Электроника


Немировский А. Е., Сергиевская И. Ю., Степанов О. И., Иванов А. В.









Электроника




Учебное пособие














Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2019

УДК 62.276.1/.4+622.279.23/.4 (075.8)
ББК 33.36 Н 50







ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11

     Немировский А. Е.
Н 50 Электроника: учебное пособие / А. Е. Немировский, И. Ю. Сергиевская, О. И. Степанов, А. В. Иванов. -М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 200 с.




      ISBN 978-5-9729-0264-4




      Рассмотрены основные элементы электронных схем, электронные приборы и электронные устройства, импульсные и цифровые сигналы и устройства, порядок выявления и методы расчета их важнейших параметров и характеристик. В приложениях содержатся справочные данные, которые будут полезны при выполнении контрольных работ и курсового проектирования.
      Для студентов, изучающих дисциплину СД.01 «Электроника» и смежные дисциплины при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений».






                  © Немировский А. Е., Сергиевская И. Ю., Степанов О. И., Иванов А.В., авторы, 2019 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019





      ISBN 978-5-9729-0264-4

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение..........................................................5
Глава 1. Элементы электронных схем................................6
    § 1.1. Краткое описание пассивных элементов электронных схем..6
    § 1.2. Электронные приборы.................................. 11
        1.2.1. Электропроводность проводников и диэлектриков.....11
        1.2.2. Электропроводность полупроводников............... 13
        1.2.3. Примесные полупроводники..........................16
        1.2.4. Электронно-дырочный переход и его свойства........17
    § 1.3. Полупроводниковые диоды...............................23
    § 1.4. Полупроводниковые транзисторы.........................26
    § 1.5. Тиристоры.............................................38
    § 1.6. Оптоэлектронные приборы...............................46
    § 1.7. Операционные усилители................................50
    § 1.8. Силовые полупроводниковые приборы.....................59
  Контрольные вопросы и задачи к главе 1.........................75
Глава 2. Электронные устройства..................................79
    § 2.1. Вторичные источники питания...........................79
        2.1.1. Выпрямители.......................................82
        2.7.2. Электрические фильтры.............................89
        2.7.3. Стабилизаторы напряжения..........................95
    § 2.2. Инверторы и умножители напряжения.....................97
    § 2.3. Усилители электрических сигналов......................98
    § 2.4. Генераторы электрических сигналов....................121
  Контрольные вопросы и задачи к главе 2........................132
Глава 3. Импульсные и цифровые сигналы и устройства 134
    §3.1.  Импульсные сигналы и их параметры....................134
    § 3.2. Цифровое представление информации....................137
    § 3.3. Логические функции и алгебра логики..................140
        3.3.1. Логические функции и способы их записи............140
        3.3.2. Основы алгебры логики (алгебры Буля).............141
        3.3.3. Основные теоремы алгебры логики..................143
        3.3.4. Представление и минимизация булевых функций......144
    § 3.4. Реализация логических функций и особенности построения логических устройств.........................................146
    § 3.5. Комбинационные устройства............................148
    § 3.6. Последовательностные устройства......................159
    § 3.7. Устройства для формирования и преобразования аналого-цифрового и цифро-аналогового сигналов...............176
  Контрольные вопросы и задачи к главе 3........................185
Заключение......................................................186

3

Список использованных источников.................................187
Приложение 1. Международная цветовая маркировка резисторов.......188
Приложение 2. Классификация и основные параметры полупроводниковых диодов.........................................190
Приложение 3. Классификация и основные характерные признаки транзисторов.............................................193
Приложение 4. Классификация и основные характеристики тиристоров..195
Приложение 5. Параметры интегральных стабилизаторов...............197

4

            Введение



      Курс «Электроника» является одним из основных при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» и основывается на знаниях высшей математики, теоретических основ электротехники.
      Электроника является универсальным и эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Сфера применения электроники постоянно расширяется, и практически каждая сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники.
      Целью настоящего пособия является анализ принципов действия и структур электронных приборов и устройств, выявление их важнейших параметров и характеристик, а также уяснение методов их расчета. Учебное пособие предназначено для дисциплины СД.01 «Электроника» согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования.
      Учебное пособие состоит из трех разделов: элементы электронных схем, электронные устройства, импульсные и цифровые сигналы и устройства.
      Авторы выражают глубокую признательность рецензентам рукописи: ведущему специалисту производственно-технического отдела ООО «Строительные системы» Бугаевой Т.В., мастеру ООО «ЦентрСтройКомплекс» Крепышеву А. С. за полезные замечания и предложения.
      Отзывы и предложения просим направлять по адресу: 160035, г. Вологда, ул. Ленина, д. 15, ВоГУ, кафедра электрооборудования.

5

ГЛАВА 1.


            Элементы электронных схем


        § 1.1. Краткое описание пассивных элементов электронных схем

     Основой электронной техники наряду с электронными приборами являются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.
     Свойства реальных компонентов — резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности — могут существенно отличаться от их идеальных моделей. Эти отличия зависят от технологии материала и условий эксплуатации.
     Резистор является простым и самым распространенным и компонентом электронных схем и представляет собой элемент электрической цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую. Сопротивление резистора может быть определено как тангенс угла наклона его вольт-амперной характеристики.
     Сопротивление резистора в цепи переменного тока больше сопротивления этого же резистора в цепи постоянного тока, что объясняется наличием поверхностного эффекта, который заметно сказывается на частотах от 10 МГц. Резисторы бывают разных типов, размеров и конструкций. Самые часто употребляемые типы — металлопленочные и углеродистые резисторы. Наиболее распространенным типом углеродистых резисторов является С1-4. Ранее выпускались и часто встречаются до сих пор резисторы типа МЛТ. Современные резисторы маркируются международным цветным кодом, состоящим из двенадцати цветов.
     Выпускаемые промышленностью резисторы обозначаются следующим образом: R (или Е) обозначают омы; к — килоомы; м — мегаомы.
     Эти буквы могут использоваться вместо десятичной точки (1К2 есть то же самое что и 1,2 кОм), а 3R3 (или ЗЕЗ) — то же самое, что 3,3 Ом. При обозначениях на схемах целые омы в большинстве случаев вообще опускаются: например «360» означает просто 360 Ом. ЧИП-резисторы для поверхностного монтажа маркируются тремя цифрами: первые две — номинальное значение (без запятой), а последняя — степень десяти. Так, надпись 103 означает 10 • 10³ = 10 000 Ом, а надпись 272 — 2 700 Ом.
     Резисторы С1-4и МЛТ выпускаются следующих предельно допустимых мощностей— 0,0625; 0,125; 0,25; 1; 2 Вт и отличаются размерами. Обычные резисторы выпускаются с 1%-ным разбросом, однако на практике в продаже встречаются только их 5%-ные разновидности.


6

     Более точные (прецезионные) резисторы с разбросом в 1 % и ниже носят другие наименования и значительно дороже. Широко применяются на практике различные типы безвыходных резисторов для поверхностного монтажа (ЧИП-компоненты). Все резисторы имеют предельно допустимое напряжение, которое также зависит от их размеров — так, для мощностей 0,125 и 0,25 Вт это напряжение не превышает 250 В, поэтому их нельзя употреблять в цепях с сетевым питанием независимо от того, что тепловая мощность может быть и не превышена. Для цепей с напряжением 220 В и выше минимально допустимая мощность резистора составляет 0,5 Вт. Резисторы номиналом меньше 1 Вт предназначены для пропускания больших токов и имеют большие размеры. Резисторы мощностью более 2 Вт требуются довольно редко и для таких случаев выпускают специальные проволочные резисторы, залитые термостойким составом (остеклованные).
     Кроме постоянных резисторов, широкое применение в электронике находят переменные резисторы, отличающиеся от постоянных наличием третьего вывода— движка, представляющего собой подпружиненный ползунок, механически передвигающийся по резистивному слою. Так как вывода три, то переменный резистор может подключаться двумя способами: как простой резистор (вывод движка при этом объединяется с одним из крайних выводов) и по схеме потенциометра, когда все три вывода задействованы. Резисторы по своему предназначению служат для преобразования напряжения в ток и обратно. В соответствии с этим схема обычного включения переменного резистора служит для преобразования напряжения в ток, а схема потенциометра (делителя напряжения) — тока в напряжение.
     Резисторы могут в схеме включаться последовательно или параллельно, и следовательно, общее сопротивление будет равняться:
     •  при последовательном соединении:

Rz = Ri + R2+...                      (1.1)
     •  при параллельном соединении:

Rz=1/R1+1/R2+...                        (1.2)
     Из этих определений вытекает несколько правил.
     •  Для последовательного соединения:
       1. сумма двух резисторов имеет сопротивление всегда больше, чем сопротивление резистора с большим номиналом (правило «больше большего»);
       2. если номиналы резисторов равны, то суммарное сопротивление вдвое больше каждого номинала;

7

        3. если номиналы резисторов различаются во много раз, то общее сопротивление примерно равно большему номиналу.
      • Для параллельного соединения:
        1. сумма двух резисторов имеет сопротивление всегда меньшее, чем сопротивление резистора с меньшим номиналом (правило «меньше меньшего»);
        2. если номиналы резисторов равны, то суммарное сопротивление вдвое меньше каждого номинала;
        3. если номиналы резисторов различаются во много раз, то общее сопротивление примерно равно меньшему номиналу.
      Международная цветная маркировка резисторов приведена в Приложении 1.
      Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному сопротивлению и имеющей величину от сотых долей до единиц пикофарад.
      Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности, и ею можно пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц. В то же время между их проводящим слоем и другими частями схемы образуются паразитные конденсаторы с емкостями до нескольких пикофарад, которые, как правило, больше проходных. Другим недостатком резисторов этих типов является сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры и влажности. Резисторы нельзя применять в устройствах, рассчитанных на меньшие отклонения. Например, если расчетное сопротивление резистора 10 кОм при допустимом отклонении ±100 Ом (10 кОм ± 1 %), то не следует брать резисторы с номиналом 10 кОм ± 10% и отбирать среди них тот, сопротивление которого укладывается в диапазон 99-101 кОм. Дело в том, что уже в процессе пайки сопротивление резистора «уйдет» значительно больше, чем на 100 Ом.
      Проволочные резисторы обладают значительно большей температурной и временной стабильностью, но у них больше паразитные емкости и индуктивности. Для уменьшения последней прибегают к так называемой (бифилярной) встречной намотке проволоки на каркас. Проволочные резисторы являются незаменимыми в цепях, где точность и стабильность активных элементов являются решающими.
      Конденсатор — это элемент электрической цепи, запасающий электрическую энергию. Параметром, характеризующим это свойство конденсатора, является электрическая емкость, представляющая собой отношение заряда

8

(в кулонах) к разности потенциалов на пластинах (в вольтах). Самым высоким соотношением емкость/габариты обладают электролитические (оксидные) конденсаторы , например, серия К50-35. Емкости таких конденсаторов достигают 100 000мкФ, а допустимые напряжения— до 600 В. В то же время у таких конденсаторов есть три существенных недостатка. Первый и самый главный — эти конденсаторы полярны, т. е. подразумевают включение только в определенной ориентации по отношению к полярности источника питания. Полярность обычно обозначается на корпусе и/или толщиной (длиной) выводов. Второй недостаток «электролитов» заключается в том, что они обеспечивают номинальную емкость только на низких частотах. При быстром перезаряде их емкость существенно снижается, поэтому в фильтрах источников питания рекомендуется параллельно ставить неполярные (керамические или иные) конденсаторы в целях лучшей защиты от высокочастотных помех. Третий недостаток «электролита» заключается в т. н. эффекте «аккумулятора» (или накопления заряда). Если полностью разрядить электролитический конденсатор (например, коротким замыканием выводов), то через некоторое время напряжение на выводах опять восстановится до некоторого значения (1-1,5 В), а для его полного рассасывания требуется от нескольких часов до суток. Этот эффект тем сильнее, чем больше емкость и выше допустимое напряжение.
     Также достаточно широко применяются конденсаторы с неполярным диэлектриком: бумажные, слюдяные, керамические, полиэтилентерефталатные (лавсановые) или фторопластовые (тефлоновые). Следует отметить, что старые металлобумажные конденсаторы типа МБГ или МБГЧ имели достаточно существенную особенность — они могли самовосстанавливаться после пробоя. Однако в настоящее время все чаще используются неполярные конденсаторы с керамическим или органическим диэлектриком (К10, К73 и др.) При применении в точных времязадающих цепях рекомендуется не просто выбирать конденсатор с подходящим изолятором (тефлоновый или слюдяной), но и с как можно большим допустимым напряжением (например, конденсатор с номинальным напряжением 600 В в цепях с напряжением 12 В) Емкости широко используемых конденсаторов лежат в пределах от пико- до микрофарад и при условных обозначениях пишут просто «мк», «н», «п» вместо «мкФ» и т. д. Часто микрофарады обозначаются лишним десятичным знаком, например 100,0 означает 100 мкФ, а просто 100 — 100 пФ.
     Как и резисторы, конденсаторы можно включать последовательно или параллельно. Параллельное включение применяют при необходимости увеличить емкость, которая в этом случае будет равняться сумме емкостей отдельных конденсаторов:

9

Q-C1 + C2+...                         (1.3)
     При необходимости уменьшить емкость конденсатора их соединяют последовательно, при этом общая емкость вычисляется по формуле:
1/CZ-1/C1+1/C2 + ...                      (1.4)
     Конденсатор по своей сути (определению) не пропускает постоянный ток, т. к. представляет собой разрыв в цепи, а переменный ток через него протекает — при этом происходит постоянный перезаряд конденсатора, т. к. напряжение все время изменяется по величине и полярности.
     Cам по себе конденсатор энергии не потребляет, поэтому его сопротивление переменному току называют реактивным, в то время как обычное резистивное сопротивление называют активным.
     Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, поскольку у них есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. Для высококачественных конденсаторов (слюдяные, фторопластовые, керамические и пр.) собственное сопротивление утечки составляет при малой влажности и нормальной температуре гигаомы (1 ГОм - 10⁹Ом) и в большей степени зависит от состояния поверхности корпуса или монтажной платы, чем от диэлектрика.
     Индуктивность — это элемент электрической цепи, в котором накапливается энергия электромагнитного поля. Простейшая индуктивность представляет собой катушку из провода, который для улучшения индуктивных свойств наматывают на основу из ферромагнитного материала.
     Индуктивность для постоянного тока представляет нулевое сопротивление, и с ростом частоты переменного тока ее реактивное сопротивление растет. Ток в цепи, содержащей индуктивность, отстает от напряжения на 90°.
     Индуктивность измеряется в генри (Гн). Катушки индуктивности без ферромагнитных сердечников могут быть достаточно близки к идеальным индуктивностям. Основную роль в них играет сопротивление провода. Так, в дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеала оказываются очень существенными. Потери энергии на перемагничивание сердечника и вихревые токи Фуко в них вызывают ее обращение на нагрев. Это обстоятельство определяет КПД и качество трансформаторов.

10

        § 1.2. Электронные приборы

     Электронным прибором называют устройство, действие которого связано с использованием электрических явлений в полупроводнике, вакууме или газе. Пространство, в котором протекают характерные для электронного прибора физические процессы, называют рабочим. Это пространство изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой. Поскольку рабочее пространство представляет собой либо кристалл полупроводника, либо вакуум, либо разреженный газ, соответственно различают полупроводниковые, электровакуумные и газоразрядные приборы (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Электронные приборы
     С точки зрения электропроводности все материалы разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники. В основу построения современных электронных приборов положено применение полупроводниковых материалов: германия, кремния, арсенида галлия, индия, карбида кремния и др.


     1.2.1. Электропроводность проводников и диэлектриков

     В состав всех тел входят одинаковые по своим свойствам элементарные заряженные частицы — носители зарядов. Но различные тела обладают разными электрическими свойствами, что обусловлено разным характером движения носителей зарядов в них. В одних телах заряженные частицы под действием внешнего электрического поля могут свободно перемещаться от атома к атому. Такие тела называют проводниками. В других под действием внешнего поля происходит лишь небольшое смещение частиц. Эти тела называют диэлектриками .
     Долгое время характер движения носителей зарядов объясняли различной степенью связи атомов в проводниках и диэлектриках. В действительности разделение тел на проводники и диэлектрики определяется различной структурой их энергетического спектра, т. е. объясняется законами квантовой механики.


11

      В квантовой механике движение носителей зарядов объясняется принципом Паули, согласно которому изолированный атом вещества обладает набором энергетических состояний (уровней). Набор энергетических уровней атома получил название энергетического спектра. Пример графического изображения спектра атома приведен на рис. 1.2, а. Разрешенный i-й уровень энергии атома обозначают символом 8р Графически ему соответствует горизонтальная линия.
      Энергия электронов атома может принимать только те уровни, которые находятся в его наборе. Кроме того, электроны обладают собственным моментом количества движения (спином). Проекция спина на какую-либо ось может иметь только два значения. Это означает, что в каждом энергетическом состоянии может находиться только один электрон с определенной ориентацией спина. Другими словами, любое энергетическое состояние атома может быть свободным или занятым, но если оно занято, то только одним электроном и не более.
      При объединении атомов в кристалл образуются кристаллические решетки. Ядра атомов занимают места в узлах решетки. Электронные оболочки атомов в большей или меньшей степени перекрываются. Теперь они принадлежат не отдельному атому, а всей решетке. Общим становится и энергетический спектр. Из каждого энергетического уровня г, возникает полоса уровней. Такую полосу называют разрешенной зоной.

Рис. 1.2. Энергетические спектры
      Расстояние между разрешенными зонами называют запрещенной зоной. Число электронов в разрешенной зоне равно числу однородных атомов в кристалле. Однако и в разрешенной зоне каждый электрон с определенной ориентацией спина занимает свой, отличный от других электронов уровень. Энергетический спектр кристаллической решетки приведен на рис. 1.2, б.

12