close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Электроника учеб.пособие. Лачин В.И. (www.PhoenixBooks.ru)

код для вставкиСкачать
Высшее образование
В. И. Лачин, Н. С. Савёлов
ЭЛЕКТРОНИКА
Рекомендовано учебно методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки
220200 «Автоматизация и управление»
Издание восьмое
Ростов на Дону
«Феникс»
2010
www.phoenixbooks.ru
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85я73
КТК 222
Л 31
Рецензенты:
кафедра автоматики и компьютерных систем Том
ского политехнического университета (зав. кафедрой
д.т.н., проф. Г. П. Цапко);
зав. кафедрой автоматики и управления в техничес
ких системах Самарского государственного техничес
кого университета д.т.н., проф. Э. Я. Рапопорт
Лачин В. И.
Л 31 Электроника : учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савё
лов. — Изд. 8 е. — Ростов н/Д : Феникс, 2010. — 703,
[1] с. — (Высшее образование).
ISBN 978 5 222 17655 9
В учебном пособии рассмотрены все основные, включая силовые,
полупроводниковые приборы и наиболее широко используемые ус
тройства аналоговой, цифровой и силовой электроники. Описаниям
характеристик и параметров приборов предшествуют необходимые
сведения по физическим явлениям, учитываемые при математичес
ком моделировании. Изучаемый материал ориентирован на прак
тическое применение.
Предназначено для студентов высших технических учебных за
ведений.
ISBN 978 5 222 17655 9
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85я73
© Лачин В. И., Савёлов Н. С., 2010
© Оформление, ООО «Феникс», 2010
www.phoenixbooks.ru
Предисловие
Учебное пособие систематически излагает основы элект
роники — динамично развивающейся области науки и техни
ки, играющей особую роль в современном мире. Оно может
использоваться студентами различных специальностей, пред
полагающих в будущей профессиональной деятельности раз
работку и применение электронных устройств, а также сис
тем автоматического и автоматизированного управления.
В настоящее время вполне определенно проявился ис
ключительно сильный фактор, который все более насто
ятельно требует изменения подходов к изучению, анали
зу и синтезу электронных устройств. Этим фактором
является математическое моделирование устройств элек
троники. Современные системы схемотехнического моде
лирования (Мicro Cap V, Design Center и др.) существенно
изменили характер и повысили эффективность инженер
ной деятельности при разработке таких устройств.
Признанным становится тот факт, что традиционная
методика изложения материала, ориентированная на без
машинные методы анализа и синтеза электронных уст
ройств, все меньше соответствует современным достиже
ниям в области математического моделирования.
Важной задачей является правильная ориентация буду
щего специалиста уже на стадии первоначального изучения
электроники. Авторами предпринята попытка изложить
материал так и в таком объеме, чтобы подготовить читате
ля к систематическому и самостоятельному изучению со
временных систем моделирования и проектирования.
Традиционно в начальных разделах книг по электрони
ке описываются физические процессы, имеющие место в
электронных приборах. Существуют два диаметрально
противоположных подхода, один из которых отличается
глубоким, а второй — нарочито поверхностным уровнем
такого описания. Авторы придерживались точки зрения,
что одним из наилучших ориентиров служит современный
уровень систем схемотехнического моделирования. По
www.phoenixbooks.ru
Электроника
4
этому с необходимой детализацией описаны те физичес
кие процессы, которые непосредственно учитываются при
математическом моделировании. Для основных электрон
ных приборов (диодов и транзисторов) дано достаточно
подробное описание их математических моделей.
При описании конкретных устройств электроники чи
татель также ориентируется на использование для их ана
лиза и расчета моделирующих систем.
Учебное пособие написано на основе многолетнего
опыта чтения курса лекций по электронике для студентов
специальности 21.01 «Управление и информатика в техни
ческих системах» в Южно Российском государственном
техническом университете (Новочеркасском политехни
ческом институте). Основу систем управления и инфор
матики составляют электронные устройства, поэтому курс
является основательным и отличается практической на
правленностью.
Чтобы описание было предметным и давало специали
сту необходимые сведения о реальных характеристиках и
параметрах, в качестве основы изложения широко исполь
зуются конкретные элементы схем. Приводятся примеры
расчетов. Дается информация по конкретным интеграль
ным микросхемам. Из большого многообразия электрон
ных устройств для изучения отобраны наиболее важные,
составляющие основу современной электроники.
В третье издание внесены следующие основные изме
нения:
— введен раздел по современным силовым полупро
водниковым приборам с описанием устройства, ос
новных физических процессов и характеристик;
дана сравнительная характеристика силовых прибо
ров;
— существенно дополнена глава по цифровой электро
нике: введен раздел по алгебре логики (булевой ал
гебре); расширены разделы по логическим элемен
там, комбинационным и последовательностным
устройствам; существенно переработан и расширен
раздел по цифровым запоминающим устройствам;
www.phoenixbooks.ru
5
Предисловие
введен раздел по программируемым логическим
интегральным схемам.
В пятое издание внесены следующие основные изме
нения и дополнения:
— существенно дополнена глава по цифровой электро
нике: введен раздел по арифметическим устрой
ствам, в котором рассмотрены последовательный и
накапливающий сумматоры, двоичные умножители
и арифметико логические устройства;
— существенно переработан и дополнен раздел по
цифроаналоговым и аналого цифровым преобразо
вателям;
— введен раздел по устройствам выборки и хранения
аналоговых сигналов;
— введен раздел по формирователям импульсов;
— существенно дополнен раздел по генераторам им
пульсных сигналов;
— введена глава по силовой электронике, в которой
описана ее все возрастающая роль в современном
мире, изложены общие подходы к построению сило
вых электронных устройств, рассмотрены основные
устройства силовой электроники (прерыватели, вып
рямители, инверторы, преобразователи частоты, им
пульсные преобразовательные устройства), изложены
принципы построения систем управления и защиты.
www.phoenixbooks.ru
Электроника
6
Введение
Электроника является универсальным и исключитель
но эффективным средством при решении самых различ
ных проблем в области сбора и преобразования информа
ции, автоматического и автоматизированного управления,
выработки и преобразования энергии. Знания в области
электроники становятся необходимыми все более широ
кому кругу специалистов.
Сфера применения электроники постоянно расширя
ется. Практически каждая достаточно сложная техничес
кая система оснащается электронными устройствами.
Трудно назвать технологический процесс, управление ко
торым осуществлялось бы без использования электрони
ки. Функции устройств электроники становятся все более
разнообразными [1].
Обратимся к идеализированной системе управления
некоторым объектом (рис. 1). Электрические сигналы, со
держащие информацию о контролируемых величинах, вы
рабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы
фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую
форму с помощью аналого цифровых преобразователей
(АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором,
который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые
микропроцессором сигналы управления преобразуются в
аналоговую форму с помощью цифро аналоговых преоб
разователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые
электронные устройства, управляющие исполнительными
устройствами, непосредственно воздействующими на
объект.
Рассмотренная система содержит электронные устрой
ства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры,
усилители, силовые электронные устройства), цифровыми
сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства,
www.phoenixbooks.ru
Введение
7
Объект управления
Датчики
контролируемых
величин
Фильтры
Усилители
АЦП
ЭВМ
Микропроцессор
ЦАП
Усилители
Силовые электронные
устройства
Исполнительные
устройства
Рис. 1
осуществляющее преобразование сигналов из аналоговой
формы в цифровую и обратно. В данном курсе изучаются
все основные элементы, из которых строятся вышеназван
ные устройства. Некоторые представления об электрон
ных устройствах имеет каждый: радиоприемники, магни
тофоны, телевизоры, калькуляторы состоят в основном из
www.phoenixbooks.ru
Электроника
8
электронных элементов. Характеристики электронных
устройств определяются прежде всего характеристиками
составляющих их элементов.
Роль электроники в настоящее время существенно воз
растает в связи с применением микропроцессорной тех
ники для обработки информационных сигналов и сило
вых полупроводниковых приборов для преобразования
электрической энергии.
Электроника имеет короткую, но богатую событиями
историю, которая составляет чуть более 100 лет. Первый
ее период связан с эпохой вакуумных ламп и с появлени
ем чуть позже ионных приборов. На этой основе были
разработаны электронные устройства, а затем долгие годы
их совершенствовали.
К концу Второй мировой войны масса электронного
оборудования тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг
(без учета энергетического оборудования, необходимого
для питания электронной аппаратуры) [2]. Так, например,
электронная аппаратура одной только системы вооруже
ния на самолетах американской фирмы «Боинг» за деся
тилетие с 1949 по 1959 г. усложнилась в 50 раз: на самоле
тах выпуска 1959 г. электронная схема этой системы
содержала уже 100 000 элементов.
Основным показателем совершенства электронной
аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество
элементов схемы в 1 см3 действующего устройства. Если,
например, основным элементом электронного устройства
являются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3.
С учетом этого для размещения современной ЭВМ потре
буется объем в несколько тысяч кубических метров. Кро
ме того, нужна мощная энергетическая установка для пи
тания такой машины.
Создание в конце 40 х годов первых полупроводнико
вых элементов (диодов и транзисторов) привело к появ
лению нового принципа конструирования электронной
аппаратуры — модульного. Основой при этом является
www.phoenixbooks.ru
9
Введение
элементарная ячейка модуль, стандартный по размерам,
способу сборки и монтажу. При этом плотность упаковки
возросла до 2,5 эл/см3.
Дальнейшее совершенствование полупроводниковых
приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов,
уменьшение их размеров привели к созданию микромо
дулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см3.
Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзис
торной электроники и привели к возникновению инте
гральной электроники или микроэлектроники.
В схемотехническом отношении интегральная электро
ника часто не отличается от транзисторной, так как в ин
тегральной схеме можно выделить все элементы принци
пиальной схемы устройства, но размеры этих элементов
очень малы (примерно 0,05—1 мкм). Технология изготов
ления интегральных схем позволила резко повысить плот
ность упаковки, доведя ее до миллионов и более элемен
тов в 1 см3.
В курсе электроники будут рассмотрены элементы
электронных устройств, аналоговые электронные устрой
ства, устройства цифровой и импульсной электроники,
устройства силовой электроники и современные подходы
к анализу и синтезу электронных устройств.
www.phoenixbooks.ru
Электроника
10
1
ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ
СХЕМ
В данной главе рассматриваются следующие элементы
электронных схем, указанные на рис. 1.1.
Много места отведено описанию устройства и основ
ных физических процессов, характеристикам и парамет
рам элементов. Приводятся и математические модели этих
элементов, дается анализ схем с рассматриваемыми эле
ментами. Указываются особенности практического приме
нения этих элементов.
Рис. 1.1
www.phoenixbooks.ru
ɩɟɪɚɰɢɨɧɧɵɟ
ɭɫɢɥɢɬɟɥɢ
ɩɬɨɷɥɟɤɬɪɨɧɧɵɟ
ɩɪɢɛɨɪɵ
ɢɪɢɫɬɨɪɵ
ɨɥɟɜɵɟ
ɬɪɚɧɡɢɫɬɨɪɵ
ɢɩɨɥɹɪɧɵɟ
ɬɪɚɧɡɢɫɬɨɪɵ
ɨɥɭɩɪɨɜɨɞɧɢɤɨɜɵɟ
ɞɢɨɞɵ
ɗɥɟɦɟɧɬɵ ɷɥɟɤɬɪɨɧɧɵɯ ɫɯɟɦ
Элементы электронных схем
11
1.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1.1.1.
Краткое описание
полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы (германий, кремний)
по своему удельному электрическому сопротивлению ρ за
нимают место между проводниками и диэлектриками
(ρ = 10—3…108 Ом · см). Разная величина проводимости у
металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена
разной величиной энергии, которую надо затратить на то,
чтобы освободить валентный электрон от связей с атома
ми, расположенными в узлах кристаллической решетки.
Причем проводимость полупроводников в значительной
степени зависит от наличия примесей и температуры.
В полупроводниках присутствуют подвижные носите
ли заряда двух типов: отрицательные электроны и поло
жительные дырки.
Чистые (собственные) полупроводники в полупровод
никовых приборах практически не применяются, так как
обладают малой проводимостью и не обеспечивают одно
сторонней проводимости. Подвижные носители заряда в
собственных полупроводниках возникают обычно в
результате термогенерации. Техническое применение по
лучили так называемые примесные полупроводники, в ко
торых в зависимости от рода введенной примеси пре
обладает либо электронная, либо дырочная проводимость.
Если в кристаллическую решетку 4 валентного крем
ния ввести примесь 5 валентного элемента (фосфора Р,
сурьмы Sb, мышьяка As), то четыре валентных электрона
каждого примесного атома примут участие в образовании
ковалентных связей с четырьмя соседними атомами крем
ния, а пятый валентный электрон окажется избыточным.
Он слабо связан с атомом и легко превращается в свобод
ный. При этом атом примеси превращается в положитель
www.phoenixbooks.ru
Электроника
12
ный неподвижный ион. Увеличение концентрации сво
бодных электронов увеличивает вероятность рекомбина
ции, поэтому концентрация дырок уменьшается. При
нормальной температуре практически все атомы приме
си превращаются в положительные неподвижные ионы, а
число свободных электронов значительно превышает число
дырок. Основными носителями заряда в таких полупровод
никах являются электроны, поэтому такой полупроводник
называется полупроводником n типа (электронного типа).
Неосновными носителями заряда в нем являются дырки.
Примеси, атомы которых отдают электроны, называют
донорами.
При введении примеси 3 валентного элемента (бора В,
индия In, алюминия Al) три валентных электрона каждо
го атома примеси принимают участие в образовании толь
ко трех ковалентных связей, а для четвертой связи атом
примеси забирает электрон из какой либо другой связи
между атомами кремния, образуя при этом дырку. Атом
примеси превращается в отрицательный неподвижный
ион. Таким образом, 3 валентная примесь увеличивает
концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает кон
центрацию электронов. Основными носителями заряда
таких полупроводников являются дырки, поэтому полу
проводник называется полупроводником p типа (дыроч
ного типа). Неосновными носителями заряда являются
электроны. Вещества, отбирающие электроны, называют
ся акцепторами.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над
собственной, концентрация атомов примеси N должна
превышать концентрацию электронов ni и дырок pi в соб
ственном полупроводнике (ni = pi). Практически всегда N
гораздо больше ni и pi.
Концентрация неосновных носителей уменьшается во
столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация
основных носителей. Это объясняется увеличением веро
www.phoenixbooks.ru
13
Элементы электронных схем
ятности рекомбинации. Для примесного полупроводника
справедливо равенство
np = ni pi = ni2 = pi2,
где n, p — концентрация электронов и дырок в примесном
полупроводнике.
Число атомов примеси мало по сравнению с числом
атомов полупроводника. Если использовать фосфор P,
атомный вес которого примерно равен атомному весу
кремния, и добавить в 1 кг расплава кремния только 20 мкг
фосфора, то эта добавка увеличит число свободных элек
тронов на 5 порядков. На столько же порядков уменьшит
ся концентрация неосновных носителей.
Концентрация основных носителей определяется кон
центрацией примеси и практически не зависит от темпе
ратуры, так как уже при комнатной температуре все атомы
примеси ионизированы, а число основных носителей, воз
никающих за счет генерации пар электрон дырка, пре
небрежимо мало по сравнению с общим числом основных
носителей. В то же время концентрация неосновных носи
телей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь
в 2—3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С.
1.1.2. Устройство и основные
физические процессы
Полупроводниковым диодом называется электропре
образовательный полупроводниковый прибор с одним
выпрямляющим электрическим переходом, имеющий
2 вывода.
Структура полупроводникового диода с электронно
дырочным переходом и его условное графическое обозна
чение приведены на рис. 1.2, а, б.
Буквами p и n обозначены слои полупроводника с про
водимостями соответственно p типа и n типа.
www.phoenixbooks.ru
Электроника
14
Область p n перехода
Анод (А)
n
p
Катод (К)
А
Невыпрямляющие контакты
металл—полупроводник
(омические контакты)
К
б
а
Рис. 1.2
Обычно концентрации основных носителей заряда
(дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различают
ся. Слой полупроводника, имеющий большую концентра
цию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концен
трацию, — базой.
Далее рассмотрим основные элементы диода (p n пе
реход и невыпрямляющий контакт металл полупровод
ник), физические явления, лежащие в основе работы ди
ода, а также важные понятия, использующиеся для
описания диода. Глубокое понимание физических явле
ний и владение указанными понятиями необходимо не
только для того, чтобы правильно выбирать конкретные
типы диодов и определять режимы работы соответствую
щих схем, выполняя традиционные расчеты по той или
иной методике. В связи с быстрым внедрением в практи
ку инженерной работы современных систем схемотехни
ческого моделирования эти явления и понятия приходит
ся постоянно иметь в виду при выполнении математического
моделирования. Системы моделирования быстро совершен
ствуются, и математические модели элементов электронных
схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» фи
зические явления. Это делает весьма желательным постоян
ное углубление знаний в описываемой области и необходи
мым понимание основных физических явлений, а также
использование соответствующих основных понятий.
www.phoenixbooks.ru
599
Силовая электроника
4
СИЛОВАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
4.1. СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
Силовой электроникой называют область науки и тех
ники, которая решает проблему создания силовых элект
ронных приборов, а также проблемы получения значи
тельной электрической энергии, управления мощными
электрическими процессами и преобразования электри
ческой энергии в достаточно большую энергию другого
вида при использовании в качестве основного инструмен
та этих приборов.
Ниже рассматриваются устройства силовой электрони
ки на основе полупроводниковых приборов. Именно эти
приборы используются наиболее широко.
Основные силовые полупроводниковые приборы рас
смотрены выше.
Для получения электрической энергии уже длительное
время используются рассмотренные выше солнечные эле
менты. В настоящее время доля этой энергии в общем
объеме электроэнергии невелика. Однако многие ученые,
к которым относится и лауреат Нобелевской премии ака
демик Ж.И. Алферов, считают солнечные элементы очень
перспективными источниками электрической энергии, не
нарушающими энергетический баланс на Земле.
Управление мощными электрическими процессами явля
ется именно той проблемой, при решении которой сило
www.phoenixbooks.ru
Электроника
600
вые полупроводниковые приборы уже очень широко ис
пользуются, а интенсивность их применения быстро воз
растает. Это объясняется достоинствами силовых полупро
водниковых приборов, основными из которых являются
высокое быстродействие, малое падение напряжения в
открытом состоянии и малый ток в закрытом состоянии
(что обеспечивает малые потери мощности), высокая на
дежность, значительная нагрузочная способность по току
и напряжению, малые размеры и вес, простота в управле
нии, органическое единство с полупроводниковыми уст
ройствами информативной электроники, что облегчает
объединение сильноточных и слаботочных элементов.
Во многих странах развернуты интенсивные научно
исследовательские работы по силовой электронике и бла
годаря этому силовые полупроводниковые приборы, а так
же электронные устройства на их основе постоянно
совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение
области применения силовой электроники, что, в свою
очередь, стимулирует научные исследования. Здесь мож
но говорить о положительной обратной связи в масшта
бах целой области человеческой деятельности. Результа
том является стремительное проникновение силовой
электроники в самые различные области техники.
Особенно быстрое распространение устройств силовой
электроники началось после создания силовых полевых
транзисторов и IGBT.
Этому предшествовал достаточно длительный период,
когда основным силовым полупроводниковым прибором
был незапираемый тиристор, созданный в 50 е годы про
шлого столетия. Незапираемые тиристоры сыграли выда
ющуюся роль в развитии силовой электроники и широко
используются в наше время. Но невозможность выключе
ния с помощью импульсов управления часто затрудняет их
применение. Десятилетия разработчикам силовых уст
ройств приходилось смиряться с этим недостатком, ис
www.phoenixbooks.ru
601
Силовая электроника
пользуя в ряде случаев довольно сложные узлы силовых
схем для выключения тиристоров.
Широкое распространение тиристоров обусловило по
пулярность возникшего в то время термина «тиристорная
техника», который использовали в том же смысле, что и
термин «силовая электроника».
Разработанные в указанный период силовые биполяр
ные транзисторы нашли свою область применения, но ра
дикально ситуацию в силовой электронике не изменили.
Только с появлением силовых полевых транзисторов и
IGBT в руках инженеров оказались полностью управляе
мые электронные ключи, приближающиеся по своим
свойствам к идеальным. Это резко облегчило решение
самых различных задач по управлению мощными элект
рическими процессами.
Наличие достаточно совершенных электронных клю
чей дает возможность не только мгновенно подключать
нагрузку к источнику постоянного или переменного на
пряжения и отключать ее, но и формировать для нее очень
большие сигналы тока или напряжения практически лю
бой требуемой формы.
Наиболее распространенными типовыми устройствами
силовой электроники являются:
• бесконтактные переключающие устройства пере
менного и постоянного тока (прерыватели), пред
назначенные для включения или выключения на
грузки в цепи переменного или постоянного тока и,
иногда, для регулирования мощности нагрузки;
• выпрямители, преобразующие переменное напря
жение в напряжение одной полярности (однонап
равленное);
• инверторы, преобразующие постоянное напряжение
в переменное;
• преобразователи частоты, преобразующие перемен
ное напряжение одной частоты в переменное напря
жение другой частоты;
www.phoenixbooks.ru
Электроника
602
• преобразователи постоянного напряжения (конвер
торы), преобразующие постоянное напряжение од
ной величины в постоянное напряжение другой ве
личины;
• преобразователи числа фаз, преобразующие пере
менное напряжение с одним числом фаз в перемен
ное напряжение с другим числом фаз (обычно од
нофазное напряжение преобразуется в трехфазное
или трехфазное — в однофазное);
• компенсаторы (корректоры коэффициента мощно
сти), предназначенные для компенсации реактив
ной мощности в питающей сети переменного на
пряжения и для компенсации искажений формы
тока и напряжения.
По существу устройства силовой электроники выпол
няют преобразование мощных электрических сигналов.
Поэтому силовую электронику называют также преобра
зовательной техникой.
Устройства силовой электроники, как типовые, так и
специализированные, используются во всех областях тех
ники и практически в любом достаточно сложном науч
ном оборудовании.
В качестве иллюстрации укажем некоторые объекты, в
которых устройства силовой электроники выполняют важ
ные функции:
• электропривод (регулирование скорости и момента
вращения и др.);
• установки для электролиза (цветная металлургия,
химическая промышленность);
• электрооборудование для передачи электроэнергии
на большие расстояния на постоянном токе;
• электрометаллургическое оборудование (электро
магнитное перемешивание металла и др.);
• электротермические установки (индукционный на
грев и др.);
• электрооборудование для зарядки аккумуляторов;
www.phoenixbooks.ru
603
Силовая электроника
• компьютеры;
• электрооборудование автомобилей и тракторов;
• электрооборудование самолетов и космических ап
паратов;
• устройства радиосвязи;
• оборудование для телевещания;
• устройства для электроосвещения (питание люми
несцентных ламп и др.);
• медицинское электрооборудование (ультразвуковая
терапия и хирургия и др.);
• электроинструмент;
• устройства бытовой электроники.
Развитие силовой электроники изменяет и сами под
ходы к решению технических задач. К примеру, создание
силовых полевых транзисторов и IGBT существенно спо
собствует расширению области применения индукторных
двигателей, которые в ряде областей вытесняют коллек
торные двигатели.
Существенным фактором, благотворно влияющим на
распространение устройств силовой электроники, являют
ся успехи информативной электроники и, в частности,
микропроцессорной техники. Для управления мощными
электрическими процессами используются все более
сложные алгоритмы, которые могут быть рационально
реализованы только при применении достаточно совер
шенных устройств информативной электроники.
Эффективное совместное использование достижений
силовой и информативной электроники дает действитель
но выдающиеся результаты.
Существующие устройства для преобразования электри
ческой энергии в энергию другого вида при непосредствен
ном использовании полупроводниковых приборов еще не
имеют большой выходной мощности. Однако и здесь по
лучены обнадеживающие результаты.
Полупроводниковые лазеры превращают электричес
кую энергию в энергию когерентного излучения в ультра
www.phoenixbooks.ru
Электроника
604
фиолетовом, видимом и в инфракрасном диапазонах. Эти
лазеры были предложены в 1959 г., а впервые реализова
ны на основе арсенида галлия (GaAs) в 1962 г.
Лазеры на основе полупроводников отличаются высо
ким коэффициентом полезного действия (выше 10 %) и
большим сроком службы. Их применяют, к примеру, в
инфракрасных прожекторах.
Сверхъяркие светодиоды белого свечения, появивши
еся в 90 х годах прошлого века, уже используются в ряде
случаев для освещения вместо ламп накаливания. Свето
диоды существенно более экономичны и имеют значи
тельно больший срок службы. Предполагается, что область
применения светодиодных светильников будет быстро
расширяться.
4.2. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ
К ПОСТРОЕНИЮ СИЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Изучать конкретные устройства силовой электроники
проще, если знать общие подходы к их созданию. Есте
ственно, эти знания будут также способствовать разработ
ке новых схем и конструкций.
Общие подходы являются воплощением результатов
теоретических исследований и опыта многих квалифици
рованных специалистов и достойны внимательного рас
смотрения.
Одной из важнейших задач при разработке силовых уст
ройств является повышение коэффициента полезного дей
ствия. Такие устройства потребляют значительную мощ
ность. Поэтому даже небольшое увеличение этого
коэффициента дает большую экономию электроэнергии.
Устройства с меньшим коэффициентом очень часто не
конкурентоспособны.
www.phoenixbooks.ru
Электроника
692
Использование этих параметров дает возможность оцени
вать шумовые свойства электронных устройств.
Использование функциональных блоков. Отдельные узлы
электронного устройства могут моделироваться как фун
кциональные блоки, описываемые передаточными функ
циями. Нелинейные передаточные функции могут зада
ваться как аналитически, так и в табличной форме.
Параметрический синтез (параметрическая оптимиза
ция). Для конкретной схемы электронного устройства про
граммная система может осуществить поиск наилучшего
соотношения параметров элементов схемы в соответствии
с заданной целевой функцией. Параметрический синтез
позволяет создавать устройства электроники, обладающие
наивысшими технико экономическими показателями.
Структурный синтез. Схемы электронных устройств
отдельных классов (в частности, активных фильтров) мо
гут создаваться в автоматизированном режиме в соответ
ствии с заданными требованиями.
Создание математических моделей элементов. Системы
моделирования комплектуются программами, обеспечиваю
щими получение в автоматизированном режиме математичес
ких моделей элементов электронных схем. При этом исполь
зуются справочные данные, характеризующие эти элементы.
На рис. 5.9 приведен пример графика зависимости ко
эффициента β транзистора от тока коллектора, который
строится по точкам, задаваемым пользователем на осно
ве справочных данных.
Проектирование печатных плат. В последнее время
появились программные системы (Design Center 6.2,
Design Lab 8.0), обеспечивающие, кроме моделирования
электромагнитных процессов, также и проектирование
печатных плат электронных устройств. Ранее для этого
проектирования использовались специализированные
программы разработки печатных плат (P CAD, OrCAD),
которые не осуществляли моделирования этих процессов.
Таким образом, в настоящее время в распоряжении раз
работчика имеются системы сквозного проектирования,
обеспечивающие выполнение всех основных этапов раз
работки устройств электроники.
www.phoenixbooks.ru
693
Современные подходы к анализу и синтезу ЭУ
Рис. 5.9
5.4. ВЛИЯНИЕ РАЗВИТИЯ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
НА ХАРАКТЕР ТРУДА РАЗРАБОТЧИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Для продуктивной работы по созданию устройств элек
троники важно осознать, что достижения математического
моделирования электронных схем в очень сильной степе
ни изменили характер работы современного специалиста.
Теперь эффективность его деятельности непосредственно
зависит от уровня подготовки в области моделирования.
Уже можно утверждать, что без овладения основами ма
тематического моделирования практически нельзя наде
яться на получение результатов, составляющих конкурен
цию результатам работы тех специалистов, которые
хорошо освоили моделирование.
www.phoenixbooks.ru
Электроника
698
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................. 3
Введение .............................................................................. 6
1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ ......................... 11
1.1. Полупроводниковые диоды ........................................ 11
1.1.1. Краткое описание полупроводниковых материалов ... 11
1.1.2. Устройство и основные физические процессы .......... 13
1.1.3. Характеристики и параметры полупроводникового
диода .............................................................................. 29
1.1.4. Использование вольт амперной характеристики
диода для определения его режима работы ............... 36
1.1.5. Математические модели диодов и их использование
для анализа электронных схем ................................... 38
1.1.6. Разновидности полупроводниковых диодов .............. 41
1.1.7. Классификация и система обозначений .................... 49
1.2. Биполярные транзисторы .......................................... 54
1.2.1. Устройство и основные физические процессы .......... 55
1.2.2. Характеристики и параметры ...................................... 59
1.2.3. Математические модели биполярного транзистора ... 70
1.2.4. Анализ схем с транзисторами ...................................... 76
1.2.5. Три схемы включения транзистора с ненулевым
сопротивлением нагрузки ........................................... 79
1.2.6. h параметры транзистора ............................................ 82
1.2.7. Временные диаграммы токов транзистора при его
вхождении в активный режим работы и частотные
(динамические) свойства ............................................. 84
1.2.8. Классификация и система обозначений .................... 87
1.3. Полевые транзисторы ................................................. 90
1.3.1. Устройство и основные физические процессы .......... 91
1.3.2. Характеристики и параметры ...................................... 94
1.3.3. Математические модели полевого транзистора ....... 101
1.3.4. Разновидности полевых транзисторов ..................... 104
1.3.5. Применение принципа полевого транзистора ........ 110
1.4. Тиристоры .................................................................. 113
1.4.1. Устройство и основные физические процессы ........ 113
1.4.2. Характеристики .......................................................... 119
1.4.3. Графический анализ схем с тиристорами ................. 121
1.4.4. Классификация и система обозначений .................. 122
1.5. Оптоэлектронные приборы....................................... 125
www.phoenixbooks.ru
699
Содержание
1.5.1. Общая характеристика оптоэлектронных
приборов ..................................................................... 125
1.5.2. Излучающий диод (светодиод) .................................. 126
1.5.3. Фоторезистор .............................................................. 131
1.5.4. Фотодиод ..................................................................... 133
1.5.5. Фототранзистор и фототиристор .............................. 136
1.5.6. Оптрон (оптопара) ...................................................... 137
1.5.7. Разновидности индикаторов ...................................... 138
1.6. Операционные усилители ......................................... 140
1.6.1. Краткое описание операционного усилителя .......... 141
1.6.2. Передаточная характеристика ................................... 144
1.6.3. Влияние различных факторов на выходное
напряжение операционного усилителя .................... 148
1.6.4. Амплитудно частотная, фазочастотная
характеристики операционного усилителя
и его эквивалентная схема ........................................ 151
1.7. Интегральные микросхемы ....................................... 154
1.8. Силовые (мощные) полупроводниковые приборы .... 157
1.8.1. Силовые (мощные) биполярные транзисторы ........ 157
1.8.2. Силовые (мощные) полевые транзисторы ............... 172
1.8.3. IGBT – биполярный транзистор с изолированным
затвором ...................................................................... 181
1.8.4. SIT – транзистор со статической индукцией ........... 189
1.8.5. Сравнительная характеристика силовых
полупроводниковых приборов .................................. 193
2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ....... 196
2.1. Классификация, основные параметры
и характеристики усилителей ................................... 196
2.2. Обратная связь в усилителях ..................................... 204
2.2.1. Классификация обратных связей в усилителях ....... 205
2.2.2. Анализ влияния отрицательной обратной связи
на примере последовательной обратной связи
по напряжению .......................................................... 206
2.2.3. Разновидности отрицательных обратных связей
и анализ их влияния .................................................. 215
2.3. Усилители на биполярных транзисторах ................. 217
2.3.1. Режимы работы транзистора в усилителе ................ 217
2.3.2. Усилитель с эмиттерной стабилизацией ................... 222
2.4. Усилители на полевых транзисторах ........................ 232
2.5. Линейные схемы на основе операционных
усилителей (ОУ) ........................................................ 233
www.phoenixbooks.ru
Электроника
700
2.5.1. Инвертирующий усилитель на основе ОУ ............... 235
2.5.2. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ ............ 237
2.5.3. Повторитель напряжения на основе ОУ .................. 240
2.5.4. Сумматор напряжений (инвертирующий
сумматор) .................................................................... 241
2.5.5. Вычитающий усилитель (усилитель
с дифференциальным входом) .................................. 242
2.5.6. Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ .... 244
2.6. Усилители постоянного тока .................................... 246
2.6.1. Дифференциальный усилитель на биполярных
транзисторах ............................................................... 249
2.6.2. Усилитель постоянного тока с модуляцией
и демодуляцией (усилитель типа МДМ) .................. 254
2.7. Усилители мощности (мощные выходные
усилители).................................................................. 256
2.7.1. Трансформаторные усилители мощности ................ 260
2.7.2. Бестрансформаторные усилители мощности ........... 264
2.8. Активные фильтры .................................................... 267
2.8.1. Общее математическое описание фильтров ............. 269
2.8.2. Классификация фильтров по виду их амплитудно
частотных характеристик .......................................... 276
2.8.3. Классификация фильтров по особенностям
полиномов, входящих в передаточные функции .... 281
2.8.4. Особенности проектирования активных фильтров .... 283
2.8.5. Схемы активных фильтров ........................................ 284
2.9. Генераторы гармонических колебаний..................... 287
2.9.1. RC генераторы с мостом Вина .................................. 289
2.9.2. Кварцевые генераторы ............................................... 293
2.10. Вторичные источники питания .............................. 295
2.10.1. Выпрямители ............................................................. 298
2.10.2. Сглаживающие фильтры .......................................... 307
2.10.3. Стабилизаторы напряжения .................................... 313
2.10.4. Инверторы, умножители напряжения
и управляемые выпрямители .................................... 322
3. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ..................................... 327
3.1. Импульсный режим работы и цифровое
представление преобразуемой информации ........... 327
3.1.1. Описание импульсных сигналов ............................... 328
3.1.2. Анализ переходных процессов (динамических
режимов) в импульсных схемах ................................ 331
www.phoenixbooks.ru
701
Содержание
3.1.3. Цифровое представление преобразуемой
информации и логические состояния.
Аналоговые и цифровые ключи ............................... 335
3.1.4. Цифровые ключи на биполярных транзисторах ...... 338
3.1.5. Ненасыщенные цифровые ключи на биполярных
транзисторах ............................................................... 345
3.1.6. Аналоговые коммутаторы (аналоговые ключи)
на биполярных транзисторах .................................... 347
3.1.7. Ключи на полевых транзисторах ............................... 353
3.2. Логические функции и алгебра логики
(булева алгебра) ......................................................... 361
3.2.1. Логические функции и способы их записи .............. 361
3.2.2. Основы алгебры логики ............................................. 366
3.2.3. Минимизация логических функций ......................... 367
3.2.4. Реализация логических функций .............................. 375
3.2.5. Особенности построения логических устройств ..... 380
3.3. Логические элементы ................................................ 384
3.3.1. Классификация и основные параметры ................... 384
3.3.2. Особенности выходных каскадов цифровых
микросхем ................................................................... 387
3.3.3. Преобразователи уровня сигналов и шинные
формирователи ........................................................... 390
3.3.4. Схемотехника логических элементов различных
логик ............................................................................ 394
3.3.5. Сравнительные характеристики логических
элементов и их особенности ..................................... 404
3.4. Комбинационные цифровые устройства ................. 407
3.4.1. Шифраторы, дешифраторы и преобразователи
кодов ............................................................................ 407
3.4.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ..................... 419
3.4.3. Сумматоры .................................................................. 429
3.4.4. Цифровые компараторы ............................................ 435
3.5. Последовательностные цифровые устройства ......... 437
3.5.1. Триггеры ...................................................................... 437
3.5.2. Счетчики импульсов .................................................. 450
3.5.3. Регистры ...................................................................... 458
3.6. Цифровые запоминающие устройства ..................... 464
3.6.1. Общая характеристика устройств .............................. 464
3.6.2. Структуры запоминающих устройств ....................... 465
3.6.3. Оперативные запоминающие устройства ................. 469
3.6.4. Постоянные запоминающие устройства .................. 472
www.phoenixbooks.ru
Электроника
702
3.6.5. Флэш память .............................................................. 480
3.6.6. Использование ПЗУ для реализации цифровых
устройств ..................................................................... 481
3.7. Программируемые логические интегральные
схемы .......................................................................... 484
3.7.1. Основные сведения, классификация и области
применения ................................................................ 484
3.7.2. Программируемые логические матрицы .................. 487
3.7.3. Программируемая матричная логика ....................... 492
3.7.4. Базовые матричные кристаллы ................................. 493
3.7.5. Программируемые вентильные матрицы ................. 495
3.7.6. Программируемые коммутируемые матричные
блоки ........................................................................... 498
3.7.7. ПЛИС комбинированной архитектуры
и типа «система на кристалле» .................................. 501
3.8. Арифметические устройства ..................................... 504
3.8.1. Последовательный сумматор ..................................... 504
3.8.2. Накапливающий сумматор ........................................ 506
3.8.3. Двоичные умножители ............................................... 508
3.8.4. Двоичное деление ....................................................... 514
3.8.5. Арифметико логическое устройство ........................ 514
3.9. Устройства для ограничения и аналого цифрового
преобразования сигналов ......................................... 520
3.9.1. Амплитудные ограничители ...................................... 520
3.9.2. Цифроаналоговые преобразователи ......................... 530
3.9.3. Аналого цифровые преобразователи ........................ 540
3.9.4. Устройства выборки и хранения аналоговых
сигналов ...................................................................... 560
3.10. Генераторы импульсных сигналов .......................... 565
3.10.1. Генераторы прямоугольных импульсов .................. 565
3.10.2. Генераторы линейно изменяющегося
напряжения ................................................................ 576
3.11. Формирователи импульсов ..................................... 588
3.11.1. Триггер Шмитта ........................................................ 588
3.11.2. Устройства задержки импульсов ............................. 593
3.11.3. Формирователи импульсов по длительности ......... 595
4. СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ........................................ 599
4.1. Силовая электроника в современном мире ............. 599
4.2. Общие подходы к построению силовых
электронных устройств ............................................. 604
www.phoenixbooks.ru
703
Содержание
4.3. Бесконтактные переключающие устройства
(прерыватели) ............................................................ 616
4.3.1. Прерыватели переменного тока ................................ 616
4.3.2. Прерыватели постоянного тока ................................ 629
4.4. Управляемые выпрямители ....................................... 633
4.4.1. Управляемый однофазный мостовой выпрямитель ... 634
4.4.2. Управляемый трехфазный мостовой выпрямитель .... 641
4.5. Инверторы ................................................................. 649
4.5.1. Однофазный мостовой автономный параллельный
инвертор тока ............................................................. 651
4.5.2. Зависимые инверторы ................................................ 656
4.5.3. Автономные инверторы напряжения на IGBT ........ 658
4.6. Преобразователи частоты.......................................... 664
4.6.1. Преобразователи частоты с промежуточным
звеном постоянного тока .......................................... 665
4.6.2. Преобразователи частоты с непосредственной
связью .......................................................................... 667
4.7. Преобразователи постоянного напряжения
(импульсные преобразователи напряжения) ........... 669
4.7.1. Общее описание преобразователей постоянного
напряжения ................................................................ 669
4.7.2. Основные схемотехнические решения,
использующиеся в преобразователях постоянного
напряжения ................................................................ 671
4.8. Системы управления и защиты устройств силовой
электроники .............................................................. 676
5. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ
И СИНТЕЗУ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ............ 680
5.1. Вводные сведения по математическому
моделированию электронных устройств ................. 680
5.2. Особенности математического моделирования
различных режимов работы электронных
устройств .................................................................... 683
5.3. Уровень современных систем математического
моделирования электронных устройств .................. 690
5.4. Влияние развития математического
моделирования на характер труда разработчика
электронных устройств ............................................. 693
Литература ........................................................................ 697
www.phoenixbooks.ru
Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Âÿ÷åñëàâ Èâàíîâè÷ Ëà÷èí,
Íèêîëàé Ñåìåíîâè÷ Ñàâ¸ëîâ
ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Ответственный редактор И. Жиляков
Технический редактор Л. Багрянцева
Обложка А. Пащенко
Корректоры Н. Никанорова, Т. Лазарева
Подписано в печать 15.07.2010.
Формат 84х108 1/32. Бумага офсетная.
Гарнитура NewtonC. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 36,96. Уч. изд. л. 38,72. Тираж 2500 экз.
Заказ №
ООО «Феникс»
344082, г. Ростов на Дону, пер. Халтуринский, 80.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ЗАО «Книга».
344019, г. Ростов на Дону, ул. Советская, 57.
www.phoenixbooks.ru
Автор
phoenixbooks
Документ
Категория
Методические пособия
Просмотров
1 243
Размер файла
147 Кб
Теги
phoenixbooks, www, www.phoenixbooks.ru, Книги издательства Феникс
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа