- •Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
- •Электроника Конспект лекций
- •Предисловие
- •Введение
- •Лекция 1. Полупроводниковые материалы, конструкция и свойстваp-nперехода
- •1.1. Полупроводниковые материалы
- •1.2. Получение односторонней проводимости
- •1.3. Виды пробояp-nперехода
- •1.4. Ёмкостиp-nперехода
- •1.5. Конструктивное исполнениеp-nперехода
- •Лекция 2. Полупроводниковые диоды, основные параметры и классификация. Режим нагрузки полупроводниковых диодов. Графический и аналитический методы расчёта схем
- •2.1. Полупроводниковые диоды
- •2.2. Классификация и система обозначения полупроводниковых диодов
- •2.3. Режим нагрузки полупроводниковых диодов
- •Лекция 3. Применение полупроводниковых диодов. Однофазные выпрямители
- •3.1. Классификация и основные параметры выпрямителей
- •3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель
- •3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель
- •3.3. Однофазный мостовой выпрямитель
- •Лекция 4. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Работа выпрямителей на активно-ёмкостную нагрузку. Схемы с умножением напряжения
- •4.1. Пульсации выпрямленного напряжения
- •4.2. Сглаживающие фильтры
- •4.3. Работа выпрямителя на ёмкостный фильтр
- •4.4. Схемы с умножением напряжения
- •4.5. Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостным фильтром
- •Лекция 5. Полупроводниковые стабилитроны. Параметры, классификация, анализ работы схемы параметрического стабилизатора напряжения
- •5.1. Основные параметры стабилитронов
- •5.2. Классификация и система обозначения стабилитронов
- •5.3. Параметрический стабилизатор напряжения
- •5.4. Анализ работы схемы параметрического стабилизатора напряжения
- •Лекция 6. Транзисторы биполярные. Классификация, система обозначений, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы
- •6.1. Биполярные транзисторы
- •6.2. Принцип действия биполярного транзистора
- •6.3. Схемы включения биполярного транзистора и их основные параметры
- •6.4. Режимы работы транзистора
- •Лекция 7. Статические характеристики транзисторов
- •7.1. Статические характеристики транзистора в схеме об
- •7.2. Статические характеристики транзистора в схеме оэ
- •7.3. Статические характеристики транзистора в схеме ок
- •Лекция 8. Работа транзистора в режиме нагрузки. Схема однокаскадного усилителя. Классы усиления
- •8.1. Работа транзистора в режиме нагрузки
- •8.2. Схема однокаскадного транзисторного усилителя
- •8.3. Класс усиления а
- •8.4. Класс усиления в
- •8.5. Класс усиления с
- •8.6. Класс усиленияD(ключевой режим работы транзистора)
- •Лекция 9. Влияние температуры на работу транзистора в режиме нагрузки. Схемы термостабилизации
- •9.1. Схема термостабилизации с оос по току базы
- •9.2. Схема термостабилизации с оос по напряжению база-эмиттер
- •Лекция 10. Влияние частоты усиливаемого сигнала на работу транзистора. Частотные характеристики однокаскадных транзисторных усилителей
- •10.1. Влияние частоты усиливаемого сигнала на работу транзистора
- •10.2. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя оэ
- •10.3. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя ок
- •10.4. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя об
- •Лекция 11. Двухкаскадные усилители
- •11.1. Двухкаскадный усилитель оэ-оэ
- •11.2. Двухкаскадный усилитель ок-оэ (схема Дарлингтона)
- •11.3. Двухкаскадный усилитель оэ-об (каскодный усилитель)
- •11.4. Дифференциальный усилитель
- •Лекция 12. Полевые транзисторы. Классификация, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы
- •12.1. Классификация полевых транзисторов
- •12.2. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющимp-n переходом
- •12.3. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором
- •12.4. Основные параметры полевых транзисторов
- •12.5. Схемы включения полевого транзистора и их основные параметры
- •Лекция 13. Работа полевого транзистора в режиме нагрузки. Схема однокаскадного усилителя. Влияние температуры. Частотные и шумовые характеристики
- •13.1. Работа полевого транзистора в режиме нагрузки
- •13.2. Влияние температуры на работу полевого транзистора
- •13.3. Частотные характеристики полевых транзисторов
- •13.4. Шумовые характеристики полевых транзисторов
- •Лекция 14. Тиристоры, принцип работы, классификация и основные параметры
- •14.1. Устройство и принцип работы тиристора
- •14.2. Переходные процессы при открывании и закрывании тиристора
- •14.3. Влияние скорости нарастания прямого напряжения на работу тиристора
- •14.4. Классификация и система условных обозначений
- •Лекция 15. Применение динисторов и не запираемых тиристоров. Генератор пилообразного напряжения. Регулируемый выпрямитель. Закрывание тиристора в цепи постоянного тока
- •15.1. Генератор пилообразного напряжения (гпн)
- •15.2. Схема управления тиристором
- •15.3. Применение тиристоров. Управляемый выпрямитель
- •15.4. Закрывание тиристора в цепи постоянного тока
- •Лекция 16. Запираемые тиристоры. Симметричные тиристоры – симисторы
- •16.1. Запираемые тиристоры
- •16.2. Симметричные тиристоры – симисторы
- •16.3. Применение симисторов. Регулятор переменного напряжения
- •Лекция 17. Светодиоды. Фотодиоды. Оптоэлектронные устройства
- •17.1. Светодиоды
- •17.2. Фотодиоды
- •17.3. Оптроны
- •Лекция 18. Аналоговые интегральные микросхемы
- •18.1. Классификация аналоговых интегральных микросхем
- •18.2. Применение аналоговых интегральных микросхем
- •Библиографический список
Введение
Электроника– наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации. (Большой энциклопедический словарь. – М.: Сов. энцикл., 1991.).
В электронике можно выделить две тесно связанные между собой области – создание элементной базы и создание электронных схем. Созданием элементной базы занимается технология, которая из фазы технологии электроники уже перешла в фазунаноэлектроники. Созданием электронных схем занимаетсясхемотехника. Поскольку задачей специальности 190901 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» является подготовка специалистов, способных грамотно эксплуатировать электронные устройства, основное внимание в конспекте лекций будет обращено на схемотехнику электронных устройств с общими пояснениями некоторых вопросов технологии.
Следует отметить, что для успешной работы с электронными устройствами необходимо изучить основы физики твёрдого тела, материаловедение, процессы взаимодействия заряженных частиц с веществом, методы и средства проведения электрических измерений и уметь применять эти знания на практике.
Необходимыми условиями создания современных электровакуумных и полупроводниковых приборов явились результаты физических исследований механизма проводимости вакуума и твёрдых тел, а также изучение влияния примесей на электропроводность полупроводников.
Основные открытия были сделаны в XIXвеке: И.Я. Берцеллиус (Швеция), 1823 год – открытие кремния (Si); К.Л. Винклер (Германия), 1886 год – открытие германия (Ge). Следует отметить, что Д.И. Менделеев (Россия) за несколько лет до этого предсказал существование германия.
Началом электроники можно считать открытие Т.А. Эдисоном перемещения заряженных частиц – электронов – в вакууме (1875 г., эффект Эдисона – термоэлектронная эмиссия). Практического применения открытого им эффекта Эдисон не предполагал и дальнейших исследований проводить не стал. В 1904 г. Д. Флеминг на основе эффекта Эдисона создал первую электронную лампу – диод, которую стали использовать в радиоприёмниках вместо когерера. В 1907 г. Ли де Форест поместил в вакуумную колбу между катодомраскалённой нитью, испускавшей электроны, и анодом, на который электроны попадали, третий электрод – управляющую сетку. Получилась первая радиолампа, позволяющая создать схемы усиления и генерирования сигналов. И до 1947 г. радиолампы были единственной элементной базой для создания электронных схем. Главным недостатком радиоламп является большая потребляемая мощность, которая расходуется на нагрев катода.
В 1947 г. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли изобрели полупроводниковый усилительный прибор – транзистор. Настало время бурного развития полупроводниковой электроники, цель которого – создание устройств как можно меньших габаритов и с как можно меньшим потреблением электроэнергии.
Первое поколениеустройств полупроводниковой электроники развивалось примерно до 1965 г. В электронных схемах использовались дискретные элементы – полупроводниковые диоды и транзисторы, схемы собирались с помощью ручного или простейшего автоматического монтажа на одно или двух сторонних печатных платах. Плотность монтажа составляла0,5 эл/см3.
Второе поколение(1965 – 1985 гг.) характеризуется разработкой и совершенствованием интегральных микросхем, предназначенных для реализации определённой функции преобразования сигнала. Микросхемы представляли собой несколько взаимосвязанных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов), изготовленных в едином технологическом цикле на одной несущей конструкции (подложке) и помещённых в корпус. Схемы собирались с помощью автоматического монтажа на многослойных печатных платах. Плотность монтажа достигала50 эл/см3.
Третье поколение(с 1985 по настоящее время) характеризуется разработкой и совершенствованием сверх больших интегральных микросхем (СБИС), представляющих собой готовое электронное устройство для решения большого количества различных задач (например, микропроцессор компьютера). Плотность монтажа в СБИС и в устройствах на их основе составляет1000 эл/см3и более.
Однако только на активных элементах – радиолампах и транзисторах – электронную схему построить нельзя. Необходимы также пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, высокочастотные катушки индуктивности, трансформаторы, низкочастотные дроссели и коммутационные устройства (с механическим управлением – переключатели, с магнитным управлением – реле). В отличие от таких же элементов, которые изучались в дисциплине «Теоретические основы электротехники» пассивные элементы электронных схем имеют стандартные значения номиналов, рабочего напряжения и мощности. Правильный выбор параметров пассивных элементов является гарантией надёжной работы электронного устройства.
Основные параметры резисторов: номинальное сопротивление; допустимое отклонение величины сопротивления от номинального значения (допуск), номинальная мощность рассеяния.
Шкала номинальных сопротивлений для резисторов общего применения определяется стандартными рядами Е6, Е12 и Е24, значения которых представлены в табл. В.1.
Таблица В.1
Номиналы сопротивлений по рядам Е6, Е12, Е24
Индекс ряда |
Числовые коэффициенты, умноженные на 10n, где n = 0; 1; 2 и т.д. | |||||
Е6 |
1,0 |
1,5 |
2,4 |
3,3 |
4,7 |
6,8 |
Е12 |
1,0 |
1,5 |
2,2 |
3,3 |
4,7 |
6,8 |
1,2 |
1,8 |
2,7 |
3,9 |
5,6 |
8,2 | |
Е24 |
1,0 |
1,5 |
2,2 |
3,3 |
4,7 |
6,8 |
1,1 |
1,6 |
2,4 |
3,6 |
5,1 |
7,5 | |
1,2 |
1,8 |
2,7 |
3,9 |
5,6 |
8,2 | |
1,3 |
2,0 |
3,0 |
4,3 |
6,2 |
9,1 |
Допуск выражается в процентах. Обычно для резисторов ряда Е6 допуск составляет 10%, для ряда Е125% и для ряда Е242%.
Номинальная мощность рассеяния выбирается из ряда 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 Вт.
Основные параметры конденсаторов: номинальная ёмкость, допуск, номинальное напряжение, температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ).
Шкала номинальных ёмкостей для конденсаторов общего применения определяется стандартными рядами Е6, Е12 и Е24, допуск от 1% до30%, номинальное напряжение от 6,3 В до 500 В.
Более подробные сведения о пассивных элементах приведены в литературе [19].