Что из представленного не является конденсатором

Что из представленного не является конденсатором?

офигеть..прошёл второй тест. даже странно!совет ко всем сдающим..не думайте правильно..думайте как в теории. иначе не сдадите.

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО КОНДЕНСАТОРА ГРЕБЕНЧАТОГО ТИПА ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Блум Кирилл Евгеньевич, Остертак Дмитрий Иванович

Совокупность достижений в микроэлектронике, микросистемной технике и радиотехнике в настоящее время позволяет создавать беспроводные сенсорные сети (БСС), состоящие из множества датчиков и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Для работы узлов БСС необходимы надежные автономные источники питания, традиционные же батареи и аккумуляторы требуют периодической замены или подзарядки, что не всегда осуществимо из-за труднодоступности узлов БСС и их большого числа. Источники питания, позволяющие извлекать энергию из окружающей среды непосредственно на месте функционирования узлов БСС, являются наиболее привлекательной альтернативой батареям и аккумуляторам. Вследствие распространенности и доступности источников механических колебаний, а также совместимости процессов интегральной технологии и технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) наиболее подходящим является использование емкостных (электростатических) микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) (генераторов) механической энергии в электрическую. Принцип их действия основан на изменении заряда или напряжения на обкладках переменного конденсатора при модуляции его емкости с помощью механических колебаний. В работе исследуются зависимости отношения максимальной и минимальной емкостей гребенчатого переменного конденсатора от геометрических параметров электродов. С помощью пакета ANSYS проводится моделирование конструкции исследуемого переменного конденсатора с изменением площади перекрытия электродов с различной шириной пальцев и толщиной электродов. Анализ показывает, что полученные зависимости емкости от смещения состоят из системы максимумов и минимумов, положение которых меняется при изменении ширины пальцев и толщины электродов. Установлено, что максимум отношения между максимальной и минимальной емкостью, определенный при малой толщине электродов, с ее ростом смещается в сторону меньших ширин пальцев. Показано, что без существенного изменения размеров переменного конденсатора можно добиться увеличения выходной мощности МЭМП энергии более чем в 2 раза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

COMB VARIABLE CAPACITOR OPTIMIZATION FOR THE MICROELECTROMECHANICAL POWER CONVERTER

The modern achievements in microelectronics, microsystem technology and radio engineering have led to possibility of wireless sensor networks (WSNs) deployment consisting of low-power wireless intelligent sensors and actuators. Power sources which can extract energy from environment directly on WSN nodes operation place are the most attractive alternative to conventional batteries and accumulators. Due to the ubiquity and availability of mechanical vibration sources, as well as because of compatibility between integrated circuits technology and microelectromechanical systems (MEMS) technology the most suitable solution is to use capacitive (electrostatic) microelectromechanical mechanical-to-electrical energy converters (MEMC) (energy generators). Operation principle of capacitive MEMC providing mechanical-to-electrical energy conversion is based on charge or voltage variation at variable capacitor plates during its capacitance modulation with the help of mechanical vibrations. The aim of this work is to study the dependence of the ratio between maximal and minimal capacitances of the considered variable capacitor versus electrodes parameters. Combdrive variable capacitor construction with electrode overlap area change at different finger width and electrode thickness is modeled using ANSYS. The analysis shows that the obtained dependences of capacitance versus movable electrode displacement consist of complex of maximums and minimums, where their positions depend on finger width and electrode thickness. It was established, that the maximal value of the ratio between maximal and minimal capacitances defined for lesser electrode thickness is shifted to smaller values of width w when electrode thickness t is increased. The results obtained enable to enhance the efficiency of vibration energy generator by increasing its output power more than twice without substantial modification of the variable capacitor dimension.

Текст научной работы на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО КОНДЕНСАТОРА ГРЕБЕНЧАТОГО ТИПА ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ»

_ДОКЛАДЫ АН ВШ РФ_

2015_март-июнь_№ 1 (26)

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

ГРЕБЕНЧАТОГО ТИПА ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

К.Е. Блум1,2, Д.И. Остертак2

1ООО «СибИС» 2Новосибирский государственный технический университет

Совокупность достижений в микроэлектронике, микросистемной технике и радиотехнике в настоящее время позволяет создавать беспроводные сенсорные сети (БСС), состоящие из множества датчиков и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Для работы узлов БСС необходимы надежные автономные источники питания, традиционные же батареи и аккумуляторы требуют периодической замены или подзарядки, что не всегда осуществимо из-за труднодоступности узлов БСС и их большого числа. Источники питания, позволяющие извлекать энергию из окружающей среды непосредственно на месте функционирования узлов БСС, являются наиболее привлекательной альтернативой батареям и аккумуляторам. Вследствие распространенности и доступности источников механических колебаний, а также совместимости процессов интегральной технологии и технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) наиболее подходящим является использование емкостных (электростатических) микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) (генераторов) механической энергии в электрическую. Принцип их действия основан на изменении заряда или напряжения на обкладках переменного конденсатора при модуляции его емкости с помощью механических колебаний. В работе исследуются зависимости отношения максимальной и минимальной емкостей гребенчатого переменного конденсатора от геометрических параметров электродов. С помощью пакета ЛЫБУБ проводится моделирование конструкции исследуемого переменного конденсатора с изменением площади перекрытия электродов с различной шириной пальцев и толщиной электродов. Анализ показывает, что полученные зависимости емкости от смещения состоят из системы максимумов и минимумов, положение которых меняется при изменении ширины пальцев и толщины электродов. Установлено, что максимум отношения между максимальной и минимальной емкостью, определенный при малой толщине электродов, с ее ростом смещается в сторону меньших ширин пальцев. Показано, что без существенного изменения размеров переменного конденсатора можно добиться увеличения выходной мощности МЭМП энергии более чем в 2 раза.

Ключевые слова: электрическая емкость, генератор энергии, гребенчатый переменный конденсатор, микроэлектромеханический преобразователь, краевые эффекты.

Современные достижения в области микроэлектроники, микросистемной техники и радиотехники привели к возможности создания беспроводных сенсорных сетей (БСС), состоящих из беспроводных интеллектуальных сенсоров с очень низким энергопотреблением [1-2]. Потребность в таких БСС имеется в медицине,

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания, код проекта 629, тема проекта: «Теория построения и практическая реализация широкополосных микроволновых устройств, предназначенных для использования в измерительном оборудовании цифровых систем телевидения, связи и телекоммуникаций, включая вычислительные системы».

промышленности, системах охраны и безопасности, мониторинга окружающей среды и других сферах человеческой деятельности.

Для работы БСС необходимы надежные автономные источники питания. На данный момент основными источниками питания для элементов БСС являются батареи и аккумуляторы, требующие периодической замены или подзаряда, что не всегда осуществимо из-за труднодоступности элементов БСС и их большого числа. Кроме того при функционировании БСС ее элементы находятся в состоянии ожидания (т.е. очень низкого потребления энергии), до 99 % всего времени эксплуатации. При этом возможна ситуация, когда саморазряд батареи превышает среднее потребление энергии элементом БСС. Например, для Li-Ion батарей саморазряд может составлять порядка 2-3 % в месяц, для свинцово-кислотных аккумуляторов — 4-6 %, для Ni-Cd — 15-20 %, а для Ni-MH — даже до 30 %.

Источники питания, позволяющие извлекать энергию из окружающей среды непосредственно на месте функционирования элементов БСС, являются наиболее подходящей альтернативой традиционным батареям и аккумуляторам [3-5]. К тому же тенденция уменьшения энергопотребления современными интегральными схемами ведет к росту интереса к таким источникам питания.

Для преобразования в электрическую энергию можно использовать: солнечную энергию; энергию, выделяемую при химических процессах; электромагнитные, электростатические и гравитационные поля, градиенты температуры, потоки жидкости и газа, энергию механических колебаний, а также энергию, порождаемую в процессе жизнедеятельности [4-5].

Вследствие распространенности и доступности источников механических колебаний, наиболее подходящим является использование микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) (или генераторов) механической энергии в электрическую энергию [5-7]. Существует три основных направления разработки МЭМП энергии — на основе пьезоэлектрических, электромагнитных и электростатических преобразователей [6-7]. Наиболее подходящими представляются электростатические (емкостные) МЭМП (генераторы) энергии, поскольку в основе технологии их изготовления лежит хорошо совместимая с интегральными процессами технология микроэлектромеханических систем (МЭМС).

1. Постановка задачи

Принцип работы емкостных МЭМП энергии, обеспечивающих преобразование энергии механических колебаний в электрическую энергию, основан на изменении заряда или напряжения на обкладках переменного конденсатора (рис. 1) при модуляции его емкости с помощью механических колебаний. За счет работы, совершаемой внешней механической силой, при изменении емкости переменного конденсатора, часть внешней механической энергии преобразуется в электрическую энергию.

На рис. 2 представлена типичная схема МЭМП (генератора) энергии, где V0 -первичный источник напряжения, C — переменный конденсатор, Cs — накопительный конденсатор, R — сопротивление нагрузки, Swi и Sw2 — управляющие ключи. Принцип работы данной схемы подробно рассмотрен в работе [8].

Энергию, получаемую за один цикл работы данной схемы, можно оценить с помощью выражения

где Стах и Сш;п — максимальная и минимальная емкости переменного конденсатора С. Из выражения (1) видно, что количество вырабатываемой энергии за цикл преобразования зависит от отношения максимальной и минимальной емкостей переменного конденсатора Стах /Ст;п .

| | — подвижн. эл-д / movable electrode

fixed electrode | | — места крепления / fixing points

изменение площади ‘ перекрытия электродов / change of electrode overlapping area

изменение межэлектродного зазора / change of interelectrode gap

Рис. 1 — Упрощенная схема механического узла МЭМП Fig. 1 — Simplified scheme of MEMC mechanical unit

Рис. 2 — Типичная электрическая схема МЭМП энергии [8] Fig. 2 — Typical electrical circuit of MEMC [8]

Таким образом, желательно иметь максимальную глубину модуляции емкости Cmax/Cmin . Изменения емкости конденсатора МЭМП можно добиться путем изменения межэлектродного зазора или площади перекрытия электродов (рис. 1). Оба варианта, однако, имеют свои недостатки: конструкции с изменением межэлектродного зазора подвержены эффекту схлопывания (pull-in effect) электродов [8, 9], тогда как в конструкциях с изменением площади перекрытия электродов модуляция емкости Cmax/Cmin из-за влияния краевых эффектов может быть недостаточной для эффективной работы генератора [10-12].

В данной работе используется гребенчатая конструкция переменного конденсатора с изменением площади перекрытия электродов, в которой подвижный и неподвижный электроды расположены в различных плоскостях, при этом движение подвижного электрода происходит в горизонтальном направлении (рис. 3). Такая конструкция не будет подвержена эффекту схлопывания, поскольку движение в вертикальном направлении отсутствует, кроме того, так как площадь перекрытия между электродами будет изменяться существеннее, чем в конструкции

с изменением площади перекрытия электродов, изображенной на рис. 1, то и модуляция емкости Сшах/Сш;п будет заметно выше.

Рис. 3 — Модель исследуемого гребенчатого переменного конденсатора:

1 — подвижный гребенчатый электрод, 2 — неподвижный гребенчатый электрод, 3 — основание подвижного электрода, 4 — основание неподвижного электрода; (а) — вид сверху, (б) —

Fig. 3 — Model of comb-drive variable capacitor under consideration:

1 — movable comb-drive electrode; 2 — stationary comb-drive electrode; 3 — movable electrode base; 4 — stationary electrode base; (a) — top view, (b) — side view

Целью работы является исследование зависимости отношения максимальной и минимальной емкостей Cmax /Cmin исследуемого гребенчатого переменного конденсатора от геометрических параметров электродов.

Модуляция емкости в рассматриваемом гребенчатом конденсаторе (рис. 3) происходит за счет изменения площади перекрытия алюминиевых электродов при смещении х подвижного электрода (1), относительно неподвижного электрода (2). Подвижный и неподвижный электроды закреплены на диэлектрических основаниях (3) и (4), соответственно. Конструкция состоит из двух гребенчатых электродов, расположенных в параллельных плоскостях и состоящих каждый из 13 пальцев, соединенных друг с другом.

Расчет зависимостей емкости от смещения подвижного электрода относительно неподвижного проводился с помощью метода конечных элементов в среде А№У8. Вычисление проводилось при различных значениях ширины пальцев w и толщины электродов t, длина пальцев I = 46 мм и межэлектродный зазор g = 0,1 мм оставались неизменными. Изменение емкости происходило при смещении х подвижного электрода вправо и влево относительно начального положения электродов, расположенных друг над другом. Смещение х варьировалось от -6,2 до 6,2 мм. Ширина пальцев w менялась от 0,2 мм до 2 мм, а величина бокового межэлектродного зазора ё соответственно варьировалась от 1,8 до 0 мм

согласно выражению ё = 2 — w , где все величины берутся в [мм]. Для анализа были взяты пять значений толщины электродов t = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0 мм.

3. Обсуждение результатов

Зависимости емкости С переменного конденсатора от относительного смещения х подвижного электрода при различной ширине пальцев w для толщин подвижного и неподвижного электродов гребенчатого переменного конденсатора t = 0,2; 0,6 и 1,0 мм представлены на рис. 4, а, б, в соответственно.

Из рис. 4, а, б и 4, в видно, что все зависимости С(х) симметричны относительно оси ординат, что объясняется симметричностью конструкции. На всех представленных зависимостях С(х) емкость достигает своего наибольшего значения, когда х = 0 мм, при этом все пальцы верхнего и нижнего электродов расположены строго друг над другом, и площадь перекрытия электродов максимальна (рис. 5, а, г). Такие максимумы емкости имеются при х = ±4 мм, однако значения емкостей в этих точках меньше, чем при х = 0 мм, поскольку суммарная площадь перекрытия электродов в этом случае меньше.

В общем случае положения основных максимумов соответствуют смещению х = 2п^ + ё), где п е Ъ , очевидно, что значения емкости в этих максимумах будут уменьшаться с ростом п, это обусловлено уменьшением рабочей площади перекрытия электродов переменного конденсатора. При очень больших смещениях, когда перекрытия между пальцами электродов не будет вообще, максимумов появляться больше не должно, поэтому п е [-12,12], так как каждый электрод состоит из 13 пальцев.

Из зависимостей рис. 4, а, б, в видно, что при уменьшении ширины пальцев w уменьшаются значения минимальных емкостей Сш;п . Это возникает, поскольку боковой межэлектродный зазор ё увеличивается при уменьшении w , что снижает влияние соседних пальцев на противоположную обкладку конденсатора (рис. 5, в, е). Это позволяет значительно уменьшить величину минимальной емкости Сш;п. При этом, однако, уменьшается эффективная площадь переменного конденсатора, а вслед за ней и максимальная емкость Стах (рис. 5, а, г). Но варьируя ширину пальцев w , можно достичь наибольшего отношения Стах/Ст;п .

Из рис. 4, а, б, в также видно, что с ростом толщины электродов t при неизменной ширине пальцев w минимальные емкости Ст;п переменного конденсатора уменьшаются, а максимальные Стах — увеличивается. Уменьшение Ст;п связано с уменьшением взаимодействия наиболее удаленных участков пальцев электродов, примыкающих к диэлектрическим основаниям (3) и (4). Рост Стах связан с увеличением боковой площади пальцев электродов, что наиболее существенным образом проявляет себя, когда х = 2п^ + ё), где п е [-12,12], п е Ъ . Таким образом, как и в случае с шириной w , изменяя толщину электродов t можно добиться наибольшего отношения Стах/Ст;п .

При смещении подвижного электрода из положений х = 2п(w + ё) емкость С падает из-за того, что площадь перекрытия между пальцами подвижного и неподвижного электродов уменьшается (рис. 5, б, д). Однако емкость уменьшается до определенного момента, после чего начинает расти, при этом возникает некий максимум. Анализ показывает, что положения этих дополнительных максимумов для конструкций с различной шириной пальцев w соответствуют смещениям

х = 2п(м> + ё) ± w, где п е [-12,12] и п е Ъ (рис. 5, в, д), как и для основных максимумов, с ростом п значения емкости в дополнительных максимумах уменьшаются. Также на рис. 4 можно заметить характерные изломы зависимостей емкости С от смещения х подвижного электрода, возникающие примерно при смещениях х = 2п( ^ + ё) ± w| 2.

Рис. 4 — Зависимости емкости от относительного смещения x при различной ширине пальцев w и толщине электродов t = 0,2; 0,6 и 1,0 мм,

(а), (б) и (в) соответственно Fig. 4 — The capacitance dependences versus relative electrode displacement x for different finger width w and electrode thickness t = 0,2; 0,6 и 1,0 mm, (a), (b), and (c) respectively

Рис. 5 — Схематические изображения распределения электрического поля в исследуемом гребенчатом переменном конденсаторе при различных смещениях x

(а), (г) — 0 мм, (б), (д) — 1,0 мм и (в), (е) — 2,0 мм, и различных ширинах пальцев w:

(а)-(в) — 2,0 мм, (г)-(е) — 1,2 мм

Fig. 5 — Schematic drawing of electric field distribution in comb-drive variable capacitor under consideration for different movable electrode displacement x:

1,0 mm, and (c), f) — 2,0 mm, and different finger width w: (a)-(c) -2,0 mm, (d)-(f — 1,2 mm

Из рис. 4 а, б, 4, в видно, что значения емкости в дополнительных максимумах, как и в основных максимумах, увеличиваются с ростом w и t. Наличие дополнительных максимумов обусловлено влиянием краевых эффектов и внесением добавочной емкости конденсаторами, образуемыми боковыми стенками пальцев. Из рис. 5, а, г видно, что при х = 0 мм основную емкость вносят рабочие поверхности пальцев, параллельные основаниям (основные поверхности), в то время как боковые поверхности добавляют незначительную часть емкости. При смещении х = 1,0 мм (рис. 5, б, д) начинает сказываться большее влияние краевых эффектов из-за уменьшения площади перекрытия между пальцами соседних электродов. При максимальном смещении х = 2,0 мм (рис. 5, в, е) площадь перекрытия между гребенчатыми электродами отсутствует, поэтому всю емкость вносят конденсаторы, образованные между основными и боковыми поверхностями пальцев соседних электродов. При ширине пальцев w = 2,0 мм (рис. 5, в) расстояние между обкладками образованных конденсаторов мало, емкость достаточно велика и воз-

никает экстремум. При ширине пальцев V = 1,2 мм (рис. 5, е) расстояние между обкладками конденсаторов достаточно велико, влияние краевых эффектов мало, в связи с этим емкость будет минимальна при х = 2,0 мм.

Анализ зависимостей рис. 4 показывает, что при х = (2п ± 1)(V + ё) емкость будет минимальна для всех конструкций с V < 2,0 мм, для конструкции же с

V = 2,0 мм при таких смещениях х будут наблюдаться дополнительные максимумы. Стоит отметить, что дополнительные пики при х = (2п ± 1)V для

V = 2,0 мм при уменьшении ширины пальцев V расщепляются на пики при х = 2п(м> + ё) ± V, где п е [-12,12] и п е Ъ , причем высота этих пиков заметно меньше по сравнению с «нерасщепленным» пиком.

На рис. 6 представлена зависимость отношения максимальной емкости к минимальной от толщины электродов t и ширины пальцев V гребенчатого переменного конденсатора. Из рисунка видно, что существует максимум зависимости отношения Сшах/Стп при ширине пальцев V = 1,2 мм при t = 0,2 мм, который смещается в сторону меньших ширин V при увеличении толщины электродов t. Анализ влияния параметров конструкции гребенчатого переменного конденсатора на электрическую емкость, показал, что наибольшее отношение Сшах/= 4,92 имеет конструкция со следующими параметрами: t = 1,0 мм, I = 46 мм, g = 0,1 мм,

V = 0,8 мм. Стоит заметить, что наиболее типичная конструкция такого гребенчатого переменного конденсатора с параметрами t = 0,2 мм, I = 46 мм, g = 0,1 мм,

V = 2,0 мм имеет отношение Сшах/Сшщ лишь 2,19. Таким образом, незначительно изменяя конструкцию переменного конденсатора, можно добиться увеличения выходной мощности МЭМП энергии более чем в 2 раза.

Рис. 6 — Зависимость отношения максимальной емкости гребенчатого переменного конденсатора к минимальной

от толщины электродов t и ширины пальцев w Fig. 6 — The dependence of the ratio between maximal and minimal capacitances of the comb-drive variable capacitor versus electrode thickness t and finger width w

В результате исследования были получены и проанализированы зависимости электрической емкости C переменного конденсатора с гребенчатой конструкцией с изменением площади перекрытия электродов от смещения подвижного электрода х при различных значениях ширины пальцев w и толщины электродов t.

Анализ показывает, что полученные зависимости имеют основные максимумы при смещении х = 2n(w + d), где n е [-12,12], n е Z , дополнительные максимумы — при х = 2n(w + d) ± w, изломы — при х = 2n(w + d) ± w/2 и минимумы емкости для w < 2,0 мм - при х = (2n ± 1)(w + d).

Также было найдено, что дополнительные максимумы при х = (2n ± 1)w для w = 2,0 мм расщепляются на два максимума х = 2n(w + d) ± w при уменьшении ширины пальцев w , причем высота этих пиков заметно меньше по сравнению с «нерасщепленным» пиком.

Установлено, что при толщине электродов t = 0,2 мм при изменении ширины пальцев w возникает максимум отношения Cmax /Cmin при w = 1,2 мм, который смещается в сторону меньших ширин электродов при увеличении толщины t до 1,0 мм и находится в точке w = 0,8 мм. Максимальное отношение Cmax / Cmin = 4,92 из всех проанализированных конструкций имеет конденсатор с параметрами t = 1,0 мм, l = 46 мм, g = 0,1 мм, w = 0,8 мм.

Полученные результаты позволяют более точно рассчитать оптимальную конструкцию гребенчатого переменного конденсатора, представленного в данной работе и используемого в МЭМП энергии.

1. Современные тенденции развития микросистемной техники / В.Д. Вернер, П.П. Мальцев, А.А. Резнев, А.Н. Сауров, Ю.А. Чаплыгин // Нано- и микросистемная техника. -2008. — № 8. — С. 2-6.

2. Energy scavenging for long-term deployable wireless sensor networks / C.O. Mathuna, T. O’Donnell, R.V. Martinez-Catala, J. Rohan, B. O’Flynn // Talanta. — 2008. — Vol. 75. -P. 613-623. — doi: 10.1016/j.talanta.2007.12.021.

3. Micropower energy harvesting / R.J.M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. van Hoof, R. Mertens // Solid-State Electronics. — 2009. — Vol. 53, iss. 7. — P. 684-693. -doi: 10.1016/j.sse.2008.12.011.

4. Paradiso J.A., Starner T. Energy scavenging for mobile and wireless electronics // IEEE Pervasive Computing. — 2005. — Vol. 4, iss. 1. — P. 18-27. — doi: 10.1109/MPRV.2005.9.

5. Power sources for wireless sensor networks / S. Roundy, D. Steingart, L. Frechette, P. Wright, J. Rabaey // Lecture Notes in Computer Science. — 2004. — Vol. 2920. — P. 1-17. -doi: 10.1007/978-3-540-24606-0_1.

6. Beeby S.P., Tudor M.J., White N.M. Energy harvesting vibration sources for microsystems applications // Measurement Science and Technology. — 2006. — Vol. 17, iss. 12. — P. 175195. — doi: 10.1088/0957-0233/17/12/R01.

7. Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices / P.D. Mitcheson, E.M. Yeatman, G.K. Rao, A.S. Holmes, T.C. Green // Proceedings of the IEEE. — 2008. — Vol. 96, iss. 9. — P. 1457-1486. — doi: 10.1109/JPR0C.2008.927494.

8. Драгунов В.П., Остертак Д.И Микроэлектромеханические преобразователи // Микроэлектроника. — 2012. — Т. 41, № 2. — С. 120-135.

9. Драгунов В.П., Остертак Д.И Предельные характеристики микроэлектромеханических преобразователей энергии // Научный вестник НГТУ. — 2009. — № 1 (34). — С. 129-141.

10. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Анализ эффективности использования 2D-модуляции емкости в МЭМП с последовательной схемой включения компонентов // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. — 2010. — № 2 (15). -С. 45-53.

11. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатические взаимодействия в МЭМС со встречно-штыревой структурой // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. — 2009. — № 1 (12). — С. 99-106.

12. Драгунов В.П., Колчужин В.А., Остертак Д.И. Влияние краевых эффектов на электрическую емкость в МЭМС // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. — 2009. — № 2 (13). — С. 97-105.

COMB VARIABLE CAPACITOR OPTIMIZATION FOR THE MICROELECTROMECHANICAL POWER CONVERTER

Blum K.E.1,2, Ostertak D.I.2

lLLC «SibIS», Novosibirsk, Russian Federation 2Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

The modern achievements in microelectronics, microsystem technology and radio engineering have led to possibility of wireless sensor networks (WSNs) deployment consisting of low-power wireless intelligent sensors and actuators. Power sources which can extract energy from environment directly on WSN nodes operation place are the most attractive alternative to conventional batteries and accumulators. Due to the ubiquity and availability of mechanical vibration sources, as well as because of compatibility between integrated circuits technology and microelectrome-chanical systems (MEMS) technology the most suitable solution is to use capacitive (electrostatic) microelectromechanical mechanical-to-electrical energy converters (MEMC) (energy generators). Operation principle of capacitive MEMC providing mechanical-to-electrical energy conversion is based on charge or voltage variation at variable capacitor plates during its capacitance modulation with the help of mechanical vibrations. The aim of this work is to study the dependence of the ratio between maximal and minimal capacitances of the considered variable capacitor versus electrodes parameters. Comb-drive variable capacitor construction with electrode overlap area change at different finger width and electrode thickness is modeled using ANSYS. The analysis shows that the obtained dependences of capacitance versus movable electrode displacement consist of complex of maximums and minimums, where their positions depend on finger width and electrode thickness. It was established, that the maximal value of the ratio between maximal and minimal capacitances defined for lesser electrode thickness is shifted to smaller values of width w when electrode thickness t is increased. The results obtained enable to enhance the efficiency of vibration energy generator by increasing its output power more than twice without substantial modification of the variable capacitor dimension.

Keywords: capacitance, energy generator, comb-drive variable capacitor, microelectrome-chanical converter, fringing field effect. DOI: 10.17212/1727-2769-2015-1-20-30

1. Verner V.D., Mal’tsev P.P., Reznev A. A., Saurov A.N., Chaplygin Yu.A. Sovremennye ten-dencii razvitija mikrosistemnoj tehniki [Modern tendencies in development of micro system technique]. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika — Journal of NANO and MICROSYSTEM TECHNIQUE, 2008, no. 8, pp. 2-6.

2. Mathuna C. O., O’Donnell T., Martinez-Catala R.V., Rohan J., O’Flynn B. Energy scavenging for long-term deployable wireless sensor networks. Talanta, 2008, vol. 75, iss. 23, pp. 613623. doi: 10.1016/j.talanta.2007.12.021

3. Vullers R.J.M., Schaijk R. van, Doms I., Hoof C. van, Mertens R. Micropower energy harvesting. Solid-State Electronics, 2009, vol. 53, pp. 684-693. doi: 10.1016/j.sse.2008.12.011

4. Paradiso J.A., Starner T. Energy scavenging for mobile and wireless electronics. IEEE Pervasive Computing, 2005, vol. 4, iss. 1, pp. 18-27. doi: 10.1109/MPRV.2005.9

5. Roundy S., Steingart D., Frechette L., Wright P., Rabaey J. Power sources for wireless sensor networks. Lecture Notes in Computer Science, 2004, vol. 2920, pp. 1-17. doi: 10.1007/978-3-540-24606-0_1

6. Beeby S.P., Tudor M.J., White N.M. Energy harvesting vibration sources for microsystems applications. Measurement Science and Technology, 2006, vol. 17, iss. 12, pp. R175-R195. doi: 10.1088/0957-0233/17/12/R01

7. Mitcheson P.D., Yeatman E.M., Rao G.K., Holmes A.S., Green T.C. Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices. Proceedings of the IEEE, 2008, vol. 96, iss. 9, pp. 1457-1486. doi: 10.1109/JPROC.2008.927494

8. Dragunov V.P., Ostertak D.I. Mikroelektromekhanicheskie preobrazovateli [Microelectro-mechanical converters]. Mikroelektronika — Russian Microelectronics, 2012, vol. 41, iss. 2, pp. 107-121.

9. Dragunov V.P., Ostertak D.I. Predel’nye kharakteristiki mikroelektromekhanicheskikh preobrazovatelei energii [Limit parameters of microelectromechanical energy converters]. Nauchnyi vestnik NGTU — Science bulletin of Novosibirsk state technical university, 2009, vol. 34, no. 1, pp. 129-141.

10. Dragunov V.P., Ostertak D.I. Analiz effektivnosti ispol’zovaniya 2D-modulyatsii emkosti v MEMP s posledovatel’noi skhemoi vklyucheniya komponentov [An efficiency analysis of -using of 2D capacitance modulation in microelectromechanical converter with a series circuit]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii — Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2010, vol. 15, no. 2, pp. 45-53.

11. Dragunov V.P., Ostertak D.I. Elektrostaticheskie vzaimodeistviya v MEMS so vstrechno-shtyrevoi strukturoi [Coulomb interactions in interdigitated MEMS]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii — Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2009, vol. 12, no. 1, pp. 99-106.

12. Dragunov V.P., Kolchuzhin V.A., Ostertak D.I. Vliyanie kraevykh effektov na elektri-cheskuyu emkost’ v MEMS [Fringing field effect on electric capacitance in MEMS]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii — Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2009, vol. 13, no. 2, pp. 97-105.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Блум Кирилл Евгеньевич — родился в 1989 году, аспирант кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета, инженер-конструктор ООО «СибИС». Область научных интересов — нано- и микросистемная техника. Опубликовано 7 научных работ. (Адрес: 630049, Россия, Новосибирск, Красный проспект, 220, корп. 2. Email: bloom.kirill@gmail.com).

Blum Kirill Evgenievich (b. 1989) — postgraduate student of Semiconductor Devices and Microelectronics Department at the Novosibirsk State Technical University, design engineer of limited liability company «SibIS». His research interests are currently focused on nano- and microsystem engineering. He is author of 7 scientific papers. (Address: 220, build 2, Krasnyj prospect, Novosibirsk, 630049, Russian Federation. Email: bloom.kirill@gmail.com).

Остертак Дмитрий Иванович — родился в 1983 году, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: нано- и микросистемная техника. Опубликовано 37 научных работ. (Адрес: 630073, Россия, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, корп. 4. Email: ostertak@ngs.ru).

Ostertak Dmitriy Ivanovich (b. 1983) — candidate of engineering science, associate professor, associate professor of Department of Semiconductor Devices and Microelectronics at the Novosibirsk State Technical University. His research interests are currently focused on nano- and microsystem engineering. He is author of 37 scientific papers. (Address: 20, Karl Marx Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation. Email: ostertak@ngs.ru).

Статья поступила 11 декабря 2014 г.

Received December 11, 2014

Blum K.E., Ostertak D.I. Optimizatsiya peremennogo kondensatora grebenchatogo tipa dlya mikroelektromekhanicheskogo preobrazovatelya energii [Comb variable capacitor optimization for the microelectromechanical power converter]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii — Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2015, no. 1 (26), pp. 20-30. doi: 10.17212/1727-2769-2015-1-20-30

Радиолюбительский форум

Форум Темы Сообщения Последнее сообщение

Новости и объявления
Новости, объявления, встречи и радиовыезды 2 213

28 фев 2024, 14:10
alex83

Для новичков на форуме
Для новых участников 2 2

5 май 2015, 02:16
alex83

Антенны
Антенны, их реализации и настройка 36 304

5 июл 2023, 07:56
PauLita

Трансиверы
Самодельные и промышленные 9 93

22 июн 2022, 15:45
R0UAQ

Радиостанции
СВ, VHF, UHF, LPD/PMR и др. 3 6

25 авг 2021, 22:44
ua1ndm

Усилители мощности ВЧ
Усилители мощности, ламповые и транзисторные, самодельные и промышленные 4 62

18 май 2022, 23:12
ua1ndm

Радиоприёмники
Промышленные и самодельные, отечественные и зарубежные 8 73

6 мар 2023, 04:15
Пётр

Ремонт
Ремонт радиоаппаратуры и другой бытовой техники 4 57

12 фев 2024, 01:23
alex83

Лаборатория
Исследования и тюнинг радиоаппаратуры, бытовой техники и измерительных приборов 11 59

23 фев 2024, 21:36
alex83

Разработки
Здесь можно сообщить о своем начинании или обсудить готовую конструкцию 4 35

31 мар 2021, 22:26
alex83

Микроконтроллеры
Программирование микроконтроллеров 9 12

21 ноя 2020, 23:42
alex83

Компьютеры и ПО
Компьютерные вопросы, использование компьютера радиолюбителями, радиолюбительское ПО и пр. 9 81

1 фев 2023, 23:07
ua1ndm

Источники питания
Преобразователи, аккумуляторы, солнечные батареи, бензогенераторы и пр. 7 21

11 янв 2024, 08:38
use56

Аудиоаппаратура
Усилители, колонки, магнитофоны и пр. 4 93

26 янв 2023, 22:20
alex83

Ламповая аппаратура
Ламповая аудио и радиоаппаратура, самодельная и промышленная 4 20

30 июн 2021, 21:26
alex83

Военная радиоаппаратура
Аппаратура связи и другая военная радиоаппаратура 2 0

17 ноя 2018, 22:46
Валентин

Старое радио
Вопросы и отчеты по реставрации старых радиоприёмников, восстановление корпусов, шкал, шасси и пр. 8 60

27 мар 2023, 22:36
alex83

Радио и интернет
Интернет вещание, радиолюбительские интернет-технологии и полезные сайты 5 53

20 фев 2024, 00:20
alex83

ТВ и видео
Телевизоры, ТВ-приставки, видеозапись, приём эфирного телевидения 5 201

4 июн 2023, 10:53
rn1neb

Начинающим радиолюбителям
Для начинающих радиолюбителей 80 103

4 мар 2024, 12:16
koka61

Радиотрёп
Разговоры на разные околорадиолюбительские темы 21 2519

2 мар 2024, 15:15
EuSe

О компонентах. Конденсаторы и резисторы

Любой усилитель мощности состоит из компонентов, объединенных тем или иным способом. Количество компонентов может исчисляться десятками, а то и сотнями единиц и от каждого компонента что то зависит — это как кирпички одного здания, от которых зависит и высота, и красота, и прочноcть всей конструкции. Об этих «кирпичиках» и пойдет речь в этой статье. «Имеет ли смысл гнаться за нулями после запятой в Кг?» В разумных пределах конечно имеет, поскольку звуковой тракт должен повторять задумку композитора и исполнителей максимально точно, не внося своих собственных «дополнений», не говоря уже о потрескиваниях и пошипываниях. Хотя многое зависит от использования аудитракта. Если строится система для шумового сопровождения, типа балабонящего радиоприемника и не особо вникать в качество прослушиваемых фонограмм, то Кг и в 1% мешать не будет, поскольку подобные тракты эксплуатируются при выходных мощностях не более 3-5 Вт, а обычно гораздо меньше. Если же планируется целевое прослушивание, хотя бы время от времени, то к вносимым в тракт искажениям стоит подойти более серьезно и постараться обеспечить хотя бы один нолик после запятой на мощностях 2/3, в идеале 3/4 от максимальной. Дальнейшая гонка за нулями после запятой уже чревата серьезными экономическими вложениями и более тщательному подходу к схемотехнике усилителя, а так же однозначно предъявляет повышенные требования к используемым АС, поскольку каким хорошим не был тракт все может загубить именно АС. КОНДЕНСАТОРЫ Про устройство конденсатора, пожалуй, расказывать смысла не имеет — на эту тему достаточно много написанно, поэтому сразу перейдем к параметрам, но для начала вспомним обозначение: К основным параметрам конденсатора является емкость , т.е. способность конденсатора накапливать электрический заряд. Далее идет плотность энергии , в основном применяется к электролитическим конденсаторам. Этот параметр важен при использовании конденсатора как накопителя энергии и последующей ее мгновенной отдачей, например накопительные конденсаторы фотовспышки. Номинальное напряжение — параметр описывающий при каком напряжении конденсатор може эксплуатироваться непрерывно, круглосуточно. Превышение этого параметра ведет пробою диэлектрика и выходу конденсатора из строя. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя. Кроме этого у электролитических конденсаторов существует полярность , поскольку конструктивно выполнены на основе химических элементов, при смене полярности которые разрушаются и приводят к закипанию электролита, пары которого приводятк взрыву конденсатора. Эквивалентная схема конденсатора приведена ниже и на ней видно, что у конденсатора есть еще «дополнительные» элементы: R1 — электрическое сопротивление изоляции конденсатора, отвечающий за ток утечки — чем выше сопротивление R1, тем меньше ток утечки.
R2 — эквивалентное последовательное сопротивление ( ЭПС (англ. ESR ), внутреннее сопротивление) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствие поверхностного эффекта.
L1 — эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора.
С1 — собственно сама емоксть конденсатора. Так же у конденсаторов есть еще параметры, за которыми следует приглядывать, поскольку «забывчивость» на этот счет может привести к весьма не приятным эффектам. Особое внимание следует уделять при проектировании частото заивимых цепей температурному коэффициенту ёмкости (ТКЕ) . ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (кельвин). При использовании конденсаторов с высоким ТКЕ в эквалайзерах частотный диапаозн регулировко будет изменяться в зависимости от окружающей температуры, а так же от внутреней температуры. Например эквалайзер устноавлен сверху усилителя мощности. Зимой, впрохладной квартире в момент включения частотный диапазон будет смещен в область НЧ, но по мере прогрева диапазон будет перемещаться в область ВЧ. На слух такое измение возможно и будет не замечено, однако при использовании эквалайзера для редактирования музыкальных фонограмм возможны недоразумения. Диэлектрическая абсорбция — появление напряжения на обкладках конденсатора после быстрого разряда и снятия нагрузки. Эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т.п. Многие керамические материалы обладают пьезоэффектом — способностью генерировать разность потенциалов при механических деформациях. Диэлектрики некоторых керамических конденсаторов также могут обладать таким свойством. Обычно это проявляется в возникновении помех в электрических цепях вследствие шума или вибрации, поэтому этот эффект довольно часто называют «микрофонным». Конденсаторы технологически отличаются друг от друга использумемыми при их производстве материалами все параметры в разных конденсаторах будут проявляться по разному, а поскольку целью статьи является ознакомление с элементной базой, то наиболее интересными будут свойства конденсаторов, которые применяются в звукотехнике. НЕПОЛЯРНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ Неполярные конденсаторы в усилителях мощности используются веьсма интенсивно, причем используются не только для накопления энергии.
Основных сфер использования конденсаторов в усилителях несколько:
— фильтрация напряжения питания, где как раз и используется свойство конденсатора накапливать и отдавать энергию;
— отсекание постоянного напряжения в трактах усиления, в которых используется перезарядка конденсатора переменным напряжением;
— частотозависимые параметры, позволяющие изменять коф усиления каскада в зависимости от частоты проходящего сигнала. О последнем использования стоит поговорить более подробно. Дело в том, что кроме перечисленных выше параметров у конденсатора есть еще один — реактивное сопротивление. Этот параметр основан на скорости заряда-разряда конденсатора, которая определяет через какой промежуток времени конденсатор будет полностью заряжен или полностью заряжен. При подаче переменного напряжение скорость перезаряда будет определять на сколько процентов успел зарядится-разрядится конденсатор, а это зависит от емкости конденсатора и от подаваемой частоты. Для наглядности обратимся к схеме: Здесь V1 является генератором прямоугольных импульсов с длительностью 1 мС (1000 Гц) и амплитудой 10 В. На левом выводе конденсатора С1 присутствуют эти самые импульсы: По мере заряда конденсатора C1 напряжение на резисторе R1 уменьшается, поскольку через конденсатор перестает протекать ток: Кроме этого, в момент окончания импульса (на 0,5 мС) конденсатор начинает разряжаться, поскольку напряжение на генераторе равно нулю, а R1 не имеет источника ЭДС. Это означает, что ток меняет свое направление на противоположное, т.е. на верхнем выводе R1 появляется отрицательное напряжение и оно присутствует до тех пор пока конденсатор не разрядится. Но разрядится полностью он не успевает — снова появляется импульс на генераторе (1 мС), ток через С1 снова меняет свое направление и на R1 появляется положительное напряжение. Однако его величина уже меньше, чем в момент поялвения первого импульса — сказывается остаточный заряд в конденсаторе. По мере заряда конденсатора напряжение на R1 начинает уменьшаться, но до нуля не успевает дойти — импульс снова исчезает ( 1,5 мС) и конденсатор начинает разряжаться, т.е. процесс начинает повторяться с спотепенным выравниванием положительного и отрицательного напряжений на R1 и буквально через 3-4 такта генератора напряжение на R1 будет полноценным переменным, т.е. положительное напряжение будет достигать 7,5 В и отрицательное напряжение будет достигать 7,5 В: Кроме того, что на R1 теперь приходит переменное напряжение его стало меньше — форма напряжение отличается от изначальной прямоугольной довольно сильно, следовательно С1имеет какое то сопротивление, но конденсатор по определению не может иметь сопротивления, поскольку между обкладками конденсатора находится изолятор. Именно поэтому этот эквивалент конденсатора называют реактивным сопротивлением.
Для уточнения правоты утверждения, что конденсатор выступает вроли сопротивление увеличим его емоксть в 10 раз, т.е. используем конденсатора на 470 нФ: Из рисунка видно, что напряжение на R1 приобрело более прямоугольную форму, т.е. очевидно, что действующее напряжение, приложенное к R1 возросло, слдеовательно реактивное сопротивление С1 уменьшилось. Тепреь изменим генерируемую генератором частоту, чтобы убедится, чтореактивное сопротивление зависит и от емкости конденсатора и от частоты. После уменьшения частоты в 10 раз прилагаемое к R1 напряжение приобретает вид: Рисунок один в один повторяет тот, который был при емкости в 47 нФ и частоте 1 кГц, только теперь частота 100 Гц, а емкость 470 нФ. Это подтверждает, что реактивное сопротивление конденсатора зависит и от частоты и от емкости самого конденсатора.
Само сопротивление расчитывается по формуле:
где F — частота в Герцах, С — емкость в Фаррадах. Используя эту формулу можно достаточно просто определить на какой частоте что будет происходить в частотозависимых цепях, а так же определить необходимый номинал разделительных конденсаторов, но это вопросы схемотехники, здесь же знакомство с самими компонентами, поэтому вернемся к конеднсаторам. Поскольку у конденсатора кроме полезных параметров есть еще и вредные не трудно сделать вывод, что проходя через конденсатор переменное напряжение будет искажаться. Величины искажений каждого типа конденсаторов различны, отсюда и пошло определение «звуковые конденсаторы», вносящие миимальные искажения в сигнал и остальные, пригодные для шунтирования питания. Для проверки конденсаторов использовалась следующая схема: Со звуковой карты подавалось синусоидальное напряжение максимальной амплитуды (2В эфф.), резистор подбирался так, чтобы напряжение на конденсаторе было в пределах 2. 2,5 В амплитудного (т.е. примерно 1,5 вольта действующего) значения. Кроме напряжения на конденсаторе, измерялось и выходное напряжение звуковой карты, чтобы контролировать ее искажения. Из измерений видно, что искажения самой карты намного меньше, и не влияют на точность (искажения карты вычитались из результатов, вычитание было абсолютно правильным: корень квадратный из разности квадратов амплитуд соответствующей гармоники). В результате тестов было выяснено, что минимальные искажения вносят конденсаторы МБМ, а максимальные многослойная керамика КМ-5, остальные «кандидаты» расположились следующим образом:

Место

Тип

«Обычный» Кг

Нормированный К’г

«Зеленый нонейм»

Импортный «К73»

Другими словами, если удасться собрать идеальный усилитель с Кг равным нулю, то используя в качестве разделительного конденсатора C1 конденсаторы МБМ на выходе получим Кг равным 0,0014%, а используя К10-17А — 0,8%: Примерно так же обстоят дела у электролитических конденсаторов — все «болячки» конденсаторов у них присутствуют, только для электролитов наиболее интересным является ERS, покольку электролитические конденсаторы больше применяются в цепях питания, т.е. используется их свойство накапливать и отдавать энергию. Обычно ESR указывается для определенной частоты/ емкости/рабочего напряжения, а также типоразмера корпуса конденсатора. Как правило, конденсаторы в высоких и узких корпусах имеют лучшие характеристики, чем низкие и широкие. Это связано с особенностями конструкции — в высоком и узком корпусе алюминиевая лента свернута в меньшее количество витков и имеет бОльшую ширину, а это- меньшая индуктивность и паразитное сопротивление конденсатора. Естественно, это замечание справедливо при сравнении конденсаторов одной серии одного производителя, низкокачественные поделки нонейм производителей форма корпуса не спасет. Ниже приведена таблица рейтинга электролитических конденсаторов, составленная на основании ислодований как поклоников аналоговой техники, так и цифровой, причем в рейтингах отсутствуют СУПЕРБРЕНДЫ, хотя их производители присутствуют. Позиция в левой колонке составлена звуковиками, которые отталкивались от надежности, а левую половину таблицы заполнили компьютерщики на основе раскопанных на конденсаторы даташитов:

ПРИМЕЧАНИЯ

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ

НЕ РЕКОМЕНДУЕМЫЕ

Разумеется, что при использовании конденсаторов с низким ERS к раположению проводников на печатной плате предъявляются более жесткие требования — не правильная разводка платы может, если и не перечеркнуть полностью, то существенно снизить эффективность этих кондесаторов: Кроме упомянутых конденсатров существуют дополнительные серии «For Audio» — «СПЕЦИАЛЬНО ДЛЯ АУДИО» и имеющие сверхмалое ERS, повышенную плотность энергии и конечно же не копеечную стоимость. Использовать такие кондесаторы стоит в сверхвысококачественных усилителях, а если речь идет уже о таком качестве звукового тракта, то уже имеется и соответствующий опыт, следовательно расписывать все прелести «For Audio» не имеет смысла. При использовании электролитических конденсаторов в качестве разделительных рекомендуется последовательно-параллельное включение, которое позволяет избавится от проблем полярности электролитов и компенсирует возрастающий у них с частотой ERS: Сумарную емоксть получившегося конденсатора можно вычилить в два этапа:
сначала вычисляется емкость двух последовательно соединенных конденсаторов
, а затем к получившемуся результату прибавляется емскость С2, поскольку при параллельном соединении емкости конденсаторов суммируются. Напоследок осталось добавить, что механическая прочность выводов конденсатора гораздо меньше, чем это кажется, поэтому при монтаже на плату высоких конденсаторов лучше их дополнительно закрепить к плате при помощи клея или герметика, а расположенные близко друг к другу можно и «законтрить» между собой. Это особенно актуально при сборки автомобильной техники: РЕЗИСТОРЫ ПОСТОЯННЫЕ Прежде всего небольшая напоминалка об обозначениях резисторов: Как и любой другой элемент у резисторов есть такой параметр как собственный шум, который складывается из теплового и токового шума. Токовый шум обусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При протекании тока возникают местные перегревы, в результате которых изменяются контакты между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно, флюктуирует (изменяется) величина сопротивления, что ведет к появлению между выводами резистора ЭДС токовых шумов. Токовый шум, также как и тепловой, имеет непрерывный спектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот, и величина значительно превышает величину теплового шума. Все эти эффекты зависят от плотности тока. Чем она больше, тем больше проявление этих неприятностей. Поэтому соединив 2 резистора параллельно (увеличив площадь сечения и уменьшив плотность тока) все эти эффекты уменьшаются. Тоже самое можно сделать взяв резистор большей габаритной мощности. У него сечение проводящего слоя больше и плотность тока в нем будет меньше. Соединив 2 резистора последовательно шумы суммируются, поэтому крайне не желательно использовать последовательное соединение резисторов в каскадах имеющих большой коф усиления. Суммарное сопротивление двух резисторов соединенных параллельно вычисляется по формуле:

Этот шум зависит от многих факторов, в том числе и от конструкции конкретного резистора, включая резистивный материал и в особенности концевые соединения. Вот типичные значения избыточного шума различных типов резисторов, выраженные в микровольтах на вольт приложенного к резистору напряжения (приводится среднеквадратичное значение, измеренное на одной декаде частоты): Углеродно-композитные От 0,10 мкВ до 3,0 мкВ
Углеродно-пленочные От 0,05 мкВ до 0,3 мкВ
Металлопленочные От 0,02 мкВ до 0,2 мкВ
Проволочные От 0,01 мкВ до 0,2 мкВ Этот шум имеет спектр примерно 1 (постоянная мощность на декаду частоты) и иногда называется розовым шумом . Шум, возникающий по другим причинам, также часто имеет спектр 1 ; примерами таких шумов являются шум тока базы у транзисторов и шум катодного тока в электронных лампах. Любопытно, что величина 1 встречается в природе в самых неожиданных проявлениях, например, скорости океанических течений, поток песка в песочных часах, движение поездов в Японии, а также годовой сток Нила за последние 2000 лет. Если построить график громкости звучания какого-нибудь произведения классической музыки, то опять-таки получится спектр 1 ! Общий принцип, объясняющий происхождение шумов со спектром 1 , не найден, хотя он, казалось бы, носится в воздухе, но в каждом отдельном случае часто можно определить источник такого шума. В отношении шумов проволочные резисторы гораздо правильнее чем всяческие пленочные и композитные, но они имеют довольно большую паразитную индуктивность.
На тепловой шум сильное влияние оказывает температура и собственное сопротивление и хотя тепловой шум значительно меньше токового, про него тоже не стоит забывать. Бороться с шумами резисторов стоит, теоритически, во всех трактах усиления, однако чем больше амплитуда сигнала, тем меньше влияние шума резисторов, следовательно особое внимание шумам резисторов можно уделять лишь в первых каскадах усиления, когда сигнал имеет амплитуду до 100 мВ и эти каскады желательно продумывать более тщательно, оградить от лишних источников тепла и обеспечить охлаждение, например организовав вентиляционные отверстия. У резисторов есть так же дополнительный параметр, показывающий изменение сопротивления в зависимости от температуры — температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризующий относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С. У непроволочных резисторов, применяемых в БРЭА, ТКС не превышает ±0,04—0,2 %, а у проволочных — ±0,003—0,2 %. Как правило в усилителях мощности, в последнем каскаде усилителя напряжения, в эмиттерах транзисторов используются резисторы на 0,5 Вт. Обычно именно последний каскад усилителя напряжения производит максимальное усиления сигнала. В случае, если усилитель симметричный, то необходимо подборка не только транзисторов этого каскада по коф усиления, но и выборка одинаковых резисторов в их эмиттерные цепи, именно выборка резисторов с одинаковым номиналом. Эта мера не позволит свести на нет подбор транзисторов, поскольку от номинала эмиттерного резистора в схеме с общим эмиттером зависит итоговый коф усиления каскада. Кроме слабо мощных резисторов в усилителях используются резисторы на 2 или на 5 Вт, устанавливаемые в эмиттерах оконечного каскада. Тип этих резисторов довольно часто смущает начинающих — в продаже изобилуют керамические низкоомные резисторы, но по форумам довольно часто упоминается, что они портят звук, поскольку внутри содержат спираль из высокоомного сплава, а это является индуктивностью. Рекомендуемые для использования для этих целей резисторы довольно часто являются дифицитными, и порой реализаторы на них выставляют не обоснованную цену : Однако не совсем ясно на каком основании были сделаны выводы о том,что С5-5 или С5-16 не содержат индуктивности и наиболее ярким примером является механическое вскрытие: Наиболее приемлемым вариантом считается использование для этих целей резисторов МЛТ-2, однако шансы от избавления от индуктивности не сто процентны — на верхнем резисторе четко просматривается спираль из резистивного слоя: Поэтому при покупке МЛТ-2 следует обратить внимание на их внешний вид, и если окажется, что резистивный слой в виде спирали это совсем не повод впадать в панику — да, будет иметь место индуктивность, но ее величина слишком мала — у представленного на фото резистора на 100 Ом индуктивность составила 70 мкГн, а для резисторов сопротивлением 1, 0,68, 0,47, 0,33 и 0,22 Ома оно будет в десятки раз меньше. РЕЗИСТОРЫ ПЕРЕМЕННЫЕ Кроме постоянных резисторов в усилителях используются переменные — для регулировки громкости, баланса, при необходимости тембра. От качества этих резисторов зависят в основном дополнительные шумы, вносимые изменяющимся сопротивление контакта между резистивным слоем и движком. Конструктивно переменных резисторов на сегодня выпускается довольно много, кроме того еще попадаются резисторы старых образцов:

Кроме прочих параметров у переменных резисторов есть еще один — группа . Этот параметр показывает по какому закону изменяется сопротивление на движке резистора в зависимости от его положения, например для резисторов роторного типа это будет угол поворота. У отечественных резисторов различают 3 основные и две вспомогательные группы: Группа А — линейная зависимость изменения сопротивления от положения движка, группа Б — логарифмическая зависимость, В — обратнологарифмическая. Самые популярные — «А» и «В». «А» используется для линейных регулировок, например в терморегуляторах, регуляторах оборотов двигателей. «В» — оптимальнейший вариант для регулировки громкости, поскольку человеческое ухо увеличение громкости воспринимает по логарифмическому закону. Вспомогательные группы И и Е обычно используются в паре на сдвоенных резисторах — один резистор группы «И», второй «Е», что делает такой резистор идеальным для регулировки баланса в стерео усилителях.
У импортных переменных резисторов 4 группы: Тут сразу следует обратить внимание на то, что у импортных группа А имеет обратнологарифмическую зависимость, т.е. для регулировки громкости требуется как раз резисторы группы «А», а группа B имеет линейную зависимость. Группа W используется для регулировки баланса — обычно движок резистора соединяется с общим проводом, а резистивный слой выступает в роли аттенюатора, совместно с постоянными токоограничивающими резисторами. На некоторых подвидах переменных резисторов, предназначенных для регулировки громкости делаются отводы от середины резистивного слоя, гораздо реже делаются отводы с соотношением 1/ и 2/3. Данные резисторы удобны для реализации тонкомпенсированных регуляторов громкости. Тонкомпенсация позволяет выравнять иллюзию изменения АЧХ тракта при малых и больших громкостях — на малой грокости кажется, что НЧ и ВЧ составляющие сигнала уменьшаются, поэтому и вводится подъем НЧ и ВЧ в самом регуляторе. Один из вариантов схемы тонкомпенсированного регулятора громкости и изменения его АЧХ приведены ниже:

Основных видов переменных резисторов две — роторные и движковые. И те, и другие имеют в своем составе множество подвидов, поэтому для краткости в таблице приведены только популярные:

Переменный резистор серии R12, бывают сдовоенные, бывают с выключателем. Ближайший сосед по конструктиву выполнен на текстолитовой основе. Широко используются в переносной аудиоаппаратуре. Бывают для вертикального и горизонтального монтажа. Надежность оставляет желать лучшего.

Что из представленного не является конденсатором