Электротехника и электроника

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего 
профессионального образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
Факультет высоких технологий 
 
 
 
 
 
В.Л. Земляков 
 
 
 
 
Электротехника  
и электроника 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ростов-на-Дону 

Издательство Южного федерального университета 

2008 

УДК 621.38 
ББК 32.85 
        З 53 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Южного федерального университета 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор  
Селезнев М.Г., 
кандидат технических наук, доцент   
Сучков А.А. 

 
Учебник подготовлен и издан в рамках национального проекта 
«Образование» по «Программе развития Федерального 
государственного  образовательного учреждения высшего 
профессионального образования 
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.» 
 
Земляков В.Л. 
З 53   Электротехника и электроника: учебник / В.Л. Земляков. – Ростов н/Д: 
Изд-во ЮФУ, 2008. – 304 с. 
ISBN 978-5-9275-0454-1 
Учебник по дисциплине «Электротехника и электроника» составлен 
на основе лекций, читаемых автором для студентов второго курса 
факультета высоких технологий Южного федерального университета. Он 
включает в себя разделы по теории и практическому применению 
электрических и магнитных цепей, прохождению сигналов через 
электрические цепи, электронным средствам для создания и обработки 
электрических сигналов, основам цифровой электроники и электрическим 
измерениям, которые предусмотрены образовательными стандартами.  
Учебник ориентирован на будущих специалистов в области 
современного приборостроения и компьютерной техники, а также будет 
полезен студентам других направлений подготовки в области техники и 
технологий. 

 

  ISBN 978-5-9275-0454-1 
УДК 621.38

ББК 32.85

 
©  Земляков В.Л., 2008 
©  Южный федеральный университет, 2008 
©  Оформление. Макет. Издательство Южного 
федерального университета, 2008 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ  …………………..…………………....…..…………. 5 

ЧАСТЬ 1.  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ ….…... 11 
Раздел 1. Основные элементы электрической цепи ..…………… 11 
Раздел 2. Электрические воздействия и сигналы ……………….. 20 
Раздел 3. Сопротивление электрической цепи ………………….. 34 
Раздел 4. Переходные процессы в линейных электрических 
цепях ……………………………………………………. 
 
41 

Контрольные вопросы и тестовые задания…………………… 
51 

ЧАСТЬ 2.  ПРОХОЖДЕНИЕ СИГНАЛОВ  
ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ …………..….. 

 

61 
Раздел 5. Прохождение синусоидальных сигналов через 
линейные электрические цепи …………..……………. 
 
62 
Раздел 6. Прохождение несинусоидальных сигналов через 
линейные электрические цепи ………..………………. 
 
69 
Раздел 7.  Прохождение синусоидальных сигналов через 
нелинейные электрические цепи …..…………………. 
 
81 
Раздел 8.  Прохождение синусоидальных сигналов через цепи   
с распределенными параметрами …………………... 
 
90 

Контрольные вопросы и тестовые задания…….……………… 
99 

ЧАСТЬ 3.  МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ …………….….…………….. 106 
Раздел 9. Понятие магнитной цепи ………………………………. 106 
Раздел 10.  Примерный расчет магнитной цепи ………………… 111 
Раздел 11. Катушка с магнитопроводом в цепи переменного 
тока ………………..………………………………….... 
 
116 
Раздел 12. Электрические машины постоянного тока ………….. 125 
Раздел 13. Электрические машины переменного тока …………. 136 

Контрольные вопросы и тестовые   задания………….………… 147 

 
 

ЧАСТЬ 4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ ..……..... 151 
Раздел 14. Физические основы электроники …………………..… 151 
Раздел 15.  Полупроводниковые диоды ………………………….. 158 
Раздел 16.  Биполярные транзисторы …………………..………… 162 
Раздел 17. Полевые (униполярные) транзисторы ………………..
171 
Контрольные вопросы и тестовые задания………………...…… 177 

ЧАСТЬ 5.  ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ……..………… 
183 
Раздел 18. Усилители электрических сигналов …………………. 183 
Раздел 19.  Генераторы электрических сигналов 
синусоидальной формы …………………...…………..

 
201 
Раздел 20.  Импульсные  устройства ……………………...……… 210 
Раздел 21.  Источники вторичного электропитания ……..……… 221 
Контрольные вопросы и тестовые задания…..………………… 229 

ЧАСТЬ 6.  ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ………….....……... 237 
Раздел 22. Логические элементы ………………………………….
237 
Раздел 23. Мультивибраторы и триггеры на логических 
элементах ………………….…………………………... 
 
241 
Раздел 24. Регистры и счетчики импульсов ……………………... 245 
Раздел 25. Комбинационные устройства …………………………
249 
Раздел 26. Сумматоры ………………..…………………………… 253 
Раздел 27. Структура процессора …………………………………
256 
Контрольные вопросы и тестовые задания…….………………
260 

ЧАСТЬ 7.  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ……………… 
264 
Раздел 28. Аналоговые измерения ……………..………………... 
265 
Раздел 29. Цифровые измерения …………………...…………….. 270 
Раздел 30. Измерение параметров резисторов, конденсаторов  
и катушек индуктивности ……………………………. 
Раздел 31. Электрические измерения неэлектрических величин..
Контрольные вопросы и тестовые задания……..……………… 

ЛИТЕРАТУРА …………….……….……………………………...

 
279 
285 
292 

298 

ПРИЛОЖЕНИЕ: ответы к тестовым заданиям ………...………   299 

ВВЕДЕНИЕ 

Учитывая тот факт, что в основе работы электротехнических 
устройств лежат законы электромагнетизма, вначале изучения дисциплины «Электротехника и электроника» приведем основные положения из 
общего курса «Физики», касающиеся электрических и магнитных 
явлений.  
Согласно современным представлениям взаимодействие между 
электрическими 
зарядами 
осуществляется 
через 
поле. 
Всякий 
электрический заряд q изменяет определенным образом свойства 
окружающего его пространства – создает электрическое поле. Это поле 
проявляет себя в том, что помещенный в какую-либо его точку другой 
«пробный» заряд испытывает действие некоторой силы. Причем, 
существует линейная зависимость между величиной «пробного» заряда 

p
q  и действующей на него силы F

r . То есть, можно записать 
E
q
F
p

r
r

=
, где 

вектор E

r  – напряженность электрического поля. Например, величину 
напряженности поля неподвижного точечного заряда q  на расстоянии r 

можно определить по формуле 
2

0
4
1
r
q
E
πε
=
, где 
12
0
10
85
,8
−
⋅
=
ε
 Ф/м – 

электрическая постоянная.  
Для электрических полей справедлив принцип суперпозиции, в 
соответствии с которым напряженность электрического поля системы 
неподвижных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, 
которые создает каждый из зарядов в отдельности.  

Для описания электрического поля наряду с напряженностью E

r  
используется и другая характеристика – потенциал, величина которого 
численно равна потенциальной энергии единичного положительного 
заряда в данной точке поля. Например, потенциал ϕ поля точечного 

заряда определяется формулой 
r
q

0
4
1
πε
ϕ =
. Потенциал на бесконечности 

полагают равным нулю. 
В электротехнике обычно в качестве нулевого потенциала 
принимают потенциал Земли. 
Если рассматривать отдельный проводник, то между его зарядом q и 
потенциалом ϕ существует линейная зависимость. Коэффициент 

пропорциональности обычно обозначают буквой С и называют 
электроемкостью или просто емкостью.  

Если проводник не уединен, то его емкость будет существенно 
увеличиваться при приближении к нему других проводящих тел. Это 
свойство позволяет создавать систему проводников, которая обладает 
емкостью значительно большей, чем уединенный проводник. Такую 
систему называют конденсатором. Простейший конденсатор состоит из 
двух проводников (обкладок), чаще всего плоской, цилиндрической или 
сферической формы, расположенных на малом расстоянии друг от друга. 
В этом случае электрическое поле сосредоточено практически полностью 
между обкладками и однородно внутри конденсатора. Это означает, что 
линии вектора 
E
r , начинающиеся на одной обкладке, должны 
заканчиваться на другой, и расстояние между линиями должно быть 
одинаковым. При этом заряды на обкладках конденсатора одинаковы по 
модулю и противоположны по знаку. 

Основной характеристикой конденсатора является его емкость C, 
которая определяется как отношение заряда на обкладках конденсатора к 
разности потенциалов (напряжению) u  между ними: 
u
q
C
/
=
, и зависит 

от размеров и формы обкладок, от расстояния между ними и от 
заполняющей конденсатор среды. 

При внесении в электрическое поле диэлектрика в нем происходит 
смещение положительных и отрицательных зарядов или ориентация 
полярных молекул. Это явление получило название поляризации и 
характеризуется величиной относительной диэлектрической проницаемости ε . В том случае, когда однородный диэлектрик заполняет все 
пространство между обкладками конденсатора, его емкость возрастает в 
ε  раз.  

Электрическую энергию, запасенную в конденсаторе, рассчитывают 

по формуле  
2
/
2
Cu
Wэ =
. 

Направленное движение зарядов, в частности электронов в 
проводнике, представляет собой электрический ток. Количественной 
мерой электрического тока служит сила тока i , определяемая как заряд 
q , переносимый сквозь рассматриваемую поверхность S  в поперечном 

сечении проводника в единицу времени: 
dt
dq
i
/
=
. Для того чтобы в 

проводнике возник электрический ток, необходимо иметь на разных 
концах 
этого 
проводника различные электрические 
потенциалы, 
создающие электрическое напряжение.  
Заряды, движущиеся со скоростью 
vr  (электрический ток), 
порождают 
магнитное 
поле. 
Индукция 
магнитного 
поля 
B
r

, 
характеризующая силовое действие поля на движущийся заряд и 
являющаяся аналогом напряженности E

r

 для электрического поля, 

определяется формулой 
[ ]

3
0

4
r

r
v
q
B

r
r
r

π
µ
=
, где 
7
0
10
4
−
⋅
= π
µ
 Гн/м – магнитная 

постоянная, rr  – радиус-вектор, проведенный от заряда q  к точке 

наблюдения. Вектор B

r

 направлен перпендикулярно плоскости, в которой 
расположены векторы vr  и rr . Силовые линии магнитного поля замкнуты.  
Для магнитного поля, также как и для электрического, справедлив 
принцип суперпозиции: магнитное поле, создаваемое несколькими 
движущимися зарядами или токами, равно векторной сумме магнитных 
полей, создаваемых каждым зарядом или током в отдельности. 
Если ток i  течет вдоль бесконечного длинного прямого провода 
круглого сечения, то индукция его магнитного поля снаружи на 

расстоянии r  определяется формулой 
r
i
B
π
µ
2

0
=
, а силовые линии имеют 

вид окружностей с центром на оси провода. Направление силовых линий 
определяется по правилу винта: если ввинчивать винт по направлению 
тока, то силовые линии магнитного поля будут направлены по ходу 
вращения. 
Чтобы получить более сильное магнитное поле провод наматывают 
по винтовой линии, например на поверхность цилиндра, образуя 
соленоид (катушку). В этом случае магнитные поля отдельных витков 
складываются и внутри длинного соленоида длиной l , имеющего n  
витков, индукция магнитного поля 
l
i
n
B
/
0
µ
=
.  
Если пространство внутри соленоида заполнено однородным 
ферромагнетиком с относительной магнитной проницаемостью µ , то 
величина магнитной индукции возрастает в µ  раз. 
Для характеристики магнитного поля вводят также величину 
магнитного потока Ф . Если площадь, охватываемая витком провода, 

равна S  (
4
/
2
D
S
π
=
, D  – диаметр витка), и силовые линии поля 
перпендикулярны этой площади, то 
BS
=
Ф
. И говорят, что магнитный 
поток сцеплен с витком. В случае катушки, имеющей n  витков 
сцепленных с одним и тем же потоком, произведение числа витков и 
сцепленного 
с 
этими 
витками 
магнитного 
потока 
называют 
потокосцеплением Ψ: 
Ф
n
=
Ψ
. 
Между током в катушке i  и потокосцеплением Ψ существует прямопропорциональная 
зависимость. 
Можно 
записать 
Li
=
Ψ
, 
где 
коэффициент 
l
S
n
L
/
2
0
µ
=
 называют индуктивностью катушки.  
Приведенные 
формулы 
для 
индукции 
магнитного 
поля 
и 
индуктивности катушки можно использовать при 
D
l >>
. 
Магнитную энергию, запасенную в катушке, рассчитывают по 
формуле 
2
/
2
Li
Wм =
. 
Магнитное поле действует на проводник с током с силой, 
определяемой по закону Ампера: 
il
B
Fм =
, где l – длина части провода, 
расположенной 
в 
однородном 
магнитном 
поле. 
Если 
провод 
располагается так, что между направлениями вектора магнитной 
индукции и тока в проводе угол 
0
90
≠
α
, то сила определяется той же 
формулой, но вместо полной длины провода берется ее проекция на 
направление, перпендикулярное направлению поля: 
α
sin
il
B
Fм =
. 
Сила 
м
F  направлена всегда перпендикулярно плоскости, в которой 
лежит провод и находятся линии магнитной индукции, а ее направление 
определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, 
чтобы вытянутые четыре пальца показывали направление тока в проводе, 
а линии магнитной индукции «входили» в ладонь, то большой палец, 
отогнутый перпендикулярно остальным, покажет направление силы. 
В электротехнике представляет также интерес момент сил M

r, 
действующий со стороны магнитного поля на некоторый контур с током, 
имеющий магнитный момент 
м
pr  (по определению 
n
iS
pм

r
r
=
, где i  – ток в 

контуре, S  – площадь, ограниченная контуром, nr – нормаль к контуру, 
направление которой связано с направлением тока правилом правого 
винта). Момент сил, заставляющий рамку с током поворачиваться в 
магнитном поле, определяется векторным произведением 
]
[
B
p
M
м

r
r
r

=
 и 

перпендикулярен как вектору 
м
pr , так и вектору магнитной индукции B

r . 

Модуль вектора M

r  равен 
α
sin
B
p
M
м
=
, где α  – угол между векторами 

м
pr  и B

r .  

Явление электромагнитной индукции, заключается в том, что в 
замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока Ф , 
охватываемого этим контуром, возникает электрический ток – его 
называют индукционным током. Появление индукционного тока 
означает, что при изменении магнитного потока в контуре возникает 
электродвижущая сила (ЭДС) индукции e, определяемая формулой 

dt
d
e
/
Ф
−
=
. Возникновение ЭДС и ее значение не зависит от того, каким 
образом осуществляется изменение магнитного потока, а определяется 
только скоростью, с которой этот поток изменяется. Направление 
индукционного тока (и знак ЭДС) определяется правилом Ленца: 
индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать 
причине, его вызвавшей. Индукционный ток сам создает магнитный 
поток, препятствующий изменению магнитного потока, вызывающего 
ЭДС индукции.  
Для двух близко расположенных контуров, охватываемых одним и 
тем же магнитным потоком, наблюдается явление взаимной индукции, 
когда при всяком изменении тока в одном контуре в другом контуре 
возникает ЭДС взаимной индукции.  
Таковы основные законы электромагнетизма, знание которых необходимо для изучения дисциплины «Электротехника и электроника». 
Рассмотрим структуру предлагаемого к изучению материала. 
В первой части даны основные понятия теории электрических цепей, 
рассмотрены идеальные элементы цепи и их отличия от реальных 
элементов. Представлена характеристика электрических воздействий и 
сигналов, используемых в электротехнике и электронике, их временное и 
спектральное представление. Исследуется сопротивление электрической 
цепи при различном соединении элементов, изучается явление резонанса. 
В заключении рассмотрены переходные процессы в линейных цепях. 
Предметом рассмотрения второй части является прохождение 
синусоидальных и несинусоидальных сигналов через различные виды 
электрических цепей. Дается характеристика дифференцирующих и 
интегрирующих цепей. Изучаются методы и приводятся примеры 
анализа процесса преобразования сигналов.  

Третья 
часть 
посвящена 
магнитным 
цепям. 
Приводится 
характеристика и примерный расчет магнитной цепи. Подробно 
рассматривается катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока. 
Отдельно рассмотрены принципы построения электрических машин 
постоянного и переменного тока, вращающееся магнитное поле. Дается 
краткая характеристика трехфазных электрических цепей. 
Четвертая часть позволяет изучить физические основы электроники, 
принципы работы и характеристики полупроводниковых диодов, 
биполярных и полевых (униполярных) транзисторов. 
Пятая часть посвящена устройствам аналоговой электроники. В 
первую очередь рассматриваются усилители электрических сигналов и 
влияние отрицательной обратной связи на их характеристики. Затем речь 
идет о генераторах электрических сигналов синусоидальной и несинусоидальной (прямоугольной) формы. Заканчивается пятая часть изучением 
источников вторичного электропитания. Приводятся примеры построения выпрямителей, фильтров, параметрических, компенсационных и 
импульсных стабилизаторов. 
Шестая часть содержит описание основ цифровой электроники. 
Рассматриваются логические элементы и устройства на их основе: 
мультивибраторы, триггеры, регистры, счетчики импульсов. Изучаются 
комбинационные устройства. Приводится также структура и описание 
работы простого процессора. 
Последняя седьмая часть посвящена аналоговым и цифровым 
электрическим измерениям. В разделе, посвященном аналоговым 
измерениям, рассматриваются измерительные механизмы магнитоэлектрической и электромагнитной системы. Построение амперметра и 
вольтметра. 
Особенности 
электронных 
вольтметров. 
В 
разделе, 
посвященном цифровым измерения, приводится описание процесса 
аналого-цифрового преобразования сигналов, структура АЦП и ЦАП, 
проводится анализ схем ЦАП, АЦП последовательного приближения, 
АЦП последовательного счета. Процесс измерений рассмотрен на 
конкретных примерах: измеритель временных интервалов, цифровой 
фазометр, цифровой частотомер. Отдельно рассмотрены измерения 
параметров резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.  

ЧАСТЬ 1.  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ 

Идеальные элементы цепи: резистивный, емкостной и индуктивный. 
Реальные сопротивления, конденсаторы и катушки индуктивности. 
Электрические воздействия на электрическую цепь. Сигналы. Спектральное  
и временное представление сигналов. Преобразование Фурье. Сопротивление 
электрической цепи при различном соединении элементов. Явление резонанса. 
Переходные процессы в линейных электрических цепях.  

Раздел 1. Основные элементы электрической цепи 

В электротехнике широко используются электрические цепи, 
представляющие собой совокупность устройств, образующих путь 
электрического тока. Отдельное устройство, входящее в состав цепи и 
выполняющее в ней определенную функцию, называется элементом 
цепи. 
Для приближенного учета процессов преобразования электрической 
и магнитной энергии в теории электрических цепей вводят идеальные 
элементы – емкостной, индуктивный и резистивный, учитывающие 
соответственно накопление энергии в электрическом и магнитном полях 
и необратимые преобразования электромагнитной энергии в другие виды 
энергии. Такое представление соответствует так называемым цепям с 
сосредоточенными параметрами C, L и R. Соединяя между собой 
соответствующим образом эти элементы, получают цепь, приближенно 
отображающую электромагнитные процессы в каком-либо устройстве 
или совокупности устройств.  

Резистивный элемент 

Под резистивным элементом цепи или активным сопротивлением 
понимают идеализированный элемент, в котором происходит только 
необратимое преобразование электромагнитной энергии в теплоту или 
другие виды энергии, а запасание энергии отсутствует. 
Основное уравнение резистивного элемента, связывающее ток i  и 
напряжение u , так называемая вольт-амперная характеристика (ВАХ), 
определяется законом Ома, который устанавливает пропорциональность 
между напряжением и током:  

                                      
i
R
u =
,     
u
G
i =
.                                             (1) 

Коэффициент пропорциональности R  в первом из выражений в (1) 
является электрическим сопротивлением, а обратная величина – 
отношение тока к напряжению –  представляет собой электрическую 
проводимость G . 
Мощность p , выделяемая в виде теплоты на резистивном элементе, 

определяется по закону Джоуля-Ленца: 
2
2
Gu
i
R
i
u
p
=
=
=
. 

В теории линейных электрических цепей активное сопротивление и 
проводимость считают величинами постоянными, не зависящими от тока, 
напряжения и других величин. Если же сопротивление зависит, 
например, от величины протекающего через него тока, то ВАХ будет 
нелинейной. Цепи, содержащие нелинейные элементы, называются 
нелинейными.  
На рис. 1, а приведены примеры ВАХ для линейного и нелинейного 
резистивных элементов. Нелинейным, в частности, является диод – 
резистивный 
элемент, 
изготовленный 
с 
использованием 
полупроводниковых материалов и содержащий  p – n  переход. 

 
1 – линейный элемент,  2 – нелинейный элемент 

Рис. 1.  ВАХ для линейного и нелинейного элементов 

Индуктивный элемент 

Индуктивным элементом электрической цепи называют идеализированный элемент, в котором происходит только запасание магнитной 
энергии, связанное с протеканием тока; потери и запасание электрической энергии отсутствуют. Близка к этому идеальному элементу катушка с 
индуктивностью L, намотанная на пластмассовый каркас толстым 
проводом.