«Знакомство с радиотехническими материалами»

муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования «Станция юных техников»

города Каменск-Шахтинский

Принята на методическом совете

Протокол №______ от «___» _________ 20___г

(Для учащихся 1 года обучения робототехнических объединений учреждений дополнительного образования)

Автор: Барышев Е. В.

педагог дополнительного образования.

2022

Введение

В настоящее время увеличиваются масштабы применения радиотехнических систем и систем телекоммуникаций. Составной частью этих систем является радиоэлектронная аппаратура (РЭА), содержащая огромное количество радиокомпонентов, при изготовлении которых применяют современные радиоматериалы [1, стр. 125].

Материал - это вещество или смесь веществ, обладающая определенным составом, структурой и свойствами, из которых изготавливается изделие, предназначенное для определенных целей. Свойства материалов определяются их химическим составом и структурой [1, стр. 127].

Радиотехнические материалы (радиоматериалы) - это класс материалов, характеризуемых определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю [1, стр. 214] и применяемых в радиотехнике с учетом этих свойств. Этот класс материалов имеют разные названия – электротехнические материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники.

Радиоматериалы необходимы для изготовления проводов, кабелей, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, постоянных магнитов, полупроводниковых приборов, устройств электроники и т.д. От свойств радиоматериалов зависит работа электрической схемы радиотехнического устройства.

Развитие микроэлектроники и освоение производства интегральных микросхем привело к созданию новой элементной базы, появлению новых радиоматериалов, новых методов конструирования и технологии производства РЭА.

1. Пояснительная записка

Одно из важнейших направлений научно-технического прогресса - дальнейшее развитие радиоэлектроники и, в особенности, микроэлектроники.

Современная радиотехника является мощным средством технического прогресса. Радиотехника проникла во все области народного хозяйства, в науку, технику, культуру и быт [1, стр. 89].

Широкое внедрение достижений микроэлектроники позволило улучшить основные показатели РЭА. Использование новых радиоматериалов и радиодеталей расширило возможности микроэлектроники, а прогресс в области микроэлектроники, в свою очередь, способствовал дальнейшему развитию производства радиоматериалов и радиодеталей.

Применяемые в радиотехнике и электронике материалы, подразделяются на группы:

• электроизоляционные (диэлектрические);

• проводниковые;

• полупроводниковые;

• магнитные.

В методической разработке рассмотрены группы радиоматериалов, а также сферы их использования в современном мире.

Данная методическая разработка является актуальной при изучении в школе уроков физики (Электромагнитные явления). Она позволяет учащимся получить элементарные знания о составе и принципе работы радиоэлектронных компонентов, обучает техническому конструированию радиотехнических приборов и развивает интерес к современной радиоэлектронике.

Методическая разработка является частью приложения к образовательной программе «Робототехника», (первый год обучения, раздел 3 «Радиоэлектронные компоненты»), рассчитана на учащихся 14 – 15 лет и направлена на достижение следующих целей и задач:

Образовательные:

• изучения современных видов проводников и изоляторов;

• обучение электрической пайки и монтажу радиодеталей.

Развивающие:

• развития у учащихся осознания значимости коллективной работы для получения результата, совместной деятельности в процессе выполнения творческих заданий;

• развитие интересов в сфере использования в современном мире радиоэлектроники и радиотехники.

Воспитывающие:

• воспитание всестороннего интереса учащихся в опытной, поисковой, исследовательской работе, побуждение к углубленному изучению радиоэлектроники и микроэлектроники;

• осуществляет профессиональную ориентацию и практическую подготовку для работы в различных отраслях радиоэлектронной промышленности.

Указанные цели достигаются через особую организацию образовательного пространства и:

• влияют на разные аспекты и стороны личности,

• создают условия для появления у нее мотива к самоизменению,

• создают условия личностному росту;

• формируют у учащихся научные взгляды, творческое мышление, трудолюбие, высокие нравственные качества;

• пропаганде научных знаний, достижений мировой науки и техники.

1. Основная часть

Методологической базой для написания работы послужили общенаучные методы исследования: обобщения, анализа и систематизации, а также изучение научной и учебной литературы.

Основными физическими параметрами радиоматериалов являются электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость [1, стр. 23]. По физическим (электрическим и магнитным) свойствам все радиоматериалы принято подразделять на четыре класса. По электрическим свойствам выделяют проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые материалы, а по магнитным – магнитные материалы (рисунок 1).

Рисунок 1. Физические параметры радиоматериалов.

Проводниковые материалы характеризуются относительно низким электрическим сопротивлением. Такие материалы применяют для изготовления монтажных проводов, кабелей, в качестве контактных материалов. Высокоомные проводниковые материалы с заданной величиной электрического сопротивления используют для изготовления резистивных элементов таких радиокомпонентов, как резисторы.

Диэлектрические материал, напортив, характеризуются очень высоким удельным электрическим сопротивлением и обычно применяются в качестве электроизоляционных материалов, такие как различные установочные изделия, электроизоляционные подложки и печатные платы, каркасы катушек индуктивности и трансформаторов, пропиточные материалы. Диэлектрические материалы с заданной величиной диэлектрической проницаемости широко применяются в качестве электроизоляционных прокладок при изготовлении электрических конденсаторов [2].

Полупроводниковый материал используют в радиотехнике и электронике, когда необходимо получить электрическое сопротивление материала, управляемое электрическим или магнитным полем, а также температурой или освещенностью. Из полупроводниковых материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и другие полупроводниковые приборы.

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться под действием магнитного поля. Из магнитных материалов делают сердечники катушек индуктивности, магнитопроводы трансформаторов, магнитные элементы памяти. Некоторые разновидности магнитных материалов сохраняют свою намагниченность после воздействия магнитного поля и применяются для изготовления постоянных магнитов.

Проводниковые радиоматериалы широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), в том числе, в РЭА специальных радиотехнических систем [3].

Рассмотрим области применения проводниковых материалов во взаимосвязи с их свойствами и классификацией (рис. 2). К материалам высокой проводимости относятся: медь, сплавы меди, алюминий и его сплавы, цинк, олово, благородные металлы (серебро, золото и др.). По электрическим характеристикам близки к этим материалам сталь, платина и палладий. Однако ввиду химических свойств и сравнительно низкой себестоимости конечных изделий наибольшее применение для передачи энергии на расстояние нашли медь и алюминий. Металлы с высокой проводимостью используются (рисунок 1) для изготовления проводов и кабелей, элементов радиокомпонентов (обмотки трансформаторов, аноды мощных ламп, выводы радиокомпонентов и др.), линий связи (микрополосковые линии, межкомпонентные соединения навесного монтажа, волноводы антенно-волноводных систем и др.).

Рисунок 2. Примеры применения материалов высокой проводимости

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферро - сплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве, превосходящим стали. К материалам цветной металлургии принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии.

Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло.

Композиционные материалы - это сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например, стекла и пластмассы - стеклопластики).

Среди проводниковых материалов высокого сопротивления наибольшее практическое применение нашли сплавы на основе никеля, марганца, железа и хрома (манганин, константан, нихром, хром). Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются в резисторах, термопарах, измерительных и нагревательных приборах и др. (рис. 3)

Рисунок 3. Примеры применения материалов высокого сопротивления

Диэлектрики - вещества, в которых могут длительное время существовать электростатические поля. Эти материалы, в противоположность проводниковым материалам, практически не проводят ток, и потому называются электроизоляционными. Электрическая изоляция предназначена для того, чтобы препятствовать прохождению тока путями, нежелательными для работы электротехнического устройства. Диэлектрики, кроме этого, используются в конденсаторах для обеспечения требуемой емкости.

В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, механической энергии в генераторах (рис. 4).

Рисунок 4. Источники электрической энергии.

В приемниках электрической энергии электрическая энергия преобразуется, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую (электрические печи), световую (лампы) (рис. 5).

Рисунок 5. Приемники электрической энергии.

Вокруг любого проводника с током есть магнитное поле (рис. 6). Если к прямолинейному проводнику с постоянным током поднести магнитную стрелку, то стрелка установится по направлению касательной к окружности вокруг оси проводника.

Рисунок 6. Магнитное поле вокруг оси проводника.

Ориентация магнитной стрелки в определенном направлении означает, что в магнитном поле действуют магнитные силы, определяемые вектором магнитной напряженности.

Явление возникновения электромагнитной движущей силы (ЭДС) в одном из контуров, при изменении силы тока в другом, называется взаимной индукцией. Явление взаимной индукции используется в широко распространенных устройствах - трансформаторах. На рисунке 7 показано устройство трансформатора.

Рисунок 7. Устройство трансформатора.

В современном мире каждый человек с детства сталкивается с электричеством. Первые упоминания об этом природном явлении относятся к временам философов Аристотеля и Фалеса, которые были заинтригованы удивительными и загадочными свойствами электрического тока.

Электричеством называется движение электронов в проводнике, а напряжение можно сравнить с давлением, например, текущей воды на трубу. Сила тока показывает количество электронов, что-то вроде объема воды, вытекающей из трубы.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников.

Основными характеристиками тока являются:

• сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А);

• мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт);

• частота, измеряемая в герцах (Гц).

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным током. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние (рис. 8).

Рисунок 8. Передача энергии через лампу накаливания.

Электрическая схема - это совокупность графических элементов, описывающая порядок их соединения и взаимодействия [6].

На практике применяется несколько видов электрических схем:

• простые;

• монтажные;

• однолинейные;

• многолинейные.

Первый тип простые схемы, самый распространенный. Основные компоненты и порядок их присоединения друг к другу указываются на простых схемах (рисунок 9). Кроме того, по ним проверяется правильность сборки.

На монтажных (МС) схемах показано расположение деталей на плате или внутри корпуса. Полилинейные схемы используют для изображения трехфазных цепей.

Рисунок 9. Принципиальная и монтажная схемы.

Для того чтобы научиться читать электрические схемы, на первых порах достаточно лишь четко понимать законы, Ома, электромагнитной индукции; способы соединения резисторов, конденсаторов; также следует знать назначение всех элементом. Также поначалу следует собирать те устройства, на которые имеются максимально подробные описания назначения отдельных компонентов и узлов.

Очень важно подчеркнуть, что если не придерживаться при чтении схемы определенной целенаправленности, то можно затратить много времени, ничего не решив. Вход в систему обычно обозначается двумя стрелочками, а выход - проводами с двумя точками на концах. Вам нужно знать, как показано сопротивление, конденсатор, трансформатор, разъединитель, точки входа и выхода из схемы, полупроводники, катушки индуктивности. Схемы не всегда читают слева направо и сверху вниз, лучше идти от источника питания [7].

К химическим источникам тока причисляют гальванические элементы и аккумуляторы. Есть и другие химические источники тока, но они менее распространены. В обиходе гальванический элемент получил название батарейка (рис. 10). Батарейки производят электричество путем химической реакции.

Вольт – стандартная единица измерения напряжения электричества. Ампер – стандартная единица измерения силы тока.

Рисунок 10. Гальванический элемент (батарейка).

Схема последовательного соединения (рис. 11) предполагает соединение – один за другим, как звенья в цепочке, плюса первой батарейки с минусом следующей. Две батарейки на 1,5 вольт и 2 ампера, соединенные таким образом, дадут 1,5+1,5=3 вольта и 2 ампера в цепи.

Рисунок 11. Схема последовательного соединения.

Схема параллельного соединения предполагает соединения - рядом друг с другом, как рельсы плюсов с плюсами, а минусы с минусами (рис. 12). Две батарейки на 1.5 вольт и 2 ампера, соединенные таким образом, дадут 1.5 вольт и 4 ампера в цепи.

Рисунок 12. Параллельное соединение.

Одиночный аккумуляторный элемент обозначается на схемах так же, как и отдельный гальванический элемент (батарейка). Номинальное напряжение, одного аккумуляторного элемента, обычно составляет около 1,25 вольт. Чтобы получить аккумулятор с большим напряжением аккумуляторные элементы соединяют вместе - получается аккумуляторная батарея или просто аккумулятор (рис 13). Обозначение аккумуляторной батареи на схемах такое же, как и батареи, составленной из нескольких гальванических элементов.

Рисунок 13. Аккумуляторные батареи.

Кристалл полупроводника, состоящего из двух частей: одна с примесью р -типа и другая с примесью n-типа (рис. 14). Электроны, переходящие из n-области в р -область, переносят отрицательный заряд, и n-область заряжается положительно, а р -область – отрицательно. Диффузия дырок в противоположном направлении также заряжает р -область отрицательно [4].

Рисунок 14. P-n-переход между обогащенными областями кристалла р- и n-типа.

Рассмотренные выше свойства р-n- перехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или транзистором. Транзистор - это полупроводниковый прибор, который предназначен для усиления, генерирования и коммутации электрических сигналов и имеющий обычно

три внешних вывода. Различают два вида транзистора: биполярный и полевой и транзисторы германиевые и кремниевые (рис. 15). На рисунке 16 показаны современные виды транзисторов.

В приложении находится информация о буквенно-цифровой маркировке резисторов.

Рисунок 15. Устройство и обозначение на радиосхемах транзисторов

проводимости р-n-р и n-p-n.

Рисунок 16. Внешний вид современных транзисторов.

Интегральная микросхема (ИМС) - это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч (рис. 17).

Рисунок 17. Микросхемы – типы корпусов.

Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т. е. приобретают особые магнитные свойства, называют магнитными. По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электроматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные (рис. 18).

Рисунок 18. Магнитные и немагнитные электроматериалы.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные, или смешанные, ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом (рис. 19).

Рисунок 19. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля.

Ферриты изготавливают по керамической технологии, т. е. исходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соотношении, измельчают в шаровых мельницах, затем из смеси тонкопомолотых порошков прессуют брикеты, которые подвергают первоначальному обжигу в печах.

Ферриты магнитомягкие широко используются при изготовлении сердечников для контурных катушек, фильтров в аппаратуре проводной и радиосвязи, сердечников телевизионных трансформаторов развертки, сердечников широкополосных и импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и модуляторов (рис.20).

Ферритовый сердечник Ферритовая чашка Ферритовое кольцо

Рисунок 20. Виды ферритовых сердечников.

1. Заключение

Данная методическая разработка была апробирована в робототехническом объединении учащимися 1 года обучения.

Реализация методической разработки позволила заинтересовать учеников к радиотехнике и узнать больше информации о радиоэлектронных компонентах. Знание рассмотренных в пособии основных типов радиоматериалов и радиокомпонентов имеет большое значение в практической деятельности радиотехников. Изучение физических процессов, определяющих диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные свойства радиоматериалов, а также взаимосвязи этих свойств с эксплуатационными характеристиками радиокомпонентов (электрических конденсаторов, резисторов, полупроводниковых диодов и др.). Изучение интегральных аналогов позволяет обучающему грамотно выбрать соответствующие материалы и радиокомпоненты для будущей конструкции, а также в соответствии с эксплуатационными нормами поддерживать ресурсопригодность этой конструкции длительное время [5].

1. Источники информации

1. Петров К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника

К. С. Петров. – СПб.: Питер, 2003. – 506 с.

1. Электролитические конденсаторы. URL: http://electrik.info/main/school/1008-elektroliticheskie-kondensatory.html.

2. Электролитические конденсаторы: особенности применения Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.compel.ru/lib/articles/elektroliticheskie-kondensatoryi-osobennosti-primeneniya.

3. Типы полупроводниковых диодов. Электронный ресурс. Режим доступа: http://selectelement.ru/electronic-element/semiconductor-diodes.php.

4. Что такое робототехника? Электронный ресурс. Режим доступа: https://mining-cryptocurrency.ru.

5. Электронные схемы для дома и быта. Электронный ресурс. Режим доступа: https://radio-blog.ru/master/theory/elektronnye-shemy-dlya-doma-i-byta-opisanie-printsipialnye-shemy-avtomatiki-i-ee-izgotovlenie-svoimi-rukami.

6. Как научиться читать электрические схемы. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=tUuqFE160ws&t=12s.

Приложение

Цветовая маркировка резисторов

Цветовая маркировка обозначается четырьмя или пятью цветными кольцами и начинается слева направо. Каждому цвету соответствует свое числовое значение. Кольца сдвинуты к одному из выво-дов резистора и первым считается кольцо, расположенное у самого края. Если размеры резистора не позволяют разместить маркировку ближе к одному из выводов, то ширина первого кольца делается примерно в два раза больше других.

Расположение цветовых колец на резисторе.

Отчет сопротивления резистора ведут слева направо. Резисторы с величиной допуска ±20% (о допуске будет сказано ниже) маркируются четырьмя кольцами: первые два обозначают численную величину сопротивления в омах, третье кольцо является множителем, а четвертое – обозначает допуск или класс точности резистора. Четвертое кольцо наносится с видимым разрывом от остальных и располагается у противоположного вывода резистора.

Резисторы с величиной допуска 0,1…10% маркируются пятью цветовыми кольцами: первые три – численная величина сопротивления в омах, четвертое – множитель и пятое кольцо – допуск. Для определения величины сопротивления пользуются специальной таблицей.

Таблица расшифровки цветовой маркировки резистора

Пример расшифровки маркировки резистора 4 кольцами

Иногда возникает трудность с определением первого кольца. Здесь надо запомнить одно правило: маркировка не начинается с черного, золотистого и серебристого цвета. Цветовую маркировку можно расшифровать с помощью компьютерной программы. В интернете есть программы онлайн-калькуляторы, предназначенные для подсчета сопротивления по цветным кольцам.

Буквенно-цифровая маркировка резисторов

При использовании буквенно-цифровой маркировки единицу измерения ом обозначают буквами «Е» и «R», единицу килоом – буквой «К», а единицу мегаом буквой «М».

Резисторы с сопротивлениями от 1 до 99 Ом маркируют буквами «Е» и «R». В отдельных случаях на корпусе может указываться только полная величина сопротивления без буквы. На зарубежных резисторах после числового значения ставят значок ома «Ω»: 3R – 3 Ом; 10Е – 10 Ом; 47R – 47 Ом; 47Ω – 47 Ом; 56 – 56 Ом.

Расшифровка буквенно-цифровой маркировки резистора

Цифровая маркировка SMD-компонентов

Цифровая маркировка наносится на корпуса SMD-компонентов и маркируется тремя или четырьмя цифрами.

Пример цифровой маркировки резистора

При трехзначной маркировке первые две цифры обозначают численную величину сопротивления в омах, третья цифра обозначает множитель. Множителем является число 10, возведенное в степень третьей цифры:

221 – 22Ч10 в степени 1 = 22 Ом Ч10 = 220 Ом;

472 – 47 Ч10 в степени 2 = 47 Ом Ч100 = 4 700 Ом = 4,7 кОм;

564 – 56 Ч10 в степени 4 = 56 Ом Ч10 000 = 560 000 Ом = 560 кОм;

125 – 12 Ч10 в степени 5 = 12 Ом Ч100 000 = 12 000 000 Ом =

= 1,2 МОм.

Если последняя цифра ноль, то множитель будет равен единице, так как десять в нулевой степени равно единице:

100 – 10 Ч10 в степени 0 = 10 Ом Ч1 = 10 Ом;

150 – 15 Ч10 в степени 0 = 15 Ом Ч1 = 15 Ом;

330 – 33 Ч10 в степени 0 = 33 Ом Ч1 = 33 Ом.

При четырехзначной маркировке первые три цифры также обозначают численную величину сопротивления в омах, третья цифра обозначает множитель. Множителем является число 10, возведенное в степень третьей цифры:

1 501 – 150 Ч10 в степени 1 = 150 Ом Ч10 = 1 500 Ом = 1,5 кОм;

1 602 – 160 Ч10 в степени 2 = 160 Ом Ч100 = 16 000 Ом = 16 кОм;

3 243 – 324 Ч10 в степени 3 = 324 Ом Ч1 000 = 324 000 Ом = 324 кОм.

34