1.5. Хранение и отображение информации

Хранение информации является одной из важных задач электроники в связи с лавинообразно нарастающей информатизацией общества. Хотя для хранения информации в виде электрических сигналов широко используются неэлектронные носители, например магнитная лента, металлические диски, здесь мы имеем в виду носители информации электронного типа – специальные электронные элементы, способные фиксировать два электрических состояния – высокий или низкий потенциал, наличие или отсутствие электрического заряда. Каждому из этих состояний ставится в соответствие элемент (0 или 1) двоичного кода. Существуют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), способные удерживать записанную в них информацию только при наличии специального источника питания (выключен источник – стерлась информация), и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), сохраняющие информацию и при длительном отсутствии источника питания. Более подробно эти специальные элементы электроники будут рассмотрены после изучения принципа действия полупроводниковых электронных элементов.

Отображение информации – это преобразование электрического сигнала в звуковой или оптический сигнал, доступный для восприятия соответствующими органами человека. Эти преобразования осуществляются как с помощью неэлектронных элементов, например мембраны в телефонной трубке, так и с помощью специальных электронных элементов, электронно-лучевых трубок, светодиодных и жидкокристаллических индикаторов и т. д., которые более подробно будут рассмотрены в последующих главах данного пособия.

1.6. Преобразование электрической энергии

Задачи преобразования энергии приходится решать всякий раз, когда имеющийся некоторый первичный источник электрической энергии не может быть непосредственно использован. Например, первичный источник – электрическая сеть 220 В, 50 Гц, а требуется получить постоянное напряжение для питания компьютера; первичный источник – фотоэлементы космического корабля, вырабатывающие постоянное напряжение, а для питания разнообразной бортовой аппаратуры требуется широкая номенклатура источников как постоянного, так и переменного напряжения; это источники бесперебойного питания, которые, потребляя энергию от резервных аккумуляторов, при исчезновении переменного напряжения в «сети» автоматически заменяют последнюю, предотвращая потерю оперативной информации в компьютерах, и т. д.

По сути, могут иметь место следующие преобразования энергии:

• переменного напряжения в постоянное (выпрямители);

• постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (преобразователи постоянного напряжения);

• постоянного напряжения в переменное напряжение любой формы (инверторы);

• переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (преобразователи частоты).

Для выпрямления необходим нелинейный элемент с преимущественно односторонней проводимостью. Пусть, например, необходимо «выпрямить» переменное напряжение

U = U_mcos t.

Возьмем в качестве нелинейного элемента квадратор, связь «вход-выход» которого описывается уравнением

U₂ =  (U₁)².

Принимая U₁=U_mcos  t, на выходе квадратора получаем

.

Полезная составляющая операции выпрямления – это постоянная составляющая

,

которую можно выделить, подавив с помощью фильтра переменную составляющую

Рис. 1.20. Временные диаграммы процесса выпрямления

Описанный выше процесс выпрямления можно наглядно проиллюстрировать диаграммами (рис. 1.20).

Инвертирование электрической энергии с целью снижения потерь (обеспечения высокого КПД) практически всегда осуществляется с помощью ключевых элементов.

Простейший инвертор – это ключ, который с нужной периодичностью подключает нагрузку к первичному источнику постоянного напряжения (рис. 1.21, а).

а б

Рис. 1.21. Схема простейшего инвертора (а) и временная диаграмма напряжения в нагрузке (б)

Остальные виды преобразователей являются комбинацией выпрямителей и инверторов. Преобразовательная техника, связанная со скоростными коммутациями токов в сотни – тысячи ампер и напряжений в тысячи вольт, является сложнейшей революционно развивающейся областью современной электроники, называемой промышленной электроникой, и изучается в специальных курсах.