Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Н.Д. Ясенев физические основы электроники Учебное пособие

Научный редактор – проф., д.т.н. Браславский И.Я.

Екатеринбург

2005

УДК 621.3011 (075.8)

ББК 31.21 Я73

Я80

Рецензенты:

Генеральный директор ЗАО «Тяжпромэлектромет» И.А.Авербах

Главный инженер ЗАО «АСК» В.К.Кривовяз

Автор: Н.Д. Ясенев

Я80 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ: учебное пособие для студентов всех видов обучения специальности 180400 – “Электропривод и автоматизация промышленных установок и автоматика технических комплексов”/ Н.Д. Ясенев. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2004. 118 с.

ISBN 5-7931-0018-0

В предлагаемом пособии дано описание принципов работы, конструкций, а также приведены характеристики и параметры основных типов электронных устройств, используемых в промышленной автоматике: диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров. Рассмотрены примеры построения электронных устройств: усилителей, триггеров, мультивибраторов, одновибраторов, блокинг-генераторов. Генераторов линейно меняющегося напряжения. Материал пособия соответствует программе первой части курса.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 78.

УДК 621.38

ББК 32.85

ISBN 5-7931-0018-0

 ГОУ ВПО “Уральский государственный

технический университет – УПИ”, 2005

 Н.Д. Ясенев, 2005

Предисловие

В соответствии с программой курса “Физические основы электроники” в первой его части студенты изучают физические процессы, происходящие в p-n переходе, принципы действия, конструкции и свойства основных полупроводниковых приборов, применяемых в схемах промышленной автоматики: диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров. Применение этих приборов рассматривается на примерах устройств, находящих наибольшее применение в схемах электропривода и промышленной автоматики: усилителях, триггерах, одно- и мультивибраторах, блокинг-генераторах, генераторах линейно изменяющегося напряжения.

Вторая часть курса будет посвящена изучению применения полупроводниковых устройств для построения силовых преобразователей: выпрямителей, инверторов и других устройств. Применение полупроводниковых устройств для построения аналоговых и цифровых систем управления рассматривается также в курсе “Элементы автоматизированного электропривода”, который изучается параллельно с курсом “Физические основы электроники”.

Курс “Физические основы электроники” предполагает знание студентами таких дисциплин, как физика, теоретические основы электротехники.

Введение

Начало развитию промышленной электроники было положено расширением использования электричества в конце 19 начале 20 веков, когда потребовались новые быстродействующие, надежные средства измерений, управления, контроля.

В 1904 г. Флеминг изобрел (Англия) электровакуумный диод. В 1907 г. Де Фостер (США) изобрел электровакуумный триод.

20 – 30-е г. прошлого века характеризуются созданием разнообразных электровакуумных приборов для нужд связи и автоматики. В 20-х же годах начались исследования кристаллических детекторов и началась разработка теории полупроводников: создание зонной теории, введение понятий электронной и дырочной проводимости.

В 1948 г. созданы полупроводниковые транзисторы в США. В 1949 г. они созданы и в СССР.

В 1958 г. в США Килби и Найдис создали первые интегральные схемы. С 1968 г. начато их массовое изготовление.

В 1960-х г. появились силовые полупроводниковые приборы – тиристоры.

В 1980-х начато широкое внедрение микро-ЭВМ и микропроцессоров.

В промышленной электронике можно выделить три области:

1. Информационная электроника – ЭВМ, информационно-измерительная техника, устройства автоматики.

2. Энергетическая электроника – устройства преобразования энергии, выпрямители, инверторы, преобразователи частоты.

3. Электронная технология – методы и устройства, используемые в технологических процессах (в т.ч. плавка, ультразвуковая резка, электронная резка, сварка).

Главными свойствами, обусловившими широкое применение электронных устройств, являются:

1. Низкая пороговая чувствительность: по току – 10 ^-17 А;

по напряжению – 10^-13 В;

по мощности – 10^-24 Вт.

2. Высокое быстродействие – срабатывание за микросекунды.

3. Универсальность.

Насколько сильно развитие промэлектроники влияет на создаваемую технику, можно проиллюстрировать на следующих примерах.

Созданная в 1922 г. радиостанция “Коминтерн” имела мощность

400 кВт. Она была построена на мощных электронных лампах в Нижнем Новгороде под руководством Бонч-Бруевича.

Устройство из 2000 электронных ламп при их сроке службы 500 ч. безотказно работает только 15 мин.

Микроэлектроника позволяет предельно уменьшить размеры устройств: в часах – до 5000 транзисторов, в микрокалькуляторах – до 20000 транзисторов, в БИС – более 100 000. Огромные возможности создает оптоэлектроника.