Министерство образования и науки украины

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ГОРПИНИЧ А.В.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу

«ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

для студентов дневной и заочной форм обучения

по специальности

7.090603 – электротехнические системы электропотребления

Мариуполь 2009 г.

УДК 621.37/39

Конспект лекций по курсу «Промышленная электроника» для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 7.090603 – электротехнические системы электропотребления / Составил: А.В. Горпинич. – Мариуполь: ПГТУ, 2009. – 53 с.

Составил: канд. техн. наук, доц. Ответственный за выпуск зам. зав. каф. ЭПП, докт. техн. наук, проф. Рецензент канд. техн. наук, доц.

Горпинич А.В. Саенко Ю.Л. Нестерович В.В.

Тема 1. Введение. Полупроводники. P-n-переход Введение

Электроникой называется наука, изучающая:

1) физические явления, происходящие в газообразных, жидких и твердых телах при протекании в них электрического тока (протекание тока в вакууме и в газах изучает электровакуумная электроника, протекание тока в жидкостях – хемотроника, протекание тока в твердых телах – электроника твердых тел);

2) методы разработки устройств, использующих эти физические явления;

3) применение таких устройств в различных отраслях техники.

Первое из этих направлений составляет физическую электронику, второе и третье – техническую электронику.

На практике электроника подразделяется по сферам применения на:

1) радиоэлектронику;

2) промышленную электронику;

3) ядерную электронику;

4) электронику живых организмов.

В промышленную электронику входят:

1) информационная электроника – изучает методы и средства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации;

2) энергетическая электроника – связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощности (выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и т.д.);

3) электронная технология – 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.).

История развития электроники

Совершим краткий экскурс в историю развития электроники. В начале XX в., после изобретения в 1904 г. англичанином Дж. Флемингом лампового диода (его стали применять в качестве детектора в радиоприемных устройствах), а в 1906 г. американцем Ли Де Форестом трехэлектродной лампы – триода, позволяющей усиливать и генерировать электрические колебания, ученые начали интенсивно разрабатывать различные электронные устройства – радиоприемники, осциллографы, усилители и др. Электронную аппаратуру создавали из отдельных готовых элементов – электронных ламп, резисторов, конденсаторов и др., которые соединяли между собой электрическими проводами с помощью пайки или сварки. Производство такой аппаратуры было трудоемким и дорогим, а сами электронные устройства громоздкими, ненадежными и потребляющими много энергии. 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.

Используя достижения физики твердого тела, американские изобретатели Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин в январе 1948 г. создали полупроводниковый триод на основе германия – транзистор, совершив коренной переворот в электронике. За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

После изобретения транзистора электронные устройства стали изготовлять из отдельных модулей. Каждый модуль (объемом 4-20 см³), собранный из нескольких готовых элементов, выполнял определенную функцию (усиление, переключение, запоминание и т.д.). Из таких модулей собирали сложную электронную аппаратуру, у которой повысилась надежность, значительно уменьшились размеры и потребление энергии. Однако и сама эта аппаратура, и способ ее изготовления вскоре перестали удовлетворять темпам развития науки и техники.

Дальнейший прогресс электроники был связан с развитием микроэлектроники, основанной на использовании интегральных микросхем. Интегральная микросхема – это микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США независимо друг от друга Джеком Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Нойсом (фирма Fairchild Semiconductor), а в 1962 г. был начат их промышленный выпуск. По способу объединения (интеграции) элементов различают полупроводниковые, пленочные и гибридные интегральные микросхемы (ИМС) или IC (integrated circuit). Полупроводниковые ИМС изготавливают из особо чистых полупроводниковых материалов (кремния, германия), в которых перестраивают структуру кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной системы. Например, 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 настоящее время принято считать, что число элементов в ИМС каждые 18 месяцев возрастает примерно в 2 раза – так называемый закон Мура (назван в честь американского исследователя Гордона Мура (фирма Intel), открывшего этот закон в 1965 г.).