Елементи на вериги от реалния живот

Елементите на веригата, които обсъдихме в последната статия, са идеални елементи на веригата. Елементите на веригата в реалния живот се доближават до идеалните математически модели, но е неизбежно да имат несъвършенства. Да бъдеш добър инженер означава да знаеш как се различават реалните компоненти от идеалните им абстрактни модели.

Една проста разлика от идеалния вариант е, че физическите елементи като резистори, индуктори и кондензатори $(\text{R, L, C})$‍ имат някакъв интервал на отклонение спрямо идеалната стойност (колкото по-тесен е интервалът, толкова по-висока е цената им). Реалните компоненти никога нямат точната си посочена стойност.

Реалните елементи на веригата се отклоняват от идеалните уравнения, когато имаме гранични стойности на напрежение и ток. Праволинейната математическа абстракция на един резистор не стига до $\mathrm{\infty }$‍ напрежение и $\mathrm{\infty }$‍ ток за реалните резистори. Моделът се разпада в някакъв момент и компонентът може да бъде унищожен. Абстрактните модели на идеалните компоненти и източници са приложими в определени граници в реалния свят.

Един реален компонент не е само този компонент. Да вземем за пример един резистор: понеже проводниците, които са свързани към краищата на резистора, генерират заобикалящо го магнитно поле, той неизбежно ще прояви някои индуктивни свойства. В допълнение, резисторите са направени от провеждащи материали и обикновено се намират близо до други проводници. Заедно, тези проводници действат като плочите на кондензатора, така че резисторът също проявява в известна степен свойства на кондензатор.

Тези паразитни ефекти може да се окажат важни при високи честоти или когато напрежението или токът рязко се променят. Ако паразитният ефект има значение, можеш да моделираш компонента като комбинация на идеални елементи, както е показано тук за един резистор:

Свойствата на реалните компоненти се влияят от тяхната среда. Повечето компоненти проявяват някаква степен на чувствителност към температурата; параметрите се покачват или понижават в зависимост от това колко горещ или студен е компонентът. Ако веригата ти трябва да работи в широк температурен диапазон, ще искаш да знаеш температурното поведение на компонентите, които използваш.

Забележка: В темите от електроинженерство, покрити в Кан Академия, не е нужно да се тревожиш за паразитните ефекти. Те са споменати тук, за да знаеш, че съществуват. Когато симулираш електрони вериги, не е нужно да усложняваш нещата като моделираш всички потенциална паразитни ефекти, освен ако нямаш (или не научиш за) причина, поради която да смяташ, че те са важни.

Когато правим реални резистори, целта е да създадем компонент, който да действа възможно най-близо до уравнението за идеален резистор, закона на Ом, $U=I\text{R}$‍.

Стойността на съпротивлението на един резистор зависи от две неща:

Материалът, от който е направен, влияе на това колко трудно им е на електроните да протичат през него. Можеш да го приемеш като колко често електроните се блъскат в атомите на материала, докато опитват да протичат през него. Това свойство на материала се нарича специфично съпротивление. Може да чуеш и термина проводимост, който е просто реципрочното на специфичното съпротивление.

След като изберем материал с определено специфично съпротивление, съпротивлението на резистора е определено от формата му. По-дълъг резистор има по-високо съпротивление, отколкото по-къс резистор, понеже електроните преминават през повече сблъсъци, докато преминават през "джунглата" от атоми в материала. Резистор с по-голяма напречна площ има по-ниско съпротивление от резистор с по-малка напречна площ, понеже електроните имат по-голям брой налични за изминаване пътища.

Един реален резистор се разваля (изгаря и е разрушен), ако мощността, разсеяна от резистора, е по-голяма от тази, която съставящите го материали могат да издържат. Резисторите идват с отбелязана на тях стойност на мощността, която не трябва да бъде превишавана. Ако опиташ да разсееш $1$‍ ват с $1/8$‍-ватов резистор, може да получиш изгорено парче, което вече не е резистор.

Пример за конвенционален аксиален резистор:

Цветните ленти посочват стойността и толеранса на резистора. Лентите на резистора са оранжева, оранжева, кафява, златиста. От диаграмата за цветовия код на резисторите се вижда, че първите две ленти съответстват на цифрите на стойността, $33$‍. Третата лента е множителят, кафявото означава $\times {10}^1$‍. Четвъртата (последна) лента посочва толеранса, като златистото е $\pm 5\mathrm{\%}$‍. Стойността на резистора е $330\mathrm{\Omega }\pm 5\mathrm{\%}$‍.

Това е прецизен резистор с 5 цветни ленти:

Разчитаме лентите отляво надясно: червено, червено, синьо, кафяво, кафяво $=22611$‍. Първите три ленти $(226)$‍ са стойността. Четвъртата лента е множителят $(\times {10}^1)$‍, петата (последна) лента посочва толеранса, като кафяво е $1\mathrm{\%}$‍. Стойността на резистора е $2260\mathrm{\Omega }\pm 1\mathrm{\%}$‍.

Това е повърхностно монтиран резистор:

Стойността на съпротивление е кодирана в $3$‍-цифрения код: $102$‍, което означава $10\times {10}^2=1000\mathrm{\Omega }$‍. Спецификацията на този резистор е "0603 метрична", което посочва, че размерът му е $0,6\text{mm}\times 0,3\text{mm}$‍.

Пример за резистор в интегрирана верига:

Дизайнерът избира един от слоевете на интегрираната верига с високо съпротивление и създава (чертае) серпентинов модел, за да постигне желаното съпротивление.

Когато създаваме реални кондензатори, целта е да създадем компонент, който действа възможно най-близо до уравнението за идеален кондензатор, $i=\text{C}\text{d}v/\text{d}t.$‍

Един кондензатор се създава с две провеждащи повърхности, поставени близо една до друга. Между плочките може да има въздух или всякакъв друг вид изолиращ материал. Стойността на капацитета зависи от няколко фактора – площта на плочките, разстоянието между плочките (дебелината на кондензатора) и физичните свойства на изолиращия материал.

Можеш да научиш повече за кондензаторите и как/защо работят в раздела кондензатори и капацитет в Кан Академия Физика

Реални кондензатори:

Цилиндричните кондензатори (черен, тъмно син или сребрист, горе вляво) са създадени от две метални плочи от фолио, навити, за да се максимизира площта на плочките за постигане на големи стойности на капацитета в компактно пространсто.

Кръглите резистори (водно синьо и оранжево, долу) са просто два метални диска, насочени един срещу друг, отделени от изолатор.

Настройващите се кондензатори (бяло, вдясно) имат въздух за изолатор. Една двойка плочки се върти, за да припокрие повече или по-малко площ от неподвижна двойка плочки. Променливите въздушни кондензатори, например, се използват за настройване на радиа.

Най-вероятното отклонение от уравнението за идеален кондензатор се случва, ако напрежението през кондензатора стане толкова голямо, че изолацията между плочките се разпадне. Когато това се случи през изолацията може да се появи искра, която да прескочи между плочките. И вече няма кондензатор... Реалните кондензатори имат отбелязана стойност на напрежението, която не трябва да бъде превишавана.

Тъй като кондензаторът има свързващи проводници, следва че неизбежно ще има и някакво малко паразитно съпротивление и индуктивност. Паразитната индуктивност може да бъде проблем, ако се очаква кондензаторът да бъде източник на ток без забавяне, като например когато е свързан към захранването на дигитален чип. Предоставянето на момента на максимално количество ток към дигиталния чип означава, че индуктивността на кондензаторните връзки трябва да е много малка.

Материалът, разделящ кондензаторните плочки, трябва да е изолиращ (да не позволява никакъв ток). Но не всички изолатори са перфектни, така че малък ток може да се промъкне. Тези така наречени утечки изглежда протичат направо през кондензатора, дори ако напрежението не се променя (когато $\text{d}v/\text{d}t=0)$‍. Пътища за утечки може да има също така, ако веригата не е чиста и протичат токове покрай кондензатора, по повърхността на компонента.

Тук е показан повърхностно монтиран кондензатор:

Утечките може да протичат между металните краища през спояващия материал, останал от процеса на спояване, ако платката на веригата не е почистена.

Повърхностно монтираният кондензатор се състои от много слоеве от припокриващи се провеждащи електродни плочки и изолиращи керамични слоеве.

Когато създаваме индуктор, целта ни е неговата работа да е възможно най-близо до уравнението за идеален индуктор, $v=\text{L}\text{d}i/\text{d}t.$‍

Пълният анализ на принципа на работа на индуктора е сложна тема и е извън обхвата на тази статия. За да научиш повече за индукторите и магнитните полета, виж раздела магнитни полета в Кан Академия Физика.

Всеки проводник, провеждащ ток, генерира магнитно поле в заобикалящата го област, както е представено от червените линии в тези изображения. Магнитното поле около един проводник, навит в намотка, е концентрирано в долната част на намотката.

Добър начин да разсъждаваме за индукцията е да направим сравнение с масата в една механична система. Магнитна енергия се съхранява в един индуктор по същия начин, по който кинетичната енергия се съхранява в движеща се маса. Представи си въртящ се маховик (колело с тежка рамка). Един въртящ се маховик не може да спре незабавно. Индукторът е нещо подобно. Токът в един индуктор не спира незабавно, точно както маховикът не спира незабавно. Енергията на магнитното поле продължава да го бута.

Създаване на индуктори: За да постигнем по-високи нива на индукция (по-високо $L$‍), индукторите се създават чрез навиване на жица в намотка. Магнитното поле може да бъде усилено още повече чрез поставяне на подходящ магнитен материал в намотката. Това е тороидален индуктор, навит около ядро от железен/керамичен материал, наречен ферит. (Не можеш да видиш феритното ядро – което е с форма на поничка – понеже е покрито от медната жица.)

Феритното ядро концентрира и усилва магнитното поле, което увеличава стойността на индукцията, $\text{L}$‍.

Реалните индуктори се различават от идеалното уравнение по няколко важни начина. Тъй като индукторите са направени от дълги проводници, те често имат значително паразитно съпротивление.

Другата неизбежна особеност на индукторите е, че те заемат много пространство. Магнитното поле съществува в обема пространство около и вътре в индуктора и намотката трябва да е достатъчно голяма, че да огражда голямо количество магнитно поле, ако трябва да постигне значителна индукция. Ето затова рядко виждаме индуктор в интегрирана верига.

Приключваме с това удивително изображение на индуктор с въздушно ядро. Тази голяма медна намотка (индуктор) е била част от безжична телеграфна станция, построена в Ню Джърси, САЩ, през 1912 г. Тя е можела да изпрати съобщение на 4000 мили (6400 километра), през Атлантическия океан, чак до Германия. Уау! Не мисля, че е необходимо да казваме, че повечето индуктори са много по-малки.