Выбор электрорадиоэлементов

При разработке электрических схем не все элементы подлежат расчету. Часть элементов, особенно активные элементы, выбираются. Выбор конкретного типа элемента должен быть обоснован с учетом максимально возможных режимов работы электронного устройства и выбранного коэффициента надежности. Типичной ошибкой студентов при выполнении курсового проекта является выбор морально устаревших и снятых с производства элементов, имеющих параметры значительно худшие, чем современные элементы (например, выбор давно снятых с производства в качестве ОУ микросхемы К140УД1, а в качестве транзистора – МП42 и т.д). Обычно это обусловлено использованием устаревших справочников. Также должен быть обоснован выбор импортных комплектующих, особенно в случаях наличия отечественных элементов (производства СНГ) с близкими характеристиками.

Транзисторы. Они характеризуются эксплуатационными параметрами, предельные значения которых указывают на возможности их практического применения. Основными эксплуатационными параметрами являются максимально допустимые ток I_kmax (I_cmax), напряжение U_kэmax (U_cumax) и рассеиваемая выходным электродом мощность Р_kmax (Р_cmax). Не допускается превышения эксплуатационных параметров, указанных в справочнике.

В соответствии с ОСТ 11.336.919-81 транзисторы имеют буквенно-цифровое обозначение, например:

- ГТ101А − германиевый биполярный маломощный низкочастотный транзистор, порядковый номер разработки 1, группа А;

- 2П904Б − кремниевый полевой мощный высокочастотный транзистор, порядковый номер разработки 4, группа Б.

По мощности транзисторы подразделяются на маломощные (Р_max ≤ 0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт < Р_max < 1,5 Вт) и большой мощности (Р_max > 1,5 Вт).

По частоте транзисторы бывают низкочастотные (f ≤ 3 МГц), средней частоты (3 МГц ≤ f≤ 30 МГц) и высокочастотные (f > 30 МГц).

В справочнике приводятся значения параметров транзисторов для соответствующих оптимальных или предельных режимов эксплуатации. Рабочий режим транзистора в проектируемом ЭУ, часто отличается от указанного в справочнике. В таком случае необходимо по имеющимся в справочнике характеристикам и формулам, а также методом интерполяции определить значения параметров транзистора, соответствующие выбранному режиму.

Применение высокочастотных транзисторов в низкочастотных электронных устройствах нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и развитию вторичного пробоя, обладают меньшими эксплуатационными запасами.

Не следует применять мощные транзисторы там, где можно применить маломощные, так как при использовании мощных транзисторов в режиме малых токов их коэффициент передачи по току мал и сильно зависит как от тока, так и от температуры окружающей среды. Кроме того, ухудшаются массогабаритные и стоимостные показатели ЭУ.

Необходимо применять транзистор минимально возможный для данных конкретных условий мощности, но так, чтобы он при этом не перегревался. Лучше применить транзистор малой мощности с небольшим теплоотводом, чем большой мощности без теплоотвода. Недопустимо также одновременное достижение двух и более предельных значений режимов работы.

Если нет особых причин для применения германиевого транзистора, лучше применить кремниевый. Кремниевые транзисторы лучше работают при высоких температурах, имеют более высокие пробивные напряжения и меньшие обратные токи.

Коэффициент передачи тока зависит от тока коллектора и при некотором значении обычно имеет максимальное значение. Для хорошего усиления на низких частотах желательно выбирать это максимальное значение или близкое к нему по приводимым в справочнике графикам. В других случаях коэффициент передачи тока следует принимать равным указанному в справочнике типового значения или среднему арифметическому от минимального и максимального значения параметра. В ряде случаев необходимо использовать минимальное значение параметра.

В любом случае следует учитывать, что параметры, как транзисторов, так и других полупроводниковых элементов, в том числе интегральных схем, характеризуются большим технологическим разбросом и сильной зависимостью от температуры (включая саморазогрев), напряжения питания и токов через электроды прибора, величины сигнала (малосигнальный и сильносигнальный режимы).

Диоды. Основными эксплуатационными параметрами выпрямительных диодов являются максимальное обратное напряжение и максимальное значение прямого тока.

Высокочастотные диоды используются для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до сотен МГц), модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов. Они характеризуются следующими параметрами: падением напряжения на диоде, обратным током и сопротивлением переменному току, максимальной рабочей частотой, паразитной емкостью.

Импульсные диоды используются в качестве ключевых элементов и обеспечивают переходные процессы в доли микросекунд. Они имеют малое значение барьерной емкости. Дополнительным параметром является время рассасывания при выходе диода из включенного в закрытое состояние.

Стабилитроны используются для стабилизации напряжения в схеме при изменении тока, протекающего через стабилитрон. Основным параметром является напряжение стабилизации в рабочей точке, для которой задается дифференциальное сопротивление стабилитрона. Необходимо учитывать значения минимального и максимального тока стабилизации, максимальной рассеиваемой мощности, температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Необходимо применять диоды по указанному в справочнике назначению, например, в выпрямителях следует применять выпрямительные диоды, в импульсных устройствах – импульсные диоды и т.д.

Обратное напряжение на диоде и прямой ток через него (в том числе импульсный) не должен превышать 70-80% от максимально допустимых значений. Рабочая частота не должна превышать указанного в справочнике предельного значения.

Резисторы. Резисторы бывают общего назначения и специальные (прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные).

Резисторы общего назначения используются в качестве различных нагрузок, делителей, элементов фильтров, шунтов, в цепях формирования импульсов и т.д. Следует учитывать, что резисторы выпускаются с определенным дискретным набором номинальных значений сопротивления и рассеиваемой мощности. После расчета точного значения сопротивления необходимо выбрать ближайшее номинальное значение сопротивления и большее, чем расчетное значение рассеиваемой мощности и напряжения.

Прецизионные резисторы (с технологическим допуском менее 1 %) применяются в основном в измерительных приборах и системах автоматики. Высокочастотные резисторы используются в высокочастотных цепях, в кабелях и волноводах в качестве согласующих нагрузок, направленных ответвителей и т.п. Высоковольтные резисторы применяются в качестве делителей напряжений, поглотителей, в зарядных и разрядных высоковольтных цепях и т.п.

При курсовом проектировании рекомендуется применять резисторы постоянные общего назначения типа МЛТ или ОМЛТ. Резисторы специальные (прецизионные, высокочастотные, высокоомные, высоковольтные и др.) следует применять в тех случаях, когда значения соответствующих параметров резисторов общего назначения оказываются недостаточными, например, малы точности сопротивления и т.д.

Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения следует выбирать с учетом чувствительности к нему выходных параметров, принимая при этом во внимание требование ограничения существующей номенклатуры резисторов.

Переменные резисторы следует применять по назначению. Подстроечные резисторы, подвижная система которых рассчитана на небольшое число перемещений (до 1000 циклов), – в качестве только подстроечных; регулировочные, масса, габариты и стоимость которых выше, – только в качестве регулировочных.

Конденсаторы. Тип конденсатора выбирают по совокупности значений его номинальных емкости и рабочего напряжения. Если конденсатор выбирают для работы в цепи переменного и импульсного тока, то принимают во внимание его тангенс угла потерь.

Допускаемое отклонение емкости от номинального значения следует выбирать с учетом чувствительности к нему выходных параметров ЭС.

Для большинства типов конденсаторов в справочниках указывают номинальное рабочее напряжение постоянного тока. Эффективное значение переменного напряжения на конденсаторе должно быть в полтора - два раза меньше указанного рабочего напряжения для постоянного тока.

При работе конденсаторов в цепи пульсирующего тока сумма постоянного напряжения и амплитудного значения переменного напряжения на нем не должно превышать его номинального рабочего напряжения.

Не следует без необходимости применять конденсатор с номинальным напряжением, значительно превышающем рабочее, так как при этом ухудшаются массогабаритный и стоимостной показатели изделия.

Оксидные (устаревшее обозначение – электролитические) конденсаторы изготавливаются двух типов: полярные и неполярные. Полярные конденсаторы можно устанавливать лишь в тех цепях, в которых постоянная составляющая напряжения на конденсаторе будет больше амплитуды переменной составляющей. На неполярные конденсаторы это ограничение не распространяется. Следует учитывать, что оксидные конденсаторы характеризуются достаточно высоким эквивалентным внутренним сопротивлением (ESR) на высоких частотах. Для устранения этого недостатка их обычно шунтируют безиндуктивными конденсаторами – керамическими или стеклокерамическими. Часто достаточно емкости шунтирующего конденсатора 10…68 нФ.

Микросхемы. Главным условием применения микросхем является строгое соблюдение режимов работы, рекомендованных в технических условиях на выбранную микросхему. Это относится в первую очередь к величине напряжения питания, допустимому сопротивлению нагрузки, диапазону температуры.

Необходимо рассмотреть возможность применения микросхем общего применения, характеризуемых низкой стоимостью, широким диапазоном напряжения питания, защищенным входом и выходом. В большинстве реальных случаев достаточно использования ИС общего применения.

В настоящее время используются цифровые ИМС, изготавливаемые по ТТЛ- или КМОП- технологии. Остальные типы цифровых ИС в курсовых проектах могут применяться только при специфических требованиях к параметрам устройства. Например, при тактовых частотах более 100 МГц рекомендуется использовать ИС типа ЭСЛ, для построения интерфейсных модулей целесообразно использование схем типа БиКМОП.

По ТТЛ- технологиям изготавливаются ИМС серии SN74 (отечественный аналог серия 155) и SN74L/54L (L − маломощная). Аналогами этих серий МС являются отечественные ИМС серии 1533 и 136. ИМС по КМОП-технологии выпускаются сериями СД4000 (отечественный аналог − серии 164 и 176), СД4000А, СД4000В (отечественный аналог − серии 564, 561, 1561, IW40XX), МС14000А и МС14000В, 54МС (аналог − серия 1564).

Обозначения отечественных ИМС

К М 1 55 ЛЕ 1

Номер разработки

Логическая функция ИЛИ-НЕ

Номер серии

Полупроводниковая ИС

Тип корпуса

Микросхема коммерческого назначения

Основные характеристики ИМС отечественного производства различных типов логик приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Обобщенные характеристики цифровых ИС различных типов

При выборе микросхем необходимо избегать применения ИС разных серий. Если это неизбежно, то лучше применять микросхемы с одинаковым напряжением питания. При использовании ИС различных типов в одном устройстве необходимо учитывать также нагрузочную способность различных элементов.

Основным элементом при конструировании электронных узлов обработки аналоговых сигналов являются операционные усилители (ОУ). В большинстве случаев возможно использование ОУ широкого применения. В таблице 2.2. приведены основные параметры типичных представителей таких типов ОУ, как широкого применения (КР140УД6), прецизионный (КР140УД17), со сверхвысоким входным сопротивлением (КР544УД2), с умощненным выходом (К157УД1). В некоторых случаях могут понадобиться и другие типы ОУ, но в 80 % случаев при курсовом проектировании достаточен выбор одного из приведенных.

Таблица 2.2 – основные параметры операционных усилителей