Инженер 2.0 | Конспект «Принципы электроники»


Электричество – основа современной цивилизации. Явления, связанные с электричеством, известны человечеству с древнейших времен, но практическое воплощение начали получать лишь с 17 века.

Электротехника – наука о практическом применении электромагнитных явлений. Для анализа происходящих в электрической цепи явлений используют идеализированные аналоги реальных устройств (рукотворных объектов, выполняющих определенные технические функции).

Все устройства делятся на источники и приемники электромагнитной энергии. Устройства в электрической цепи функционируют при протекании электрического тока. Электрический ток протекает под действием электрического поля, которое выполняет работу по перемещению заряженных частиц. Мерой работы электрического поля является напряжение. Наглядна гидродинамическая аналогия: электрический ток – поток воды по трубам, напряжение – давление на участке трубопровода.

Электрический ток

Электрические цепи современных электронных устройств состоят из многих десятков тысяч (а порой на порядки больше) элементов. Простейшие элементы электрических цепей объединяют в рамках интегральных схем (различной плотности).

Рассмотрим простейшие элементы, без которых не обходится ни одна электрическая схема.

Постоянный резистор

С точки зрения теории:  элемент, в котором электромагнитная энергия необратимо преобразуется в тепло. Накопление энергий магнитного и электрического полей не учитывается. Имеет строго фиксированное сопротивление, не зависящее от тока и внешних условий. Имеет нулевые размеры и идеальную систему охлаждения.

На практике: помимо преобразования электромагнитной энергии в тепло запасает электрическую и магнитную энергию (имеет паразитную емкость и индуктивность соответственно), что вносит помехи в работу электрической схемы. Сопротивление резистора сильно зависит от нагрева, а также от протекающего тока.

Реальный резистор в электрической цепи:

Пример резистора, ЦМИТ Академия

Недостатки зависят от типа резистора:

  • Проволочные обладают всеми недостатками, используются при протекании больших токов. Нельзя использовать в точных схемах, т.к. создает большие помехи.
  • Полупроводниковые гораздо ближе к идеальным, используются в точных схемах, не рассчитаны на большие токи.

Существуют резисторы различной точности и на различную мощность. Также есть переменные и подстроечные резисторы. Они отличаются от постоянных тем, что их сопротивление можно регулировать во время работы.

Типы резисторов, ЦМИТ Академия

Характерные схемы:

Ограничитель тока

Ограничитель тока, ЦМИТ Академия

Делитель напряжения

Делитель напряжения, ЦМИТ Академия

Делитель напряжения с переменным резистором

Делитель напряжения, ЦМИТ Академия

Делитель тока

Делитель тока, ЦМИТ Академия

Нелинейные резисторы

Резисторы, у которых сопротивление изменяется под действием внешних условий и характеристик цепи. В отличие от постоянных резисторов, для которых это является недостатком, нелинейные резисторы рассчитаны на такой режим работы.

Основные типы:

Терморезисторы – сопротивление зависит от температуры, характерная функция выглядит так:

Терморезистор, ЦМИТ Академия

Используются как датчики температуры, включаются по схеме делителя напряжения, последовательно с постоянным резистором.

Терморезистор

Варистор – сопротивление зависит от напряжения, характерная функция выглядит так:

Варистор

Используются как предохранители от перенапряжения, включаются параллельно защищаемой схеме.

Фоторезистор – сопротивление зависит от освещенности, характерная функция выглядит так:

Фоторезистор

 

Используются как датчики освещенности, включаются по схеме делителя напряжения, последовательно с постоянным резистором.

Датчик освещенностиКонденсатор

С точки зрения теории:  элемент, в котором запасается энергия электрического поля. Накопление энергии магнитного поля и преобразование энергии в тепло не учитывается (выводы не имеют индуктивности и сопротивления). Имеет нулевые размеры, не разряжается со временем (отсутствует утечка), тангенс угла потерь равен нулю (запасает всю энергию, которую ему сообщают).

На практике: помимо накопления электрической энергии, запасает магнитную энергию, а часть электромагнитной энергии рассеивает в виде тепла (имеет индуктивность и сопротивление соответственно), что вносит помехи в работу электрической схемы. Самопроизвольно разряжается со временем.

Реальный конденсатор в электрической цепи:

Конденсатор

Поведение в цепи постоянного тока (I-зарядка, II-разрядка):

Конденсатор в цепи постоянного тока

 

Конденсаторы различаются по типу диэлектрика (материала, не проводящего электрический ток).

  • Керамические – наиболее распространенные, имеют широкий диапазон емкостей и напряжений.
  • Электролитические – имеют огромную емкость при небольшом размере компонента. Имеют полярность включения (важно, некоторые модели при изменении полярности взрываются).

Конденсаторы применяются в схемах, где нужны большие импульсные токи, в качестве фильтров, в генераторах импульсов.

Характерные схемы:

Фильтр (пропускает постоянный ток, не пропускает переменный):

Схема включения кондесатора

Индуктивность

С точки зрения теории:  элемент, в котором запасается энергия магнитного поля. Накопление энергии электрического поля и преобразование энергии в тепло не учитывается. Имеет нулевые размеры.

На практике: помимо накопления магнитной энергии, запасает электрическую энергию, а часть электромагнитной энергии рассеивает в виде тепла (имеет емкость и сопротивление соответственно), что вносит помехи в работу электрической схемы.

Реальная катушка в электрической цепи:

Индуктивность

Все производимые индуктивности – проводник особой формы (например, намотанная на оснастку проволока). Основное отличие – номинал индуктивности.

Используются в электромагнитах, как источник ЭДС (генератор), в трансформаторах, в качестве фильтров.

Характерные схемы:

Фильтр (пропускает постоянный ток, не пропускает переменный):

Фильтр

Полупроводниковые устройства

Начало применения полупроводниковых материалов в электронных устройствах стало революцией в электротехнике, потому что полупроводниковые материалы проявляют удивительные свойства. Например, нелинейные резисторы, в большинстве своем производятся из полупроводниковых материалов.

Работа полупроводниковых устройств основана на явлении дырочной (P) и электронной (N) полупроводниковой проводимости. Все полупроводниковые устройства являются сочетанием полупроводников с различными типами проводимости в различных конфигурациях.

Диод — электронный элемент, обладающий различным сопротивлением в зависимости от направления электрического тока (ниппель в трубопроводе), характерная функция выглядит так:

ВАХ диода

 

Основные типы:

  • Выпрямительный – открывается медленно, восстанавливается после пробоя обратным током. Используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительный диод

  • Диод Шоттки – открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током. Используется для защиты схемы от перенапряжения и напряжения обратной полярности.

Диод Шоттки

  • Диод Зеннера – умышленно включается в обратном направлении. Используется как источник постоянного напряжения.

Диод Зеннера

  • Светодиод – диод, который при пропускании электрического тока излучает свет. Сгорает от перегрева при протекании больших токов. Используется для освещения и индикации.

Светодиод

 

Характерные схемы:

Диодный мост (преобразует переменный ток в постоянный с помехами):

Диодный мост

Схема включения стабилитрона:

Схема включения стабилитрона

 

Схема параллельного включения светодиодов:

Включение светодиодовВключение светодиодов

 

Транзистор  — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Суть работы транзистора – управление большими нагрузками (токами и напряжениями) при помощи слабых сигналов (кран в трубопроводе).

Бывают транзисторы NPN и PNP структуры.

Основные типы:

  • Биполярный транзистор – управление большими нагрузками при помощи малого тока. Основная характеристика – коэффициент усиления. Чем больше ток, протекающих через базу, тем больше ток, который пропускает транзистор.
  • Полевой транзистор – управление большими нагрузками при помощи малого напряжения.
  • IGBT транзистор – управление большими нагрузками при помощи малого напряжения (как полевой транзистор), но обладает характеристиками, схожими с биполярным транзистором.

Характерные схемы:

Диодный мост (позволяет менять полярность напряжения на нагрузке):

Диодный мост

 

Основные САПРы:

  • Sprint Layout – программа для рисования печатных плат. Проста в освоении, хороша на начальных этапах, ограниченный функционал.
  • Proteus – программа для рисования и моделирования электрических схем. Проста в освоении, хороша на начальных этапах, ограниченный функционал.
  • Splan – программа для рисования электрических схем. Проста в освоении, хороша на начальных этапах, ограниченный функционал.
  • Altium Designer – САПР для создания электронных устройств, позволяет рисовать электрические схемы, моделировать электрические схемы, рисовать печатных плат. Трудна в освоении, огромный функционал, используют профессионалы.

Основная литература:

С.Г.Калашников: Электричество

П. Хоровиц, У. Хилл.:  Искусство схемотехники

Р.А.Сворень: Электроника шаг за шагом

Е.Айсберг: Радио? Это очень просто!

Е.Айсберг: Транзистор? Это очень просто!

 

О ведущем:

Студент МГТУ им.Н.Э.Баумана, факультет БМТ.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *