Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП). Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются...
Одной из важнейших величин в импульсной технике является скважность S. Скважность S характеризует прямоугольный импульс, и определяет то, во сколько раз период импульса T больше его длительности t1. Так, меандр, например, имеет скважность равную 2, поскольку длительность импульса в такой последовательности равна половине его периода. И
в числителе, и в знаменателе стоят продолжительности, измеряемые в секундах, поэтому скважность - величина безразмерная. Для справки напомним, что меандр - это такая импульсная последовательность, где длительность положительной части импульса...
Когда в цепи необходимо подавить переменные токи определенного частотного спектра, но при этом эффективно пропустить токи с частотами, находящимися выше или ниже этого спектра, может пригодиться пассивный LC-фильтр на реактивных элементах - фильтр нижних частот ФНЧ (если необходимо эффективно пропустить колебания с частотой ниже заданной) или фильтр верхних частот ФВЧ (при необходимости эффективно пропустить колебания с частотой выше заданной).
Принцип построения данных фильтров основывается на свойствах индуктивностей и емкостей...
В одной из предыдущих статей мы рассмотрели общий принцип работы активных корректоров коэффициента мощности (ККМ или PFC). Однако ни одна схема корректора не заработает без контроллера, задача которого - правильно организовать управление полевым транзистором в общей схеме.
В качестве яркого примера универсального PFC-контроллера для реализации ККМ можно привести популярную микросхему L6561, которая выпускается в SO-8 и DIP-8 корпусах, и предназначается для построения сетевых блоков коррекции коэффициента мощности номиналом до 400 Вт...
Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается.
Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать. В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том...
В данной статье будет приведен порядок расчета и подбора компонентов, необходимых при проектировании силовой части понижающего импульсного преобразователя постоянного тока без гальванической развязки, топологии buck-converter. Преобразователи данной топологии хорошо подходят для понижения постоянного напряжения в пределах 50 вольт по входу и при мощностях нагрузки не более 100 Вт.
Все что касается выбора контроллера и схемы драйвера, а также типа полевого транзистора, оставим за рамками данной статьи, однако подробно разберем схему и особенности рабочих режимов...
Варистором называется полупроводниковый компонент, способный нелинейно изменять свое активное сопротивление в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. По сути это - резистор с такой вольт-амперной характеристикой, линейный участок которой ограничен узким диапазоном, к которому приходит сопротивление варистора при приложении к нему напряжения выше определенного порогового. В этот момент сопротивление элемента скачкообразно изменяется на несколько порядков - уменьшается от изначальных десятков МОм до единиц Ом...
Оптрон - оптоэлектронный прибор, главными функциональными частями которого выступают источник света и фотоприемник, гальванически не связанные друг с другом, но расположенные внутри общего герметичного корпуса. Принцип действия оптрона базируется на том, что подаваемый на него электрический сигнал вызывает свечение на передающей стороне, и уже в форме света сигнал принимается фотоприемником, инициируя электрический сигнал на приемной стороне. То есть сигнал передается и принимается посредством оптической связи...
Одной из популярнейших топологий импульсных преобразователей напряжения является двухтактный преобразователь или push-pull (в дословном переводе - тяни-толкай).
В отличие от однотактного обратноходового преобразователя (flyback), энергия в сердечнике пуш-пула не запасается, потому что в данном случае это - сердечник трансформатора, а не сердечник дросселя, он служит здесь проводником для переменного магнитного потока, создаваемого по очереди двумя половинами первичной обмотки. Это именно импульсный трансформатор с фиксированным...
Любое сложное электронное устройство состоит из более простых активных и пассивных компонентов. К активным элементам относят транзисторы, диоды, электронные лампы, микросхемы, способные усиливать электрические сигналы по мощности; пассивными радиокомпонентами считаются резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Давайте проанализируем этапы становления электроники в историческом срезе
Историю развития электроники можно условно разделить на четыре периода. Первый период относится к концу 19 века . В этот период были открыты или расшифрованы из источников древних основные физические закономерности работы электронных приборов и открыты различные явления, стимулирующие их развитие и использование. Началом развития ламповой техники принято считать открытие русским ученым электротехником А. Н. Лодыгиным обычной лампы накаливания.
На ее базе уже 1883 г. американский инженер Т. А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейщую роль в развитии электроники сыграло открытие русским ученым в 1895 г. А. С. Поповым возможности передачи радиоволн на растояние . Это открытие дало огромный импульс развития и внедрения различных электронных приборов в практику; так появился спрос на устройствадля генерации, усиления и детектирования электрических сигналов.
Второй этап истории развития электроники охватывает первую половину 20-го века. Этот период характеризуется разработкой и совершенствованием электровакуумных приборов и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа - диод , нашедший широчайшее применение в радиотехнике для детектирования электрических колебаний. Спустя всего несколько лет в 1907 г. изготовлена трехэлектродная лампа - триод , усиления электрических сигналов. В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914-1915 гг. под руководством Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича.
Но развязанная англичанами и немцами первоя мировая война, препятствовала работе по созданию новых типов электронных ламп. После государственного переворота проплаченного англосаксами 1917 года несмотря на сложнейшее финансовое состояние начала создаваться отечественная радиотехническая промышленность. В 1918 г. начинает работать Нижегородская радиолаборатория под руководством М. А. Бонч-Бруевича - первое научно-исследовательское учреждение по вопросам радио и электровакуумной техники. Уже в тяжелейшем для страны 1919 году лаборатории были изготовлены первые образцы отечественных приемно-усилительных радиоламп, а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением. Существенный вклад в развитие электровакуумной техники и массового производства радиоламп внес коллектив построенного в 1922 г. Ленинградского электролампового завода впоследствии именуемого «Светлана».
В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семи мильными шагами. Освоение радиотехникой гектометровых (X=1000-f-100 м) и декаметровых (А=100-10 м) волн потребовало разработки высокочастотных ламп. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды) , в 1930 г. - пятиэлектродные (пентоды ), в 1935 г. - многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды ). В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых (А-100-н 10 см) и сантиметровых (А=10ч-1 см) волн - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны.
Параллельно с разработкой электронных создавались электронно-лучевые, фотоэлектрические, ионные приборы, в создание которых существенный вклад внесли российские инженеры. К середине 30 х годов в основном сформировалась ламповая электроника. Развитие электровакуумной техники в последующие годы шло по-пути снижения габаритов приборов, улучшения их параметров и характеристик, увеличения рабочей частоты, повышения надежности и долговечности.
История развития электроники. Третий период относится к концу 40-х и началу 50-х годов, характеризующихся бурным развитием дискретных полупроводниковых приборов. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела. Большие заслуги изучения физики полупроводников принадлежат школе советских физиков, длительное время возглавляемой академиком А. Ф. Иоффе. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств полупроводников, выполненные советскими учеными А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатовым, В. П. Жузе, В. Г. Лошкаревым и другими, позволили создать стройную теорию полупроводников и определить пути их применения.
Начало кремниевого века В 1947 году, положили в недрах лабораторий телефонной компании Bell где «родился» первый в в текущем цикле транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век». Предполагается, что как раз знания от полупроводников смогли расшифровать от предыдущего цикла развития цивилизации на Земле
Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов - , способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.
В первой половине 50-х годов был разработан метод диффузии легирующих примесей в полупроводниковые материалы, а в начале 60-х годов - планарная и эпитаксиальная технология, на многие годы определившие прогресс в производстве полупроводниковых структур. 50-е годы знаменуются открытиями в области физики твердого тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и техники внесли советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, удостоенные Ленинской (в 1959 г.) и Нобелевской (в 1964 г.) премий.
Четвертый период развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем , совместивших в едином технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции БИС достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств - микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.
Достижения полупроводниковой электроники явились фактором появления микроэлектроники. Далее развитие электроники идет по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надежности, экономичности электронных приборов и интегральных микросхем ИМС, улучшения их качественных показателей, уменьшения разброса параметров, расширения частотного и температурного диапазонов. Начатая в 50-е годы «транзисторизация» электронного оборудования и на ближайшие годы останется символом полупроводниковой электроники в ее качественно новом виде - интегральной электронике. Важное значение приобретает развитие нового направления электроники - оптоэлектроники, сочетающей электрические и оптические способы преобразования и обработки сигнала (преобразование электрического сигнала в оптический, а затем оптического снова в электрический).
История развития электроники. Пятым этапом можно назвать полупроводники в процессорах . Или закат эпохи кремния. В передовых областях современной электроники, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. В последнии годы улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов.
С увелечением скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и с тех пор увеличивается лишь «многоядерность», что собственно по сути является топтанием на месте.
Небольшие подвижки есть лиши в количественной интеграции полупроводниковых элементов в одном чипе путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. По состоянию на 2009-11 годы во всю использовалась технология в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет всего 20 нм. Переход на более тонкий технологически процесс 16 нм началась лишь в 2014 году.
Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не возможен рост тактовой частота ядра процессора, как было до 90 нм технологического процесса. Это говорит лишь о тупике развития кремниевых технологий, хотя они будут использоваться по меньшей мере еще столетие, если конечно не будет осуществлена перезагрузка седьмого цикла цивиализации в этой солнечной системе.
В ближайшее десятилетие должны быть обнародованы графеновые разработки , особенно в этом продвинулись некоторые российские институты благодоря расшифровки информации от предыдущего цикла, названия которых я пока указать не могу.
Графен - это полупроводниковый материал, повторно открытый лишь 2004 году. В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трех устойчивых состояниях. Для аналогичного решения в кремниевом исполнение, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых полупроводников является их способность работать на высоких частотах. Причем, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.
КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве. 6
Базовые понятия электронной техники. Источник тока. Источник напряжения. Согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях. 10
Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса. 16
Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры.. 18
Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода. 18
Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные. 25
Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения. 25
Система обозначения отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов, электронных микросхем) 34
Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации. 38
Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах. 45
Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера. 50
Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы.. 56
Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования. 58
Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения. 63
Обратные связи (ОС) в усилителях. Положительная (ПОС) и отрицательная (ООС) обратные связи. Коэффициент ОС и глубина ОС. Влияние ОС на параметры и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току, следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС.. 66
Интегральные микросхемы. Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы.. 74
Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры.. 77
Стабилизаторы напряжения и тока. Структурная схема стабилизированного источника питания. Параметрические и компенсационные, параллельные и последовательные, регулируемые и нерегулируемые, однополярные и разнополярные стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы на ОУ. Защита по току и напряжению. Ключевые повышающие, понижающие и инвертирующие (повышающе-понижающие) стабилизаторы. Функциональные схемы ключевых стабилизаторов и импульсных блоков питания малогабаритных устройств. Принципиальная схема стабилизаторов. 83
Усилители постоянного тока (УПТ). УПТ с непосредственной связью между каскадами и типа модуляция-демодуляция (МДМ). Способы модуляции. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) на БПТ и ПТ. Способы компенсации смещения и дрейфа. Сравнительный анализ и области применения. Работа ДУ в режиме синфазного и противофазного сигнала и при использовании динамической нагрузки. 88
Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидность и обозначение ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ. Назначение каскадов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала. 101
Примеры построения аналоговых схем на ОУ (инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение, точные выпрямители, нуль-органы, электронные реле, выпрямители и др.). Применение ОУ в робототехнике и системах управления. 105
Формирователи и генераторы импульсных сигналов на ОУ. Компараторы, триггеры Шмитта. Генераторы линейно-измеряющегося напряжения на ОУ.. 108
Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ. 112
Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Методы и средства построения. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ. Принцип действия и временные диаграммы работы. 114
Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор. 117
Модуляция. Виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая. Достоинства, недостатки. Импульсные виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), кодо-импульсная (КИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазо-импульсная (ФИМ). Области применения. Структурная схема импульсного блока питания. 117
Ключевые преобразователи напряжения. Прямоугольные и резонансные. Однотактные и двухтактные. С прямым и обратным включением диода. Мостовые, полумостовые, со средней точкой. С независимым и самовозбуждением. Транзисторные и тиристорные. Особенности использования и области применения. 117
Логические основы цифровых устройств и ЭВМ. Двоичные переменные и переключательные функции, основные логические функции, основные законы алгебры логики, формы представления и минимизация переключательных функций. 117
Элементарная база цифровых микросхем. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ на диодах, биполярных и полевых транзисторах. Базовые логические элементы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики. Логические элементы на однотипных и комплементарных МДП-транзисторах. Логические элементы с тремя выходными состояниями. Микросхемы с открытым коллектором. Совместное применение микросхем разных серий. 117
Интегральные триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры. RS-, JK-, D- и Т-триггеры. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы триггерных схем, их основные параметры. Применение триггерных схем для создания цифровых систем управления. 117
Счетчики импульсов. Двоичные счетчики и счетчики с произвольным коэффициентом счета. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы счетчиков, их основные параметры. Разновидности счетчиков, особенности использования счетчиков при создании цифровых систем управления. 117
Регистры. Параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. Структурные схемы, особенности работы и основные параметры регистров различных типов. Применение регистров в цифровых системах управления. 117
Двоичные сумматоры. Одноразрядные двоичные сумматоры. Параллельные многоразрядные сумматоры. Структурные схемы, особенности работы. Основные параметры. 117
Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве
Электроника - это область науки и техники, занимающаяся разработкой и проектированием приборов, использующих движение заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах (в основном в полупроводниках), и созданием устройств на их основе. Это наука, развивающаяся быстрыми темпами с начала ХХ века и оказывающая огромное влияние на развитие цивилизации.
Начало развития электроники (вакуумные лампы: диод 1903 г., триод 1905 г.) тесно связано с необходимостью развития связи и прежде всего радиосвязи. Можно отметить, что до 1939 г. развитие электронных ламп и схем связано с их использованием в основном для нужд радиовещания, которое было в то время самым важным потребителем электроники. В тот период возникло большинство электронных ламп, известных в настоящее время, и основные электронные схемы, используемые и теперь в разных модификациях.
Промышленная электроника, занимающаяся использованием электронных элементов и схем в промышленности, как область техники гораздо моложе. Первые попытки использования ламповых схем в промышленности, прежде всего в измерительных установках, относятся к тридцатым годам прошлого века. Однако они не дали хороших результатов вследствие недолговечности, большой массы и габаритов электронных ламп, хотя другие характеристики этих устройств были удовлетворительные. Результаты этих первых экспериментов были использованы в широком масштабе только во время второй мировой войны, когда возросшие производственные потребности необходимо было удовлетворять в условиях чувствительной нехватки рабочей силы. Автоматизация производства, внедрение которой начато было в тот период, не могла осуществляться без электронных устройств. Электронные схемы также оказались незаменимыми в некоторых измерительных и контрольных установках.
Развитие промышленной электроники значительно ускорилось в послевоенный период, особенно после начала широкого применения полупроводниковых приборов в пятидесятых годах (1947 г. - появление первого транзистора). С появлением полупроводниковых приборов стали возможными значительная миниатюризация устройств и уменьшение потребляемой ими мощности, увеличение времени безотказной работы и т. п. Только теперь можно было приступить к построению весьма сложных электронных устройств, например вычислительных машин небольших габаритов, низкой стоимости и высокой надежности, соответствующих промышленным требованиям.
В последние годы определились следующие основные области применения электронных схем в промышленности:
· устройства для измерения различных физических величин как электрических, так и неэлектрических;
· устройства для исследования материалов, например металлов, электрическими и магнитными методами без их разрушения;
· устройства для регулирования и автоматического управления различными процессами или промышленными установками, а также для управления различными объектами хозяйства;
· промышленные телевизионные установки, используемые для контроля и наблюдения за различными объектами или процессами;
· вспомогательные устройства, используемые в некоторых технологических процессах, например термопроцессах (нагрев токами высокой частоты) или обусловленных ультразвуковым облучением (коагуляция, обработка, очистка поверхности и т. д.).
При измерении электрических величин электронные схемы требуются в тех случаях, когда электрические эффекты настолько незначительны, что исследовать их классическими методами невозможно. Это происходит, например, при измерении малых токов и напряжений, малых изменений емкости и т. д., если чувствительность обычных вольтметров, амперметров или мостов недостаточна для проведения измерений. В этом случае необходимо усилить измеряемую величину до значения, фиксируемого обычными методами. Подобные проблемы часто возникают при измерении неэлектрических величин электрическими методами, когда возникающие в первичном измерительном преобразователе сигналы незначительны. В этом случае усиление производится при помощи электронных схем.
Большое значение имеют также электронные устройства для исследования свойств материалов разными методами. Многие из этих методов основаны на связи между механическими и электрическими или магнитными свойствами исследуемых материалов. Исследование материала можно свести к измерению его характеристик магнитным или электрическим методом, что очень удобно, поскольку такое измерение легко осуществить, его можно автоматизировать и т. д. При этом исследование не приводит к разрушению или повреждению изделия. Это очень важно, так как исследования, приводящие к разрушению испытуемого образца, например разрыву, могут проводиться только на немногих экземплярах изготовленной партии изделий. Следовательно, в этом случае результаты измерений носят случайный характер и не дают полной уверенности в качестве изделий, которые не подвергались испытанию. Неразрушающие методы испытаний более надежны, поскольку их можно применить ко всей изготовленной партии, т. е. проверить каждое изготовленное изделие.
Автоматическое управление и контроль технологических процессов являются теперь одними из наиболее характерных особенностей быстрого развития техники. В этой новой быстро развивающейся области техники электронные устройства являются очень важным, а часто и обязательным элементом, от свойств которого зависит качественная работа всей регулируемой системы. Последние достижения автоматики, связанные с использованием электронных вычислительных машин, были бы при современном уровне развития техники невозможны без электронных схем. Тесная связь автоматики и электроники обусловливает надлежащий прогресс обеих этих областей техники.
Электроника также тесно связана с некоторыми технологическими процессами, в которых электронные устройства обычно используются в качестве источников токов высокой частоты. Это - процессы высокочастотного нагрева, а также процессы, связанные с излучением ультразвука большой мощности. Электронная схема в таком устройстве служит для создания токов высокой частоты необходимой мощности, и следовательно, она только косвенно связана с данным технологическим процессом, тем не менее она является обязательной.
Телевизионные устройства могут передавать образ любого промышленного объекта на произвольное расстояние, например к диспетчеру или к обслуживающему персоналу. Промышленное телевидение играет важную роль, там, где из-за условий работы невозможны непосредственные наблюдения, например в отравленной атмосфере, на участках с большим уровнем радиации (атомные реакторы) и т. п.
Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и механики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновременно функции рабочих и информационных машин.
Возникновение робототехники обусловлено потребностями развивающегося общества. Удовлетворение все возрастающих потребностей населения возможно только на основе дальнейшего роста производительности труда. Важнейшим резервом этого роста в условиях дефицита трудовых ресурсов является комплексная механизация и автоматизация производства. Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупносерийном производстве на основе использования неперепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производительность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70 % современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. В этих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.
Дифференциация процесса производства на ряд многократно повторяющихся простых операций привела к монотонным, утомительным трудовым действиям, выполняемым людьми на конвейере. Труд, лишенный творческого содержания, монотонный, опасный для жизни, должен быть уделом роботов.
Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого термина? Существует большое число определений понятия "робот". Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропоморфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей средой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулировано следующее определение. Робот - это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения двигательных и умственных функций человека, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой. Это машина-автомат нового типа. Обычные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автоматы для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы - универсальные системы многоцелевого назначения; они способны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобучаться с одной операции на другую.
Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленными.
Следует отметить следующие их достоинства.
Повышение безопасности труда - это одно из первоочередных назначений роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышленности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, потенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработке хлопка, асбеста и т.п.
При использовании роботов происходит интенсификация рабочего процесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели производства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается качество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процессы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на человека.
Однако эффективность применения робота проявляется только при правильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.
Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудностями.
Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего, обслуживающего технологическое оборудование или совершающего технологическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физического труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.
Основными факторами экономической эффективности роботов, учитываемыми при ее расчете, являются как производственные, так и социальные. Эта особенность отличает роботы от других вариантов новой техники, в связи с чем разработана специальная межотраслевая методика оценки экономической эффективности при их создании и использовании.
Базовые понятия электронной техники.
Источник напряжения
Источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет неизменное напряжение, не зависящее от тока, потребляемого от этого источника.
r – внутреннее сопротивление генератора
R – сопротивление нагрузки
Е – ЭДС генератора
U = Е - I·r
Это достигается тогда, когда внутренне сопротивление источника близко к 0 или несоизмеримо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки (идеальные условия r = 0 ). R>>r
Обычно для источников питания электронных устройств для задания неизменных режимов работы принимают R = 10r .
Источник тока
Источник электрической энергии, который отдает во внешнюю цепь ток неизменного значения, независимо от сопротивления нагрузки. Это возможно, когда внешнее сопротивление нагрузки пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.
Используется в качестве коллекторной нагрузки: (kU=Rк/(Rэ+rэ0); Rк=ΔU/ΔI ; и в цепи эмиттеров дифференциальных каскадов. Также используется в электрохимии.
Согласование источника с нагрузкой:
максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, если ее сопротивление равняется сопротивлению источника.
R = r =>Pн =Pmax
Применяются в передатчиках для получения максимальной мощности и в высокочастотных цепях для получения минимального отражения волны от нагрузки.
Пассивные элементы
(резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) представляют на схемах в виде резистивного сопротивления R , ёмкости C , индуктивности L .
Электроника (электронные технологии) - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями, основанная на электронной теории¹, и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации . На основе электроники электронная промышленность разрабатывает и производит электронные приборы, ЭВМ и широкий спектр других изделий, используемых во всех областях науки, техники и современной человеческой деятельности.
История возникновения и развития электроники
Предыстория - изобретение телефона, фонографа, кинематографа
Ко второй половине прошлого столетия относятся попытки создания телефона. С развитием теории электричества, в частности теории электромагнетизма, была создана научная база для его изобретения. Еще в 1837 г. американец Ч. Пейдус установил, что магнитная полоса может издавать звук, если ее подвергнуть быстрому перемагничиванию. В 1849—1854 гг. вице-инспектор Парижского телеграфа Шарль Бурсёль теоретически сформулировал принцип устройства телефонного аппарата. Первым образцом телефонного аппарата был прибор, сконструированный немецким физиком Филиппом Рейсом в 1861 г. (рис. 1).
Рис. 1. Телефон Рейса (1861 г.).
Телефон Рейса состоял из двух частей: передающего и приемного аппарата, действие которых было взаимосвязано. В передающем аппарате при передаче роисходило периодическое размыкание и замыкание цепи тока, чему в приемном аппарате соответствовало дрожание металлического стержня, воспроизводившего звук. С помощью аппарата Рейса можно было хорошо передавать музыку , но передача речи была затруднена.
В 1876 г. американский техник А. Белл (1847—1922) родом из Шотландии создал первую удовлетворительную конструкцию телефона. В этом же году он получил патент на его изобретение (рис. 2).
Рис. 2. Телефон А. Белла (1876 г.).
Однако телефонные трубки Белла могли хорошо передавать речь лишь на сравнительно небольшом расстоянии и, кроме того, обладали целым рядом других недостатков, делавших невозможным их практическое применение. К этому времени идея создания телефона распространилась очень широко. В США, например, было в 70-х годах взято свыше 30 патентов на телефонные аппараты. Так же обстояло дело и в Европе.
Над усовершенствованием телефона работали многие изобретатели. Наиболее существенные усовершенствования в телефон в 1878 г. независимо друг от друга внесли англичанин Д. Юз (1831—1900) и американец Т. Эдисон . Они изобрели важнейшую часть телефонного аппарата — микрофон. Микрофон Юза — Эдисона являлся только передатчиком, который воспринимал звуковые колебания и усиливал индуктивный ток в катушке телефона Белла. С изобретением микрофона стало возможно разговаривать на больших расстояниях, а звук в телефоне получался чище. Затем Эдисон предложил использовать в телефоне индукционную катушку. С введением ее в телефонный аппарат в основном закончилось его конструирование. Дальнейшая работа целого ряда изобретателей в различных странах сводилась к улучшению существующих конструкций.
Телефон в отличие от других новейших технических изобретений весьма быстро вошел в обиход почти во всех странах. Первая городская телефонная станция была введена в эксплуатацию в США в 1878 г. в Ныо-Гаване. В 1879 г. телефонные сети имелись уже в 20 городах в США. Первая телефонная станция в Париже была открыта в 1879 г., в Берлине—в 1881 г.
Пионером телефонии в России был инженер П. М. Голубицкий (1845—1911), внесший много существенных усовершенствований в конструкцию телефона. В 1878 г. Голубицкий построил первую серию многополюсных телефонов. Он доказал также возможность действия телефонов на расстоянии до 350 км.
В 1881 г. в России было учреждено Русское акционерное общество «для устройства и эксплуатации телефонных сообщений в различных городах Российской империи». Первые телефонные линии в России были построены в 1881 г. одновременно в пяти городах — Петербурге, Москве, Варшаве, Риге и Одессе. Интереснейшим изобретением этого периода явился фонограф— аппарат для записи и воспроизведения звука. Этот прибор, изобретенный в 1877 г. Эдисоном, обладал способностью сохранять, а затем в любое время воспроизводить и повторять записанные на нем звуковые колебания, вызванные ранее голосом человека, музыкальными инструментами и т. п. (рис. 3).
Рис. 3. Фонограф Т. А. Эдисона, (1877 г.)
Устройство и принцип действия фонографа сводятся к следующему. Звуковые колебания в фонографе передавались очень тонкой стеклянной или слюдяной пластинке, а при помощи прикрепленной к ней пишущей иглы (резца с сапфировым наконечником) переносились на поверхность вращающегося валика, обернутого оловянной фольгою или покрытого особым восковым слоем. Пишущая игла была связана с мембраной, воспринимающей или излучающей звуковые колебания. Ось валика фонографа имела резьбу, и поэтому при каждом обороте валик смещался вдоль оси вращения на одну и ту же величину. В результате этого пишущая игла на восковом слое выдавливала винтовую канавку. При движении по этой канавке игла и связанная с ней мембрана совершали механические колебания, воспроизводя записанные звуки. На основе фонографа затем возникли граммофон и другие приборы, применяемые при механической звукозаписи.
В 90-х годах XIX в. появляется кинематограф, совместивший в себе ряд изобретений и открытий, которые позволили осуществить основные процессы, необходимые для воспроизводства сфотографированного движения. Ближайшими предшественниками кинематографа, позволившими осуществить процесс кинематографирования, явились «аппарат для анализа стробоскопических явлений» русского изобретателя Тимченко (1893 г.), совмещавший проекцию на экран с прерывистой сменой изображений, хронофотограф французского физиолога Ж. Демени, сочетавший хронофотографию на пленке и проекцию на экран (1894 г.), а также созданный американским изобретателем У. Латамом в 1895 г. «паноптикум», соединивший хронофотографию с проекцией на экран, и другие изобретения.
Аппарат, в котором сочетались все основные элементы кинематографа, был впервые изобретен во Франции Луи Ж. Люмьером (1864— 1948). В 1895 г. он совместно со своим братом Огюстом разработал конструкцию киноаппарата для съемки. Люмьер назвал свое изобретение кинематографом. Опытная демонстрация фильма, заснятого на кинопленке с помощью этого аппарата, состоялась в марте 1895 г., а в декабре этого же года в Париже начал функционировать первый кинотеатр. В 90-е годы кинематограф появляется и в других странах, причем почти в каждой европейской стране был свой изобретатель этого аппарата. В Германии пионерами кинематографии были М. Складановский (1895 г.) и О. Местер (1896 г.); в Англии — Р. Поул (1896 г.); в России — А. Самарский (1896 г.) и И. Акимов (1896 г.); в США — Ф. Дженкинсон (1897 г.) и Т. Армат (1897 г.).
Одним из величайших открытий в области техники явилось изобретение радио. Честь его изобретения принадлежит великому русскому ученому А. С. Попову (1859—1906). Еще в 1886 г. немецкий ученый Г. Герц (1857—1894) впервые экспериментально доказал факт излучения электромагнитных волн. Он установил, что электромагнитные волны подчиняются тем же основным законам, что и световые волны. В конце 90-х годов Н. Тесла в Европе и Америке прочел ряд докладов, сопровождавшихся демонстрированием экспериментов . Он возбуждал длинные волны с помощью генераторов высокой частоты, зажигал лампы и посылал сигналы на расстояние. Тесла уверенно предсказывал возможность применения этих волн для телефонии и даже для передачи электрической энергии. Попов еще в 1889 г., работая в области исследования электромагнитных колебаний, впервые высказал мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние.
7 мая 1895 г. А С. Попов на заседании Русского физико-математического общества в Петербурге впервые продемонстрировал радиоприемник. В работе над повышением чувствительности приборов для обнаруживания электромагнитных колебаний Попов шел своим оригинальным путем. Он впервые применил антенну и, видя несовершенство вибраторов как источников электромагнитных волн, приспособил приемник для регистрации грозовых разрядов атмосферного электричества. Радиоприемник, изобретенный Поповым, был назван им грозоотметчиком (рис. 4).
Рис. 4. Радиоприемник А. С. Попова (1895 г.).
Устройство грозоотметчика сводилось к следующему: в цепь батареи включалась трубка с металлическими опилками и реле. В обычных условиях сила тока в обмотке реле была слабой, и якорь реле не притягивался. Но во время грозы грозовые разряды вызывали появление электромагнитных волн. Это приводило к тому, что сопротивление опилок в трубке падало и реле срабатывало, подключая электрический звонок, который и подавал сигнал о поступлении электромагнитных волн. Грозоотметчик Попова позволял принимать радиоволны на расстоянии нескольких километров. Доклад А. С. Попова в мае 1895 г. был через несколько месяцев полностью опубликован в январском выпуске «Журнала Русского физико-химического общества» под названием «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний». Затем этот доклад был напечатан в 1896 г. в журнале «Электричество» и в журнале «Метеорологический вестник». В результате многочисленных экспериментов 24 марта 1896 г. Попов осуществил первую в мире радиотелеграфную передачу. Его доклад в Физико-химическом обществе сопровождался работой грозоотметчика, который принимал телеграфные сигналы на расстоянии 250 м. В передаче были применены передающая и приемная антенны. В 1897 г. Попов устанавливает связь между кораблями «Африка» и «Европа» на расстоянии 5 км. А осенью 1899 г. при спасении наскочившего на камни броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» А. С. Попов установил постоянную радиотелеграфную связь на расстоянии более 46 км. А. С. Попов не опубликовал подробного отчета о своих опытах. Русское военное ведомство предложило засекретить эти работы. Через год после первого доклада Попова и через два месяца после его второго доклада, в 1897 г., итальянец Г. Маркони взял патент в Англии на прибор для телеграфирования без проводов. Из описания видно, что радиоприемник Маркони весьма близко воспроизводил грозоотметчик А. С. Попова. В 1897 г. в Англии было образовано специальное акционерное общество по эксплуатации изобретения Маркони. Судьба Попова и Маркони сложилась по-разному. В то время как Маркони, получив финансовую поддержку, смог развернуть в большом масштабе работы по усовершенствованию радиоаппаратуры, А. С. Попову пришлось работать в очень тяжелых условиях. Средств на усовершенствование его гениального изобретения отпускалось мало, а результаты работ в печати почти не освещались. Радиотехника, основы которой были заложены работами А. С. Попова, стала особенно быстро развиваться после первой мировой войны, во время которой радиосвязь становится важнейшей формой связи в армии и флоте. Радио получило широкое применение затем и для гражданских целей. Эти отрасли техники в рассматриваемый период не имели большого значения, но, несмотря на свою незначительную роль, они явились вершиной технического прогресса конца XIX — начала XX в. и стали отправными точками технического прогресса в современную эпоху.
Электроника зародилась в начале 20 в. после создания основ электродинамики (1856—73), исследования свойств термоэлектронной эмиссии (1882—1901), фотоэлектронной эмиссии (1887—1905), рентгеновских лучей (1895—97), открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), создания электронной теории (1892—1909). Развитие электроники началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904), трёхэлектродной лампы — триода (Л. де Форест, 1906); использования триода для генерирования электрических колебаний (немецкий инженер А. Мейснер, 1913); разработки мощных генераторных ламп с водяным охлаждением (М. А. Бонч-Бруевич, 1919—25) для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания.
Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал А. Г. Столетов, 1888; промышленные образцы — немецкие учёные Ю. Эльстер и Г. Хейтель, 1910); фотоэлектронные умножители — однокаскадные (П. В. Тимофеев, 1928) и многокаскадные (Л. А. Кубецкий, 1930) — позволили создать звуковое кино, послужили основой для разработки передающих телевизионных трубок: видикона (идея предложена в 1925 А. А. Чернышевым), иконоскопа (С. И. Катаев и независимо от него В. К. Зворыкин, 1931—32), супериконоскопа (П. В. Тимофеев, П. В. Шмаков, 1933), суперортикона (двухсторонняя мишень для такой трубки была предложена советским учёным Г. В. Брауде в 1939; впервые суперортикон описан американскими учёными А. Розе, П. Веймером и Х. Лоу в 1946) и др.
Создание многорезонаторного магнетрона (Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров, под руководством М. А. Бонч-Бруевича, 1936—37), отражательного клистрона (Н. Д. Девятков и другие и независимо от них советский инженер В. Ф. Коваленко, 1940) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн; пролётные клистроны (идея предложена в 1932 Д. А. Рожанским, развита в 1935 советским физиком А. Н. Арсеньевой и немецким физиком О. Хайлем, реализована в 1938 американскими физиками Р. и 3. Варианами и др.) и лампы бегущей волны (американский учёный Р. Компфнер, 1943) обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем космической связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы), например ртутные вентили, используемые главным образом для преобразования переменного тока в постоянный в мощных промышленных установках; тиратроны для формирования мощных импульсов электрического тока в устройствах импульсной техники; газоразрядные источники света.
Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприёмных устройств (1900—05), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920—1926), изобретение кристадина (О. В. Лосев, 1922), изобретение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948) определили становление и развитие полупроводниковой электроники. Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50 — начало 60-х гг.) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления в электроники — микроэлектроники (интегральной электроники). Основные разработки в области интегральной электроники направлены на создание интегральных схем — микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ, электронных запоминающих устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных приборов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм 2 . Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, переработка информации, совершенствование вычислительной техники и др., выдвигаемых развитием современного общественного производства . Создание квантовых генераторов (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, 1955) — приборов квантовой электроники — определило качественно новые возможности электроники, связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты.
Советские учёные внесли крупный вклад в развитие электроники. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных приборов выполнили М. А. Бонч-Бруевич, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, С. А. Векшинский, А. А. Чернышев, М. М. Богословский и многие др.; по проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, излучения, распространения и приёма радиоволн, их взаимодействия с носителями тока в вакууме, газах и твёрдых телах — Б. А. Введенский, В. Д. Калмыков, А. Л. Минц, А. А. Расплетин , М. В. Шулейкин и др.; в области физики полупроводников — ; люминесценции и по другим разделам физической оптики — С. И. Вавилов; квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах — И. Е. Тамм и многие др.
Электронные науки и технологии
Электроника опирается на многие разделы физики — электродинамику, классическую и квантовую механику , физику твёрдого тела, оптику, термодинамику, а также на химию , 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 — создаёт новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования.
Электроника - наука о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии. Наиболее характерные виды преобразований электромагнитной энергии - генерирование, усиление и приём электромагнитных колебаний с частотой до 10 12 гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (10 12 - 10 20 гц). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона — наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решётки.
Прикладные 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 сыграла ведущую роль в научно-технической революции . Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствовала успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда , улучшению экономических показателей производства. На основе достижений электроники развивается , 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 многих других.
Электроника включает в себя 3 области исследований :
Каждая область подразделяется на ряд разделов и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данной области. Направление охватывает методы конструирования и расчётов электронных приборов, родственных по принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления этих приборов. Электроника находится в стадии интенсивного развития, для неё характерно появление новых областей и создание новых направлений в уже существующих областях.
Технология электронных приборов . Конструирование и изготовление электронных приборов базируются на использовании сочетания разнообразных свойств материалов и физико-химических процессов. Поэтому необходимо глубоко понимать используемые процессы и их влияние на свойства приборов, уметь точно управлять этими процессами. Исключительная важность физико-химических исследований и разработка научных основ технологии в электронике обусловлены, во-первых, зависимостью свойств электронных приборок от наличия примесей в материалах и веществ, сорбированных на поверхностях рабочих элементов приборов, а также от состава газа и степени разряжения среды, окружающей эти элементы; во-вторых, — зависимостью надёжности и долговечности электронных приборов от степени стабильности применяемых исходных материалов и управляемости технологии. Достижения технологии нередко дают толчок развитию новых направлений в электронике. Общие для всех направлений электроники особенности технологии состоят в исключительно высоких (по сравнению с другими отраслями техники) требованиях, предъявляемых в электронной промышленности к свойствам используемых исходных материалов; степени защиты изделий от загрязнения в процессе производства; геометрической точности изготовления электронных приборов. С выполнением первого из этих требований связано создание многих материалов, обладающих сверхвысокими чистотой и совершенством структуры, с заранее заданными физико-химическими свойствами — специальных сплавов монокристаллов, керамики, стекол и др. Создание таких материалов и исследование их свойств составляют предмет специальной научно-технической дисциплины — электронного материаловедения . Одной из самых острых проблем технологии, связанных с выполнением второго требования, является борьба за уменьшение запылённости газовой среды, в которой проходят наиболее важные технологические процессы. В ряде случаев допустимая запылённость — не свыше трёх пылинок размером менее 1 мкм в 1 м 3 . О жёсткости требований к геометрической точности изготовления электронных приборов свидетельствуют, например, следующие цифры: в ряде случаев относительная погрешность размеров не должна превышать 0,001%; абсолютная точность размеров и взаимного расположения элементов интегральных схем достигает сотых долей мкм. Это требует создания новых, более совершенных методов обработки материалов, новых средств и методов контроля. Характерным для технологии в электронике является необходимость широкого использования новейших методов и средств: электроннолучевой, ультразвуковой и лазерной обработки и сварки, фотолитографии, электронной и рентгеновской литографии, электроискровой обработки, ионной имплантации, плазмохимии, молекулярной эпитаксии, электронной микроскопии, вакуумных установок, обеспечивающих давление остаточных газов до 10-13 мм рт. ст. Сложность многих технологических процессов требует исключения субъективного влияния человека на процесс, что обусловливает актуальность проблемы автоматизации производства электронных приборов с применением ЭВМ. Эти и другие специфические особенности технологии в электронике привели к необходимости создания нового направления в машиностроении — электронного машиностроения.
Перспективы развития электроники . Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, была связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема была решена путём создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10 -11 сек; увеличения степени интеграции на одном кристалле более миллиона транзисторов размером менее 1 мкм; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей, сверхпроводников; разработки запоминающих устройств ёмкостью несколько гигагабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем; перехода от двумерной (планарной) технологии интегральных схем к трёхмерной (объёмной) и использования сочетания различных свойств твёрдого тела в одном устройстве; разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения, обладающего большей информативностью по сравнению с обычным; создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи; разработки мощных, с высоким кпд, приборов СВЧ и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития электроники — проникновение её методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). По мере развития электроники и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения электроники во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль электроники в ускорении научно-технического прогресса.
Рекомендованная литература
Алферов А. В., Резник И. С., Шорин В. Г., Оргатехника, М., 1973.
Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960;
Кушманов И. В., Васильев Н. Н., Леонтъев А. Г., Электронные приборы, М., 1973.
Когда говорят об электронной технике, то в воображении возникает представление о красивых, удобных установках и приборах, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Действительно, трудно представить время, когда не было разнообразной аудио- и видео техники, компьютеров, электронных часов, электромузыкальных инструментов и т. п. Огромное количество электронной техники используется в разнообразных отраслях промышленности, радиотехнике, сельском хозяйстве, авиации, космонавтике, медицине, мореплавании и в военных разработках.
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 - это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции. Различают электровакуумные и твердотельные электронные приборы.
К вакуумным электронным приборам относят электронные лампы, электроннолучевые трубки и другие электровакуумные и газоразрядные приборы (магнетроны, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т.п.).
К твердотельным приборам и устройствам относят полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры, интегральные микросхемы, устройства формирования электрических импульсов тока и напряжения и др.
Под электронной техникой понимают также разнообразные электронные устройства, связанные с использованием элементарных электронных приборов, начиная от простых усилителей и заканчивая сложными вычислительными машинами. Особое место занимают электронные устройства, связанные с формированием, распознаванием и преобразованием радиосигналов. Их изучением и описанием занимается радиоэлектроника.
Характерной является область электроники, к которой относятся импульсные устройства и электронные устройства, связанные с цифровой и вычислительной техникой.
Специфичны и разделы электроники, посвященные методам исследования физических явлений, измерениям физических величин, характеристик и параметров электронных устройств, а также относящихся к ним электрических цепей и электромагнитных полей. Приборы, осуществляющие измерения параметров и исследования процессов, протекающих в электрических цепях и устройствах, называют электронными измерительными приборами.
Все это дает основание сделать вывод. что: » Электронная техника (электроника) - это область науки и техники, связанная с изучением и внедрения физических свойств, методов исследования и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме или твердом теле.»
Элементы электронной техники -- это выпускаемые промышленностью электронные приборы и устройства, выполняющие определенные функции. Элементы электронной техники являются как бы кирпичиками, из которых конструируются более сложные электронные устройства. Базовыми, или основными элементами электронной техники являются резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы и т.п
Активные элементы электронной техники (светодиоды, лазеры, оптроны, управляющие микросхемы) также называют электронными элементами, подчеркивая возможность выполнения ими определенных функций.
Элементная база электронной техники -- это основной набор электронных элементов, используемых в промышленном производстве сложной электронной аппаратуры на данном историческом этапе.
Аналоговая электроника -- это электронная техника, работающая с непрерывными сигналами (непрерывно меняющимися напряжениями и токами). 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 (одиночными импульсами напряжения и тока или последовательностями импульсов). Примерами импульсных устройств являются импульсные усилители и генераторы, преобразователи напряжение -- частота и т.п.
Цифровая электроника -- это электронная техника, работающая с отдельными (дискретными) значениями напряжений (токов, частот), представленных в виде цифр. К устройствам цифровой электроники относятся логические устройства, оперирующие с сигналами 0 и 1, аналогово-цифровые 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.
Вся линейка электронной техники зависит от применяемой элементной базы, развитию которой посвящены труды многих ученых, их исследований и изобретений. Путь развития электронной техники условно можно разбить на несколько этапов, начало которых ведется от момента открытия электричества и его дальнейшего изучения.
Целью данной работы является проследить этот путь более детально, ознакомиться с азами работы электронных устройст и приборов, их появления в процессе исследований различных свойств электричества и явлений учеными и физиками разных эпох.
