Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и наноэлектроника введение в направление. Хрестоматия
.pdf
В.Г. Герасимов
ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Введение
Промышленная электроника является частью более общего понятия «электроника».
Электроника – отрасль науки и техники, изучающая:
1) физические явления в электровакуумных и полупроводниковых
приборах;
2) электрические характеристики и параметры электровакуумных и
полупроводниковых приборов;
3) свойства устройств и систем, основанных на применении элек-
тровакуумных и полупроводниковых приборов.
Первое из этих направлений составляет физические
тротехники, второе и третье – техническую электронику.
Промышленная электроника является одним из направлений технической электроники, которая связана с применением электронных
приборов и устройств в различных отраслях промышленности и обслуживанием этих отраслей электронными устройствами измерения,
контроля, управления, преобразования электрической энергии, а также
электронными технологическими установками.
Различные области технической электроники
ной основе – использовании электронных (полупроводниковых и электровакуумных) приборов. Они объединены общностью принципов
действия и характеристик основных электронных функциональных
устройств (усилителей, генераторов, выпрямителей, логических элементов и т.д.). Эти устройства являются составными частями сложных
электронных систем, например, электронных регуляторов различных
процессов, электронных вычислительных машин.
В промышленной
формационную электронику, энергетическую электронику и электронную технологию.
1. Информационная электроника составляет основу электронновычислительной и информационно-измерительной техники, а также
устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства полу-
электронике можно выделить три области: ин-
базируются на еди-
основы элек-
181
чения, обработки, передачи, хранения и использовании информации,
устройства управления различными объектами и технологическими
процессами.
2. Энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства.
3. Электронная технологии включает в себя методы и устройства‚
используемые
в технологических процессах, основанных на действии
электромагнитных волн различной длины (высокочастотные нагрев и
плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д,), электронных и ионных
пучков (электронная плавка и сварка и т.д.).
Главными свойствами, обусловливающими широкое применение
электронных устройств, являются высокая чувствительность, большое
быстродействие и универсальность.
Чувствительность электронных устройств, называемая
пороговой,
определяется абсолютным значением входной величины, при котором
они начинают работать. Пороговая чувствительность современных
электронных устройств составляет: 10
жению, 10
–24
Вт по мощности.
–17
А по току, 10
–13
В по напря-
Большое быстродействие электронных устройств имеет важное
значение при автоматическом регулировании, контроле и управлении
быстропротекающим процессами, достигающими долей микросекунды.
Универсальность заключается в том, что в электрическую энергию,
на изменении которой основано действие всех видов электронных
приборов, сравнительно легко преобразуются другие виды энергии:
механическая, тепловая, акустическая, атомная и
др. Подобная универсальность очень важна для промышленной электроники, так как в
промышленности используются все виды энергии.
Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития
промышленного производства в конце ХIX – начале XX в. К этому
времени электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности, что требовало создания новых средств измерения
, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстро-
действующих по сравнению с существовавшими механическими и
182
электромеханическими устройствами. Без этого дальнейшее повышение производительности труда становилось невозможным. Кроме того,
в связи с бурным развитием промышленности стали необходимы средства быстрой передачи на большие расстояния различного рода информации. <…>
Создание разнообразных типов электровакуумных приборов обусловило развитие в 1920 – 30-е годы радиосвязи, телевидения, импульсной многоканальной радиосвязи, радиолокации, измерительной
техники и других областей радиоэлектроники. Эти успехи позволили широко внедрять электронные приборы и устройства в промышленную
электронику.
Развитие электроники характеризуется постоянным увеличением
сложности электронных устройств. В настоящее время принято считать, что сложность электронной аппаратуры каждые пять лет возрастает примерно в 10 раз.
В 1930 – 40-е годы в устройствах
стали применять огромное количество электронных ламп. Однако выяснилось, что их возможности
ограничены: каждая электронная лампа имеет небольшой срок службы, значительные габариты и массу и потребляет при этом большую
энергию. Так, например, если электронное устройство состояло из
2000 ламп, то при сроке службы каждой лампы 500 ч оно могло безотказно
проработать не более 15 мин.
Недостатки электронных ламп при одновременном непрерывном
усложнении электронных устройств заставили специалистов разрабатывать электронные приборы с другим принципом действия, которые
могли бы заменить по своим функциональным возможностям электронные лампы. Ими оказались полупроводниковые приборы. <…>
Применение полупроводниковых приборов в электронике, вычислительной технике, автоматике, энергетике приобрело массовый
характер
, что определялось их большими достоинствами: высоким
КПД, долговечностью, надежностью, небольшими габаритами, массой и т.д.
Характерным для современного этапа научно-технической революции является применение все более сложной, но и более надежной
электронной аппаратуры. Существовавшие десятилетиями методы изготовления аппаратуры из дискретных компонентов стали неприемле-
183
мыми, так как не могли обеспечить требуемую сложность при высокой
надежности, экономичности, малых габаритах и массе.
Поэтому одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия явилась интегральная
микроэлектроника. Начало микроэлектроники было положено в Англии во второй половине 1940-х годов созданием тонкопленочных деталей на основе технологии внесения
микропримесей.
Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. В США независимо друг от друга – Д. Килби и Р. Нойсом, а в 1962 г. был начат их
промышленный выпуск. С каждый годом роль и значение интегральной микроэлектроники все больше возрастают.
В последние годы широкое развитие получили полупроводниковые
интегральные микросхемы.
Полупроводниковая
интегральная микросхема – микроминиа-
тюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором
элементы и соединительные проводники изготавливаются в едином
технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала и имеют общую герметическую оболочку.
Важной особенностью микроэлектроники является разработка и
внедрение методов предельного уменьшения физических размеров
элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это
приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем,
повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления
энергии. Так, возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронно-цифровые часы.
Наличие 20000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало
появление микрокалькуляторов. <…>
В последние десятилетия широкое развитие получил новый раздел
науки и техники – оптоэлектроника.
Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов
в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения
в различных средах. Следует отметить, что первооткрывателями физических основ оптоэлектроники являются советские ученые – академики, лауреаты Нобелевской премии Н.Г. Басов и Л.М. Прохоров, создавшие оптические квантовые генераторы на основе
p–n-перехода.
184
Появление и развитие оптоэлектроники было обусловлено тем, что
полупроводниковая дискретная и интегральная электроника не могла
решить окончательно проблему комплексной микроминиатюризации
электронной аппаратуры. Такие элементы и устройства, как реле, кабели, переменные резисторы, разъемы, импульсные трансформаторы,
плохо стыкуются с транзисторами из-за механически перемещающихся деталей, плохих эксплуатационных характеристик, невысокой
надежности и
большой стоимости. Кроме того, существующие устройства для ввода и вывода информации (электронно-лучевая трубка,
электронно-оптические преобразователи, лампы накаливания и т.д.)
несовместимы по ряду электрических параметров с интегральными
микросхемами. Следуем отметить, что на долю перечисленных элементов и устройств приходится большая часть потребляемой энергии,
объема, массы, отказов, стоимости
электронной аппаратуры. Налицо
противоречие между интегральной полупроводниковой электроникой
и традиционными электрорадиокомпонентами. Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления этого противоречия.
Преимуществом оптоэлектроники являются практически неисчерпаемые возможности повышения рабочих частот и использование
принципа параллельной обработки информации.
Оптоэлектроника развивается как принципиально новое направление информационной техники. Она оказалась наилучшим образом
приспособленной для создания
адаптивных систем обработки больших
массивов информации. Как утверждают советские и зарубежные специалисты, к концу столетия можно ожидать активного проникновения
оптоэлектроники в вычислительную технику. <...>
Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники: учебное пособие для неэлектротехн. спец. вузов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков,
А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под
. ред. В.Г. Герасимова. –
изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1986. – 336 с.
185
Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплышин
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Введение
Одной из характернейших особенностей развития науки и техники
нашего века является развитие электроники. Без электронных
устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. <….>
Что же такое электроника? Это отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием,
разработкой и применением приборов, работа которых основана
текании электрического тока в твердом теле, вакууме и газе. Такими
приборами являются полупроводниковые (протекание тока в твердом
теле), электронные (протекание тока в вакууме) и ионные (протекание
тока в газе) приборы. Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы. Общим свойством всех названных
приборов является то,
ментами, нелинейность их вольт-амперных характеристик, как правило,
является признаком, определяющим важнейшие их свойства.
Промышленная электроника – это часть электроники, занимающаяся применением полупроводниковых, электронных и ионных приборов в промышленности. Несмотря на различие областей применения и
многообразие режимов работы промышленных электронных
устройств, они строятся на
ограниченного числа функциональных узлов. Общие принципы построения этих функциональных узлов – электронных схем и рассматривает промышленная электроника.
Промышленная электроника делится на две обширные области:
1. Информационная электроника, занимающаяся устройствами для
передачи, обработки и отображения информации. Усилители сигналов,
генераторы напряжений различной формы, логические схемы, счетчи
ки, индикаторные устройства и дисплеи вычислительных машин – все
это устройства информационной электроники. Характерными чертами
современной информационной электроники являются сложность и
многообразие решаемых задач, высокое быстродействие и надежность.
что они являются существенно нелинейными эле-
основе общих принципов и состоят из
на про-
-
186
Информационная электроника в настоящее время неразрывно связана с
применением интегральных микросхем, развитие и совершенствование
которых в главной мере определяет уровень развития этой отрасли
электронной техники.
2. Энергетическая электроника (преобразовательная техника) занимается преобразованием одного вида электрической энергии в другой. Почти половина электроэнергии, производимой в СССР, потребляется в виде постоянного
тока или тока нестандартной частоты.
Большая часть преобразований электрической энергии в настоящее
время выполняется полупроводниковыми преобразователями. Основными видами преобразователей являются выпрямители (преобразование переменного тока в постоянный), инверторы (преобразование постоянного тока в переменный), преобразователи частоты, регулируемые преобразователи постоянного и переменного напряжений.
Развитие электроэнергетики и электротехники тесно связано
с электроникой. Сложность процессов в энергосистемах, высокая скорость их
протекания потребовали широкого внедрения для расчета режимов и
управления процессами электронных вычислительных машин (ЭВМ),
связанных с системой сложными электронными устройствами и снабженных развитыми устройствами для отображения информации. Основные процессы производства автоматизируются на основе современных
устройств информационной электроники, в которых
в последние годы
широко применяются интегральные микросхемы и микропроцессоры. Не
менее тесно связана с энергетикой и электромеханикой энергетическая
электроника. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются одним из основных нагрузочных элементов сетей, их работа
во многом определяет режимы работы сетей. Вентильные преобразователи используются для питания электроприводов и электротехнологических
установок, для
возбуждения синхронных электрических машин и в схемах частотного пуска гидрогенераторов. На основе полупроводниковых
вентильных преобразователей созданы линии электропередач постоянного тока большой мощности и вставки постоянного тока.
Таким образом, электронные устройства являются важными и
весьма сложными компонентами энергетических и электромеханических установок и систем, и для их создания необходимо привлекать
специалистов в области промышленной электроники, автоматики и
187
вычислительной техники. Однако инженеры, специализирующиеся в
области электроэнергетики и электротехники, не могут устраниться от
решения вопросов, связанных с электроникой. Во-первых, они должны
уметь четко сформулировать задачу для разработчика электронных
схем и представлять те трудности, с которыми может столкнуться разработчик. Не полно заданные требования могут привести к созданию
неработоспособного устройства
, а неоправданное завышение требований – к повышению стоимости и снижению надежности электронного
оборудования. Для того чтобы говорить с разработчиком электронной
аппаратуры на одном языке, надо отчетливо представлять себе, что
может выполнить электроника и какой ценой, и какими способами это
достигается. Последнее необходимо также для квалифицированного
выбора оборудования, выпускаемого промышленностью.
Во-
вторых, возникает необходимость грамотной эксплуатации электронных устройств. В-третьих, инженеры-электрики принимают активное
участие в работах по монтажу и наладке оборудования, в том числе электроники. В-четвертых, проектирование ряда энергетических установок, в
том числе линий передач постоянного тока, требует совместной работы
специалистов по энергетике и преобразовательной технике. <…>
Электронная техника
непрерывно развивается, каждую задачу можно решить на основе различных схемных вариантов: можно выполнить
ее на интегральных микросхемах, применить микропроцессорный комплект, провести обработку информации в цифровом или аналоговом виде. Какое решение выбрать? В конечном счете все решает экономический анализ, и принятие неверного решения (скажем, отказ от использования микросхем) может не помешать решению локальной технической
задачи, но в итоге окажется убыточным для народного хозяйства: увеличится стоимость оборудования или возрастет стоимость его эксплуатации, или уменьшится срок службы. Почти каждый инженер на своем
месте воздействует на техническую политику в своей области и при разработке и отстаивании технических
решений должен выступать не толь-
ко как специалист, но и как гражданин. <…>
Горбачев Г.Н., Чаплышин Е.Е. Промышленная электроника: учеб-
ник для вузов / под ред. В.А. Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат,
1988. – 320 с.
188
Ю.С. Забродин
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Предисловие
«Промышленная электроника» относится к числу наиболее важных
курсов для подготовки современных инженеров – электриков, электромехаников, электроэнергетиков и инженеров других электротехнических специальностей. В этом курсе, стоящем в учебных планах указанных специальностей почти сразу за курсом «Теоретические основы
электротехники», будущие специалисты изучают: основные типы приборов и схем, используемых
бенности линейных, импульсных и цифровых устройств для обработки
сигналов в электронных системах управления и отображения информации; принцип действия и особенности выпрямителей, инверторов и
других преобразователей электрической энергии, применяемых в электроприводе, электрической тяге, электротехнологии, электроэнергетике и т.д. Даже из этого краткого общего
ленная электроника является базой дальнейшего прогресса, в частности основой автоматизации многих областей промышленности, транспорта и энергетики.
В то же время для большинства перечисленных специальностей
промышленную электронику можно отнести скорее к общеинженерным, чем к специальным дисциплинам. Из этого следует, что главная
цель данного курса –
или иные функционально законченные электронные устройства (изучение электроники в таком объеме предусмотрено для подготовки инженеров соответствующего профиля в рамках специальности «Промышленная электроника»), сколько научить его понимать принцип
действия этих устройств, уметь грамотно эксплуатировать их и формулировать задание на разработку нового устройства
в названиях указанной дисциплины «Промышленная электроника (общий курс)» или «Основы электроники», под которыми она значится в
учебных планах большинства электротехнических специальностей.
<…>
не столько научить студента разрабатывать те
в электронике; принцип действия и осо-
перечня видно, что промыш-
. Это и отражено
189
Введение
<…>
Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а
также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле. Промышленная
электроника (применение электроники в промышленности, на транспорте, в электроэнергетике) и радиоэлектроника (применение электроники в радиотехнике и телевидении) являются важнейшими составными
частями электроники, рассматриваемой в широком смысле.
В свою очередь, в промышленную электронику, обеспечивающую
разнообразные виды техники электронными устройствами измерения,
контроля, управления и защиты, а также электронными системами
преобразования электрической энергии, входят:
1) информационная электроника, к которой относятся электронные
системы и устройства, связанные с
измерением, контролем и управле-
нием промышленными объектами и технологическими процессами;
2) энергетическая электроника (преобразовательная техника),
связанная с преобразованием вида электрического тока для целей
электропривода, электрической тяги, электротермии, электротехнологии, электроэнергетики и т.д.
Промышленная электроника постоянно развивается. Это определяется в первую очередь непрерывным совершенствованием ее элементной базы. Элементная база
промышленной электроники прошла не-
сколько этапов развития.
Начало развития промышленной электроники было положено созданием электровакуумных и газоразрядных приборов. Низкая надежность, сложность эксплуатации, большая потребляемая мощность,
громоздкость реализации явились в последующем тормозящими факторами расширения областей применения электроники. Электровакуумные приборы в настоящее время находят ограниченное применение
в промышленной
электронике, а газоразрядные приборы пользуются
преимущественно в виде элементов индикации.
Дальнейшему развитию информационной электроники способствовало создание в 1948 г. транзистора, а энергетической электроники –
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]