Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Основы электроники для специальности 1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами

Белорусский национальный технический университет

Энергетический факультет Кафедра «Электротехника и электроника»

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О Н И К И

для специальности

1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами

Составители: Бладыко Ю.В., Матвеенко И.П., Жуковская Т.Е.

Минск БНТУ 2020

Перечень материалов

Теоретический раздел

- тематический конспект лекций

Практический раздел

-материалы лабораторных занятий;

-материалы практических занятий

Контроль знаний

-экзаменационные вопросы;

-вопросы к тестам

Вспомогательный раздел

-учебная программа;

-методическая карта дисциплины;

-рекомендуемая литература;

-словарь терминов

Пояснительная записка

Цели данного ЭУМК – повышение эффективности организации учебного процесса с использованием дистанционных технологий; представление возможности студентам заниматься самообразованием, пользуясь комплектом учебно-методических материалов по курсу «Основы электроники».

ЭУМК содержит четыре раздела: теоретический, практический, контроля знаний и вспомогательный раздел. В теоретическом разделе представлен лекционный материал в соответствии с основными разделами и темами учебной программы. Практический раздел включает лабораторный практикум и материалы для практических занятий. Раздел контроля знаний включает экзаменационные вопросы, а также вопросы к тестам для организации самостоятельной работы студента. Вспомогательный раздел содержит основные разделы учебной программы дисциплины, методическую карту дисциплины, список рекомендуемой литературы, словарь терминов и определений.

Материалы учебно-методического комплекса представлены в формате PDF. Учебные материалы структурированы по разделам. ЭУМК содержит перекрестные и гиперссылки, позволяющие оперативно найти необходимый материал, перейти к нужной теме. Предусматривается так же навигация по разделам через закладки PDF формата, что обеспечивающая возможность быстрого поиска требуемой информации и быстрый возврат к предыдущей информации

Открытие ЭУМК производится посредством запуска файла

Osnov_Elektroniki.pdf

2

ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Перечень лабораторных работ

Л.Р. №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ» Л.Р. №2 «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО И БИПОЛЯРННОГО ТРАНЗИСТОРА» Л.Р. №3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ФИЛЬТРАМИ Л.Р. №4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА Л.Р. №5 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Л.Р. №6 ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И МИКРОСХЕМЫ Л.Р. №7 КОМБИНАЦИОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ Л.Р. №8 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРНЫХ СХЕМ Л.Р. №9 СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ И РЕГИСТРЫ

Л.Р. №10 ИССЛЕДОВАНИЕ НА ПЭВМ КАСКАДА УСИЛЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ ОЭ Л.Р. №11 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Л.Р. №12 УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Л.Р. №13 ФОТО- И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Л.Р. №14 ИССЛЕДОВАНИЕ АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА Л.Р. №15 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦАП И АЦП

Л.Р. №16 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

Перечень тем практических занятий

1.Определение параметров полупроводниковых диодов, тиристоров.

2.Определение параметров биполярных и полевых транзисторов.

3.Расчет выпрямителей. Расчет сглаживающих фильтров.

4.Расчет усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах.

5.Расчет схем на операционных усилителях.

6.Реализация комбинационных устройств на логических элементах.

7.Триггеры: синтез RS-триггеров в базисе 2И–НЕ и 2ИЛИ–НЕ.

8.Цифровые счетчики и регистры: построение схем, временные диаграммы работы.

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ

Экзаменационные вопросы Вопросы к тестам

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ

Содержание учебного материала Учебно-методическая карта дисциплины Список литературы Словарь терминов

4

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Раздел 1 Элементная база электроники

Введение Электроника область науки, техники и производства изучающая принципы

функционирования, разработку и применение устройств работа которых основана на протекании тока в твердом теле, вакууме и газе. Приборы электроники подразделяют на: аналоговые, обеспечивающие обработку непрерывного сигнала; и импульсные, в которых обрабатываемый сигнал представляет дискретную функцию.

По области применения различают энергетические и информационные устройства электроники. Энергетическая электроника включает устройства, обеспечивающие преобразование одного вида электрической энергии в другой и изменение параметров электрического сигнала. Информационная электроника занимается устройствами для приема, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. В основе современной электроники лежит применение полупроводниковых приборов, что позволяет снижать потребление электрической мощности, уменьшать габариты, массу, современных устройств электроники. В информационной электронике применение полупроводниковых структур позволяет увеличивать объём обрабатываемой информации в единицу времени не снижая качества обработки информации.

1.1 Полупроводниковые приборы

Основы теории электропроводности

В теории электропроводности твердых тел указывается, что энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, которые называются энергетическими уровнями. Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т.е. находятся на более низких энергетических уровнях, а удаленные от ядра электроны находятся на более высоких энергетических уровнях, т.е. обладают большей энергией.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется количество энергии (квант энергии или фотон), которую теряет атом. Если атом поглощает квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Такие электроны начинают свободно перемещаться в объеме и называются

свободными носителями зарядов.

Свободная зона, на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости. Зона, ближайшая к зоне проводимости, называется валентной. При изменении температуры происходит обмен носителями зарядов между валентной зоной и зоной проводимости (рисунок 1.1).

5

(Si) в кристаллической решетке, образуя двухвалентные связи с четырьмя атомами (рисунок 1.2, б).

Пятый валентный электрон атома фосфора, оказывающийся «лишним», образует электрон проводимости. При увеличении содержания атомов примеси возрастает число электронов в зоне проводимости, а число дырок не меняется. Ток переносится в основном электронами. В этом случае электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Полупроводник называется в этом случае полупроводником n- типа.

Акцепторные примеси образуются введением в кристаллическую решетку полупроводника атомов бора В, индия In, галлия Ga или других трехвалентных элементов. Атом акцептора также занимает место в кристаллической решётке, но обменивается с соседними четырьмя атомами только тремя электронами (рисунок 1.2, в).

На образование связи с одним из соседних атомов Ge (Si) у атомов индия не хватает одного электрона, т. е. между этими двумя атомами возникает незаполненная валентная связь, или дырка. При увеличении акцепторной примеси возрастает концентрация дырок и они становятся основными носителями, а электроны – неосновными. Полупроводник называется в этом случае полупроводником p-типа.

Кристаллические структуры таких полупроводников показаны на рис. 1.2.

а б в

Рисунок 1.2. - Кристаллические структуры чистого полупроводника (а), полупроводника с донорной (б) и акцепторной (в) примесью

Процесс перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости является обратимым, то есть электрон из зоны проводимости может перейти в валентную зону, теряя при этом энергию. При таком переходе электрон заполняет свободный уровень в валентной зоне. Этот процесс, обратный генерации, называется рекомбинацией.

Дрейфовые и диффузионные токи в полупроводниках

При приложении внешнего электрического поля в полупроводнике происходит дрейфовое движение электронов. В этом случае электроны и дырки начнут перемещаться вдоль электрического поля, то есть создают электрический ток. Плотности электронной и дырочной составляющих равны

7

этом: µn=vn/E; µp=vp/E, где vn и vp – скорости перемещения электрона и дырки под действием электрического поля;

которая является следствием теплового движения электронов. При неравномерной концентрации электронов и дырок и при отсутствии внешнего поля они перемещаются по законам диффузии, переходя из области больших концентраций в область меньших концентраций. Это направленное перемещение электронов в результате хаотического теплового движения называется диффузией и образует диффузионную составляющую тока. В результате диффузии носители зарядов смещаются в направлении уменьшения их концентрации (градиент концентрации).

Градиент концентрации определяется как отношение изменения

Плотность электронного диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации:

jnD = qDn(dn/dx), где Dn –коэффициент диффузии электронов; dn/dx – градиент концентрации электронов.

Плотность дырочного диффузионного тока определяется из аналогичного выражения:

jpD = - qDp(dp/dx), где Dp – коэффициент диффузии дырок; dp/dx – градиент концентрации дырок.

Полупроводниковые материалы

К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, теллур, большинство оксидов металлов и всё разнообразие руд и минералов, встречающихся в природе. Полупроводники по величине электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами.

Основными материалами для изготовления полупроводниковых приборов являются кремний (Ѕi) и германий (Ge) . Большая механическая прочность и химическая устойчивость этих материалов обеспечивают надёжность работы изготавливаемых полупроводниковых приборов, а также достаточно большой срок их службы.

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковыми резисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов.

8

Терморезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется при изменении температуры (у термистора сопротивление уменьшается с ростом температуры, а у позистора - возрастает).

Температурная характеристика термистора показана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. - Температурная характеристика термистора

Параметры терморезистора:

1)холодное сопротивление (при t = 20oC);

2)температурный коэффициент сопротивления (TKR) %;

3)рабочая температура (to max);

4)максимальная рассеиваемая мощность Pmax рас.

Применяют термисторы для измерения и регулирования температуры, а также термокомпенсации.

Позисторы – полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (титанат бария с примесями), у которых сопротивление увеличивается при увеличении to. Основная характеристика – температурная (рисунок 1.4). Параметры аналогичны параметрам термистора.

Применяют позисторы для автоматического регулирования температуры, термокомпенсации, в схемах ограничителей и стабилизаторов тока, для предохранительных приборов и устройств защиты от перегрева, в качестве бесконтактных переключающих элементов.

Рисунок 1.4 – Температурная характеристика позистора

Маркировка терморезисторов состоит из трех элементов:

9

-первый элемент маркировки обозначает назначение (СТ – резисторы термочувствительные, Т и ТШ – резисторы измерительные, ТП - стабилизирующие, ТКП – регулируемые бесконтактные);

-второй элемент обозначает тип полупроводника (1 – кобальт-марганец, 2 – медно-марганцевые, 3 – медно-кобальт-марганцевые, 4 – кобальт-никель- марганец);

-третий элемент обозначает номер конструкции.

Примеры: СТ2 – 26, СТ4 –5, ММТ – 6, ТШ – 2, ТКП – 450. Условное графическое изображение терморезисторов:

Варисторы – полупроводниковые резисторы (на основе карбида Si) сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Основная характеристика варистора – это вольтамперная характеристика (ВАХ) I = f(U) (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5. – ВАХ варистора

Параметры варистора:

1)статическое сопротивление при постоянных значениях тока и напряжения Rст=U/I;

2)динамическое сопротивление переменному току Rд=ΔU/ΔI;

3)коэффициент нелинейности β = Rст / Rд;

4)максимальная рассеиваемая мощность Pmax расс.

Применяют варисторы для регулирования электрических величин, стабилизации токов и напряжений, для защиты элементов от перенапряжений.

Маркировка прибора состоит из 4 элементов:

-первый элемент обозначает назначение (СН - сопротивление нелинейное);

-второй элемент обозначает тип полупроводника;

-третий элемент обозначает тип конструктивного выполнения;

-четвертый элемент обозначает длину токоведущего элемента. Примеры: СН1 -1, СН -3.

Условное графическое изображение варистора:

10