ЭЛЕКТРОТЕХНИКА С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОНИКИ
| Министерство образования Республики Беларусь УО «Брестский государственный политехнический колледж» |
| «УТВЕРЖДАЮ» Зам. директора по учебной работе _______________ Н.В.Ратникова «__»_______________2008 г. |
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОНИКИ
Опорный конспект лекций
Для учащихся машиностроительного отделения по специальности
2-36 01 31 «Металлорежущие станки и инструменты»
БРЕСТ 2008
Опорный конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании цикловой комиссии машиностроительного отделения Протокол № _____ от «___»____________ 2008 г. Председатель_______________ /Василевская Е.А./Общие сведения
Возникновение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства и в частности электротехники. В цепи замечательных открытий и изобретений в этой области следует особо выделить такие достижения, как открытие явления термоэлектронной эмиссии
(1887 г.), создание электровакуумного диода английским ученым Я. Флемингом (1904 г.) и триода Ли де Форестом в США в 1907 г. Эти изобретения позволили генерировать и усиливать электромагнитные колебания. Электроника – важнейшая отрасль науки и техники, изучающая физические процессы, происходящие в электровакуумных и полупроводниковых приборах при взаимодействии заряженных частиц и электрических полей, а также занимающаяся разработкой и созданием электронных приборов и устройств для измерения, контроля, обработки и хранения информации.
Особо следует отметить открытие в 1889 г. русским физиком А.С. Поповым возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на большие расстояния и создание им в 1895 г. первого в мире радиоприемника.
В 1907 г. русский физик Б.Л. Розинг сформулировал основные принципы телевидения.
Огромный скачок в развитии электроники произошел после открытия в 1922 г. О.В. Лосевым явления проводимости в полупроводниках и разработки группой физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе теории полупроводников и их технического применения. После этого использование полупроводниковых приборов в различных областях электроники, радиотехники, вычислительной техники приобрело массовый характер.
Современный этап развития электроники и электронной техники характеризуется использованием новых материалов и технологий, все более сложных и надежных электронных устройств. В связи с этим наибольшее развитие получила интегральная электроника. Первые интегральные микросхемы были созданы в США в 1958 г. Д. Килби и Р. Нойсом.
Создание микросхем позволило существенно снизить размеры и энергопотребление устройств, повысить их надежность и быстродействие.
Исследование высоких технологий в современном производстве способствовало повышению плотности размещения элементов микросхемы в кристалле, что привело к появлению микропроцессоров – основных элементов современных электронно-вычислительных машин.
Современные электронные приборы и устройства широко применяют в различных областях производства при автоматизации технологических процессов, в компьютеризации производственных процессов. В связи с этим изучение электроники будущими специалистами производства, независимо от области их деятельности, позволит существенно повысить их профессиональный уровень.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Электровакуумные приборы
В электронно-управляемых приборах – лампах – проводимость обусловлена только свободными электронами, возникающими за счет эмиссии. Лампа… Электронные лампы используются в электронных приборах для выпрямления… В газоразрядных приборах проводимость обеспечивается в основном наличием в баллоне какого-либо инертного газа. При…Полупроводниковые приборы
Элементы физики полупроводников
Полупроводниками являются химические элементы (германий, кремний, теллур, селен и др.), окислы металлов, сернистые соединения (сульфиды),… Упрощенная схема структуры кристалла четырехвалентного элемента (например,… Такое вещество не проводит электрического тока, т.е. ведет себя как изолятор.Полупроводниковые диоды
Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не… а) б)Стабилитроны
Из характеристики видно, что напряжение стабилизации слабо изменяется при достаточно больших изменениях тока стабилизации . Это свойство… Одним из основных параметров, учитываемых при выборе стабилитронов, является… Напряжение стабилизации зависит также от температуры стабилитрона. Количественно эта зависимость выражается…Тиристоры
Напряжение питания тиристора является обратным напряжением для электронно-дырочного перехода П2. Соответственно ток (при = 0) тиристора,… Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П1 и П3… Рис. 12.8 Рис. 12.9Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух электронно-дырочных переходов с общей n-областью (или р-областью), взаимодействующих… В основе указанного взаимодействия лежит явление инжекции – ввода неосновных… Ввод дырок одной из р-областей в общую n-область происходит в несимметричном p-n – переходе при прохождении через него…Полевые транзисторы
Униполярный транзистор представляет собой полупроводник с электронно-дырочным переходом, управляемым обратным напряжением. Конструкция и условные… а) б) в)Интегральные микросхемы
В зависимости от технологии изготовления микросхемы разделяют на гибридные и полупроводниковые. Гибридная микросхема представляет собой… Активные элементы – бескорпусные полупроводниковые приборы – навешивают на… Основным достоинством гибридных микросхем является высокая точность параметров элементов, входящих в микросхему,…ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Индикаторные приборы
Индикаторные приборы служат для преобразования электрических сигналов в визуально воспринимаемую информацию. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили электронно-лучевые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы.
Электронно-лучевые индикаторы
Электронно-лучевой индикатор состоит из электронно-лучевой трубки, представляющей собой вытянутый в направлении луча стеклянный баллон с глубоким… Управление отклонением луча на экране осуществляется с помощью двух пар… Основными характеристиками электронно-лучевой трубки являются:Вакуумно-люминесцентные индикаторы
Принцип действия индикатора основан на преобразовании кинетической энергии электронов в видимое излучение люминофорного покрытия анодов-сегментов.… Вследствие низкого напряжения питания (20...25 В) и малой потребляемой…Газоразрядные индикаторы
При напряжении между электродами (анодом и катодом), достаточном для лавинообразной ионизации инертного газа движущимися в электрическом поле… Ионизация и рекомбинация наиболее интенсивно происходят вблизи катода, где… Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они представляют собой два металлических…Полупроводниковые индикаторы
Полупроводниковые индикаторы подразделяются на дискретные (точечные), предназначенные для отображения цветной световой точки (рис. 13.7 а), и… а) б) в) Рис. 13.7Жидкокристаллические индикаторы
Индикатор (рис.13.8) представляет собой две стеклянные пластинки 1, между которыми размещен тонкий слой (10...20 мкм) жидкого кристалла 2. На внутренние поверхности пластин нанесены тонкопленочные проводящие… При отсутствии электрического поля молекулы жидкого кристалла ориентированы вдоль одной оси и образуют прозрачную для…Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические. К оптоэлектронным приборам относят светоизлучающие диоды, оптопары и волоконно-оптические приборы.
Светоизлучающие диоды
Устройство светодиода и его условное обозначение показаны на рис. 13.9. Часто светодиод снабжают пластмассовой светорассеивающей линзой. В таком…ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ
Электронные усилители
Транзисторные усилители
В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока;… В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения… В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощностиОперационные усилители
На принципиальных схемах в самом общем виде операционный усилитель обычно изображают в виде прямоугольника с двумя входными и одним выходным… Основные параметры схем, выполняемых на операционном усилителе (ОУ), удобно… 1) коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью бесконечно большой;Электронные генераторы
Электронным генератором называют устройство, создающее электрические колебания определенной частоты и формы и использующее для этого энергию источника постоянного тока (напряжения).
По принципу действия генераторы бывают с внешним[2] и внутренним возбуждением. Генераторы с внутренним возбуждением (автогенераторы) возбуждаются самостоятельно (без внешнего источника). Основными характеристиками генераторов являются форма, частота и амплитуда создаваемых колебаний.
По форме колебаний генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных колебаний и генераторы несинусоидальных (релаксационных) колебаний.
По частоте колебаний генераторы подразделяются на низкочастотные (от долей герц до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц … 10 мГц) и сверхвысокочастотные (более 10 мГц).
Важными характеристиками являются мощность выходного сигнала, стабильность частоты и коэффициент полезного действия.
Генераторы синусоидальных колебаний
Рис. 14.12 За счет влияния цепи обратной связи на делитель на его выходе появляется… Чтобы на выходе генератора получить периодические колебания заданной частоты, в цепь его обратной связи необходимо…Мультивибраторы
Мультивибраторы бывают симметричные, если транзисторы VT1 и VT2 (рис. 14.14) и аналогичные элементы схемы каждого усилителя одинаковы, и… Рис. 14.15ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Логические элементы
Логические преобразования включают в себя три основные элементарные операции. Тип операции и соответствующий ей логический элемент, а также правила… Таблица 16.1 Тип элемента Логическая операция …Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Рис. 16.4Микропроцессоры
Микропроцессор обрабатывает входные данные с помощью команд, представленных в двоичном коде. Двоичная система исчисления (с основанием 2) использует… Архитектура микропроцессора отражает структуру… Рис. 16.7ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Общие сведения
Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).
 |
Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование. Структурная схема источника питания представлена на рис. 17.1.
Рис. 17.1
В связи с этим источники питания электронных устройств классифицируются по виду преобразования энергии первичного источника – источники постоянного тока (инверторы) и источники переменного тока (выпрямители). Источники питания, преобразующие энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в свою очередь делятся на выпрямители однофазного и трехфазного тока, регулируемые и нерегулируемые.
Полупроводниковые элементы, особенно интегральные микросхемы, используемые в современных электронных устройствах, предъявляют жесткие требования к качеству потребляемой энергии. Так, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, строго синусоидальную для инверторов), минимальный уровень пульсации постоянного тока (выпрямители).
Выпрямители
Однофазные выпрямители
Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод – вентиль. Для преобразования однофазного переменного напряжения в источниках в основном… Выпрямитель состоит из трансформатора ТV, первичная обмотка которого включена в сеть переменного тока, а…Трехфазные выпрямители
В состав трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой (рис. 17.5 а) входят трехфазный трансформатор с соединением обмоток звездой, три диода,… Диоды выпрямителя работают поочередно, каждый в течение трети периода. Ток…Управляемые выпрямители
Основным элементом управляемого выпрямителя является тиристор, который включается при подаче импульса на его управляющий электрод со схемы… Управляющие импульсы формируются электронной импульсно-фазовой системой… Обычно управляемые выпрямители строят по тем же схемам, что и неуправляемые. Наиболее распространенные схемы…Сглаживающие фильтры
В схемах источников питания сглаживающие фильтры включают между диодной (тиристорной) группой и нагрузкой. Основными элементами сглаживающих… Простейшие фильтры состоят, как правило, из одного реактивного элемента –… Основными параметрами, характеризующими работу фильтра, являются:Стабилизаторы
Стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы напряжения и тока, параметрические и компенсационные, непрерывного и импульсного регулирования. Основной характеристикой работы любого стабилизатора является коэффициент… по напряжениюИнверторы
В состав блока питания электронных устройств входят так называемые автономные инверторы, осуществляющие преобразование постоянного тока в переменный… Рассмотрим устройство и работу инвертора на… а) б)ЛИТЕРАТУРА
1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М., 1983.
2. Обозначения условные графические в схемах. ГОСТ 2.728-74, 2.747-68, 2.730-732.785-74.
3. Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. – М., 1976.
4. Усс Л.В., Красько А.С., Климович Г.С. Общая электротехника с основами электроники. – Мн., 1990.
5. Касаткин А. С, Немцов М. В. Курс электротехники. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2005.
6. Электротехника: Учеб. пособие для вузов /Б. А. Волынский, Е. Н. Зейн, В. Е. Шатерников. – М.: Энергоатомиздат, 1987.
[1] электронно-оптические приборы будут рассматриваться в последующих главах
[2] в настоящей книге не рассматривается