287
точка покоя 283
Устройство
обедняющее 290
обогащающее 290
Утечка 114
тока 273
Цифровой серводвигатель 233
Цоколь
восьмиштырьковый 82
Число Пекерта 15
ш
Шаг угловой 239,247
Шаговый двигатель 237
биполярный 240
бифилярный 245
восьмипроводной 245
гибридный 245
многофазный 245
обмотка 237
потеря шага 249
проскакивание 249
ротор 237
рыскание 250
с большим количеством фаз 244
Предметный указатель
315

статор 237
угловой шаг 247
универсальный 245
униполярный 240
фаза 237
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) 167,
172,181,230,247
Шлицевойвал 233
Штепсельный трансформатор 160
щ
Щетки электродвигателя постоянного тока 203
ЭДС 141,260
Эквивалентное последовательное
сопротивление 124
Электрическая емкость аккумулятора 14
Электрический ток 7
Электрод 8
Электродвигатель
асинхронный 219
с расщепленной фазой 222
с фазным ротором 225
гистерезисный 224
линейный 222
переменного тока 217
ротор 217
статор 217
постоянного тока 203
бесщеточный 208
коллектор 203
крутящий момент 209
мертвый ход 214
осевая нагрузка 210
радиальная нагрузка 210
редукторный 206
ротор 203
статор 203
ток блокировки 209
щетки 203
с беличьей клеткой 219
с экранированными полюсами 222
синхронный 221,223
универсальный 226
Электродвижущая сила 141
Электролиз 7
Электролит 8
Электролитический
конденсатор 118
слой 120
элемент 7
Электромагнит 193
обмотка 194
Электромагнитные помехи 169,213
Электронная коммутация 208
Электронно-лучевая трубка 196
отклоняющая система 196
Электрохимический элемент 7
Элемент 8
аккумулятор 7
питания 7
угольно-цинковый 11
щелочной 11
Эмиттер 274
Эффект
близости 153
памяти 13
Якорь
реле 78
соленоида 197
316
Предметный указатель