Please download to get full document.

View again

of 24
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.

Основы электроники. Учебник. В. Ш. Берикашвили

Category:

Internet & Technology

Publish on:

Views: 162 | Pages: 24

Extension: PDF | Download: 5

Share
Related documents
Description
СреднеЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ В. Ш. Берикашвили Основы электроники Учебник Рекомендовано федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО»)
Transcript
СреднеЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ В. Ш. Берикашвили Основы электроники Учебник Рекомендовано федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования Регистрационный номер рецензии 313 от 08 июля 2013 г. ФГАУ «ФИРО» Москва Издательский центр «Академия» 2013 УДК (075.32) ББК 32.85я723 Б488 Рецензент преподаватель спец. дисциплин высшей категории Московского колледжа градостроительства и сервиса 38 (ГБОУ СПО КГиС), канд. техн. наук В. Н. Иванов Б488 Берикашвили В. Ш. Основы электроники : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / В.Ш.Берикашвили. М. : Издательский центр «Академия», с. ISBN Изложены основы теории и практики построения электронных приборов, устройств и цепей на современной элементной базе с использованием новых конструктивных и схемотехнических решений. Рассмотрены принципы работы и структура электронных приборов и устройств. Показана тенденция перехода разработок электронных устройств от энергоемких и низкочастотных к миниатюрным и сверхвысокочастотным. Приведены типовые схемотехнические решения аналоговых и цифровых интегральных микросхем. Рассмотрено построение функциональных электронных устройств на основе операционных усилителей, компараторов, таймеров, оптронов и других оптоэлектронных устройств. Даны структурные схемы и принципы работы микропроцессоров, однокристальных ЭВМ и контроллеров. Учебник может быть использован при изучении общепрофессиональной дисциплины «Основы электроники» в соответствии с ФГОС СПО для специальности «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий». Для студентов учреждений среднего профессионального образования. УДК (075.32) ББК 32.85я723 Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается ISBN Берикашвили В. Ш., 2013 Образовательно-издательский центр «Академия», 2013 Оформление. Издательский центр «Академия», 2013 Уважаемый читатель! Данный учебник является частью учебно-методического комплекта по специальности «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий». Учебник предназначен для изучения общепрофессиональной дисциплины «Основы электроники». Учебно-методические комплекты нового поколения включают традиционные и инновационные учебные материалы, позволяющие обеспечить изучение общеобразовательных и общепрофессиональных дисциплин и профессиональных модулей. Каждый комплект содержит в себе учебники и учебные пособия, средства обучения и контроля, необходимые для освоения общих и профессиональных компетенций, в том числе и с учетом требований работодателя. Учебные издания дополняются электронными образовательными ресурсами. Электронные ресурсы содержат теоретические и практические модули с интерактивными упражнениями и тренажерами, мультимедийные объекты, ссылки на дополнительные материалы и ресурсы в Интернете. В них включен терминологический словарь и электронный журнал, в котором фиксируются основные параметры учебного процесса: время работы, результат выполнения контрольных и практических заданий. Электронные ресурсы легко встраиваются в учебный процесс и могут быть адаптированы к различным учебным программам. Учебно-методический комплект по дисциплине «Основы электроники» включает электронный образовательный ресурс «Основы электроники». Учебно-методический комплект разработан на основании Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования с учетом его профиля. Введение Электронная техника стала стремительно развиваться в 60-е гг. XX в. в связи с возросшей потребностью передачи информации на большие расстояния и развитием вычислительной техники. Открытие полупроводников резко изменило характер электронных устройств: они стали малогабаритными и более надежными, появилась возможность их миниатюризации и значительного снижения энергоемкости. В настоящее время существует целая отрасль электронной техники микроэлектроника, разрабатывающая и производящая аналоговые, цифровые и специализированные микросхемы с числом элементарных полупроводниковых устройств от 10 3 до Микроэлектронные устройства получили широкое распространение в радиотехнике, электронике, системах связи, вычислительной и бытовой технике, благодаря чему электронные и радиотехнические устройства стали легкими, малогабаритными, экономичными и широкодоступными. В последние годы стремительно развивается импульсная цифровая техника. Например, посредством импульсных сигналов передают данные о состоянии технических объектов (в телеметрии), управляют космическими кораблями при стыковке, создают высококачественные цифровые радиовещание и телевидение. В повседневной жизни мы сталкиваемся с импульсами и импульсными устройствами, иногда и не подозревая об их существовании. Кнопочный пульт позволяет нам на расстоянии управлять телевизором с помощью импульсов инфракрасного излучения. Спутниковая антенна принимает цифровые радиоимпульсы. Набирая номер телефона, мы посылаем импульсы телефонной станции, которая расшифровывает их и соединяет нас с требуемым абонентом. Наиболее высокий уровень развития характерен для цифровой вычислительной техники. Современные вычислительные машины имеют тактовую частоту импульсов 2 ГГц, а в быстродействующих вычислительных комплексах передача информации происходит со скоростью до импульсов в секунду. 4 Бытовые приборы также насыщены цифровой электронной техникой. В современных автомобилях электроника используется в системах зажигания, контрольной и охранной сигнализации. В последних моделях автомобилей устанавливаются микропроцессоры, определяющие оптимальные режимы работы двигателя. Строительство новых жилых домов связано с одновременным монтажом силовых и информационных сетей. В жилых, офисных и промышленных зданиях используются различные контрольноизмерительные приборы, системы охранной сигнализации и системы управления энергией. В настоящее время приоритетными направлениями развития науки и техники являются информационные технологии, высокотехнологичные производственные процессы и энергосберегающие технологии. Эти направления тесно связаны с развитием информационной и энергетической электроники, применением микропроцессорной вычислительной техники в системах автоматического управления, телекоммуникационных и информационных системах. Целью настоящей книги является ознакомление будущих специалистов в области монтажа, наладки и эксплуатации электрооборудования промышленных и гражданских зданий с основами электронной техники, включая элементную базу, аппаратные средства информатики и энергетической электроники, элементы цифровой и микропроцессорной техники. Глава 1 Физические принципы работы и элементная база электронных приборов 1.1. Основные определения, области применения и история развития электронной техники Электронная техника (электроника) область науки и техники, связанная с изучением физических свойств, методов исследования и применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическим и магнитным полями в вакууме или твердом теле. В настоящее время под электронной техникой понимают также приборы и устройства, основанные на электронных потоках и их взаимодействии с веществом и электромагнитными полями. В основе электронных устройств лежат электронные приборы. Электронные приборы элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции. Различают вакуумные и твердотельные электронные приборы. К вакуумным электронным приборам относят электронные лампы, электроннолучевые трубки и газоразрядные приборы (магнетроны, гиротроны, фотоэлектронные умножители, электроннооптические преобразователи и т. п.); к твердотельным полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры, интегральные микросхемы. Под электронной техникой понимают также разнообразные электронные устройства, связанные с использованием элементарных электронных приборов, начиная от простых усилителей и заканчивая сложными вычислительными машинами. К ним относятся и различные бытовые и музыкальные электронные устройства. Особое место занимают электронные устройства, связанные с формированием, распознаванием и преобразованием радиосигналов: их изучением и описанием занимается радиоэлектроника. 6 Характерной является область электроники, к которой относятся импульсные устройства и электронные устройства, связанные с цифровой и вычислительной техникой. Другое направление электроники, связанное с преобразованием и использованием оптических сигналов и изображений, называется оптоэлектроникой. Специфичны и разделы электроники, посвященные методам исследования физических явлений, измерениям физических величин, характеристик и параметров электронных устройств, в том числе электрических цепей и электромагнитных полей. Приборы, осуществляющие измерения параметров и исследования процессов, протекающих в электрических цепях и устройствах, называют электронными измерительными приборами. Элементы электронной техники являются кирпичиками, из которых конструируются более сложные электронные устройства. Базовые, или основные элементы электронной техники резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы и т. п. Приборы, не увеличивающие амплитуду и не изменяющие частоту электрических сигналов, называются пассивными (конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности). Активными элементами электронной техники называют диоды, транзисторы, светодиоды, лазеры, оптроны, управляющие микросхемы, обладающие способностью усиливать напряжение, изменять частоту или преобразовывать электрический ток в свет. С помощью электронных приборов (базовых элементов) создают электронные устройства (усилители, генераторы, радиоприемники и т. п.). Аналоговая электроника это электронная техника, работающая с непрерывными сигналами (непрерывно меняющиеся напряжения и ток). К устройствам аналоговой электроники относятся усилители, смесители, преобразователи частоты, фильтры, стабилизаторы напряжения, тока, частоты, а также генераторы гармонических колебаний. Импульсная электроника это электронная техника, работающая с импульсными сигналами (одиночные импульсы напряжения и тока или последовательности импульсов). К устройствам импульсной электроники относятся импульсные усилители и генераторы, компараторы и т. п. Цифровая электроника это электронная техника, работающая с отдельными (дискретными) значениями напряжений, токов, частот. К устройствам цифровой электроники относятся логические устройства, оперирующие с сигналами 0 и 1, аналого-ци фровые 7 и цифроаналоговые преобразователи, микропроцессоры, персональные вычислительные машины, сложные вычислительные устройства. Цифровая электроника тесно связана с импульсной техникой, так как сигналы в ней передаются последовательностями импульсов. Электронная техника начала развиваться в начале прошлого века с изобретения радио. В радиотехнических системах передачи информации и радиовещании используются мощные высокочастотные колебания напряжения, создающие радиоволны. Модуляция высокочастотных колебаний (т. е. изменение их амплитуды, частоты или фазы) позволяет передавать звуковые частоты и видеосигналы с помощью радиоволн. Для реализации такой передачи информации необходимы мощные высокочастотные генераторы. Для приема сигналов от передатчика на больших расстояниях необходимы высокочувствительные приемники, осуществляющие прием, фильтрацию, преобразование и усиление сигналов. Благодаря современным достижениям радиоэлектроники во всем мире широко используются радиовещание и телевидение, причем телевизионные и радиосигналы через спутниковые ретрансляторы можно принимать в любой точке земного шара. Современные системы передачи телефонной и цифровой информации, как правило, многоканальные. Они основаны на импульсно- кодовой модуляции, осуществляют передачу в режиме спектрального или временного уплотнения. Развитие этих систем связано с непрерывным ростом потребности людей в общении. Сейчас во всем мире широко применяют местные и международные телефонные сети, сеть Интернет, банковские и другие системы связи. Многие современные радиотехнические системы передачи информации работают в прерывистом импульсном режиме. Наиболее качественная передача звука и телевизионного изображения осуществляется в цифровом виде в режиме импульсно- кодовой модуляции в цифровых радиорелейных и спутниковых системах связи. Использование импульсного режима в радиотехнических системах связи обусловлено тем, что в импульсе можно развить большую мощность сигнала, перекрывающую радиопомехи. При этом средняя мощность передатчика может быть сравнительно низкой. Спутниковая радиосвязь и цифровое телевидение основаны на принципах работы с импульсными цифровыми данными, что обеспечивает их помехоустойчивость и высокое качество передачи изображения. Наряду с развитием радиотехнических систем происходило развитие вычислительной техники и электронно- вычислительных 8 систем, которые также оперируют импульсными электрическими сигналами. Современные вычислительные машины имеют тактовую частоту 2 ГГц, а передача информации в вычислительных комплексах происходит со скоростью до импульсов в секунду. На крупных промышленных и научных предприятиях вычислительные машины объединены в комплексы, состоящие из множества вычислительных машин, сети датчиков и исполнительных механизмов. Это позволяет контролировать производство и управлять им без участия человека и в оптимальном режиме. Следует особо отметить появление новых направлений электроники, связанных с развитием спутниковых и волоконно- оптических систем связи. Они способствовали появлению цифрового телевидения и сотовой связи, совершенствованию радиотехнических систем, включая навигационные. Бурное развитие направлений электроники, относящихся к информационным технологиям, позволило удовлетворить потребность человечества в обмене аудио-, видео- и цифровой информацией по телефону, по электронной почте. Другая ценность таких систем в создании специализированных локальных, региональных и глобальных вычислительных систем обработки данных (банковских, транспортных, гостиничных и т. д.), повышающих качество жизни людей. С развитием информационных технологий связано возникновение «функциональной электроники», где элементы обработки процессов основаны на использовании полей разной физической природы магнитных, электрических, акустических и оптических. Другое новое направление электроники связано с развитием нанотехнологии, которая позволяет получать новые материалы с новыми свойствами, а также электронные приборы с сотнями тысяч активных элементов размером в несколько молекул. Уже сейчас создают элементы памяти размерами менее 0,1 мкм, элементы солнечных батарей, сверхчувствительные датчики для контроля вредных примесей в атмосфере. В перспективе устройства наноэлектроники станут доступными, повседневными и незаменимыми помощниками в нашей жизни Материалы, используемые в электронной технике При изготовлении электронных приборов и устройств используют самые разнообразные материалы, выполняющие функции 9 проводников, диэлектриков, полупроводников. Металлы широко применяются в качестве соединительных проводников и элементов катушек индуктивности; органические и неорганические диэлектрики в качестве изоляторов и составных частей конденсаторов, полупроводники для изготовления диодов и транзисторов. Материалы могут быть органическими (на основе углеродных соединений) и неорганическими, чистыми химическими элементами или соединениями. Обычно материалы используются в твердом виде, но есть устройства, в которых применяются жидкости (жидкие кристаллы и электролиты) и газы (газоразрядные ячейки). Многие электронные приборы и устройства основаны на использовании физических особенностей границ раздела материалов с разными свойствами (проводники и полупроводники, проводники и диэлектрики), материалов с различными фазовыми состояниями (твердых и жидких, жидких и газообразных), материалов и вакуума (электронные лампы). Известно, что все вещества состоят из одного или более химических элементов. Мельчайшими составными частицами вещества являются атом и молекула. Как правило, атомы различных химически чистых элементов соединяются с образованием молекул вещества. Например, молекулы водорода, кислорода, азота и инертных газов состоят из двух атомов. Молекулы, из которых состоит вещество, определяют свойства данного вещества. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, что и определяет ее физические свойства (плотность, температуры кипения и замерзания). Молекулы органических веществ состоят из многих атомов, соединенных определенным образом. Различие структур соединений одних и тех же атомов определяет получение веществ с различными физическими свойствами. Атом состоит из электронов, вращающихся вокруг ядра, находящегося в центре атома и содержащего протоны и нейтроны. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к ядру с положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг него. Атомы разных элементов отличаются друг от друга числом протонов и электронов, например, у атома водорода один протон и один электрон, а атом углерода имеет четыре протона и четыре электрона. Число электронов в атоме равно числу протонов, однако они не могут находиться на одном расстоянии от ядра, так как отталкиваются друг от друга. Электроны также не могут находиться на произвольных расстояниях от ядра и занимают только разрешенные энергетические уровни. На 10 первом уровне могут находиться максимум два электрона, а на втором и далее до восьми. Число протонов определяет атомный номер элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, общее число протонов и нейтронов его атомную массу, а число электронов, занимающих последний энергетический уровень, во многом определяет физические и химические свойства вещества. Если последний разрешенный энергетический уровень атома полностью заполнен, то этот атом инертен (инертными газами являются гелий, неон, аргон, криптон, ксенон). Если на последнем энергетическом уровне атома находятся от одного до трех электронов, то они слабо связаны с ядром и атом склонен отдавать эти электроны при соединении с другими элементами. При этом говорят, что он обладает м е т а л- лическими свойствами. Если до полного заполнения последнего энергетического уровня атома не хватает одного, двух или трех электронов (т. е. имеется от одной до трех вакансий), то атом склонен притягивать электроны при соединении с другими элементами. При этом говорят, что он обладает неметаллическими свойствами. В металлических веществах электроны, слабо связанные с ядром (так называемые свободные электроны), под действием электрического потенциала покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электрический ток. Такие вещества, имеющие хорошую электрическую проводимость, называются проводниками. Хороший проводник имеет большое число несвязанных (или слабо связанных) с ядром электронов, которые способствуют возникновению электрического тока. Проводник обладает на небольших отрезках (до 1 м) столь малым сопротивлением, что им можно пренебречь. Примерами хороших проводников являются серебро, медь, алюминий. Наличие свободных электронов и, соответственно, свойства металлических соединений определяют высокую теплопроводность проводников. Диэлектрик (изолятор) это материал, имеющий только связанные электроны, т. е. не имеющий свободных электронов. Изоляторы препятствуют протеканию электрического тока и, следовательно, обладают очень большим сопротивлением (приближающимся к сопротивлению разомкнутой цепи). Примерами изоляторов могут служить диоксид кремния (кварц), стекло, сухое дерево, резина, поливинилхлорид, слюда, полистирол и др. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то электроны его молекул ориентируются в определенном поряд
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks
SAVE OUR EARTH

We need your sign to support Project to invent "SMART AND CONTROLLABLE REFLECTIVE BALLOONS" to cover the Sun and Save Our Earth.

More details...

Sign Now!

We are very appreciated for your Prompt Action!

x