Основы электроники. Электронные приборы

1. План

1.
Основы электроники
Электронные приборы.
Электронные ключи и формирование импульсов.
2.
Основы схемотехники.
Логические и запоминающие устройства
Источники питания и преобразователи
Усилители

2. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Электронные приборы

3. Физические основы электронных приборов

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц
с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов
и устройств, работа которых основана на прохождении электрического
тока в твердом теле, вакууме и газах.
Полупроводники объединяют обширный класс материалов с удельным
объемным сопротивлением 108–10−6 Ом · м.

4. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – прибор с одним р–n переходом и двумя выводами,
в котором используется свойство перехода. Ток, проходящий через диод в его
открытом состоянии, называется прямым током, в другом направлении ток
есть, но очень мал (диод заперт). Этот ток называется обратным.
Соответственно напряжение, приложенное к диоду, называется – прямое и
обратное

5. Полупроводниковые диоды

По функциональному назначению
выпрямительные,
импульсные,
стабилитроны,
фотодиоды,
светоизлучающие диоды и т. д.
По способу изготовления
сплавные диоды,
диоды с диффузионной базой.
точечные диоды

6. Полупроводниковые диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного
тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной
технологии.
Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования
импульсов напряжения и тока. Это – точечные диоды.
Стабилитроны или опорные диоды предназначены для стабилизации
напряжения. В них используется явление неразрушающего электрического
пробоя (лавинного пробоя) p-n перехода при определенных значениях
обратного напряжения Uобр = Uпроб

7. Полупроводниковые диоды

Простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с
сопротивлением нагрузки Rн.

8. Полупроводниковые диоды

Светоизлучающие диоды и фотодиоды.
Электрические свойства фотодиода изменяются под действием падающего
на него светового излучения – повышается его обратный ток.
Светодиоды сами излучают квант света в режиме прямого тока, поэтому они
находят применение для индикации режима работы узлов и блоков
различных систем.

9. Полупроводниковые тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и
тремя или более последовательно включенными p-n переходами. Наиболее
распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями
полупроводников p- и n-типов.
Различают управляемые (триодные) и неуправляемые (диодные) тиристоры.
Рассмотрим подробнее триодный тиристор

10. Полупроводниковые тиристоры

Триодный тиристор имеет три вывода – анодный А, катодный К и вывод
управляющего электрода УЭ, который подключается либо к ближайшей к катоду
p-области, либо к ближайшей к аноду n-области (катодное и анодное
управление).
Тиристор может быть переключен из закрытого состояния в открытое и
наоборот.

11. Полупроводниковые тиристоры

Важным параметром тиристора является отпирающий ток (напряжение)
управления – ток управляющего электрода УЭ, который обеспечивает
переключение тиристора в открытое состояние.
Для запирания тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля.

12. Транзисторы

Транзисторы служат для усиления мощности электрических сигналов. Они
бывают биполярными и полевыми; имеют три вывода.
Биполярные – основаны на явлениях взаимодействия двух близко
расположенных р-n переходов, физические процессы в них связаны с
движением носителей зарядов обоих знаков. Транзистор называется
биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением
носителей обоих знаков (свободных дырок и электронов).

13. Транзисторы

Средний слой биполярного транзистора называется базой – Б, один крайний
слой – коллектором К, а другой крайний слой – эмиттером Э (на
электрических схемах эмиттер обозначается со стрелочкой). Каждый слой
имеет вывод, при помощи которого транзистор включается в цепь.

14. Транзисторы

Основное достоинство биполярных транзисторов – высокое быстродействие
при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов
позволяет работать биполярным транзисторам при мощности рассеяния до 50
Вт и токах до 10 А.
Основной недостаток – относительно небольшое сопротивление входной
цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (1–
10 кОм).

15. Транзисторы

Режимы работы биполярных транзисторов:
– активный режим - переход эмиттер – база включен в прямом направлении, а
переход коллектор – база – в обратном;
– инверсный режим - переход эмиттер – база включен в обратном направлении, а
переход коллектор – база – в прямом;
– режим отсечки - оба перехода включены в обратном направлении;
– режим насыщения - оба перехода включены в прямом направлении.

16. Транзисторы

В схемах усилителей основным является активный режим работы
биполярных транзисторов.
Для усиления сигналов применяются три схемы включения биполярных
транзисторов:
– с общей базой (ОБ);
– с общим эмиттером (ОЭ);
– с общим коллектором (ОК).

17. Транзисторы

Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярных транзисторов
Рассмотрим ВАХ для схемы с общим эмиттером.
Входная ВАХ – это зависимость между током и напряжением во входной цепи
при постоянном напряжении коллектора UКЭ = const

18. Транзисторы

Входная ВАХ практически не зависит от напряжения UКЭ.

19. Транзисторы

Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора от напряжения UКЭ при
постоянном входном сигнале (IБ = const)

20. Транзисторы

h-ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Для анализа транзисторов и транзисторных схем применяется система h –
параметров, каждый из которых представляет собой отношение
приращений токов и/или напряжений и каждый имеет физический смысл
Параметры h11 и h12 определяются по входным характеристикам
транзистора.
Параметр h21 –коэффициент передачи тока или коэффициент усиления
транзистора.
Параметр h22- выходная проводимость

21. Транзисторы

Рассмотрим графоаналитическое определение h параметров на примере
схемы с общим эмиттером.

22. Транзисторы

h-ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

23. Транзисторы

h-ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

24. Транзисторы

h-ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

25. Транзисторы

26. Транзисторы

Схема включения n-p-n транзистора

27. Транзисторы

Полевые – основаны на использовании носителей заряда только одного
знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах
осуществляется изменением проводимости канала, через который
протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. По
способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом
и на основе конструкции металл-диэлектрик – полупроводник (МДПтранзисторы) с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

28. Транзисторы

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом бывают или с каналом
n-типа или с каналом p-типа.
Электрод, от которого начинают движение носители заряда(в данном случае
электроны), называется истоком И, а электрод, к которому они движутся, –
стоком С. Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют общий
внешний электрод, называемый затвором З. Между затворами и каналом
образуются р-n переходы.

29. Транзисторы

Для того чтобы рассмотреть работу полевого транзистора, его нужно
включить в цепь, в которой относительно истока на сток подается
«положительное» стоковое напряжение, а на затвор относительно истока
«отрицательное» напряжение.

30. Транзисторы

Полевой транзистор имеет две характеристики
1. Стоковая характеристика-это зависимость тока от напряжения на стоке пи
фиксированном напряжении затвора

31. Транзисторы

2. Стокозатворная характеристика-это зависимость тока от напряжения затвора
при фиксированном напряжении стока

32. Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к
электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой
областях, а также приборы, производящие или использующие такое
излучение.
На практике широко используются источники излучения (излучатели),
приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

33. Оптоэлектронные приборы

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник
излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.
Источники излучения: светодиоды и лазеры,
Приемники излучения: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и
фототиристоры.
Широко используются оптроны, в которых применяются пары: светодиодфотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

34. Оптоэлектронные приборы

Основные достоинства:
• высокая информационная емкость оптических каналов передачи
информации, что является следствием больших значений используемых
частот;
• полная гальваническая развязка источников и приемников излучения;
• отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность
потока информации);
• невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным полям (высокая
помехозащищенность).
Недостатки: зависимость их параметров от температуры, низкие КПД и
коэффициент передачи.

35. Оптоэлектронные приборы

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:
• высокая информационная емкость оптических каналов передачи
информации, что является следствием больших значений используемых
частот;
• полная гальваническая развязка источников и приемников излучения;
• отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность
потока информации);
• невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным полям (высокая
помехозащищенность).

36. Оптоэлектронные приборы

Структурная схема оптрона:
светоизлучатель СИ
оптический каналу ОК
фотоприемник ФП
устройство управления оптическим каналом УОК

37. Оптоэлектронные приборы

Устройство оптрона:
1 — выводы,
2 — фотоприемник,
3 — корпус,
4 — оптическая среда,
5 — светодиод

38. Оптоэлектронные приборы

Передача светового излучения в оптронах осуществляется через
оптический канал, роль которого могут играть различные среды.
Назначение оптического канала — передача максимальной световой
энергии от излучателя к приемнику. Передающей средой могут быть
воздух, различные иммерсионные среды, а также оптические световоды
длиной
1 м и более.

39. Оптоэлектронные приборы

Входные параметры оптронов:
номинальный входной ток светодиода в прямом направлении Iвх.ном и
падение напряжения на нем в прямом направлении Uвх при номинальном
значении входного тока;
входная емкость Свх в заданном режиме;
максимально допустимый входной ток Iвх.макс;
максимально допустимое обратное напряжение на входе Uвх.обр.макс.

40. Оптоэлектронные приборы

Выходные параметры оптронов:
максимально допустимое обратное напряжение Uвх.обр.макс ,
прикладываемое к выходу;
максимально допустимый выходной ток Iвых.макс;
выходная емкость Свых;
световое Rсв и темновое Rтвыходные сопротивления (для фоторезисторных
оптронов).
Из передаточных параметров исходными являются коэффициент
передачи тока КI =(Iвых / Iвх)100, либо дифференциальный коэффициент
передачи тока КI д = (dIвых / dIвх)100, выраженные в процентах.

41. Оптоэлектронные приборы

Условные графические обозначения оптронов:
фотодиодного (а), фототранзисторного (б),
фоторезисторного (в), фототиристорного (г)

42. Задача 1

Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, определить коэффициент
усилия αЭ, по его входной характеристике(рис.1) и выходным
характеристикам (рис.2) , если UБЭ=0,4 В; UКЭ=25 В. Подсчитать также
коэффициент передачи по току αБ и мощность на коллекторе РК

43. Задача 1

44. Решение

1.
Определяем по входной характеристике при UБЭ=0,4 В ток базы: IБ
=500мкА.
2.
Находим по выходным характеристикам для UКЭ=25 В и IБ=500мкА ток
коллектора IК =36мА.
3.
На выходных характеристиках строим отрезок АВ, из которого
находим:
∆ IК =АВ = IК1 -IК2 =36-28=8 мА;
∆ IБ =АВ= IБ1 - IБ2 =500-400=100 мкА =0,1мА.
4.
5.
Определяем коэффициент усилия
αЭ =∆ IК /∆ IБ = 8/0.1=80.

45. Решение

1.
Коэффициент передачи по току
αБ = αЭ /(1+ αЭ) =80/(1+80)=0.98
2.
Мощность на коллекторе
РК = UКЭIК =25· 36=900мВт= 0,9Вт

46. Задача 2

Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, найти ток базы IБ ,
напряжениеUКЭ , если натяжение UБЭ=0,3 В ;напряжение питания Ек=20В;
сопротивление нагрузки в цепи коллектора RK =0,8 кОм. Входная и
выходные характеристики транзистора:

47. Задача 2

48. Задача 2

В соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать
уравнение: Ек =UКЭ+IКRК
Расчет такой нелинейной цепи, т.е. определение IК и UКЭ для различных
значений токов базы IБ и сопротивления резистора RK , можно
произвести графически. Для этого на семействе выходных
характеристик необходимо провести из точки Ек на оси абсцисс вольтамперную характеристику резистора RK, удовлетворяющую уравнению:
UКЭ = Ек - IКRК

49. Задача 2

Эту характеристику удобно строить по двум точкам: UКЭ = Ек при IК = 0
на оси абсцисс и IK = EK/ RK при UКЭ = 0 на оси ординат.
Построенную таким образом вольт-амперную характеристику
коллекторного резистора RK называют линией нагрузки. Точки ее
пересечения с выходными характеристиками транзистора дают
графическое решение уравнения для данного резистора RK и различных
значений тока базы IБ .

50. Решение

1.
Откладываем на оси абсцисс точку UКЭ = Ек= 20В, а на оси ординат точку, соответствующую IК = Ек / RK = 20/800 = 0.025А = 25мА. Здесь 0,8кОм = 800Ом.
2.
Соединяем эти точки прямой и получаем линию нагрузки.
3.
Находим на входной характеристике для UБЭ=0,3 В ток базы IБ =
250мкА.
4.
Находим на выходных характеристиках точку А при пересечении линии
нагрузки с характеристикой, соответствующей IБ = 250мкА
5.
Определяем для точки А ток коллектора IК = 17мА и напряжение UКЭ =
7В

51. Интегральные микросхемы (ИМС).

Интегральная микросхема /ИМС/ - совокупность взаимосвязанных
транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п., изготовленных в
едином технологическом процессе, конструктивно оформленных как
единое целое и выполняющих определённую функцию преобразования
сигнала. Интегральные микросхемы делятся на:
Аналоговые
Цифровые

52. Интегральные микросхемы (ИМС).

Аналоговые – работают с непрерывными сигналами, то есть с такими которые
непрерывно изменяются во времени и могут принимать любые значения:
усилители постоянного и переменного тока, аналоговые сумматоры,
перемножители, модуляторы и т.д.
Цифровые – имеют дело с дискретными сигналами, то есть с такими которые
могут принимать только некоторое значение, например, 1 или 0:
логические микросхемы, триггеры, счетчики, дешифраторы,
микроконтроллеры.

53. Интегральные микросхемы (ИМС).

По количеству активных элементов в микросхеме они подразделяются по
степени интеграции:
- до 10 активных элементов 1 степень,
- до 100 – 2 степень,
- до 1000-3 степень и т.д.
По технологии изготовления микросхемы подразделяются:
1.
Пленочная технология
2.
Гибридные технологии
3.
Полупроводниковые микросхемы

54. Интегральные микросхемы (ИМС).

Система маркировки интегральных микросхем
Маркировка состоит из нескольких элементов:
1 элемент – это цифра, которая указывает на технологию изготовления: 1,5,7 –
это полупроводниковые микросхемы, 2,4,8 – гибридные микросхемы, 3 –
пленочные и прочие.
2 элемент – это 2,3 цифры, которые совместно с первой цифрой указывают
номер серии микросхемы.
3 элемент – 2 буквы которые обозначают вид и подгруппу интегральной
микросхемы по функциональному назначению,

55. Интегральные микросхемы (ИМС).

Система маркировки интегральных микросхем
например: ЛА – логическая микросхема, ИР – регистры, ИЕ – счетчик
электрических импульсов, У – усилителя низкой частоты, УД –
операционный усилитель и т.д.
4 элемент – одна-три цифры, указывающие на номер разработки данной
интегральной микросхемы.
После указанного обозначения может идти еще буква обозначающая группу
технологического разброса, одного из основных параметров. Перед
указанной маркировкой могут находиться также буквы К – микросхема
широкого применения, М- керамический корпус, С –стеклокерамический
корпус, Ф – миниатюрный корпус.

56. Интегральные микросхемы (ИМС).

Система маркировки интегральных микросхем
Пример:
К284УД1 – К – широкого применения, 2 – гибридная, 284 – номер серии, УД –
операционный усилитель, 1 – номер разработки.
К561ИР2 – К – широкого применения, 5 – полупроводниковая, 561 –серия, ИГР –
регистры, 2 – номер разработки.
КМ155ИЕ5 – К – широкого применения, М – керамический корпус, 1–
полупроводниковая, 155 – серия, ИЕ – счётчик электрических импульсов,
5 – номер разработки.

57. Тема 1.2 Электронные ключи и формирование импульсов.

58. Импульсные устройства

Импульсным называется прерывистое во времени
напряжение (сигнал) любой формы. Под формой
сигнала понимается закон изменения во времени
напряжения или тока.

59. Импульсные устройства

Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную
информацию.
Импульсы применяются и для передачи непрерывной
информации.
Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной,
пилообразной экспоненциальной и колокольной формы.
В настоящее время электронные ключи выпускаются в
микросхемном исполнении. Например,
микросхема К564КТ3содержит четыре двунаправленных
ключа, предназначеных для коммутации аналоговых и
цифровых сигналов с током до 10 мА.

60. Импульсные устройства

Импульсы характеризуются:
– амплитудой Um,
– длительностью τи,
– длительностью паузы τп,
– периодом повторения Т = τи + τn,
– частотой повторения F = 1/T,
– скважностью Qu = T/τu.
В реальных устройствах прямоугольные импульсы
характеризуются также длительностью фронта τфр и
среза τср. Фронт и срез определяют в течение нарастания
или спада напряжения от 0,1 Um до 0,9Um.

61. Импульсные устройства

Устройства, выполняющие обработку импульсных
сигналов, называются импульсными устройствами.
Среди различных импульсных устройств видное место
занимают электронные ключи. Через идеальный
разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на
идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния
ключа происходит под действием сигналов, подаваемых
на один или нескольких входов.
Наиболее широкое применение в качестве электронных
ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в
классе усиления D (т.е. в ключевом режиме).

62. Импульсные устройства

Схема электронного ключа

63. Импульсные устройства

Формирующие цепи - формируют интервалы
времени, задают длительность импульсов и пауз,
частоту повторения импульсов и т.п. для генерации
импульсных сигналов различной формы.
Наиболее простыми и надежными являются RC-цепи.
Они разделяются на прямые и обращенные.
Прямые RС-цепи применяются в
качестве передаточных и дифференцирующих, а
обращенные – в качестве интегрирующих цепей.

64. Импульсные устройства

Схема прямой RC-цепи и графики напряжений на входе и
выходе.
Так как емкость С рассматриваемой цепи не пропускает на
выход постоянную составляющую источника питания, то за
цепью закрепилось еще одно название – разделительная цепь.

65. Импульсные устройства

Схема обращенной RC - цепи
входе и выходе.
и график напряжений на

66. Импульсные устройства

На начальном участке выходное напряжение изменяется
по закону, близкому к линейному. Этот участок часто
используется для линейного накопления напряжения
сигнала, поэтому рассматриваемая цепь получила
название интегрирующей. Чтобы цепь работала как
интегрирующая, отношение tu/tц должно быть
значительно меньше единицы.