Obwody elektroniczne są integralną częścią prawie wszystkich postępów technologicznych poczynionych w naszym dzisiejszym życiu. Od razu przychodzi na myśl telewizja, radio, telefony i komputery, ale elektronika jest również wykorzystywana w samochodach, sprzęcie kuchennym, sprzęcie medycznym i sterowaniu przemysłowym. Sercem tych urządzeń są aktywne elementy lub elementy obwodu, które elektronicznie kontrolują przepływ elektronów, takie jak półprzewodniki. Jednak urządzenia te nie mogłyby funkcjonować bez znacznie prostszych, pasywnych komponentów, które wyprzedzają półprzewodniki o wiele dziesięcioleci. W przeciwieństwie do komponentów aktywnych, elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, nie mogą kontrolować przepływu elektronów za pomocą sygnałów elektronicznych.
Odporność
Jak sama nazwa wskazuje, rezystor jest elementem elektronicznym, który jest odporny na przepływ prądu elektrycznego w obwodzie.
W metalach takich jak srebro lub miedź, które mają wysoką przewodność elektryczną, a zatem niską rezystywność, elektrony mogą swobodnie przeskakiwać z jednego atomu na drugi, z niewielkim oporem.
Według HyperPhysics, strony internetowej poświęconej zasobom fizyki, hostowanej przez Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Stanowego w Georgii, rezystancja elektryczna elementu obwodu jest zdefiniowana jako stosunek przyłożonego napięcia do przepływającego przez nią prądu elektrycznego. Standardową jednostką oporu jest om, którego nazwa pochodzi od niemieckiego fizyka Georga Simona Ohma. Jest to definiowane jako rezystancja w obwodzie o prądzie 1 ampera przy 1 woltach. Rezystancję można obliczyć za pomocą prawa Ohma, które stwierdza, że rezystancja jest równa napięciu podzielonemu przez prąd lub R = V / I (częściej zapisywanym jako V = IR), gdzie R to rezystancja, V to napięcie, a I to prąd.
Rezystory są ogólnie klasyfikowane jako stałe lub zmienne. Rezystory o stałej wartości są prostymi komponentami pasywnymi, które zawsze mają tę samą rezystancję w wyznaczonych granicach prądu i napięcia. Są one dostępne w szerokim zakresie wartości rezystancji, od mniej niż 1 om do kilku milionów omów.
Rezystory zmienne to proste urządzenia elektromechaniczne, takie jak regulatory głośności i ściemniacze, które zmieniają efektywną długość lub efektywną temperaturę rezystora po obróceniu pokrętła lub przesunięciu suwaka.
Indukcyjność
Cewka indukcyjna to element elektroniczny składający się z cewki z przepływającym przez nią prądem elektrycznym, wytwarzając pole magnetyczne. Jednostką indukcyjności jest Henry (H), nazwany na cześć Josepha Henry'ego, amerykańskiego fizyka, który odkrył indukcyjność niezależnie w tym samym czasie, co angielski fizyk Michael Faraday. Jedna henry to ilość indukcyjności, która jest wymagana do indukcji 1 wolta siły elektromotorycznej (ciśnienia elektrycznego ze źródła energii), gdy prąd zmienia się przy 1 amperie na sekundę.
Jednym z ważnych zastosowań cewek indukcyjnych w obwodach aktywnych jest to, że mają tendencję do blokowania sygnałów o wysokiej częstotliwości, pozwalając jednocześnie na przechodzenie oscylacji o niższej częstotliwości. Zauważ, że jest to przeciwna funkcja kondensatorów. Połączenie dwóch elementów w obwodzie może selektywnie filtrować lub generować oscylacje o niemal dowolnej żądanej częstotliwości.
Wraz z pojawieniem się układów scalonych, takich jak mikroczipy, cewki indukcyjne stają się coraz mniej popularne, ponieważ cewki 3D są niezwykle trudne do wytworzenia w obwodach drukowanych 2D. Z tego powodu mikroukłady są projektowane bez cewek i zamiast tego używają kondensatorów, aby osiągnąć zasadniczo takie same wyniki, jak twierdzi Michael Dubson, profesor fizyki z University of Colorado Boulder.
Pojemność
Pojemności to zdolność urządzenia do przechowywania ładunku elektrycznego, i jako taki element elektroniczny, który przechowuje ładunek elektryczny, nazywany jest kondensatorem. Najwcześniejszym przykładem kondensatora jest słoik Leyden. To urządzenie zostało wynalezione do przechowywania statycznego ładunku elektrycznego na przewodzącej folii, która wyłożona była wewnątrz i na zewnątrz szklanego słoika.
Najprostszy kondensator składa się z dwóch płaskich płyt przewodzących oddzielonych małą szczeliną. Różnica potencjałów lub napięcie między płytkami jest proporcjonalne do różnicy wielkości ładunku na płytkach. Jest to wyrażone jako Q = CV, gdzie Q to ładunek, V to napięcie, a C to pojemność.
Pojemność kondensatora to ilość ładunku, jaki może on przechowywać na jednostkę napięcia. Jednostką do pomiaru pojemności jest farad (F), nazwany na cześć Faradaya, i jest zdefiniowany jako pojemność do przechowywania 1 kulomb ładunku o przyłożonym potencjale 1 wolta. Jeden kulomb (C) to ilość ładunku przenoszonego przez prąd 1 ampera w ciągu 1 sekundy.
Aby zmaksymalizować wydajność, płytki kondensatora są układane w stosy lub nawinięte w cewki z bardzo małą szczeliną powietrzną między nimi. Materiały dielektryczne - materiały izolacyjne, które częściowo blokują pole elektryczne między płytami - są często stosowane w szczelinie powietrznej. Dzięki temu płyty mogą przechowywać więcej ładunków bez wyładowań łukowych i zwarć.
Kondensatory często znajdują się w aktywnych obwodach elektronicznych, które wykorzystują oscylujące sygnały elektryczne, takie jak w radiach i sprzęcie audio. Mogą ładować i rozładowywać niemal natychmiast, co pozwala im być wykorzystywanym do wytwarzania lub filtrowania określonych częstotliwości w obwodach. Sygnał oscylacyjny może ładować jedną płytkę kondensatora, podczas gdy druga płytka rozładowuje się, a następnie, gdy prąd zostanie odwrócony, ładuje drugą płytkę, podczas gdy pierwsza płytka rozładowuje się.
Zasadniczo wyższe częstotliwości mogą przechodzić przez kondensator, podczas gdy niższe częstotliwości są blokowane. Rozmiar kondensatora określa częstotliwość odcięcia, dla której sygnały są blokowane lub mogą przejść. Kondensatory w połączeniu mogą być używane do filtrowania wybranych częstotliwości w określonym zakresie.
Superkondensatory są wytwarzane przy użyciu nanotechnologii w celu tworzenia super cienkich warstw materiałów, takich jak grafen, w celu uzyskania pojemności od 10 do 100 razy większych niż konwencjonalne kondensatory tej samej wielkości; ale mają znacznie wolniejsze czasy odpowiedzi niż konwencjonalne kondensatory dielektryczne, więc nie można ich stosować w obwodach aktywnych. Z drugiej strony mogą być czasami używane jako źródło zasilania w niektórych aplikacjach, takich jak układy pamięci komputera, aby zapobiec utracie danych po odcięciu głównego zasilania.
Kondensatory są również kluczowymi komponentami urządzeń mierzących czas, takich jak te opracowane przez SiTime, firmę z siedzibą w Kalifornii. Urządzenia te są wykorzystywane w wielu różnych aplikacjach, od telefonów komórkowych po pociągi dużych prędkości i handel na giełdzie. Małe urządzenie synchronizujące, znane jako MEMS (układy mikroelektromechaniczne), działa prawidłowo na kondensatorach. „Jeśli rezonator nie ma odpowiedniego kondensatora i pojemności obciążenia, obwód rozrządu nie uruchomi się niezawodnie, aw niektórych przypadkach przestanie całkowicie oscylować” - powiedział Piyush Sevalia, wiceprezes ds. Marketingu w SiTime.
Ten artykuł został zaktualizowany 16 stycznia 2019 r. Przez autorkę Live Science, Rachel Ross.
