Пассивные элементы цепи. Пассивные элементы электрических цепей: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности

Что такое пассивные элементы электрических цепей. Какие бывают виды пассивных элементов. Как работают резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Каковы основные характеристики и параметры пассивных элементов. Где применяются пассивные компоненты в электронике.

Что такое пассивные элементы электрических цепей

Пассивные элементы электрических цепей — это компоненты, которые не способны генерировать электрическую энергию, а могут только преобразовывать или накапливать ее. К основным пассивным элементам относятся:

• Резисторы
• Конденсаторы
• Катушки индуктивности

В отличие от активных элементов (источников питания, транзисторов), пассивные компоненты не требуют внешнего источника энергии для своей работы. Они влияют на протекающий через них ток и напряжение в соответствии со своими физическими свойствами.

Резисторы и их характеристики

Резистор — это пассивный элемент, основной характеристикой которого является электрическое сопротивление. Резисторы применяются для ограничения тока, деления напряжения, задания рабочих точек и других целей.

Основные параметры резисторов:

• Номинальное сопротивление (Ом)
• Допустимая мощность рассеивания (Вт)
• Допуск (точность) номинального значения (%)
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)

Как определяется сопротивление резистора? Сопротивление R измеряется в Омах и равно отношению напряжения U на резисторе к протекающему через него току I:

R = U / I

Это соотношение выражает закон Ома для участка цепи.

Конденсаторы и их свойства

Конденсатор — это пассивный элемент, способный накапливать электрический заряд. Основной характеристикой конденсатора является электрическая емкость.

Ключевые параметры конденсаторов:

• Номинальная емкость (Ф)
• Рабочее напряжение (В)
• Допуск емкости (%)
• Тангенс угла диэлектрических потерь

Как связаны заряд и напряжение на конденсаторе? Емкость C измеряется в Фарадах и определяется как отношение накопленного заряда Q к приложенному напряжению U:

C = Q / U

Это базовое соотношение для идеального конденсатора.

Катушки индуктивности и их применение

Катушка индуктивности — пассивный элемент, способный накапливать энергию магнитного поля. Основной характеристикой является индуктивность.

Основные параметры катушек:

• Номинальная индуктивность (Гн)
• Добротность
• Собственная емкость
• Максимальный допустимый ток

Как связаны ток и напряжение на катушке индуктивности? Индуктивность L измеряется в Генри и определяется как коэффициент пропорциональности между напряжением u и скоростью изменения тока di/dt:

u = L * di/dt

Это выражение описывает поведение идеальной катушки индуктивности.

Применение пассивных элементов в электронике

Пассивные компоненты широко используются в различных электронных устройствах и схемах:

• Резисторы — для ограничения тока, деления напряжения, создания нагрузки
• Конденсаторы — в фильтрах, для развязки по питанию, в колебательных контурах
• Катушки индуктивности — в фильтрах, трансформаторах, дросселях

Правильный выбор параметров пассивных элементов критически важен для корректной работы электронных схем. Инженеры должны учитывать характеристики компонентов при проектировании.

Сравнение линейных и нелинейных пассивных элементов

Пассивные элементы могут быть линейными или нелинейными. Чем они отличаются?

• Линейные элементы имеют постоянные параметры, не зависящие от приложенного напряжения или тока
• У нелинейных элементов параметры меняются в зависимости от режима работы

Примеры нелинейных пассивных элементов: варисторы, термисторы, нелинейные конденсаторы. Их вольт-амперные характеристики нелинейны.

Нелинейность усложняет расчет и анализ электрических цепей, но позволяет реализовать некоторые специфические функции.

Частотные свойства пассивных элементов

Как ведут себя пассивные элементы на разных частотах?

• Резисторы слабо зависят от частоты (кроме ВЧ диапазона)
• Реактивное сопротивление конденсаторов уменьшается с ростом частоты
• Реактивное сопротивление катушек увеличивается с ростом частоты

Это свойство используется для построения частотно-зависимых цепей — фильтров, цепей коррекции и т.д.

На высоких частотах проявляются паразитные параметры компонентов, что необходимо учитывать при проектировании ВЧ устройств.

Выбор пассивных элементов для электронных схем

На что следует обращать внимание при выборе пассивных компонентов?

• Соответствие номиналов требованиям схемы
• Допустимая мощность рассеивания
• Рабочее напряжение
• Температурная стабильность
• Допуск (точность) параметров
• Частотный диапазон работы

Правильный выбор компонентов обеспечивает надежную работу устройства в заданных условиях эксплуатации. Важно учитывать как электрические, так и конструктивные параметры.

3. Пассивные элементы цепи

Пассивными называют элементы, которые не могут генерировать электрическую энергию. К пассивным элементам относят: резисторы, индуктивные катушки и кон­денсаторы (рис. 1.3).

Резистор – пассивный элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления R (Ом).

У словное графическое обозначение линейного резистора на схеме цепи показано на рис. 1.4а.

Основной параметр резистора – его сопротивление. Электрическое сопротивление постоянному току – скалярная величина R, равная отношению постоянного напряжения между выводами пассивного двухполюсника к постоянному электрическому току в нём, т.е.

Зависимость электрического напряжения на выводах пассивного элемента электрической цепи от электрического тока в нём называют уравнением данного элемента или компонентным уравнением. На рис. 1.4б представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) линейного (1) и нелинейного (2) резисторов.

Связь тока I_R

с напряжением U_R отображает закон Ома для участка цепи с резистором R:

U_R = RI_R или

Мощность (Вт) преобразования электрической энергии в резисторе в тепло­вую равна

где G = 1/R – электрическая проводимость (в дальнейшем – проводимость) резистора в сименсах (См).

Индуктивная катушка − пассивный элемент цепи, предназначенный для использования его собственной индуктивности

L и/или его магнитного поля. Условные графические обозначения линейного и нелинейного индуктивных элементов на схеме цепи показаны на рис. 1.5а, б.

При нарастании тока в индуктивной катушке происходит преобразование электрической энергии в магнитную и её накопление в магнитном поле катушки, а при убывании тока – обратное преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию, возвращаемую источнику.

Энергия в джоулях (Дж), запасённая в магнитном поле катушки,

где L – индуктивность катушки; i_L – ток, протекающий через катушку и создающий в ней магнитный поток Ф и потокосцепление Ψ в веберах (Вб), равное

Ψ =

wФ,

где w – число витков катушки (предполагается, что магнитный поток Ф пронизывает все витки катушки).

Потокосцепление и ток в линейной катушке (см. вебер-амперную характеристику 1 на рис. 1.5б) пропорциональны и связаны соотношением Ψ = Li или

L = Ψ/i.

Откуда единица основного параметра катушки – индуктивности

[ L] = [Ψ] / [I] = В·t /

A = Ом·c = Гн (генри).

Согласно закону электромагнитной индукции при изменении потокосцепления в катушке индуктируется ЭДС самоиндукции, равная (при её эксплуатации на линейном участке вебер-амперной характеристики)

e_L = – dΨ/dt = – Ldi_L/dt.

Знак «минус» показывает, что ЭДС самоиндукции, согласно правилу Ленца, препятствует изменению в ней тока. В индуктивной катушке будет протекать ток, если напряжение u_L на её зажимах компенсирует ЭДС e_L и

падение напряжения на электрическом сопротивлении R провода катушки.

Пренебрегая активным сопротивлением R (u_L = — e_L + Ri_L ≈ – e_L), получим компонентное уравнение идеального индуктивного элемента (катушки):

e_L = Ldi_L/dt и

Условные положительные направления ЭДС самоиндукции e_L и напряжения u_L на схе­мах всегда совпадают (см. рис. 1.5а), а направление тока i_L произвольное (обычно выбирают направление тока i_L, совпадающее с направлением напряжения u_L).

Конденсатор – пассивный элемент цепи, предназначенный для использования его элек­трической ёмкости С. Условное графическое обозначение линейного ёмкостного элемента на схеме цепи показано на рис. 1.6а.

При нарастании напряжения на зажимах конденсатора в нём происходит преобразование электрической энергии внешнего источника в энергию электрического поля за счёт накопления зарядов противоположных знаков на двух его электродах (пластинах).

При уменьшении напряжения происходит обратное преобразование энергии электрического поля конденсатора в электрическую энергию, возвращаемую источнику.

Энергия, запасаемая в электрическом поле конденсатора,

где С – ёмкость (основной параметр конденсатора), определяемая из кулон-вольт­ной характеристики 1 (линейного) или 2 (нелинейного) конденсаторов (рис. 1.6б).

Накопленный заряд q на одном из электродов линейного конденсатора пропорционален приложенному к его зажимам напряжению u_C

q = Cu_C, а ёмкость С = q/u_C,

Откуда единица ёмкости

[C] = [q] / [U] = Кл / В = А·с / В = с / Ом = Ф (фарад).

При изменении напряжения u_C накопленные в конденсаторе заряды перераспределяются, вызывая появление тока

Итак, компонентное уравнение ёмкостного элемента (незаряженного конденсатора):

Элементы электрической сети. Основные параметры пассивных элементов цепи

Электротехника

Игнатов Виктор Дмитриевич (309 ауд)

Элементы электрической сети

Электромагнитные процессы, протекающие в электрических устройствах как правило достаточно сложные, однако во многих случаях их основные характеристики можно описать с помощью интегральных понятий, как напряжение, ток, электродвижущая сила (ЭДС). При таком подходе совокупность электротехнических устройств, в том числе и технических средств защиты информации, можно представить соединение источников и приемников электрической энергии. Такая совокупность устройств предназначена для генерации, передачи, распределения и преобразования электрической энергии, а так же информации на базе использования носителя в виде электрической цепи.

Не смотря на то что электромагнитные процессы развиваются независимо от человеческой деятельности, то есть физически они существуют в природе и развиваются независимо от наших чувств и понятий, но поскольку эти процессы сложные, то их изучение происходит по принципу от простого к сложному (от частного к общему). Такое разделение в электротехнике позволяет выделить следующие ее разделы:

1)  Цепи постоянного тока

2)  Цепи переменного тока (синусоидальные цепи)

3)  3-хфазные цепи

Электрическая цепь состоит из отдельных компонентов, каждый из которых может выполнять определенную функцию. Эти компоненты принято называть элементами цепи. Существует 2 класса таких элементов, один из которых относится к источникам энергии, а другой класс – потребитель энергии.

Источники энергии                                                      Потребители энергии

Источники ЭДС (рис 1)                                                 Резистор (рис 3)

Источник тока (рис 2)                                                    Индуктивность (рис 4)

                                                                                         Емкость (рис 5)

В цепях постоянного тока рассматривается только индуктивность и емкость, в стационарных или статических режимах не проявляет себя.

У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов, в большинстве случаев это 2-хмерный элемент, а существуют многомерные элементы (транзисторы, трансформаторы…).

Все элементы электрической сети можно разделить на активные и пассивные элементы.

Один и тот же элемент может работать и в активном и в пассивном элементе.

Не смотря на то, что электрические цепи могут иметь различные свойства и характеристики, которые могут отличаться от условий и режима их работы, далее мы будем рассматривать их основные параметры по мере усложнения этих процессов.

Основные характерические параметры пассивных элементов цепи

1)  Резистивный элемент (сопротивление)

Резистор – пассивный элемент, сопротивление которого определяется геометрическими размерами тела и свойствами материала.

Свойством материала характеризуется удельным сопротивлением (ур 1) и удельным сопротивлением (ур 2). Чем больше сечение, тем меньше сопротивления.

Существует и нелинейный элемент (лампа накаливания (рис 7)) (рис 6).

Основной характеристикой резистивного элемента является зависимость U(i). Если зависимость ВАХ представляет собой прямую, то резистор называется линейным и описывается следующим основным соотношением в виде закона Ома (рис 8).

Нелинейный резистор характеризуется несколькими параметрами, в частности безынерционный резистор или 2 параметра характеристики.

2)  Индуктивный элемент (катушка индуктивности)

Характеризуется ВАХ (Выбор Амперная Характеристика)

L (кси) – поток расцепления = сумма произведений потока на число этих витков (Ур 3)

B – Магнитная индукция

Ню – напряженность магнитного поля.

3)  Неукостной элемент.

C=q/u (Фарады)

Емкость определяется отношением заряда q к напряжению между ними.

Пассивные электронные компоненты и их назначение в цепи

Конденсаторы являются одними из основных пассивных электронных компонентов

Пассивные компоненты являются краеугольным камнем всей электроники, как с точки зрения физического дизайна, так и с точки зрения языка моделей цепей, описывающих электрические характеристики в более сложных системах . Многие интегральные схемы включают в себя пассивные электронные компоненты, а многие печатные платы содержат некоторые дискретные пассивные компоненты. Они используются для всего: от преобразования энергии до стабилизации питания, фильтрации и настройки интегральных схем.

Поскольку все печатные платы неизбежно содержат некоторые пассивные электронные компоненты, проектировщики должны знать, как эти компоненты используются в современных печатных платах и ​​как получить доступ к стандартным пакетам компонентов в своем программном обеспечении ECAD.

Что такое пассивные электронные компоненты?

Все пассивные электронные компоненты имеют два общих свойства:

• Отсутствие выработки электроэнергии — пассивные электронные компоненты не вырабатывают электроэнергию; они только рассеивают мощность (в резистивных компонентах) или сохраняют неиспользованную мощность (в реактивных компонентах).
• Без источника питания — все пассивные электронные компоненты работают без источника питания; они влияют только на поток энергии, и электрическая мощность не может быть изменена каким-либо внешним источником энергии.

Все компоненты, используемые в современной электронике, можно разделить на активные или пассивные, линейные или нелинейные. Некоторые из основных электронных компонентов, используемых во многих устройствах, на самом деле являются нелинейными устройствами, когда они управляются высоким напряжением/током.

Активные и пассивные электронные компоненты

Помимо двух перечисленных выше свойств, пассивные электронные компоненты могут иметь линейные или нелинейные отклики. Рассмотрим диод в качестве примера; ток в диоде является нелинейной функцией падения напряжения на диоде, но устройство все же пассивно, так как не требует внешнего источника питания. В общем, любой пассивный электронный компонент может быть линейным или нелинейным.

Активные электронные компоненты, напротив, генерируют энергию и/или требуют для функционирования некоторого источника энергии; изменение уровня входной мощности изменяет выходной сигнал компонента. Это важно, потому что активные компоненты часто являются нелинейными, но не все нелинейные компоненты являются активными компонентами. Возможно, наиболее распространенным активным компонентом является транзистор, который требует подачи некоторой мощности в область базы/затвора для включения устройства.

Основные пассивные компоненты

Три основных пассивных электронных компонента — это резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. К другим пассивным компонентам относятся трансформаторы, диоды, термисторы, варакторы, преобразователи и многие другие распространенные компоненты. Эти компоненты доступны в виде компонентов для сквозных отверстий и компонентов SMD, и многие из них доступны в обычных корпусах со стандартными посадочными площадками. Некоторые интегральные схемы объединяют массивы пассивных компонентов в единый корпус, например массив керамических конденсаторов W2A45C102KAT2A от AVX Corporation, показанный ниже.

Массивы пассивных электронных компонентов могут поставляться в виде интегральных схем.

Пассивные элементы имеют множество применений в обычных цепях, например:

• Фильтры, включая специальные высокочастотные фильтры, работающие на частотах ГГц
• Сети оконечной нагрузки и согласования импеданса
• Силовые развязывающие сети с несколькими конденсаторами

Кроме того, при построении подсхем и создании имитационных моделей разработчики часто используют пассивные элементы схемы для построения феноменологических моделей, описывающих электрические характеристики в топологии печатной платы. Это делает пассивные электронные компоненты полезными как в качестве концептуального инструмента, так и в качестве реальных компонентов для использования в обычных схемах. Когда приходит время размещать сквозные и SMD-компоненты в реальной топологии печатной платы, проектировщикам нужны ресурсы для быстрого поиска и импорта посадочных мест печатных плат в свое программное обеспечение ECAD.

Работа с посадочными местами печатных плат для пассивных компонентов

Поскольку многим проектировщикам печатных плат необходимо включать в свои макеты пассивные электронные компоненты, им необходимо уметь находить точные посадочные места печатных плат и понимать, как следует использовать существующие посадочные места при создании новых компонентов. Некоторые программы ECAD включают в себя лишь небольшое количество компонентов со сквозными отверстиями или SMD-посадочными местами только в нескольких различных пакетах. Разработчики должны включать компоненты с общими посадочными местами печатных плат в свои библиотеки, чтобы упростить создание новых компонентов при запуске нового проекта компоновки печатных плат.

Так как многие пассивные элементы поставляются в одних и тех же упаковках, иногда имеет смысл повторно использовать существующее посадочное место для нового компонента, если шаблоны площадок совпадают в пределах допусков. Например, корпуса 0402, 0603 и других пассивных SMD-компонентов часто имеют одинаковую структуру площадок, поэтому посадочные места печатных плат можно повторно использовать между различными компонентами, имеющими одинаковые стандартные корпуса, при условии, что они идентичны. То же самое можно сказать и о компонентах со сквозными отверстиями, которые соответствуют стандартам IPC по схемам контактных площадок со сквозными отверстиями.

Этот диод Шоттки поставляется в корпусе стандартного размера 0603.

Посадочные места для сквозных и SMD-компонентов соответствуют определенным стандартам, и их создание вручную может занять много времени. Вместо того, чтобы заново изобретать велосипед и создавать целые библиотеки посадочных мест с нуля, вы можете найти посадочные места печатных плат для целого ряда пассивных электронных компонентов с помощью подходящей поисковой системы для электроники. Если вы можете найти печатные платы для пассивных элементов в стандартных размерах, вы можете сэкономить время и больше сосредоточиться на разработке нового продукта.

Если вам нужно создать библиотеки посадочных мест печатных плат с пассивными электронными компонентами, вы можете найти модели ECAD и исходные данные для ваших компонентов с помощью функций поиска деталей в Ultra Librarian. У вас будет доступ к проверенным моделям САПР, которые можно импортировать в популярные приложения ECAD, и вы сможете просматривать информацию о источниках от мировых дистрибьюторов. Ultra Librarian помогает собрать всю информацию о источниках и САПР в одном месте, и все данные проверяются непосредственно у производителей компонентов.

Работа с Ultra Librarian настроит вашу команду на успех, чтобы гарантировать, что любой проект проходит через производство и проверку с точными моделями и посадочными местами для работы. Зарегистрируйтесь сегодня бесплатно.

Активные и пассивные электронные компоненты

Все об активных и пассивных электронных компонентах. Примеры и различия между активными и пассивными электронными компонентами

Активные и пассивные электронные компоненты представляют собой два класса электронных компонентов. Оба эти класса электронных компонентов отличаются друг от друга. Эта статья объясняет все о активные и пассивные электронные компоненты с примерами и различиями между ними.

Активные и пассивные электронные компоненты

Содержание:

Что такое активные электронные компоненты?

Активные электронные компоненты — это компоненты, которые могут управлять потоком электроэнергии. Различные типы печатных плат имеют по крайней мере один активный компонент. Некоторыми примерами активных электронных компонентов являются транзистор , электронные лампы, кремниевые выпрямители (SCR) .

Активные электронные компоненты

Полный список активных электронных компонентов

Вот полный список наиболее распространенных и широко используемых активных электронных компонентов. Я не упомянул Устаревшие компоненты.

Полупроводники	Транзисторы
Диоды (все) Выпрямительный диод Диод Шоттки Стабилитрон Униполярный/биполярный диод Варикап Варактор Светодиод (LED) Солнечная фотоэлемент, фотоэлектрическая панель	Транзисторы (все) Фототранзистор Транзистор Дарлингтона Составной транзистор Полевой транзистор (FET) JFET (переходной полевой транзистор) MOSFET (Металл-оксид-полупроводник) Тиристоры Составные транзисторы
Интегральные схемы (ИС)	Прочие компоненты
Интегральные схемы (все) Цифровая схема Аналоговая схема Датчик Холла Датчик тока Корпуса BGA Процессор Силовые ИС Оптоэлектронные компоненты	ЭЛТ / LCD / VFD / TFT / LED Вакуумные трубки Лампы выпрямителя Излучатели Газоразрядная трубка Игнитрон Тиратрон Аккумулятор/источник питания Электрогенератор

Что такое пассивные электронные компоненты?

Пассивные электронные компоненты — это компоненты, которые не могут управлять электрическим током с помощью другого электрического сигнала. Примерами пассивных электронных компонентов являются конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, трансформаторы и некоторые диоды. Это могут быть либо Thru-Hole, либо SMD-компоненты.

Пассивные электронные компоненты

Полный список пассивных электронных компонентов

Вот полный список наиболее распространенных и широко используемых пассивных электронных компонентов. Я не упомянул Устаревшие компоненты.

Основные компоненты	Электромеханические компоненты
Резисторы (все типы) Конденсаторы (все типы) Индукторы / Катушка Мемристор/сеть Датчики Детекторы Датчики Антенны Сборочные модули	Пьезоэлектрические устройства Кристаллы Резонаторы Клеммы и разъемы Кабели Переключатели Устройства защиты цепи Печатная плата Механические устройства, такие как вентилятор, лампа

Что такое резистор ?

Резистор — это электрическое устройство, сопротивляющееся протеканию электрического тока. Это пассивное устройство , используемое для управления или препятствования протеканию электрического тока в электрической цепи путем создания сопротивления, тем самым вызывая падение напряжения на устройстве.

Резистор

Что такое конденсатор ?

Конденсатор представляет собой пассивный электрический компонент, который может накапливать энергию в электрическом поле между парой проводников, называемых «пластинами». Процесс накопления энергии в конденсаторе известен как « зарядка ». Способность конденсатора накапливать заряд измеряется его емкостью .

Конденсаторы используются в электронных схемах в качестве накопителей энергии. Они также используются для различения высокочастотных и низкочастотных сигналов. Доступен широкий спектр конденсаторов, включая электролитические конденсаторы, обычные конденсаторы с плоскими пластинами и механические переменные конденсаторы.

Конденсатор

Что такое диод ?

Диод — это односторонний электрический клапан. Диоды пропускают ток в одном направлении. Большинство диодов имеют на одном конце нарисованную линию, показывающую направление потока. Отрицательная сторона обычно белая.

Диод

Что такое интегральная схема (ИС)?

Интегральные схемы (ИС) представляют собой набор из нескольких сложных схем. ИС доступны в самых разных корпусах и размерах. Их приложения так же разнообразны, как и их пакеты.

ИС

Что такое транзисторы?

Транзистор — это полупроводниковый прибор. Это основной строительный блок схем мобильных телефонов, компьютеров и некоторых других электронных устройств. Транзистор имеет очень быстрый отклик и используется в ряде функций, включая регулирование напряжения, усиление, переключение, модуляцию сигнала и генераторы.

Транзисторы могут быть упакованы индивидуально или они могут быть частью интегральной схемы. Некоторые микросхемы имеют миллиарды транзисторов на очень небольшой площади.

Транзистор

Символы цепей активных и пассивных электронных компонентов

Активные и пассивные электронные компоненты

Электронные компоненты, как активные, так и пассивные , являются жизненно важным элементом любой сборки печатной платы.