Электронные приборы и устройства

 

Электроника – область науки и техники, изучающая и применяющая устройства, работа которых основана на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле. Большое быстродействие и высокая надежность электронных устройств обусловили их широкое применение в вычислительной технике, радиотехнике, средствах связи, навигации, в промышленности и т. д. С помощью электронных устройств происходит преобразование электрической энергии источника питания в энергию полезного сигнала (усилители, генераторы сигналов и др.), преобразование переменного тока в постоянный (выпрямители) и постоянного в переменный (инверторы), преобразование видов энергии, регулировка напряжения, частоты и т. д.

В электронных устройствах преобразование электрической энергии и сигналов осуществляется с помощью электронных приборов (электронных активных элементов). Кроме электронных приборов в них используются источники питания и пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.

В настоящее время используются в основном полупроводниковые электронные приборы. В них перенос электрических зарядов происходит в твердом теле (полупроводнике). К ним относятся диоды, транзисторы, тиристоры и др.

Полупроводниковый диод (рис. 1) представляет собой двухслойную структуру, которая образуется в одном кристалле. Один слой имеет электропроводность n-типа, а другой р-типа. В целом эта структура называется р-n-переходом или электронно-дырочным переходом. Основным свойством электронно-дырочного перехода является его односторонняя электропроводимость.

 

 

 

Рис.1. Полупроводниковый диод: а) полупроводниковая структура диода;

б) условное графическое обозначение; в) вольт - амперная характеристика

 

При прямом смешении р-n перехода его электрическая проводимость возрастает и через переход проходит ток, сильно зависящий от приложенного напряжения. При обратном смещении р-n-перехода электрическая проводимость перехода уменьшается и электрический ток через него практически не проходит.

Полупроводниковый диод с обратно смещенным р-n-переходом, у которого при сравнительно малых изменениях обратного напряжения в области, близкой к напряжению пробоя, резко увеличивается обратный ток, называют стабилитроном (рис. 2). Он используется при создании стабилизаторов напряжения.

 

 

 

Рис.2.Полупроводниковый стабилитрон: а) условное графическое обозначение; б) вольт - амперная характеристика

 

Варикапом называют полупроводниковый диод с обратно смещенным p-n-переходом, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости для электронной настройки частотно-избирательных цепей (рис. 3).

 

 

Рис.3. Полупроводниковый варикап: а) условное графическое обозначение;

б) вольт - фарадная характеристика

 

Полупроводниковые триоды (транзисторы) подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами (рис. 4). Он имеет трехслойную структуру n-р-n- или р-n-р-типа. Средняя область между двумя р-n-переходами называется базой. Толщина ее делается достаточно малой. Соседние области называются эмиттером и коллектором. Соответственно р-n-переход эмиттер-база называется эмиттерным, а переход база-коллектор – коллекторным.

 

 

Рис.4. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение биполярных транзисторов: а) n-p-n-типа; б) p-n-p-типа

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется под действием поперечного электрического поля, создаваемого прилегающим к проводящему объему полупроводника управляющим электродом (затвором). Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом (рис. 5) и изолированным затвором (рис. 6).

 

 

 

Рис.5. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а) с каналом n-типа; б) с каналом р-типа

 

 

 

Рис.6. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с изолированным затвором: а) с встроенным каналом; б) с индуцированным каналом

 

В отличие от биполярных транзисторов, в которых управление переносом зарядов осуществляется изменением тока базы, в полевом транзисторе управление током производится изменением управляющего напряжения, регулирующего ширину канала, по которому проходит ток. Область канала, от которой начинается движение носителей, называется истоком, а область, к которой движутся основные носители, – стоком. Управляющая область в приборе, которая охватывает канал, называется затвором. Изменяя напряжение между затвором и истоком, меняют сечение канала.

Многослойные структуры с тремя p-n-переходами называют тиристорами. Их основным свойством является способность находиться в двух состояниях устойчивого равновесия: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью). По этой причине они выполняют функцию бесконтактного электронного ключа, обладающего односторонней проводимостью. Тиристоры с двумя выводами (двухэлектродные) называются диодными тиристорами (динисторами), а с тремя (трехэлектродные) – или триодными тиристорами (тринисторами), или симметричными тиристорами (симисторами), если они способны проводить ток в обоих направлениях(рис. 7).

 

 

 

Рис.7. Тиристоры: полупроводниковая структура: а) диодного тиристора (динистора); г) тринистора; ж) симметричного тиристора (симистора); условное графическое обозначение: б) диодного тиристора; д) тринистора; з) симистора; вольт- амперные характеристики: в) диодного тиристора; е) тринистора; и) симистора

 

К полупроводниковым фотоэлементам относятся: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор, светодиод (рис. 8).

 

 

 

Рис.8.Условное графическое обозначение полупроводниковых фотоэлементов: а) фоторезистора; б) фотодиода; в) фототранзистора; г) фототиристора; д) светодиода

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности. При увеличении освещенности сопротивление фоторезистора уменьшается.

Принцип действия фотодиода основан на возрастании обратного тока р-n перехода при его освещении. Фотодиод применяется без дополнительного источника питания, поскольку сам является генератором тока, причем сила тока пропорциональна освещенности.

В фототранзисторе р-n переход коллектор-база представляет собой фотодиод.

Светодиоды излучают свет при прохождении через них прямого тока. Яркость свечения пропорциональна прямому току.

Если в одном корпусе совместить светодиод и фоточувствительный элемент, например фототранзистор, то входной ток можно преобразовать в выходной с полным гальваническим разделением цепей. Такие оптоэлектрические элементы называют оптронами (рис. 9).

 

Рис.9.Условное графическое обозначение полупроводниковых оптронов:

а) резисторного; б) диодного; в) транзиторного; г) тиристорного

 

Кроме фоторезисторов к наиболее распространенным полупроводниковым резисторам относятся: терморезисторы и варисторы, сопротивление которых изменяется при изменении температуры и приложенного напряжения соответственно (рис. 10).

 

Рис.10.Условное графическое обозначение полупроводниковых резисторов: а) терморезистора; б) варистора

 

С помощью рассмотренных электронных приборов осуществляются необходимые преобразования электрической энергии и сигналов. Наиболее простым видом преобразования является выпрямление переменного тока, более сложными – инвертирование постоянного тока в переменный, усиление, генерирование и преобразование сигналов различной формы.

Выпрямители преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке (рис. 11). Они применяются в качестве источников вторичного электропитания. Переменное напряжение питающей сети с помощью силового трансформатора понижается или повышается до необходимой величины, а затем выпрямляется с помощью выпрямителя. В результате на выходе выпрямителя образуется напряжение неизменного направления, которое является пульсирующим (т.е. меняется во времени по значению) и поэтому непригодно для питания большинства электронных устройств.

 

Рис.11.Структурная схема выпрямителя

 

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя включают сглаживающий фильтр, а в некоторых случаях дополнительно вводят стабилизатор постоянного напряжения.

Основные схемы выпрямителей можно подразделить на однополупериодные (рис. 12) и двухполупериодные (рис. 13).

 

 

 

Рис.12.Схемы и временные диаграммы однополупериодных выпрямителей: а) однофазного; б) трехфазного

 

 

 

Рис.13.Двухполуперодные выпрямители: однофазные выпрямители: а) мостовая схема; б) с выводом от средней точки обмотки трансформатора; в) их временные диаграммы; трехфазный выпрямитель; г) трехфазная мостовая схема; д) ее временная диаграмма

Сглаживающие фильтры пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. В простейшем случае сглаживающий фильтр может содержать только один элемент – либо дроссель с большой индуктивностью, включаемый последовательно на выходе выпрямителя, либо конденсатор с большой емкостью, включаемый параллельно нагрузке (рис. 14).

 

 

 

Рис.14. Сглаживающие фильтры: а) индуктивный; б) емкостной; в) их временные диаграммы

 

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в определенных пределах (рис. 15). Напряжение, которое поддерживает стабилизатор, задается опорным элементом – стабилитроном (рис. 2).

 

Рис.15.Схема и временные диаграммы параметрического стабилизатора напряжения

 

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения амплитуды и мощности входного сигнала без изменения других его параметров. Повышение амплитуды и мощности сигнала на выходе усилителя достигается преобразованием энергии источника питания постоянного тока в энергию выходного переменного сигнала. В общем случае электронные усилители являются многокаскадными устройствами. Отдельные каскады связаны между собой цепями, по которым передается переменный (усиливаемый) сигнал и не пропускается постоянная составляющая сигнала. Каскады выполняют по схеме с общим эмиттером и с общим истоком, с общим коллектором и с общим стоком, с общей базой и с общим затвором (рис. 16).

 

Рис.16. Схемы включения транзисторов с общим(ей): а) эмиттером;

б) коллектором; в) базой; г) истоком; д) стоком; е) затвором

 

Схема любого каскада состоит из источника питания, транзистора и цепей смещения, обеспечивающих режим работы транзистора по постоянному току, т. е. режим покоя (рис. 17).

Многокаскадные усилители представляют собой последовательное соединение однотипных усилительных каскадов.

В усилителях в интегральном исполнении применяют непосредственную связь между каскадами. Такие усилители могут усиливать сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы и даже сигналы постоянного тока и поэтому получили название усилителей постоянного тока. Современные усилители постоянного тока усиливают сигналы в очень широком спектре частот и относятся к разряду широкополосных усилителей.

 

Рис.17.Схемы усилителей: а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе

 

Недостатком усилителей с непосредственными связями является изменение выходного напряжения режима покоя (дрейф нуля) вследствие нестабильности напряжения питания, температуры и других факторов. Эффективным способом уменьшения дрейфа нуля в таких усилителях является применение дифференциальных усилительных каскадов.

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности двух входных сигналов и представляет собой симметричную двухтранзисторную схему с объединенными эмиттерами, имеющую два входа и два выхода (рис. 18).

 

Рис.18. Дифференциальный усилитель

 

Операционный усилитель (рис. 19), как и любой другой усилитель, предназначен для усиления амплитуды и мощности входного сигнала. Название «операционный» он получил от аналогов на дискретных элементах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, умножение, деление, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ. В настоящее время операционный усилитель чаще всего выполняется в виде интегральной микросхемы.

 

 

Рис.19.Операционный усилитель

 

Электронными генераторами называют автоколебательные (самовозбуждающиеся) системы, в которых энергия источника питания (постоянного тока) преобразуется в энергию переменного сигнала нужной формы.

В генераторах синусоидального напряжения транзисторы работают в усилительном режиме. В отличие от них в генераторах импульсов транзисторы работают в ключевом режиме (когда транзистор находится попеременно то в полностью открытом, то в полностью закрытом состоянии). В открытом состоянии транзистор пропускает максимальный ток и имеет на выходе минимальное напряжение, определяемое его остаточным напряжением. В закрытом состоянии его ток минимален, а выходное напряжение максимально и близко к напряжению источника питания. Такой элемент называют транзисторным ключом (рис. 20).

 

Рис.20.Схемы транзисторных ключей: а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе; в) их временные диаграммы

Мультивибраторы – это импульсные генераторы с положительной обратной связью, в которых усилительные элементы (транзисторы, операционные усилители) работают в ключевом режиме.

Мультивибраторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, поэтому относятся к классу автоколебательных генераторов и выполняются на дискретных транзисторах, интегральных логических элементах и на операционных усилителях (рис. 21).

 

 

Рис.21. Схемы автоколебательных мультивибраторов: а) на дискретных элементах; б) на интегральных логических элементах; в) на операционном усилителе; г) их временные диаграммы

 

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т. п. Она изготовлена в едином технологическом цикле (т. е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции – подложке и выполняет определенную функцию преобразования электрических сигналов.

Компоненты, которые входят в состав ИМС и не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИМС или интегральными элементами. В отличие от них конструктивно обособленные приборы и детали называются дискретными компонентами, а узлы и блоки, построенные на их основе, – дискретными схемами.

Высокая надежность и качество в сочетании с малыми размерами, массой и низкой себестоимостью интегральных микросхем обеспечили их широкое применение во многих областях науки и техники.

Основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые интегральные микросхемы. В настоящее время различают два класса полупроводниковых интегральных микросхем: биполярные и МДП.

Основным элементом биполярных ИМС является n-р-n-транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Остальные элементы изготовляют одновременно с этим транзистором без дополнительных технологических операций. Например, резисторы изготовляют с базовым слоем n-р-n-транзистора, поэтому они имеют ту же глубину, что и базовый слой. В качестве конденсаторов используют обратно смещенные р-n-переходы, в которых n-слой соответствует коллекторному слою n-р-n-транзистора, а слой р – базовому слою.

Логическими элементами называют электронные устройства, выполняющие простейшие логические операции: НЕ, ИЛИ, И (рис. 22).

 

 

Рис.22. Условное обозначение и таблицы истинности простейших логических элементов: а) НЕ; б) ИЛИ; в) И

 

Логические функции и логические операции над ними составляют предмет алгебры логики, или булевой алгебры. В основе алгебры логики лежат логические величины, которые обозначают латинскими буквами А, В, С, D и т. д. Логическая величина характеризует два взаимоисключающих понятия: есть и нет, истина и ложь, включено и выключено и т. п. Если одно из значений логической величины обозначено через А, то второе обозначают «не А».

Для операций с логическими величинами удобно применять двоичный код, полагая А=1, «не А»=0 или, наоборот, А=0, «не А»=1. В двоичной системе счисления одна и та же схема может выполнять как логические, так и арифметические операции. Если понятие «не А» обозначить особой буквой, например, В, то связь между В и А будет иметь вид: В= .

Это простейшая логическая функция, которую называют отрицанием, инверсией или функцией НЕ. Схему, обеспечивающую такую функцию, называют инвертором или схемой НЕ.

Схемы ИЛИ (дизъюнктор) и И (конъюнкатор) могут быть выполнены на резисторах (резисторная логика), на диодах (диодная логика), на транзисторах (транзисторная логика). Чаще всего эти схемы применяются в сочетании с инвертором, и тогда они реализуют функции ИЛИ-НЕ, И-НЕ (рис. 23).

 

 

Рис.23. Условное обозначение и таблицы истинности:

а) стрелка Пирса; б) штрих Шеффера

Функции ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) и И-НЕ (штрих Шеффера) – самые распространенные, т. к. на их основе можно реализовать любую другую логическую функцию. Количество переменных, а значит, и количество входов у соответствующих схем может быть равно двум, трем, четырем и более. В логических элементах логические нули и единицы обычно представлены различными значениями напряжения: напряжением (или уровнем нуля) U⁰ и напряжением (или уровнем единицы) U¹. Если уровень единицы больше уровня нуля, то говорят, что схема работает в положительной логике, в противном случае (U¹ < U⁰) она работает в отрицательной логике. Никакой принципиальной разницы между положительной и отрицательной логиками нет. Более того, одна и та же схема может работать и в одной, и в другой логике.

Наиболее широкое применение получила схема И-НЕ типа ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).

Комбинируя логические схемы ИЛИ-НЕ или И-НЕ, можно создать различные устройства, как с памятью, так и без памяти.

К цифровым устройствам с памятью относятся: триггеры, счетчики, регистры.

Триггерами называют устройства, обладающие двумя состояниями устойчивого равновесия и способные скачкообразно переключаться из одного устойчивого состояния в другое каждый раз, когда управляющий входной сигнал превосходит определенный уровень, называемый порогом срабатывания.

Различают несколько типов триггеров: RS, D, T, JK и др., которые выпускаются промышленностью в виде отдельных микросхем, а также выполняются на основе логических элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ (рис. 24).

 

 

Рис.24.Условные графические обозначения триггеров: а) RS-триггер на основе логических элементов ИЛИ-НЕ; в виде отдельных микросхем: б) RS-триггер; в)D-триггер; г) T-триггер; д) JK-триггер

 

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов (рис. 25, а) и выражаются в виде цифр.

 

 

Рис.25.Условные графические обозначения: а) счетчика импульсов;

б) регистра; в) дешифратора; г) шифратора; д) мультиплексора;

е) арифметико-логического устройства

 

Регистрами называются функциональные узлы цифровых устройств, предназначенные для приема, хранения, передачи и преобразования информации (рис. 25, б).

К цифровым устройствам без памяти относятся: дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры и др.

Дешифратором называется устройство, вырабатывающее единичный сигнал только на одном из своих выходов в зависимости от кода двоичного числа на его n входах (рис. 25, в).

Шифратор (рис. 25, г) выполняет функцию, обратную дешифратору.

Мультиплексором называется устройство для коммутации одного из информационных входов на один его выход в зависимости от двоичного кода на его m адресных входах (рис. 25, д).

Демультиплексор выполняет функцию, обратную мультиплексору.

В зависимости от количества элементов на одном кристалле говорят о разной степени интеграции ИМС. Большая интегральная микросхема (БИС) содержит на одном кристалле (в одном корпусе) несколько миллионов элементов и выполняет функции сложных устройств. Она является функционально законченным изделием.

БИС, в состав которой входят как минимум основные узлы процессора: арифметико-логическое устройство (рис. 25, е), дешифратор команд и устройство управления, называется микропроцессором. В него могут входить и другие блоки, расширяющие возможности микропроцессора. Микропроцессор служит для логической обработки, хранения и преобразования данных. Он является универсальным по своим возможностям полупроводниковым устройством и его можно применять в системах управления сложными устройствами.

 

Вопросы по теме

1. Что изучает электроника?

2. Какие устройства называются электронными?

3. Чем отличаются полупроводниковые материалы от проводников и диэлектриков?

4. Как устроен p-n-переход? Какое основное свойство перехода, позволяющее изготавливать на его основе полупроводниковые приборы?

5. Как работает диод? Какой вид имеет его вольт-амперная характеристика?

6. Как устроен и как работает биполярный транзистор?

7. Как работает полевой транзистор? Чем он отличается от биполярного транзистора?

8. Как называются и для чего служат выводы биполярного и полевого транзисторов?

9. На чем основана стабилизация напряжения стабилитроном? Какими параметрами характеризуются стабилитроны?

10. Как преобразовать синусоидальное напряжение в постоянное?

11. Как работают диодные выпрямители?

12. Как работают электрические фильтры?

13. Как получить стабильное постоянное напряжение?

14. Для чего применяют усилители электрических сигналов?

15. Каков принцип усиления тока и напряжения?

16. В чем отличие усилителей на транзисторах от усилителей на интегральных микросхемах?

17. Что из себя представляет интегральная микросхема?

18. Какие элементы называют логическими функциями? Как работают основные (базовые) логические функции? Какие операции они выполняют?

19. Что собой представляют цифровые устройства с памятью?

20. Что собой представляют цифровые устройства без памяти?

21. Что собой представляет микропроцессор? Для чего он используется?