Материалы и компоненты радиоэлектронных средств. - Покровский Ф.Н.

1. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
1.3 Общие сведения о процессах созадния материалов
2.1 Электрические свойства металлических материалов
2.2 Теплопроводность металлических материалов
2.3 Механичесие свойства металлических материалов
2.4 Краткая характеристика металлов и сплавов РЭС
2.5 Совместимость металлических материалов
3.1 Основные особенности электроизоляционных материалов
3.2 Электрические свойства электроизоляционных материалов
3.3 Физико-химические свойства электроизоляционных материалов
3.4 Основные виды неорганических электроизоляционных материалов
3.5 Основные виды органических электроизоляционных материалов
4.2 Основные характеристики магнитных материалов
4.6 Использование магнитных материалов на СВЧ
5.2 Основные полупроводниковые материалы
6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ РЭС
6.3 Материалы для корпусной герметизации узлов и блоков РЭС
6.4. Материалы разъемных и неразъемных механических соединений
6.5 Предпосылки к выбору конструкционных материалов
7. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОНЕНТОВ
7.2 Влияние внешних воздейстий на характеристики компонентов
7.3 Влияние схемных компонентов на параметры РЭС
7.4 Надежность компонентов и надежность РЭС
8.2 Маркировка и условное графическое обозначение резисторов
8.3 Основные технические характеристики резисторов
8.4 Конструкция резисторов и используемые материалы
9.2 Маркировка и условное графическое обозначение конденсаторов
9.3 Основные электрические характеристики конденсаторов
9.4 Конструкция конденсаторов и используемые материалы
9.5 Особенности применения конденсаторов
10. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ, ДРОССЕЛИ, ТРАНСФОРМАТОРЫ
13.2 Компоненты функциональной оптоэлектроники
13.3 Функциональные приборы на жидких кристаллах
13.4 Функциональные приборы на цилиндрических магнитных доменах
13.5 Функциональные приборы с зарядовой связью
14.1 Общие сведения о коммутационных платах
14.2 Коммутационные платы традиционного монтажа
14.3 Коммутационные платы поверхностного монтажа
15.2 Интервальный контроль качества компонентов РЭС
Автор: Покровский Ф.Н.
Теги: радиоэлектроника
ISBN: 5-93517-194-5
Год: 2005
Похожие
Электронные компоненты от ведущих производителей
Конструирование радиоэлектронных средств
Компоненты и технологии №12
Текст
                    I
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ШШЫI Ш1Н1Ы
МЭТИ11Ы1 СР[ЦСП1

Н.ПОКР1ВСКИЙ
Ф.Н.Покровский
МЯ1ЕРИМ1Ы И ШИПЫ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Допущено У МО по образованию
в области авиации, ракетостроения
и космоса в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 201600 —
«Радиоэлектронные системы»
Москва
Горячая линия - Телеком
2005
Посвящаю памяти моего учителя
Фролова Алексея Дмитриевича
Предисловие
Учебное пособие подготовлено в соответствии с програм-
мой курса «Радиоматериалы и радиокомпоненты» по специаль-
ности 201600 «Радиоэлектронные системы».
В настоящее время разработка и производство радиоэлек-
тронных средств (РЭС) в мире переживает переломный период.
С одной стороны, происходит непрерывный процесс совершенст-
вования материалов и компонентов, подгоняемый микроминиа-
тюризацией. С другой, - впечатляющие достижения функцио-
нальной электроники, идущей на смену традиционным методам
приема, преобразования и управления сигналами и существенно
отличающейся применяемыми компонентами. Вместе с этим,
следует учесть, что в эксплуатации все еще находятся ранее вы-
пущенные РЭС, особенно специальные, обслуживание и ремонт
которых актуален до сих пор.
В пособии рассматриваются строение материалов радио-
электронных средств, некоторые особенности их получения,
а также многочисленные компоненты РЭС, работа которых осно-
вана на разнообразных физических процессах и явлениях. Вклю-
чены сведения только о наиболее часто встречающихся мате-
риалах и компонентах, поскольку значительная их номенклатура
не позволяет в ограниченном объеме данного издания изложить
сведения о них полностью.
Книгу можно условно разделить на две связанные части.
Базовые сведения о структуре твердых тел, физико-химических
процессах создания материалов и их общих свойствах изложены
в гл. 1-6. Основное внимание уделено металлам, диэлектрикам,
магнитным, полупроводниковым материалам. Значительную роль
в производстве РЭС высокого качества играют конструкционные
материалы, которым посвящена гл. 6.
Главы 7-14 содержат сведения о компонентах РЭС: приве-
дена их классификация, перечислены основные характеристики.
Изложено назначение и принцип действия каждого компонента,
особенности конструкции и используемые материалы. Сведения
о компонентах автор стремился подкрепить небольшими приме-
рами их применения в составе узлов и блоков, показывающими
способ включения.
Завершает издание глава «Контроль качества компонентов
РЭС», в которой изложены некоторые вопросы построения и про-
ведения операций контроля. Ввиду значительного разнообразия
компонентов и способов их контроля, автор ограничился упоми-
нанием лишь некоторых сведений и примеров, дающих представ-
ление о принципах построения контрольных операций и правил
принятия решения.
Контрольные вопросы, которые имеются в конце каждой
главы, призваны помочь усвоению изложенного материала.
За неоценимую помощь в подготовке книги к изданию автор
выражает глубокую благодарность доктору техн, наук, профессо-
ру С. М. Смольскому, канд. техн, наук, доценту А. И. Кучумову,
доктору техн, наук, профессору А. Н. Павлову, доктору техн, наук,
профессору В. Ф. Борисову, инженеру А. В. Карпову. Существен-
ную поддержку оказали компании «М.Видео» и «М.Видео-
Сервис».
1. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
МАТЕРИАЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
В настоящее время РЭС являются основным инструментом
передачи, приема, хранения и обработки информации, а также
управления объектами техники. Конструкция РЭС, состоящая из не-
которого множества материальных объектов различной формы
с различными физико-химическими свойствами, включает в свой
состав определенное количество наименований (номенклатуру) ма-
териалов.
Материалы являются основой конструкции любого РЭС, по-
скольку определяют качество выполнения им своих функций, техно-
логичность его изготовления, экономичность, эксплуатационные
свойства и срок службы РЭС. При разработке и изготовлении компо-
нентов и деталей РЭС используются вполне конкретные материалы,
подбор которых является достаточно сложной задачей, от успешно-
го решения которой зависит качество и всего РЭС в целом.
1.1. Материалы РЭС:
виды, назначение и предъявляемые требования
Все множество материалов, используемых в современных
РЭС, можно представить пятью группами: проводниковые, диэлек-
трические, магнитные, полупроводниковые, конструкционные.
В каждом компоненте РЭС и в каждой детали его конструкции
материалы предназначены для выполнения конкретной задачи -
механической, электрической, электромагнитной или их комбинации.
Например, составные части металлопленочного резистора изготов-
лены из следующих материалов: резистивный сплав МЛТ, керамика,
два вида сплавов меди, лакокрасочное покрытие и др. Номенклатура
используемых материалов существенно расширяется, если еще
учесть процесс изготовления компонентов и узлов РЭС (например,
абразивные порошки, технологические материалы для промывки и
очистки заготовок, газообразные материалы внутреннего простран-
ства установки для ионно-плазменного напыления, охлаждающие
эмульсии катода испарительной камеры, травящие растворы произ-
водства печатного монтажа, жидкости ванн электролитического оса-
ждения и др.).
Поскольку материал является основой практического вопло-
щения РЭС, то удовлетворение требований к РЭС в значительной
степени обусловлено свойствами используемых материалов и ком-
понентов. Требования к РЭС могут быть эксплуатационными и кон-
6
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
струкгивно-технологическими. В эксплуатационных требованиях,
оговоренных в техническом задании (ТЗ) на разработку и изготовле-
ние РЭС, перечислены выполняемые основные и вспомогательные
функции в заданных условиях эксплуатации и в заданный период
времени.
Количественная оценка выполняемых функций осуществляет-
ся, как правило, посредством сравнения численных значений техни-
ческих характеристик (параметров) РЭС с установленными предель-
ными значениями (одно- или двухсторонними допусками). Схемо-
технические требования формируются на этапе научно-иссле-
довательской разработки изделия и вытекают из эксплуатационных
требований ТЗ. Они характеризуют техническую пригодность схемы
к использованию в будущем изделии, например, сложность схемного
решения, диапазона рабочих частот, теоретическую оценку устойчи-
вости работы, управляемость, коэффициент полезного действия,
реализуемость и др.
Конструкторско-технологические требования являются
производственными и предназначены для снижения себестоимости
и материалоемкости производства, унификации, рационального вы-
бора материалов и производственного оборудования, технологиче-
ских операций, использования прогрессивных методов обработки
материалов и др.
Этапы разработки и производства входят в состав жизненного
цикла РЭС и представляют сложный многооперационный процесс,
в течение которого проводятся научно-исследовательская (НИР),
опытно-конструкторская (ОКР) и технологическая разработки буду-
щего изделия. Очень часто в этом процессе имеют место уточняю-
щие возвраты на предыдущие операции или этапы.
НИР предусматривает теоретическую оценку целесообразного
принципа действия устройства и вытекающие из этого его главные
технические характеристики (например, дальность действия, частот-
ный диапазон, точность отсчета, уровень энергопотребления и др.).
Результатом НИР является вариант схемотехнического решения,
способный реализовать выбранный принцип действия.
ОКР предполагает конкретизацию схемотехнического решения
с выбором компонентов (элементной базы), разработку конструкции
изделия с перечнем (номенклатурой) материалов элементов конст-
рукции. Результатом ОКР являются опытные образцы изделия, ус-
пешно выдержавшие предварительные испытания, и их конструк-
торско-технологическая документация (включая описания, чертежи,
инструкции).
Процессу производства изделия (единичного, мелкосерийного
или серийного) предшествует этап технологического освоения (под-
бор способов обработки материалов для достижения требуемых ха-
1. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств
7
рактеристик деталей и узлов, отладка режимов технологических
операций, наладка оборудования, разработка технологической осна-
стки и т.д.).
Разработчик РЭС должен понимать, свойствами каких компо-
нентов и материалов обусловлены значения важнейших технических
параметров изделия в период его функционирования при наличии
внешних воздействий.
Перечень требований к материалам и компонентам, включае-
мым в состав РЭС, зависит (иногда весьма сложно) от функцио-
нального назначения устройства (радиосвязь, телевидение, радио-
локация, управление, измерение, радионавигация и др.) и объекта
размещения:
наземные РЭС (стационарные, перевозимые, носимые);
корабельные РЭС (размещаемые в рубках, в трюмах, на палу-
бах, мачтах, на побережье);
самолетные РЭС (устанавливаемые на легких и тяжелых
самолетах);
космические РЭС (устанавливаемые внутри и снаружи косми-
ческих аппаратов).
Конструкция готовых к использованию РЭС в зависимости от
назначения и объекта установки включает, как правило, корпус, бло-
ки, ячейки, узлы, компоненты.
Приведенные примеры показывают, что реальные РЭС могут
состоять из одного или нескольких блоков, конструктивно объеди-
ненных в шкаф, стойку или общей платформой. Блок может содер-
жать несколько ячеек (узлов), включая конструктивные элементы
(несущий каркас, перегородки, детали крепления и пр.) и схемные
компоненты (интегральные микросхемы, полупроводниковые прибо-
ры, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформа-
торы и др.).
В конструкциях РЭС используются металлы (конструкционные
и электротехнические), диэлектрики (твердые, жидкие, газообраз-
ные), полупроводниковые материалы.
Каждый материал характеризуется совокупностью свойств, за-
висящих от его назначения в составе изделия, а именно - механиче-
скими, физическими, химическими и производственными, а также
связанными с основными свойствами.
Среди свойств имеются такие, которые присущи различаю-
щимся по структуре материалам. Назовем их общими физическими
свойствами. К ним можно отнести:
•	плотность - масса единицы объема материала;
•	прочность - свойство материала, не разрушаясь, восприни-
мать (в определенных условиях и пределах) внешние воздействия
(например, механические и электрические нагрузки, неравномерности
8
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
температуры, магнитные, электрические и др. поля, неравномерное
высыхание или набухание, неравномерное протекание физико-
химических процессов в различных частях материала детали и т.п.);
•	динамическая прочность - свойство материала восприни-
мать, не разрушаясь, динамические (быстро изменяющиеся) воздей-
ствия (например, механические, электрические, тепловые удары,
вибрация);
•	упругость - свойство материала восстанавливать форму и
объем изготовленной из него детали после прекращения действия
внешней силы;
•	пластичность - свойство материала под действием внеш-
ней силы изменять, не разрушаясь, форму и размеры изготовленной
из него детали и сохранять остаточные деформации после устране-
ния действия внешней силы;
•	удлинение - свойство пластичного материала увеличивать
длину изготовленной из него детали при растяжении;
•	диапазон рабочих температур - интервал температур, в
пределах которого свойства материала соответствуют предъявляе-
мым требованиям;
•	плавление (температура плавления) - переход материала из
твердой фазы в жидкую;
•	теплопроводность - свойство материала к переносу тепло-
вой энергии от более нагретой части своего объема к менее нагре-
той за счет теплового взаимодействия микрочастиц вещества;
•	твердость - сопротивление материала местной пластиче-
ской деформации при внедрении в него предмета из более твердого
материала;
•	тепловое расширение - свойство материала к изменению
размеров изготовленного из него тела в процессе нагревания;
•	внутренние механические напряжения - механические си-
лы, возникающие в объеме и на поверхности изготовленной из дан-
ного материала детали под влиянием внешних воздействий в про-
цессе производства или эксплуатации;
•	температурные напряжения - механические напряжения,
возникающие в детали вследствие неравномерного распределения
температуры в различных ее частях или ограничения возмож-ности
теплового расширения детали;
•	усадка - свойство материала уменьшать свой объем при пе-
реходе из жидкого в твердое состояние (приводит к появлению у де-
талей усадочных раковин и пористости);
•	эластичность - свойство материала воспринимать значи-
тельные упругие деформации без разрушения;
•	хрупкость - свойство материала разрушаться при механи-
ческих воздействиях без заметной пластической деформации;
1. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств	9
•	усталость - свойство материала в результате многократно-
го деформирования достигать состояния прогрессирующего разру-
шения;
•	старение - необратимое изменение строения и свойств ма-
териала в результате естественных процессов или искусственно соз-
данных условий;
•	разрушение материала - структурное нарушение его спло-
шности в результате внешних воздействий, развивающееся одно-
временно с упругой и пластической деформациями и приводящее
сначала к образованию трещин и пор, а затем к полному разруше-
нию (разделению на части);
•	износостойкость - свойство материала сопротивляться из-
менению размеров, формы, массы или состояния изготовленной де-
тали под влиянием внешних воздействий.
Качество конструкционных металлов оценивается следу-
ющими дополнительными свойствами:
•	вязкость (внутреннее трение) - свойство жидкого или газооб-
разного вещества оказывать сопротивление перемещению одной его
части относительно другой; для твердых тел - свойство тел необра-
тимо поглощать энергию при их пластическом деформировании;
•	текучесть - величина, обратная вязкости;
•	обрабатываемость (резанием, давлением) - способность
вещества изменять геометрические размеры изготовленной из него
заготовки под действием операций механической обработки резани-
ем или давлением;
•	свариваемость - способность вещества образовывать свар-
ное соединение, свойства которого близки к свойствам основного
вещества;
•	литейность - способность вещества приобретать заданные
геометрические формы посредством плавления и последую-щего
охлаждения;
•	коррозионная стойкость - свойство вещества противосто-
ять разрушительному действию коррозии, измеряемое массой ве-
щества, превращенного в продукты коррозии в заданное время при
известной площади воздействия агрессивной среды.
Электротехнические металлы и сплавы отличаются разно-
образием свойств:
•	электропроводность - способность вещества проводить
электрический ток под действием электрического поля;
•	температурный коэффициент удельного сопротивления -
относительное изменение удельного сопротивления в интервале
температур;
•	контактная разность потенциалов - возникновение разно-
сти потенциалов при соприкосновении двух различных проводников.
10
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Диэлектрические материалы характеризуются специфиче-
скими свойствами: диэлектрическая рроницаемость, тангенс угла
диэлектрических потерь, старение и др.
Полупроводниковые материалы входят в состав компонентов
РЭС и характеризуются следующими свойствами: электропровод-
ность, диапазон рабочих температур и др.
Подробнее о свойствах материалов изложено в соответст-
вующих главах.
1.2. Строение материалов
Строение материла оказывает существенное влияние на его
свойства. Особенно заметно такое влияние в предельных для мате-
риала условиях эксплуатации.
Материал (вещество) - одна из форм существования объек-
тивной реальности и представляет собой скопление элементарных
частиц, обладающих массой. Все материалы являются соединения-
ми химических элементов, состоящих из определенных типов ато-
мов. Различные соединения отличаются друг от друга составом хи-
мических элементов, взаимным расположением атомов, а также об-
щим числом атомов в молекуле.
Все известные вещества состоят из атомов (размером около
1О"10 м), содержащих элементарные частицы - электроны, протоны
и нейтроны. Ядро атомов включает в себя определенное количест-
во протонов и нейтронов. Отрицательно заряженные электроны так
заполняют оболочки атомов, что положительный заряд ядра ком-
пенсируется. При потере электронов атом превращается в положи-
тельно заряженный ион. Некоторое количество атомов образуют
молекулу.
Молекулой называется наименьшая частица данного вещест-
ва, обладающая его химическими свойствами и состоящая из одина-
ковых (в простых веществах) или разных (в химических соединени-
ях) атомов, объединенных в одно целое химическими связями. На-
пример, инертный газ гелий Не имеет одноатомные молекулы, водо-
род Н и азот N - двухатомные, водяной пар Н2О и углекислый газ
СО2 - трехатомные и т.д.
В атомах химических элементов электроны размещаются на
энергетических уровнях (обозначаются цифрами от 1 до 7) и поду-
ровнях (обозначаются условно следующими буквами латинского
алфавита s, р, d, f, g, h) оболочек.
Устойчивое состояние электрона в атоме связано с мини-
мальным значением его энергии. Порядок заполнения электронных
оболочек определяется электронной конфигурацией атома. Элек-
троны последовательно заполняют (рис. 1.1) энергетические уров-
ни и подуровни (от низших к высшим), а число электронов каждого
1. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств 11
Г 32
электрона
’ 18
электронов
' 18
электронов
8
электронов
8
электронов
электрона
Рис. 1.1. Схема последовательного заполнения электронами
энергетических уровней в сложном атоме
подуровня условно указывают индексами у соответствующего бук-
венного символа1. Например,
алюминий AI (ат. номер 13) 1s2 * * *2s22p63s23p1;
кремний Si (ат. номер 14)1 s22s22p63s23p2;
медь Си (ат. номер 29) 1 s22s22p63s23p63d104s1.
Электронные формулы атомов соответствуют минимальным
значениям их энергии, т.е. характеризуют их нормальное состояние.
При воздействии внешней энергии возможен переход электронов на
более высокие уровни или внутри уровня на другие подуровни. Если
в атоме при незаполненном низшем подуровне имеются электроны
на более высоком подуровне, то такое состояние атома является
возбужденным.
Необходимо учесть, что, начиная с четвертого энергетического
уровня, порядок заполнения оболочек изменяется: электроны с мень-
шим значением орбитального числа L, но большим главным квантовым
1 Заполнение орбит (орбиталей) происходит по правилу Клечковского: с рос-
том атомного номера электроны располагаются последовательно по орбиталям, ха-
рактеризующимся возрастанием главного и орбитального квантовых чисел. Главное
квантовое число N - номер энергетического уровня (1-7); орбитальное квантовое
число L - номер энергетического подуровня (от 0 до N-L).
12
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
числом N, связаны прочнее, чем электроны с большим L, но меньшим
N. Так электроны подуровня 4s связаны с атомом прочнее, чем элек-
троны подуровня 3d. На рис. 1.1 числа, стоящие около фигурных ско-
бок, соответствуют количеству электронов в полностью заполненной
оболочке (это номер химического элемента в периодической системе).
При квантовых переходах электронов с более высокого уровня
на более низкий атом отдает энергию, а при обратном переходе -
поглощает ее. Возбужденное состояние атома возникает, например,
при столкновении с быстро движущимся электроном (возбуждение
электронным ударом). Свободный атом в основном состоянии может
существовать неограниченно долго, а в возбужденном состоянии -
интервал, называемый «временем жизни».
Между атомами химических элементов существуют отличия
и сходства в свойствах, которые позволяют группировать их в есте-
ственные семейства.
Д.И. Менделеев, исследуя свойства химических элементов,
расположенных в ряд по возрастанию их атомной массы, установил,
что сходные в химическом отношении элементы встречаются через
определенные промежутки и, следовательно, одни и те же свойства
периодически повторяются. Впоследствии установили, что порядко-
вый номер химического элемента в периодической системе числен-
но совпадает со значением положительного заряда ядра атомов, т.е.
с числом электронов в этих атомах. Атомная масса оказалась свя-
занной с порядковым номером.
Д.И. Менделеев составил периодическую систему, в которой
весь ряд химических элементов разделен на отдельные отрезки,
внутри которых начинается и заканчивается периодическое измене-
ние свойств, а сами отрезки расположены один под другим. Перио-
дическая система имеет семь горизонтальных периодов и восемь
вертикальных групп.
Максимальная валентность химических элементов явилась
основанием расположения их в соответствующую по номеру группу.
Номер периода совпадает с числом электронных уровней в оболоч-
ке атома.
Валентность химического элемента - способность его атомов
соединяться с атомами другого элемента в определенном соотно-
шении. Валентность определяют возможностью присоединения того
или иного числа атомов водорода. Валентность элемента проявля-
ется только в соединениях.
Относительно устойчивым агрегатом атомов является моле-
кула, в которой атомы удерживаются силами химической связи
(взаимодействием электрических полей электронов и ядер атомов).
В большинстве веществ межмолекулярное взаимодействие харак-
теризуется ковалентными и ионными связями и их разновидностями.
7. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств	13
Внутри молекулы химическая связь возникает за счет общей
пары электронов (ковалентная связь), в которую каждый атом отда-
ет по одному электрону. Ковалентная связь присуща не только мо-
лекулам газов, жидкостей, но и атомам, образующим кристалличе-
скую решетку твердых тел (например, кремния Si и германия Ge).
Межмолекулярные связи таких веществ определяются свойствами
электронных оболочек входящих в эти молекулы атомов.
Ионная межмолекулярная связь обусловлена притяжением
положительных и отрицательных ионов. Эта связь при плотной упа-
ковке атомов и молекул приводит к образованию механически проч-
ных и тугоплавких веществ.
Металлическая связь также приводит к образованию твердых
кристаллических тел, в узлах решетки которых расположены поло-
жительно заряженные ионы, окруженные свободными электронами.
Они придают металлическому веществу высокую электропровод-
ность, теплопроводность и металлический блеск.
Связь Ван-дер-Ваальса возникает между молекулами с кова-
лентными внутренними связями за счет их взаимного притяжения
при согласованном движении валентных электронов в соседствую-
щих молекулах (рис. 1.2). Силы притяжения валентных электронов
положительными ионами оказы-
ваются сильнее взаимного от-
талкивания, поскольку при син-
фазном движении электроны
максимально взаимно удалены
и максимально приближены к
положительным зарядам моле-
кул. Уровень этих связей невелик
и кристаллическая решетка тако-
го вещества непрочна (например,
парафин, имеющий низкую тем-
Г®) *4®)
Молекула №1 Молекула №2
Рис. 1.2. Взаимодействие молекул
при согласованном движении
их валентных электронов
пературу плавления).
Известно, что любая молекула обладает меньшим запасом
энергии, чем совокупность входящих в ее состав атомов. При объе-
динении атомов в молекулу выделяется энергия, количество которой
равно затратам энергии при разложении молекулы на составляющие
атомы (это и есть энергия химической связи).
Химические элементы проявляют свои свойства при взаимо-
действии, которое сопровождается частичной перестройкой элек-
тронных оболочек атомов - переходом или оттягиванием электронов
от одних атомов к другим. Некоторые химические элементы способ-
ны при затрате внешней энергии к потере электронов, что соответ-
ствует их восстановительной способности, т.е. способности превра-
щать положительно заряженные ионы в нейтральные атомы. Атомы
14
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
других элементов сильнее проявляют стремление к присоединению
электронов, что соответствует их окислительной способности.
Число электронов, оттянутых в химическом соединении от
данного атома, называют положительным окислительным числом.
Число электронов, притянутых данным атомом, называют отрица-
тельным окислительным числом. С помощью показателя окисли-
тельной способности химических элементов оценивают совмести-
мые и несовместимые пары контактирующих материалов.
В окислительно-восстановительных реакциях происходит оття-
гивание электронов от одних атомов (окисление) и притягивание
электронов к другим атомам (восстановление). Например, при про-
мышленном получении меди проводится реакция восстановления
меди из ее окиси с помощью водорода:
CuO + Н 2 = Си + Н О.
В электронной форме:
Си+2 + 2е = Си0 (восстановление меди);
Н°2 - 2е = 2Н+1 (окисление водорода).
Вещества, атомы которых в процессе химической реакции при-
соединяют электроны других атомов, являются окислителями, т.е.
атомы, входящие в состав окислителей, восстанавливаются. На-
пример, металлический алюминий является восстановителем в хи-
мической реакции восстановления железа из оксида железа Fe2O3:
2 Al° + Fe+32 О'2 3 = 2 Fe° + А1+3 2 О'2 3.
Атомы алюминия отдают по три электрона атомам железа,
имеющим в составе оксида окислительное число +3:
AI0 - Зе = АГ3 (окисление алюминия);
Fe+3 + Зе = Fe° (восстановление железа).
Материалы РЭС являются обычно веществами в твердой фа-
зе. Частицы твердого тела весьма прочно связаны между собой. Как
следствие, их движение (колебание) сильно ограничено по сравне-
нию с жидкостями, и, тем более, с газами. Частицы не могут свобод-
но перемещаться, а лишь совершают небольшие по амплитуде от-
клонения относительно некоторых положений, в которых силы взаи-
модействия между соседними частицами уравновешены.
Взаимное расположение частиц кристаллического твердого
вещества может быть различным. Наибольшую упорядоченность
имеют кристаллические твердые вещества (рис. 1.3). В процессе
кристаллизации твердого вещества из растворов образуется специ-
фическая форма с плоскими гранями. Свойства кристаллов (меха-
нические, тепловые, электрические, оптические) анизотропны, т.е.
зависят от направляющих углов по отношению к граням. Частицы
I. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств 15
вещества (молекулы, атомы, ионы) располагаются в узлах, образуя
кристаллическую решетку.
Рис. 1.3. Кристаллическая решетка (КР) металлов:
а - кубическая объемно центрированная (ОЦКР); б - кубическая гране-
центрированная (ГЦКР); в - плотная гексагональная упаковка (ПГУ)
Атомная решетка характерна для материалов, содержащим
углерод, кремний, германий. Атомные кристаллы отличаются повы-
шенной температурой плавления и твердостью. Органические мате-
риалы являются преимущественно молекулярными.
Реально существующие кристаллы отличаются от идеальных
тем, что содержат в объеме вещества некоторое количество блоков
правильных кристаллических решеток, но развернутых относительно
других блоков на пространственный угол. Такое явление вызывается
несколькими причинами, главные из которых - неравномерность про-
цесса кристаллизации по объему вещества, наличие примесей.
Вследствие неравномерности решетки возникают дефекты структуры
кристаллов (дислокации). Иногда дефекты состоят в смещении узло-
вых частиц решетки в пространство между узлами (междоузлия). То-
гда некоторые узлы остаются незаполненными (возникают вакансии),
что может быть причиной внедрения инородных частиц. Дислокации
сильно изменяют свойства кристаллических материалов.
Дефекты в кристаллах могут быть точечными, линейными
и поверхностными. Точечные дефекты возникают при изменении
температуры вследствие замещения в узлах решетки атомами по-
стороннего вещества (примесей) атомов основного вещества (этот
тип дефектов существует практически всегда). Линейные дефекты
(дислокации) характеризуются нарушением периодичности решетки
(рис. 1.4) за счет смещения большого числа атомов из нормальных
узлов в некоторые промежуточные положения.
Дислокации могут образовываться самопроизвольно в процессе
выращивания кристаллов вследствие их неравномерной скорости ох-
лаждения. Под действием механической силы дислокации переме-
щаются, взаимодействуя между собой, аннигилируя или углубляясь.
Поверхностные дефекты характеризуют наличие в кристалле
границ зерен (кристаллитов) и искажения внешних поверхностей
кристаллов при механической обработке.
16
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 1.4. Схемы возникновения краевой и винтовой дислокаций
Точечные дефекты существенно влияют на электрофизиче-
ские и физико-химические свойства материалов. Механические
свойства определяются, в основном, линейными и поверхностными
дефектами и способностью их к перемещению. На рис. 1.5 схема-
тично изображено перемещение дислокации под действием силы Р
при пластической деформации материала металлической детали.
Рис. 1.5. Перемещение дислокации при пластической деформации
Если дислокации не параллельны (существуют в разных про-
странственных направлениях), то при воздействии деформирующей
силы они взаимно препятствуют перемещению, и материал приоб-
ретает дополнительную механическую прочность. Практически этот
эффект достигается созданием наклепа (методом ковки), термиче-
ской обработкой (закаливанием) и легированием (внедрением в ре-
шетку атомов специально подобранного металла).
Большинство свойств атома простого вещества определяется
его электронным строением и характеристиками внешних оболочек,
в которых электроны связаны относительно слабо (энергия связи
оценивается в 1...10 эВ). Электроны внутренних оболочек имеют
связи порядка 1О2...1О4эВ.
В простом веществе при слабых взаимодействиях двух атомов
проявляется взаимная поляризация - смещение электронов относи-
тельно ядер, которая обусловливает возникновение важных с практи-
ческой точки зрения электрических свойств вещества. При частичном
заполнении внешних оболочек проявляются магнитные свойства.
1. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств 17
Согласно зонной теории
твердых тел, энергетический
спектр электронов состоит из
чередующихся зон разрешенных
и запрещенных энергий (рис.
1.6), что ведет к появлению спе-
цифических свойств и явлений
в кристалле, например, различ-
ного характера электропровод-
ности твердых тел.
В кристалле каждый дис-
кретный энергетический уровень
атома превращается в полосу,
состоящую из N уровней и яв-
ляющейся разрешенной зоной.
Рис. 1.6. Соотношение полностью
заполненных (1), запрещенных (2)
и свободных (3) зон при температуре
абсолютного нуля для: проводников
(а), полупроводников (6)
и диэлектриков (в)
Если атом содержит Z электронов, то полное число электро-
нов в кристалле составляет NZ и они занимают нижние уровни раз-
решенных зон до тех пор, пока уровни не будут заполнены.
Свойства кристаллов, в основном, определяются верхними
зонами, еще содержащими электроны. Энергетический интервал Ед
между минимумом энергии (дном) самой верхней зоны, еще содер-
жащей электроны, и максимумом энергии (потолком) предыдущей
целиком заполненной зоны, носит название запрещенной зоны. Ни-
же по энергии этой зоны могут находиться и некоторые другие раз-
решенные и запрещенные зоны.
Энергетические диаграммы лежат в основе разделения всех
материалов на проводниковые, полупроводниковые и диэлектриче-
ские (рис. 1.6). Если при температуре абсолютного нуля все зоны,
содержащие электроны, заполнены ими целиком, а следующая пустая
разрешенная зона отделена от данной достаточно широкой запре-
щенной зоной, то кристалл относится к диэлектрическому материалу
(например, у алмаза Ед = 5 эВ). Энергетическая ширина Ед < 3 эВ со-
ответствует полупроводниковому материалу. Если верхняя разре-
шенная зона кристалла заполнена электронами лишь частично, то
такое твердое вещество относится к металлам.
Внешние воздействия на вещество (например, повышение
температуры, облучение светом, воздействие сильным электриче-
ским полем и т.п.) могут вызвать активацию электронов, их переброс
через запрещенную зону и появление свободных носителей заряда
(электронного или дырочного типов), обеспечивающих веществу
электрическую проводимость.
Следовательно, молекулы содержат в своем составе опреде-
ленным образом расположенные носители зарядов. Те молекулы,
у которых центры одинаковых по величине положительных и отри-
18
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
цательных зарядов совпадают, являются неполярными (нейтраль-
ными). При отсутствии такого совпадения, т.е. когда эти центры на-
ходятся на некотором расстоянии друг от друга, молекула приобре-
тает зарядовую асимметрию и называется полярной (дипольной).
Асимметрия характеризуется дипольным моментом, численно рав-
ным произведению заряда и расстояния между центрами зарядов.
Внутри кристаллов из-за отсутствия компенсации полей, соз-
даваемых положительными и отрицательными зарядами на коротких
межатомных расстояниях, возникает внутрикристаллическое поле.
Это поле чаще всего представляют приближением, состоящим в за-
мене точечных зарядов и диполей (ионов и молекул с дипольным
моментом) точечными зарядами и электрическими диполями, нахо-
дящимися в узлах кристаллической решетки.
* ★ *
Результаты многочисленных теоретических и эксперимен-
тальных физико-химических исследований строения веществ и их
особенностей позволяют достаточно обоснованно объяснить воз--
никновение множества факторов, оказывающих определяющее
влияние на технические свойства материалов РЭС каждого типа,
которые относят, соответственно, к проводниковым (гл. 2), диэлек-
трическим (гл. 3), магнитным (гл. 4) и полупроводниковым (гл. 5)
материалам.
1.3. Общие сведения о процессах создания материалов
Практически все материалы, применяемые в электронике, по-
лучают путем химических превращений молекул или кристаллов
веществ, их расчленения, новых соединений и перегруппировки
входящих в их состав атомов. Так получают молекулы или
кристаллы новых веществ. Природных и создаваемых искусственно
химических соединений в настоящее время насчитывается около
семи миллионов, а число известных химических элементов 107.
Интересно отметить, что молекулы подавляющего большинства
известных ныне материалов содержат атомы углерода (не содержат
углерод всего около трех тысяч соединений из нескольких миллио-
нов). Как известно, химические реакции записывают в виде уравне-
ний, которые символизируют закон сохранения массы отдельных
элементов. В замкнутых химических системах при всех процессах
сохраняется не только масса, но и энергия. Таким образом, уравне-
ние химической реакции отражает закон сохранения энергии.
В процессе химической реакции энергия либо выделяется (эк-
зотермическая реакция), либо поглощается (эндотермическая ре-
акция), т.е. является продуктом превращений некоторой части ранее
скрытой в веществе энергии. Затраченная в ходе реакции энергия
1. Назначение, строение и свойства материалов радиоэлектронных средств	19
превращается в некоторую часть энергии, скрытую теперь в полу-
ченном химическом продукте (пример - сгорание вещества и выде-
ление тепловой энергии).
Теплота образования химического соединения, называемая
энтальпией, характеризует энергетический эффект образования
вещества, зависящий от температуры реагентов и давления в объе -
ме реактора. Следовательно, энтальпия численно отражает запас
внутренней энергии полученного вещества.
При создании электрорадиоматериалов в качестве исходных
используют вещества, которые могут находиться в газообразной,
жидкой или твердой фазе. Переход вещества из одного агрегатного
состояния в другое сопровождается тепловыми эффектами. Значи-
тельным тепловым эффектом обладают те состояния вещества,
у которых энтальпия максимальна. Наибольшим запасом внутренней
энергии обладают вещества в газообразной фазе. Наименьшей -
в твердом состоянии. Поэтому сжижение газов и кристаллизация
вещества в жидких растворах являются экзотермическими процес-
сами, а плавление кристаллов - эндотермическим.
Совокупность взаимодействующих химических веществ, назы-
ваемая химической системой, считается изолированной (замкнутой),
если она не может обмениваться с другими системами ни вещест-
вом, ни энергией. В такой системе общий запас внутренней энергии
считается постоянным, а внутри системы могут протекать лишь та-
кие процессы, которые сопровождаются взаимным превращением
различных видов энергии в эквивалентных соотношениях. В резуль-
тате взаимодействия с окружающей средой (в виде поглощения или
выделения тепла или выполнения механической работы) внутренняя
энергия системы может измениться. Нагрев системы извне при по-
стоянстве ее объема вызывает рост внутренней энергии, характери-
зуемый повышением температуры, изменением агрегатного состоя-
ния и химическими превращениями. Изменение объема соответст-
вует совершению механической работы.
Часть внутренней энергии, которая затрачивается на совер-
шение работы, называют свободной энергией. Оставшаяся ее часть
- связанной, которая характеризует, например, агрегатное состоя-
ние системы. Чем выше упорядоченность частиц вещества, тем
меньше связанная энергия. У идеально правильных кристаллов при
температуре абсолютного нуля узловые частицы кристаллической
решетки неподвижны и связанная энергия отсутствует.
Мерой неупорядоченности или мерой неопределенности со-
стояния системы служит энтропия. Так, при плавлении кристаллов
энтропия растет. Особенно велик этот рост при переходе вещества
в газообразное состояние.
20
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Согласно законам термодинамики, в замкнутых химических
системах возможны только такие процессы, которые сопровожда-
ются ростом энтропии при неизменности внутренней энергии. Чем
больше энтропия, тем меньше свободная энергия, т.е. меньше по-
лезной работы может выполнить вещество.
Движущей силой химического процесса является стремление
веществ к достижению минимального уровня внутренней энергии и
такого агрегатного состояния, при котором неопределенность мак-
симальна. Таким образом, химический процесс сопровождается
снижением энтальпии, ростом энтропии и падением концентрации
реагирующих веществ.
При производстве материалов важную роль играет скорость
химических реакций, поскольку она определяет производительность
процесса. В однородной (гомогенной) системе для протекания реак-
ции химических веществ необходимо обеспечить столкновение мо-
лекул, при котором они попадают в сферу взаимного влияния элек-
трических полей, возбуждаемых заряженными частицами. При нали-
чии соответствующих условий (температуры, давления, концентра-
ции) в результате химической реакции, протекающей в доли секун-
ды, минуты, часы или годы, образуется продукт реакции и возникает
химическое равновесие, при котором концентрация каждого из ве-
ществ (исходного и результирующего) стабилизируется.
Скорость реакции может существенно возрасти, если в систе-
му ввести некоторые вещества, состав и количество которых к концу
реакции остаются неизменными. Такие вещества называют катали-
заторами. Одним из самых распространенных механизмов катали-
тического действия является образование катализатором промежу-
точных соединений с одним из реагирующих веществ. Например,
если реакция соединения исходных веществ А и В в виде
А + В = АВ
протекает медленно, а вещество А способно быстро реагировать
с веществом К
А + К = АК,
которое, в свою очередь, может вступить в реакцию с веществом В:
АК + В = АВ + К,
то, суммируя два последних уравнения, получают уравнение катали-
тической реакции. Катализатор К в результате всех последователь-
но происходящих процессов выходит из реакции в исходном виде и
количестве. Роль катализатора состоит в ускорении возникновения
момента химического равновесия (действие катализатора специ-
фично - каждый катализатор ускоряет только определенные реак-
ции и не ускоряет другие).
Химические вещества, входящие в гетерогенные системы, мо-
гут находиться в различных агрегатных состояниях. В них, как и в
1. Назначение, строение, и свойства материалов радиоэлектронных средств 21
гомогенных системах, возникает химическое равновесие концентра-
ций, а также фазовые равновесия.
Любое вещество в жидком или кристаллическом виде подвер-
гается испарению (переходит в газовую фазу). Этот эндотермиче-
ский переход происходит самопроизвольно и сопровождается рос-
том энтропии. С ростом концентрации газообразного вещества об-
разуются условия протекания обратного процесса - конденсации и,
в некоторый момент времени, достигается равновесие процессов.
При испарении кристаллических веществ изменение энтальпии
и энтропии более заметны, чем при испарении жидкостей.
К дисперсным относят химические системы, составные части
которых достаточно равномерно распределены между собой. В этом
смысле дисперсными могут быть не только гомогенные, но и гетеро-
генные системы, содержащие вещества, находящиеся в нескольких
фазах (многокомпонентные системы). Жидкие и твердые гомогенные
дисперсные системы носят название растворов.
Особую роль в электронике и электротехнике играют твердые
растворы - основа всех важнейших технических металлических
сплавов (электротехнических, конструкционных, специальных).
В подавляющем большинстве случаев металлы не вступают между
собой в химическое взаимодействие, но относительно полно раство-
ряются в расплавленном состоянии (за некоторым исключением).
Затвердевший металлический раствор называют сплавом1. Свойст-
ва сплавов получаются различными в зависимости от строения
и свойств составляющих металлов.
К твердым растворам относятся однородные кристаллические
вещества, состоящие из двух и более компонентов, которые сохра-
няют однородность при изменении соотношения между ком-
понентами в определенном интервале их концентраций. Твердые
растворы с любым содержанием составляющих веществ возникают
при близких параметрах кристаллических решеток. Иначе в резуль-
тирующем твердом теле образуется неоднородный конгломерат
двух твердых фаз. Одна из них является насыщенным твердым рас-
твором первого вещества во втором, а другая - насыщенным твер-
дым раствором второго вещества в первом.
Различают твердые растворы замещения (атомы одного ме-
талла размещаются в узлах кристаллической решетки другого)
и внедрения (атомы неметалла располагаются в междоузлиях кри-
сталлической решетки металла). Твердые растворы металлов обла-
Сплавы могут быть также получены спеканием (взаимной диффузией по-
рошкообразных металлов при высоких температуре и давлении), электролизом (из
жидкой смеси электролитов под действием постоянного электрического тока на като-
де осаждаются одновременно два и более металлов) и возгонкой (конденсация паров
металлов со взаимной диффузией).
22
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
дают повышенными электрическим сопротивлением (с низким тем-
пературным коэффициентом), твердостью и прочностью.
В технологическом процессе изготовления материалов РЭС
исходные вещества, находящиеся в виде твердых растворов, могут
претерпевать изменения, называемые фазовыми превращениями -
переходами твердого раствора, например, из твердой фазы в жид-
кую и обратно.
Фазовые превращения происходят при испарении, кипении,
конденсации, кристаллизации, плавлении и других процессах. Если
термодинамические параметры вещества (плотность, внутренняя
энергия, энтальпия, энтропия) изменяются скачком, то фазовый пе-
реход относят к превращению первого рода (для такого перехода,
например, изменения агрегатного состояния кристаллической ре-
шетки вещества необходимо подводить или отводить тепловую
энергию). Если термодинамические характеристики изменяются не-
прерывно, то этот переход относят к фазовому превращению второ-
го рода (например, превращение ферромагнетика в парамагнетик)..
Вещества могут иметь сразу несколько фаз (так, при плавлении
вещества возникают жидкое и газообразное состояния), которые со-
храняются при фазовом равновесии системы, условием которого яв-
ляется постоянство значений температуры, давления и химического
потенциала системы. (Химическим потенциалом называют параметр
состояния вещества как термодинамической системы с переменным
числом составляющих частиц (компонентов). Так, для гомогенной
многокомпонентной системы химический потенциал относительно
некоторого компонента численно равен приращению соответствую-
щей фазы (термодинамического потенциала) системы при увеличе-
нии количества этого компонента на единицу при сохранении темпе-
ратуры, давления и количества остальных компонентов.)
Итак, основой процессов создания материалов является фи-
зико-химическое взаимодействие исходных веществ, происходящее
в определенных сопутствующих условиях.
Контрольные вопросы
1.	Перечислите виды материалов, используемых в конструкциях РЭС.
2.	Какова необходимость конструкторско-технологических и эксплуатаци-
онных требований, предъявляемых к материалам РЭС?
3.	Назовите основные физические свойства материалов, используемых
в составе РЭС.
4.	Каковы причины возникновения дефектов кристаллической решетки
материалов?
5.	В чем состоят особенности процесса создания материалов?
2.	МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ (ПРОВОДНИКОВЫЕ) МАТЕРИАЛЫ
В составе РЭС используется широкая номенклатура металли-
ческих материалов, которые предназначены для выполнения разно-
образных функций, например, передачи электрических сигналов,
экранирования источников электрических и магнитных помех, обес-
печения механической устойчивости корпуса и др.
Применяемые металлические материалы по своему строению
могут быть чистыми металлами, а также сплавами. К чистым метал-
лам, используемым в составе РЭС, относятся медь Си, алюминий AI,
серебро Ад и золото Au. Наибольшим разнообразием свойств обла-
дают многочисленные металлические сплавы (например, бронза,
латунь, дюралюминий и др.), представляющие собой твердые рас-
творы различных металлов и других веществ.
По назначению металлические материалы могут быть класси-
фицированы на две группы: проводниковые и конструкционные.
Проводниковые металлические материалы должны иметь высокую
электропроводность, достаточную механическую прочность, химиче-
скую стойкость к коррозии и пластичность (для изготовления тонких
проводов и фольги). Конструкционные металлические материалы
предназначены для изготовления элементов конструкций РЭС (кор-
пусов, шасси, стоек, шкафов и др.). Некоторые металлы и сплавы
могут использоваться одновременно как проводниковые и как конст-
рукционные металлические материалы.
Металлы - это вещества, обладающие в обычных условиях
характерными свойствами: высокими электро- и теплопроводностя-
ми, отрицательным температурным коэффициентом электрической
проводимости, способностью хорошо отражать электромагнитные
волны видимой и невидимой частей спектра (отсюда специфический
металлический блеск и непрозрачность), пластичностью, прочно-
стью и др.
В твердом состоянии металлы имеют кристаллическое строе-
ние, в котором не все электроны связаны со своими атомами и зна-
чительная часть электронов находится в зоне проводимости. Струк-
туру металлов можно образно представить себе в виде некоторого
остова из положительных ионов, погруженного в «электронное обла-
ко», которое компенсирует силы взаимного электростатического от-
талкивания положительных ионов и тем связывает все элементы
структуры в твердое тело.
К типичным металлам, применяемым в составе РЭС, относят-
ся медь Си, золото Аи, серебро Ад, железо Fe. Металлические спла-
вы по своим свойствам имеют много общего с чистыми металлами.
24
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Большинство металлов кристаллизуется в объемно-центрированной
и гранецентрированной решетке, а также в виде плотной гексаго-
нальной упаковки, что соответствует наиболее компактному распо-
ложению атомов1.
2.1.	Электрические свойства металлических материалов
Проводниковыми материалами в подавляющем большинстве
случаев являются металлы и сплавы, возможности которых опреде-
ляются их электрическими характеристиками.
Среди металлических проводниковых материалов следует
выделить наиболее многочисленную группу металлов высокой про-
водимости, обладающих удельным сопротивлением р не более
0,05 мкОм-м, и сплавы высокого сопротивления, с удельным сопро-
тивлением р не менее 0,3 мкОм-м. В табл. 2.1 представлены значе-
ния удельного сопротивления р и температурного коэффициента
ТКр некоторых металлов.
Таблица 2.1. Электрические характеристики некоторых металлов
Металл	Ад	Си	Аи	AI	W	О	Ni	Fe	St	Pb
Р [мкОм-м]	0,016	0,017	0,024	0,028	0,055	0,057	0,073	0,10	0,12	0,21
ТКр [КГ’-К’1]	40	43	38	42	46	46	65	60	44	37
Металлы с малым удельным сопротивлением используются
при изготовлении проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток
трансформаторов и электрических двигателей, токопроводящих до-
рожек печатного монтажа и др. Сплавы высокого сопротивления ис-
пользуются при изготовлении резисторов, нагревательных элемен-
тов термостатов, нитей подогрева катодов электровакуумных прибо-
ров (например, кинескопов).
Электропроводность сплавов (твердого раствора) меньше,
чем у составляющих металлов. Например, сплав меди Си 60% и ни-
1 В зависимости от давления и температуры некоторые металлы могут суще-
ствовать в нескольких кристаллических модификациях (проявление свойства поли-
морфизма). Например, в нормальном состоянии белое олово St при тетрагональной
объемно-центрированной кристаллической решетке обладает пластичностью, хоро-
шей электро- и теплопроводностью, но при низких температурах перестраивается
к тетрагональной кристаллической решетке и превращается в хрупкий полупроводник,
называемый серым оловом («оловянная чума»).
2. Металлические (проводниковые) материалы
25
келя Ni 40% обладает проводимостью в 30 раз ниже Си и примерно
в 7 раз ниже Ni (при этом получается более высокая температурная
устойчивость электрического сопротивления).
Находясь в твердым или жидком (расплавленном) состояниях,
металлы и сплавы пропускают электрический ток, обусловленный
движением свободных электронов под действием электрического
поля (поэтому они получили название «проводников с электронной
проводимостью»).
В кристаллической решетке металлов и сплавов при повыше-
нии температуры концентрация электронов не изменяется. Однако
за счет рассеяния при взаимных столкновениях и тепловых колеба-
ний узлов решетки подвижность электронов падает, что ведет к сни-
жению электропроводности. В твердых растворах с искаженной ре-
шеткой рассеяние еще значительнее, что является причиной слабой
температурной зависимости электропроводности сплавов.
Величина удельного электрического сопротивления р (обрат-
ная величине удельной электрической проводимости у) проводника,
имеющего электрическое сопротивление R, длину / и фиксирован-
ную площадь поперечного сечения s, определяется соотношением:
р = у [Ом-м].
Согласно теории электропроводности, удельная проводимость
металлических проводников связана с зарядом е массой m элек-
трона, числом свободных электронов в единичном объеме провод-
ника п0, средней длиной свободного пробега X электрона до соуда-
рений с узлами решетки и другими электронами, средней скоростью
ът теплового перемещения свободного электрона в металле сле-
дующим образом:
е “п х
у =---— [Ом-м]"1 или [Сименс/м].
2mnT
Следует отметить, что при определенной температуре ско-
рость ът и концентрация п0 электронов у разных металлов и спла-
вов приблизительно одинаковы, поэтому у зависит, в основном, от
длины свободного пробега X. Чем регулярнее кристаллическая ре-
шетка металлического материала, тем выше проводимость.
При сплавлении металлов, как упоминалось в гл. 1, происхо-
дит искажение кристаллической решетки и рост удельного электри-
ческого сопротивления. Кроме того, наблюдается повышение темпе-
ратурной зависимости последнего.
26
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
2.2.	Теплопроводность металлических материалов
Теплопроводность, как известно, характеризуется коэффици-
ентом теплопроводности, значение которого у металлов существен-
но выше, чем, например, у диэлектриков. Это объясняется тем, что
перенос тепловой энергии в металле осуществляется свободными
электронами (как и электрический ток), число которых в единичном
объеме металла весьма велико. Следствием этого является законо-
мерность - чем выше электропроводность, тем выше теплопровод-
ность1 .
Теплопроводность металлов заметно зависит от чистоты по-
верхности и характера механической обработки детали (особенно
при низких температурах).
В процессе нагрева или охлаждения металлической детали
происходит изменение ее геометрических размеров, что особенно
важно при оценке температурного коэффициента электрического
сопротивления, а также при рассмотрении проблемы сопряжения
деталей из различных материалов (вследствие возникновения зна-
чительных внутренних механических напряжений, приводящих к
возможности растрескивания и деформации).
Температурный коэффициент линейного расширения метал-
лического образца длиной / измеряется в К"1 (т.е. обратно пропор-
ционален температурному изменению в один градус Кельвина или
Цельсия) и в общем случае оценивается отношением вида:
1 сИ
TKI = а =------.
( е dT
Для проволочного резистора температурный коэффициент его
электрического сопротивления определяется через температурные
коэффициенты соответственно удельного электрического сопротив-
ления ар и линейного расширения провода а(:
TKR = aR = ар -	.
Интересно отметить, что для проводов из чистых металлов
а, <<ар и линейным расширением можно пренебречь. Однако для
проводов из сплавов ар невелик и соизмерим с величиной а(.
1 В простейшем случае плотность теплового потока q пропорциональна гради-
енту температуры gradT: q = -k gradT, где X - коэффициент теплопроводности (или
просто «теплопроводность»), не зависящий от gradT. На теплопроводность оказывают
влияние агрегатное состояние вещества, его атомно-молекулярное строение и хими-
ческий состав, температура, давление.
2. Металлические (проводниковые) материалы
27
2.3.	Механические свойства металлических материалов
Основной характеристикой, определяющей механическую
прочность деталей из металлических материалов, является разру-
шающее механическое напряжение при растяжении и сжатии.
При возможном растяжении проводников необходимо учитывать
его разрушающее напряжение <ур при одновременном удлинении
вследствие свойства пластичности (коэффициент пластичности ер).
Пластическая деформация проводника увеличивает его удельное
электрическое сопротивление, что особенно заметно в технологиче-
ском процессе изготовления проводов волочением или прокаткой.
Отжиг металла (выдержкой в течение некоторого интервала времени
при определенной температуре без доступа воздуха) ведет к рекри-
сталлизации металла и возвращению к исходной величине удельно-
го сопротивления. Однако отжиг снижает предел прочности при рас-
тяжении и увеличивает линейное расширение металлов.
Особую роль отводят механическим характеристикам конст-
рукционных металлических материалов (см. гл. 6).
2.4.	Краткая характеристика металлов и сплавов РЭС
Из металлов для проводников с высокой проводимостью глав-
ным образом используются: медь Си, алюминий AI, серебро Ад, зо-
лото Au, а из сплавов - бронза, латунь, ковар.
МЕДЬ
Медь Си - главный из металлических материалов РЭС, обла-
дающий высокой электропроводностью, механической прочностью
и значительной пластичностью. Чистая медь имеет красновато-
оранжевый цвет. Температура плавления 1083°С, коэффициент
линейного расширения 17-10"® 1/°С, плотность 8960 кг/м3.
Около 50% всей добываемой в мире меди используется
в электротехнической промышленности (включая РЭС), из которых
около 30% изготавливаются медные сплавы.
В природе медь изредка встречается в виде самородков, од-
нако промышленное производство осуществляется чаще всего не-
сколькими плавками и отжигом сульфидной руды (соединений меди
с серой) CuS и CuFeS2. Электротехническая медь подвергается
электролитической очистке и дальнейшей прокатке или протяжке
в изделия с необходимым поперечным сечением. Для производства
проволоки сначала медные болванки подвергают горячей прокатке
в прутки диаметром около 7 мм, а затем, после очистки поверхности
28
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
нагревавшихся прутков от окиси меди СиО, протягивают без подог-
рева сквозь фильеры в проволоку требуемого диаметра (вплоть до
0,02...0,03 мм).
Присутствие примесей более 0,05% и кислорода более 0,02%
снижают механические свойства меди. Полученная при холодной
протяжке твердотянутая медь (марки МТ) благодаря влиянию накле-
па1 имеет высокую прочность на растяжение, малое относительное
удлинение перед разрывом, твердость и упругость. После отжига
свойства меди изменяются - она становится мягкой (отожженная
медь марки ММ), пластичной, с большим удлинением перед разры-
вом, минимальным удельным электрическим сопротивлением.
Медь обладает удовлетворительной коррозионной стойко-
стью, поскольку даже в условиях высокой влажности воздуха она
окисляется гораздо медленнее, чем сплавы железа (интенсивное
окисление происходит только при температурах более 300...400°С).
Для изготовления медных проводов применяют сорта меди,
содержащие примеси не более 0,1%, а для производства фольги
печатных плат еще и бескислородную медь (кислорода не более
0,02%).
Основные сплавы меди - бронза, латунь, медноникелевые
сплавы.
Бронза является сплавом меди Си с оловом St (оловянная
бронза), алюминием AI (алюминиевая бронза), бериллием Be (бе-
риллиевая бронза) и др. (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Состав некоторых сплавов меди (бронза Б и латунь Л)
Марка	Содержание элементов сплава, %						
	Олово St	Фосфор р	Бериллий Be	Алюминий AI	Никель Ni	Медь Си	Цинк Zn
БрО10	10	—	—	-	—	Остальное	—
БрОФ	6...7	0,15	—	-	-	и	-
БрА7	—	—	-	6...8	-	и	-
БрБ2	—	—	2...2,2	-	0,2...0,5	и	-
Л62	-	-	—	—	-	60...63	40...37
Л80	-	-	-	-	-	79...81	21...19
1 Наклеп - изменение свойств и структуры металлического материала, вы-
званное пластической деформацией поверхностных слоев (кроме того, возрастают
внутренние механические напряжения и усталостная прочность). Наклеп возникает
при обработке металлических материалов резанием, при обкатке валками.
2. Металлические (проводниковые) материалы
29
Бронза является технологичным материалом, поскольку хо-
рошо механически обрабатывается и паяется. Поставляется бронза,
в основном, в виде полуфабрикатов будущих деталей (проволока,
лента, полоса, трубка, лист), из которых в дальнейшем изготавлива-
ют пружинящие контакты различного профиля и другие конструкци-
онные детали РЭС.
По электропроводности бронза уступает меди, но превосходит
ее по механической упругости, усталостной прочности, сопротивле-
нию истиранию, коррозионной стойкости, поэтому бронзу использу-
ют и как электропроводящий, и как конструкционный материал.
Сплав меди с цинком называется латунью. Она отличается вы-
сокой пластичностью, что делает ее наиболее подходящей для изго-
товления конструкционных деталей РЭС горячей и холодной прокат-
кой1, волочением2, штампованием3. Также как из бронзы, детали из ла-
туни могут выполнять электропроводящие и конструкционные функции.
АЛЮМИНИЙ
Алюминий AI - серебристо-белый металл, легкий, ковкий, с
низким удельным электрическим сопротивлением, устойчивый к кор-
розии. Температура плавления 660°С, коэффициент линейного рас-
ширения 24-10-6 1/°С, плотность 2699 кг/м3.
Среди металлов алюминий является самым распространен-
ным в природе (8,8% земной коры), а по масштабам использования
- вторым после железа. Содержится в минералах (бокситы, алюмо-
силикаты, алуниты, глиноземы и др.). Получают алюминий электро-
лизом раствора глинозема (содержащем А12О3) в расплавленном
криолите (Na3AIF6) при 950°С.
Алюминий химически активен, на воздухе покрывается прочной
газонепроницаемой окисной пленкой оксида А12О3 толщиной около
0,05 мкм, представляющим собой нерастворимые в воде кристаллы с
температурой плавления 2050°С и предохраняющим внутренние слои
металла от дальнейшего окисления. Окисная пленка обладает значи-
тельным электрическим сопротивлением. По этой причине при отсут-
ствии защиты от доступа влажного воздуха возможно нарушение
электрического контакта между механически закрепленными алюми-
Прокатка - обработка металлических материалов давлением путем обжатия
между вращающимися валками прокатного стана для уменьшения сечения прокаты-
ваемого слитка и придания ему заданного профиля.
2 Волочение - обработка металлических материалов давлением путем протя-
гивания (обычно в холодном состоянии) изделий круглого и фасонного профилей
через отверстие (фильеру), площадь выходного сечения которого меньше исходного.
При волочении поперечные размеры изделий уменьшаются, а длина возрастает.
3 Штампование - процесс обработки металлических материалов давлением
путем пластической деформации заготовки (в штампах) без снятия стружки с высоки-
ми точностью и производительностью оборудования.
30
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ниевыми проводниками. При увлажнении мест механических соеди-
нений проводников из алюминия и других металлов образуются галь-
ванические пары, последствиями которых, как правило, будет разру-
шение алюминия.
Электрическое сопротивление и хрупкость алюминия заметно
увеличиваются, а антикоррозионная способность падает при нали-
чии даже небольших примесей марганца Мп, меди Си и железа Fe
из-за искажения кристаллической решетки AI.
Алюминий повышенной чистоты (примесей менее
0,001...0,05%) используется для изготовления электродов электро-
литических конденсаторов, алюминиевой фольги для других видов
конденсаторов. Алюминиевая проволока (мягкая, полутвердая и
твердая) производится из алюминия средней чистоты (примесей
0,15...0,5%).
Сплавы алюминия являются типичным конструкционным ма-
териалом, среди которых различают деформируемые и литейные
сплавы.
Наиболее распространен деформируемый сплав под названи-
ем «дюралюминий» (сплав алюминия AI с марганцем Мп и магнием
Мд), из которого штамповкой производят фасонные профили для кор-
пусов блоков, каркасов шасси, стоек, рам путем сварки или механиче-
ского соединения крепежными изделиями (винтовыми или клепкой).
К литейным конструкционным сплавам алюминия относится
силумин (сплав алюминия с небольшими частями кремния Si, магния
Мд, марганца Мп, меди Си, титана Ti и других добавок). Силумин
обладает повышенными литейными качествами, коррозионной стой-
костью, свариваемостью. Из него льют корпуса механизмов РЭС,
стойки, лицевые панели блоков, плоские и объемные шасси и др.
СЕРЕБРО
Серебро Ад - белый, блестящий металл, не окисляется на
воздухе при +20°С. Температура плавления 961 °C, плотность
10500 кг/м3, коэффициент линейного расширения 19,3-10"6 1/°С.
Серебро обладает наибольшими электрической проводимо-
стью и теплопроводностью среди металлов, наивысшей отража-
тельной способностью и химической стойкостью1. Гальваническое
нанесение слоя серебра на изделия защищает их от коррозии и по-
вышает оптическую отражательную способность2. В природе сереб-
1 Химическая стойкость - способность вещества сохранять свои свойства
в химически агрессивной среде.
2 Гальванические покрытия - металлические пленки, которые наносят мето-
дом электролитического осаждения на поверхность металлического и неметалличе-
ского изделия. Основана на кристаллизации металлов из водных растворов их солей
при прохождении постоянного электрического тока.
2. Металлические (проводниковые) материалы 31
ро встречается как в виде самородков, так и в соединениях Ag2S,
AgCl. Однако получают серебро, в основном, попутно при добыче
других металлов (свинца РЬ и меди Си).
Серебряная проволока применяется при изготовлении контак-
тов, рассчитанных на минимальное переходное сопротивление и не-
большие токи. Пленку серебра наносят непосредственно (вжиганием
или испарением в вакууме) на диэлектрик в качестве электродов при
изготовлении конденсаторов (керамических, слюдяных и др.). Однако
при повышенной влажности и высоких температурах окружающей
среды серебро склонно к миграции внутрь диэлектрика, на поверх-
ность которого оно нанесено. Серебром выполняют защитные по-
крытия на медных жилах монтажных проводов РЭС, используемых
до температуры 250°С, а также внутренней поверхности металличе-
ских волноводов и резонаторов для получения высокой электропро-
водности. Кроме того, серебро входит в состав некоторых припоев,
используемых для пайки электрических монтажных соединений
РЭС.
Интенсивное окисление серебра на воздухе происходит при
температурах выше 200°С. В присутствии сероводорода H2S и при
контакте с серосодержащими изделиями (например, резиной) се-
ребро чернеет.
ЗОЛОТО
Золото Au - металл желтого цвета, совершенно не окисляю-
щийся на воздухе даже при высокой температуре. Температура
плавления 1063°С, плотность 1930 кг/м3, коэффициент линейного
расширения 14,2-10-6 1/°С.
Золото является хорошо электропроводящим металлом с вы-
сокой пластичностью, позволяющей изготавливать фольгу толщиной
до 5 мкм и монтажную проволоку микросхем диаметром до 10 мкм.
Золото применяют для пленочных токопроводящих дорожек
микросхем, стенок металлических волноводов и резонаторов СВЧ,
а также защитных покрытий изделий.
ЖЕЛЕЗО
Железо Fe - серебристо-белый металл, наиболее дешевый
и доступный конструкционный материал. В чистом виде практически
не используется по причине низкой прочности, но в соединениях
с другими веществами (называемых «сталь») механическая проч-
ность резко возрастает. На воздухе быстро окисляется, образуя на
поверхности коррозионный слой (ржавчину). Плотность 7874 кг/м3,
температура плавления 1539°С, температурный коэффициент ли-
нейного расширения 11,5-10’6 1/°С .
32
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
По распространению в природе железо занимает среди ме-
таллов второе место после алюминия. Получают железо из желез-
ных руд (магнитный железняк, титаномагнетит, гематит) в виде раз-
личных сплавов с углеродом С: чугун (выплавкой в доменных печах)
и стали (выплавкой в мартеновских, конвертерных и электропла-
вильных печах).
Способность железа Fe растворять углерод С и другие хими-
ческие элементы позволяет получать разнообразные по свойствам
чугун и сплавы.
Чугун - сплав железа Fe и углерода С (4...5%), марганца Мп
(до 1,5%), кремния Si (до 4,5%), серы S (до 0,08%), фосфора Р (до
1,8%) является первичным продуктом плавления в доменных печах.
Некоторая часть выплавляемого чугуна после легирования марган-
цем Мп, хромом Сг, никелем Ni и другими веществами используется
как литейный чугун (например, для отливки частей станины поворот-
ных антенн). Значительная часть чугуна предназначается для
переработки в сталь.
Сталь - сплав железа Fe с углеродом С (до 2%) и другими
химическими элементами, обладающий высокими технологическими
качествами (пластичностью, ковкостью, возможностью прокатки,
штамповки, волочения).
Стали подразделяются на углеродистые (углерод С до 2%,
марганец Мп до 1%, кремний Si до 0,4%) и легированные (помимо
перечисленных, хром Сг, никель Ni, молибден Мо, вольфрам W, ва-
надий Va, титан Ti и др.).
Углеродистая сталь марок Ст0-Ст7 применяется при произ-
водстве сортового и листового проката, стальные профили могут
быть горячекатаными и гнутыми.
К электропроводящим сплавам железа относится ковар -
сплав железа Fe с никелем Ni (29%) и кобальтом Со (18%). Облада-
ет низкими теплопроводностью и текучестью, высоким удельным
электрическим сопротивлением, хорошей адгезией к покрытиям
оловом St, медью Си, никелем Ni, серебром Ад, золотом Au, кадми-
ем Cd, свинцом РЬ и другими металлами, полученными гальваниче-
ским способом. Возможна электросварка деталей из ковара, стали
и никеля. Хорошо паяется. Относительно толстая окисная пленка
защищает ковар от коррозии. Плотность 8350 кг/м3, температура
плавления 1450°С, температурный коэффициент линейного расши-
рения 4...5-10-6 1/°С. Из ковара изготавливают детали корпусов по-
лупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также
фланцы, втулки, кольца, выводы, трубки, прокладки, держатели и др.
Важным видом сплавов железа являются нержавеющие стали
- хромоникелевая (хром Сг 18%, никель Ni 9%) и хромистая (хром Сг
13...27%). Они устойчивы к коррозии в воздушной среде, морской
2. Металлические (проводниковые) материалы	33
и речной воде, а также в некоторых агрессивных средах. Из хромо-
никелевой стали прокатывают ленту толщиной 0,1 ...1,2 мм для изго-
товления металлокерамических корпусов полупроводниковых при-
боров и интегральных схем в паре с медью и коваром. Паяют мед-
ными припоями, предварительно осаждая слой никеля Ni толщиной
20...25 мкм.
Проводниковый биметалл - металлический материал, со-
стоящий из двух прочно соединенных слоев разнородных металлов
или сплавов, создаваемый с целью получения нового материала,
обладающего сочетанием свойств исходных материалов. Для ра-
диотехнических целей используется стальная проволока, покрытая
снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом
прочно й непрерывно по всей длине (для получения такого биметал-
лического провода часто применяют электрохимическое осаждение
меди на стальную проволоку, пропускаемую через раствор медного
купороса).
Механическая прочность биметаллического провода выше,
чем меди, но электрическое сопротивление больше. На высоких час-
тотах в результате скин-эффекта1 * электропроводимость такого про-
вода можно считать равной меди. Биметаллическая проволока вы-
пускается наружным диаметром от 1 до 6 мм с содержанием меди
не менее 50%. Такую проволоку применяют для линий электросвязи,
радиотрансляции, для изготовления полотна антенн (например, типа
длинный луч, широкополосных коротковолновых диполей и др.).
ТИТАН
'Титан Ti - металл серебристо-белого цвета, относится к кон-
струкционным материалам и обладает прочностью, пластичностью,
высокой химической (коррозионной) стойкостью, способностью по-
глощать газы, особенно при повышенных температурах, вязкостью.
Вместе с тем, титан отличается низкими теплопроводностью и упру-
гостью. Плотность 4500 кг/м3 * *, температура плавления 1665°С, ко-
эффициент линейного расширения 11,3-10"6 1/°С.
Титан получают из руд (рутил, ильменит, лопарит). Обогащен-
ную руду спекают с коксом в присутствии хлора CI; газообразный тет-
рахлорид TiCI4 восстанавливают магнием Мд в атмосфере аргона Аг.
1 Скин-эффект (поверхностный эффект) - неравномерное распределение пе-
ременного электрического тока по сечению провода, когда плотность тока уменьша-
ется в направлении от поверхности проводника к его центральной части. Степень
неравномерности возрастает с увеличением частоты тока и электрической проводи-
мости металла. Приводит к увеличению электрического сопротивления переменному
току по сравнению с сопротивлением постоянному току.
2—2134
34
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Для элементов конструкции РЭС, в основном, используются
литейные сплавы титана (с алюминием AI, оловом St, марганцем Мп,
медью Си) с заливкой форм в среде инертных газов или вакууме для
изготовления деталей литых корпусов.
НИКЕЛЬ
Никель Ni - металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий, не
окисляющийся на воздухе. Плотность 8900 кг/м3, температура плав-
ления 1452°С, температурный коэффициент линейного расширения
15,5-10‘6 1/°С.
В природе встречается в составе минералов (истлантид и др.).
Обогащенная обжигом руда переводится в окись NiO, которую затем
восстанавливают в электродуговых печах. Никель используют глав-
ным образом в сплавах (с железом Fe, хромом Сг, медью Си и др.).
Для повышения прочности в никель вводят присадку марганца
Мп (2...5%). Полученный марганцовистый никель используется для
изготовления траверз сеток и анода мощных генераторных ламп
и кинескопов. Полоса никеля, покрытая слоем 8... 15 мкм алюминия
(алюминированный никель), при нагреве обладает высоким тепло-
вым излучением, что позволяет ее применять для изготовления на-
гревающихся до высоких температур анодов электровакуумных при-
боров.
ХРОМ
Хром Сг - твердый металл серебристо-стального цвета, кото-
рый на воздухе при нормальной температуре окисляется медленно.
Металл тугоплавкий, с высоким удельным электрическим сопротив-
лением 0,3 мкОм-м.
Плотность 7180 кг/м3, температура плавления 1903°С, темпе-
ратурный коэффициент линейного расширения 16-Ю"6 1/°С.
В природе содержится в минеральной руде хромит FeCr2O4
(хромистый железняк). Благодаря высокой адгезии к керамике, стек-
лам, ситаллу применяется при изготовлении полупроводниковых
приборов, интегральных микросхем, кинескопов. Кроме того, хром
используется в качестве подслоя в тонкопленочных интегральных
микросхемах (на подслой хрома Сг напыляют серебро Ад, золото Au,
медь Си и другие металлы, которые имеют слабую адгезию к ди-
электрическим подложкам микросхем). Применяются также тонкоп-
леночные резисторы, полученные напылением хрома Сг.
ВОЛЬФРАМ
Вольфрам W - металл светло-серого цвета, самый тугоплав-
кий, с высокой химической стойкостью, не окисляется на воздухе.
2. Металлические (проводниковые) материалы
35
Плотность 19 300 кг/м3, температура плавления 3410°С, тем-
пературный коэффициент линейного расширения 4,4-Ю"6 1/°С.
В природе содержится в минералах шеелита и вольфрамита.
Добывается гальваническим способом. Поскольку все еще не най-
ден материал для литейной формы, выдерживающий столь высокую
температуру плавления, детали из вольфрама изготавливаются ме-
тодами порошковой металлургии - спрессованный под большим
давлением вольфрамовый порошок спекается при высокой темпера-
туре в детали простой формы. Для придания пластичности вольф-
рам подвергают ковке при высокой температуре, а затем протягива-
ют проволоку, из которой можно делать даже фольгу. Вольфрам ис-
пользуется для изготовления игл точечных полупроводниковых дио-
дов, а в конструкции транзисторов - дисковых прокладок под кри-
сталл для компенсации механических напряжений, возникающих
в основании кристаллодержателя при перепадах температур.
ТАНТАЛ
Тантал Та - тугоплавкий металл серо-стального цвета, хими-
чески устойчив, хорошо механически обрабатывается и электросва-
ривается. Плотность 16 600 кг/м3, температура плавления 3000°С,
температурный коэффициент линейного расширения 6,5-Ю”6 1/°С.
Основным танталосодежащим минералом является танталит,
в котором тантал Та содержится совместно с ниобием Nb.
Из тантала изготавливают иглы точечных полупроводниковых
диодов, а также электрод танталовых электролитических конденса-
торов, имеющих значительную удельную емкость.
Электропроводящие металлы и сплавы с высоким удельным
сопротивлением предназначены, в основном, для изготовления ре-
зистивных элементов металлопленочных и проволочных резисторов,
а также резистивных элементов тонкопленочных и толстопленочных
интегральных микросхем.
МАНГАНИН
Манганин - сплав с высоким удельным электрическим сопро-
тивлением (0,47...0,52 мкОм-м), светло-оранжевого цвета, в котором
содержатся: медь Си (85...89%), никель Ni (2..3%), марганец Мп
(11...13%). Отличается неупорядоченной кристаллической решеткой.
Плотность 8400 кг/м3, температура плавления 960°С, температурный
коэффициент линейного расширения 18-10“* 1/°С.
Электрическое сопротивление сплава достаточно слабо зави-
сит от температуры (1...3-10-5 1/°С). Манганин характеризуется ма-
лой величиной термоЭДС с медью (0,9...1 мВ/°С в рабочем диапа-
зоне температур до 200°С).
36
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Из этого сплава вытягивается проволока диаметром 0,02...6 мм
и лента толщиной до 0,08 мм для проволочных резисторов повы-
шенного качества.
КОНСТАНТАН
Константан - сплав меди (более 50%), никеля (40%) и марган-
ца (1,5%) с высоким удельным электрическим сопротивлением
(0,45...0,48 мкОм-м), светло-серебристого цвета. Плотность 8900 кг/м3,
температура плавления 1260°С, температурный коэффициент ли-
нейного расширения 14-Ю”6 1/°С.
Электрическое сопротивление исключительно слабо зависит
от температуры (близко к 2-10-6 1/°С), однако в контакте с медью Си
дает значительную термоЭДС (40...45 мкВ/°С), что заставляет ис-
пользовать его преимущественно для изготовления термопар1.
Из сплава константан вытягивают проволоку диаметром
0,03...8 мм и прокатывают ленту толщиной до 0,1 мм.
СПЛАВ МЛТ
МЛТ - сплав серого цвета (состав: кремний Si 43%, хром Сг
18%, железо Fe 14%, вольфрам W 25%), предназначен для напыле-
ния резистивного слоя металлопленочных резисторов. Удельное
электрическое сопротивление 0,05 мкОм-м, температурный коэффи-
циент удельного сопротивления 5-10-51/°С.
КЕРМЕТ
Керметы - искусственные материалы, полученные спеканием
металлических (никель Ni, кобальт Со, хром Сг, железо Fe, вольфрам
W, молибден Мо, ниобий Nb, тантал Та и др.) и керамических порош-
ков (высокоогнеупорных окислов AI2O3, Cr2O3, ZrO2 и карбидов). Кер-
мет-50с используется для изготовления тонкопленочных резисторов
гибридных интегральных схем. Удельное поверхностное сопротивле-
ние 3... 10-103 Ом/квадрат, температурный коэффициент удельного
поверхностного сопротивления - от +3-1 О'4...до -5-10"4 1/°С.
2.5.	Совместимость металлических материалов
Соприкосновение поверхностей металлических материалов,
входящих в состав компонентов и узлов РЭС, вызывает появление
контактной разности потенциалов. Если два металлических тела
1 Термопара - датчик температуры, содержащий два электрически соединен-
ных между собой разнородных металлических проводников..
2. Металлические (проводниковые) материалы
37
привести в соприкосновение, то между ними происходит обмен элек-
тронами, приводящий к появлению заряда у каждого из них. Металл
с меньшей работой выхода электрона заряжается положительно,
с большей - отрицательно (до тех пор, пока не будет достигнуто рав-
новесие). Установившаяся разность потенциалов может достигать
нескольких вольт и зависит от строения металлов и состояния их по-
верхностей. Поэтому в ограниченных пределах разностью потенциа-
лов можно управлять (обработкой поверхности, покрытиями, адсорб-
цией), введением примесей и сплавлением с другими веществами.
В процессе эксплуатации РЭС на его компонентах и узлах, где
соприкасаются отличающиеся металлические материалы, происхо-
дит конденсация влаги, содержащей растворенные соли и газы (на-
пример, кислород воздуха, соли морской воды и др.), которые обра-
зуют электролит1.
Соприкосновение поверхностей двух разнородных металлов
в присутствии электролита приводит к возникновению электродных
процессов, протекающих в тонких поверхностных слоях на границе
электродов с электролитом, во время которых ионы или молекулы
приобретают электроны или отдают их электродам (процесс элек-
тролиза2).
Скорость электродных процессов зависит от электродного по-
тенциала - разности потенциалов гальванического электрода3 и
электролита. Обычно измеряют относительный электродный потен-
циал, который приравнивается разности электродного потенциала
металла электрода и стандартного электрода (чаще всего водород-
ного). В табл. 2.3 приведены стандартные (нормальные) потенциалы
некоторых металлов.
Таблица 2.3. Стандартные (нормальные) потенциалы некоторых
металлов
Ме- талл	Мд	AI	Zn	Сг	Fe	Cd	Со	Ni	St	Pb	н	Си	Ад	Аи
Ф [В]	-1,55	-1,30	-0,76	-0,56	-0,44	-0,40	-0,27	-0,25	-0,14	-0,13	0	0,34	0,80	1,50
1 Электролиты - химические вещества и химические системы, в которых
протекание электрического тока происходит за счет движения ионов и сопровождает-
ся электролизом.
2 Электролиз - химический процесс, происходящий в электролите при проте-
кании постоянного электрического тока, когда положительно заряженные ионы (ка-
тионы) движутся к катодному электроду, а отрицательно заряженные ионы (анионы)
притягиваются анодным электродом.
3 Гальванический электрод - металл, погруженный в электролит (ионный про-
водник) или соприкасающийся с ним.
38
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
При воздействии влаги на соприкасающиеся разнородные ме-
таллические материалы у металлов, имеющих отрицательный стан-
дартный потенциал, происходит растворение. В этом отношении
особенно неблагоприятны случаи образования значительных по ве-
личине контактных разностей потенциалов, например, медь Си -
железо Fe. Более отрицательный металл (Fe) растворяется, чему
еще способствует растворенный кислород воздуха. К неблагоприят-
ным парам относятся также алюминий AI и его сплавы в контакте
с углеродистой и нержавеющей сталями, никелем Ni, медью Си.
Для снижения неблагоприятных последствий применяют хи-
мическую прослойку между контактирующими металлами, изготов-
ленную из третьего металла. Если металл покрытия в данных усло-
виях имеет более отрицательный стандартный потенциал, чем по-
тенциал основного металла, то такое покрытие называют анодным.
Анодные покрытия являются наиболее надежными, поскольку за-
щищают покрываемый металл не только механически, но и электро-
химически (постепенно растворяясь).
Другим направлением защиты от разрушения является приме-
нение электроизоляционных материалов между контактирующими
разнородными металлами. Например, для алюминия AI и его спла-
вов использование прокладки из диэлектрического материала или
изоляции с помощью слоя окисла А12О3.
2.6.	Коррозия металлических материалов
Химическое или электрохимическое взаимодействие металли-
ческих материалов с внешней средой приводит к их разрушению.
Коррозию классифицируют по характеру привносимых разрушений
(сплошная, подповерхностная, межкристаллитная, избирательная),
по характеру взаимодействия материала со средой (химическая,
электрохимическая), по типу коррозионной среды (атмосферная,
газовая, жидкостная), по характеру дополнительных воздействий,
которым подвергается материал одновременно с коррозией (кон-
тактной коррозией, коррозией под электрическим током, при трении).
При коррозии металлические материалы теряют большинство
своих свойств вплоть до полного разрушения, вследствие необрати-
мых структурных превращений.
Наиболее распространена электрохимическая коррозия ме-
таллических материалов - поверхностное разрушение металла
в среде электролита под действием электрического тока (в атмо-
сфере, на почве, в воде и т.д.). Помимо химической реакции окисле-
ния, когда атомы металла отдают электроны атомам других ве-
ществ, происходит перенос электронов между катодными и анодны-
ми участками поверхности металла из-за образования элементар-
2. Металлические (проводниковые) материалы
39
ных гальванических элементов (вследствие ярко выраженной гете-
рогенности поверхности материала, вызванной неоднородностями
кристаллической решетки, неравномерностью распределения де-
формаций после термической и механической обработок, несовер-
шенством защитных покрытий).
Основными методами защиты от коррозии являются: выбор
коррозионностойких металлических материалов и применение эф-
фективных защитных покрытий - металлических (например, никели-
рование, лужение) или неметаллических (например, оксидирование
и лакокрасочные покрытия).
2.7.	Провода и кабели
В составе компонентов и узлов РЭС используются провода
различного назначения. Они состоят из одной или нескольких ме-
таллических проволок, служащих для передачи и распределения
электрической энергии питания, для передачи электрических сигна-
лов между компонентами, узлами и блоками, а также для изготовле-
ния обмоток трансформаторов, электродвигателей, сельсинов, из-
мерительных приборов и др. Подразделяются на провода неизоли-
рованные, провода обмоточные, провода монтажные, шнуры элек-
трические (гибкие изолированные провода для подсоединения РЭС
к электрической сети промышленной частоты или к бортсети под-
вижного объекта установки РЭС). Для осуществления электрических
соединений используются монтажные провода, а для изготовления
намоточных изделий применяются обмоточные провода. Для пере-
дачи электрических сигналов и команд управления применяются ка-
бели низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ), многожильные
круглые, многожильные ленточные, коаксиальные.
Обмоточные провода РЭС (в большинстве круглого сечения),
в основном, используются для изготовления обмоток НЧ, ВЧ и им-
пульсных трансформаторов и дросселей, а также обмоток катушек
индуктивности (с каркасом или бескаркасных).
Основным металлическим материалом для обмоточных прово-
дов служит медь, поверхность которой имеет изоляционное покрытие
(чаще всего, эмалевое). Толщина покрытия зависит от диаметра про-
вода: для тонких проводов (диаметром 0,02...0,04 мм) толщина изо-
ляции приблизительно 0,005 мм, для проводов диаметром 1...2.5 мм
толщина покрытия составляет приблизительно 0,04 мм.
Многовитковые обмотки трансформаторов, выполненные про-
водами с эмалевой изоляцией, должны пропитываться изоляцион-
ными пропиточными лаками, поскольку в тонком слое эмалевой изо-
ляции всегда имеется некоторое количество точечных повреждений
изоляции, вызванных технологическим несовершенством покрытия.
40
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Чем толще эмалированный провод, тем меньше точечных повреж-
дений.
Главными показателями качества эмалированных проводов
являются эластичность эмалевой изоляции, стойкость к тепловым
перепадам, сопротивление истиранию (при намотке), пробивное на-
пряжение скрученных проводов. Значения пробивных напряжений
некоторых типов эмалированных проводов при отличающемся числе
скруток приведены в табл. 2.4.
Для некоторых типов проволочных резисторов (постоянных,
переменных и подстроечных) применяются особо тонкие провода (их
называют «микропроводом») в стеклянной изоляции. Стеклянная
изоляция наносится непосредственно на вытягиваемый нагретый
проводник и имеет достаточную гибкость, хотя и меньшую, чем
эмаль.
В качестве металлического материала используют медь, ман-
ганин и другие сплавы в виде тонкой жилы диаметром 5...200 мкм.
В зависимости от диаметра провода (0,005...0,2 мм) толщина стек-
лянной изоляции колеблется от единиц мкм до 35 мкм при пробив-
ном напряжении 2000...4500 В.
Таблица 2.4 Значения пробивных напряжений некоторых типов
проводов в эмалевой изоляции
Диаметр, мм	Число скруток на длине 125 мм	Наименьшее пробивное напряжение изоляции двух скрученных проводов, В			
		ПЭВ-1	ПЭВ-2	ПЭВТЛ-1	ПЭТВ
0,05...0,11	40	350...500	450...700	350...500	650...800
0,12...0,25	33	500...900	700... 1200	500...900	900... 1600
0,27...0,35	23	800...900	1200...1250	800...900	1600
0,38...0,49	16	850... 1000	1250... 1350	850... 1000	1800
0,51...0,74	12	850... 1000	1350... 1500	850... 1000	2000
0,77... 1,04	8	1000... 1200	1500... 1800	1000... 1200	2200
1,08...1,50	6	1200... 1300	1800...2000	1200...1300	2400...2600
Для обеспечения достаточной эластичности и гибкости изоля-
ции микропровод диаметром более 12 мкм наматывают на основа-
ние резистора с подогревом до 400...600°С.
В составе РЭС требуются монтажные провода с изоляцией
и без нее для внутриблочных и межблочных соединений. Монтаж-
ные провода (одножильные и многожильные) изготавливают из мяг-
кой (отожженной) меди типа ММ. Многожильный монтажный провод
состоит из отдельных тонких проволочных жил, свитых между собой,
что придает такому проводу гибкость и возможность укладки его по
заданному маршруту и в виде плотного жгута. Площадь сечения то-
копроводящих жил от 0,05 до 6 мм2.
2. Металлические (проводниковые) материалы
41
Монтажные провода содержат тонкие медные жилы с попе-
речным сечением следующего ряда: 0,03; 0,05; 0,08; 0,12; 0,2; 0,35;
0,5; 0,75; 1; 1,5; 2,5 мм2, которые для технологичности монтажных
работ имеют лужение (ВЧ монтажные провода имеют серебряное
покрытие для снижения поверхностного сопротивления).
Монтажные провода с изоляцией изготавливают на низкие (до
1000 В) и высокие (более 1000 В) напряжения. В качестве изоляци-
онного материала низковольтных монтажных проводов используют
поливинилхлорид толщиной 0,2...0,6 мм, который негорюч и имеет
хорошую гибкость, водостойкость, возможность окраски. Вместе
с этим поливинилхлоридная изоляция имеет невысокую электриче-
скую прочность и сохраняет свои свойства в диапазоне температур
-45...+70°С. Для высоковольтных и высокочастотных монтажных
проводов более пригоден в качестве изолирующего материала по-
лиэтилен высокого давления (ВД), обладающий рабочим диапазо-
ном температур - 6О...+8О°С, однако он горюч.
Повышенной нагревостойкостью обладают монтажные прово-
да с изоляцией из фторопласта (тефлона) - до 200...250°С, при этом
изоляция негорюча, негигроскопична и не смачивается водой и дру-
гими жидкостями. Гибкость такой изоляции сохраняется до -80°С,
а для тонких слоев до -100°С.
Кабель - один или несколько изолированных проводников,
помещенных в герметичную оболочку, поверх которой, как правило,
располагают специальные защитные покрытия (оболочки). Оболочки
служат для защиты проводов кабеля от воздействия влаги, элек-
тромагнитных помех, механических повреждений. Как правило, ка-
бели обладают гибкостью с целью укладки по заданному маршруту.
Кабели для передачи электрических сигналов (в том числе сложной
формы) подразделяют на симметричные и коаксиальные, низкочас-
тотные (1 Гц... 100 кГц), высокочастотные (100 кГц...300 МГц), сверх-
высокочастотные (более 300 МГц), для внутриблочных и межблоч-
ных (иногда подземных или воздушных) соединений. Комбинирован-
ный кабель может включать несколько многожильных изолирован-
ных проводов и коаксиальных кабелей небольшого диаметра (на-
пример, кабель для соединения телевизионной камеры с источником
питания и телевизионной студией). Силовые кабели (воздушные,
подземные, подводные) предназначены для передачи электрической
энергии от первичных или вторичных источников энергии к потреби-
телю (например, от электрогенератора к фургонам аэродромной ра-
диолокационной станции кругового обзора). Для обеспечения высо-
кой механической прочности в состав кабеля такого типа может вхо-
дить несущий стальной трос.
42
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Контрольные вопросы
1.	С какой целью в составе РЭС используются металлические материалы?
2.	Какими показателями характеризуются электрические свойства метал-
лических материалов?
3.	Какими показателями характеризуются тепловые свойства металличе-
ских материалов?
4.	Какими показателями характеризуются механические свойства метал-
лических материалов?
5.	Чем определяется совместимость металлических материалов?
6.	Каковы причины возникновения коррозии металлических материалов?
7.	Каковы основные характеристики проводов и кабелей?
3.	ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ (ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ)
МАТЕРИАЛЫ
Электроизоляционными материалами (диэлектриками) назы-
вают вещества, слабо проводящие электрический ток. Они приме-
няются для электроизоляции, окружающей токоведущие детали
электрических устройств, т.е. для электрического отделения друг от
друга проводящих частей, находящихся под разными электрически-
ми потенциалами.
Часть электроизоляционных материалов используется в каче-
стве диэлектриков в конденсаторах, предназначенных для накопле-
ния электрической энергии и последующего возвращения ее в элек-
трическую цепь, в которую включен конденсатор. Такие электроизо-
ляционные материалы называют диэлектрическими.
Практически все диэлектрические материалы могут быть ис-
пользованы как электроизоляционные, но. не все электроизоляцион-
ные материалы (например, текстолит, гетинакс, стеклоткань и неко-
торые другие) целесообразно применять в качестве диэлектриков.
Непрерывное совершенствование технологии изготовления мате-
риалов расширяет номенклатуру диэлектриков, поэтому в литерату-
ре часто термины «электроизоляционный материал» и «диэлектри-
ческий материал» используются как синонимы.
По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы
могут быть газообразными (прежде всего воздух), жидкими (различ-
ные виды масел и кремнийорганических жидкостей) и твердыми (ор-
ганическими и неорганическими). В производстве РЭС жидкие элек-
троизоляционные материалы чаще всего применяют как твердею-
щие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкими
растворами, а в дальнейшем твердеют и превращаются в твердую
изоляцию (например, заливочные компаунды, покровные лаки, пен-
ные изоляционные уплотнители и др.).
По свойствам и технологии изготовления электроизоляцион-
ные материалы разделяют на органические и неорганические.
Органические изоляционные материалы - это разнообразные
соединения углерода с другими химическими элементами (водоро-
дом Н, кислородом О, азотом N, галогенами1 и пр.). Эти материалы
обладают высокими электротехническими и механическими свойст-
1 Галогены - группа неметаллических элементов (фтор F, хлор CI, бром Вг,
иод J) с высокой химической активностью, которые при химической реакции с мате-
риалами образуют соли, широко используемые в производстве.
44
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
вами, однако имеют относительно низкую нагревостойкость и склон-
ны к старению.
Неорганические изоляционные материалы (в числе которых
много минеральных) содержат кремний, кислород, алюминий и дру-
гие металлы. Технология их обработки относительно сложна, но они
отличаются нагревостойкостью и стабильностью свойств во время
эксплуатации.
Промежуточными свойствами обладают элементоорганиче-
ские изоляционные материалы - вещества, в химический состав ко-
торых помимо углерода входят такие элементы, как кремний Si,
алюминий AI, фосфор Р и др., более характерные органическим ма-
териалам. К этой группе относятся кремнийорганические, фосфорор-
ганические, фторорганические и другие соединения, а также метал-
лоорганические, используемые в технологическом процессе произ-
водства диэлектриков (как катализаторы полимеризации).
3.1.	Основные особенности электроизоляционных
материалов
К важнейшим характеристикам диэлектриков относят диэлек-
трическую проницаемость, диэлектрические потери, диэлектриче-
скую восприимчивость, удельные объемную и поверхностную элек-
тропроводность и электрическую прочность (уровень электрического
напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика).
В реальных условиях эксплуатации свойства диэлектрических
материалов в значительной степени зависят от их поляризации под
действием приложенного электрического поля, что вызывает необ-
ходимость тщательного учета этого явления.
Воздействие на диэлектрик электрического поля приводит к
поляризации, зависящей от строения вещества. Поляризация вызы-
вает либо ограниченное смещение связанных зарядов вещества,
либо принудительную ориентацию (разворот) его дипольных (поляр-
ных) молекул в направлении действующих на них сил тем больше,
чем сильнее напряженность поля. Снятие поля вызывает обратимое
возвращение частиц в исходное состояние.
Наиболее наглядно явление поляризации проявляется в элек-
трическом конденсаторе. Если на поверхности листового диэлектри-
ческого материала с однородными (изотропными) свойствами на-
нести металлические электроды и подключить их к источнику посто-
янного электрического тока, то образовавшийся конденсатор будет
накапливать электрический заряд, величиной Q = CU, где С - ем-
кость конденсатора, U- приложенное напряжение. В свою очередь
заряд Q может быть представлен О = О0+ОЛ, т.е. суммой заряда
О0(если бы в конденсаторе в качестве диэлектрика использовался
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
45
вакуум) и Од обусловлено поляризацией диэлектрика. Отношение
зарядов Q и Qo называется диэлектрической проницаемостью (от-
носительной диэлектрической проницаемостью) изотропного мате-
риала
Q	Од
Ег = — = 1 +	•
Qo	Qo
Таким образом, диэлектрическая проницаемость ег изотроп-
ного диэлектрика - скалярная безразмерная величина, зависящая от
отношения заряда между плоскими электродами в вакууме и заряда
в однородном безграничном веществе диэлектрического материала
при неизменных электродах и значениях приложенного к ним напря-
жения. Фактически диэлектрическую проницаемость можно оценить
отношением емкости конденсатора с данным диэлектрическим ма-
териалом к емкости такого же конденсатора, электроды которого
разделяет вакуум.
Структурные особенности твердотельных диэлектриков влия-
ют на их диэлектрическую проницаемость. Так, неполярные диэлек-
трики имеют невысокие значения ег (например, парафин 1,43; поли-
стирол 1,55). Несколько выше значения ег имеют твердые диэлек-
трики, содержащие ионные кристаллы с неплотной упаковкой (элек-
тротехнический фарфор 6; корунд 10; титанат кальция 150). Относи-
тельная диэлектрическая проницаемость газов вследствие их малой
плотности из-за значительных расстояний между молекулами близка
к 1 (свойство вакуума). Для воздуха температурный коэффициент
ТКег составляет -2-10-6,1 /°C.
Емкость электрического конденсатора и накопленный в нем
электрический заряд обусловлены совместным влиянием двух раз-
личных видов поляризации - упругой (мгновенной, без рассеяния
энергии) и дипольно-релаксационной (возникающей и исчезающей
замедленно и сопровождаемой рассеянием энергии). К упругой от-
носятся электронная и ионная поляризации.
Электронная поляризация, проис-
ходящая во всех видах диэлектриков
(рис. 3.1), связана с быстрыми обрати-
мыми смещением и деформацией элек-
тронных оболочек либо электрически
нейтральных атомов, либо ионов (такая
поляризация исходно нейтральных ато-
мов слабеет с повышением температуры
Рис. 3.1. Схема электронной
поляризации диэлектриков
в связи с тепловым расширением веще-
ства и уменьшением числа частиц в еди-
46
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
нице его объема). Электроны деформированных оболочек образуют
с положительными зарядами ядер атомов пару взаимно связанных
зарядов, которые называются упругими диполями. Образование
и исчезновение упругих диполей происходит практически мгновенно
(в течение 10"15 с). Это смещение электронов и образование упругих
диполей вызывает в диэлектрике ток смещения 1СМ.
Полярные диэлектрики имеют в своем составе молекулы, со-
стоящие из положительно и отрицательно заряженных ионов, у ко-
торых центры зарядов не совпадают. Такие полярные молекулы ис-
ходно заряжены, т.е. обладают начальным электрическим моментом
р = q€, численно равным произведению заряда q одного из ионов
на расстояние I между центрами зарядов. Следовательно, поляр-
ные (твердые) диполи существуют в полярных диэлектриках изна-
чально, в отличие от диполей, возникающих в неполярных диэлек-
триках только под действием приложенных внешних сил смещения.
Воздействие электрического поля на полярные диэлектрики
сопровождается возникновением как электронной, так и дипольной
поляризации - сначала происходит быстрое смещение электронов
относительно ядер атомов, а затем протекает более медленный
процесс дипольной поляризации (поворот полярных молекул вдоль
силовых линий внешнего поля занимает около 10"13 с), связанный
с возникновением тока абсорбции 1абс. Дипольная поляризация, как
и электронная, обратима. При повышении температуры поляризация
полярных диэлектриков внешним полем возрастает в результате
ослабления противодействия упругих сил взаимной связи ионов при
увеличении расстояния между ионами, вызванным тепловым рас-
ширением), а затем падает вследствие роста влияния хаотичности
теплового движения.
Кристаллические диэлектрики состоят из положительных и от-
рицательных ионов, жестко электрически связанных между собой
и расположенных в узлах кристаллической решетки.
Приложение сил внешнего
электрического поля вызывает об-
ратимое мгновенное (около 10"12 с)
смещение связанных ионов (упругих
диполей) относительно своего ис-
ходного положения (рис. 3.2) в на-
правлении поля - возникает про-
цесс ионной поляризации (совмест-
но с электронной поляризацией).
Кристаллические диэлектрики (ке-
рамика, слюда) отличаются высокой
интенсивностью поляризации (поля-
Рис. 3.2. Схема ионной поляри-
зации диэлектриков
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы 47
ризуемостью) и более высокими значениями ег(5...12 и более). По-
скольку как электронная, так и ионная поляризации происходят прак-
тически мгновенно, то ег слабо зависит от частоты приложенного
электрического поля, что весьма важно для радиоматериалов.
Дипольно-релаксационная (ориентационная) поляризация
обусловлена частичным упорядочиванием под влиянием внешнего
электрического поля дипольных частиц вещества, находившихся до
этого в хаотическом тепловом движении (рис. 3.3). Такой вид поля-
ризации возможен, если ему существенно не препятствуют силы
межмолекулярного взаимодействия. При повышении температуры
вещества дипольно-релаксационная поляризация сначала растет
(за счет ослабления межмолекулярных сил в веществе при пониже-
нии вязкости). Особенностью значительной части твердых диэлек-
трических материалов является то, что поляризация обусловлена не
столько поворотом молекул вещества, сколько разворотом относи-
тельно молекул входящих в них радикалов (например, гидроксиль-
ных групп ОН).
Рис. 3.3. Схема ориентационной Рис. 3.4. Схема расположения
поляризации	доменов и направления поляризации
в титанате бария
Интервал времени, в течение которого диполи вещества, ори-
ентированные внешним полем, теряют свою упорядоченность после
выключения поля, называется временем релаксации.
В кристаллических диэлектриках может наблюдаться явление
самопроизвольной (спонтанной) поляризации ионных диполей даже
в отсутствие внешнего поля. В объеме таких диэлектриков, назы-
ваемых сегнетоэлектриками, имеются области (называемые доме-
нами), внутри которых электрические моменты диполей ориентиро-
ваны почти одинаково, а между доменами - различно (рис. 3.4). По-
этому результирующее внутреннее электрическое поле, создавае-
мое доменами, практически отсутствует. Равновесная доменная
структура соответствует минимальной свободной энергии кристалла.
Под влиянием внешнего электрического поля доменные гра-
ницы смещаются так, что объемы доменов, ориентированных вдоль
внешнего поля, растут за счет доменов, ориентированных навстречу
48
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
полю. В сильном поле кристалл становится фактически однодомен-
ным. После выключения внешнего поля образец диэлектрика до-
вольно долго остается поляризованным. Значительное смещение
доменных границ под действием даже небольшого электрического
поля обусловливает высокие значения (до нескольких тысяч) ди-
электрической проницаемости ег сегнетоэлектриков, зависящих от
температуры и напряженности электрического поля (последнее ис-
пользуется при создании нелинейных конденсаторов - варикондов).
Первоначально явление спонтанной поляризации было обнаружено
у сегнетовой соли (NaKC4H4O6 4Н2О); в настоящее время исполь-
зуются синтезированные материалы (например, титанат бария
ВаТЮз - прозрачный кристаллический сегнетоэлектрик, применяе-
мый в качестве пьезокерамики).
3.2.	Электрические свойства
электроизоляционных материалов
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
Быстропротекающий процесс смещения связанных зарядов при
электронной и ионной поляризациях диэлектриков вызывает появле-
ние столь кратковременного тока смещения 1см, что измерение его
затруднительно. Релаксационная (замедленная) поляризация возбу-
ждает абсорбционные токи смещения 1абс, которые можно измерить.
Воздействие на диэлектрик электрического поля вызывает появление
lagc только в момент включения поля. При наличии переменного поля
1абс протекает непрерывно, пока существует это поле.
Несовершенство технических изоляционных материалов при-
водит к появлению небольшого сквозного тока 1скв. Током утечки
диэлектрика обычно называют суммарный ток = /абс + /СК8.
Поскольку обычно L- «, то можно считать I ~ I , измеренный
J	аос скв	ут скв	1
примерно через одну минуту после включения напряжения.
Сопротивление изоляции диэлектрического материала опре-
деляют отношением R =U/ILO. Причем для твердых изоляцион-
ИЗ	СКВ
ных материалов различают поверхностную и объемную электропро-
водности.
При однородном электрическом поле удельное объемное со-
противление плоского образца (например, пленки) электроизоляци-
онного материала составляет р = RS/h[OM-M], где R - объемное со-
противление образца [Ом], S - площадь электрода [м2], h - толщина
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
49
образца [м]. Удельное поверхностное сопротивление ps соответст-
вует электрическому сопротивлению квадрата поверхности изоляци-
онного материала, если ток проходит от одной стороны квадрата -
к противоположной: ps = Rsd/£ , где Rs - поверхностное сопротив-
ление материала между параллельно расположенными на расстоя-
нии £ электродами шириной d.
Удельные объемная и поверхностная проводимости твердого
диэлектрика измеряются в сименсах (1 См = 1/Ом) и определяют
совместно полную проводимость материала.
Значения электропроводности обусловлено агрегатным со-
стоянием материала - твердым, жидким или газообразным, а также
температурой и влажностью среды.
Удельное электрическое сопротивление р диэлектрика, ис-
пользованного в конденсаторе, можно определить с помощью изме-
ренной постоянной времени саморазряда конденсатора т0 = RM3C [с],
где C=ErS/£ - емкость конденсатора [Ф], RM3 = pZ7S- полное
сопротивление изоляции (сопротивление сквозному току) [Ом]. Сна-
чала измеряется снижающееся по экспоненциальному закону на-
пряжение U(t) на электродах конденсатора через интервал времени
t после отключения от конденсатора заряжающего напряжения Uo:
U(t) = Uoexp(-t/ro); U(r0) = Uo ехр(-г0/г0) = Uo/е (e = 2,7182),
откуда можно найти т0. Определив постоянную времени т0 само-
разряда как интервал времени, по окончании которого напряжение
на электродах конденсатора снижается из-за разряда в 2,7 раза,
и зная диэлектрическую проницаемость ег , можно подсчитать
т0 = RM3C = рЕг; удельное сопротивлениер = т0/ег .
Электропроводность газов весьма мала и возникает при нали-
чии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных
молекул газа может произойти под влиянием внешних воздействий,
например, внешнего поля или облучения заряженными частицами
(ударная ионизация при радиоактивном облучении).
Продолжительная работа изоляционного материала под элек-
трическим напряжением может вызвать изменение протекающего то-
ка. Уменьшение тока с течением времени свидетельствует о том, что
электропроводность материала обеспечивалась ионами посторонних
примесей, от которых материал электрически «очищался». Возраста-
ние тока во время эксплуатации является следствием протекающего
под напряжением необратимого процесса старения материала, кото-
рый способен постепенно привести его к разрушению. Например, ке-
рамика (в отличие от органических изоляционных материалов) прак-
50
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
тически не стареет в отсутствии внешнего поля. Однако под действи-
ем электрического поля имеет место электрохимическое старение
керамики вплоть до пробоя, объясняющееся выходом с поверхности
материала (особенно вблизи трещин, пор и других дефектов) молекул
кислорода. Кроме того, старение керамики вызывается материалом
нанесенных на него электродов (например, серебро мигрирует в объ-
ем керамики и увеличивает ее электропроводность).
Твердые электроизоляционные материалы обладают под дей-
ствием электрического поля электропроводностью, обусловленной
не только передвижением ионов самого материала, но и ионов раз-
личных примесей, в том числе загрязнений поверхности. Ионная
электропроводность способствует переносу вещества - ионы при-
меси под влиянием поля и теплового градиента могут частично уда-
ляться из материала, испаряясь или оседая на металлических элек-
тродах. При высокой напряженности может возникнуть электронная
проводимость.
Даже весьма малого количества влаги достаточно, чтобы
у твердых пористых диэлектриков (например, керамики) стала за-
метной электропроводность. Хотя сушка деталей из такого материа-
ла способствует снижению проводимости, но при эксплуатации во
влажной среде она вновь растет.
Сущность защиты, в основном, состоит в придании поверхно-
сти электроизоляционного материала низкой смачиваемости, харак-
теризуемой краевым углом смачивания 0 капли воды (рис. 3.5). Не-
смачиваемой считается поверхность, у которой 0> 90° .
Пребывание материала во
влажной среде сопровождается
поглощением влаги вплоть до
равновесного состояния. Диа-
метр молекулы воды составляет
приблизительно 0,28 нм, что по-
зволяет влаге проникать не
только в микропоры керамики
(размером 102...105 нм), в капил-
ляры волокон текстолита (раз-
мером 1 ...10 нм), но и в межмо-
лекулярные щели (размером
1...5 нм) различных электроизо-
ляционных материалов.
а	б
Рис. 3.5. Угол смачивания твердого
изоляционного материала:
а - высокая смачиваемость;
б - низкая смачиваемость
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
51
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
При воздействии на диэлектрический материал электрическо-
го поля постоянного или переменного тока в нем возникают диэлек-
трические потери в виде тепловой энергии, рассеиваемой в окру-
жающее пространство.
На постоянном токе потери определяются значениями удель-
ных объемного и поверхностного сопротивлений. На переменном
токе помимо сквозного тока возникают явления, приводящие к росту
общего уровня потерь. Способность диэлектрического материала
рассеивать энергию обычно характеризуют величиной, которую на-
зывают углом диэлектрических потерь (или тангенсом угла диэлек-
трических потерь).
В конденсаторе с идеальным диэлектриком вектор проходяще-
го через него переменного тока опережает вектор приложенного на-
пряжения на 90° и потери отсутствуют (угол диэлектрических потерь
равен нулю). В реальном конденсаторе в диэлектрике рассеивается
электрическая энергия, вызывающая его нагрев.
Потери в диэлектрике существенно влияют на электрические
свойства конденсаторов. Потери преимущественно вызываются
объемной электрической проводимостью диэлектрика (из-за наличия
даже незначительного количества посторонних проводящих и полу-
проводящих включений углерода и оксидов железа) и поверхностной
утечкой. При высоких напряжениях и высоких частотах (например,
в цепях выходных каскадов передатчиков), кроме того, происходит
ионизация газовых включений внутри диэлектрика.
Перечисленным явлениям
соответствуют упрощенные по-
следовательная (рис. 3.6, а) и
параллельная (рис. 3.6, б) схемы
замещения конденсатора на пе-
ременном токе. На этом же ри-
сунке изображены векторные
диаграммы напряжений и токов,
действующих в этих схемах. Ес- §
ли известно, что конденсатор
предназначен для блокировки
высокочастотной составляющей
тока (так называемый блокиро-
вочный или развязывающий кон-
денсатор) и потери в нем опре-
деляются объемной электропроводностью диэлектрика в широком
диапазоне частот, то целесообразно использовать последователь-
ную схему.
Рис. 3.6. Эквивалентные схемы
замещения конденсатора
и их векторные диаграммы
52
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
При протекании тока I на активной и реактивной составляю-
щих импеданса Zs в последовательной схеме замещения конденса-
тора происходит падение напряжений: U2 = I • rs;	и1 (nCs
U = IZS = -Ji)2 + U22 .	Мощность	активных	потерь
Pa=l%= ——— rs- Учитывая выражение для zs zs	импеданса
— 7	9 О	2	1
Zs =rs + xs~ ’ где xs ~и слеДУя векторной диаграмме
(jwCs)
е	ГЧ	U2,S
tg5 = -7- = —, найдем Ра = —------------7
Ц xs	rs2 + xs2
U2rs U2o)Cstgd
rs2 ч 2	1+tg^2
(1+--2)xs2
XS
Считая tg8 «1, имеем Ра = U2wCstg3.
При малых значениях угла 3 (характерных высококачествен-
ным диэлектрикам, применяемым, например, в конденсаторах высо-
кочастотных колебательных контуров) уровень рассеиваемой (ак-
тивной) мощности потерь Ра в конденсаторе на угловой частоте а
определяется, в основном, поверхностной утечкой и здесь более
пригодна параллельная схема замещения, в которой I, = — = UwCp;
1 X	г
Хр
Ц = —. Поскольку в прямоугольном треугольнике
‘ гр
cos ср = sin 5 = cos 5 • tg8 , to
Uo)CD . ?
Pa = (Лсозф = Ulcos3-tg3 = Ul—j—— tgS = U_wCp • tgS.
Таким образом, при малых углах 5 потери в двух рассмотрен-
ных случаях примерно одинаковы.
ПРОБОЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Превышение напряженности электрического поля некоторого
критического уровня вызывает электрический пробой диэлектрика -
потерю свойств электроизоляционного материала. Значение напря-
жения, при котором происходит пробой, называют пробивным на-
пряжением ипр.
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы	53
Пробой газов вызывается ударной ионизацией, а пробой твер-
дых диэлектриков - электрическими и тепловыми процессами, про-
текающими под воздействием поля.
Электрический пробой однородного твердого диэлектрика
представляет электронный процесс, при котором из исходного коли-
чества электронов образуется электронная лавина - под влиянием
поля электроны рассеивают дополнительную энергию движения,
возбуждая упругие колебания кристаллической решетки. Сверхбы-
стрые электроны производят отщепление новых электронов кри-
сталлической решетки стационарного состояния, и в твердом теле
возникает ударная электронная ионизация.
Пористый твердый диэлектрик (стекла, фарфор), содержащий
газовые включения, также подвержен ударной ионизации, причем
Unp практически не зависит от температуры. Низкой электрической
прочностью отличаются твердые диэлектрики с открытой пористо-
стью (например, пористая керамика). Газовые полости в твердых
изоляционных материалах вызывают опасность возникновения про-
боя на высоких частотах.
Тепловой пробой твердых диэлектриков обусловлен превыше-
нием тепловой энергией диэлектрических потерь критического уровня,
при котором нарушается тепловое равновесие и процесс разогрева
материала становится лавинообразным (вплоть до обугливания и
расплавления). Электрическая прочность материала в предпробой-
ном тепловом состоянии снижается с повышением температуры.
3.3.	Физико-химические свойства
электроизоляционных материалов
Применение электроизоляционных материалов в составе РЭС
требует учета не только их электрических, но и совокупности физи-
ко-химических свойств, оказывающих существенное влияние на на-
дежную работу электронных устройств в период эксплуатации.
ВЛАЖНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
Влажностные свойства включают влагостойкость - способ-
ность электроизоляционного материала сохранять свои основные
свойства при эксплуатации в атмосфере, близкой к насыщению во-
дяными парами. Оценку влагостойкости обычно производят по не-
скольким критериям: изменениям электрофизических свойств, вла-
гопроницаемости и влагопоглощаемости.
Содержание влаги в материале, находящемся во влажной ат-
мосфере, на единицу его массы с течением времени повышается
или понижается до установления равновесия с окружающей средой.
Для различных электроизоляционных материалов значение равно-
54
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
весной влажности при одинаковой относительной влажности среды
может весьма отличаться и в значительной мере зависит от их хи-
мического состава и структуры, а также наличия и размеров пор и
капилляров.
Количество сорбированной влаги в материале, длительно на-
ходящемся в атмосфере, близкой к состоянию насыщения водяным
паром, характеризуется влагопоглощаемостью. Количество сорби-
рованной воды в материале, длительно погруженном в воду, учиты-
вается показателем, называемым водопоглощаемостью.
Твердые электроизоляционные материалы используются для
изготовления защитных оболочек компонентов (например, при оп-
рессовке пластмассой транзисторов и интегральных микросхем, об-
волакивании, корпусной герметизации узлов РЭС). Проницаемость
влаги сквозь электроизоляционный материал, из которого изготов-
лена защитная оболочка компонента или узла РЭС, оценивают вла-
гопроницаемостью при наличии разности давлений водяного пара с
двух сторон материала. Большинство твердых материалов, обла-
дающих пористостью, имеют определенное значение влагопрони-
цаемости (лишь для стекол и тщательно подготовленной керамики
проникновение влаги практически исключено). Поэтому, например,
пластмассовые защитные оболочки компонентов могут рассматри-
ваться лишь как временная защита от влаги.
Длительная эксплуатация РЭС во влажной среде создает бла-
гоприятные условия для развития плесени на поверхности изоляци-
онных материалов органического происхождения, особенно в тропи-
ческом климате (например, гетинакс, текстолит, кабельная бумага,
лакоткань). Плесень снижает поверхностное сопротивление, повы-
шает потери, уменьшает механическую прочность изоляции и может
вызвать коррозию соприкасающихся металлических деталей.
В тропических условиях повышенной влажности воздуха су-
ществует опасность повреждения электрической изоляции проводов
и кабелей РЭС насекомыми (термитами) и грызунами. С целью за-
щиты в состав органических материалов вводят специальные веще-
ства (например, фунгициды, ядовитые для плесени и задерживаю-
щие их развитие) или применяют специальные покровные лаки, со-
держащие хлор CI, ртуть Нд, азот N.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Достаточно много элементов конструкции РЭС изготавливают
из изоляционных материалов, поэтому их механические свойства
(например, прочность при сжатии, изгибе и растяжении, вязкость)
имеют существенное практическое значение.
Изоляционные материалы в зависимости от своего строения
обладают большим разбросом механических свойств. Слоистые и
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
55
волокнистые материалы имеют механическую прочность, сильно
зависящую от направления приложения сил (например, стеклотек-
столит).
Некоторые изоляционные материалы отличаются тем, что
предел прочности при сжатии значительно превышает прочность на
растяжение и изгиб (например, керамика, стекло, пластмассы). Еще
одной особенностью является зависимость механических свойств
детали из изоляционного материала от площади ее поперечного се-
чения и окружающей температуры. Термопластичные пластмассы
под действием механической нагрузки и повышенной температуры
проявляют текучесть, что приводит к деформированию детали.
Холодной текучестью при нормальной температуре и механическом
нагружении обладает фторопласт (тефлон).
Хрупкость - свойство твердых тел разрушаться при механи-
ческих воздействиях без заметной предварительной пластической
деформации (свойство, противоположное пластичности). Хрупкость
материала определяется его структурным состоянием и условиями
приложения нагрузки - она растет при увеличении скорости нагру-
жения и понижении температуры. Особо учитывается знакопере-
менное механическое нагружение, к которому относится вибрация.
Для заливочных компаундов в процессе производства узлов
РЭС важным свойством является вязкость - свойство жидкости
оказывать сопротивление перемещению одной их части относитель-
но другой. Чем ниже вязкость компаунда, тем выше вероятность ка-
чественного технологического заполнения заливочной формы узла.
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА
Компоненты, узлы и блоки РЭС во время эксплуатации под-
вергаются воздействиям внешней среды, причем, в зависимости от
места расположения детали, изготовленной из твердого диэлектри-
ка, уровень таких воздействий может быть различен. Кроме того, при
работе РЭС составные его части оказывают взаимное влияние через
тепловые поля.
В этой связи разработчик РЭС должен учитывать тепловые
характеристики изоляционных материалов (теплопроводность, теп-
ловое изменение геометрических размеров, теплостойкость и холо-
достойкость).
Теплопроводность - способность вещества переносить теп-
ловую энергию в неравномерно нагретом объеме, имеющая атомно-
молекулярный характер. В изотропном материале передаваемая за
счет теплопроводности тепловая энергия пропорциональна площади
поперечного сечения S образца материала, коэффициента тепло-
проводности атп и перепада температур At0 : Ртп = aTnSAt°.
56
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таблица 3.1. Коэффициенты теплопроводности атп (КТП)
некоторых диэлектриков
Материал	Воздух	Лакоткань	Текстолит	Гетинакс	Вода	Кварцевое стекло	Фарфор	Оксид алю- миния А12О3	Оксид бериллия ВеО
КТП [Вт/(м°С)]	0,05	0,13	0,25	0,35	0,58	1,25	1,6	30	218
Тепловая энергия, выделяющаяся при работе РЭС проникает
в окружающую среду сквозь различные материалы. Высокая тепло-
проводность способствует переносу тепла от более нагретых дета-
лей к менее нагретым и последующему выравниванию температуры
в стационарном состоянии, который должен соответствовать нор-
мальному, по техническим условиям, тепловому режиму всех компо-
нентов (т.е. температура компонентов должна находиться в преде-
лах норм).
КТП электроизоляционных материалов (табл. 3.1) ниже боль-
шинства металлов (исключение составляет лишь токсичный оксид
бериллия ВеО). Уплотнение изоляционного материала давлением
при его изготовлении способствует росту КТП.
Тепловое расширение изоляционных материалов, также как
и других веществ, оценивается температурным коэффициентом ли-
нейного (ТКЛР) и объемного (ТКОР) расширений:
ТКЛР =
М
€-At°
ТКОР =
ДУ
VAt°
где А£и ДУ- приращение линейного размера и объема образца,
вызванных перепадом температур Д1° .
Из табл. 3.2 следует, что органические изоляционные мате-
риалы имеют более высокие значения ТКЛР, чем неорганические.
Теплостойкостью называют способность изоляционного ма-
териала сохранять свои основные свойства под воздействием по-
вышенной температуры в течение срока эксплуатации. Более тепло-
устойчивыми являются неорганические материалы (например, кера-
мика, стекло, слюда). Теплостойкость органических диэлектриков,
с практической точки зрения, целесообразнее определять по момен-
ту начала тепловой механической деформации (растяжения, изгиба,
размягчения), поскольку электрические характеристики оказываются
более стабильными.
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
57
Таблица 3.2. Температурные коэффициенты линейного расширения
некоторых материалов
Материал	Поливинилацетат	Полиэтилен	Нейлон	Органическое стекло	Полистирол	Эпоксидная смола	Слюда	Стекло	Керамика	Фарфор	Кварцевое стекло
ТКЛР 106 [1/°С]	265	145	115	70	68	55	37	9	7	3,5	0,55
Длительное воздействие тепловых полей вызывает тепловое
старение материалов, обусловленное медленно протекающими в
них химическими процессами (полимеризации, окисления, переноса
вещества, химического взаимодействия с загрязнениями и др.).
С целью определения периода теплового старения т образец мате-
риала выдерживают при сравнительно невысокой температуре (не
приводящей к немедленному разрушению), а затем отмечают изме-
нение свойств. Обычно значение т оценивают интервалом времени
от момента начала снижения наиболее существенных свойств мате-
риала (например, механической или электрической прочности) до
момента достижения заданной доли их первоначального значения.
Процесс старения диэлектрика ускоряется при повышении концен-
трации кислорода О, озона О3 (как более активного окислителя), при
наличии загрязняющих химических реагентов, ультрафиолетового
и радиационного облучений, механических нагрузок.
Оценка теплостойкости и срока теплового старения произво-
дится в результате испытаний, причем найденная оценка в отли-
чающихся условиях может быть различной (например, изоляцион-
ный материал, выдерживающий кратковременный нагрев до опре-
деленной температуры, может проявить склонность к тепловому
старению при длительном воздействии более низкой температуры).
Холодостойкость изоляционных материалов оказывается
весьма важной при эксплуатации РЭС в полевых условиях при низ-
ких температурах (до -6О...-8О°С). Следует отметить, что многие
материалы при таких температурах становятся жесткими и хрупки-
ми, что может привести, при неудачной конфигурации детали, к ее
разрушению.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Химические свойства электроизоляционных материалов опре-
деляются химическими свойствами сырья, из которого они изготов-
лены, и особенностями химико-технологических процессов их произ-
58
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
водства. К химическим свойствам относится радиационная стой-
кость - способность материала сохранять в определенных преде-
лах свои основные свойства при воздействии ионизирующих излу-
чений: корпускулярных (быстрыми и медленными нейтронами, ос-
колками ядер, а-частицами, р-лучами) и волновых (у-лучами, т.е.
жестким и мягким рентгеновским излучением).
Поглощение материалом излучения зависит от структуры ма-
териала и характеристик самого излучения. За счет ионизации и
возбуждения атомов происходит рассеяние полученной энергии об-
лучения, часть которой расходуется на силовое смещение атомов
или ионов твердого материала в междоузлия его кристаллической
решетки. Облучение быстрыми нейтронами ведет к значительному
нарушению структуры решетки.
Наиболее сильное влияние оказывают значительные дозы
нейтронного и у-излучений; а-лучи имеют небольшой радиус дейст-
вия и поглощаются, в основном, поверхностными слоями материала;
поток электронов в виде р-лучей проникает в материал на глубину
2...3 мм, нагревает его и инициирует химические реакции на поверх-
ности.
Облучение органических полимерных изоляционных материа-
лов сопровождается выделением газа, образованием и ликвидацией
двойных химических связей, вулканизацией1 и другими процессами.
Длительное интенсивное облучение ведет к разрушению полимеров.
Наибольшую стойкость к радиационному облучению имеют
неорганические электроизоляционные материалы (кварц, слюда,
глинозем и некоторые другие).
3.4.	Основные виды неорганических
электроизоляционных материалов
СТЕКЛА
Стекло - бесцветный или окрашенный хрупкий неорганический
материал, получаемый после быстрого охлаждения расплава стек-
лообразующих компонентов (окислов кремния SiO2, бора В2О3, алю-
миния А12О3) и окислов калия К2О, натрия Na2O, кальция СаО, цинка
ZnO, свинца РЬО, бария ВаО. Основу большинства стекол составля-
ет окисел кремния SiO2 (такие стекла называют силикатными).
1 Вулканизация - изменение химической структуры вещества за счет соедине-
ния макромолекул в так называемую вулканизационную сетку, образуемую попереч-
ными химическими связями и вызывающую изменение химических и физических
свойств вещества.
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
59
Из расплава смеси мелко измельченных и очищенных кварце-
вого песка, поташа, буры, сурика, доломита, известняка и других ми-
нералов методами литья, экструзии1, прессования, дутья изготавли-
вают различные стеклянные детали. Свойства стекол изменяются в
широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки.
Кварцевое стекло (чистый оксид кремния SiO2) имеет наилуч-
шие электроизоляционные и оптические свойства, высокую туго-
плавкость, механическую прочность, гидролитическую стойкость2 *,
низкий ТКЛР (0,5-10-6 1/°С), минимальные диэлектрические потери
(tg3 < 3-Ю”4 при f =1 МГц и t = +20°С ), слабо зависящие от темпера-
туры и частоты тока.
Однако для изготовления деталей из кварцевого стекла
необходимы дорогостоящие высокотемпературные (1600...1700°С)
печи; из-за высокой вязкости стеклорасплава не удается получать
детали сложной геометрической формы; мелкие газовые включения
снижают электрическую прочность до 20...35 МВ/м. Поэтому в смесь
вводят модификаторы, которые улучшают технологичность стекол,
но снижают их некоторые ценные свойства.
Бесщелочные стекла применяются в производстве лазеров;
специальные сорта тугоплавких стекол разработаны для диапазона
СВЧ; электропроводящие стекла терморезисторов, фоторезисторов,
светофильтров содержат различные полупроводниковые соединения.
Придание стеклу полимерной структуры дает возможность по-
лучения стеклокристаллических материалов - ситаллов (путем регу-
лируемой кристаллизации стекла определенного химического соста-
ва, например, 1_Ю2— AI2O3- SiO2; BaO- SiO2; MgO- AI2O3- SiO2) вве-
дением тонко измельченных порошков структурообразователей типа
FeS, ТЮ2 и др. ТКЛР ситаллов различных марок может быть поло-
жительным и отрицательным, что позволяет получать заданные зна-
чения, включая совместимые со значениями ТКЛР металлов (напри-
мер, в корпусах интегральных схем). Из этого материала удается
получать изделия с высокой точностью геометрических размеров и
выдерживающие резкие перепады температуры (от +700 до - 60°С).
Ситаллы применяют при изготовлении микросхем, подложек СВЧ
аттенюаторов, опор ламп бегущей волны (ЛБВ), оболочек резонансных
разрядников, каркасов высокостабильных катушек индуктивностей.
1 Экструзия (шприцевание) - технологический процесс переработки материа-
ла, включающий его размягчение и профилирование путем продавливания сквозь
отверстие определенной формы и сечения (фильеру). Возможно получение пленок,
листов, рулонов, труб, прутков, наложение изоляции на провода и кабели, нанесение
тонкослойных покрытий на бумагу, ткань, фольгу.
2 Гидролитическая стойкость к действию влаги оценивается массой стекла,
переходящей в раствор с единицы поверхности при длительном соприкосновении
с водой. Стойкость снижается при введении щелочных оксидов Na2O, К2О.
60
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Основные свойства ситаллов:
е =5...7; tg3= (10...800) 10’4 при 1 МГц; р= 1О1°...1О12 Ом м;
U= 20...80 МВ/м;
пр
ТКЛР = (0,1...12) 10’6 1/°С; КТП = 0,8...2,2 Вт/(м °С).
Конденсаторное стекло используется в качестве диэлектрика
стеклянных конденсаторов, применяемых в РЭС в цепях высоко-
вольтных фильтров, импульсных генераторах, колебательных конту-
рах. Установочное стекло используется для изготовления элементов
конструкций и изоляторов (антенных, проходных, опорных), изоли-
рующих бус и др.
Стеклоэмали наносятся тонким слоем на металлические и
изоляционные детали и защищают их от коррозии, придают гидро-
фобность1, создают при необходимости отражающую свет поверх-
ность. Такую эмаль применяют для покрытия трубчатых проволоч-
ных резисторов, защищающего от влаги, загрязнений и окисления
кислородом воздуха при высокой (до 300°С) температуре. Стекло-
эмаль может использоваться и как диэлектрик конденсаторов.
Тонкие нити из стекла (4...6 мкм) обладают такой гибкостью, ко-
торая позволяет производить стеклянные ткани. Гибкость и значи-
тельная прочность стекловолокна обусловлена ориентацией молекул
его поверхностных слоев, возникающей при вытягивании волокна из
расплавленной стекломассы и быстром охлаждении. Стеклоткани ис-
пользуются при производстве стеклотекстолита - основного изоляци-
онного материала при Изготовлении плат печатного монтажа РЭС
(фольгированный стеклотекстолит более нагревостоек, механически
прочен и менее гигроскопичен, чем фольгированный текстолит).
Стекловолокно (толщиной 20...30 мкм) используется для изго-
товления световодов. Световой луч, распространяющийся в воло-
конном световоде, имеет практически полное и многократное внут-
реннее отражение, не выходя за пределы волокна. Изображение
освещенного объекта может передаваться по произвольно изогну-
тому световоду в виде мозаичной совокупности светящихся точек,
каждая из которых передается по отдельному волокну. В световоде
диаметром 5...6 мм размещается несколько десятков тысяч волокон.
КЕРАМИКА
Керамика - электроизоляционный неорганический материал,
содержащий порошки минеральных и искусственных соединений,
технологически упроченный путем высокотемпературного обжига до
получения камневидного состояния. Детали из керамики термостой-
ки, негигроскопичны, механически прочны, устойчивы к окислителям,
1 Гидрофобность - неспособность материала смачиваться водой.
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
61
радиационному облучению, плесени, тепловому и электрическому
старению (даже в мощных ВЧ и СВЧ полях).
Однако детали из керамики чувствительны к резко меняющим-
ся (динамическим) механическим нагрузкам, их поверхность легко
увлажняется и загрязняется (что вызывает необходимость защиты
поверхности лакировкой, гидрофобизацией, покрытием глазурью).
В компонентах РЭС и деталях конструкции наибольшее при-
менение нашла керамика чистых окислов (искусственно синтезиро-
ванных окислов алюминия А12О3, кальция СаО, магния МдО, берил-
лия ВеО, циркония ZrO2, тория ThO2 и др.).
Керамика с малой диэлектрической проницаемостью применя-
ется при изготовлении элементов конструкций РЭС, предназначен-
ных для работы на ВЧ и СВЧ. К этому типу относятся радиофарфор
(фарфор с введенным оксидом бария ВаО), ультрафарфор (радио-
фарфор с введенной двуокисью алюминия А12О3 отличается низким
tg6, механической прочностью), стеатит (получают на основе мине-
рала тальк 3MgO4 SiO2 Н2О, имеет малый tg5, хорошие механиче-
ские свойства и высокую технологичность).
Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью приме-
няется при изготовлении керамических конденсаторов и содержит
в своей основе диоксид титана ТЮ2. Одна из разновидностей ТЮ2
носит название «рутил» и имеет е= 100... 170; tg5 = 3-10’4 при 1 МГц.
Особую группу керамических материалов образует сегнето-
керамика (например, титанат бария BaTiO3), обладающая резко вы-
раженной зависимостью от температуры и напряженности электри-
ческого поля и имеющая диэлектрический гистерезис.
Основные свойства керамики:
e=9...12; tg6 = (1 ...2) 10’3при 1 МГц;
р= 1О12...1О14 Омм; Unp= 45...60 кВ/мм;
ТКЛР = (3...9) 10“® 1/°С; КТП = 2...40 Вт/(м °С).
СЛЮДА
Благодаря высокой электрической прочности, высшей среди
диэлектриков нагревостойкости, влагостойкости, слюда относится
к важнейшим электроизоляционным материалам, применяемым в
электрических аппаратах и РЭС.
Слюда является ископаемым неорганическим материалом,
встречается в природе в виде легко расщепляющихся по параллель-
ным плоскостям кристаллов (плоскостям спайности). По своему хими-
ческому составу она принадлежит к алюмосиликатам, из которых
к наиболее применяемым относятся мусковит (K2O-3AI2O3-6SiO2-2H2O)
и флогопит (K2O-6MgO AI2O3-6SiO2-2H2O).
62
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
По электрическим свойствам предпочтительнее мусковит
(табл. 3.3), который, кроме того, более твердый, упругий и гибкий
материал. Следует отметить, что высокие свойства слюды достига-
ются лишь в случае направления силовых линий электрического по-
ля перпендикулярно плоскости спайности. Вдоль этой плоскости
свойства значительно ниже.
Та б л и ц а 3.3. Электрические свойства мусковита и флогопита
Тип	Удельное поверхностное сопротивление р, Омм	Диэлектриче- ская проницае- мость е	tg 5 Ю^на частоте		
			50 Гц	1 кГц	1 МГц
Мусковит	1О12...1О16	6...8	150	25	3
Флогопит	1О11...1О12	5...7	500	150	15
Высокочастотная конденсаторная слюда изготавливается из
мусковита высшего качества в виде пластин толщиной от 25 до 55
мкм.
Держатели мощных радиоламп, гребенки катушек индуктивно-
стей, термостойкие крепежные платы РЭС иногда изготавливают из
микалекса - твердого материала, содержащего слюду, связующим
материалом которого является легкоплавкое стекло. Микалекс до-
пускает армирование металлическими деталями.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ
Тонкие диэлектрические пленки могут быть созданы на по-
верхности металлической заготовки путем испарения в вакууме за-
ранее приготовленного вещества или осаждения. Диэлектрическая
пленка возникает на поверхности металла в виде химического со-
единения этого металла с кислородом в процессе оксидирования
(термического, электрохимического или плазменного).
Распространенной окисной пленкой является моноокись крем-
ния SiO - твердая, механически прочная, с высоким пробивным на-
пряжением (до 103 В/мкм). Состав и свойства моноокиси кремния
зависят от условий осаждения в вакууме (температуры, давления,
скорости осаждения - при малой скорости осаждения пленка полу-
чается рыхлой). Однако пленка SiO обладает значительными внут-
ренними напряжениями, что может привести к отслаиванию от под-
ложки. При наилучших условиях осаждения пленка SiO имеет на
1 МГце = 4...6; tg5 = 2-10~3.
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
63
Пленка двуокиси кремния SiO2 - термически и химически стой-
кая, имеет низкий ТКЛР и технологически совместима с большинст-
вом полупроводниковых материалов. Она изготавливается пироли-
зом в инертной среде. Более высокую диэлектрическую проницае-
мость е имеют перспективные тонкие оксидные пленки тантала
Та2О5 (порядка 27) и ниобия Nb2O5 (около 40).
В результате осаждения может быть получена практически
сплошная, беспористая оксидная пленка высокой плотности с тол-
щиной до 2 мкм. Такая пленка предназначена для работы в контакте
с жидким электролитическим раствором, пропитывающим твердый
пористый материал (например, в оксидных электролитических кон-
денсаторах, имеющих значительную удельную емкость, малые габа-
риты и массу), и твердым полупроводниковым или металлическим
веществом (в оксидно-полупроводниковых и метал л оксидных кон-
денсаторах).
На поверхности проводов из сплавов с высоким удельным со-
противлением типа нихром, константан, манганин и других получают
окисную электроизолирующую пленку путем термического оксидиро-
вания (кратковременным накаливанием до 900°С проволоки на воз-
духе). Такую проволоку при изготовлении проволочных резисторов
наматывают на заготовку каркаса вплотную (виток к витку).
3.5.	Основные виды органических
электроизоляционных материалов
К органическим электроизоляционным материалам относятся
вещества, являющиеся соединениями углерода с другими химиче-
скими элементами. Углерод обладает настолько высокой способно-
стью к образованию химических соединений, что строение молекул
весьма разнообразно (цепочечное, разветвленное, кольцевое). Наи-
большее количество органических электроизоляционных материа-
лов относится к высокомолекулярным соединениям (веществам
с особо большими молекулами, состоящими иногда из нескольких
тысяч атомов). Геометрические размеры молекул могут настолько
большими, что затруднено получение их растворов. Такие материа-
лы встречаются в природе (растительные и животные вещества,
целлюлоза, шелк, белки, каучук и др.).
Искусственные органические электроизоляционные материа-
лы изготавливаются в процессе химической обработки природных
высокомолекулярных веществ. Наибольшее распространение имеют
синтетические высокомолекулярные материалы, производимые из
низкомолекулярного сырья (например, нефти, природного газа, ис-
копаемых углей).
Полимеры - совокупность большого числа звеньев атомов,
имеющих одинаковое строение (мономеров), образующая молекулы,
64
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
объединенные друг с другом определенным образом ковалентными
связями. Химическая реакция получения полимеров из мономеров
называется полимеризацией. В процессе реакции полимеризации
растут молекулярная масса, температура плавления, вязкость, сни-
жается растворимость.
Примером реакции полимеризации является получение поли-
стирола. Исходное сырье (стирол) отличается способностью легко
полимеризоваться. Стирол, будучи жидким ненасыщенным углево-
дородом с элементарным составом С8Н8, имеет двойную связь меж-
ду соседними атомами углерода (рис. 3.7, а), легко обрываемую
в процессе химической реакции и переходящую на соседнюю моле-
кулу. Полимер стирола (мономера) носит название «полистирол»
и имеет строение, приведенное на рис. 3.7, б. Полистирол - уже
твердый изоляционный материал, состоящий из одинаковых
повторяющихся звеньев, каждое из которых - молекула мономера,
но с изменившейся связью между атомами углерода; п - число
объединившихся молекул мономера (рис. 3.7, в), которое для
полистирола может доходить до 6000.
Реально полимеры неоднородны - они состоят из смеси ве-
ществ с отличающимися степенью полимеризации (полимеров-
гомологов) и температурой плавления.
Реакция полимеризации происходит со скоростью, управляе-
мой условиями ее проведения (температурой, освещением, наличи-
ем катализаторов), и может приводить к образованию линейных
и пространственных полимерных продуктов. Полимеризация проте-
кает без образования побочных продуктов, что позволяет получать
достаточно чистые вещества, применяемые в микроэлектронике,
оптике и технике СВЧ.
Полимер может быть синтезирован также в результате реак-
ции поликонденсации - взаимодействия многих молекул, сопровож-
дающегося выделением побочных низкомолекулярных продуктов
(воды, углекислого газа, хлористого водорода и др.). Обычно поли-
конденсацию используют для синтеза реактопластов.
Рис. 3.7. Схема получения полистирола:
а - химическое строение молекулы стирола; б - химическое строение
молекулы полистирола; в - сокращенная форма представления полимера
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
65
Молекулы линейных полимеров представляют собой изогну-
тые и переплетенные между собой цепочки, у которых отношение
продольного и поперечного размеров весьма значительны. Молеку-
лы пространственного строения имеют конфигурацию, близкую
к сфере. Если молекулы мономера имеют только по две валентные
связи углерода, то образуются линейные полимеры (например, по-
листирол). Если в объединяющихся молекулах мономера по три
и более углеродных связи, то получаются молекулы разветвленного
строения, свойственного пространственным полимерам (при нали-
чии в молекуле мономера только одной валентной связи углерода
полимеризация невозможна).
Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, некото-
рые из них размягчаются и расплавляются при повышении темпера-
туры, растворимы, способны к вытягиванию тонких текстильных ни-
тей и пленок, образуют термопластичные материалы (способные
размягчаться при повышенной температуре без изменения свойств
и снова твердеть при ее снижении). Пространственные полимеры
более жестки, труднорастворимы (или совсем нерастворимы), раз-
мягчаются при весьма значительных температурах (или, не рас-
плавляясь, сгорают), образуют материалы, относящиеся к группе
термореактивных (реактопластам), которые при нагреве необрати-
мо изменяют свойства («отверждаются»), приобретают механиче-
скую прочность и твердость, теряя способность растворяться.
К сожалению, большинству органиче-
ских полимеров присущи горючесть, невысо-
кие термостабильность, твердость и формо-
устойчивость. Этих недостатков лишены
элементоорганические полимеры, образо-
ванные неорганическими цепями молекул
(связанных не через углерод), обрамленных
группами атомов, представляющих органи-
ческие радикалы. Типичным элементоорга-
ническим полимером является кремнийорга-
нический каучук (рис. 3.8). Символом R обозначены органические
радикалы типа СН3, С2Н5, ОС2Н5, С6Н5. Кремнийорганические поли-
меры могут иметь линейную и пространственную структуру и входят
в состав заливочных, пропиточных, герметизирующих, клеящих ком-
позиций РЭС, являются связкой в стеклопластиках, стеклолакотка-
нях, асбопластиках и др. Применение кремнийорганических полиме-
ров в качестве электроизоляции позволяет снизить габариты и массу
РЭС, расширить температурный диапазон эксплуатации, устранить
воспламеняемость, повысить срок службы. Особенно заметны дос-
тоинства этих материалов при использовании их в составе морской
и тропической аппаратуры, а также высокочастотных устройств.
3 -2134
R	R
---Si—О—-Si—О-----
i	I
R	R
Рис. 3.8. Химическое
строение кремнийорга-
нического каучука
66
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Однако изготовленные из них детали дороже, чем при использова-
нии эпоксидных, полиэфирных и других органических полимеров.
Все высокомолекулярные углеводородные материалы как
диэлектрики слабополярны и отличаются незначительной гигроско-
пичностью.
Часто применяемые в РЭС органические изоляционные мате-
риалы включают синтетические смолы, компаунды, лаки, лакоткани,
пластмассы, слоистые пластики, эластомеры.
СМОЛЫ
К смолам относится обширная группа электроизоляционных
материалов, представляющих собой сложные смеси высокомолеку-
лярных органических веществ. Применяемые в РЭС смолы принад-
лежат главным образом к синтетическим и полимеризационным.
Свойства синтетических смол приведены в табл. 3.4.
Исходным сырьем для получе-
н н н н	ния полиэтилена является этилен
1111	С2Н4 (газообразный ненасыщенный
?	— углеводород с одной двойной валент-
н н н н	ной связью углерода типа С = С в мо-
лекуле). Его химическая структура:
Рис. 3.9. Химическое строение н2С = СН2. Продукт полимеризации -
полиэтилена	твердый полиэтилен, имеющий в
идеализированном виде цепочную
структуру (рис. 3.9).
Реально строение молекулы сложнее, поскольку имеются еще,
хотя и в малом количестве, боковые ответвления (типа - СН3; - С2Н5
и др.). В разновидностях полиэтилена в составе карбонильных групп
(типа С = О) присутствует кислород.
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) получают полимери-
зацией этилена при высоком давлении и температуре около 200°С,
причем в качестве катализатора вводится незначительное количест-
во кислорода. Несколько позже было освоено производство поли-
этилена низкого давления (ПЭНД) с катализатором в виде смеси
хлористого титана с одним из кремнийорганических соединений.
Полиэтилен различных типов после очистки от следов катали-
заторов широко используется в производстве радиочастотных, низ-
кочастотных и силовых кабелей, выпускается в виде пленок, лент,
прутков и др. Полиэтилен под воздействием тепла (не выше 90°С)
и света при доступе воздуха имеет склонность к старению, сопрово-
ждающемуся снижением механической прочности и электрических
характеристик. Для повышения нагревостойкости и замедления ста-
рения полиэтилен подвергают воздействию ионизирующего излуче-
ния, которое способствует образованию пространственной структуры
Элементоор- ганические	Органические							Типы синте- тических смол
Т ермореактивные				Т ермопл астичные				
Полярные						Неполярные		
Кремнийор- ганическая	Поли- эфирная	Фенолфор- мальдегид- ная	Эпоксидная	Полиме- тилметак- рилат	Поливи- нилхлорид	Полистирол	Полиэтилен	Смола
180...220	110...150	105...120	120...140	70...90	60...70	70...80	80...90	о В О X
0,08	0,3	0,13...0,25	0,2	0,3	0,1	0,1	0,3...0,4	ктп, Вт/(м °C)
10...11	8...10	4...7	6,0...6,5	10...13	5...8	6...8	16...18	ТКЛР, 10"5-1/°С
1О12...1О14	1О11...1О14	1О11...1О12	10’2...1013	1О11...1О12	1013...1014	10,4...1015	1О13...1О15	р. Омм
3,5...5	3...4,5	5...6,5	3...4	3...4	3...5	2,4...2,6	2,3...2,4	
100...300	20...200	100..1000	100...300	150...350	3...30	1...5	1...5	tg 3, ю-4
15...25	15...25	10...20	20...80	15...20	15...20	20...35	15...20	ЕпР. МВ/м
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
68
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
за счет частичного «сшивания» цепей его молекул благодаря нали-
чию в материале небольшого количества двойных углеродных свя-
зей. Облучению подвергаются уже отформованные детали. Облу-
ченный в деформированном состоянии полиэтилен при умеренном
нагреве способен восстанавливать свою форму и размеры, прису-
щие детали до облучения. Такое явление используется для гермети-
зации жгутов РЭС - после монтажа и подогрева изоляция плотно
обжимает находящиеся внутри проводники.
Поставляется в виде порошка, гранул, пленки, листов, прут-
ков, профилей. Применяется для изготовления механически нена-
груженных деталей электроизоляционного и антикоррозионного
назначения.
Полипропилен - полимер пропилена имеет химическую
структуру, показанную на рис. 3.10. Полипропилен обладает вы-
сокой эластичностью, относительной теплостойкостью. Поставля-
ется в виде гранул, листов, профилей, пленки, волокон, тканей.
Применяется в качестве материала деталей электроизоляционно-
го и антикоррозионного назначения, диэлектрика пленочных кон-
денсаторов.
Полистирол получают полимеризацией стирола. Имеет хими-
ческую структуру, приведенную на рис. 3.7. Поставляется в виде
гранул, листов, блоков, пленки, профилей. Применяют для изготов-
ления элементов электроизоляционного назначения в конструкциях
РЭС (включая СВЧ устройства), деталей световодов, оптических
линз. Полистирольная пленка используется при изготовлении кон-
денсаторов.
Поливинилхлорид является продуктом полимеризации газооб-
разного винилхлорида Н2С = CH - CI (фактически представляющего
собой этилен, в молекуле которого один атом водорода замещен
атомом хлора). Химическая структура (рис. 3.11) имеет некоторую
асимметрию за счет атомов CI и относится к группе полярных ди-
электриков. Этот электроизоляционный материал, благодаря хоро-
шим электрическим свойствам, химической стойкости, гидрофобно-
сти, эластичности (достигается добавлением пластификаторов), ши-
роко используется для изоляционных оболочек монтажных проводов
и кабелей различного назначения.
нсн3 нсн3
— с-с—с-с —
N I !
Н СН3 Н СН3
Рис. 3.10. Химическая
структура
полипропилена
н н н н
I I I !
—с-с—с-с—
I I I I
Н CI Н CI
— с-с—с-с —
I I I I
F F F F
Рис. 3.11. Химическая
структура
поливинилхлорида
Рис. 3.12. Химическая
структура
фторопласта
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
69
Полиметилметакрилат (называемый также органическим
стеклом) получают полимеризацией метилового эфира метакрило-
вой кислоты. По диэлектрическим свойствам проявляется как поляр-
ный материал. По своей светопрозрачности, механической прочно-
сти (в частности, ударопрочности), простоте технологической обра-
ботки превосходит минеральные стекла. Поставляется в виде гранул
и листов. Применяется для изготовления механических элементов
конструкции РЭС.
Политетрафторэтилен (фторопласт) содержит в своем со-
ставе химически активный фтор F, придающий высокую электриче-
скую прочность. Получают полимеризацией тетрафторэтилена
F2C = CF2, являющегося модифицированным этиленом, в молеку-
ле которого все атомы водорода замещены активным фтором (рис.
3.12).
Фторопласт по электроизоляционным параметрам является
лучшим из известных диэлектриков (на частотах вплоть до 1О10 Гц),
обладает самой высокой для органических материалов нагревостой-
костью, холодостойкостью (для тонких пленок до - 100°С), химиче-
ской стойкостью, не горит (без плавления переходит в токсичное га-
зообразное состояние), негигроскопичен, не смачивается водой
и другими жидкостями. Однако он относительно мягок, склонен к хо-
лодной текучести под действием статического механического уси-
лия, технология его производства относительно сложна, трудно под-
дается склеиванию (для склеивания необходим определенный уро-
вень адгезии поверхности фторопласта, которая может быть достиг-
нута активацией с помощью тлеющего разряда в вакууме, создаю-
щий губчатую структуру поверхностного слоя).
Фторопласт поставляется в виде порошка для спекания, а так-
же в виде пленки, волокон, труб, пластин, прутков. Применяется для
изоляции проводов и токоведущих деталей ВЧ и СВЧ устройств;
в композиции со стекловолокном применяется для изготовления пе-
чатных плат СВЧ. Конденсаторная фторопластовая пленка произво-
дится толщиной 8...40 мкм (р = 1017 Ом-м; на 1 МГц £ = 1,8...2,2;
tg б = 0,3-10"3; Епр> 200 кВ/мм).
Поликарбонат - синтетический полимер с общей формулой
[-О- R- О- СО- О - R-]п, где R- радикал двухатомного фенола
С6Н5ОН, обладающий прозрачностью, высокой механической проч-
ностью, тепло-, водо-, кислото-, масло-, жиростойкостью (диапазон
рабочих температур - 6О...+13О°С; р = 10 ...1016 Ом-м; на 1 МГц
£ = 2,8...3,0; tg б = 5-Ю"3... 0,7-Ю"3). Применяется в виде пленки для
электроизоляции и малогабаритных термостабильных пленочных
конденсаторов.
70
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ
В современных разработках РЭС с успехом применяются та-
кие электропроводящие композиции, как клеи, цементы, пасты,
эмали, эластомеры и пластмассы. При сопоставлении с металли-
ческими проводниками можно обнаружить их высокую стойкость
к коррозии, хорошую технологичность, доступную цену.
Электропроводящие клеи, цементы, пасты применяются в
РЭС при электрическом монтаже для получения электрических со-
единений в схемах, для восстановления проводников печатных
плат, для механического крепления бескорпусных компонентов
в гибридных интегральных схемах и микросборках, для экраниро-
вания высокочастотного излучения и надежного заземления, при
монтаже выводов термочувствительных полупроводниковых при-
боров и др. С применением таких материалов удается получить
хорошее механическое соединение с низким переходным электри-
ческим и тепловым сопротивлениями.
Для достижения высокой электропроводности необходимо по-
лучить в материале цепочечную структуру из частиц металла или
сажи. Например, токопроводящие клеи типа «контактол» обеспечи-
вают поверхностное сцепление не менее 10 МН/м2 при удельном
электрическом сопротивлении не более (l.-.S^IO"6 Ом-м, способны
быстро полимеризироваться при невысокой температуре, сохраняя
электропроводность в достаточно широком диапазоне температур.
Эмали типа ХС-928, АС-588 применяют для изготовления экранов,
антистатических покрытий и заземлений.
ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИИ
При наличии микроскопических газонаполненных ячеек в теле
полимерного материала (взаимно отделенных тонкой пленкой поли-
мера) он приобретает стабильные жесткие или эластичные свойства
с высокой механической прочностью, теплостойкостью, малой элек-
тропроводностью, способностью к изготовлению амортизационных,
тепло- и звукоизоляционных деталей. Их получают на основе стекол,
керамики, резин, каучуков, полистирола, полиэтилена и других с на-
полнением воздухом, азотом или углекислым газом.
Пенопласт состоит из ячеек, разделенных пленкой полимера
и не сообщающихся между собой.
Поропласт обладает ярко выраженной открытой пористой
структурой и состоит из сообщающихся между собой микроскопиче-
ских ячеек, которые придают материалу газо- и влагопроницаемость.
Газонаполненным материалам присущи: небольшая плот-
ность, плавучесть, устойчивость к маслам и бензину, высокие меха-
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
71
нические демпфирующие1 * (виброгасящие) свойства. Пенопластам
свойственна радиопрозрачность для электромагнитных полей, что
с успехом используется при изготовлении обтекателей антенн, ра-
диопрозрачных перегородок, решетчатых зеркал, линзовых антенн и
отражателей, а также для герметизации узлов РЭС путем заливки.
Однако электрическая прочность пенопластов невысока и близка
к прочности воздуха. К пенопластам относятся пенополистирол, пе-
нополиэтилен, пенополивинилхлорид, кремнийорганический пено-
пласт, пенополиэпоксид, пеностекло и др. К поропластам - жесткий
и полужесткий пенополиуретан и др.
АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ
Термореактивный полимер, армированный стекловолокном,
называют стеклопластиком (например, стеклотекстолит). Стекло-
ткань покрывают равномерным слоем полимера и высушивают для
испарения растворителя. В процессе горячего прессования проис-
ходят распределение полимера по объему листа и его выдержка до
застывания.
Основным материалом производства плат печатного монтажа
является фольгированный электроизоляционный материал в виде
плоских листов, лент или пленки, на которые наклеена (или осажде-
на электролитически) с одной или двух сторон металлическая фоль-
га. Фольгированный стеклотекстолит (например, СФ-1, СФ-2) ис-
пользуется (диапазон рабочих температур -6О...+12О°С; р = 1,5-1012
Ом м; на 1 МГц е= 5,2; tg б= 20-10-3) для изготовления печатных плат
повышенной влагостойкости, теплостойкости, стабильными электри-
ческими свойствами. Для диапазона СВЧ применяются фольгиро-
ванный фторопласт-4, ФФ-4 (диапазон рабочих температур -
6О...+25О°С; на 1 МГц е = 2,1; tg б = 2-10-4) и полиэтилен низкого
давления (диапазон рабочих температур - 6О...+8О°С на 1 МГц
е = 2,35; tg б = 1-Ю”3).
В процессе производства печатных плат на материал подлож-
ки воздействуют различные химически активные вещества (травя-
щие и моющие средства, соли влажной среды), которые могут вы-
звать набухание и загрязнение поверхности подложки, коррозию
проводников. Поэтому платы тщательно очищают и сушат. Для пре-
дупреждения загрязнения в период эксплуатации платы печатного
монтажа покрывают окунанием несколькими слоями влагостойкого
лака (например, лаками СБ-1 С, Э4100, АК-546) или эластичными
компаундами.
1 Демпфирование - принудительное снижение амплитуды колебаний механи-
ческой системы или электрических колебаний в электрических цепях.
72
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ ПОЛИМЕРЫ
С помощью полимерных материалов можно осуществить гер-
метизацию компонентов РЭС (резисторов, конденсаторов, транзи-
сторов и др.), а также узлов и небольших блоков.
Пропиточные компаунды (например, типа МБК), состоящие
обычно из поликонденсатных смол, отвердителя и пластификатора,
позволяют достигнуть достаточно эффективного заполнения газовых
пор и пустот в защищаемом изделии.
Заливка создает относительно толстый изоляционный слой,
что исключает возможность замыканий проводников при интенсив-
ных механических воздействиях ударов, вибраций, линейных уско-
рений. Герметизация заливкой позволяет использовать в составе
защищаемого изделия негерметизированные компоненты, что сни-
жает габаритные размеры, массу и стоимость. Однако при заливке
возрастают диэлектрические потери на высоких частотах, паразит-
ные емкостные связи между проводниками, слабеет теплообмен из-
делия с окружающей средой, возникают внутренние механические
напряжения компаунда (особенно при ошибках размещения компо-
нентов в изделии). Острые углы деталей должны скругляться, чувст-
вительные к деформациям компоненты (например, сердечники из
ферритов и пермаллоя, микромодули, микропровода) должны пред-
варительно покрываться демпфирующими составами или защи-
щаться кожухом. Для заливки разработаны эластичные и неплавкие
компаунды УП-592, КМ-9, КМ-79, пенокомпаунды типа пенополиуре-
тана ПУ, ППУ, пенополиэпоксиды ПЭ, кремнийорганические пено-
компаунды ВПГ.
ПРЕСС-МАТЕРИАЛЫ
Изделия сложной геометрической конфигурации могут быть
изготовлены высокопроизводительными методами прессования и
литьем под давлением. С этой целью выпускается широкая номенк-
латура пресс-материалов.
Основой пресс-материала является смола с наполнителем
(например, в виде асбестового порошка или стекловолокна). Одним
из наиболее распространенных пресс-материалов являются фено-
лоформальдегидные смолы (фенопласты), получаемые в результа-
те конденсации в присутствии катализатора водного раствора фено-
ла С6Н5ОН с формалином (водным раствором формальдегида
СН2О). Поставляются в виде пресс-порошка (например, пресс-
порошки марок К-21-22; К-211-2; К-211-4; АГ-4 и др.), состоящие из
связующего вещества с отвердителем, наполнителем, пигментами,
красителями, пластификаторами.
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
73
Конструкционные детали, полученные прессованием из фено-
пластов, отличаются стабильностью механических и электрических
свойств во время эксплуатации РЭС.
* * *
Полимерные материалы позволяют разрешить многие слож-
ные проблемы, возникающие при разработке и изготовлении компо-
нентов и конструкции РЭС. Например, применение кремнийоргани-
ческих композиций и эпоксидных смол для герметизации интеграль-
ных схем, транзисторов, полупроводниковых диодов дало возмож-
ность не только заменить стеклянный и металлостеклянный корпус
на пластмассовый, но и снизить в несколько раз стоимость компо-
нентов за счет автоматизации процессов их сборки и герметизации.
3.6.	Пьезоэлектрические материалы
К пьезоэлектрическим материалам относятся кристаллические
и поликристаллические вещества (естественного происхождения и
синтетические) с ярко выраженным пьезоэффектом, заключающим-
ся в появлении электрических зарядов разного знака на противопо-
ложных гранях кристаллов при их механической деформации (сжа-
тии, растяжении, изгибе, кручении) вследствие поляризации. Обрат-
ный пьезоэффект состоит в том, что приложение к пластине посто-
янного напряжения вызывает в ней деформацию (при подаче на-
пряжения переменного тока пластина колеблется с частотой тока).
Часто пьезоэлектрики называют активными диэлектриками и приме-
няют в датчиках давления и смещения (прямой пьезоэффект) и
кварцевых резонаторах для стабилизации частоты колебаний гене-
раторов радиочастоты (обратный пьезоэффект).
Встречающийся в природе минерал кварц SiO2 (горный хру-
сталь) имеет большие полупрозрачные кристаллы с шестью боко-
выми гранями и шестигранными пирамидами сверху и снизу, у кото-
рого различают электрические и оптические оси. Три электрические
оси х проводят через вершины поперечного шестиугольного сече-
ния кристалла (рис. 3.13), три механические оси у проводят пер-
пендикулярно сторонам шестиугольника, а оптическую ось z прово-
дят через вершины пирамид. Электрические свойства кварца зави-
сят от направления кристаллографической оси (например, вдоль
оптической оси z кварц характеризуется р =1012 Ом-м; £ = 4,6;
tg б = 0,3-10~3, а в направлении осей х и у р = 1014 Ом-м; £ = 4,4;
tg б = 0,2-10~3). Из природного кристалла вырезают пластины, ребра
которых параллельны, соответственно, механическим, электрическим
и оптической осям, а затем шлифуют. На противолежащие поверхно-
сти кварцевых пластин осаждением наносят металлические (часто
серебряные) электроды. Для стабилизации пьезоэлектрических
74
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
свойств кварцевые пластины подвергают выдержке при повышенной
температуре.
Рис. 3.13. Монокристалл кварца с изображением оптической оси z,
электрических осей х и механических осей у
Специфическим пьезоэлектриком является сегнетова соль
C4H4O6KNax4H2O, еще называемая сегнетоэлектриком, у которой пье-
зоэффект обнаруживается только при кручении пластины вдоль одной
кристаллографической оси. Значения диэлектрической проницаемости
достигают нескольких тысяч и зависят от приложенного к пластине
напряжения (и только ниже температуры Кюри Тк= -18...-22°С).
Керамические сегнетоэлектрики титанат бария ВаТЮ3 (Тк =
= 133°С) и ниобат лития LiNiO3 (Тк= 1210°С) отличаются механиче-
ской прочностью и высокой нагревостойкостью. Сегнетоэлектрики
используются как диэлектрик малогабаритных низкочастотных кон-
денсаторов на небольшие напряжения, в пьезоэлектрических излу-
чателях, приемниках ультразвука, в нелинейных оптических систе-
мах и др.
3.7.	Электретные материалы
Электретами называются твердые диэлектрические материа-
лы, которые способны длительно сохранять свое поляризованное
состояние (заряд) после устранения внешнего воздействия, вызвав-
шего поляризацию, и создающие вокруг себя электрическое поле
(подобно тому, как постоянный магнит создает постоянное магнит-
ное поле).
Электреты применяются в электретных микрофонах, телефо-
нах, датчиках вибрации, маломощных генераторах сигналов, элек-
тростатических вольтметрах, дозиметрах, запоминающих устройст-
вах, барометрах, гигрометрах и др.
Остаточная поляризация сохраняется в кристаллах таких ма-
териалов в результате ориентации в поле квазидиполей (по две ва-
кансии противоположных знаков) или за счет скопления носителей
зарядов вблизи электродов, создающих поле. При изготовлении
электретов носители зарядов могут переходить в материал из элек-
тродов или из межэлектродного промежутка. Носители зарядов мо-
3. Электроизоляционные (диэлектрические) материалы
75
гут быть созданы также с помощью облучения диэлектрического ма-
териала электронным пучком.
Термоэлектреты получают нагреванием материала с после-
дующим охлаждением в сильном электрическом поле; фотоэлектре-
ты - освещая в сильном электрическом поле; радиоэлектреты - об-
лучая радиоактивным излучением; электроэлектреты - поляризаци-
ей без нагревания в сильном электрическом поле; криоэлектреты -
при застывании органических растворов в электрическом поле; ме-
ханоэлектреты - механической деформацией полимеров; трибо-
электреты - трением полимера; короноэлектреты - действием поля
коронного разряда. В результате перечисленных воздействий элек-
треты приобретают стабильный поверхностный заряд. Для изготов-
ления электретов применяют диэлектрики с большим удельным
объемным электрическим сопротивлением: например, полимеры
(политетрафторэтилен, поликарбонат, полиметилметакрилат), кера-
мика (титанат магния, титанат кальция).
Контрольные вопросы
1.	Приведите классификацию электроизоляционных материалов.
2.	Назовите особенности строения электроизоляционных материалов.
3.	Расскажите об основных электрических свойствах электроизоляцион-
ных материалов.
4.	Какие свойства электроизоляционных материалов относят к физико-
химическим?
5.	Назовите основные виды неорганических электроизоляционных мате-
риалов.
6.	Назовите основные виды органических электроизоляционных материа-
лов.
7.	Какие материалы можно отнести к группе пьезоэлектрических?
8.	Какие свойства электретных материалов используют в электронике?
4.	МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Магнитными называются материалы (вещества), способные
под действием внешнего магнитного поля приобретать специфиче-
ские свойства.
Магнитные свойства вещества определяются природой
атомных носителей магнетизма и видом их взаимодействия. В зави-
симости от внешних условий одно и то же вещество может обладать
различными магнитными свойствами. Источником магнетизма веще-
ства являются внутримолекулярные и внутриатомные электрические
токи. Элементарным источником магнетизма вещества считают
замкнутый (круговой) ток, который возникает за счет орбитального
вращения электрона в атомах и вращения электрона вокруг своей
оси (электронный спин). Основной величиной, характеризующей
магнитные свойства вещества, является магнитный момент - про-
изведение тока замкнутого контура и его площади. Магнитным мо-
ментом обладают элементарные частицы, атомное ядро, электрон-
ные оболочки атомов и молекул.
Следует отметить, что разделение веществ на металлы, полу-
проводники и диэлектрики является относительным, поскольку спра-
ведливо лишь при отсутствии значимых внешних воздействий, напри-
мер, магнитных полей. В сильном магнитном поле одно и то же веще-
ство может быть и металлом, и диэлектриком, и полупроводником.
Магнитные моменты атомов определяются, в основном, спи-
новыми и орбитальными моментами электронов. Магнитное состоя-
ние кристалла определяется средним значением результирующего
момента всех взаимодействующих его частиц, который, будучи от-
несен к единице объема тела, характеризует намагниченность ве-
щества.
4.1.	Виды магнитных материалов и их классификация
Все материалы по магнитным свойства классифицируются на
слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные
(ферромагнетики и ферриты).
Диамагнетик - вещество, способное слабо намагничиваться
во внешнем магнитном поле напряженностью Н в направлении, про-
тивоположном направлению Н (навстречу полю). В отсутствие
внешнего магнитного поля это вещество немагнитно. К диамагнети-
кам относятся, например, кремний Si, фосфор Р, цинк Zn, медь Си,
золото Аи, серебро Ад, а также многие органические и неорганиче-
ские соединения. Образец диамагнетика в однородном магнитном
4. Магнитные материалы
77
поле ориентируется перпендикулярно силовым линиям поля, а в не-
однородном поле - выталкивается в направлении уменьшения
напряженности поля.
Парамагнетик - вещество, способное намагничиваться во
внешнем магнитном поле по направлению поля. В отсутствие поля -
вещество немагнитно. Атомы и ионы такого вещества обладают соб-
ственным магнитным моментом, но их ориентация в пространстве
хаотична. Под действием внешнего магнитного поля магнитные мо-
менты ориентируются преимущественно по направлению поля, в ре-
зультате чего вещество приобретает намагниченность, пропорцио-
нальную напряженности поля. Образец парамагнитного вещества
притягивается к полюсам магнита (диамагнитные - отталкиваются).
Однако магнитная структура вещества не сохраняется при устране-
нии внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся, напри-
мер, алюминий AI, титан Ti, ванадий V.
Ферромагнетик - кристаллическое вещество (каждый из до-
менов которого характеризуется отличным от нуля магнитным момен-
том), имеющее магнитоупорядоченное состояние (ферромагнитный
порядок) при температурах ниже точки Кюри 0, при котором происхо-
дит параллельная ориентация атомных носителей магнитных момен-
тов. Среди химических элементов ферромагнитны: железо Fe, ко-
бальт Со, никель Ni и некоторые редкоземельные элементы.
В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитный об-
разец разбит на магнитные домены (области однородной намагни-
ченности), которые в простейшем случае представляют собой чере-
дующиеся слои с взаимно противоположными направлениями на-
магниченности. Таким образом, ферромагнетики имеют самопроиз-
вольную (спонтанную) намагниченность без приложения внешнего
магнитного поля. Однако направления магнитных моментов отдель-
ных монокристаллов - различны, поэтому результирующий магнитный
момент всех доменов в веществе мал. Размеры доменов составляют:
1О-3...1О мм3 при толщине прослоек между ними Ю^.-.Ю"5 мм.
Воздействие внешнего магнитного поля ведет к определенной
ориентации доменов всех монокристаллов и появлению намагни-
ченности вещества. Обнаружено, что монокристаллы ферромагне-
тиков обладают различной восприимчивостью к намагничиванию при
изменении направления внешнего магнитного поля (свойство маг-
нитной анизотропии). Например, у кубического элемента монокри-
сталла железа, имеющего объемно-центрированную кристалличе-
скую решетку (ОЦКР), наибольшей восприимчивостью к намагничи-
ванию обладает направление вдоль ребра куба, а наименьшей -
вдоль диагонали куба (рис. 4.1).
78
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Максимальная
магнитная
Рис. 4.1. Направления магнитной восприимчивости в монокристалле железа
Характерным параметром ферромагнетиков является темпе-
ратура Кюри (точка Кюри) - температура фазового перехода к каче-
ственно новому свойству в этой точке. При температуре ниже точки
Кюри ферромагнетик обладает самопроизвольной (спонтанной) на-
магниченностью и определенной магнитной симметрией кристалла.
При нагреве ферромагнетика и переходе за точку Кюри возрастаю-
щее тепловое движение атомов нарушает существующую магнитную
упорядоченность магнитных моментов атомов и материал фактиче-
ски теряет магнитные свойства. Под воздействием внешнего маг-
нитного поля в магнитном веществе происходят два специфических
явления (рис. 4.2): разворот магнитных моментов доменов в направ-
лении внешнего поля (тем сильнее, чем сильнее поле и выше вос-
приимчивость) и изменение границ между монокристаллами за счет
того, что количество доменов, у которых магнитные моменты имеют
наименьший угол с направлением поля, растет (в пределе - при
воздействии сильного внешнего поля происходит насыщение, т.е.
все домены ориентированы вдоль поля).
Рис. 4.2. Этапы ориентации доменов ферромагнетика под влиянием
внешнего магнитного поля напряженностью Н
4. Магнитные материалы
79
Обнаружено явление магнитострикции - изменение (увели-
чение или уменьшение) линейных размеров ферромагнитных мате-
риалов при их намагничивании. Например, монокристалл железа Fe,
намагниченный вдоль ребра элементарной кубической решетки,
сжимается при неизменной диагонали куба. Наибольшим магнитост-
рикционным эффектом обладает никель Ni.
Феррит - вещество, содержащее сложные окислы железа и
других химических элементов. Феррит сочетает ферромагнитные,
полупроводниковые и диэлектрические свойства. Остов кристалли-
ческой структуры феррита составляют анионы кислорода, в проме-
жутках между которыми располагаются катионы железа и других ме-
таллов. В таком веществе возникает магнитное упорядочение со
значительными уровнями намагниченности и высокими значениями
температуры Кюри.
Поликристаллический феррит получают по технологии произ-
водства керамики. Из исходной смеси окислов прессуют детали не-
обходимой формы, которые затем подвергают спеканию (при темпе-
ратуре 900...1500°С) в газовой среде. Монокристаллический феррит
выращивают на специальных установках. Феррит широко использу-
ется для производства сердечников высокочастотных контуров,
ферритовых антенн, СВЧ вентилей и циркуляторов, небольших по-
стоянных магнитов динамических громкоговорителей и др.
4.2.	Основные характеристики магнитных материалов
Свойства магнитных материалов отражаются в их характери-
стиках, среди которых следует выделить совокупность параметров
намагничивания, перемагничивания и размагничивания, магнитную
проницаемость и ее температурный коэффициент, потери энергии и
некоторые другие.
Важнейшей характеристикой намагниченности ферромагнети-
ков является зависимость электромагнитной индукции1 В [Тл] от на-
пряженности внешнего магнитного поля Н [А/м] (рис. 4.3), которая
характеризует протекание процесса намагничивания ферромагнит-
ного материала и имеет близкий по форме вид для всех ферромаг-
нетиков.
При увеличении напряженности магнитного поля Н процесс
намагничивания ферромагнитного материала сначала происходит
достаточно быстро, а затем замедляется и потом почти не изменя-
ется.
1 Электромагнитная индукция - возникновение электродвижущей силы (эдс)
в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или передвигае-
мом в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызываемый этой эдс, назы-
вается индукционным.
80
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 4.3. Зависимость магнитной
индукции железа В от напряженно-
сти магнитного поля Н
Рис. 4.4. Начальный участок кривой
намагничивания и петля гистерезиса
Величина Bs, называемая индукцией насыщения, измеряется
в Теслах [Тл]1. При снижении напряженности Н магнитная индукция
также уменьшается, но, начиная с уровня Вм, значения индукции не
совпадают со значениями этой характеристики на начальной кривой
намагничивания (рис. 4.4). В отсутствие внешнего магнитного поля
материал приобретает остаточную индукцию Вг, которая может
быть удалена включением внешнего магнитного поля противопо-
ложного направления. Напряженность магнитного поля Нс, при ко-
торой индукция материала снижается до нуля, носит название коэр-
цитивной силы.
Энергия, затрачиваемая на перемагничивание за один цикл
единицы массы ферромагнитного материала, носит название удель-
ных потерь энергии на гистерезис РН1 [Вт/кг]. Она зависит от частоты
перемагничивания, значения максимальной индукции Вм и опреде-
ляется площадью петли гистерезиса (чем больше площадь, тем вы-
ше потери). Перемагничивание материала переменным магнитным
полем вызывает рост площади петли динамического гистерезиса,
поскольку дополнительно возникают потери на вихревые токи и маг-
нитное последействие (определяемое магнитной вязкостью). Вихре-
вые токи тем меньше, чем выше удельное электрическое сопротив-
1 Тл - единица измерения магнитной индукции (названа в честь физика Нико-
лы Тесла ), равная магнитной индукции однородного магнитного поля, в котором на
плоский контур с током, имеющий магнитный момент 1 А м2, действует максимальный
вращающий момент, равный 1 Н-м.
4. Магнитные материалы
81
ление ферромагнетика. Потери на гистерезис за много циклов Рн
при частоте тока f и объеме материала V составляет Рн = PH1fV.
Другой важной характеристикой является относительная маг-
нитная проницаемость цг, численно пропорциональная в каждой
точке кривой намагничивания отношению магнитной индукции В к
напряженности магнитного поля Н (крутизне кривой) с учетом маг-
нитной постоянной ц0 = 4л-10"7 [Гн/м]:
М'-В'Й»Н [(Гн/мХА/м)_ 
В начальной области кривой намагничивания для слабых по-
лей (при напряженности поля Н менее 0,1 А/м) магнитную прони-
цаемость обозначают ргн. Максимальную магнитную проницаемость
обозначают цгтах, которой соответствует участок кривой намагни-
чивания с максимальной крутизной. Таким образом, цгзависит от
напряженности магнитного поля (рис. 4.5).,
Магнитная проницаемость ферромагнетиков существенно за-
висит от температуры, достигая максимальных значений чуть ниже
температуры Кюри 0К (рис. 4.6), при которой происходит скачкооб-
разное фазовое превращение (переход) и приобретение веществом
качественно новых свойств (при температурах выше0к материал
вследствие интенсивного теплового движения атомов и молекул
полностью теряет свойства ферромагнетика). У чистого железа тем-
пература Кюри составляет0Fe = 770°С, никеля 0Nj= 358°С, кобальта
Рис. 4.5. Зависимости магнитной
проницаемости р от напряженности
магнитного поля Н
(1 - пермаллой; 2 - чистое железо)
Рис. 4.6. Зависимость магнитной
проницаемости р от температуры 0
82
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКцг
является функцией температуры магнитного материала:
ТКи = 1 дИг [1/°С].
r Hr(t°)dt°
4.3.	Классификация магнитных материалов
Ферромагнетики по величине Нс (коэрцитивной силы1) клас-
сифицируются на магнитно-мягкие (малая напряженность Нс раз-
магничивающего магнитного поля) и магнитно-жесткие (значитель-
ная напряженность Нс размагничивающего магнитного поля) мате-
риалы.
К магнитно-мягким относят магнитные материалы с малой ко-
эрцитивной силой (менее 4000 А/м), но значительными величинами
начальной цгн и максимальной цгтах магнитной проницаемости. Эти
магнитные материалы легко перемагничиваются, имеют малые по-
тери на гистерезис (им соответствует узкая петля гистерезиса).
В существенной степени магнитные свойства магнитно-мягких
материалов зависят от уровня искажений кристаллической решетки
и чистоты их химического состава (к наиболее вредным примесям
относятся углерод С, фосфор Р, сера S). Чем меньше искажений
и примесей, тем меньше коэрцитивная сила Нс и выше проницае-
мость ргн и Mrmax.
К магнитно-жестким относят магнитные материалы с большой
коэрцитивной силой (более 4000 А/м) и значительной остаточной
индукцией Вг (более 0,1 Тл). Такие материалы, обладая широкой
гистерезисной петлей, с трудом намагничиваются, а будучи намаг-
ниченными, могут достаточно долго служить источником постоянно-
го магнитного поля.
По своему строению любой из магнитных материалов относит-
ся к одному из типов: металлических, неметаллических и магнитоди-
электрических материалов.
К магнитным металлам относятся: железо Fe, кобальт Со, ни-
кель Ni, а также многочисленные сплавы на основе этих металлов.
К неметаллическим - ферриты, к магнитодиэлектрикам - компози-
1 Коэрцитивная сила (одна из характеристик магнитного гистерезиса) - на-
пряженность Нс магнитного поля, при которой размагничивается первоначально на-
магниченный до насыщения образец ферромагнетика. Величина этой силы зависит от
факторов, препятствующих перемагничиванию (например, наличия примесей, дефек-
тов в кристаллической решетке, окружающей температуры).
4. Магнитные материалы
83
ционные материалы на основе порошка одного из магнитных мате-
риалов и диэлектрика, изолирующего друг от друга зерна магнитного
материала. Ферриты и магнитодиэлекгрики обладают настолько
большим удельным электрическим сопротивлением (р = 102...108
Ом-м), что вихревые токи весьма малы. Это свойство позволяет ис-
пользовать их в цепях высоких частот, а также при изготовлении де-
талей элементов СВЧ устройств.
4.4.	Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-мягкие материалы используются в качестве сердеч-
ников катушек индуктивности колебательных контуров РЭС, сердеч-
ников трансформаторов, реле и пр. Для снижения потерь на вихре-
вые токи в силовых трансформаторах и дросселях вторичных источ-
ников питания применяют магнитно-мягкие материалы с повышен-
ным удельным электрическим сопротивлением (с этой целью, на-
пример, магнитопровод трансформатора изготавливают из отдель-
ных электрически изолированных тонких листов электротехнической
стали).
Основным магнитно-мягким материалом широкого применения
в электротехнических изделиях является кремнистая электротех-
ническая сталь, которая при введении кремния Si приобретает по-
вышенные (по сравнению с низкоуглеродистой электротехнической
сталью) значения удельного электрического сопротивления, началь-
ной магнитной проницаемости, а также пониженную коэрцитивную
силу и потери на гистерезис.
К группе магнитно-мягких материалов относится особо чистое
(количество примесей менее 0,05%) железо, одним из способов по-
лучения которого служит термическое разложение пентакарбонила
железа с выделением газа: Fe(CO)5= Fe + 5СО. В результате реак-
ции получают весьма мелкий порошок так называемого карбониль-
ного железа, используемого в дальнейшем для прессования высо-
кочастотных сердечников разнообразной формы.
Железо-никилевые сплавы (получившие название пермал-
лой) имеют весьма большую начальную магнитную проницаемость
в области слабых магнитных полей. Они используются для созда-
ния высокочувствительных реле, сердечников малогабаритных си-
ловых трансформаторов, импульсных трансформаторов, магнит-
ных экранов, бесконтактных реле. Однако свойства пермаллоев
существенно зависят от рабочей частоты и внешних механических
воздействий.
Сплавы железа с кремнием и алюминием называют альсифе-
рами. Из них могут быть изготовлены фасонные детали магнитных
цепей, не уступающие по своим свойствам пермаллою.
84
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Ферриты, в зависимости от особенностей их получения, могут
быть магнитно-мягкими и магнитно-жесткими. Ферриты являются
сложными оксидными веществами, имеющими доменную структуру.
Общая формула ферритов: MeO-Fe2O3, где Me - символ входящего
двухвалентного металла (никеля Ni, цинка Zn или железа Fe). Про-
мышленно производимый феррит имеет структуру твердого раство-
ра нескольких соединений (их еще называют оксиферами). Напри-
мер, никель-цинковый феррит имеет состав:
m NiO Fe2O3+ n ZnO Fe2O3 + p FeO Fe2O3,
где m, n, p - коэффициенты пропорциональности.
Ферритовые детали изготавливают из ферритового порошка
(обожженной мелкоизмельченной смеси оксидов), заливаемого пла-
стификатором (например, поливиниловым спиртом1), путем прессо-
вания под большим давлением и
Рис. 4.7. Детали магнитопроводов,
изготовленные из ферритов
дальнейшего обжига при темпе-
ратуре 900...1500°С на воздухе
или в специальной газовой среде.
Происходит спекание и образо-
вание твердого раствора с усад-
кой до 20%. После такой обра-
ботки ферритовые детали уже не
могут обрабатываться механиче-
ски (только шлифовкой). Некото-
рые виды деталей из феррита
показаны на рис. 4.7.
Большая часть ферритов относится к магнитно-мягким материа-
лам. Частотный диапазон преимущественного использования ферри-
тов различных химических составов (марганец-цинковых, никель-
цинковых, литий-цинковых, магний-цинковых) представлен на рис. 4.8.
Если при использовании ферритов превышен верхний частот-
ный предел, то наблюдается достаточно резкий рост потерь всех ви-
дов, который может оцениваться тангенсом угла магнитных потерь:
tg5“=i’
где г - эквивалентное сопротивление магнитных потерь; L - индук-
тивность тороидальной катушки, у которой сердечник изготовлен из
данного магнитного материала (в предположении незначительности
омического сопротивления обмотки и ее собственной паразитной
емкости).
1 Поливиниловый спирт - синтетический полимер белого цвета, размягчаю-
щийся с разложением при 22О...23О°С, хорошо растворим в воде, устойчив к действию
большинства органических растворителей, применяется для получения пленок, воло-
кон, а также как загуститель растворов.
4. Магнитные материалы
85
Рис. 4.8. Частотные области использования ферритов различных типов
Таблица 4.1. Магнитные и электрические свойства некоторых
типов ферритов
Марка	^гн	^ГМАХ	нс, А/м	Вг, Тл	frP . МГц	Точка Кюри, °C, не ниже	Р. Омм
20000НМ	15 000	35 000	0,24	0,11	0,1	110	10'3
1000НМ	800... 1200	1800	28	0,11	5	200	0,5
100ВЧ	80...120	280	300	0,15	80	400	10“
300НН	280...350	600	80	0,13	20	120	10“
9ВЧ	9...13	30	1500	0,06	600	500	ю7
Различные производители маркировку ферритов осуществля-
ют по-разному (табл. 4.1). Например, отечественные марки ферри-
тов могут иметь обозначение: 2000НМ, 600НН, 100ВЧ (здесь цифра
указывает начальную магнитную проницаемость; буква Н после
цифры - обозначает низкочастотный феррит; вторая буква после
цифры - основной магнитный металл в составе материала: М - мар-
ганец, Н - никель; ВЧ - высокочастотный феррит от 50 до 600 МГц).
Магнитодиэлектриком является магнитный материал, пред-
ставляющий собой твердое вещество, состоящее из мелкоизмель-
ченного магнитного порошка и диэлектрической связки (например,
бакелитовой смолы, полистирола), обладающий высоким электриче-
ским сопротивлением, определяемым типом и количеством связую-
щего компонента. Магнитодиэлектрики могут быть магнитно-мягкими
и магнитно-жесткими материалами. Магнитно-мягкие свойства магни-
86
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
тодиэлектрика возникают в случае использования тонкого порошка
карбонильного железа, молибденового пермаллоя и альсифера. Его
применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности,
дросселей, катушек фильтров в диапазоне частот 104... 108 Гц. Интер-
вал рабочих температур - 60°С...+100...120°С. В отличие от ферри-
тов заготовкам магнитодиэлектрических деталей не требуется высо-
котемпературная обработка, поверхность деталей получается более
гладкой, а размеры деталей более точными.
4.5.	Магнитно-жесткие материалы
Как уже упоминалось, магнитно-жесткие материалы, обладая
широкой гистерезисной петлей и будучи намагниченными, могут
достаточно долго служить источником постоянного магнитного поля.
По составу наиболее употребительные в РЭС магнитно-жесткие ма-
териалы можно подразделить на литые сплавы, магниты, изготов-
ленные из порошков, магнитно-жесткие ферриты, магнитные ленты.
Важнейшими показателями магнитно-жестких материалов яв-
ляются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вг и макси-
мальная отдаваемая магнитная энергия WMAX .
В постоянном магните удельная магнитная энергия между по-
люсами Wd зависит от напряженности магнитного поля в воздушном
зазоре Hd, соответствующей некоторому уровню магнитной индук-
ции Bd:
Wd = —BdHd.
а 2 a a
При некоторых значениях Bd и Hd энергия Wd достигает макси-
мум3 wmax •
К литым магнитно-жестким сплавам относятся тройные
сплавы Al - Ni - Fe, магнитные свойства которых зависят от кри-
сталлографической и магнитной текстуры1. Следует отметить, что
все магнитно-жесткие материалы проявляют наилучшие магнитные
свойства наблюдаются лишь при значительных искажениях их кри-
сталлической решетки.
Для производства порошковых постоянных магнитов исполь-
зуются методы порошковой металлургии - мелкие детали получают-
ся настолько точными, что не требуют механической обработки.
1 Текстура - анизотропная поликристаллическая среда, состоящая из кри-
сталлов или молекул с преимущественным ориентированием (осевым, плоским, пол-
ным), которая образуется при изготовлении вещества и влияет на анизотропию его
магнитных и электрических свойств.
4. Магнитные материалы
87
К магнитно-жестким ферритам относится бариевый феррит
BaO-6Fe2O3, имеющий гексагональную решетку с ярко выраженной
осевой анизотропией. Такие ферриты имеют коэрцитивную силу до
240 кА/м (выше, чем у сплавов Al - Ni), однако остаточная индукция
и магнитная энергия у них несколько ниже.
Бариевые магнитно-жесткие ферриты, в отличие от других по-
добных материалов, устойчивы к механическим воздействиям -
вибрации и ударам. Однако такой феррит хрупок, чувствителен к
температуре (при охлаждении до -60°С необратимо теряет свое
преимущество). Магниты из кобальтового феррита более устойчивы
к температуре, но относительно дороги.
Лента из магнитно-жестких материалов используется для
магнитной записи звука и изображения. С этой целью применяется
металлическая и биметаллическая лента, пластмассовые и целлю-
лозные пленки с нанесенными на их поверхность или введенными
в объем порошкообразными ферритами. Двухслойная магнитная
пленка имеет основой ацетилцеллюлозную ленту, толщиной 35 мкм,
на которую нанесен слой магнитного лака (коэрцитивная сила
6,4...20 кА/м, остаточная индукция 0,8...0,4 Тл, размер зерен
0,1...5 мкм), позволяющий производить запись на относительно низ-
кой скорости. Однослойные магнитные ленты отличаются малыми
собственными шумами, более высокой прочностью на разрыв, но
имеют склонность вытягиваться и обладают сравнительно невысо-
кими магнитными свойствами.
К перспективным магнитно-жестким материалам относятся
ферриты и сплавы редкоземельных металлов церия Се, самария
Sm, иттрия Y.
Магнитно-жесткие магнитодиэлектрики изготавливают из по-
рошка тонкого помола сплавов (Fe - Ni - Al - Си) и (Fe - Ni - Al - Co),
а также ферритов. Хотя магнитные свойства этих магнитодиэлектри-
ков ниже других магнитно-жестких материалов, они находят приме-
нение в приборостроении для изготовления постоянных магнитов
измерительных приборов.
4.6.	Использование магнитных материалов на СВЧ
Невзаимные1, управляемые и частотно-избирательные маг-
нитные устройства широко применяются в технике сверхвысоких
частот 1...100 ГГц (СВЧ). В радиоспектрометрах, радиотелескопах,
в измерительных установках свойств материалов, радиолокации ис-
1 Невзаимность - способность вещества или изделия изменять свои свойства
в зависимости от направления потока энергии или информации.
88
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
пользуются вентили, циркуляторы, фильтры, построенные на основе
свойств магнитных материалов.
В круглом волноводе с продольно намагниченным феррито-
вым стержнем (рис. 4.9, а) могут распространяться волны с круговой
поляризацией и разными направлениями вращения относительно
направления намагничивания при разных фазовых скоростях. На-
правление поворота не зависит от направления распространения, а
определяется только направлением намагничивания (проявляется
свойство невзаимности) - это проявление свойства невзаимности
устройства, содержащего намагниченный (магнитно-жесткий) феррит.
В прямоугольном волно-
>	| н’	воде с поперечно намагничен-
I	ной ферритовой пластиной
(Рис- 4-9, 6) невзаимность об-
л	наруживается в том, что фазо-
вая скорость, затухание и рас-
а	пределение электрического и
магнитного полей по ширине
Рис. 4.9. Волноводы с частичным за- волновода зависят от направ-
полнением магнитно-жестким ферритом ления намагничивания и на-
правления распространения.
В прямоугольном волноводе с ферритовой пластиной (см. рис.
4.9, б) при расположении пластины на расстоянии четверти ширины
волновода от его стенки переменное магнитное поле в пластине
имеет круговую поляризацию с отличающимся вращением поляри-
зации для различных направлений распространения волны.
Самым распространенным невзаимным СВЧ устройством яв-
ляется вентиль. Это устройство вносит малые потери проходящей
СВЧ энергии в одном направлении распространения (например, от
передатчика к антенне) и весьма значительное - во встречном на-
правлении. В вентилях со смещением поля (рис. 4.10) распределе-
ние переменного электрического поля в волноводе с намагниченной
ферритовой пластиной отлича-
ется для разных направлений
распространения. Положение
пластины подбирают таким, что
электрическое поле на ее по-
верхности равно нулю для одно-
го из направлений распростра-
нения. На эту поверхность по-
Рис. 4.10. Ферритовый вентиль мещают поглотитель (например,
со смещением поля
из тонкого слоя металла).
4. Магнитные материалы
89
Циркулятором называется еще одно невзаимное СВЧ устрой-
ство, соединяющее несколько волноводов (рис. 4.11) и передающее
практически всю мощность из волновода 1 в волновод 2, из волно-
вода 2 в волновод 3 и т. д.
а	б
Рис. 4.11. Волноводный (а) и микрополосковый (б) СВЧ циркуляторы
Циркулятор может иметь и другое число плеч, например, так
называемый Y-циркулятор, содержащий симметричное сочленение
трех волноводов относительно намагниченного ферритового эле-
мента (обеспечивает потери в прямом направлении не более 0,5 дБ,
развязка более 20 дБ при полосе частот в несколько десятков про-
центов относительно среднего значения).
Ферритовые СВЧ устройства могут управляться магнитным
полем (возможно управление фазой, амплитудой, поляризацией,
смещением амплитудно-частотной характеристики). К таким устрой-
ствам относится частотно-избирательный фильтр (рис. 4.12), в кото-
ром в качестве резонатора использован магнитно-мягкий феррит.
Частота ферромагнитного резонанса является центральной часто-
той достаточно узкой полосы пропускания фильтра.
Рис. 4.12. Частотно-избирательный
СВЧ фильтр
Обычно применяется же-
лезоиттриевый УзРе5О12 феррит
в виде сферы, окруженной вит-
ками связи с коаксиальными
волноводами. На частотах, дале-
ких от резонанса, входной и вы-
ходной волноводы «развязаны»,
поскольку переменное магнитное
поле, создаваемое током вход-
ного витка, вызывает в феррите
переменную намагниченность, линейно поляризованную в направ-
лении, перпендикулярном к переменному магнитному полю выход-
90
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ного витка. В области ферромагнитного резонанса переменная на-
магниченность феррита велика по амплитуде и имеет почти круго-
вую поляризацию и наводит значительный ток в выходном витке,
обеспечивая передачу энергии на выход фильтра (в полосе пропус-
кания от одного до десятков мегагерц потери составляют 0.5...1 дБ).
Перестройка резонансной частоты фильтра возможна изменением
внешнего управляющего магнитного поля.
Дальнейшее снижение габаритов СВЧ устройств возможно при
использовании когерентных спиновых (магнитостатических) волн
в ферритовых пленках. Такие волны возбуждаются и принимаются
с помощью узких металлических проводников-антенн, расположен-
ных на поверхности пленки. Простейшими из таких устройств явля-
ются управляемые постоянным магнитным полем линии задержки
(применяемые для обработки сигналов в системах радиолокации и
связи) и нелинейные подавители (рис. 4.13) слабых сигналов (при
малой мощности входного сигнала ток в проводнике эффективно
возбуждает поверхностную магнитостатическую волну, которая, по-
глощаясь в пленке, уменьшает амплитуду сигнала на выходе; при
увеличении входной мощности возбуждение магнитостатической
волны снижается и потери сигнала на выходе малы).
Рис. 4.13. Нелинейный СВЧ подавитель слабых сигналов
Оптический волновод Монокристалл феррита
Рис. 4.14. Оптический ферритовый вентиль
4. Магнитные материалы
91
Ферритовый вентиль (рис. 4.14) может использоваться в опти-
ческом диапазоне волн. Входной поляризатор создает оптическую
волну с линейной поляризацией, которая, поступая затем на ферри-
товый элемент (монокристалл железоиттриевого граната), повора-
чивается на 45° и проходит на выходной волоконный волновод. Об-
ратная волна поляризуется ферритом в том же направлении и, сле-
довательно, не в состоянии пройти через поляризатор ко входному
волноводу и поглощается.
Контрольные вопросы
1.	Какие магнитные материалы называют диамагнетиками, парамагнети-
ками и ферромагнетиками?
2.	Какие особенности материала придают ему магнитные свойства?
3.	Приведите основные характеристики магнитных материалов.
4.	Какие материалы считают магнитно-мягкими и магнитно-жесткими?
5.	С какой целью используют ферриты на СВЧ?
5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К полупроводниковым материалам относятся вещества с
электронной проводимостью, у которых при нормальной температу-
ре удельное электрическое сопротивление больше, чем у проводни-
ковых материалов, но меньше, чем у электроизоляционных мате-
риалов.
Важной особенностью полупроводниковых материалов явля-
ется возможность управления их электропроводностью путем внеш-
него энергетического воздействия (например, тепловой и световой
энергией, электрическим полем, механическим усилием). Это позво-
лило создать большое число разнообразных компонентов РЭС,
предназначенных для выполнения многообразных функций, в том
числе с успехом могут быть использованы для преобразования раз-
личных видов энергии в электрическую энергию (например, солнеч-
ные батареи и термоэлектрогенераторы, нагревающие и охлаждаю-
щие приборы, источники света и др.).
5.1. Основные свойства полупроводников
В чистых полупроводниках, в отличие от металлов, свободных
электронов немного, поскольку их валентные электроны достаточно
сильно связаны с атомами. Однако при воздействии внешней энер-
гии некоторые валентные электроны освобождаются и в полупро-
воднике появляется электрический ток, изменяющийся в широких
пределах. Чем сильнее, например, нагрев или облучение, тем боль-
ше возникает свободных электронов. Атомы, отдавшие электроны,
становятся положительно заряженными ионами, расположенными
в узлах кристаллической решетки. Вакансия на внешней орбите ато-
ма, образовавшаяся при потере электрона, называется дыркой. Эту
вакансию может заполнить, например, электрон соседнего атома,
что приведет к возникновению дырки в соседнем атоме.
Если к полупроводнику приложить разность потенциалов, то
электроны будут перемещаться к положительному потенциалу, об-
разуя электронную проводимость (электропроводность п-типа),
а дырки - в противоположном направлении (как если бы дырка была
положительно заряженной частицей с зарядом, равным электрону).
Кажущееся движение дырок к отрицательному потенциалу, прило-
женному к полупроводнику, называют дырочным током, а обуслов-
ленную им электропроводность - дырочной электропроводностью
(электропроводностью p-типа). При этом в чистом полупроводнике
количество электронов и дырок одинаково.
5. Полупроводниковые материалы
93
Существование у полупроводниковых материалов двух видов
проводимостей - электронной (л) и дырочной (р) дало возможность
создания изделий с р-п-переходом. Электрофизические и другие
свойства полупроводниковых материалов во многом определяют
параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем, ока-
зывая влияние на стабильность их работы во время эксплуатации
РЭС или в период ее хранения. К материалам, используемым при
производстве полупроводниковых приборов, предъявляются высо-
кие требования по чистоте их состава, поскольку даже при незначи-
тельных загрязнениях поверхности или объема происходит резкое
снижение качества готовых приборов.
Практически используемые полупроводниковые материалы
могут быть простыми (образованы атомами одного химического
элемента, например, кремния Si, германия Ge, фосфора Р, мышьяка
As, селена Se, теллура Те) и сложными (существуют в виде полу-
проводниковой композиции из двух и более химических элементов).
Наибольшее значение имеют полупроводниковые материалы
кремний и германий, а из сложных - соединения химических эле-
ментов из различных групп таблицы Менделеева, соответствующих
обшим формулам вида AIVBIV (например, сульфид кремния SiC),
AIUBV (например, арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP), АНВv
(например, сернистый кадмий CdS), а также некоторые другие веще-
ства сложного состава. Полупроводниковые материалы бинарного
типа, состоящие из двух элементов, имеют наименование того эле-
мента, металлические свойства которого выражены слабее. Так со-
единения, содержащие серу S, называют сульфидами, мышьяк As -
арсенидами, углерод С - карбидами.
Находят применение также твердые растворы полупроводни-
ковых материалов, которые обозначают символами входящих эле-
ментов (индексом х, указывающим атомную долю элемента в твер-
дом растворе, причем 0<х<1). Например, в общем виде твердый
раствор германия и кремния обозначают Sh.xGex •
Как уже указывалось в гл. 1, в энергетической диаграмме полу-
проводниковым материалам присуща не очень широкая запрещенная
зона, которая составляет 0,5...2,5 эВ (табл. 5.1). В собственном по-
лупроводнике' в зону проводимости могут попадать электроны только
из валентной зоны. Подвижности электронов и дырок в собственном
полупроводнике неодинаковы, поскольку обладают отличающейся
инерционностью (массой) в поле кристаллической решетки. Электрон
имеет меньшую массу, поэтому собственный полупроводник имеет не
слишком сильно преобладающий электронный характер.
1 Собственный полупроводник- полупроводниковый материал, не содержа-
щий примесей, которые могут оказать влияние на электропроводность материала.
94
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таблица 5.1. Электронные полупроводники
Химический элемент	Бор В	Кремний Si	Германий Ge	Фосфор Р	Мышьяк As	Сера S	Селен Se	Теллур Те	Йод I
Группа таблицы Менделеева	III	IV	IV	V	V	VI	VI	VI	VI!
Ширина запрещен- ной зоны, эВ	1,1	1,12	0,72	1,5	1,2	2,5	1,7	0,36	1,25
В примесных полупроводниках в зону проводимости электро-
ны поставляются примесями (чужеродными атомами). Если примес-
ные атомы расположены в узлах кристаллической решетки, то их
относят к примесям замещения, а если в междоузлиях - к примесям
внедрения.
Энергия активации1 примесных атомов меньше ширины за-
прещенной зоны основного полупроводника, вследствие чего при
воздействии внешней энергии (например, тепловой, световой) пере-
ход электронов примеси в зону проводимости будет опережать элек-
троны кристаллической решетки. Полупроводниковый материал с та-
кой донорной примесью имеет несколько большую концентрацию
электронов, чем дырок, образовавшихся при отрыве электронов в зо-
ну проводимости, и его называют полупроводником п-типа (по отно-
шению к германию и кремнию донорным может быть химический эле-
мент V группы периодической системы, например, мышьяк As).
Некоторые виды примесей могут вносить в собственный полу-
проводник концентрацию дырок, превышающую концентрацию элек-
тронов, перескочивших из валентной зоны в зону проводимости. По-
лупроводниковый материал с акцепторной примесью называют по-
лупроводниками p-типа (по отношению к германию и кремнию ак-
цепторным будет химический элемент III группы периодической сис-
темы, например, индий In).
Примесная электропроводность появляется при более низких
уровнях энергии внешнего возбуждения, чем собственная электро-
проводность полупроводника.
Если концентрация одного из носителей заряда (электронов
или дырок) преобладает, то такой заряд называют основным заря-
дом, а другой - неосновным зарядом. Например, в полупроводнике
1 Энергия активации - наименьшее количество энергии, которое необходимо
сообщить всем частицам полупроводникового вещества для того, чтобы была воз-
можна его собственная электропроводность.
5. Полупроводниковые материалы
95
n-типа основным носителем являются электроны, а р-типа - дырки.
В полупроводниках л- и p-типов неосновными являются носители
дырки и электроны соответственно.
В кристаллической решетке собственных германия и кремния
(химических элементов IV группы периодической таблицы Д.И. Мен-
делеева) действуют ковалентные связи - каждый атом окружен че-
тырьмя ближайшими атомами-соседями. Валентные электроны свя-
заны со своими атомами и неподвижны. Если по какой-либо причине
на место одного из атомов попадет посторонний атом (другого хими-
ческого свойства) или другой валентности, то нарушается система
валентных связей в этой области кристалла полупроводника.
Под действием приложенного напряжения в полупроводнике
протекает ток, равный сумме электронного и дырочного токов (одна-
ко соотношение между ними зависит от типа полупроводника, на-
пример, в полупроводнике p-типа дырочный ток может быть сущест-
венно больше электронного). Кроме того, имеет место еще и собст-
венная электропроводность.
Протеканию тока препятствуют загрязнения различного рода,
дефекты и тепловые колебания кристаллической решетки. От столк-
новений с препятствиями электроны и дырки теряют часть своей
энергии, и траектория их движения искажается (происходит рассея-
ние носителей тока).
С ростом температуры
Рис. 5.1. Зависимость электропро-
водности полупроводника
от температуры при различных
концентрациях примесей
(Nfl1 < МД2 < Мдз)
электропроводность у всех полу-
проводников увеличивается тем
резче, чем более легирован по-
лупроводник акцепторной или
донорной примесями (рис. 5.1).
В области невысоких температур
электропроводность обусловле-
на примесями, а с повышением
ее - собственной электропро-
водностью.
Температурная зависи-
мость электропроводности полу-
проводника отражает изменение
концентрации и подвижности но-
сителей заряда.
В области примесной электропроводности заметно влияние
концентрации примесей Nfl. Например, при нормальной температу-
ре число собственных носителей заряда у германия Ge при ширине
запрещенной зоны 0,72 эВ составляет в одном кубическом метре
околоЮ19, а примеси, составляющие тысячные доли процента, даже
96
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
при малой энергии активации привносят свободных зарядов в десят-
ки тысяч раз больше.
При высоких температурах электропроводность полупровод-
ника приближается к электропроводности металлов. При температу-
ре абсолютного нуля полупроводник становится диэлектриком.
Полупроводниковым материалам присуща нелинейная зави-
симость электрического тока от приложенного напряжения, причем
одновременно с ростом тока понижается электрическое сопротивле-
ние (рис. 5.2, а). При изменении полярности приложенного напряже-
ния полупроводник обнаруживает симметричную вольтамперную
характеристику (рис. 5.2, б).
в
а	б
Рис. 5.2. Зависимости тока и электрического сопротивления полупроводника
от приложенного напряжения (а); вольтамперная характеристика полупро-
водника (б); вольтамперная характеристика р-л-перехода (в)
Соединение в одном полупроводниковом материале областей
с различными типами электрической проводимости образует границу
между ними (р-л-переход), обладающий несимметричной вольтам-
перной характеристикой (рис. 5.2, в) - электрический ток в одном
направлении (прямой ток) превышает ток в противоположном на-
правлении (обратный ток). Это свойство р-п-перехода используется,
в частности, в выпрямителях вторичных источников питания РЭС.
Электропроводность полупроводников (как и других кристал-
лических веществ) изменяется при механической деформации
вследствие уменьшения или роста межатомных расстояний и свя-
занных с этим изменений концентраций и подвижности зарядов, по-
скольку деформации вызывают изменение ширины запрещенной
зоны и смещение примесных уровней. При сближении атомов шири-
на запрещенной зоны может как расти, так и снижаться, и у разных
полупроводников одинаковая механическая деформация может вы-
звать неоднозначное изменение электропроводности.
5. Полупроводниковые материалы
97
Электропроводность полупроводника возрастает при воздей-
ствии на него световой (электромагнитной) энергии, вызывая в нем
избыточное количество носителей заряда (по сравнению с равно-
весным количеством при данной температуре). Такую электропро-
водность называют фотопроводимостью. Энергия фотона (кванта
электромагнитной энергии) затрачивается на генерацию в полупро-
воднике электронно-дырочных пар за счет перехода возбужденных
электронов из валентной зоны в зону проводимости. Фотопроводи-
мость может быть обнаружена в инфракрасной, видимой и ультра-
фиолетовой частях спектра электромагнитных волн.
С ростом частоты электромагнитного воздействия глубина его
проникновения в полупроводник снижается и поглощение энергии
происходит в тонком слое на поверхности, где возникает наиболь-
шее количество носителей зарядов. Снижение температуры влечет
уменьшение фонового (темнового) тока и изменение чувствительно-
сти полупроводника к составляющим возбуждающего электромаг-
нитного спектра.
Изменение электрических свойств полупроводника под влия-
нием электромагнитной энергии происходит,с запаздыванием (явле-
ние релаксации). После окончания импульса воздействия такой
энергии электропроводность возвращается к исходному уровню,
олупроводников восстановление происходит за микросекунды, у
других - за минуты и даже часы. Это влияет на быстродействие
компонентов РЭС, использующих явление фотопроводимости (на-
пример, фоторезисторы).
На электропроводность по-
лупроводников существенно влияет
уровень напряженности электриче-
ского поля. При небольших значе-
ниях напряженности электропро-
водность практически постоянна, но,
начиная с некоторого критического
уровня (рис. 5.3), электропровод-
ность экспоненциально возрастает
вплоть до разрушения вещества.
Возрастание электропроводности с
повышением температуры вызвано
ростом количества носителей заря-
да, поскольку под влиянием внеш-
него электрического поля они легче
активизируются тепловым возбуж-
дением полупроводника.
Особые свойства проявляют полупроводники, у которых в од-
ном объеме созданы контактирующие области, характеризующиеся
Рис. 5.3. Зависимость электропро-
водности полупроводника от
напряженности внешнего
электрического поля
4-2134
98
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
либо различными типами проводимости, либо с одинаковым типом
проводимости, но отличающиеся концентрациями носителей заряда,
либо физическая пара материалов - контакт металл-полупроводник,
металл-диэлектрик-полупроводник и др.
5.2. Основные полупроводниковые материалы
Наибольшее применение в промышленном производстве по-
лучили германий Ge и кремний Si, а также некоторые другие полу-
проводниковые материалы (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Свойства некоторых полупроводниковых материалов
Свойства полупроводникового материала	Ge	Si	AsGa	SiC
Температура плавления, °C	936	1417	1238	2830
Собственное удельное сопро- тивление при 20°С, Ом-м	0,47	23-105	102...109	0,007
Ширина запрещенной зоны, эВ	0,72	1,12	1,45	2,8...3,1
Диэлектрическая проницаемость	16	11,7	11	6,5...7,5
ГЕРМАНИЙ
Германий (Ge) является химическим элементом IV группы пе-
риодической системы Д.И. Менделеева. В твердом кристаллическом
состоянии германий обладает металлическим блеском, труден в ме-
ханической обработке из-за высокой твердости и хрупкости. Он хи-
мически устойчив во влажном воздухе до температуры около 600°С.
Германий как химический элемент рассеян в силикатах и сульфид-
ных минералах. Содержание германия в земной коре составляет
всего 0,0001%. В малых количествах он содержится в цинковых ру-
дах, угольной пыли, морской воде, золе и саже. Поэтому получение
германия является сложным технологическим процессом.
Химическая переработка исходного сырья позволяет выделить
тетрахлорид германия GeCI4, который в дальнейшем, путем окисле-
ния, переходит в двуокись германия GeO2, которую, в свою очередь,
восстанавливают в водородной среде до состояния химического
элемента (в виде порошка серого цвета). Окончательным продуктом
достаточно сложной химической и термической переработки являет-
ся монокристаллический германий в виде слитка.
5. Полупроводниковые материалы
99
Выращивание монокристаллического слитка обычно произво-
дят методом Чохральского (рис. 5.4), для чего исходный тщательно
очищенный от примесей германий помещают в тигель 9, располо-
женный в цилиндре 6, и нагревают в печи 1 до плавления. Затем
вводят стержень затравки 3 (из уже готового монокристаллического
германия) до соприкосновения с расплавом 10 и, после небольшой
выдержки, его начинают медленно вытягивать из расплава с одно-
временным вращением штока 5. По мере подъема (со скоростью
Ю^.-.Ю-4 м/с) на контактирующей с расплавом поверхности затрав-
ки кристаллизуется слой за слоем слиток 2 вещества с монокри-
сталлической структурой, повторяющей структуру затравочного
стержня. Примеси добавляют через трубку 4; патрубок 8 необходим
для закачки водорода или аргона. Наблюдение за процессом прово-
дят через смотровое окно 7. Для получения слитка постоянного диа-
метра по всей его длине необходимо поддерживать температуру с
точностью до десятых долей градуса на уровне около 1000°С, что
является непростой технической задачей.
Тип проводимости германия и уровень электропроводности
определяются количеством введенных акцепторных и донорных
присадок (процесс введения присадок называют легированием) в
рабочий объем расплавленного поликристаллического германия пе-
ред выращиванием монокристалла.
Рис. 5.4. Схема установки для вы-
ращивания монокристалла полупро-
водника по методу Чохральского
Рис. 5.5. Внешний вид монокристал-
ла полупроводника с затравочным
стержнем
Слиток германия (рис. 5.5), имеющий диаметр 20...35 мм и
длину 30...80 мм, разрезают на тонкие пластины. Электрическое со-
противление слитка по длине различно, поскольку его верхняя часть
содержит меньше примесей, чем нижняя.
Механическая обработка слитков при производстве полупро-
водниковых приборов и интегральных схем связана со значитель-
ными технологическими отходами ценного материала (при резке,
100
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
шлифовке, полировке). Поэтому экономически выгоднее произво-
дить полупроводниковую монокристаллическую пленку германия,
осаждаемую на подложку из кварца, сапфира и монокристаллы по-
лупроводников. Эта операция называется эпитаксиальным выращи-
ванием (эпитаксией).
Германий используется для изготовления транзисторов, дио-
дов различной мощности, преобразователей Холла и др. Оптические
свойства германия в инфракрасном диапазоне позволяют изготав-
ливать из него фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, опти-
ческие фильтры, световые модуляторы, счетчики ядерных частиц.
КРЕМНИЙ
Кремний (Si), как и германий, входит в IV группу периодической
системы и относится к кристаллам с кубической решеткой. Кристал-
лический кремний представляет собой твердое и хрупкое вещество
темно-серого цвета с металлическим блеском, достаточно химиче-
ски инертен. Кремний устойчив на воздухе вплоть до температуры
900°С, выше которой быстро окисляется, образуя двуокись кремния
SiO2. В расплавленном состоянии обладает настолько высокой хи-
мической активностью, что подбор материалов для изготовления
тиглей для технологических операций при работе с ним представля-
ет до сих пор сложную техническую задачу.
Кремний является самым распространенным в природе хими-
ческим элементом (после кислорода) - входит в виде соединений
в состав большинства горных пород и минералов. В свободном со-
стоянии не встречается.
Промышленность выпускает различные по свойствам марки
монокристаллического кремния, который является ведущим мате-
риалом при изготовлении полупроводниковых приборов и инте-
гральных схем.
Монокристаллический кремний получают выращиванием из
расплава поликристаллического кремния методом Чохральского
(для низкоомных слитков с удельным сопротивлением до 250 Ом-см)
или для высокоомных слитков с удельным сопротивлением до 2000
Ом-см - бестигельной зонной плавкой (рис. 5.6) в металлических ка-
мерах из тугоплавких металлов. С помощью витков контура высоко-
частотного генератора получают узкие зоны плавления, которые пе-
ремещаются вдоль слитка со скоростью около 15 мкм/с. Большинство
примесей проявляют более высокую растворимость в жидкой фазе
полупроводникового материала, чем в его твердом состоянии, и уно-
сятся с расплавленной зоной. Поэтому после зонной очистки примеси
концентрируются в одном из краев слитка, который в дальнейшем от-
резается от него. Несколько витков обеспечивают несколько последо-
вательных очисток слитка при одном ВЧ нагревателе.
5. Полупроводниковые материалы
101
Рис. 5.6. Состав установки зонной плавки:
1 - труба; 2 - витки контура ВЧ генератора; 3 - слиток очищаемого мате-
риала; 4 - каретка для перемещения витков; 5 - зоны плавления слитка в
плоскости витков катушек
Кремний является основным полупроводниковым материалом
для производства полупроводниковых диодов, транзисторов, инте-
гральных микросхем, фотоэлементов, тензометрических датчиков и
преобразователей.
АРСЕНИД ГАЛЛИЯ
Арсенид галлия AsGa (соединение типа А"^7) представляет
собой синтетический полупроводниковый монокристалл (получают
прямым плавлением чистых мышьяка и галлия, с последующим вы-
ращиванием из расплава или бестигельной зонной плавкой) с высо-
кой теплопроводностью, с пьезоэлектрическими, магнитооптически-
ми и электрооптическими свойствами. Применяется для изготовле-
ния полупроводниковых диодов, туннельных диодов, лазеров, дио-
дов Ганна, фотоэлементов, дозиметров рентгеновского излучения
и других приборов. Прозрачен в инфракрасной области оптического
диапазона электромагнитных волн (1...12 мкм). Максимальная рабо-
чая температура полупроводниковых приборов, изготовленных из
AsGa, может достигать 450°С.
КАРБИД КРЕМНИЯ
Карбид кремния SiC относится к полупроводниковым соедине-
ниям типа AIVBIV , содержащим элементы IV группы таблицы
Д.И. Менделеева. Порошкообразный SiC обладает при нормальной
температуре примесной электропроводностью, зависящей от элек-
тропроводности зерен исходного материала, тонкости помола, сте-
пени сжатия зерен, электрического поля. Электропроводность, су-
щественно зависящая от температуры, имеет большой разброс зна-
чений удельной проводимости сопротивления и нелинейно изменяя-
ется от напряженности электрического поля.
При малом приложенном напряжении сквозной ток через SiC
проходит через запирающие слои контактирующих поверхностей
102
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
зерен, а при повышении напряжения - зазоры между зернами элек-
трически замыкаются, а в контактах зерен происходит микронагрев.
Нелинейная и симметричная зависимость вольтамперной характе-
ристики карбида кремния используется в компонентах, называемых
варисторами, применяемых для защиты устройств от импульсных
перенапряжений, для стабилизации и регулирования напряжений
и токов, игнитронных поджигателей дугового разряда и волноводных
поглотителей. Однако электрическое сопротивление варисторов из
несвязанных зерен карбида кремния нестабильно во времени и при
механических воздействиях. Более устойчивым является SiC со
связкой в виде фарфора, стекла, кремнийорганических лаков.
Карбид кремния, применяемый для изготовления светодиодов,
представляет собой полированный монокристаллический полупро-
водниковый материал, легированный азотом, с проводимостью
электронного типа. Кристаллы могут иметь размеры 3x3x0,38 мм
и 5x5x0,5 мм с весьма малым суммарным содержанием нелегирую-
щих примесей.
Контрольные вопросы
1.	Какие материалы относят к полупроводниковым?
2.	Какие особенности присущи полупроводниковым материалам?
3.	В чем отличие собственного полупроводника от примесного?
4.	Каковы причины возникновения фотопроводимости полупроводниковых
материалов?
5.	Какие полупроводниковые материалы наиболее часто применяются
в РЭС и почему?
6.	КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
КОНСТРУКЦИЙ РЭС
Рис. 6,1. Некоторые
варианты модульной
компоновки РЭС
Конструкционными называют материалы, предназначенные
для изготовления механических силовых частей конструкции РЭС
(несущих конструкций, деталей пространственной фиксации, кре-
пежных элементов и пр.) и механизмов.
Несущие конструкции предназначены для размещения и ме-
ханического крепления электронной части РЭС и механизмов, обес-
печения их функционирования в эксплуатационных условиях.
Конструкция РЭС может быть вы-
полнена в одноблочном или многоблоч-
ном вариантах, причем последний вклю-
чает отдельные конструктивно закончен-
ные сборочные единицы - модули. Мо-
дульный принцип создания конструкции
(рис. 6.1) позволяет решить целый ряд ,
проблем - рационального пространствен-
ного размещения РЭС на объекте, стан-
дартизации установочных и крепежных
изделий, высокую ремонтопригодность,
параллельность выполнения технологи-
ческих операций изготовления и некото-
рые другие.
В свою очередь, основу конструктивных модулей составляют
несущие элементы в виде каркасов или рамок (рис. 6.2), обеспечи-
вающих механическую прочность и жесткость устройства, удобство
эксплуатации, технологичность изготовления.
Рис. 6.2. Примеры типовых несущих конструкций модулей РЭС
Чаще всего модули конструктивно объединяются в блоки, стойки,
шкафы и пульты (рис. 6.3), в которых модули располагаются рядами,
подчиненными определенному типоразмеру, принятому для данной
модульной иерархии. Последняя в существенной мере зависит от объ-
104
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
екга размещения РЭС (наземная, самолетная, корабельная). Примеры
компоновки РЭС в составе объектов установки приведены на рис. 6.4.
Рис. 6.3. Примеры конструкций блока, шкафа, стоек и пульта
Рис. 6.4. Примеры компоновки наземных, самолетных и корабельных РЭС
Механизмы, входящие в состав РЭС различного назначения и
объектов установки, эксплуатируются в определенных режимах на-
гружения и должны отвечать требованиям по прочности, точности,
размерам, массе и др., что во многом определяется используемыми
материалами. По функциональному признаку механизмы РЭС мож-
но классифицировать следующим образом: приводы антенн (радио-
локационных, пеленгационных, связных); механизмы дистанционно-
го управления и следящих систем; механизмы ручной и автоматиче-
ской настройки и отсчета; механизмы магнитной записи/воспроизве-
дения. Каждая группа механизмов имеет конструктивные и функцио-
нальные особенности.
Группа механизмов приводов антенн является наиболее пред-
ставительной. Такие механизмы обеспечивают антеннам самолет-
ных, наземных и корабельных РЭС заданный режим состояния, на-
пример, перемещение по азимуту1 и углу места2 с одновременной
Азимут наземного предмета - угол между плоскостью меридиана точки на-
блюдения и вертикальной плоскостью, проходящей через эту точку, выбранный на-
земный ориентир.
2Угол места цели - геометрический угол между двумя лучами, выходящими
из точки наблюдения, расположенной на горизонтальной плоскости. Первый луч на-
правлен на цель, второй луч - проекция первого луча на плоскость наблюдения.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС	105
стабилизацией по углу крена1 и сноса2. Внешний вид одного из ан-
тенных приводов показанна рис. 6.5.
Наибольший диаметр зеркала наземных и корабельных РЭС
может достигать нескольких метров при мощности привода, исчис-
ляемого несколькими киловаттами. Наземные РЭС могут иметь еще
более громоздкие антенны.
Механизмы ручной и электромеханической настройки относят-
ся к составным частям связных, измерительных и управляющих
средств. Настройка осуществляется передаточными механизмами,
перемещающими поршни резонансной камеры объемного резонато-
ра, вращающими роторы конденсаторов переменной емкости, ка-
тушки вариометров, переключатели, концевые выключатели и пр. На
рис. 6.6 приведен пример механизма ручного перемещения поршня
измерительного резонатора.
Рис. 6. 5. Внешний вид привода Рис. 6.6. Механизм ручной настройки
параболического зеркала антенны измерительного резонатора
самолетного метеонавигационного
радиолокатора
6.1.	Основные требования к материалам несущих
конструкций
Несущие детали корпусов и механизмов РЭС должны удовле-
творять требованиям эксплуатации и технологического процесса
изготовления, таким, как прочность, жесткость, твердость, износо-
стойкость, технологичность, коррозионная стойкость.
Прочность - способность детали, изготовленной из опреде-
ленного материала, оказывать сопротивление силам разрушения
любого типа. Количественно прочность характеризуют запасом
прочности п. Объемная прочность отражает наличие напряжений
1 Крен - положение объекта, при котором вертикальная плоскость его симмет-
рии отклонена от вертикали к земной поверхности.
2 Снос - отклонение движущегося объекта от выбранного курса под действием
внешних сил (самолет может иметь снос в результате скольжения или бокового вет-
ра, корабль - под действием ветра, волн и течения).
106
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
в некоторых точках объема материала детали под действием при-
ложенных внешних сил. Контактная прочность оценивает напряжен-
ное состояние некоторого небольшого объема детали, непосредст-
венно прилегающего к месту приложения внешней силы (например,
контакт поверхностей двух деталей). Следствием низкой объемной
прочности является разрушение детали, а контактной - нарушение
гладкости поверхностей (изъязвление). Знакопеременная нагрузка
детали может вызвать явление усталостной прочности (в условиях
вибраций используют понятие «вибропрочность»).
В общем случае для детали, работающей на изгиб и кручение,
запас ее прочности сравнивается со допустимым значением (табл.
6.1) запаса прочности [п]:
^[п|,
А+Пг
где псти пт- коэффициенты запаса прочности по нормальным и
тангенциальным напряжениям.
Таблица 6.1. Выбор допустимого запаса прочности по результатам
расчетов
Точность расчетов и исходных данных к ним	Запас прочности [п]
Повышенная точность расчетов по основным и дополнитель- ным статическим и динамическим нагрузкам, с проверкой результатов расчетов с помощью натурных испытаний	1,25...1,4
Приближенные расчеты с учетом динамических нагрузок и неполным контролем прочности на натурных испытаниях	1,5...2
Приближенные расчеты на прочность без натурных испытаний (для деталей из пластмасс и керамики)	2...3
В свою очередь, запасы прочности по нормальным па и тан-
генциальным пТ напряжениям материалов оценивают следующими
отношениями: na = c'rN /с ; пт = x’rN /т, где с , c'rN - действующее и
предельное нормальное напряжение в сечении материала детали;
т, - действующее и предельное тангенциальные напряжения
в сечении материала детали.
Механические напряжения в материале при работе детали
в контакте с другими деталями зависят от геометрии соприкасаю-
щихся поверхностей.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
107
Рис. 6.7. Возникновение механиче-
ских контактных напряжений в мате-
риалах двух цилиндров
Пример возникновения кон-
тактных напряжений при сжатии
двух цилиндров приведен на рис.
6.7, где предполагается, что на-
грузка является нормальной к
узкой контактирующей полоске и
нормальные напряжения изме-
няются по эллиптическому закону
с наибольшим значением он-
Выбор материала оказыва-
ет значительное влияние на виб-
ропрочность несущих конструкций.
Например, для платы печатного
монтажа с установленными на ней
компонентами расчет на вибро-
прочность включает определение наибольших механических напря-
жений в материале платы с учетом вида деформации, вызванной
вибрацией (изгиб, кручение) в определенном диапазоне частот, и
сопоставление результата с допустимыми напряжениями для данно-
го материала.
Частота собственных механических колебаний платы с уста-
новленными на ней компонентами (микросхемами, конденсаторами,
резисторами и др.) существенно зависит от свойств материала пла-
ты и варианта ее крепления:
f = 105KMKRBh/a2,
где км- коэффициент учета материала платы (табл. 6.2); кв - ко-
эффициент массы расположенных на плате компонентов
Кв =1/д/1 + Мэ/Мп ; Мэ- масса равномерно размещенных по плате
компонентов; Мп- масса платы; В - частотная константа варианта
крепления каждого края платы (для вариантов крепления: жесткого,
шарнирного и свободной опоры константа находится в пределах
1-300); h-толщина платы; а-длина платы.
Жесткость материала - его способность под воздействием
приложенных сил противостоять деформации выше допустимых
пределов. Статическую жесткость оценивают значениями линейных
и угловых прогибов по отношению к предельно допустимым. Жест-
кость Необходима таким конструктивным элементам, как стойки, кар-
касы, рамы, валы, оси и др. Прогиб детали может вызвать потерю
точности исполнения заданных функций (например, механизма
управления и настройки) или разрушение узла РЭС (например, про-
гиб платы печатного монтажа может вызвать обрыв печатных про-
водников).
108
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таблица 6.2. Значения коэффициента км, учитывающего материал
платы
Материал	Гетинакс	Эпоксидные смолы	Фенольные смолы	Алюминиев. сплавы	Магниевые сплавы	Сталь
Км	0,54	0,52	0,47	0,95	0,97	1,0
При простых деформациях жесткость характеризуется произ-
ведением модуля упругости1 и геометрического параметра детали
(при растяжении-сжатии и сдвиге - это поперечное сечение, при из-
гибе - осевой момент инерции2 и др.).
Твердость - сопротивление материала местной пластической
деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.
Обычно твердость оценивается по размерам оставшегося на поверхно-
сти отпечатка. Твердость по Бринеллю (международное обозначение
«НВ») определяется по отпечатку, оставленному после вдавливания
в поверхность материала закаленного стального шарика. Численно НВ
характеризуется отношением нагрузки к площади оставленного отпе-
чатка. Твердость по Роквеллу (международное обозначение «HRC»)
определяется по отпечатку, оставленному алмазным конусом с углом
120°, и характеризуется условными единицами.
Износостойкость - сопротивление материала изнашиванию
трущихся частей деталей механизмов, которые изготовлены из этого
материала. Оценивается по длительности работы или числу циклов
во время эксплуатации или специальных испытаний (например, за-
водские испытания на износостойкость резистивного элемента пе-
ременных резисторов позволяют оценить количество допустимых
циклов регулировки до предельного снижения его электрического
сопротивления).
Технологичность - соответствие материала требованиям
экономичной технологии изготовления деталей. Обычно технологич-
ность материала учитывается при разработке конструкции деталей.
Расположение отдельных элементов детали обеспечивает удобство
и минимальную трудоемкость в процессе изготовления, сборки или
эксплуатационного ремонта. Технологичный материал обеспечивает
1 Модуль упругости - характеристика Е сопротивления материала упругой
деформации (отношение приложенного напряжения Q к значению деформации Д), т.е.
Е = О/д[Па]).
2 Осевой момент инерции - мера инертности тела во вращательном движе-
нии вокруг оси (численно равна сумме произведений всех элементарных масс всех
частей тела на квадраты их расстояний до оси вращения j _ fp2 >Cjm [кг-м2]).
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
109
при обработке давлением необходимую пластичность, при литье -
хорошие литейные качества, при обработке резанием - хорошую
обрабатываемость в сочетании с возможностью изменения механи-
ческих характеристик и свойств материала за счет использования
термической или термохимической обработок.
Коррозионная стойкость - свойство материала противосто-
ять поверхностному и объемному разрушению в результате взаимо-
действия с агрессивной средой. Измеряется массой материала, пре-
вращенного в продукт коррозии с единицы площади материала
в единицу времени (или толщиной разрушенного слоя материала
в мм/год).
6.2.	Виды конструкционных материалов
Блоки, шкафы, стойки, пульты имеют каркас, обеспечивающий
механическую жесткость и выполняющий силовые функции. Меж-
блочные монтажные соединения располагаются внутри несущей
части каркаса. Каркас изготавливают из стального листового и фа-
сонного проката, фасонного гнутого профиля, а также профили
и литые детали из сплавов алюминия, титана, магния.
Выбор материала определяется местом размещения РЭС
(т.е. условиями эксплуатации), его массой и габаритными размера-
ми, требованиями прочности и жесткости. В состав РЭС входит зна-
чительное количество деталей конструкции, изготовленных из неме-
таллических материалов.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Углеродистая сталь обыкновенного качества (марки сталей
Ст0-Ст7) применяется для изготовления сортового проката (рис. 6.8)
и листовых гнутых профилей (рис. 6.9).
а б в г
Рис. 6.8. Виды профилей сортового проката:
а - равнобокий уголок; б - неравнобокий уголок; в - двутавр; г - швеллер
Рис. 6.9. Виды фасонных гнутых профилей
110
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Прокат из этих видов сталей применяют, в основном, при изго-
товлении каркасов, рам, стоек, оснований (методом сварки) назем-
ных РЭС. Марки качественной углеродистой стали содержат присад-
ки легирующих элементов (условные обозначения присадок: X -
хрома, М - молибдена, С - кремния, Н - никеля, Г - марганца и др.),
которые повышают механическую прочность, твердость, вязкость,
коррозионную стойкость, жаропрочность. Буква А в конце обознача-
ет сталь повышенного качества. В табл. 6.3 приведены основные
области применения некоторых марок легированных сталей.
Таблица 6.3. Применение легированных сталей
Марка стали	Основная область использования
08кп; 10...25	Для изготовления деталей с высокой пластичностью (штампуемостью) и свариваемостью; для деталей, изго- тавливаемых гибкой; деталей, поверхность которых под- лежит упрочнению с помощью цементации термообра- боткой (зубчатые колеса, валы, болты, гайки, шайбы, винты, втулки)
30...35	Для изготовления деталей ковкой, штамповкой, обработкой резанием (токарной, фрезерованием, строганием, шлифованием) без упрочнения поверх- ности (оси, валики, шестерни, винты, болты, гайки, втулки) с достаточной остаточной вязкостью
40...50	Для изготовления деталей обработкой резанием (токарной, фрезерованием, строганием, шлифова- нием) с повышенной прочностью за счет цемента- ции термообработкой поверхности при средней вяз- кости (оси, валы, зубчатые колеса, червяки, шпонки, винты, гайки, болты)
60, 60Г, 65Г.70Г	Для изготовления деталей с высокой твердостью (за счет цементации поверхности термообработкой) и износостойкостью при достаточной прочности (пружины, пружинные кольца, пружинные цанги, муфты, фрикционные диски)
1	Вал - деталь механизма, вращающаяся в подшипниках и служащая опорой для вращающихся деталей, предназначенная для передачи крутящего момента (раз- личают валы прямые, коленчатые, шлицевые, валы-шестерни, гибкие, торсион- ные). 2	Ось - деталь механизма, опирающаяся на опоры и поддерживающая вращаю- щиеся части механизма (отличается от вала тем, что не передает крутящего мо- мента, а выдерживает изгибающее воздействие).	
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС 111
В несущих конструкциях и механизмах РЭС применяют медь
(изготовляют заклепки, экраны, теплоотводящие шины, рамки ячеек
и др.) и сплавы меди - латунь (сплав меди Си и цинка Zn) и бронзу
(сплавы меди Си с различными металлами - оловом St, свинцом РЬ,
алюминием AI).
Латунь характеризуется высокими механическими и техноло-
гическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью (обычно
при добавке в сплав алюминия). Латунь применяют для изготовле-
ния корпусов, винтов, шайб, втулок, арматуры пластмассовых дета-
лей и др. При обработке давлением используют латуни Л96, Л63,
ЛС60-1 и др. Литые детали получают из латуней ЛС59-1, ЛКС80-3-3,
ЛМцС58-2-2.
Детали из нержавеющих сталей (коррозионностойких легиро-
ванных) обладают высокой прочностью, износостойкостью (табл. 6.4).
Таблица 6.4. Области применения марок нержавеющих сталей
15Х; 15ХА; 20Х; 40Х; 40ХА	Для изготовления деталей повышенной прочности и износостойкости (валы, червяки, кулачки, шестерни, оси)
20ХН; 40ХН; ЗОХНЗА; 12ХНЗА; 12ХН4А	Для изготовления деталей с повышенной вязкостью сердцевины и твердости поверхности за счет цемента- ции (валы, зубчатые колеса, оси, червяки)
20ХГСА; ЗОХГСА	Для изготовления деталей, соединяемых при сборке с помощью сварки и обрабатываемых резанием, от которых требуется повышенная прочность при дос- таточной вязкости для работы при знакопеременных механических нагрузках (валы, рычаги, оси, стойки)
38Х2Ю; 38Х2МЮА	Силовые детали, работающие на длительное знакопе- ременное механическое воздействие (кулачки, пальцы, зубчатые колеса)
2X13; 4X13; 1Х17Н2	Коррозионностойкие детали высокой прочности (зубчатые колеса, валы, пальцы)
Примечание. А - сталь повышенного качества; Ю - азотированные стали.	
Бронза с содержанием олова St обладает хорошими литейны-
ми, антифрикционными и антикоррозионными свойствами (марки
Бр.ОФ 10-1, Бр.ОЦ 4-3, Бр.ОЦС 5). Ее применяют для изготовления
подшипников скольжения (переменные резисторы), венцов червяч-
ных зубчатых колес (в механизмах настройки), гаек винтовых пере-
дач (в механизмах перемещения). Бронза без олова механически
прочнее и более стойка к коррозии. Бериллиевая бронза (марки
Бр.Б2), обладая высокими упругими свойствами, применяется для
изготовления пружин (в тумблерах и переключателях), контактов
112
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
(реле, переключатели), мембран (сильфоны1 герметизированных
блоков РЭС).
Сплавы алюминия, в которых за счет присадок и специальной
термообработки значительно повышается прочность, предпочти-
тельнее чистого алюминия. Они хорошо обрабатываются резанием
и давлением, обладают высокими литьевыми качествами, коррози-
онной стойкостью, позволяют применять сварку и пайку.
Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, назы-
ваемые дюралюминием. Из этих деформируемых сплавов (марки
АДО, АД1, Амц, Амг, Д1, Д16, АК6 и др.) изготавливают фасонные
профили корпусов блоков, каркасов, шасси, стоек, рам, панелей с
применением сварки или крепежных деталей и заклепок. Литейные
алюминиевые сплавы (силумины), содержащие кремний Si, магний
Мп, марганец Мд, медь Си, титан Ti и другие металлы, имеющие
обозначения АЛ2, АЛ4, АЛ4В, АЛ9, АЛ9В, отличаются высокими
литьевыми свойствами, повышенной коррозионной стойкостью,
удовлетворительной свариваемостью. Из силуминов льют корпусы
блоков, механизмов, передние панели стоек, плоские и объемные
шасси и др.
Сплавы магния обладают
малой плотностью, высокой
прочностью и литейными качест-
вами. Сплавы МЛЗ, МЛ5, МЛ 12,
МЛ 15 применяют для изготовле-
ния несущих конструкций авиа-
ционных РЭС методами литья
под давлением, в кокиль, в пес-
чаные формы. Группа магниевых
сплавов, к которым относятся
МА2, МА5, МА14, допускают
штамповку, ковку, сварку и меха-
ническую обработку, например,
Рис. 6.10. Составной каркас блока,
выполненного из
фасонного металлического
проката и штампованных
деталей
резанием.
На рис. 6.10 представлен вариант составного каркаса блока,
выполненного из фасонного металлического проката и штампован-
ных крепежных деталей.
1 Сильфон - тонкостенная металлическая мембрана или трубка, работающая
в качестве пружины на растяжение, сжатие или кручение в зависимости от знака ме-
ханической силы, приложенной к дну сильфона. Применяется для передачи управ-
ляющего механического перемещения внутрь герметизированного объема блока.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
113
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Неметаллические конструкционные материалы включают пла-
стмассы и резину. Как известно, пластмассы подразделяются на
термопластичные и термореактивные (монолитные, слоистые, ком-
позиционные). К термопластичным пластмассам относятся поли-
амид, полиэтилен, полипропилен, винипласт, полиметилметакрилат,
фторопласт-3 и др.
Из пластмассы изготавливают многие виды деталей конструк-
ций РЭС: корпусы, каркасы, рамы, корпусные уголки, рейки, пласти-
ны и пр. На рис. 6.11 изображен пластмассовый корпус переносного
радиоизмерительного прибора.
Рис. 6.11. Пластмассовый корпус
переносного радиоизмерительного
прибора
Фенопласты (свыше 200
марок), ненасыщенные поли-
эфиры, аминопласты, фторо-
пласт-4, эпоксидные полимеры,
полиимиды относятся к термо-
реактивным монолитным пла-
стмассам. Пропитка фенолфор-
мальдегидной смолой бумаги,
хлопчатобумажной ткани или
стеклоткани позволяет нагревом
и прессованием получать слои-
стые пластики - гетинакс, тек-
столит, стеклотекстолит. Компо-
зиционные термореактивные пластмассы имеют в своем составе
кроме смолы различные наполнители (например, стекловолокно,
хлопчатобумажные волокна), пластификаторы и красители.
Детали из фенопластов обычно изготавливают прессованием,
причем композиция исходного материала может поставляться в виде
порошка или в таблетках. Важнейшими для электротехники и элек-
троники являются пресспорошки марок К-211-2; К-220-21; К-21-22;
К-214-42; К-211-3; К-211-4; К-211-34; К-114-35 и др. Электрические
свойства некоторых фенолформальдегидных пластмасс приведены
в табл. 6.5. При условии соблюдения технологического режима
прессования пластмассовые детали обладают высокой стабильно-
стью электрических, механических и химических свойств в сложных
условиях эксплуатации. При использовании неорганических напол-
нителей (кварцевая пудра, слюда, асбест, стекловолокно) макси-
мальная о рабочая температура повышается с 12О...14О°С до
130...150 С. В процессе прессования в детали из фенопластов мож-
но включать металлическую арматуру (из черных и цветных метал-
лов) без опасения возникновения коррозии. Готовые детали имеют
гладкую, блестящую поверхность, которая обладает определенными
водоотталкивающими свойствами.
114
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таблица 6.5. Электрические свойства некоторых марок фенолфор-
мальдегидных пластмасс
Марка	Удельное поверхностное сопротивление, 109 Омм	£, при f = 50 Гц	tg8,10'2 при f = 1 МГц	Электрическая прочность, кВ/мм
К-21-22	1...10	5...5,5	3	15
К-211-2	1...10	5...5,5	1	15
К-211-3	1...10	7	1	16
К-211-4	1...10	6	2	25
Таблица 6.6. Электрические свойства некоторых марок слоистых
пластиков
Марка	Удельное поверхностное сопротивление, 1011 Ом-м	8, при f = 1 МГц	tg8,10* при f = 1 МГц	Электрическая прочность, кВ/мм
Гетинакс	0,01	5...6	6	30
Текстолит	0,1	8	7	8
СТЭФ	1	4,5	1.4	20
СТК-41	1	4,2	3	18
СТ	1	4	3	10...12
СФ-1,2	5	5,2	2	12
СФ-200	0,01*	7*	2,5*	—
Примечание. Для фольгированного стеклопластика СФ-200 характеристики измерены после пребывания образцов во влажном воздухе (95%) при +40°С в те- чение 2 суток.				
Из фенопластов прессуют каркасы ячеек блоков, изолирую-
щие и направляющие стойки, каркасы катушек индуктивности, карка-
сы трансформаторов и дросселей, элементы крепления токоведу-
щих частей РЭС.
Слоистые пластики составляют группу пластмасс (табл.
6.6), изготавливаемую из расположенной по слоям волокнистой ос-
новы, пропитанной синтетическими (большей частью фенольными)
смолами. В эту группу входят гетинаксы (основа - бумага), текстоли-
ты (основа - хлопчатобумажная ткань), стеклотекстолиты (основа -
стеклоткань). Из них производят, в основном, листовые изоляцион-
ные материалы, но также стержни и трубы. Из слоистых пластиков
прессованием изготавливают крепежные планки, панели, щитки,
стойки, шестерни.
Листовые пластики могут использоваться для производства
фольгированных материалов. Гетинакс выпускается листами толщи-
ной 0,2...50 мм, диапазон рабочих температур - 6О...+1О5°С. Текста-
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
115
лит - листами толщиной 0,5...50 мм (высокочастотный ВЧ - до 8 мм),
диапазон рабочих температур - 6О...+1О5°С. Стеклотекстолит (марки
СТ, СТУ, СТК, СТЭФ, фольгированный односторонний СФ-1, фольги-
рованный двухсторонний СФ-2) - листами толщиной 0,5...50 мм, диа-
пазон рабочих температур -60.. .+130°С.
Фольгированный пластик не должен в процессе производства
печатных плат допускать отслоения фольги при пайке волной или
кратковременным погружением. Прочность сцепления фольги с осно-
ванием зависит от температуры и влажности воздуха. Наиболее вы-
сокой прочностью сцепления фольги при повышенных температурах
обладают стеклопластики. При производстве фольгированного стек-
лотекстолита СФ-200 медная фольга на шероховатой стороне пред-
варительно покрывается тонким слоем хрома Сг толщиной 1...3 мкм
и приклеивается к основанию специальным кремнийорганическим
клеем (например, ВС-ЮТ). Такое покрытие позволяет уменьшить
боковое подтравливание фольги при изготовлении рисунка провод-
ников и повысить сцепление с основанием (даже в условиях 95%-
ной влажности воздуха при температуре +40°С в течение 30 суток
и после термического воздействия +200°С в течение 15 ч).
Для многослойных печатных плат производят специальные
материалы (препреги), состоящие из набора слоев стеклоткани,
пропитанных неполностью полимеризованными смолами, а также
тонкие фольгированные пленки (на основе лавсана, фторопласт-3,
полиимида). Для склеивания многослойной печатной платы исполь-
зуют прокладочную стеклоткань (например, марок Э-0,1; Э-0,06;
Э-0,12, СПТ), покрытую неполностью отвержденными эпоксидными
или полиэфирными смолами (называемыми препрегами).
Таблица 6.7. Электрические свойства некоторых тропикоустойчи-
вых электроизоляционных лаков
Марка	Удельное объемное сопротивление, 1012 Омм	Е, при f = 1 МГц	tgS.iO2 при f = 1 МГц	Электриче- ская проч- ность, кВ/мм	Примечание
УР-231	1	3,5	2	80	Токсичен
АК-546	10	3,2	8		Слабо токсичен
Э4100	0,1	3,5	2	90	Токсичен
СБ-1 С	10	3,8	2	60	Слабо токсичен
После выполнения всех технологических операций поверх-
ность печатных плат тщательно промывают, очищают и высушивают
(для устранения загрязнений и увлажнений химически активными
веществами). В дальнейшем печатные платы покрывают нескольки-
ми слоями влагостойкого лака (например, эпоксидно-уретановым
116
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
УР-231; полиакриловым АК-546, эпоксидным Э4100; фенолофор-
мальдегидным СБ-1 С). Свойства некоторых электроизоляционных
лаков для печатных плат приведены в табл. 6.7.
Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) - кристаллический по-
лимер, обладающий целым рядом преимуществ перед другими ор-
ганическими полимерами. Он имеет широкий диапазон рабочих тем-
ператур (от - 269 до +260°С), химически стоек, не горит, не смачи-
вается водой, стоек к грибковой плесени, обладает очень высокими
электрическими характеристиками (табл. 6.8). Кристаллическая
структура материала нарушается лишь при температуре около
+326°С, после чего он переходит в пластическое состояние и, не
расплавляясь, при +415°С разлагается в высокотоксичное парооб-
разное состояние. Однако фторопласт-4 имеет холодную текучесть
под действием даже небольших механических нагрузок, не склеива-
ется, не растворяется. Небольшое количество токсичных газов на-
чинает выделяться уже при температурах выше +250°С (например,
под влиянием нагретого жала паяльника).
Таблица 6.8. Электрические свойства фторопласта-4
Удельное объемное сопротивление, 1015 Ом м	Е, при f = 1 МГц	tg3,10‘2 при f = 1 МГц	Электрическая- прочность, кВ/мм
1...10	1,9...2,2	0,02	25...27
Детали из этого материала изготавливаются методом спека-
ния (при +260...380°С) из предварительно отформованных загото-
вок. Применяется при производстве конденсаторов, изоляции про-
водов и кабелей, каркасов трансформаторных обмоток.
Полиамиды - термопластичные пластмассы, используемые
для изготовления корпусов, каркасов, втулок, зубчатых колес, кре-
пежных деталей РЭС. Высокая прочность, малая плотность и хоро-
шие электроизоляционные, антикоррозионные свойства, эластич-
ность, химическая стойкость позволили полиамидам стать одним из
важнейших конструкционных материалов. Детали из полиамидов
выдерживают механические нагрузки, близкие к деталям, изготов-
ленным из цветных металлов и сплавов, но имеющим в 6... 10 раз
большую устойчивость к износу. Температурный диапазон
-60 ...+140°С (+ 200°С для марки П-610).
В узлах трения хорошо зарекомендовали себя полиамиды
в паре с закаленной сталью. Однако с цветными металлами образу-
ется неблагоприятная пара вследствие абразивного действия окиси
металлов. Электрические свойства некоторых марок полиамидов
приведены в табл. 6.9.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
117
Таблица 6.9. Электрические свойства некоторых марок полиамидов
Марка	Удельное поверхностное сопротивле- ние,1015 Омм	Удельное объемное сопротивле- ние, 1015 Омм	£	tgS, ю‘2 при f = 1 МГц	Электрическая прочность, кВ/мм
П-12	2...7	0,6...5	3...3.5	2...2,5	22...25
П-610	1...2	0,4	3,4...4	1...3	22
Капрон	0,2	0,2...1	3,6...4	2,2...3	22
Компаунды - электроизоляционные композиционные материа-
лы (не содержат растворителей), находящиеся в момент применения
в жидком состоянии (при нормальной или повышенной температуре) и
полимеризующиеся в результате внутренних химических процессов
или охлаждения. Компаунды в составе РЭС применяют для пропитки,
обволакивания, заливки компонентов и узлов для их влагозащиты,
электроизоляции, повышения механической прочности. Заливка и об-
волакивание позволяют получить относительно толстый изоляцион-
ный слой на негерметизированных (бескорпусных) компонентах узлов
РЭС, что способствует снижению габаритов, массы и стоимости. Од-
нако следует помнить, что заливка может увеличить диэлектрические
потери в цепях высокой частоты, паразитные емкости, затруднить те-
плообмен нагревающихся компонентов с окружающей средой, вы-
звать возникновение внутренних механических напряжений (приво-
дящих к растрескиванию компаунда, особенно при циклическом воз-
действии положительных и отрицательных температур, возможности
механического повреждения тонких проводников, непрочных компо-
нентов или недопустимого изменения электрических параметров ком-
понентов, чувствительных к механической нагрузке).
Наиболее широкое использование получили полиэфирные
(пропиточные КП-10; КП-103), эпоксидные (заливочные ЭЗК, ЭКА,
ЭКС, МБК) и кремнийорганические (заливочные Т-10, Т-404) компа-
унды. Диапазон рабочих температур от -60 до +180...220°С. Пено-
компаунды (газонаполненные полимерные материалы) обладают
(например, пенополиуретаны ПУ-101; ППУ-3; пенополиэпоксиды ПЭ-1,
ПЭ-5;а также кремнийорганические пенопласты ВПГ-1; ВПГ-2) пони-
женным значением диэлектрической проницаемости, что важно для
уменьшения паразитных емкостных связей внутри заливаемого узла.
Пенополиуретаны выпускаются в виде жидких полуфабрика-
тов, способных вспениваться и отверждаться непосредственно в за-
ливочных формах или в заливаемом узле. Они обладают высокой
проницаемостью электромагнитных волн и рентгеновских лучей,
118
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
виброгасящими и звукоизолирующими свойствами, озоно- и масло-
стойкостью, стойкостью к плесени и органическим растворителям.
Их можно резать горячей проволокой, сваривать, склеивать, напы-
лять на различные поверхности для предохранения от коррозии, те-
плозащиты и звукоизоляции.
Электрические характеристики некоторых компаундов приве-
дены в табл. 6.10.
Термореакгивные компаунды марок МБК обладают высокой
пропитывающей способностью и химической инертностью к меди Си.
В полимеризованном состоянии МБК-1 - твердый, а МБК-2, МБК-3 -
эластичны и резиноподобны (МБК-1 и МБК-3 используются для за-
щиты кристаллов полупроводниковых приборов).
Таблица 6.10. Электрические характеристики некоторых марок
компаундов
Марка	Удельное поверхностное сопротивление, 1012 Омм	£, при f = 1 МГц	tgg.10"2 при f = 1 МГц	Электрическая прочность, кВ/мм
ЭЗК-1	1...10	3,9	1...3	24
ЭЗК-5	1...10	5	1...3	15
МБК-1	1...10	3,1...3,5	5...7 (при 50 Гц)	20...25
МБК-2	1...10	4...5,6	3...5 (при 50 Гц)	16...20
МБК-3	1...10	4,5...5,2	4...6 (при 50 Гц)	15...18
Т-10	10	3,5	0,8...1	20
Т-404	10	3,36	0,46...2	18
ПУ-101	10	1,11	0,15	18
Особенность применения эпоксидных компаундов связана с
тем, что в неполимеризованном состоянии токсичны смола и пары
отвердителя, поэтому необходимо защищать лицо, руки от их попа-
дания. В полимеризованном состоянии компаунды безопасны.
Заливка состоит в заполнении компаундом свободного про-
странства между заливаемым изделием и стенкой защитного корпуса.
Изделия без защитного корпуса заливают в специальной разъемной
форме. Заливка может производиться при нормальном, повышенном
давлении или в вакууме. Возникающие при заливке внутренние меха-
нические напряжения обусловлены несвободным изменением объема
изделия при отвердении и отличием температурных коэффициентов
расширения компаунда и материалов изделия. Максимальное напря-
жение возникает на поверхности соприкосновения этих материалов.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
119
С понижением температуры окружающей среды напряжения
возрастают и могут нанести повреждения механически слабым час-
тям заливаемого изделия. Несколько снизить внутренние напряже-
ния можно после термообработки залитого объекта или путем мо-
дификации свойств компаунда за счет введения наполнителей, пла-
стификаторов, подбором их соотношения, а также при использова-
нии специальных демпфирующих прокладок (из резины, эластичных
компаундов, пенопластов). Плотность прилегания прокладок обеспе-
чивается вихревым напылением или обволакиванием.
Внутренние напряжения растут с увеличением размеров зали-
ваемого изделия, причем минимальные их значения возникают
в геометрическом центре заливки (именно здесь целесообразно
располагать компоненты, чувствительные к механическому сжатию).
Полиэтилен применяется, в основном, в качестве изоляцион-
ного материала осевого провода высокочастотных коаксиальных
кабелей и их наружной оболочки (с добавлением сажи), монтажных
и обмоточных проводов, а также в составе компаундов для заливки
высокочастотных узлов РЭС. Пористый полиэтилен имеет диэлек-
трическую проницаемость почти в два разд ниже монолитного поли-
этилена (табл. 6.11). Предельная рабочая температура +90°С.
Таблица 6.11. Электрические свойства некоторых марок термопла-
стичных пластмасс
Марка	Удельное по- верхностное со- противление, 1015 Омм	Удельное объ- емное сопротив- ление, 1015 Омм	е, при f = 1 МГц	tg3, ю2 при f = 1 МГц	Электри- ческая прочность, кВ/мм
Поли- этилен	1	1	2,2...2,4	0,02...0,04	45...55
Поли- стирол	1...10	1...10	2,5...2,6	0,02...0,04	20...30
Фторо- пласт-3	10	12	2,5...2,7	1	13...15
Полиме- тилме- такрилат	0,01	0,02	3,5...6	2...6	40
Полистирол - химически стойкий материал с высокими элек-
трическими характеристиками. Установочные детали из полистирола
изготавливаются литьем под давлением и прессованием (каркасы
катушек индуктивности, основания конденсаторов с воздушным ди-
электриком, детали переключателей высокочастотных диапазонов
120
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
приемников и’ передатчиков, опорные и проходные изоляторы ан-
тенных фидеров, покровные компаунды для катушек, трансформа-
торов и дросселей). Из полистирола изготавливают также широко
используемую пленку (стирофлекс), применяемую в конденсаторах.
Однако полистирол имеет невысокую нагревостойкость (до 70°С)
и склонность к достаточно интенсивному старению (возникновение
мелких трещин на поверхности деталей).
Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) - кристаллический
полимер, имеющий высокую химическую стойкость. Применяется для
изготовления изоляции проводов и кабелей, установочных деталей
конструкции, конденсаторной пленки, фольгированного материала.
Детали изготавливают прессованием при температуре 22О...25О°С.
Полиметилметакрилат (органическое стекло) - использует-
ся, в основном, для изготовления установочных деталей РЭС. Он
имеет невысокую нагревостойкость (до 8О...9О°С).
Промышленностью выпускается большое количество сополи-
меров - таких соединений, которые вырабатывают из нескольких
мономеров и содержащих в своей химической структуре неодинако-
вые элементарные звенья. Сополимеры позволяют получить мате-
риал с необходимыми свойствами. В табл. 6.12 приведены сведения
о наиболее распространенных способах изготовления конструкцион-
ных деталей из пластических масс.
Таблица 6.12. Основные способы переработки пластических масс
Вид пластмассы	Способ изготовления деталей
Полиэтилен высокого давления (низкой плот- ности)	Литье под давлением, прессование, напыле- ние, экструзия, выдувание, механическая обра- ботка, сварка
Полиэтилен низкого давления (высокой плотности)	Литье под давлением, прессование, напыле- ние, экструзия
Полипропилен	Литье под давлением, прессование, напыле- ние, экструзия, сварка
Винипласт	Экструзия, сварка
Полиметилметакрилат	Прессование, экструзия
Полистирол	Литье под давлением, прессование, экструзия, выдувание, механическая обработка, сварка, склеивание
Полиамид	Литье под давлением
Фторопласт-3	Литье под давлением, прессование, экструзия
Фторопласт-4	Прессование, механическая обработка, сварка
Стеклотекстолит	Механическая обработка, склеивание
Фенолформальдегид	Прессование, механическая обработка
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС 121
6.3.	Материалы для корпусной герметизации
узлов и блоков РЭС
Корпусная герметизация необходима для защиты внутреннего
объема узлов и блоков от воздействия влаги, газов, плесневых гриб-
ков, пыли, загрязнений и механических повреждений. Если срок экс-
плуатации невелик, то целесообразно герметизировать все изделие,
в противном случае применяют частичную герметизацию - гермети-
зируют только отдельные компоненты и узлы. Частичную герметиза-
цию осуществляют пропиткой, обволакиванием и заливкой с приме-
нением лаков, пластмасс и компаундов. Однако такая защита не
обеспечивает герметичность в течение длительной эксплуатации.
Вакуумплотная герметизация с использованием металлов,
стекла и беспористой керамики гораздо эффективнее, но дороже.
Наиболее распространено применение металлических корпусов
с заполнением сухим воздухом или инертным газом при атмосфер-
ном или повышенном давлении, после чего корпус запаивается или
заваривается.
Относительно простой доступ к компонентам герметизируемого
изделия обеспечивает разъемная герметизация (съемные крышки
уплотняются специальными прокладками). Герметичности разъемного
корпуса достигают при помощи резиновых прокладок с силовым уп-
лотнением (рис. 6.12), эластичных прокладок с самоуплотнением (рис.
6.13) и металлических прокладок (рис. 6.14). Самоуплотняющаяся
прокладка изготавливается из упругого неметаллического материала
(резины) и помещается в замкнутый по контуру корпуса паз уплотняе-
мого разъема или замка и, сжимаясь, создает определенный натяг,
зависящий от размера посадочного места и объема прокладки.
Рис. 6.12. Варианты
силового уплотнения
прокладкой из резины
Рис. 6.13. Резиновая
прокладка
с самоуплотнением
Рис. 6.14. Форма сече-
ний некоторых метал-
лических уплотнитель-
ных прокладок
Резина состоит из многокомпонентной смеси на основе каучу-
ков и веществ, называемых эластомерами. Для получения необхо-
димых свойств смесь подвергают вулканизации1. Наиболее часто
1 Вулканизация - технологический процесс превращения каучука в резину, при
котором происходит соединение макромолекул каучука в вулканизационную сетку,
образуемую поперечными химическими связями.
122
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
используются резины марок ИРП-1054; ИРП-1078; ИРП-1267; ИРП-
1338 и др.
Металлические уплотнительные прокладки чаще всего изго-
тавливают из сплавов меди, алюминия, свинца. Необходимо иметь
в виду, что уплотнение металлическими прокладками не всегда
обеспечивает надежную герметизацию, поскольку металлы имеют
значительный коэффициент линейного расширения и после тепло-
вого воздействия в узле уплотнения дополнительно обжимаются.
При циклировании температуры может произойти усадка прокладки
за счет наклепа и появиться утечка.
При использовании корпусной герметизации электрические
соединения с внешними цепями производят через проходные изоля-
торы, основным элементом которых являются металлические трубка
а	б в
Рис. 6.15. Некоторые виды стеклян-
ных и керамических проходных изо-
ляторов корпусной герметизации
и фланец, впаянные в стеклянный
изолятор (рис. 6.15, а, б).
В качестве материалов проходных
изоляторов обычно используют
стекло марки С48-2 и металличе-
ский сплав ковар (марка Н29К18),
которые имеют близкие к согласо-
ванным значения температурных
коэффициентов линейного рас-
ширения. Однако стеклянные изо-
ляторы чувствительны к резкому
изменению температур (происходящих, например, при термоуда-
рах). Более надежными являются проходные изоляторы с использо-
ванием керамики и стеклокерамики - втулка из керамики между
фланцем и стеклом (рис. 6.15, в) предохраняет последнее при тер-
моударах от растрескивания.
Рекомендации по использованию материалов при создании
металлостеклянных спаев корпусной герметизации приведены в
табл. 6.13.
Таблица 6.13. Согласованное использование материалов металло-
стеклянных спаев
Название узла	Штырьки гер- метизирован- ных разъемов	Корпус интегральной схемы	Герметизи- рованный резонатор	Цоколь герметизирован- ного реле
Металл корпуса	Н29К	Н29К	Н48КД НЗОКД	Н29К
Металл вывода	Н29К	Н29К	Н38КД Н29К	Н29К
Материал изолятора	С48-2	С48-1	С38-1 С72-1	С48-1
6, Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
123
Следует учесть, что при пайке металлических выводов узла,
залитого эпоксидными компаундами, происходит разгерметизация
вследствие существенного различия температурных коэффициентов
соприкасающихся материалов.
6.4.	Материалы разъемных и неразъемных
механических соединений
a б в
Рис. 6.16. Конструкции резьбовых
соединений
Разъемные механические соединения дают возможность без
повреждений многократно разъединять и вновь соединять детали
конструкции (к ним относят соединения: резьбовые, шпоночные,
шлицевые и штифтовые).
Наиболее распространены
резьбовые соединения, обеспе-
чивающие простоту и удобство
сборки, взаимозаменяемость,
невысокую стоимость. Типичный
конструктивный состав резьбово-
го соединения деталей: болт и
гайка (рис. 6.16, а), шпилька и
гайка (рис. 6.16, б), винт и резьба
в одной из деталей (рис. 6.16, в).
Материалы резьбовых соединений подбирают в соответствии
с назначением соединения. Различают крепежное и специальное
соединения. Крепежная резьба применяется для механического со-
единения деталей; специальная - для передачи механического пе-
ремещения в механизмах. Крепежные резьбы имеют треугольный
профиль с притупленными вершинами и впадинами (для снижения
внутренних механических напряжений в материале и предохранения
резьбы от повреждений).
В конструкциях РЭС в основном используется метрическая
резьба (дюймовый стандарт распространен среди производителей
ряда зарубежных стран). Резьба характеризуется углом профиля (для
метрической резьбы угол составляет 60 и 55° для дюймовой) и шагом,
который может быть стандартным и мелким. Мелкая резьба применя-
ется для соединения тонкостенных деталей конструкции и в соедине-
ниях, подвергающихся во время эксплуатации вибрационным воздей-
ствиям (для улучшения противодействия развинчиванию).
К специальным резьбам, используемым в передаточных меха-
низмах (редукторах, муфтах зацепления), относятся прямоугольная,
трапецеидальная и упорная.
Для изготовления болтов, винтов, гаек используют, в основном,
углеродистые и легированные стали (марок 08КП, 15, 20, 40, 45),
а также для мелких винтов и гаек латунь (марок Л60, Л63, ЛмцА58-2,
124
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ЛС60-1), бронзу БрАМцЭ, дюралюминий Д16. Для защиты от коррозии
на их поверхность наносят покрытие (цинк Zn , кадмий Cd, хром Сг).
С целью предохранения резьбовых соединений от развинчивания их
стопорят с применением обычных деформируемых и специальных
(например, разрезных) стопорных шайб.
Неразъемными называют механические соединения, при раз-
борке которых нарушается механическая целостность составных
частей изделия (к ним относятся заклепочные и сварные соедине-
ния, развальцовка, пайка, склеивание и др., например, прессовое
соединение с гарантированным натягом).
Заклепочное соединение применяют для соединения деталей
из разнородных и однородных металлов, металлических и неметал-
лических деталей, деталей из легких и трудносвариваемых мате-
риалов. Изго-тавливают заклепки со сплошным стержнем (рис. 6.17,
а-е), пустотелые (рис. 6.17, е) и полупустотелые (рис. 6.17, д-з).
Заклепки со сплошным стержнем по форме головки различают
на полукруглые (рис. 6.17, а, б), потайные (рис. 6.17, в) и полупотай-
ные (рис. 6.17, г).
а б в г д е ж з
Рис. 6.17. Конструкция заклепочных соединений: со сплошным стержнем
(а-г), пустотелые (е), полупустотелые (д-з)
Материалами для изготовления заклепок служат черные и
цветные металлы - стали (например, Ст1), сплавы меди (например,
латунь Л70), сплавы алюминия (например, дюралюминий Д16). Наи-
более прочными являются стальные заклепки, но их установка тре-
бует значительных механических усилий, что следует учитывать при
соединении листовых материалов. Алюминиевые заклепки просты в
установке, легко расклепываются, но не выдерживают значительных
механических усилий, особенно знакопеременных. Латунные заклеп-
ки также применяют в соединениях, не подвергающихся значитель-
ным усилиям. Достаточно высокая пластичность таких заклепок по-
зволяет использовать их при соединении деталей из пластмасс
и керамики (например, с помощью полупустотелых заклепок, у кото-
рых пустотелая часть обращена к хрупкому материалу). При отсут-
ствии значительных механических усилий на соединение деталей
можно использовать пустотелые заклепки.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
125
Для предохранения поверхностей заклепок от коррозии они
могут иметь соответствующее металлическое покрытие.
В составе конструкции РЭС механическое соединение деталей
различного назначения может производиться одной, двумя заклеп-
ками или заклепочным швом (целым рядом заклепок). Одну заклепку
можно применять для соединения деталей малых размеров, когда
к прочности и точности соединения не предъявляются высокие тре-
бования. Заклепочный шов (иногда в несколько рядов) используют
при значительной длине соединяемых деталей, для достижения
плотного и прочного соединения. Для соединения мягких и эластич-
ных материалов (например, полиэтилен, резина) требуется повы-
шенная площадь головки заклепки. В этих случаях под головку за-
клепки подкладывают прокладки и шайбы.
Некоторые конструкционные де-
тали соединяются расклепыванием
специально изготовленных выступов.
Форму выступов подбирают в зависи-
мости от вида деталей, их назначения
и уровня механической нагрузки на со-
единение. У плоской детали часто пре-
дусматривают несколько выступов, ко-
торые при изготовлении соединения
расклепывают, чеканят или обжимают
(например, на рис. 6.18 показан способ
соединения чеканкой алюминиевых
статорных пластин конденсатора пе-
ременной емкости с воздушным ди-
электриком).
Листовые конструкционные материалы могут соединяться между
собой также посредством загибания их краев (типа кровельного шва).
Сварка предназначена для получения прочного неразъемного
соединения деталей, изготовленных из различных материалов, путем
местного или общего нагрева. С ее помощью соединяют детали для
изготовления корпусов, стоек, кожухов механизмов, шасси, панелей и
др. При производстве РЭС применяются многие виды сварки, к наибо-
лее используемым относятся: термическая сварка (дуговая, аргоноду-
говая, газовая, электронно-лучевая); термомеханическая (контактная и
термокомпрессионная); механическая (ультразвуковая); холодная.
При дуговой сварке деталей из сильно окисляющихся метал-
лов (например, алюминия, магния, титана, нержавеющих сталей)
электрическую дугу располагают в среде инертного газа аргона, что
препятствует образованию окислению места сварки у соединяемых
материалов. Толщина свариваемых плоских деталей от 0,1 мм до
десятков миллиметров.
Рис. 6.18. Схема механичес-
кого соединения чеканкой
статорных пластин конденса-
тора переменной емкости
126
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Термокомпрессионную сварку используют при производстве
полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Она проис-
ходит с давлением и с локальным нагревом материала в месте сварки
за счет передачи тепловой энергии от нагретого сварочного электро-
да. Например, присоединение тонких (30...80 мкм) металлических
проводников выводов с кристаллом полупроводника, на поверхности
которого напылена металлическая пленка толщиной около 1 мкм.
Процесс получения неразъемного соединения металлических
деталей за счет применения связующего металла (припоя) называ-
ется пайкой. При расплавлении припой смачивает металлические
поверхности соединяемых деталей, образуя межатомные металли-
ческие связи в твердых растворах. Следовательно, качественное
соединение пайкой можно получить только при очищенных поверх-
ностях соединяемых материалов. Для защиты соединяемых поверх-
ностей от окисления при пайке необходимо создание либо защитной
газовой среды, либо защитного слоя жидкого материала (флюса),
который, кроме того, растворяет оксидную пленку и обеспечивает
припою повышенную смачиваемость и текучесть.
Температура плавления припоя должна быть ниже соответст-
вующей температуры соединяемых металлов, а в расплавленном со-
стоянии припой должен обладать смачиваемостью к ним. Припои из-
готавливают тугоплавкими (температура плавления более 1850°С),
высокоплавкими (116О...185О°С), среднеплавкими (45О...116О°С), лег-
коплавкими (145...450°С), особо легкоплавкими (менее 145°С).
Таблица 6.14. Области использования некоторых марок припоев
Тип припоя	Марка припоя	Температура плавления, °C	Соединяемые материалы
Оловянно- свинцовые	ПОС18-ПОС90	190...277	Медь и ее сплавы, серебро, оцинкованное железо
Оловянно- свинцово- кадмиевые	ПОСК-47	145...180	Медь и ее сплавы, серебро, нанесенное методом вжигания на керамику
Медно- серебряно- цинковые	ПСр25-ПСр70	720...765	Медь и ее сплавы, серебро, платина, вольфрам, сталь
Флюс должен соответствовать температуре плавления при-
поя. Канифольные, кислотные и фторборатные флюсы относятся
к низкотемпературному (до 450°С) интервалу активности. Активные
кислотные флюсы приготавливают на основе соляной кислоты НО,
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
127
хлористых и фтористых соединений металлов. Остаток таких флю-
сов после пайки вызывает интенсивную коррозию спая и соединяе-
мых металлов, поэтому они применяются при условии возможности
тщательной промывки и полного удаления флюса. К бескислотным
флюсам относятся канифоль и ее растворы в спирте (марка ЛТИ-1,
включающая органические добавки, применяется, например, при
пайке деталей полупроводниковых приборов и интегральных схем из
меди, бронзы, латуни, стали с никелированием и цинкованием).
Нагрев металлов, соединяемых пайкой, осуществляют паяль-
ником, плазменной горелкой, электронным лучом, лазером, погру-
жением в расплав припоя, волной припоя и др. Качественное паяное
соединение конструкционных металлов может быть получено с уче-
том свойств соединяемых металлов, припоя и флюса, а также прие-
мов пайки, вида послеоперационной обработки (очистки), величины
зазора между деталями, плотности заполнения зазора припоем, си-
лы сцепления припоя с металлами. Области использование некото-
рых марок припоев приведены в табл. 6.14.
Прочное соединение деталей из разнородных материалов
можно получить с помощью вязких веществ, называемых клеем.
В конструкциях РЭС ввиду малой механической нагруженности де-
талей от таких соединений в большинстве случаев не требуется вы-
сокая механическая прочность, но предъявляются требования ус-
тойчивости к повышенной влажности воздуха, колебаниям темпера-
туры, вибрациям. Оказалось, что клеевые соединения (по сравне-
нию с заклепочными) обладают меньшей усталостью, улучшают
герметизацию, снижают массу, габариты и стоимость изделия.
Остаточные внутренние механические напряжения при высы-
хании клея невысоки, если клеевой слой не превышает 0,05...0,25
мм. Клеи, полимеризуемые за счет химических процессов, требуют
достаточно сложной последовательности операций, а для некоторых
типов клеев необходим нагрев. Процесс склеивания состоит в подго-
товке склеиваемых поверхностей (очистка, обезжиривание), нанесе-
ния клеевого слоя, соединения поверхностей и выдержке при опре-
деленной температуре и давлении. Наиболее высокую прочность
имеет клеевое соединение, испытывающее напряжение на сдвиг,
а не на отрыв. Назначение некоторых синтетических клеев приведе-
но в табл. 6.15.
При производстве полупроводниковых приборов клеи приме-
няется для соединения двух металлов, металла и керамики, керами-
ки и стекла, кристалла с металлом, керамикой и стеклом.
Токопроводящие клеи приготавливают на основе кремнийор-
ганических и эпоксидных смол с добавлением порошка серебра Ад
или никеля Ni (марки АС-40В, ЭК-А, К-3, КН-1, ЭВТ). Они использу-
ются, например, для крепления кристаллов полупроводниковых
128
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
цифро-знаковых индикаторов к основанию корпусов с обеспечением
электрического контакта (клей марки АС-40В имеет удельное элек-
трическое сопротивление 0,01 Ом-см, диапазон рабочих температур
- 60...+450°С, жизнеспособность 24 ч).
Таблица 6.15. Назначение и свойства некоторых марок клеев
Марка клея	Склеиваемые материалы, свойства клея
БФ-2, БФ-4	Металлы, текстолит, аминопласты, стекло, древесина, фарфор. Вибростоек
ЭД-5, ЭД-6	Металлы, винипласт, органическое стекло, фарфор, ке- рамика, пластмассы. Приклеивание вулканизированной резины к металлам
ПФЭ-2/10	Металлы, текстолит, капроновое волокно, полиамидные пленки
ПУ-2	Стали, алюминиевые сплавы между собой и с неметалли- ческими материалам. Обладает длительной прочностью, выносливостью, стойкостью в различных климатических зонах
ИП-9	Силиконовые резины с металлами
Клей может использоваться вместо пайки. Так, пастообразным
клеем ЭВТ производят механический и электрический монтаж одно-
временно при сборке полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем (удельное электрическое сопротивление 5-10~3 Ом-см;
диапазон рабочих температур - 60...+200°С, жизнеспособность 12 ч;
время полимеризации 3 ч при +250°С).
6.5.	Предпосылки к выбору конструкционных материалов
Узлы и блоки современных РЭС должны выполнять многочис-
ленные функции в присутствии многих и сложных эксплуатационных
воздействий. Это вызывает необходимость использовать широкую
номенклатуру самых разнообразных материалов, насчитывающую
сотни (иногда многие сотни) наименований. Технические требова-
ния, предъявляемые к конструкции РЭС, не позволяют произвольно
осуществлять выбор того или иного материала. Более того, техниче-
ские характеристики подавляющего большинства деталей и узлов
определяются выбранным для их изготовления материалом. Таким
образом, материал является основой конструкции РЭС и его со-
ставных частей, поскольку задает функциональное качество конст-
рукции, технологичность, экономичность, эксплуатационные пара-
метры и надежность.
6. Конструкционные материалы и элементы конструкций РЭС
129
Очень часто деталь конструкции может быть изготовлена не-
сколькими вариантами, отличающимися материалом и технологиче-
скими приемами производства (единственный вид материала и один
вид технологической операции возникает лишь в исключительных
случаях). Правильный выбор может быть сделан только с учетом
специфики материала и его технологических возможностей.
Материалы оказывают влияние на габариты и массу деталей,
узлов и блоков, на точность изготовления деталей, на экономич-
ность конструкции РЭС в целом. Свойства выбираемого материала
должны быть согласованы с требованиями к прочности, жесткости,
массе, а также технологическими особенностями (например, обраба-
тываемостью, текучестью, литейными качествами и др.). Так, деталь
круглого сечения может быть изготовлена точением, литьем, штам-
повкой. Для каждого из этих технологических приемов требуется свой
перечень материалов (для токарной обработки - стальные или латун-
ные прутки, стержни из стеклотекстолита и др.; для литья - сплавы
алюминия и меди; для штамповки - листовые сталь, медь). Стальные
материалы являются наиболее дешевыми, но стоимость изготовле-
ния из них, например, детали глубокой штамповкой может оказаться
выше, чем при использовании латуни с ее высокой текучестью.
Основными свойствами выбираемого для изготовления мате-
риала следует считать функциональное назначение детали. Напри-
мер, несущий корпус конденсатора переменной емкости должен
обеспечить стабильность размеров в диапазоне температур экс-
плуатации РЭС. Очевидно, основное свойство материала в этом
случае - малый коэффициент линейного расширения, механическая
прочность. Для катушек индуктивности частотно-избирательных
фильтров специального РЭС обычно необходимы малые значения
температурного коэффициента индуктивности и максимальная доб-
ротность. Тогда основными свойствами материала каркаса катушек
должны быть малые значения температурного коэффициента рас-
ширения и диэлектрических потерь на заданной частоте.
Следовательно, выбрать для детали такой материал, который
бы в полной мере удовлетворял всем требованиям - трудная задача.
Сложность заключается не столько в многочисленности требований,
сколько в возникающих противоречиях. Так, материалы с малым тем-
пературным коэффициентом расширения труднее обрабатываются и
себестоимость деталей возрастает. В ряде случаев подходящий ма-
териал обладает токсичностью или каким-либо недостатком. Напри-
мер, применение магниевых сплавов для изготовления каркаса блока
авиационного РЭС позволяет существенно снизить его массу, но за-
щита этого материала от коррозии весьма сложна. Полистирол, обла-
дая практически нулевым водопоглощением и малыми диэлектриче-
скими потерями, не может быть использован для изготовления высо-
5-2134
130
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
кочастотных деталей вследствие недостаточной температурной стой-
кости и подверженности достаточно быстрому старению.
Компромисс при выборе материала является тем основанием,
на котором можно получить приемлемый результат. Следует учесть
не только основные свойства материала, но и сопутствующие и
вредные свойства.
К сопутствующим следует отнести те свойства материала, ко-
торые не являются необходимыми для данной конструкции детали,
но наличие которых не снижает ее качества. Например, магнитные
свойства стали, которая используется для производства большинст-
ва видов крепежа и установочных деталей, в подавляющем числе
случаев не имеют значения. Однако магнитные свойства становятся
вредными для деталей, располагаемых в местах, где могут внести
электрические потери в колебательный контур. Некоторые сопутст-
вующие свойства не всегда принимаются,в первоначальный расчет,
а выясняются впоследствии. Так, у трансформаторной стали раз-
личных сортов, применяемых для изготовления пластин трансфор-
маторов, твердость и характер среза при штамповке влияет на стой-
кость штампов (от исходного состояния до первой технологической
заточки штампа для сохранения требуемых размеров пластин стой-
кость колеблется от 100 тыс. до 500 тыс. ударов). Это обстоятельст-
во оказывает влияние на себестоимость изделия.
Таким образом, материал должен легко обрабатываться и
принимать заданную форму при использовании прогрессивных тех-
нологических операций. Материал не должен терять своих положи-
тельных свойств в процессе производства детали (если, конечно,
сам технологический процесс этого не предусматривает, например,
закалка, отжиг, полимеризация и др.). В период эксплуатации РЭС
материал должен сохранять свои положительные свойства.
В процессе создания РЭС разработчик должен учитывать
Государственные стандарты (ГОСТ) и нормативные документы дан-
ной отрасли (нормали), которые упрощают материально-техни-
ческое обеспечение производства.
Контрольные вопросы
1.	Каково назначение конструкционных материалов в составе РЭС?
2.	Назовите основные требования к конструкционным материалам РЭС.
3.	Назовите виды конструкционных материалов.
4.	Какие неметаллические материалы используют в качестве конструк-
ционных?
5.	Какие материалы используют для корпусной герметизации РЭС?
6.	Назовите материалы разъемных и неразъемных соединений в конст-
рукциях РЭС.
7.	Как следует выбирать конструкционные материалы при разработке РЭС?
7.	НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КОМПОНЕНТОВ
Радиоэлектронное средство представляет собой техническое
устройство, осуществляющее на принципах радиоэлектроники функ-
ции преобразования электрических сигналов. Для выполнения своих
функций РЭС содержит в себе пространственно упорядоченную со-
вокупность схемных и конструктивных компонентов, между которыми
существуют связи различной физической природы (электрические,
оптические, механические, тепловые, магнитные, электромагнитные
и др.) в присутствии взаимного влияния и внешних воздействующих
факторов.
Основой функционального построения РЭС является эле-
ментная база (современный термин компонентная база), которая,
согласно российским техническим стандартам, определяется как
совокупность электрорадиоэлементов (радиокомпонентов), приме-
няемых в электрическом монтаже с учетом их конструктивно-
функциональной принадлежности. Электрорадиоэлемент - прибор
или устройство, выполняющий функции преобразования, распреде-
ления, переключения электрических сигналов, реализуемых элек-
трической схемой.
Основой электрической схемы современных РЭС являются
изделия электронной техники, значительную часть которых состав-
ляют полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.
Будем понимать под термином компонент РЭС - составные части
электрической схемы РЭС, которые в соответствии со схемным на-
значением выполняют функции изменения сопротивления электри-
ческому току, изменения уровней напряжений, накопления электри-
ческого заряда, концентрации электромагнитной энергии, выбора,
задержки и переключения электрических сигналов, а также усиления
и преобразования токов и напряжений. Все компоненты РЭС пред-
ставляют собой электрические двухполюсники и многополюсники
и подразделяются на пассивные и активные.
К пассивным компонентам РЭС относят: резисторы, конденса-
торы, катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели, переклю-
чатели, реле, электрические соединители и др. По конструктивно-
технологическим признакам они могут быть навесными (для объем-
ного и традиционного печатного монтажа, а также поверхностного
печатного монтажа) и микрокомпонентами (устанавливаемыми на
подложках микросхем и микросборок).
К активным компонентам РЭС относят полупроводниковые
и электровакуумные приборы, интегральные микросхемы.
132
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Пассивные и активные компоненты могут составлять функ-
циональные узлы РЭС - конструктивно законченные части РЭС, вы-
полняющие частную функцию по преобразованию, генерированию
электрических токов и напряжений. В составе функционального узла
компоненты объединены общим несущим основанием (подложкой
или платой печатного монтажа), а в полупроводниковой (твердо-
тельной) интегральной микросхеме - единым кристаллом.
Дальнейшее развитие радиоэлектроники связано, во-первых,
с миниатюризацией компонентов РЭС и, во-вторых, с разработкой
микроэлектронных функциональных узлов, использующих физиче-
ские явления, протекающие в твердом теле. Последнее направле-
ние позволяет создавать узлы, не содержащие отдельные схемные
компоненты, но выполняющие заданные функции.
На рис. 7.1 представлена общая классификация компонентов
РЭС. По своему назначению наиболее представительную группу со-
ставляют компоненты общего (универсального) назначения. В том
случае, когда какие-либо характеристики типовых компонентов не
удовлетворяют предъявляемым требованиям эксплуатации, то раз-
рабатывают компоненты специального назначения (например, мало-
габаритные конденсаторы, стойкие к ионизирующим излучениям).
Постоянные, переменные и подстроечные компоненты составляют
группу, характеризуемую возможностью управления (многократного
или однократного) какой-либо характеристикой (например, сдвоен-
ный конденсатор переменной емкости). Конструкция и некоторые
технологические особенности выделяют компоненты, входящие
в группы способа монтажа: Перспективными являются компоненты,
Рис. 7.1. Общая классификация компонентов РЭС
7. Назначение и общие характеристики компонентов
133
монтируемые на поверхность печатных плат и бескорпусные, пред-
назначенные для установки в гибридные интегральные микросхемы
и микросборки. Компоненты без корпуса относятся к незащищенным
изделиям, а интегральные микросхемы всех видов и типов всегда
герметизированы. Изолированность компонентов подразумевает
возможность их плотной упаковки в малогабаритном корпусе.
7.1.	Общие характеристики компонентов РЭС
Требования к компонентам определяются функциями, выпол-
няемыми ими в составе электрической схемы узла или РЭС в целом.
Уровень влияния компонентов на работу РЭС зависит от степени
связи их характеристик с параметрами РЭС.
Электрические характеристики компонентов РЭС, а также их
габаритные размеры и масса определяются, главным образом, свой-
ствами материалов, из которых они изготовлены. Номенклатура
материалов компонентов достаточно обширна.
В период эксплуатации и в особенности под влиянием внеш-
них воздействий свойства материалов и, соответственно, характери-
стики компонентов подвергаются изменениям, что может привести
РЭС к неисправности.
Компоненты, производимые специализированными предпри-
ятиями, имеют номинальные значения своих характеристик, уста-
новленные специальными числовыми рядами. Нестандартные ком-
поненты могут иметь номинальные значения, отличные от числовых
рядов.
При производстве компонентов их характеристики имеют
в данной партии определенный разброс, который регламентируется
предельными отклонениями (допусками), устанавливаемыми пред-
приятием-изготовителем с помощью расчета или путем статистиче-
ской проверки выпускаемой продукции. Сведения о значениях харак-
теристик компонентов зависят от точности выходного производст-
венного контроля и стабильности технологического процесса изго-
товления. Во многих случаях выходной контроль всей продукции не-
возможен из-за большого объема или экономических соображений
и тогда ограничиваются выборочным контролем продукции. Точ-
ность и достоверность при таком контроле зависят от точности из-
мерений и объема выборки. При небольшом количестве контроли-
руемых характеристик компонентов автоматизированный контроль
всей продукции возможен и при массовом производстве (например,
у резисторов и конденсаторов контролируют только значение элек-
трического сопротивления и емкости). Однако возможности полного
контроля ограничены (из-за большой трудоемкости) таких характе-
ристик, как температурный коэффициент резисторов и конденсато-
134
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ров. В этом случае пользуются только выборочным контролем не-
больших партий и, соответственно, различие между значениями ТКС
и ТКЕ, указываемыми в технических условиях и измеренными, может
быть заметным.
Кроме разбросов значений характеристик компонентов, вы-
званных условиями производства, возможны изменения под влияни-
ем внешних факторов. В технических условиях (ТУ) на компоненты,
как правило, не устанавливаются нормы на изменение значений ха-
рактеристик при комбинированных воздействиях различных внешних
условий.
В ряде случаев устанавливаемые техническими условиями
нормы имеют запас, обусловленный позицией изготовителя (и при-
нятая потребителем) - введение заниженных норм, например, при
ожидании более широкого разброса свойств исходных материалов и
сырья.
Таким образом, производство и эксплуатация компонентов
предполагают случайный разброс значений их характеристик. На
рис. 7.2 показаны виды распределений измеренных значений харак-
теристик некоторых компонентов, встречающихся в производствен-
Рис. 7.2. Гистограмма и плотность распределения температурного
коэффициента электрического сопротивления (ТКС) углеродистых
резисторов, измеренных при производственном контроле 780 образцов
7. Назначение и общие характеристики компонентов
135
Допуск на основные характеристики компонентов может со-
ставлять от долей процента до десятков процентов. Значения допус-
ков устанавливаются исходя из производственной или физической
осуществимости, технологичности, технико-экономической целесо-
образности, функциональной необходимости.
Если характер производственного процесса изготовления ком-
понентов приводит к разбросу их характеристик по обе стороны от
номинального значения, то предусматривается двухсторонний до-
пуск (симметричный допуск обозначается ±). Если по технологиче-
ским соображениям удобнее не превышать или не занижать задан-
ное значение характеристики (и допустимо по условиям работы ком-
понента), то используют односторонний допуск (например, +10% или
-50%).
Стабильность характеристик компонента определяется ус-
тойчивостью свойств его материалов при действии внешних факто-
ров (в том числе, влияния соседних компонентов). Большое влияние
на стабильность свойств материалов компонентов оказывает тепло-
вой режим. Например, при изготовлении компонента в материалах
его составных частей могут возникать значительные остаточные
внутренние напряжения, которые при изменении температуры во
время эксплуатации изменяются в значительной степени, что влечет
за собой изменение размеров, формы и взаимного расположения
этих частей и, как следствие, дрейф значений характеристик компо-
нента Для снижения влияния внутренних механических напряжений
при изготовлении компонентов применяют термическую тренировку
путем циклического изменения температуры в максимально допус-
тимых пределах - от -6Q до +60°С и более. Обычно число циклов
составляет 3-6.
Технологичность компонента является одной из его важней-
ших производственных характеристик, оказывающих значительное
влияние на стоимость. При массовом производстве предусматри-
вают использование высокомеханизированных и автоматизирован-
ных производственных процессов.
7.2.	Влияние внешних воздействий на характеристики
компонентов
В период эксплуатации компоненты всех типов в составе РЭС
испытывают влияние воздействий, которые оказывают на них окру-
жающая их среда и расположенные рядом с ними другие компонен-
ты. Воздействия весьма разнообразны, но среди них можно отме-
тить наиболее значимые, к которым относятся воздействия: тепло-
вые, механические, давление и влажность воздушной или газовой
среды.
136
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Повышенная температура компонента (по отношению к пре-
дельному значению) опасна ускорением химического процесса окис-
ления металлов, снижением изоляционных свойств диэлектрических
материалов, возможным разрушением герметичных соединений,
защитных свойств органических покрытий и заливок за счет их ста-
рения и др. Достаточно часто компоненты испытывают тепловое
воздействие от собственного источника. Например, перегрев рези-
сторов при номинальной нагрузке по мощности относительно темпе-
ратуры окружающей среды составляет 8О...12О°С, конденсаторов
2О...5О°С. При работе незначительное количество тепловой энергии
выделяют: резисторы с электрическим сопротивлением более 1...2
МОм и конденсаторы с диэлектриком из фторопласта и полистиро-
ла, а также все типы резисторов при мощности рассеяния и все типы
конденсаторов при рабочем напряжении менее 25% от номинально-
го значения.
В большинстве случаев снизить температуру компонентов
удается выбором соответствующего электрического режима, а также
конструктивными приемами:
•	равномерным распределением источников тепла в объеме
узла или блока;
•	размещением во внутреннем объеме узла или блока тепло-
чувствительных компонентов по вертикали ниже теплонагруженных
компонентов, поскольку при естественном охлаждении тепловой по-
ток направлен вверх;
•	расположением для интенсификации отвода тепла компо-
нентов цилиндрической формы вертикально;
•	расположением при наличии группы теплонагруженных ком-
понентов в объеме корпуса, размещать достаточно компактно (для
эффективной работы средств дополнительного охлаждения).
К механическим воздействиям на компоненты относятся: виб-
рация, удары, линейные ускорения. Чем меньше масса компонента,
тем, как правило, выше его механические устойчивость и прочность.
Уровень вредного влияния механических сил зависит от способа его
установки и, следовательно, собственной механической резонанс-
ной частоты компонента, а также соотношения резонансной частоты
с частотой внешнего воздействия. Для компонентов небольших раз-
меров частоту собственного механического резонанса (Гц) можно
оценить по эмпирической формуле f = mL~n, где L - длина выводов,
мм, п - коэффициент, зависящий от массы компонента (п=1...1,3),
m - коэффициент, значение которого определяется способом мон-
тажа (рис. 7.3) компонента. Для крепления типа а т= (1,2...2)-104,
для крепления типа б m = (0,5...1)-104.
7. Назначение и общие характеристики компонентов
137
Рис. 7.3. Варианты установки типо-
вых компонентов на плату печатного
монтажа:
а - вплотную к подложке: б - на некото-
ром удалении от подложки
В этом эмпирическом со-
отношении большие значения
коэффициента m соответствуют
более коротким выводам, а ко-
эффициенты тип взаимосвя-
заны.
Практика показывает, что механи-
ческая устойчивость и прочность
выше у тех компонентов, у кото-
рых более высокая частота собст-
венного механического
резонанса. Максимальной частотой обладают микроминиатюрные
компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа. В этом
смысле положительное влияние оказывает применение многослой-
ного покрытия подложки и установленных на ней компонентов по-
кровными лаками.
Пониженное давление воздуха уменьшает напряжение его ио-
низации в электрическом поле, что может вызвать пробой зазоров
между пластинами конденсаторов переменной емкости с воздушным
диэлектриком, промежутков между выводами высоковольтных рези-
сторов, конденсаторов, трансформаторов. Следует также отметить
существенное падение уровней отводимой тепловой мощности за
счет естественного конвективного теплообмена между теплонагру-
женными компонентами и окружающей средой. При пониженном
давлении воздуха наблюдается изменение свойств органических
изоляционных материалов за счет обезвоживания и интенсивной
потери ими диффундированных газов.
Повышенная влажность воздуха вызывает снижение электри-
ческого сопротивления изоляции, образование химически активных
электролитов из водных растворов поверхностных загрязнений
(возможность возникновения коротких замыканий, интенсивной кор-
розии металлов), развития плесени и грибков.
7.3.	Влияние схемных компонентов на параметры РЭС
Выполнение РЭС своих функций проверяют измерением его
параметров и сопоставлением измеренных значений с границами
допустимых отклонений. Если в период испытаний или эксплуатации
все выходные параметры находятся в пределах своих допусков,
РЭС признается исправным. Если хотя бы один из выходных пара-
метров, перечисленных в технических условиях на РЭС, в указанный
период выходит за пределы установленных норм (даже кратковре-
менно), то РЭС считают отказавшим. Следовательно, понятия «до-
пуск» и «отказ» являются ключевыми при определении работоспо-
собного состояния РЭС.
138
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Значения выходных параметров РЭС определяются, в основ-
ном, заложенным при разработке принципом работы, его схемотех-
нической реализацией и выбранными компонентами. Таким образом,
характеристики компонентов в решающей мере определяют выход-
ные параметры РЭС.
Влияние характеристик компонентов на выходные параметры,
например, некоторого узла РЭС, можно определить, если известна
их аналитическая (функциональная) связь. Такие связи используют-
ся для расчетов на этапе разработки. Следовательно, при известной
функциональной связи характеристик компонентов (первичных па-
раметров узла) с выходными параметрами узла можно оценить и
устойчивость значений выходных параметров узла при известном
уровне стабильности характеристик входящих в него компонентов.
Рассмотрим простейший случай связи выходного параметра у
некоторого узла с единственным первичным параметром х в виде:
у = Ф(х) в предположении непрерывности и дифференцируемости
функции ср(х).
Малое приращение первичного параметра Дх вызовет
приращение выходного параметра Ду:
у + Ду = у>(х + Дх).
Применив разложение Тейлора в малой окрестности х и
используя линейное приближение, найдем:
у + Ду = ф(х + Дх) = ф(х) + ^ф' (х)Дх + -^-ф" (х)Дх2 +... = ф(х) + ф* (х)Дх.
Отсюда следует, что Ду = ф(х)Дх или в относительной
. Ду ф'(х) Дх
форме: —*- = ^44—х.
У ф(х) х
Коэффициент влияния первичного параметра х на выходной
параметр у составляет:
К
ф'(х)
в Ф(х)
х.
В случае функции многих переменных у = ф(х1,х2,х3...хп) = ф( )
при линеаризации запишем в операторной форме:
У + Ду^ф() + £~1|
г
э А э А э А
--Дх, +-—Дхэ +... +-Дхп
Эх, 1 Эх2 2 Эхп п
j
Отсюда коэффициент влияния первичного параметра х; на
выходной KR. = 3^ х' .
В| Эх, Ф(.)
7. Назначение и общие характеристики компонентов
139
Найденный коэффициент влияния отражает детерминирован-
ное изменение выходного параметра при детерминированном изме-
нении первичных параметров при следующих предположениях:
функция (р(-) непрерывна и дифференцируема по всем аргументам,
отклонения Дх(малы относительно их номинальных значений хР
аргументы независимы.
Детерминированные отклонения параметров называют также
систематическими, отличительной чертой которых является наличие
определенного знака отклонения от номинального значения.
Кроме систематических, возможны случайные отклонения
первичных параметров. Предположим, что для них известен закон
распределения, а также математическое ожидание тх и дисперсия
Dx. В простейшем случае симметричного распределения случайных
отклонений первичного параметра х (например, нормального) для
выходного параметра узла как функции одной переменной у = <р(х)
следует:
у +Ду = ^(mJ + ^'(iTiJ(x-mJ .
В этом случае математическое ожидание выходного парамет-
ра составит:
М[у + Ду] = Му =M[^(mx)] + M[^,(mx)(x-mx)] = ^(тх) + 0 .
Дисперсия выходного параметра:
D[y + Ду] = Dy = D[y>(mx)] + D[y>'(mx )(х - тх)] = 0 + Dz,
где z = (p'(mx)(x-mx);Dz =X(zj-mz)2pi;mz =0. Pj - вероятность
i
того, что случайная величина z примет значение z{. Тогда
2
Dz =£zj2pi = [<р'(х)] £(x-mx)2pi =[<p'(x)]2Dx.
В общем случае функции многих переменных
у = ф(х1,х2,х3...хп) = <р(-):
Му = <₽(•); Dy = £Dzj =X[<P <-)]2 Dxj.
j j
Среднее квадратическое отклонение выходного параметра
ау составит: оу2 = £[<р'(-)]2%2 
j
Связь средних квадратических отклонений oxj случайных от-
клонений первичных параметров с границами их допустимых откло-
нений зависит от типа распределения случайных отклонений. Как
известно, для нормального распределения предельное случайное
140
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
отклонение 6Х первичного параметра х составляет дх=±3ах. То-
гда связь случайного относительного отклонения выходного пара-
метра у со случайными относительными отклонениями первичных
параметров х^ будет иметь вид оценки:
^=±Jzk,(-)/<p(-)]2xj2KBj2W2 .
у р	L j _
Напомним основные предположения, которые были положены
в основу найденного соотношения: функция ср(-) непрерывна и
дифференцируема; аргументы имеют малое отклонение от номи-
нальной величины и приблизительно одинаковое влияние на выход-
ной параметр у, аргументы независимы.
Для случайных отклонений первичных параметров (т.е. харак-
теристик компонентов РЭС) эти предположения следует уточнить.
Независимость случайных отклонений аргументов означает то,
что распределение каждого из них не зависит от того, какое значе-
ние случайных отклонений приняли другие аргументы (однако на
практике может обнаружиться, например, что случайные относи-
тельные отклонения электрических сопротивлений тонкопленочных
резисторов гибридной интегральной микросхемы, выполненные в
едином технологическом цикле вакуумного напыления, зависимы).
Вероятностные связи между случайными отклонениями аргу-
ментов могут иметь различную мощность - от весьма слабой (прак-
тической независимости) до очень сильной (практически детермини-
рованной) - например, связь случайных отклонений значений токов
и напряжений в электрической цепи, подчиняющихся закону Ома.
Как известно, линейная вероятностная связь характеризуется
корреляционным моментом для непрерывных случайных величин х
и у: Кху = Д(х-mx)(y-my)f(x,y)dxdy, а для дискретных случайных
величин Кху = XS(x - mx)(y - ту)р~, где р..- вероятность одновре-
менного появления величин х( и у.. При их независимости по тео-
реме об умножении вероятностей р.. = р;р. и тогда корреляционный
момент равен нулю:
Кху = Е(х, - mK)Pi 2(у, - my)Pi =
'	j
= (Zxi Pi - Smx Pi) (Ex, Pi - Lmy pj) = 0.
7. Назначение и общие характеристики компонентов
141
Следует отметить, что при малых случайных отклонениях х( и
Yj от своих математических ожиданий, величина корреляционного
момента стремится к нулю (кху->о) даже при наличии сильной свя-
зи. Поэтому вводят коэффициент корреляции, который для линей-
ной связи имеет вид:
Рассмотрим в качестве примера узел РЭС в виде паралле-
льного колебательного контура. Важнейшим выходным параметром
контура является его резонансная частота f = —. Случайная
2rcVLC
погрешность настройки колебательного контура на заданную частоту
определяется случайными погрешностями значений его компонен-
тов - индуктивности катушки и емкости контурного конденсатора.
В относительной форме погрешность af настройки контура (в пред-
положении нормальных случайных отклонений аргументов) можно
записать в виде:
«f =±7(“f)L2+(af)c2 ; где («Л =-^7aL; (“f)c=-^7“c;
aL- относительная случайная погрешность индуктивности; ac-
относительная случайная погрешность емкости конденсатора.
Окончательно получаем обе относительные погрешности на-
стройки колебательного контура, соответственно, для катушки ин-
дуктивности и емкости конденсатора (af)L=~—aL; (af)c = ~—ac •
Например, если случайная погрешность отклонения индуктивности
от своего номинального значения составляет aL= ± 1%, а погреш-
ность емкости контурного конденсатора ас= ± 3%, то погрешность
настройки контура на заданную частоту af = ± 1,58%.
Следовательно, при наличии функциональной связи выходных
и первичных параметров узла РЭС можно с известным приближени-
ем оценить систематические и случайные отклонения выходного па-
раметра узла при наличии сведений о систематических и случайных
отклонениях характеристик компонентов.
7.4.	Надежность компонентов и надежность РЭС
Надежностью называется способность объекта (например,
РЭС или его узла) выполнять заданные функции в заданных услови-
142
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ях в заданный период времени. Во многом эту способность РЭС
обеспечивают его компоненты. Исправным считают тот объект,
у которого все выходные параметры находятся в пределах установ-
ленных техническими условиями норм (допусков). Отказавшим счи-
тают тот объект, у которого хотя бы один выходной параметр вышел
за пределы своего допуска. Количественно надежность характери-
зуется несколькими числовыми показателями, из которых важней-
шим является вероятность исправной работы P(t) - вероятность
события, заключающегося в том, что в течение известного проме-
жутка времени t все выходные параметры объекта находятся
в пределах допусков. Вероятностью отказа Q(t) объекта называ-
ется вероятность события, заключающегося в том, что в период
времени t выходной параметр объекта вышел за пределы допуска.
Исправная работа и отказ объекта составляют полную группу собы-
тий, которые могут произойти с объектом. Поэтому P(t) + Q(t) = 1.
Вероятность исправной работы используют как для РЭС в це-
лом, так и для его составных частей, включая компоненты. Экспери-
ментальная оценка этой вероятности может быть получена путем
специально организованных испытаний объектов или в период их
эксплуатации. С этой целью формируется некоторое количество N
изготовленных однотипных объектов (выборка) и устанавливается
на испытания или эксплуатацию в заданных условиях длительно-
стью t. По завершении испытаний или эксплуатации объектов оцен-
ка вероятности исправной работы одного объекта Р*(1)вычисля-
* /хх N - n(t)
ется как отношение Р (t) =-----—, где n(t) - число отказавших
N
объектов из выборки. Увеличение объема выборки N ведет к сни-
жению ошибки оценки вероятности, т.е. lim^^ Р * (t) = P(t).
Интенсивностью отказов объекта X(t) называется отношение
количества отказавших объектов дп в отрезок времени Д/ и количе-
ства объектов, оставшихся годными к началу рассматриваемого от-
резка времени: X(t) =	- Интенсивность отказов X(t) как
функция времени имеет три характерных участка (рис. 7.4): / -период
приработки; //- период нормальной эксплуатации; III - период старе-
ния. В самый протяженный период нормальной эксплуатации
X(t) « X = const (практически не зависит от времени) и тогда справед-
лив экспоненциальный закон надежности (рис. 7.5): P(t) = exp[-Xt]
или в другой форме P(t) = e~xt. В соответствии с экспоненциальным
законом - чем меньше значения интенсивности отказов объекта, тем
выше вероятность исправной работы, т.е. тем выше его надежность.
7. Назначение и общие характеристики компонентов
143
Рис. 7.4. Зависимость интенсивности
отказов от времени
Рис. 7.5. Зависимость вероят-
ности исправной работы
от времени
Приведенные соотношения спра-
Рис. 7.6. Типовая зависимость
X(t°,KH)
ведливы, как уже отмечалось, как для
объектов в виде РЭС, так и его компо-
нентов. Однако значения интенсивно-
сти отказов компонентов в существен-
ной мере определяются условиями их
работы (рис. 7.6). Наибольшее влияние
оказывают температура окружающей
среды t° и коэффициент электриче-
ской нагрузки Кн. Минимальные значе-
ния интенсивности отказов наблюдают-
ся в окрестности нормальной темпера-
туры (+20°С) и наименьшего коэффи-
циента нагрузки. Коэффициент элек-
трической нагрузки компонента опре-
деляется типом компонента.
Для резисторов коэффициент нагрузки зависит от соотноше-
ния рабочей и номинальной рассеиваемых мощностей:
к я = Р раб . для К0Нденсат0р0В _ отношение рабочего и номиналь-
п пК
г ном
w |, с рСраб
ного приложенных напряжении: Кн =—; для полупроводнико-
п
г ном
вых приборов - отношение рабочего и номинального значения наи-
более опасного в конкретной схеме электрического воздействия на
прибор (тока, напряжения, мощности).
Надежность узла РЭС, состоящего из т компонентов, обычно
подсчитывается для их последовательного в смысле надежности
соединения. Это соответствует условию, что отказ любого одного
компонента приводит к отказу всего узла. При независимости отка-
144
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
зов компонентов вероятность исправной работы узла в период вре-
мени от 0 до t, по теореме об умножении вероятностей, имеет вид:
m
Ру(‘) = РкЖ2(‘)Рк3(‘)Рк4(1)--- Ркт0) = ГЮ‘) •
i
где PKj(t)- вероятность исправной работы i-ro компонента в указан-
ный период времени.
Контрольные вопросы
1.	Приведите классификацию компонентов, входящих в состав РЭС.
2.	Какие компоненты РЭС относят к активным компонентам и почему их
так называют?
3.	Какие характеристики свойственны компонентам РЭС независимо от
назначения?
4.	Каковы причины влияния условий эксплуатации РЭС на характеристики
компонентов?
5.	Каковы причины влияния технических характеристик компонентов на
характеристики узлов и блоков РЭС?
6.	Как надежность компонентов оказывает влияние на надежность РЭС,
в которое они входят?
8.	РЕЗИСТОРЫ
Резисторы относятся к числу наиболее распространенных
компонентов в составе РЭС.
Резистором называется компонент, обладающий электриче-
ским сопротивлением и предназначенный для ограничения или ре-
гулирования тока в электрической цепи. Принцип действия резисто-
ра основан на использовании свойств материалов затруднять проте-
кание электрического тока.
Ассортимент резисторов весьма широк, разнообразны требо-
вания к ним. Значения электрических сопротивлений резисторов
широкого применения составляют от нескольких Ом (международ-
ное обозначение Q) до десятков МОм (MQ) с допустимыми отклоне-
ниями значений электрических сопротивлений от 0,001% до 30%.
Материалом для проводящего элемента резисторов могут
быть тонкие пленки металлических сплавов, углерода, специальных
композиций, а также проволока. Выбор материала резистивного
элемента определяется назначением резисторов.
8.1.	Классификация резисторов
Резисторы общего (универсального) применения предназна-
чены для использования в различных цепях постоянного и перемен-
ного токов при формировании сигналов, построении шунтов, дели-
телей напряжений в цепях питания, различных фильтров, регулято-
ров, ограничителей и др.
Резисторы специального назначения имеют специфические
свойства в соответствии с областью применения, например, преци-
зионные.
Высокочастотные резисторы, благодаря малым значениям соб-
ственной емкости и индуктивности, используются в радиотехнических
цепях на частотах в десятки мегагерц и выше в качестве согласующих
элементов, аттенюаторов, элементов волноводных трактов и др.
Прецизионные резисторы применяются в электрических це-
пях, к которым предъявляются повышенные требования к точности -
в измерительных и пороговых устройствах, релейных схемах.
Миниатюрные резисторы изготавливаются для использова-
ния в печатных платах поверхностного монтажа, имеющих для них
специальные монтажные площадки.
Высокоомные резисторы (сопротивлением до 1013 Ом) при-
меняются в электрических цепях с малыми токами (в измерительных
устройствах, дозиметрах).
146
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Высоковольтные резисторы (сопротивлением до 1011 Ом) из-
готавливаются для включения в цепи с высоким (10...60 кВ) рабочим
напряжением - в делителях напряжений для кинескопов, поглотите-
лях, искрогасителях, разрядных устройствах.
Полупроводниковые резисторы - терморезисторы, фоторези-
сторы, варисторы применяются в схемах контроля и управления.
Большое разнообразие резисторов, изготавливаемых миро-
выми производителями, может быть структурировано по нескольким
признакам (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Классификация резисторов по назначению
Постоянные резисторы во время монтажа, настройки и экс-
плуатации РЭС должны сохранять свое электрическое сопротивле-
ние в пределах своих допусков.
Некоторые типы постоянных резисторов общего назначения
изображены на рис. 8.2.
Переменные резисторы предназначены для управляющего
изменения электрического сопротивления в электрических цепях.
Подстроечные резисторы обычно устанавливаются в узлах РЭС
требуемой регулировки узлов в процессе изготовления или профи-
лактического обслуживания во время эксплуатации.
Внешний вид некоторых типов переменных и подстроечных
резисторов показан на рис. 8.3.
Рис. 8.2. Некоторые типы постоянных резисторов общего назначения
8. Резисторы
147
Резисторы состоят из
резистивного элемента, осно-
вания и контактного узла с
внешними выводами для под-
соединения к электрической
цепи.
Классификация типов
резистивных элементов кон-
структивного выполнения ре-
зистивного элемента приве-
дена на рис. 8.4 и 8.5.
Рис. 8.3. Некоторые типы непровс ночных
переменных и подстроечных резисторов
Рис. 8.4. Классификация типов резистивного элемента
Рис. 8.5. Разновидности конструктивного исполнения резистивного элемента
а-в - пленочные; г - композиционные; д - проволочные;
е-дугообразный резистивный элемент переменных и подстроечных резисторов.
148
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
8.2.	Маркировка и условное графическое обозначение
резисторов
Резисторы, как и другие компоненты, имеют специальную марки-
ровку их типа и номинальных значений некоторых технических свойств.
Действующая в настоящее время система обозначений рези-
сторов ОСТ 11.074.009-78 предусматривает: первый элемент - бук-
ва или сочетание букв, указывающие подкласс резисторов (Р - рези-
стор постоянный; РП - резистор переменный; HP - набор резисторов
в одном корпусе; ВР - варистор постоянный; ВРП - варистор пере-
менный; ТР - терморезистор). Второй элемент - цифра, указывающая
резистивный материал (1 - непроволочные; 2 - проволочные). Третий
элемент - порядковый номер разработки. Система обозначений но-
минальных значений электрических сопротивлений приведена в табл.
8.1. Графические обозначения постоянных, переменных и подстроеч-
ных и резисторов приведены на рис. 8.6.
Рис. 8.6. Условные обозначения резисторов
(типовые размеры прямоугольника 10x4 мм):
а - постоянный; б - переменный; в - сдвоенный переменный;
г, д - подстроечные
Таблица 8.1. Обозначения номинальных электрических сопротивлений
Единицы измерения	Код	Пределы номинальных сопротивлений	Примеры обозначе- ний	Примеры сокращенных обозначений
Ом	Е	До 99	0,47 Ом	Е47
			4,7 Ом	4Е7
кОм	К	0,1...99	470 Ом	К47
			4,7 кОм	4К7
МОм	М	0,1...99	470 кОм	М47
			4,7 МОм	4М7
ГОм	Г	0,1...99	470 МОм	Г47
			4,7 ГОм	4Г7
ТОм	т	0,1...99	0,47 ТОм	Т47
Отдельные группы составляют малогабаритные резисторы,
предназначенные для поверхностного монтажа узлов РЭС, и полу-
8. Резисторы
149
проводниковые резисторы, применяемые в составе гибридных инте-
гральных микросхем.
При разработке, производстве и эксплуатации РЭС техниче-
ские свойства резисторов отражаются их техническими характери-
стиками.
8.3.	Основные технические характеристики резисторов
Технические характеристики резисторов разделяются на ос-
новные и вспомогательные. Последние относятся к особенностям
применения резисторов в составе РЭС.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Электрическим сопротивлением называется величина, харак-
теризующая противодействие резистора электрическому току. На
постоянном токе электрическое сопротивление резистора представ-
ляется скалярным значением и называется активным (омическим)
сопротивлением. Плотность постоянного тока распределена по по-
перечному сечению проводящего элемента резистора приблизи-
тельно равномерно.
Значение электрического сопротивления резистивного элемен-
та определяется материалом и его конструктивным исполнением.
У резисторов цилиндрической формы, у которых резистивным эле-
ментом является тонкая пленка (толщина пленки много меньше
диаметра основания):
где р - удельное сопротивление пленки; h - толщина резистивной
пленки; € - длина резистивного элемента; D - диаметр резистора.
При производстве резисторов для изменения его электриче-
ского сопротивления широко используется нарезка изолирующей
канавки (спиральной или продольной). В предположении однородно-
сти резистивной пленки, незначительного влияния переходного со-
противления контактного узла, и что шаг спиральной нарезки значи-
тельно меньше диаметра, сопротивление такого резистора составит:
где N- число шагов нарезки; s - шаг спиральной нарезки; а - ши-
рина канавки резистивной пленки.
Иногда увеличивают сопротивление резистивной пленки с по-
мощью прорезей вдоль образующей резистора.
150
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Электрическое сопротивление объемного резистора зависит
от свойств композита и его размеров (длины и диаметра):
Аналогично подсчитывается электрическое сопротивление
проволочного резистора.
Переменные резисторы имеют подковообразный резистивный
элемент, для которого электрическое сопротивление определяется так:
п :Р(гг+г') £
h(r2-r,) 2 ’
где и г2 - внутренний и внешний радиусы резистивного элемента;
ср-угол поворота ротора переменного резистора, град.
В цепи переменного тока электрическое сопротивление рези-
стора, помимо активной, обладает еще реактивной составляющей
(индуктивного и/или емкостного типов). В переменном электриче-
ском поле, сопровождающем протекание переменного тока, элек-
трическое сопротивление металлов возрастает с ростом частоты
тока, поскольку плотность тока по площади поперечного сечения
проводящего элемента перестает быть равномерной: с ростом час-
тоты заметно влияние скин-эффекта.
ПОГРЕШНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Неизбежные изменения условий производства резисторов
(непостоянство температуры, влажности и давления воздуха произ-
водственных помещений, нестабильность напряжения и фа^ы тока
промышленной частоты, периодическая разладка оборудования,
изменение качества исходных материалов и др.) приводят к разбро-
су электрических сопротивлений резисторов не только различных
технологических партий (изготовленных в отличающихся режимах
технологических операций), но и внутри одинаковых партий.
Предельные отклонения (разброс) сопротивлений регламентируются
допуском, который, как правило, является двусторонним и симмет-
ричным (например, ±5%).
НОМИНАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Номинальным называют значение электрического сопротивле-
ния, являющееся средним для данной совокупности резисторов. Но-
минальное сопротивление, как правило, указывается на поверхности
резистора.
Процесс производства позволяет получить резисторы практи-
чески любого номинального сопротивления. Однако изготовление
8. Резисторы
151
резисторов по отдельным заказам, отличающимся номинальными
значениями, приводит к экономической неэффективности вследст-
вие слишком большой номенклатуры изделий. При этом многие но-
минальные значения своими допусками перекрывают допустимые
границы соседних номинальных значений (например, резистор
1 кОм ±10% в партии может иметь разброс электрических
сопротивлений от 900 до 1100 Ом, а резистор 1,1 кОм ±10% из
другой партии - разброс от 990 до 1210 Ом. Нетрудно заметить, что
значения перекрываются).
Таблица 8.2. Ряды номинальных электрических сопротивлений
композиционных резисторов
Погреш- ность	Ряд номинальных сопротивлений
±5%	10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51,56, 62, 68, 75,82, 91
±10%	10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82
±20%	10, 15, 22, 33, 47, 68
Основой построения рядов номинальных значений сопротив-
лений служит условие отсутствия перекрытия. Для каждого значения
допуска должен быть свой ряд номинальных значений.
В соответствии с рекомендациями Международной электро-
технической комиссии (МЭК) установлены ряды номинальных значе-
ний сопротивлений и цветовая кодировка резисторов.
Для ряда Е** число * определяет количество номинальных
значений в одной декаде. Например, ряд Е12 (резисторы с допуском
±10%) в пределах декады содержит 12 номинальных значений, у ря-
да Е24 (резисторы с допуском ±5%) декада имеет 24 значения.
Номинальные значения резисторов с допуском ±1% подчиняются
ряду Е96.
Расчет номиналов можно провести на примере Е12. Относи-
тельное расстояние (шаг) ряда принимают Д12 = 1^То = 1,212 (для ря-
да Е24 Д24 = \/То =1,1, Для ряда Е96 Дэе = 9VlO = 1,02). Тогда первое
значение составит а0 = Д120 = 1, второе - ai = Д121 = 1,2, третье -
а2=д122 = 1,5, четвертое - а3 = Д123 = 1,8. Далее а4 = Д124 = 2,2,
а5 = Д-|25 = 2,7 ... а-|2 = Д-|212 =10.
Фактически все типы резисторов по уровню погрешностей можно
разделить на две группы - резисторы низкой точности и резисторы вы-
сокой точности. Это обстоятельство ведет к особенностям построения
рядов номинальных значений их электрических сопротивлений.
152
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 8.7. Цветная маркировка компо-
зиционных резисторов:
пояс 1 - первая значащая цифра
номинала; пояс 2 - вторая значащая
цифра; пояс 3 - множитель;
пояс 4 - погрешность
Наибольшей погрешностью
электрического сопротивления
обладают резисторы с объемным
резистивным элементом, изго-
товленным из композиционных
материалов, для которых введе-
ны следующие классы точности
±5%; ±10% и ±20%. Каждый класс
имеет свой ряд номинальных со-
противлений (табл. 8.2).
Цветовая маркировка ком-
позиционных резисторов состоит
из двух цветных поясов значащих
цифр, и по одному цветному поя-
су множителя и величины по-
грешности (рис. 8.7 и табл. 8.3).
К наиболее точным относятся непроволочные углеродистые,
металлопленочные и проволочные резисторы, имеющие классы
точности ±0,1%; ±0,25%; ±0,5%; ±1% и ±2%. Их номинальные сопро-
тивления подчиняются соответствующим рядам (табл. 8.4) и также
могут иметь цветную маркировку. Цветная маркировка этих резисто-
ров совпадает с кодировкой композиционных резисторов со сле-
дующим дополнением:
Погрешность
Коричневый ±1 %
Красный ±2%
Множитель
Серебряный 10'2
Таблица 8.3. Международная кодировка композиционных резисто-
ров цветными поясами
Цвет пояса	Цифра	Множитель	Погрешность	Цвет пояса	Цифра	Множитель	Погрешность
Черный	0	1	—	Синий	6	10ь	—
Коричневый	1	ю’	—	Фиолетовый	7	107	—
Красный	2	ю2	—	Серый	8	—	—
Оранжевый	3	103	—	Белый	9	—	—
Желтый	4	104	—	Золотой	—	10''	±5%
Зеленый	5	105	—	Серебряный Бесцветный	—	—	±10% ±20%
Таблица 8.4. Ряды номинальных электрических сопротивлений резисторов повышенной точности
*	±1%	±2	*	±1%	±2	*	±1%	±2%	*	±1%	±2%	*	±1%	±2%	★	±1%	±2%
1,00	1,00		1,47	1,47		2,15	2,15		3,16	3,16		4,64	4,64		6,81	6,81	
1,01			1,49			2,18			3,20			4,70			6,90		
1,02	1,02	1,0	1,50	1,50	1,5	2,21	2,21		3,24	3,24		4,75	4,75	4,7	6,98	6,98	6,8
1,04			1,52			2,23		2,2	3,28			4,81			7,06		
1,05	1,05		1,54	1,54	1,54	2,26	2,26		3,32	3,32	3,3	4,87	4,87		7,15	7,15	
1,06			1,56			2,29			3,36			4,93			7,23		
1,07 1,08	1,07		1,58 1,60	1,58	1,6	2,32 2,34	2,32		3,40 3,44	3,40		4,99 5,05	4,99		7,32 7,41	7,32	
1,09	1,10	1,1	1,62	1,62		2,37		2,4	3,48	3,48		5,11	5,11	5,1	7,50	7,50	7,5
1,10			1,64			2,40	2,37		3,52			5,17			7,59		
1,11																	
1,13	1,13		1,65	1,65		2,43	2,43		3,57	3,57		5,23	5,23		7,68	7,68	
1,14			1,67			2,46			3,61			5,30			7,77		
1,15	1,15		1,69	1,69		2,49	2,49		3,65	3,65		5,36	5,36		7,87	7,87	
1,17			1,72			2,52			3,70		3,6	5,42			7,96		
1,18	1,18		1,74	1,74		2,55	2,55		3,74	3,74		5,49	5,49		8,06	8,06	
8. Резисторы	153
154
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Окончание табл. 8.4
±2%	со СО	Оз"	
±1%	8,25 8,45	CO	b~	03 co	co	o co"	co"	оз"	T-	co	co CO-	in	b- 03	03	03
*	со ю LO ID со Т- СМ СО Tt ш со" со" со" со" со	CO CD b- CO С) О CD- b~ CO- CD- О CM cd co cd co оз оз	T- CM	co	in	co	co CO-	in	CO-	03- 03 03	03	03	03	03
±2%	5,6	in"	
±1%	5,62 5,76	О	CD 03	О	i— in"	co" co"	-м-	оз	in CO	ST	CO co"	co"	co"
*	СО СМ 03 со со in со со ь- со in" in" in in in	О b- 5 CM 03 co 03 03 О T- V- CM in" tn" co" co" co" co"	Tt CM 03 b- ID CO CO- •’ф- ТГ in CD- N«- CO CO CO CD CD CO
±2%	3,9		4,3
±1%	3,83 3,92	CM	CM	CM О- T-	CM-	CM CM 03 co-	in
*	03 CO 00 CM b- S 00 CO O) O) co" co" co" co" co"	CM b- CM b> CM b> °. 'T. ’T.	<4 xF *F xF tF ^F	In 5 S N N co" co" co" co" co"
±2%	cm"		3,0
±1%	co	co cm"	cm"	*t	CM	N» b-	co	co cm"	cm"	cm"	*3-1-03 03	о	о см"	co"	co"
*	COv-^Nt- 1П CO CO CO N cm" cm" cm" cm" cm"	so Si- nn oo oo co m cm" cm" cm" cm" cm" cm"	CO CO 03 CM in *r -M- ”3- in in cm" cm" cm" cm' cm"
см +1	94	1,6	о см’
±1%	CO	CM N-_	co_ T—	T”	b- 1- CO CO-O3-03-	8	8	2 cm"	cm"	cm"
*	CD CO О CM •M- b~ 00_ 00_ CD	b-	03	1-	CD	CO co	oo	03-	03-	03- t—	v	T—	v—	T-	О CO in со о co О О О О r- 1- см" см" см" см' см" см"
±2	CM_	1,3	
±1%	CM	CM V	T—	b-	о	co CM-	CO-	C0- T—	T—	T—	ь-	о	со СО-	St	Tf т—	т-	1—
♦	О	T-	co	Tf	CD CM	CM	CM_	CM_	CM I-	V—	T~	T—	V"	b- 03 о CM CO in CM- CM- CO- CO- CO- CO-	Ь- СО О CM in СО- СО- ’Ф- ’t- 't Г" № Т- Г- Г-
8. Резисторы
155
На резисторы с погрешностью ±2% наносят четыре цветных
полосы, а на резисторы с погрешностью ±1% - пять полос. Вместо
цветных полос наиболее точные резисторы часто имеют четырех-
разрядную цифрознаковую маркировку. Первые три цифры соответ-
ствуют значащей величине сопротивления, а последняя цифра -
показателю степени десятичного множителя (например, 10°; 10-103
и т.д.). Так, для прецизионного резистора с электрическим сопротив-
лением 1270 Ом используют обозначение 1271 (т.е. 127'101). Если
значение электрического сопротивления не заканчивается нулём, то
используется международное буквенное обозначение десятичного
разделителя. Например, 12R7 = 12,7 Ом.
Существует еще один способ обозначения номинального со-
противления резисторов, состоящий из трех значащих цифр и меж-
дународного буквенного множителя: R, Е = Ом; К = тысяч Ом;
М = мега Ом (например, 53,6R = 53,6 Q; 53,6К = 53 600 Q).
Следует отметить, что имеются специальные типы резисто-
ров, номинальные сопротивления которых не соответствуют упоми-
навшимся выше рядам. К таким резисторам относятся:
сверхточные (±0,002%) и сверхстабильные резисторы (име-
ют прецизионный проволочный резистивный элемент, расположен-
ный на специальном основании);
высоковольтные резисторы (рабочее напряжение составляет
несколько киловольт);
высокоомные резисторы (с металлопленочными и металло-
окисными резистивными элементами);
резистивные сборки (наборы металлопленочных резисторов,
предназначенных для применения в цифровых вычислительных уст-
ройствах, например, в цепях шинных формирователей);
Безындукционные резисторы (проволочный резистивный эле-
мент выполнен бифилярной намоткой, т.е. двойным проводом);
Мощные резисторы (фольга или проволока резистивного
элемента замурована при высокой температуре в керамическом ос-
новании с помощью стекловидной эмали).
РАССЕИВАЕМАЯ МОЩНОСТЬ
Номинальная рассеиваемая мощность Рном - наибольшая
мощность, которую резистор способен рассеивать в течение срока
эксплуатации при сохранении своих характеристик в пределах до-
пусков. Значение Рном зависит от применяемых материалов, конст-
рукции резистора и внешних воздействий.
156
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ТКС)
Особенность ТКС металлопленочных и композиционных рези-
сторов (в отличие от углеродистых и бороуглеродистых) состоит в
отсутствии гарантии изготовителем знака этого показателя. Диапа-
зон изменения ТКС резисторов типа МЛТ представлен в табл. 8.5.
Таблица 8.5. Температурный коэффициент сопротивления
некоторых типов непроволочных резисторов
Диапазон номи- нальных сопротивлений, Ом	ТКС 10-6 1/°С в интервале температур, °C	
	от - 60 до + 20	от + 20 до + 125
Резисторы металлопленочные типа МЛТ		
Д°.ю4	±1200	±600
1,1 104 ... 106	±1200	±700
Свыше 106	±1200	±1000
Резисторы углеродистые типа ВС		
До 9,1 103 9,1 103 ...0,24 106 0,24 106... 10е Свыше 106	-800 -1200 -2000 -2500	-500 -800 -1200 -1500
Резисторы бороуглеродистые типа БЛП		
	-200...-250	-120...-200
УРОВЕНЬ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ
Возникновение шумов резисторов обусловлено несколькими
причинами. Во-первых, изменением объемной концентрации элек-
тронов материала резистивного элемента, которая подвержена
флуктуациям из-за тепловых колебаний кристаллической решетки.
Такой шум называют тепловым. Ему присущ широкий непрерывный
спектр приблизительно одинаковой интенсивности. В резистивном
элементе зернистой структуры в виде тонкой пленки кроме теплово-
го возникает также токовый шум. Вызванный изменением контактных
сопротивлений между зернами и зависящий от длины резистивной
дорожки, степени зернистости, электрического сопротивления зерен.
Действующее значение шумов, отнесенное к постоянному на-
пряжению, приложенному к резистору, называется уровнем шумов.
Уровень собственных шумов резисторов различен. К первой
группе относятся металлопленочные резисторы с уровнем собст-
венных шумов не более 1 мкВ/B, ко второй - не более 5 мкВ/В.
Для композиционных резисторов уровень собственного шума может
достигать 10 мкВ/B и более.
8. Резисторы
157
ПРЕДЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
Наибольшая амплитуда напряжения, приложенная к резистору
при нормальных условиях и которая не вызывает нарушения его ра-
ботоспособности в течение эксплуатации, называется номинальным
напряжением (UH0M). Для высокоомных резисторов основным фак-
тором, определяющим предельное напряжение, является электри-
ческий пробой (перекрытие электрической дугой по поверхности ре-
зистивного элемента). Электрический пробой определяется разме-
рами резистора (расстоянием £, мм, между выводами), способом
монтажа и уровнем атмосферного давления р (мм рт. ст.). Значение
предельного напряжения Unp ограничивается неравенством:
Unp < 300^fp? [В]. Выполнение этого условия дает возможность
нормального функционирования резисторов при пониженном атмо-
сферном давлении до 5... 100 мм рт. ст. (т.е. до высот 15...30 км).
В импульсных цепях предельные напряжения могут в несколь-
ко раз превышать Unp непрерывного режима при условии, что сред-
няя рассеиваемая мощность не более допустимой.
СТАБИЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Значение электрического сопротивления резисторов в течение
эксплуатации изменяется как под действием внешних факторов
(температура, влажность, давление окружающего воздуха, механи-
ческие, радиационные и прочие воздействия), так и внутренних при-
чин (физико-химические процессы в резистивном элементе, мате-
риалах корпуса и защитных покрытиях). Эти изменения могут иметь
обратимый (возвращение сопротивления к исходному значению при
прекращении воздействия) и необратимый характер (остаточные
явления).
Стабильность резисторов оценивается коэффициентами теп-
лостойкости, влагостойкости, механической стойкости, радиацион-
ной стойкости и др.
Накопленные остаточные явления в резисторах приводят к их
старению, которое наблюдается не только при эксплуатации рези-
сторов в составе РЭС, но и при хранении. Причины старения кроют-
ся в сложных процессах, протекающих в материалах резистивного
элемента и контактах токосъемных узлов.
При хранении тонкопленочных резисторов вначале (в первый
год) наблюдается небольшое снижение сопротивления (на 1...2%),
а затем его рост. Высокоомные резисторы этих типов имеют коэф-
фициент старения 3...5% за последующие 5-10 лет. Старение ком-
позиционных резисторов - в два-три раза значительнее.
158
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
При эксплуатации резисторов в составе РЭС показатель их
старения зависит от электрической нагрузки и окружающих условий.
Причинами старения служат локальные перегревы резистив-
ного элемента, электролитические процессы на увлажненной по-
верхности пленочного резистора со спиральной нарезкой, окисление
контактного узла выводов.
Основными причинами старения проволочных резисторов во
время эксплуатации являются действия внутренних механических
напряжений, возникающих в процессе намотки провода на каркас,
а также структурные изменения в сплавах в местах спая с выводами
резистора и изменения свойств стеклянной изоляции.
8.4.	Конструкция резисторов и используемые материалы
Конструкция резистора учитывает назначение резистора дан-
ного типа, условия эксплуатации, особенности используемых мате-
риалов.
Рис. 8.8. Осевые и радиальные типы
выводов непроволочных резисторов
общего применения
Конструктивно непрово-
лочный резистор, чаще всего,
представляет собой изделие,
состоящее из неразъемно со-
единенных основания, с укреп-
ленным на нем резистивным
элементом и электрическими
выводами, которые могут иметь
осевое или радиальное (рис. 8.8)
расположение.
По способу защиты от внешних воздействий резисторы под-
разделяются на неизолированные (не допускают касания своим кор-
пусом металлических частей РЭС), изолированные (имеют изоляци-
онное покрытие и допускают касание корпуса), герметизированные
(имеют защитный герметичный корпус из прессованного компаунда),
вакуумные (резистивный элемент помещен в стеклянную колбу).
Для металлопленочных резисторов в качестве материалов
резистивного элемента применяют металлы и сплавы толщиной
несколько микрометров. Углеродистые и бороуглеродистые рези-
сторы имеют в качестве резистивного элемента пленку пиролитиче-
ского углерода или борорганических соединений. К толстопленочным
материалам резистивных элементов относятся керметы (спеченная
композиция порошков керамики и сплавов металлов), сажа с наполни-
телями, проводящие пластмассы, получаемые специальной
термообработкой.
Материалами резистивного элемента композиционных рези-
сторов является гетерогенная смесь проводящего вещества (на-
8. Резисторы
159
при длительной
Рис. 8.9. Типовые конструкции
постоянных проволочных ре-
зисторов общего применения
пример, графита или сажи) с органическими или неорганическими
связующими смолами (например, эпоксидными, кремнийорганиче-
скими), наполнителем, пластификатором и отвердителем. Таким
способом удается изготавливать композиционные резисторы с элек-
трическим сопротивлением от долей ома до нескольких тераом. Не-
достатками композиционных резисторов следует считать заметную
зависимость электрического сопротивления от приложенного напря-
жения и рассеиваемой мощности, а также значительный уровень
собственных шумов из-за зернистости структуры резистивного эле-
мента. Эта же особенность является причиной постепенного изме-
нения электрического сопротивления
нагрузке.
Проволочные постоянные ре-
зисторы имеют наиболее простую
конструкцию (рис. 8.9), включающую
проволочный резистивный элемент,
керамическую основу, электрические
выводы и покрытие (глазурованная
эмаль).
В проволочных резисторах при-
меняется проволока из сплавов с вы-
соким удельным сопротивлением, до-
статочной механической прочностью, термостойкостью, технологич-
ностью (способностью протягиваться в проволоку диаметром поряд-
ка сотых долей миллиметра). Наиболее часто в производстве про-
волочных резисторов используются сплавы: манганин (Си 86%; Мп
12%; Ni 2%), нихром (Ni 60%; Сг 15%; Fe 25%), константан (Си 60%;
Ni 40%).
Существенным достоинством проволочных резисторов явля-
ется стабильность ТКС в широком диапазоне температур, хотя име-
ет место заметный разброс начальных значений ТКС в партии рези-
сторов.
Сплавы с высоким удельным сопротивлением из-за окисной
пленки на поверхности проволоки плохо поддаются пайке и поэтому
соединение с выводами производится сваркой. Места сварки оказы-
ваются хрупкими и, вследствие пористости, подвержеными разру-
шению от коррозии во время эксплуатации РЭС, что требует специ-
альных мер защиты.
Проволочные резисторы характеризуются относительно высо-
кой стоимостью, значительной собственной индуктивностью и емко-
стью. Кроме того, в нагретом контакте константана с медными выво-
дами возникает заметный уровень термоЭДС, что препятствует ис-
пользованию таких проволочных резисторов в измерительных цепях.
160
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Резисторы переменного электрического сопротивления предна-
значены для регулирования тока во время эксплуатации РЭС (много-
кратное изменение сопротивления) или для относительно редкого
изменения сопротивления (при настройке и профилактике РЭС).
Конструкция переменных
/-Т |Г"1	непроволочных резисторов об-
J ]—I	щего назначения (рис. 8.10)
р	включает резистивный элемент,
||	укрепленный на основании, ось с
'	поводком и контактной щеткой,
Рис. 8.10. Конструкция переменного резьбовую втулку с крепежной
непроволочного резистора	гайкой и защитный кожух. По-
следний электрически соединен
с корпусом блока через втулку и
предназначен для электрического экранирования и защиты от пыли.
К сожалению, защита не является герметичной. У движковых перемен-
ных непроволочных резисторов отсутствуют пылезащита и оболочка эк-
ранирования.
Рис. 8.11. Функциональные характеристики переменных резисторов:
а - линейная; б - логарифмическая; в - обратнологарифмическая
Функциональная характеристика переменного непроволочного
резистора отражает зависимость электрического сопротивления меж-
ду подвижным контактом (контактной щеткой поводка) и одним из не-
подвижных контактов подковообразного резистивного элемента от
угла поворота оси резистора с поводком. Чаще других используются
резисторы с линейной зависимостью (рис. 8.11, кривая а). Резисторы
с логарифмической зависимостью (рис. 8.11, кривая б) характеризу-
ются постоянным приростом (константа к) сопротивления R на еди-
ницу угла поворота <р: R = гоекф, где г0 - начальное сопротивление.
8. Резисторы
161
Рис. 8.12. Внешний вид некоторых
типов полупроводниковых резисторов:
а - терморезистор; б - варистор;
в - фоторезистор)
ского процесса их производства,
Переменные непроволоч-
ные резисторы с обратнолога-
рифмической зависимостью име-
ют характерный начальный уча-
сток при малых углах поворота:
Р = Ртах(1-е-кф).
В реальных переменных
непроволочных резисторах функ-
циональные зависимости сопро-
тивления от угла поворота не
имеют столь плавного изменения
(пунктирные линии), поскольку,
из-за особенностей технологиче-
осуществляется сопряжение от-
дельных участков резистивного слоя с отличающимися сопротивле-
ниями.
В процессе перемещения подвижного контакта переменного
резистора возникают шумы, уровень которых составляет единицы
милливольт на вольт. По мере износа резистивного элемента шумы
возрастают и могут достигнуть 10... 100 мВ/В.
Полупроводниковые резисторы, предназначенные для спе-
цифического применения (терморезисторы, фоторезисторы и вари-
сторы), имеют в своем составе в качестве материалов резистивного
элемента сложные композиции веществ, исходными составляющими
которых являются оксидные полупроводники вида: Мп3О4; Со3О4;
CuO; СоО; NiO; CdS; CdSe; PbS.
Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) значи-
тельно изменяют свое электрическое сопротивление (линейно или
нелинейно) при изменении температуры их корпуса (рис. 8.12, а).
Они используются, в основном, в качестве термочувствительных
элементов систем управления и контроля. Важнейшими характери-
стиками терморезисторов являются: коэффициент энергетической
чувствительности (тепловую мощность, которую необходимо под-
вести для изменения его электрического сопротивления на 1%); по-
стоянная времени (интервал времени, в течение которого темпера-
тура терморезистора повышается до +63°С при перенесении его из
воздушной среды с температурой 0°С в воздушную среду с темпера-
турой +100°С); максимальная рабочая температура.
Терморезисторы имеют обозначение ММТ (медно-марган-
цевые), КМТ (кобальто-марганцевые) и СТ (сопротивление термо-
чувствительное).
Фоторезисторы - светочувствительные компоненты РЭС,
(рис. 8.12, в) в которых электрическая проводимость полупроводни-
кового материала изменяется под воздействием электромагнитного
6—?1 44
162
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
излучения (от инфракрасного до ультрафиолетового). Основное
применение фоторезисторов в составе РЭС - датчики светового по-
тока. Важнейшими характеристиками фоторезисторов являются:
темновое сопротивление (сопротивление в отсутствие внешнего
облучения); темновой ток (ток при рабочем напряжении в отсутст-
вие внешнего облучения); кратность изменения сопротивления
(отношение сопротивлений при воздействии и отсутствии облуче-
ния); постоянная времени (интервал времени нарастания и спада
тока при воздействии прямоугольного импульса облучения); длина
волны максимальной чувствительности.
Варисторы - полупроводниковые резисторы (рис. 8.12, б)
с ярко выраженной нелинейной зависимостью электрического со-
противления от приложенного напряжения. Они используются в це-
пях стабилизации напряжений и токов, защиты от перенапряжений,
в преобразователях частоты и напряжений, для регулировки в сис-
темах автоматического управления, измерителях и др. Основными
характеристиками варисторов являются: коэффициент нелинейно-
сти (отношение статического сопротивления в рабочей точке к ди-
намическому сопротивлению в этой же точке); допустимая мощ-
ность рассеяния; рабочие ток и напряжение.
8.5.	Особенности применения резисторов
РАБОТА РЕЗИСТОРА В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Некоторые сведения по областям применения резисторов наи-
более распространенных типов сведены в табл. 8.6, в которой указа-
ны их ключевые свойства и основные технические характеристики.
Резисторы могут успешно выполнять свои функции как в цепях
постоянного, так и переменного токов. Однако включение резистора
в цепь переменного тока требует учета некоторых особенностей.
Идеальный резистор в цепи переменного тока гармонической
формы имеет чисто активное сопротивление. Из этого следует, что
на этом сопротивлении происходит падение напряжения
V
uR = Vm Sinmt при протекании тока iR =^-SintDt = lmSintnt. Временные
н
зависимости uR(t) и iR(t) показывают, что напряжение и ток идеаль-
ного резистора являются синфазными (рис. 8.13, а).
Векторная диаграмма в поле действительной Re и мнимой Im
частей напряжения и тока (рис. 8.13, б) отражает совпадение фаз.
Электрическое сопротивление реального резистора на пере-
менном токе зависит от частоты тока из-за наличия распределенных
емкости и индуктивности резистивного элемента, поверхностных яв-
лений и диэлектрических потерь в изоляционных материалах.
Таблица 8.6. Области применения постоянных и переменных резисторов
Область применения	Тип резистивного элемента	Ключевое свойство	Рассеиваемая мощность	TKR 10451/°С	Диапазон сопротивлений
Общее применение Погрешность > ± 5% TKR > 200 10-6,1/°С	Композиционные Проволочные Фольговые керамические Углеродистые Металлопленочные (кермет)	Низкая стоимость Малый TKR Мощные низковольт- ные Стабильность Низкая стоимость	0,125...2 Вт 0,5... 2 Вт 2...50 Вт 0,25...5 Вт 0,125...2 Вт	>±500 >±200 >±200 >200 ±150	1 Ом...100 МОм 0,1 Ом...30 кОм 0,1 Ом.ЗОкОм 10 Ом...> 1 МОм 10 Ом...10 МОм
Высокая мощность	Проволочные остек- лованные	Невысокая стоимость	2...50 Вт	>±200	0,1 Ом...30 кОм
Точные < ±1% TKR < 100,10'6,1/°С	Тонкопленочные Проволочные остеклованные	Точность Устойчивость к воздействиям	0,1... 2 Вт 0,1... 2 Вт	±20 <±100	0,1 Ом... 1 МОм 1 Ом... 1 МОм
Сверхточные < ±0,5% TKR <±25.10^ ,1/°С	Тонкопленочные	Точность	0,05... 0,5Вт	<±25	
Переменные	Проволочные Объемные компози- ционные Углеродистые	Малый TKR Устойчивость к воз- действиям Низкая стоимость	5Вт (+70°С) 12ВТ(+70°С) 5Вт (+70°С)	±20 ±250...500 ±300...2000	10 Ом...100 кОм 500 Ом ...2 МОм 100 Ом...2 МОм
Резисторные сборки	Толстопленочные Тонкопленочные	Низкая стоимость Устойчивость	<	2Вт /сборка <	2Вт /сборка	<±200 <±100	10 Ом...10 МОм 10 Ом...1 МОм
8. Резисторы ____________________________________163
164
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Im
Рис. 8.13. Временные и векторная диаграммы тока и напряжения
в цепи идеального резистора
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Собственная емкость резистора присутствует в резистивном
элементе и выводах. Собственная индуктивность резистора опреде-
ляется длиной резистивного элемента и конфигурацией выводов.
Наименьшие значения собственных емкостей и индуктивностей при-
сущи непроволочным резисторам (пленочным и объемным), наи-
большие - проволочным, поэтому они в высокочастотных цепях ис-
пользуются редко.
На рис. 8.14 представлены изменения полного сопротивления
R относительно сопротивления постоянному току Ro для компози-
ционных (кривая 7), металлопленочных (кривая 2) и углеродистых
(кривая 3) резисторов, из которых видна широкополосность углеро-
дистых резисторов.
Рис. 8.14. Относительное изменение полного сопротивления
непроволочных резисторов от частоты
КОЭФФИЦИЕНТ НАПРЯЖЕНИЯ
Приложение к резистору значительных по амплитуде напря-
жений изменяет его электрическое сопротивление, которое характе-
ризуют относительным изменением: аи =(r2 - rj/q; где q - сопро-
тивление резистора при напряжении, соответствующем 10% номи-
8. Резисторы
165
нальной мощности рассеяния; г2 - сопротивление резистора при
напряжении, соответствующем 100% номинальной мощности рас-
сеяния (если напряжение 100% мощности рассеяния превышает
предельное рабочее напряжение на резисторе, то измерения прово-
дят при 10 и 100% предельного напряжения).
Коэффициент напряжения оценивают по вольтамперной ха-
рактеристике (ВАХ) резистора:
Ки (II) =	—»где Ф - угол наклона ВАХ (рис. 8.15).
Наиболее чувствительны к при-
ложенному напряжению элек-
трическое сопротивление композици-
онных резисторов. Причины, вызы-
вающие отклонение ВАХ от закона
Ома, определяются материалами ре-
зистивного элемента, их однородно-
стью, дисперсностью структуры, каче-
ством контактного узла. Значительное
влияние на уровень Ки оказывают
размеры зерен резистивного элемента
и градиента напряжения из-за сильной
Рис. 8.15. Вольтамперная
характеристика резистора
зависимости проводимости
зазоров между зернами и диэлектрических прослоек от приложенно-
го напряжения. Под действием непрерывной электрической нагрузки
возможно возникновение локальных перегревов в местах с дефек-
тами и рост величины Ко.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
В составе РЭС резисторы применяются при электрических на-
грузках, имеющих значительное разнообразие (постоянная, им-
пульсная, смешанная нагрузка). Протекающий ток вызывает нагрев
резистора (нагрев выделяющейся тепловой энергией). Кроме того,
резистор испытывает тепловое воздействие от соседних компонен-
тов и окружающей среды. Наименее термостойкими являются рези-
стивный элемент и контактный узел.
В свою очередь, выделяющаяся на резисторе тепловая энер-
гия передается в среду его размещения путем теплопроводности,
термоизлучения и конвекции. У резисторов средней и большой мощ-
ности рассеяния преобладают конвекция и термоизлучение. Отвод
тепловой мощности у малогабаритных резисторов (особенно рези-
сторов для поверхностного монтажа) в наибольшей степени опреде-
ляется теплопроводностью электрических выводов.
166
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 8.16. Изменение температу-
ры вдоль образующей резистора
Рис. 8.17. Кривая снижения
рассеиваемой мощности
непроволочных резисторов
Даже в условиях стационар-
ного теплового режима (термиче-
ского равновесия) температура
нагрева вдоль образующей рези-
стивного элемента неодинакова
(рис. 8.16, кривая а) вследствие
различий в теплоотдаче. Электри-
ческие выводы резистора отводят
часть его тепловой энергии рас-
сеяния. Для интенсификации их
теплопередающей способности
шаг нарезки резистивного слоя де-
лают крупным на краях, примы-
кающих к контактному узлу. (В этом
случае распределение температу-
ры по длине резистора соответст-
вует кривая б.)
В импульсном режиме возмо-
жен выход из строя резистора
вследствие локальных перегревов
резистивной дорожки и пробоя воз-
душного промежутка между смеж-
ными витками спиральной ленты из-
за неоднородности пленки.
Для каждого типа резисторов
известна максимальная температу-
ра окружающего воздуха, при кото-
рой его можно нагружать номиналь-
ной мощностью без существенного
изменения свойств резистивного
элемента. Например, у непроволоч-
ных резисторов эта температура составляет 1ОО...12О°С. При более
высоких температурах рассеиваемая мощность должна быть сниже-
на (рис. 8.17).
Наличие принудительного охлаждения (например, обдува) по-
зволяет повысить нагрузку. При снижении атмосферного давления
нагрузку непроволочных резисторов необходимо корректировать
уменьшением рассеиваемой мощности приблизительно на 1% на
каждые 10 мм рт.ст. (приблизительно 103 Па).
СТАРЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ
В течение эксплуатации происходят структурные изменения
материала резистивного элемента из-за продолжающегося (после
изготовления) процесса кристаллизаций, электрохимического окис-
8. Резисторы
167
ления зерен, изменения переходных контактов. Эти явления вызы-
вают старение - постепенное изменение электрического сопротив-
ления. Величина такого изменения составляет единицы процентов
в год. Скорость старения возрастает в условиях повышенных темпе-
ратур, уровней влажности воздушной среды и при высокой электри-
ческой нагрузке. Качественно изготовленные проволочные резисто-
ры практически не подвержены старению.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ
Включение полупроводниковых резисторов в схему РЭС
должно предусматривать протекание через них постоянной
составляющей тока.
Рис. 8.18. Пример включения терморе- Рис. 8.19. Включение фоторези-
зистора в электронный термометр (а); стора в цепь калибровки
зависимость электрического сопротив-	экпозиметра
ления от температуры (б) для терморе-
зистора (кривая 1) и медного проводника
(кривая 2)
На рис. 8.18, а приведен пример использования терморези-
стора в составе измерительного моста электронного термометра.
Следует принять во внимание нелинейную зависимость сопротивле-
ния от температуры (рис. 8.18, б), которая может, при отсутствии
коррекции, привести к заметным погрешностям измерений на краях
температурного диапазона.
Применение фоторезисторов весьма разнообразно, но, как
правило, они используются для регистрации изменения интенсивно-
сти светового облучения. В схеме фотографического экпозиметра
(рис. 8.19) фоторезистор включен для калибровки освещенности
участка площади поверхности.
Вольтамперная характеристика варистора аналитически мо-
жет быть представлена в виде: lB=BUp, где В - константа; р - ко-
эффициент нелинейности (в диапазоне значений 2...30). Симмет-
ричный варистор сохраняет протекающий через него постоянный ток
168
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
1В (с погрешностью ±5...±15%) при изменении полярности приложен-
ного напряжения на обратное (рис. 8.20, а).
Это свойство позволяет
а б
Рис. 8.20. Вольтамперная характе-
ристика варистора и узел стабили-
зации фокусирующей цепи кинеско-
па и защиты от перенапряжений
с помощью варистора
использовать его для стабилиза-
ции напряжения и защиты от пе-
ре-напряжений, например, в це-
пи фо-кусировки кинескопа (рис.
8.20, б).
Варисторы используются
для защиты различных цепей
РЭС от периодических и случай-
ных перенапряжений, а также
предохранения эрозии контактов
и искрогашения в момент размы-
кания цепей с индуктивными
компонентами. Он включается
параллельно контактам или ис-
точнику и выполняет роль шунта.
С их помощью осуществляется защита при пробое межвитковой
изоляции обмоток двигателей и электромагнитных пусковых уст-
ройств, ограничения выбросов напряжений на обмотках трансфор-
маторов, для защиты узлов РЭС от перенапряжений, вызванных
внешними полями, включая атмосферные разряды.
Контрольные вопросы
1.	Приведите классификацию резисторов.
2.	Назовите разновидности формы и материалов резистивных элементов
резисторов.
3.	Назовите основные характеристики резисторов, единицы их измерения
и диапазон значений.
4.	Какие материалы используют для изготовления резисторов?
5.	Какие материалы оказывают наибольшее влияние на характеристики
резисторов?
6.	Каковы особенности распределения температуры резисторов?
7.	Какие резисторы относят к нелинейным?
9.	КОНДЕНСАТОРЫ
Конденсаторы, как и резисторы, относятся к наиболее распро-
страненным компонентам РЭС. В настоящее время разработана
достаточно широкая номенклатура этих компонентов и продолжают
разрабатываться новые типы с более высокими электрическими,
технологическими и эксплуатационными характеристиками.
Конденсатор - компонент РЭС, предназначенный для накоп-
ления электрической энергии и возвращения ее в электрическую
цепь, в которую он включен. Конденсатор состоит из проводящих
электродов (обкладок), разделенных диэлектриком.
Емкость конденсатора С (фарад) определяется как отношение
накопленного конденсатора заряда q (кулон) к разности потенциа-
лов и (вольт) между обкладками С = q/u.
В международной системе единиц СИ за единицу емкости в
одну фараду (Ф) принимают емкость такого конденсатора, у которого
потенциал возрастает на один вольт (В) при сообщении ему заряда
в один кулон (Кл). На практике используют единицы меньше фара-
ды, а именно 10-6 Ф - микрофарада (мкФ), 10“9 Ф - нанофарада (нФ),
10-12 Ф - пикофарада (пФ).
Емкость (Ф) плоского конденсатора, у которого две пластины
одинакового размера площадью S разделены диэлектриком, опре-
S
деляется соотношением С = еоег
где е0- электрическая посто-
d
янная вакуума (8,85-10 12 Ф/м); ег- безразмерная относительная ди-
электрическая проницаемость диэлектрика; d - толщина диэлектри-
ка, м; S- площадь пластины, м2. В табл. 9.1 приведены значения
относительной диэлектрической проницаемости некоторых диэлек-
триков, применяемых в конденсаторах.
Таблица 9.1. Относительная диэлектрическая проницаемость
некоторых применяемых диэлектриков
Диэлектрик	£г	Диэлектрик	С
. Воздух	1,0006	Бумага конденсаторная	3,5...6,5
I Кварц(минерал)	2,8	Триацетат	3,5...4
| Стекло	4...16	Поликарбонат	2,8...3
Слюда	6...8	Лавсан	3,2...3,4
Стеклоэмаль	10...20	Полистирол	2,5
Стеклокерамика	15...450	Полипропилен	2,2...2,3
Керамика	12...230	Фторопласт	2...2,1
Сегнетокерамика	900...8000	Оксидные пленки	10...46
170
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
9.1.	Классификация конденсаторов
По назначению (рис. 9.1) конденсаторы подразделяются на два
класса: конденсаторы общего применения и выпускаемые массовым
порядком и специальные. К специальным относятся, например, ваку-
умные, дозиметрические, импульсные и др. Группа общего применения
содержит широко используемые конденсаторы, пригодные практически
для любых РЭС. Традиционно к этой группе относят низковольтные
конденсаторы, к которым не предъявляются особых требований.
У конденсаторов постоянной емкости значение электрической
емкости фиксировано и в процессе использования РЭС не регулиру-
ется. Конденсаторы переменной емкости позволяют управлять зна-
чением емкости либо механически (например, конденсаторы пере-
менной емкости с поворачивающимися вокруг механической оси ро-
торными пластинами), электрическим напряжением (вариконды),
нагревом (термоконденсаторы). Подстроечные конденсаторы ис-
пользуются для разовой или эпизодической регулировки емкости.
По способу монтирования конденсаторы разделяются на груп-
пы навесного, печатного (традиционного и поверхностного) монтажа
и в составе микромодулей. Выводы конденсаторов для навесного
монтажа изготавливают жесткими, мягкими, радиальными, аксиаль-
ными из проволоки круглого сечения или плоской ленты, в виде ле-
пестков, резьбовых втулок, опорных винтов и др. У некоторых типов
конденсаторов в качестве выводов используют металлизированные
части их поверхности.
Рис. 9.1. Классификация конденсаторов
9. Конденсаторы
171
Незащищенные конденсаторы используются только в составе
герметизированного узла (например, микросборки или гибридной ин-
тегральной схемы). Неизолированные конденсаторы не имеют элек-
троизоляционной оболочки и потому не допускают при работе контак-
тов с другими неизолированными компонентами и корпусом узла. Уп-
лотненные конденсаторы обладают корпусом, специально созданным
для работы при повышенных уровнях влажности окружающей среды.
9.2.	Маркировка и условное графическое обозначение
конденсаторов
Для конденсаторов обычно используется буквенно-цифровая
маркировочная надпись. Она содержит сокращенное обозначение
типа конденсатора, номинальное напряжение, номинальное значе-
ние емкости, допуск, обозначение климатического исполнения и год
выпуска. Полное или сокращенное указание емкости и допуска зави-
сит от размеров конденсатора. Полное указание номинальной емко-
сти состоит из цифры и обозначения единицы измерений: Ф - фара-
да; мкФ - микрофарада (Ю"6 Ф); нФ - нанофарада (10-9 Ф); пФ - пи-
кофарада (10~12 Ф).
Сокращенное указание номинальной емкости производят тремя
или четырьмя знаками, состоящими из двух или трех цифр и буквы
(русского или латинского алфавитов): например, 1,5 пикофарады =
= 1П5 (или 1 р5); 10 нанофарад = ЮН (10п); 10 микрофарад = ЮМ
(Юр); 1 фарада = 1Ф0 (1F0).
Обозначение марки (типа) конденсатора состоит из букв и
цифр. Первый элемент обозначения - буква или группа букв, соот-
ветствует подклассу: К - постоянной емкости; КТ - подстроечный;
КП - переменной емкости. Второй элемент обозначения - номер
группы конденсаторов по типу диэлектрика (табл. 9.2). Третий эле-
мент обозначений (регистрационный номер данного типа конденса-
тора) указывается через дефис.
В технической документации на РЭС и его составные части
должно быть приведено на каждый конденсатор его полное услов-
ное обозначение, состоящее из сокращенного обозначения марки
конденсатора и сокращенного обозначения некоторых его основных
характеристик.
Примеры условных обозначений конденсаторов:
•	Керамический конденсатор типа К10-7В предназначен для
всеклиматического применения (буква «В») на номинальное напря-
жение 50 В с температурным коэффициентом емкости М47 (т.е.
-47-Ю-61/°С) и номинальную емкость 27 пФ с допуском ±10% и име-
ет условное обозначение в виде:
Конденсатор К10-7В-50В-М47-27пФ±10% ГОСТ 5.621-70.
172
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таблица 9.2. Обозначение конденсаторов по группам диэлектриков
Подкласс конденсаторов	Группа конденсаторов по типу диэлектрика	Обозначение группы
Конденсаторы постоянной емкости	Керамические на номинальное напря- жение ниже 1600 В	10
	Керамические на номинальное напря- жение 1600 В и выше	15
	Стеклянные	21
	Стеклокерамические	22
	Тонкопленочные с неорганическим диэлектриком	26
	Слюдяные малой мощности	31
	Слюдяный большой мощности	32
	Бумажно-фольговые на напряжение ниже 2 кВ	40
	Бумажно-фольговые на напряжение выше 2 кВ	41
	Бумажные металлизированные	42
	Алюминиевые оксидно- эл е ктро л итические	50
	Танталовые, ниобиевые и другие оксидно-электролитические	51
	Объемно-пористые	52
	Оксидно-полупроводниковые	53
	С воздушным диэлектриком	60
	Вакуумные	61
	Полистирольные	71 (70)
	Фторопластовые	72
	Поли эти л ентерефта л атн ые	73 (74)
	Комбинированные	75
	Лакопленочные	76
	Поликарбонатные	77
	Полипропиленовые	78
Подстроечные конденсаторы	Вакуумные	1
	С воздушным диэлектриком	2
	С газообразным диэлектриком	3
	С твердым диэлектриком	4
Конденсаторы переменной емкости	Вакуумные	1
	С воздушным диэлектриком	2
	С газообразным диэлектриком	3
	С твердым диэлектриком	4
•	Оксидно-электролитический алюминиевый конденсатор типа
К50-7 с вариантом конструктивного крепления 1 (с лепестковым вы-
водом анода и крепежной гайкой катода) на номинальное напряже-
9. Конденсаторы
173
ние 250 В номинальной емкостью 100 мкФ с допуском +80...-20%
всеклиматического исполнения «В» в диапазоне температур -
1О...+85°С имеет полное условное обозначение в виде:
Конденсатор К50-7-1-250В-100 мкФ-ВД.
•	Подстроечный малогабаритный керамический конденсатор
типа КПК-М с перестройкой емкости в пределах 2...7 пФ имеет пол-
ное условное обозначение:
Конденсатор КПК-М-2/7 ГОСТ 5.500-76.
Следует иметь в виду, что приведенные условные обозначе-
ния не распространяются на устаревшие правила обозначения кон-
денсаторов, у которых в качестве основы использовалась информа-
ция о конструктивных разновидностях, технологических особенно-
стях, эксплуатационных показателях, области применения и др. На-
пример, КТК (конденсатор трубчатый керамический); КО (конденса-
тор опорный); КД (конденсатор дисковый); КСО (конденсатор слюдя-
ной опрессованный); КЛС (конденсатор литой секционированный);
КМ (конденсатор монолитный); КБГИ (конденсатор бумажный герме-
тизированный изолированный); СГМ (конденсатор слюдяной мало-
габаритный); КЭГ (конденсатор электролитический герметизирован-
ный); ЭТО (конденсатор электролитический танталовый объемно-
пористый) и др.
Рис. 9.2. Условное графическое обозначение конденсаторов
На принципиальных схемах узлов РЭС конденсаторы, соглас-
но действующему в России стандарту, имеют следующие графиче-
ские изображения: рис. 9.2, а - конденсаторы постоянной емкости;
рис. 9.2, б - конденсаторы переменной емкости; рис. 9.2, в - конден-
саторы дифференциальные; рис. 9.2, г - конденсаторы подстроеч-
ные; рис. 9.2, д - конденсаторы сегнетоэлектрические (вариконды);
рис. 9.2, е - конденсаторы полярные; рис. 9.2, ж - конденсаторы про-
ходные.
1 Обычно для электролитических конденсаторов значения допуска, темпера-
турного коэффициента емкости и диапазона рабочих температур в условном обозна-
чении не приводятся.
174
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
9.3.	Основные электрические характеристики
конденсаторов
К основным электрическим характеристикам конденсаторов
относятся: номинальная емкость и допуск на нее, температурный
коэффициент емкости, номинальное напряжение, номинальный ре-
активный ток, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление
изоляции и ток утечки.
НОМИНАЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ И ДОПУСК
Номинальным называют значение емкости конденсатора, ко-
торое указано в технической документации на конденсатор или ко-
торое обозначено на его корпусе. Номинальная емкость является
исходной для отсчета допустимого и реального отклонений
конкретного конденсатора. Практически используемые значения
емкостей конденсаторов находятся в пределах от 1 пФ до 1Ф, т.е. 12
порядков или 12 декад.
Экономически целесообразно, чтобы конденсаторы имели
лишь некоторые значения емкости, которые находят наибольшее
применение. Номинальные значения емкостей (табл. 9.3), согласно
рекомендациям МЭИ (Международной электротехнической комис-
сии), стандартизованы (т.е. не произвольны) и выбираются из опре-
деленных рядов чисел ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192 (цифра ука-
зывает количество номинальных значений в каждой декаде).
Таблица 9.3. Ряды номинальных емкостей конденсаторов,
наиболее часто используемые в РЭС
ЕЗ	Е6	Е12	Е24	ЕЗ	Е6	Е12	Е24
1,0	1,0	1,0	1,0		3,3	3,3	3,3
			1,1				3,6
		1,2	1,2			3,9	3,9
			1,3				4,3
	1,5	1,5	1,5	4,7	4,7	4,7	4,7
			1,6				5,1
		1,8	1,8			5,6	5,6
			2,0				6,2
2,2	2,2	2,2	2,2		6,8	6,8	6,8
			2,4				7,5
		2,7	2,7			8,2	8,2
			3,0				9,1
9. Конденсаторы 175
Так, в ряде ЕЗ имеется три значения номинальных емкостей в
каждой их декаде, которые соответствуют числам 1,0; 2,2; 4,7. Это зна-
чит, что конденсаторы могут иметь, например, номинальные значения в
микрофарадах: 1,0; 2,2; 4,7; 10; 22; 47; 100; 220; 470 и т.д. Аналогично в
пикофарадах, нанофарадах, фарадах. Номинальные емкости должны
соответствовать значениям теоретического ряда, однако реально ис-
пользуемый состав ряда может быть ограничен по технологическим
или физическим причинам. Например, керамический монолитный кон-
денсатор типа К10-23 с температурными коэффициентами ПЗЗ и М47
производятся с номинальными емкостями, подчиняющимися ряду Е6,
от 2,2 до 330 пФ, т.е. всего три декады из теоретических двенадцати.
В производстве конденсаторов наиболее часто применяются
ряды номиналов ЕЗ, Е6, Е12 и Е24. Фактическое значение емкости,
измеренное у конкретного конденсатора, может отличаться от номи-
нального на некоторое значение, обязанное находиться в пределах
поля допуска. Назначаемые допуски обычно исчисляются в процен-
тах от номинального значения и также подчиняются ряду (табл. 9.4).
Как уже упоминалось, допустимые отклонения могут указываться на
самом конденсаторе. Кроме того, существует международная коди-
ровка допусков, которой соответствуют отечественные обозначения
(в скобках табл. 9.4).
Таблица 9.4. Ряд допустимых отклонений емкости конденсаторов
от номинальных значений и их кодировка
Допуск, %	Международный код	Допуск, %	Международный код
±0,1	В (Ж)	±20	М(В)
±0,2	с (У)	±30	Ы(Ф)
±0,5	D(fl)	-10...+30	О(О)
±1	F(P)	-10...+50	ТО)
±2	G (Л)	-10...+100	У(Ю)
±5	J (И)	-20...+50	S(B)
±10		KJC)		-20...+80	Z (А)
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ
Емкость большинства конденсаторов зависит от их температу-
ры, причем зависимость имеет нелинейный характер. Для практиче-
ских целей используют линеаризацию введением температурного
коэффициента емкости (ТКЕ) - величины, равной относительному
изменению емкости при изменении температуры окружающей среды
на один градус. При наличии существенной нелинейности линеари-
зацию применяют для диапазонов температур.
176
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Керамические (и немногие другие) конденсаторы по уровню
ТКЕ подразделяют на группы с линейной или близкой к ней зависи-
мостью емкости от температуры. В табл. 9.5 приведены условные
обозначения (буквенно-цифровое и цветными поясами) групп тем-
пературных коэффициентов емкости конденсаторов.
Таблица 9.5. Условное обозначение групп температурных коэффи-
циентов емкости керамических конденсаторов
Группа ТКЕ	ТКЕ (20...80°С)*10Л 1/°С	Группа ТКЕ	ТКЕ (+20...+80°С),10~6, 1/°С
ПЮО (П120)	+100 (+120) Цвет оран- жевый + черный	М150	-150 Цвет оранжевый
П60	+60	М220	- 220 Цвет желтый
пзз	+33 Цвет серый	МЗЗО	-330 Цвет зеленый
мпо	0 Цвет черный	М470	- 470 Цвет голубой
мзз	- 33 Цвет коричневый	М750 (М700)	- 750 (- 700) Цвет фиолетовый
М47	-47 Цвет голубой + красный	М1500	-1500 Цвет оранжевый
М75	- 75 Цвет красный	М2200	- 2200 Цвет желтый + оранжевый
Таблица 9.6. Кодированные обозначения изменений емкости кон-
денсаторов с ненормируемым ТКЕ
Группа ТКЕ	Изменение емкости в диапазоне -6О...+85°С	Цветная кодировка
НЮ	±10%	Оранжевый + черный
Н20	±20%	Оранжевый + красный
ИЗО	±30%	Оранжевый + зеленый
Н50	±50%	Оранжевый + голубой
Н70	- 70%	Оранжевый + фиолетовый
Н90	- 90%	Оранжевый + белый
Температурный коэффициент емкости слюдяных и полисти-
рольных конденсаторов колеблется в пределах (50...200)-10-6, 1/°С.
Поликарбонатные конденсаторы по знаку ТКЕ не гарантируются
производителями (± 50-10-6 1/°С). ТКЕ конденсаторов с другими ди-
электриками не нормируются, но с помощью кодировки могут быть
указаны допустимые пределы нелинейного изменения емкости в за-
данном диапазоне температур (табл. 9.6).
9. Конденсаторы
177
НОМИНАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ
Номинальным называют напряжение, при котором конденса-
тор может работать с сохранением своих характеристик в пределах
допусков в течение эксплуатации в заданных условиях. Уровень это-
го напряжения зависит от применяемых материалов и конструкции
конденсатора. Поскольку свойства диэлектриков существенно зави-
сят от температуры, то с ее повышением (обычно выше 7О...9О°С)
для многих типов конденсаторов номинальное напряжение снижают.
Номинальное напряжение назначают с некоторым запасом по
отношению к электрической прочности диэлектрика. Такой запас ис-
ключает интенсивное старение диэлектрика и снижение пробивного
напряжения в течение срока эксплуатации. В свою очередь, электри-
ческая прочность диэлектрика зависит от формы приложенного на-
пряжения (постоянное, переменное гармоническое, переменное им-
пульсное), температуры и влажности среды, от площади соприкосно-
вения с электродными пластинами, от длительности эксплуатации.
Номинальные напряжения подчиняются стандартному ряду
следующих значений: 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50;
63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000;
1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000 В.
Особенностью применения конденсаторов в составе РЭС яв-
ляется их работа под напряжением, содержащем постоянную и пе-
ременную составляющие. Сумма амплитуд постоянной и перемен-
ной составляющей не должна превышать номинальное напряжение
конденсатора.
С целью установления допустимого электрического режима вы-
сокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов вводят по-
нятие реактивной мощности, которая характеризует нагрузочную
способность конденсатора при наличии на нем больших напряжений
Um высокой частоты. Реактивную мощность конденсатора определяют
соотношением Рр ~ 2;rfCUm2 (ВАР). В области низких частот допус-
тимый электрический режим обусловлен амплитудой переменного
напряжения Um, а на высоких - допустимой реактивной мощностью.
В свою очередь, амплитуду переменной составляющей U=
можно найти с учетом допустимой пропускаемой реактивной мощно-
сти РрДоп (ВАР) на частоте f (Гц) конденсатора емкостью С (пФ):
Um=565-103J^- (В).
V I V
Пропускаемая реактивная мощность конденсатора оказывает
существенное влияние на допустимую амплитуду переменной со-
ставляющей приложенного напряжения при включении конденсато-
ра в цепь, например, высоковольтного делителя. Так, высоковольт-
178
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ный керамический конденсатор типа К15-12 имеет (в зависимости от
номинального импульсного напряжения) допустимую реактивную
мощность 0,5...3,5 кВАР и номинальное напряжение в пределах
2...4 кВ, а опорный керамический конденсатор К10У-1 (применяемый
при изготовлении помехоподавляющих фильтров РЭС) емкостью
2Н2 - всего 0,5 ВАР и номинальное напряжение 350 В.
Наличие омических (активных) потерь в конденсаторе приво-
дит к возникновению активной мощности потерь РА, выделяемой на
конденсаторе и приводящей к его нагреву.
Номинальный ток (нормируется только для вакуумных кон-
денсаторов) - это наибольший ток, при котором конденсатор может
работать длительное время. Он введен для целесообразного выбо-
ра теплового режима конденсатора при значительных уровнях пере-
менного тока. При пропускании через конденсатор радиоимпульсов
(импульсов с заполнением сигналом высокой частоты) уровень им-
пульсного тока 1и со скважностью q может превышать номинальный
ток 1н в несколько раз: 1и = lH >/q.
Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, обладает
полным сопротивлением (импедансом), обусловленным присутстви-
ем (помимо емкости) у реального конденсатора внутренних омиче-
ского сопротивления и индуктивности. На высоких частотах они ока-
зывают заметное влияние на амплитуду и форму напряжений и то-
ков цепи, в которую включен конденсатор.
Рис. 9.3. Эквивалентная схема
замещения конденсатора
на высокой частоте
Рис. 9.4. Амплитудно-частотная
характеристика полного сопротивления
конденсатора
В простейшем случае эквивалентную схему конденсатора
можно представить (рис. 9.3) последовательным включением емко-
сти С, индуктивности L и сопротивления г, которая характеризует-
ся импедансом
9. Конденсаторы 179
На резонансной частоте f0 конденсатор имеет (рис. 9.4) чисто
активное сопротивление - на этой частоте компенсируются емкост-
ная и индуктивная составляющие импеданса, т.е. = 27tfL • Сле-
дует отметить весьма важную для практики особенность - на часто-
тах ниже f0 реактивное сопротивление носит емкостной характер, на
частоте выше f0 - индуктивный.
В табл. 9.7. представлены усредненные значения характери-
стик элементов эквивалентной схемы замещения конденсатора.
Таблица 9.7. Значения усредненных характеристик элементов за-
мещения конденсаторов некоторых типов
Группы конденсаторов по типу диэлектрика	Индуктивность, нГ н	Резонансная частота, МГц
Керамические и слюдяные	0,25... 15	1...5000
Бумажные и пленочные цилиндрической формы	6...20	1,5...15
Бумажные и пленочные в форме парал- лелепипеда	10...100	0,1...2,5
С оксидным диэлектриком	3...40	0,035...12
В большинстве случаев применения конденсаторы являются
линейными компонентами, у которых основные электрические ха-
рактеристики считаются не зависящими от приложенных напряжений
и протекающих токов. При протекании через один из таких конденса-
торов переменного тока синусоидальной формы вида
i(t) = lmsin(cwt + ^) падение напряжения на нем должно учитывать
инерционные свойства конденсатора:
uc(t) = FJic(t)dt = F.f lm sin(<ut + (р) dt = —^cos(wt + p) =
СУ.	wC
= —^sin^t + <p + 90 °).
Таким образом, напряжение на конденсаторе отстает от тока
через него на 90° (векторная диаграмма показана на рис. 9.5). До-
полнительный угол появился при переходе к синусоидальной функ-
ции. В комплексной форме имеет место следующее соотношение:
,,	. 1 ,	.1
Um = — J--7> т. гДе величина -j— является комплексным сопроти-
о)С	о)С
180
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
влением конденсатора, а величи-
на Хг
и
1
= —- - называется реак-
суС
тивным сопротивлением конден-
сатора, которое на постоянном
токе стремится к бесконечности, а
на переменном токе снижается до
минимальных значений при уве-
личении частоты (рис. 9.6).
Рис. 9.5. Векторная диаграмма тока
и напряжения на конденсаторе
Рис. 9.6. Зависимость реактивного со- Рис. 9.7. Временные зависимости не
противления конденсатора от частоты пряжения, тока и реактивной мощно
сти конденсатора
Мгновенная мощность, выделяемая на конденсаторе (рис. 9.7),
I 2	I 2
р (t) = —sin cot • cos cot = - -111— sin 2cot
cv '	coC	2coC
может	иметь	положительное	и	отрицательное	значения	(конденса-
тор запасает	электрическую	энергию	или	отдает ее	в	ту	цепь,	в	ко-
торую он включен).
ТАНГЕНС УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
Потери энергии на заданной частоте в конденсаторе отражает
тангенс угла потерь, который определяют отношением активной
мощности на конденсаторе к его реактивной мощности (при напря-
РА
жении синусоидального тока): tg8 = ——. Тангенс угла диэлекгриче-
Рр
ских потерь tgS обусловлен типом диэлектрика и его качеством,
температурой окружающей среды, частотой переменного тока. Зна-
чения tgS для керамических высокочастотных, слюдяных, полисти-
рольных, фторопластовых конденсаторов находятся в пределах
(10... 15)-КГ4, поликарбонатных (Ib-.^SJ-IO"4, керамических низко-
частотных 350-10"4, оксидных (500...3500)-10"4, полиэтиленфталат-
ных (100... 120)-1 О’4.
9. Конденсаторы 181
СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ И ТОК УТЕЧКИ
На постоянном токе конденсатор представляет собой доста-
точно большое сопротивление. Это сопротивление называют сопро-
тивлением изоляции конденсатора. Его значение отражает качество
как диэлектрика, так и изготовленного конденсатора. При длитель-
ной эксплуатации или хранении сопротивление изоляции под дейст-
вием внешних воздействий может снизиться на несколько порядков.
Для практической оценки этой характеристики конденсатора изме-
рение сопротивления изоляции производят при некоторых фиксиро-
ванных напряжениях (10, 100, 500 В), значения которых ниже номи-
нальных для соответствующих типов конденсаторов.
Проводимость конденсатора на постоянном токе в установив-
шемся режиме обусловливает ток утечки между его обкладками.
Причиной его возникновения являются свободные носители заряда
в диэлектрике, и он нелинейно зависит от приложенного напряжения
и длительности воздействия. Поэтому практическое измерение тока
утечки конденсатора производят через 5 мин после подачи на него
напряжения. Обнаружено, что многократное приложение постоянно-
го напряжения (ниже номинального) вызывает у вновь изготовленно-
го конденсатора «формовку» диэлектрика (некоторое снижение тока
утечки). Длительная эксплуатация и хранение вызывают рост тока
утечки.
9.4.	Конструкция конденсаторов и используемые
материалы
Конструкция конденсаторов в основном определяется экс-
плуатационными и технологическими свойствами их диэлектриче-
ского материала. Конденсатор как технологический узел представ-
ляет собой совокупность конструктивных элементов определенной
формы, изготовленных из специально подобранных материалов.
Конструктивное оформление конденсатора зависит также от способа
его установки в РЭС (монтаж объемный, монтаж печатный традици-
онный, монтаж печатный поверхностный, монтаж в микросборку).
В конденсаторах с неорганическим диэлектриком использу-
ются керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика и слюда. К ним
же относятся конденсаторы с газообразным диэлектриком, в качест-
ве которого может использоваться воздух, вакуум, сжатый газ (азот,
фреон, элегаз1).
Среди конденсаторов имеются группы низковольтных (номи-
нальное напряжение менее 1600 В), высоковольтных, помехоподав-
ляющих, низкочастотных и высокочастотных. В составе РЭС они
1 Элегаз - газообразная фаза шестифтористой серы SF6.
182
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
применяются в резонансных контурах и электрических цепях,
в которых желательно иметь малые потери и стабильность емкости,
в цепях блокировки и развязки, в высоковольтных цепях.
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Керамические конденсаторы относятся к самым массовым ком-
понентам РЭС. К их достоинствам следует отнести широкий диапазон
номинальных емкостей, возможность изготовления конденсаторов-
с заданным температурным коэффициентом емкости, устойчивость
к внешним воздействующим факторам, высокую надежность, доста-
точно простую технология изготовления, низкую стоимость.
Рис. 9.8. Некоторые типы керамических конденсаторов:
а-трубчатый КТ-1; дисковые КД-1; КД-2; пластинчатый К10-7В;
полупроводниковый К10У-5; б - схема подключение выводов к обкладкам трубчатого
конденсатора
У керамических конденсаторов базовый конструктивный элемент
изготовлен из керамики, на поверхность которой нанесены обкладки в
виде металлических слоев. Форма керамического базового элемента,
применяемого в конденсаторах этого типа, может быть трубчатой (мар-
ки КТ-1; КТ-2; КТ-3; К10-38; КТП, КТИ), пластинчатой (К10-7В), дисковой
(КД-1, КД-2, К10-19, КД-29, К10-78), монолитной (К10-17, К10-27, К10-42,
К10-43, К10-47, К10-49, К10-50, К10-60, К22-5), бочоночной (например,
К15У-2, К15-9), горшкообразной (например, К15У-3).
К однослойным керамическим конденсаторам (используется
всего один слой диэлектрического материала) относятся трубчатые,
дисковые, пластинчатые, имеющие номинальную емкость от 0,47 пФ
до 0,063 мкФ и номинальное напряжение до 800 В.
На рис. 9.8, а изображен внешний вид трубчатого, дисковых,
пластинчатого и полупроводникового керамических конденсаторов и
эскиз расположения обкладок трубчатого конденсатора (рис. 9.8, б).
Проволочные выводы припаяны к краям металлизированных обкла-
док трубки, дисков и пластины.
Керамические конденсаторы с барьерным слоем и на основе
полупроводниковой керамики имеют большую емкость, но значи-
тельное изменение емкости в диапазоне температур (Н20-Н90).
9. Конденсаторы
183
Монолитные керамические конденсаторы, относящиеся к
группе низковольтных и обладающие значительной удельной емко-
стью, производят различными конструктивными вариантами. В осно-
ве своей они имеют монолитный блок (рис. 9.9), состоящий из чере-
дующихся тонких (пластичных до обжига) керамических или стекло-
керамических прослоек с нанесенными на них обкладками, спрессо-
ванными при высокой температуре.«Металлизация обкладок нано-
сится до термообработки, а не после нее, как это обычно делается.
Толщина изоляционных прослоек 30...50 мкм, удельная емкость при
номинальном напряжении 50 В составляет 1...20 мкФ/см3. Монолит-
ные конденсаторы могут иметь защитное покрытие эпоксидными
смолами (марки К22-5; К10-17), пластмассовый корпус (марки
К10-17, К10-43, К10-49, К10-50). К низковольтным керамическим кон-
денсаторам относятся также КМ-3, КМ-4, КМ-5, КМ-6, К10-9, К10-23,
К10-27, К10-28, К10-36, К10-42, К10-47, К10-52, К10-56, К10-57, номи-
нальное напряжение 10...250 В.
Рис. 9.9. Модель керамической за-
готовки монолитного конденсатора
Рис. 9.10. Высоковольтные керамиче-
ские конденсаторы типов К15У-3
и К15У-1
Высоковольтные высокочастотные керамические конденсато-
ры (рис. 9.10), которые применяют, в основном, в выходных каскадах
мощных передатчиков, могут иметь форму плоскую (марки К15У-1,
К15-2, К15-14), трубчатую (К15У-2, К16-11) и горшкообразную (К15У-3).
Высоковольтные низкочастотные керамические конденсаторы ис-
пользуют, в основном, в цепях постоянного тока (цепях питания). Их
конструкция может предусматривать изоляцию (например, К15-4;
К15-5) или нет (К15-10). Емкость конденсаторов может достигать
15нФ, а номинальное напряжение 1,6...63 кВ.
К специальным керамическим конденсаторам относятся про-
ходные и опорные конденсаторы (рис. 9.11), предназначенные обес-
печивать в высокочастотных узлах РЭС, фильтрацию и блокировку
сигналов помех с целью достижения электромагнитной совместимо-
сти узлов и блоков. Конструктивно они могут быть снабжены резьбой
для крепления к шасси с помощью гайки (например, КТП-1; КТП-2;
КО-1; КО-2; КДО-1; КДО-2) или фланцем для пайки к поверхности эк-
ранирующих перегородок корпуса (например, К10П-4). Номинальная
емкость этих конденсаторов находится в пределах 3,9... 15000 пФ,
номинальное напряжение - 350...500 В.
184
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 9.11. Проходной и опорный ке-
рамические конденсаторы типов
КТП-1 и КО-1
Рис. 9.12.Подстроечные керамиче-
ские конденсаторы типов
КПК-1 и КПК-2
Подстроечные керамические конденсаторы (рис. 9.12) состоят
из статорной и роторной частей, выполненных из керамики с нанесен-
ными обкладками. Они предназначены для осуществления регулиро-
вочно-наладочных работ технологического процесса производства
РЭС, а также регулировок в период эксплуатации. Они могут быть вы-
полнены несколькими конструктивными вариантами (например, КТ4-
21; КТ4-23; КТ4-25; КПК; КТ17-КТ23; КТ2-50; КТ2-51) для различных
способов крепления к плате печатного монтажа, в том числе бескор-
пусные (например, КТ4-24; КТ4-27) для монтажа в микросборках.
СЛЮДЯНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
В слюдяных конденсаторах обкладками могут служить тонкая
фольга (свинцово-оловянная, но чаще алюминиевая) или тонкий
слой напыленного серебра. Пластины диэлектрика с обкладками
набираются в пакет, обжимаются и затем опрессовываются пласт-
массой. Конденсаторы с серебреными пластинами слюды позволяют
избежать появления воздушных включений между поверхностями
слюды и обкладки (рис. 9.13), что несколько снижает температурный
коэффициент емкости и приближает его к линейной зависимости от
температуры.
Достоинством слюдяных конденсаторов является повышенная
добротность, стабильность емкости, высокая надежность, устойчи-
вость работы при относительно больших реактивных мощностях
(5...300 ВАР). К недостаткам относятся: невысокая удельная ем-
кость, сложность технологических операций изготовления, относи-
тельно большые масса и стоимость.
Слюдяные конденсаторы (рис. 9.14) изготавливаются несколь-
ких типов - слюдяные опрессованные (К31У-3; К31П-5), слюдяные
уплотненные (К31П-4; К31-10; К31-14), герметизированные (КСГ;
СГМ, СГО, ССГ); опрессованные теплостойкие (К31-10 до +125°С).
Диапазон номинальных напряжений 250...7000 В, номиналь-
ные емкости 51 пФ...0,2 мкФ, допустимые отклонения номинальных
емкостей ±(2...20)%, температурный диапазон -6О...+85°С.
9. Конденсаторы
185
Рис. 9.13. Схема соединений
посеребреных обкладок слюдяного
конденсатора
Рис. 9.14. Слюдяные конденсаторы
типов К31У-3 и К31-14
СТЕКЛЯННЫЕ И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Стекло (боросиликатное, щелочное) как диэлектрик конденса-
тора является дешевым материалом, имеющим диэлектрические
потери среднего уровня и, кроме того, позволяет изготавливать кон-
денсаторы достаточно высокой электрической прочности (25...30
кВ/мм) при небольшой толщине слоя. Однако потери существенно
возрастают при повышении температуры.
Исходным материалом диэлектрика конденсаторов этого типа
является стеклоэмаль, которая наносится на металлический лист
основания. После сушки стеклоэмали на ее поверхность через тра-
фарет наносят слой серебряной пасты, далее снова создают ди-
электрический слой стеклоэмали и (после сушки) серебряной пастой
наносят заготовку следующей обкладки и т.д. После изготовления
необходимого количества слоев заготовку конденсатора спекают
(600...800°С) и разрезают. В результате получаются монолитные
остеклованные пластинки в форме параллелепипедов, к которым
после зачистки торцов припаивают электрические выводы (рис.
9.15). Толщина диэлектрического слоя 100...200 мкм.
Стеклянные конденсаторы по своим характеристикам доста-
точно близки к слюдяным, но являются более теплостойкими. Изме-
няя состав стекла добавками, можно управлять свойствами этого
диэлектрика.
Рис. 9.15. Конструкция стеклянных
конденсаторов
Рис. 9.16. Стеклянные конденсаторы
типов К21-8 и КС-1
186
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
К стеклянным и стеклокерамическим относятся конденсаторы
следующих марок: КС-1; КС-2; КС-3; СКМ; К21-5; К21-7; К21-8; К21-9;
К22У-1; К22-4; К22-5 (рис. 9.16). Номинальные емкости 9,1 пФ...0,12
мкФ; диапазон температур -6О...+125°С (+200°С СКМ-Т); тангенс
угла диэлектрических потерь (1,5...80)-КГ4.
КОНДЕНСАТОРЫ С ГАЗООБРАЗНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ
Специфическую группу представляют конденсаторы с газооб-
разным диэлектриком, которые по характеру изменения емкости бы-
вают постоянными и переменными. Благодаря практической незави-
симости газовой среды внутреннего объема постоянных конденса-
торов этого типа (вакуумных и газонаполненных) от окружающей ат-
мосферы, они отличаются высокой стабильностью характеристик во
времени и малыми диэлектрическими потерями. Поэтому они при-
меняются, в основном, в высокочастотных цепях генераторов пере-
датчиков, работающих при высоких напряжениях 3 кВ (например,
К61-16)...1ОО кВ (например, К61-18).
К вакуумным конденсаторам постоянной емкости относятся:
К61-1; К61-3; К61-4; К61-5; К61-9; К61-16; К61-18; В; КВ; ВВ; ВМ. Но-
минальные емкости 10 пФ (К61-1)...5ОО пФ (К61-3); диапазон темпе-
ратур -60°С (-10°С для К61-18) ... +70...125°С (+200°С для К61-9);
диэлектрические потери (OJ.-.IJ-IO"4; номинальный рабочий ток 5 А
(для К61-16 при напряжении 3 кВ) ... 100 А (для К61-4 при напряже-
нии 45 кВ).
Вакуумные конденсаторы переменной емкости (КП 1-3; КП-ЗМ;
КП1-4; КП1-6 ...КП1-9; КП1-10-КП1-13; КП1-16) обладают малым мо-
ментом вращения и высоким коэффициентом перестройки емкости
(например, коэффициент перестройки у конденсатора КП1-12 со-
ставляет 120). Минимальная емкость 10 пФ (например, КП1-
10)...1200 пФ (КП1-12); диапазон температур - 60 ... +70... +125 °C
(+200°С для КП1-10); диэлектрические потери 1-10'4; номинальный
рабочий ток 15 А (для КП1-13 при напряжении 10 кВ ) ... 100 А (для
КП1-6 при напряжении 45 кВ); масса 0,5 кг (КП1-8) ... 7 кг (КП1-6.)
Конденсаторы с воздушным диэлектриком представлены
практически только конденсаторами переменной емкости и подстро-
ечными конденсаторами.
Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектри-
ком применяются в составе РЭС для настройки колебательных кон-
туров на заданную частоту, регулировки емкостной связи между вы-
сокочастотными узлами, балансировки высокочастотных мостовых
цепей, компенсации или подбора реактивной составляющей импе-
данса электрической цепи (например, в измерительных устройствах
и полосовых фильтрах).
9. Конденсаторы
187
Конструкция конденсатора переменной емкости предусматри-
вает изменение емкости конденсатора вращением системы плоских
обкладок (роторных пластин) относительно неподвижных статорных
пластин, расположенных таким образом, что при настройке ротор-
ные пластины входят в зазоры между статорными. Ротор может по-
ворачиваться в подшипниках скольжения (конденсаторы бытовых
РЭС и подстроечные конденсаторы) или шариковых подшипниках
(специальные РЭС).
На рис. 9.17 изображен трехсек-
ционный конденсатор переменной ем-
кости с воздушным диэлектриком,
применяемый, главным образом, для
перестройки сопряженных резонанс-
ных контуров супергетеродинного при-
емника (входная цепь приемника, вход
преобразователя частоты, гетеродин).
В данной конструкции использу-
ется вращательное перемещение под-
вижной системы на угол о относитель-
Рис.9.17. Трехсекционный кон-
денсатор переменной емкости
с воздушным диэлектриком
но неподвижной в пределах 0...1800.
По закономерности изменения настройки колебательного кон-
тура на частоту f с помощью переменных конденсаторов, их подраз-
деляют на прямочастотные (кривая 1 на рис. 9.18) и прямоемкост-
ные (кривая 2). При использовании прямочастотного конденсатора
шкала настройки колебательного контура является равномерной.
Коэффициент перекрытия контура по частоте является отно-
шением вида:
ь _ ^тах
f - f .
mm
^nep + Смин	л 2
—p--------; откуда Спер=Смин(к( -1).
^мин
На рис. 9.19 приведена эквивалентная схема замещения конден-
сатора переменной емкости, в которой: Спер- переменная часть емко-
сти конденсатора; Смин- минимальная емкость; Rn- сопротивление
потерь в проводящих частях конденсатора (0,01...0,02 Ом); RM3- со-
противление изоляции конденсатора; Lc - индуктивность конденсато-
ра, определяемая его конструкцией; RK0HT - переходное сопротивление
трущегося контакта (составляет 0,01...0,05 Ом). Емкость между элек-
трическими выводами конденсатора является суммрй:
с = с - С .
пер мин
Добротность конденсатора зависит от эквивалентного сопро-
тивления его потерь: Qc =l/tgS€, где tgd = Rna)Cv\ составляет
188
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
500...5000 единиц, но может снижаться в несколько раз при повы-
шении влажности окружающего воздуха.
Сопротивление изоляции RM3 между выводами конденсатора
составляет 1О9...1О10 Ом и даже с потерей двух-трех порядков при
повышении влажности окружающей среды слабо влияет на доброт-
ность конденсатора.
Рис. 9.18. Частотная характеристика
конденсатора переменной емкости:
1 - прямочастотная;
2 - прямоемкостная
Рис.9.19. Эквивалентная схема за-
мещения конденсатора переменной
емкости
Значение переходного сопротивления токосъема RK0HT опре-
деляется конструкцией конденсатора и условиями эксплуатации.
Нестабильность RK0HT вызывает появление шумового напряжения
(2...6 мкВ, а при загрязнении контактирующих поверхностей до
10...20 мкВ}. Контакт с пластинами ротора достигается с помощью
токосъемной плоской пружины, что в некоторых случаях неприемле-
мо в силу упомянутого шумового напряжения, возникающего в цепи.
Но, если вместо контакта трением применить соединительную мно-
говитковую пружину, то возрастает индуктивность выводов конден-
сатора, что затрудняет его использование в высокочастотных цепях
(50...200 МГц).
Колебания пластин переменного конденсатора, вызванные
вибрацией или ударами, сопровождающими работу РЭС, приводят
при включении конденсатора в резонансный контур к появлению в
контуре нежелательных процессов, например, амплитудной или час-
тотной модуляции. Следовательно, пластины конденсатора должны
обладать определенным уровнем механической устойчивости, кото-
рая достигается увеличением толщины пластин. Однако это ведет
к снижению удельной емкости и к увеличению массы конденсатора.
Сдвоенный прямоемкостной конденсатор переменной емкости,
у которого две группы статорных пластин и одна - роторная, обра-
зуют дифференциальный конденсатор, емкость которого равна сум-
9. Конденсаторы
189
ме двух конденсаторов (рис. 9.20, а), не изменяющаяся при повороте
ротора на 180°. Преимуществом дифференциального конденсатора
является отсутствие трущихся контактов ротора, если емкость кон-
денсатора образуется между выводами пластин статорных групп
(активный угол поворота при этом равен 90°).
Разновидностями дифференциального конденсатора пере-
менной емкости являются варианты, в которых между двумя секциями
пластин статора помещается одна секция роторных пластин, конфи-
гурация и размер которых позволяют свести к минимуму начальную
емкость. Эти конденсаторы называют «бабочка» (butterfly).
По варианту рис. 9.20, б конденсатор имеет емкость
C = Cj +С2, где СРС2- емкости левой и правой частей конденсатора.
Вариант «в» фактически является дифференциальным конденсато-
ром, у которого С = 1 / 2Cj. По варианту «г» емкость между вывода-
ми конденсатора составляет С = .
а	б	в	г
Рис. 9.20. Дифференциальный конденсатор (а) и его разновидности (б-г)
Рис. 9.21. Подстроечные конденсаторы с воздушным диэлектриком
типов КПВ и КТ2-21
Подстроечные конденсаторы (рис. 9.21) применяются в соста-
ве узлов РЭС для технологической подстройки емкости в цепи, т.е.
когда изменение емкости производится достаточно редко. Поэтому к
механическому узлу вращения ротора не предъявляют высоких тре-
бований. Конструкция подстроечных конденсаторов с воздушным
диэлектриком аналогична конструкции конденсаторов переменной
емкости (используются только прямочастотные формы пластин), за
190
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
исключением цилиндрических подстроечных конденсаторов, у кото-
рых изменение емкости производится не вращательным, а поступа-
тельным движением статорных и роторных цилиндров или движени-
ем цилиндрического поршня. Такая конструкция конденсатора обес-
печивает некоторый выигрыш в объеме по сравнению с вращатель-
ным переменным конденсатором, поскольку позволяет получить ме-
ханически жесткую конструкцию роторных и статорных частей при
весьма малых толщинах стенок (до 0,1 мм). Кроме того, цилиндри-
ческие подстроечные конденсаторы обладают за счет многооборот-
ности винта перемещения более плавной перестройкой емкости.
К подстроечным конденсаторам с воздушным диэлектриком
относятся конденсаторы марок КПВ; КПВМ; КТ2-17 - КТ2-21; КТ2-23;
КТ2-50; КТ2-51.
Температурный коэффициент подстроечных конденсаторов
различных типов находится в интервале (-ЗО.-.+З^К)"4 1/°С. При
этом ТКЕ воздушных подстроечных конденсаторов всегда положи-
телен, диэлектрические потери (5... 10)-КГ4 , добротность на часто-
тах 2... 100 МГц составляет 300-5000 (у цилиндрических подстроеч-
ных конденсаторов добротность может достигать более 104).
ВАРИКОНДЫ
Вариконд - нелинейный конденсатор с диэлектриком из спе-
циального материала (сегнетокерамики). Изменение емкости вари-
конда происходит за счет изменения диэлектрической проницаемо-
сти сегнетокерамики е.под влиянием приложенного электрического
поля Е (рис. 9.22). Зависимость е(Е) имеет два ската, с помощью
которых можно получить как увеличение, так и снижение емкости
конденсатора с увеличением напряженности поля. Управляемое из-
менение емкости варикондов может достигать 4-6 раз.
Обычно номинальное значение емкости определяется
у конкретного экземпляра вариконда приложенным напряжением 5 В
(эффективное значение) промышленной частоты 50 Гц (вариконды
типов ВК2-Б; ВК2-БШ; ВК4-Б), на частоте 1 кГц (вариконды типов
ВК2-1-ВК2-4; ВК4-1-ВК4-4), на частоте 0,1...1 МГц (КН1-5; КН1-6)..
Подача дополнительного постоянного напряжения смещения позво-
ляет расширить возможности управления емкостью вариконда. _
Значительные емкости Стах, которые имеет вариконд, и малые
размеры, высокая радиационная стойкость являются его очевидными
достоинствами. Недостаточная стабильность емкости конденсаторов
данного типа во времени и большие потери, вносимые варикондами,
мешают их использованию непосредственно в колебательных конту-
рах. Тем не менее на базе варикондов разработаны диэлектрические
усилители звуковых частот мощностью до десятков ватт, устройства
9. Конденсаторы
191
дистанционного управления настройкой низкочастотных контуров не-
которых электромеханических систем. Дальнейшие исследования
свойств сегнетокерамики и разработка новых сегнетоматериалов по-
зволили создать вариконды, способные работать на высоких частотах
Рис. 9.22. Зависимость диэлектриче- Рис. 9.23. Вариконды типов ВК2-1
ской проницаемости сегнетоэлектрика	и КН 1-5
от напряженности электрического поля
Вариконды (рис. 9.23) обладают номинальной емкостью 470 пФ
(ВК2-1) ... 0,22 мкФ (ВК2-БШ); СВЧ вариконды 2,2...47 пФ (КН1-5).
Предельные рабочие напряжения постоянного тока составляют 160 В,
а переменного тока (с частотой не более 1 кГц) - 100 В. Коэффици-
ент управления варикондов (показывающий, во сколько раз снижа-
ется их емкость при увеличении постоянного напряжения от 0 до 200
В) составляет 1,3 (КН1-5) и 1,5 (КН1-6). Допускаемый разброс емко-
сти СВЧ варикондов ±0,5% (емкость до 10 пФ, КН1-5); ±20% (емкость
более 10 пФ; КН1-6); от -20 до +80% (ВК2-1; ВК2-4; ВК4; КН1-6 более
10 пФ). Диэлектрические потери низкочастотных варикондов не нор-
мируются (однако ВК2-1; ВК2-4; ВК4 имеют tg5 не более 400-10 j;
для высокочастотных варикондов tgSHe более (50...80)-10'4. В тече-
ние срока хранения изменение емкости варикондов СВЧ составляет
±50%, а у низкочастотных - ±20% сверх установленного допуска. На
основе сегнетокерамики изготавливаются монолитные конденсаторы
типа КМ-6 (номинальная емкость 6800 пФ...2 мкФ).
Вследствие высокого уровня термической чувствительности
сегнетоэлектрика возможно создание высокочувствительных прием-
ников инфракрасного и СВЧ излучения, модуляции лазерного луча
электромагнитным полем радиочастоты вплоть до СВЧ, емкостных
умножителей частоты, емкостного шунта для искрогашения во взры-
воопасной среде, преобразования частоты, распределенного усиле-
ния, фазовращателей, переключателей, линий задержки на полос-
ковых линиях СВЧ, преобразователей амплитудно-модулированных
колебаний в фазомодулированные.
Интересной областью применения варикондов является
управление с их помощью импульсными генераторами и схемами
192
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
формирования импульсов. Например, импульсные генераторы с ва-
рикондами, емкость которых управляется входным напряжением,
могут использоваться как делители частоты с управляемым коэф-
фициентом деления, в схемах кодирующих устройств, безынерцион-
ных преобразователях напряжение-частота и др.
Рис. 9.24. Мультивибратор с вари-
кондами, включенными параллельно
обычным конденсаторам
Рис. 9.25. Зависимость периода ко-
лебаний Ti мультивибратора от тем-
пературы:
1 - схема с варикондами; 2 - схема
с обычными конденсаторами:
3 - схема с параллельным включением
варикондов и обычных конденсаторов
На рис. 9.24 приведена схема мультивибратора с коллекторно-
базовыми связями, у которого повышена температурная стабиль-
ность периода колебаний (рис. 9.25, кривая 3) с помощью варикон-
дов, включенных во времязадающие цепи параллельно обычным
конденсаторам.
Рис. 9.26. Одна из рулонных конст-
рукций пленочных и бумажных кон-
денсаторов
В конденсаторах с органи-
ческим диэлектриком обкладки
создают намоткой из металлизи-
рованной пленки или фольги,
проложенных тонкой лентой ди-
электрического материала (рис.
9.26). По свойствам диэлектрика
конденсаторы могут относиться к
группам низковольтных или вы-
соковольтных (свыше 1600 В).
В свою очередь, низковольтные
конденсаторы могут быть низко-
частотными (рабочая частота до
105 Гц) и высокочастотными (ра-
бочая частота до 107 Гц).
Большую часть конденсаторов с органическим диэлектриком
составляют пленочные конденсаторы, которые содержат синтетиче-
скую диэлектрическую пленку (толщиной от 1,4 до 30 мкм). Конден-
9. Конденсаторы 193
саторы с фольговыми обкладками обладают большей устойчиво-
стью характеристик в эксплуатационных условиях, хотя стоимость их
несколько выше и, кроме того, по удельной емкости они проигрыва-
ют конденсаторам с металлизированными обкладками.
ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Фольговые и металлизированные полистирольные конден-
саторы в своем большинстве относятся к группе высокочастотных
и низковольтных (рабочие напряжения от 50 до 500...1600 В).
Лишь полистирольный конденсатор типа ПОВ специально разра-
ботан для применения в высоковольтных цепях питания кинеско-
пов и имеет номинальное напряжение 10...18 кВ при емкости
390...120 пФ.
Конструкция выпускае-
мых полистирольных конден-
саторов (рис. 9.27) достаточно
разнообразна.
Они могут быть откры-
тыми (ПО, МП-1), в металличе-
ском корпусе (ПМ-2; К70-4;
К70-7; К71-4; К71-5; К71-8); уп-
лотненными с помощью пла-
стмассовой оболочки (К70-6;
К70-8; К71-6; К71-7).
Рис. 9.27. Полистирольные конденса-
торы К71-7, К71-6, К70-7, ПОВ, ПМ-2
Полистирольные конденсаторы типа К71-7, изготовленные на
основе металлизированной пленки, обладают наименьшим допус-
тимым разбросом номинальных значений ±(1...5)% и достаточно
широким диапазоном емкостей (1000 пФ...0,3 мкФ) при номинальном
напряжении 250 В (температурный коэффициент отрицателен и со-
ставляет - 60-10"6 1/°С; диапазон рабочих температур - 6О...+85°С).
ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Полипропиленовые конденсаторы предназначены для работы
в высокочастотных цепях РЭС. Они обладают заметно большими
удельной емкостью и удельным сопротивлением, чем полистироль-
ные. Номинальное напряжение низковольтных низкочастотных К78-
3, К78-4, К78-9 составляет 160...500 В (номинальные емкости
0,47...68 мкФ), для низковольтных высокочастотных К78-2; К78-3
300...1000 В (емкости 0,1...0,56 мкФ), для высоковольтных К78-5 по-
стоянного напряжения 2 кВ (емкости 470 пФ...47нФ). Изготавливают-
ся в пластмассовых и металлических корпусах.
"—2134
194
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ФТОРОПЛАСТОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Фторопластовые конденсаторы (К72-3; К72-6; К72-9; К72-11)
отличаются весьма высокими электрическими и физическими харак-
теристиками, из которых прежде всего следует отметить способ-
ность работы на высоких и сверхвысоких частотах и широкий интер-
вал допустимых температур (-60...+200°С). Пределы номинальных
емкостей составляют от 470 пФ до 2,2 мкФ при рабочих напряжениях
200... 1600 В.
Особую группу составляют дозиметрические конденсаторы с
малым током самопроизвольного разряда (К72-1; К72-4; К72-8). Их
номинальная емкость находится в пределах 50 пФ... 5 нФ при рабо-
чем напряжении 200...500 В при температурах -6О...+6О°С.
В качестве проходных в ВЧ и СВЧ узлах РЭС применяют кон-
денсаторы К72П-3, К72П-5.
ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Полиэтилентерефталатные1 конденсаторы относятся к массо-
вым типам пленочных конденсаторов. Конструктивно они могут быть
оформлены в алюминиевом корпусе (К73-15; К-73-16; К73-26), в пла-
стмассовой оболочке (К73-5; К73-9; К73-17), в технологической лип-
кой ленте (К73-11; К73-13; К73-14), а также приспособленные к пе-
чатному и объемному монтажу. Низковольтные (63... 1600 В) конден-
саторы этого типа выпускают номиналами 1000 пФ... 150 мкФ с до-
пусками ± 5%, ± 10%, ± 20%, а высоковольтные типов К73-7; К73-13;
К73-14 (4...25 кВ) номиналами 150 пФ...0,1 мкФ с допусками ± 5%,
± 10%, ± 20%. Диапазон допустимых температур -6О...+7О...+125°С,
диэлектрические потери 8... 10-10-4.
ПОЛИКАРБОНАТНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Конденсаторы этого типа (К77-1, К77-2, К77-4) также относятся
к самым массовым. Конструктивно они могут быть оформлены в
алюминиевом корпусе (К77-1; К-77-2; К77-4, К77-8), в пластмассовой
оболочке (К77-2; К77-3; К77-6; К77-7), приспособленные к печатному
и объемному монтажу. Рабочие напряжения 63...400 В). Конденса-
торы выпускают номиналами 22 пФ... 15 мкФ с допусками ± 5%,
±10%, ±20%. Диапазон допустимых температур -6О...(7О...125)°С,
температурный коэффициент емкости - (50 ± 80)-10-4 1/°С.
1 Полиэтилентерефталат - синтетическое полимерное вещество (в исход-
ном состоянии белого цвета) с относительно высокой температурой плавления (около
275°С) и с хорошими физическими свойствами. Химически стоек. Из него изготавли-
вают волокна и тонкие пленки, устойчивые к внешним воздействиям.
9. Конденсаторы
195
ЛАКОПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Особенностью лакопленочных низкочастотных конденсаторов
является вид диэлектрика - тонкая пленка эфироцеллюлозного лака
толщиной несколько микрометров. Поэтому лакопленочные конден-
саторы имеют высокую удельную емкость (до 0,22 мкФ/см3). В зави-
симости от толщины лаковой пленки и металлизации номинальное
напряжение их составляет 25, 63 или 250 В.
Конструктивно они в большинстве случаев оформлены в ме-
таллическом корпусе (К76П-1; К-76-3,• К76-4; К76-5), приспособлен-
ные к печатному и объемному монтажу. Конденсаторы выпускают
номиналами 0,47...22 мкФ с допусками ± 5%, ± 10%, ± 20%. Диапа-
зон допустимых температур -60...+70 (85)°С, диэлектрические поте-
ри - не более 120-10-4 (при частоте 1 кГц).
КОМБИНИРОВАННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Комбинированные конденсаторы выпускают низковольтными
и высоковольтными. При создании высоковольтных конденсаторов
часто используют комбинированный диэлектрик, состоящий из слоев
различных диэлектрических материалов (например, пленки, бумаги,
слоя лака) и слоя жидкого диэлектрика (конденсаторная бумага,
пропитанная специальным раствором). Такие конденсаторы элек-
трически прочнее бумажных, имеют более высокое сопротивление
диэлектрика и стабильность емкости во время эксплуатации. Кроме
того, комбинированные конденсаторы с успехом применяют в им-
пульсных цепях (цепях быстрого заряд-разряда) при минимально
возможном искажении импульсов, благодаря малой внутренней ин-
дуктивности, относительно высокой емкости и способности пропус-
кать большие токи за короткий интервал времени.
Наибольшее применение в конструкциях РЭС имеют низко-
вольтные комбинированные конденсаторы типов К75-10; К75-12;
К75-17; К75-18; К75-37; К75-24; К75-27; К75-31; К75-37; К75-38; К75-41;
К75-42; К75-43; К75-44; К75-52; К75-57; К75-59; К75П-4, предназначен-
ные для подавления импульсных помех. Они оформляются в метал-
лическом или пластмассовом корпусе, имеют диапазон номинальных
емкостей от 470 пФ до 6,8 мкФ при напряжениях 63... 1600 В. Диапа-
зон рабочих температур - (25...60)°С ... +(70...125)°С; диэлектриче-
ские потери 100-10-41/°С;
БУМАЖНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Это один из самых старых типов конденсаторов, но, тем не
менее, все еще достаточно часто используется как имеющий низкую
стоимость. Чаще всего применяются малогабаритные низкочастот-
ные бумажные конденсаторы типов БМ-2; БМТ-2 и типов МБМ,
196
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
МБГО с металлизированными обкладками и удовлетворительной
стабильностью характеристик в период эксплуатации.
Диапазон номинальных емкостей 470 пФ... 10 мкФ с допусками
± 5%, ± 10%, ± 20%; рабочие напряжения 200... 1000 В; диапазон до-
пустимых температур - 6О...+7О°С (+100°С для БМТ-2); диэлектриче-
ские потери 100-10"4 1/°С. Высоковольтные бумажные и металлобу-
мажные конденсаторы типов К41-1; КБГ предназначены для работы в
целях постоянного тока, а конденсаторы МБГВ, К42И-1; К41И-7;
К42-12 - в импульсных цепях.
ОКСИДНЫЕ (ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ) КОНДЕНСАТОРЫ
Оксидные конденсаторы (прежнее название «электролитиче-
ские») предназначены для использования в выпрямителях, сглажи-
вающих фильтрах и в других электрических цепях, где необходима
значительная емкость конденсатора. Высокая удельная емкость та-
ких конденсаторов обусловлена тонкой окисной пленкой, образован-
ной на металле электродов. В конструкции наиболее массовых алю-
миниевых конденсаторов применяется диэлектрическая пленка ок-
сида алюминия А12О3 с относительной диэлектрической проницае-
мостью около 10. Схемы, поясняющие устройство оксидных конден-
саторов, изображены на рис. 9.28.
Рис. 9.28. Схемы устройства оксидных конденсаторов:
а - жидкостного; б - сухого; в - сухого неполярного; г - оксидно-полупроводникового;
д - оксидно-металлического.
Обозначения: 1 - металлическая обкладка; 2 - оксидный слой; 3 - жидкий электролит;
4 - катодная фольга; 5 - вязкий электролит в волокнистой или пористой прокладке;
6 - слой полупроводника; 7 - слой графита; 8 - слой металла, нанесенный напылением;
9 - слой металла, нанесенный испарением
Анодную обкладку 1 алюминиевого оксидного конденсатора (см.
рис. 9.28) изготавливают из гладкой алюминиевой фольги или специ-
ально подготовленной травленой алюминиевой фольги, у которой
9. Конденсаторы
197
поверхность обработана веществами, растворяющими алюминий.
Травленая фольга имеет в 3-4 раза большую площадь поверхности,
чем гладкая, что обеспечивает повышение удельной емкости конден-
сатора. Однако за счет глубокого травления снижается морозостой-
кость конденсаторов (эксплуатация при температуре не ниже -40°С).
Оксидный слой 2 в оксидных конденсаторах имеет относи-
тельно толстую аморфную или мелкокристаллическую структуру,
под которую наносят более плотный тонкий слой оксида. Значитель-
ная пористость толстых слоев оксида позволяет интенсивно пропи-
тывать его электролитом и служить своеобразной прокладкой 5 кон-
денсатора. Гладкая фольга 4 обеспечивает электрический контакт
с электролитом по всей поверхности прокладки, что снижает элек-
трическое сопротивление этой обкладки конденсатора. При замене
неоксидированной фольги оксидированной получается неполярный
оксидный конденсатор (рис. 9.28, в).
Анодная обкладка, как и слой оксида, полярного оксидного
конденсатора при его работе в электрической цепи должна нахо-
диться под положительным потенциалом. При отрицательном по-
тенциале проводимость оксида, в силу его пол у проводящих свойств,
резко возрастает и может вызвать протекание через конденсатор
значительного тока, приводящий к разогреву и разрушению конден-
сатора. Именно свойства оксидного слоя делают конденсатор этого
типа полярным, допускающим работу только на постоянном или
пульсирующем токе.
Внешний вид некоторых ок-
сидных конденсаторов представлен
на рис. 9.29.
Свойства оксидного слоя
алюминиевых конденсаторов не
позволяют получить их рабочее
напряжение более 600 В, а танта-
ловых - более 175 В. При мини-
мальной толщине алюминоксида в
10 мкм рабочее напряжение кон-
Рис. 9.29. Оксидные конденсаторы
типов К50-20; К52-8; К53-14; К53-30
денсатора составляет 3 В.
Для изготовления анодной фольги применяется особо чистый
алюминий, поскольку наличие примесей приводит к интенсивной
коррозии обкладки и отказу конденсатора.
Алюминиевые оксидные конденсаторы общего назначения
имеют диапазон номинальных емкостей от 0,1 мкФ (К50-40) до
200 000 мкФ (К50-18) с допусками +80...-20% при напряжениях 6 В
(К50-6) ... 450 В (К50-7); пределы изменения рабочей температуры
от -1О...+4О°С (К50И-8) до -6О...+155°С (К50-48); температурный
коэффициент не нормируется. К неполярным алюминиевым оксид-
198
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ным конденсаторам относятся - К50-45; К50-52; к оксидно-
полупроводниковым - К53-40; К53-42; к жидким - электролитические
конденсаторы типов К50-32; К50-33.
Кроме алюминиевых существуют конденсаторы с оксидными
слоями тантала (диэлектрическая проницаемость Та2О5 составляет
около 27) и ниобия (диэлектрическая проницаемость Nb2O5 на уров-
не 40).
Танталовые оксидные конденсаторы общего назначения име-
ют диапазон номинальных емкостей от 0,68 мкФ (К53-34) до 1500
мкФ (К53-29) с допусками ±10%; ± 20%; ± 30% при напряжениях 1,6 В
(К53-16)...5О В (К53-16); пределы изменения температуры -
6О...+85°С; температурный коэффициент не нормируется. К объем-
но-пористым относятся танталовые оксидные конденсаторы К52-1;
К52-5; к оксидно-полупроводниковым - К53-7; К53-15; К53-16; К53-18;
К53-22; К53-25; К53-28...30; К53-32; К53-34...38.
Ниобиевые оксидные конденсаторы общего назначения имеют
диапазон номинальных емкостей от 0,68 мкФ (К53-27) до 100 мкФ
(К53-21) с допусками ± 20%; ± 30% при напряжениях 3,2 В (К53-19)...
50 В (К53-4А); пределы изменения температуры -6О...+85°С;
температурный коэффициент не нормируется. К оксидно-полупро-
водниковым относятся следующие ниобиевые оксидные конденса-
торы: К53-4А; К53-19; К53-21; К53-27; К53-31.
9.5.	Особенности применения конденсаторов
Конденсаторы составляют значительную долю общего количе-
ства компонентов РЭС и поэтому оказывают заметное влияние на
надежность собранных устройств.
При создании новых РЭС разработчик из множества выпус-
каемых компонентов выбирает конкретные их типы, исходя из необ-
ходимости обеспечения режимов работы компонентов в пределах
установленных норм (напряжение, ток, мощность, температура и
др.). Ввиду множества разновидностей конденсаторов их выбор для
конкретного схемотехнического решения и условий будущей экс-
плуатации не всегда однозначен.
Рекомендации по применению конденсаторов направлены,
главным образом, на обеспечение таких условий работы конденсато-
ров, которые позволяют ожидать высокой их эксплуатационной на-
дежности. Следует отметить, что в современных РЭС доля конденса-
торов составляет около 20-30%, а выход из строя устройств по при-
чине отказа конденсаторов - около 3-10%. Практически все отказы
обусловлены либо условиями эксплуатации, способствующими разви-
тию физико-химических процессов в диэлектрике, либо дефектами,
внесенными в процессе производства, и конструктивными причинами.
9. Конденсаторы
199
Большинство отказов конденсаторов (в среднем) вызвано
пробоем диэлектрика (около 80%) и постепенной потерей емкости
(около 15%). Это соотношение существенно зависит от типа конден-
саторов.
Ионизационный пробой диэлектрика чаще всего возникает под
воздействием переменного электрического поля (особенно при вы-
соких амплитудах и частоте) в тех местах материала, где сосредото-
чены его локальные неоднородности (поры, воздушные зазоры меж-
ду диэлектриком и пластинами). На постоянном токе доминируют
отказы, вызванные химической активностью дендритов1, обладаю-
щих изменчивой ионной проводимостью и переносом ионов, и элек-
тронной проводимостью диэлектрика в сильных электрических по-
лях. Повышение температуры и влажности окружающего воздуха
интенсифицирует указанные процессы.
При небольших рабочих напряжениях (менее 10 В) проявляет-
ся неустойчивость электрических контактов соединений выводов
конденсаторов с обкладками (у тех типов конденсаторов, где ис-
пользуется контакт давлением: пленочных, слюдяных, некоторых
оксидных) и постепенно растет угол диэлектрических потерь.
В табл. 9.8 перечислены
основные области функцио-
нального применения конден-
саторов с различными диэлек-
триками и их цифро-буквенное
обозначение.
На рис. 9.30 приведен
пример резистивного каскада
с транзистором, включенным
по схеме с общим эмиттером.
В этом каскаде конденсаторы
использованы в качестве: раз-
делительного Ср; фильтрового
(развязывающего) Сф; шунти-
рующего Сш; нагрузочного Сн.
При длительной работе на постоянном токе в материале ди-
электрика действует электрическое поле, которое вместе с темпера-
турой окружающей среды и ее влажностью провоцирует электрохи-
мические процессы окисления, деградации, диффузии, полимериза-
ции, миграции и др. Уровень влияния этих процессов на характери-
стики конденсаторов зависит от особенностей конструкции, качества
использованных материалов и условий эксплуатации.
Рис. 9.30. Резистивный усилитель,
в который включены конденсаторы раз-
личного функционального назначения
1 Дендрит - кристалл ветвистой формы, характерный для металлов, метал-
гических сплавов, минералов, льда.
200
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таблица 9.8. Области применения конденсаторов
Обо- значе- ние	Тип диэлектрика	Основная область применения
Конденсаторы постоянные		
К10	Керамические низковольт- ные высокочастотные	Повышение стабильности работы РЧ цепей за счет осуществления термо- компенсации; обеспечение межкас- кадных емкостных связей; устройст- ва с фиксированной настройкой ко- лебательных цепей; блокирование паразитных сигналов; частотная развязка; полосовые ВЧ фильтры
	Керамические низковольт- ные низкочастотные	Обеспечение шунтирования нежела- тельных 34 сигналов; блокировка 34 цепей; фильтрация пульсирующих сигналов; сглаживание выпрямлен- ного напряжения вторичных источ- ников питания; межкаскадные связи в 34 усилителях
К15	Керамические высоко- вольтные высокочастотные	Межкаскадные связи РЧ мощных устройств; колебательные контуры выходных каскадов мощных пере- датчиков; цепи импульсных уст- ройств
К21	Стеклянные	В цепях блокировки, фиксированной настройки РЧ колебательных конту- ров, обеспечение емкостной связи между каскадами, цепи шунтирова- ния нежелательных сигналов
К22	Стеклокерамические	
К23	Стеклоэмалевые	
К31	Слюдяные малой мощности	В цепях блокировки, фиксированной настройки высокочастотных колеба- тельных контуров, обеспечение фильтрации сигналов, цепи шунти- рования нежелательных сигналов
К32	Слюдяные высокой мощ- ности	
К40	Бумажные с фольговыми обкладками низковольтные	Цепи блокировки, шунтирования, фильтрации сигналов, емкостная связь между высокочастотными кас- кадами
К41	Бумажные с фольговыми обкладками высоковольт- ные	Цепи блокировки, шунтирования, фильтрации сигналов, емкостная связь между высокочастотными кас- кадами
К42	Бумажные с металлизиро- ванными обкладками (ме- таллобумажные)	Цепи частотной развязки, фильтры
9. Конденсаторы
201
Продолжение табл. 9.8
Обо- значе- ние	Тип диэлектрика	Основная область применения
К50	Оксидные алюминиевые	Цепи частотных и сглаживающих фильтров, цепи шунтирования, цепи формирования импульсов
К51	Оксидные танталовые	
К53	Оксидно- полупроводниковые	
К60	С воздушным диэлектри- ком	Конденсаторы высокочастотных ко- лебательных контуров, цепи высоко- вольтной блокировки и развязки, эталоны емкости
К61	Вакуумные	
К70	Полистирольные с фоль- говыми и с металлизиро- ванными обкладками	Интегрирующие цепи, дифференци- рующие цепи, цепи формирования прецизионных колебаний, колеба- тельные контуры высокой добротно- сти, образцовые по точности цепи
К71		
К72	Фторопластовые	При повышенных температурах и высоких требованиях к электриче- ским характеристикам: интегрирую- щие цепи, дифференцирующие це- пи, цепи формирования прецизион- ных колебаний, колебательные кон- туры высокой добротности, образцо- вые по точности цепи
К73	Полиэтиленфталатные с фольговыми и металли- зированными обкладками	При повышенных требованиях к электрическим характеристикам: цепи блокировки, шунтирования, фильтрации сигналов, емкостная связь между высокочастотными кас- кадами
К74		
К75	Комбинированные	При повышенных требованиях к на- дежности: Цепи блокировки, шунти- рования, фильтрации сигналов, ем- костная связь межцу высокочастот- ными каскадами
К76	Лакопленочные	Цепи блокировки, шунтирования, фильтрации сигналов, емкостная связь между низкочастотными кас- кадами; частично могут заменять оксидные конденсаторы
К77	Поликарбонатные	На повышенных частотах: цепи бло- кировки, шунтирования, фильтрации сигналов, емкостная связь между каскадами
К78	Полипропиленовые	В телевизионных и бытовых РЭС
202
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Окончание табл. 9.8
Обо- значе- ние	Тип диэлектрика	Основная область применения
Конденсаторы подстроечные		
КТ1	Вакуумные	В профессиональных и специальных РЭС
КТ2	С воздушным диэлектриком	В радиоприемных и телевизионных устройствах общего назначения
КТЗ	С газообразным диэлектриком	В профессиональных и специальных РЭС
КТ4	С твердым диэлектриком	В радиоприемных и телевизионных устройствах общего назначения
Конденсаторы переменной емкости		
КП1	Вакуумные	В профессиональных и специальных РЭС
КП2	С воздушным диэлектри- ком	В радиоприемных и телевизионных устройствах общего назначения
КПЗ	С газообразным диэлек- триком	В профессиональных и специальных РЭС
КП4	С твердым диэлектриком	В радиоприемных и телевизионных устройствах общего назначения
Примечание: 34- звуковые частоты; РЧ - радиочастоты.		
Поскольку эквивалентная схема замещения конденсатора на
высокой частоте представляет собой последовательный колеба-
тельный контур, следует обязательно иметь в виду, что конденсатор
выполняет свои функции только на частотах ниже резонансной.
Работу конденсатора в электрической цепи может сопровож-
дать эффект «мерцания» емкости (небольшое скачкообразное из-
менение емкости конденсатора, имеющего металлизированные об-
кладки), вызванный образованием в металлической пленке изолиро-
ванных островков металла, которые, под действием приложенного
электрического поля и температуры, могут электрически спонтанно
подключаться к металлизации обкладки, увеличивая емкость. В мо-
мент подключения образуется микродуга, являющаяся причиной по-
явления дополнительных потерь и случайных шумов. Изменение
емкости при этом явлении составляет десятые доли процента от
номинала и растет с повышением приложенного напряжения.
Конструктивно конденсаторы выполняются в незащищенном,
защищенном, неизолированном, изолированном, уплотненном и
герметизированном вариантах. Незащищенные конденсаторы можно
9. Конденсаторы 203
применять только в составе герметизированного узла. Защищенные
конденсаторы - в РЭС любой конструкции. Неизолированные кон-
денсаторы (имеющие, как правило, тонкое лакокрасочное покрытие)
следует монтировать так, чтобы они не касались своим корпусом
других компонентов и токоведущих частей узла. Уплотненные кон-
денсаторы снабжаются корпусом в виде оболочки из органических
материалов. Герметичные конденсаторы имеют металлокерамиче-
ские или стеклянные корпуса.
При наличии заметных механических воздействий в период
эксплуатации конденсаторы, имеющие увеличенные размеры и массу,
следует устанавливать на монтажную плату с помощью крепежного
устройства (скобой, хомутиком, приклеиванием, заливкой в форму),
исключающего повреждения поверхности конденсатора и его выво-
дов. Допускается монтаж конденсатора вплотную (без зазора) к по-
верхности печатной платы, если ее толщина не менее 2.5...3 мм.
В составе гибридных интегральных схем и микросборок исполь-
зуются специальные типы конденсаторов: К10-9; К10-9М; К10-17;
К10-27; К10-28; К10-42; К10-43; К10-45; К10-47; К10-49; К10-50; К10-
52; К21-5; К21-8; К21-9; К22У-1; К22-4; КТ4-27; К53-15; К53-15А; К53-
22; К53-25; К53-26. Монтаж этих и подобных им конденсаторов про-
изводится пайкой их тонких выводов или контактных поверхностей к
плате печатного монтажа. Продолжительность пайки - не более 3 с,
а мощность паяльника - не более 25 Вт. Перед пайкой конденсато-
ры с тонкими выводами сначала приклеивают к плате, а безвывод-
ные конденсаторы подогревают. Плата должна быть достаточно же-
сткой и не коробиться при пайке.
Контрольные вопросы
1.	Какой компонент РЭС называется конденсатором?
2.	Назовите основные характеристики конденсатора и единицы их изме-
рений.
3.	Укажите диапазон значений технических характеристик конденсаторов.
4. Изобразите эскиз конструкции конденсаторов известных типов.
5. Какие материалы конденсатора оказывают наиболее существенное
влияние на его характеристики?
6. Какое влияние на работу конденсатора оказывают диэлектрические
потери?
10. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ, ДРОССЕЛИ,
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы относятся
к моточным компонентам РЭС, у которых основным рабочим эле-
ментом является обмотка и которые предназначены для реализации
магнитных свойств. Доля моточных компонентов в РЭС общего на-
значения составляет 3...8%.
Моточные компоненты РЭС проявляют свои свойства в маг-
нитном поле, которое, как известно, характеризуется магнитной ин-
дукцией В [Тл], отражающей плотность магнитных силовых линий в
данной области пространства. Силовые линии магнитного поля всегда
замкнуты (рис. 10.1) в отличие от силовых линий электрического поля,
которые замыкаются на зарядах противоположного знака.
Рис. 10.1. Силовые линии магнитного
Рис. 10.2. Силовые линии
в тороидальной катушке
поля катушки и прямого провода
Если силовые линии расположены равномерно, поле в этой
области считают однородным. Такое поле возникает внутри катушки
индуктивности, имеющей длину намотки много более ее диаметра.
Однако у торцов катушки поле слабее и существенно неоднородно.
Тороидальная катушка обладает приблизительно однородным по-
лем, сосредоточенным, главным образом, внутри катушки, которое
практически не рассеивается в окружающее пространство (если вит-
ки обмотки плотно уложены вдоль образующей линии тора).
Протекание через катушку переменного тока вызывает появ-
ление электромагнитной индукции, заключающейся в том, что изме-
нение магнитного поля вокруг проводника катушки приводит к воз-
никновению электродвижущей силы в самой обмотке. Индуктиро-
ванная ЭДС обусловлена тем, что в проводнике катушки, который
пересекается магнитными силовыми линиями, существуют электро-
ны, подверженные смещению этим воздействием магнитного поля.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
205
На концах проводника при этом возникает разность потенциалов,
зависящая от плотности магнитного поля и частоты. Индуктирован-
ная ЭДС всегда имеет такое направление, что возбуждаемый ею ток
своим магнитным полем препятствует инициирующему магнитному
полю, вызвавшему индукцию. Когда магнитное поле основного тока
через обмотку начинает снижаться, индуктированный ток создаст
магнитное поле, совпадающее с направлением первичного поля и
стремящееся задержать исчезновение этого поля. Следовательно,
рост магнитного поля вызывает индуктированную ЭДС одного на-
правления, а убывание - противоположного. Индуктированная ЭДС
е, возникающая в одном витке, определяется отношением прира-
щения магнитного потока ДФ [Вб] за интервал времени At [с].
е = ДФ/Д1. Если магнитный поток изменяется в обмотке, содержа-
щей несколько последовательно соединенных витков, то в каждом
из них возникает своя индуктированная ЭДС, а общая ЭДС равняет-
ся сумме составляющих. Например, для катушки, имеющей квит-
ков, ЭДС составляет е = \л/ДФ/Д1.
В свою очередь, протекание через обмотку переменного тока
возбуждает вокруг нее переменное магнитное поле, вызывающее в
этой обмотке появление ЭДС самоиндукции. Явление самоиндукции
препятствует изменениям тока в цепи, в которую включена катушка.
Когда ток нарастает, ЭДС самоиндукции сопротивляется этому росту.
Когда ток снижается, ЭДС самоиндукции задерживает его снижение.
Таким образом, ЭДС самоиндукции как бы сглаживает изменение
тока.
В соответствии с действующим российским стандартом катуш-
ки индуктивности имеют следующие условные обозначения на прин-
ципиальных схемах (рис. 10.3).
Обмотка катушки, выполненная из металлической проволоки,
обладает омическим сопротивлением, которое ведет при протекании
Рис. 10.3. Условное обозначение катушек индуктивности: катушка
с постоянной индуктивностью (а); катушка с отводами (б); катушка
с магнитодиэлектрическим сердечником (в); катушка с подстроечным
сердечником (г); катушка с магнитопроводом (б); магнитно связанные
катушки (е); катушки с управляемой магнитной связью (ж); катушки
с общим магнитопроводом (з)
206
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
тока к нагреванию обмотки, т.е. к потерям энергии. Но при протека-
нии тока энергия затрачивается еще и на создание магнитного поля,
в котором запасается некоторое количество энергии. При исчезно-
вении тока эта энергия возвращается обратно в обмотку и создает
в цепи, в которую включена катушка, индуктированный ток, проте-
кающий уже после того, как первичный ток прекратился. Чем больше
число витков в обмотке, тем сильнее магнитный поток и тем больше
может быть создан запас энергии.
Значение индуктивности L [Гн] катушки характеризует ЭДС са-
моиндукции как функции изменения протекающего тока Ai в интер-
вале At времени: eL = -L— . Отрицательный знак отражает проти-
водействие ЭДС самоиндукции изменениям тока.
При подключении источника постоянного тока к цепи, содер-
жащей резистор, ток в цепи практически мгновенно нарастает и дос-
тигает своего максимального
в
Рис. 10. 4. Нарастание и спад тока
в безынерционной цепи (а) и в цепи
с катушкой (б)
уровня, определяемого напряжением
источника и значением сопро-
тивления (рис. 10.4, а).
При тех же условиях в це-
пи с последовательно включен-
ными электрическим сопротив-
лением и катушкой индуктивно-
сти происходит замедленное на-
растание тока (рис. 10.4, б), а
при выключении источника име-
ет место замедление спадания
тока. Указанная особенность ра-
боты катушки в цепях импульс-
ного тока широко используется
в РЭС.
Катушка в цепи, в которой протекает переменный ток, создает
фазовый сдвиг между током и напряжением на катушке. Изменения
тока отстают во времени от изменения приложенного напряжения.
На рис. 10.5 изображены эпюры токов и напряжений в цепях с индук-
тивным (а), омическим (6) и комбинированным (в) сопротивлениями.
Если протекающий через катушку индуктивности ток имеет вид
i(t) = lm sin(<wt + у),), где <Pj - фазовый угол тока, то падение напряже-
ния на индуктивности составит u(t) = L-^- = Llmcocos(cot + cpj).
ot
При переходе от косинусоидальной формы к синусоидальной с
дополнением угла 90° падение напряжения u(t) = Llmcu sin(cut + <p, + 90°)
и в комплексной форме Um = imjcoL, где множитель jcoL = ZL, имеющий
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
207
Рис. 10. 5. Амплитудные и фазовые
соотношения токов и напряжений
в цепях с катушкой и без нее
Рис. 10. 6. Векторная диаграмма
тока и напряжения катушки индук-
тивности (а); частотная зависимость
индуктивного сопротивления от
угловой частоты для двух значений
индуктивности (б)
Рис. 10. 7. Зависимости от времени
напряжения, тока и мгновенной
мощности на катушке индуктивности
(при <р. = 0)
размерность сопротивления, называется комплексным сопротивлени-
ем катушки индуктивности, а произведение о±- индуктивным сопро-
тивлением. Таким образом, вектор напряжения на катушке опережает
вектор тока через нее на 90° (рис. 10.6, а). Индуктивное сопротивле-
ние катушки растет с увеличением частоты тока (рис. 10.6, б).
Мгновенная мощность катушки индуктивности
P(t) = u(t) i(t) = lm2coL sin cwt cos cot.
С учетом того, что sin a cos a = sin 2a, можно записать
I 2
P(t) =-!^-G)Lsin2o)t. Таким образом, мгновенная мощность изменя-
ется с удвоенной частотой и может иметь положительные и отрица-
тельные значения амплитуды. При P(t) > 0 электрическая энергия
запасается в катушке, а при P(t) < 0 катушка отдает энергию в элек-
трическую цепь.
208
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
На рис. 10.7 приведены зависимости от времени протекающего
тока, напряжения и мгновенной мощности на катушке индуктивности.
Когда две катушки находятся на достаточно близком расстоя-
нии и через одну из катушек протекает ток Ij, то возникающий при
этом магнитный поток первой катушки воздействует на вторую ка-
тушку. При изменении тока на второй катушке появляется наве-
денная ЭДС за счет взаимной индуктивности М, измеряемой
в генри (Гн). Взаимная индуктивность второй катушки по отношению
к первой идентична взаимной индуктивности первой катушки со вто-
рой: М12 = M2i = М. Степень взаимосвязи катушек определяется
коэффициентом связи к:
 м
к = ....— , где L. и Ц - индуктивности каждой из катушек.
ТмТ
Если весь магнитный поток, возбуждаемый первой катушкой,
без потерь поступает во вторую, то коэффициент связи k = 1. Высо-
кие значения к достигаются лишь для связанных катушек с общим
магнитным сердечником. В узлах РЭС, например, в контурах усили-
теля промежуточной частоты, значение коэффициента связи чаще
всего составляет около 0,01.
Две связанные между собой катушки электрически могут быть
соединены последовательно так, что взаимная индуктивность будет
повышать индуктивность 1_А общего соединения: LA=L1+L2+2M.
Если изменить подсоединение концов одной из катушек в этой цепи,
то взаимная индуктивность будет снижать общую индуктивность LB
соединения: LB = Ц +L2 -2М. Разрешая два уравнения относитель-
L. -Lr
но М, можно найти, что М = —-----. Этот способ может быть ис-
4
пользован для практической оценки взаимной индуктивности и ко-
эффициента связи. Например, измерением (с помощью моста) свя-
занных катушек с индуктивностями Li = 1 Гн и L2 = 0,25 Гн было ус-
тановлено, что La = 1,45 Гн, LB = 1,05 Гн. Тогда взаимная индуктив-
ность М = ——— = 0,1 Гн; коэффициент магнитной связи к = 0,2.
4
Самоиндукция в проводнике, через который протекает пере-
менный ток, вызывает поверхностный эффект (скин-эффект), кото-
рый состоит в том, что переменный ток, в отличие от постоянного,
протекает не по всей площади попе речного сечения, а только по его
части, прилегающей к поверхности проводника. Толщина этого слоя
снижается с повышением частоты тока. Для снижения омических
потерь на высоких частотах поверхность проводников покрывают
металлами с высокой электропроводностью.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
209
На переменном токе, действующее значение которого равно
по амплитуде постоянному току, потери энергии на нагрев провода
выше, чем на постоянном вследствие скин-эффекта. Чем выше час-
тота, тем более оказываются омические (активные) потери.
Индуктированные (вихревые) токи во всех металлических
деталях узла РЭС, расположенных поблизости от катушки индук-
тивности, работающей на переменном токе, вызывают потери на
нагревание этих деталей. Наиболее значительны потери в сталь-
ных сердечниках катушек. Потери на вихревые токи растут с по-
вышением частоты. В сердечнике из тонких изолированных друг
от друга стальных пластин потери на вихревые токи значительно
снижаются.
10.1. Высокочастотные катушки индуктивности
Под влиянием переменного магнитного поля материал сер-
дечника обмотки катушки, если он относится к типу диамагнитных,
перемагничивается с частотой тока. Переориентация магнитных ди-
полей вызывает потери энергии материала), называемые потерями
на гистерезис, возрастающие с повышением частоты.
Катушки индуктивности в зависимости от назначения подраз-
деляют на три группы: катушки индуктивности колебательных конту-
ров, катушки связи (внутри узла РЭС или между узлами), дроссели
высокой частоты. Индуктивность катушек может быть постоянной
или переменной (управляемой). Конструктивное исполнение катушек
индуктивности может быть различным: на каркасе и без каркаса, од-
нослойными и многослойными, экранированными и неэкранирован-
ными, с подстройкой сердечником и без подстройки, цилиндрической
формы или плоской (печатной) и др.
Несмотря на то, что ряд фирм предлагает готовые к установке
катушки индуктивности небольших размеров, высокие требования к
характеристикам РЭС заставляют разработчиков самим проектиро-
вать и изготавливать специальные катушки, к основным характери-
стикам которых относятся: значение индуктивности L, геометриче-
ские размеры и способ монтажа, добротность Q, диапазон рабочих
частот, паразитная емкость и частота собственного резонанса,
а также (для катушек с сердечником) - тип сердечника, уровень до-
пустимых токов (постоянного и переменного), для катушек связи -
соотношение витков, значение взаимной индуктивности. Эксплуата-
ционные требования включают температуру окружающей среды,
влажность воз духа, уровень вибраций и ударов, допустимые поте-
ри, диапазон циклирования температуры.
210
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ИНДУКТИВНОСТЬ КАТУШКИ
Значение индуктивности L катушки зависит от диаметра ка-
тушки D, ширины намотки I, числа витков w и магнитной прони-
цаемости цтой среды, в которой находится катушка.

г L1	- 		—	—		 -
				
Рис. 10.8. Однослойная катушка
индуктивности
Индуктивность L однослойной
катушки без сердечника с плотной
(виток к витку) намоткой (рис. 10.8)
может быть определена с достаточ-
ной для практики точностью (при
//D >3) из следующего соотношения
(геометрические размеры в санти-
метрах):
0,099D2w2
4,5D + 10^
мкГн.
Индуктивность катушки с короткой однослойной намоткой
без сердечника (D/3 >/? > D/20) может быть оценена с точностью
±2% из соотношения:
,	0,099D2w2
L =-------------- мкГн.
(9 — Т“)~ + Ю^
ЮГ 2
Значение индуктивности многослойной катушки без сердеч-
ника (рис. 10.9) можно найти:
0.08D 2w2
L = -^--------^мкГн,
3D + 9^ + 10d
где Dm- средний диаметр обмотки, см; d- высота обмотки, см, из-
меренная от ее внутреннего диаметра до внешнего.
Рис. 10.9. Многослойная катушка рис. 10.10. Катушка с намоткой типа
индуктивности	«Универсаль»
На рис. 10.10 изображена катушка индуктивности с обмоткой
типа «Универсаль», при намотке которой витки укладываются вокруг
каркаса со смещением от одного края обмотки к другому под некото-
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
211
рым углом. Обмотка такого типа отличается от обмоток других мно-
гослойных катушек большей механической устойчивостью и доброт-
ностью, уменьшенной собственной распределенной емкостью.
ДОБРОТНОСТЬ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Добротность катушки индуктивности определяют как отноше
ние ее реактивного сопротивления XL к последовательно включен
ному (рис. 10.11, а) активному сопротивлению г электрических по
терь в проводе обмотки: Q = — .
г
Эквивалентное парал-
лельное (рис. 10.11, б) сопро-
тивление Rnap соответствует
R
отношению Q = —и для за-
XL
метных значений добротности
(например, Q > 5) справедливо
произведение г • Rnap = XL2.
г	L	Rrw₽
а	6
Рис. 10.11. Последовательная (а)
и параллельная (6) эквивалентные
схемы катушки
В некоторых цепях для расширения полосы частот катушку
индуктивности шунтируют специальным резистором с сопротивле-
нием Рш. При наличии эквивалентного сопротивления потерь Rnap и
шунтирующего Пш сопротивления, подключенных к катушке, можно
найти результирующую добротность:
__ Rnap fVCRnap+Rw)
\J
XL
Наиболее часто характеристика добротности катушки находит
применение в расчетах резонансных контуров (последовательных
и параллельных).
СОБСТВЕННАЯ ЕМКОСТЬ КАТУШКИ
Любая катушка индуктивности обладает собственной (пара-
зитной) емкостью, которую необходимо учитывать при разработке
цепей, содержащих такие компоненты. Собственная емкость скла-
дывается из емкости между выводами катушки и межвитковой (рас-
пределенной) емкости. Кроме того, существует емкость между об-
моткой катушки и металлической стенкой корпуса, на которой укреп-
лена катушка. В однослойных катушках с малым числом витков соб-
ственная емкость (примерно 5...20 пФ) определяется, в основном,
емкостью между выводами и емкостью катушки на металлическую
212
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
стенку корпуса. С увеличением числа витков, габаритных размеров
катушки и диаметра провода собственная емкость возрастает и оп-
ределяется, главным образом, распределенной емкостью обмотки
(до сотен пикофарад).
При известном значении индуктивности собственная емкость
катушки может быть оценена экспериментально путем измерения
частоты собственного резонанса. Например, определяя с помощью
измерителя добротности резонансные частоты многослойной катуш-
ки при поочередном подключении к ней двух внешних конденсаторов
с отличающимися емкостями, распределенную емкость Сб(пФ)
можно найти из отношения:
_ (f, Zf2)2С, — С2
d l-(f,/f2)2
где fj и f2 - найденные резонансные частоты контура при подклю-
чении к катушке внешних конденсаторов с емкостями Ct и С2 (пФ).
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ
Колебания температуры материалов, из которых изготовлена
катушка индуктивности, вызывают изменения объема деталей ка-
тушки, электрического сопротивления токоведущих частей, собст-
венной емкости, диэлектрической проницаемости каркаса катушки
и потери в нем, магнитной проницаемости сердечника, линейных
размеров экрана и др. Все это объясняет температурную зависи-
мость индуктивности.
Оценка температурной зависимости может быть произведена
расчетом или экспериментально. Расчет относительной погрешно-
сти индуктивности aL(t°), вызванной изменением температуры,
должен учитывать все перечисленные факторы. Например, для эк-
ранированной катушки с сердечником из магнитного материала ис-
комая оценка линейного приближения включает :
aL(t°) = aa(t0) + ab(t0) + ac(t0) + ad(t°) + ae(t0),
где aa(t°)- относительное температурное изменение геометрических
токопроводящих деталей катушки; ab(t°)~ относительное темпера-
турное изменение глубины проникновения тока в провод обмотки;
ac(t0)- относительное температурное изменение собственной емко-
сти (зависит от типа намотки); ad(t°) - относительное температурное
изменение размеров экрана; ae(t0)- относительное температурное
изменение магнитной проницаемости материала сердечника.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
213
В катушках с сердечником влияние последнего слагаемого в
общей сумме составляющих заметно больше остальных и поэтому
считают aL(t°) = ae(t°).
ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННЫЕ КАТУШКИ
Для решения многих радиотехнических задач большую роль
играют электрические цепи с взаимной индуктивностью. На их осно-
ве строят частотно-зависимые избирательные цепи с постоянной
и управляемой настройкой, частотозадающие цепи автогенераторов
и генераторов с внешним возбуждением, цепи диапазонного согла-
сования выходных каскадов передатчиков с антенной и др.
Если две индуктивно-связанные катушки соединены одно-
именными концами (на рис. 10.12 начало обмоток обозначены звез-
дочкой «*»), то комплексные напряжения на первой катушке Ци на
второй катушке U2 составят:
и, =i1[R1 +joXL,-M) + jo)M]-i2j<oM
U2 = -i2[R2 + j<o(L2 -M) + jwM]+ ijcoM.
Система уравнений характеризует схему (рис. 10.13), которая
уже не содержит индуктивных связей и в которой появляется новый
узел « о », отсутствующий в исходной схеме.
Рис. 10.12. Индуктивно-связанные
катушки с потерями
Рис. 10.13. Эквивалентная схема
индуктивно-связанных катушек
ц+м L,+ M
Рис. 10.15. Эквивалентная схема индук-
тивно-связанных катушек, подсоеди-
ненных разноименными концами
Рис. 10.14. Индуктивно-
связанные катушки, подсоеди-
ненные разноименными концами
214
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Если индуктивно-связанные катушки соединены разноименными
концами (рис. 10.14), то эквивалентная схема также не будет содержать
индуктивных связей (рис. 10.15). Вид эквивалентных схем не зависит от
выбора положительного направления токов в ветвях этих схем.
Технологически удобно взаимно-связанные катушки изготав-
ливать на общем каркасе. Но определение значений взаимной ин-
дуктивности М и коэффициента индуктивной связи к по геометриче-
ским размерам катушек, расположенных на одном каркасе, является
сложной задачей, решение которой с приемлемой для практики точ-
ностью может быть найдено лишь для простейших случаев.
Рис. 10.16. Однослойная катушка
индуктивности с отводом
Для однослойной катушки
индуктивности (на рис. 10.16 вы-
воды А и С) с отводом в точке
В катушка ВС является продолже-
нием катушки АВ и, следователь-
но, они включены согласно:
М
Lac=Lab+Lbc-2M. Тогда М - — (L АС - LАВ - LBC), к - г - .
2	Vlablbc
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
__		Пусть в последовательном колеба-
L________________тельном контуре (рис. 10.17) включена
БА с - ЭДС синусоидального сигнала
у r	e(t) = Em sin(at- cpj), ток которой протека-
'—— ет через комплексное сопротивление кон-
тура
Рис. 10.17. Последова-	1
тельный колебательный	Z = R + jX = R + j(coL-—),
контур
где X - реактивное сопротивление контура.
При изменении частоты синусоидального сигнала ЭДС от нуля
(т.е. постоянного тока) до весьма большой частоты со значение реак-
тивного сопротивления контура X = coL - 1/соС проходит через нуле-
вое значение (рис. 10.18) на резонансной частоте шр, при которой
положительное индуктивное сопротивление контура компенсируется
отрицательным реактивным сопротивлением конденсатора.
Резонансная частота последовательного колебательного кон-
тура сор может быть найдена из соотношения:
X = ci>nL-1/tonC , а именно соп = -4= или f = —.
₽ Р	р VlC р 2nVLC
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
215
Рис. 10.19. Зависимость модуля
сопротивления последовательного
контура от частоты
Рис. 10.18. Зависимости от частоты
реактивных сопротивлений последо-
вательного контура, индуктивности
и емкости
На частотах ниже резонансной последовательный колеба-
тельный контур имеет реактивное сопротивление индуктивного ха-
рактера, а на частотах выше резонансной - емкостного.
Зависимость модуля комплексного сопротивления последова-
тельного колебательного контура от частоты приведена на рис
10.19. Сопротивление последовательного контура минимально на
резонансной частоте, поскольку равно нулю его реактивное
сопротивление.
Характеристическое сопротивление контура на резонансной
।	1	1 । [Г Л „ р
частоте составляет: р = copL = — = -^=L =	, а добротность Q = ~.
Полосу пропускания П последовательного контура обычно
определяют по уровню (1 - 1/V2) = 0,293 от максимального значе-
ния модуля сопротивления колебательного контура:
^0.293 =	= О’ '
Полосу пропускания можно сузить, например, за счет увеличе-
ния характеристического сопротивления контура. Максимальное
значение тока контура при этом остается неизменным (рис. 10.20).
Если повысить добротность контура снижением потерь R, то суже-
ние полосы пропускания будет сопровождаться ростом тока контура
'рис. 10.21).
На резонансной частоте в последовательном колебательном
контуре напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе рав-
по амплитуде и противоположны по фазе и в Q раз больше
аходной ЭДС.
216
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 10.20. Изменение зависимости
тока 1(со) последовательного контура
при увеличении L или С
Рис. 10.21. Изменение зависимости
тока 1(d)) последовательного контура
при снижении потерь (R)
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
Параллельный колебательный контур простейшего типа содер-
жит катушку индуктивности и конденсатор, соединенные параллельно.
С учетом потерь, имеющихся в этих компонентах, эквивалентная схе-
ма параллельного контура имеет вид, представленный на рис. 10.22.
При анализе работы такого контура используют те же понятия и вели-
чины, как для последовательного контура, а именно: характеристиче-
.	1 ПГ _	р
ское сопротивление р = copL = —— =	; добротность Q = ; зату-
хание d = —; абсолютная расстройка контура Дсо = со-(ор; относи-
„	~ ДСО с: tz	~ t	X к
тельная расстройка 8 = —; обобщенная расстройка £ = ——.
<0р	R
Рис. 10.22. Параллельный
колебательный контур
с потерями
Рис. 10.23. Изменение модуля полного
сопротивления и реактивного сопротивления
параллельного колебательного контура
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
217
Комплексные сопротивления двух параллельных ветвей контура
и всего параллельного контура ZK можно записать в виде:
Zj =	4- jwL ; Z2 = R2 — j —•;
Z z,z2 R1R2+jR^L-jR1^+^
к z,+z2
R, +R2 + j <oL-I
\	0)
При достаточно малых значениях R( и R2(hto часто встреча-
ется в реальных колебательных контурах) выражение упрощается
ZK
p2/R р2 V .	1	. Хк
= ——— = —-------। где Хк = coL-—; L .
A R<1 + ©	R
J R
Резонанс в параллельном колебательном контуре возникает при
.	1	Л	-	1
= а)\_-—= 0. Выражение для резонансной частоты со = -==
р VLC
XK
совпадает с выражением для сор последовательного контура.
На резонансной частоте сопротивление параллельного конту-
ра становится чисто активным и составляет
Rpes =^- = Qp- При ва-
риации частоты ЭДС, подключенного к параллельному контуру, мо-
дуль комплексного сопротивления контура изменяется в соответст-
вии с рис. 10.23. На частотах ниже резонансной параллельный коле-
бательный контур проявляет себя как некоторая индуктивность, по-
скольку Хк > о, а на частотах выше резонансной - как некоторая ем-
кость.
С увеличением добротности контура напряжение на нем воз-
растает Upe3 = IRpe3 = IQp. Полоса пропускания контура определя-
ется по уровню 0,707 от Upe3, т.е. П0707 = .
В идеальном параллельном контуре потери отсутствуют
(R = 0) и на резонансной частоте модули то ков в ветвях контура
одинаковы (|lc |=|lL |) и в Q раз превышают ток в общей ветви. По-
этому резонанс в параллельном контуре называют резонансом токов.
В составе РЭС колебательные контуры применяются для вы-
деления (селекции) полезного сигнала среди других сигналов, отли-
чающихся своей частотой. Например, радиоприемник настраивается
так, чтобы частота радиостанции, сигналы которой принимаются
218
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
в настоящий момент, находилась на резонансной частоте контура.
Остальные радиостанции, работающие на других частотах, оказы-
ваются на склонах амплитудно-частотной характеристики контура
и подавляются им. Чем острее резонансная кривая импеданса кон-
тура, тем лучше подавление мешающих радиостанций.
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
В составе РЭС индуктивно-связанные колебательные контуры
образуют высокочастотные трансформаторы, осуществляющие пе-
редачу энергии радиотехнического сигнала из одной цепи в другую
за счет электромагнитной индукции. В одних цепях целесообразно,
чтобы трансформаторы имели магнитный сердечник, в других - нет.
К входному и выходному контурам трансформатора подключаются
входные и выходные импедансы нагрузок.
Качество работы высокочастотного трансформатора опреде-
ляется его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), являю-
щейся зависимостью тока 12 выходного контура от частоты со или
расстройки £.
На практике чаще применяются одинаковые контуры:
L. = L; R. = FL = R; Z. =Z9 = Z = R(1 + ©, где £=XK/R. Мак-
симально возможная амплитуда тока второго контура 12ММ при оди-
наковых контурах составляет 12ММ = Е1 /2R, где Ej- ЭДС первого
контура. Нормированная амплитудно-частотная характеристика ин-
дуктивно-связанных контуров имеет вид:
L	2krRQ
Lmm -Jfl + fk^Q)2+4^2
В этом выражении величина kCBQ характеризует так назы-
ваемый «фактор связи». При слабой связи между катушками конту-
ров (kCBQ « 1) выражение для АЧХ трансформатора упрощается:
l2 2kCBQ 2kCBQ
_ё_ -	Отношение токов достигает
'гмм	2+4^2 1 + е2
максимума при £ = 0, но остается меньше единицы, поскольку пол-
ный резонанс не достигается. Крутизна склонов АЧХ индуктивно-
связанных контуров оказывается выше, чем у одиночного контура.
При критической связи между контурами kCBQ=1 и отношение
I 2
токов составляет —— = -	. Это значит, что АЧХ снова достигает
Ьмм у4 + ^4
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
219
Рис. 10.24. АЧХ связанных конту- Рис. 10.25. АЧХ связанных контуров
ров при различных уровнях связи при связи, превышающей критическую
максимума при £ = 0 и этот максимум равен единице (рис. 10.24),
т.е. в системе наблюдается полный резонанс и крутизна склонов
АЧХ выше, чем у одиночного контура.
В случае сильной связи (kCBQ>1) выражение для АЧХ связан-
ных контуров приобретает три экстремума, соответствующие значе-
ниям расстройки £12 = ±^(kCBQ)2 -1 и £ = 0 (рис. 10.25).
Таким образом, АЧХ системы индуктивно-связанных контуров
с увеличением фактора связи kCBQ изменяется от одногорбой до
двугорбой; крутизна склонов растет вместе с расширением полосы
пропускания.
Мощности, выделяемые в каждом из контуров Pi = l12R1;
Р2 = l22R2, определяют уровень КПД высокочастотного трансформа-
тора q = Р2/Р1-Р2 При настройке контуров на одинаковую резонанс-
ную частоту при любом коэффициенте их индуктивной связи ксв
КПД вычисляют как отношение
к 2	11
П =----у,где d1=-^;d2=-^-.
dlti2+kCB2	Q, Q2
При полном резонансе мощность во вторичном контуре дости-
гает максимального уровня: P2max =E12/4R1, при котором КПД со-
ставляет 50 %.
Кроме индуктивной связи между настроенными контурами
возможно также использование емкостной связи: Т-образной (рис.
10.26) и П-образной (рис. 10.27), а также автотрансформаторной
(рис. 10.28) связи.
220
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
емкостная связь между
контурами
Рис. 10.27. П-образная
емкостная связь между
контурами
Рис. 10.28. Автотранс-
форматорная связь
между контурами
В Т-схеме коэффициент емкостной связи
Р ^1^12	. р _ ^2^12
И"С1+С12’ 22"с2+с12
с12
k = J “ ~ > гДе
V ^12
В П-схеме к =
1С1 +С12
ус2+с,2
При автотрансформаторной связи между контурами коэффи-
циент связи является отношением вида:
L.?
k “	’ ГДе I"22 ~ L"12 ^2 ’
АЧХ связанных контуров в высокочастотных трансформаторах
остаются близкими по форме при различных видах связи.
КОНСТРУКЦИЯ КОНТУРНЫХ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ
Бескаркасные однослойные катушки индуктивности обычно
применяют в цепях РЭС, в которых необходима высокая доброт-
ность катушки, а повышенной стабильности значений индуктивности
не требуется (например, входные контуры приемников, промежуточ-
ные и выходные колебательные цепи маломощных передатчиков).
Добротность катушки достигается при отношении ее диаметра
к длине в пределах 0,4...0,8. Диаметр провода выбирается из сооб-
ражений механической жесткости катушки в данных условиях экс-
плуатации (табл. 10.1).
Таблица 10.1. Выбор диаметра провода бескаркасной однослойной
катушки
Диаметр катушки D, мм	10	20	30
Длина намотки, мм	0,4...2D	0,4...2D	0,4...2D
Диаметр провода d, мм	0,8...1,0	1,5...2,0	2,5...3,0
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
221
При больших диаметрах однослойной бескаркасной катушки
обмотку изготавливают из ленточных или трубчатых проводников.
Шаг намотки определяет механическую жесткость катушки и
ее конструктивную целесообразность. Реально в условиях произ-
водства можно обеспечить расстояние между витками 0,8... 1,0 мм.
Увеличение шага вызывает снижение индуктивности, что может
быть компенсировано ростом диаметра катушки. Подгонка индуктив-
ности при налаживании РЭС производится у таких катушек измене-
нием шага (длины) намотки всех или части витков и позволяет полу-
чить индуктивность с заданной точностью.
Если не принять специальных технологических мер, то aL(t°)
существенно зависит от внутренних механических напряжений в об-
мотке катушки (может оказаться во много раз более расширения
проводника), не являясь стабильной при циклировании температу-
ры. Провод для обмотки, размещаемой на каркасе, должен быть ото-
жженным, а катушка после изготовления выдержана некоторое
время при нормальной температуре.
Применение каркаса для катушки индуктивности обусловлено
необходимостью повышения механической устойчивости и жесткости.
Свойства материала каркаса оказывают влияние на характеристики
катушки: вносимые потери (добротность), температурный коэффици-
ент, собственную емкость, восприимчивость к внешним факторам.
При нагревании изменяются размеры каркаса и его форма.
Минимальным изменениям подвержены каркасы из керамических
материалов. Наибольшая точность изготовления (до ±0,5...±0,08 мм)
керамических каркасов достигается при использовании шлифования
после обжига, что повышает их стоимость. Цилиндрические каркасы
из керамики изготавливают различной конфигурации. Провод обмот-
ки, как правило, укладывается в спиральную канавку на поверхности
керамического каркаса или в пазы ребер, расположенных вдоль об-
разующих каркаса (рис. 10.29).
Намотка провода в горячем состоянии дает возможность полу-
чить хорошее его сцепление с каркасом, в котором предусмотрены па-
зы для укладки проводника. Наименьшую деформацию при изменении
температуры имеет вожженный в керамику металлический слой (рис.
10.30), поскольку проводник следует за температурными изменениями
размеров керамического каркаса, которые весьма невелики. На тонкий
слой вожженного серебра (0,5...1,5 мкм) наращивают слой меди
(до 20...20 мкм). Проволочные выводы припаивают к концам обмотки.
Добротность катушки с вожженными витками на 15...20 % ниже доб-
ротности подобной катушки с намоткой металлической лентой (вслед-
ствие некоторой «рыхлости» вожженного проводящего слоя).
222
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 10.29. Керамические каркасы
Рис. 10.30. Катушка индуктивности
с вожженными витками в керамиче-
ский каркас
катушек индуктивности
Рис. 10.31. Герметизированный контур
задающего генератора передатчика
Рис. 10.32. Пластмассовые каркасы
многослойных катушек индуктивности
Наивысшей стабильности характеристик колебательных кон-
туров удается достичь с применением герметизации и термостати-
рования. На рис. 10.31 показан эскиз герметизированного контура
задающего генератора передатчика, содержащего катушку на кера-
мическом каркасе, контурный конденсатор и компоненты развязы-
вающей цепи.
Многослойные катушки индуктивности используются в колеба-
тельных контурах на частотах до 2 МГц, а также для высокочастот-
ных дросселей. Каркас многослойной катушки является ее несущей
деталью и при грамотном конструировании слабо влияет на элек-
трические характеристики катушки. Наиболее распространены сек-
ционированные каркасы (с магнитопроводом и без него), позволяю-
щие снизить собственную емкость катушки. Максимальное число
секций составляет 3-4 (рис. 10.32).
Выбор материала каркаса определяется интервалом темпера-
тур в условиях эксплуатации РЭС. При небольших перепадах при-
меняют термопластики (например, полистирол). Для теплостойкой
РЭС целесообразно использовать термоустойчивые сорта пласт-
масс, в том числе кремнийорганические.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
223
Рис. 10.33. Типы сердечников и магнитопроводов катушек:
а - цилиндрический; б, в - кольцевой; г - броневой; г - Ш-образный
Снижению габаритов катушек индуктивности способствует
применение сердечников из магнитных материалов. Сердечник мо-
жет иметь формы: цилиндрическую, кольцевую; магнитопровод -
броневую, Ш-образную (рис. 10.33). Цилиндрические сердечники
применяются, в основном, в качестве элемента подстройки индук-
тивности перемещением в резьбовой части каркаса.
Кольцевые сердечники позволяют изготовить катушки мини-
мальных габаритов и с минимальным рассеянием, однако при этом
характеристики катушки практически целиком определяются свойст-
вами магнитного материала (прежде всего стабильностью темпера-
турной и временной). Подстройка индуктивности в таких катушках
практически невозможна. Диаметр кольца сердечника может быть
достаточно малым - от 2 мм до нескольких сантиметров.
Броневые магнитопроводы позволяют достичь более высокой
добротности катушек в широком диапазоне частот, причем возможна
подстройка индуктивности в пределах ±(20...30) %. Перемещение
сердечника осуществляется по резьбе, изготовленной в материале
магнитопровода. Следует учитывать, что подстройка сердечником
изменяет добротность катушки.
В современных РЭС широко используется поверхностный
монтаж печатных плат, для которого изготавливаются специально
разработанные безвыводные монолитные катушки индуктивности
с минимальным магнитным полем рассеяния. Они носят название
чип-катушек. Магнитное экранирование осуществляется броневыми
сердечниками специальной формы из феррита, что позволяет про-
изводить плотный монтаж компонентов на плате.
Наименование чип-катушек индуктивности: МЧИ; МОИ; КИГ;
КИП (перенастраиваемые сердечником).
Многослойная чип-катушка индуктивности типа МЧИ1206 изго-
тавливается нанесением металлизированных витков обмотки по
слоям ферритовых пластин. Материалами электродов для пайки
служат содержащие серебро сплавы.
224
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 10.34. Внешний вид чип-
катушек МЧИ1812, МЧИ1206, МОИ
и размеры установочных площадок
поверхностного монтажа
Особенностью некоторых
Внешний вид чип-катушки
МЧИ1206 и размеры площадки ее
поверхностного монтажа приведе-
ны на рис. 10.34. Достаточно ма-
лые размеры имеют чип-катушки
индуктивности типа МЧИ1812.
Добротность таких катушек зави-
сит от значения индуктивности и
находится в пределах 20...50 в
диапазоне частот 5... 100 МГц. До-
пустимый ток подмагничивания
7...500 мА при омическом сопро-
тивлении обмотки 0,4...40 Ом.
чип-катушек является зависимость
индуктивности от протекающего постоянного тока подмагничивания,
максимальное значение которого может составлять 50... 100 мкА.
Многослойные чип-катушки индуктивности типа МОИ и КИГ
также изготавливаются на основе пластин из прессованных ферри-
товых порошков с нанесенным металлизированным слоем провод-
ников. Они имеют окукленный корпус и проволочные выводы для
традиционного печатного монтажа.
Перестраиваемые высокочастотные катушки типа КИП разме-
ром около 11x7x5 мм и массой 1,8 г предназначены для поверхност-
ного и традиционного монтажа в РЭС, работающих в диапазоне
температур - 6О...+65°С. Катушка помещена в металлический экран
прямоугольного сечения. Катушка типа КИП101-КИП105 имеет пре-
делы настройки индуктивности 0,4... 1,1 мкГн при вариации доброт-
ности 70...30. Среди катушек данного типа имеются одиночные,
с отводом и индуктивно-связанные катушки.
10.2. Высокочастотные дроссели
Высокочастотные дроссели предназначены для создания боль-
шого сопротивления токам высокой частоты и малого сопротивления
постоянному току. Они используются, в основном, для фильтрации ме-
шающего высокочастотного сигнала в цепях питания узлов РЭС.
Высокочастотными дросселями являются катушки достаточно
высокой индуктивности, у которых собственная емкость для повы-
шения заградительных свойств сведена к минимуму. Частота собст-
венного резонанса дросселя должна быть существенно выше часто-
ты рабочего сигнала. Дроссели применяются тогда, когда внутренне
сопротивление источника помехи слишком мало, чтобы подавить
мешающий сигнал только включением конденсатора (который не
может иметь слишком большую емкость).
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
225
Рис. 10.35. Конструкция некото-
рых типов дросселей
При небольших токах малых значений собственной емкости
дросселя достигают путем разделения (секционирования) обмотки
на несколько последовательно включенных секций. При значитель-
ных токах применяют дроссели с однослойной обмоткой относи-
тельно толстым проводом или плоской шиной, намотанной так, что-
бы широкая сторона шины находилась в плоскости витка.
Конструкции некоторых типов
дросселей приведены на рис. 10.35.
В транзисторных каскадах РЭС ши-
роко используются стандартные
малогабаритные дроссели типов
ДВА, ДМ, Д с ферритовыми сердеч-
никами. Они обладают индуктивно-
стью 1...2000 мкГн с собственной
емкостью 1,5...2 пФ (однослойная
намотка) или 6...8 пФ (трехслойная
намотка), добротностью 20...60 и омическим сопротивлением посто-
янному току 0,75...55 Ом. У таких дросселей заметны высокочастот-
ные потери в сердечнике и потому их применяют в достаточно широ-
ком диапазоне частот. Дроссели имеют ограничения на протекаю-
щий постоянный ток 0,1 ...3 А.
Катушки с сердечниками из ферромагнитных материалов
имеют повышенную индуктивность. Однако это происходит только
при условии, что материал сердечника не намагничивается прохо-
дящим постоянным током до своего насыщения и не снижает дейст-
вующей магнитной проницаемости. Особенно этот нежелательный
эффект проявляется в замкнутых магнитопроводах. Введение воз-
душного зазора в конструкцию магнитопровода несколько ослабляет
эффект насыщения при тех же токах (используется в низкочастот-
ных дросселях, например, на Ш-образных магнитопроводах). На час-
тотах 100...500 МГц необходимо, чтобы длина провода обмотки
дросселя была короче минимальной длины волны рабочего диапа-
зона (lnp < 0,3Xmjn), т.е. когда дроссель можно рассматривать как со-
средоточенную индуктивность. С целью снижения собственной ем-
кости намотку провода производят с определенным шагом, причем к
высокочастотному выводу шаг намотки прогрессивно увеличивают.
На более высоких частотах в качестве дросселей применяют отрез-
ки полосковых линий.
Обмотка дросселя должна выдерживать амплитуду приложенного к
ней напряжения. Применение провода в эмалевой изоляции, напри-
мер, диаметром 0,2 мм, позволяет достичь допустимого на пряжения
400 В на один виток сплошной рядовой намотки, а для диаметра
1 ...2 мм - до 1000 В.
S—2134
226
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Для подавления асимметрич-
ных высокочастотных помех целе-
сообразно использование дроссе-
лей с компенсирующими обмотками
(рис. 10.36), у которых при одинако-
вом направлении намотки витков
магнитные потоки рабочих токов в
прямом и обратном проводах почти
полностью компенсируются и эффект
Рис. 10.36. Дроссель с компен-
сирующими обмотками
подмагничивания практически не проявляется. Такие дроссели при-
меняются в цепях промышленной частоты, по которым возможно
распространение высокочастотных помех различной формы.
На рис. 10.37 изображен фрагмент принципиальной схемы ре-
зонансного усилителя с цепями раз вязки, включающими многозвен-
ный фильтр с дросселями.
Рис. 10.37. Пример использования дросселей (Li, L2,.... Ln) в многозвенном
фильтре цепи питания резонансного усилителя
Рис. 10.38. Применение
ферритовых бус для
повышения индуктивного
сопротивления проводников
Рис. 10.39. Использование дросселя L
в коллекторной цепи автогенератора
На частотах выше 1...10 МГц вместо катушек индуктивности
возможно применение ферритовых бус (рис. 10.38) или кольцевых
сердечников, на которые наматывается провод, соединяющий участки
цепи. Таким образом создается последовательное соединение актив-
ного сопротивления проводника и созданной индуктивности, которая с
повышением рабочей частоты заметно улучшает подавление помех.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
227
На рис. 10.39 приведен пример использования высокочастот-
ного дросселя в коллекторной цепи автогенератора, настройка кото-
рого на заданную частоту осуществляется перемещением сердечни-
ка контура. На дросселе возникает падение напряжения постоянного
и высокочастотного токов.
10.3. Трансформаторы
Трансформатором называется компонент РЭС, предназначен-
ный для получения напряжений переменного тока различных ампли-
туд и мощностей.
Трансформаторы электропитания входят в состав значитель-
ного количества РЭС. Трансформаторы могут применяться в усили-
телях низкой частоты в качестве входных и выходных и межкаскад-
ных компонентов, а также в низкочастотных генераторах. В импульс-
ных цепях РЭС используют специальные импульсные трансформа-
торы.
Для обеспечения нормальной работы РЭС требуются один
или несколько источников напряжения постоянного тока. Обычно эти
источники называют вторичными источниками питания (батареи и
аккумуляторы относятся к первичным источникам питания), посколь-
ку в подавляющем числе случаев они подключаются к сети пере-
менного тока промышленной частоты 50 Гц (сети питания самолет-
ной и корабельной РЭС могут иметь частоту 400 Гц).
Необходимые питающие напряжения сначала трансформиру-
ют с повышением или понижением напряжения питающей сети,
а затем применяя выпрямители, получают выпрямленные напряже-
ния требуемого уровня. Кроме этого, используют импульсные источ-
ники, в состав которых входят внутренний генератор импульсов и
трансформатор.
В соответствии с законом электромагнитной индукции, напря-
жение, возникающее между выводами некоторого проводящего вит-
ка, пропорционально скорости изменения магнитного потока, прони-
зывающего этот виток. Обмотка, содержащая несколько витков,
имеет на своих выводах более высокое напряжение.
Если через первичную обмотку протекает переменный ток, он
возбуждает в окружающем пространстве переменный магнитный
поток, принизывающий витки других обмоток (называемых вторич-
ными). На выводах вторичных обмоток возникает напряжение пере-
менного тока (называемое электродвижущей силой ЭДС1), пропор-
циональное числу витков и скорости изменения магнитного потока
1 ЭДС - физическая величина, характеризующая действие внешних сил в ис-
точниках постоянного и переменного токов. ЭДС источника равна электрическому
напряжению на его зажимах при разомкнутой цепи. Измеряется в вольтах.
228
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
(частоте тока питающей сети). У идеального трансформатора, кото-
рый не имеет потерь, напряжение и ЭДС обмоток равны. У реально-
го трансформатора ЭДС е обмотки несколько больше напряжения
U на ее выводах. Чем меньше потери в трансформаторе, тем
меньше различаются между собой значения е и U. Поэтому иногда
можно использовать приближение е ~ U (точнее, для первичной об-
мотки ет « 0,951b; для вторичных е2 = 1,05U2).
Трансформатор содержит магнитопровод, на котором распо-
ложены обмотки из изолированного провода (чаще всего медного).
Для снижения потерь обмотки трансформатора должны охватываться
одним и тем же основным магнитным потоком, возбуждаемым пер-
вичной обмоткой. Это условие может быть выполнено только при из-
готовлении магнитопровода, обладающего малым магнитным сопро-
тивлением магнитному потоку, например, в виде замкнутого магнито-
провода, в котором магнитный поток будет замыкаться только в пре-
делах магнитопровода, не рассеиваясь в окружающее пространство.
В реальном трансформаторе из-за несовершенства магнито-
провода часть магнитного потока все же теряется за счет рассеяния,
что ведет к снижению ЭДС вторичных обмоток (снижению напряже-
ния на их выводах). Кроме того, существуют потери энергии в про-
водах обмоток, потери на перемагничивание и потери на создание
вихревых токов в материале магнитопровода. Энергия этих потерь
выделяется в виде тепла, нагревающего трансформатор.
Отношение числа витков вторичных обмоток w2, w3w4...
к числу витков первичной обмотки \n{ называется коэффициентом
W
трансформации: п9 = —
wi
^2 . п _ W3 _ ^3 . п - W4 _ ^4
Е/ 3"W1 "Е/ 4’W1 "Е1 -
При небольших токах обмоток, характерных для трансформа-
торов РЭС, можно воспользоваться приближением:
U2 U3	и4
п9 == —; п. == —; п, = —
2 Ц	3 U/4 U,
В первом приближении можно также считать, что при несколь-
ких вторичных обмотках ток в первичной обмотке составляет
h « 12п2 + 13п3 + 14п4+ 15п5... (без учета тока холостого хода трансфор-
матора).
Если формы токов первичной и вторичных обмоток не совпа-
дают, то мощность первичной обмотки и сумма мощностей вторич-
ных обмоток могут отличаться. Искажение формы токов наблюдает-
ся при подключении, например, таких нелинейных компонентов, как
полупроводниковые диоды, тиристоры, транзисторы.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
229
Определяющими частями трансформатора являются магнито-
провод и обмотки, которые связаны между собой соотношением
следующего вида:
ЕЮ4
W =-----------,
4,44fBQrkr
чу чу
где w - число витков обмотки; Е- ЭДС обмотки В; f - частота пи-
тающего напряжения, Гц; В - магнитная индукция в магнитопроводе,
Тл; Qc- полное сечение магнитопровода, см2; кс- коэффициент за-
полнения магнитопровода магнитным материалом.
Значения магнитной индукции В, измеряемой в теслах (Тл),
обычно находится в пределах 0,8... 1,2 Тл (табл. 10.2) и зависит от
габаритной мощности трансформатора Ргаб, которая, в свою оче-
редь, подсчитывается как полусумма мощностей всех обмоток,
включая первичную:
Pra6«0,5(U1l1+U2l2+U3l3+...)
Таблица 10.2. Типовые значения характеристик трансформаторов
электропитания
Ргаб, ВА	Магнитная ин- дукция ВТл		Плотность тока А/мм2		кпд г		Коэффициент заполнения окна магни- топровода км
	при частоте тока сети		при частоте тока сети		при частоте тока сети		
	50 Гц	400 Гц	50 Гц	400 Гц	50 Гц	400 Гц	
10	1,10	1,0	4,8	7,0	0,82	0,80	0,23
20	1,25	1,1	3,9	6,0	0,85	0,83	0,26
40	1,35	1,2	3,2	5,0	0,87	0,85	0,28
70	1,40	1,25	2,8	4,2	0,89	0,87	0,30
100	1,35	1,2	2,5	3,8	0,91	0,89	0,31
200	1,25	1,1	2,0	3,1	0,93	0,91	0,32
400	1,15	1,0	1,6	2,5	0,95	0,92	0,33
700	1,10	0,9	1,3	2,1	0,96	0,93	0,33
1000	1,05	0,8	1,2	1,8	0,96	0,93	0,34
Чем выше мощность трансформатора, тем меньше должна
быть магнитная индукция, характеризующая удельную плотность
магнитного потока магнитопровода. В противном случае произойдет
перегрев трансформатора.
Перегрев трансформатора относительно температуры окру-
жающей среды вызывается потерями в магнитопроводе и проводах.
Уровень допустимого повышения температуры определяется тепло-
вой стойкостью изоляционных материалов обмоток и составляет
100...150°С.
230
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
На рис. 10.40, а-г показаны наиболее употребительные кон-
фигурации магнитопроводов, используемых в трансформаторах
электропитания. Снизить потери на перемагничивание удается при
использовании специальных электротехнических сталей, являющих-
ся сплавом железа с кремнием (например, сталь Э411, Э412 и др.).
Снижению потерь на вихревые токи способствует изготовление маг-
нитопровода из тонких (0,2...0,5 мм) пластин, расположенных вплот-
ную и электрически изолированных друг от друга, что повышает
электрическое сопротивление магнитопровода.
б
в
Рис. 10.40. Основные типы магнитопроводов:
а - броневой; б, в - разрезные ленточные; г - кольцевой
Ленточные пермаллоевые и кольцевые ферритовые магнито-
проводы применяют в составе трансформаторов, работающих на
повышенных частотах (25...60 кГц), а также в схемах полупрводни-
ковых преобразователей напряжения, например, в блоках питания
компьютеров. Толщина ленты из пермаллоя составляет 0,01...0,05
мм. Однако следует учитывать, что с уменьшением толщины сталь-
ной ленты потери на вихревые токи снижаются при одновременном
росте потерь на перемагничивание.
Броневые магнитопроводы трансформаторов изготавливают
из листовой электротехнической стали с применением штамповки,
после которой для улучшения магнитных свойств полученные пла-
стины отжигают на воздухе при температуре 400...500°С. Изоляцией
между пластинами служит пленка окиси, образующаяся на их по-
верхности при отжиге. Набор пластин осуществляют в предвари-
тельно собранный каркас с расположенными на нем обмотками,
причем все Ш-образные пластины имеют пластины-замыкатели, на-
бираемую вперекрышку. При одинаковом расположении всех
Ш-образных пластин с замыкателями в местах их стыка возникает
воздушный зазор, увеличивающий магнитное сопротивление магни-
топровода и создающий дополнительные потери за счет рассеива-
ния магнитного потока. Такую сборку используют для снижения под-
магничивания магнитопровода постоянной составляющей тока
обмоток.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы	231
Ленточные разрезные магнитопроводы изготавливают путем
навивки ленты на оправку, последующего отжига и обволакивания.
Подготовленный таким образом магнитопровод разрезают, а торцы
шлифуют. Сборку частей разрезных магнитопроводов производят
встык без зазора (поскольку торцы пришлифованы), а затем склеи-
вают специальным клеем с малым магнитным сопротивлением.
Трансформатор с броневым магнитопроводом имеет одну катуш-
ку с обмоткой, расположенной на среднем язычке пластин, а транс-
форматор со стержневым магнитопроводом - две обмотки (рис. 10.41).
Первичная обмотка
Первичная обмотка
Вторичные обмотки
Вторичные обмотки
Рис. 10.41. Расположение обмоток на магнитопроводе:
а - на броневом магнитопроводе; б - на стержневом магнитопроводе
Сначала наматывается первичная обмотка, а затем через изо-
лирующую прокладку - вторичные обмотки. В трансформаторах со
стержневым магнитопроводом первичная и вторичные обмотки де-
лятся на две равные части, располагаемые на отдельных катушках.
Эти части обмоток могут соединяться как последовательно, так и
параллельно.
Послойная намотка виток к витку производится, как правило,
на намоточном станке, что обеспечивает наиболее полное исполь-
зование окна магнитопровода. Между слоями обмотки и между об-
мотками укладывается слой специальной изолирующей бумаги, ко-
торый при работе трансформатора предохраняет обмотку от меж-
витковых пробоев и упрощает процесс намотки, удерживая провода
от сползания.
Обмотки трансформаторов электропитания обычно наматывают
медным проводом круглого сечения с эмалевой изоляцией (например,
проводом марки ПЭВ). Провода прямоугольного сечения применяют
для обмоток, пропускающих значительные (более 10...20 А) токи.
Для защиты трансформаторов от воздействий окружающей
среды применяют обволакивание (капсулирование) всего трансфор-
матора компаундами, толщиной слоя 1...3 мм. При жестких условиях
232
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
эксплуатации трансформатор должен иметь вакуумную герметиза-
цию, при которой магнитопровод с обмотками помещают в металли-
ческий кожух и заливают компаундом.
В составе РЭС у трансформатора может использоваться па-
раллельное и последовательное соединение обмоток. Последова-
тельное включение позволяет получить более высокое напряжение,
а параллельное - увеличить ток нагрузки по сравнению с допусти-
мым током нагрузки одной обмотки. Однако параллельно можно со-
единять только те обмотки, которые рассчитаны на одинаковое на-
пряжение и ток (в противном случае возникают уравнивающие токи
и происходит перегрев трансформатора).
В трансформаторах с броневым магнитопроводом магнитные
потоки, создаваемые его обмотками, в центральном стержне
Ш-образного магнитопровода совпадают по направлению. В транс-
форматоре со стержневым магнитопроводом магнитные потоки в
стержнях противоположны по направлению (магнитный поток одного
стержня является продолжением магнитного потока другого стержня).
Обычно в трансформаторах с броневым магнитопроводом об-
мотки наматывают в одну сторону, поэтому при последовательном
соединении обмоток конец одной обмотки подключается к началу
другой (рис. 10.42, а). При параллельном соединении необходимо
подключать между собой одноименные выводы (рис. 10.42, б).
Рис. 10.42. Примеры последовательного (а) и параллельного (6) соединения
обмоток трансформатора с броневым магнитопроводом
Как правило, в трансформаторах маркировка выводов осуще-
ствляется так, что начало обмотки имеет меньший порядковый но-
мер, чем ее конец.
Напряжения и токи обмоток трансформатора, работающего на
выпрямитель, зависят от типа выпрямителя и фильтра (табл. 10.3).
Токи, протекающие через обмотки трансформаторов электро-
питания, имеющих нагрузкой выпрямители, будут больше при рабо-
те трансформатора на выпрямитель с фильтром, начинающимся
с конденсатора, чем при работе на выпрямитель с фильтром, начи-
нающийся с индуктивности сглаживающего дросселя.
10. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
233
Таблица 10.3. Напряжения и токи обмоток трансформаторов
с выпрямителями
Схема выпрямителя	Схема выпрямителя с конденсатором фильтра									Напряжение вторичной обмотки	Ток вто- ричной обмотки
Однополупери- од ная	О О---			J—и- С^2 =				= 4 	—О			4+1 1,1	2Л>
Двухполупери- одная со сред- ним выводом вторичной об- мотки			J	bh >4				>J	го 4		1,1	1,210
			—й-								
Двухполупери- одная	5	>	«2				А		_0	4+2 1,1	‘«'о
											
											
С удвоением напряжения	j		^4		-ы-= coi			5^0 4 —О		4 Х+1 и	3^0
	а	Г										
Поскольку трансформатор представляет собой реактивность,
то в момент его включения в сеть в первичной обмотке протекает
достаточно короткий импульс тока, превышающий стационарное
значение в 1,5-2 раза. Это явление происходит вследствие того, что
магнитный поток в магнитопроводе возникает не мгновенно, а с не-
которым запаздыванием в течение нескольких периодов напряжения
сети, и приложенное к первичной обмотке напряжение еще не урав-
новешено ЭДС этой обмотки. Кратковременное увеличение тока
первичной обмотки в момент включения трансформатора в сеть
должно быть учтено при выборе типа предохранителя.
234
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Обозначения унифицированных трансформаторов состоят из
набора букв и цифр, присвоенных трансформаторам различного на-
значения.
Обозначения унифицированных трансформаторов электропи-
тания содержат следующие элементы: первый - буква Т; второй -
одна или две буквы (ПП - для электропитания полупроводниковых
узлов РЭС; А - для питания анодных цепей; АН - для электропита-
ния анодно-накальных цепей; Н - для электропитания накальных
цепей; С - силовой трансформатор бытовых РЭС); третий элемент
обозначения - порядковый номер разработки; четвертый - номи-
нальное напряжение сети; пятый - номинальная частота напряже-
ния сети; шестой - одна или несколько букв, обозначающих клима-
тические условия эксплуатации (В - всеклиматическое исполнение;
ТС - тропическое исполнение для сухого климата; ТВ - тропическое
исполнение для влажного климата; УХЛ - для районов с умеренным и
холодным климатом). Например, ТПП201-127/220-50-В - унифициро-
ванный трансформатор для электропитания полупроводниковых уз-
лов РЭС, номер 201, напряжение сети 127 и 220 В при частоте 50 Гц,
всеклиматического исполнения.
Габаритные и установочные размеры унифицированных
трансформаторов электропитания зависят от типа применяемого
магнитопровода, формы и площади сечения проводов обмоток, на-
личия заливки в кожух, климатического исполнения. На рис. 10.43, а
приведен чертеж конструкции трансформатора ТПП на броневом
магнитопроводе типа ШЛ без заливки, с резьбовыми втулками для
крепления, исполнение УХЛ.
Типовые условия эксплуатации унифицированных трансфор-
маторов электропитания включают следующее:
Температура окружающей среды -60... +85°С; относительная
влажность воздуха до 98% (при +45°С); атмосферное давление
(0,5... 1,2)-105 Па; температура перегрева обмоток 55°С; циклическое
воздействие температур (для всеклиматического исполнения)
-60...+140°С.
Например, унифицированные трансформаторы электропита-
ния типа ТПП на 50 Гц с броневыми магнитопроводами типов ШЛ
и ШЛМ имеют габаритную мощность 1,65...90 ВА; ток первичной об-
мотки 0,03...0,90 А; напряжения вторичных обмоток 0,35...20 В; до-
пустимый ток вторичных обмоток 0,05... 12,0 А. При подключении
номинальной нагрузки снижение напряжения на вторичных обмотках
не превышает 5 %.
Унифицированные импульсные трансформаторы ТИ и ТИМ
предназначены для работы в импульсных цепях РЭС. Трансформа-
тор типа ТИ способен нормально работать в цепях с импульсами
длительностью 0,5... 100 мкс и амплитудой 20...30 В; трансформатор
JO. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы
235
типа ТИМ - с импульсами 0,02... 100 мкс и амплитудой до 30 В. Маг-
нитопроводами этих трансформаторов являются кольца из пермал-
лоя и феррита. Общее число выводов восемь, обмоток четыре.
Трансформаторы помещают в металлический цилиндрический кор-
пус (рис. 10.43, б).
Рис. 10.43. Чертеж конструкции унифицированных трансформаторов:
а - трансформатор электропитания ТПП;
б - трансформатор импульсный типов ТИ, ТИМ
Контрольные вопросы
1.	Какой компонент РЭС называется катушкой индуктивности?
2.	Назовите основные характеристики катушки индуктивности, единицы их
изменения, диапазон значений,
3.	Изобразите эскиз конструкции катушек индуктивности и назовите ис-
пользуемые материалы.
4.	Какие материалы оказывают наиболее существенное влияние на харак-
теристики катушки индуктивности?
5.	Какое влияние на работу катушки индуктивности оказывают потери?
6.	Чем высокочастотный трансформатор отличен от низкочастотного?
7.	С какой целью используют высокочастотный дроссель?
11.	КОММУТИРУЕМЫЕ КОМПОНЕНТЫ
(ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ, РЕЛЕ, СОЕДИНИТЕЛИ)
Коммутируемыми компонентами называются устройства, об-
ладающие возможностью электрически соединять, разъединять или
переключать отдельные участки электрических цепей РЭС с помо-
щью контактов. Электрическое сопротивление замкнутых контактов
весьма мало, а в разомкнутом состоянии - велико (до сотен мегаом).
В составе РЭС требуются различные виды коммутации. На-
пример, электрическое соединение и разъединение блоков (необхо-
димое для улучшения условий производства и эксплуатации), вклю-
чение/выключение питающих напряжений и др. Коммутация может
быть осуществлена как вручную, так и под действием электрических
сигналов управления (дистанционное управление коммутацией).
Коммутируемые компоненты состоят из двух основных частей
- контактной и механической (электромеханической). Свойства кон-
тактного узла во многом определяют качество работы коммутируе-
мых компонентов.
По функциональному назначению коммутируемые компоненты
можно разделить на переключатели (выключатели) и соединители.
В зависимости от частоты тока в коммутируемых цепях они подраз-
деляются на группы низкочастотных, высокочастотных и СВЧ компо-
нентов. Коммутируемые компоненты могут быть маломощными (токи
не более 1 А, напряжение не более 200 В); средней мощности (токи
от десятых долей ампера до 2...3 А) и повышенной мощности (ток
более 1 А и напряжение более 1000 В).
11.1.	Общие свойства контактов
Конструктивно переключатели (выключатели) могут сущест-
венно отличаться. По способу управления они могут иметь ручное,
электрическое, электромеханическое, магнитное управление.
Общим требованием ко всем видам коммутируемых компонен-
тов является обеспечение заданного значения переходного электри-
ческого сопротивления контактов и его стабильность при внешних
эксплуатационных воздействиях.
Формы контактирующих поверхностей коммутируемых ком-
понентов могут быть сферическими, цилиндрическими, плоскими. По
характеру взаимодействия контактирующих поверхностей различают
контакты точечные, линейные и поверхностные (рис. 11.1).
Реальный контакт коммутируемых поверхностей осуществля-
ется по выступающим элементам каждой из них. При увеличении
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
237
a б в г д	е
Рис. 11.1. Формы контактирующих поверхностей коммутационных компонентов:
a - сфера-плоскость; б - сфера-сфера; в - полусфера-полусфера;
г - плоскость-плоскость; д - конус-плоскость; е - взаимно перпендикулярный контакт
цилиндрических поверхностей
механической силы сжатия контактов в результате пластической
деформации выступы сплющиваются, а контактирующая площадь
растет, уменьшая переходное электрическое сопротивление. В мес-
тах соприкосновения плотность тока существенно возрастает.
Приближенно переходное электрическое сопротивление
Rn можно представить суммой двух независимых составляющих:
Rn-Rnn+RH- Первое слагаемое Rnjl вызывается наличием по-
верхностных плохо проводящих пленок (имеющих чаще всего хими-
ческую окисную природу). Вторая составляющая RH зависит от ше-
роховатости контактирующих поверхностей. При достаточно большом
механическом усилии сжатия контактов поверхностная пленка разру-
шается, Rnjl падает, и значение Rn определяется, в основном, не-
ровностями поверхностей RH. При слабом сжатии Rnjl» RH.
Нагрев контактов проходящим электрическим током оказывает
влияние на переходное сопротивление Rn вследствие температурно-
го изменения удельного сопротивления металла, его размягчения и
роста поверхности соприкосновения. При многократной коммутации
твердость материалов контактов в местах соприкосновения падает.
В результате воздействия химически агрессивной окружающей
среды (как при эксплуатации, так и в процессе производства) контак-
тирующие поверхности покрываются плохо проводящей пленкой
(толщиной Ю^.-.Ю^мкм), поскольку, например, пластмассы, смолы,
краски, лаки, компаунды, выделяют химически активные газы. Свой-
ства пленки зависят от металла контактов.
Серебряные контакты покрываются пленкой сернистых соеди-
нений серебра, поскольку оно легко вступает в реакцию с серным
ангидридом SO31 и сероводородом H2S22, образуя сульфид серебра
1 Серный ангидрид SO3 - бесцветная жидкость, на воздухе мгновенно всту-
пающая в реакцию с парами воды, образуя капельки серной кислоты H2SO4. Серный
ангидрид применяют для синтеза многих органических материалов.
2 Сероводород H2S - бесцветный газ, применяемый в производстве органиче-
ских соединений.
238
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
AgS со значительным удельным сопротивлением (103...108 Ом-см).
Даже весьма тонкая такая пленка является изолятором. Обнаруже-
но, что серебряные контакты нарушаются в присутствии даже малых
концентраций упомянутых веществ (до 10"9 по объему). В течение
нескольких дней на серебряных контактах образуется пленка серы,
содержащейся во всех резинотехнических изделиях, в загрязненных
маслах и некоторых растворителях, которые (иногда по ошибке)
применяют для очистки поверхности контактов.
Контакты, изготовленные из вольфрама W, палладия Pd, пла-
тины Pt, молибдена Мо, родия Rh, химически реагируя с парами не-
которых органических веществ, используемых при производстве
пластмассовых деталей, образуют прозрачную изолирующую плен-
ку, особенно во влажной среде.
При возникновении между контактами электрической дуги по-
стоянного тока даже небольшой мощности на контактирующей по-
верхности серебра протекают химические реакции, в результате ко-
торых серебро теряет свойства благородного металла. Поверхность
контактов покрывается стекловидным шлаком.
При малых контактирующих поверхностях даже при сравни-
тельно невысоких напряжениях может происходить подплавление
металла контактов и возникать электрическая дуга (вплоть до сва-
ривания контактов). Значительные местные перегревы поверхности
контактов способствуют образованию комплексных химических со-
единений с низкой электропроводностью.
В составе коммутируемых компонентов контакты обычно ус-
танавливаются на упругих деталях, обеспечивающих заданное
усилие нажатия и его постоянство в процессе эксплуатации. Чаще
всего упругие детали изготавливают в виде плоских пружин, на
концах которых с помощью клепки или пайки устанавливают кон-
такты. В большинстве случаев для упругих деталей применяют
сплавы цветных металлов (нейзильбер1, латунь, бронза), которые
позволяют получать при небольших контактных нажатиях значи-
тельный прогиб по сравнению со стальными деталями одинаковых
размеров. Усталостные явления упругих деталей начинают прояв-
ляться через 107... 108 циклов.
Контакты с малыми площадями соприкосновения, как правило,
не обеспечивают стирания непроводящей пленки и пыли на их по-
верхности, что снижает надежность соединений. Вследствие этого
приходится прибегать либо к специальным средствам защиты кон-
тактов от внешней среды, либо применять конструктивные меры,
обеспечивающие перемещение (0,5...1 мм) контактирующих поверх-
1 Нейзильбер - сплав меди Си с цинком Zn (20 %) и никелем Ni (15 %). Отли-
чается повышенной прочностью, коррозионной стойкостью, пластичностью при низких
и высоких температурах.
И. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
239
ностей друг относительно друга в состоянии механического сопри-
косновения.
При многоцикловой коммутации электрических цепей посто-
янного тока наблюдается износ контактирующих поверхностей за
счет переноса металла с положительного контакта на отрицатель-
ный. Для таких цепей целесообразно применять форму контакта
«сфера-плоскость» (положительный потенциал на сферической
поверхности). Если в моменты коммутации возникает дуга, то про-
исходит испарение металла и эрозия контактирующих поверхно-
стей. В таком случае целесообразно применение контактов одина-
ковой формы.
Погрешности совмещения осей сферических контактов при из-
готовлении коммутируемых компонентов заметно снижает их надеж-
ность. Избежать влияния неточностей можно увеличением радиуса
сферы или применением взаимно выровненных плоских поверхно-
стей контактов.
Следует особо подчеркнуть, что независимо от формы контак-
тов коммутирующие компоненты относятся к наименее надежным
компонентам РЭС.
11.2.	Переключатели
Значительную группу коммутируемых компонентов составляют
переключатели - изделия, обладающие способностью замыкать и
размыкать электрические цепи (изменять электрическое сопротив-
ление между коммутируемыми цепями). В замкнутом состоянии
электрическое сопротивление между контактами переключателя
весьма мало (доли ом). В разомкнутом положении - десятки и сотни
мегаом.
По способу управления переключатели можно классифициро-
вать на несколько групп: механические (ручной рычажный привод);
электромеханические (электрический привод механической системы
переключения); бесконтактные электронные (электронное управле-
ние коммутацией).
Механические и электромеханические переключатели имеют
в своем составе одну или несколько пар контактов, условные обо-
значения которых приведены на рис. 11.2.
К основным характеристикам переключателей относятся: за-
траты энергии для осуществления переключения, время срабатыва-
ния, коммутируемые ток, напряжение и мощность, электрическое
сопротивление контактов, ресурс коммутации, масса, габаритные
размеры, условия эксплуатации.
240
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
! Ж И '
a б в г
Рис. 11.2. Условные обозначения некоторых типов контактов:
а - замыкающие контакты (нормально разомкнутые); б - размыкающие
контакты (нормально замкнутые); в - контакты, соединенные механической
связью; г - контакт не фиксируется в замкнутом состоянии
Перекидные переключатели (тумблеры) относятся к механи-
чески управляемым переключателям РЭС с ручным приводом и
предназначены для коммутации электрических цепей постоянного
и переменного токов небольшой мощности (20...600 ВА). В составе
тумблеров имеется рычаг управления, используемый не только для
ручного переключения, но и для визуального контроля оператором
рабочего положения переключателя (включено/выключено). Иногда
ручка управления снабжается световым индикатором. Тумблеры
могут иметь два или три фиксированных положения или самовоз-
врат в исходное состояние. На рис. 11.3 приведен эскиз, поясняю-
щий принцип действия тумблера, имеющего два положения.
В исходном состоянии, показанном на рисунке, пружина, располо-
женная между рычагом и. контактным роликом, удерживает ролик в
соприкосновении с правой парой контактов. При перемещении рыча-
га в крайнее левое положение пружина выталкивает контактный ро-
лик на противоположные контакты, размыкая первую пару контактов
и замыкая вторую. Таким образом, пружина, работающая на сжатие
и электрически изолированная от рычага и контактного ролика, осу-
ществляет как переброс ролика, так и его прижим к контактам тумб-
лера. Обычно ролик и контакты имеют серебряное покрытие, а внут-
ренняя полость тумблера защищена от проникновения пыли.
Перекидные переключатели марок Т1, Т2, ТЗ, предназначен-
ные для коммутации постоянного и переменного токов 0.2...3 А при
напряжении до 220 В, имеют электрическое сопротивление контак-
тов не более 0,01 Ом и максимальное количество коммутаций не
менее 104. К тумблерам относятся также переключатели марок ТВ,
ТП, П1, П2, МТ, ПТ.
В качестве базового элемента для ряда коммутируемых ком-
понентов РЭС (кнопок, кнопочных и клавишных переключателей,
концевых выключателей исполнительных механизмов) используются
микропереключатели, также относящиеся к коммутационным изде-
лиям с механическим приводом. Его отличие от обычного тумблера
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
241
Рис. 11.3. Устройство
тумблера
Рис. 11.4. Принцип действия микропереключателя:
а - исходное положение; б - при нажатии на привод
состоит в конструкции механизма управления, обеспечивающего
достаточно быстрое переключение контактов независимо от скоро-
сти перемещения привода. В исходном состоянии (рис. 11.4, а)
верхний контакт замкнут с контактом, расположенным на натянутой
плоской пружине, имеющей фигурный вырез. При небольшом нажа-
тии на привод она рывком изгибается, и контакт пружины электриче-
ски замыкается с нижним контактом переключателя (рис. 11.4, 6).
Отличительная особенность микропереключателей состоит в том,
что они обладают только одной группой переключающих контактов.
При необходимости производят объединение нескольких микропе-
реключателей.
Микропереключатели МП, ПМ, П1М допускают максимальный
ток коммутации до 10 Д, максимальное переменное коммутируемое
напряжение 250 В, число переключений 104... 106, электрическое со-
противление контактов 0,05 Ом, верхний температурный предел
+125°С, нижний - 60°С (для МП12, ПМЗ, П1М10, ПМ21 до - 100°С).
Поворотные (галетные) переключатели имеют скользящий
(врубной) контакт, который позволяет повысить стабильность и на-
дежность переходного электрического сопротивления, однако за
счет износа контактирующих поверхностей, снижающего ресурс пе-
реключений. Врубные контакты имеют повышенное контактирующее
усилие и, следовательно, высокое усилие переключения. Значи-
тельные контактные усилия повышают виброустойчивость и ударо-
устойчивость контактов. Материалом контактов служат сплавы меди
(30...50%) с серебром (70...50%).
Целесообразной формой врубных контактов является сфери-
ческая поверхность, сопрягаемая с плоской поверхностью ножа, по-
зволяющая снизить влияние неточностей сопряжения контактных
деталей при сборке (рис. 11.5, а).
Галетные переключатели (марок ПГ, ПП, ПГК, ПГГ) относятся к
группе многополюсных коммутируемых устройств и включают набор
галетных переключающих пластин, связанных общим ротором (рис.
11.5, а). Каждая галета состоит из плоской шайбы, изготовленной из
электроизоляционного материала (например, керамики), на которой
242
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 11.5. Врубные контакты галет-
ных переключателей:
а - контактная пара сфера-плоскость;
б - исходное положение - контакты ра-
зомкнуты; в - ротор с ножом повернут -
контакты замкнуты
Рис. 11.6. Галетный переключатель:
а - внешний вид;
б, в-устройство фиксатора
через 30° укреплены 12 контактных лепестков. В центре галеты раз-
мещается диск с ножевым контактом, установленный на общий для
всех галет роторный поводок, который удерживается в каждом по-
ложении переключателя специальным фиксатором (рис. 11.6, б, в).
Такой переключатель позволяет коммутировать одновременно не-
сколько функционально связанных узлов РЭС, например, для пере-
ключения диапазонов супергетеродинного радиоприемника, у кото-
рого необходимо одновременно коммутировать высокочастотные
контуры антенной цепи, усилителя высокой частоты и гетеродина.
У движковых переключателей (например, типа ПДМ1-1) ком-
мутация осуществляется линейным перемещением движкового при-
вода (рис. 11.7). Такие переключатели применяются, в основном,
для коммутации слаботочных цепей, поскольку сконструированы на
базе микропереключателей типа МПЗ-1, МП-7.
Рис. 11.7. Вид движкового
переключателя типа ПДМ1-1
Рис. 11.8. Вид кнопочного
переключателя типа П2К
Кнопочные переключатели типа П2К (рис. 11.8) состоят из от-
дельных ячеек (модулей) с различным количеством групп контактов
на два положения. Максимальная коммутируемая мощность на по-
стоянном токе 23 Вт, на переменном 50 ВА, при напряжении не бо-
лее 250 В. Переключатель П2К может состоять из одного или не-
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
243
скольких модулей, расположенных рядом. Кнопки переключателя на
два положения могут фиксироваться в каждом из них (возврат в
предыдущее положение производится повторным нажатием данной
кнопки или сбросом общей кнопки без контактов). Модули П2К могут
не иметь фиксатора.
11.3.	Реле
Слаботочные реле
Контактные
Электромагнитные
Магнитоуправляемые
Электростатические
Электромагнито-
стрикционные
Электротепловые
Бесконтактные
Электронные
Оптоэлектронные
Криотронные
Реле предназначены для коммутации электрических цепей.
Существует достаточно большое разнообразие реле, но в каждом из
них можно выделить управляющую и исполнительную части. В со-
ставе РЭС применяются, главным образом, слаботочные реле, ха-
рактеризуемые невысокими значениями управляющих и исполни-
тельных токов.
Если в переключателях коммутация производится за счет
внешнего механического усилия, прикладываемого к кнопке, клави-
ше, рычагу тумблера или ручке галетного переключателя, то прин-
цип действия реле основан на использовании электрического, маг-
нитного или теплового полей.
Классификация слаботочных реле по принципу действия
управляющих и исполнительных частей приведена на рис. 11.9.
К основным характеристикам
реле относятся: напряжения и токи
срабатывания и отпускания реле,
время срабатывания реле, электриче-
ское сопротивление между коммути-
руемыми выводами, коммутируемая
мощность, ресурс срабатываний, ус-
ловия эксплуатации, масса, габарит-
ные размеры. К быстродействующим
реле относят те из них, у которых вре-
мя срабатывания не превышает 5 мс,
к замедленным - у которых время сра-
батывания более 15 мс.
Каждый тип реле имеет специ-
фические особенности эксплуатации,
достоинства и недостатки. Рацио-
нальное использование слаботочных
реле позволяет повысить эксплуата-
ционные качества РЭС.
Рис. 11.9. Классификация
слаботочных реле
244
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Независимо от принципа дейст-
вия реле и его устройства общим для
них всех является ключевая (релейная)
характеристика, показывающая связь
значения сигнала управления с момен-
том срабатывания и отпускания реле,
т.е. с моментом скачкообразного изме-
нения электрического сопротивления
между выводами ключа.
Наибольшее распространение
получили слаботочные реле электро-
магнитного типа (рис. 11.10, а). Энергия
управляющего электрического тока по-
ступает в обмотку реле и преобразуется
в энергию магнитного поля, которое
притягивает ферромагнитный якорь,
механически связанный с контактами
реле. Возврат в исходное состояние
происходит под действием силы пружи-
ны. Благодаря простой конструкции ре-
ле такого типа могут быть изготовлены
на различные коммутируемые и управ-
ляющие напряжения и токи. Коммути-
руемые контакты имеют достаточно
малое переходное сопротивление и
гальванически развязаны с цепью
управления. К недостаткам следует от-
нести невысокую чувствительность
(мощность срабатывания не менее
10... 100 мВт), инерционность подвиж-
ных частей и их износ, а также возмож-
ность возникновения дребезга контак-
тов вследствие их соударения при ком-
мутации.
Магнитоуправляемые (герконо-
вые) реле (рис. 11.10, б) являются раз-
новидностью электромагнитных реле, у
которых функционально объединены
коммутирующая и управляющая состав-
ные части, благодаря чему повысилось
быстродействие, снизился износ.
Электростатические реле (рис.
11.10, в) состоят из металлической мем-
браны с подвижным контактом, которая
Рис. 11.10. Схематическое
изображение принципа
действия слаботочных реле
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
245
притягивается к неподвижному электроду кулоновскими силами за-
рядов, образующихся при сообщении электродам определенного
электрического потенциала (не менее 6... 12 В). При снятии потен-
циала мембрана под действием собственной упругости возвращает-
ся в исходное положение. Электростатические реле имеют весьма
малую мощность управления (практически не потребляют энергию)
и небольшие габариты и массу (0,1...0,2 г), что позволяет их разме-
щать в корпусах интегральных схем. Однако переходное электриче-
ское сопротивление достаточно велико (единицы ом) и нестабильно
при внешних воздействиях и во времени. Максимальный коммути-
руемый ток не более 0,1 А, напряжения - около 30 В.
Функционирование электромагнитострикционных реле (рис.
11.10, г) основано на том, что в сильных электрических и магнитных
полях происходит изменение геометрических размеров кристаллов не-
которых твердых веществ, которое может быть использовано для ком-
мутирования контактов. Обладая достоинствами электромагнитных
реле, вместе с тем электромагнитострикционные реле, имеющие уве-
личенные габариты и массу, инерционны, а для коммутации требуют
использования достаточно сильных магнитных и электрических полей.
В электротепловых реле (рис. 11.10, д) коммутация контактов
происходит за счет изменения профиля биметаллической пластины
при ее нагревании окружающей средой или управляющим электри-
ческим током. Основным назначением этого простого по конструкции
реле следует считать задание задержки времени (функции таймера
с точностью не лучше ±10% при выдержках не более 3-103 с) или
контроль окружающей температуры.
В качестве контактирующего элемента в электронных (полупро-
водниковых) реле (рис. 11.10, е) используют р-л-переходы транзисто-
ра, включенного по схеме простого ключа. Управляющее напряжение
подают на вход ключа. Такое построение реле позволяет добиться
высокого быстродействия, отсутствия дребезга контактов, износо-
стойкости, чувствительности, надежности, возможности размещать
в составе интегральных микросхем. Однако следует учитывать, что
применение электронных реле связано с отсутствием гальванической
развязки между токоведущими цепями управления и коммутации,
с необходимостью соблюдения заданных режимов работы ключевой
схемы по постоянному току, которая может обеспечить электрическое
сопротивление открытого состояния лишь в пределах 1...100 Ом. Как
и все полупроводниковые компоненты, электронные реле сущест-
венно изменяют свои свойства при радиационных воздействиях
и колебаниях температуры.
В оптоэлектронных реле (рис. 11.10, ж) электрический сигнал
управления преобразуется в оптический (световой) сигнал, который,
воздействуя на фотоприемник (фотодиод, фототранзистор, фототи-
246
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ристор), изменяет его электрическое сопротивление, включенное
в исполнительную цепь. Реле этого типа обладает кроме преиму-
ществ электронного реле еще и гальванической развязкой управ-
ляющей и исполнительной цепей. Однако реле чувствительно к тем-
пературе и неустойчиво срабатывают при реактивной нагрузке.
В криотронных реле (рис. 11.10, з) используется эффект пере-
хода некоторых материалов в сверхпроводящее состояние при сни-
жении его температуры до определенного значения. Обратный пе-
реход производят увеличением внешнего магнитного поля до задан-
ного уровня. Управляющее магнитное поле образуется током, проте-
кающим через обмотку.
Ни один из перечисленных принципов действия не является
универсальным для выполнения задач коммутирования электриче-
ских цепей РЭС.
Электромагнитные реле нашли самое широкое применение
в составе РЭС и других областях техники, составляя более полови-
ны всех выпускаемых типов реле. Они различаются по чувствитель-
ности, массе, виду управления, коммутируемой мощности, уровню
защищенности от внешних воздействий. Условно электромагнитные
реле можно классифицировать по цепи управления - на высокочув-
ствительные (мощностью управления до 10 мВт), средней чувстви-
тельности (до 50 мВт), нормальные (более 50 мВт); по массе - мик-
роминиатюрные (массой до 6 г), миниатюрные (до 16 г), малогаба-
ритные (до 40 г), нормальные (свыше 40 г). По коммутирующим це-
пям электромагнитные реле относят к высокочастотным или низко-
частотным, поляризованным, переключающим, по коммутируемым
мощностям (до 5, 30, 60 и 300 Вт), по коммутируемым напряжениям
и токам, по уровню защищенности (пылезащищенные, герметичные).
Наиболее высокой чувствительностью отличаются поляризо-
ванные реле (мощность управления 0,7...5 мВт), имеющие большой
ресурс коммутации (до 107 переключений), высокое быстродействие.
Однако они имеют всего один контакт на переключение с коммути-
руемой мощностью до 15 Вт.
Магнитная и контактная части электромагнитных реле весьма
разнообразны по конструкции и применяемым материалам. На рис.
11.11, а приведен эскиз поляризованного реле, а на рис. 11.11, б -
переключающего реле. При расположении якоря в нейтральном по-
ложении магнитный поток небольшого постоянного магнита равно-
мерно распределяется по плечам магнитопровода, в которых они
взаимно компенсированы. При протекании по обмоткам тока управ-
ления возбуждает дополнительный магнитный поток, который в од-
ном плече суммируется с потоком постоянного магнита, а в другом -
вычитается. Якорь реле притягивается к другому плечу магнитопро-
вода при смене направления тока управления.
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
247
а	б
Рис. 11.11. Конструкции электромагнитных реле:
а - поляризованное реле; б - переключающее реле;
в - реле клапанного типа
в
Переключающее реле имеет подобную конструкцию, но при
отсутствии тока управления якорь находится у одного из полюсов,
реализуя так называемую магнитную защелку (блокировку). Пере-
ключение реле произойдет при подаче импульса тока управления
соответствующей полярности на одну из обмоток. Длительность
управляющих импульсов 10...50 мс. Этот способ коммутирования
экономичнее первого.
Электромагнитное реле клапанного типа (рис. 11.11, в) имеет
рычажный привод контактов, который является одним из наиболее
простых и технологичных. При протекании постоянного тока через
обмотку управления клапан якоря притягивается к сердечнику и ры-
чагом привода замыкает или размыкает установленные около него
контакты. У большинства выпускаемых в настоящее время электро-
магнитных реле используется конструкция такого типа.
Рис. 11.12. Некоторые типы электромагнитных реле, управляемых
постоянным током:
а-РЭСЮ; б-РЭС15; в-РЭС49
Для слаботочных реле минимальные значения коммутируемых
токов составляют 5-10-6 А, напряжений 5-10-3 В, определяемые, в
основном, токами утечки, а также ЭДС шумов, возникающих при кон-
тактировании. Ресурс коммутаций растет с понижением коммути-
руемой нагрузки и далее зависит от износа механической системы,
не превышая 106...107 коммутаций.
248
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
К электромагнитным реле, управляемым постоянным током
(рис. 11.12), относятся наборы РЭС6; РЭС9; РЭС10; РЭС15; РЭС22;
РЭС32; РЭС34; РЭС47; РЭС48; РЭС49; РЭС53; РЭС54; РЭС59;
РЭС60; РЭС79; РЭС80, содержащих более двух сотен типономина-
лов, которые могут коммутировать цепи постоянного и переменного
токов. Все перечисленные реле являются двухпозиционными.
Реле с герметическими контактами (рис. 11.13, а) позволяют
повысить надежность коммутирования, стабильность переходного
электрического сопротивления контактов, электрическое сопротивле-
ние изоляции, увеличить ресурс срабатываний и др. Реле этого типа
содержат в своем составе герметические ферромагнитные пружин-
ные контакты (герконы), управляемые внешним магнитным полем.
Пружинные контакты запаяны в стеклянную колбу, заполненную
инертным газом, азотом или водородом. Геркон размещают внутри
катушки, через которую может протекать постоянный ток управления
(произвольного направления), создавая необходимое магнитное поле
для замыкания или размыкания герметических контактов.
а	б
Рис. 11.13. Устройство реле с герметическими контактами:
а - управляемое постоянным током; б - поляризованное
К герконовым реле постоянного тока относятся РЭС42; РЭС43;
РЭС55; РЭС64; РЭС81-РЭС86, которые являются одностабильными
и только с замыкающими контактами (число замыкающих контактов
от одного до шести).
Поляризованные герконовые реле постоянного тока позволяют
обеспечить двухстабильное коммутирование благодаря установлен-
ному в герконе постоянному магниту (рис. 11.13, б). Характеристики
дополнительного магнита подобраны таким образом, чтобы его маг-
нитный поток был недостаточным для срабатывания геркона, но мог
удержать его в замкнутом положении достаточно длительный интер-
вал времени. При появлении импульса перемагничивания гермети-
ческие контакты размыкаются.
К одностабильным поляризованным герконовым реле относятся
РПС49; РПС51; РПС53; РПС55. К двухстабильным - типы РПС50;
РПС52; РПС54; РПС56, причем в реле РПС49; РПС50 установлены
два геркона, в реле РПС51; РПС52 - четыре, в реле РПС49 - шесть,
а в реле РПС55; РПС56 - восемь герконов. К сожалению, поляризо-
ванные герконовые реле устойчиво работают в ограниченном темпе-
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
249
ратурном диапазоне (-1О...+7О°С) при максимальной частоте комму-
тирования 5...25 Гц и сопротивлении контактов 0,18...0,25 Ом. Допус-
тимый коммутируемый ток не более 1 ...35 мА.
Появление необратимых процессов на поверхности контактов,
на стекле, спае стекла с выводами ограничивает максимальное ко-
личество коммутаций герконового реле. Существенное влияние ока-
зывают вид и уровень нагрузок контактов. Размыкание цепи с индук-
тивной нагрузкой сопровождается значительными перенапряжения-
ми с возникновением электрических разрядов. Емкостная нагрузка
при замыкании контактов ведет к появлению бросков коммутируемо-
го тока, которые способны вызвать слипание контактов. Большое
влияние на ресурс реле оказывает частота коммутирования. Напри-
мер, при частоте коммутирования в 50 Гц срок службы геркона со-
ставит всего около 5 ч.
Следует отметить одну из особенностей механических комму-
тируемых компонентов - непосредственное подключение сигналов
от механических контактов (при срабатывании реле, кнопок, пере-
ключателей и др.) к цифровым узлам РЭС недопустимо вследствие
дребезга контактов. Дребезг контактов - это явление многократно-
го неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в моменты
их пружинящего соприкосновения. Оно приводит к формированию
пачки импульсов (вместо требуемого одиночного импульса или пе-
репада напряжения), способных вызвать многократное непредска-
зуемое срабатывание цифровых логических элементов и счетчиков.
Известно множество вариантов цепей подавления дребезга
контактов, например, с помощью статического триггера, дифферен-
цирующей и интегрирующей цепей, а также узла, обладающего
свойствами интегрирующей цепи и триггера Шмитта. На рис. 11.14
приведены некоторые приемы подавления дребезга.
Наиболее надежной и простой в схемном решении является
схема подавления дребезга на статическом триггере (рис. 11.14, а).
Сигнал 0, подаваемый с помощью переключателя к одному из входов
этого триггера, вызывает его срабатывание. Причем при каждом на-
жатии переключателя (кнопки) триггер реагирует на первое же замы-
кание соответствующей контактной пары и последующие замыкания
уже не изменяют его состояния. Недостатком такой схемы является
необходимость использования контактов на переключение, что не
всегда приемлемо. В тех случаях, когда кнопка (переключатель) име-
ет всего одну пару контактов только на замыкание, применяются схе-
мы, использующие постоянную времени перезаряда конденсатора.
Формирователь, показанный на рис. 11.14, б, лишен этого не-
достатка. Он состоит из триггера Шмитта, на входе которого включе-
на интегрирующая цепь (R2, С). При замыкании контактов кнопки SB
напряжение на входе цепи R2C падает до нуля. Возникающие в про-
250
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 11.14. Схемы устранения дребезга механических контактов
с применением:
а - статического триггера; б - триггера Шмитта;
в - формирователя на одном инверторе
цессе переключения кратковременные импульсы, вызванные дре-
безгом, сглаживаются интегрирующей цепью. Постоянная времени
интегрирующей цепи выбирается так, чтобы амплитуда пульсаций
сигнала на ее выходе была меньше порога чувствительности тригге-
ра Шмитта. Такой формирователь может работать и без резистора
R2 (его включают в качестве токоограничивающего сопротивления
через замкнутые контакты кнопки). Благодаря малому сопротивле-
нию замкнутых механических контактов первое же их замыкание
приводит к полному разряду конденсатора. Последующие же размы-
кания контактов, вызванные дребезгом, практически не увеличивают
напряжение на конденсаторе вследствие относительно большой по-
стоянной времени его заряда.
Формирователь импульсов на одном инверторе (рис. 11.15, в)
позволяет использовать относительно большую постоянную време-
ни перезаряда конденсатора при малой его емкости. При замыкании
контактов кнопки конденсатор С быстро разряжается через резистор
R2. В отличие от рассмотренных выше формирователей, здесь на
выходе вырабатывается импульс, длительность которого определя-
ется постоянной времени цепи.
Получили распространение также два программных способа
ожидания установившегося значения: подсчет заданного числа сов-
падающих значений сигнала и временная задержка. Первый способ
состоит в многократном считывании сигнала с контакта. Подсчет
удачных опросов (т.е. опросов, обнаруживших, что контакт устойчиво
замкнут) ведется программным счетчиком. Если после серии удач-
ных опросов встречается неудачный, то подсчет начинается снача-
ла. Контакт считается устойчиво замкнутым (дребезг устранен), если
последовало N удачных опросов. Число N подбирается эксперимен-
тально для каждого типа используемых датчиков и лежит в пределах
от 5 до 50. Второй способ позволяет срабатывать логическому узлу
после некоторого периода задержки.
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
251
11.4.	Электрические соединители
В условиях эксплуатации и производства РЭС, которые конст-
руктивно могут иметь достаточно сложный состав, электрические
соединения узлов и блоков РЭС целесообразно осуществлять с по-
мощью специальных изделий, называемых электрическими соеди-
нителями (электрическими разъемами). Использование таких соеди-
нителей позволяет упростить электрическое подключение и обеспе-
чить его высокую надежность.
Необходимость использования электрических разъемов, на-
пример, в авиационных РЭС, вызвана требованием их периодиче-
ских проверок (регламентных работ) через определенное количество
летных часов, для проведения которых проверяемые блоки электри-
чески и механически отсоединяют и на их место устанавливают уже
проверенные блоки. Таким образом, обеспечивается оперативность,
качество и удобство обслуживания.
Наибольшее распространение получили штепсельные соеди-
нители, осуществляющие электрическое соединение электрических
цепей с помощью пары или нескольких пар разъемных контактов,
входящих один в другой или соприкасающихся между собой.
Известно достаточно большое количество видов штепсельных
соединителей, применяемых в зависимости от специфических осо-
бенностей электрических цепей и требований к соединениям (по ме-
ханической устойчивости, пыле-, влагозащищенности и др.). На рис.
11.15 изображены некоторые из возможных форм контактных шты-
рей и гнезд штепсельных разъемов.
Рис. 11.15. Возможные формы некоторых контактных штырей и гнезд:
а - формы штырьковых контактов; б - формы гнездовых контактов
Штепсельные соединители (рис. 11.16) могут быть классифи-
цированы на следующие группы: низковольтные низкочастотные
(постоянного, переменного, импульсного токов с частотой до 3 МГц
и напряжением до 1,5 кВ), высоковольтные соединители (постоянно-
го, переменного, импульсного токов с частотой до 3 МГц и напряже-
нием свыше 1,5 кВ), радиочастотные соединители (переменного и
импульсного тока с частотой до 20 ГГц), импульсные соединители
252
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
(импульсного тока с длительностями импульсов до единиц наносе-
кунд), комбинированные соединители (низковольтные низкочастот-
ные, высоковольтные низкочастотные, радиочастотные).
Рис. 11.16. Конструкция штепсельного соединителя типа ШР:
1 - контактные узлы; 2 - изоляционные детали; 3 - корпусные детали
По конструктивным признакам штепсельные соединители мо-
гут быть межблочными, блочными, проходными, кабельными. Каж-
дый из них состоит из двух контактных узлов, обеспечивающих уста-
новленное значение переходного электрического сопротивления в
заданных условиях эксплуатации. По форме электрические соедини-
тели могут быть цилиндрическими и прямоугольными.
Внутриблочные электрические соединители используются для
электрического соединения узлов блока, выполненных с помощью
печатного монтажа. На рис. 11.17 изображен вид штыревой части
внутриблочного соединителя, у которого согнутые под прямым углом
выводы запаивают в печатную плату узла. Гнездовую часть разъема
устанавливают на общей соединительной печатной плате или на
шасси блока.
Межблочные электрические соединители предназначены для
соединения низкочастотных и высокочастотных цепей блоков, вхо-
дящих в состав РЭС.
К низкочастотным относятся соединители типа ГРМ, 2РМ,
СНП, РПС (рис. 11.18) и др.; к высокочастотным - типа CP-50; СР-75
с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом (рис. 11.19).
Комбинированные электрические соединители могут содер-
жать в своем составе низкочастотные низковольтные и высокочас-
тотные контакты, служащие для подключения блоков между собой.
Для электрического соединения печатных плат устройств рас-
ширения с системной платой компьютеров широко используются
слотовые соединители, одна из разновидностей которых представ-
лена на рис. 11.20, а. Контактный узел слотового соединителя (рис.
11.20, 6) включает две контактные пружины (имеющие покрытие из
благородных металлов), охватывающие краевые контакты встав-
ляемой печатной платы расширения.
11. Коммутируемые компоненты (переключатели, реле, соединители)
253
Рис. 11.17. Штыревая часть
соединителя типа ГРПМ
Рис. 11.18. Устройство соединителя
типа РПС
Рис. 11.19. Высокочастотный
соединитель типа СР-75
Рис. 11.20. Слотовые электрические соеди-
нители:
а - внешний вид; б - конструкция контактов
Контрольные вопросы
1.	Каковы основные функции коммутируемых компонентов?
2.	Назовите типы коммутируемых компонентов, используемых в составе
РЭС.
3.	Перечислите основные характеристики коммутируемых компонентов.
4.	Каков принцип действия коммутируемых компонентов типа реле?
5.	Каково назначение электрических соединителей в составе РЭС?
6.	Объясните явление дребезга контактов и меры борьбы с ним.
12.	ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ
К полупроводниковым компонентам относятся полупроводни-
ковые диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы.
Основой работы полупроводниковых компонентов является р-л-
переход, представляющий собой границу раздела областей полупро-
водникового материала, обладающих р- и п-электропроводностями.
В выпрямительных низкочастотных и высокочастотных диодах, а так-
же в силовых диодах используются выпрямительные свойства р-л-
перехода. В варикапах и параметрических диодах используется
управляемая напряжением емкость р-л-перехода. На явлении пробоя
р-л-перехода работают стабилитроны, а на отрицательном электри-
ческом сопротивлении р-л-перехода с высокой концентрацией приме-
си - туннельные диоды.
Биполярный транзистор содержит два р-л-перехода, находя-
щихся достаточно близко (на расстоянии около 1 мкм или менее).
Электрическое сопротивление коллекторного р-л-перехода зависит
от тока, протекающего через другой (эмиттерный) переход. В поле-
вом (униполярном) транзисторе используется изменение электриче-
ского сопротивления тонкого приповерхностного канала полупро-
водникового монокристалла под воздействием напряжения, пода-
ваемого на изолированный от канала затвор.
Три р-л-перехода содержатся в тиристоре, выполняющем
функции электрически управляемого ключа, используемого в цепях
управления и защиты.
Интегральная микросхема может содержать в своем составе
большое число диодов и транзисторов, выполняющих разнообраз-
ные функции и размещенных на небольшом кристалле полупровод-
никового материала.
Аналоговые микросхемы находят применение в измеритель-
ных, усилительных, преобразовательных узлах РЭС, системах авто-
матического регулирования и контроля. Типовым компонентом таких
узлов является операционный усилитель (ОУ), позволяющий созда-
вать с его помощью усилители, генераторы сигналов различной
формы, интеграторы, дифференциаторы, пороговые узлы и др.
Цифровые микросхемы служат созданию РЭС, обрабатываю-
щих значительные потоки информации, осуществляющих их слож-
ные преобразования и вывод результатов.
12. Полупроводниковые компоненты
255
12.1.	Электронно-дырочный переход
Если монокристалл полу-
проводника содержит области
электронной и дырочной прово-
димости, то, как известно, по-
верхность, разделяющая эти об-
ласти, называется р-л-переходом.
На рис. 12.1, а изображены две
граничащие области кристалла
полупроводника, одна из которых
содержит донорную примесь (об-
ласть электронной, т.е. л-прово-
димости), а другая - акцепторную
примесь (область дырочной, т.е.
р-проводимости). С целью упро-
щения можно считать, что грани-
ца между областями выражена
достаточно четко.
При этом следует иметь в
виду, что р-л-переход невозможно
реализовать соприкосновением
двух пластин из разнородных по-
лупроводниковых материалов, по-
скольку при этом неизбежно воз-
никает промежуточный слой (воз-
духа или поверхностных пленок).
Рассматриваемый р-л-переход изготавливается в едином кри-
Рис. 12.1. Проявление свойств
р-л-перехода:
а - возникновение пространственных
зарядов; б - распределение плотности
зарядов на границе раздела;
в - потенциальный барьер
сталле полупроводника, в котором получена достаточно резкая гра-
ница между областями.
При отсутствии приложенного к кристаллу электрического на-
пряжения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из
одной области в другую. Поскольку концентрация электронов в
л-области выше, чем в p-области, они диффундируют в р-область,
заряжая отрицательно пограничный слой этой области. В свою оче-
редь, дырки диффундируют в л-область и заряжают ее пригранич-
ный слой положительно. Таким образом, через достаточно короткий
промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуют-
ся противоположные по знаку пространственные заряды, плотность
которых зависит от расстояния (рис. 12.1, б).
Создаваемое пространственным зарядом электрическое поле
препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок в противо-
положных направлениях. Возникает так называемый потенциальный
барьер, высота которого характеризуется разностью потенциалов
Дф, установившейся в приграничном слое. Чем значительнее раз-
256
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ность потенциалов Дф, тем труднее основным носителям зарядов
его преодолеть. В приграничном слое происходит обеднение основ-
ных носителей зарядов соответствующей области. Поэтому р-п-
переход часто называют запирающим слоем (рис. 12.1, в).
Если к р-п-переходу приложить внешнее электрическое на-
пряжение так, что к области с электронной проводимостью подклю-
чен отрицательный полюс источника напряжения, а к области с ды-
рочной проводимостью - положительный (рис. 12.2, а), то направле-
ние напряжения внешнего источника будет противоположно по знаку
электрическому полю р-п-перехода (его потенциальный барьер сни-
зится, а запирающий эффект будет ослаблен). Снижение потенци-
ального барьера вызовет увеличение тока через р-п-переход.
Рис. 12.2. Возникновение тока через р-п-переход при прямой (а)
и обратной (б) полярности приложенного напряжения
Если изменить полярность приложенного к р-п-переходу на-
пряжения, то электроны из приграничного слоя начнут движение от
границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки - к
отрицательному (рис. 12.2, б). Следовательно, свободные электро-
ны и дырки будут отходить от границы областей, образуя прослойку,
в которой практически отсутствуют носители зарядов. В этом случае
ток через р-п-переход снижается в десятки тысяч раз, что прибли-
женно можно считать отсутствием тока.
Резкое различие уровней
электрической проводимости р-п-
перехода отражается его вольтам-
перной характеристикой (кривая 1
на рис. 12.3), показывающей зави-
симость значения тока через р-п-
переход от полярности и уровня
приложенного напряжения. Вольт-
амперная характеристика р-п-пере-
хода в германии с достаточной для
практики точностью может быть
представлена соотношением:
Рис. 12.3. Вольтамперная характе-
ристика р-п-перехода:
1 - при нормальной температуре;
2 - при повышенной температуре
12. Полупроводниковые компоненты
257
l(U) = lHac
exp
mllT
где I - ток через р-л-переход; 1нас- обратный ток насыщения р-л-
перехода, определяемый теоретически по физическим свойствам
полупроводника (тепловой ток); U- приложенное напряжение к р-л-
переходу; UT- термический потенциал (равный при нормальной
температуре 25,5 мВ); т=1-2 (эмпирический коэффициент: так на-
зываемый m-фактор).
При положительных напряжениях через р-л-переход протекает
прямой ток (соответствует так называемой прямой ветви вольтам-
перной характеристики), обусловленный высокой электрической
проводимостью. Отрицательным напряжениям соответствует обрат-
ная ветвь тока.
При малых отрицательных напряжениях (Uo6p< 0,1...0,15 В)
значение экспоненциальной составляющей в выражении для тока
через р-л-переход становится менее единицы, а обратный ток при-
обретает постоянное значение lo6p= - 1нас. Такая зависимость об-
ратного тока специфична для германиевых р-л-переходов. Для
кремниевых и арсенид-галлиевых р-л-переходов к обратному току
добавляется ток термогенерации.
При малых обратных напряжениях на р-л-переходе слой про-
странственного заряда существенно обеднен носителями заряда (их
концентрация практически нулевая) и в нем происходит термическая
генерация электронно-дырочных пар, не уравновешенных процес-
сом рекомбинации (противоположным процессом). При генерации
такой пары электрическое поле пространственного заряда выталки-
вает электрон в электрически нейтральную приграничную л-область,
а дырку - в электрически нейтральную приграничную р-область.
Этим создается еще один обратный ток р-л-перехода, называемый
током термогенерации 1тг, который пропорционален объему слоя
пространственного заряда (произведению площади р-л-перехода на
толщину слоя). С увеличением обратного напряжения толщина про-
странственного заряда возрастает вместе с током термогенерации.
Чем более ширина запрещенной зоны, тем более 1тг.
Для германиевого р-л-перехода ток термогенерации обычно
невелик. Для р-л-перехода в кристалле кремния и арсенида галлия
1ТГ» 1нас(на тРИ-четыре порядка) и поэтому 1тг вносит основной
вклад в обратный ток перехода этих полупроводников.
При увеличении обратного напряжения на р-л-переходе может
произойти его пробой при значении U = ипроБ , которое зависит от
-—2134
258
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
материала и конструкции р-л-перехода. Пробой характеризуется
резким увеличением обратного тока. Если не включать последова-
тельно р-л-переходу ограничивающий резистор, то происходит разо-
грев перехода (вплоть до расплавления) и его разрушение.
При изготовлении р-л-перехода в тонкий приповерхностный
слой полупроводника вводят небольшое количество примеси.
Сплавной (плоскостной) р-л-переход изготавливают путем
плавления в инертной среде алюминиевой таблетки, расположенной
на поверхности кремния л-типа (рис. 12.4, а, б). Алюминий, расплав-
ляясь, растворяет некоторое количество кремния, образуя силумин.
При охлаждении (рис. 12.4, в) часть попавшего в раствор кремния
образует рекристаллизованную монокристаллическую прослойку
монокристаллического кремния, легированную алюминием и имею-
щую электрическую проводимость p-типа. В окончательно охлаж-
денном виде образуется твердый металлический электрод, контак-
тирующий с кремнием p-типа, который, в свою очередь, образует
с исходным кремнием п-типа сплавной р-л-переход. На противопо-
ложную сторону полупроводниковой пластины вплавляют тонкую
металлическую прокладку - второй электрод.
а	б	в
Рис. 12.4. Операции изготовления сплавного (плоскостного) р-л-перехода:
а - алюминиевая таблетка на поверхности кремния л-типа;
б - плавление алюминия и образование раствора с кремнием;
в - формирование прослойки p-типа; г - образование металлических
электродов сплавного р-л-перехода
По сплавной технологии изготовлены, например, германиевые
выпрямительные диоды Д302-Д305; кремниевые - Д202-Д205;
Д214; Д215идр.
Диффузионный р-л-переход изготавливают с помощью диф-
фузионного легирования, состоящего из двух операций. Сначала
в тонкий приповерхностный слой кремниевого полупроводника вво-
дят примесь с необходимыми свойствами (ионным легированием
или прямой диффузией). Затем производят термическую обработку
пластины, при которой происходит более глубокая диффузия приме-
си (на глубину 0,2...20 мкм). На рис. 12.5 схематически представлен
процесс локального диффузионного легирования, при котором на
первой операции вводят примесь через окна (рис. 12.5, а), создан-
ные с помощью фотолитографии в поверхностном слое двуокиси
12. Полупроводниковые компоненты
259
кремния. После термической обработки формируют p-область крем-
ния необходимой глубины и профиля (рис. 12.5, б). Через предвари-
тельно сформированные окна методом напыления с вжиганием
алюминия изготавливают металлические электроды к р- и п-
областям (рис. 12.5, в).
б
Рис. 12.5. Операции изготовления диффузионного р-п-перехода:
а - легирование через окно; б - образование р-области;
в - изготовление металлических электродов
С помощью диффузионной технологии произведены, напри-
мер, кремниевые выпрямительные диоды Д229; Д331-Д234; Д242-
Д248; КД 106; 2Д201-2Д204; КД213, КД216; КД226 и др.
12.2.	Полупроводниковые диоды
В основе изготовления всех полупроводниковых диодов (кро-
ме диодов Ганна и диодов с барьером Шоттки) лежит создание р-п-
перехода, который в зависимости от назначения диода отличается
концентрацией примеси, формой, глубиной и площадью.
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
К выпрямительным диодам относятся диоды, предназначен-
ные для выпрямления переменного тока во вторичных источниках
питания и других цепях.
Важнейшими характеристиками полупроводниковых диодов
являются: прямой ток 1пр, прямое падение напряжения U пр при
заданном I пр , обратный ток 10Бр при заданном обратном напряже-
нии иоБР, максимальный прямой ток lnpmax, максимальное обратное
напряжение U0BPmax. Конструкция одного из выпрямительных полу-
проводниковых диодов изображена на рис. 12.6 (1 - кристалл с р-п-
переходом в защитной обмазке; 2 - внутренний вывод; 3 - корпус;
4 - стеклянный изолятор; 5 - внешний вывод; 6 - кристаллодержа-
тель; 7- внешний вывод).
260
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 12.6. Конструкция
выпрямительного диода средней
мощности
Рис. 12.7. Конструкция точечного
диода (а) и конфигурация точечного
контакта (б)
По уровню прямого тока выпрямительные диоды могут отно-
ситься к диодам малой (до 0,3 А), средней (0,3... 10 А) и большой
(более 10 А) мощности. Последовательно включенные диоды, кон-
структивно объединенные в общем корпусе, называют выпрями-
тельными столбами, предназначенными для работы на высоких
(до 15 кВ) напряжениях. В выпрямительных блоках четыре или во-
семь диодов соединены по мостовой схеме выпрямления.
В отличие от плоскостного диода в основе работы точечного
диода (рис. 12.7, а) лежит эффект выпрямления на границе между
металлической иглой и пластиной полупроводника. Этот эффект
проявляется даже при их простом соприкосновении.
Для повышения стабильности характеристик точечный контакт
получают путем электрической формовки, заключающейся в пропус-
кании через контакт мощных коротких импульсов тока в прямом и
обратном направлениях. Количество, уровень и длительность фор-
мующих импульсов рассчитывают так, чтобы осуществить кратко-
временный сильный местный нагрев контакта, при котором возника-
ет микросплав металла иглы с полупроводником. При таком сплав-
лении меняется тип проводимости в тонком сферическом слое полу-
проводника, прилегающем к концу иглы - исходная л-проводимость
полупроводниковой пластины в тонком слое изменяется на
р-проводимость (рис. 12.7, б). Преобразование типа электрической
проводимости объясняется диффузией примесей, поступающих из
металла иглы в полупроводник при сильном разогреве и частичном
плавлении обоих материалов (например, игла из бериллиевой бронзы
способна при нагреве внедрить акцепторную примесь в германий).
Небольшая площадь р-л-перехода хотя допускает малую
мощность (5...20 мВт при токе не более 10...20 мА), но обладает
малой емкостью (радиус точечного контакта 2...5 мкм), что позволя-
12. Полупроводниковые компоненты
261
ет применять германиевые и кремниевые точечные диоды для де-
тектирования и преобразования высокочастотных сигналов, включая
диапазон СВЧ.
К точечным германиевым диодам относятся, например, Д2; Д9;
ДЮ; ГД107 и др.; к кремниевым - Д101-ДЮЗ.
ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ
Импульсные диоды применяют в цепях преобразования высо-
кочастотных и импульсных сигналов. Они имеют сравнительно не-
большие значения прямого тока (1...Ю0 мА) и обратных напряжений
(1...Ю0 В), но отличаются высоким быстродействием (малым вре-
менем восстановления обратного электрического сопротивления
1...500 нс; низким зарядом переключения и собственной емкостью
0,1...5 пФ).
К импульсным германиевым диодам относятся Д18; Д20;
Д310-Д312; ГД507; ГД511 и др.; к импульсным кремниевым - Д219;
Д220; 2Д502-2Д522; КД512-КД514; к арсенид-галлиевым - АД516;
ЗА527.
Еще более высоким быстродействиём обладают диоды Шотки
(с выпрямляющим переходом металл-полупроводник), которые в
отличие от обычного р-л-перехода почти не накапливает неосновных
носителей заряда при протекании прямого тока (время восстановле-
ния около 100 пс). Для реализации таких диодов применяют вакуум-
ное напыление металлических контактов и эпитаксиальное наращи-
вание тонкого высокоомного слоя полупроводника на низкоомной
подложке. В результате у диодов Шотки, по сравнению с обычным р-
л-переходом, отсутствует явление инжекции неосновных носителей
заряда при прямом напряжении (следовательно, отсутствует эффект
накопления и рассасывания этих зарядов), а инерционность обу-
словлена только барьерной емкостью контакта, которая может быть
изготовлена весьма малой при уменьшении размеров диода. Благо-
даря названным свойствам диоды Шотки обладают временем пере-
ключения до 0,1 нс, а рабочий диапазон частот составляет 3... 15 ГГц
(диоды кремниевые 2Д419; 2Д921-2Д925; арсенид-галлиевые
ЗА527; ЗА529; 3A530).
Для формирования пикосекундных импульсов применяют им-
пульсные диоды с накоплением заряда (резким восстановлением),
которые отличаются возможностью добиться крайне короткой дли-
тельности спада переходного обратного тока при переключении с
прямого напряжения на обратное (например, импульсные диоды
2Д524; 2Д528 имеют время выключения 1Выкл в пределах 50...300 пс).
Этих свойств диода удается достичь специальным распределением
примеси в р-л-переходе. На рис. 12.8, а приведена схема формиро-
вателя среза импульса, в которой диод с накоплением заряда вклю-
262
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
чен последовательно в цепи прохождения импульса. Входной им-
пульс с относительно пологими фронтами проходит через диод с
накоплением заряда, по которому протекает постоянный прямой ток
от внешнего источника. На выходе формирователя длительность
среза импульса резко сокращается до tBb|KJ1 (рис. 12.8, б).
Рис. 12.8. Формирователь длительности среза импульса на диоде
с накоплением заряда(а) и эффект укорочения среза входного импульса (6)
Емкость слоя пространственного заряда, возникающая при
обратных напряжениях на р-л-переходе и называемая барьерной
СБ , возрастает с приближением обратного напряжения 110БР к нулю:
СБ=СБ(0)[Дф/(Дф-и)]"/п>, где СБ(0) - барьерная емкость при
U = 0; п - эмпирический коэффициент (n= 2...3); Дф - высота по-
тенциального барьера (например, для кремния Дф= 0,5...0,6 В).
Значения СБ составляют от 0,4 до 20...50 пФ, измеренные в режиме
малого по амплитуде сигнала в 1 ...10 мВ.
ВАРИКАПЫ
Полупроводниковые диоды, в которых используется зависи-
мость барьерной емкости от напряжения на р-л-переходе, называ-
ются варикапами. К их основным характеристикам относятся: номи-
нальная емкость (измеряемая обычно при и0БР= 4 В для режима
малого сигнала и составляющая 1...300 пФ); коэффициент перекры-
тия по емкости (отношение максимальной к минимальной емкости
варикапа при предельных иоБР, которое составляет 2...6);
температурный коэффициент емкости (5-10-5... 60-10-5 1/°С);
добротность, равная отношению емкостного реактивного
сопротивления варикапа при заданной частоте и иоБР к сопротив-
лению потерь (существенно зависит от напряжения смещения
12. Полупроводниковые компоненты
263
Благодаря малым габаритным размерам, незначительному
энергопотреблению, удобству управления варикапы широко исполь-
зуются для перестройки высокочастотных колебательных контуров,
для умножения частоты, частотной модуляции, переключения кана-
лов радиочастотных узлов РЭС. На рис. 12.9 приведен фрагмент
принципиальной схемы гетеродина, колебательный контур которого
управляющим напряжением может перестраиваться внутри заданно-
го диапазона частот и скачком переключаться на другой участок
диапазона при ступенчатом изменении напряжения управляющего
источника Е.
R1
Рис. 12.9. Контур гетеродина,
перестраиваемый по частоте
с помощью варикапа
Рис. 12.10. Фрагмент удвоителя частоты
с помощью варикапа
С помощью варикапов возможно умножение частоты за счет
того, что изменяющяяся емкость варикапа за период входного сиг-
нала частотой fj вызывает искажение гармонического сигнала и по-
явление в спектре гармонических составляющих с частотами, крат-
ными fr Последовательный контур 1_2С2(рис. 12.10) служит полосо-
вым фильтром, пропускающим сигнал соответствующей частоты в
нагрузку RH. Резисторы задают режим рабочей точки варикапа.
Для подстройки частоты предназначены варикапы типов Д901;
2В102; 2В104; 2В105; КВ107; КВ109; КВ110-КВ113 и др.; для исполь-
зования в параметрических усилителях Д902; для умножения часто-
ты и частотной модуляции 2В103; 2В106; для переключения высоко-
частотных каналов КВ121-КВ123 и др. Некоторые типы варикапов
предназначены для использования в составе гибридных микросхем
(например, КВ112; КВ114; КВ116).
СТАБИЛИТРОНЫ
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, пред-
назначенный для стабилизации напряжения, в котором используется
явление пробоя. Материалы и конструкция диода подбираются так,
что на вольтамперной характеристике вблизи напряжения пробоя
при существенном изменении тока Д1 наблюдается малое прираще-
264
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ние напряжения AU на диоде. Напряжение стабилизации UCT, со-
ответствующее напряжению пробоя р-л-перехода при некотором то-
ке стабилизации 1ст, определяется концентрацией легирующей при-
(UCT растет со снижением концентра-
ции). Качество стабилизации отражает
дифференциальное сопротивление
гст = — стабилитрона на соответст-
вующем участке вольтамперной харак-
теристики (рис. 12.11). В реальном ста-
билитроне гст лежит в пределах от
0,2...5 Ом (мощные стабилитроны) до
сотен и тысяч ом (маломощные высо-
ковольтные стабилитроны).
Рис. 12.11. Вольтамперная
характеристика стабилитрона
К стабилитронам малой мощности относят, например, 2С133-
2С168; 2С175-2С224; к стабилитронам средней и большой мощно-
сти Д815-Д817; КС406; КС508; КС509; КС533 и др. Специально для
гибридных микросхем выпускают бескорпусные стабилитроны, на-
пример, 2С124-2С143. Прецизионные стабилитроны, например,
2С108; 2С166, 2С190, 2С191, обладают наивысшей стабильностью и
предназначены для создания узлов, вырабатывающих, так называе-
мое, опорное напряжение, относительно которого в составе РЭС
устанавливаются регулировочные и пороговые уровни контроля.
Полупроводниковые диоды, в которых для целей стабилиза-
ции напряжения используется прямая ветвь вольтамперной харак-
теристики, называют стабисторами (например, диоды Д219; Д220;
Д223;КС113).
С целью настройки широкополосных узлов РЭС часто приме-
няют полупроводниковые диоды в качестве генераторов белого
шума. На такие диоды подается напряжение обратного смещения
при токе 50 мкА и нагрузочном последовательно включенном рези-
сторе 100 кОм. Внешняя цепь должна иметь сопротивление не ме-
нее 20 кОм и емкость не более 20 пФ. Например, германиевые дио-
ды 2Г401; КГ401, предназначенные для применения в качестве ге-
нераторов шума, имеют частотный диапазон от 20 Гц до 1 ...2,5 МГц
и при токе 50 мкА обеспечивают спектральную плотность 30...80
мкВ/Гц с неравномерностью не более 3...4 дБ.
ДИОДЫ СВЧ
Диоды СВЧ предназначены для выполнения многих функций
в составе сверхвысокочастотных узлов РЭС: преобразователей,
усилителей и генераторов. Эти диоды изготавливают из пластин
12. Полупроводниковые компоненты
265
кристаллических полупроводниковых материалов (германий, крем-
ний, арсенид галлия), создавая на них р-л-переходы микросплавные,
диффузионные, планарные, планарно-эпитаксиальные, точечные,
металл-полупроводник. Как правило, диоды СВЧ имеют металлоке-
рамический коаксиальный корпус с жесткими выводами для подклю-
чения к волноводам и полосковым линиям.
В преобразователях частоты применяют смесительные диоды
СВЧ, с помощью нелинейности вольтамперной характеристики которых
на выходе смесителя получают высокочастотный сигнал с частотой
суммы или разности частот двух входных сигналов. Диоды этого назна-
чения отличаются: малым уровнем (1,3...6) шумового отношения - от-
ношения мощности собственных шумов диода к мощности тепловых
шумов эквивалентного электрического сопротивления; малыми поте-
рями на преобразование (5... 10 дБ); малой непрерывно рассеиваемой
мощностью (не более 20...100 мВт); выходным сопротивлением
200...600 Ом. К смесительным диодам СВЧ относятся германиевые
диоды ДГ-1С; Д401; 1А106 и др.; кремниевые - ДК-1С; Д402; Д405;
2А107-2А109 и др.; арсенид-галлиевые - ЗА110; 3A311-ЗА114 и др.
Для детектирования СВЧ сигналов предназначены детектор-
ные СВЧ диоды, отличающиеся весьма малой инерционностью, на-
пример, германиевые Д602; кремниевые ДК-В1-ДК-В8; ДЗ; 2А201-
2А203; арсенид-галлиевые ЗА206. Они характеризуются чувствитель-
ностью по току (0,4...4 A/Вт); дифференциальным сопротивлением
(200 Ом... 15 кОм); добротностью (качеством), которая определяется
при заданной падающей на диод СВЧ мощности и прямом токе диода
как своеобразное отношение дифференциального и шумового сопро-
тивлений1 (15...120 Вт"1/2).
В параметрических усилителях2 применяют параметрические
СВЧ диоды. Эффект усиления входного СВЧ сигнала может быть
получен изменением зарядной емкости р-п-перехода путем подачи
(накачки) переменного напряжения, частота которого выше частоты
принимаемого сигнала. При этом резонансная система настроена на
частоту усиливаемого сигнала. К параметрическим СВЧ диодам от-
носятся германиевые диоды 1А401-1А405; арсенид-галлиевые дио-
ды ЗА406; ЗА409; ЗА410, имеющие постоянную времени 0,3...2,2 пс,
1 Качество (добротность) СВЧ диода подсчитывается при заданных падаю-
щей импульсной мощности (10...20 мкВт) и прямом токе диода (20... 50 мкА) по фор-
“уле а«гд/(пшгд + нш)“ W Нш= 1 кОм.
2 Параметрическим называют усилитель электрических сигналов, в котором
мощность сигнала возрастает за счет энергии внешнего источника (накачки), периоди-
чески изменяющего значение какого-либо реактивного параметра (емкости или индук-
тивности). Такие усилители, обладающие весьма малым уровнем собственных шумов,
применяют для приема слабых сигналов в космической связи, радиоастрономии.
266
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
емкость р-л-перехода 0,12...0,5 пФ при сопротивлении потерь не-
сколько десятков ом.
По принципу действия генераторные СВЧ диоды, применяе-
мые в генераторах СВЧ сигналов, могут быть лавинно-пролетными
диодами (ЛПД) и диодами Ганна.
В лавинно-пролетных диодах в режиме пробоя ток диода отста-
ет во времени от приложенного к диоду напряжения. Если подачей пе-
ременного напряжения обеспечить возникновение периодического про-
боя такого диода, включенного в СВЧ резонатор, то ток пробоя диода
будет отставать от напряжения, и при отставании на 180° возникнет
отрицательное дифференциальное напряжение, соответствующее ре-
жиму генерирования сигнала с частотой резонансной системы. Диоды
ЛПД германиевые 1А704; кремниевые 2А706; 2А709; арсенид-
галлиевые АА707 имеют диапазон частот 6... 16,7 ГГц; генерируемую
мощность 10...500 мВт; собственную емкость перехода 0,2...0,6 пФ.
Диодом Ганна называется полупроводниковый диод, в объеме
которого при достижении некоторой критической напряженности
электрического поля Екр возникает отрицательное дифференци-
альное сопротивление, обусловленное переходом электронов зоны
проводимости из низкоэнергетической долины (в которой их подвиж-
ность Pj относительно велика) в более высокоэнергетические доли-
ны с меньшими подвижностями ц2.
Рис. 12.12. Вольтамперная характе-
ристика диода Ганна и формирова-
ние домена А высокого электрическо-
го поля в кристалле полупроводника
На рис. 12.12 изображена
зависимость плотности тока I
через арсенид-галлиевый диод
от напряженности поля Е. Ток
через кристалл диода обуслов-
лен электронами с подвижно-
стями Hi и ц2. При Е<Екрток
круто линейно возрастает с уве-
личением Е, однако в области
Е ~ Екр подвижность электронов
падает (например, в арсениде
галлия pij/ц2 =40) и на зависи-
мости появляется участок с от-
рицательной производной (отри-
цательным дифференциальным сопротивлением). В теле полупро-
водника в результате случайных шумов или неоднородного легиро-
вания образуются обогащенные электронами слои (домены высоко-
го электрического поля), поверхности которых эквипотенциальны
и перпендикулярны направлению электрического тока. Втекающий
в диод ток становится больше вытекающего тока, что приводит к на-
12. Полупроводниковые компоненты
267
коплению отрицательного пространственного заряда в этом слое до
тех пор, пока не сравняются напряженности Е, и Е2. В результате
нестабильности объемного заряда образуется слой, обогащенный
отрицательными носителями, который движется к электроду с поло-
жительным потенциалом (аноду) и, достигнув его, разрушается.
В этот момент ток диода скачком возрастает, а в следующий момент
времени около отрицательного электрода (катода) зарождается но-
вый домен высокого электрического поля, ток снижается и новый
домен начинает двигаться к аноду и т.д. Таким образом, в цепи дио-
да под действием приложенного напряжения возникает пульсирую-
щий ток, период которого зависит от скорости перемещения доменов
в полупроводнике малой толщины и лежит в диапазоне СВЧ. Гене-
раторные диоды Ганна, например, 3A703; ЗА705; АА715; АА716;
АА733 позволяют генерировать в диапазоне частот 5,2... 12,5 ГГц
непрерывную выходную мощность 6...500 мВт при постоянном ра-
бочем токе 200 мА...2 А.
Переключательные СВЧ диоды предназначены для осущест-
вления переключений в СВЧ узлах за счет изменения электрическо-
го сопротивления р-л-перехода переменному току при подаче на не-
го прямого и обратного смещающих напряжений. В открытом со-
стоянии диода его полное электрическое сопротивление невелико
(рис. 12.13, а) и определяется сопротивлением области кристалла
и дифференциальным сопротивлением р-л-перехода прямой ветви.
При подаче отрицательного запирающего напряжения полное со-
противление диода определяется реактивным сопротивлением ма-
лых по значению барьерной емкости р-л-перехода СБ, емкости меж-
ду выводами Ск и индуктивности выводов LB (рис. 12.13, б). Пере-
ключательные СВЧ диоды германиевые 1А501; 1А504; кремниевые
2А503; 2А505; 2А507-2А513; арсенид-галлиевые 3A531 имеют пря-
мые потери пропускания переключаемого сигнала в пределах
0,25...0,8 дБ; потери запирания 22...27 дБ; собственную емкость
0,12... 1,2 пФ; время восстановления обратного сопротивления
40...60 мкс.
В технике СВЧ достаточно часто применяют умножительные
СВЧ диоды, в которых используется зависимость емкости обратно
смещенного р-л-перехода от напряжения смещения, которым являет-
ся напряжение умножаемого сигнала. Входной сигнал может частично
открывать р-л-переход. Умножительные диоды СВЧ отличаются от
варикапов малой номинальной емкостью и предельной рабочей час-
тотой. Например, умножительные СВЧ диоды кремниевые 2А601;
2А602; 2А604; 2А612; 2А636; арсенид-галлиевые 3A603; ЗА607;
ЗА614; ЗА619 имеют номинальные емкости 0,3...8,7 пФ; предельные
частоты до 370 ГГц; обратное пробивное напряжение 10...35 В.
268
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 12.13. Эквивалентные схемы
переключающего СВЧ диода в от-
крытом (а) и закрытом (б) состояниях
Рис. 12.14. Вольтамперная характе-
ристика туннельного диода
Для усиления и генерирования СВЧ сигналов применяют
туннельные диоды, имеющие на прямой ветви вольтамперной
характеристики участок с отрицательным дифференциальным
сопротивлением (рис. 12.14), достигаемого путем сильного леги-
рования примесью германия или арсенид-галлия. Вследствие
особенностей легирования толщина пространственного заряда на
несколько порядков меньше, чем в других диодах и составляет
около 10 нм. В области прямого тока и небольших (до 100 мВ) от-
рицательных напряжениях смещения возникает туннельный эф-
фект, при котором электроны способны преодолеть потенциаль-
ный барьер, создаваемый встречным электрическим полем про-
странственного заряда и превышающий их кинетическую энергию
(в отличие от обычных диодов). Прямая ветвь тока определяется
суммой туннельного и диффузионного токов, чем и объясняется
участок снижения прямого тока.
Время нарастания туннельного тока весьма мало (10"14...10"13 с),
что обусловливает высокие частотные свойства диода, которые ог-
раничиваются сверху лишь собственными паразитными реактивно-
стями (емкостью р-л-перехода и корпуса, а также индуктивностью
выводов).
а	б	в	г	д
Рис. 12.15. Условные обозначения диода (а), стабилитрона (б),
туннельного диода (в), варикапа (г), тиристора (б)
12. Полупроводниковые компоненты	269
Туннельные усилительные диоды, например, германиевые
1И102-1И104; арсенид-галлиевые ЗИ101, имеют значения пикового
тока вольтамперной характеристики 0,5...6 мА; отношение токов пи-
ка и впадины 3-5; дифференциальное сопротивление 7...110 Ом;
собственную емкость 0,2...3,5 пФ; предельную частоту 5...60 ГГц.
Полупроводниковые диоды в зависимости от своего назначе-
ния имеют на принципиальных схемах РЭС различные условные
обозначения (рис. 12.15).
12.3.	Транзисторы
Транзистор (название происходит от transistor - аббревиатуры
английского термина transformer of resistance) представляет собой
трехэлектродный полупроводниковый прибор. Основным назначени-
ем транзисторов следует считать усиление, преобразование и гене-
рирование электрических сигналов. К главным достоинствам транзи-
сторов относятся: высокая экономичность и надежность, малые га-
баритные размеры и масса.
В настоящее время производят большое количество транзи-
сторов различных типов, но наибольшее распространение получили
биполярные и униполярные (полевые) транзисторы.
БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
Биполярный транзистор содержит два р-л-перехода, образо-
ванных на границах трех областей полупроводника, к которым под-
ключены электрические выводы для присоединения к внешней цепи.
В зависимости от проводимости областей различают типы транзи-
сторов: р-п-р или п-р-п, называемых биполярными транзисторами с
прямой и обратной проводимостями.
Схема расположения областей р- и л- проводимостей, а также ус-
ловные обозначения биполярных транзисторов приведены на рис. 12.16.
Средняя область транзистора называется базой, другие об-
ласти носят название эмиттер и коллектор. Каждая из областей
имеет проволочный вывод для подключения к внешним цепям. База
представляет собой весьма тонкий слой пластины полупроводника
(10...20 мкм и менее). В отличие от коллекторной и эмиттерной об-
ластей в слое базы концентрация примеси мала, что является важ-
нейшим условием работы транзистора.
Пусть к переходу эмиттер-база через ключи Ki и К2 подсоеди-
нен источник Ei прямого смещения, обеспечивающий протекание
тока через переход, а к переходу коллектор-база через ключи К2 и
К3 приложено напряжение Е2 источника обратного смещения (рис.
12.17), причем |е2| » [eJ.
270
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Эмиттер База Коллектор Эмиттер База Коллектор
Рис. 12.16. Расположение областей проводимости биполярных
транзисторов и их условное обозначение:
а - транзистор типа р-п-р; б - транзистор типа п-р-п
Рис. 12.17. Принцип действия транзистора типа р-п-р
При замыкании только ключей и К2 (ключ К3 разомкнут) че-
рез эмиттерный переход будет протекать прямой ток 1э, создавае-
мый направленным движением основных носителей заряда - элек-
тронов базовой и дырок эмиттерной областей (на рисунке кружками
условно показаны дырки, а зачерненными кружками - электроны).
Токи эмиттера и базы одинаковы (1Э = 1Б). Если ключ разомкнуть,
а ключи К2 и К3 замкнуть, то через переход коллектор-база потечет
очень слабый обратный ток 1к, поскольку переход заперт. Можно
видеть, что оба перехода проявляют свойства обычных полупровод-
никовых диодов, на которые подаются напряжения прямого и обрат-
ного направлений.
Если замкнуть все три ключа, то, как и в уже рассмотренном
случае, через эмиттерный переход будет протекать прямой ток, вы-
званный передвижением электронов из области базы в эмиттер и
встречным передвижением дырок из эмиттера в базу. При одинако-
вой концентрации носителей заряда (электронов и дырок) в эмитте-
ре и базе прямой ток перехода эмиттер-база создается движением
одинакового количества электронов и дырок во встречных направ-
лениях. Однако концентрация носителей в базе существенно ниже,
чем в области эмиттера. Следовательно, практически весь ток через
12. Полупроводниковые компоненты
271
Рис. 12.18. Усиление транзистором
электрических колебаний
эмиттерный р-п-переход обуслов-
лен перемещением дырок. Попа-
дая в базу, некоторые дырки ре-
комбинируют с немногочисленны-
ми электронами, а остальные про-
ходят через тонкий слой базы и
достигают области коллекторного
р-п-перехода, где испытывают ус-
коряющее воздействие электри-
ческого поля источника Е2, втяги-
ваются в коллекторную область и
принимают участие в образовании
тока коллектора 1« = 1э = к-
Поскольку ток базы 1Б неве-
лик вследствие малости числа
рекомбинаций, то коллекторный
ток определяется только током
эмиттера, т.е. 1к « 1э.
В транзисторе типа п-р-п ис-
пользуются те же процессы, за ис-
ключением того, что в область ба-
зы из эмиттера вводятся электро-
ны, а не дырки, полярность источ-
ников и направление токов изме-
няются на обратные.
С помощью транзистора
возможно осуществление усиле-
ния электрических колебаний бла-
годаря зависимости тока коллек-
тора 1к от напряжения эмиттер-
база иЭБ.
Рисунок 12.18 поясняет работу усилителя. В отсутствие пере-
менного напряжения UBX на входе транзистора UBX через эмиттер и
коллектор протекает постоянный ток почти одинакового уровня. На
сопротивлении нагрузки RH падает напряжение UH =IKRH. При по-
явлении переменного напряжения UBX через цепь эмиттера начина-
ет протекать пульсирующий ток, форму, фазу и амплитуду которого
почти полностью повторяет ток коллектора 1к. Этот ток создает на
нагрузке переменное напряжение, повторяющее входной сигнал. На
выходе усилителя переменная составляющая выходного напряже-
ния UBblx отделена от напряжения источника Е2 конденсатором С .
272
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
В схемах на транзисторах источник сигнала может быть вклю-
чен в цепь базы или эмиттера, а нагрузка - в цепь коллектора или
эмиттера (при этом третий электрод оказывается общим для вход-
ной и выходной цепей). В зависимости от того, какой электрод явля-
ется общим, различают включение транзистора с общим эмиттером
(ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).
Примеры использования каскадов на транзисторах типа р-п-р
приведены на рис. 12.19. В этих схемах конденсаторы и С2 явля-
ются переходными и предназначены для связи каскадов с источником
входного сигнала и с нагрузкой по переменному току, исключая влия-
ние цепей постоянного тока, обеспечивающих задание рабочих режи-
мов транзистора. Эту задачу выполняют резисторы , R?, RK, R3,
определяющие рабочую точку транзистора по постоянному току. Кон-
денсатор С3 блокирует (исключает из работы на переменном токе)
резисторную нагрузку R3 в схеме ОЭ (рис. 12.19, а) и делитель на-
пряжения RPR2 в цепи базы (рис. 12.19, б) схемы ОБ. Пример схемы
ОК (рис. 12.19, в) не содержит блокировочных конденсаторов.
a
Рис. 12.19. Схемы каскадов на транзисторе:
а - с общим эмиттером; б - с общей базой; в - с общим коллектором
Рис. 12.20. Типовая конструкция
биполярного транзистора
Типовая конструкция биполяр-
ных транзисторов в металлическом
сварном корпусе с проходными стек-
лянными изоляторами изображена
на рис. 12.20. Для обеспечения нор-
мального теплоотвода кристалл
транзистора (на рисунке он зачер-
нен) должен иметь хороший тепло-
вой контакт с основанием корпуса,
что достигается пайкой. Поверхность
кристалла защищена от загрязнений
компаундом.
12. Полупроводниковые компоненты
273
Выполняемые биполярным транзистором функции определя-
ются его электрическими параметрами, к которым относятся:
•	Обратные (начальные) токи р-л-переходов оказывают влия-
ние на усилительные свойства схемы. Так, обратные токи коллекто-
ра 1КБ0 и эмиттера 1ЭБ0 протекают через обратно смещенные р-л-
переходов при отключенном третьем выводе транзистора и сущест-
венно зависят от температуры. Их высокие значения могут нарушить
работоспособность транзистора.
•	Допустимая мощность, рассеиваемая коллектором, является
основным критерием принадлежности транзистора к группам мало-
мощных (менее 250 мВт), средней мощности (250 мВт...5 Вт) или
мощных (более 5 Вт). При недостаточном теплоотводе разогрев
коллекторного перехода может принять лавинообразный характер и
привести к выходу транзистора из строя.
•	Характеристики малого сигнала. Удобна для измерений и ис-
пользования в расчетах система Ъ-параметров:
U1 =ilhU ’ U2h12; *2 =ilh21 " u2h22’ ГДв hll =U/'l “ ВХОДНОв СОПрОТИВ-
ление транзистора при коротком замыкании на выходе (и2=0);
hl2 = uj и2 - коэффициент обратной связи по напряжению при хо-
лостом ходе на входе (i\ =0); h21 = i2 /ц - коэффициент передачи
тока при коротком замыкании на выходе (и2 =0); h22 = i2 /и2 - вы-
ходная проводимость при холостом ходе на входе (^ = 0).
•	Высокочастотные характеристики: модуль коэффициента
передачи по току в схеме с заземленным эмиттером |h213|; емкости
коллекторного и эмиттерного переходов Ск и Сэ; постоянная вре-
мени цепи внутренней обратной связи тк ; распределенное электри-
ческое сопротивление базовой области гБ'; максимальная частота
генерирования fmax; предельная частота коэффициента передачи
тока fh21; коэффициент шу-ма хаотических флуктуаций носителей
заряда Кш; выходная мощность Рвых.
Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов от-
ражают их свойства и качество. С помощью расчета по этим харак-
теристикам (измеренным по точкам или с помощью характериогра-
фа) можно определить некоторые параметры транзисторов, не ого-
воренные в технических условиях (в том числе, зависимость от тем-
пературы).
В транзисторах входные и выходные токи и напряжения связа-
ны между собой. Для расчетов режимов работы транзисторов при-
274
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
меняют входные и выходные вольтамперные характеристики (рис.
12.21). Выходные характеристики служат для определения предель-
ных и рабочих режимов транзистора, оценки его качества (наличия
дефектов структуры кристалла, загрязнений, влаги на поверхности).
Вольтамперные входные и выходные характеристики могут быть по-
строены по результатам измерений с помощью схемы, изображен-
ной на рис. 12.22.
Рис. 12.21. Статические вольтамперные характеристики
одного из биполярных транзисторов:
а - выходные; б - входные
Рис. 12.22. Схема включения р-п-р транзистора для измерений
вольтамперных характеристик
12. Полупроводниковые компоненты
275
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
Принцип работы полевого (униполярного) транзистора осно-
ван на использовании носителей заряда только одного знака (либо
электронов, либо дырок). Управление током осуществляется с помо-
щью электрического поля (а не тока, как в биполярном транзисторе).
Полевой транзистор с затвором в виде р-л-перехода (рис.
12.23) представляет собой проводящий канал с двумя металличе-
скими электродами - стоком и истоком. При подаче на сток положи-
тельного напряжения ED относительно истока электроны в канале
движутся от истока к стоку, проходя между обедненными областями,
образуемыми выпрямляющим эффектом р-л-перехода затвора
p-типа с каналом л-типа. Таким образом, рассматриваемый полевой
транзистор представляет собой резистор, управляемый напряжени-
ем на затворе. Полярность приложенных напряжений соответствует
полевому транзистору с каналом л-типа.
Полярность напряжений, подводимых к транзисторам р-типа,
должна быть изменена на противоположную. Как правило, исток за-
земляют, напряжение затвора и стока отсчитывают относительно
заземленного истока.
При фиксированном напряжении на затворе EG (нулевом или
отрицательном) ток через канал растет с увеличением напряжения
на стоке ED вплоть до возникновения эффекта насыщения, когда ток
стока lD = ISt = const (рис. 12.24).
Вольтамперные характеристики полевого транзистора обра-
зуют три области: квазилинейную (при малых ED), область насыще-
ния и область пробоя.
В современных полевых транзисторах с управляющим р-л-
переходом, создаваемым диффузией примесей (или эпитаксией),
подложка технологически объединяется с верхним затвором.
Проводимость канала управляется напряжением, прикладываемым к
р-л-переходам верхнего низкоомного затвора и высокоомной под-
ложки - нижнего затвора.
Рис. 12.23. Полевой транзистор
с р-п- переходом в качестве затвора
(модель Шокли)
Рис. 12.24. Вольтамперные характе-
ристики полевого транзистора
с р-л-переходом
276
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 12.25. Структура МОП-транзистора
Запирающее напряжение на затворе увеличивает толщину
обедненной области, снижая проводимость канала. При совместном
действии напряжений на стоке и затворе насыщение тока стока про-
исходит при отличающихся напряжениях на стоке - чем больше за-
пирающее напряжение затвора, тем меньше требуется напряжение
на стоке для насыщения.
В полевых транзисторах с каналом p-типа полярность прило-
женных напряжений должна иметь обратный знак. При использова-
нии металлического затвора на поверхности полупроводникового
материала подложки образуется выпрямляющий контакт (диод
Шоттки). Применение металлического затвора позволяет значитель-
но уменьшить размеры транзистора, а использование арсенида гал-
лия для создания канала и высокоомной подложки - расширяет диа-
пазон рабочих частот.
В полевых транзисторах с изолированным затвором (МОП-
транзисторах) между металлическим электродом затвора и полупро-
водниковой подложкой расположен слой диэлектрика, толщиной
0,15...0,3 мкм (рис. 12.25). Полупроводниковая подложка с проводи-
мостью p-типа содержит две высоколегированные области л-типа -
сток и исток, полученные ионной имплантацией. В кремниевых инте-
гральных схемах отдельный МОП-транзистор с целью электрической
изоляции окружен толстым слоем окисла. Приложенное к затвору
напряжение создает в полупроводнике вблизи границы раздела по-
верхностный заряд, управляя которым можно регулировать прово-
димость канала.
При заземленном истоке (Vs =0), когда напряжение VG на за-
творе отсутствует, цепь исток-сток содержит два встречно включен-
ных л+-р-перехода, через которые может протекать небольшой ток
утечки обратно смещенного перехода (напряжение стока VD >0), по-
ложительное напряжение на затворе вызывает на границе его с ди-
электриком образование канала (инверсионного слоя), соединяюще-
го л+-области истока и стока. Проводимость канала изменяется под
действием переменного напряжения на затворе. Напряжение обрат-
12. Полупроводниковые компоненты
277
Рис. 12.26. Применение некоторых
типов полевых транзисторов:
а - в автогенераторе; б - в активном
ответвителе сигналов; в-в усилителе
мощности; а - в усилителе высокочастот-
ного напряжения
ного смещения на подложке VBS
также влияет на проводимость
канала (вывод подложки соеди-
няется с истоком либо на него
подается напряжение обратного
смещения перехода исток-
подложка).
На рис. 12.26 приведены
некоторые схемотехнические
решения с использованием по-
левых транзисторов различной
конструкции.
К основным характеристи-
кам полевых транзисторов отно-
сятся: начальный ток стока; ток
утечки затвора; крутизна харак-
теристики; напряжение отсечки;
коэффициент шума; входная и
проходная емкости и др.
Весьма малые токи утечки
затвора полевых транзисторов
(1О"12...1О"15 А) могут существен-
но возрасти при попадании за-
грязнений на изоляторы выводов
затвора или их увлажнении. По-
левые транзисторы чувствитель-
ны к перенапряжениям на затво-
ре (например, к электростатиче-
ским зарядам, составляющим
для транзистора с управляющим
р-л-переходом всего 50... 100 В и
250 В для МОП-транзисторов).
Поэтому для предотвращения
пробоя изготовитель рекоменду-
ет хранить и транспортировать
полевые транзисторы с прово-
лочными замыкателями на вы-
водах, а удалять их только пе-
ред монтажом на печатную плату
с уже установленными пассив-
ными компонентами.
При установке полевых
транзисторов монтажник должен
использовать антистатический
278
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 12.27. Габаритные размеры полевого транзистора типа КП350
a б	в г д е ж
Рис. 12.28. Условное обозначение полевых транзисторов различных типов:
а - с каналом п-типа; б - с каналом p-типа; в - с изолированным затвором
обогащенного типа n-каналом; г - обогащенного типа с p-каналом; д - обедненного
типа с каналом p-типа; е - обедненного типа с каналом п-типа; ж - с двумя
изолированными затворами и встроенным п-каналом
браслет1. Необходимо заземление и для жала паяльника, которым
осуществляется монтаж. Вывод корпуса полевого транзистора дол-
жен быть припаян первым (а отключен последним).
К полевым транзисторам с р-п-переходом и каналом р-типа
относятся КП1О1; КП103; КП201; с каналом п-типа КП104; КП202;
КП312; с индуцированным каналом p-типа КП301; с диффузионным
затвором и каналом п-типа КП302; КПЗОЗ; КП314; с диффузионным
затвором и каналом p-типа КП307; КП308; с изолированным затвором
и каналом p-типа КП304; с изолированным затвором и каналом п-типа
КП305; КП313; КП901; КП902; с двумя изолированными затворами и
встроенным каналом п-типа КП306; КП350 (рис. 12.27) и др.
Условные графические обозначения полевых транзисторов
приведены на рис. 12.28.
12.4. Тиристоры
К тиристорам относятся полупроводниковые приборы на осно-
ве многослойной р-п-р-п-структуры, применяемые в качестве актив-
ных компонентов РЭС для коммутации нагрузки цепей постоянного и
переменного токов в узлах преобразователей частоты источников
питания, бесконтактных переключателей, низкочастотных модулято-
рах, инверторах, триггерах, мультивибраторах и т.п. Благодаря бес-
контактной коммутации в тиристорных цепях отсутствуют дребезг
1 Антистатический браслет - приспособление для снятия электростатиче-
ского заряда с тела человека и представляющее собой небольшую металлическую
пластину, надеваемую на запястье левой руки и заземленную через резистор 1 МОм.
12. Полупроводниковые компоненты
279
контактов, искрение, подгорание и другие нежелательные явления,
свойственные электромеханическим компонентам. Тиристоры имеют
малые удельные габариты и массу на единицу мощности, значи-
тельные допустимые напряжения и токи, быструю готовность к рабо-
те, механическую прочность и устойчивость.
Основным полупроводниковым материалом для изготовления
тиристоров является кремний, в кристалле которого формируют че-
тыре р- и n-слоев, образующих три р-п-перехода (рис. 12.29). Их рас-
положение и характеристики подбирают таким образом, чтобы
взаимодействие между слоями обеспечило получение вольтампер-
ной характеристики с участком отрицательного дифференциального
сопротивления (рис. 12.30). На крайние л- и p-области (катод и анод)
подают напряжение источника, которое распределяется между тре-
мя переходами. По отношению к двум крайним р-л-переходам это
напряжение приложено в прямом направлении, а по отношению к
центральному р-л-переходу - в обратном. При определенных усло-
виях возникает положительная обратная связь по току, при которой
структура находится в открытом состоянии (между катодом и анодом
возникает минимальное падение напряжения).
Рис. 12.29. Структура триодного
тиристора
Рис. 12.30. Вольтамперная
характеристика тиристора
При изменении тока в цепи управления можно построить се-
мейство вольтамперных характеристик тиристорной структуры (рис.
12.31), из которого следует, что напряжение переключения тиристо-
ра с ростом тока управления снижается. С момента открытия тири-
сторной структуры ток управления перестает влиять на ток через
тиристор и поэтому может быть выключен (это свойство позволяет
использовать импульсное управление тиристором). При достаточно
высоких амплитудах управляющего тока напряжение переключения
может снизиться настолько, что происходит спрямление вольтам-
перной характеристики и она уже не будет содержать участок с от-
рицательным сопротивлением.
280
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таким образом, условия электрического включения (открытия)
тиристора, т.е. протекания через него тока нагрузки, отличаются от
условий его выключения (запирания), что находит свое отражение в
схемах узлов с использованием тиристоров.
Помимо трехэлектродного (триодного) варианта тиристоры могут
быть изготовлены в двухэлектродном исполнении (диодный тиристор).
Условные обозначения некоторых тиристоров приведены на рис. 12.32.
Рис. 12.31. Вольтамперные характе-
ристики тиристора при различных
токах в цепи управления
a	б	в
Рис. 12.32. Условные обозначения
некоторых типов тиристоров:
а - тиристор диодный; б - тиристор
диодный симметричный;
в - тиристор триодный управляемый
Схемотехническое включение и управление открытием тири-
сторов осуществляется от источников постоянного, переменного и
импульсного токов. Управление импульсным током считается наи-
более эффективным (два возможных варианта импульсного запуска
тиристоров с помощью транзистора показаны на рис. 12.33, а, б.).
Наиболее распространены транзисторные схемы управления откры-
тием тиристора токами запуска до 5 А и импульсами длительностью
менее 100 мкс.
В процессе управления в цепях с распределенными индуктивно-
стями и емкостями возникает достаточно высокий уровень широкопо-
лосных помех, распространяющихся как по проводам (кондуктивные
помехи), так и через электромагнитное поле (электромагнитные помехи
в дальней зоне). Возникающие помехи оказывают влияние на находя-
щиеся в непосредственной близости узлы РЭС и, кроме того, могут вы-
звать срабатывание других тиристоров. Наиболее простым способом
снижения помех является включение отрицательного смещения в цепь
управляющего электрода с помощью дополнительного резистора и
конденсатора (на рис. 12.33, а показаны пунктиром), которые снижают
чувствительность цепи управления к импульсным помехам.
Для выключения тиристора необходимо прерывание проте-
кающего через него прямого тока, которое может быть реализовано
несколькими способами: снижением анодного тока; подачей обрат-
ного напряжения; с помощью дополнительного электрода управле-
ния (у двухоперационных тиристоров). Чаще всего используется
12. Полупроводниковые компоненты
281
первый способ, когда, например, амплитуда питающего переменного
напряжения проходит через нуль (рис. 12.34, а).
а	б
Рис. 12.33. Некоторые способы
импульсного управления открытием
тиристора
а	б
Рис. 12.34. Простейшие схемы
выключения тиристоров
В схеме рис. 12.34, б питание тиристора осуществляется по-
стоянным током. Когда тиристор закрыт, конденсатор заряжается с
указанной без скобок полярностью. При включении тиристора им-
пульсом на его управляющем электроде имеет место колебатель-
ный перезаряд конденсатора, период собственных колебаний кото-
рого определяется индуктивностью и емкостью. Через половину пе-
риода собственных колебаний полярность заряда на конденсаторе
изменится на обратную (в скобках) и нарастающий ток перезаряда
конденсатора, протекая навстречу анодному току тиристора, выклю-
чит последний при равенстве этих токов.
К основным характеристикам тиристоров относятся: напряже-
ние переключения (прямое напряжение, приложенное к тиристору,
при котором происходит переход из одного состояния в другое); мак-
симальное обратное напряжение; ток утечки; обратный ток; ток
удержания (наименьший ток тиристора, который поддерживает ти-
ристор в открытом состоянии); время включения (период времени
переключения тиристора посредством цепи управления из закрытого
состояния в открытое).
Тиристоры классифицируются на маломощные (средний рабо-
чий ток нагрузки до 10 А) и мощные (средний рабочий ток нагрузки
более 10 А или ток в импульсе 100 А и более).
Маломощные тиристоры, как правило, имеют корпус, размеры
которого близки к корпусам маломощных транзисторов. У мощных
тиристоров различают штыревую, фланцевую и таблеточную конст-
рукции, примеры которых приведены на рис. 12.35.
Одной из областей применения тиристоров является преобра-
зование постоянного тока в переменный, а также преобразование
переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты.
282
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
a	б	в
Рис. 12.35. Конструкции тиристоров:
а - штыревая (например, тиристор КУ205); б - фланцевая (например, тиристор
КУ210); в - таблеточная (например, тиристор КУ218)
Примером однополюсного инверто-
ра является схема на рис. 12.36, в которой
используют быстродействующие тиристо-
ры с высокой стойкостью к быстрому на-
растанию напряжения и малым временем
включения для работы силового транс-
форматора телевизионного устройства на
частоте строчной развертки 15 625 Гц. На
такой частоте габаритные размеры и мас-
са силового трансформатора оказывают-
ся в 5-7 раз меньше силового трансфор-
ГЕНЕРАТОР
СТРОЧНОЙ
РАЗВЕРТКИ
Рис. 12.36. Пример схемы
тиристорного инвертора
матора промышленной частоты.
В циклоинвенторе, содержащем тиристорный преобразова-
тель, осуществляется поддержание стабильного значения частоты,
например, бортовой сети самолета (115 В; 400 Гц), при изменениях
числа оборотов электрогенератора, расположенного на оси авиаци-
онного двигателя.
Следует учесть, что у тиристоров имеет место заметный раз-
брос значений управляющих токов и напряжений. Поэтому результа-
ты измерений характеристик у одного экземпляра тиристора могут
быть применены к другому экземпляру тиристора аналогичного типа
только в первом приближении.
12.5. Интегральные микросхемы
Интегральной микросхемой называется компонент РЭС,
предназначенный для выполнения определенных функций в составе
узла и состоящий из набора неразъемных электрически и механиче-
ски соединенных частей (называемых элементами или участками),
имеющих высокую плотность упаковки. Интегральная микросхема
является отдельной конструктивно законченной единицей РЭС.
По технологическому признаку различают микросхемы пленоч-
ные, гибридные и полупроводниковые (твердотельные). В пленочных
12. Полупроводниковые компоненты
283
микросхемах, содержащих, как правило, резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности и электрические соединения, проводящие,
диэлектрические и резистивные материалы применяются в пленоч-
ном виде и расположены на специальной подложке. Вариантами пле-
ночных микросхемах являются тонкопленочные и толстопленочные
интегральные схемы. В тонкопленочных микросхемах пленки изготав-
ливают толщиной до 1 мкм, в толстопленочных - около 10 мкм.
В гибридные микросхемы кроме тонкопленочных элементов
могут входить бескорпусные транзисторы, полупроводниковые дио-
ды, микросборки, миниатюрные резисторы, конденсаторы и катушки
индуктивности.
В полупроводниковых микросхемах и пассивные элементы
выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кри-
сталла.
Наибольшее распространение нашли полупроводниковые и
гибридные микросхемы. Плотность упаковки микросхемы характери-
зуется степенью интеграции ее частей. Различают микросхемы ма-
лой, средней, большой (БИС), сверхбольшой (СБИС) и сверхсверх-
большой (С2БИС) степени интеграции.
Микропроцессором называют микросхему, выполняющую
функции процессора или часть его функций. Совокупность этих и
других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному
исполнению и электрическим параметрам, называется микропроцес-
сорным комплектом. Микропроцессор определяется как программно-
управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки циф-
ровой информации. Это устройство изготовлено на основе одной
или нескольких БИС или СБИС.
Не так давно классификация микросхем пополнилась новыми
понятиями: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказ-
ные. Заказной называют микросхему, разработанную на основе стан-
дартных или специально созданных элементов по функциональной
схеме, определяемой заказчиком, и предназначенной для РЭС опре-
деленного вида. Полузаказной называют микросхему, разработанную
на основе базовых кристаллов (в том числе, матричных).
Микросхемы могут быть предназначены для выполнения раз-
нообразных функций, которые в первом приближении можно разде-
лить на две группы - аналоговые и цифровые.
Аналоговые микросхемы предназначены для усиления, обра-
ботки и преобразования электрических сигналов, изменяющихся во
времени непрерывно (например, синусоидальные сигналы различ-
ной амплитуды и частоты). Частный случай аналоговых микросхем -
линейные микросхемы, для которых справедлив принцип суперпози-
ции. В состав аналоговых микросхем, например, дифференциаль-
ные, операционные, избирательные усилители, компараторы, ста-
284
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
билизаторы непрерывного действия, аналоговые перемножители
сигналов, аналоговые ключи и коммутаторы, аналого-цифровые и
цифроаналоговые преобразователи и др.
Цифровые микросхемы выполняют обработку и преобразова-
ние электрических сигналов дискретной формы.
Аналоговые и цифровые микросхемы разрабатываются и про-
изводятся фирмами-изготовителями в виде серий. Каждая серия
отличается степенью комплектности и содержит несколько микро-
схем, которые, в свою очередь, подразделяются на типономиналы
(микросхемы конкретного типа, отличающиеся от микросхем того же
типа одним или несколькими параметрами). К серии относится сово-
купность типов микросхем, которые могут выполнять различные
функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполне-
ние и предназначены для совместного применения.
По технологии изготовления полупроводниковые микросхемы
классифицируют на биполярные, униполярные (МОП и КМОП) и
комбинированные.
БИПОЛЯРНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Основой биполярных микросхем является монокристалличе-
ский кремний в виде пластины, из которой в дальнейшем в едином
технологическом цикле формируются элементы микросхемы метода-
ми планарно-эпитаксиальной технологии, диффузионного легирова-
ния, выращивания и осаждения пленок различных материалов. Изо-
ляция между элементами микросхемы осуществляется закрытым р-п-
переходом или сочетанием р-п-перехода с диэлектрическим слоем.
На рис. 12.37 схематично изображены часто используемая в
полупроводниковой микросхеме структура биполярного транзистора
со скрытым коллекторным слоем и изоляцией обратно смещенным
р-п-переходом; конденсатор; резистор.
Применение скрытого коллекторного слоя вызвано стремле-
нием сохранить высокие характеристики транзистора при толстом
эпитаксиальном слое примеси р+ для создания глубоких раздели-
тельных областей между элементами микросхемы.
Применение изоляции с помощью локального окисления ди-
электриком (так называемая изопланарная технология) «сглажива-
ет» лицевую поверхность микросхемы и совмещает элементы инте-
гральной структуры, что позволило использовать этот метод для из-
готовления микросхемы не только биполярной, но и МОП-
технологии. Площадь элементов приблизительно в два раза мень-
ше, чем при изоляции с помощью р-п-переходом, снижаются пара-
зитные емкости (рис. 12.38). Транзисторы такого типа применяются
в интегральной технологии эмиттерно-связанной логики.
12. Полупроводниковые компоненты
285
_ Эмиттер	Конденсатор
База \ ^Коллектор \	Резистор

р- подложка
База Эмиттер Коллектор
р- подложка
Рис. 12.38. Транзистор бипо-
лярной микросхемы, изготов-
ленный по изопланарной
технологии
Рис. 12.37. Элементы биполярной микро-
схемы с изоляцией р-л-переходом (бипо-
лярный транзистор со скрытым коллектор-
ным слоем; конденсатор, резистор)
На рис. 12.39 приведен пример формирования методами би-
полярной технологии микросхемы простейшего логического элемен-
та диодно-транзисторной логики И-НЕ на кристаллической подложке.
Рис. 12.39. Пример микросхемы простейшего логического элемента И-НЕ,
сформированного методами биполярной технологии:
а - принципиальная схема; б - топология
б
К недостаткам такой технологии следует отнести то, что емко-
сти переходов и паразитные емкости между областями достаточно
велики и, при повышении плотности расположения элементов, вы-
зывают ограничения по быстродействию и энергосбережению.
МОП МИКРОСХЕМЫ
К другому виду полупроводниковых компонентов относятся
микросхемы с применением МОП-транзисторов, изготавливаемых
286
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
методами планарной технологии и применяемых, в основном, в ка-
честве цифровых микросхем.
Комплементарные (КМОП) микросхемы основаны на одно-
временном использованием МОП-транзисторов с каналами т и р-
типов. В n-МОП микросхемах ключевым элементом является МОП-
транзистор с индуцированным каналом n-типа (рис. 12.40), а нагру-
зочным резистором - другой МОП-транзистор с обедненным каналом
p-типа (рис. 12.41). Достоинствами КМОП микросхем по сравнению с
биполярными микросхемами являются: крайне малая потребляемая
мощность, более высокая степень интеграции (в 3—10 раз); недостат-
ком - быстродействие в несколько раз ниже. Последний может быть
устранен изменением конструкции полевого транзистора.
К разновидностям МОП-транзисторов, используемых в составе
МОП микросхем, относятся ДМОП-транзисторы (рис. 12.42), в которых
области создаются двойной диффузией примесей: истоковая область
- типа п+; затворная - p-типа. Полевой транзистор такого типа имеет
укороченный канал и максимальную рабочую частоту около 109 Гц.
Рис. 12.40. Структура МрП-
транзистора с индуцированным
каналом л-типа
Рис. 12.41. Фрагмент структуры КМОП
микросхемы из двух МОП-транзисторов
с поликремниевыми затворами
Затвор
Рис. 12.42. Структура ДМОП-
транзистора
Рис. 12.43. Структура Х/МОП-транзистора
Дальнейшим достижением в развитии МОП-технологии яви-
лась разработка Х/МОП-транзистора. При формировании его струк-
туры в исходной пластине травлением изготавливают V-образное
углубление (рис. 12.43), выращивают на его поверхности слой под-
12. Полупроводниковые компоненты
287
затворного окисла и проводят металлизацию. При таком травлении
удается снизить расстояние между областями до 10 мкм и сократить
(по сравнению с изоляцией р-л-переходом) примерно в 6 раз зани-
маемую транзистором площадь, снизить паразитные емкости и
вдвое повысить быстродействие микросхемы.
Роль истока выполняет подложка л-типа, а толщиной слоя
p-типа определяется длина канала, позволяющего довести макси-
мальную рабочую частоту транзистора до нескольких гигагерц.
БиКМОП технология представляет возможность создания на
одном кристалле смешанных (комбинированных) микросхем, объе-
диняющих быстродействующие цифровые высокочастотные и ма-
лошумящие аналоговые функциональные схемные узлы (на бипо-
лярных и КМОП-транзисторах). Такие микросхемы позволяют улуч-
шить технические характеристики РЭС.
ГИБРИДНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Гибридные микросхемы (микросборки) включают пленочные
элементы и навесные (бескорпусные) компоненты, расположенные
на подложке из керамики, ситалла или стекла. Осаждение пленоч-
ных слоев производят вакуумным распылением через специальные
металлические маски, имеющие окна необходимого размера и фор-
мы и плотно прижатые к подложке. Вместо масок применяют также
фотолитографию. В качестве материала резистивной пленки ис-
пользуют металлы и сплавы с высоким удельным электрическим
сопротивлением (хром, тантал, нихром, сплав МЛТ, кермет и др.).
Для соединительных пленочных проводников применяют ме-
таллы с низким удельным электрическим сопротивлением (алюминий,
золото, медь, никель). При изготовлении конденсатора на нижнюю
пленочную обкладку из проводящего металла наносят диэлектриче-
скую пленку (монооксид кремния или германия, оксид тантала или
алюминия), а затем второй проводящий слой. Навесные компоненты
(бескорпусные полупроводниковые приборы, микросхемы, миниатюр-
ные конденсаторы повышенной емкости) сначала укрепляют на под-
ложке специальным клеем или припоем, а затем электрически под-
ключают их выводы к контактным площадкам (пятачкам) проводящих
пленок с помощью микросварки или пайки (рис. 12.44).
Подмяк*	Бескорпусной
компонент
Рис. 12.44. Фрагмент структуры тонкопленочной гибридной микросхемы
288
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Толстопленочные гибридные микросхемы изготавливают на-
несением на подложку специальных пленкообразующих покрытий
в виде пасты, содержащей проводящие, резистивные (золото, се-
ребро, палладий, платина, их сплавы и оксиды) и диэлектрические
(стеклянная пудра) материалы. Необходимый рисунок проводников
и элементов микросхем создают нанесением пасты на подложку с
помощью трафарета с последующим отжигом при +600...1000°С, в
течение которого наполнители пасты спекаются, образуя необходи-
мые покрытия. Бескорпусные компоненты монтируют микропайкой.
СХЕМОТЕХНИКА ПОСТРОЕНИЯ МИКРОСХЕМ
Схемотехническое построение микросхем зависит от их на-
значения и технологии изготовления.
Аналоговые микросхемы, содержащие простейшие усилитель-
ные каскады, служат основой для создания многокаскадных усилите-
лей, стабилизаторов напряжений и токов, модуляторов, детекторов,
генераторов гармонических и квазигармонических сигналов и др. Они
достаточно универсальны и многофункциональны (т.е. одна и та же
микросхема может быть использована, например, для построения
усилителя и генератора), что снижает себестоимость узлов РЭС. Од-
нако универсальность и многофункциональность ведет к появлению
избыточных элементов и компонентов, что не всегда выгодно.
Аналоговые микросхемы достаточно сложны, и их характери-
стики чувствительны к погрешностям параметров входящих пассив-
ных и активных компонентов и элементов. Широкое использование
обратных связей помогает, например, корректировать частотные
характеристики, повышать избирательность, снизить чувствитель-
ность к погрешностям компонентов.
Дифференциальный (разностный) усилитель является базо-
вым элементом аналоговых микросхем. Он предназначен для уси-
ления постоянных разностных сигналов и может быть изготовлен как
на биполярных, так и МОП-транзисторах. Дифференциальный уси-
литель (рис. 12.45) имеет два симметричных плеча, каждое из кото-
рых состоит из всегда открытого транзистора и резистора, а к общей
эмиттерной цепи подключен генератор тока, стабилизирующий ра-
боту усилителя. Симметрия плеч дифференциального усилителя во
всем диапазоне рабочих температур достигается изготовлением его
в едином технологическом цикле на одной подложке. При отсутствии
сигналов на входах усилителя напряжения на коллекторах одинако-
вы и выходное напряжение равно нулю (в идеальном случае взаим-
но компенсируются дрейфы каждого из плеч). Сигнал на выходе бу-
дет отсутствовать и при подаче на входы усилителя синфазных сиг-
налов одинаковой амплитуды. Это свойство называют подавлением
синфазного сигнала.
12. Полупроводниковые компоненты
289
Рис. 12.45. Дифференци-
альный (разностный)
усилитель
Рис. 12.46. Операционный
усилитель с обратной
связью
Рис. 12.47. Операционный
усилитель как аналоговый
сумматор
При появлении на входах проти-
вофазных сигналов одинаковой ампли-
туды входное напряжение дифференци-
ального усилителя UBX = ДЦ - Д112.
Вследствие симметрии плеч прираще-
ние коллекторных напряжений будет
также противофазно и напряжение на
выходе составит UBblx = AUK1 - Д11К2.
К наиболее распространенным
аналоговым микросхемам относятся
операционные усилители, составной
частью которых является дифференци-
альный усилитель. С помощью операци-
онных усилителей можно реализовать
множество математических операций:
сложение, вычитание, дифференциро-
вание, интегрирование и др. На рис.
12.46 изображено условное обозначение
операционного усилителя DA с цепью
обратной связи, включающей резисторы
r,,r2.
Операционный усилитель может
быть использован как сумматор (рис.
12.47), у которого выходное напряжение
является суммой нескольких входных
сигналов:
ивых = -Roc(ubx‘ /Ri +UBX2 /R, + UBX3 /R,)
Включение в цепь обратной связи реактивных компонентов
позволяет выполнять операции интегрирования, дифференцирова-
ния, а вместе с аналоговым умножителем - операции деления и из-
влечения квадратного корня.
Основными электрическими характеристиками операционных
усилителей являются: коэффициент усиления напряжения; напря-
жение смещения; коэффициент подавления синфазного сигнала;
скорость нарастания выходного напряжения и др.
Для цифровых микросхем схемотехника базового логического
элемента зависит от технологии изготовления.
Логические микросхемы, как правило, предназначены для об-
работки информации в двоичном коде, когда информационные сиг-
налы могут принимать всего два значения - логические нуль и еди-
ница. Обработку двоичной информации осуществляют логические
11—2134
290
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
элементы, определенный набор которых способен реализовать лю-
бую сложную логическую функцию.
Согласованная работа логических микросхем по выполнению
некоторой функции возможна при взаимно согласованных техниче-
ских характеристиках, к важнейшим из которых относятся: входное и
выходное напряжение и ток логической 1 и 0; пороговое напряжение
перехода из одного логического состояния в другое; входное сопро-
тивление; статическая помехоустойчивость; потребляемая мощ-
ность; коэффициент разветвления (показывающий максимальное
число подключаемых входов других микросхем) и др.
Схемы логических элементов, в зависимости от технологии из-
готовления микросхемы, имеют отличительные особенности.
Простейший базовый элемент транзисторно-транзисторной
логики (ТТЛ), предназначенный для выполнения логической функции
И-НЕ, представлен на рис. 12.48, а, в котором за счет применения
многоэмиттерного транзистора можно реализовать достаточно вы-
сокое быстродействие при небольшой потребляемой мощности. При
низком уровне напряжений на хотя бы одном из эмиттерных входов
первый транзистор VL открыт до насыщения, закрывая транзистор
VT2, что обеспечивает на выходе микросхемы высокий уровень на-
пряжения (логическая единица на выходе). При высоких уровнях на-
пряжения на всех входах транзистор VH закрыт (находится в ин-
версном режиме), а транзистор VT2 - открыт до насыщения. В отли-
чие от обычного многоэмиттерный транзистор содержит несколько
эмиттеров, созданных таким образом, что прямое взаимодействие
между ними практически исключено благодаря изолирующему уча-
стку пассивной базы.
Такой многоэмиттерный транзистор можно рассматривать как
совокупность нескольких транзисторов с общим коллектором, взаи-
модействующих за счет перемещения общих основных носителей.
Для повышения нагрузочной способности, помехоустойчивости и
быстродействия при работе на емкостную нагрузку применяется
усовершенствованная схема ключа со сложным инвертором (рис.
12.48, б).
a
б
Рис. 12.48. Логический элемент ТТЛ с простым (а) и сложным (б) инвертером
12. Полупроводниковые компоненты
291
На базе логических элементов разработаны и широко приме-
няются микросхемы ТТЛ-серий 155 (зарубежный аналог SN54/ SN74);
134 (SN54U SN74L); 530; 531 (SN54S/ SN74S); 533; 555 (SN54LS/
SN74LS); 1531 (54F/74F).
Почти все логические эле-
менты, входящие в состав пере-
численных отечественных и
зарубежных серий микросхем
ТТЛ, созданы комбинированием
двух базовых схем: логического
элемента И-НЕ (рис. 12.48, б) и
расширителя по ИЛИ (рис.
12.49), обладающих высокой
нагрузочной способностью (до
10), хорошим взаимным согла-
Рис. 12.49. Схема расширителя
ТТЛ по ИЛИ
сованием.
Относительно высокое быстродействие ТТЛ микросхем при
емкостной нагрузке обеспечивается низкоомным выходным сопро-
тивлением. Однако при переключении в цепи питания микросхемы
возможны броски тока, поскольку в некоторый момент одновременно
открытыми оказываются два транзисторных ключа. Это может соз-
дать напряжение импульсных помех, снизить которое удается сни-
жением индуктивности шин питания и включением в них развязы-
вающих конденсаторов.
Весьма высоким быстродействием при большом электропо-
треблении обладают цифровые микросхемы эмиттерно-связанной
логики (ЭС/7), в которых транзисторные каскады связаны между со-
бой эмиттерами. Малое время задержки распространения сигнала в
микросхемах ЭСЛ обусловлено линейным режимом работы транзи-
сторов, а также малым перепадом логических напряжений (0,69 В)
и включением на выходе эмиттерных повторителей, ускоряющих
процесс перезаряда емкости нагрузки.
На рис. 12.50 приведена схема базового логического элемента
микросхемы ЭСЛ, одновременно выполняющего функции ИЛИ-НЕ
и ИЛИ, в котором имеется дифференциальный усилитель (VG-VTs),
диодная цепь опорного температурно-компенсированного напряже-
ния (VT6; VDn VD2; резисторы R7-R10) и выходные эмиттерные по-
вторители (VT7; VT8) при заземленных коллекторах. Такое подклю-
чение л-р-л-транзисторов к источнику питания - 5,2 В позволяет сни-
зить зависимость выходного напряжения микросхемы ЭСЛ от помех
по проводам питания. Невысокие отрицательные уровни логических
единицы (-0,96 В) и нуля (-1,65 В) создают небольшой логический
перепад.
292
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 12.50. Базовый логический элемент микросхемы ЭСЛ
На основе логических элементов производятся и широко ис-
пользуются микросхемы ЭСЛ различных функциональных возмож-
ностей серий 100; 500; 1500 - триггеры, дешифраторы, мультиплек-
соры, запоминающие и арифметические микросхемы. Для сопряже-
ния микросхем ЭСЛ с другими микросхемами, например, ТТЛ, ис-
пользуются специальные микросхемы преобразователей уровня на-
пряжений логических сигналов.
Базовый логический элемент КМОП микросхемы содержит
два транзистора со сходными характеристиками, но противополож-
ной проводимости. На рис. 12.51, а приведена принципиальная схе-
ма базового КМОП элемента, а на рис. 12.51, б - его технологиче-
ский профиль. Ко входу комплементарного ключа подключен диод-
но-резистивный амплитудный ограничитель (R; VD^VDa) до ±0,7 В,
поскольку статические заряды могут превысить пробивное напряже-
ние транзисторов (150...200 В). Выходная диодная цепь (VD4-VD6)
образовалась в области комплементарного ключа и для его работы
не является обязательной.
В результате совершенствования биполярного транзистора,
входящего в состав микросхемы, был получен логический элемент
интегральной инжекционной логики (И2Л), в котором отсутствует
Рис. 12.51. Базовый логический элемент микросхем КМОП (а)
и его профильная топология (б)
12. Полупроводниковые компоненты
293
необходимость в резисторах и достигнуто высокое быстродействие
при малом логическом перепаде (логический нуль 0,1 ...0,2 В; логи-
ческая единица 0, 6...0,7 В).
В кристалле полупроводника совмещены области, функцио-
нально принадлежащие различным транзисторам (рис. 12.52, а).
В схеме логического элемента И2Л микросхемы транзистор Х/Тт ин-
жектирует базовый ток многоколлекторного транзистора VT2, выпол-
няющего инвертирование входного сигнала и размещенного на не-
большой площади кристалла. Уровень инжекционного тока (1 нА...
...1 мА), задаваемый извне и не зависящий от режима работы логи-
ческого элемента, позволяет регулировать быстродействие.
Вход
о----
Рис. 12.52. Технологический профиль базового логического элемента И2Л (а)
и его схема (б)
Обладая невысокой помехоустойчивостью, логический эле-
мент И2Л применяется, в основном, в составе БИС и СБИС.
КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ МИКРОСХЕМ
Конструктивное оформление микросхем весьма разнообраз-
но. Бескорпусные микросхемы применяют в качестве компонентов
других (гибридных) герметизированных микросхем. Большинство
микросхем изготавливают в корпусах, необходимых для защиты от
а	б
Рис. 12.53. Корпуса микросхем типа
DIP:
а - пластмассовый;
б - металлокерамический
внешних механических и климати-
ческих воздействий при монтаже, а
также от эксплуатационных меха-
нических, климатических, электри-
ческих, тепловых и других факто-
ров. Наибольшее распространение
получили DIP (Dual In-line Package)
корпуса микросхем с жесткими
внешними выводами: в пластмас-
совом (рис. 12.53, а) и и металло-
керамическом (рис. 12.53, б)
вариантах, в которых выводы
расположены в два ряда с шагом
2,5 мм.
294
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
При миниатюризации РЭС важнейшей характеристикой корпу-
са микросхемы стало расстояние между выводами, поскольку для
реализации возможностей созданных кристаллов микросхем число
выводов должно быть 100 и более. В корпусах типа DIP возможно
разместить только 64 вывода: при большем числе выводов снижа-
ются электрические характеристики микросхемы, резко возрастает
занимаемая микросхемой площадь на плате печатного монтажа,
снижается устойчивость к внешним эксплуатационным воздействи-
ям. Были разработаны корпуса с шагом выводов 1,25 мм: SO - двух-
рядные; QFP - квадратные плоские; PLCC - пластмассовые квад-
ратные (рис. 12.54).
Число выводов
1000
Традиционный монтаж:
МОНТАЖ В ОТВЕРСТИЯ (ТМО)
FinePitch ТМП
500-
208-
84 --
28
Узкий DIP
P-DSO
Низкии DIP
2,5
P-GQFP
P-QFP
P-FQFP
P-LCC
МОНТАЖ НА ПОВЕРХНОСТЬ (ТМП)
Классическая ТМП
P-BQFP
Сверхтонкие
P-TSOI
Стандартные
P-MQFP
VPAK
SOJ
P-TSOPII
TAB bump
TAB wire
LOC
COL
Flip Chip
СОВ
LOS
SOL
Interposer
Translator ~
и т.д.
0,8	0,6	0,3	0,2
। Расстояние между выводами, мм
4
2
5
3
0.8	0,6	0.4	0*3	0*2
Минимальный топологический размер, мкм
1975
1980
1985
1990	1995
2000 Год освоения
Рис. 12.54. Совершенствование корпусов микросхем
Однако при малом шаге выводов усложняется технологический
процесс установки выводов корпусов в отверстия печатных плат. Тех-
нологии монтажа микросхемы на поверхность отвечают корпуса типов
TQFP; BQFP; SSOP; TSOP; HD-QFP; FQFP; VQFP. Выводы корпусов
с шагом 0,4 мм требуют использования в автоматах сборки систем
технического зрения для проверки компланарности выводов и цен-
тровки корпуса на посадочное место, что повышает стоимость сбо-
рочных операций. Совершенствование корпусов микросхем достига-
ется применением матрицы с шариковыми выводами (корпус типа
BGA), переходом на многокристальные модули (МКМ), установкой
12. Полупроводниковые компоненты
295
кристалла на плату без корпуса (технология СОВ), креплением кри-
сталла на ленточном носителе (технология TAB).
Шаг между выводами менее 0,5 мм требует жесткого соблю-
дения требований компланарности, поскольку отклонение от нор-
мального положения хотя бы одного вывода приводит к отказу узла
РЭС.
ПОЛУЗАКАЗНЫЕ БИС
Наборы отдельных цифровых микросхем различных техноло-
гий длительный период времени являлись основой разработки и из-
готовления цифровых РЭС различной сложности. Однако непрерыв-
ный рост требований к числу и качеству выполняемых функций со-
провождается увеличением количества отдельных микросхем, числа
и длины внутренних и внешних соединений, габаритов и массы плат
печатного монтажа устройств, снижением надежности и др. Даже
применение специализированных БИС, например, периферийных
устройств микропроцессорных систем, не дает возможности преодо-
леть главные недостатки дискретной логики.
Кардинальное решение перечисленных проблем лежит на пу-
ти использования заказных и полузаказных БИС и СБИС. Однако
применение заказных БИС и СБИС оказывается экономически целе-
сообразным лишь при их крупносерийном производстве и устойчи-
вом спросе. Модификация таких изделий сопровождается сущест-
венными материальными и временными затратами.
Если масштаб производства невелик, то рациональнее ис-
пользовать программируемые логические интегральные схемы
(ПЛИС), у которых благодаря технологическим усовершенствовани-
ям в последние годы резко возросли: число располагаемых на од-
ном кристалле эквивалентных логических вентилей (до 10 млн), ра-
бочая частота (до 400 МГц), а также снизилась их стоимость.
Типы современных ПЛИС подразделяются на две группы.
К первой группе относятся ПЛИС, предназначенные для формиро-
вания заданной структуры цифрового узла РЭС путем программиро-
вания связей коммутирующих матриц с использованием технологии
перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств (вклю-
чая электрическое стирание). Созданная таким способом система
связей является энергонезависимой и для ее изменения необходимо
произвести операцию очистки (стирания). В ПЛИС второй группы
требуемые связи обеспечиваются логическими ключами, управляе-
мыми цифровыми последовательностями, записанными во внутрен-
нее оперативное запоминающее устройство при конфигурировании
ПЛИС. Эти связи требуют восстановления при каждом включении
цифрового узла и средств по сохранению и восстановлению требуе-
мой конфигурации. Они могут быть многократно переконфигуриро-
296
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ваны, включая динамическую адаптацию структуры связей. Таким
образом, возникает возможность использования одного и того же
кристалла для выполнения различных цифровых функций (напри-
мер, обеспечивать работу мобильного телефонного аппарата в се-
тях связи с различными стандартами в зависимости от доступности
сети в данный момент времени).
ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕУСТРОЙСТВА
Благодаря встроенным системам программирования и конфи-
гурирования некоторых ПЛИС, их можно перепрограммировать
в условиях эксплуатации без использования внешних программато-
ров и даже находясь в постоянном использовании с обновлением
версии ПЛИС через Интернет.
По функциональному признаку полупроводниковые запоми-
нающие устройства подразделяются на запоминающие устройства
с произвольной выборкой и с последовательным доступом. Наи-
большее распространение имеют запоминающие устройства с про-
извольной выборкой, которые могут быть статическими и динамиче-
скими. К запоминающим устройствам с последовательным доступом
относятся регистры сдвига и приборы с зарядовой связью.
Основой современных оперативных запоминающих устройств
являются КМОП структуры, которые, как уже отмечалось, обладают
малым энергопотреблением, позволяющим использовать его как
постоянное запоминающее устройство с питанием от миниатюрной
гальванической батареи (например, для начальной загрузки опера-
ционной системы компьютера).
Рис. 12.55. Элементарная ячейка Рис. 12.56. Элементарная ячейка
статического запоминающего динамического запоминающего
устройства	устройства
Адресная шина х
Разрядная шина
В элементарную ячейку статического запоминающего уст-
ройства с произвольной выборкой входит, как правило, триггер, об-
разованный нормально закрытыми транзисторами VT3; VT4 с оми-
ческой нагрузкой в виде МОП-транзисторов VT1; VT2 (рис. 12.55) и
12. Полупроводниковые компоненты	297
ключами на VT5-VT8. Омическое сопротивление VT1; VT2 устанав-
ливается в процессе производства подгонкой порогового напряже-
ния (операция легирования поликремниевого затвора с помощью
ионной имплантации).
В динамических запоминающих устройствах (рис. 12.56)
(в отличие от статических) информация сохраняется до тех пор, пока
включено питание и пока происходит регенерация информационного
заряда, стекающего с конденсатора. Такие схемы весьма компактны,
поскольку необходимы всего один-два транзистора. Регенерация
производится с помощью логической схемы, тактируемой специаль-
ным генератором.
Контрольные вопросы
1.	Какие компоненты РЭС относят к полупроводниковым?
2.	Объясните формирование ВАХ р-л-перехода.
3.	Каков принцип действия биполярного транзистора?
4.	Каков принцип действия полевого транзистора?
5.	Каков принцип действия тиристора?
13. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Увеличение числа выполняемых функций, рост требований по
надежности и стоимости определяют необходимость повышения
степени интеграции компонентной базы современных РЭС. Инте-
гральная электроника, используемая в настоящее время, предпола-
гает интеграцию элементарных электронных составляющих (рези-
сторов, конденсаторов, транзисторов, полупроводниковых диодов,
тиристоров) на кристалле микросхемы. Развитие компонентной базы
РЭС связано с уменьшением размеров этих составляющих до суб-
микронных и переход в манометровый масштаб измерений разме-
ров и расстояний.
Весьма скоро будут достигнуты физические пределы интегра-
ции такого схемотехнического направления, когда появятся микро-
схемы с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, изготовленные
на пластинах большого диаметра с помощью литографических уста-
новок неоптического экспонирования. При этом многочисленные
межсоединения, свойственные схемотехнической интегральной
электронике, вызовут ограничение скорости внешнего обмена ин-
формацией уровнем 3 ГГц, хотя рабочая частота отдельно изготов-
ленных транзисторов превысит 10 ГГц.
Предельные показатели традиционного направления развития
интегральной электроники не смогут соответствовать уровню уже су-
ществующих задач, таких как системы оперативного распознавания
образов, искусственного интеллекта, параллельной обработки пото-
ков информации, управление многомерными базами знаний и др.
Традиционно изготовленный схемотехнический базовый эле-
мент интегральной микросхемы (цифровой или аналоговой) выпол-
няют на кристалле, в который с помощью определенных технологи-
ческих процессов целенаправленно внесено значительное количе-
ство локальных неоднородностей на поверхности и в объеме. Полу-
ченные неоднородности называют статическими, поскольку они
должны оставаться неизменными весь срок эксплуатации микросхе-
мы. Выполнение заданных функций по генерированию, обработке и
хранению информации осуществляется на основе определенных
схемотехнических решений.
Альтернативой интегральной электронике статических неод-
нородностей является использование динамических неоднородно-
стей в процессе генерирования, обработки и хранения информации,
а также интеграция количества выполняемых функций.
Увеличение функциональных возможностей интегральной
электроники происходит за счет интеграции на одном кристалле не
13. Функциональные компоненты
299
только элементов, но и физических эффектов и явлений. Таким об-
разом, при работе микросхем используются не только схемотехни-
ческие решения, но и динамические неоднородности различной фи-
зической природы как физические носители информации.
Динамическая неоднородность может быть расположена на
части поверхности или в локальной области внутри некоторого су-
ществующего материала, полученного применением определенных
физико-химических процессов. Локализация динамической неодно-
родности в материале или ее перемещение по рабочему объему
материала в результате взаимодействия с физическими полями или
другими динамическими неоднородностями различной физической
природы могут быть использованы, например, для переноса инфор-
мации.
К динамическим неоднородностям относят ансамбли (пакеты)
заряженных частиц, домены (электрические домены, домены Ганна,
цилиндрические магнитные домены), волны (поверхностные акусти-
ческие волны, магнитные статические волны) и др. Размеры дина-
мической неоднородности зависят от ее физического существа
ованием зарядовых пакетов и магнитных .доменов) до размера ато-
мов (спиновые, волновые устройства).
Следовательно, функциональная электроника является обла-
стью интегральной электроники, в которой используются явления
возникновения, перемещения и взаимодействия динамических не-
однородностей различной природы в однородной среде под дейст-
вием физических полей. Например, в матрицах приборов зарядовой
связи (ПЗС), относящихся по своему принципу действия к изделиям
полупроводниковой функциональной электроники, информация об-
рабатывается или хранится в виде зарядового пакета, состоящего из
электронов и дырок. При этом статические неоднородности в прибо-
ре и различное схемотехническое обрамление являются вспомога-
тельными. Этим подтверждается тот факт, что функциональная
и интегральная электроника развиваются одновременно, дополняя
друг друга при создании сложных РЭС.
Следует обратить внимание на то, что в функциональной
электронике пока не найдено принципиальных ограничений на раз-
меры динамических и статических неоднородностей.
Отличительным свойством функциональной электроники яв-
ляется возможность использования в процессе обработки информа-
ции функций высшего порядка в качестве основных. Например, ин-
тегрального преобразования Лапласа, быстрого преобразования
Фурье, процедуры свертки, корреляции, автокорреляции, задержки,
фильтрации, когерентного сложения и др. Одновременно могут быть
осуществлены традиционные логические операции типа И, НЕ, ИЛИ
и т.п. Немаловажно также, что обработка информации происходит
300
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
без проводников и межсоединений и в аналоговом виде без преоб-
разования в цифровую форму и обратно.
Итак, составными частями прибора функциональной электро-
ники являются: динамические неоднородности некоторого материа-
ла (например, поверхностные акустические волны); генератор дина-
мических неоднородностей (для их ввода в канал распространения);
устройство управления в тракте переноса информации; детектор
информации (например, если необходим перевод в двоичный код).
Главными направлениями исследований в области функцио-
нальной электроники являются разработка теоретических основ
и практическое использование достижений в создании новых уст-
ройств, использующих свойства таких динамических неоднородно-
стей, как: поверхностные и спиновые акустические волны, цилинд-
рические магнитные домены, ансамбли (пакеты) зарядов, ядерный
магнитный резонанс, голографические массивы, белковые биста-
бильные среды, фазовые переходы на границах многослойных
структур, кооперативное поведение самоорганизующихся неодно-
родностей, сверхпроводимость, пьезо- и пироэлектричество в ди-
электрических средах, электрокапиллярные явления и др.
13.1. Акустоэлектроника
Одно из направлений развития функциональной электроники,
основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта, а так-
же физических явлений взаимодействия электрического поля с вол-
нами акустических напряжений в пьезоэлектрическом и полупровод-
никовом материале, получило название акустоэлектроника. Таким
образом, в акустоэлектронных приборах происходит преобразование
акустических колебаний в электрические и обратно.
Основными пьезоэлектрическими материалами являются
кварц, сегнетова соль, турмалин и некоторые виды керамики, со-
стоящие из молекул SiO2, которые в отсутствие механической де-
формации имеют нейтральный заряд вследствие равномерно рас-
пределенных положительных и отрицательных ионов. При сжатии
кристалла на расположенных сна-ружи электродах появляется раз-
ность потенциалов (в этом проявляется прямой пьезоэффект). Под
действием приложенного к электродам электрического напряжения и
в зависимости от его полярности кристалл поляризуется и изменяет
свои геометрические размеры (обратный пьезоэффект). Приложе-
ние к электродам переменного напряжения определенной частоты
вызывает возбуждение механических колебаний, определяемых
свойствами материала кристалла и его размерами.
13. Функциональные компоненты
301
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Ранее других в составе РЭС начали применяться кварцевые
резонаторы, в которых используют механические колебания изгиба,
сжатия, кручения или сдвига всего объема кварцевой пластины. Чем
меньше размеры кристалла, тем выше частота. Например, для час-
тот основной механической гармоники 200...500 кГц кварцевый ре-
зонатор, работающий на изгиб, имеет толщину в десятые доли мил-
лиметра, а в длину - несколько десятков миллиметров.
Резонаторы такого типа, имеющие
несколько механических степеней свобо-
ды, колеблются сразу в нескольких на-
правлениях. Например, при возбуждении
кристалла в виде прямоугольной пластины
имеют место колебания продольные и по-
перечные (по толщине). Кроме основных
возможно появление побочных колебаний
(чаще всего изгибных), что приводит к по-
явлению дополнительных составляющих Рис. 13.1. Кристалл
спектра частот резонатора. Наиболее ярко	кварца
пьезоэлектрический эффект обнаружива-
ется в кристаллах кварца (рис. 13.1).
На механическом резонансе в кварцевой пластине устанавли-
ваются стоячие упругие волны, длина которых пропорциональна
скорости их распространения по пластине, определяемой анизо-
тропными упругостью и плотностью кристалла (зависимых от на-
правления деформации). Деформация в одном направлении в силу
внутренних связей твердого тела вызывает деформацию в других
направлениях. Поэтому основная деформация сопровождается по-
бочными резонансами, особенно у пластин с основным механиче-
ским резонансом по толщине.
В электрической цепи переменного то-
ка кварцевый резонатор проявляет себя как
параллельно-последовательный колеба-
тельный контур (рис. 13.2), в котором сопро-
тивление Rs обозначает потери внутреннего
трения в пластине, индуктивность Ls про-
порциональна массе кристалла, емкость Cs
обратно пропорциональна показателю меха-
нической жесткости кристалла, СР - пара-
зитная электрическая емкость выводов и
кристал л ©держателя. По сравнению с коле-
бательным контуром из сосредоточенных
компонентов добротность кварцевого резо-
натора весьма высока, что позволяет исполь-
Рис. 13.2. Эквивалент-
ная схема замещения
кварцевого резонатора
302
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 13.3. Изменение реактивного
сопротивления кварцевого резона-
тора от частоты
зовать его для создания избира-
тельных фильтров. Кроме того,
высокая добротность позволяет
обеспечить стабильность частоты
электрических колебаний в авто-
генераторах с кварцем.
На рис. 13.3 приведена за-
висимость реактивного сопротив-
ления резонатора от частоты при-
ложенного к нему переменного
напряжения. На низких частотах
резонатор ведет себя как емкость.
С повышением частоты емкостное
емкостное сопротивление уменьшается, и на частоте последователь-
ного резонанса (называемой резонансной частотой кварцевого резо-
натора) оно снижается до нуля. Резонатор проявляет свойства после-
довательного контура, его полное сопротивление минимально и равно
активному сопротивлению Rs.
Выше частоты последовательного резонанса, определяемой
формулой Томпсона fnoc = 1/(2ti^LsCs ), растет индуктивное сопро-
тивление резонатора и на частоте fnAP резонатор достигает резо-
нанса параллельного колебательного контура. При дальнейшем по-
вышении частоты начинает сказываться шунтирующее действие ем-
костей кварцедержателя и обкладок (резонатор действует как кон-
денсатор малой емкости). Разность между резонансными частотами
невелика и составляет приблизительно 0,4% от частоты последова-
тельного резонанса.
Колебания кварцевых пластин на механических гармониках
основного резонанса могут быть использованы для получения резо-
наторов на более высоких частотах. Например, в случае поперечных
колебаний половина длины волны первой гармоники колебаний рас-
положена по толщине (рис. 13.4, а), а при нечетных гармониках -
нечетное число полуволн (рис. 13.4, б). Знаки зарядов на противопо-
ложных плоскостях кварцевой пластины, где расположены сплош-
ные электроды, различны. Поперечные колебания четной механиче-
ской гармоники (рис. 13.4, в) вызывают одноименный заряд плоских
частей пластины и отсутствие пьезоэффекта. Аналогичные свойства
проявляются при продольных колебаниях. Однако, применяя не-
сколько электродов на плоскостях резонатора, удается путем их
специального электрического соединения получить пьезоэффект на
четных механических гармониках. Кварцевая пластина резонатора,
используемого на высших гармониках, длиннее пластины резонато-
ра основной механической гармоники.
13. Функциональные компоненты
303
Точность номинальной частоты
кварцевых резонаторов достигается
технологической подгонкой и состав-
ляет±(0,5...1,0)-10'7.
Поскольку добротность кварце-
вых резонаторов весьма высока (как
правило, 1О4...1О6 и выше), то в пред-
варительных расчетах сопротивлени-
ем потерь Rs эквивалентной схемы
замещения можно пренебречь.
К важнейшим характеристикам
кварцевых резонаторов относятся
температурная зависимость резо-
нансной частоты и уровень старения.
Рис. 13.4. Упругие механиче-
ские деформации кристалла
кварца по толщине и знаки
заряда его плоскостей
Для получения резонаторов с минимальным температурным
коэффициентом частоты (ТКЧ) выбирают соответствующий срез
кристалла (пространственный угол наклона плоскости разрезания
исходного кристалла кварца). Например, наименьшим ТКЧ в доста-
точно широком диапазоне температур (кривая 1 на рис. 13.5) обла-
дают пластины со срезом под углом 51° (технологический тип
yxl/+51o307+45°). Однако вблизи основной частоты пластины этого
типа расположен паразитный резонанс, что заставляет применять для
пластин другие срезы, например, под углом 35° (технологический тип
yxl/+35°15'), ТКЧ которого отражает кривая 2 на рис. 13.5. Небольшим
изменением угла среза можно в процессе производства кварцевых
резонаторов добиться того, чтобы нулевое значение ТКЧ совпадало
с серединой температурного диапазона условий эксплуатации РЭС.
ТКЧ резонаторов с пластинами других срезов отличаются бо-
лее существенной зависимостью от температуры.
Процесс необратимого изменения резонансной частоты квар-
цевого резонатора обычно называют его старением, причины кото-
Рис. 13.5. Относительное изменение резонансной частоты кварцевого
резонатора в диапазоне температур:
1 - пластина со срезом 51°; 2- пластина со срезом 35°
304
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
рого объясняются изменениями свойств материалов (прежде всего
кварцевой пластины). Существенное влияние на старение оказывает
качество обработки поверхностей кварца. При длительной эксплуа-
тации для уменьшения скорости старения необходимо поддержи-
вать уровень рабочих напряжений и токов в пределах милливольт
и миллиампер.
Электроды кварцевых резонаторов на поверхностях пластины
изготавливают металлизацией, к которой предъявляются требова-
ния высокой прочности. Для металлизации в большинстве примене-
ний используют серебро и золото.
Крепление пластин в корпусе резонатора зависит от типа ме-
ханических колебаний. В большинстве случаев пластину с попереч-
ными колебаниями закрепляют специальными пружинными зажима-
ми по ее клиновидному торцу (рис. 13.6, а), расположенному в узле
колебаний, что обеспечивает минимальные вносимые потери. Квар-
цевые пластины продольных колебаний укрепляют на проволочных
выводах из бронзы, припаиваемых к вожженным в узлах колебаний
кварца серебряным площадкам (рис. 13.6, б). Разновидности метал-
лических и стеклянных корпусов кварцевых резонаторов представ-
лены на рис. 13.7.
К современным РЭС предъявляются все более высокие тре-
бования по стабильности частоты сигналов. Обычно требуемая дол-
говременная относительная нестабильность частоты должна быть
не ниже Ю^.-.Ю"8, что можно обеспечить, применяя кварцевые ре-
зонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превы-
шает добротность резонаторов на LC-контурах.
На рис. 13.8 приведена одна из разновидностей генератора с
кварцевым резонатором между коллектором и базой транзистора,
выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трех-
точка).
Рис. 13.6. Примеры крепления
пластины кварцевого резонатора
с помощью выводов
Рис. 13.7. Разновидности корпу-
сов кварцевых резонаторов
13. Функциональные компоненты
305
Рис. 13.8. Пример генератора с
кварцевой стабилизацией частоты
Рис. 13.9. Программируемые генера-
торы с кварцевым резонатором
Появление программируемых кварцевых генераторов позво-
лило вместо производства изделий с различными рабочими часто-
тами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур
использовать всего несколько стандартных функционально закон-
ченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным
электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем
на этапе поставки продукции или даже непосредственно у заказчика.
В состав микросхем программируемых кварцевых генераторов вхо-
дит собственно кварцевый генератор опорной частоты (например,
25 МГц), делитель частоты с коэффициентом деления, фазовый де-
тектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель час-
тоты, однократно программируемое ЭППЗУ и управляемые выход-
ные каскады. Внешний вид таких генераторов изображен на
рис. 13.9.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ
Фильтры предназначены для селекции электрических сигна-
лов по частотному признаку за счет специфического свойства - раз-
личия уровня затухания для сигналов отличающихся частот.
В составе РЭС фильтры применяются, в основном, для избиратель-
ного пропускания полезного и ослабления мешающих сигналов (по-
лосовые фильтры), для разделения сигналов по частоте и др.
Фильтры могут быть изготовлены на LC -контурах, а также с приме-
нением механических и пьезоэлектрических резонаторов. Возможны
варианты с комбинированным использованием механических и пье-
зоэлектрических резонаторов.
Пьезоэлектрические фильтры могут быть изготовлены на базе
кварцевых и пьезокерамических резонаторов. В этом классе лучши-
306
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
ми характеристиками обладают кварцевые фильтры, состоящие из
нескольких резонаторов, но для получения высоких результатов они
требуют тщательной подгонки по частоте каждого резонатора. Го-
раздо дешевле пьезокерамические фильтры, имеющие к тому же
существенно меньшие габариты.
Полосовые фильтры могут быть узкополосными (отношение
ширины полосы к рабочей частоте 0,2-5%) и широкополосными.
К основным характеристикам фильтров относятся:
•	избирательность (или затухание в полосе заграждения для
мешающих сигналов);
•	коэффициент прямоугольности (отношение полосы пропус-
кания по уровню 0,7 минимального вносимого затухания на рабочей
частоте к полосе пропускания на уровне, например, -40 дБ);
•	неравномерность затухания в полосе пропускания (напри-
мер, не более 6 дБ).
Дисковый резонатор, на одной стороне которого расположены
разделенные электроды (центральный и кольцевой на рис. 13.10),
а на другой - общий электрод, представляет собой систему из двух
пьезокерамических резонаторов (цилиндрического и кольцевого) с
сильной объемной механической связью, позволяющей получить
определенную полосу пропускания или режекции. Входной и выход-
ной импедансы фильтра зависят от площади электродов, что позво-
ляет в условиях производства управлять ими для достижения согла-
сования фильтра с внешними цепями. Такое устройство характерно
как для полосовых (например, типов ФП1П6; ФП1П8), так и для ре-
жекторных (например, типа ФП1Р8) пьезокерамических фильтров.
о—=с=—о
Рис. 13.10. Дисковый
резонатор с разделен-
ными электродами
а	б
Рис.13.11. Кварцевые (а) и пьезокерамические (б)
фильтры
Поскольку пьезокерамические резонаторы, входящие в состав
пьезокерамических фильтров, обладают по сравнению с кварцевы-
ми, невысокой добротностью, то для изготовления полосового
фильтра необходимо применение нескольких резонаторов, соеди-
няемых, как правило, по лестничной схеме.
13. Функциональные компоненты
307
Рабочая частота фильтров типа ФП1П составляет 10,7; 6,5 и
5,5 МГц при полосе пропускания 0,15...0,6 МГц (по уровню 20 дБ) с
входным сопротивлением около 300 Ом. Конструкция фильтра (рис.
13.11) должна предусматривать защиту от электрических и магнит-
ных полей и воздействия влажной среды. Характеристики фильтров
чувствительны к механическим воздействиям (ударам и вибрации).
ПРИБОРЫ ПАВ
Приборы, выполнение функций которых основано на поверх-
ностных акустических волнах (ПАВ), имеют существенные достоин-
ства, обусловленные малой массой и габаритами, отсутствием энер-
гопотребления, линейностью, температурной стабильностью, техно-
логичностью, устойчивостью к механическим воздействиям и др.
Поверхностные акустические волны распространяются вдоль
поверхности твердого тела, проникая на глубину 2-3 длины волны.
Полосовые фильтры на поверхностных акустических волнах
изготавливают на среднюю частоту от 30 МГц до 3 ГГц. На низких
частотах масса и габариные размеры фильтров ПАВ возрастают и
более выгодными становятся пьезокерамические фильтры. Ограни-
чение частотой 3 ГГц обусловлено технологическими причинами
(разрешающей способностью фотолитографии).
Простейший фильтр ПАВ
состоит из пьезоэлектрической
подложки, на поверхности кото-
рой расположены два преобра-
зователя со встречными решет-
ками (гребенками) с расстоянием
между электродами в половину Рис. 13.12. Простейший фильтр ПАВ
длины волны (рис. 13.12). Один с двумя преобразователями
из преобразователей возмущает
поверхностную волну, а другой
ее принимает.
Короткий входной (рис. 13.13) импульс прямого сигнала возбуж-
дает локальный импульсный отклик обоих преобразователей и на вы-
ходе возникает специфическая импульсная реакция Поскольку фильт-
ры ПАВ обычно имеют акустическую задержку распространения сиг-
нала 0,1...50 мкс, то входной сигнал (на рисунке показан как прямой
сигнал), появляющийся на выходе за счет паразитных связей «вход-
выход», опережает основной отклик (основной сигнал) на время Т.
Благодаря внутренним отражениям в импульсной характери-
стике образуется третий участок (сигнал «тройное эхо»), который
вызывает интерференцию с основным сигналом в полосе пропуска-
ния. Обычно уровень отражений составляет -50...60 дБ по отноше-
нию к основному сигналу.
308
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 13.14. Амплитудно-частотная
характеристика согласованного
фильтра
Рис. 13.13. Импульсная характери-
стика фильтра ПАВ
К достоинствами фильтров на ПАВ относится высокая селек-
тивность (коэффициент прямоугольности до 1,15 и менее), возмож-
ность изготовления методами интегральной технологии, совмести-
мость с интегральными модулями. При массовом производстве
обеспечивается хорошая стабильность и воспроизводимость харак-
теристик и относительно низкая себестоимость, высокая надеж-
ность. Обычно время распространения волны в таких фильтрах со-
ставляет от нескольких сотен наносекунд до нескольких десятков
микросекунд.
Фильтрам на ПАВ свойственны и некоторые недостатки:
•	наличие нежелательных всплесков АЧХ на частотах, кратных
основной;
•	снижение коэффициента подавления по мере повышения
основной частоты (этот недостаток можно устранить подключением
внешней индуктивности);
•	заметные потери в полосе пропускания (до 25...30 дБ);
•	чувствительность к статическому электричеству (чем выше
основная частота фильтра, тем значительнее чувствительность);
•	наличие паразитного просачивания прямого сигнала и сигна-
ла «тройного эха».
Проникновение прямого сигнала образуется за счет емкостной
связи между входной и выходной гребенками миниатюрного фильт-
ра, а также из-за наличия связи между внешними выводами фильт-
ра. Уровни этих сигналов ограничивают, например, динамический
диапазон усилителя телевизионного сигнала. Фильтр считается ка-
чественным, если динамический диапазон составляет не менее
40...45 дБ. Амплитуда прямого сигнала и уровень трехэхового сиг-
нала зависят только от конструкции фильтра и, в некоторой степени,
связаны с потерями в полосе пропускания.
13. Функциональные компоненты
309
Для входных цепей приемников применяют специальные по-
лосовые фильтры ПАВ с малыми (около 1 дБ) потерями и полосой
0,2...25% основной частоты (рис. 13.14).
На основе поверхностных акустических волн разработаны и
изготавливаются высокочастотные резонаторы ПАВ с высокими тех-
ническими характеристиками (рис. 13.15), предназначенные для ста-
билизации частоты, например, автогенераторов. У таких резонато-
ров, помещенных в герметизированный металлостеклянный корпус,
тонкопленочную резонансную структуру с отражательными решет-
ками располагают на поверхности пьезокварцевой пластины. На рис.
13.16 изображен вариант включения резонатора ПАВ в схему авто-
генератора.
Рис. 13.15. Резонаторы ПАВ
Рис. 13.16. Автогенератор
с резонатором ПАВ
Датчик поверхностных акустических волн на пьезоэлектриче-
ском кристалле позволяет методами хроматографии выделять из
смеси веществ отдельные составляющие, отличающиеся своими
физическими и химическими свойствами. Сложный электрод на од-
ном конце кристалла возбуждает поверхностные акустические волны
с частотой около 500 МГц, регистрируемые вторым электродом. Ес-
ли на поверхности кристалла осаждены какие либо вещества (даже
в ничтожном количестве), то они исказят поверхностную волну и это
фиксирует второй электрод. Обработка результатов на компьютере
позволяет с высокой точностью определить, например, загрязняю-
щее вещество.
Поверхностные акустические волны позволяют изготовить
тонкую прозрачную панель, позволяющую превратить обычный дис-
плей компьютера в сенсорный. На стеклянной панели с пьезоэлек-
трическими преобразователями, находящимися по углам, вдоль ее
краев расположены отражающие и принимающие датчики. Преобра-
зователь панели превращает принимаемый от специального кон-
троллера высокочастотный сигнал в акустическую поверхностную
волну, распространяющуюся по поверхности и отражающуюся от
краевых отражателей. Принятый отраженный сигнал поступает для
обработки на контроллер. Прикосновение к панели вызывает изме-
310
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
нение характера распространения, что фиксируется принимающими
датчиками. Управляющая программ сравнивает принятый от датчи-
ков изменившийся сигнал со значениями в узлах цифровой матрицы,
хранящейся в памяти компьютера.
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
Линией задержки называют компонент РЭС, предназначенный
для задержки во времени распространения определенного электри-
ческого сигнала без изменения его формы. Реальная линия задерж-
ки, представляющая собой линейный четырехполюсник, все-таки
вносит определенные искажения в форму задерживаемого сигнала
за счет ограниченной полосы пропускания. Поскольку широкую по-
лосу пропускания получить сложно, то применяют дополнительные
цепи коррекции.
По физическому принципу линии задержки бывают электриче-
скими и ультразвуковыми, а по интервалу времени задержки под-
разделяются на диапазоны: наносекундный (Ю"10...Ю"7 с); микросе-
кундный (Ю^.-.Ю-4 с); миллисекундный (10-4 ...10"2 с). Входное и
выходное сопротивления составляют 300...600 Ом.
Для значительных интервалов времени задержки применяют,
главным образом, ультразвуковые линии, содержащие электроаку-
стические или магнитострикционные преобразователи, расположен-
ные в звукопроводящей среде. Объемная ультразвуковая волна
(частотой 10...40 МГц) возбуждается одним из преобразователей и
распространяется в звукопроводе до второго преобразователя.
Снижению массы й габари-
тов линии задержки (рис. 13.17)
способствует применение не объ-
емных, а поверхностных волн. Это
позволяет снизить толщину звуко-
провода и использовать его в виде
пластины, стержня (стеклянного
или металлического) или металли-
ческой ленты.
Рис. 13.17. Конструктивные разно-
видности линий задержки
13.2.	Компоненты функциональной оптоэлектроники
В устройствах оптоэлектроники используют диапазон электро-
магнитных волн в пределах 0,4... 1,6 мкм, где носителями информа-
ции являются фотоны (динамические неоднородности оптической
среды). К специфике фотонов относится двойственность их свойств.
Волновые свойства проявляются в интерференции, а корпускуляр-
13. Функциональные компоненты
311
ные - в квантовом взаимодействии. Фотоны обладают нулевым заря-
дом (электрически нейтральны), что позволяет осуществить передачу
нескольких сигналов по одному каналу без взаимных помех при широ-
кой полосе (гораздо шире диапазона традиционных радиоволн).
Оптический сигнал имеет достаточно большое количество сте-
пеней свободы - длина волны, интенсивность, фаза, поляризация,
направление распространения в трехмерном пространстве. Все они
могут быть использованы для передачи и обработки информации.
В качестве источника световой энергии в оптоэлектронике ча-
ще всего применяют светоизлучающие диоды (светодиоды) и полу-
проводниковые лазеры.
Действие полупроводниковых излучателей света основано на
излучательной рекомбинации подвижной пары «электрон-дырка»,
являющихся разноименными носителями заряда в кристалле полу-
проводника. При возникновении излучательной рекомбинации про-
исходит перераспределение энергии внутри полупроводника так, что
излучается световой квант. Безызлучательная рекомбинация сопро-
вождается выделением тепловой энергии. Излучательная рекомби-
нация присуща таким сложным полупроводникам, как арсенид гал-
лия GaAs, арсенид индия InAs, антимонид индия InSb. Наибольшую
световую мощность позволяют получить светодиоды на GaAs (ши-
рина запрещенной зоны около 1,5 эВ), в которые вводят примесные
атомы Si и Ge.
В рабочем режиме на р-л-переход светодиода подают прямое
смещение, вследствие чего электроны и дырки, инжектируемые в
базовую область, рекомбинируют в ней с основными носителями
зарядов, выделяя при этом кванты света.
Вольтамперная характеристика светодиода весьма близка к
соответствующей зависимости обычного диода, но в степенном по-
казателе экспоненты аналитической записи тока светодиода
_ >о (ехР
U
mr(pT
-1)
присутствует коэффициент mr, который обусловлен механизмом
рекомбинации и конструктивно-технологическими особенностями
(для большинства светодиодов mr находится в пределах 1 ...2); фт -
тепловой потенциал (при нормальной температуре составляет около
26 мВ).
Длина световой волны, излучаемой светодиодами на арсени-
де галлия GaAs , соответствует инфракрасному диапазону (0,9... 1,4
мкм), у светодиодов на фосфиде галлия GaP - красному видимому
свету (0,7 мкм), у светодиодов на карбиде кремния SiC - желтому
(0,55 мкм). Включение и выключение светодиодов происходит за
достаточно короткий промежуток времени (10"7...10"9с).
312
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Действие фотоприемников основано на генерации электронно-
дырочных пар, происходящей под влиянием квантов светового об-
лучения.
У фотоприемных диодов фоточувствите-льный слой выпол-
нен на р-л-переходе, включенном при обратном смещении (в запер-
том состоянии). Под воздействием квантов света в полупроводнике
ге-нерируются электронно-дырочные пары, которые захватываются
сильным электрическим полем объемного заряда р-л-перехода и
образуют ток во внешней электрической цепи (рис. 13.18, а). При
отсутствии облучения через диод протекает темновой ток lT (обрат-
ный ток р-л-перехода). Внешнее освещение увеличивает ток фото-
диода за счет генерации электронно-дырочных пар (рис. 13.18, б).
Свет
a
Рис. 13.18. Структура фотодиода (а) и его вольтамперные характеристики
(б) при изменении светового потока Ф
В качестве фотоп)Ьиемников могут быть также использованы
фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры.
Оптроном называется компонент РЭС, выполняющий задан-
ные функции передачи информации (функции связи) и действие ко-
торого основано на генерировании, распространении и детектирова-
нии оптического сигнала, являющегося динамической неоднородно-
стью. Оптрон состоит из светодиода, фотоприемника и оптической
среды (световода), через которую осуществляется распространение
оптическая сигнала. Генератором динамических неоднородностей
(в виде фотонов) является светодиод. Управление осуществляют
подачей электрических импульсов на генератор (или путем измене-
ния геометрии световода).
Оптоэлектронная интегральная схема может состоять из од-
ной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними од-
ного или нескольких усилительных или согласующих устройств.
Электрически нейтральные фотоны, используемые для пере-
носа информации, позволяют обеспечить электрическую развязку
между входом и выходом оптрона (отсутствие между ними электри-
13. Функциональные компоненты
313
ческой связи по проводникам). К достоинствам относятся также:
возможность бесконтактного управления цепями, однонаправлен-
ность распространения информации, отсутствие обратной реакции
приемника на генератор, широкая полоса пропускания по частоте,
возможность управления выходным током оптрона с помощью воз-
действия на его оптический канал связи, защищенность от влияния
внешних электромагнитных полей и др.
Основной характеристикой оптрона является коэффициент
передачи тока Кп = 1Ф /1сд , где 1Ф- ток фотоприемника; 1СД - ток све-
тоизлучателя. В светодиодном оптроне (рис. 13.19, б) обычно Кп < 1,
поскольку отсутствует усиление, а квантовый выход светодиода не-
велик. В резисторном оптроне (рис. 13.19, а) используют эффект
фотопроводимости полупроводника (изменения электропроводности
при освещении). Если в качестве фотоприемника используется би-
полярный или полевой фототранзистор, то фототок значительно
возрастает. Транзисторные оптроны (рис. 13.19, в) позволяют
управлять коллекторным током как оптически, так и электрически по
цепи базы, а транзистор может работать как в линейном, так и в
ключевом режимах.
Тиристорные оптроны (рис. 13.19, г) предназначены для ком-
мутации электрических цепей (в том числе, сильных токов и высоких
напряжений) в схемах управления, усилителях мощности, формиро-
вателях импульсов и др.
а б в г
Рис. 13.19. Условные обозначения оптронов:
а - опторезистор; б - оптодиод; в - оптотранзистор; г - оптотиристор
Сильноточные ключи с гальванической развязкой между вы-
водами управления и нагрузкой называют оптореле, которые экви-
валентны электромагнитным реле с нормально разомкнутыми кон-
тактами. Например, для некоторых оптореле напряжение изоляции
между зажимами «вход-выход» и «выход-теплоотвод» составляет
тысячи вольт при токе утечки в выключенном состоянии менее 1 мА.
Ключевым элементом оптореле могут служить тиристор, симистор
или полевой транзистор. Достоинствами оптореле являются малый
ток управления, малое выходное остаточное напряжение, отсутст-
вие электромеханических и электромагнитных помех, малые габа-
ритные размеры и масса. На рис. 13.20 представлены типовые схе-
мы включения оптореле типов КР249КН8 и 5П20.
314
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 13.20. Типовые схемы включения оптореле типов КР249КН8 (а) и 5П20 (б)
В оптоэлектронных приборах в качестве материала оптическо-
го канала связи применяют, главным образом, оптические клеи, об-
ладающие хорошей адгезией, высокой электрической прочностью,
широким диапазоном рабочих температур.
При передаче информации оптроны выполняют функцию свя-
зи с возможностью эффективной гальванической развязки (рис.
13.21) и устранения каналов проникновения помех по цепям питания
и заземления. Оптроны позволяют осуществить достаточно простое
согласование цифровых интегральных узлов РЭС с разнородной
элементной базой. Например, на рис. 13.22 показана возможность
согласования по оптическому каналу ТТЛ микросхемы с КМОП мик-
росхемой. Тиристорные оптроны используют для бесконтактного и
безопасного управления (рис. 13.23) мощными высоковольтными
цепями промышленной электроники.
Рис. 13.21. Информа-
ционная связь между
блоками с помощью
оптрона
Рис. 13.22. Цепь согласо-
вания ТТЛ и КМОП
микросхем с помощью
оптрона
Рис. 13.23. Бескон-
тактное управление
включением нагрузки
высоковольтной цепи
Для Оперативного получения и отображения информации об
объектах и процессах произвольной природы применяют оптроны с
открытым оптическим каналом (рис. 13.24) в качестве счетчиков, об-
наружителей, прерывателей и пр. Например, компьютерный манипу-
лятор типа «мышь» при перемещении по поверхности стола приво-
дит в движение обрезиненный массивный шарик, который за счет
сил трения вращает два взаимно перпендикулярных валика, имею-
щих диски с прорезями (рис. 13.25). Диски задерживают или пропус-
13. Функциональные компоненты
315
кают луч светодиода к фотоприемникам, формируя тем самым ин-
формацию о перемещении «мыши» вверх-вниз или влево-вправо.
Рис. 13.24. Применение оптрона
с открытым оптическим каналом
Рис. 13.25. Применение оптрона
в манипуляторе типа «мышь»
Использование оптрона в стабилизаторе выходного напряже-
ния вторичного источника питания позволяет создать оптический
канал обратной связи с подачей сигнала на базу биполярного тран-
зистора стабилизатора последовательного типа. Стабилитрон соз-
дает опорное напряжение, а сравнивающим элементом устройства
служит светодиод (рис. 13.26). Если напряжение на выходе стабили-
затора возрастает, то увеличивается ток светодиода. Фототранзи-
стор оптрона изменяет напряжение смещения на базе регулирующе-
го биполярного транзистора, устраняя возникающую нестабильность
напряжения.
Рис. 13.26. Стабилизатор напряже-
ния выпрямителя с оптроном
Рис. 13.27. Применение оптоэлек-
тронного трансформатора
На рис. 13.27 представлен вариант замены импульсного
трансформатора узлом на оптроне и транзисторном ключе.
Оптроны могут выполнять также функции вторичного источни-
ка тока или ЭДС. Несмотря на низкое значение коэффициента по-
лезного действия, такой источник может быть включен в любую цепь
РЭС без гальванической связи с основным источником питания, что
в некоторых случаях весьма необходимо.
Оптоэлектронным компонентам свойственны следующие не-
достатки:
•	значительная мощность потребления для двойного преобра-
зования энергии электрической в световую и обратно;
316
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
•	чувствительность к температуре окружающей среды и ра-
диационному фону;
•	заметное старение материалов, что вызывает постепенную
деградацию характеристик;
•	схемотехнические осложнения с организацией обратных свя-
зей «вход-выход»;
•	достаточно высокий уровень собственных шумов.
Несмотря на то, что перечисленные недостатки присущи оп-
тронам принципиально, достоинства их все же более значительны.
Взаимодействие двух типов
динамических неоднородностей
используется в приборах и уст-
ройствах акустооптики. Предста-
вителем устройств этой группы
является акустооптический де-
флектор (рис. 13.28), предназна-
ченный для переключения на-
правления распространения оп-
тического луча и модулирования
его по частоте и интенсивности.
В основе функционирования де-
флектора лежит явление ди-
фракции на фазовой решетке,
позволяющей отклонять лазерный
5
Рис. 13.28. Акустооптический де-
флектор:
1 - подложка; 2 - акустопровод; 3 - опти-
ческая призма; 4 - встречно-штыревой
акустический преобразователь; 5 - фазо-
вая решетка; 6 - отражатель
луч от прямолинейного направления. Акустическая волна образует на
поверхности подложки акустические волны, которые вызывают пе-
риодическое изменение коэффициента преломления среды (создает-
ся фазовая решетка).
Управляя характеристиками фазовой решетки, можно осуще-
ствить переключение направления лазерного луча (от 10 до 125 на-
правлений) и модулировать его.
Акустооптические процессоры применяют при параллельной
обработке информации в реальном масштабе времени с частотой
до 2 ГГц при полосе 0,5...1 ГГц. Они способны осуществлять согла-
сование и фильтрацию сигналов, корреляционный и спектральный
анализ, демодуляцию, обладая большим динамическим диапазоном,
универсальностью, небольшой стоимостью при малых габаритных
размерах и массе.
13. Функциональные компоненты
317
13.3.	Функциональные приборы на жидких кристаллах
На основе жидких кристаллов производят жидкокристалличе-
ские индикаторы, основанные на электрооптическом эффекте дина-
мического рассеивания.
Состояние материала жидких кристаллов характеризуется
промежуточной фазой между изотропной жидкостью (обладающей
текучестью) и анизотропным твердым кристаллическим веществом
(обладающим оптической поляризуемостью под внешним воздейст-
вием электрических, магнитных тепловых полей, механической де-
формации). Для их молекул характерна вытянутая форма, характе-
ризующаяся специфическими свойствами, которые относят к трем
группам. Нематические жидкие кристаллы обладают однонаправ-
ленностью длинных осей своих молекул и хаотическим расположе-
нием центров тяжести молекул. Смектические жидкие кристаллы
образуют слои одинаковой толщины. В холестерических материалах
молекулы также расположены слоями, но направление их ориента-
ции меняется от слоя к слою.
Приложение электрического поля, вызывает помутнение про-
зрачного жидкокристаллического материала, на однородном фоне
проявляющего рисунок, яркость которого превышает яркость фона
от 10 до 40 раз (эффект динамического рассеивания света). В пло-
ской стеклянной ячейке (рис. 13.29), заполненной нематическими
жидкими кристаллами 5 и помещенной между скрещенными поля-
роидами 4, приложенное электрическое поле вызывает изменение
прозрачности (твист-эффект). На слабоокрашенном фоне нижней
стеклянной пластины сквозь прозрачные электроды 4 из окиси олова
появляется черный рисунок.
137.16	мАхае 635
1 ^0147 2,54x34-36,36^
Рис. 13.29. Некоторые виды жидкокристаллических индикаторов
Рис. 13.30. Структура жидкокристаллического индикатора:
1 - электрические выводы; 2 - герметик; 3 - стеклянные пластины;
4 - прозрачные электроды; 5 - жидкокристаллическое вещество
318
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 13.31. Многофункциональный
индикатор
Если обе стеклянные пла-
стины прозрачны, такой жидкокри-
сталлический прибор можно ис-
пользовать в качестве электриче-
ски управляемой диафрагмы, опти-
ческого затвора и др.
На рис. 13.31 показан много-
функциональный самолетный ин-
дикатор, отображающий информа-
цию бортовых систем и датчиков в
виде цветных знаков и символов, а
также телевизионное изображение
(в центре).
13.4.	Функциональные приборы на цилиндрических
магнитных доменах
Применение магнитных материалов как носителей информа-
ции основано на их способности находиться в одном из двух устой-
чивых состояний - в магнитном насыщении и в размагниченном ви-
де. Эти состояния соответствуют пороговым участкам цикла пере-
магничивания. С появлением тонких магнитных пленок удалось су-
щественно снизить затраты времени и энергии на перемагничивание
магнитного материала по сравнению с обычными ферритовыми сер-
дечниками.
Размеры пленок, наносимых напылением, таковы, что техно-
логия их изготовления может быть совмещена с производством ин-
тегральных схем.
Чаще всего в тонких магнитных пленках наблюдается плоско-
параллельная форма доменов, разделенных доменными границами.
Если направление доменных границ в плоскости пленки (тонкой пла-
стины) ничем не ограничено (анизотропия отсутствует), то в одноос-
ных кристаллах наблюдаются лабиринтные доменные структуры,
у которых изгиб доменных границ возникает, например, вследствие
малых неоднородностей пленки и других причин. Такая структура
сохраняется при малом внешнем магнитном поле, перпендикуляр-
ном поверхности пленки.
При увеличении напряженности магнитного поля растут те до-
мены, у которых вектор магнитного момента параллелен вектору
индукции внешнего поля, а домены другой ориентации уменьшают-
ся. При некоторых условиях эти «непараллельные» полосовые до-
мены распадаются на отдельные цилиндрические домены круглого
сечения (рис. 13.32). Вследствие магнитодипольного взаимодейст-
вия они несколько отдаляются друг от друга, равномерно распреде-
13. Функциональные компоненты
319
ляясь по всей поверхности пленки,
образуя, как правило, правильную
гексагональную решетку. Величина
магнитной индукции влияет на
плотность доменов, при этом ци-
линдрическая форма сохраняется
даже в слабых полях (вплоть до
исчезновения внешней магнитной
Рис. 13.32. Структура цилиндри-
ческих магнитных доменов
в магнитной пленке
индукции).
Для устойчивого существования цилиндрических магнитных
доменов необходимо наличие внутреннего магнитного поля, соз-
дающего цилиндрическое искривление доменным границам. При
слабом внутреннем поле домен становится неустойчивым и может
вернуться к полосовой структуре. В слишком сильных магнитных по-
лях домен сжимается вплоть до исчезновения (происходит переход
материала к однородной структуре без доменов).
В устройствах памяти логической единицей является сам ци-
линдрический домен, логическим нулем - пространство между до-
менами. Высокая плотность записи информации может быть достиг-
нута за счет уменьшения диаметра домена (например, до 1 мкм).
Скорость записи и считывания достигается высокой подвижностью
доменов по магнитной пленке. Для создания и перемещения цилин-
дрических магнитных доменов известны методы, например, магнит-
ных аппликаций (шевронов) из пленки пермаллоя (Ni-Fe), перемен-
ного вращающегося магнитного поля, проводников с током, локаль-
ного разогрева пленки лазерным лучом.
Магнитное поле домена, взаимодействуя с внешним магнит-
ным полем, создает силы, перемещающие его в направлении мини-
мальной интенсивности внешнего поля (в направлении минималь-
ной энергии домена). Использование магнитных доменов в устрой-
стве памяти позволяет повысить его информационную емкость (до
108 бит/см2), надежность, обеспечить высокое быстродействие (око-
ло 10'7 с), энергонезависимость, малые габаритные размеры и мас-
су, слабую чувствительность к радиационному фону.
13.5.	Функциональные приборы с зарядовой связью
Приборы с зарядовой связью (ПЗС)
представляют собой приёмник изображе-
ния (рис. 13.33) с фоточувствительной
областью, содержащей единый фоточув-
ствительный массив. К каждой секции
примыкает горизонтальный регистр счи-
тывания (рис. 13.34).
Рис. 13.33. Внешний вид фото-
приемников на основе ПЗС
320
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 13.34. Принцип действия ПЗС:
а - появление заряда под электродом с высоким напряжением;
б - перенос заряда к электроду с повышенным напряжением
Изображение, проецируемое на фотонувствительную область,
вызывает фотогенерацию (образование электронно-дырочных пар).
Под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф,
пропорциональный освещенности и времени накопления.
Приборы с зарядовой связью содержат матрицы МОП-
конденсаторов, расположенных достаточно близко друг к другу. По-
следовательностью тактовых импульсов они поочередно получают
напряжение смещения, которое переводит их в режим глубокого
обеднения. Этим создаются условия для хранения зарядовых паке-
тов под электродами матрицы и целенаправленного перемещения
вдоль поверхности кристалла от одного конденсатора к другому.
В ПЗС растр изображения задается в процессе изготовления
его структуры, причем с такой высокой точностью, что геометриче-'
ские искажения получаемого изображения определяются только ка-
чеством оптического объектива. Жесткий растр позволяет также су-
щественно ослабить микрофонный эффект (влияние акустических
воздействий на ПЗС), практически полностью исключить влияние
мешающих магнитных полей.
В ПЗС с поверхностным каналом (рис. 13.34, а, б) зарядовые
пакеты хранятся и перемещаются в приграничном слое полупровод-
ник - диэлектрик (SiO2), а в ПЗС со скрытым каналом - в толще
полупроводника, в котором канал изготовлен специальным легиро-
ванием.
Чувствительность прибора к световому потоку отражает спек-
тральная характеристика, которая показывает зависимость выходно-
го сигнала ПЗС от длины волны электромагнитного облучения. Она
определяется квантовым выходом (количеством сгенерированных
фотоэлектронов на один фотон падающего светового потока), зави-
сящим от уровня фотогенерации полупроводника и потерь проник-
новения света при прохождении через электродную структуру. Све-
товой поток, попадая на поверхность полупроводника, проходит за-
13. Функциональные компоненты
321
тем через несколько тонких слоев,
отличающихся своими оптическими
параметрами, вызывая интерфе-
ренцию, что находит свое отраже-
ние в изрезанной спектральной ха-
рактеристике (кривая 1 на рис.
13.35). Для расширения спектраль-
ной чувствительности толщину го-
тового кристалла ПЗС уменьшают
до 10 мкм и менее, а световой по-
ток направляют на обратную сто-
рону прибора, которая обработана
специальным образом. Такое кон-
структивное решение, хотя и доро-
Рис. 13.35. Спектральная чувст-
вительность ПЗС:
1 - обычная конструкция прибора;
2 - при освещении с обратной
стороны прибора
гое, позволяет исключить отражение от электродов и весь поток на-
править внутрь полупроводникового кристалла (кривая 2 на рис.
13.35).
Другой характеристикой ПЗС является темновой ток - резуль-
тат спонтанной генерации электронно-дырочных пар, вызывающей
падение чувствительности особенно в низкочастотной части спек-
тра. Типовые значения темнового тока лежат в пределах 0,2...0,6
нА/м и этот ток в обычных применениях незаметен, но в условиях
длительной экспозиции - неприемлем. Темновой ток как термоди-
намический процесс сильно зависит от абсолютной температуры.
Для охлаждения ПЗС обычно применяют батареи термоэлектронно-
го охлаждения с использованием эффекта Пельтье (при рабочем
напряжении 5 В обеспечивают перепад около 70°С).
Перспективным является использование для создания высо-
коскоростных ПЗС арсенида галлия, в котором электроны имеют вы-
сокую подвижность. Так, некоторые ПЗС со скрытым каналом на
кристалле AsGa работают с тактовой частотой до 500 МГц.
Помимо матричных, широко используются линейчатые ПЗС -
для считывания одномерных изображений (например, штрих-кодов,
при сканировании, в передающей части факсимильных аппаратов).
Накопительными элементами в таких ПЗС служат, как правило, фо-
тодиоды, рядом с которыми располагаются регистры считывания
четных и нечетных элементов, число которых колеблется в пределах
1024-4096.
Помимо использования ПЗС в качестве приемника изображе-
ния, его с успехом можно применить как аналоговую линию задерж-
ки, величина которой определяется тактовой частотой и количест-
вом элементов регистра.
322
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Контрольные вопросы
1.	Чем вызвано появление функциональных компонентов РЭС?
2.	Какие компоненты РЭС можно отнести к акустоэлектронным?
3.	Какими преимуществами обладают кварцевые резонаторы?
4.	Каково назначение пьезоэлектрических фильтров?
5.	Каков принцип действия фильтра на поверхностных акустических
волнах?
6.	Какие функциональные компоненты относят к оптоэлектронным?
7.	Каково назначение и принцип действия приборов с зарядовой связью?
14.	КОММУТАЦИОННЫЕ (ПЕЧАТНЫЕ) ПЛАТЫ
Сложность и большая функциональная насыщенность совре-
менных РЭС требуют осуществления большого числа электрических
соединений, называемых коммутационными соединениями.
Печатные (коммутационные) платы обеспечили возможность
механизации операций сборки, монтажа и пайки узлов РЭС, повто-
ряемость (воспроизводимость) монтажного рисунка проводников,
компактность узлов, снижение их массы.
Изготовлению коммутационных плат предшествует достаточно
трудоемкая конструкторская проработка, включающая последова-
тельное решение трех основных задач - компоновки, размещения
и трассировки.
Исходная информация при создании коммутационных плат
включает символьно-графическое описание (принципиальную схему)
узлов РЭС, элементную базу, конструктивное оформление блоков
РЭС (моноблочная или полиблочная конструкция РЭС).
Алгоритмы компоновки позволяют «разрезать» исходную
принципиальную схему на такие части, каждую из которых возможно
разместить на коммутационных платах предельных размеров, опре-
деляемых конструкцией РЭС, выбранной компонентной базой, тех-
нологической осуществимостью.
Задача размещения состоит в оценке и выборе вариантов
расположения компонентов на отдельных платах в соответствии
с критериями, например, тепловой и электромагнитной совместимо-
сти, механической устойчивости и прочности, возможности группо-
вой защиты от внешних воздействий и др.
К наиболее трудоемким относится заключительный этап кон-
структорской разработки - решение задачи трассировки. Трасси-
ровка соединений состоит в определении линий, соединяющих экви-
потенциальные контакты компонентов, входящих в узел. Трудоем-
кость трассировки объясняется многообразием способов конструк-
тивно-технологическо-го осуществления электрических соединений,
а также необходимостью выбора из большого числа вариантов наи-
лучшего решения.
Поскольку поиск наилучшего решения по всем вводимым кри-
териям с помощью перебора невозможен из-за ограничений на ре-
сурсы (времени, производительности, энергии), то используют, в ос-
новном, локально наилучшие методы, когда трасса оптимальна
лишь на данном шаге процедуры при наличии ранее произведенных
соединений.
324
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Задача трассировки состоит в том, чтобы по заданной схеме
соединений проложить проводники на плоскости с учетом заранее
заданных ограничений (например, на ширину проводников, мини-
мальное расстояние между проводниками и краем платы, радиус
скругления углов проводников, размеры контактных площадок для
пайки и др.). Критериями трассировки обычно являются: минималь-
ная суммарная длина проводников, минимальное число пересече-
ний проводников (процент осуществленных соединений без пересе-
чения), минимальное число монтажных слоев печатной платы, ми-
нимальное число межслойных переходов, равномерность распреде-
ления проводников по площади платы, минимальная площадь трас-
сировки.
Поскольку некоторые критерии могут быть взаимоисключаю-
щими, то используют доминирующий критерий при ограничениях на
другие критерии. Решение задачи трассировки должно производить-
ся с учетом допустимого пространственного расположения отдель-
ных фрагментов электрических соединений, а также конструктивных
размеров компонентов, контактных площадок соединений и комму-
тационного пространства.
Последовательные методы трассировки предполагают прове-
дение трасс последовательно одна за другой, а все необходимые
соединения предварительно упорядочивают, например, по длине,
степени охвата других соединений и др.
К параллельным методам трассировки относятся лучевые (ка-
нальные) алгоритмы, основанные на предварительном разбиении
коммутируемой площади на некоторое количество взаимно допус-
тимых каналов с последующей трассировкой внутри каналов.
14.1.	Общие сведения о коммутационных платах
Рис. 14.1. Пример коммутационной
платы со стороны проводников
фильтра нижних частот передатчика
Коммутационные платы из-
готавливают на изоляционном
основании, поверхность которого
покрыта фольгой, либо химиче-
ски осажденным слоем электро-
проводящего металла (на рис.
14.1 показан пример рисунка про-
водников коммутационной платы,
полученного травлением фольги-
рованного стеклотекстолита).
В соответствии с международными рекомендациями толщину
коммутационной платы выбирают из следующего ряда: 0,2; 0,5; 0,8;
1,0; 1,6; 2,0; 2,4; 3,2; 6,4 мм (возможны и промежуточные значения).
14. Коммутационные (печатные) платы
325
Поскольку плата состоит из материалов с различными коэф-
фициентами температурного расширения (а также может иметь от-
верстия), то при изготовлении возможно появление коробления (ли-
нейный или винтовой прогиб). Для повышения механической жестко-
сти платы желательно снижать соотношение ее сторон (максималь-
но допустимое - не более 4:1), приближая к квадратной форме.
Недостаточная прочность сцепления печатных проводников
может привести к их отслаиванию от изоляционного основания.
Исходным параметром при конструировании коммутационных
плат является шаг координатной сетки (основным является шаг 2,5 мм),
с помощью которой регламентируются расстояния между контакт-
ными площадками и размеры плат. Как правило, центры всех отвер-
стий в коммутационных платах должны быть расположены
в узлах координатной сетки, которая определяет положение компо-
нентов на плате (см. пример на рис. 14.2). Если устанавливаемый
компонент имеет некоторые выводы, расстояния между которыми
кратны основному шагу координатной сетки, то все они располагают-
ся в узлах сетки, а остальные - согласно чертежу на установку данно-
го компонента. Если у компонента отсутствуют выводы, расстояние
между которыми кратны основному шагу координатной сетки, то в уз-
ле сетки должен быть расположен центр одного из выводов, принято-
го за основной, а центр одного из остальных выводов следует распо-
лагать на вертикальной или горизонтальной линии сетки.
Печатные проводники имеют на концах контактные площадки,
являющиеся переходным элементом между выводом компонента
и проводником. Площадь контактной площадки стараются сделать
максимально возможной для предотвращения отслоения в процессе
Рис. 14.2. Фрагмент чертежа коммутационной платы с координатной сеткой
326
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 14.3. Возможная форма контакт-
ных площадок коммутационных плат
Рис. 14.4. Одна из разновидностей
ножевого печатного разъема
Ширина печатных проводников определяется допустимой то-
ковой нагрузкой, разрешающей способностью технологии изготовле-
ния коммутационных плат и другими факторами.
На некоторых коммутационных платах размещают печатные
контакты под ножевые разъемы (рис. 14.4), которые располагают по
краю платы в виде прямоугольных площадок (более широких, чем
проводники). На поверхность площадок наносят износоустойчивые
токопроводящие покрытия (золото,
в
Рис. 14.5. Зависимость распреде-
ленной емкости от ширины печатных
проводников (а) и расстояния между
ними (б) на плате толщиной 1,5 мм
серебро, палладий).
Для более полного исполь-
зования площади платы, при
размещении компонентов стре-
мятся к сокращению длины элек-
трических связей, осуществляе-
мых с помощью печатных про-
водников. В то же время необхо-
димо учитывать, что материал
платы выполняет функции несу-
щей конструкции, поскольку все
установленные на ней компонен-
ты укреплены механически.
При расчете зазоров меж-
ду проводниками принимают
электрическую "прочность, рав-
ную 1 кВ/мм. Ширина проводни-
ков и расстояние между сосед-
ними проводниками оказывают
влияние на возникающую при
этом паразитную емкость, зави-
симость которой для платы тол-
щиной 1,5 мм приведена на рис.
14.5.
14. Коммутационные (печатные) платы
327
Рисунок печатных проводников должен быть без резких пере-
гибов и острых углов, которые приводят к концентрации механиче-
ских напряжений при пайке (вследствие различий температурных
коэффициентов расширения) и к отслаиванию проводников.
Для удобства монтажа, настройки и ремонта применяют мар-
кировку компонентов, их выводов, проводников, контрольных точек,
номеров ножевых разъемов, номера платы и др. Маркировку обычно
располагают на той стороне платы, на которой устанавливают ком-
поненты.
Плоские проводники коммутационных плат по сравнению с
проводниками круглого сечения обладают повышенной площадью
теплоотдачи. Поэтому максимальная плотность тока для печатных
проводников, изготовленных химическим травлением фольгирован-
ного материала, составляет достаточно большую величину 30 А/мм2.
14.2.	Коммутационные платы традиционного монтажа
Традиционным называют монтаж, выполняемый на одно- и
двухсторонних коммутационных платах с пайкой выводов компонен-
тов в сквозных отверстиях.
Установка компонентов в отверстия печатной платы преду-
сматривает предварительную формовку выводов, возможные вари-
анты которых представлены на рис. 14.6.
Рис. 14.6. Ориентировочные габариты установки дискретных компонентов
некоторых типов на коммутационную плату традиционного монтажа
Монтаж полупроводниковых приборов, также как и многих дру-
гих компонентов РЭС, должен предусматривать расположение места
пайки вывода к монтажной площадке платы не ближе 5 мм от корпуса
компонента (во избежание выхода из строя компонентов за счет пере-
грева). На рис. 14.7 изображены виды установки полупроводниковых
компонентов на коммутационную плату традиционного монтажа.
328
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 14.7. Установка полупроводниковых компонентов некоторых типов
на коммутационную плату традиционного монтажа
С целью прочного электрического и механического крепления
выводов компонентов с использованием пайки в конструкции вывода
и форме металлизируемого монтажного отверстия в коммутацион-
ной плате следует предусматривать возможность капиллярного про-
никновения расплавленного припоя в зазор между выводом и внут-
ренней стенкой монтажного отверстия. Для этого зазор должен со-
ставлять 0,1 ...0,2 мм, а отверстие
В этом случае паяное соедине-
ние, выполняемое со стороны,
противоположной компонентам,
приобретает форму «заклепки» и
надежно электрически соединяет
контактную площадку с выводом,
а компонент прочно удерживает
механически (рис. 14.8). Качест-
венно выполненное паяное со-
единение не должно содержать
воздушных включений.
иметь зенковку и металлизацию.
Рис. 14.8. Целесообразная форма
паяного соединения вывода
навесного компонента с контактной
площадкой коммутационной платы
традиционного монтажа
Рис. 14.9. Пример коммутационной платы традиционного монтажа
(компоненты расположены на противоположной стороне платы)
На рис. 14.9 показан вид смонтированной коммутационной
платы традиционного монтажа со стороны контактных площадок. По
14. Коммутационные (печатные) платы
329
краям платы видны проводящие поля нулевого потенциала («зем-
ля»), имеющие значительную площадь. Развитая площадь зазем-
ляющих проводников снижает их паразитную индуктивность и обес-
печивает экранирование.
14.3.	Коммутационные платы поверхностного монтажа
Рис. 14.10. Форма паяных
соединений поверхностного
монтажа
В современных РЭС
Монтаж, выполняемый пайкой
выводов компонентов специальной
конструкции на поверхности коммута-
ционных плат, называют поверхност-
ным монтажом (рис. 14.10). Для по-
верхностного монтажа изготавливают
резисторы, конденсаторы, индуктив-
ности, полупроводниковые приборы,
включая СБИС.
используют различные варианты распо-
ложения компонентов поверхностного монтажа, позволяющие ис-
пользовать значительное разнообразие конструкций этих и других
компонентов для достижения высокой плотности заполнения комму-
тационных плат (рис. 14.11).
Рис. 14.11. Варианты расположения поверхностного монтажа
на коммутационных платах:
а - односторонний монтаж; б - двухсторонний монтаж; в - комбинированный монтаж
(поверхностный и традиционный); г - комбинированный односторонний монтаж;
д - комбинированный монтаж с расположением компонентов на противоположных
сторонах платы (повышенная плотность монтажа достигается расположением неко-
торых компонентов между выводами других компонентов)
330
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
14.4.	Многослойные коммутационные платы
Число слоев многослойных коммутационных плат определяется
сложностью принципиальной схемы РЭС и результатами трассировки.
Однако платы больших размеров с большим числом слоев изготавли-
вать нерентабельно. При качественном проектировании современная
технология позволяет обойтись четырьмя-шестью склеенными слоя-
ми с применением различных многоуровневых переходов.
Многослойные коммутационные платы сохраняют свойства
односторонних и двухсторонних печатных плат, добавляя свои осо-
бенности, способствующие их широкому применению при изготовле-
нии РЭС:
•	повышенную плотность монтажа на единицу поверхности;
•	применение экранирующих слоев для снижения паразитных
связей и наводок;
•	повышенную устойчивость внутренних слоев к климатиче-
ским воздействиям;
•	улучшенную теплоотдача.
На рис. 14.12 приведена типовая структура многослойной ком-
мутационной платы со сквозными, скрытыми и глухими переходами.
Слой 7
Слой 5
СлойЗ |
Слой 1 j
Слой 2	|
Слой 4	|
Слой 6	[
Слой 8 |
Рис. 14.12. Структура многослойной коммутационной платы
с межуровневыми переходами
Для узлов РЭС, эксплуатация которых может происходить
в тяжелых условиях, в многослойные платы встраивают теплоотво-
дящий слой, который за счет своей высокой теплопроводности и
контакта с корпусом, способен заметно улучшить режим теплонагру-
женных компонентов.
Высокоточное технологическое оборудование позволяет
вскрывать в диэлектрическом слое специальные окна для непосред-
ственного соединения теплоотводящей поверхности компонента с
поверхностью внутреннего слоя.
14. Коммутационные (печатные) платы
331
Для многокристальных узлов РЭС возможно применение по-
лиимидных монтажных подложек высокой гибкости, которые позво-
ляют для повышения объемной плотности упаковать несколько мик-
росхем в кубическую форму (рис. 14.13). Полиимидные материалы
обладают повышенными нагревостойкостью и электроизоляционны-
ми свойствами.
Рис. 14.13. Многокристальный узел на полиимидной подложке,
свернутый в куб
К недостаткам многослойных плат относится:
•	значительная трудоемкость изготовления и высокая стоимость;
•	длительный технологический цикл;
•	необходимость соблюдения жестких допусков на линейные
размеры;
•	необходимость использования специального технологиче-
ского оборудования;
•	низкая ремонтопригодность и др.
Однако в РЭС, для которых достижение минимальных габари-
тов и массы является главным конструктивным требованием, много-
слойные коммутационные платы трудно чем-либо заменить.
ст
Рис. 14.14. Внешний вид многослойной коммутационной платы
с поверхностным монтажом корпусных и бескорпусных компонентов,
защищенных слоем компаунда (показан стрелкой)
332
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Контрольные вопросы
1.	В чем преимущество печатного монтажа перед объемным?
2.	Чем вызваны трудности осуществления трассировки проводников на
печатной плате?
3.	С какой целью при разработке и изготовлении плат печатного монтажа
используют координатную сетку?
4.	Какие требования предъявляются к формовке выводов компонентов при
их монтаже на печатную плату?
5.	Какие преимущества и недостатки имеет поверхностный монтаж компо-
нентов?
6.	Каковы назначение и особенности конструкции многослойных печатных
плат?
15.	КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОМПОНЕНТОВ РЭС
Термином качество обозначают пригодность изделия (напри-
мер, компонента) к выполнению заданных функций в соответствии с
назначением. Количественной мерой пригодности служат характери-
стики качества, к которым относятся показатели функционирования
(показатели назначения), надежности, экономические характеристи-
ки, технологические, экологические, эстетические показатели и др.
Разработка и изготовление РЭС длительного функционирова-
ния является сложной задачей, при решении которой показатели
качества закладываются на этапе разработки с учетом схемотехни-
ческих и конструктивно-технологических возможностей производи-
теля. В процессе изготовления изделия происходит материализация
заложенного качества, а при эксплуатации - реализация качества.
Главной задачей разработчиков и изготовителей является
тщательный учет изменений свойств используемых материалов,
ожидаемых при продолжительной эксплуатации, и принятие специ-
альных мер для сведения влияния этих изменений к минимуму.
Практически всем компонентам РЭС свойственен набор тех-
нических характеристик со своими допусками, оговоренный в техни-
ческих условиях на конкретный тип компонента. Соответствие изме-
ренных технических характеристик компонента требованиям техни-
ческих условий является непременным условием его качества. Та-
кой контроль может производиться у компонента, находящегося
в статических и динамических режимах.
Контроль характеристик изготовленных компонентов на соот-
ветствие допускам, используемый практически всегда, отражает
пригодность к функционированию в момент проверки. Однако на ос-
новании такой проверки нельзя сделать заключение о поведении
характеристик во время испытаний или эксплуатации. Для этого не-
обходима оценка так называемых интервальных показателей каче-
ства, контролируемых в интервале воздействий, таких, например,
как длительное воздействие повышенных температур, механических
факторов и радиационного фона, вариаций напряжения питания,
уровней входных сигналов, других факторов окружающей среды.
Одним из интервальных показателей качества является надежность.
Удовлетворение высоких требований к качеству компонентов
предполагает контроль всех показателей качества.
334
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
15.1.	Допусковый контроль качества компонентов РЭС
Разработка и производство компонентов РЭС предполагают
проведение большого количества контрольно-измерительных опе-
раций. На этапе проектирования с помощью допускового контроля
обосновывается применимость выбранного технологического про-
цесса для производства и сортамента материалов; проверка соот-
ветствия техническим и конструктивным ограничениям. При произ-
водстве - технологический пооперационный контроль и контроль
готовых компонентов.
Производственный контроль предназначен для отбраковки как
явных, так и скрытых дефектов технологически незавершенных из-
делий. Контроль, осуществление которого связано только с регист-
рацией факта наличия дефекта (по принципу «годен-негоден»), от-
носят к пассивному контролю. Контрольные операции, при проведе-
нии которых получают информацию о причине дефектов, позволяю-
щую вносить изменения в технологический процесс, называют диаг-
ностирующим контролем.
Производственный контроль использует различные методы
измерений физических, электрических, химических характеристик
для проверки материалов, заготовок, полуфабрикатов и готовых из-
делий, а также технологических режимов отдельных операций и
процессов. Разновидностью пооперационного контроля является,
например, контроль тестовых ячеек, содержащих специальные
структуры, предназначенные для получения информации о настрой-
ке технологического процесса производства кристаллов интеграль-
ных схем.
Допусковый контроль готовых компонентов является завер-
шающей операцией процесса производства. Такой же контроль
обычно осуществляют перед монтажом в РЭС (входной контроль
компонентов), а также при испытаниях.
Например, контроль качества полупроводниковых компо-
нентов состоит в измерении электрических характеристик, отра-
жающих их функциональные возможности, и сравнении их с уста-
новленными на них допусками (нормами), содержащимися в техни-
ческой документации. Измерения проводят либо в нормальных ус-
ловиях, либо в условиях, приближенных к режимам эксплуатации.
В течение технологического процесса изготовления компонен-
ты проходят несколько этапов производственного контроля. Произ-
водственным участкам и цехам задаются цеховые нормы сплошного
(100%) контроля. Контроль готовых компонентов осуществляется по
нормам ОТК (Отдела технического контроля) предприятия. Заказчи-
ку компоненты сдаются по сдаточным нормам. Такая иерархия норм
позволяет создать производственный запас. Цеховые нормы уста-
15. Контроль качества компонентов РЭС
335
навливают более жесткими, чем нормы ОТК, а нормы ОТК - более
жесткими, чем сдаточные.
Обычно контроль компонентов по цеховым нормам, нормам
ОТК и сдаточным нормам осуществляют на одном и том же измери-
тельном оборудовании. Как правило, контроль проводят при нор-
мальной температуре, нормы отличаются на удвоенную погрешность
измерений, а соответствие сдаточным нормам проверяется при воз-
действиях, определяющих границы рабочего диапазона температур.
Контроль качества изготовленных компонентов может быть
осуществлен для всей продукции (100% контроль) либо для пред-
ставительной выборки (определенной части продукции). В послед-
нем случае результаты выборочного контроля распространяют на
всю продукцию.
Измерения характеристик компонентов производят при опре-
деленных режимах. Под термином «электрический режим» понима-
ют вид и значения совокупности электрических величин, например,
токов и напряжений постоянных, переменных, импульсных, изме-
ряемых на выводах компонентов. Под термином «условия измере-
ний» подразумевают совокупность воздействий на компонент во
время измерений, например, положительной и отрицательной тем-
пературы среды, механической вибрации, влажного воздуха и др.,
а также внешнюю электрическую нагрузку. Обычно электрический
режим измерений стараются приблизить к режимам эксплуатации
в неблагоприятных сочетаниях входных сигналов, вариаций напря-
жения питания и циклировании температуры.
Современные устройства контроля статических и динамиче-
ских характеристик компонентов широко используют вычислитель-
ные средства, работающие по специальным программам.
В основу измерительных установок закладывают принципы
измерений токов, напряжений, мощностей, вольтамперных и частот-
ных характеристик, быстродействия, задержки распространения сиг-
нала, оценки искажений формы сигналов (например, фронтов им-
пульса) и др.
Например, для измерения вольтамперной характеристики по-
лупроводникового диода на него подают постоянное, переменное
или импульсное напряжение. На рис. 15.1 приведена простейшая
схема включения диода VD при контроле по точкам его вольтампер-
ной характеристики на постоянном токе. Переключатель служит для
снятия характеристики в прямом и обратном включении диода. Ре-
зистором Rt осуществляется изменение приложенного к диоду по-
стоянного напряжения и его величина выбирается такой, чтобы ток
источника напряжения через него был много больше тока диода. Ре-
зистор R2 предназначен для ограничения тока через миллиампер-
метр при случайных замыканиях измерительных зажимов.
336
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Рис. 15.1. Подключение диода VD
для ручного контроля его вольт-
амперной характеристики
Рис. 15.2. Принцип действия установки
контроля всей вольтамперной характе-
ристики полупроводникового диода на
переменном токе
Для наблюдения всей вольтамперной характеристики полу-
проводникового диода на переменном токе можно использовать ос-
циллограф и источник переменного напряжения (рис. 15.2). Если
переключатель находится в положении 1 или 2, то наблюдают пря-
мую или обратную ветви вольтамперной характеристики измеряемо-
го диода VD3. Положению 3 соответствует контроль обеих ветвей
характеристики. Положительная полуволна переменного напряже-
ния источника (переключатель в положении 1) вызывает протекание
через измеряемый диод прямого тока и одновременно создает от-
клонение луча осциллографа в горизонтальном направлении. Ток
измеряемого диода, проходящий через резистор R2, вызывает на
нем падение напряжения, подаваемое на пластины вертикального
отклонения осциллографа. Следствием одновременного воздейст-
вия напряжений на пластины вертикального и горизонтального от-
клонений является вычерчивание лучом прямой ветви вольтампер-
ной характеристики диода VD3.
Для измерения по точкам входных характеристик биполярного
транзистора на постоянном токе (зависимость напряжения база-
эмиттер от тока базы) можно воспользоваться простейшей схемой
включения, показанной на рис. 15.3, в которой резистором R3 уста-
навливают напряжение на коллекторе, а резистором R, - изменяют
уровень тока базы.
Рис. 15.3. Подключение биполярного транзистора для контроля
характеристик на постоянном токе
Результаты контроля характеристик компонентов образуют
массивы значений, которые обрабатывают с помощью вычислитель-
ных средств и представляют в виде гистограмм статистических рас-
пределений. Сопоставление полученных гистограмм с нормами кон-
15. Контроль качества компонентов РЭС
337
троля позволяет сделать заключение о правильной настройке тех-
нологического процесса производства контролируемых компонентов
и, в неудовлетворительных случаях, принимать решение о перена-
ладке оборудования.
15.2.	Интервальный контроль качества компонентов РЭС
Свойство компонентов сохранять (в определенных пределах)
свое качество во времени называют надежностью. Такой интерваль-
ный контроль качества компонентов РЭС производят с помощью ис-
пытаний.
Одним из способов повышения надежности компонентов при
их изготовлении являются отбраковочные технологические испы-
тания путем выявления и удаления дефектных (отказавших или по-
тенциально дефектных) изделий из партии до поставки потребите-
лю. По результатам анализа отбраковочных испытаний производят
устранение причин погрешностей при выполнении технологических
операций и возникающих отказов совершенствованием конструкции
компонента и технологии его изготовления.
Потенциально негодные компоненты, оставаясь в партии гото-
вых изделий, могут явиться причиной отказов РЭС. Для того чтобы
отбраковочные испытания были эффективны, необходимы сведения
о причинах, вызывающих дефект, и факторах, способных ускорить
выявление дефектов для сокращения продолжительности испыта-
ний. Например, к погрешностям исходных материалов и технологи-
ческих операций при производстве микросхем относят дефекты в
кристалле и монтажа кристалла, дефекты металлизации кристалла и
в сварных внутренних соединениях, загрязнение поверхности кри-
сталла и дефекты герметизации в корпусе, электрическую неста-
бильность, несогласованность коэффициентов теплового расшире-
ния, дефекты внешних выводов и др. Перечисленные погрешности
обычно выявляют при осмотре внешнего вида, при электрических
испытаниях в условиях воздействия повышенной температуры, тем-
пературного циклирования, механической вибрации, одиночных уда-
ров, многократных ударов, ускорений на центрифуге, повышенной
влажности и пр. Так, воздействие на микросхемы повышенной тем-
пературы и термоциклирования ускоряет выявление многих дефек-
тов. В частности, повышенная температура ускоряет химические ре-
акции алюминиевых проводников на кристалле кремния, старение
изоляции, растрескивание пластмассы, рост токов утечки и др. По-
переменные нагрев и охлаждение (термоциклы) выявляют несовер-
шенство герметизации, поскольку влага при термоциклировании вы-
зывает утечки тока и коррозию металлизации, а внутренние механи-
ческие напряжения - появление трещин и сколов.
338
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Таким образом, отбраковочные производственные испытания
являются необходимым средством выявления ранних отказов ком-
понентов в их партии и, за счет изъятия отбракованных изделий, по-
вышения надежности продукции, отправляемой потребителю.
Испытания на надежность (проверочные испытания) прово-
дят в соответствии с определенным планом испытаний. В результа-
те испытаний проверяется средняя наработка изделия на отказ (по-
казатель безотказности). План испытаний, устанавливаемый до их
проведения, предусматривает указание объема выборки компонен-
тов, продолжительности проведения испытаний, режимов воздейст-
вий на объекты испытаний, правил прекращения испытаний, уровней
рисков заказчика и изготовителя, доверительной вероятности, объе-
ма испытаний (произведение количества поставленных на испыта-
ния компонентов на продолжительность испытаний) и др. Ограниче-
ниями являются: максимально допустимая продолжительность ис-
пытаний, число выделяемых на испытания объектов, число одно-
временно находящихся на испытаниях объектов. Наибольшее рас-
пространение имеют следующие планы выборочного контроля.
По плану проверочных испытаний однократной выборки из
партии компонентов объемом N отбираются случайным образом
п изделий (п < N), которые подвергаются испытаниям. Если количе-
ство обнаруженных дефектных изделий d(n) среди п, установлен-
ных на испытания, окажется не более приемочного числа с, то пар-
тия принимается. Если d(n) > с, то партия бракуется. Планы одно-
кратной выборки организационно самые простые.
По плану проверочных испытаний двукратной выборки из
партии компонентов объемом N случайным образом отбирается
первая выборка пъ при испытании которой партия принимается, ес-
ли d(n1)<c. Если d(n1)>c1>c2, то партия бракуется. Если же
c1<d(n1)< с2, то на испытания устанавливается вторая выборка объ-
емом п2. Если общее количество обнаруженных дефектных изделий
в двух выборках d(n!+n2)<c3, то партия принимается, а если
d(n!+n2)>c3, то бракуется.
Планы последовательного анализа (планы Вальда) подразу-
мевают использование нескольких выборок пъ п2,... из партии N
и пары браковочных чисел сРс‘г Если испытания первой выборки
удовлетворяют условию d(n1)<c1, то партия принимается, если
d(nt) > c’j, то бракуется. Если c^dfn^c'b то решение неопределен-
но - берется выборка объемом п2 и предпринимается попытка при-
нятия решения на основании следующей пары браковочных чисел
с2,с'2ит.д.
15. Контроль качества компонентов РЭС
339
Поскольку решение при-
нимается только с учетом коли-
чества проверенных изделий и
количества обнаруженных де-
фектных изделий, то правило
принятия решений можно пред-
ставить траекторией блуждания
по точкам целочисленной сетки.
Точки, в которых принимается
решение, называют граничными.
На рис. 15.4 изображен
пример построения границ прие-
ма партии и ее браковки.
плана испытаний методом
последовательного анализа
В планах двукратной выборки и последовательного анализа
можно получить высокую достоверность принятия решений по ре-
зультатам испытаний. Однако возможны случаи слишком большого
объема испытаний, требующих значительных затрат времени и
средств.
Ценность информации, получаемой с помощью процедуры до-
пускового контроля качества, состоит не столько в оценке уровня каче-
ства компонента, находящегося в конкретной испытательной среде,
сколько в предсказании уровня качества в иных условиях и в иные от-
резки времени. Поэтому, разрабатывая процедуру контроля, стремятся
создать набор прогнозирующих контрольных операций, результаты
применения которых, благодаря их специфическим особенностям,
обеспечат получение оценки будущего технического состояния компо-
нентов в заданный период его эксплуатации в известных условиях.
Анализируя возможности осуществления прогнозирующего
контроля, необходимо принять во внимание следующее.
В основу функционирования компонентов РЭС закладывают
использование совокупности физических законов и явлений, таких,
например, как движение электронов в твердых телах и газах, магнит-
ная индукция, поляризация диэлектриков, диффузия вещества и др.
Очевидно, что основные закономерности и явления будут иметь ме-
сто только при условии, что свойства материалов компонентов и па-
раметры внешней среды находятся в известных пределах. Так, дви-
жение электронов в кристаллической решетке металла обнаружива-
ется при некоторой минимальной разности потенциалов на его кон-
цах, определяемой удельным электрическим сопротивлением и раз-
мерами проводника. Усилительные свойства биполярного транзисто-
ра на высокой частоте обусловлены как зависимостью инжекционной
способности полупроводникового материала от приложенного напря-
жения между электродами, так и геометрией активных областей.
340
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
В материалах под влиянием объективно протекающих физико-
химических процессов (окисления, полимеризации, диффузии, поля-
ризации и многих других) исходные свойства изменяются тем значи-
тельнее, чем менее благоприятными являются сочетания эксплуа-
тационных воздействий на изделие (электрических, механических,
тепловых, климатических, радиационных и др.). Предсказать техни-
ческое состояние компонента в предстоящий период времени экс-
плуатации можно, если упомянутые изменения свойств материалов
своевременно выявляются путем измерений некоторого количества
тех характеристик компонентов, значения которых однозначно отра-
жают эти изменения. Другими словами, измеряемые характеристики
компонентов должны быть информативными.
Установлено, что измерения характеристик компонентов, осу-
ществляемые при их функциональном контроле, слабоинформа-
тивны относительно состояния свойств материалов и динамики из-
менения этих свойств, поскольку характеристики функционирования
предназначены только для отражения факта выполнения компонен-
тами предписанных функций, а не особенностей состояния свойств
материалов. По названной причине для проведения прогнозирующе-
го контроля состав информативных характеристик необходимо фор-
мировать заранее - на этапе предварительных исследований.
Еще одна особенность прогнозирующего контроля обусловле-
на процедурой измерений - класс измерительных средств должен
соответствовать уровню информативности контролируемой характе-
ристики (имеется в виду отношение сигнал/шум). Кроме того, должна
быть обеспечена информационная полнота (мощность) множества
оценок технического состояния компонентов, по значениям которых
осуществляется прогноз на предстоящий период времени эксплуа-
тации (только при наличии достаточного количества информации
о контролируемых компонентах в предшествующем интервале испы-
таний или эксплуатации можно построить достоверный прогноз на
интересующий интервал времени).
Прямые физические методы контроля свойств материалов об-
ладают высокой достоверностью, однако их сложность, дороговизна,
низкая производительность вызвали необходимость поиска таких
методов и средств выявления скрытых дефектов, которые соответ-
ствовали бы ритмам современного производства и требуемому
уровню достоверности результатов.
В основу электрофизических методов положен принцип кон-
троля у проверяемого компонента предварительно найденного на-
бора специальных характеристик, отражающих близость его техни-
ческого состояния требуемому состоянию, путем сопоставления из-
меренных электрофизических характеристик с их эталонными зна-
чениями. Для практического использования электрофизических ме-
15. Контроль качества компонентов РЭС
341
тодов контроля свойств материалов проверяемого компонента необ-
ходимо на основании общей теории контроля и физических особен-
ностей материалов найти аналитические связи состояний физиче-
ской структуры компонента с признаками искомых эффектов рассея-
ния энергии, флуктуаций, нестабильностей и дрейфов.
Одна группа электрофизических методов контроля базируется
на фиксации интегральных электрофизических эффектов, например,
рассеяния энергии (как внутри структуры компонента, так и во взаи-
модействии с окружающей средой), по внутренним флуктуациям, по
нелинейностям функциональных характеристик и др. Другая группа
методов основывается на анализе вольтамперных характеристик на
выводах компонента и сравнении их с эталонными.
Методы шумовых характеристик позволяют обнаруживать
разнообразные скрытые дефекты, возникающие при изготовлении
компонентов вследствие несовершенства технологии или низкого
качества сырья.
Сущность контроля качества интервальных показателей каче-
ства с помощью параметрической идентификации состоит в оцени-
вании изменений параметров элементов электрической модели ком-
понента за интервал испытаний путем специального анализа набора
информативных его признаков при подаче на входы гармонических
сигналов заданной амплитуды и частоты. Эффективность этого ме-
тода зависит от уровня обусловленности параметров элементов мо-
дели свойствами материалов компонента (уровнем информативно-
сти) в интервале внешних воздействий. Параметрическая идентифи-
кация предназначена для аналоговых компонентов.
Контроль методом критических напряжений заключается в
оценке физико-технических изменений в компонентах за интервал
испытаний путем измерений критических питающих напряжений каж-
дой реакции компонента на входные тестовые последовательности.
Сложная картина внутреннего состояния материалов изменя-
ется под действием внешних возбуждений и времени.
Основной результат внешнего воздействия на материалы ком-
понентов тепловой энергией состоит в изменении практически всех
свойств материалов из-за их температурной зависимости. После
варьирования температуры в некоторых допустимых пределах и
возвращения ее к исходному уровню свойства материалов имеют
тенденцию восстанавливаться, если к этому не возникают препятст-
вия. К такого рода препятствиям можно отнести, например, наруше-
ние регулярности кристаллической решетки в объеме материала,
контактное влияние другого материала с отличающимися свойства-
ми, механическое защемление объема материала в некоторых на-
правлениях, поверхностное загрязнение химически активными при-
месями и др.
342
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
При неоднородном температурном поле в твердом теле даже
в отсутствие внешних связей и ограничений возникают дополни-
тельные внутренние механические напряжения. Если имеются за-
крепления материала, то механические напряжения возрастают да-
же при равномерном тепловом поле.
Внутренние механические напряжения оказывают влияние на
электрофизические свойства применяемых материалов и характе-
ристики компонентов. Так, возникающие на поверхности относи-
тельно толстых затворов КМОП транзисторов механические напря-
жения сжатия сдерживают генерацию ловушек на границах раздела
и производят сдвиг пороговых напряжений, возрастающий пропор-
ционально сжимающим усилиям вследствие активизации захвата
электронов в окисле кремния.
Слишком большие внутренние напряжения могут вызвать пе-
регрузочную пластическую деформацию кристаллических материа-
лов компонентов, возникающих при движении областей обычных
дислокаций решетки вдоль ее регулярных слоев. При значительном
скольжении по границам соседних областей одинаково* ориентиро-
ванных зерен кристаллов может возникнуть необратимая нелиней-
ная деформация. Циклическая пластическая деформация может
явиться причиной разрушения компонента.
Периодические воздействия на материал компонентов знако-
переменных температурных полей являются причиной возникнове-
ния циклических механических напряжений, вызывающих гистере-
зисные изменения многих свойств материалов. Гистерезис появля-
ется в тех случаях, когд& состояние материала определяется внеш-
ними изменяющимися условиями (реакция материала отстает от
изменяющихся воздействий).
Упругая деформация идеального материала характеризуется
петлей гистерезиса с нулевой площадью (рис. 15.5, а). Материалы
реального компонента при циклировании температуры (или другого
внешнего фактора) получают некоторую долю неупругих малоцикли-
ческих деформаций, отражаемую величиной Де . Если сопротивление
материала циклическому деформированию не изменяется от цикла к
циклу, а сам цикл близок к симметричному, то возникает простейший
тип замкнутого гистерезиса (рис. 15.5, б) с шириной петли Де = const.
При низкой прочности материала проявляется его «ползучесть», когда
гистерезис растягивается вдоль оси деформаций (рис. 15.5, в).
Таким образом, площадь петли гистерезиса Sh в плоскости на-
пряжение-деформация соответствует энергии, рассеиваемой едини-
цей объема деформируемого материала за один цикл воздействий:
Sh =kfAe-c1 (где Де - ширина петли гистерезиса; kf- коэффици-
ент формы петли) и может быть использована для обнаружения и
15. Контроль качества компонентов РЭС	343
наблюдения за развитием скрытых дефектов материалов при кон-
троле качества компонентов.
Рис. 15.5. Гистерезисные явления при циклических нагрузках компонентов:
а - абсолютно упругая деформация; б - простейший вид замкнутого гистерезиса ма
териала с устойчивыми свойствами в условиях воздействий; в-явление «ползуче-
сти» при низкой прочности материалов компонента
На рис. 15.6 представлены результаты испытаний цифровой
микросхемы высокого качества с использованием термоциклирова-
ния и измерения критических питающих напряжений. Объект испы-
таний показал при проведении семи циклов изменения окружающей
температуры от -35 до +50°С устойчивый гистерезис достаточно
малой площади.
Рис. 15.6. Гистерезис, полученный методом критических напряжений при
испытании микросхем типа CD4007 циклированием температуры
344
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Контрольные вопросы
1.	Дайте определение понятия «качество компонента РЭС».
2.	Что такое выборочный контроль и каковы его достоинства и недостатки?
3.	Как взаимосвязаны понятия «качество» и «надежность» компонентов
РЭС?
4.	Как осуществляется допусковый контроль качества компонентов РЭС;
каковы его достоинства и недостатки?
5.	Какова цель проведения интервального контроля качества компонентов
РЭС; каковы его достоинства и недостатки?
6.	В чем сущность электрофизических методов контроля качества компо-
нентов РЭС?
Список использованных источников
345
Список использованной литературы
1.	Аксенов А.И., Нефедов А.В. Элементы схем бытовой аппаратуры.
Конденсаторы. Резисторы. - М.: Радио и связь, 1995. - 272 с.
2.	Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и
схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.
3.	Базарова Ф.Ф. Органические и неорганические полимеры в конст-
рукциях. - М.: Сов. Радио, 1974. - 160 с.
4.	Белоусов А.К., Савченко В.С. Электрические разъемные контакты в
радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Энергия, 1975. - 320с.
5.	Блинов Г.А. Гибридные интегральные функциональные устройств.
- М.: Высшая школа, 1987. - 111 с.
6.	Блинов Г.А. Гибридные интегральные функциональные устройства.
-М.: Высшая школа, 1987.-111с.
7.	Бобров Н.В. Расчет радиоприемников. - М.: Радио и связь, 1981. -
240 с.
8.	Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. - М.:
Высшая школа, 1985. - 304 с.
9.	Бородулин Н.В. и др. Электротехнические и конструкционные мате-
риалы. - М.: Мастерство, 2000. - 280 с.
10.	Брандт Н.Б. Фазовые переходы в магнитном поле И Соросовский
образовательный журнал. - 1999. - № 1. - С. 67-75,
11.	Бучельников В.Д. Физика магнитных доменов // Соросовский об-
разовательный журнал. - 1997. - № 12.
12.	Гпинка Н.Л. Общая химия. - М.: Химия, 1988. - 704 с.
13.	Глудкин ОЛ. и др. Всеобщее управление качеством. - М.: Радио
и связь, 1999. - 600 с.
14.	Гнеденко Б.В. и др. Математические методы теории надежности. -
М.: Наука, 1965.-524 с.
15.	Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Полупроводниковые приборы и инте-
гральные схемы. - М.: Высшая школа, 1989. - 143 с.
16.	Горлов М.И. и др. Обеспечение и повышение надежности полу-
проводниковых микросхем в процессе серийного производства. - М.: Инте-
грал, 1997. - 390 с.
17.	ГОСТ 27.410-83. Надежность в технике. Методы контроля показа-
телей надежности и планы контрольных испытаний на надежность. - М.:
Изд-во стандартов.
18.	Григорьев В. ТМП корпуса ИС и дискретных компонентов // Элек-
тронные компоненты. - 1997. - №1-2.
19.	Добромыслов Е.Р., Горячева ГА. Подстроечные конденсаторы. -
М.: Радио и связь, 1983. - 48 с.
20.	Дущенко В.К. Применяемость типовых элементов РЭА. - М.: Сов.
Радио, 1971. - 96 с.
21.	Жеребцов И.П. Электрические и магнитные цепи. - М.:
Энергоатомиздат, 1982. - 216 с.
22.	Зи С. Физика полупроводниковых приборов/В двух книгах. Кн. 1. -
М.: Мир, 1984.-456 с.
346
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
23.	Зи С. Физика полупроводниковых приборов/В 2-х книгах. Кн. 2. -
М.: Мир. 1984,-456 с.
24.	Казарновский Д.М., Яманов С.А. Радиотехнические материалы.
Высшая школа, 1972. -312с.
25.	Кун А. Разработка печатных плат с фильтрами на ПАВ /
www.pcb.by.ru,
26.	Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского
и технологического проектирования с применением САПР. - М.: Радио
и связь, 1990.-352 с.
27.	Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и ин-
тегральных микросхем. - М.: Высшая школа, 1980. - 327 с.
28.	Лазовский Л. ПЗС: прецизионный взгляд на мир /
www.digitalware.ru.
29.	Лучинский ГЛ. Курс химии. Высшая школа, 1985. - 416 с.
30.	Мазель К.Б. Трансформаторы электропитания. ЭАИ.1982. -80 с.
31.	Медведев A. Productronica-2001. Первые впечатления // Компо-
ненты и технология, № 1,2002.
32.	Милинкис Б.М., Щука А.А. Функциональная магнитоэлектроника /
www.informost/ru,
33.	Михайлов И.В., Пропошин А.И. Конденсаторы. - М.: Энергия,
1973.-56 с.
34.	Мишин Д.Д. Магнитные материалы. - М.: Высшая школа, 1991. -
384 с.
35.	Мокеев О.К. Полупроводниковые приборы и микросхемы. - М.:
Высшая школа, 1987. - 112 с.
36.	Назаров А.С. Конструирование радиоэлектронных средств. - М.:
МАИ, 1996.-380 с.
37.	Никулин Н.В., Назаров А.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты.
- М.: Высшая школа, 1986. - 208 с.
38.	Никулин Н.В., Назаров А.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты.
- М.: Высшая школа, 1986. - 208 с.
39.	Овсищер П.И. и др. Несущие конструкции РЭА. - М.: Радио и
связь, 1989.-232 с.
40.	Орлов С.А. Фильтры на ПАВ для современных коммуникационных
применений / http://chipnews.com.ua.
41.	Покровский Ф.Н., Номоконова Н.Н. КМОП интегральные схемы:
формирование и контроль качества. - Владивосток: Изд-во Дальневосточно-
го университета, 1996. - 56 с.
42.	Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. -
М.: Мир, 1990.-256 с.
43.	Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммута-
ционные устройства РЭА: Справочник. - Минск: Беларусь, 1994. - 591 с.
44.	Рощин Г.И. Несущие конструкции и механизмы РЭА. - М.: Высшая
школа, 1981. - 375 с.
45.	Рыбин Г.Я. и др. Слаботочные реле. - М.: Радио и связь, 1982. -
80 с.
46.	Свитенко В.Н. Электрорадиоэлементы. - М.: Высшая школа,
1987.-207с.
Список использованных источников
347
47.	Семенов Ю.Г. Контроль качества. - М.: Высшая школа, 1990. -
111с.
48.	Сенсорные мониторы/www.kiosks.ru.
49.	Скороходов Е.А. и др. Общетехнический справочник. - М.: Маши-
ностроение, 1990. - 496 с.
50.	Справочник конструктора РЭА. Компоненты, механизмы, надеж-
ность. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.
51.	Справочник по пластическим массам, в двух томах. - М.: Химия,
1975.-568 с.
52.	Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и
связь, 1983. - 576 с.
53.	Степаненко ИЛ. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем.-----М.: Энергия, 1973. - 608 с.
54.	Федотов Я.А., Щука А.А. СВЧ-электроника / http://w-rabbit.narod.ru.
55.	Филиков В.А. и др. Электротехнические и конструкционные мате-
риалы. Мастерство, 2001. - 272 с.
56.	Фролов АД. Основные принципы конструирования деталей ра-
диоаппаратуры. - М.: ГЭИ, 1955. -342 с.
57.	Фролов АД. Радиодетали и узлы. - М.: Высшая школа, 1975. -
440 с.
58.	Фролов АД. Теоретические основы конструирования и надежно-
сти радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Высшая школа. 1970. -488 с.
59.	Шнаревич Е.И. и др. Диэлектрики интегральных схем. - М.: Энер-
гия, 1975.-120 с.
60.	Штернов А.А. Физические основы конструирования и технологии
интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1981. - 248 с.
61.	Шумилин М.С. и др. Проектирование транзисторных каскадов пе-
редатчиков. - М.: Радио и связь. 1987. - 320 с.
62.	Якубовский С.В. и др. Цифровые и аналоговые интегральные мик-
росхемы. - М.: Радио и Связь, 1989. - 496 с.
348
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
Содержание
Предисловие.................................................. 3
1.	НАЗНАЧЕНИЕ, СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ .................................. 5
1.1.	Материалы РЭС: виды, назначение и предъявляемые требования 5
1.2.	Строение материалов ................................. 10
1.3.	Общие сведения о процессах создания материалов....... 18
Контрольные вопросы ................................... 22
2.	МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.................................. 23
2.1.	Электрические свойства металлических материалов ..... 24
2.2.	Теплопроводность металлических материалов............ 26
2.3.	Механические свойства металлических материалов....... 27
2.4.	Краткая характеристика металлов и сплавов РЭС ....... 27
2.5.	Совместимость металлических материалов .............. 36
2.6.	Коррозия металлических материалов.................... 38
2.7.	Провода и кабели .................................... 39
Контрольные вопросы ................................... 42
3.	ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ (ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ) МАТЕРИАЛЫ .... 43
3.1.	Основные особенности электроизоляционных материалов . 44
3.2.	Электрические свойства электроизоляционных материалов. 48
3.3.	Физико-химические свойства электроизоляционных материалов . 53
3.4.	Основные виды неорганических электроизоляционных
материалов.............................................. 58
3.5.	Основные виды органических электроизоляционных материалов 63
3.6.	Пьезоэлектрические материалы......................... 73
3.7.	Электретные материалы................................ 74
Контрольные вопросы ................................... 75
4.	МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ..................................... 76
4.1.	Виды магнитных материалов и их классификация ........ 76
4.2.	Основные характеристики магнитных материалов......... 79
4.3.	Классификация магнитных материалов................... 82
4.4.	Магнитно-мягкие материалы............................ 83
4.5.	Магнитно-жесткие материалы .......................... 86
4.6.	Использование магнитных материалов на СВЧ............ 87
Контрольные вопросы ................................... 91
5.	ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............................. 92
5.1.	Основные свойства полупроводников.................... 92
5.2.	Основные полупроводниковые материалы ................ 98
Контрольные вопросы .................................. 102
6.	КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
КОНСТРУКЦИЙ РЭС.......................................... 103
6.1.	Основные требования к материалам несущих конструкций.. 105
6.2.	Виды конструкционных материалов..................... 109
6.3.	Материалы для корпусной герметизации узлов и блоков РЭС .... 121
Содержание
349
6.4.	Материалы разъемных и неразъемных механических
соединений.............................................. 123
6.5.	Предпосылки к выбору конструкционных материалов..... 128
Контрольные вопросы .................................. 130
7.	НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОНЕНТОВ .......... 131
7.1.	Общие характеристики компонентов РЭС ............... 133
7.2.	Влияние внешних воздействий на характеристики компонентов . 135
7.3.	Влияние схемных компонентов на параметры РЭС ....... 137
7.4.	Надежность компонентов и надежность РЭС............. 141
Контрольные вопросы .................................. 144
8.	РЕЗИСТОРЫ .............................................. 145
8.1.	Классификация резисторов ........................... 145
8.2.	Маркировка и условное графическое обозначение резисторов . 148
8.3.	Основные технические характеристики резисторов ..... 149
8.4.	Конструкция резисторов и используемые материалы .... 158
8.5.	Особенности применения резисторов................... 162
Контрольные вопросы .................................. 168
9.	КОНДЕНСАТОРЫ............................................ 169
9.1.	Классификация конденсаторов.......,................. 170
9.2.	Маркировка и условное графическое обозначение
конденсаторов........................................... 171
9.3.	Основные электрические характеристики конденсаторов. 174
9.4.	Конструкция конденсаторов и используемые материалы . 181
9.5.	Особенности применения конденсаторов................ 198
Контрольные вопросы .................................. 203
10.	КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ, ДРОССЕЛИ, ТРАНСФОРМАТОРЫ .. 204
10.1.	Высокочастотные катушки индуктивности ............. 209
10.2.	Высокочастотные дроссели .......................... 224
10.3.	Трансформаторы .................................... 227
Контрольные вопросы ................................ 235
11.	КОММУТИРУЕМЫЕ КОМПОНЕНТЫ
(ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ, РЕЛЕ, СОЕДИНИТЕЛИ)........................ 236
11.1.	Общие свойства контактов........................... 236
11.2.	Переключатели ..................................... 239
11.3.	Реле .............................................. 243
11.4.	Электрические соединители.......................... 251
Контрольные вопросы ................................ 253
12.	ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ........................... 254
12.1.	Электронно-дырочный переход........................ 254
12.2.	Полупроводниковые диоды ........................... 259
12.3.	Транзисторы........................................ 269
12.4.	Тиристоры ......................................... 274
12.5.	Интегральные микросхемы............................ 282
Контрольные вопросы ................................ 297
350
Материалы и компоненты радиоэлектронных средств
13.	ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ .......................... 298
13.1.	Акустоэлектроника............................... 300
13.2.	Компоненты функциональной оптоэлектроники....... 310
13.3.	Функциональные приборы на жидких кристаллах..... 317
13.4.	Функциональные приборы на цилиндрических
магнитных доменах.................................... 318
13.5.	Функциональные приборы с зарядовой связью ...... 319
Контрольные вопросы ............................. 322
14.	КОММУТАЦИОННЫЕ (ПЕЧАТНЫЕ) ПЛАТЫ..................... 323
14.1.	Общие сведения о коммутационных платах ........  324
14.2.	Коммутационные платы традиционного монтажа ..... 327
14.3.	Коммутационные платы поверхностного монтажа..... 329
14.4.	Многослойные коммутационные платы .............. 330
Контрольные вопросы ............................. 332
15.	КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОМПОНЕНТОВ РЭС .................. 333
15.1.	Допусковый контроль качества компонентов РЭС.... 334
15.2.	Интервальный контроль качества компонентов РЭС . 337
Контрольные вопросы ............................. 344
Список использованной литературы ....................... 345
Вышли в свет:
Загидуллин Р. Ш., Карутин С. Н., Стешенко В. Б. SystemView. Систе-
мотехническое моделирование устройств обработки сигналов / Под.
ред. канд. техн, наук В. Б. Стешенко. - М: Горячая линия-Телеком, 2005. -
294 с. ил., ISBN 5-93517-194-5.
Изложены основы инженерных методов синтеза и расчета основных классов
радиотехнических устройств с использованием пакета программ SystemView ком-
пании Elanix, который обеспечивает возможность всестороннего анализа свойств
систем, включая алгоритмы аналоговой или цифровой обработки сигналов, син-
теза фильтров, анализа и синтеза систем управления и систем связи, моделиро-
вания динамических систем на уровне функциональных блоков.
Книга содержит необходимый теоретический материал и значительное коли-
чество практических примеров. Особенностью книги является то, что изложение
ведется не от описания возможностей пакета, а от постановки конкретной радио-
технической задачи.
Для специалистов, может быть полезна студентам радиотехнических спе-
циальностей.
Петров Б. М. Электродинамика и распространение радиоволн:
Учебник для вузов. - 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком,
2003. - 558 с.; ил., ISBN 5-93517-073-6.
Систематически и подробно рассмотрены основные уравнения и положения
электродинамики, изучаются возбуждаемые электромагнитные (ЭМ) поля в неог-
раниченном однородном пространстве, теория направляющих систем, граничные
задачи о возбуждении или возможности существования ЭМ волн в направляющих
системах и в объемных резонаторах, явления рассеяния и дифракции волн, соот-
ветствующие прикладным задачам радиотехники; изложены основные положения
геометрической оптики, понятия о нелинейных средах и о распространении ЭМ
волн в неоднородных и анизотропных средах; рассмотрено влияние поверхности
Земли, тропосферы и ионосферы на распространение ЭМ волн различных диапа-
зонов. Особое внимание уделено физической интерпретации явлений электро-
магнетизма, имеется 378 иллюстраций. Даны примеры расчетов и сформулиро-
ваны 132 контрольные задачи.
Для студентов радиотехнических специальностей.
Петров Б. М., Костромитин Г. И., Горемыкин Е. В. Логопериодические
вибраторные антенны: Учебное пособие для вузов. М.: Горячая линия-
Телеком. - 2005. - 271 с.; ил. 130, ISBN 5-93517-191-0.
Изложены методы расчета и особенности конструкций применяющихся в де-
циметровом диапазоне длин волн широкополосных телевизионных, сотовой связи
и радиотелефонных классических, частичнопечатных, печатных и с кусочно-
линейными излучателями логопериодических вибраторных антенн; последние
имеют меньшие габариты при одинаковых с другими типами вибраторных антенн
электродинамических характеристиках; приведены программы расчётов и реко-
мендации по изготовлению антенн.
Для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника», радиоинже-
неров и квалифицированных радиолюбителей.
Потапов Ю. В. Система проектирования печатных плат Protel. -
М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 704 с., ил., ISBN 5-93517-124-4.
Книга содержит описание популярной системы проектирования печатных
плат Protel 99 SE. Подробно расписаны все модули программы: редактор принци-
пиальных схем, программа моделирования, модуль проектирования устройств на
ПЛИС, редактор печатных плат, модули авторазмещения и автотрассировки,
а также программы подготовки управляющих файлов для производства CAMtastic!
2000 Designers’ Edition. Даны рекомендации по настройке интерфейса различных
модулей программы, оформлению схем по ГОСТ, проектированию печатных плат.
Отдельно рассматриваются вопросы построения библиотек УГО элементов на
схемах и топологических посадочных мест для чертежей плат.
Для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием
элекгонной аппаратуры, может быть полезна студентам технических университетов.
Разевиг В. Д., Лаврентьев Г. В., Златин И. Л. System View - средство
системного проектирования радиоэлектронных устройств; Под
редакцией В. Д. Разевига. - М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 352 с.,
ил., ISBN 5-93517-069-8.
Описаны правила применения программы SystemView, предназначенной для
моделирования аналого-цифровых устройств обработки сигналов, заданных
функциональными схемами. Программа позволяет из стандартных «кубиков»
создать функциональную схему, привлекая многочисленные библиотеки общего и
специального назначения. Возможно использование иерархических структур и
моделей, созданных в математической программе Matlab. Имеются средства
обработки результатов моделирования, их отображения и документирования,
создания автономно моделируемых модулей генерации кода на языке Си++ и
динамически подсоединяемых библиотек. По завершении моделирования цифро-
вого устройства данные о его структуре могут быть переданы программе синтеза
ПЛИС. Изложение правил работы с программой иллюстрируется примерами.
Для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой анало-
говых и цифровых систем обработки информации, аспирантов и студентов.
Уваров А. С. Р-CAD. Проектирование и конструирование электрон-
ных устройств. - М.: «Горячая линия -Телеком», 2004. - 756 с.: ил.,
ISBN 5-93517-141-4.
Книга является практическим руководством по проектированию и конст-
руированию радиоэлектронных устройств различной степени сложности с исполь-
зованием пакета программ Р-CAD. Содержит описание приемов работы, рекомен-
дации и советы по разработке печатных плат в сквозном цикле, начиная с разра-
ботки библиотек и принципиальных электрических схем и заканчивая разработкой
плат и выпуском конструкторской документации в соответствии с ЕСКД, справоч-
ные материалы, необходимые для практической работы.
Книга построена так, что она может использоваться как самоучитель, и то-
гда читатель, переходя от раздела к разделу и отрабатывая приемы работы не-
посредственно на компьютере, сможет постичь все тонкости и освоить большин-
ство приемов работы с программой.
Для разработчиков, специализирующихся на разработке печатных плат,
может быть полезна студентам и радиолюбителям.
Получить дополнительную информацию и приобрести книги можно
в издательстве: тел. (095) 287-49-56, e-mail: radios_hl@mtu-net.ru
Заказать книги наложенным платежом можно выслав почтовую открытку по
адресу: 107113, Москва, а/я 10, «Dessy»; тел. (095) 304-72-31, post@dessy.ru