ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Электроника. Основные понятия и определения.

Электроника – область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики этих приборов, а также свойства устройств и систем их использования. Каждому человеку приходится ежедневно сталкиваться с огромной по объему и разнообразной по содержанию информацией: политической, культурной, научной, учебной и др. Для ее приема и передачи, для обработки, хранения и вывода к пользователям применяют электронные устройства, содержащие разнообразные электронные элементы и схемы (радио, телевидение, интернет). Электроника.

Из физики известно, что на большие расстояния распространяются только высокочастотные колебания (электромагнитные волны). Информация же чаще передается в виде колебаний низкой частоты. Чтобы передать ее на большое расстояние, прибегают к модуляции (изменению по заданному закону) некоторых параметров высокочастотных колебаний (амплитуды, частоты, фазы и др.). При приеме совершается обратный процесс демодуляция, т. е. получают сигнал для записи, звукового или визуального воспроизведения. Электроника.

основные функциональные элементы радиоинформационной связи. Электроника. И информация; А1 передающая антенна; А2 приемная антенна

Радиовещание служит для передачи информации на расстояние с помощью радиоволн. Телевидение предназначено для передачи изображения движущихся объектов и сопутствующего им звука. Телевидение и радиовещание одни из самых распространенных средств массовой информации. Радиотелеграфная связь служит для передачи дискретных сообщений (телеграмм) с обязательной записью при приеме. Телефонная и радиотелефонная связь служит для передачи голосовых сообщений. При этом это сообщение может преобразовываться из аналогового вида в цифровой и обратно. Электроника.

Создание и применение новых технологий основная черта научно-технического прогресса. Все выше приведенные технологии постоянно усовершенствуются. При этом они либо упрощаются, либо приобретают новые возможности. В первом случае технологии становятся доступны все большему количеству людей и при этом дешевле, а во втором технологии позволяют использовать новые функции для получения либо более оперативной, либо более точной информации. Электроника.

Все электронные устройства состоят из электронных приборов. В зависимости от среды, в которой проходит электрический ток, электронные приборы подразделяют на три основных класса. 1. Электронные (вакуумные) лампы. В них электрический ток проходит в вакууме. Различают двухэлектродные (диоды), трехэлектродные (триоды), пятиэлектродные (пентоды), комбинированные лампы, электронно-лучевые приборы и др. Электроника.

2. Ионные (газоразрядные) лампы. В них основными носителями тока являются ионы (положительные и отрицательные), полученные при ионизации газа, заполняющего прибор. Различают стабилитроны, газотроны, тиратроны и др. 3. Полупроводниковые приборы. В них ток создается движением двух видов носителей тока электронами и дырками. Различают диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы и др. Электроника.

Принцип работы электронных ламп основан на электронной эмиссии (излучении электронов). С электрода, называемого катодом, электроны эмитируются, если соблюдаются определенные условия. Так, если нагреть катод до °С током (прямо или косвенно), то электроны атомов катода получат энергию, достаточную, чтобы покинуть его. Это явление термоэлектронной эмиссии. При облучении видимым светом некоторые виды катодов излучают электроны в результате фотоэлектронной эмиссии. При достаточно высоком напряжении между анодом и катодом с последнего электроны вырываются в результате автоэлектронной эмиссии и т. д. Электроника.

Для прохождения тока катод подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока, анод к положительному (рисунок слева). Электроника. Анод Катод Анод Катод

При обратном включении катод к положительному полюсу источника тока, анод к отрицательному ток в цепи практически отсутствует (рисунок справа). Такой прибор называется – диод. Электроника. Анод Катод Анод Катод

Диоды применяют при создании выпрямителей тока, детекторов и др. Электроника.

Триоды это трехэлектродные лампы. Между анодом и катодом в них имеется третий электрод сетка, которая предназначена для управления силой проходящего тока и называется управляющей. Триод обладает эффектом усиления и чаще всего используется в схемах усилителей. Электроника.

Тетроды (рис. г) это четырехэлектродные, пентоды (рис. д) пятиэлектродные лампы, обладающие значительным эффектом усиления. Чем больше число электродов в электронных лампах, тем более сложны они в эксплуатации. Электронно-вакуумные приборы используют для специальных целей, например в качестве модуляционных, измерительных ламп и пр. Электроника.

Условные обозначения электронных ламп: а диод прямого включения; б диод обратного включения; в триод; г тетрод; д пентод; е комбинированная лампа (триод-пентод); ж двойной диод-пентод. Электроника.

Комбинированные лампы (рис. е, ж) состоят из двух или трех систем ламп, например, триод-пентод, двойной диод-пентод, которые смонтированы в общем корпусе (колбе). Современное применение электронных ламп сильно ограничилось в связи с приходом им на смену полупроводниковых приборов. Однако электронные лампы применяют в дорогостоящей аудио аппаратуре, а также радиопередающей аппаратуре высокой мощности (телевизионный сигнал). Электроника.

Электронно-лучевые трубки бывают с электростатическим и электромагнитным отклонением электронного луча. Так, в осциллографах приборах визуального наблюдения формы токов или напряжения электронно-лучевая трубка имеет электростатическое отклонение луча. Электроника.

В бытовых телевизорах, промышленных установках, телевизионных камерах используют электронно-лучевые трубки с электромагнитным отклонением (соответственно кинескопы, мониторы, передающие трубки и пр.). Электроника.

Стабилитрон (рис. а) это заполненная газом двухэлектродная лампа с холодным катодом. Прибор работает с самостоятельным тлеющим разрядом. Напряжение сохраняется сравнительно постоянным по величине при изменении силы проходящего тока. Поэтому лампу используют в качестве стабилизатора напряжения. Электроника.

Газотроны (диоды) (рис. б) и тиратроны (триоды) (рис. в) это ионные лампы с горячим катодом, работающие с несамостоятельным дуговым разрядом. Их применяют в мощных выпрямителях тока. Для регистрации и измерения рентгеновских и радиоактивных излучений используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера (рис. г). Электроника.

Они заполнены газом, в объеме которого существует электростатическое поле. При попадании частицы излучения в прибор происходит ионизация газа, сопротивление внутри объема уменьшается и возникает небольшой электрический ток. После усиления его можно измерить и получить информацию об интенсивности излучения. Электроника.

Полупроводниковые диоды это пассивные (не усиливающие сигналов) электронные приборы с одним р-n-переходом и двумя выводами (от анода А и катода К). Их применяют в электронных схемах, предназначенных чаще всего для преобразования параметров электрических сигналов. Изготавливают из кремния или германия. Электроника. Анод А А Катод К

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами, т.е. они способны проводить ток при определенных условиях. Электроника.

Носителями зарядов в полупроводниках являются электроны и дырки (вакантные связи для электронов). При комнатной температуре параметры полупроводника приближаются к параметрам изоляторов. Электроника.

Введение в кремний небольшого количества мышьяка создает избыток электронов. Они в данном случае будут основными носителями. Появляется электронная проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n- типа. Электроника.

Введение в кремний индия создает избыток дырок (свободных связей). Они в данном случае будут основными носителями. Появляется дырочная проводимость проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником р- типа. Электроника.

Соединение двух полупроводников n-типа и p- типа вместе дает образование p-n-перехода. В результате на границе двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда из-за рекомбинации электронов и дырок. Этот слой обладает высоким электрическим сопротивление и называется запирающим. Электроника.

Работу диодов можно понять, рассматривая вольт-амперную характеристику (зависимость тока I от приложенного напряжения U к нему), которая имеет нелинейный характер. Считают, что диод подключен в прямом направлении, когда к аноду подключен положительный, а к катоду отрицательный полюс источника тока. Электроника.

Этому соответствует ветвь характеристики в I квадранте. Через диод проходит большой ток Iпр (мА) в прямом направлении. При подключении в обратном направлении (плюс к катоду, минус к аноду) ток Iобр, проходящий через диод, очень небольшой (мкА). Этому соответствует ветвь Uобр (Iобр) в III квадранте. Такой ток называют «обратным». Электроника.

Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью пропускает ток только в прямом направлении. Идеальный диод имеет нулевой обратный ток Iобр=0. Электроника.

Значения (номинальные) основных параметров диодов обычно приводят в справочниках. К ним относятся: максимальный прямой ток Iпр мах самый большой ток, который может длительное время проходить через диод, не повреждая его. Для различных диодов этот ток составляет от 20 мА до десятков ампер; максимальное обратное напряжение Uобр мах наибольшее значение напряжения, которое диод может выдержать длительное время без пробоя. Оно составляет от 10 до 1500 В; обратный ток Iобр это ток диода при напряжении Uoбp max и температуре 25 °С. Электроника.

Перепад напряжения в прямом направлении определяется произведением силы проходящего тока I пр на сопротивление диода R пр в прямом направлении в соответствии с законом Ома Электроника. Существует большое разнообразие технологий изготовления, конструкций и параметров диодов. В зависимости от используемого материала они бывают германиевые, кремниевые, селеновые и др. По значению Iпр различают маломощные диоды (Iпр 10 А).

Диоды (рис. а) используют в схемах выпрямителей тока (преобразуют переменный ток в постоянный), детекторов (демодуляторов на вход подают модулированное напряжение, а на выходе получают информационный сигнал), ограничителей (на выходе диода сигнал принимает определенные значения), импульсных устройств (формируется импульсный сигнал) и др. Их применяют в качестве стабилизаторов постоянного напряжения (рис. б). Электроника.

В оптоэлектронике используют свойство некоторых диодов изменять значение обратного тока пропорционально освещенности. Это фотодиоды (рис. в). Диоды могут излучать свет в зависимости от силы проходящего в прямом направлении тока. Это светодиоды (рис. г) Электроника.

Тиристоры (рис. д) полупроводниковые приборы с тремя электрическими р-n-переходами, которые имеют два устойчивых состояния. Их называют также управляемыми диодами из-за наличия управляющего электрода. Электроника.

Область p1, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область n2 катодом, области n1 и р 2 базами. Переход 2 называют коллекторным. Вывод от области р 2 называют управляющий электрод. Электроника.

При обратном включении (плюс к катоду, минус к аноду) тиристор заперт и его характеристика похожа на характеристику запертого диода. При подаче положительного напряжения Еа на анод тиристор открыт переходы 1, 3 открыты и смещены в прямом направлении, а коллекторный 2 закрыт и смещен в обратном направлении. Когда внешнее напряжение мало Ua<<Uвкл, все оно практически падает на переходе 2, и тиристор закрыт (точка А). Электроника.

Когда Ua>>Uвкл, в тиристоре начинается ударная ионизация и он открывается. Сопротивление перехода 2 резко снижается, а напряжение на нем вследствие этого скачкообразно падает до Uн. Тиристор открыт, пока Ua>Uн (ветвь АВ). Электроника.

Напряжение на управляющем электроде не сказывается на работе прибора в открытом состоянии. Если тиристор закрыт (Uа >Uвкл. Однако тиристор можно открыть и кратковременными импульсами, которые имеют такую амплитуду, что анодное напряжение становится большим или равным напряжению включения. После исчезновения импульса Uа должно быть больше Uн. Электроника.

Меняя ток в управляющем электроде (Ig2>Ig1 под влиянием Ua), открывать тиристор можно при меньшем напряжении (характеристика соответствует ветви АВ). Ток в управляющей цепи оказывает влияние только на момент открытия тиристора. Электроника.

Номинальные параметры тиристоров: максимально допустимое напряжение при обратном включении, максимальный прямой ток, максимально допустимая рассеиваемая на аноде мощность и др. Однако эти параметры сильно зависят от температуры. Мощные тиристоры используют с устройствами охлаждения. Напряжение прямого включения это такое напряжение, при котором происходит открытие тиристора при открытой управляющей цепи, т.е. при Ig=0. Это напряжение близко к напряжению пробоя, поэтому рабочее напряжение тиристора должно быть на % ниже. Электроника.

Управляющий ток включения тиристора это наименьшее значение Ig, при котором тиристор открывается. Разные тиристоры включаются при различных Ig и Eg. Время включения и отключения тиристора имеет важное значение для быстродействующих схем. Тиристоры находят широкое применение вследствие большой мощности и достаточного быстродействия. Их используют в автоматических и регулирующих устройствах, в частности в управляемых выпрямителях. Электроника.

Транзисторы это полупроводниковые приборы с двумя или более р-n-переходами, позволяющие усиливать электрические сигналы и имеющие три вывода и более. Их подразделяют на две большие группы: биполярные и полевые (униполярные). Биполярные транзисторы имеют трехслойную структуру с чередующимися типами электропроводности. Электроника.

Различают прямой проводимости (р-n-р) и обратной проводимости (n-р-n) транзисторы. От каждого слоя имеется вывод: эмиттер Э, база (или основание) Б и коллектор К. Слой с высокой концентрацией примесей, а следовательно, и основных носителей заряда называют эмиттером, он главным образом и создает ток транзистора. Другой крайний слой с несколько меньшей концентрацией основных носителей заряда называется коллектором и служит для приема носителей заряда, поступающих из эмиттера. Электроника.

Между эмиттером и коллектором находится база тонкий слой полупроводника, обедненного носителями заряда, с помощью которого осуществляются необходимые смещения обоих p-n- переxодов и через который существует сквозной ток от эмиттера к коллектору. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой коллекторным. Электроника.

Рассмотрим работу транзистора типа n-р-n. Между коллектором и базой приложено относительно высокое обратное напряжение Uкб. При отсутствии эмиттерного тока Iэ, небольшой обратный ток Iко через закрытый коллекторный переход обусловлен движением только неосновных носителей заряда (для транзистора типа n-р-n это движение дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор). Электроника.

Ток Iко не зависит от тока эмиттера, но существенно зависит от температуры и с ее повышением возрастает. Обратный коллекторный ток обычно составляет мкА у германиевых и 0,1 10 мкА у кремниевых транзисторов. При подаче на переход база-эмиттер прямого напряжения Uэб от источника питания возникает эмиттерный ток Iэ, основные носители заряда электроны преодолевают переход и попадают в базу. Электроника.

База выполнена из обедненного носителями заряда р- полупроводника и для нее электроны являются неосновными носителями заряда. Попавшие в область базы электроны частично рекомбинируют с дырками базы. Но поскольку толщина базы небольшая и концентрация дырок в базе низкая, рекомбинируют лишь немногие электроны, образуя базовый ток Iб. Электроника.

Большинство же электронов, попав в ускоряющее электрическое поле вблизи коллекторного p-n- перехода, втягиваются в коллектор, свободно проходя через закрытый p-n-переход. Эта составляющая коллекторного тока мало зависит от напряжения на коллекторном p-n-переходе, т.е. при наличии электрического поля все электроны, за исключением рекомбинировавших, попадают в коллектор. Ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на значение тока базы. Электроника.

Если на вход (эмиттербаза) подано переменное напряжение (рис. ав), то происходит изменение Iб и Iк. С сопротивления нагрузки Rт снимают выходной сигнал и подают его для дальнейшего использования. В зависимости от общего электрода для входной и выходной цепей транзисторы можно включать тремя разными способами: по схеме с общим эмиттером ОЭ (получают наибольшее усиление) (а), по схеме с общей базой ОБ (наибольшая стабильность в работе) (б) и по схеме с общим коллектором ОК (обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением) (в). Электроника.

Зависимости между токами и напряжениями транзистора называют статическими характеристиками. Для разных схем включения они различны. Электроника.

По статическим характеристикам (рис. ав), например, транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно найти выходное сопротивление (около к Ом): Электроника.

входное сопротивление (около 15 к Ом) Электроника. Чем больше усиление, тем выше β. и коэффициент усиления по току

Максимальные параметры транзисторов: максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора, максимально допустимые напряжения переходов коллектор – эмиттер и коллектор – база, максимально допустимый коллекторный ток, максимальная (предельная) частота генерации и др. Их можно найти в справочной литературе. Электроника.

Униполярные, или полевые, транзисторы имеют большое входное сопротивление (свыше 10 МОм). Их подразделяют на две большие группы: транзисторы с управляющим p-n-переходом с каналом n- или р-типа (рис. а, б соответственно). Электроника.

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название транзистора «полевой». Электроника.

Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней- каналом. Электроника.

С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком - тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р-n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Электроника.

Если к истоку подключить положительный, а к стоку-отрицательный полюсы батареи питания, то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между истоком и затвором. Электроника.

Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р-n перехода расширяется (на рис. показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из-за чего ток стока уменьшается. Электроника.

С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р-n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, напряжение усиленного сигнала. Электроника.

Так устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Электроника.

Полевой транзистор - тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Электроника.

Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамического звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Электроника.

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1-0,2 до мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор. Электроника.

Полевые транзисторы могут быть маломощными (Pmах<0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,2 Вт) и мощными (свыше 1,2 Вт). В зависимости от предельной частоты они бывают низкочастотными (fmах<3 МГц), среднечастотными (330 МГц), высокочастотными (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотными (свыше 300 МГц). Электроника.

Фоторезисторы (рис. а) это полупроводниковые приборы, действие которых основывается на внутреннем фотоэффекте (генерации пары «электрондырка» в освещенном полупроводниковом материале). Сила тока фоторезистора прямо пропорциональна освещенности и приложенному напряжению. Вольт-амперная характеристика (рис. 103, б) фоторезистора линейная. Электроника.

При отсутствии освещенности через прибор проходит небольшой темновой ток Im, создаваемый свободными носителями заряда; при наличии светового потока Ф0 возникает световой ток Iсв. Разница между этими двумя токами называется фототоком Iф = Iсв – Im. Электроника.

Фоторезисторы характеризуются темновым сопротивлением (от 10 к Ом до 1 МОм), темновым током, максимально допустимой рассеиваемой мощностью и др. Их включают в цепь так, как показано на рис. в. С резистора R нагрузки снимают выходное напряжение Uвых. Оно имеет небольшое значение, поэтому необходимо применять электронный усилитель. Электроника.

Фотодиоды (рис. а) имеют структуру обычного р-n-перехода. Освещают обычно только одну область (р или n). Напряжение от внешнего источника подключено обратно переходу (рис. б), темновой ток незначителен. При освещении фотодиода генерируются дырки n-области, они переходят в область р. Через диод потечет ток. Электроника.

При облучении диода светом (рис. в) в нем генерируются дополнительные носители заряда, которые переходят в область с другим типом электропроводности и частично компенсируют заряды в запирающем слое; через R проходит ток. Таким образом, р-n-переход становится источником ЭДС (фотоэлектродвижущей силы). Электроника.

Такой р-n-переход называется фотоэлементом. При подключении ряда фотоэлементов друг к другу получают фотобатареи (солнечные батареи). Фотодиоды обладают большими значениями обратного напряжения (порядка десятков вольт), Iт достигает значений от нескольких до десятков микроампер. Их интегральная чувствительность колеблется от 2 до 20 мА/лм. Электроника.

Фототранзистор (рис. а) прибор с двумя p-n- переходами и выводами от эмиттера и коллектора На базу прибора падает поток света. Из-за того, что коллекторный переход (рис. б) смещен в обратном направлении, через неосвещенный прибор проходит слабый темновой ток Iт. При облучении светом базы в ней вследствие внутреннего фотоэффекта образуются электроны и дырки. Дырки переходят в коллектор. Электроника.

Оставшиеся в базе электроны снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. При этом возрастает обратный ток. Для температурной стабилизации предусматривают вывод от базы. Фототранзистор чувствительнее фотодиода, так как обладает свойствами усилителя. Его интегральная чувствительность колеблется от 100 до 500 мА/лм. Электроника.

Светодиоды приборы, излучающие свет при интенсивной рекомбинации электронов и дырок в узком слое перед р-n-переходом. В зависимости от используемого полупроводникового материала излучение бывает в разных диапазонах инфракрасного и видимого света. Электроника.

Оптроны это сочетание в общем корпусе светоизлучающего и фотоприемного прибора. Связь между ними осуществляется только светом. В зависимости от вида используемого прибора оптроны бывают разными: диодными (рис. а), резисторными (рис. б), транзисторными (рис. в), тиристорными (рис. г). Используют для гальванической развязки цепей. Электроника.

Фотоэлементы являются «глазами» многих автоматических устройств. Наиболее часто используют их в схемах включения и отключения уличного освещения. Они управляют интенсивностью освещения: при достаточном солнечном освещении от фотоэлемента проходит ток, который после усиления отключает питание осветительных ламп. Такие схемы должны работать с большим запаздыванием, чтобы не было срабатывания под действием кратковременных изменений освещенности (молния, тень и др.). Электроника.

Световой поток часто используют как промежуточную величину управления неэлектрическими величинами. Интенсивность света может быть показателем температуры излучателя теплоты (дымовых газов, масла, угольной пыли и др.). Так, прекращение горения факела в топке паровых котлов может привести к взрыву, поэтому непрерывно следят за интенсивностью факела и при его затухании автоматически отключают подачу топлива. Электроника.

Фотоприборы применяют для наблюдения в опасных для человека местах. При попадании тени на них они отключают механизм. При появлении тени фотоприборы, охраняя объекты, включают сигнализацию. Вход в метро, например, охраняется такими «сторожами». Для получения качественных фотоснимков используют экспонометры, основной частью которых является фотодиод. Солнечные батареи питают электронные калькуляторы, радиоприемники, измерительные приборы и др. Электроника.