М
іністерство
освіти і науки України
Технічний коледж
Національного університету водного господарства та
природокористування
Курс лекцій
з дисципліни:
"Електроніка, мікроелектроніка, схемотехніка "
(І частина)
для студентів спеціальності 5.092503
"Монтаж і обслуговування засобів і систем автоматизації технологічного виробництва"
Рекомендовано до друку
методичною радою
Технічного коледжу НУВГП
Протокол № ___
від «___» _______2008 р.
Рівне – 2008
Курс лекцій для вивчення першого розділу з дисципліни “ Електроніка, мікроелектроніка, схемотехніка ” студентами ІІІ курсу спеціальності 5.092503 “Монтаж і обслуговування засобів і систем автоматизації технологічного виробництва ” С.В. Бєлікова.- Рівне: - 2008р.- 52с.
Упорядник: С.В.Бєлікова, викладач.
Рецензент: Г.М. Федорук, викладач вищої категорії
Відповідальний за випуск: заступник директора з
навчально-методичної роботи Л.І. Васьковець
ЗМІСТ
Передмова…………………………………………………………..….4
Лекція 1.Вступ. Основні поняття та напрямки розвитку електроніки, області її застосування. Стан та перспектива розвитку електронної техніки………….. 4.
Лекція 2. Конструктивні особливості та характеристики резисторів та конденсаторів……….…….…………7
Лекція 3. Напівпровідники, електронна структура, п-р перехід………………………………………………15
Лекція 4. Напівпровідникові прилади., принцип дії, основні характеристики……………..…………..…23
Лекція 5. Транзистори, біполярні та польові транзистори…………………………….…………...28
Лекція 6. Тиристори. Структура і принцип дії…………..47
Список рекомендованої літератури…………………...52
ПЕРЕДМОВА
Конспект лекцій призначений для вивчення першого розділу “Вступ. Елементи напівпровідникової електроніки“ з курсу “Електроніка, мікроелектроніка, схемотехніка“.. В конспективній формі сформульовані основні поняття та визначення основних термінів з курсу та довідкові дані. У кінці кожної лекції конспекту перераховані питання для самоконтролю для гарантованого рівня знань студента які , необхідні для отримання заліку.
Лекція №1
ТЕМА: Вступ. Основні поняття та напрямки розвитку електроніки, області її застосування. Стан та перспектива розвитку електронної техніки. Основні елементи електронних пристроїв.
Електроніка - галузь науки що вивчає фізичні явища в напівпровідникових елементах, електричні характеристики та властивості пристроїв і схем, побудованих на їх базі.
Становлення електроніки як науки можна віднести до початку XX ст., коли було винайдено електронну лампу – діод ( В. Флемінг, 1904р.). В 50-тих роках із винаходом напівпровідникового транзистора (У. Шоклі, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948р.) розпочався етап напівпровідникової електроніки. Завдяки своїм перевагам порівняно з вакуумними приладами, транзистори зумовили бурхливий розвиток електроніки, що характеризувався малогабаритністю та відносно малим енергоспоживанням.
Новий поштовх в розвитку електроніки надали інтегральні схеми (мікросхеми), промисловий випуск яких розпочався у шістдесятих роках й особливо сприяв інформаційній електроніці. Це призвело до створення надвеликих інтегральних схем, які стали основними компонентами мікропроцесорів і електронних обчислювальних машин. Використання інтегральних схем дало змогу збільшити надійність систем, зменшити їх габарити та споживну енергію.
Сьогодення електроніки характеризується широким використанням цифрових елементів, у яких дискретні сигнали шляхом їх кодування заміняються відповідними числами. Такі елементи оперують логічними одиницями, що забезпечує подання будь-якої інформації у двійковій системі числення.
Значні успіхи в багатьох областях науки і техніки зумовлені розвитком електроніки. Промисловість випускає майже всі електронні функціональні вузли, необхідні для створення пристроїв вимірювальної і обчислювальної техніки, а також систем автоматики: інтегральні електронні підсилювачі, комутатори, логічні елементи, помножувачі напруги, тригери, лічильникі імпульсів, суматори і т. д.
На основі великих інтегральних схем випускають мікропроцесори, які дозволяють реалізовувати велику кількість різноманітних операцій без будь-яких змін в технології виготовлення. Використання базових матричних кристалів і програмованих логічних матриць є іншим способом розширення функціональних можливостей інтегральних схем. Масово виготовляють єдині матриці не комутованих елементів. Електронні зв'язки проводять індивідуально на етапі формування пристроїв, виходячи з вимог замовника.
Основні етапи розвитку електроніки
Етапи |
Роки |
Елементна база |
Характерні ознаки |
Перший |
1904-1948 |
Вакуумні електронні лампи |
Великі габарити, велике енергоспоживання |
Другий |
1948-1960 |
Напівпровідникові діоди, транзистори, тиристори. |
Зменшення габаритів. Підвищення надійності. Друкований монтаж. |
Третій |
1960-1980 |
Інтегральні схеми |
Блочна конструкція схем. Мале споживання енергії. |
Четвертий |
1980-теперишній час |
Великі та надвеликі інтегральні схеми. |
Схема як пристрій електроніки з певними функціональними можливостями. Блочне компонування. |
Лекція №2
ТЕМА: Конструктивні особливості та характеристики резисторів та конденсаторів.
план:
Конденсатори.
1.1.Основні характеристики;
1.2.Застосування конденсаторів ;
Резистори;
2.1.Основні характеристики та властивості резисторів,
2.2.Застосування резисторів .
1. Конденсатори
В 1745 році в Лейдині німецький фізик Евальд Юрген фон Клецст і голландський фізик Пітер Ван Мушенбрук створили перший конденсатор – "лейденську банку."
Лейденська банка представляла собою закриту і наповнену водою скляну банку, обклеєну ззовні і всередині фольгою. Крізь кришку в банці був запханий металічний стержень. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди, порядку мікро кулона. Винайдення лейденської банки стимулювало до вивчення електрики, а саме його швидкість, розподіл і електропровідні властивості деяких матеріалів. Звідти вияснили що вода і метали найкращі провідники електрики. Завдяки лейденській банці вдалося вперше штучним шляхом отримати електричну іскру.
Конденсатор
— система двох (або кількох) близько
розташованих тонких провідників,
розділених шаром діелектрика.
Конденсатори
служать для нагромадження заряду і
широко застосовуються в електротехніці,
особливо в радіотехніці.
Характеристики конденсаторів.
Основні параметри
1. Ємкість. Основною характеристикою конденсатора являється його електрична ємність (точніше номінальна ємність), яка визначає його заряд в залежності від напруги на обкладках (q = CU). Типове значення ємності конденсаторів становлять від одиниці піко фарад до сотень мікрофарад.Але і існують конденсатори з ємністю до десятків фарад.
2. Питома ємність. Це є відношення ємності до об’єму (або маси) діелектрика. Максимальне значення питомої ємності досягається при мінімальній товщині діелектрика, однак при цьому зменшується його напруга пробою.
3. Номінальна напруга. Це значення напруги яка зазначена на конденсаторі, при якому він може апрацювати в заданих умовах протягом строку служби з збереженням параметрів в допустимих границях.
Номінальна напруга залежить від конструкцій конденсатора і властивостей прийнятих матеріалів. При експлуатації напруга на конденсаторі не повинна перевищувати номінального. Для багатьох конденсаторів з збільшенням температури гранична напруга знижується.
4. Полярність Багато конденсаторів з оксидним діелектриком (електролітичні) функціонують тільки при коректній полярності напруги із-за хімічних особливостей взаємодії електроліта з діелектриком. При зворотній полярності напруги, електролітичні конденсатори зазвичай виходять з ладу через хімічне руйнуванням діелектрика, з послідуючим збільшенням струму, вскіпанням електроліту в середині, і як наслідок з можливістю взриву корпуса.
Це доволі поширене явище. Основною причиною взриву являється перегрів конденсатора, в результаті старіння. Для зменшення пошкодження других деталей і травматизму персоналу в сучасних конденсаторах великої ємкості встановлюють клапан або виконують надсічку на корпусі. При підвищенні внутрішнього тиску відкривається клапан або корпус руйнується на надсічці, електроліт що впарувався виходить у вигляді їдкого газу і тиск спадає без взриву.
Класифікація конденсаторів.
За видом діелектрика конденсатори поділяють на п´ять груп:
з газоподібним діалектриком (повітряні, вакуумні, газонаповнені).
з рідкім діалектриком.
з твердим неорганічним діалектриком
(керамічні, склокерамічні, склоемалеві, склоплівкові, слюдяні).
з твердим органічним діалектриком
(паперові, фторопластові, поліетиленфтоларні).
з Оксидним діалектриком
(електролітичні, оксиднонапівпровідникові).
Обкладки виконують з використанням алюмінію,титану, ніобію, танталу.
В конденсаторах виникають електричні та акустичні шуми. Акустичні шуми обумовлені вібрацією обкладок під дією колонівських та електродинамічних сил.
Електричні шуми виникають в результаті місцевих розрядів, стрибкоподібних змін в ємності та механічних впливів.
Повне позначення конденсатора складається з чотирьох елементів.
Наприклад: К10 – 25 – 100 пФ ± 10% М47 – Нм – В
Перший елемент – скорочене позначення (К10 – 25).
Другий елемент – основні параметри (100 пФ номінальна ємність; ± 10% - відхилення, М47 – група по теплоій ємності ТКЄ,
Нм – відсутність мерехтіння).
Третій елемент – кліматичне виконання
(В-кліматичне, Т-тропічне).
Скорочене позначення складається з трьох елементів:
буква, що характеризує підклас (К-постійної ємності,
КТ-підстроювальний, КП-змінної ємності, КС-конденсаторний збір).
цифра, що характеризує тип діелектрика.
порядковий номер розробки.
Для позначення номінальної ємності допустимого відхилення та групи температурної стабільності застосовують кодоване позначення.
Букви:
P - 10-12
n - 10-9
µ - 10-6
m - 10-3
F - 1
За позначенням ємності слідує буква, що характеризує допустиме відхилення.
Основні параметри конденсаторів
Номінальна ємність.
Допустиме відхилення ємності.
Тангенс кута втрат.
Струм втрат.
Опір ізоляції.
Температурний коефіцієнт ємності (ТК).
Номінальна напруга.
В електроніці використовують також нелінійні конденсатори, в яких ємність залежить від напруженості ЕП і вних статичне значення ємності та диференціалу ємність мають різні значення.
Нелінійні конденсатори, виконані на основі сегнетоелектриків, одержали назву варикондів, а виконані на основі р-п переходів називають варикапами. Використовують їх для настроювання резонансних контурів на частоту.
Позначення конденсаторів на схемі
а – постійний
б – електролітичний
в – регульований
г – підстроювальний
д – вариконд.
Застосування конденсаторів:
Конденсатори знаходять застосування в всіх областях електротехніки. При швидкому розряді конденсатора можна отримати імпульс великої потужності, наприклад в фотовспишках, імпульсних лазерах з оптичною накачкою. Так як конденсатор здатний довгий час зберігати заряд, то його можна використовувати в якості елемента пам'яті або прилад для збереження електричної енергії. В промисловій електротехніці конденсатори використовуються для компенсації реактивної потужності і фільтрах вищих гармонік.