Электротехника и электроника


ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 996 г.




М.В. Гальперин




ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА


            УЧЕБНИК


2-е издание



Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по укрупненной группе специальностей и направлений
          11.03.00 «Электроника, радиотехника и системы связи»,
12.03.00 «Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии» (квалификация (степень) «бакалавр»)



            znanium.com



Москва

2020

ИНФРА-М

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
      Г17

      Рецензенты:
         Соколов В.В. — кандидат физико-математических наук, директор Московского государственного техникума технологии, экономики и права имени Л.Б. Красина;
         Грибань Т.Н. — заместитель директора по учебной работе Московского радиотехнического колледжа имени академика А.А. Расплетина;
         Мельник Л.Г. — преподаватель, председатель предметно-цикловой комиссии Московского радиотехнического колледжа имени академика А.А. Расплетина

      Гальперин М.В.
Г17 Электротехника и электроника : учебник / М.В. Гальперин. — 2-е изд. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 480 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

         ISBN 978-5-00091-660-5 (ФОРУМ)
         ISBN 978-5-16-014863-2 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-107681-1 (ИНФРА-М, online)
         В учебнике рассмотрены электрические и электромагнитные поля, электрические цепи постоянного и переменного тока, трансформаторы, электрические машины и электропривод, передача и распределение электроэнергии, физические принципы действия, структуры и схемы включения полупроводниковых и фотоэлектронных приборов (диодов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов, фоторезисторов, фото-и светодиодов, фототранзисторов, жидкокристаллических и электронно-лучевых дисплеев и фотоумножителей), типовые электронные узлы и устройства: усилительные каскады, операционные усилители, компараторы, электронные выпрямители, линейные и импульсные стабилизаторы, трансформаторы постоянного тока, генераторы сигналов и таймеры. Описаны основные семейства логических элементов и выполнение на их базе логических операций, построение цифровых узлов и их применение в электронных устройствах автоматики и вычислительной техники, запоминающие устройства, структура микропроцессоров и микроЭВМ, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Изложены принципы работы электроизмерительных приборов и устройств, методы их защиты от внешних и внутренних помех.
         Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим специальностям.
УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73





ISBN 978-5-00091-660-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014863-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-107681-1 (ИНФРА-М, online)

© Гальперин М.В., 2019
© ФОРУМ, 2019

                Предисловие







   Электротехника и электроника стали неотъемлемой частью современной технической культуры и содержат огромное число специализированных областей. Подходы и расчетные методы, используемые в различных областях электротехники и электроники, зачастую очень сильно различаются. Специалист по электродвигателям использует язык, не имеющий ничего общего с языком описания компьютерной техники, а связист применяет совершенно другую, третью терминологию. Однако при построении единого общеобразовательного курса электротехники и электроники такое разноязычие было бы недопустимо. Поэтому настоящий учебник включает в себя только наиболее общие элементы и понятия, знакомство с которыми необходимо современному техническому специалисту. Внимание сосредоточено на физических законах, лежащих в основании электрических и электронных машин и агрегатов, а также на ключевых практических сторонах устройства и эксплуатации оборудования, таких как проблема устойчивости, стабилизация режимов и защита от перегрузок и помех.
   Значительная часть книги посвящена компонентам электрических и электронных узлов и систем, их характеристикам и способам представления в виде упрощенных моделей. Эти знания нужны не только разработчику аппаратуры, они нужны и тому, кто ее использует, — иначе он не сможет обеспечить ее эффективную эксплуатацию или будет применять сложное оборудование и приемы там, где можно обойтись простыми средствами.
   Внедрение компьютерной техники в системы управления технологическими агрегатами, на транспорте, и в других самых разнообразных отраслях требует прежде всего грамотного построения и эксплуатации внешней «обвязки» компьютеров. Поэтому здесь уделено много места организации измерений, линиям связи и технике усиления и преобразования информации,

Предисловие


поступающей от датчиков в компьютер и от компьютера к исполнительным механизмам.
   Для работы с учебником достаточно знания математики и физики в объеме средней школы, в том числе операций с комплексными числами и элементов математического анализа. Чтобы облегчить пользование книгой неопытному читателю, ниже приведены перечни основных аббревиатур и обозначений, а также используемых единиц измерения.
   Список литературы включает в себя ряд современных изданий и учебников, а также монографий, наиболее полно отражающие рассмотренные вопросы и полезных для их углубленного изучения.
   Всех читателей, заметивших опечатки и иные погрешности в книге, автор просит сообщать о них в издательство.
Автор

                Основные аббревиатуры и обозначения







   Заглавные буквы в индексах и на рисунках К, Б, Э означают соответственно «коллектор», «база», «эмиттер», С, З, И — «сток», «исток», «затвор». Под термином «земля» подразумевается провод или шина, потенциал которой принимается равным нулю. Векторы обозначаются жирным шрифтом, прямыми латинскими буквами. Символ || означает параллельное соединение элементов в электрической цепи. Например, R 11| R₂ означает параллельное соединение резисторов R 1 и R₂.

   АМ — амплитудная модуляция;
   АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
   ГР — схема гальванического разделения цепей;
   ЗУ — запоминающее устройство;
   КЗ — короткое замыкание;
   КМОП — схемы и логические элементы с комплементарными полевыми транзисторами обогащенного типа со структурой металл-окисел-полупроводник;
   КОСС — коэффициент ослабления синфазного сигнала;
   КОДП — коэффициент ослабления дифференциальной помехи;
   ЛАЧХ — логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;
   МОП — структура металл-окисел-полупроводник;
   ОБ — схема с общей базой;
   ОК — схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель);
   ОУ — операционный усилитель;
   ОЭ — схема с общим эмиттером;
   ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;
   ППЗУ — перезаписываемое постоянное запоминающее устройство;

Основные аббревиатуры и обозначения

   ПТ — полевой транзистор с p-n-переходом;
   ТТЛ — транзисторно-транзисторные логические схемы;
   ТТЛШ — транзисторно-транзисторные логические схемы с диодами (транзисторами) Шоттки;
   ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты и схемы, ее реализующие;
   ФЧХ — фазо-частотная характеристика;
   XX — холостой ход;
   ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь;
   ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;
   ЧМ — частотная модуляция;
   ШИМ — широтно-импульсная модуляция;
   ЭДС — электродвижущая сила;
   ЭЛТ — электроннолучевая трубка;
   В — магнитная индукция;
   В — модуль вектора магнитной индукции;
   Bмакс — индукция насыщения ферромагнетиков;
   BR — остаточная магнитная индукция ферромагнетиков;
   C — электрическая емкость;
   Cвп — емкость фильтра выпрямителя;
   Cк и CЭ — емкости коллекторного и эмиттерного переходов биполярного транзистора;
   Cн — емкость нагрузки;
   CЗС — емкость затвор—сток полевого транзистора;
   c = 3 • 10⁸ м с ¹ — скорость света в вакууме;
   E — вектор напряженности электрического поля;
   E — модуль вектора напряженности электрического поля и напряжение источника питания;
   Eсм — напряжение источника смещения;
   F — вектор силы;
   f — частота, число оборотов в секунду;
   /ф в — верхняя граничная частота (полосы пропускания схемы или цепи);
   Угр н — нижняя граничная частота (полосы пропускания схемы или цепи);
   G — проводимость;

Основные аббревиатуры и обозначения

7

   I — сила тока;
   I₀ — тепловой ток p-n-перехода;
   Iв, ¹б — ток базы биполярного транзистора для большого и малого сигнала соответственно;
   Iг — сила тока генератора или источника;
   IK — ток коллектора;
   Ig-з — ток короткого замыкания;
   Iобр — обратный ток p-n-перехода;
   IC — ток стока (канала) полевого транзистора;
   IC наЧ — начальный ток стока (канала) полевого транзистора;
   I,м — ток смещения дифференциального каскада или операционного усилителя;
   Iг — ток термогенерации p-n-перехода;
   Iэ — ток эмиттера;
   H — вектор напряженности магнитного поля;
   H — модуль вектора напряженности магнитного поля;
   HC — коэрцитивная сила ферромагнетиков;
   h ₁₁э — собственное входное сопротивление транзистора, измеряемое между базой и эмиттером, для сигнала, приложенного к базе;
   h₂₁Б — статический коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общей базой (ОБ);
   h₂₁э — статический коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ);
   h₂₁э — коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) для малого сигнала;
   j — мнимая единица, (-1)¹/²;
   K(го) — модуль коэффициента передачи на частоте го, ЛАЧХ;
   K(jго) — комплексный передаточный коэффициент (коэффициент усиления) звена или схемы;
   K,.с — коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью;
   KU(jго) — комплексный коэффициент усиления по напряжению;
   KU₀ — коэффициент усиления по напряжению в пределах полосы пропускания;

Основные аббревиатуры и обозначения

   kг — коэффициент нелинейных искажений (гармоник);
   L — индуктивность;
   l — расстояние, длина;
   M — намагниченность (тела);
   M — взаимная индуктивность и крутящий момент;
   P — мощность;
   PH — мощность в нагрузке;
   Pдоп — допустимая мощность рассеяния прибора;
   Q, q — электрический заряд или q — плотность заряда;
   R — активное сопротивление и радиус (расстояние);
   Rн и Rг — активные сопротивления нагрузки и источника;
   Rᵥₓ — входное активное сопротивление цепи или схемы;
   Rвых — выходное активное сопротивление цепи или схемы;
   r — дифференциальное активное сопротивление;
   r, r0 — расстояние или радиус;
   r5 — объемное сопротивление базы биполярного транзистора или диода;
   rк — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода на низкой частоте;
   rс — дифференциальное сопротивление стока полевого транзистора;
   rэо — объемное сопротивление эмиттера биполярного транзистора или диода;
   rэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода биполярного транзистора или диода;
   S — площадь поверхности или крутизна усилительного прибора (например, транзистора);
   T — постоянная времени или период колебаний;
   t — время;
   tрас — время рассасывания заряда неосновных носителей в базе;
   tфр — длительность фронта импульсного сигнала;
   U — разность потенциалов, напряжение относительно нулевой шины (земли);
   Uа — амплитуда сигнала;

Основные аббревиатуры и обозначения

9

   U₅Э — напряжение между внешними выводами эмиттера и базы прямосмещенного p-n-перехода эмитгер—база биполярного транзистора или диода;
   UЗЭнас и U<Энас — остаточные напряжения на базе и коллекторе насыщенного биполярного транзистора;
   Uвх, ивх — напряжение на входе цепи или схемы для большого и малого сигнала соответственно;
   Uжсинф — синфазное входное напряжение;
   U!ых, ивых — напряжение на выходе цепи или схемы для большого и малого сигнала соответственно;
   U5и — напряжение затвор—исток полевого транзистора;
   U;Иотс — напряжение затвор—исток отсечки тока канала полевого транзистора;
   U;Ипор — пороговое напряжение обогащенного полевого транзистора с изолированным затвором;
   U<Э — напряжение между коллектором и эмиттером биполярного транзистора;
   UH — напряжение на нагрузке;
   UСИ — напряжение сток—исток полевого транзистора;
   U;дв ₀ — напряжение сдвига нуля дифференциального каскада или операционного усилителя;
   U— напряжение холостого хода;
   иₒc — напряжение обратной связи;
   их — напряжение сигнала в суммирующей точке;
   W — работа или энергия;
   w — число витков катушки, дросселя или обмотки трансформатора;
   Z(jго), Z — комплексное сопротивление;
   Zн — комплексное сопротивление нагрузки;
   2вх Е — комплексное входное сопротивление в суммирующей точке;
   Р — коэффициент передачи цепи обратной связи;
   у — коэффициент передачи входной цепи в схеме с обратной связью;
   Д — знак малого приращения;
   £ — электродвижущая сила (ЭДС);

Основные аббревиатуры и обозначения

    е — относительная диэлектрическая проницаемость;
    е₀ = р₀ ¹ c ² (c = 3 • 10⁸ м с ¹ — скорость света в вакууме) — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная);
    ж — магнитная восприимчивость;
    р — относительная магнитная проницаемость среды;
    ра — абсолютная магнитная проницаемость среды;
    р₀ = 4л 10 ⁷ Н • с² Кё ² — абсолютная магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная);
    S, — декремент затухания;
    П — поток вектора напряженности электрического поля;
    р — удельное сопротивление;
    ©доп — допустимая температура p-n-переходов (типичное значение для кремния 150 °C);
    ©окр — температура окружающей среды;
    т — время жизни носителей в базе биполярного транзистора;
    Ф — магнитный поток;
    Ф — угол фазового сдвига и потенциал;
    Ф₀ — температурный потенциал;
    Дфк — контактная разность потенциалов;
    ф(го) — фазо-частотная характеристика;
    Т — потокосцепление (магнитных полей);
    го — круговая частота.