ВВЕДЕНИЕ

Электроника – наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации. (Большой энциклопедический словарь. – М.: Сов. энцикл., 1991.).

В электронике можно выделить две тесно связанные между собой области – создание элементной базы и создание электронных схем. Созданием элементной базы занимается технология, которая из фазы технологии электроники уже перешла в фазу наноэлектроники. Созданием электронных схем занимается схемотехника. Поскольку задачей специальности 190901 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» является подготовка специалистов, способных грамотно эксплуатировать электронные устройства, основное внимание в конспекте лекций будет обращено на схемотехнику электронных устройств с общими пояснениями некоторых вопросов технологии.

Следует отметить, что для успешной работы с электронными устройствами необходимо изучить основы физики твёрдого тела, материаловедение, процессы взаимодействия заряженных частиц с веществом, методы и средства проведения электрических измерений и уметь применять эти знания на практике.

Необходимыми условиями создания современных электровакуумных и полупроводниковых приборов явились результаты физических исследований механизма проводимости вакуума и твёрдых тел, а также изучение влияния примесей на электропроводность полупроводников.

Основные открытия были сделаны в XIX веке: И.Я. Берцеллиус (Швеция), 1823 год – открытие кремния (Si); К.Л. Винклер (Германия), 1886 год – открытие германия (Ge). Следует отметить, что Д.И. Менделеев (Россия) за несколько лет до этого предсказал существование германия.

Началом электроники можно считать открытие Т.А. Эдисоном перемещения заряженных частиц – электронов – в вакууме (1875 г., эффект Эдисона – термоэлектронная эмиссия). Практического применения открытого им эффекта Эдисон не предполагал и дальнейших исследований проводить не стал. В 1904 г. Д. Флеминг на основе эффекта Эдисона создал первую электронную лампу – диод, которую стали использовать в радиоприёмниках вместо когерера. В 1907 г. Ли де Форест поместил в вакуумную колбу между катодом - раскалённой нитью, испускавшей электроны, и анодом, на который электроны попадали, третий электрод – управляющую сетку. Получилась первая радиолампа, позволяющая создать схемы усиления и генерирования сигналов. И до 1947 г. радиолампы были единственной элементной базой для создания электронных схем. Главным недостатком радиоламп является большая потребляемая мощность, которая расходуется на нагрев катода.

 

В 1947 г. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли изобрели полупроводниковый усилительный прибор – транзистор. Настало время бурного развития полупроводниковой электроники, цель которого – создание устройств как можно меньших габаритов и с как можно меньшим потреблением электроэнергии.

Первое поколение устройств полупроводниковой электроники развивалось примерно до 1965 г. В электронных схемах использовались дискретные элементы – полупроводниковые диоды и транзисторы, схемы собирались с помощью ручного или простейшего автоматического монтажа на одно или двух сторонних печатных платах. Плотность монтажа составляла » 0,5 эл/см³.

Второе поколение (1965 – 1985 гг.) характеризуется разработкой и совершенствованием интегральных микросхем, предназначенных для реализации определённой функции преобразования сигнала. Микросхемы представляли собой несколько взаимосвязанных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов), изготовленных в едином технологическом цикле на одной несущей конструкции (подложке) и помещённых в корпус. Схемы собирались с помощью автоматического монтажа на многослойных печатных платах. Плотность монтажа достигала » 50 эл/см³.

Третье поколение (с 1985 по настоящее время) характеризуется разработкой и совершенствованием сверх больших интегральных микросхем (СБИС), представляющих собой готовое электронное устройство для решения большого количества различных задач (например, микропроцессор компьютера). Плотность монтажа в СБИС и в устройствах на их основе составляет » 1000 эл/см³ и более.

Однако только на активных элементах – радиолампах и транзисторах – электронную схему построить нельзя. Необходимы также пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, высокочастотные катушки индуктивности, трансформаторы, низкочастотные дроссели и коммутационные устройства (с механическим управлением – переключатели, с магнитным управлением – реле). В отличие от таких же элементов, которые изучались в дисциплине «Теоретические основы электротехники» пассивные элементы электронных схем имеют стандартные значения номиналов, рабочего напряжения и мощности. Правильный выбор параметров пассивных элементов является гарантией надёжной работы электронного устройства.

Основные параметры резисторов: номинальное сопротивление; допустимое отклонение величины сопротивления от номинального значения (допуск), номинальная мощность рассеяния.

Шкала номинальных сопротивлений для резисторов общего применения определяется стандартными рядами Е6, Е12 и Е24, значения которых представлены в табл. В.1.

 

Таблица В.1

Номиналы сопротивлений по рядам Е6, Е12, Е24

Индекс ряда	Числовые коэффициенты, умноженные на 10n, где n = 0; ±1; ±2 и т.д.
Е6	1,0	1,5	2,4	3,3	4,7	6,8
Е12	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,2
Е24	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
1,1	1,6	2,4	3,6	5,1	7,5
1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,2
1,3	2,0	3,0	4,3	6,2	9,1

Допуск выражается в процентах. Обычно для резисторов ряда Е6 допуск составляет ±10%, для ряда Е12 ±5% и для ряда Е24 ±2%.

Номинальная мощность рассеяния выбирается из ряда 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 Вт.

Основные параметры конденсаторов: номинальная ёмкость, допуск, номинальное напряжение, температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ).

Шкала номинальных ёмкостей для конденсаторов общего применения определяется стандартными рядами Е6, Е12 и Е24, допуск от ± 1% до ± 30%, номинальное напряжение от 6,3 В до 500 В.

Более подробные сведения о пассивных элементах приведены в литературе [19].

Лекция 1. Полупроводниковые материалы, конструкция и свойства p-n перехода