Електронні схеми є невід’ємною частиною майже всіх технологічних досягнень, що досягаються в нашому житті сьогодні. Телебачення, радіо, телефони та комп’ютери одразу приходять до тями, але електроніка використовується також у автомобілях, кухонній техніці, медичному обладнанні та промисловому управлінні. В основі цих пристроїв лежать активні компоненти або компоненти ланцюга, які керують електронним потоком електронів, як напівпровідники. Однак ці пристрої не могли функціонувати без значно простіших, пасивних компонентів, які передували напівпровідники протягом багатьох десятиліть. На відміну від активних компонентів, пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори та індуктори, не можуть контролювати потік електронів за допомогою електронних сигналів.
Опір
Як випливає з назви, резистор - це електронний компонент, який чинить опір потоку електричного струму в ланцюзі.
У таких металах, як срібло або мідь, які мають високу електропровідність і, отже, низький опір, електрони здатні вільно пропускати з одного атома на інший з невеликим опором.
Електричний опір складової ланцюга визначається як відношення прикладеної напруги до електричного струму, що протікає через нього, згідно з інформацією веб-сайту з фізичних ресурсів, який розміщується на кафедрі фізики та астрономії Державного університету штату Джорджія, HyperPhysics. Стандартною одиницею опору є ом, який названий на честь німецького фізика Георга Саймона Ома. Визначається як опір у ланцюзі зі струмом 1 ампер на 1 вольт. Опір можна обчислити, використовуючи закон Ома, який говорить, що опір дорівнює напрузі, поділеній на струм, або R = V / I (частіше пишеться як V = ІК), де R - опір, V - напруга, а I - струм.
Резистори, як правило, класифікуються як фіксовані або змінні. Резистори з фіксованим значенням - це прості пасивні компоненти, які завжди мають однаковий опір у встановлених межах струму та напруги. Вони доступні в широкому діапазоні значень опору, від менш ніж 1 Ом до декількох мільйонів Ом.
Змінні резистори - це прості електромеханічні пристрої, такі як регулятори гучності та диммерні вимикачі, які змінюють ефективну довжину або ефективну температуру резистора при повороті ручки або переміщенні регулювача слайда.
Індуктивність
Індуктор - електронний компонент, що складається з котушки дроту з електричним струмом, що проходить через нього, створюючи магнітне поле. Одиницею індуктивності є Генрі (Н), названий на честь Джозефа Генрі, американського фізика, який виявив індуктивність незалежно приблизно в той же час, що і англійський фізик Майкл Фарадей. Один Генрі - це величина індуктивності, необхідна для індукції 1 вольт електрорушійної сили (електричного тиску від джерела енергії), коли струм змінюється на 1 ампер в секунду.
Одне важливе застосування індукторів в активних ланцюгах полягає в тому, що вони, як правило, блокують високочастотні сигнали, дозволяючи пропускати низькочастотні коливання. Зауважимо, що це протилежна функція конденсаторів. Поєднуючи два компоненти в ланцюзі, можна вибірково фільтрувати або генерувати коливання практично будь-якої бажаної частоти.
З появою інтегральних мікросхем, таких як мікрочіпи, індуктори стають все рідше, тому що 3D-котушки вкрай складно виготовити у двовимірних друкованих схемах. З цієї причини мікросхеми розроблені без індукторів, а замість цього використовують конденсатори для досягнення по суті однакових результатів, вважає Майкл Дабсон, професор фізики з університету Колорадо Боулдер.
Ємність
Ємність - це здатність пристрою зберігати електричний заряд, і як такий електронний компонент, який зберігає електричний заряд, називається конденсатором. Найдавнішим прикладом конденсатора є банку Лейдена. Цей пристрій був винайдений для зберігання статичного електричного заряду на провідної фользі, яка вистелена всередині та зовні скляної банки.
Найпростіший конденсатор складається з двох плоских провідних пластин, розділених невеликим зазором. Різниця потенціалів або напруга між пластинами пропорційна різниці в кількості заряду на пластинах. Це виражається як Q = CV, де Q - заряд, V - напруга, а C - ємність.
Ємність конденсатора - це кількість заряду, яку він може зберігати на одиницю напруги. Одиницею для вимірювання ємності є farad (F), названий за Фарадеєм, і визначається як ємність для зберігання 1 кулона заряду з прикладним потенціалом 1 вольт. Один кулон (С) - це кількість заряду, що передається струмом 1 ампер за 1 секунду.
Для досягнення максимальної ефективності конденсаторні пластини укладаються шарами або намотуються в котушки з дуже невеликим повітряним зазором між ними. Діелектричні матеріали - ізоляційні матеріали, які частково блокують електричне поле між плитами - часто використовуються в межах повітряного проміжку. Це дозволяє плитам зберігати більше заряду, не створюючи дуги і не затримуючись.
Конденсатори часто зустрічаються в активних електронних схемах, які використовують коливальні електричні сигнали, такі як радіостанції та аудіоапаратура. Вони можуть заряджати та розряджатись майже миттєво, що дозволяє використовувати їх для отримання або фільтрації певних частот у ланцюгах. Коливальний сигнал може заряджати одну пластину конденсатора, поки інша пластина розряджається, і тоді, коли струм буде зворотним, він зарядить іншу пластину, поки перша пластина розряджається.
В основному більш високі частоти можуть проходити через конденсатор, тоді як нижчі частоти блокуються. Розмір конденсатора визначає частоту відсічення, за яку сигнали блокуються або дозволяється проходити. Конденсатори в поєднанні можуть використовуватися для фільтрації вибраних частот у визначеному діапазоні.
Суперконденсатори виготовляються з використанням нанотехнологій для створення надтонких шарів матеріалів, таких як графен, для досягнення потужностей, що в 10 - 100 разів перевищують звичайні конденсатори одного розміру; але у них набагато повільніше час відгуку, ніж у звичайних діелектричних конденсаторів, тому їх не можна використовувати в активних схемах. З іншого боку, їх іноді можна використовувати як джерело живлення в певних додатках, наприклад, в мікросхемах комп'ютерної пам'яті, щоб запобігти втраті даних при відключенні основної потужності.
Конденсатори також є важливими компонентами пристроїв синхронізації, таких як розроблена SiTime, компанією, що базується в Каліфорнії. Ці пристрої використовуються в найрізноманітніших програмах, від мобільних телефонів до швидкісних поїздів та торгівлі на фондовому ринку. Відомий як МЕМС (мікроелектромеханічні системи), крихітний пристрій часу визначається конденсаторами для нормальної роботи. "Якщо у резонатора немає правильного конденсатора і ємності навантаження, ланцюг синхронізації не запуститься надійно і, в деяких випадках, перестане коливатися", - сказав Піюш Севалія, виконавчий віце-президент з маркетингу SiTime.
Цю статтю було оновлено 16 січня 2019 року автором наукової роботи в режимі Live Rachel Ross.
