Основы электроники Курс лекций
Е.С. Шаньгин
УГАТУ 2008
УДК
ББК
Ш21
Шаньгин Е.С.
Ш21 Основы электроники: Учеб. пособие. – Уфа, изд-во УГАТУ, 2007, – 168 с.
Рассмотрены основные полупроводниковые приборы и наиболее широко используемые устройства как аналоговой, так и цифровой электроники. Описаниям характеристик и параметров приборов предшествуют необходимые сведения по физическим явлениям, используемым в работе приборов.
Учебное пособие предназначено для студентов второго курса специальности 552800- Информатика и вычислительная техника (подготовка дипломированного бакалавра техники и технологии).
ISBN ББК
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение …………………………………………………………………
7
2. Элементы электронных схем.…………………………………………..
17
3. Биполярные транзисторы……………………………………………….
30
4. Полевые транзисторы …………………………………………………..
37
41
6. Оптоэлектронные приборы……………………………………………..
46
7. Операционные усилители ……………………………………………..
56
8. Интегральные микросхемы …………………………………………….
61
9. Аналоговые электронные устройства …………………………………
64
10. Линейные схемы на основе операционных усилителей ……………
79
11. Усилители постоянного тока …………………………………………
89
12. Электронные фильтры ………………………………………………..
100
13. Генераторы гармонических колебаний ……………………………..
109
14. Вторичные источники питания ………………………………………
113
15. Цифровая и импульсная электроника ………………………………..
121
16. Комбинационные цифровые устройства …………………………….
133
17. Цифровые запоминающие устройства ………………………………
147
18. Устройства для формирования и аналого-цифрового
преобразования сигналов …………………………………………….
151
Литература …………………………………………………………………
170
1. Введение
Электроника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического управления и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.
Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными.
Обратимся к идеализированной системе управления некоторым объектом (рис. 1.1).
Рис.1.1. Структурная схема системы управления
Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект.
Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры, усилители, силовые электронные устройства), цифровыми сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства, осуществляющие преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно. Характеристики электронных устройств определяются прежде всего характеристиками составляющих их элементов.
Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.
В сороковых годах ХХ века масса электронного оборудования тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг (без учета энергетического оборудования, необходимого для электропитания аппаратуры). Так, например, электронная аппаратура одной только системы вооружения на самолетах американской фирмы «Боинг» за десятилетие с 1949 по 1959 г. усложнилась в 50 раз. На самолетах выпуска 1959 года электронная схема этой системы содержала уже 100 000 элементов.
Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в 1 см3 действующего устройства. Если, например, основным элементом электронного устройства являются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3. С учетом этого для размещения современной ЭВМ потребуется объем в несколько тысяч кубических метров. Кроме того, нужна мощная энергетическая установка для питания такой машины.
Создание
в конце 40-х годов ХХ века полупроводниковых
элементов (диодов и транзисторов) привело
к появлению нового принципа конструирования
электронной аппаратуры – модульного.
Основой при этом является элементарная
ячейка-модуль, стандартный по размерам,
способу сборки и монтажу. При этом
плотность упаковки возросла до 2,5 эл/см
Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см3. Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники или микроэлектроники.
В
схемотехническом отношении интегральная
электроника часто не отличается от
транзисторной, так как в интегральной
схеме можно выделить все элементы
принципиальной схемы устройства, но
размеры этих элементов очень малы
(примерно 0,5–1 мкм). Технология изготовления
интегральных схем позволила резко
повысить плотность упаковки, доведя ее
до тысяч элементов в 1 см
С
практической точки зрения электроника
занимается созданием электронных
приборов и устройств, в которых
взаимодействие электронов с
электромагнитными полями используется
для передачи, обработки и хранения
информации. Наиболее характерные виды
таких преобразований – генерирование,
усиление, передача и прием электромагнитных
колебаний с частотой до 1012Гц,
а также инфракрасного, видимого,
ультрафиолетового и рентгеновского
излучений (10
В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки.
Электроника опирается на многие разделы физики – электродинамику, классическую и квантовую механику, физику твердого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, электроника, с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой – создает новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования.
Практические задачи электроники:
разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные функции в системах преобразования и передачи информации в системах управления, в вычислительной технике, а также в энергетических устройствах;
разработка научных основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей электронные и ионные процессы и приборы для различных областей науки и техники.
Электроника играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических и экологических показателей производства. На основе достижений электроники развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др.
Основы | Электроника для всех
Есть такое очень простое и очень популярное схемотехническое решение. Но, несмотря на его простоту, для многих начинающих оно незнакомо, а при встрече неочевидно. Что порой вызвает непонимание сути процесса, а порой и выход из строя оборудования.
Что такое соединение в монтажное И.
Представь себе линию, подтянутую резистором к плюсу питания. Так как сопротивление между линией и землей бесконечность, а между питанием и линией равно резистору, то напряжение на линии равно напряжению питания. То есть высокий уровень aka (обычно) логическая единица.
К линии подключаются девайсы. Которые могут замыкать эту линию на землю. Так вот, исходя из этого подключения, на линии будет высокий уровень только тогда, когда все остальные девайсы выставят выставят высокий уровень на своих выходах. Стоит какому-либо одному поганцу придавить линию к земле нулем, как вся шина станет низкого уровня и никто из других девайсов на это повлиять не сможет.
Как это можно использовать? Да по разному. Простеший пример — сигнал готовности. Есть куча блоков единого устройства. Каждый из которых работает по своему алгоритму и, например, требует начальную инициализацию. Чтобы главный понял, что все остальные блоки закончили инициализацию и подготовились он «слушает» линию связи. В качестве сигнала готовности — блок отпускает линию. Когда каждый блок пройдет инициализацию, то линия примет высокий уровень и это будет сигналом полной готовности устройства.
На этом же принципе работает и шина 1-Wire и I2C — там если приемник не успевает прожевать байт, то он просто придавливает тактовую линию, не давая передатчику генерировать импульсы. А передатчик, видя что его обламывают, делает паузу.
Как с этим работать
Очевидно, что при работе на шину с монтажным И нельзя в эту шину подавать сильный высокий уровень. Иначе если какой либо из блоков выдаст свой сильный низкий то один из них выгорит в результате КЗ. Соответственно, если говорить про AVR, то ноль задаем сочетанием DDR=1 PORT=0, а единицу (когда линия отпущена) DDR=0 PORT=0. Вот такая вот инверсная логика.
Read More »
Основы практической электроники для новичков
Электроника – эта одна из передовых областей науки и техники, которая занимается разработкой и практическим применением различных электронных приборов и устройств. Ребёнок с первых лет своей жизни уже сталкивается с массой электронных устройств. Люди любого возраста выказывают желание познать основы современной электроники для начинающих. В этой статье даны понятия, на которых основываются азы электроники.
Самый простой самоучитель
Пути совершенствования (микроминиатюризация)
С момента появления твердотельной электроники она начала развиваться темпами математической прогрессии. Активные радиоэлементы, по сравнению со старыми прототипами, уменьшились по размеру в тысячи раз. Некоторые детали стали измеряться в нанометрах. Большие электрические схемы стали помещаться в одном чипе (микросхеме).
Внедрение новых технологий открыло путь резкому развитию микроэлектроники. Это видно по совершенствованию приборов сотовой связи. За относительно короткий срок простой сотовый телефон превратился в смартфон с огромными возможностями. Громоздкие по габаритам маломощные компьютеры были заменены на ноутбуки. Появилось много различных миниатюрных электронных гаджетов. Прогресс в совершенствовании продуктов электронной промышленности с каждым днём только набирает обороты.
Познавательная электроника для начинающих должна начинаться с усвоения учебников, видео программ по основам цифровой электроники. Нужно понимать, что такое микросхематика, практическая электроника, как составляются цепи в электронных схемах. Самоучители пошагово дадут возможность ученику познать основы электроники.
Плата электронной схемы
Микросхемотехника
Это часть микроэлектроники, которая занимается исследованиями и разработкой электрических структурных построений цепей в интегральных микросхемах. Они представляют собой микроэлектронные изделия, выполняющие функции преобразования, обработки сигналов и накопления информации.
Важно! Микросхемы имеют высокую плотность соединённых элементов на площади в несколько мм2. Их элементы не могут быть отделены от кристалла и подложки.
Микросхемотехника
Проектированием и монтажом интегральных микросхем (ИМ) занимаются схемотехники. ИМ бывают нескольких видов:
- плёночные – все элементы и межэлементные компоненты выполнены в виде плёнок;
- гибридные – содержат кристаллы;
- аналоговые – предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции;
- цифровые – обработка сигналов по закону дискретной функции.
Практическая электроника
Практическое изучение электроники с нуля начинается с понимания принципов работы электронных приборов и устройств, функционирование которых основано на взаимодействии электромагнитных полей и свободных электрических зарядов. Описание этих процессов можно найти во всех учебниках по радио,- и микроэлектронике. Особенно помогают в этом отношении видео уроки в интернете. Азы современной электроники в практической области постигаются приобретением знаний по следующим вопросам:
- Построение цепей;
- Полупроводники;
- Сигналы и измерения;
- Электропитание схем;
- Цифровая электроника.
Построение цепей
Основой создания различных электрических схем являются правила построения цепей. Те же принципы построения электрических связей распространяются и на структуру микросхем. Твёрдое знание самых важных законов Ома и Кирхгофа позволяют понять логику создания линий, связующих компоненты электронных схем.
Обратите внимание! Без изучения базовых законов физики и электротехники начать овладевать основами электроники с нуля невозможно. Именно эти знания открывают все секреты создания электронных схем. Можно часами простоять, наблюдая за работой тех или иных сложных устройств, но без знаний основ электроники понять механизмы их действия не получится.
Полупроводники
В мире микроэлектроники полупроводники занимают важное место. Для того чтобы понять принцип их действия, нужно знать их физические возможности. Полупроводники меняют своё сопротивление в зависимости от нагрева. С повышением температуры сопротивление падает, в условиях низких температур полупроводники приобретают свойства диэлектриков.
Полупроводники на плате
К полупроводникам относятся такие радиодетали, как:
- диоды;
- транзисторы;
- тиристоры.
Сигналы и измерения
Сигналы – это носители информации. Они передаются электронами электрической цепи. Величина заряженной частицы служит единицей измерения энергетического заряда. Измерения и исследования сигналов в электронике проводятся с помощью осциллографов. Цифровой прибор производит математическую обработку полученных результатов.
Цифровой осциллограф предназначен для профессиональных электронщиков и стоит довольно дорого. Для начинающих любителей подойдут недорогие модели отечественного производства – С1-73 и С1-101.
Электропитание схем
Энергообеспечение электронных схем осуществляется через специальные блоки питания. Сетевые импульсные блоки питания называют электронными трансформаторами. Это простые источники питания, работающие от сети 220 вольт. В сети интернет можно приобрести довольно дешёвые модели китайского производства.
Цифровая электроника
Основы цифровой электроники для начинающих базируются на понятии двоичной системы (ноль и единица) и алгебраической логике. В самоучителях и разных учебниках даются разъяснения, что такое базовые логические элементы электронных схем. К ним относятся триггеры, регистры, дешифраторы и микроконтроллеры.
Цифровая электроника
Цифровая технология передачи сигналов кодирует, а после доставки в нужное место дешифрует их. Этим добиваются чистоты информационных сигналов, защищённых от каких-либо помех. Примером этому служит цифровое телевидение.
Основные разделы и направления
Сюда относятся:
- исследования протекания процессов в вакууме и твёрдой массе;
- изучение квантовой электроники;
- путь от прототипа к готовому устройству.
Вакуумные среды и твёрдые тела
Сфера вакуумной электроники занимается следующим:
- проектирование и производство электронных ламп;
- изготовление сверхчастотных магнетронов, клистронов и аналогичных приборов;
- производство фотоэлементов, индикаторов и различных фотоэлектронных устройств.
Электроника в твёрдых телах занимается изучением и совершенствованием полупроводников, а также изготовлением на их основе радиоэлектронных компонентов. Вместе с этим этот раздел уделяет внимание следующим вопросам:
- проектирование и создание электронных сфер, связанных с выращиванием кристаллов;
- нанесение диэлектрических и металлизированных плёнок на поверхности полупроводников;
- создание теоретической базы, подкреплённой практикой, по производству технологии выращивания плёнок заданной формы и с соответствующими техническими характеристиками;
- поиск новых решений по управлению процессами, происходящими на поверхности полупроводников;
- совершенствование и разработка новых технологий по получению наночастиц.
Квантовая электроника
Квантовая электроника изучает и создаёт приборы и устройства, занимающиеся обработкой информационных сигналов на основе движения элементарных частиц. Квантовая теория о свойствах электронов и других атомных элементов стала базой освоения технологий, создающих мощные лазеры. На основе последних разработок квантовой электроники появилась перспектива построения квантового компьютера.
От прототипа к готовому продукту
В связи с совершенствованием электронных схем в геометрической прогрессии путь от прототипа нового электронного устройства до массового производства готового продукта может занимать от 2,3-х до нескольких месяцев. Это заметно по постоянному обновлению ассортимента на рынке электронной аппаратуры.
Полученные знания основ электроники помогут новичку в этой области устранить мелкие поломки, выявить и заменить повреждённые компоненты электронных схем. Это позволит не выглядеть «чайником» в глазах электротехников, выполняющих ремонтные работы бытовых электронных приборов, что иногда приносит существенный экономический эффект.
Видео
Начинающим | Электроника для всех
Автор: Стюарт Болл
Название: Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров
Издательство: Додэка
Чертовски мощная книжка. Даже сейчас, многие вещи оттуда мне были почти как откровения. Знать то я это знал, но не было четкой системы в голове и тут… Непередаваемое ощущение. А ведь я пролистал ее бегло, по диагонали. Надо курнуть посерьезней. Она не совсем для начинающих, требует некоторой первоначальной подготовки, например предварительно не помешает загрузить в мозги начала от Свореня или Борисова.
О чем эта книжка? Да обо всем, что начинается сразу за границей корпуса микроконтроллера. Трудно найти такой прибамбас который можно подключить к микроконтроллеру и который бы отсутствовал в этой книге. АЦП, ЦАПы, внешняя память, интерфейсы, кнопки, светодиоды, реле. Разнообразные датчики и подключение шинных магистралей. Энкодеры и двигатели, соленоиды, цифровые потенциометры, да еще черт знает что. Откуда берутся помехи и как с ними бороться, погрешности, способы замера разных величин. Готовые схемотехнические решения и общая концепция работы.
Причем расписано все буквально на пальцах, математика, конечно, есть. Но укладывается в пределы школьного курса. Как говорит сам автор: «Я не хочу писать книгу о вычислениях с теоретическими выкладками, и думаю, вы бы не стали ее читать. Эта книга — о реальных встроенных микропроцессорных системах, поэтому я хочу сфокусироваться на практических примерах. »
А за раздел по Автоматическому управлению автору можно смело ставить памятник. Все, что нам безуспешно пытались втереть на протяжении почти двух лет в универе, Стюарт разжевал буквально на пальцах, да так что становится понятно мгновенно, уложившись в десяток страниц. Попадись мне его труд на третьем курсе, то я бы не завалил, в свое время экзамен по ТАУ 🙂 Как я ТАУ сдавал потом это отдельная история, а моя фраза «А что, вам западло поставить отл коллеге по цеху?» стала кафедральным бояном 🙂 Да что я вам тут рассказываю, вот содержание, изучайте и, мелко забив в косяк, выкуривайте махом. Очень многие вопросы отпадут на раз 🙂
Read More »
Набор электроника для начинающих – как увлечь ребёнка электроникой?
Пройдя все уроки, изложенные в учебном пособии стартового набора серии конструкторов ЭВОЛЬВЕКТОР, практически каждый ребенок и взрослый человек на вопрос «проста ли электроника?» решительно ответит «да».
Конструктор является образовательным и направлен на развитие навыков детей и взрослых по работе с настоящей электроникой. В прилагаемой к конструктору брошюре последовательно рассказывается про электронику, про законы физики, которые лежат в основе ее функционирования, рассматриваются электронные компоненты и особенности их использования в электронных цепях. Материал написан простым языком с использованием метода аналогий при объяснении электрических явлений, лежащих в основе современной электроники. Течение тока в цепях сравнивается с течением жидкости, а напряжение с давлением в трубе, которые интуитивно понимает, пожалуй, каждый человек без исключения. Уроки из учебного пособия, как строго укладывается в школьный курс физики, так и существенным образом расширяет его для ребенка.
Разбираться в электронике действительно просто, когда обладаешь достаточным количеством информации. Это сможет доказать даже ребенок старше 12 лет, на которого ориентирован данный набор. Ведь, в конструкторе помимо книжки, направленной на формирование понимания что такое электроника и из чего она состоит, присутствуют электронные компоненты и инструменты для проведения всего цикла увлекательных и полностью безопасных экспериментов, предусмотренных в рамках учебного курса. Ничто так не способствует усвоению теории, как подтверждающая ее практическая часть.
В учебном пособии стартового набора доступны первые 14 уроков с экспериментами из общего учебного курса:
Урок №1. Основные понятия электричества.
Напряжение, сопротивление, мощность, сила тока, закон Ома.
Урок №2. Светодиод.
Особенности применения и подключения
Урок №3. Тактовая кнопка.
Использование в электрической цепи
Урок №4. Работа с мультиметром.
Методика измерения электрических характеристик
Урок №5. Переменное сопротивление.
Реостат и потенциометр, их назначение и применение.
Урок №6. Транзисторы.
Описание и разновидности. Построение цепи на основе биполярного транзистора
Урок №7. Последовательное соединение проводников.
Характеристики и особенности. Расчет электрической цепи.
Урок №8. Терморезистор и фоторезистор.
Описание и особенности использования.
Урок №9. Делитель напряжения.
Принцип деления напряжения. Расчет параметров цепи.
Урок №10. Вольт-амперная характеристика.
Определение и функциональное предназначение.
Урок №11. RGB-светодиод.
Особенности подключения полноцветного светодиода.
Урок №12. Параллельное соединение проводников.
Характеристики и особенности. Расчет электрической цепи.
Урок №13. Конденсатор.
Разновидности, характеристики и применение.
Урок №14. Однопереходный транзистор.
Принцип работы и практическое использование в схемах.
Состав набора:
Конструктор красочно, привлекательно, оформлен и станет желанным подарком для каждого любителя техники и электроники.
Размер коробки: 28,5х18,5х8 см Вес: 0,9 кг.
Физические основы электроники
Испокон веков люди стремятся к познанию окружающего мира, к изучению его законов, к совершенствованию условий жизни. Получение основополагающих знаний о законах природы способствовало появлению первых механизмов и технических приспособлений, облегчающих физический труд. Дальнейшее изучение законов природы потребовало понимания ее физических процессов, привело к зарождению и развитию важнейшей науки, получившей название – физика.
Физика является фундаментальной наукой, без изучения которой невозможно развитие любого из технических направлений. Открытие физических законов способствовало тому, что все примитивные изобретения находились в процессе постоянного совершенствования, нацеленного на создание новых, все более функциональных технических средств.
Изучая природные явления, многообразие которых представлено окружающим миром, человек стремился подчинить их, заставить служить себе во благо, что способствовало созданию продуктов рукотворного труда, не менее совершенных, чем рожденные природой.
Ученые-физики стремятся не только открыть природные явления, но и систематизировать их общие свойства, прийти к доскональному понимаю окружающей материи. Законам физики подчинены все разделы естествознания.
Главенствующая роль в процессе развития технического прогресса, построенного на знании законов физики, отведена научно-техническому направлению – «Физические основы электроники». Его общая цель – изучение физических основ и принципов построения электрических схем, способов изготовления электронных устройств, совершенствование их основных конструктивных составляющих, электрических и оптических характеристик.
Стремительное развитие научно-технического прогресса сделало знания физических основ электроники наиболее востребованными среди специалистов, так как область именно этих знаний необходима при конструировании радиотехнических и электронных средств, в сфере исследований как теоретических, так и экспериментальных, в разработке и промышленном производстве электронной аппаратуры и интегральных микросхем.
Физические основы электроники объединяют в себе результаты исследований в таких областях, как квантовая механика, статическая физика, теория электромагнитного поля, физика твердого тела, а также в изучении свойств полупроводниковых и тонкопленочных материалов.
Научно-технический прогресс требует непрерывного внедрения все более совершенных технологий с использованием электронных компонентов. Современные радиоэлектронные устройства отличаются многофункциональностью, быстродействием, надежностью, компактными размерами, небольшим весом, малым потреблением электроэнергии и низкой ценой. Оптимизация вышеперечисленных качеств, стала возможной только при постоянном внедрении новых знаний, в основе которых лежат физические принципы построения электронной аппаратуры. Ярким примером разработок сегодняшнего дня являются мобильные телефоны или многофункциональные портативные компьютеры.
Все современные исследования и измерения проводятся с применением электронных устройств. Научные и экспериментальные лаборатории в обязательном порядке оснащены электронными усилителями, генераторами, выпрямителями, осциллографами, измерительной техникой и другими приборами, которые служат мощным подспорьем в автоматизации и контроле производственного процесса.
Электронные средства позволяют в значительной степени облегчить научные исследования, изучить строение и свойства различных видов природной материи, приблизить человечество к познанию закономерностей окружающего мира.