Г.Н. АКИМОВА

ЭЛЕКТРОННАЯ

ТЕХНИКА

Утверждено Департаментом кадров и учебных

заведений МПС России в качестве учебника для студентов

техникумов и колледжей железнодорожного транспорта

«МАРШРУТ» МОСКВА - 2003

УДК ББК 39.211-08 К713

Ê7К 13 Акимова Г.Н. Электронная техника: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. трансп. М.: Маршрут, 2003. — с.

ISBN

В учебнике рассмотрены основные ионные и полупроводниковые приборы; принцип действия выпрямителей, различныхусилителей, импульсныхсхем; основымикроэлектроники. Предназначен для студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта.

Рецензенты: ведущий специалист Департамента электрификации и электроснабжения МПС России, канд. техн. наук доцент Г.В. Кузнецов; начальник мытищинской дистанции электроснабжения Московской железной дороги С.А. Бухвалов; преподаватель Брянского колледжа железнодорожного транспорта В.С. Почаевец.

УДК ББК 39.211-08

ВВЕДЕНИЕ

Общие сведения об электронике

Электроника — отрасль науки и техники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств и принципов их использования. Современная схемотехника построена на двух типах устройств: аналоговых и цифровых. В аналоговых устройствах величины изменяются непрерывно как по уровню, так и по времени. В цифровых устройствах существует только два уровня, условно называемые 1 и 0, по времени величины изменяются дискретно.

Ещё 30—40 лет назад практически вся схемотехника была аналоговой. В настоящее время 80—90 % разрабатываемых устройств

— цифровые. Внедрение цифровых устройств стало огромным достижением учёных и инженеров конца ХХ века. Их преимущества над аналоговыми:

—цифровыеустройствадопускаютбольшуюстепеньинтеграции

всоставе микросхем;

—в отличие от аналоговых данные в цифровых устройствах не зависят от температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения питания;

—точностьцифровыхустройствнеограничена, внастоящеевре-

мя выпускают 64-разрядные процессоры, относительная точность которых 10–12.

Усилиями многих институтов и конструкторских бюро департаментов Министерства путей сообщения (МПС) созданы и успешно применяются системы на базе электронных приборов и интегральных микросхем для регулирования движения поездов, обеспечения их безопасного следования, связи, электроснабжения устройств железнодорожного транспорта и других целей.

3

Новая высокоэффективная электронная техника всё более широко применяется на железнодорожном транспорте: в устройствах автоматики, телемеханики и связи, электроснабжения электрифицированных железных дорог, электронных вычислительных машинах, на электроподвижном составе.

Внедрение новейших электронных устройств автоматики, телемеханикисвязиивычислительнойтехникипозволяетвкороткиесрокиповыситьбезопасностьдвиженияпоездов, увеличитьпровознуюи пропускнуюспособностьжелезнодорожныхмагистралей, улучшить качествоинадёжностьтехническихсредств, облегчитьусловияиподнятьпроизводительностьтрудаработниковразличныхслужб.

Условия использования электронной аппаратуры на железнодорожном транспорте и предъявляемые к ней требования имеют следующие существенные особенности по сравнению с общепромышленными устройствами:

—требования высокой надёжности функционирования аппаратуры и её элементной базы;

—тяжёлые климатические условия, большой перепад температуры окружающей среды, что приводит к повышенным требованиям пообеспечениюстабильнойработыэлектронныхустройств при высоких и низких температурах;

—высокий уровень помех;

—высокий уровень вибраций и ударные механические воздействия на аппаратуру подвижного состава;

—повышенное воздействие статического электричества и атмосферных грозовых разрядов;

—сложность профилактического и ремонтного обслуживания. Вышеперечисленныеособенностиопределяютспецификусхемо-

технических решений и используемой элементной базы в электронных устройствах железнодорожного транспорта.

Развитие электроники можно подразделить на дванаправления: энергетическое(силовое), связанноеспреобразованиемпеременного ипостоянноготоковдлянуждэлектроэнергетики, электротягиипр.; информационное, к которому относятся электронные средства, обеспечивающиеизмерения, контрольиуправлениеразличнымипроцессами, включая производство и научные исследования во многих

отраслях.

Промышленное развитие электроники можно отнести к началу XX–гостолетия, когдав1904 г. англичанинД. Флемингсоздалпер-

4

вую электронную лампу (диод). В 1907 г. американец Л. Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный генерировать и усиливать электрические колебания. В России первую электронную лампу изготовил в 1914 г. Н.Д. Папалекси.

В30—х годах началось активное изучение полупроводниковых материаловсцельюихиспользованиявэлектронике. Большойвклад

врешение этой проблемы внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А.Ф. Иоффе.

В1948 г. американскими учёными изобретён первый полупроводниковый усилительный прибор — транзистор. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские учёные А.В. Красилов и С.Г. Мадоян. Обладая существенными преимуществами по сравнениюсэлектроннымилампами, транзисторыобусловилибурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии.

Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением устройств интегральной микроэлектроники, представляющих собой интегральные микросхемы (ИС). Промышленный выпускИСначатвначале60-хгодовиспособствовалбурномупро- грессувразвитииинформационнойэлектроникиимикроминиатюризации электронных средств. Эти тенденции получили ещё большее развитие с появлением больших (БИС), а затем и сверхбольших (СБИС) интегральных схем. Они позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор — СБИС, содержащийдесяткиисотнитысячэлементовнаодномкристалле(полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров).

Внастоящее время СБИС, наряду с БИС, ИС и отдельными типами дискретных полупроводниковых приборов, стали основной элементной базой современных электронных средств.

Этапы развития электроники

В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На опреде-

5

лённых этапах невозможно решать новые задачи старыми электронными средствами, т.е. средствами на основе существующей элементной базы, например, с помощью электронных ламп или дискретныхтранзисторов. Такимобразом, появляютсяпредпосылкидля дальнейшего совершенствования элементной базы. Основные факторы, вызывающие необходимость разработки электронных устройств на новой элементной базе:

повышение надёжности; уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощ-

ности.

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники, а вместе с ней соответственно и электронных устройств.

I поколение (1904—1950 гг.) — основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные приборы, в которых пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные.

Электронный электровакуумный прибор — прибор, в котором электрический ток создаётся только свободными электронами.

Ионный электровакуумный прибор — прибор с электрическим разрядом в газе или парах; называется также газоразрядным.

Семейство электронных электровакуумных приборов весьма обширно и объединяет следующие группы приборов: электронные лампы; электронно-лучевыеприборы; электровакуумныефотоэлектрические приборы идр. Наиболее широко вэлементной базеэлектронных устройств I-го поколения применялись электронные лампы — электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габариты и массу. Число элементов в единице объёма (плотность монтажа) электронных устройств I-го поколения составляло γ = 0,001…0,003 эл/см3. Сборка таких электронных устройств осуществлялась, как правило, вручную, соединением электровакуумныхприборовмеждусобойиссоответствующимипассивными эле-

6

ментами (резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами) с помощью проводов.

II поколение (1950— начало 60-х годов) — характеризуется применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). СборкаэлектронныхустройствII поколенияосуществляласьобычноавтоматическисприменениемпечатногомонтажа. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате — диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединёнными между собой проводниками. Проводники выполнялись осаждением медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определённой электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II поколения за счёт применения малогабаритных элементов составляла γ ≈ 0,5 эл/см3.

III поколение электронных устройств (1960—1980 гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники — раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов — интегральных микросхем — и принциповихприменения. Основойэлементнойбазыэтогопоколенияэлектронных устройств стали интегральные схемы и микросборки.

Интегральная схема — это совокупность нескольких взаимосвязанныхэлементов(транзисторов, резисторов, конденсаторовидр.), изготовленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, наоднойитойженесущейконструкции(подложке), ивыполняющих определённую функцию преобразования информации. Микросборка— это ИС, в состав которой входят однотипные элементы (например, только диоды или только транзисторы).

Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств — набор печатных плат, на которые монтируют ИС и микросборки. Плотность монтажа электронных устройств III поколения составляет γ ≤ 50 эл/см3.

Этотэтапразвитияэлектронныхустройствхарактеризуетсярезкимуменьшениемгабаритов, массыиэнергопотребления, повышением их надёжности, в том числе и за счёт сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) — характеризуется дальнейшеймикроминиатюризациейэлектронныхустройствнабазе

7

применения БИС и СБИС. Отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме, представляющей собой готовое электронное устройство приёма, преобразования или передачи информации. Такие электронные устройства, выполненные в видеСБИС, позволяютполностьюобеспечитьтребуемыйалгоритм обработки исходной информации, существенно повысить надёжность их функционирования.

Плотность монтажа электронных устройств IV поколения 1000 эл/см3 и выше.

8