Электронные средства широко используются во всех сферах человеческой деятельности: автоматизированном производстве и проектировании, управлении бытовыми приборами и автотранспортом, предсказании погоды и медицинской диагностике. Роль электроники определяется ее существенным вкладом в развитие практически всех направлений науки и техники, характеризующих индустриальный потенциал общества.

Электронные силовые и управляющие устройства, встроенные в технологические приборы, во многом определяют свойства и параметры оборудования. Поэтому специалисты, занимающиеся проектированием и эксплуатацией промышленных систем, должны быть знакомы с принципами работы электронных средств и их основными характеристиками.

Электронным средством (прибором) называют изделие и его составные части, в основе функционирования которых лежат принципы и явления электронного взаимодействия.

Э л е к т р о н и к а представляет собой область науки, изучающую взаимодействии электрических зарядов и электромагнитного поля в различных средах (вакууме, твердом теле, газе, плазме) при электрических, оптических, тепловых и других внешних воздействиях с целью создания электронных приборов. Электронная промышленность, как отрасль техники, занимается разработкой и созданием электронной аппаратуры различного назначения от систем управления мощными электродвигателями до вычислительных сетей и систем спутниковой связи.

За более чем столетний период своего развития сменилось несколько поколений электронных изделий, имеющих существенно отличающиеся функциональные возможности, принципы действия, и конструктивно - технологическое исполнение.

Первое поколение электронных средств характеризуется преимущественным использованием электровакуумных приборов в качестве активных элементов. Электронная аппаратура представляла собой совокупность электронных ламп и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек и др.), закрепленных на специальных панелях и объединенных в электрическую схему посредством проволочных проводников. Они имели значительные габариты и небольшой срок службы.

Второе поколение электронных приборов связывают с созданием полупроводниковых транзисторов, применение которых привело к повышению надежности и существенному снижению габаритных размеров устройств. Наряду с проводными соединениями развивалась технология печатного монтажа, позволяющая автоматизировать процесс сборки.

Появление пленочной технологии с одновременным исполнением электронных компонентов и их соединений, а также возможность изготовления однотипных изделий в едином технологическом цикле ознаменовало переход к этапу интегральной микроэлектроники.

Таким образом, поколения электронных средств различаются типом электронных элементов и конструктивными способами их объединения в функциональные блоки и системы. Свойства электронных устройств определяются единством трех составляющих: схемного построения, элементной (технологической) базы и конструктивного исполнения.

Существенные различия в условиях эксплуатации и требованиях к электронным приборам в зависимости от области использования обусловили огромную номенклатуру производимых изделий. Изучение электронных приборов базируется на классификационных признаках, характеризующих их основные свойства. Возможно множество подходов к классификации с выбором в качестве определяющих разных факторов.

Наиболее распространена классификация по виду физико - химических явлений и процессов, заложенных в принципы функционирования и изготовления изделий. В соответствии с таким признаком электронные приборы подразделяют на в а к у у м н ы е (электронные лампы, электронно – лучевые трубки и т.п.), т в е р д о т е л ь н ы е (полупроводниковые приборы, оптоэлектронные элементы и т.п.), к в а н т о в ы е (лазерные приборы, голографические устройства и т.п.).

По назначению электронных средств их делят на две группы:

• силовые приборы (преобразователи мощности), служащие для придания заданных свойств электрическим напряжениям (токам), поступающим от неуправляемых источников;

• информационные устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов, служащих носителями информации.

По виду входных и выходных сигналов выделяют преобразователи:

• аналоговые, работающие с непрерывными во времени сигналами;

• дискретные (импульсные), оперирующие сигналами, которые существуют только на ограниченных временных интервалах,

• дискретно – аналоговые, осуществляющие преобразование одного вида сигнала в другой.

В отдельную группу выделяют цифровые устройства, оперирующие квантованными сигналами, которые представлены кодированными импульсными последовательностями.

По конструктивно – технологическому исполнению выделяют приборы, выпускаемые в виде: отдельных компонентов (транзисторы, диоды); интегральных микросхем (ИМС).

Изучение принципов работы и свойств электронных устройств возможно с помощью принципов:

1) типичности, т.е. повторяемости признаков для устройств определенного класса (рассматриваются устройства, в которых детально раскрываются характерные;

2) дифференциации материала, т. е. выделении фундаментальных признаков и характеристик класса; описании основных физических явлений, схемных моделей и конструкционно-технологических решений;

3) использования справочных данных и параметров конкретных устройств из рассматриваемой группы для иллюстративных примеров.

Теоретической основой исследования электронных устройств являются методы анализа электрических и электронных цепей. Схемотехника электронных систем базируется на законах преобразования электрических токов и напряжений в цепях, под воздействием электрических сигналов различной формы. Совершенствование и функциональное усложнение электронных устройств немыслимо без создания современных средств их автоматизированного проектирования, включающих теоретические предпосылки построения моделей элементов, разработку численных методов и программных средств их исследования.

При промышленном выпуске широкой номенклатуры типовых электронных устройств в виде интегральных микросхем, с использованием которых можно создать любой функциональный блок, отпала необходимость подробного расчета отдельных каскадов, т. к. процедура синтеза базируется на формальных макромоделях, использующих паспортные характеристики комплектующих изделий.

Элементы электронных устройств

Электротехнические материалы

Для изготовления элементов электронных схем используют широкий набор материалов: проводящие металлы, сплавы и жидкости, диэлектрические соединения и смеси, полупроводниковые материалы, магнитные сплавы, ферролаки и многие другие. Электромагнитные свойства материалов характеризуют удельная электрическая проводимость σ, относительные диэлектрическая e и магнитная m проницаемости.

Электопроводность материалов обусловлена различными физическими явлениями (электронная, ионная, дырочная) и зависит от заряда частиц, их плотности в единице объема, подвижности. В соответствии с их удельной электрической проводимостью, лежащей в очень широких пределах от 10 ^-7 См/м до 10⁸ См/м, используемые в электронике материалы делят на диэлектрики s < 10 ^-7См/м, полупроводники s @ (10 ^-7…10⁴) См/м и проводники s @ (10⁶…10⁸) См/м.

В электронных изделиях применяют провода и несущие конструкции из различных металлов и их сплавов, отличающихся хорошей электропроводностью вследствие наличия большого числа свободных электронов (плотность 10²³ 1/см³). Для электрических соединений используют медь (удельная электропроводность s @ 57 МСм/м или удельное сопротивление 1/s = r @ 0,018 мкОм·м), алюминий (s @ 36 Мсм/м, r @ 0,028 мкОм·м) и иногда сталь (s @ 8 Мсм/м, r @ 0,12 мкОм·м). В электронных приборах применяют сплавы с высоким сопротивлением, которое более чем на порядок выше, чем у проводников: манганин (r @ 0,46 мкОм·м), константан (r @ 0,48 мкОм·м), алюмель(r @ 0,29 мкОм·м), хромель(r @ 0,67·мкОм м).

Для изоляции токоведущих частей электронного оборудования применяют различные диэлектрические материалы: лаки и краски, жидкие диэлектрики (масла), волокнистые (бумага, ткани, лакоткани), слоистые и слюдяные (текстолит, гетинакс, слюдинит), керамические (электрофарфор, стеалит), стекло и многие другие.

Идеальный диэлектрик характеризует ничтожно малая плотность свободных зарядов и s @ 0. Реальные материалы обладают достаточно высокими значениями удельного сопротивления: фарфор (керамика) имеет r @ 10 ¹³ Ом×м. полистирол – r @ 10 ¹⁶ Ом×м.

Важным параметром изоляционных материалов является их способность к поляризации, отражаемая относительной диэлектрической проницаемостью(e > 1), которая изменяется в достаточно широких пределах. Газы (в том числе воздух) имеют e » 1. Для жидких диэлектриков значения диэлектрической проницаемости различны: вода дистиллированная имеет e = 80, спирт этиловый – e = 25, керосин – e = 2. Значения проницаемости твердых диэлектрических материалов лежат в пределах e = 2…8 (полистирол –2,5; фарфор – 7, гетинакс и текстолит – 6…8).

Каждый тип изоляционного материала характеризуется электрической прочностью, т.е. значением напряженности электрического пробоя при заданной температуре. При температуре 20⁰С воздух обладает пробивной напряженностью Е_пр = 3 МВ/м, полистирол Е_пр ≈ 30 МВ/м.

П о л у п р о в о д н и к и нашли широкое применение в усилительных и преобразовательных устройствах электроники благодаря технологическим возможностям создания материалов с заданной концентрацией носителей зарядов и электрического управления их потоками. У некоторых веществ (германий, кремний и др.) валентные электроны одновременно принадлежат соседним атомам (рис.1.1,а).

Рис. 1.1. Структуры собственного полупроводника (а), примесных полупроводников n– типа (б) и p– типа (в)

В результате тепловых процессов в полупроводнике без примесей происходит генерация пары «электрон – дырка», т.е. электрон уходит и становится свободным (может перемещаться), а вблизи атома образуется свободное место (дырка), которую можно интерпретировать как положительный заряд.

При тепловом равновесии происходит генерация пар и их рекомбинация (уничтожение), причем концентрации свободных электронов и дырок одинакова. Внешнее воздействие (электрическое или магнитное поле, излучение) приводит к смещению равновесия в сторону генерации или рекомбинации и изменению электропроводности материала.

Электропроводность можно изменить технологически добавлением в кристаллическую решетку основного материала (кремния) атомов примесей, например, пятивалентного фосфора (рис.1.1,б). При этом его четыре электрона вступают в ковалентную связь с атомами кремния, а пятый электрон оказывается незанятым в связях (свободным). В полученном материале, называемом полупроводником электронного или n-типа, концентрация электронов повысится пропорционально числу введенных атомов примеси. Введение другой примеси (3-х валентный бор) приводит к недостатку электронов, т.е. преобладанию свободных дырок (рис.1.1,в). Процесс добавления в собственный полупроводник атомов другого вида называют легированием, а полученные полупроводниковые материалы примесными. Примесный полупроводник одновременно обладает электронными и дырочными носителями заряда с существенным преобладанием зарядов одного типа.

Магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов для создания магнитного поля с заданными характеристиками. Основной характеристикой магнитного материала является зависимость индукции от напряженности магнитного поля B(H). Магнитные материалы делят на неферромагнитные, обладающие линейной зависимостью В=μμ₀Н при относительной магнитной проницаемости μ @ 1 и ферромагнитные с нелинейной неоднозначной характеристикой B(H), которая обусловлена затратами энергии при циклическом перемагничивании. Классификационными параметрами нелинейности (петли гистерезиса) служат: остаточная индукция B_r при H = 0, индукция насыщения B_S при заданном значении H_max (обычно H_max ≈ 5 H_С ) и коэрцитивная сила H_С при B = 0. В соответствии со значением H_С различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы, у которых значения остаточной индукции B_r практически одинаковы, а значения коэрцитивной силы могут отличаться на 3 - 5 порядков.

Магнитотвердые материалы, применяемые в постоянных магнитах и запоминающих элементах вычислительных устройств, в основном представляют собой ферриты (твердые растворы, изготовленные из смеси окислов железа с окислами марганца, никеля, меди и других металлов) и ферролаки (смесь железокобальтового феррита с нитратом целлюлозы) или тонкие слои никель – кобальтового сплава при записи информации на подвижные носители.

Для изготовления сердечников в электрических аппаратах используют магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, магнитодиэлектрики, ферриты), обладающие “узкой” петлей с малыми значениями H_С и обеспечивающие небольшие потери энергии.