Электротехника и электроника лабораторный практикум по электронике куприянов смородинов
В учебном пособии рассмотрены основные свойства линейных электрических цепей, электромагнитные процессы в них и инженерные методы расчета. Рассмотрены цепи однофазного, трехфазного и несинусоидального тока, четырехполюсники и электрические фильтры, цепи с распределенными параметрами, переходные процессы и синтез электрических цепей. Каждая глава снабжена задачами и вопросами для самопроверки. Рассмотрен машинный метод расчета электрических цепей.
Учебное пособие предназначено для студентов университетов и технических вузов, обучающихся по электротехническим и радиотехническим специальностям.
В учебнике изложены основные теоретические положения, включающие принципы и методы расчетов электрических цепей постоянного, однофазного и трехфазного токов. В книге приведены примеры и задачи с развернутыми численными решениями с целью выработки навыков практических расчетов электрических цепей, необходимых для понимания и изучения проблем эффективного генерирования, распределения и использования электрической энергии.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям среднего профессионального образования, при изучении электротехники..
В пособии приведены примеры и задачи с развернутыми численными решениями с целью выработки навыков практических расчетов электрических цепей, необходимых для понимания и изучения проблем эффективного генерирования, распределения и использования электрической энергии.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям среднего профессионального образования, при изучении электротехники.
В учебном пособии рассматриваются общие методы расчета линейных и нелинейных цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами при постоянных и переменных токах в установившихся и переходных режимах, а также методы расчета полевых задач в электростатике, при постоянных и переменных токах.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по электротехническим специальностям среднего профессионального образования, при изучении электротехники.
В книге изложены основы теории электрических, электронных и магнитных цепей, рассмотрены устройство, принцип действия и характеристики электрических машин, аппаратов, электроизмерительных приборов, электронных приборов и устройств, а также основы автоматического управления электроустановками, основы электроснабжения и др.
Учебник предназначен для студентов среднего профессионального образования технических и технологических направлений подготовки.
В учебнике изложены основы теории электрических цепей, рассмотрены конструкции, принцип действия, основные характеристики электрических машин и полупроводниковых приборов и устройств.
Учебник предназначен для студентов средних специальных учебных заведений технических и технологических направлений подготовки.
Изложены содержание, краткая теория и методика лабораторных работ по предмету «Основы электротехники, электроники и автоматики» с учетом требований программы, наличия необходимого оборудования и организации рабочих мест. Приводится описание каждой работы с указанием цели, используемой аппаратуры, кратких теоретических данных, общего порядка выполнения работы и методики исследований; а также контрольные вопросы по теме и литература.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям групп специальностей «Электроника, радиотехника и системы связи», «Машиностроение» и др. среднего профессионального образования.
Пособие предназначено для практических занятий по аналоговой электронике и курсового проектирования. Подробно рассмотрены принципы работы схем на пассивных и активных элементах. Рассмотрены примеры расчетов аналоговых схем на транзисторах и операционных усилителях, используемых в современной технике: расчет усилительных каскадов на транзисторах по постоянному и переменному току, усилители на ОУ, компараторы, мультивибраторы, генераторы гармонических колебаний, ГЛИН, транзисторные ключи. Приведен расчет рекомендуемого задания по курсовой работе.
В приложениях представлены образцы заданий для контрольных и самостоятельной работ студента по каждой теме, а также примеры заданий по курсовому проектированию.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям группы «Электроника, радиотехника и системы связи» и другим направлениям среднего профессионального образования.
Для студентов заочного отделения
Вопросы к экзамену по курсу ФОЭ ч I
1. Полупроводники и их свойства. Энергетические диаграммы.
2. Примесные полупроводники.
3. Электронно-дырочный переход.
4. Прямое включение р-n перехода.
5. Обратное включение р-n перехода.
6. Вольт-амперная характеристика р-n переход.
7. Барьерная и диффузионная емкости p-n переход.
8. Полупроводниковый диод. Классификация.
9. Выпрямительные диоды. Вольт-амперная характеристика. Параметры.
10. Туннельные и обращенные диоды.
12. Лавинные диоды, стабилитроны и стабисторы.
13. Биполярные транзисторы. Принцип действия. Параметры. Схемы включения.
14. Статические характеристики биполярного транзистора.
15. Н – параметры БТ.
16. Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом. Принцип действия. Схемы включения. Характеристики.
17. Транзисторы с изолированным затвором. Принцип действия. Схемы включения. Характеристики. Параметры.
18. Тиристоры. Структура. Классификация.
19. Параметры и характеристики силовых тиристоров.
20. Вольт-амперная характеристика тиристора. Комбинированные транзисторы.
21. Принцип работы IGBT.
22. Параметры и характеристики IGBT.
23. Интегральные микросхемы. Классификация.
2. Куприянов А. С., Смородинов В. В. Электротехника и электроника. Лабораторный практикум по электронике. Изд. СПбГПУ, 2005.
3. Основы промышленной электроники / под ред. В. Г. Герасимова, М.: Высшая школа, 1986
4. Горбачев Г. М., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника, М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982.
2. Примесные полупроводники.
Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты структуры кристаллической решетки полупроводника, такие как вакансии, междуузельные атомы, дислокации.
Различают два основных вида примесей, которые используются для преднамеренного легирования полупроводников и создающих преимущественно электронный или дырочный тип проводимости. Примеси, введение которых в полупроводник создает электронный тип проводимости, называются донорными. Примесь, создающая дырочную проводимость, называется акцепторной.
3. Электронно-дырочный переход.
В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.
В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n— и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p— и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.
n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.
 |
| Рисунок 1.14.1. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p— и n-типов |
Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.
Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.
Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.
 |
| Рисунок 1.14.2. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений |
Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 1.14.4).
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.
 |
| Рисунок 1.14.3. Транзистор структуры p–n–p |
 |
| Рисунок 1.14.4. Транзистор структуры n–p–n |
Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора p–n–p-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).
Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.
 |
| Рисунок 1.14.5. Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры |
При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.
Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.
Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = Iэ – Iк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.
В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.
Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см 2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.
Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.