Сочинение на тему основы электроники

Сочинение: Электротехника и основы электроники

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургская государственная академия

холода и пищевых технологий

                           Кафедра электротехники

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания

для самостоятельного изучения дисциплины

»Электротехника и основы электроники»

для студентов всех специальностей

Санкт-Петербург 1999

УДК 621.3

Евстигнеев А. Н.

,   Кузьмина Т.Г. ,     Новотельнова А. В.      Основы

 цифровой  электроники: Метод. указания для сомостоятельного изучения дисциплины   » Электротехника и  основы электроники » для студентов всех спец. — СПб.: СПбГАХПТ, 1999. —  41 с.

           Содержит основные сведения о современной элементарной базе цифровых электронных схем.

     Ил. – 25, табл. – 7, библиогр. – 10 назв.

Рецензент

Канд. техн. наук, доцент А. И. Васильев

Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых производств

                                          ©                                                                                                              Санкт-Петербургская государственная

                                                     академия холода и пищевых технологий, 1999

ВВЕДЕНИЕ

           Любая электронная схема от простейшего выпрямителя до сложней-шей ЭВМ предназначена для обработки электрического сигнала: усиление (масштабирование), выпрямление, сглаживание (изменение формы, запоми-нание, суммирование и пр.). По способу представления обрабатываемого сигнала электронные устройства принято подразделять на аналоговые и цифровые.

           В аналоговых устройствах используются переменные, изменяющие свое значение в определенном диапазоне значений между верхним и ниж-ним пределами. Это естественно, когда обрабатываемые сигналы являются непрерывными по своей природе или представляют собой непрерывно изменяющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры, давления, влажности и т.п.). Пример аналогового сигнала U (t) приведен на рис. 1, а.

           Однако входной сигнал по своей природе может быть и дискретным, например, импульсы в детекторе частиц или »биты» информации, поступаю- щие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях удобно использо-вать цифровую электронику, т.е. схемы, которые имеют дело с информацией, представленной в виде »единиц» и »нулей». Цифровые переменные имеют только два уровня, (рис. 1, б). Эти уровни напряжения называют верхним и нижним, или обозначают терминами »истина» и »ложь», которые связаны с булевой логикой, или »включено» и »выключено», которые отражают состояние релейной системы, а чаще »нулем» и »единицей».

           Благодаря высокой эффективности цифровые методы широко используются для передачи, отбора и запоминания информации, даже в тех случаях, когда входные и выходные данные имеют непрерывную или анало- говую форму. В этом случае информацию необходимо преобразовывать при помощи цифро-аналоговых (ЦАП) и аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).

а                                                                б

             верхний предел                                           высокий уровень  

             нижний предел                                                  низкий уровень

а –аналоговый сигнал;                                        б –цифровой сигнал;

1. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

           Интегральная микросхема – это микроэлектронное изделие выпол-няющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и  имеющее не менее пяти элементов (транзисторов, диодов, резисторов, кон- денсаторов), которые нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

           Высокая надежность и качество в сочетании с малыми размерами, массой и низкой стоимостью интегральных микросхем обеспечили их широ- кое применение во многих отраслях народного хозяйства.

           По конструктивно-технологическим признакам различают пленочные, полупроводниковые и гибридные микросхемы.

           Пленочные микросхемы изготавливают посредством послойного нанесения на диэлектрическое основание (подложку) пленок различных материалов с одновременным формированием транзисторов, диодов и т.п. Пленочные микросхемы делятся на тонкопленочные (толщина пленки до 1мкм) и толстопленочные.

           Полупроводниковая интегральная микросхема – это интегральная микросхема, все элементы и межэлектродные соединения которой выполне- ны в объеме и на поверхности проводника (рис. 2 а, б).

           При изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем обычно используют планарную технологию.

           Активные и пассивные элементы полупроводниковой интегральной микросхемы избирательно формируют в одном монокристалле полупровод- ника. Соединение элементов между собой в полупроводниковой интеграль- ной микросхеме может быть выполнено как в объеме, так и на поверхности монокристалла полупроводника путем создания на окисленной поверхности полупроводника токоведущих дорожек, например, методом вакуумного на-пыления металла. В качестве конденсаторов в микросхемах используют об-ратно смещенные p-n-переходы или конденсаторные структуры Si-SiO2-металл. Роль резисторов выполняют участки поверхности полупроводни-кового кристалла или p-n-переход, смещенный в прямом или обратном нап-равлении, а также канал МДП-транзисторов.

           В интегральной микросхеме не всегда можно указать границу между отдельными элементами. Например, вывод конденсатора может одновре-менно являться электродом конденсатора. Из-за малых межэлектродных расстояний и наличия общего для всех элементов схемы кристалла (подлож-ки) в микросхемах создаются достаточно сложные паразитные связи, а так же появляются паразитные элементы, которые, как правило, ухудшают все парараметры микросхемы, как функционального узла радиоэлектронной аппаратуры.

а

б

в

Рис. 2

а – эквивалентная схема; б – структура полупроводниковой интегральной микросхемы;

в – структура гибридной интегральной микросхемы;

           Гибридная интегральная микросхема – это интегральная микросхема                                                                                                                                                                пассивные элементы которой выполнены посредством нанесения различных пленок на поверхность диэлектрической подложки из стекла, керамики или ситалла, а активные элементы – навесные полупроводниковые приборы без корпусов (рис. 2, в).

           Гибридные интегральные микросхемы позволяют использовать пре- имущества пленочной технологии в сочетании с полупроводниковой тех-нологией.

           Полупроводниковая интегральная микросхема может быть изготов- лена по совмещенной технологии – активные элементы выполнены в объеме полупроводникового монокристалла, а пассивные элементы – на защищен-ной (например, окислом) поверхности монокристалла в тонкопленочном ис-полнении. На этой же поверхности сделаны и токопроводящие дорожки и площадки. Поскольку транзисторы и диоды полупроводниковой интеграль- ной микросхемы, изготовленной по совмещенной технологии находятся внутри монокристалла (подложки), размеры такой интегральной микросхе-мы могут быть значительно уменьшены по сравнению с размерами гибрид-ной интегральной микросхемы, в которой используются дискретные актив-ные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.

1.1. Основные параметры интегральных микросхем

           Плотность упаковки – это число элементов электронной схемы в одном кубическом сантиметре объема интегральной микросхемы.

           Степень интеграции x определяется количеством элементов n, вхо- дящих в состав интегральной микросхемы.

x = lg n

           Микросхема 1 степени интеграции содержит до 10 элементов (мало- масштабная интегральная схема – мис). Микросхема 2 степени интеграции (среднемасштабная – сис) содержит от 10 до 100 элементов. Микросхема 3 степени интеграции содержит от 10² до 10³ элементов и относится к катего-рии больших интегральных микросхем (БИС). Сверхбольшие (СБИС) имеют

степень интеграции более 1000 элементов (табл. 1).

                                                                                                     Таблица 1

Уровень сложности       ИС	Количество интегрированных элементов	Параметры функционального     назначения ИС
МИС	≤ 10	Биполярные ячейки, простые логические элементы, дифференциальные усилительные каскады
СИС	10 – 100	Триггеры, регистры, сумматоры, операцион- ные усилители, коммутаторы
БИС	100 – 1000	Полупроводниковые запоминающие и ариф- метико-логические устройства
СБИС	> 1000	Микропроцессоры, однокристальные микро- ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи

1.2. Серии и семейства серий интегральных схем

           Серия – это комплект из нескольких типов интегральных схем, имею- щих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначен- ных для совместного применения в аппаратуре. Интегральные схемы, входя- щие в серию, имеют единые эксплутационные показатели и используются как совместимые наборы деталей, пригодные для создания электронной ап- паратуры любой  степени сложности.

            Серии интегральных схем, совместимые друг с другом по логическим

уровням, условиям эксплуатации и конструктивным показателям, могут    образовывать семейства серий интегральных схем.            

2. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

           Логические и запоминающие элементы составляют основу устройств цифровой обработки информации – вычислительных машин, цифровых     измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы   выполняют простейшие логические операции над  цифровой информацией: преобразуют по определенным правилам входную информацию в выход-ную. Операции, используемые при обработке цифровой информации, осно-ваны на двоичной системе счисления, представляющей информацию в виде слов – комбинаций символов 1 и 0.

           Обработка цифровой информации логическими элементами произво-дится по законам и правилам алгебры логики, разработанной в XIX веке   английским ученым Дж. Булем.

           Логические преобразования двоичных сигналов включают три       элементарные операции:

1.   логическое сложение (дизъюнкцию) или операцию ИЛИ

F=x1+x2+…+xn

2. логическое умножение (конъюкцию) или операцию И

F= x1 · x2·…·xn

2.   логическое отрицание (инверсию) или операцию НЕ  

   F= x

           Определение этих операций дается с помощью таблиц истинности,  содержащих перечисление всех возможных сочетаний (наборов) входных переменных (входных слов).

           Каждая простая логическая функция может быть технически реализо- вана простыми элементами, к которым относятся элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации.

           На рис. 3 приведены условные обозначения логических элементов и таблицы истинности.

           Из простых элементов можно составить сколь угодно сложные логи-ческие устройства, например, счетчики импульсов, регистры, сумматоры, блоки памяти и т.п.

           На практике применяют комбинированные элементы, реализующие две логические операции, например, элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Они назы-ваются функционально полными, т.к. позволяют реализовать любую логи-ческую функцию. Например, имея набор элементов И-НЕ можно построить схему ИЛИ.

Наименование        функции	Условное графи-  ческое обозначение	Выражение     функции	Таблицы истинности
x1	1	1
x2	1	1
ИЛИ	y=x1+x2	y	1	1	1
И	y=x1·x2	y	1
НЕ	_     y=x1	y	1	1	1
ИЛИ-НЕ	___     y=x1+x2	y	1
И-НЕ	____      y=x1·x2	y	1	1	1

Рис. 3

           Элемент И-НЕ (штрих Щеффера) выполняет операцию

                                                          ___________

F= x1 · x2 · x3 ·…· xn

           Элемент ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) выполняет операцию

                                                        _____________  

F=x1+x2+ x3+…+xn

           Примеры использования функционально полных элементов сведены в таблице 2, где показано, как набором элементов И/-НЕ можно реализовы- вать функции И, ИЛИ, НЕ.

                                                                                                              Таблица 2

Элемент	Логические операции
НЕ	И	ИЛИ
И-НЕ	y1=x=x ·x  т. к.  x ·x ·x ·…=x	y2=x1  ·x2= x1  ·x2   т. к.  x= x	y3= x1  +x2= x1  · x2  т. к.  x1  ·x2= x1  +x2   —  теорема де Моргана

          Реализация логических устройств на базе комбинированных элементов упрощает компановку и ремонт устройств.

3.   СХЕМНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

           Основой для построения узлов импульсной и цифровой техники    служат полупроводниковые ключевые схемы. Ключевая схема (ключ) позволяет подключать нагрузку к источнику или отключать ее и таким образом коммутировать ток в нагрузке. В качестве электронных ключей применяют диоды, транзисторы, тиристоры и некоторые другие электронные приборы.

3.1. Ключевой режим работы биполярного транзистора

           Простейший транзисторный ключ – каскад на биполярном транзисто-ре, включенный по схеме с общим эмиттером, представлен на рис. 4. Выход-

ное сопротивление транзистора по постоянному току со стороны электродов коллектор-эмиттер может изменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике (рис. 5).

Рис. 4

Рис. 5

           Точка 1 на рис. 5 соответствует режиму отсечки (состояние »выключе-но»), в котором падение напряжения на транзисторе V’КЭ близко к напряже-нию источника питания EК. Точки IК и IБ при этом минимальны и равны      обратному току коллекторного перехода IКО.

          Точка 2 (состояние »включено») соответствует режиму насыщения. При этом через транзистор протекает максимально возможный при данных EК и RК ток, практически равный ЕК/RК, т.е. определяемый величиной нагрузочного сопротивления. Падение напряжения на транзисторе VКЭ» в этом случае минимально.

           Для переключения транзистора из режима отсечки в режим насыще-ния необходимо обеспечить определенный ток базы IБ», для чего на эмит-терный переход требуется подать соответствующее этому току напряжениеVБЭ.

           Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие, которое определяется скоростью протекания переходных процессов при переключении. Мгновенное переключение транзисторного ключа невозможно из-за инерционности свойств транзисторов, а также      наличия паразитных реактивных элементов схемы и проводников.  

Рис. 6

           Переход транзистора из одного стационарного состояния в другое происходит с задержками времени tВКЛ и tВЫКЛ (рис. 6). Длительность фронта включения tВКЛ  зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору и значения коллекторной емкости. Это время уменьшается при увеличении тока базы.

           Задержка выключения tВЫКЛ связана с тем, что под действием выклю-чающего  сигнала  происходит  рассасывание  заряда,  накопившегося  в базе                   

при насыщении транзистора.

           Таким образом, быстродействие транзисторного ключа зависит от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса    базового тока. Порядок величин задержек составляет от долей единицы до микросекунд.

           Ключевые схемы широко используются в устройствах, оперирующих с информацией, представленной в цифровой форме. В частности, их        применяют в элементах, выполняющих простейшие логические операции. Переключение основной схемы из одного состояния в другое производится с помощью управляющих сигналов, подаваемых на ее вход. Эти сигналы могут быть представлены в виде ступенчатого или импульсного напряже-ния. 

           В логических устройствах сигнал может принимать только два   значения: логического нуля и логической единицы. Если логической единице соответствует высокий потенциальный уровень, а логическому нулю – низкий, такую логику называют положительной (позитивной). В противном случае логика называется отрицательной (негативной). Интегральные логические элементы изготавливаются в основном для работы в позитивной логике.

           Рассмотренный нами простейший транзисторный ключ выполняет логическую операцию отрицания (операцию НЕ). Высокому уровню      напряжения на входе ключа (»1») соответствует низкий уровень напряжения на его выходе (»0»), и наоборот.

           В совокупности с другими элементами транзисторные ключи могут реализовать более сложные функции.

3.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

           Простейшая ключевая схема имеет один управляющий вход и один выход. В общем случае число входов и выходов может быть больше. На рис.7 приведена схема логического элемента  И-НЕ,  построенная  на  основе

транзисторного ключа. В состав элемента входит ключевая схема на       транзисторе VT2. Управление схемой производится с помощью многоэмит-терного транзистора VT1. Многоэмиттерный транзистор разработан специ- ально для микроминиатюрных логических устройств. На его входах (эмиттеры) могут подаваться сигналы высокого (»1») либо низкого (»0») уровня.

           Рассмотрим  принцип  работы  схемы.  Если  на  все  входы  (в данном случае  на  три)  подан  высокий   положительный   потенциал   ( x1=x2=x3=1),           

Рис. 7

транзистор VT1 закрывается, потенциал коллектора VT1 близок к напряжению +Eк, что приводит к отпиранию транзистора VT2. Напряжение на выходе VT2 устанавливается низким, т.е. выходной сигнал соответствует логическому нулю (F=0).

           При наличии на одном из входов логического нуля, например, x1=0, VT1 открывается. На коллекторе транзистора VT1 в этом режиме устанавли-вается низкий потенциал, и что приводит к закрытию транзистора VT2. На выходе устанавливается высокий потенциал, соответствующий логической единице, т.е. при x1=0 F=1 при любом состоянии входов x2иx3. Таким обра-зом схема реализует функцию ЗИ-НЕ.

3.3.     Логические элементы на основе полевых транзисторов

3.3.1.  МОП-транзисторная логика на ключах одного типа проводимости

           Одним из основных достоинств полевых транзисторов с изолирован- ным затвором (МОП-транзисторов) по сравнению с биполярным является более высокая технологичность и возможность изготовления на одной под-ложке большого числа приборов с идентичными параметрами. Кроме того, полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности по входной (затворной) цепи.

           Если логические элементы на базе полевых транзисторов выполнены по интегральной технологии, то в качестве нагрузки ключевого транзистора с точки зрения упрощения технологии оказывается более выгодным исполь-зовать не резистор, а второй МОП-транзистор, у которого затвор и исток замкнуты.

           Транзисторы пМОП-типа являются в 2-3 раза более быстродействую-щими по сравнению с транзисторами рМОП-типа и требуют меньшей пло-щади полупроводниковой поверхности, существенно более экономичны и поэтому часто используются в микромощных БИС.

           На рис. 8 представлен инвертор на МОП-транзисторах с п-каналом и использованным затвором. Нагрузкой инвертора в этой схеме  служит  тран-зистор VT1, затвор которого соединен с источником  положительного напря-

Рис. 8

жения. Поскольку вольт-амперная характеристика транзисторов нелинейна, то и выходное сопротивление при переключении изменяется нелинейно. По этой причине данная схема получила название ключа с нелинейной нагрузкой.

           Транзистор VT2 называется активным (управляющим). При низком входном  потенциале  (логический »0» на входе)  транзистор VT2  закрыт, ток

                    -9      -10

стока IС=10  – 10  А и менее, VВЫХ » EК (логическая »1» на выходе).

           Когда на входе высокий потенциал (логическая »1» на входе), транзис-тор VT2 отпирается, сопротивление канала резко падает и VВЫХ » 0 (логичес-кий »0» на выходе). Таким образом, в результате переключения транзистора выходное напряжение изменяется от EК  до 0, т.е. схема реализует логичес-кую функцию НЕ.

3.3.2. МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах

(КМОП-логика)

           В  основу  построения   данной   логики   положен   комплиментарный

транзисторный ключ, состоящий из последовательно соединенных полевых транзисторов с разным типом проводимости канала (рис. 9). В такой схеме коммутируются оба транзистора одновременно, так как затворы их соедине-ны, т.е. на оба затвора поступает управляющий сигнал.

Рис. 9

           При низком уровне входного сигнала открыт транзистор VT2 с р-каналом, а транзистор VT1 с п-каналом закрыт. При этом выходное напряже- ние снимаемое со стоков обоих транзисторов, примерно равно ЕО.

           При высоком уровне входного сигнала открыт транзистор VT1, а тран- зистор VT2 закрыт, т.е. выходное напряжение близко к нулю. Схема реали-зует логическую функцию НЕ.

           Основным достоинством этой схемы по сравнению с предыдущей является то, что в статическом состоянии один из транзисторов всегда зак-рыт, и поэтому мощность, потребляемая от источника питания, очень мала. Расход мощности источника питания происходит только при переключении транзисторов и определяется в основном процессами перезаряда паразитных емкостей.

           Недостатки схем на комплиментарных транзисторах – большое число элементов в логических схемах, усложнение технологии их изготовления, что приводит к увеличению площади кристалла и стоимости изготовления по сравнению с интегральными схемами на однородных МОП-транзисторах.

3.4. Эмитеррно-связанная логика (ЭСЛ)

           В логических элементах ЭСЛ в качестве ключа применяют транзисторные переключатели тока, производящие переключение тока от одной нагрузки к другой (рис. 10).

Рис. 10

           Принцип работы переключателя тока аналогичен принципу работы дифференциального усилительного каскада в режиме ограничения амплиту-ды выходного сигнала. На базу транзистора VT2 дифференциального усили-теля подается напряжение смещение ЕСМ, а  а переключение тока IО генерато-ра тока с транзистора VT1 на транзистор VT2 происходит за счет подачи на базу транзистора VT1 управляющего сигнала от внешнего источника. Для надежного переключения транзисторов достаточно изменения уровня вход-ного управляющего сигнала примерно на 0,5 ¸ 0,6 В.

           Глубокая отрицательная обратная связь по току в схеме дифферен-циального каскада обусловливает то обстоятельство, что коллекторный ток каждого из транзисторов не может превысить ток генератора тока в эмиттер-ной цепи транзисторов. Выбором элементов схемы можно добиться выпол-нения условия IО< IК.НАС, поэтому транзисторы не переходят в режим насыще-ния и при переключении остаются в активном режиме. Эта особенность в сочетании с хорошими частотными свойствами транзисторов и самой схемы переключателей тока определяет ее высокое быстродействие. Время переключения таких схем может быть порядка нескольких наносекунд.

           Связь между транзисторами в переключателе тока осуществляется через генератор тока, включенный в неразветвленную цепь эмиттеров транзисторов. Это обстоятельство обуславливает название логических элементов, построенных на рассмотренном типе ключа, – эмитеррно-связанная логика.

           Рассматриваемая схема имеет два выхода: F1и F2. На выходе F2 фик-сируется результат операции эквивалентности F2 = x, а на выходе F1 – опера-ции НЕ F1 = x.

           Когда на логическом входе действует напряжение логической едини-цы (x = 1), транзистор VT1 открывается, а VT2 – запирается. При этом на логическом выходе F2 имеем логическую единицу(F2 =1), а на выходе F1 – логический ноль (F1  =0).

           Если напряжение на входе элемента становится равным напряжению логического ноля (x=0), транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. В этом случае на логическом выходе F1 имеем логическую единицу (F1  =1), а на логическом выходе F2 – логический ноль (F2  =0).

3.5. Интегральная инжекционная логика (И²Л-логика)

           Схемы И²Л выпускаются только в интегральном исполнении. И²Л-схемы работают с весьма малыми перепадами логических уровней и требуют минимальной площади поверхности полупродниковой подложки. Показатель степени »два» в обозначении указывает на то, что транзистор, осуществляющий питание (инжектор), работает в режиме двойной инжекции.

           На рис. 11 изображен инвертор, выполненный в интегральной инжекционной логике. Питание И²Л-схем осуществляется от источника тока через p-n-p-переход транзисторов VTП, имеющих общую эмиттерную p-область, называемую инжектором. Транзисторы VTП имеют продольную структуру, причем p-область базы транзистора VTП физически совмещена с эмиттерной p-областью транзистора VT.

Рис. 11

           Изменение значений переменной X на входе изменяет путь тока инжекции IП = αU∙I. При X=1, соответствующей высокому потенциалу на входе, ток IП поступает на базу транзистора VT, вызывая его насыщение. На выходе устанавливается низкий потенциал, соответствующий логическому »0»: F=0. При X=0, что соответствует входному потенциалу близкому к нулю, весь ток IП поступает во входную цепь. Транзистор VT закрывается, и на выходе устанавливается высокий потенциал: F=1.

Параметры логических элементов

Средняя потребляемая мощность – Pср

Pср = 0,5(Pº + P¹),

где Pº– мощность потребляемая логическим элементом, находящимся в состоянии »0», P¹ – в состоянии »1». При возрастании частоты переключений элемента потребляемая мощность может существенно возрасти.

           Коэффициент объединения по входу Коб – определяет максимальное число входов логического элемента. Основные логические элементы имеют Коб = 2 – 4. Увеличение числа входов достигается применением специаль-ного устройства – расширителя. При этом удается получить Коб >10.

           Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) Кразв, определяет максимальное число аналогичных микросхем, которое можно подключить к данному логическому элементу без нарушения его нормальной работы. Выпускаемые промышленностью логические элементы имеют Кразв = 4 – 10. Увеличить нагрузочную способность можно, подключив к выходу логического элемента буферный усилитель.

           Быстродействие – характеризуется временем задержки распрастране-

ния сигнала и определяет быстроту реакции логического элемента при воздействии входного напряжения.

           Помехоустойчивость – характеризует невосприимчивость логических элементов к изменению своих состояний под воздействием напряжения помех. Помехоустойчивасть оценивается наибольшим напряжением помехи, которая не вызывает ложного срабатывания логического элемента.

           В таблице 3 приведены основные параметры цифровых логических элементов различных типов.

                                                                                                              Таблица 3

Параметр	ТТЛ	ЭСЛ	И²Л	п-МОП	КМОП
Напряжение пи- тания Ек, В Потребляемая мощность Рср, мВт      Коб     Кразв Быстродействие,                нс Генерация помех Уровень допусти- мых помех	5     2 – 44      2 – 8       10    5 – 20   Сильная       0,8	-5,2        35       2 – 5        15    0,7 – 3 Отсутствует        0,15	1,0  0,01 – 0,1         1      5 – 10     10 –20    Малая       0,1	5    0,1 – 1,5       2 – 5   100 – 200    20 –200     Малая         0,5	3 – 15    0,01 – 0,1        2 – 5   100 – 200    50 –100     Малая       0,4Ек

4.     ТРИГГЕРЫ

           Триггером называют устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состоя-ния в другое.

           Триггеры являются базовыми элементами при построении счетчиков, регистров, дешифраторов и других устройств импульсной техники.

           Характерной особенностью триггеров является способность сохранять двоичную информацию (состояние »0» или »1») после окончания действия входных импульсов. Это свойство обусловлено тем, что факторами, опре-деляющими состояние триггера, являются не только внешние управляющие сигналы, но и внутренние сигналы самого триггера (сигналы обратной связи). Поэтому триггер может быть использован как элемент памяти, а совокупность триггеров может запомнить и хранить код некоторого числа.

           В интегральной минросхемотехнике триггеры выполняют либо на основе логических интегральных элементов, либо как завершенный функциональный элемент в виде микросхемы.

           Триггеры можно классифицировать по функциональному признаку и способу управления.

           По функциональному признаку различают триггеры R,S,D,T,J-K и других типов.

           По способу управления различают асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информацион-ный вход. В тактируемых триггерах кроме информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Переключение происходит только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

4.1. R-S-триггер

           Асинхронный R-S-триггер представляет собой устройство, которое составляет основу всех остальных типов триггеров. Название происходит от двух английских слов – »set-reset» (»устанавливать-сбрасывать»). Схема R-S-триггера представляет собой два логических элемента ИЛИ-НЕ (И-НЕ), замкнутых в кольцо (рис.12, а). Условное графическое обозначение R-S-триггера на электрических схемах приведено на рис. 12, б.

           Схема имеет два входа: S и R, и два выхода: прямой Q и инверсный Q. В исходном состоянии (S = R = 0) на выходе Q имеем логическую единицу, а

а                                                                                б  

Рис. 12

а – условное графическое обозначение асинхронного R—S-триггера;

б – схема R—S-триггера;

на выходе Q – нуль. При подаче сигнала на вход триггер  должен  устанавли-

ваться в состояние логической единицы на входе Q и логического нуля на выходе Q. При подаче сигнала на вход R триггер устанавливается в исход-ное состояние: логический нуль – на выходе Q и логическая единица – на выходе Q.

           Для R-S-триггера комбинация на входе »R = 1, S = 1» является запрещенной.

           Работа асинхронного R-S-триггера однозначно описывается таблицей истинности (табл. 4).

                                                                                                         Таблица 4

Такт  n	Такт  n +1
R ⁿ	S ⁿ	Q ⁿ ¹
0            0            1            1	0          1          0          1	0                    1                    0      неопределенность

           Для R-S-триггера на элементах И-НЕ входы R и S будут инверсные по сравнению со схемой рис. 12.

           Синхронный R-S-триггер имеет три входа. Два из них логические: входS является входом установки триггера в единицу, вход R является входом установки триггера в ноль (сброса). Третий вход С в синхронных системах служит для приема тактовых импульсов и не имеет логического значения. Условное графическое обозначение синхронного R-S-триггера приведено на рис.13.

Рис. 13

4.2. Д-триггер

           Для приема информации по одному входу используют Д-триггеры. На рис. 14 приведено условное графическое обозначение Д-триггера.  Из  табли- цы истинности  Д-триггера (табл. 5) следует, что логическое значение пере-менной в такте n+1 совпадает со значением входной переменной в предшествующем такте n.

                                                                                                                                 Таблица 5

Рис.14	Такт  n	Такт n+1
Д ⁿ	Qⁿ¹
0              1	0            1

           На рис.15 приведена схема Д-триггера на элементах И-НЕ. Д-триггер переходит в состояние »1» (Q=1), если в момент прихода синхронизирующе- го сигнала (C=1) на его информационном входе сигнал »1». В этом состоя- нии триггер остается и после окончания сигнала на входе Д до прихода очердного синхронизирующего сигнала, возвращающего триггер в состоя-ние »0». Таким образом, Д-триггер »задерживает» поступившую информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов.

           Действительно, при Д=1, C=1 на выходе S элемента ДД1 сигнал »0» (S=0), а на выходе ДД2  – »1» (R=1). Так как  R-S-триггер имеет инверсные входы, то при S=0, R=1 он переходит в состояние »1» (Q=1, Q=0) и остается в этом состоянии до тех пор пока при Д=0 не  получится C=1. В этом случае S=1, R=0 и триггер возвращается в состояние »0» (Q=0, Q=1).

           При Д=0,S=1 и не зависимо отC  Q=0.

Рис. 15

4.3.     T – триггер

           T – триггер, или счетный триггер, используется для построения двоичных счетчиков.

           Асинхронный T – триггер переходит в противоположное состояние при соответствующем логическом переходе на его T-входе. Условное графическое обозначение асинхронного триггера приведено на рис. 16, а.                                                 

           Синхронный T – триггер переходит в противоположное состояние при 

соответствующем логическом уровне на его входе и при наличии единицы на его синхронизирующем входе.

а                                                        б

Рис. 16

а – условное графическое обозначение асинхронного T — триггера,

б – схема асинхронного T — триггера.

           Функционирование T-триггера определяется табл. 6.

                                                                                                            Таблица 6                

Такт n	Такт n  ¹
T	Q ⁿ
0                         1	Q ⁿ                          Q ⁿ

           Схема асинхронного T-триггера приведена на рис. 16, б. Он состоит из R – S-триггера и логических схем на его входах. Переход напряжения на входе T воздействует на две схемы U. Однако сигнал на выходе будет появляться только у той схемы U, на второй вход которой также подана логическая единица с выходов триггеров Q или Q. Так как только на одном из выходов R – S-триггера может быть логическая единица, срабатывает одна из схем U, сигнал с которой поступит на один из входов R – S-триггера и изменит его состояние. При этом изменятся логические уровни на выходах триггера Q и Q и подключится другая схема U. С приходом следующего перепада напряжения на входе T эта схема U срабатывает и возвращает триггер в исходное состояние. Таким образом, с приходом каждого последующего сигнала на вход T – триггер изменяет состояние на противо-положное. Из временной диаграммы (рис. 17) следует, что частота выходных импульсов в два раза меньше частоты перепадов на входе T. Свойство деления частоты входных логических воздействий на два позволя-ет использовать T-триггер для построения двоичных счетчиков. При этом T-триггеры соединяются последовательно.

Рис. 17

4.4. JK – триггер

           JK – триггеры являются универсальными и получили наибольшее распространение в системах интегральных логических элементов. Универсальность их заключается в том, что путем частичных изменений при переключении входов можно получить другие типы триггеров.

           Условное графическое обозначение JK – триггера приведено на      рис. 18.

а

б

в

Рис. 18

а – условное обозначение JK-триггера; б – схема Д-триггера на основе JK-триггера; в – схема T-триггера на основе JK-триггера.

           Триггер этого типа является усовершенствованным вариантом двухвходного триггера. Как видно из табл. 7, в отличие от RS-триггера состояние J=1, K=1 является допустимым.

                                                                          Таблица 7

Такт n	Такт n
J	K	Qⁿ
0        0        1        1	0          1          0          1	Qⁿ            0            1           Qⁿ

           Используя вход J как вход S, а K как R, реализуют синхронный RS-триггер, особенность которого состоит в том, что при комбинации S=R=1, запрещенной для обычного JK-триггера, он переключается на каждый синхронизирующий сигнал. Добавлением инвертора на входе JK-триггера получают Д-триггер (рис. 18, б). Соединяя входы JK-триггера по схеме на рис. 18, в получают T-триггер.

5.     ЦИФРОВЫЕ СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ

           В устройствах цифровой обработки информации измеряемый пара-метр (угол поворота, перемещение, скорость, частота и т.д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем мосштабе характеризует значение данного параметра.

           Цифровым счетчиком импульсов называют устройство, реализующее счет числа входных импульсов и фиксирующее это число в каком-либо коде.

           Интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ.

           В зависимости от способа реализации счета счетчики подразделяются на суммирующие (прямого счета), вычитающие (обратного счета) и ревер-сивные. В суммирующем счетчике при поступлении каждого входного сиг-нала код увеличивается на единицу, а в вычитающем – уменьшается. Реверсивный счетчик может работать как в режиме сложения, так и в режиме вычитания.

           Основными характеристиками счетчика являются модуль счета, или коэффициент пересчета Kсч =2ⁿ, где n – разрядность счетчика или количество триггеров в нем и быстродействие.

           Модуль счета характеризует число устойчивых состояний счетчика, т.е. максимальное число входных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Например, в четырехразрядном счетчике Kсч =2  =16, счетчик будет иметь 16 устойчивых состояний. При этом каждый 16-й входной сигнал устанавливает счетчик в исходное состояние.         

           Наибольшее распространение получили счетчики на T – и JK – триг-герах. Рассмотрим простейшую схему двоичного суммирующего счетчика с непосредственной связью.  На  рис. 19  приведена  схема  четырехразрядного

Рис. 19

счетчика, построенного на JK — триггерах. Основным узлом двоичного    счетчика является триггер со счетным запуском. Счетные импульсы подаются на вход первого триггера. Счетные входы поступающих триггеров непосредственно связаны с инверсными выходами предыдущих.

           Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы на рис. 20. Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние »0» (Q1=Q2=Q3=Q4=0) подачей сигнала »Установка 0». В счетчике устанавливается код 0000. При поступлении на вход первого импульса  триггер ДS1 устанавливается в единичное состояние, в счетчике устанавливается код 0001.

Рис. 20

           При поступлении второго входного импульса первый триггер устанавливается в нулевое состояние, а триггер ДS2 положенным перепадом напряжения с выхода Q первого триггера устанавливается в единичное состояние. В счетчике код 0010. Так счет в счетчике будет продолжаться до тех пор, пока счетчик не отсчитает максимально возможное для его разрядности число 1111. Шестнадцатый входной сигнал переведет счетчик в исходное нулевое состояние.

           Счетчики с последовательным переносом отличаются простотой, но обладают невысоким быстродействием.

6.     РЕГИСТРЫ

           Регистрами называются функциональные узлы, предназначенные для приема, хранения, передачи и преобразования информации. Регистры являются наиболее распространенным типом последовательных узлов в современных ЭВМ. Иногда в регистре предусматривается возможность сдвига числа на один или несколько разрядов в сторону младших или старших разрядов. Такие регистры называются сдвигающими, они используются при выполнении арифметических операций. В зависимости от способа ввода и вывода разрядов числа различают регистры параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. Ввод, вывод, сдвиг и другие операции осуществляются управляющими сигналами, которые поступают в регистр по специальным управляющим шинам (проводам).

6.1. Параллельные регистры

           В параллельных регистрах запись двоичного числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды регистра одновременно. Их функции сводятся к приему, хранению и передаче информации (двоичного числа). В связи с этим параллельные регистры часто называют регистрами памяти.

           Параллельный N – разрядный регистр состоит из N – триггеров, каждый из которых имеет число входов, соответствующее количеству источников информации. Если источник цифровой информации один, то каждый триггер имеет один вход. При двух и трех параллельных каналах информации триггер разряда выполняется на два и три входа. Запись цифровой информации осуществляется по цепи управления регистром. Принцип построения параллельных регистров иллюстрируется структурной схемой на рис. 21 при одном канале четырехразрядной цифровой информа-ции. ДS1 – триггер младшего разряда, ДS4 – триггер старшего разряда; ДД1- ДД4 – логические элементы, предназначенные для управления записью информации в регистр; ДД5-ДД8 – элементы служащие для управления считыванием информации из регистра.

           Перед записью двоичного числа все триггеры устанавливают в состояние »0» подачей импульса по входу »Установка 0». Для записи в регистр входной информации подают импульс записи, открывающий входные элементы И. Код входного числа записывается в регистр. Если, например, на входе присутствует код 1011, соответствующий числу 11, то это же число будет записано в регистр.

           По окончании операции записи информация, записанная в регистр сохраняется, несмотря на то что входная информация (число) может изменяться.

           Для считывания информации подают импульс по входу »Считыва-ние». На выходные шины регистра передается код числа, записанного в регистр. При этом число, записанное в регистр, сохраняется. Для получения новой информации описанные операции повторяются.

Рис. 21

6.2. Последовательные регистры

           Последовательные регистры (регистры сдвига) характеризуются записью числа последовательным кодом. Регистр состоит из последователь-но соединенных двоичных ячеек памяти, состояние которых передается (сдвигается) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов. Тактовые импульсы управляют работой регистра. Управление может осу-ществляться одной последовательностью тактовых импульсов. В этом случае регистры называют однотактными.

           Частота следования тактовых импульсов обычно неизменна. На рис. 22, а показана структурная схема сдвигающего регистра для четырех разрядов. Первая ячейка регистра относится к младшему разряду, а четвертая – к старшему.

а

б

Рис. 22

           При таком расположении разрядов запись числа в регистр производит-ся, начиная с его старшего разряда. При обратном расположении разрядов в регистре запись числа должна начинаться с младшего разряда.

           Тактовые импульсы подаются на все триггеры ячеек одновременно. Их воздействие направлено на переключение триггеров из состояния »1» в состояние »0» с записью единицы в триггер следующей ячейки. На рис. 22, б приведены временные диаграммы, поясняющие процесс записи информации в регистр. В качестве примера взят код 1011, соответствующий числу 11. Перед записью информации регистр устанавливают в состояние »0». Для этого в отсутствие сигнала на входе подается серия тактовых импульсов с числом импульсов, равным количеству разрядов в регистре. При записи информации одновременно с поступлением кода числа подаются тактовые импульсы. Тактовыми импульсами осуществляется продвижение информа-ции от младшего разряда регистра к старшему. В результате после четверто-го тактового импульса ячейки регистра принимают состояния, соответ-ствующие коду принятого четырехразрядного числа.

           Операция считывания информации из последовательного регистра может быть проведена в параллельном или последовательном коде. Для передачи информации в параллельном коде используют выходы разрядов регистра. Таким образом, последовательный регистр позволяет осуществить операцию преобразования последовательного кода в параллельный. Считывание информации в последовательном коде реализуется подачей серии тактовых импульсов.

           В последовательном регистре записанное число может быть сдвинуто тактовыми импульсами на один или несколько (К) разрядов. Операции сдви-га соответствует умножение числа на 2. Например, сдвиг кода 0010 (число 2) на один разряд дает код 0100  (число 4), на два разряда – код 1000 (8).

           Регистры, выпускаемые промышленностью в виде отдельных микро-схем, имеют условное обозначение в электронных схемах в виде          прямоугольника рис. 23.

           8. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.- М.: Радио и связь, 1990.- 496 с.

           9. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры. Изд. 2-е перераб. и доп.- М.: Сов. радио, 1977.- 405 с.

         10. Алексеенко А.Г. Современная микросхемотехника.- М.: Энергия.- 1979.- 112 с.

Содержание

                ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………3

1.   ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ……………….4

2.   ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ……………………………………….8

3.   СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ……….11

3.1.    Ключевой режим работы биполярного транзистора………11

3.2.    Транзисторно-транзисторная логика……………………….13

3.3.    Логические элементы на основе полевых транзисторов….14

3.3.1. МОП-транзисторная   логика  на  ключах   одного  типа  про-

          водимости…………………………………………………….14

3.3.2. МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисто-

          рах (КМОП-логика)………………………………………….15

3.4.   Эмиттерно-связанная логика…………………………………16

3.5.   Интегральная инжекционная логика (И²Л-логика)………..18

4.   ТРИГГЕРЫ………………………………………………………….22

4.1.     RS-триггер……………………………………………………22

4.2.     Д-триггер……………………………………………………..24

4.3.     Т-триггер……………………………………………………..25

4.4.     JK-триггер……………………………………………………27

           5. ЦИФРОВЫЕ СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ……………………….30      

           6. РЕГИСТРЫ…………………………………………………………32

6.1.      Параллельные регистры……………………………………32

6.2.      Последовательные регистры……………………………….33

           7. МИКРОПРОЦЕССОРЫ……………………………………………36

               Список литературы……………………….…………………..……39          

Евстигнеев Анатолий Николаевич

Кузьмина Татьяна Георгиевна

Новотельнова Анна Владимировна

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания

для самостоятельного изучения дисциплины

»Электротехника и электроника»

для студентов всех специальностей

Редактор                                                       Корректор                                   

ЛР №020414 от 12.02.97

Подписано в печать                             Формат 60×80  1/16. Бум.

Печать офсетная. Усл. печ. л.                      Печ. л.               Уч.- изд. л.

Тираж  500 экз.  Заказ №     . С

СПбГАХПТ 191002, Санкт-Петербург,  ул. Ломоносова, 9

ИПЦ СПбГАХПТ. 191002, Санкт-Петербург,  ул. Ломоносова, 9

Веселовский О. Н. В., Шнейберг Я. А.
Когда стали известны опыты Стефана Грея (1729 г.), в которых он производил электризацию человека, устроившегося на волосяных качелях, в одной из поэм появились такие строки:
Безумный Грей, что знал ты в самом деле
О свойствах силы той, неведомой доселе?
Разрешено ль тебе, безумец, рисковать
И человека с электричеством связать?
Человек «связан» с электричеством и по сей день. С каждым годом, десятилетием, столетием эта связь, а точнее, знания человека об электричестве углублялись, а сфера применений электрических и магнитных явлений непрерывно расширялась. Пионерские работы XIX столетия указали многие пути проникновения электротехнических устройств и технологий в промышленность, сельское хозяйство, медицину, быт, транспорт, связь. В XX веке продолжилось триумфальное шествие электротехники во всех указанных и других направлениях. Но со временем обнаружилась такая область, где прорыв оказался по своим последствиям равнозначным новой научно-технической революции — это электроника. По аналогии с электрификацией применение электроники в народном хозяйстве стали называть электронизацией.
Зарождение электроники было исторически обусловлено и вызвано потребностями в беспроводной связи.
Открытие электромагнитных волн и первые опыты с ними показали возможность их использования для беспроводной связи. Поэтому решающее влияние на развитие электроники оказало изобретение радио. Появление электронной лампы произвело целый переворот в. технике радиосвязи!, вызвало принципиальные изменения во многих ее направлениях, изменило темпы и характер развитая приемно-передающей техники. В течение последующих лет радиотехника заметаю влияла на использование электронных приборов в энергетике и технологам. И, между прочим, не случайно, электронная лампа многое года называлась «радиолампа».
Зарождение радиоэлектроники относится к концу прошлого столетия. Открытие электромагнитных волн и их экспериментальное исследование (Д. К. Максвелл, Г. Герц) привели к созданию первых генераторов и индикаторов электромагнитных волн, положили начало разработке более совершенных приборов и устройств для возбуждения и приема этих волн.
Идея радио носилась в воздухе. Дж. Генри и Г. Гельмгольц еще в 40-х годах прошлого века устанавливают колебательный характер искрового разряда. В 1850 г. Генри наблюдал индуктивные взаимодействия двух катушек на расстоянии около 80 м. Максвелл в 1873 г. изложил сущность явления электромагнитных волн, а Герц в 1888 г. осуществил их экспериментальное исследование. Вибратор и резонатор Герца — это крупнейшие ступени в предыстории радио. Герц работал с электромагнитными волнами в диапазоне 0, 6—6 м… Его волны были названы «лучами Герца», а от латинского «radius» — луч и вошло в жизнь слово «радио».
В 1891 т. французский физик Эдуард Бранли изобрел когерер — стеклянную трубку с металлическими опилками, оказавшуюся хорошим индикатором электромагнитных волн (впрочем, воздействие электромагнитных разрядов на изменение проводимости «плохих» контактов обнаруживалось и до Бранли).
В 1889 г. Александр Степанович Попов (1859—1906 гг.) прочел лекцию в Кронштадтском морском собрании на тему «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями». Закончил он эту лекцию словами: «Человеческий организм не имеет еще такого органа чувств, который замечал бы электромагнитные волны в эфире; если бы изобрести такой прибор, который заменил бы нам электромагнитные чувства, то его можно было бы применять к передаче сигналов на расстояние».
Насколько ясна была принципиальная постановка задачи, можно судить по статье известного ученого Крукса, опубликованной в феврале 1892 г. Там есть такие строки: «… электромагнитные волны длиной в ярд или более легко проходят через такую среду (стены, лондонский туман), которая для них прозрачна. Здесь открывается изумительная возможность телеграфирования без проводов… При реализации некоторых разумных предпосылок все это оказывается в пределах реального осуществления».
Изучив работы английского ученого О. Лоджа и французского физика Бранли и исследовав электропроводные свойства порошков различных металлов, А. С. Попов создал более совершенный, безотказно действующий индикатор электромагнитных волн и предложил оригинальный метод встряхивания когерера с помощью электромагнитного звонкового реле. Э. Бранли для восстановления чувствительности когерера встряхивал его руками. О. Лодж предложил для этих целей использовать часовой механизм. Но как автоматизировать этот процесс? Как «заставить» электромагнитную волну, воздействующую на когерер, автоматически восстановить его чувствительность? Эту проблему впервые успешно решил А. С. Попов. Присоединив к когереру вертикальный провод, он создал простейшую приемную антенну. Приемник А. С. Попова (рис. 7.1) работал следующим образом: при воздействии электромагнитной волны на когерер 1 металлические опилки слипались, сопротивление цепи уменьшалось, и якорь электромагнитного реле 2 притягивался и замыкал контактом 3 цепь «батарея 5 — звонковое реле 4», молоточек звонка притягивался к электромагниту, звонок фиксировал прием сигнала, при этом электрическая цепь размыкалась, и молоточек звонка, возвращаясь в исходное положение, ударял по когереру и восстанавливал его чувствительность; 6 — антенна; 7 — индуктивные катушки, повышавшие устойчивость работы приемника. Седьмого мая 1895 г. Попов публично демонстрировал радиоприемник, а в сентябре того же года, присоединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, ввел запись принимаемых сигналов на ленту. Радиоприемник Попова — одно из наиболее совершенных электромагнитных автоматических устройств своего времени. Именно поэтому, а также вследствие большого влияния радиотехники на развитие промышленной электроники, здесь кратко рассмотрены первые шаги радиотехники.
В 1896 г. итальянцем Г. Маркони был получен патент на радиоприемник, схема которого была идентична схеме А. С. Попова. Поддерживаемый крупными английскими промышленниками, Г. Маркони построил мощный радиопередатчик (около 15 кВт) и сложную антенну и в 1901 г. передал радиосигналы через Атлантический океан.
В течение первого десятилетия нашего века создаются разные конструкции радиопередающих устройств — искровые, дуговые, электромашинные, совершенствуются детекторы (магнитные, термические электролитические).
Изобретение электронной лампы дало мощный импульс в развитии радиотехники. Действие электронной лампы основано на явлении термоэлектронной эмиссии, впервые наблюдавшемся, Эдисоном в 1883 г. и известном под названием «эффекта Эдисона». Занимаясь усовершенствованием электрических ламп накаливания, Эдисон обратил внимание на то, что стеклянная колба лампы сравнительно быстро покрывается темным налетом, а угольная нить перегорает. Стремясь увеличить срок службы нити и выяснить причины потемнения колбы, Эдисон произвел ряд экспериментов и обнаружил, что между угольной нитью и пластинкой (рис. 7.2) проходит электрический ток. Вначале это явление не получило правильного объяснения, но после открытия электрона было установлено, что Эдисон наблюдал эмиссию электронов. Дальнейшее изучение процессов происходивших в электрической лампе, внутри которой находился металлический электрод, соединенный с источником напряжения, показало, что подобное устройство способно пропускать ток только в одном направлению, то есть служить выпрямителем. В 1904 г, английский ученый Я; А. Флеминг разработал конструкцию двухэлектродной лампы — диода и предложил применять его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. Но диоды, будучи еще несовершенными электровакуумными приборами, около 10 лет не получали широкого применения.
Последующие многочисленные эксперименты с двухэлектродной» лампой (Вайнтрауб, 1904 г.; Ли де Форест, 1907 г.) привели к установлению важного факта — возможности управления потоком электронов при помощи дополнительного металлического электрода — сетки. Такая конструкция трехэлектродной лампы получила название триода. Триод мог применяться не только для детектирования, но и для усиления электрических колебаний.
Исследования электронных ламп привели к открытию возможности использования триода в качестве генератора незатухающих электрических колебаний.
Над изобретением лампового генератора работали ученые разных стран. Наибольшую известность получила схема лампового генератора, предложенная в 1913 г. австрийским ученым А. Мейснером. После 1916 г. когда были освоены более совершенные методы откачки ламп, наступил период «технической зрелости» электронной лампы, и она стала основным элементом радиоэлектронных устройств. Важную роль в усовершенствовании первых конструкций приемно-усилительных и генераторных схем имели наряду с работами многих зарубежных ученых и инженеров труды наших соотечественников — Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича. Так, М. А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории, организованной в 1918 г., были созданы мощные генераторные лампы с водяным охлаждением и разработана теория триода.
В изучении электровакуумных процессов и расширении области применения электронных приборов большую роль сыграло открытие явления фотоэлектрического эффекта (1887-1889 гг., Г. Герц, В. Галльвакс, А. Г. Столетов).
Наиболее полное исследование явления внешнего фотоэффекта принадлежит А. Г. Столетову, схема одного из опытов которого изображена на рис. 7.3. Им было не только доказано, что отрицательно заряженный проводник теряет заряд при освещении его лучами света, но установлен закон пропорциональности между фототоком и интенсивностью световых лучей. Важное значение для последующего практического применения фотоэффекта имело установление Столетовым безынерционности этого явления. Им впервые были проведены исследования фотоэффекта в условиях вакуума. Созданная для этих целей установка явилась, по существу, первым вакуумным фотоэлементом. Первые практически пригодные вакуумные элементы с катодами из щелочных металлов были созданы в 1910 г. (Ю. Эльстер и Г Гейгер).
Исследования свойств селена, приведшие к созданию фотоэлемента с внутренним фотоэффектом, начались еще в прошлом веке. В 1873 г. англичанином В. Смитом было описано явление уменьшения сопротивления селена под воздействием света, а в 1876 г. был создан (В. Адамсом и Р. Е. Деем) селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Исследованием ЭДС, возникающей при освещении селена, занимался профессор Казанского университета В. А. Ульянин (1888 г.).
Явление внешнего фотоэффекта лежит в основе разнообразных фотоэлектрических приборов, например, фотоэлементов t внешним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект используется в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах.
Ионные приборы развивались по двум направлениям, соответствующим типу их катодов: с жидким (ртутным) катодом (ртутные вентили) и с накаливаемым катодом (газотроны и тиратроны) .
В довоенный период развитие ионной техники в основном было связано с преобразованием переменного тока в постоянный (обратное преобразование — инвертирование — зародилось позднее и применялось реже).
В нашей стране первыми появились стеклянные ртутные вентили, изготовленные в 1921 г. Нижегородской радиолабораторией для выпрямительной высоковольтной (на 4 кВ) установки Свердловской, радиостанции. К концу 20-х годов было налажено производство высоковольтных (до 15 кВ) и низковольтных вентилей (250 В, 100 А).
Потребность в более мощных выпрямителях привела к созданию металлических вентилей, первый из них, 16-анодный, был построен в 1926 г. на заводе «Электросила» <ток 500 А, напряжение 600 В). Расширение производства отечественных вентилей позволило уже в начале 30-х годов резко сократить импорт ртутно-преобразовательных установок. .
В связи с индустриализацией страны потребовалось создать более мощные преобразователи, в первую очередь для электротранспорта, металлургических и металлообрабатывающих предприятий. Конструкции вентилей совершенствуются, создаются: анодный узел, препятствующий обратному зажиганию, а затем управляющие сетки. В середине 30-х годов выпускаются мощные вентили на токи до 5000 А (в частности, для Московского метрополитена) и первые инверторы, а в 1940 г. —- вентили с цилиндрическим корпусом мощностью более 4000 кВт.,
В 30-х годах были разработаны в США ртутные вентили нового типа (игнитроны), более простые по конструкции, с полупроводниковым зажигателем, обеспечивающим кратковременную дугу зажигания в каждый период переменного напряжения. В нашей стране первые стеклянные игнитроны с карборундовым зажигателем были разработаны в 1934 г., а их серийное производство началось в 1936 г. (ток до 50 А, напряжение — 120 В).
Первые отечественные высоковольтный вентиль и стеклянный игнитрон изображены на рис. 7.4. В связи с применением игнитронов на тяговых подстанциях потребовалось увеличить мощность этих вентилей. Так, были разработаны стеклянно-металлические и цельнометаллические игнитроны с водяным охлаждением (1938— 1939 гг.). К этому времени относятся первые разработки мощных дуговых вентилей для дальних линий электропередач. Проводятся исследования в области преобразовательных схем, в частности создаются преобразователи частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.
В 1943—1945 гг. начинается новый этап в развитии ионных приборов — выпуск одноанодных металлических вентилей, первых вентильных комплектов. В конце 40-х годов разрабатываются серии более совершенных ртутных выпрямителей с сетками управления и с автономной системой охлаждения, а в 50-х годах — многоанодные отпаянные ртутные вентили и одноанодные металлические игнитроны, а также ртутные вентили высокого напряжения для дальних линий передач постоянного тока. В эти же годы был создан другой тип вентиля — экзитрон, в котором в отличие от игнитрона дуга зажигания создается лишь перед включением вентиля, а поддержание вспомогательного катодного пятна осуществляется непрерывно существующей (дежурной) дугой возбуждения.
Еще недавно мощные ртутные вентили использовались в преобразовательных установках, общая мощность которых достигала десятков миллионов киловатт, в частности, в дальних линиях электропередач постоянного тока. Такие ртутные вентили выдерживали рабочее напряжение до 100 кВ при максимальных токах до 900 А (рис. 7.5). Но успехи современной Полупроводниковой техники позволили создать мощные полупроводниковые тиристоры, которые имеют преимущества перед ртутными вентилями.
Ионные приборы с накаленным катодом (газотроны и тиратроны) начали изготовляться в конце 20-х годов и в основном использовались в качестве преобразователей на меньшие то.си и напряжения (по сравнению с ртутными вентилями). Первый патент на газотрон был заявлен в 1905 г. в США, но более двух десятилетий не удалось его реализовать из-за отсутствия теоретических разработок в области газоразрядных приборов. Посте освоения газотронов одна из американских фирм тщательно скрывала секрет их изготовления даже внутри страны.
Впервые газотроны были применены в системах питания радио-устройств. В начале 30-х годов разрабатываются конструкции низковольтных газотронов, а в конце первой пятилетки создаются опытные экземпляры тиратронов (например, опытный образец тиратрона ТГ-162 выдерживал ток 40 А при обратном напряжении 15 кВ). В 1935—1937 гг. выпускаются серии тиратронов с ртутным и газовым (аргон, неон) наполнением. Однако срок службы этих приборов был невелик, и поэтому велись интенсивные исследования с целью усовершенствования их конструкций.
Застуживает внимания тот факт, что для первых опытных передач электроэнергии постоянным током в 1937 г. был построен (на заводе «Светлана») тиратрон на ток 450 А и напряжение 20 кВ.
Дальнейшая электрификация страны потребовала создания газотронов и тиратронов со стабильными характеристиками, большим сроком службы, способностью работать при повышенных частотах. Создаются новые типы экранированных тиратронов, имевших более стабильные характеристики и меньшие габариты.
Осваиваются новые серии тиратронов с ртутным и газовым наполнением с предельным обратным напряжением до 3 кВ, а также маломощных тиратронов для системы регулирования и управления. Позднее стали применяться тиратроны с водородным наполнением, отличающиеся значительно меньшим временем деионизации.
Были разработаны ртутные тиратроны на токи до 85 А и напряжением анода до 20 кВ, применявшиеся в основном в низкочастотных мощных высоковольтных выпрямителях и инвенторах. Тиратроны, наполненные инертными газами, использовались в схемах автоматического управления и регулирования в неуправляемых выпрямителях.
По мере возрастания мощности электронных устройств все более начинали проявляться недостатки электронных ламп: большое потребление энергии, значительные габариты и масса, небольшой срок службы.
Эти недостатки электронных ламп вынуждали ученых и инженеров разрабатывать электронные приборы с другими принципами действия. Успешному решению этой проблемы способствовали исследования в области полупроводников.,
В нашей стране начало созданию полупроводниковых приборов было положено О. В. Лосевым, исследовавшим кристаллические детекторы и создавшему на их основе усилитель, известный под названием «кристадин».
Последние десятилетия ознаменовались широчайшим развитием исследований и практических применений полупроводниковых элементов. Как известно, полупроводники по своей удельной электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами и отличаются тем, что их электропроводностью можно управлять посредством внешних энергетических воздействий.
Свойства полупроводниковых элементов позволяют использовать их в качестве вентилей, усилителей, генераторов и преобразователей различных видов энергии в электрическую. Так, на основе фотоэлектрических свойств полупроводников созданы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Использование их термоэлектрических свойств дало возможность сконструировать терморезистсры, термоэлементы, термоэлектрические генераторы, термохолодильники и термостабилизаторы. Способность полупроводников реагировать на механическое воздействие явилась основой для создания тензометров.
Первые исследования свойств полупроводников относятся еще к прошлому веку. В конце второй половины XIX столетия были построены первые термобатареи, фоторезисторы и кристаллические детекторы, но недостаточное понимание свойств полупроводников не способствовало расширению области их применения.
Толчком к техническому применению полупроводников, в частности, полупроводниковых вентилей, явилось создание в 1926—1929 гг. (Л. Грондаль) меднозакисного вентиля. Основополагающая роль в разработке теории полупроводников и их техническом применении принадлежит отечественной шкале физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе. Эти исследования начали проводиться в конце 20-х начале 30-х годов. Так, было введено понятие дырочной проводимости, указано влияние поимесей и температуры на механизм проводимости, было установлено повышение электропроводности в сильных электрических полях, разработана теория выпрямления. Важное практическое значение имсти исследования фотоэлектрических свойств полупроводников.
Первые меднозакисные выпрямители начали изготовляться в 1928—1930 гг. на электровакуумном заводе «Светлана», они применялись в схемах автоблокировки на железнодорожном транс порте. Разработка селеновых выпрямителей началась в 1938 г. Существенные успеха в довоенные годы были достигнуты в области изготовления фотоэлементов с запирающим сдоем.
В 1940 г. во Всесоюзном электротехническом институте имени В. И. Ленина, была разработана конструкция самовозбуждаюшетося синхронного генератора (75 кВ — А) с возбуждением от селеновых выпрямителей, получившего широкое применение в послевоенные годы. С 1943 г. по инициативе А. Ф. Иоффе начинается изготовление, полупроводниковых термогенераторов. В то же время разрабатываются полупроводниковые терморезисторы, использующиеся. схемы теплового контроля и автоматики. В США налаживается производств’» детекторов из германия и кремния, применявши чел н радиолокационных установках (выпрямляющие свойства германия и кремния были обнаружены в середине 20-х — начале 30-х годов).
В послевоенные годы в нашей стране значительно увеличилось производство малогабаритных терморезисторов, фоторезисторов и вариаторов, которые получили широкое применение в автоматических устройствах управления и контроля. В 50-х годах были внедрены полупроводниковые зажигатели из карбида кремния, предназначенные для ртутных вентилей. Начинаются исследования полупроводниковых сплавов металлов — ZnSb, Mg2Sn, Mg2Pb, на основе которых были созданы термогенераторы, холодильники и микрохолодильники.
В конце 40-х годов были разработаны полупроводниковые триоды из германия, получившие название транзисторов (1948 г., Д. Бардин и. У. Браттейн, США). Так было положено начало транзисторной электроники. Эти триоды выгодно отличаются от электронных ламп малыми габаритами, меньшим потреблением энергии, надежностью действия. Например, средние размеры полупроводниковых диодов и триодов составляют 0, 015—0, 3 см3, тогда как средний размер приемно-усилительной лампы 500—100 см. Мощность, потребляемая транзистором, составляет 0, 001′ Вт и менее, а аналогичные лампы только на накал расходуют до нескольких ватт.
Первые точечные транзисторы в нашей стране были изготовлены в 1949 г. (А. Красилов, С. Мадоян). В 1951—1953 гг. отечественные заводы начали массовое производство германиевых триодов и диодов, а в последующие годы — мощных германиевых выпрямителей. Но недостатки германиевых приборов, проявляющиеся при температурах свыше 50°С, заставили обратиться к кремниевым вентилям я триодам, выдерживающим температуру до 120—200°С.
В последующие десятилетия все шире применяются ферриты — ферромагнитные материалы, получаемые в результате химического соединения двухвалентных металлов (никель, марганец и окислы железа) или окислов металлов (цинк, кадмий и окислы железа). Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса используются для изготовления ячеек памяти и логических схем. Значительные преимущества отличают феррит-транзисторные ячейки, в которых сочетаются свойства ферритовых сердечников с усилительными свойствами транзисторов. Феррит-транзисторные ячейки применяются в устройствах вычислительной техники и автоматики.
Применение полупроводниковых приборов в электронике, автоматике, энергетике приобрело массовый характер. Все большее использование они находят в системах преобразования тока (выпрямление, инвертирование) и схемах управления мощными электроприводами. К ним относятся полупроводниковые диоды и тиристоры. Их преимущества: высокий КПД, долговечность и надежность, небольшие габариты, возможность регулирования тока и напряжения в широких пределах.
Мощные полупроводниковые диоды изготавливаются преимущественно из кремния и применяются в схемах выпрямления при напряжениях 200—4000 В и токах до 5000 А,
В качестве рабочего элемента в мощных управляемых тиристорах используют четырехслойные кристаллы кремния с чередующимися р- и «-областями. Первые приборы такого типа были описаны в 1956 г. Современные серийные тиристоры имеют воздушное или жидкостное охлаждение и рассчитаны на токи 2000 А н напряжение включения около 4000 В. Их быстрое распространение обусловлено значительными преимуществами перед тиратронами и другими ионными приборами, а также и транзисторами. Тиристоры не требуют подогрева, имеют малое радение прямого напряжения.
Одним из характерных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия является интегральная микроэлектроника.
Начало микроэлектронике было положено в Англии в середине 40-х годов созданием тонкопленочных деталей. Однако широкое практическое применение микроминиатюризация получила только после создания транзистора»
Микроминиатюризация (уменьшение массы, габаритов, потребляемой мощности) в сочетании с повышением надежности, экономичности и возможности автоматизации производства изделий явилась важнейшим шагом на пути совершенствования радиоэлектронной аппаратуры.
Новейшим перспективным направлением микроминиатюризации явилось создание интегральных схем. Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США. Такими схемами называют микроминиатюрные функциональные узлы электронной аппаратуры, в которых элементы и соединительные проводники изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала и имеют общую герметическую оболочку.
Серийный промышленный выпуск интегральных схем был начат в 1962 г. Переход к интегральным схемам позволяет комплексно решить ряд важнейших проблем: наряду с микроминиатюризацией, повышением экономичности и автоматизацией производства значительно повышаются эксплуатационные характеристики аппаратуры.
В качестве примера зависимости объема изделия от технологии его изготовления можно привести следующие цифры:
в изделиях широкого потребления с обычными вакуумными приборами в 100 см3 объема содержится одна деталь;
при замене ламп полупроводниковыми элементами одна деталь уже приходится всего лишь на 1 см3 объема;
применение микромодульного монтажа позволяет разместить в 1 см 10—20 деталей. Плотность монтажа в интегральных схемах составляет 300—1000 деталей в 1 см3. Например, в наручных электронно-цифровых часах в одном кристалле размещено 5000 транзисторов.
Одним из важнейших этапов в развитии микроэлектроники явилось создание в 70-х годах больших интегральных схем (БИС). Количество элементов в БИС достигает нескольких сотен тысяч при минимальных размерах микросхемы 2—3 мкм. Быстродействие БИС несравнимо с обычными схемами, оно измеряется миллиардными долями секунды.
На основе БИС оказалось возможным создание важнейших элементов современных электронных устройств — микропроцессоров (рис. 7.6) и микроЭВМ. Микропроцессор — управляющее цифровое устройство, выполненное по технологии больших интегральных схем (чаще на одном кристалле полупроводника) и способное осуществлять под программным управлением обработку различной информации, арифметические и логические операции. Общая структура микропроцессора почти не отличается от структуры центрального процессора малых ЭВМ.
Микропроцессор с запоминающим устройством вместе со средствами ввода-вывода данных называется микроЭВМ или компьютером.
Широчайшее применение микропроцессоры и микроЭВМ получили в 80-х годах в управлении производственными процессами, системах связи и транспорта, бытовых устройствах. По подсчетам специалистов применение микропроцессоров, в частности, а приборостроении уменьшает трудоемкость в 10 раз, стоимость в 5 раз, габариты и потребляемую энергию в 10—20 раз и на порядок повышает надежность изделий.
Предполагается, что к 2000 г. уровень интеграции микросхем повысится на порядок, и тогда размеры элементов в таких схемах будут соизмеримыми с размерами некоторых бактерий или молекул. Такие микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции обеспечат заметное увеличение быстродействия электронных устройств
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Изучение истории человеческого общества вообще и истории техники в частности позволяют простелить сложный взаимосвязанный и взаимообусловленный процесс становления и развития человека и техники. Человек создавал все новые и более совершенные средства труда, повышал производительность своего труда и накапливал научные знания и массу производимого продукта.
Передавая часть своих функций технике, он наделял многие технические устройства такими качествами, которые ранее были присуши только человеку. Механические, электромагнитные, электронные, лазерные, химические, биологические, информационные и другие системы позволяли человеку все более и более познавать мир и гармонию Природы, достичь поистине непредсказуемого: с одной стороны созданные человеком гигантские технические объекты обладают мощностями, соизмеримыми с геофизическими и космическими, способными уничтожить все живое на Земле, с другой — ресурсы планеты, катастрофически истощаясь, уже не в состоянии удовлетворять технические и энергетические потребности общества.
Во всех развитых странах разрабатываются новые технологии накопления, преобразования и экономии потребления энергии, идет поиск наиболее технически доступных, экологически безопасных томлив, внедряются более эффективные и энергосберегающие технологии, мысли ученых обращаются к другим видам источников энергии, и в первую очередь к Солнцу. Человечество уже ищет выход за пределы планеты.
Опасность ядерной, генной, экологической катастроф привела государства с различным общественным строем к попытке подняться выше своих социально-экономических различий во имя общечеловеческих интересов н ценностей. Глобальные проблемы встают во весь свой рост и порой отодвигают на второй план то, что еще вчера казалось главным и определяющим. Надежность и безопасность работы современных гигантов промышленности, сохранение и защита окружающей среды, комфортные и здоровые условия жизни людей всех стран и континентов — вот те проблемы, которые волнуют ныне все человечество. Именно эти потребности формируют социальный заказ современной науке и технике. Совершенно очевидно, что электротехнике и электронике принадлежит одна из ведущих ролей в ролей в реализации этого сопельного заказа.
Научно-технический прогресс остановить нельзя.
Академик А. Д. Сахаров в своей статье «Мир через полвека», отмечая стремительный «разбег» научно-технического прогресса та протяжении тысячелетий, писал: «Я глубоко убежден, однако, что огромные материальные перспективы, которые заключены в научно-техническом прогрессе, при всей их исключительной важности н необходимости, не решают все же судьбы человечества сами по себе. Научно-технический прогресс не принесет счастья, если не будет дополняться чрезвычайно глубокими изменениям социальной, нравственной и культурной жизни человечества. Внутреннюю духовную жизнь людей, внутренние импульсы юс активности трудней всего прогнозировать, но именно от этого зависит в конечном итоге и гибель, и спасение цивилизации».

Существуют следующие виды профессии электрика:
Инженер-электрик – занимается непосредственным проектированием систем электрического снабжения здания, осуществляет контроль за правильностью выполнения данного проекта. Также способен ремонтировать устройства и предотвращать возможные аварийные ситуации. Человек, занимающий должность инженера-электрика, должен владеть техническими навыками, знаниями в области математики и черчения.
Техник-электрик – непосредственно занимается ремонтом электрических приборов, а также предотвращает и устраняет все возможные неполадки. В его полномочия входят профилактические осмотры устройств, проведение измерений и расчетов. Техник-электрик должен знать принцип действия трансформатора, общее устройство энергосистем, систем автоматики.
Слесарь-электрик – осуществляет сборку и ремонт электрических сетей, простых узлов, устройств освещения. Также может выполнять работу обычного электрика, занимаясь осмотром и ремонтом приборов электропитания.

Заключение

Нельзя представить ни одно предприятие без действующего электрика. Везде, где есть электричество, необходим высококвалифицированный специалист, обладающий знаниями в области энергоснабжения. Такой специалист может работать сам на себя, осуществляя разовый ремонт или монтаж оборудования.
Для данной профессии требуется специальное образование, которое можно получить в колледжах, техникумах, университетах или на курсах. Также профессия электрика требует начальные знания в области оказания первой медицинской помощи в случае поражения электрическим током. Специалисты периодически обязаны осуществлять переподготовку для обеспечения безопасной работы.

Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефонов и телеграфа, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока. Открытие электрического тока и всех последующих открытий, связанных с ним, можно отнести к концу XIX- началу XX веков. В это время по всей Европе и в том числе России прокатилась волна открытий, связанных с электричеством. Пошла цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу для последующих открытий на многие десятилетия вперёд
Начинается внедрение электричества во все отрасли производства, появляются электрические двигатели, телефон, телеграф, радио, электронагревательные приборы, начинается изучение электромагнитных волн и влияние их на различные материалы, внедрение электричества в медицину
Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента – первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) . Этим чрезвычайно важным изобретением итальянский учёный А. Вольта встретил новый 1800 год. Вольтов столб позволил вести систематическое изучение электрических токов и находить им практическое применение
В XIX веке электротехника выделилась из физики в самостоятельную науку
Над закладкой её фундамента трудилась целая плеяда ученых и изобретателей. Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М. Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон – эти имена мы встречаем в учебниках физики (в честь некоторых из них названы единицы электрических величин)
XIX век щедро одарил человечество изобретениями и открытиями в области технических средств коммуникации. В 1832 году член-корреспондент Петербургской Академии наук Павел Львович Шиллинг в присутствии императора продемонстрировал работу изобретённого им электромагнитного телеграфа, чем положил начало проводной связи. В 1876 году Александр Белл изобрёл телефон. В 1859 году братья Луи и Огюст Люмьеры дали первый киносеанс в Париже, а Александр Степанович Попов в Петербурге публично демонстрировал передачу и приём электрических сигналов по радио
Не зря XIX век назвали веком электричества. В 1867 году Зеноб Грамм (Бельгия) построил надёжный и удобный в эксплуатации электромашинный генератор, позволяющий получать дешевую электроэнергию, и химические источники отошли на второй план. А в 1878 году на улицах Парижа вспыхнул ослепительный “русский свет” – дуговые лампы конструкции Павла Николаевича Яблочкова. Закачались стрелки на приборах первых электростанций
Возможности электричества поражали: передача энергии и разнообразных электрических сигналов на большие расстояния, превращение электрической энергии в механическую, тепловую, световую…
Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических элементов –химических источников электрического тока. Связывают его с именем Александра Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожённой глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это?.. Многое в окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций, до сих опор не понятно людям. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он оказывается не таким уж примитивным, как думается. “А уж не банки ли это химических элементов?” – пришла кому-то в голову сумасшедшая мысль. Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путём действительно очень просто. Солёной воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов – цинка и меди. Вместо меди лучше применять серебро и золото… Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь первые несколько минут, затем требовали отдыха. Почему это происходило, ни кто не понимал. Но с такими быстро утомляющимися элементами нечего было, и думать затевать какую-то промышленность. И поэтому все усилия исследователей сконцентрировались на проблеме утомляемости
Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией и объявили ему войну
Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен выяснили, что цинковая пластина, покрытая амальгамой – действует слабее чем пластина из чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не даёт тока. Это стало существенным достижением. Следом за ним французский учёный, основатель учёной династии Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластины в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась, но как её реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты
На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниеля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещён цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди… Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниеля нашлись другие недостатки. Так, он имел электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилось внутри самого элемента на разложение медного купороса
Соотечественник Даниеля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъела медный электрод, заменил медь платиной. Всё получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина дорогой металл. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Не смотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли широкое применение в лабораториях многих стран мира
Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину древесным углём. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но надо учитывать тот уровень техники, ни кто не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ получения угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделяли при сгорании светильного газа на раскалённых стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины
Элемент Бунзена приняли “на ура” не только лаборатории физики, но и первые электротехнические предприятия по гальванопластике. И это, не смотря на то, что элемент при работе выделял немало удушливых паров азотной кислоты. Правда, Иоаган Поггендорф заменил азотную кислоту на хромовую, но это себя не оправдывало т.к. производство хромовой кислоты очень сложный и дорогостоящий проект. Изобретатели старались вовсю. На страницах журналов появлялись всё новые и новые конструкции химических элементов. Их изобретали все: любители, научные мужи… Впрочем, во второй половине XIX столетия источники тока стали изготовлять в специальных мастерских. Мастерские эти работали в основном на телеграф. Основными требованиями, которого были: простота устройства, его дешевизна, устойчивость и надёжность в работе. За всё это телеграфисты соглашались на самые слабые токи
Можно рассказать ещё о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырёх угольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря, соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается с элемента. Больше ток больше выделяется водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро устаёт. Правда после некоторого отдыха он исправно работает снова. Однако лучше всего его было использовать при малых силах тока в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют довольно большие промежутки
Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали стеклянные банки с жидкостью. Особенно это мешало компаниям пассажирских перевозок, которые строили корабли с системой сигнализации не чем не уступавшей многим лучшим отелям. Но в море корабли подвергались качке… И чтобы не расплескать жидкость из банок, их стали заполнять опилками, а потом заливать варом. Под такой крышкой в результате работы батареи начинали скапливаться газы, которые в последствии разрывали банку. Не скоро люди научились делать сухие элементы, которые стали в наше время такими обычными. Но любой из них является много раз усовершенствованным и упрощенным элементом Лекланше
Великим достижением прошлого века, связанного с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности параллельного и последовательного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором – суммарный ток…

Сочинение  по  теме «Энергетика – моя мечта!»
(посвященное  Дню  энергетика).
Ералиев Исатай
Возраст: 16 лет
Домашний адрес:
п.Верхний Баскунчак
ул.Коммунистическая, 242
тел.89275636598
МБОУ «СОШ №11
МО «Ахтубинский район»
Руководитель:
Генсер Надежда Васильевна
МБОУ «СОШ №11 МО «Ахтубинский район»
Энергетик наших дней
Твоя профессия трудна,
Но ты работаешь не зря,
Ведь свет с теплом всего нужней.
Электричество шло бок о бок с человеком на протяжении столетий.  Как облегчило и улучшило жизнь людей развитие этой отрасли.  Трудно сейчас представить нашу жизнь без всех привычных электроприборов в любом доме, мою конкретно  — без компьютера. С недоверием и даже благоговением я перечитывал рассказы о том, что когда-то на улицах свет зажигали фонарщики. Это сколько же нужно было обойти фонарных столбов, приставить лестницу и зажечь фонари! И  ощущаешь гордость за свою страну – ведь это наши соотечественники, Яблочков и Ладыгин, изобрели электрические лампочки, без которых мир сейчас не представляет своего существования.
Профессия электрика, можно сказать, относительно молодая профессия. Ведь первые электростанции заработали  всего несколько столетий назад за рубежом, потом электричество пришло  в царскую  Россию. Появилась потребность в этой специальности. Первые электрики сразу приобрели популярность. Тогда мало кто знал о принципах работы установок,  да и  как пользоваться электричеством, тоже  не знали, поэтому первые электрики выступали в роли консультантов. Наша современная жизнь показывает, что общественная значимость, востребованность  профессии электрика  ничуть не снизилась, а, наоборот, возросла. Изменились и требования к ней. Ведь,  если раньше достаточно было знаний примитивных схем и устройств, то теперь передовые технологии  предполагают постоянного совершенствования и обновления технической информации.
Задуматься о важности и необходимости  профессии электрика мне помог наглядный пример. По соседству с моей бабушкой на протяжении многих лет живут очень скромные  и порядочные люди – семья Кригер.   Олег Арнольдович, или по-простому,  дядя Олег, всю свою жизнь посвятил энергетике. Немногословный, но воодушевлённый и  красноречивый,  когда речь заходила о его работе, и  можно было часами с замиранием сердца слушать разные истории, которые произошли в течение его профессиональной деятельности.  Мне захотелось как можно больше узнать  об этой отрасли, о профессии, я мечтал быть похожим на дядю Олега, который, как волшебник, без всякой волшебной палочки мог зажечь свет не только в одном доме, но  и в целом посёлке.
Олег Арнольдович закончил Чирчинский индустриальный техникум                     в 1972-м году, до 1991-го года работал на оборонном предприятии в Таджикистане. Потом судьба распорядилась так, что ему прищлось уехать  в Астраханскую область. До сих пор он с благодарностью вспоминает своих наставников, давших ему самое главное – знания по специальности и  уверенность в себе. С 1991-го по 2011 годы  Олег Арнольдович занимал должности монтёра, механика, электромеханика по обслуживанию воздушных линий электроснабжения железных дорог в Верхнебаскунчакской сетевой  районной  части.  Он ни  разу не пожалел, что выбрал такую замечательную профессию. С первых  дней работы он понял, что это – его, что он на своём месте, что на него возложена большая ответственность, оказано доверие. Ведь свет, тепло, комфорт каждого человека, огромные производственные мощности напрямую зависят от того, как выполнят свою работу энергетики.  В руках электриков находятся тысячи жизней, на их плечи возложена неимоверная ответственность. За  свой долгий, многолетний труд Олег Арнольдович не раз побывал  в различных  переделках, иногда опасных для жизни, имеет много поощрений, неоднократно был премирован. Мысленно он перелистывает страницы своей жизни, задумывается, что удалось, что сбылось, и   считает, что, может быть, и не очень лёгкая, но счастливая была  жизнь.   Об Олеге Арнольдовиче с теплотой вспоминают коллеги и просто жители посёлка, потому что за  длительный трудовой путь столько было сделано добрых дел.  И всегда его отличали высокий профессионализм и добросовестное отношение к работе.   Одной из памятных для него стала предновогодняя ночь 2007 года. Вечером  в дежурной части раздался звонок, сообщили  о том, что  вышел из строя трансформатор, обеспечивающий электричеством жителей почти половины посёлка. Ценой неимоверных усилий, несмотря на сильный мороз, бригада электриков, меняя друг друга,  устранила поломку, и люди не остались без света в новогодние праздники. Такие поступки и являются мерилом профессиональной и нравственной красоты человека, и чувствуешь гордость, что можешь помочь, можешь сделать что-то полезное.
Я думаю, что именно в полезности и социальной значимости заключается выбор профессии. Быть энергетиком – почётная и ответственная миссия, очень необходимая людям.

15.08.2014
Ни один дом не сможет обойтись без электроэнергии. На работе, в быту и даже в хозяйстве вы и дня без нее не сможете. Электроэнергия – это физический термин, который часто применяется в технике и в быту для определения количества электрической энергии, передаваемую генератором, в электрическую сеть или ту которую получает из сети потребитель. Под определение электричества применяют такие параметры как напряжение, частота и количество фаз, электрический ток. Электрическая энергия также является товаром для энергосбытовых компаний и крупные потребители — участники опта. Электроэнергию вырабатывают на электростанциях, таких как ТЭС (теплоэлектростанция), ГЭС (гидроэлектростанция) и АЭС (атомные станции).
В повседневной жизни электричество сопровождает нас весь день. Ежедневно каждый второй человек включает телевизор, компьютер, а холодильник нуждается в электричестве постоянно. Оно существенно сокращает количество проделанного вами труда вручную. Электроэнергия применяется для освещения помещений и улиц, создания микроклимата (вентиляторы, ионизаторы, кондиционеры, приборы для отопления), хранения продуктов питания (морозилки, холодильники), приготовления пищи (плиты, СВЧ печи, соковыжималки, кофеварки, кухонные комбайны т. д.), уборки квартиры (пылесосы), стирки и сушки белья (стиральные машины, электросушилки и утюги). На заводах или фабриках в электроэнергии нуждаются постоянно. Оно приводит в действие станки, электромашины, компьютеры и т. д. Электричество снабжает дома, при помощи трансформаторных подстанций.
Ни одна стройка не обойдется без электроэнергии, но тут будут также нужны трёхфазные электросчётчики меркурий 230. Для того чтобы что-нибудь построить или сделать ремонт вы не сможете обойтись без электроприборов и электрического оборудования. Например, такого как дрель, болгарка, шуруповерт, перфоратор, бетономешалка многие другие. Кроме этого, если дом строится, так сказать с нуля, работникам нужно будет как-то питаться, в этом тоже электричество поможет, так как существую электроплитки, а если все это действие проходит зимой им нужно еще как-то согреваться, с этим вам поможет электрический обогреватель. Электричество, даже может заменить вам газопровод, при помощи электрокотлов и электроплит. Их недостатком является то, что при отсутствии электричества (по техническим неполадкам или другим причинам) ваши приборы не будут работать и производить тепло. Но для таких случаев существуют генераторы, которые смогут некоторое время снабжать вас электрической энергией.

Обновлено: 11.03.2023

Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефонов и телеграфа, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока. Открытие электрического тока и всех последующих открытий, связанных с ним, можно отнести к концу XIX- началу XX веков. В это время по всей Европе и в том числе России прокатилась волна открытий, связанных с электричеством. Пошла цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу для последующих открытий на многие десятилетия вперёд

Начинается внедрение электричества во все отрасли производства, появляются электрические двигатели, телефон, телеграф, радио, электронагревательные приборы, начинается изучение электромагнитных волн и влияние их на различные материалы, внедрение электричества в медицину

Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента — первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) . Этим чрезвычайно важным изобретением итальянский учёный А. Вольта встретил новый 1800 год. Вольтов столб позволил вести систематическое изучение электрических токов и находить им практическое применение

В XIX веке электротехника выделилась из физики в самостоятельную науку

Над закладкой её фундамента трудилась целая плеяда ученых и изобретателей. Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М. Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон – эти имена мы встречаем в учебниках физики (в честь некоторых из них названы единицы электрических величин)

XIX век щедро одарил человечество изобретениями и открытиями в области технических средств коммуникации. В 1832 году член-корреспондент Петербургской Академии наук Павел Львович Шиллинг в присутствии императора продемонстрировал работу изобретённого им электромагнитного телеграфа, чем положил начало проводной связи. В 1876 году Александр Белл изобрёл телефон. В 1859 году братья Луи и Огюст Люмьеры дали первый киносеанс в Париже, а Александр Степанович Попов в Петербурге публично демонстрировал передачу и приём электрических сигналов по радио

Не зря XIX век назвали веком электричества. В 1867 году Зеноб Грамм (Бельгия) построил надёжный и удобный в эксплуатации электромашинный генератор, позволяющий получать дешевую электроэнергию, и химические источники отошли на второй план. А в 1878 году на улицах Парижа вспыхнул ослепительный “русский свет” – дуговые лампы конструкции Павла Николаевича Яблочкова. Закачались стрелки на приборах первых электростанций

Возможности электричества поражали: передача энергии и разнообразных электрических сигналов на большие расстояния, превращение электрической энергии в механическую, тепловую, световую…

Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических элементов –химических источников электрического тока. Связывают его с именем Александра Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожённой глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это. Многое в окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций, до сих опор не понятно людям. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он оказывается не таким уж примитивным, как думается. “А уж не банки ли это химических элементов?” – пришла кому-то в голову сумасшедшая мысль. Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путём действительно очень просто. Солёной воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов – цинка и меди. Вместо меди лучше применять серебро и золото… Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь первые несколько минут, затем требовали отдыха. Почему это происходило, ни кто не понимал. Но с такими быстро утомляющимися элементами нечего было, и думать затевать какую-то промышленность. И поэтому все усилия исследователей сконцентрировались на проблеме утомляемости

Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией и объявили ему войну

Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен выяснили, что цинковая пластина, покрытая амальгамой – действует слабее чем пластина из чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не даёт тока. Это стало существенным достижением. Следом за ним французский учёный, основатель учёной династии Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластины в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась, но как её реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты

На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниеля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещён цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди… Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниеля нашлись другие недостатки. Так, он имел электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилось внутри самого элемента на разложение медного купороса

Соотечественник Даниеля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъела медный электрод, заменил медь платиной. Всё получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина дорогой металл. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Не смотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли широкое применение в лабораториях многих стран мира

Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину древесным углём. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но надо учитывать тот уровень техники, ни кто не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ получения угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделяли при сгорании светильного газа на раскалённых стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины

Элемент Бунзена приняли “на ура” не только лаборатории физики, но и первые электротехнические предприятия по гальванопластике. И это, не смотря на то, что элемент при работе выделял немало удушливых паров азотной кислоты. Правда, Иоаган Поггендорф заменил азотную кислоту на хромовую, но это себя не оправдывало т.к. производство хромовой кислоты очень сложный и дорогостоящий проект. Изобретатели старались вовсю. На страницах журналов появлялись всё новые и новые конструкции химических элементов. Их изобретали все: любители, научные мужи… Впрочем, во второй половине XIX столетия источники тока стали изготовлять в специальных мастерских. Мастерские эти работали в основном на телеграф. Основными требованиями, которого были: простота устройства, его дешевизна, устойчивость и надёжность в работе. За всё это телеграфисты соглашались на самые слабые токи

Можно рассказать ещё о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырёх угольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря, соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается с элемента. Больше ток больше выделяется водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро устаёт. Правда после некоторого отдыха он исправно работает снова. Однако лучше всего его было использовать при малых силах тока в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют довольно большие промежутки

Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали стеклянные банки с жидкостью. Особенно это мешало компаниям пассажирских перевозок, которые строили корабли с системой сигнализации не чем не уступавшей многим лучшим отелям. Но в море корабли подвергались качке… И чтобы не расплескать жидкость из банок, их стали заполнять опилками, а потом заливать варом. Под такой крышкой в результате работы батареи начинали скапливаться газы, которые в последствии разрывали банку. Не скоро люди научились делать сухие элементы, которые стали в наше время такими обычными. Но любой из них является много раз усовершенствованным и упрощенным элементом Лекланше

Великим достижением прошлого века, связанного с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности параллельного и последовательного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором – суммарный ток…

Электротехника — этo нaукa o прoцeссax, связaнныx с прaктичeским примeнeниeм элeктричeскиx и мaгнитныx явлeний. Тaк жe электротехникой нaзывaют oтрaсль тexники, кoтoрaя примeняeт иx в прoмышлeннoсти, мeдицинe, вoeннoм дeлe и т. д.

Бoльшoe знaчeниe электротехники вo всex oблaстяx дeятeльнoсти чeлoвeкa oбъясняeтся прeимущeствaми элeктричeскoй энeргии пeрeд другими видaми энeргии, a имeннo:

§ элeктричeскую энeргию лeгкo прeoбрaзoвaть в другиe виды энeргии (мexaничeскую, тeплoвую, свeтoвую, xимичeскую и др.), и нaoбoрoт, в элeктричeскую энeргию лeгкo прeoбрaзуются любыe другиe виды энeргии;

§ элeктричeскую энeргию мoжнo пeрeдaвaть прaктичeски нa любыe рaсстoяния, чем и занимается электротехника. Этo дaeт вoзмoжнoсть стрoить элeктрoстaнции в мeстax, гдe имeются прирoдныe энeргeтичeскиe рeсурсы, и пeрeдaвaть элeктричeскую энeргию в мeстa, гдe рaспoлoжeны истoчники прoмышлeннoгo сырья, нo нeт мeстнoй энeргeтичeскoй бaзы;

§ элeктричeскую энeргию удoбнo дрoбить нa любыe чaсти в элeктричeскиx цeпяx (мoщнoсть приeмникoв элeктрoэнeргии мoжeт быть oт дoлeй вaттa дo тысяч килoвaтт);

§ прoцeссы пoлучeния, пeрeдaчи и пoтрeблeния элeктрoэнeргии лeгкo пoддaются aвтoмaтизaции в электротехнике;

§ прoцeссы, в кoтoрыx испoльзуeтся элeктричeскaя энeргия, дoпускaют прoстoe упрaвлeниe (нaжaтиe кнoпки, выключaтeля и т. д.)

Применение электротехники

В электротехнике осoбo слeдуeт oтмeтить сущeствeннoe удoбствo примeнeния элeктричeскoй энeргии при aвтoмaтизaции прoизвoдствeнныx прoцeссoв, блaгoдaря тoчнoсти и чувствитeльнoсти элeктричeскиx мeтoдoв кoнтрoля и упрaвлeния. Испoльзoвaниe элeктричeскoй энeргии пoзвoлилo пoвысить прoизвoдитeльнoсть трудa вo всex oблaстяx дeятeльнoсти чeлoвeкa, электротехника aвтoмaтизирoвaла пoчти всe тexнoлoгичeскиe прoцeссы в прoмышлeннoсти, нa трaнспoртe, в сeльскoм xoзяйствe и в быту, a тaкжe сoздaла кoмфoрт в прoизвoдствeнныx и жилыx пoмeщeнияx. Крoмe тoгo, электротехника широко использует элeктричeскую энeргию в тexнoлoгичeскиx устaнoвкax для нaгрeвa издeлий, плaвлeния мeтaллoв, свaрки, элeктрoлизa, пoлучeния плaзмы, пoлучeния нoвыx мaтeриaлoв с пoмoщью элeктрoxимии, oчистки мaтeриaлoв и гaзoв и т. д.

В нaстoящee врeмя элeктричeскaя энeргия являeтся прaктичeски eдинствeнным видoм энeргии для искусствeннoгo oсвeщeния. Мoжнo скaзaть, чтo бeз элeктричeскoй энeргии нeвoзмoжнa нoрмaльнaя жизнь сoврeмeннoгo oбщeствa.

Если вы недавно завершили средняя школа, вы можете взвесить свои варианты получения высшего образования. Степень в области бизнеса, социальные науки, изобразительное искусство, IT, Инженерия, медицина или финансы совсем не плохо. Но диплом электротехника — лучший выбор.

Это потому, что он предлагает решения реальных проблем. У вас никогда не будет недостатка в работе, поскольку в каждом здании есть электрические соединения. К тому же зарплата довольно высокая.

Между тем, ниже представлен список всего, что мы обсудим в этом посте.

Содержание Спрятать

Что такое электротехника?

Электротехника — это отрасль инженерии, которая занимается системами сильноточного тока, электрического освещения и энергоснабжения. Кроме того, эта инженерная отрасль охватывает широкий спектр дисциплин, таких как компьютерная инженерия, энергетика, телекоммуникации, радиочастотная инженерия и многие другие.

Инженеры-электрики проектируют, разрабатывают и тестируют различные процессы производства электрического оборудования.

Техника обычно имеет много категорий, таких как химическая, гражданская, нефть, электрический, электроника, механический, программного обеспечения.и Биомедицинская инженерия.

Далее поговорим о том, чем занимаются инженеры-электрики.

Чем занимаются инженеры-электрики?

Инженеры-электрики в основном разрабатывают несколько электрических систем, которые работают в автомобилях и самолетах.

• Они помогают в разработке и улучшении электротехнической продукции.
• Выполнение расчетов для разработки, производства, установки и изготовления продуктов с различными характеристиками.
• Контролируйте установку, тестирование и производство электрического оборудования, чтобы продукция соответствовала стандартам.

Почему выбирают электротехнику

Электротехника является обширной и постоянно расширяющейся областью, которая интерполирует широкий спектр вторичных и третичных дисциплин, таких как обработка сигнала, системы управления, робототехника, связь и микроэлектроника.

Это разнообразие предлагает студентам широкий спектр областей специализации, а также широкий выбор карьеры.

Здесь мы расскажем, что делает электротехнику лучшим вариантом среди других инженерных дисциплин. Это причины изучать электротехнику.

Выбрав электротехнику в качестве основной учебной дисциплины, вы можете быть уверены, что после окончания учебы у вас будет много вариантов карьеры. Это первая и лучшая причина изучать электротехнику.

Поиск первой работы в области электротехники не составит труда, поскольку многие компании всегда ищут новые таланты, чтобы воспитать свежую, продвинутую и конкурентоспособную рабочую силу.

Электротехника — это динамичное поле, которое непрерывно расширяется благодаря прогрессивным технологиям и импровизациям в дизайне, технике и существующих моделях.

Это верный признак того, что область электротехники в будущем будет расширяться и сохранит свой статус многообещающей области карьеры.

Последовательные достижения и инновации, происходящие в области электротехники, открыли перед инженерами огромную возможность проявить свои академические и теоретические навыки и экспериментировать со своими идеями, чтобы сделать значительные инновации и импровизации.

Вы также можете создавать свои собственные модели и конструкции, импровизируя с существующим планом и схемами оборудования.

Во всем мире растет спрос на инженеров-электриков. Поскольку дисциплина основана на фундаментальных и универсальных законах и основных понятиях математики, физики и электричества, у инженеров-электриков есть огромные возможности для поиска лучших карьерных возможностей по всему миру. Если и есть плохая причина, мировой спрос — хорошая причина изучать электротехнику.

Область электротехники охватывает множество вспомогательных областей, а также соотносится с другими инженерными дисциплинами. Это дает электротехнике мультидисциплинарное преимущество, а также расширяет сферу ее применения в других областях и профессиональных областях.

Инженеры-электрики составляют неотъемлемую часть рабочей силы во всех производственных и перерабатывающих отраслях. Их знания и умение обрабатывать сигналы, дизайн, связь, а также навыки работы с компьютером делают их важной и незаменимой частью организации.

Электрические и электронные компоненты модифицируются, изобретаются и заново изобретаются каждый день, поэтому вам никогда не будет скучно! Вы не будете использовать один и тот же компонент процессора более 10 лет.

Увлекательные новинки всегда доступны, и вы получите массу удовольствия от тестирования и сборки.

Быть инженером-электриком означает иметь большой выбор во многих странах мира. Законы математика и физика универсальны, и полученные вами знания не ограничивают вас страной, в которой вы учились.

Многие международные компании нуждаются в инженерах-электриках и готовы нанимать людей из других стран, если они достаточно успешны. Кроме того, большинство из них работают за рубежом, что дает вам дополнительные возможности путешествовать во время работы. Кроме того, вам, как правило, хорошо платят за это!

Некоторые страны предлагают степень магистра электротехники:

• США
• Соединенное Королевство
• Германия
• Франция
• Австралия

Степени магистра в области электротехники являются одними из самых популярных в мире после MBA, и многие из них могут платить высокую плату за обучение.

Однако не все курсы электротехники дешевы! Вам нужно только знать, где искать, чтобы узнать цену и качество. Более низкая стоимость не означает, что у вас меньше опыта обучения.

Однако в таких странах, как Финляндия, Австрия, Дания, Бельгия или Швеция, вы можете получить экономичную степень в области электротехники. Вы также можете не беспокоиться об изучении иностранного языка. Сотни курсов по электротехнике преподаются по всему миру на английском языке.

Готовы ли вы получить степень в области электротехники? Есть возможности для Студент, Магистратура, и доктор философии. Ученики. Это даст вам повод изучать электротехнику.

Что вы можете сделать со степенью в области электротехники?

Выпускники электротехники могут работать:

• Акустические консультанты
• Аэрокосмические инженеры
• Вещательные инженеры
• Техники САПР
• Инженеры КИПиА
• Инженеры-конструкторы
• Инженеры-электрики
• Инженеры-электроники
• Ядерщики
• Звукорежиссеры
• Специалисты по спецэффектам

Лучшие школы электротехники

Есть много хороших школ, которые предлагают электротехнику. Лучшие школы в мире для изучения электротехники:

• Массачусетский Технологический Институт
• Стэнфордский университет
• Гавардский университет
• Технологический институт Джорджии
• Калифорнийский технологический институт
• Корнельского университета
• Университет штата Иллинойс
• Калифорнийский университет в Беркли
• Университет Дьюка
• Колумбийский университет
• Принстонский университет
• Вирджинский политехнический и государственный университет

Заключение

Для всего, включая изучение электротехники, должна быть причина. Веских причин для изучения электротехники множество, но мы перечислили только 10 из них. Интересно, что эта дисциплина предлагается во многих лучших университетах мира. Запишитесь сегодня, чтобы сделать успешную карьеру.

Часто задаваемые вопросы о 10 веских причинах изучать электротехнику в 202 году1

Стоит ли изучать электротехнику?

Безусловно, электротехника — хороший выбор карьеры. Это займет пару лет, но у вас будут большие возможности для карьерного роста. По сути, если вам нравятся математика и физика, вы на правильном пути.

Какие навыки нужны инженеру-электрику?

Ниже перечислены основные навыки, которыми должен обладать инженер-электрик.

Хорошие технические возможности
Инновации.
Умение работать в команде
Умение хорошо работать под давлением.
Мотивация работать сверхурочно при необходимости
Энтузиазм.

Мне было не трудно сделать выбор в отношении будущей профессии. У меня дядя и мой старший брат имеют специальности, которые связанны с электричеством. Поэтому выбор очевиден. Моя будущая профессия – электрик. Можно сказать, семейная династия.

Работа эта, конечно, очень ответственная.

Электрик постоянно связан с риском. Поэтому нужно быть необычайно внимательным. Также необходимо регулярно сдавать экзамены по технике безопасности в Гостехнадзоре. Такая проверка проходит каждый год. Вопрос серьёзный, ведь речь идёт о жизни людей. Электрик должен много уметь в своей сфере. Заменить лампочку – это самое несложное дело в этой профессии. Но и не самое простое. Представьте, что лампу необходимо менять на столбе уличного освещения. И попасть на него необходимо с помощью когтей. Это такие приспособления, которые используются для влезания на столб. Также требуется монтажный пояс, который страхует исполнителя. Вот и вопрос: самое ли это простое дело, замена лампы? Поэтому электрик должен быть физически сильным человеком. Зачастую приходиться выполнять работы, которые требуют значительных физических усилий.

Электрик должен уметь ещё очень многое. Выполнять монтаж электрооборудования. Находить неисправности в нём. Следить за его исправной эксплуатацией и проводить техническое обслуживание. Причём оборудование может быть очень разным. Начиная от осветительных приборов и заканчивая турбинами на электростанциях. Спектр очень разнообразный. А между этим и электродвигатели, и трансформаторы, и производственные станки, и подстанции. Конечно, окончив двухмесячные курсы всего этого не объять за раз. Но такой электрик получает допуск к подобным работам и может специализироваться в какой-то области. Я хочу работать по монтажу электрооборудования. Очень увлекательное дело. Пробовал вместе с братом выполнять такую работу. Помогал ему. Мне очень понравилось. Поэтому я сейчас не сомневаюсь, что выбор профессии электрика – это мой выбор.

Внимание!
Если Вы заметили ошибку или опечатку, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter.
Тем самым окажете неоценимую пользу проекту и другим читателям.

Читайте также:

  

• Сочинение путешествие по тихому океану

  

• Есть ли профессии которым не нужно учиться сочинение

  

• Как выложить сочинение на сайте

  

• Сочинение мастер на все руки

  

• Сочинение на английском про переезд в новый дом

Сочинения на тему электроника

Все примеры сочинений по предмету электроника — поделись ими с одноклассниками! Образцы сочинений от команды сайта «Сочинения-Про». Здесь вы найдёте полезные материалы для написания сочинения или эссе самомстоятельно. А если нет — вы всегда можете заказать у нас помощь, по любому виду работ! Воспользуйтесь поиском, чтобы найти нужный вам материал.

Электронно-лучевая трубка

Катодно-лучевая трубка – это электронная вакуумная трубка, используемая для отображения электрических данных в виде изображений или видео на экране. В 1897 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун изобрел электронно-лучевую трубку. Катодно-лучевая трубка также известна как трубка Брауна. Он используется в электронных устройствах, таких как телевизоры (ТВ), компьютерные мониторы, радары и осциллографы. Сегодня CRT-дисплеи были заменены

15.08.2020

Формирование компании Nokia

В начале 1865 года Фредрик Идестам построил бумажную фабрику в Южной Финляндии и открыл ее, открыв в 1868 году вторую фабрику в городе Нокиа. Через три года Идестам преобразовал свою компанию в акционерную компанию, и была основана компания Nokia. . Nokia продолжала расти в течение 19-го века, и в 1960-х компания начала свою деятельность в

14.08.2020

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Существует два основных типа алюминиевых электролитических конденсаторов: тип простой фольги и тип травленой фольги. Толщина пленки оксида алюминия и высокое пробивное напряжение дают этим конденсаторам очень высокие значения емкости для их размера. Пластинчатые пластины конденсатора анодированы постоянным током. Этот процесс анодирования устанавливает полярность материала пластины и определяет, какая сторона пластины является положительной, а какая сторона

10.08.2020

ПРИМЕНЕНИЕ КЛАССА УСИЛИТЕЛЯ

Усилитель – это электронное устройство, предназначенное для увеличения формы сигнала и уровня напряжения, тока или мощности и достижения этого без изменения других параметров формы сигнала, таких как частота или форма волны. Усиленные сигналы очень часто не являются синусоидальными волнами, хотя часто это так. Величина этого увеличения называется усилением усилителя. Фактический принцип усиления заключается в том,

05.08.2020

Электронные машины для голосования – кризис безопасности выборов

Индия – самая большая демократическая страна в мире. В продолжающихся национальных гонках было набрано большее число голосов, чем в консолидированном населении Соединенных Штатов и Канады, и, безусловно, большинство избирателей использовали машины для безбумажного электронного голосования с прямой записью (DRE). Несмотря на тот факт, что бездокументарные DRE были в значительной степени опорочены в научной литературе по

31.07.2020

Интерактивные счета за коммунальные услуги

Коммунальные предприятия ожидают много от своих клиентов. Счета за коммунальные услуги особенно проблематичны, потому что клиенты платят после использования продукта, и причитающаяся сумма может значительно измениться от одного месяца к следующему. Опыт выставления счетов является ключевой частью жизненного цикла клиента и оказывает большое влияние на удовлетворенность и отток клиентов. Когда клиенты идентифицируют высокие счета или

28.07.2020

Электронные книги: хорошо или зло?

Дебаты по электронной книге перерастают в гнев и возбуждают некоторые моменты, которые могут оказаться важными. Есть ли у вас спор о дополнительном относительно эволюции технологий вместе со стоимостью романов? Кто победители и победители в этой электронной книге R Evolution, которая подразумевается? Имеет ли это значение именно в каком формате романы поставляются? Для многих женщин и

24.07.2020

Основные различия между двумя типами батарей

Основные различия между двумя типами батарей заключаются в том, что один является перезаряжаемым (вторичным), а другой – неперезаряжаемым (основным). Перезаряжаемые батареи – это батареи, которые состоят из обратимых реакций, которые позволяют им перезаряжаться, или это могло бы восстановить свой потенциал, благодаря работе, выполненной из-за прохождения электричества. Вторичные элементы могут заряжаться и разряжаться много раз. Первичные

24.07.2020

Самые полезные изобретения, сделанные в Сингапуре

Знаете ли вы, что Сингапур изобрел множество полезных произведений в сфере обороны, здравоохранения и технологий? Однако многие люди не знают об этом. В сфере обороны ST Electronics помогла создать систему скрининга инфракрасной лихорадки (IFSS), которая помогает выявлять лихорадку – один из ранних симптомов заболеваний – особенно на границах иммиграции. IFSS использует неинвазивную технологию инфракрасной визуализации

23.07.2020

Десертные ароматы для настоящих ценителей

Важно признать, что качество испарителей значительно улучшилось с момента их появления в основных хобби. Это также касается электронных соков, которые уже более пятнадцати лет наводняют рынки. Однако с ростом технологий возник разрыв в качестве; некоторые соки явно лучше других, а некоторые испарители лучше других. Видя, как мы не продаем испарители, мы бы хотели сосредоточиться на

20.07.2020

Основные понятия электроники

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-10

9 сентября.

Тема 1. Основные понятия электроники.

Электроника – область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных средства и принципов их использования.

Электронные средства – изделия и его составные части, в основе функционирования которых принципы и явления электрического взаимодействия.

Свойства разнообразных электрических устройств определяются единством 3 составляющих:

1. Схемное построение;
2. Элементная база;
3. Конструктивное исполнение.

Схемотехника базируется на законах преобразования тока и мощности в цепях, состоящих из электронных и электрических устройств. В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых устройствами. Основные факторы, вызывающие необходимость разработки на новой элементной базе: масса, габариты, надежность, стоимость, мощность.

Развитие:

1. 1904-1950: Основа элементов базы – электро-вакуумные приборы. ϳ=0.001-0.003 эл/см3;
2.  1950-1960: Основа элементов базы – дискретные п/п приборы. ϳ=0.5 эл/см3;
3.  1960-1980: Развитие микроэлектрониеи. Основа элементной базы – интегральные схемы. ϳ=50 эл/см3;
4.  1980…. Микроминиатюризация. Основа элементной базы – БИС, СБИС. ϳ>=1000 эл/см3.

Классификации приборов.

По виду физико-химических принципов и явлений: вакуумные, твердотельные (п/п), квантовые (лазеры).

По назначению: силовые (преобразуют мощность), информационные (преобразуют сигнал).

По виду входного и выходного сигналов: аналоговые (непрерывные во времени), дискретные (сигналы, существующие на ограниченных интервалах), дискретно-аналоговые.

По конструктивному исполнению: отдельные элементы, интегральные микросхемы.

Тема: электротехнические материалы в электронике.

Для изготовления приборов используются металлы, п/п, сплавы и др. Характеристика приборов зависят от материала, из которого они изготовлены.

Эл. Проводимость обусловлена электронной, ионной, электро-дырочной проводимостями. Для соединения используют медь, алюминий, сталь.

Магнитные материалы используют для изготовления магнитопроволоки, концентрирующей магнитное поле. Основная характеристика материала – зависимость индукции от напряженности поля В(Н). Различают неферромагнитные материалы с линейной характеристикой – В=ϻϻ0Н и ферримагнитные материалы с нелинейной характеристикой. Магнито-твердые материалы применяются в постоянных магнитах и запоминающих элементах вычислительных устройств.

П/п материалы используют в усилителях и преобразовательных устройствах, благодаря технологической возможности создания материалов с заданной концентрацией эл.зарядов и возможностью управления их потоками.

Тема: полупроводники.

Полупроводниковые приборы – это приборы, действие которых основано на использовании свойств веществ, занимающих по электропроводности положение между проводниками и диэлектриками. Предельное сопротивление: 10-6-108 Ом/м.

Их электрические свойства зависят от внешних условий – температура, освещенность. Особенность – повышение электропроводности при увеличении температуры, введении примесей. Например 10-5% мышьяка в германий снижают его сопротивление в 200 раз.

Основные элементы: германий, кремний, мышьяк, галлий.

Они имеют монокристаллическую структуру и кристаллическую решетку алмазного типа. Каждые атом окружен 4 атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Атомы удерживаются в узлах решетки за счет валентных электронов. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома, они образуют ковалентную связь. Т.о. каждый атом образует 4 ковалентные связи, и внешняя орбита полностью заполнена – имеет 8 электронов.

При близкой к абсолютному нулю температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики. При температуре больше 0 , часть электронов под действием теплового поля разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают незаконченные энергетические уровни, а в зоне проводимости свободные электроны. Среднее время, которое электрон находится в возбужденном состоянии (в зоне проводимости), называют временем жизни электрона. Одновременно с появление электрона в зоне проводимости, в валентной зоне возникает незаконченная связь – дырка. Она ведет себя в электрическом поле как положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона, и по массе приблизительно равен массе электрона.

В полупроводниках без примесей происходит генерация пары носителей электрон-дырка. При наличии свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Проводимость кристалла определяется количеством электронов в зоне проводимости и количеством свободных энергетических уровней в валентной зоне. Дырка в валентной зоне может быть занята электроном, который перейдет с нейтрального атома. Там где был этот электрон появится дырка и т.д. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырки в кристалле полупроводника. Во внешнем электрическом поле дырки дрейфуют в направлении поля, а электроны в обратном направлении. Концентрация увеличивается с ростом температуры.

В полупроводнике действуют одновременно два процесса – термогенерация носителей заряда и рекомбинация эл.дырок за счет возвращения электронов из зоны проводимости. Число возникающих эл.зарядов = числу рекомбинирующих носителей. Электропроводность определяется движением электроном под действием электрического поля.

Электропроводность проводника обусловленная генерацией его носителей заряда называется собственной проводимостью.

+3

+5

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

В электрическом поле движение электронов упорядочено. Полупроводники делятся на 2 типа: n-типа и p-типа. Введение примесей существенно меняет проводимость полупроводника. Процесс введения примесей называется легирование, а полученный полупроводник – примесный. Примесный полупроводник обладает электронами и дырками с существенным преобладанием одного типа носителей. Электропроводность полупроводника обусловлена ионизацией атомов донорными или акцепторными примесями. Примеси вводятся в строго контролируемых количеством, обычно 10-4%. Полупроводники, у которых основной носитель электрон, имеют n-проводимость, примесь – донорная. При введении 3-х валентной примеси основной носитель – дырка, примесь – акцепторная.

Основные носители – те носители, концентрация которых преобладает. А подвижные носители, составляющие меньшинство – неосновные.

Носители могут протекать диффузионно и дрейфово.

Диффузионный ток – обусловлен электрическим полем. Если к полупроводнику приложить внешнее поле, то дырки будут двигаться в направлении поля, а электроны против него. Диффузионный ток обусловлен перемещением носителей заряда из области высокой концентрации в низкую.

Iобщ=Iдр п+Iдр р+Iдиф п+Iдиф р

Тема: Электронно-дырочный переход и его свойства.

Электронно-дырочный переход – это тонкий слой между двумя областями кристалла с разными типами электропроводимости: электронной и дырочной.

Технологии изготовления: сплавление, диффузия одного кристалла в другой, эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого.

По конструкции p—n переходы: резкий или плавный, симметричный или несимметричный и т.д.

Основное свойство p—n перехода – несимметричная электропроводность. P—n переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов. Получение двухслойной структуры с областями p и n типа, один из слоев имеет большую концентрацию, чем другой.

Электронные процессы в p—n переходе в отсутствии внешнего напряжения.

Рассмотрим два находящихся в контакте образца германия с дырочной и электронной проводимостями. Граница раздела образцов плоская, в месте соединения контакт идеальный. Кроме основных носителей заряда существуют неосновные, которые воссоздаются путем перехода из основного состояния валентной зоны в зону проводимости. Концентрация неосновных носителей Np=10-9 см-3, Pn=1013 см-3.Из-за разности концентраций основных носителей зарядов из области высокой в область низкой концентрации.

Iдиф =Iдиф р +Iдиф п ≈Iдиф р                Pp>>Nn

В результате диффузии основных носителей происходит перераспределение заряда, прилегающий к контакту слой дырочной области полупроводника возникает отрицательный пространственный заряд, ионизированный акцептор, который не скомпенсирован зарядом дырок; в электронной области возникает положительный пространственный заряд. Наличие объемного заряда – главная особенность p—n перехода.

За счет ухода основных носителей из первого слоя и их рекомбинацией в другом, возникает область объединения подвижными основными носителями заряда и обладающим высоким сопротивлением. Эта область называется запирающий слой.

Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя вызывает направленное движение носителей через переход. Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и величины перепадов потенциала (потенциального барьера). В p—n переходе при этом растет дрейфовый ток. Рост тока прекращается, когда суммарный ток равен 0.

Iдиф =-Iдр

Iа =Iдиф –Iдр =Iдиф р +Iдиф п –Iдр п –Iдр р =0

Равенство состояний тока создается установление соответствующего потенциального барьера. Высота контактной разности потенциалов зависит от соотношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны перехода, а определяется:

Фо=Фт*ln(Pp/Pn)= Фт*ln(Nn/Np),     Фт=k*T/q

Высота барьера зависит от температуры.

Тема: Процессы в p—n переходе при наличии внешнего напряжения.

Если двухслойный полупроводник включить в цепь и приложить к нему прямое напряжение Ua, то напряжение практически все оказывается приложенным к участку с наименьшим сопротивлением.  Из-за встречного направления внутреннего и внешнего полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и высота потенциального барьера становится равной 0:    Ф=Ф0—Ua.

В результате возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления потенциального барьера и увеличивается диффузионный ток через переход. Дрейфовый ток, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничных слоев к p—n переходу остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяют результирующий прямой ток: I=I диф —I др

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через переход. Потенциальный барьер измеряется долями вольта, поэтому для протекания прямого тока достаточно приложить напряжение в доли вольта. Результирующее напряжение приводит к уменьшению объемного заряда и снижению запирающего слоя.

При подключении к p—n переходу источника внешнего напряжения в обратном направлении, потенциальный барьер увеличивается на величину приложенного напряжения Uв и становится равным: Ф=Ф0+UВ.

При этом увеличивается объемный заряд в p—n переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через переход основных носителей заряда, впоследствии чего диффузионный ток уменьшается,  а дрейфовый можно считать неизменным. Однако теперь он превышает диффузионный ток. Ток через переход протекает в обратном направлении.

При обратном подключении преобладающую роль имеет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается неосновных носителями заряда. Этот ток называется обратным:

I=I др—I диф.

Величина обратного тока практически не зависит от приложенного напряжения. Для неосновных носителей потенциальный барьер отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его (явление экстракции).

Увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей тока. Основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер в связи с чем  Iдиф=0. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении Uобр.

Составляющая дрейфового тока создается неосновными носителями. Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда зависит от их концентрации в p и n слоях, а так же рабочей поверхности p—n перехода. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией, зависящей от температуры, обратный ток диода также зависит от температуры, поэтому его иногда называют тепловым.

Таким образом при протекании прямого тока через p—n переход из электронной области в дырочную происходит инжекция электронов, а из дырочной области инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

Кроме диффузионного тока, прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в обратном направлении:

Полупроводник имеет емкость, которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда к приращению падения напряжения на нем: C=dQ/dU

Емкость перехода зависит от значения полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении при переходе эта емкость называется барьерной и определяется как:

Теоретически барьерная емкость может существовать и при прямом переходе, однака она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением. При прямом смещении значительно большее влияние оказывает дифференциальная емкость, которая зависит от значения прямого напряжения и жизни неосновных носителей:

Эта емкость не связана с током обратного смещения, но дает такой же сдвиг фазы между током и напряжения, как и обычный ток. Полная емкость: С=Сдиф+Сбар. Для обратного смещения Сдиф отсутствует. С=Сбар.

Тема: Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод – это прибор, имеющий два выхода и один p—n переход.

Диоды бывают: выпрямительные, специальные.

В зависимости от величины и формы переменного напряжения, они делятся на ВЧ, НЧ, импульсные  и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные.

Материалом для диодов служит кремний и оксид бария, германий применяют редко.

Силовые диоды характеризуются набором статических и динамических характеристик.

Статические параметры: падение напряжения при некотором значении прямого тока, обратный ток при некотором значении обратного напряжения, среднее значение прямого тока.

Динамические параметры – это его временные характеристики: время нарастания прямого тока – tнар, время восстановления обратного напряжения – tвос, предельная частота диода – fmax.

Tвос – основной параметр диода, характеризующий их инерционные свойства. Оно определяется переходом диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение.

Напряжение на выходе в момент времени =0 скачком приобретает положительное значение максимального напряжения. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течении времени tнар. Совместно с нарастанием тока,  в диоде снижается напряжение, которое после tнар становится равным Uпр. В момент времени t1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода определяется: i=Iи≈Um/Rn

Это сохраняется до t2, когда полярность напряжения меняется. Однако заряды накопленные на границе p—n перехода какое-то время поддерживаю диод открытым, но направление тока  диоде меняется на противоположное. После времени рассасывания начинается процесс выключения диода, то есть процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту t3, напряжение на диоде =0, и в дальнейшем приобретает отрицательное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжаентся до t4. К этому времени ток в диоде =0, а напряжение достигает –Umax. Таким образом время tвос считают от перехода напряжения через 0 до достижения тока диода нулевого значения. Процесс выключения диода не является идеальным квантилем и в определенных условиях обладает проводимостью обратного направления.

Время рассасывания:

Время восстановления обратного напряжения на диоде:

Мощность на диоде резко увеличивается при его включении и особенно при его выключении, следовательно, потери в диоде увеличиваются с повышением частоты. При работе диода при низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют, и потери в диоде снижаются.

При изменении температуры корпуса диода, меняются его параметры, что необходимо учитывать при разработке оборудования. Наиболее сильно зависят обратный ток и прямое напряжения. ТКН (температурный коэффициент напряжения) имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры, напряжение на диоде падает. Обратный ток имеет прямую зависимость и имеет положительный коэффициент.

Потери в выпрямительных диодах6

Электроника и виды электронной эмиссии

Различают три основных вида электронных устройств:

1. Полупроводниковые приборы, работа которых основана на перемещении дырок и электронов в твердом теле.
2. Электровакуумные приборы, работа которых на перемещении электронов в условиях вакуума.
3. Газоразрядные приборы, работа которых основана на перемещении ионов и электронов в пространстве, заполненном газом.

Профориентация для студентов

Поможем определиться с профессией, окажем помощь в профессиональном самоопределении и трудоустройстве

Пройти профориентацию

Различают термоэлектронную, вторичную электронную и фотоэлектронную эмиссии. Термоэлектронная эмиссия происходит при нагревании металлов и происходит в термических катодах. Вторичная электронная эмиссия осуществляется при бомбардировке поверхности металла электронами. Явление вторичной электронной эмиссии применяется для внутреннего усиления электрического тока. Фотоэлектронная эмиссия представляет собой процесс выхода электронов из металла под действием световой энергии. Данное явление используется в работе фотоэлектронных устройств.

Основные физические характеристики электронных приборов

К основным физическим характеристикам электронных приборов можно отнести следующие:

1. Эффективная плотность состояния, представляющая собой число уровней, которое отнесено к единице объема.
2. Удельное сопротивление, представляющее собой сопротивление между противоположными гранями куба, которые были вырезаны из полупроводника с с единичным размером грани.
3. Ширина запрещенной зоны, представляющая собой энергетический зазор между потолком валентной зоны и дном зоны проводимости.
4. Подвижность носителей, представляющая собой скорость перемещения носителей, в условиях воздействия электрического поля.
5. Продолжительность жизни носителей, представляющая собой время, в течении которого концентрация избыточных электронов снижается в определенное количество раз.
6. Коэффициент диффузии, представляющий собой количество частиц, которые проходят через единичную площадку, находящуюся перпендикулярно по отношению к вектору потока, за единицу времени.
7. Длина диффузионного смещения, представляющая собой расстояние, на протяжении которого концентрация носителей уменьшается в определенное количество раз.
8. Собственная концентрация носителей, представляющая собой концентрацию свободных электронов, а также дырок в собственном полупроводнике при установленной температуре.
9. Электрическая прочность, представляющая собой напряженность поля, при котором происходит пробой.
10. Диэлектрическая проницаемость, представляющая собой характеристику материальной среды, где осуществляется перемещение носителей заряда.
11. Дрейфовый ток, представляющий собой перемещение заряженных частиц, происходящее под действием сил электрического поля.
12. Диффузионный ток, представляющий собой обусловленное движение дырок и электронов благодаря градиенту концентрации.

«Физические основы электроники» 👇

Одним из основных уравнений электроники является уравнение Пуассона, которое выглядит следующим образом

Физический смысл данного уравнения следующий: если известна плотность заряда (р), то значения напряженности электрического поля (Е), а также потенциала ф могут быть определены в абсолютно любой точке пространства посредством решения уравнения Пуассона и задания граничных условий.

Генерация носителей заряда и рекомбинация

Генерация носителей заряда представляет собой процесс образования свободных носителей в полупроводниках в условиях различных внешних воздействий. Для появления свободных носителей необходимо затрачивать энергию, которая нужна для освобождения электронов из связанного состояния. Вид генерации заряда определяется характером передачи энергии. Существуют световая, ударная, тепловая и полевая генерации. Тепловая генерация заряда происходит при увеличении температуры до определенного критического значения. Световая генерация происходит благодаря передачи связанным электронам энергии фотонов во время облучения светом. Ионизация или полевая генерация заряда происходит за счет энергии электрического поля. При ударной генерации заряда энергия передается в виде кинетической энергии передвигающихся частиц.

Рекомбинация представляет собой процесс возвращения свободных носителей заряда в связанное состояние. Механизм рекомбинации реализовывается в зависимости от того, как расходуется энергия, которая выделяется при исчезновении электронно-дырочной пары.