Базовые понятия электронной техники

КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

Оглавление

Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве. 6

Базовые понятия электронной техники. Источник тока. Источник напряжения. Согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях. 10

Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса. 16

Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры.. 18

Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода. 18

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные. 25

Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения. 25

Система обозначения отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов, электронных микросхем) 34

Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации. 38

Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах. 45

Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера. 50

Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы.. 56

Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования. 58

Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения. 63

Обратные связи (ОС) в усилителях. Положительная (ПОС) и отрицательная (ООС) обратные связи. Коэффициент ОС и глубина ОС. Влияние ОС на параметры и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току, следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС.. 66

Интегральные микросхемы. Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы.. 74

Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры.. 77

Стабилизаторы напряжения и тока. Структурная схема стабилизированного источника питания. Параметрические и компенсационные, параллельные и последовательные, регулируемые и нерегулируемые, однополярные и разнополярные стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы на ОУ. Защита по току и напряжению. Ключевые повышающие, понижающие и инвертирующие (повышающе-понижающие) стабилизаторы. Функциональные схемы ключевых стабилизаторов и импульсных блоков питания малогабаритных устройств. Принципиальная схема стабилизаторов. 83

Усилители постоянного тока (УПТ). УПТ с непосредственной связью между каскадами и типа модуляция-демодуляция (МДМ). Способы модуляции. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) на БПТ и ПТ. Способы компенсации смещения и дрейфа. Сравнительный анализ и области применения. Работа ДУ в режиме синфазного и противофазного сигнала и при использовании динамической нагрузки. 88

Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидность и обозначение ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ. Назначение каскадов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала. 101

Примеры построения аналоговых схем на ОУ (инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение, точные выпрямители, нуль-органы, электронные реле, выпрямители и др.). Применение ОУ в робототехнике и системах управления. 105

Формирователи и генераторы импульсных сигналов на ОУ. Компараторы, триггеры Шмитта. Генераторы линейно-измеряющегося напряжения на ОУ.. 108

Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ. 112

Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Методы и средства построения. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ. Принцип действия и временные диаграммы работы. 114

Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор. 117

Модуляция. Виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая. Достоинства, недостатки. Импульсные виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), кодо-импульсная (КИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазо-импульсная (ФИМ). Области применения. Структурная схема импульсного блока питания. 117

Ключевые преобразователи напряжения. Прямоугольные и резонансные. Однотактные и двухтактные. С прямым и обратным включением диода. Мостовые, полумостовые, со средней точкой. С независимым и самовозбуждением. Транзисторные и тиристорные. Особенности использования и области применения. 117

Логические основы цифровых устройств и ЭВМ. Двоичные переменные и переключательные функции, основные логические функции, основные законы алгебры логики, формы представления и минимизация переключательных функций. 117

Элементарная база цифровых микросхем. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ на диодах, биполярных и полевых транзисторах. Базовые логические элементы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики. Логические элементы на однотипных и комплементарных МДП-транзисторах. Логические элементы с тремя выходными состояниями. Микросхемы с открытым коллектором. Совместное применение микросхем разных серий. 117

Интегральные триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры. RS-, JK-, D- и Т-триггеры. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы триггерных схем, их основные параметры. Применение триггерных схем для создания цифровых систем управления. 117

Счетчики импульсов. Двоичные счетчики и счетчики с произвольным коэффициентом счета. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы счетчиков, их основные параметры. Разновидности счетчиков, особенности использования счетчиков при создании цифровых систем управления. 117

Регистры. Параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. Структурные схемы, особенности работы и основные параметры регистров различных типов. Применение регистров в цифровых системах управления. 117

Двоичные сумматоры. Одноразрядные двоичные сумматоры. Параллельные многоразрядные сумматоры. Структурные схемы, особенности работы. Основные параметры. 117

Электроника — это область науки и техники, занимающаяся разработкой и проектированием приборов, использующих движение заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах (в основном в полупроводниках), и созданием устройств на их основе. Это наука, развивающаяся быстрыми темпами с начала ХХ века и оказывающая огромное влияние на развитие цивилизации.

Начало развития электроники (вакуумные лампы: диод 1903 г., триод 1905 г.) тесно связано с необходимостью развития связи и прежде всего радиосвязи. Можно отметить, что до 1939 г. развитие электронных ламп и схем связано с их использованием в основном для нужд радиовещания, которое было в то время самым важным потребителем электроники. В тот период возникло большинство электронных ламп, известных в настоящее время, и основные электронные схемы, используемые и теперь в разных модификациях.

Промышленная электроника, занимающаяся использованием электронных элементов и схем в промышленности, как область техники гораздо моложе. Первые попытки использования ламповых схем в промышленности, прежде всего в измерительных установках, относятся к тридцатым годам прошлого века. Однако они не дали хороших результатов вследствие недолговечности, большой массы и габаритов электронных ламп, хотя другие характеристики этих устройств были удовлетворительные. Результаты этих первых экспериментов были использованы в широком масштабе только во время второй мировой войны, когда возросшие производственные потребности необходимо было удовлетворять в условиях чувствительной нехватки рабочей силы. Автоматизация производства, внедрение которой начато было в тот период, не могла осуществляться без электронных устройств. Электронные схемы также оказались незаменимыми в некоторых измерительных и контрольных установках.

Развитие промышленной электроники значительно ускорилось в послевоенный период, особенно после начала широкого применения полупроводниковых приборов в пятидесятых годах (1947 г. — появление первого транзистора). С появлением полупроводниковых приборов стали возможными значительная миниатюризация устройств и уменьшение потребляемой ими мощности, увеличение времени безотказной работы и т. п. Только теперь можно было приступить к построению весьма сложных электронных устройств, например вычислительных машин небольших габаритов, низкой стоимости и высокой надежности, соответствующих промышленным требованиям.

В последние годы определились следующие основные области применения электронных схем в промышленности:

· устройства для измерения различных физических величин как электрических, так и неэлектрических;

· устройства для исследования материалов, например металлов, электрическими и магнитными методами без их разрушения;

· устройства для регулирования и автоматического управления различными процессами или промышленными установками, а также для управления различными объектами хозяйства;

· промышленные телевизионные установки, используемые для контроля и наблюдения за различными объектами или процессами;

· вспомогательные устройства, используемые в некоторых технологических процессах, например термопроцессах (нагрев токами высокой частоты) или обусловленных ультразвуковым облучением (коагуляция, обработка, очистка поверхности и т. д.).

При измерении электрических величин электронные схемы требуются в тех случаях, когда электрические эффекты настолько незначительны, что исследовать их классическими методами невозможно. Это происходит, например, при измерении малых токов и напряжений, малых изменений емкости и т. д., если чувствительность обычных вольтметров, амперметров или мостов недостаточна для проведения измерений. В этом случае необходимо усилить измеряемую величину до значения, фиксируемого обычными методами. Подобные проблемы часто возникают при измерении неэлектрических величин электрическими методами, когда возникающие в первичном измерительном преобразователе сигналы незначительны. В этом случае усиление производится при помощи электронных схем.

Большое значение имеют также электронные устройства для исследования свойств материалов разными методами. Многие из этих методов основаны на связи между механическими и электрическими или магнитными свойствами исследуемых материалов. Исследование материала можно свести к измерению его характеристик магнитным или электрическим методом, что очень удобно, поскольку такое измерение легко осуществить, его можно автоматизировать и т. д. При этом исследование не приводит к разрушению или повреждению изделия. Это очень важно, так как исследования, приводящие к разрушению испытуемого образца, например разрыву, могут проводиться только на немногих экземплярах изготовленной партии изделий. Следовательно, в этом случае результаты измерений носят случайный характер и не дают полной уверенности в качестве изделий, которые не подвергались испытанию. Неразрушающие методы испытаний более надежны, поскольку их можно применить ко всей изготовленной партии, т. е. проверить каждое изготовленное изделие.

Автоматическое управление и контроль технологических процессов являются теперь одними из наиболее характерных особенностей быстрого развития техники. В этой новой быстро развивающейся области техники электронные устройства являются очень важным, а часто и обязательным элементом, от свойств которого зависит качественная работа всей регулируемой системы. Последние достижения автоматики, связанные с использованием электронных вычислительных машин, были бы при современном уровне развития техники невозможны без электронных схем. Тесная связь автоматики и электроники обусловливает надлежащий прогресс обеих этих областей техники.

Электроника также тесно связана с некоторыми технологическими процессами, в которых электронные устройства обычно используются в качестве источников токов высокой частоты. Это — процессы высокочастотного нагрева, а также процессы, связанные с излучением ультразвука большой мощности. Электронная схема в таком устройстве служит для создания токов высокой частоты необходимой мощности, и следовательно, она только косвенно связана с данным технологическим процессом, тем не менее она является обязательной.

Телевизионные устройства могут передавать образ любого промышленного объекта на произвольное расстояние, например к диспетчеру или к обслуживающему персоналу. Промышленное телевидение играет важную роль, там, где из-за условий работы невозможны непосредственные наблюдения, например в отравленной атмосфере, на участках с большим уровнем радиации (атомные реакторы) и т. п.

Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и механики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновременно функции рабочих и информационных машин.

Возникновение робототехники обусловлено потребностями развивающегося общества. Удовлетворение все возрастающих потребностей населения возможно только на основе дальнейшего роста производительности труда. Важнейшим резервом этого роста в условиях дефицита трудовых ресурсов является комплексная механизация и автоматизация производства. Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупносерийном производстве на основе использования неперепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производительность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70 % современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. В этих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.

Дифференциация процесса производства на ряд многократно повторяющихся простых операций привела к монотонным, утомительным трудовым действиям, выполняемым людьми на конвейере. Труд, лишенный творческого содержания, монотонный, опасный для жизни, должен быть уделом роботов.

Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого термина? Существует большое число определений понятия "робот". Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропоморфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей средой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулировано следующее определение. Робот — это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения двигательных и умственных функций человека, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой. Это машина-автомат нового типа. Обычные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автоматы для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы — универсальные системы многоцелевого назначения; они способны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобучаться с одной операции на другую.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленными.

Следует отметить следующие их достоинства.

Повышение безопасности труда — это одно из первоочередных назначений роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышленности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, потенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработке хлопка, асбеста и т.п.

При использовании роботов происходит интенсификация рабочего процесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели производства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается качество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процессы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на человека.

Однако эффективность применения робота проявляется только при правильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.

Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудностями.

Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего, обслуживающего технологическое оборудование или совершающего технологическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физического труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.

Основными факторами экономической эффективности роботов, учитываемыми при ее расчете, являются как производственные, так и социальные. Эта особенность отличает роботы от других вариантов новой техники, в связи с чем разработана специальная межотраслевая методика оценки экономической эффективности при их создании и использовании.

Базовые понятия электронной техники.

Источник напряжения

- источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет неизменное напряжение, не зависящее от тока, потребляемого от этого источника.

r – внутреннее сопротивление генератора

R – сопротивление нагрузки

Е – ЭДС генератора

U = Е - I·r

Это достигается тогда, когда внутренне сопротивление источника близко к 0 или несоизмеримо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки (идеальные условия r = 0). R>>r

Обычно для источников питания электронных устройств для задания неизменных режимов работы принимают R = 10r.

Источник тока

- источник электрической энергии, который отдает во внешнюю цепь ток неизменного значения, независимо от сопротивления нагрузки. Это возможно, когда внешнее сопротивление нагрузки пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.

Используется в качестве коллекторной нагрузки: (kU=Rк/(Rэ+rэ0); Rк=ΔU/ΔI; и в цепи эмиттеров дифференциальных каскадов. Также используется в электрохимии.

Согласование источника с нагрузкой:

максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, если ее сопротивление равняется сопротивлению источника.

R = r =>Pн =Pmax

Применяются в передатчиках для получения максимальной мощности и в высокочастотных цепях для получения минимального отражения волны от нагрузки.

Пассивные элементы

(резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) представляют на схемах в виде резистивного сопротивления R, ёмкости C, индуктивности L.