SI
Ситников Ю.К.
Электроника и схемотехника
(пополняемое и корректируемое электронное пособие)
02.09.12
Казань 2012
УДК 621.396.6
Ситников Ю.К. Электроника и схемотехника. Казань, 2012. – 142 с.
Для студентов 2-3 курсов, обучающихся по специальностям "Радиофизика", "Информационная безопасность", "Радиоэлектроника", «Компьютерная электроника».
© Ситников Юрий Кириллович. 2012.
Введение
Электроника является наукой о взаимодействия электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном, для передачи, хранения и обработки информации. Электронные приборы используются также в системах управления.
В электронике исследуются взаимодействие электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решётки [1].
Основными областями исследований в области электроники являются вакуумная электроника, твердотельная электроника и квантовая электроника.
Одна из проблем, стоящих перед электроникой, связана с необходимостью увеличения количества информации, обрабатываемой электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии.
В этом курсе рассматриваются электронные компоненты и работа устройств, выполненных с использованием электронных компонентов. Для описания этих устройств, как правило, будем применять их идеализированные графические модели или, попросту говоря, схемы.
1. Схемы
Схемой называется, изображение, описание, изложение чего-либо в общих, главных чертах. Изображение может быть графическим. Под графическим изображением подразумевают чертёж, воспроизводящий обычно с помощью условных обозначений и без соблюдения масштаба основную идею какого-либо устройства. [2].
В конструкторской документации схемой называется документ, в котором условными графическими обозначениями показаны составные части изделия или установки и (или) связи между ними. Далее будем рассматривать только схемы электронной аппаратуры, которые отображают типы электронных компонентов и виды связей между ними.
В соответствии с назначением различают схемы функциональные, принципиальные, структурные, схемы соединений, подключений, общие схемы и схемы расположения. Правила оформления схем устанавливаются государственными стандартами.
Функциональная схема должна раскрывать процессы, протекающие в устройстве и его отдельных частях.
Принципиальная схема определяет полный состав элементов в изделии и связей между ними. Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов. Таким образом, в соответствие с данным выше определением электроники, в этом курсе мы, преимущественно, будем работать с принципиальными электрическими схемами. Поскольку схема (идеализированное представление) не отражает полностью всех особенностей работы устройства, будем различными способами добавлять к схематическому представлению дополнительные сведения.
Структурная схема (блок-схема) определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи.
Схема соединений отображает внутренние и внешние связи составных частей изделия, способы прокладки, крепления или подсоединения проводов и кабелей и места их присоединения или ввода.
На схеме подключения показаны внешние подключения изделия.
2. Основные понятия
Научно-техническое направление, называемое схемотехникой, занимается исследованием и проектированием электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и других областей техники.
Термин схемотехника появился в 60 годах 20 века. Основная задача схемотехники — синтез, то есть, определение структуры электронных устройств, обеспечивающих выполнение определённых функций и расчёт параметров, входящих в эти устройства элементов.
В электронике и радиотехнике имеются два основных, первичных параметра: электрический ток и напряжение. Если подключить к электрической цепи источник электродвижущей1 силы, то в цепи будет протекать ток, при этом на элементах этой цепи возникает падение напряжения.
Токи и напряжения характеризуют состояние электрической цепи, а изменения токов и напряжений характеризуют процессы, происходящие в электрической цепи. Напряжение на схемах и в расчётных формулах обозначается латинской буквой U.
Величина напряжения (разность потенциалов на концах участка цепи) измеряется в вольтах и обозначается буквой В.
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов в проводящей среде. Электрический ток в формулах и на схемах обозначается латинской буквой i. Ток характеризуется величиной (силой тока) и направлением. Сила тока измеряется в амперах и обозначается буквой А. В электротехнике и радиотехнике направление тока задаётся направлением движения положительных зарядов. Иначе говоря, в электрической цепи ток течёт от положительного полюса источника к отрицательному. Если через сечение проводника за время dt прошёл заряд dq, то ток
I=dq/dt.
Электрическое напряжение определяется, как отношение энергии dW, необходимой для перемещения заряда dq из одной точки электрической цепи в другую, к величине этого заряда
U=dW/dq.
3. Элементная база электронных устройств
Элементной базой для создания электронных устройств служат дискретные электро- и радиоэлементы (компоненты), такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и интегральные компоненты (микросхемы) и другие. Далее в этом разделе рассматриваются только первые четыре компонента. Более сложные компоненты: транзисторы и интегральные микросхемы рассматриваются отдельно.
Теоретической основой схемотехники служат теория линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамика, теория автоматов.
Электронные устройства применяются как для работы с малыми сигналами, такие устройства принято называть аналоговыми, так и с большими прерывистыми сигналами. В последнем случае устройства относят к категории импульсных или цифровых. Понятия малый и большой сигнал определяются по отношению к характеристике прибора. Малый сигнал не выходит за пределы линейной (приблизительно линейной) области характеристики, а большой сигнал означает работу с существенным заходом в нелинейную область характеристики.
При анализе и синтезе электронных устройств используют их характеристики и параметры.
Характеристика в технике описывает взаимосвязь между зависимыми и независимыми переменными величинами, определяющими состояние технического объекта (прибора, устройства, машины, системы) или фазы протекающего процесса. Характеристика описывается в виде текста, таблицы, формулы, графика и т.п. Примером является зависимость электрического тока от электрического напряжения на участке электрической цепи – вольтамперная характеристика [3].
В технике параметром называется величина, характеризующая какое-либо свойство процесса, явления, системы, технического устройства. Из электрических параметров наиболее характерны сопротивление, индуктивность, ёмкость [4].
Электронное устройство создаётся путём соединения тем или иным образом электронных компонентов (одинаковых или разнообразных). Электронные компоненты, объединённые в устройстве, могут быть такие, что не требуют для своей работы специальный источник электрического тока, или такие, которые не могут работать без источника тока (источника электропитания).
В любом случае, в устройство подаётся электрический сигнал, который устройством преобразуется в большей или меньшей мере. Такой сигнал называется входным, а контакты, на которые подаётся этот сигнал, называются входными контактами или просто входом. Входные и выходные зажимы устройств показаны на рис. 3.1, соответственно точки 1 и 2 и точки 3 и 4. Сигнал, после его обработки в устройстве, появляется на других контактах устройства, называемых выходными или просто выходом.
3.1. Обозначение входных и выходных контактов устройства.
Кратко рассмотрим свойства компонентов, применяемых в электронных устройствах.
3.1. Резисторы
Для обозначения резистора применяют буквы R или r [10]. На принципиальных электрических схемах резистор, имеющий постоянное сопротивление, обозначается, как показано на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Условное обозначение резистора на принципиальных электрических схемах.
Можно также встретить обозначение, приведённое на рис. 3.3 2.
Рис. 3.3. Обозначение резистора, эквивалентное обозначению, приведённому на рис. 3.2.
Если резистор сделан таким образом, что его сопротивление можно изменять, то такой резистор называют переменным резистором (резистором с переменным сопротивлением или потенциометром). Условное обозначение такого резистора приведено на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Условное графическое обозначение переменного резистора.
К параметрам резистора относится его номинальное3 сопротивление, допустимое отклонение сопротивления резистора от номинального значения, выражаемое в процентах, и допустимая мощность, которая может рассеиваться резистором, без ухудшения его свойств. Сопротивление измеряется в Омах и указывается на электрических схемах с добавлением десятичных множителей.
Ток, протекающий по резистору, связан с напряжением, приложенным к его контактам, законом Ома для участка цепи. Закон Ома в данном случае описывает вольтамперную характеристику резистора, которая является линейной, рис. 3.5.
Рис. 3.5. Вольтамперная характеристика резистора.
Резисторы изготавливаются из проводящего материала: графита, тонкой металлической пленки, провода с невысокой проводимостью
3.2. Конденсаторы
Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем изолятора. Проводники называются обкладками. При протекании тока в цепи с конденсатором на его обкладках накапливаются заряды. Количество заряда, которое может быть накоплено на его обкладках при разности потенциалов U, характеризуется постоянным параметром, называемым ёмкостью конденсатора и обозначаемым латинской буквой С. На схемах для обозначения конденсатора также применяется буква С. Заряд
Q=CU.
Учитывая, что ток есть изменение заряда во времени и, дифференцируя по времени последнее выражение, получаем значение тока, текущего в цепи с конденсатором
I=CdU/dt.
Величина ёмкости положительна, измеряется в фарадах и обозначается буквой Ф.
Между обкладками заряженного конденсатора возникает электрическое поле. Если конденсатор не рассеивает энергию (идеальная модель конденсатора), то энергия электрического тока (энергия, получаемая от источника питания) превращается только в энергию электрического поля.
Конденсаторы применяются в колебательных контурах, фильтрах, для разделения цепей постоянного и переменного тока, в качестве блокировочных элементов. В цепях переменного тока конденсатор ведет себя как резистор, сопротивление которого уменьшается с ростом частоты.
Условное графическое изображение конденсатора приведено на рис.
Рис. . Условное графическое изображение конденсатора.
3.3. Катушки индуктивности
Проводник обладает ещё одним параметром, называемым индуктивностью. При протекании тока по проводнику вокруг проводника образуется магнитное поле. Полный магнитный поток этого поля Ψ выражается через изменение силы тока во времени и параметр проводника называемый индуктивностью. Обозначая индуктивность латинской буквой L, выразим магнитный поток
.
При изменении тока в электрическом контуре меняется поток магнитной индукции, через поверхность, ограниченную этим контуром. В результате этого в контуре развивается ЭДС, называемая ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения (производной) силы тока и индуктивности L
EL=Ldi/dt.
Катушка индуктивности – свернутый в спираль изолированный проводник, обладающий значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Материалом сердечника служит обычно железо или феррит в виде бруска, тора.
В цепях переменного тока катушка ведет себя как резистор, сопротивление которого растет с увеличением частоты
На электрических принципиальных схемах катушка индуктивности также обозначается буквой L, рис. .
Рис. . Графическое обозначение катушки индуктивности.