Основы электроники

Скачать DjVu (3,66 МБ)

Описание

Данная книга соответствует второй части новой программы курса «Общая электротехника с основами электровики». В ней изложены устройство и принцип действия электровакуумных, газоразрядных, полупроводниковых и фотоэлектронных элементов, рассмотрены электронные выпрямители, усилители, генераторы и измерительные приборы, приведены основные сведения об электронных элементах автоматики, вычислительных машинах и автоматических системах

Для учащихся техникумов неэлектрических специальностей.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электроника оказывает огромное влияние на научно-технический прогресс и проникает все глубже во все сферы народного хозяйства нашей страны. Электронные устройства используются в промышленности и сельском хозяйстве, в быту и медицине, электроника помогает людям повышать производительность и культуру труда.

Элементной базой многих автоматических устройств являются полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные и фотоэлектрические приборы; физическим процессам в них, их устройству и основным характеристикам в данной книге отводится значительное место.

В книге соблюден диалектический порядок рассмотрения проблем — ог простых к сложным, ог конкретных активных и пассивных компонентов — к завершенным самостоятельным изделиям. В соответствующих главах показано, как из отдельных простых элементов создаются электронные устройства любой сложности для выполнения определенных функций.

Терминология, определения, единицы измерения, условные обозначения элементов соответствуют действующим стандартам или заимствованы из наиболее авторитетных источников. В список литературы включены наиболее доступные для учащихся книги.

Работа над книгой сопровождалась критикой, дискуссиями, обсуждением отдельных ее мест. Особенно полезные советы и замечания были сделаны кандидатами техн. наук А. Д. Дудыкиным, Л. Н. Бочаровым, И. А. Даниловым, П.М. Ивановым, В. Ф. Приходько и В. Н. Гольцовым; ценные предложения внесли инженеры А. Г, Барсуков, Л. Н. Громов и В. В. Масленников. Большую помощь в оформлении рукописи оказала преподаватель Московского строительного техникума Т. В. Никитина. Автор также выражает свою искреннюю благодарность канд. техн. наук И. А. Данилову и Н. И. Захарову за большой труд по рецензированию и канд. техн. наук П. А. Попову за тщательное редактирование рукописи.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Электроникой называют одну из разветвленных отраслей электротехники, которая реализует знания (науку) об электрофизических свойствах и процессах в полупроводниках, диэлектриках, в вакууме, плазме и т. д. при создании и использовании разнообразных изделий с электронными компонентами. На основе этой науки организована электронная промышленность с автоматизированными технологическими процессами и осуществляется эксплуатация электронной техники.

К изделиям электронной техники относятся промышленные установки с электронными машинами и устройствами для народного хозяйства и общественно-бытового назначения: автоматическое технологическое оборудование, радио- и телевизионная аппаратура, медицинские электронные аппараты, электронные вычислительные машины, электронные нагревательные приборы и т. д.

СССР является страной высокоразвитой электроники. Благодаря неослабному вниманию КПСС н Советского правительства в нашей стране за годы советской власти создана современная электронная промышленность. За эти годы подготовлены высококвалифицированные научные и инженерные кадры, способные разрабатывать, изготовлять и эксплуатировать самые совершенные электронные приборы для нужд народного хозяйства и обороны страны. Отечественные ученые внесли огромный вклад в развитие теоретических основ электроники.

Согласно сообщению ЦСУ СССР на промышленных предприятиях только в 1980 г. установлено 12 тыс. механизированных поточных и автоматических линий, комплексно механизировано и автоматизировано более 5 тыс. участков, цехов и производств; создано 520 автоматизированных систем для учета, планирования и управления, в том числе 380 АСУ ТП; произведено приборов и средств автоматизации на 5,4 млрд. руб. и средств вычислительной техники на 4,5 млрд. руб.; изготовлено более 16 млн. телевизоров, радиоприемников, магнитофонов, много электронных приборов для сельского хозяйства, медицины и бытовых нужд («Правда», 24 января 1981 г.).

Элементной базой электроники являются активные и пассивные компоненты (элементы). Под активными компонентами подразумеваются электронные лампы и полупроводниковые детали, под пассивными — резисторы, конденсаторы, трансформаторы, индуктивные катушки и т. д. Из компонентов состоят выпрямители, усилители, генераторы, триггеры, счетчики и другие узлы автоматических устройств и вычислительной техники. Завершенными считаются изделия, предназначенные длч выполнения конкретных функций. Это радио- и телеприемники, магнитофоны, электронные вычислительные машины и т. д.

Электроника возникла в конце XIX—начале XX вв. первоначально для удовлетворения потребностей бурно развивающихся средств связи—для генерирования, усиления и преобразования сигналов. Прообразом электровакуумных приборов служит электрическая лампа с нитью накаливания, изобретенная в 1872 г. русским ученым А. Н. Лодыгиным. На ее основе была обнаружена термоэлектронная эмиссия — испускание электронов накаливаемыми проводниками в вакууме. Профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл в 1888 г. явление фотоэлектронной эмиссии. Работы Лодыгина, Столетова, Эдиссона, Флеминга и других исследователей привели к созданию в 1904 г. двухэлектрод-ной лампы — диода. Развитие электроники было стимулировано также работами русского ученого А.С.Попова, впервые в мире осуществившего в 1895 г. передачу и прием радиосигналов.

В 1907 г. был создан триод, а затем и электронные лампы с большим числом электродов. Электронные лампы сказались очень удобными компонентами, и их стали применять в различных типах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Один из первых усилителей был предложен в 1909 г. В. И. Коваленковым. В этом усилителе использовалось свойство анодного тока изменяться в зависимости от степени накала катодной нити усиливаемым сигналом. В 1910 г. В. И. Коваленков изготовил макет усилителя на триоде, который был затем продемонстрирован на Всероссийской выставке.

Первые отечественные вакуумные триоды для усиления сигналов изготовили в 1 914—1916 гг. независимо друг от друга Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевич. Однако из-за отсутствия в дореволюционной России радиотехнической промышленности изобретения как этих, так и других ученых реализованы не были.

Начало развития электроники в СССР было положено декретом, подписанным В. И. Лениным «О централизации радиотехнического дела» от 21 июня 1918 г. Созданная в том же 1918 г. по указанию В. И. Ленина Нижегородская радиолаборатория объединила большинство радиоспециалистов того времени под руководством М. А. Бонч-Бруевича. Сотрудники этой лаборатории Б. А. Остроумов, А. М. Кугушев, Н. А. Никитин, П. А. Остряков и другие разработали несколько типов электронных ламп различной мощности для генерирования колебаний. Большим техническим достижением было изобретение М. А. Бонч-Бруевичем мощной генераторной лампы с водяным охлаждением, за рубежом аналогичные лампы появились значительно позже. Успешно завершились работы А. Л. Минца, Н. Н. Огаиова и А. М. Кугушева по созданию крупных электронных ламп разборной конструкции. Нижегородская радиолаборатория изготовила кроме ламп много радиопередатчиков и радиоприемников.

Несколько позже было организовано массовое производство разнообразных электронных ламп в Ленинграде на электровакуумном заводе (ныне завод «Светлана»), Значительных результатов достигли А. А. Чер-нышов, М. М. Богословский, В. И. Волынкин, С. А. Век-шинский и другие наши ученые в исследованиях, проведенных в Ленинградском электротехническом институте. Значительным вкладом в теорию усиления сигналов являются учебники и монографии М. А. Бонч-Бруевича, Г. С. Цыкина, Г. В. Войшвилло, С. Н. Кризе и других отечественных ученых.

Совершенствование электронных ламп проходило успешно, расширялся их ассортимент, улучшалось качество, повышалась надежность. Ламповая электроника полностью отвечала техническим запросам того времени. В годы первых пятилеток электронная промышленность (в то время — радиопромышленность) произвела много радиостанций, позволивших осуществить радиосвязь по всей нашей стране. Наряду с производством электровакуумных ламп создавались газоразрядные приборы.

Мощные ртутные выпрямительные вентили были разработаны в Нижегородской лаборатории под руководством В. П. Вологдина. Газотроны и тиратроны с накаливаемым катодом появились в СССР в начале 30-х годов; вслед за ними стали изготавливать и приборы с холодным катодом. Большую роль в разработке теории этих приборов сыграли Л. И. Каганов, М. А. Чернышев, Д. А. Завалишин и другие ученые.

Первые кристаллический (полупроводниковый) усилитель и генератор были созданы О. В. Лосевым в 1922 г. в Нижегородской лаборатории. Однако эти приборы не отличались стабильностью характеристик, были еще недостаточно надежными и мало обоснованными теоретически. Эта разработка стимулировала дальнейшие научные изыскания в полупроводниковой технике. В первой пятилетке и в последующие годы в нашей стране проводятся широкие исследования свойств полупроводников. Значительный вклад в теорию физики твердого тела внесли Б. В. Курчатов, Б. И. Давыдов, А. И. Губанов, Б. Т. Коломиец, Д. Н. Наследов и другие ученые под руководством академика А. Ф. Иоффе.

Новым этапом в развитии элементной базы электроники было появление транзистора — полупроводникового прибора, технические характеристики которого значительно превосходили характеристики ламп. Его изобрели в 1948 г. американские ученые Д. Бардин, У. Брат-тейн н У. Шокли. Первые образцы транзисторов точеч^ ного типа в СССР разработаны в 1949 г. А. В. Красило-вым и С. Г. Мадоян. С этого времени началось бурное развйтие полупроводниковой техники; к 1968 г. было создано более 50 разнообразных типов транзисторов, много типов диодов, тиристоров и других полупроводниковых компонентов. За создание таких приборов группа ученых во главе с акад. В. М. Тучкевичем была удостоена Ленинской премии.

По сравнению с лампами транзисторы одинаковой с ними мощности имеют значительно меньшие размеры и массу, практически неограниченный срок работы, высокую механическую прочность, невысокое питающее напряжение и другие достоинства. Например, минимальная мощность для работы электронной лампы составляет 0,1 Вт и более (для анодной цепи и накала), а для транзистора она может быть равной 1 мкВт, т. е. в 106 раз меньше.

Следующий этап повышения технического уровня как элементной базы, так и завершенных изделий электронной аппаратуры обусловлен переходом на интегральные микросхемы (ИМС). Функциональный состав1ИМСнепрерывно усложняется, количество их разновидностей бурно возрастает, а стоимость снижается. Производства ИМС основана на дальнейшем развитии и совершенствовании технологических способов и процессов, общих для полупроводниковых приборов. Интегральная технология ие только породила новые варианты функционально завершенных изделий, но и оказала глубокое влияние на все этапы разработки, изготовления и эксплуатации электронной аппаратуры.

Теория и методы усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов, применявшиеся ранее только в технике связи, используются в настоящее время в различных отраслях науки и техники, что обусловлено необходимостью повышения производительности труда при изготовлении продукции и возросшими требованиями к технической культуре производства и его безопасности. Электроника стала основой электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и проникла в автоматические системы и устройства.

Электронно-вычислительные машины помогают людям в решении многих современных научных и технических проблем. История создания вычислительных машин, вначале простейших, затем все более сложных, уходит в глубокое прошлое. Ими занимались в Древней Греции и Римской империи, в Китае и Японии. Одной из первых известных нам вычислительных машин является машина Б. Паскаля (1642 г.); она предназначалась для сложения и вычитания простых чисел. Русский механик Волосков в XVIII в. изготовил астрономические часы, производившие вычисления дней, месяцев и года. Знаменитый арифмометр, применяющийся и в наши дни, создал русский инж. В. Т. Однер в 1874 г. Долгое время применялись интегрирующие машины акад., проф. Петербургского университета П. Л. Чебышева (1878 г) и акад. А. Н. Крылова (1904 г.).

Первая ЭВМ «ЭнИак» была создана в США в 1947 г., оиа содержала 18 тыс. электронных ламп и 1,5 тыс. электромеханических реле. В СССР первую ЭВМ изготовили в 1950 г. под руководством акад. С. А. Лебедева. К настоящему времени парк отечественных ЭВМ насчитывает десятки типов — от небольших карманных калькуляторов до крупных универсальных машин, как, например, ЕС ЭВМ-1060.

В развитие автоматики и вычислительной техники вложен труд многих отечественных и зарубежных ученых. Первый автоматический регулятор уровня воды в котле был изготовлен в 1765 г. русским изобретателем И. И. Ползуновым. Огромное влияние на разработку теории автоматического регулирования оказали труды выдающихся русских ученых И. А. Вышнеградского, А. М. Ляпунова, Н. Е. Жуковского, а в советское время И. Н. Вознесенского, Л. И. Мандельштама, А. А. Андронова, В. В. Солодовникова и многих других. Они сформулировали основные принципы расчета автоматических систем и критерии их устойчивости и качества.

Механические автоматические системы кроме больших размеров и массы обладали малым быстродействием, невысокими долговечностью и надежностью. В советское время механические системы автоматического регулирования все чаще стали заменять электрическими, пневматическими и гидравлическими. В настоящее время ни одна из систем немыслима без электронных блоков.

В нашей стране автоматизация осуществляется путем постепенного перехода от отдельных автоматических машин к их системам, к автоматическим станочным линиям, цехам, заводам и электростанциям. Автоматизация является важнейшим средством повышения производительности труда, улучшения качества продукции и, как следствие, подъема жизненного уровня советского народа.

Решениями XXVI съезда КПСС предусмотрено: «...обеспечить ускоренное развитие производства средств автоматизации управления машинами и оборудованием, комплектных -электроприводов с тиристорными преобразователями и микропроцессорами... Существенно увеличить производство автоматических манипуляторов с программным управлением, ...обеспечить выпуск новых экономичных источников света с повышенными светоотдачей и сроком службы. ...Обеспечить ускоренное развитие производства комплексов металлообрабатывающего оборудования, оснащенных автоматическими манипуляторами; значительное увеличение выпуска металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением...

В приборостроении повысить технический уровень вычислительной техники, приборов и средств автоматизации на основе новейших достижений микроэлектроники... Опережающими темпами развивать производство быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, ...электронных устройств регулирования и телемеханики... Расширить производство приборов... для научных исследований, ...современных медицйнских приборов и аппаратуры...». (Материалы XXVI съезда КПСС, М., Политиздат, 1981 г.)