Основные элементы электроники

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
Среднего профессионального образования
Колледж декоративно – прикладного искусства №36
имени Карла Фаберже
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Основные элементы электроники
Для обучающихся по профессии
Мастер по обработке цифровой информации
Составитель: мастер
производственного обучения
Богомолов С.А.
Москва 2013 год
Введение
Современный мир невозможно представить без средств электроники,
которые заняли прочное место во всех сферах деятельности человека.
Телевидение, радио, спутниковая связь и навигация, мобильная связь, интернет –
эти сферы обязаны своим существованием достижениям в области электроники.
Основой любого радиоэлектронного устройства являются радиоэлементы,
которые связаны между собой определенным образом в электрические схемы,
выполняющие заданные функции.
Электроника – это область науки и техники, изучающая физические
процессы в материалах и свойства электромагнитного поля, с помощью которых
можно строить устройства различного назначения.
Отправной точкой для электроники явились работы физиков XIII-XIX веков.
Первым успехом применения электронных элементов явилось использование
ламповых триодов в телефонной связи для увеличения её дальности.
Стремление к получению информации и связи с удалёнными территориями
способствовали развитию радиосвязи. В радиосвязи передача информации
осуществляется
с
помощью
электромагнитных
волн,
которые
могут
распространяться на большие расстояния. Радиопередачи приковывали внимание
слушателей и зачастую являлись единственным источником информации. Во
время войны люди узнавали приказы главнокомандующего и положение войск на
фронтах. Большой вклад в развитие телевидения, одного из направлений
радиосвязи,
внёс
наш
соотечественник
Владимир
Козьмич
Зворыкин.
Телевидение постепенно занимало всё большую часть жизни. Оно играет
познавательную, развлекательную функцию, позволяет вести прямые трансляции
из самых удаленных точек мира, передавать дополнительные информационные
сообщения с помощью телетекста.
Одним из направлений радиосвязи является радиолокация. Радиолокация –
обнаружение и определение местоположения различных объектов с помощью
радиоволн. Радиолокаторы используются для определения расстояния и
обнаружения самолетов, кораблей, скопления облаков, локации планет, в
космических исследованиях. С помощью радиолокации определяют скорости
орбитального движения планет, а также скорости их вращения вокруг своей оси.
Толчком
развитию
радиолокации
явилась
военная
сфера,
от быстроты
обнаружения самолета противника зависит жизнь тех, кто находится на земле.
Прогресс электроники связан с изобретением транзистора в 1948 году.
Транзистор и другие полупроводниковые приборы стали активно применяться в
промышленности, бытовой технике. Устройства на основе полупроводниковых
приборов были более надежными в отличие от ламповых.
Мощным прогрессом в развитии электроники стало создание интегральных
схем, которые содержат тысячи элементов в миниатюрном корпусе. Развитие
техники, космонавтики и ядерной физики требовали создания аппаратуры с
большим числом элементов. Для проведения сложных вычислений возникла
необходимость
производства
Микроэлектроника
позволила
электронно-вычислительных
реализовать
устройства
в
машин.
миниатюрном
исполнении. Особенно важным значение миниатюризация электронных приборов
являлась для космонавтики, так как сокращение веса электронной техники
позволяло взять на борт больше продуктов первой необходимости, образцов для
исследования в космосе.
Одним из достижений электроники явилась спутниковая навигация.
Спутниковая
состоящая
навигация
из
–
комплексная
совокупности
наземного
электронно-техническая
и
космического
система,
оборудования,
предназначенная для определения местоположения и времени, а также
параметров движения (скорости и направления движения) для наземных, водных
и воздушных объектов. Теперь водителю не требуется возить с собой кучу карт и
сверяться с ними во время движения по маршруту, достаточно ввести адрес или
установить точку на карте и система покажет маршрут и будет сопровождать по
нему.
Прошло
чуть
более
тридцати
лет
после
появления
персонального
компьютера. Первые образцы обладали ограниченными функциональными
возможностями, но, тем не менее, это было прорывом в области электроники и
вычислительной техники. Современный компьютер позволяет передавать и
обрабатывать сообщения, вести видеоконференции, производить сложные
расчеты и моделирование различных физических явлений, процессов и устройств.
Главным
вычислительным
устройством
компьютера
является
процессор,
состоящий из миллионов транзисторов. Транзистор явился необходимым
«кирпичиком» для построения современных вычислительных систем.
Современный ритм жизни требует оперативного принятия решений. Развитие
мобильной связи позволило своевременно передавать сообщения и узнавать
необходимую
информацию.
Современный
мобильный
телефон
позволяет
выполнить не только функции связи, но и навигации, доступу в интернет,
использованию различных служб и сервисов.
С
помощью
элементов
электроники
человечество
научилось
преобразовывать энергию солнца в электрический ток. Солнечные батареи
становятся неотъемлемым элементом структуры питания энергоэффективного
здания, без них невозможна работа спутников. Солнечная энергия становится
одним
из
перспективных
источников
энергии
на
земле.
Повышается
эффективность и коэффициент полезного действия фотоэлементов, чтобы
преобразовать как можно больше энергии. С ростом количества произведенных
фотоэлементов постепенно понижается их стоимость, что способствует их
большему распространению.
Дальнейшее развитие элементов электроники связано с увеличением
качества передаваемых информационных сообщений, повышением скорости
передачи,
использованию
интерактивных
функциональности электронных устройств.
сервисов,
повышению
Глава 1. Основные элементы электроники
1.1. Назначение и классификация элементов электроники
Любое устройство содержит несколько элементов, которые выполняют
определенные функции. Выбор элементной базы зависит от функциональных
возможностей,
которое
должно
выполнять
устройство,
условий
эксплуатации, параметров надежности, степени миниатюризации.
Компоненты РЭА могут быть разделены на 2 принципиально различных
класса: активные и пассивные. Активные элементы – это электрические
приборы различного принципа действия и назначения, их функционирование
связано с энергией от внешнего источника питания. К активным элементам
относятся: электровакуумные приборы (ЭВП), газоразрядные приборы
(ГРП), полупроводниковые приборы (ППП), интегральные схемы (ИС).
Пассивные элементы – электрические приборы, работа которых не зависит от
внешнего
источника
питания.
К
пассивным
элементам
относят:
конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, трансформаторы.
1.2. Пассивные элементы
Конденсатор – это элемент электрической цепи, предназначенный для
использования его ёмкости. Основным свойством конденсатора является
способность преобразовывать энергию электрического тока в электрическое
поле и накапливать её. Конденсатор состоит из двух электродов, называемых
обкладками или пластинами, разделенным слоем диэлектрика. Основной
параметр конденсатора – ёмкость, единица физической величины ёмкости –
Фарад.
Технические параметры конденсатора:
1. Электрическая прочность конденсатора характеризуется значением
номинального и испытательного напряжения;
2. Сопротивление
изоляции
зависит
от
удельного
объёмного
и
поверхностного сопротивлений диэлектрика, а также от его размеров;
3. Температурная стабильность ёмкости
ТКС =
∆С
С∆𝑡
(1)
где ∆С – изменение ёмкости при изменении температуры ∆𝑡.
4. Собственная индуктивность конденсатора определяется конструкцией
выводов и обкладок;
5. Потери в конденсаторе определяются тангенсом угла диэлектрических
потерь;
6. Габариты и масса конденсатора;
7. Допустимые значения температуры окружающей среды, относительной
влажности, вибро и ударных нагрузок.
Конденсаторы классифицируются в зависимости от вида диэлектрика.
Конденсаторы постоянной емкости:
 с газообразным диэлектриком – воздушные, газонаполненные и
вакуумные; с жидким диэлектриком;
 с
твердым
неорганическим
диэлектриком
–
стеклянные
(стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные,
керамические (низкочастотные и высокочастотные), тонкослойные из
неорганических пленок;
 с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные,
пленочные
(из
неполярных
комбинированные
–
пленок
и
из
бумажно-пленочные,
полярных
пленок),
тонкослойные
из
органических синтетических пленок (тонкопленочные);
 электролитические (оксидные): алюминиевые, танталовые, ниобиевые,
титановые, эти конденсаторы можно также различать по типу
конструкции
на
жидкостные,
сухие,
полупроводниковые) и оксидно-металлические.
Конденсаторы переменной ёмкости:
твердые
(оксидно-
 с механическим управлением величиной емкости, с газообразным
диэлектриком: воздушные, газонаполненные, вакуумные; с жидким
диэлектриком;
 с твердым диэлектриком: керамические, стеклянные, пластмассовые;
 с
электрическим
управлением
величиной
емкости
–
сегнетокерамические (вариконды) и полупроводниковые (варикапы).
Керамические конденсаторы. Основой конструкции является заготовка
из керамики, на две стороны которой нанесены металлические обкладки.
Хорошее
сцепление
обкладок
с
керамикой,
медленное
старение
обеспечивают малое значение коэффициента температурной нестабильности
ёмкости. Конденсаторы используются в качестве термокомпенсирующих,
блокировочных и разделительных. Керамические конденсаторы могут иметь
ёмкость от сотен до тысяч пФ. Рабочая температура лежит в пределах от -60
до 155°С. Керамические конденсаторы имеют малые потери и высокое
сопротивление изоляции.
Стеклянные конденсаторы. Конденсатор состоит из тонких слоёв
соответствующего материала, на которые нанесены электроды в виде тонких
плёнок, этот набор спекают при высокой температуре. Отличительной чертой
стеклянных
конденсаторов
является
их
высокая
теплостойкость,
эксплуатируют при температурах от 150 до 300°С. Диэлектриком в
стеклоэмалевых конденсаторах служат тонкие слои стеклоэмали толщиной в
несколько десятков мкм. Благодаря высокой электрической прочности
удается получить конденсаторы с высоким рабочим напряжением при
небольших габаритах. Ёмкость конденсаторов составляет тысячи пФ.
Стеклянные конденсаторы имеют малые потери, большое сопротивление
изоляции.
Бумажные конденсаторы имеют ёмкость от сотен пФ до единиц мкФ.
Изготавливаются из двух длинных, свёрнутых в рулон лент фольги,
изолированной специальной конденсаторной бумагой в несколько слоёв.
Данные конденсаторы пропитывают специальным составом для повышения
электрической прочности, диэлектрической проницаемости, для уменьшения
старения.
Важным
свойством
металлобумажных
конденсаторов
является
способность восстанавливать электрическую прочность после пробоя.
Конденсаторы целесообразно использовать в качестве шунтирующих,
фильтровых, разделительных.
Плёночные конденсаторы имеют в качестве диэлектрика тонкие плёнки
из различных материалов (полистирола, фторопласта), а также лаковые
плёнки. Имеют большое сопротивление изоляции, малую абсорбцию,
работают при температурах до 200°С.
Лакоплёночные конденсаторы имеют наибольшую ёмкость на единицу
объёма,
обкладка
выполняется
методом
металлизации.
Плёночные
конденсаторы применяются вместо бумажных, где требуются малые
габариты.
Электролитические конденсаторы имеют в качестве диэлектрика
тонкий слой оксидной плёнки, нанесённой на алюминиевую или танталовую
пластину, вторым электродом является электролит. Оксидированная фольга –
положительный электрод, неоксидированная фольга плотно прилегает к
электролиту – отрицательный электрод. Имеют ёмкость до тысяч мкФ.
Чип-конденсаторы обладают миниатюрным размером. Имеют ёмкости
от единиц до тысяч пФ. Номинал таких конденсаторов определяется цветом
корпуса. Существует несколько типоразмеров чип-конденсаторов:
Ёмкость переменного конденсатора изменяется за счёт изменения
площади взаимного перекрытия пластин. В таких конденсаторах одну группу
пластин (статор) делают неподвижной, а другой группе (ротору) сообщают
вращательные движения.
Параметры конденсаторов переменной ёмкости:
1. номинальное значение минимальной и максимальной ёмкости;
2. допустимое отклонение от номинала для минимальной и максимальной
ёмкости;
3. угол поворота ротора;
4. закон изменения ёмкости от изменения угла поворота ротора;
5. число секций (число конденсаторов, роторы которых закреплены на
одной оси).
Конденсатор обозначается на электрической принципиальной схеме в
виде двух параллельных линий (рис. 1).
Рис. 1. Обозначение конденсатора на принципиальных электрических схемах
Для маркировки конденсатора используется буквенно-цифровой код.
Величина ёмкости в мкФ обозначается МФ или μF, нФ – НФ или NF, пФ – P
или PF, если букв в обозначении нет, то ёмкость соответствует пФ.
Примеры: 10 μF – 10 мкФ, М15 – 0,15мкФ, 15Н – 15 нФ, 104 –
100000пФ=100нФ.
В качестве примера конструкции рассмотрим конденсатор К22-5.
Данный конденсатор относится к стеклокерамическим конденсаторам,
предназначенным
для
работы
в
цепях
постоянного,
переменного,
пульсирующего и импульсного тока. Конструктивно К22-5 является
изолированным конденсатором с однонаправленными выводами (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция конденсатора К22-5
Резистор – это элемент электрической цепи, предназначенный для
использования его электрического сопротивления. Основной параметр
резистора – сопротивление, единица физической величины сопротивления –
Ом.
Параметры резисторов:
1. допустимая мощность рассеяния (от 0,125 до сотни Вт);
2. класс точности (от десятых долей процента до 20 %);
3. температурный коэффициент сопротивления:
𝑇𝐾𝑅 =
∆𝑅
𝑅∆𝑡
(2)
где ∆𝑅 – изменение сопротивления при изменении температуры ∆𝑡.
4. паразитные ёмкости и индуктивности;
5. тепловой коэффициент шума;
6. габариты, масса резистора.
В зависимости от назначения резисторы делятся на резисторы общего
назначения
и
специальные
(прецизионные
и
сверхпрецизионные,
высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные).
Резисторы общего назначения используются в качестве различных
нагрузок, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильтров,
шунтов, в цепях формирования импульсов.
Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются высокой
стабильностью параметров при эксплуатации и большой точностью
изготовления (допуск от i±0,0005 до 0,5%). Применяются они в основном в
измерительных приборах, в различных счетно-решающих устройствах,
вычислительной технике и системах автоматики.
Высокочастотные
резисторы
отличаются
малой
собственной
индуктивностью и емкостью, используются в высокочастотных цепях,
кабелях и волноводах радиоэлектронной аппаратуры в качестве согласующих
нагрузок, аттенюаторов, направленных ответвителей, эквивалентов антенн.
Непроволочные высокочастотные резисторы способны работать на частотах
до сотен мегагерц и более, а высокочастотные проволочные – до сотен
килогерц.
Высоковольтные
резисторы
рассчитаны
на
большие
рабочие
напряжения (от Единиц до десятков киловольт). Применяются они в качестве
делителей напряжения, искрогасителей, поглотителей, в зарядных и
разрядных высоковольтных цепях.
Высокомегаомные
резисторы
имеют
диапазон
номинальных
сопротивлений от десятков мегаом до единиц ТОм и рассчитываются на
небольшие рабочие напряжения (100...400 В). Высокомегаомные резисторы
применяют в электрических цепях с малыми токами, в приборах ночного
видения, дозиметрах и в измерительной аппаратуре.
В зависимости от способа монтажа в аппаратуре как постоянные, так и
переменные резисторы могут выполняться для печатного и навесного
монтажа, а также для микромодулей и микросхем или для сопряжения с
ними. Выводы резисторов для навесного монтажа могут быть жесткие или
мягкие, аксиальные или радиальные из проволоки круглого сечения или
ленты в виде лепестков. У резисторов, применяемых в составе микросхем и
микромодулей, а также у СВЧ резисторов в качестве выводов могут
использоваться части их поверхности.
В зависимости от способа защиты от внешних воздействующих
факторов
резисторы
конструктивно
выполняются:
изолированными,
неизолированными, герметизированными и вакуумными.
Неизолированные резисторы (с покрытием или без покрытия) не
допускают
касания
изолированные
своим
резисторы
корпусом
имеют
шасси
достаточно
аппаратуры.
хорошее
Напротив,
изоляционное
покрытие (лаки, компаунды, пластмассы) и допускают касания корпусом
шасси или токоведущих частей аппаратуры.
Герметизированные резисторы имеют герметичную конструкцию
корпуса, которая исключает возможность влияния окружающей среды на его
внутреннее пространство.
В зависимости
от материала резистивного
элемента резисторы
разделяют на следующие группы: проволочные с резистивным элементом из
волоченой или литой проволоки с высоким удельным сопротивлением;
непроволочные; металлофольговые с резистивным элементом из фольги
определенной конфигурации, нанесенной на изолированное основание.
Непроволочные резисторы делятся на тонкопленочные (толщина слоя –
нанометры), толстопленочные (толщина слоя – доли миллиметра), объемные
(толщина слоя – единицы миллиметров).
Тонкопленочные
металлодиэлектрические,
резисторы
подразделяются
металлоокисные
и
на
металлизированные
с
резистивным элементом в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика
и металла или тонкой пленки окиси металла, или сплава металла;
углеродистые
и
боро-углеродистые,
проводящий
элемент
которых
представляет собой пленку пиролитического углерода или борорганических
соединений.
К толстопленочным резисторам относят лакосажевые, керметные и
резисторы на основе проводящих пластмасс. Проводящие резистивные слои
толстопленочных резисторов представляют собой гетерогенную систему
(композицию) из нескольких фаз, получаемую механическим смешением
проводящего компонента, например графита или сажи, металла или окисла
металла, с органическими или неорганическими связующими (смолы,
стеклоэмали), наполнителем, пластификатором и отвердителем. После
соответствующей термообработки образуется гетерогенный монолитный
слой с необходимым комплексом резистивных параметров.
Объемные резисторы могут быть с органическим и неорганическим
связующим диэлектриком.
Чип-резисторы получили распространение во многих устройствах
вычислительной техники, устройствах компактных размеров. Они обладают
миниатюрным размером. Резистор не имеет гибких выводов, монтаж
резистора производится пайкой его металлизированных торцов на плату,
имеющую две контактные площадки под типоразмер резистора. Например,
резистор типоразмера 0603 имеет следующие параметры: длина – 1,6 мм,
ширина – 0,8 мм, высота – 0,45 мм. Чип-резисторы выпускаются с
номиналом до 10 МОм. Точность чип-резисторов составляет от 0,5 до 5%.
Резистор обозначается на электрической принципиальной схеме в виде
прямоугольника (рис. 3).
Рис. 3. Обозначение резистора на принципиальных электрических схемах
Рассмотрим 2 примера конструкции: проволочного огнестойкого
резистора(рис. 4) и чип-резистора(рис. 5).
Рис. 4. Конструкция огнестойкого резистора
Рис. 5. Конструкция чип-резистора
Маркировка резистора выполняется двумя способами: цветными
полосами и буквенно-цифровым кодом. В случае использование цветных
полос служат таблицы для определения номинала сопротивления, цвет
полосы
определяет
порядок
сопротивления.
При
использовании
отечественных резисторов используется следующая система. Буква Е
означает сопротивление в Омах, буква К - сопротивление в КОм, буква М –
сопротивление в МОм. Если число стоит до буквы, то оно указывает целую
часть сопротивления, число после буквы – дольную часть величины
сопротивления.
Примеры: Е10 (R=0,1 Ом), 10Е (R=10 Ом), 5Е1 (R=5,1 Ом);
К22 (R=220 Ом), 1К3 (R=1,3 КОм), 10К (R=10 КОм);
М20 (R=200 КОм), 2М2 (R=2,2 МОм).
Индуктивная
предназначенный
свойством
катушка
для
элемента
–
это
использования
является
элемент
его
способность
электрической
индуктивности.
преобразовывать
цепи,
Основным
энергию
электрического тока в энергию магнитного поля.
По назначению катушки индуктивности можно разделить на четыре
группы:
1. катушки контуров;
2. катушки связи;
3. дроссели высокой частоты;
4. дроссели низкой частоты.
По конструктивному признаку катушки могут быть разделены на
однослойные и многослойные; цилиндрические, спиральные и тороидальные;
экранированные и неэкранированные; катушки без сердечников и катушки с
сердечниками.
Катушки индуктивности характеризуются следующими основными
параметрами: индуктивностью и точностью, добротностью, собственной
емкостью и стабильностью.
Основной параметр катушки индуктивности – индуктивность, единица
физической величины индуктивности – Генри.
Однослойные катушки применяются на частотах выше 1500 КГц.
Намотка может быть сплошная и с принудительным шагом. Однослойные
катушки с принудительным шагом отличаются высокой добротностью
(Q=150...400) и стабильностью. Применяются в основном в контурах
коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волн. Высокостабильные катушки,
применяемые в контурах гетеродинов на KB и УКВ, наматываются при
незначительном натяжении проводом, нагретым до 80...120 °С.
Для катушек с индуктивностью выше 15...20 мкГн применяется
сплошная однослойная намотка. Целесообразность перехода на сплошную
намотку определяется диаметром катушки.
В общем случае индуктивность катушки зависит от конструкции:
размеров и формы каркаса, диаметра намоточного провода, числа витков и
способа намотки, материала сердечника.
Многослойные катушки разделяются на простые и сложные. Примерами
простых намоток являются рядовая многослойная намотка и намотка "кучей"
(или в навал). Несекционированные многослойные катушки с простыми
намотками
отличаются
пониженной
добротностью
и
стабильностью,
большой собственной емкостью, требуют применения каркасов.
Дросселем высокой частоты называют катушки индуктивности,
используемые в цепях питания в качестве фильтрующих элементов.
Индуктивность дросселя должна быть достаточно большой, а собственная
емкость – малой. Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в
виде однослойных или многослойных катушек.
Индуктивная катушка обозначается на электрической принципиальной
схеме в виде витков (рис. 6).
Рис. 6. Обозначение катушки индуктивности на принципиальных электрических
схемах
Трансформатор – это элемент электрической цепи, предназначенный
для получения различных значений напряжений. Трансформатор состоит из
первичной обмотки, на которую подаётся переменное напряжение и
вторичной обмотки, питающей различные электрические цепи. Существуют
повышающие и понижающие трансформаторы.
Принцип работы трансформатора основан на явлении самоиндукции.
Изменение переменного тока в первичной обмотке трансформатора
сопровождается изменением магнитного потока (потока самоиндукции),
следовательно,
и
потокосцепления
самоиндукции
(сумма
потоков
самоиндукции всех витков), возникает электродвижущая сила (ЭДС)
самоиндукции.
определенным
Вторичная
значением
обмотка
представляет
индуктивности,
собой
возникает
витки
взаимное
с
ЭДС
самоиндукции (пропорциональное скорости изменения тока в первичной
обмотке), создается магнитный поток, который в свою очередь создает ток во
вторичной обмотке. ЭДС самоиндукции встречно току первичной обмотки
трансформатора:
eL = −L ∙
di
(3)
dt
Немаловажную роль в образовании ЭДС самоиндукции играет
сердечник
из
магнитного
материала
(магнитопровод).
Магнитная
проницаемость магнитопровода способствует увеличению индуктивности
катушки.
Типы магнитопроводов: стержневой, броневой, кольцевой.
При
использовании
броневого
магнитопровода
все
обмотки
трансформатора размещают на одной катушке, которую надевают на средний
стержень магнитопровода. При использовании стержневого магнитопровода
на двух его стрежнях располагаются две катушки. В маломощных силовых
низкочастотных трансформаторах используется броневой сердечник, так как
применение одной катушки упрощает конструкцию и позволяет получить
максимальный коэффициент заполнения окна магнитопровода медью.
Стержневую конструкцию используют для трансформаторов большой и
средней мощности, наличие 2 катушек увеличивает площадь теплоотдачи и
улучшает
тепловой
режим
обмоток.
Преимуществом
стержневой
конструкции является слабое внешнее магнитное поле, так как поля двух
катушек направлены навстречу друг другу. Наименьшее внешнее поле
получается при использовании в трансформаторах кольцевых сердечников.
По
консрукции
броневые
и
стержневые
магнитопроводы
подразделяются на собранные из штамповочных пластин и ленточные.
Ленточный магнитопровод можно получить навивкой и склейкой полосы
трансформаторной стали. После разрезки, необходимой для установки
катушек, получают С-образные сердечники, из которых собирают броневые
и стержневые магнитопроводы. Для получения минимального немагнитного
зазора в магнитопроводе торцы сердечников после установки в катушку
склеивают пастой, содержащей ферромагнитный материал. Если зазор
необходим, то в месте стыка двух сердечников устанавливают прокладки из
бумаги или картона необходимой толщины. Ленточная конструкция
сердечников позволяет механизировать процесс изготовления. При этом
трудоёмкость процесса установки сердечника в катушку уменьшается, а
отходы материала сокращаются. При использовании текстурированных
сталей применение ленточных сердечников позволяет сократить размеры и
массу трансформатора. Это происходит потому, что в штампованных
сердечниках часть магнитных силовых линий проходит перпендикулярно
направлению проката. При этом имеют место большие потери в стали. В
ленточных сердечниках линии поля расположены вдоль направления проката
по всей длине магнитопровода.
К основным параметрам сердечника относятся:
 средняя длина магнитной силовой линии;
 активная площадь поперечного сечения магнитопровода;
 площадь окна и вес магнитопровода.
Вес и стоимость трансформатров зависят от магнитной проницаемости
материала. При выборе материала магнитопровда необходимо учитывать
наличие подмагничивания, мощность трансформатора, его назначение.
Основной задачей является создание трансформатора с минимальным
нагревом обмотки. Нагрев обмотки зависит не только от суммарной
мощности, рассеиваемой в трансформаторе, но и от распеределения её между
сердечником и обмоткой, от условий теплоотдачи, от теплопроводности
изоляционного материала, от радиальной толщины обмотки. Поэтому
значение индукции, при котором нагрев обмотки минимизируется, завсит не
только от марки стали и частоты тока, питающей сеть, но и от размеров
трансформатора, которые связаны с мощностью трансформатора, снимаемой
с вторичной обмотки. Трансформатор должен быть сконструирован так,
чтобы температура нагрева не превышала значений допустимых для
используемого изоляционного материала. В противном случае будет
происходить быстрое старение изоляции, что приведёт к её пробою и
преждевременному выходу трансформатора из строя.
Изоляция должна обладать следующими свойствами: малой толщиной,
большим пробивным напряжением, механической прочностью, хорошим
сцеплением
с
металлом
провода,
гибкостью,
малым
изменением
электроизоляционных свойств при длительном воздействии повышенной
температуры, нерастворимостью в лаках и составах.
При расчете трансформатора определяют марку материала сердечника и
его размеры, марку провода, его диаметр и число витков обмотки,
конструкцию каркаса и обмотки.
1.3. Активные приборы
В данном разделе рассмотрим назначение и классификацию активных
приборов – диодов.
Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом,
обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Диоды подразделяются на группы по многим признакам:
 по виду материала (Ge- Германий, Si–Кремний);
 по частотному диапазону – на низких, средних, высоких и
сверхвысоких частотах;
 по
выполняемым
функциям
импульсные, стабилизирующие);
 по конструкции.
(выпрямительные,
детекторные,
Диод обозначается на электрической принципиальной схеме в виде
треугольника (рис. 7).
Рис. 7. Обозначение диода на принципиальных электрических схемах
Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменного
тока в постоянный, работают на частотах единиц кГц, их ещё называют
силовыми. Выпрямительные диоды могут быть маломощными, средней и
большой мощности (предельный прямой ток соответственно до 300мА, до
10А, более 10А). Чаще всего изготавливаются из кремния.
Детекторные
диоды
предназначены
для
детектирования
модулированных колебаний на средних, высоких и сверхвысоких частотах.
Являются
неотъемлемой
частью
радиоприёмников
и
телевизоров.
Детекторные диоды, как правило, маломощные.
Импульсные диоды предназначены для использования в качестве
ключевых элементов в схеме при малых длительностях импульсов и
переходных процессов (микросекунды и доли микросекунд). Должны
обладать высоким быстродействием, так как используются для переключения
из
одного
логического
состояния
в
другое.Импульсные
диоды
характеризуются малым значением барьерной емкости, измеряемой как
емкость между выводами при заданном напряжении смещения.
Стабилизирующие
диоды
(стабилитроны)
предназначены
для
стабилизации напряжения в электронных стабилизаторах. Стабилитроны
работают на обратной ветви вольт-амперной характеристики. Стабилитроны
бывают малой, средней и большой мощности.
Диод, в котором для стабилизации используется прямая ветвь ВАХ,
называют стабистором. Напряжение стабилизации стабисторов составляет
0,7 вольта. При необходимости получения напряжения стабилизации в 1,4 и
2,1В используют последовательное включение 2 или 3 стабисторов.
Варикапом называют диод, барьерная ёмкость которого зависит от
величины приложенного обратного напряжения. Варикап эквивалентен
конденсатору переменной ёмкости, управляемому автоматически. Величина
барьерной ёмкости изменяется от 1,5 пФ до 15 пФ, причем при увеличении
обратного напряжения, ёмкость уменьшается. Варикапы используют для
электронной настройки колебательных контуров.
Диод Ганна - вид полупроводниковых диодов, использующийся для
генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от
других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на
свойствах электрических переходов, а на собственных объёмных свойствах
полупроводника.
Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от
единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В
полупроводниковом материале имеется дефект кристаллической решётки.
При попадании полупроводника в электрическое поле на дефектах решётки
образуется внутренняя напряжённость электрического поля, которая может
превысить допустимое значение. При этом происходит отрыв электрона от
кристаллической решётки, его разгон, при попадании в атом ионизация
атома. При достаточной напряжённости внешнего электрического поля
электроны будут ионизировать соседние атомы, в результате чего образуется
домен, который будет увеличиваться и продвигаться к аноду. В связи с этим
с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость
электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического
значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения. Домен
обычно формируется у катода и движется к аноду со скоростью, равной
дрейфовой скорости электронов (для арсенида галлия ~10 5 м/с). Достигнув
анода, домен
втягивается
в него. Значительная часть напряжения,
приложенного к образцу, падает на домене; вне домена напряженность поля
намного меньше пороговой.
В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере
формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по
окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова
возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый
домен.
Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее
произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида
галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя
становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области
небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные
ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны,
расположенные
у
катода,
будут
пытаться
«догнать»
получившийся
движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряженность
поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока
не достигнет равновесного значения.
С ростом напряжения увеличивается поле в домене, скорость домена и
поле вне его, вследствие чего снижаются также частота колебаний и ток.
Диод Шоттки – полупроводниковый диод с малым падением
напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход
металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как
у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно
выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В, на практике большинство
диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном
напряжении порядка единиц и нескольких десятков Вольт.
В то время как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение
напряжения около 0.6 – 0.7 В, применение диодов Шоттки позволяет снизить
это значение до 0.2 – 0.4 В. Столь малое прямое падение напряжения
присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением
порядка десятков вольт. При больших обратных напряжениях, прямое
падение становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых
диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки низковольтными
цепями. Например, для силового диода Шоттки 30Q150 с максимально
возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение
напряжение нормируется на уровне от 0,75 В (T = 125°C) до 1,07 В (T = 55°C).
Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода,
что позволяет заметно повысить рабочую частоту диода. Это свойство
используется
в
интегральных
микросхемах,
где
диодами
Шоттки
шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой
электронике малая ёмкость перехода позволяет строить выпрямители,
работающие на частотах в сотни КГц и выше.
Благодаря лучшим временным характеристикам и малым емкостям
перехода, выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных
диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, что делает их наиболее
предпочтительными для применения в импульсных блоках питания
аналоговой и цифровой аппаратуры.
Недостатки диодов Шоттки:
1. при
кратковременном
превышении
максимального
обратного
напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от
кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и
при условии не превышения рассеиваемой на диоде максимальной
мощности, после падения напряжения диод полностью восстанавливает
свои свойства;
2. диоды
Шоттки
характеризуются
повышенными
(относительно
обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с
ростом температуры кристалла. У низковольтных диодов в корпусах
ТО-220 обратный ток может превышать величину в сотни миллиампер
(MBR4015 - до 600 мА при +125°C). При неудовлетворительных
условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде
Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.
1.4. Параметры и характеристики транзисторов
Транзистор – это полупроводниковый прибор, предназначенный для
усиления мощности сигналов и ряда других функций (генерирование,
переключение). Наибольшее распространение получили биполярные и
полевые транзисторы.
Биполярные транзисторы в соответствии с основными областями
применения
подразделяются
(сверхвысокочастотные,
генераторные
на
следующие
высоковольтные,
группы:
усилительные
высокочастотные
(высокочастотные,
линейные);
сверхвысокочастотные,
сверхвысокочастотные с согласующими цепями); переключательные и
импульсные
(переключательные
высоковольтные
и
импульсные
высоковольтные).
По своему основному назначению полевые транзисторы делятся
наусилительные, генераторные и переключательные.
Каждая из перечисленных групп характеризуется специфической
системой параметров и справочных зависимостей, отражающих особенности
применения транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре.
Биполярные
транзисторы
имеют
2
p-nперехода.
Транзистор
представляет собой пластину из германия или кремния, в которой созданы
области с различными видами электропроводности. Транзистор содержит три
электрода: эмиттер, коллектор, база. Область базы может иметь электронную
и дырочную электропроводность. Поэтому различают два типа транзистора
n-p-nи p-n-p. Условно-графическое изображение транзистора представлено на
рис. 8.
Рис. 8. Обозначение транзистора на принципиальных электрических схемах
Транзистор может работать в 3 основных режимах: активный, отсечки,
насыщения. Активный режим используется в большинстве усилителей и
генераторов, в этом режиме эмиттерный переход открыт, то есть на него
подается прямое напряжение, а коллекторный закрыт. В режиме отсечки оба
p-nнаходятся в закрытом состоянии. В режиме насыщения оба перехода
находятся
в
открытом
состоянии.
Режимы
отсечки
и
насыщения
соответствуют импульсной работе транзистора.
В схемах с транзисторами создаются, как правило, две цепи:
1) входная, которая служит для управления работой транзистора;
2) выходная, которая получает усиленные колебания.
Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в
выходную цепь включается нагрузка.
Принцип работы заключается в том, что прямое напряжение UБЭ влияет
на токи эмиттера и коллектора. Чем больше это напряжение, тем больше ток
эмиттера и коллектора. Таким образом, входное напряжение, приложенное
между базой и эмиттером, управляет током коллектора, на этом основаны
усилительные свойства транзистора.
Транзистор может работать в 3 основных схемах включения: с общим
эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Общим
называется электрод, который является корпусом для входного и выходного
напряжения.
Для расчета схем на транзисторах часто используют статические
характеристики: входную (рис.9) и выходную (рис. 10). Задача расчет
состоит в выборе местоположения рабочей точки на характеристиках. Для
этого создаются цепи делителей из резисторов для получения требуемого
тока.
Рис. 9. Входная вольт-амперная характеристика транзистора в схеме с ОЭ
Зона
усиления
JК
EК
RК
JК  J Б3
JБ4
JБ3
Зона
насыщения
JБ2
JБ1 =JБ0
рабочая точка
JБ =0
0,2-0,4В
Зона
запирания
(   1)JК0
UКЭ
EК
Рис. 10. Выходная вольт-амперная характеристика транзистора в схеме с ОЭ
Соотношения между токами в транзисторе описываются следующими
коэффициентами:
α=iк/iэ
(4)
α – коэффициент передачи тока эмиттера.
β=iк/iб
(5)
β – коэффициент усиления тока базы.
Пример конструкции транзистора представлен на рис. 11.
Рис. 11. Конструкция транзистора КТ315А
Классификация транзисторов по их назначению, физическим свойствам,
основным
электрическим
параметрам,
конструктивно-технологическим
признакам, роду исходного полупроводникового материала находит свое
отражение в системе условных обозначений их типов. В соответствии с
появлением
новых
классификационных
групп
транзисторов
совершенствуется и система их условных обозначений.
Система обозначений типов транзисторов установлена отраслевым
стандартом ОСТ 11336.919–81 и базируется на ряде классификационных
признаков. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.
Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, на
основе которого изготовлен транзистор. Для обозначения исходного
материала используются следующие символы:
Г или 1 – для германия или его соединений:
К или 2 – для кремния или его соединений;
А или 3 – для соединений галлия (практически для арсенида галлия,
используемого для создания полевых транзисторов);
И или 4 – для соединений индия (эти соединения для производства
транзисторов пока в качестве исходного материала не применяются).
Второй элемент обозначения – буква, определяющая подкласс (или
группу) транзисторов. Для обозначения подклассов используется одна из
двух букв: Т – для биполярных и П – для полевых транзисторов.
Третий элемент – цифра, определяющая основные функциональные
возможности транзистора (допустимое значение рассеиваемой мощности и
граничную либо максимальную рабочую частоту).
Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков
транзисторов применяются следующие цифры.
Для
транзисторов
малой
мощности
(максимальная
мощность,
рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):
1
–
с
граничной
частотой
коэффициента
передачи
тока
или
максимальной рабочей частотой (далее граничной частотой) не более 3 МГц:
2 – с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц;
3 – с граничной частотой более 30 МГц.
Для
транзисторов
средней,
мощности
(максимальная
мощность,
рассеиваемая транзистором» более 0,3, но не более 1,5 Вт):
4 – с граничной частотой не более 3 МГц;
5 – с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц;
6 – с граничной частотой более 30 МГц.
Для
транзисторов большой
мощности
(максимальная
мощность,
рассеиваемая транзистором более 1,5 Вт):
7 – с граничной частотой не более 3 МГц;
8 – с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц;
9 – с граничной частотой более 30 МГц.
Четвертый
разработки
элемент
–
число,
технологического
типа
обозначающее
транзисторов.
порядковый
Для
номер
обозначения
порядкового номера используют двузначные числа от 01 до 99. Если
порядковый
номер
разработки
трехзначные числа от 101 до999.
превысит
число
99,
то
применяют
Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию по
параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии. В качестве
классификационной литеры применяют буквы русского алфавита (за
исключением З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э).
Стандарт предусматривает
дополнительных
знаков
также
при
введение в обозначение ряда
необходимости
отметить
отдельные
существенные конструктивно-технологические особенностиприборов.
В
качестве
дополнительных
элементов
обозначения
используют
следующие символы:
цифра от 1 до 9 – для обозначения модернизаций транзистора,
приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;
буква С – для обозначения наборов в общем корпусе однотипных
транзисторов (транзисторные сборки);
цифра, написанная через дефис, – для бескорпусных транзисторов.
Эти цифры соответствуют следующим модификациям конструктивного
исполнения:
1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя (подложки);
2 – с гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке);
3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя (подложки);
4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе (подложке);
5 – с контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и
без выводов (кристалл);
6 – с контактными площадками на кристаллодержателе (подложке), но
без выводов (кристалл на подложке).
Таким образом, современная система обозначений позволяет по
наименованию типа получить значительный объем информации о свойствах
транзистора.
Примеры обозначения некоторых транзисторов:
KT604A
–
кремниевый
биполярный,
низкочастотный, номер разработки 04, группа А;
средней
мощности,
2Т920А
–
кремниевый
биполярный,
большой
мощности,
высокочастотный, номер разработки 20, группа А;
КТ8150А1 – кремниевый, биполярный транзистор, большой мощности, с
граничной частотой более 3, но менее 30 МГц, номер разработки 150, группа
А, с гибкими выводами без кристаллодержателя;
КТ937А-2
–
кремниевый
биполярный,
большой
мощности,
высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бескорпусной, с гибкими
выводами на кристаллодержателе.
2ПС202А-2 – набор маломощных кремниевых полевых транзисторов
средней частоты, номер разработки 02, группа А, бескорпусной, с гибкими
выводами на кристаллодержателе.
Однако у биполярных транзисторов, разработанных до 1964 года и
выпускаемых до настоящего времени, условные обозначения типа состоят из
двух или трех элементов, в соответствии с ранее действовавшим стандартом:
ГОСТ 10862г–64 и ГОСТ 10862–72.
Первый элемент обозначения – буква П, характеризующая класс
биполярных транзисторов, или две буквы МП для транзисторов в корпусе,
герметизируемом способом холодной сварки.
Второй элемент – одно-, двух- или трехзначное число, которое
определяет порядковый номер разработки и указывает на подкласс
транзистора по роду исходного полупроводникового материала, значениям
допустимой рассеиваемой мощности и граничной (или предельной) частоты.
от 1 до 99 – германиевые маломощные низкочастотные транзисторы;
от 101 до 199 – кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы;
от 201 до 299 – германиевые мощные низкочастотные транзисторы;
от 301 до 399 – кремниевые мощные низкочастотные транзисторы;
от 401 до 499 – германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные
транзисторы;
от 501 до 599 – кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные
транзисторы;
от 601 до 699 – германиевые высокочастотные и СВЧ мощные
транзисторы;
от 701 до 799 – кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные
транзисторы.
Третий
элемент
отсутствовать)
–
обозначения
буква,
условно
(у
некоторых
определяющая
типов
он
может
классификацию
по
параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.
Примеры обозначения некоторых транзисторов:
П213А – германиевый мощный низкочастотный, номер разработки 13,
группа А:
П702А – кремниевый мощный высокочастотный, номер разработки 02,
группа А.
Полевой транзистор с управляющим p-nпереходом представляет собой
пластину, например n-типа. На противоположных сторонах имеются
электроды, с помощью которых пластина включена в выходную цепь.
Источник входного сигнала подключается к области p-типа. Таким образом,
полевой транзистор состоит из 3 электродов: исток, сток, затвор.
Условно-графическое изображение полевого транзистора представлено
на рис. 12.
Рис. 12. Обозначение полевого транзистора на принципиальных электрических
схемах
Принцип работы полевого транзистора заключается в следующем: под
влиянием входного напряжения изменяется толщина запирающего слоя pnперехода. При этом изменяется площадь поперечного сечения канала, через
который протекает ток основных носителей, следовательно, изменяется
величина тока. Полевые транзисторы называют ещё канальными. Полевые
транзисторы, как и биполярные, имеют 3 схемы включения: с общим
истоком, общим затвором, общим стоком.
Основные параметры полевого транзистора:
1) Крутизна 𝑆 =
∆𝑖𝑐
∆𝑈зи
[мА/В]
Тепловое значение крутизны составляет 3-5мА/В. По величине крутизны
полевые транзисторы уступают биполярным.
2) Выходное сопротивление 𝑅𝑖 =
∆𝑈си
∆𝑖𝑐
[Ом]
Выходное сопротивление на пологом участке характеристики составляет
сотни кОм.
3) Входное сопротивление 𝑅вх =
∆𝑈зи
∆𝑖з
[Ом]
Величину входного сопротивления на высоких частотах снижает
наличие барьерной ёмкости p-nперехода. Входное сопротивление составляет
единицы МОм.
4) Коэффициент усиления μ =
1.5.
∆𝑈си
∆𝑈зи
.
Полупроводниковые фотоэлектронные приборы
Фотоэлектронные приборы делятся на источники и приёмники
излучения. Работа приёмников излучения основана на использовании
внутреннего фотоэффекта, то есть на генерации пар носителей зарядов в
полупроводнике под действием излучения.
Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление
которого изменяется под действием светового потока (излучения). Если
облучения нет, то фоторезистор обладает большим сопротивлением, которое
называется темновым и через него протекает темновой ток. Под
воздействием
излучения
ток
через
фоторезистор
увеличивается,
а
сопротивление резистора уменьшается. Фоторезистор обладает линейной
ВАХ и нелинейной энергетической характеристикой.
Основные параметры и характеристики фоторезисторов:
 коэффициент внутреннего усиления фототока определяет квантовую
эффективность
прибора,
то
есть
отношение
фотоносителей,
проходящих через прибор в единицу времени, к полному числу квантов
излучения;
 постоянная времени релаксации (спада) фотопроводимости показывает
скорость спада характеристики после прекращения оптического
возбуждения, пропорциональна времени жизни электронов;
 монохроматическая
чувствительность
определяется
отношением
фототока к полной мощности излучения, с длиной волны, падающей на
чувствительную площадку фоторезистора;
 пороговый поток или обнаружительная способность;
 допустимое рабочее напряжение и рассеиваемая мощность;
 рабочая длина волны.
Фоторезисторы используют в устройствах автоматики в качестве
световых датчиков. В силу их большой инерционности работают на низких
частотах (единицы КГц). Фоторезисторы имеют низкую чувствительность и
большие шумы.
Фотодиод - это полупроводниковый прибор, обратный ток которого
изменяется под действием светового потока. Фотодиод обладает линейной
энергетической характеристикой. Если световой поток равен нулю, то через
фотодиод протекает темновой ток, который равен обратному току обычного
диода (до 20мкА).
Характеристики фотодиодов:
 токовая
чувствительность
–
определяет
значение
фототока,
создаваемого единичным потоком излучения;
 спектральная
характеристика
показывает
распределение
чувствительности материала к длине волны падающего на него
излучения;
 постоянная времени нарастания и спада фототока определяют
предельные значения рабочей частоты модуляции светового потока,
при которых ещё не заметно уменьшение фото отклика;
 быстродействие
–
определяется
граничной
частотой
fгр,
соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока,
на которой статическая чувствительность уменьшается до уровня 0,707
от чувствительности на низкой частоте;
 номинальное рабочее напряжение и максимально допустимое обратное
рабочее напряжение.
Фотодиоды обладают хорошими частотными свойствами и работают на
частотах до нескольких сотен МГц. Недостатком фотодиода является
невысокая чувствительность к излучениям.
Фототранзистор имеет в своем корпусе прозрачное отверстие, через
которое световой поток воздействует на область базы. Коллекторный
переход у фототранзистора закрыт, а эмиттерный открыт.
Инжекция – это механизм создания неравновесных носителей путём
введения их в данную область полупроводника извне, из соседней области
(инжекция электронов из n-типа в p-типа).
Принцип работы фототранзистора: оптический сигнал генерирует в
области базы носители, которые диффундируют в базе к коллекторному
переходу и разделяются электрическим полем. Неосновные носители
создают фототок коллекторного перехода, а основные накапливаются в
области базы и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на
границе эмиттерного перехода. Потенциальный барьер перехода снижается,
что усиливает инжекцию носителей из эмиттера в базу. Носители
диффундируют через базу к коллекторному переходу и втягиваются его
электрическим полем в область коллектора. Ток инжектируемых носителей, а
соответственно
и
ток
генерируемых носителей.
коллектора
превышает
фототок
оптически
Чувствительность транзисторов в β раз больше, чем у фотодиодов. ВАХ
фототранзистора
аналогична
выходной
характеристике
биполярного
транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Фототранзисторы
могут работать на частотах до нескольких МГц. Для повышения
чувствительности используют составные фототранзисторы.
Светоизлучающий диод (светодиод) – это полупроводниковый прибор,
излучающий световой поток при прямом напряжении, приложенном к p-n
переходу. В качестве материалов в светодиоде используются соединения
фосфида галлия, карбида кремния, а также тройные соединения на основе
фосфора, мышьяка, алюминия, галлия. При добавлении в полупроводник
примесей получают свечения различного цвета. Цвет свечения также зависит
от химического состава силикона, который заливают для формирования
корпуса светодиода. Светодиоды работают в диапазоне видимого и
инфракрасного излучения. Существуют светодиоды с 2 цветами, в своей
конструкции они имею 2 светоизлучающих перехода.
Выращивание кристаллов светоизлучающего материала проводится в
помещении с многократной очисткой воздуха, состав газов, используемых
для выращивания кристаллов и их соотношение, держится в тайне. Важную
роль играют и условия наращивания (температура, давление). От этих
условий зависят основные характеристики светодиода.
Светодиоды
широко
используются
в
индикаторах,
в
бытовой
аппаратуре, в оптронах. В настоящее время светодиодные индикаторы
применяются практически во всех видах общественного транспорта.
Светодиоды всё чаще применяются для освещения, так как обладают
равномерным спектром свечения, малой потребляемой мощностью и
большим сроком службы (десятки тысяч часов). Пример конструкции
светодиода представлен на рисунке 13.
Рис. 13. Конструкция светодиода АЛ336К
Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно
объединены источник и приёмник излучения, причём между ними
существует оптическая связь. На входе оптронов действует электрический
сигнал, в источнике излучения он преобразуется в оптический сигнал,
передается по оптическому каналу связи, поступает в приёмник излучения, в
приёмнике оптический сигнал преобразуется в электрический. Цепь
излучения
оптрона
называется
управляющей,
а
цепь
приёмника
–
управляемой. Достоинство оптрона – отсутствие связи между входом и
выходом и обратной связи между выходом и входом. Если оптрон содержит
один излучатель и один приёмник, то его называют оптопарой.
Резисторная оптопара содержит в качестве излучателя светодиод, в
качестве приёмника – фоторезистор. В ряде случаев фоторезисторов может
быть несколько.
Диодная оптопара содержит в качестве излучателя светодиод, в
качестве приёмника – фотодиод. Может работать как в световом, так и в
инфракрасном диапазоне. На основе диодных оптопар были созданы
импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток.
Транзисторная оптопара часто работает в ключевом режиме, и
используются
в
коммутационных
устройствах.
Находят
применение
оптопары с использованием полевых транзисторов.
Условно-графическое обозначение резисторной оптопары представлено
на рисунке 14.
Рис. 14. Обозначение резисторной оптопары на принципиальных электрических
схемах
1.6.
Электро-вакуумные приборы (ЭВП)
ЭВП подразделяются на электронные и газоразрядные (ионные), в
электронных приборах течет электронный ток в вакууме, а в газоразрядных
используется электрический разряд в газе. Большую группу ЭВП составляют
электронные лампы, они предназначены для выполнения разнообразных
функций (усиление, генерирование, детектирование, модуляция, частотные
преобразования). ЭВП бывают низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ)
и сверхвысокочастотные (СВЧ).
Простейшая электронная лампа содержит два электрода: катод и анод.
Такая лампа называется диодом. Более сложные лампы дополнительно
имеют специальные сетки: триод – одну, тетрод – две, пентод – три, гексод –
четыре, гептод – пять, октод – восемь. Разработаны комбинированные лампы,
имеющие несколько систем электродов (двойной диод, двойной триод,
двойной пентод, триод-пентод).
Большую группу ЭВП составляют электронно-лучевые приборы
(приёмные телевизионные трубки – кинескоп, передающие телевизионные
трубки), осциллографические трубки (индикаторы для радиолокационных
станций).
Основные газоразрядные приборы: ламповые стабилитроны, тиратроны,
газоразрядные индикаторы, разрядники.
ЭВП подразделяются также по типу катода (подогревные и холодные),
по виду баллона (стеклянный, металлический, керамический), по способу
охлаждения – естественная, принудительная (водой, воздухом).
Если полупроводниковые приборы сравнить с лампами, то они имеют
следующие недостатки: разброс параметров от экземпляра к экземпляру,
зависимость свойств от температуры, больший уровень собственных шумов,
проблемы при работе на сверхвысоких частотах, меньшее входное и
выходное сопротивление, меньшая полезная мощность транзисторов,
меньшая радиационная стойкость, что важно при использовании приборов в
космосе.
Ламповый диод имеет анод и катод в корпусе с вакуумом. Катод служит
для эмиссии электронов, в простейшем случае бывают в виде проволочки,
которая накаливается током. Чаще в ламповых диодах используются катоды
с косвенным накалом, они выполняются в виде цилиндра, поверхность
которого покрыта активным слоем в виде щелочноземельных металлов,
которые излучают со своей поверхности электроны. Внутри этих цилиндров
находится подогреватель в виде проволоки, раскаленной током.
При подаче на анод диода положительного напряжения создается
ускоряющее электрическое поле и все электроны, вылетевшие из катода,
достигают анода. Если на анод подано отрицательное напряжение, то не один
из электронов не достигнет анода, так как электрическое поле при этом будет
тормозящим, то есть обратный ток лампового диода будет равен нулю.
Ламповые диоды решают все те же функции, что и полупроводниковые
диоды.
Ламповый триод содержит анод, катод и управляющую сетку. Сетка
служит для электростатического управления анодным током, при изменении
потенциала сетки изменяется поле, а поэтому и анодный ток. Анод и катод в
триоде такие же, как и в диоде. Сетка выполняется из тонкой проволоки.
Сетка аналогична базе в биполярном транзисторе и затвору в полевом
транзисторе. Ток анода является полезным, а ток сетки – бесполезным,
поэтому ламповые триоды работают при обратном напряжении между сеткой
и катодом. Рабочим участком является участок с напряжением на сетке от -3
до -10 В.
Недостатки триодов:
1. недостаточно велико внутреннее сопротивление;
2. заметная величина проходной (паразитной) ёмкости. Так как
сопротивление ёмкости уменьшается с ростом частоты, то на
достаточно высоких частотах через ёмкость сетка-анод часть
выходного сигнала будет проникать в цепь сетки, что приводит к
уменьшению усиления, а в ряде случаев и к самовозбуждению;
3. недостаточная величина коэффициента усиления.
Тетрод – четырёх электродная лампа, которая содержит анод, катод,
управляющую сетку и экранирующую сетку. При введении экранирующей
сетки удалось повысить коэффициент усиления до нескольких сотен раз,
внутренне сопротивление до нескольких сотен КОм. При этом выявилась
следующая проблема – при напряжениях на аноде близких напряжениям
экранирующей сетки в анодной характеристике появились провалы. Провалы
в анодной характеристике возникают из-за того, что электроны, достигая
анода, выбивают из него вторичные электроны. В триодах они снова
попадают на анод (притягиваются). В тетродах при этом часть вторичных
электронов попадают на экранирующую сетку и, поэтому анодный ток
уменьшается, появляются провалы в характеристике. Это явление назвали
динатронным эффектом. Динатронный эффект вреден, так как может
появиться ряд неприятностей, например, паразитная модуляция.
В лучевом тетроде для борьбы с динатронным эффектом увеличили
расстояние между анодом и экранирующей сеткой, а также расположили
первую и вторую сетки так, чтобы витки совпадали. В результате электроны
от катода к аноду стали лететь плотными пучками. Одновременно против
витков катод не имел активного слоя. В лучевом тетроде удалось создать
вблизи анода объёмный заряд, который образовал потенциальный барьер для
вторичных электронов и они все возвращались к аноду. В лучевом тетроде
провалы удалось заметно снизить, но они остались при малых токах анода.
Поэтому лучевые тетроды используются в мощных устройствах, то есть с
большими токами анода. Полностью динатронный эффект был устранен в
пентодах.
Пентод в своей конструкции имеет третью сетку, расположенную
между анодом и экранирующей сеткой. Её называют защитной или
антидинатронной. На защитную сетку подается потенциал близкий к нулю
или нулевой (относительно катода). Часто защитную сетку соединяют с
катодом внутри лампы. Защитная сетка создаёт электрическое поле, которое
сначала тормозит, а затем отталкивает к аноду вторичные электроны,
благодаря чему динатронный эффект полностью подавляется, а также
улучшаются
коэффициент
основные
параметры
усиления,
электронной
увеличивается
лампы:
внутренне
возрастает
сопротивление,
уменьшается проходная ёмкость. Пентод стал основной электронной лампой,
применяемой в различной бытовой и специальной аппаратуре. Для
размещения электронных ламп на печатной плате имеются разъёмы. При
выходе лампы из строя, её легко заменить на новую, что увеличивает
ремонтопригодность аппаратуры и более быстрое выявление отказов. При
выходе полупроводникового прибора из строя необходимо его выпаять, что
занимает больше времени.
Специальные
лампы.
Для
преобразования
частоты
применяются
специальные лампы. Гепсод имеет четыре управляющие сетки, чаще
используется гептоды, у которых 5 сеток. У гептода катод и первые две сетки
используются
как
триод
в
качестве
гетеродина
(вспомогательного
генератора). Оставшиеся электроды используются в качестве смесителя для
смешивания сигналов. Гептоды использовались для замены двух ламп, но с
созданием комбинированных ламп они потеряли свое преимущество.
Гептоды успешно заменили триод-пентодами.
Для работы на СВЧ тетроды и пентоды не используются, паразитная
емкость и индуктивность становятся на СВЧ заметными. В СВЧ диапазоне
используются
специальные
по
конструкции
керамические
и
металлокерамические СВЧ триоды с коаксиальными выводами.
Лампа бегущей волны - это ЭВП СВЧ, действие которого основано на
взаимодействии
электромагнитной
волны
и
электронного
потока,
движущемся в одном направлении. Лампы бегущей волны используются для
усиления колебаний СВЧ.
Клистрон – это ЭВП СВЧ, работа которого основана на взаимодействии
поля СВЧ с движущимися электронами (при пролёте их сквозь зазоры
объёмных резонаторов), в результате чего часть кинетической энергии
электронов (сгруппированных в сгустки) превращается в энергию СВЧ
колебаний. Различают пролётные и отражательные клистроны. Первые
используются
в
качестве
мощных
усилителей,
вторые
в
качестве
маломощных генераторов и гетеродинов.
Электронно-лучевые трубки
В электронно-лучевых приборах создается тонкий пучок электронов
(луч), который перемещается в пространстве с помощью электрического,
магнитного или комбинированного поля. По цвету свечения изображения на
экране они могут быть с зеленым, оранжевым, зелено-оранжевым, синим для
фотографирования, цветным, черно-белым.
Электронно-лучевые
электростатические
и
трубки
бывают
электронно-лучевые
двух
трубки.
основных
В
этих
видов:
трубках
используется электростатическое управление для фокусировки и отклонения
луча. Наиболее часто они используются в осциллографах, которые
предназначены для визуального наблюдения различных сигналов в цепях.
Баллон электронно-лучевой трубки имеет цилиндрическую форму с
расширением в виде конуса или большего диаметра. На внутреннюю
поверхность основания расширенной части нанесен люминесцентный экран
(слой вещества, способный излучать свет под ударами электронов). В трубке
размещены электроды, выводы которых выведены на цоколь. Катод трубки
косвенного накала оксидный. Вокруг катода расположен управляющий
электрод, называемый модулятором, имеющий отверстие в донышке. На
модулятор подается отрицательное напряжение. В состав трубки входит два
анода: на второй анод подается напряжение от 500 В до нескольких КВ, на
первый анод подается напряжение в несколько раз меньше. Система,
состоящая из катода, модулятора и анода, называется электронным
прожектором (пушкой). Прожектор служит для создания тонкого пучка
электронов, летящих от анода к экрану. На пути луча к экрану поставлены
две пары пластин, называемых отклоняющими. С помощью электрического
поля, создаваемого парой пластин, луч перемещается по горизонтали и
вертикали вдоль экрана. Соответственно есть пластины горизонтального и
вертикального отклонения. Свечение люминесцентного экрана объясняется
возбуждением атомов вещества, называемого люминофором. Электроны,
попадающие на экран, могут зарядить его отрицательно, что нежелательно,
поэтому на внутреннюю поверхность экрана наносится графитовый слой,
который соединен со вторым анодом, этот слой называется аквадагом.
Наиболее часто в качестве люминофора используется оксид цинка
(имеет фиолетовое или зелёное свечение). Используются различные смеси
сернистого цинка и кадмия можно получать свечение практически любого
цвета.
Электромагнитные электронно-лучевые трубки
В этих трубках для управления лучом используются отклоняющие
катушки индуктивности, для фокусировки луча используется фокусирующая
катушка. Все эти катушки находятся снаружи у горловины трубки. По этой
причине
магнитные
отклоняющие
трубки
пластины
проще
расположены
электростатических,
внутри
баллона
у
которых
в
вакууме.
Электронный прожектор в магнитных трубках также образует катод,
модулятор и анод.
Достоинство электромагнитных трубок – большой угол отклонения
луча, чем в электростатических, поэтому электромагнитные трубки при
одном
и
том
же
размере
экрана
имеют
меньшую
длину,
чем
электростатические. По этой причине и в силу простоты в телевизорах
используются электромагнитные трубки. Недостатком электромагнитных
трубок является большая мощность управляющих сигналов, которых нужно
подавать на отклоняющую систему. Кроме того, электромагнитные трубки
хуже
электростатических
работают
на
высокой
частоте,
поэтому
электростатические трубки вытеснили электромагнитные из осциллографов и
другой измерительной аппаратуры.
При реализации цветного изображения наибольшая проблема возникает
при получении белого и черного цветов. Для их реализации необходимо не
менее трёх исходных цветов (красный, зелёный и синий). Экран цветного
кинескопа содержит более 500 тысяч групп крупинок, имеющих красное,
зеленое и синее свечение. На эти крупинки направляются лучи от 3
самостоятельных электронных пушек. Перед экраном располагается маска из
непрозрачного материала, в котором имеется более 500 тысяч отверстий.
Лучи от каждого из прожекторов с помощью отклоняющей системы
проходят через отверстие маски, при этом каждый луч попадает на крупинку
своего цвета. Для получения изображения одного кадра на экране лучи
должны пойти все 500 тысяч люминофорных групп слева направо, сверху
вниз за время одного кадра.
1.7. Газоразрядные приборы
В газоразрядных приборах используется электрический разряд в газах,
который
обычно
находится
под
пониженным
давлением.
Бывают
электрические разряды самостоятельного и несамостоятельного типа.
Самостоятельные
поддерживаются
действием
только
электрического
напряжения,
а
несамостоятельный
требует
помимо
электрического
напряжения воздействие внешних ионизирующих факторов, таким фактором
может быть радиоактивное излучение, или термоэлектронная эмиссия, то
есть используется накаленный электрод.
Виды электрических разрядов:
1. Тёмный (тихий) – является несамостоятельным, обычно предшествует
другим видам разрядов. В электронике не используется, свечение газа
практически незаметно.
2. Тлеющий
разряд
–
является
самостоятельным.
Свечение
газа
напоминает свечение тлеющего угля, напряжение подводимое может
быть
десятки
или
сотни
вольт.
Приборы
тлеющего
разряда
используются в качестве газоразрядных стабилитронах, тиратронах
тлеющего разряда – для преобразования электрических сигналов малой
мощности и для работы в качестве ионных реле, в качестве
газоразрядных индикаторных лампах.
3. Дуговой – получается при плотности тока значительно большей, чем
при тлеющем разряде, на основе дугового разряда были созданы
тиратроны дугового разряда несамостоятельного типа и газовые
разрядники самостоятельного типа.
4. Искровой разряд используется в разрядниках кратковременного типа,
то есть для кратковременного замыкания цепи. При этом газ имеет
повышенное давление.
5. Коронный разряд используется в газоразрядных стабилизаторах.
Газоразрядные индикаторы
Газоразрядные индикаторы по назначению и конструкции можно
разделить на следующие группы: сигнальные (неоновые лампы); знаковые;
шкальные; матричные.
Матричные индикаторы делятся на индикаторы: постоянного тока с
внешней развёрткой; постоянного тока с самосканированием, переменного
тока.
Сигнальные индикаторы
Сигнальные индикаторы используют для
визуальной
индикации
приложенного напряжения или внешнего электрического поля. Наиболее
распространённым типом сигнального индикатора является неоновая лампа.
Она представляет собой стеклянный баллон, наполненный неоном или его
смесью с другими инертными газами, в который впаяны два металлических
электрода. Газовое наполнение неоновых ламп должно обеспечить высокую
яркость излучения. Все смеси на основе неона имеют оранжево-красное
свечение.
Для получения других цветов свечения применяются люминесцентные
сигнальные лампы. В них в качестве основы газового наполнения
используются гелий, аргон, криптон, ксенон, создающие слабое видимое, но
интенсивное ультрафиолетовое излучение. Его преобразование в видимое
излучение осуществляется слоем люминофора, нанесённым на внутреннюю
поверхность колбы лампы. Используются различные люминофоры: виллемит
создает зеленый цвет свечения, галлофосфат кальция – голубой цвет.
Знаковые индикаторы
Этот тип приборов тлеющего разряда предназначен для отображения
знаков (цифр, букв, математических символов). По способу формирования
символа
знаковые
индикаторы
делятся
на
знакомоделирующие
и
знакосинтезирующие. В знакомоделирующих индикаторах любой неделимый
светящийся элемент конструкции имеет форму одного из отображаемых
знаков.
Давление газа в приборе выбрано около нескольких тысяч паскалей, при
этом основная светящаяся область тлеющего разряда (отрицательное
свечение) образуют вокруг катода светящийся чехол – тонкую (толщиной в
десятые доли миллиметра) область, плотно окружающую катод. Благодаря
этому форма свечения с достаточной точностью повторяет контур катода, то
есть воспроизводит отображаемую цифру.
Достоинством знакомоделирующих индикаторов является привычность
начертания символов, а существенным недостатками – экранирование
свечения задних символов передними и большая толщина катодного пакета.
Указанных недостатков лишены знакосинтезирующие индикаторы, в
которых изображение создается из совокупности дискретных элементов
отображения, лежащих в одной плоскости. Знакосинтезирующие индикаторы
в одном баллоне содержат несколько знакомест. Это удобно, поскольку в
цифровых
измерительных
приборах,
калькуляторах,
оператору
представляется информация о 4-16-разрядных числах.
В
технических
напряжение
условиях
возникновения
на
знаковые
разряда,
индикаторы
допустимый
указывают
минимальный
и
максимальный катодные токи. Однако диапазон токов мал, что затрудняет
эксплуатацию приборов. Поэтому часто используют импульсные режимы, в
которых максимальный ток увеличивается по сравнению с указанным для
постоянных
напряжений.
Понижение
долговечности
из-за
большого
импульсного тока компенсируется уменьшением фактического времени
протекания тока через прибор. Импульсные режимы также используются для
возбуждения индикаторов с объединенными в группы катодами.
При подаче на газоразрядный промежуток импульсного напряжения
возникновение разряда происходит с запаздыванием (время статистического
запаздывания). Статистическое время запаздывания первого включения
индикатора при низкой освещенности окружающей среды может достигать
нескольких секунд. Затем в приборе появляются заряды, которые не
успевают исчезнуть в паузе между импульсами тока, что приводит к
уменьшению
статистического
запаздывания
до
значения,
меньшего
длительности возбуждающих импульсов. Другой особенностью импульсных
режимов является то, что ток покрытия в них при длительности импульсов
менее 100 мкс может в десятки раз превышать статический.
Шкальные индикаторы
В электронной аппаратуре информация представляется не только в виде
цифр или букв, но и в виде различного рода шкал. В этом случае
наблюдатель
видит
указатель
(стрелку,
границу),
перемещающийся
относительно начала шкалы вслед за изменением измеряемого параметра.
Газоразрядные
шкальные
индикаторы
могут
быть
двух
видов:
аналоговые индикаторы, использующие пропорциональность значения тока
нормального тлеющего разряда площади катода, покрытой свечением, и
дискретные индикаторы, основанные на переносе разряда по дискретным
электродам.
1.8. Интегральные микросхемы
Интегральные микросхемы(ИС) – это микроэлектронные приборы,
состоящие из активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных
элементов, предназначенные для выполнения различных функций.
Интегральные микросхемы, в зависимости от технологии изготовления,
могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными. По числу
элементов: простые (менее 10), средние (от 10 до 100), большие (от 100 до
1000) и сверхбольшие (более 1000).
Классификация наиболее популярных микросхем по функциональному
назначению приведена в таблице №1.
Таблица №1
Подгруппа и вид микросхем
Обозначени
е
Формирователи:
– адресных токов
– импульсов прямоугольной формы
АА
АГ
– прочие
АП
Схемы вычислительных средств:
– сопряжения с магистралью
ВА
– управления вводом/выводом (интерфейсные схемы)
ВВ
– контроллеры
ВГ
– микро-ЭВМ
BE
– специализированные
ВЖ
– времязадающие
ВИ
– микропроцессоры
ВМ
– управление прерыванием (контроллеры прерывания)
ВН
Генераторы
ГГ, ГФ
Арифметико-логические устройства
ИА
Шифраторы
ИВ
Дешифраторы
ИД
Счетчики
ИЕ
Сумматоры
ИМ
Регистры
ИР
Логические элементы:
– И-НЕ
ЛА
– И-НЕ/ИЛИ-НЕ
ЛБ
– ИЛИ-НЕ И
ЛЕ, ЛИ
– ИЛИ-НЕ И
ЛЛ
– НЕ
ЛН
Триггеры:
– типа JК (универсальные), типа D (с задержкой)
ТВ, ТМ
– типа RS (с раздельным запуском), типа Т (счетные)
ТР, ТТ
– Шмитта (формирователь импульсов), схемы запоминающих ТЛ, РЕ
устройств: ПЗУ (масочные)
ПЗУ с возможностью многократного программирования
РР
ПЗУ с возможностью однократного программирования
РТ
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической РФ
записью
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), схемы РУ, СП, СС
сравнения
Преобразователи:
– цифро-аналоговые
ПА
– аналого-цифровые
ПВ
Интегральные микросхемы имеют 5 основных типов корпусов.
1 тип:
1. форма проекции корпуса на плоскости – прямоугольник;
2. выводы расположены в пределах проекции корпуса на плоскость
основания, относительно плоскости основания в 1, 2, 3, и более рядов
или по контуру прямоугольника;
3. шаг координатной сетки 2,5 мм.
2 тип:
1. форма проекции корпуса на плоскости – прямоугольник;
2. выводы
расположены
за
пределами
проекции
тела
корпуса,
относительно плоскости основания перпендикулярно в 2 или 4 ряда в
шахматном порядке;
3. шаг координатной сетки 2,5 мм и 1,25 мм.
3 тип:
1. форма проекции корпуса на плоскости – круглая или овальная;
2. выводы расположеныв пределах проекции корпуса на плоскость
основания, выводы расположены относительно плоскости основания
перпендикулярно по одной окружности;
3. шаг координатной сетки 360°/n, где n – число выводов.
4 тип:
1. форма проекции корпуса на плоскости – прямоугольник;
2. выводы
расположены
за
пределами
проекции
тела
корпуса,
относительно плоскости основания параллельно противоположным
сторонам;
3. шаг координатной сетки 1,25 мм и 0,625.
5 тип:
1. форма проекции корпуса на плоскости – прямоугольник;
2. выводы расположены в проекции тела корпуса, относительно
плоскости
основания
перпендикулярно
для
боковых
выводных
площадок и в плоскости основания для нижних площадок;
3. шаг координатной сетки 1,25 мм.
Преимущества 1 и 2 типов:
1. высокая плотность компоновки;
2. возможность использования групповой пайки.
Недостатки 1 и 2 типов:
1. сложность автоматизированной установки;
2. сложность визуального контроля качества пайки;
3. сложность замены ИС;
4. сложность применения групповых теплоотводов;
5. ограниченное количество выводов;
6. большой шаг расположения выводов.
Недостаток 3 типа: сложность формовки выводов.
Недостатки предыдущих типов отсутствуют в корпусах 4 типа.
Преимущества 4 типа:
1. в 2 или 4 раза меньше шаг координатной сетки;
2. для установки не нужна металлизация отверстий;
3. возможность использования обратной стороны платы.
Недостаток 4 типа: низкая плотность компоновки, так как посадочные
места в 2 раза больше площади корпуса.
Корпус 5 типа даёт возможность увеличить плотность компоновки и
улучшить теплопроводность, так как имеет более короткие выводы
держатели.
Недостатки: 5 типа:
1. Необходим материал корпуса, выдерживающий косвенный нагрев;
2. Подложка должна быть жёсткой;
3. Для пайки ИС необходимо готовить шарики припоя одного диаметра и
использовать специальный фен для нагрева.
Пленочные ИС имеют подложку (плату) из диэлектрика (стекло,
керамика). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки,
трансформаторы соединения между элементами), выполняются в виде
различных пленок, нанесенных на подложку. Принято различать ИС
тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и
толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше 2 мкм.
Разница между этими ИС заключается в различной технологии их
нанесения. Тонкопленочные получаются путём распыления материала в
вакууме через специальные фотошаблоны. Толстопленочные получаются
путем вжигания в подложку специальных паст при температуре более
1000°С.
Подложки
представляют
собой
диэлектрические
пластинки
толщиной 0.5–1,0 мм тщательно отшлифованные и отполированные. При
изготовлении пленочных резисторов на подложку наносят резистивные
пленки. Если сопротивление резистора не должно быть очень большим, то
пленка делается из сплава высокого сопротивления, например из нихрома. А
для резисторов высокого сопротивления применяется смесь металла с
керамикой (кермет). На концах резистивной пленки делаются выводы в виде
металлических
пленок,
которые
вместе
с
тем
являются
линиями,
соединяющими резистор с другими элементами. Сопротивление пленочного
резистора зависит от толщины и ширины пленки, ее длины и материала. Для
увеличения сопротивления делают пленочные резисторы зигзагообразной
формы.
Удельное сопротивление пленочных резисторов выражают в особых
единицах – омах на квадрат, так как сопротивление данной пленки в форме
квадрата не зависит от размеров этого квадрата.
У тонкопленочных резисторов удельное сопротивление может быть от
10 до 300 Ом на квадрат. Точность их изготовления зависит от подгонки.
Подгонка состоит в том, что резистивный слой частично удаляется,
например, с помощью лазера, и сопротивление, сделанное умышленно
несколько меньшим, чем нужно, увеличивается до требуемого значения.
Толстопленочные резисторы имеют удельное сопротивление от 2 Ом до
1 МОм наквадрат. Их стабильность во времени хуже, чем у тонкопленочных
резисторов.
Пленочные конденсаторы чаще всего делаются только с двумя
обкладками.Одна из них наносится на подложку и продолжается в виде
соединительной линии,затем на нее наносится диэлектрическая пленка, а
сверху располагается втораяобкладка, также переходящая в соединительную
линию. В зависимости от толщиныдиэлектрика конденсаторы бывают
тонкопленочными
и
толстопленочными.
Диэлектриком
обычнослужат
оксиды кремния, алюминия или титана. Удельная емкость может быть
отдесятков до тысяч пикофарад на квадратный миллиметр, и соответственно
этому приплощади конденсатора в 25 мм2 достигаются номинальные емкости
отсотен до десятков тысяч пикофарад. Точность изготовления ± 15 %.
Пленочные катушки делаются в виде плоских спиралей, чаще
всегопрямоугольной формы. Ширина проводящих полосок и просветов
между ними обычносоставляет несколько десятков микрометров. Удельная
индуктивность 10 – 20 мГн/мм2. На площади 25 мм2 можно получить
индуктивность до 0,5 мкГн. Такие катушки обладают низкой добротностью.
Обычно такие катушки делаются синдуктивностью не более нескольких
микрогенри. Увеличить индуктивность можно нанесением на катушку
ферромагнитной пленки, которая выполняет рольсердечника. Некоторые
трудности возникают при устройстве вывода от внутреннегоконца пленочной
катушки. Приходится для этого наносить на соответствующее местокатушки
диэлектрическую
пленку,
а
затем
поверх
этой
пленки
наноситьметаллическую пленку – вывод.
Гибридные ИС – интегральные схемы, в которых применяются
плёночные
пассивные
элементы
и
навесные
элементы
(резисторы,
конденсаторы, диоды, оптроны, транзисторы), называемые компонентами
ГИС. Транзисторы и диоды применяются в бескорпусном исполнении.
Электрические связи между элементами и компонентами осуществляются с
помощью плёночного или проволочного монтажа.
Гибридные ИС изготовляются следующим образом. Сначала делается
подложка. Подложку тщательно шлифуют и полируют. Затем наносятся
резистивные пленки, далее нижние обкладки конденсаторов, катушки и
соединительные линии, после этого диэлектрические пленки, а затем снова
металлические. Навешиваются («приклеиваются») активные и другие
дискретные элементы, и их выводы присоединяются к соответствующим
точкам на подложке при помощи пайки. Схема помещается в корпус и
присоединяется к контактным штырькам корпуса. Производится испытание
схемы. Далее корпус герметизируется и маркируется, то есть на нем
делаются необходимые условные обозначения.
Разновидность гибридных ИС – так называемые микросборки. Обычно в
их составе различные элементы, компоненты и интегральные схемы.
Особенность микросборок состоит в том, что они являются изделиями
частного применения, то есть изготовляются для конкретного типа
аппаратуры. А обычные ГИС представляют собой изделия общего
применения,
пригодные
для
различных
видов
аппаратуры.
Иногда
микросборками также называют наборы нескольких активных или пассивных
элементов, находящихся в одном корпусе и имеющих самостоятельные
выводы. Микросборка является функционально-законченным устройством,
например, широкополосный фазовый детектор, фазовращатели, электронноуправляемые аттенюаторы.
Полупроводниковая ИС– это микросхема, элементы которой выполнены
в приповерхностном слое полупроводниковой подложки.
После механической обработки подложки в тонком приповерхностном
слое подложки возникает нарушенный слой. По глубине он может быть
разделен на характерные зоны. Для кристаллов Ge, Si, GaAs и других после
их резки и шлифования на глубине 0,3...0,5 средней высоты неровностей
расположена рельефная зона, в которой наблюдаются одинаковые виды
нарушений
и
дефектов
монокристаллической
структуры:
монокристаллические сколы, не выкрошившиеся блоки, трещины, выступы и
впадины различных размеров. После резки дефекты располагаются в
основном под следами от режущей кромки алмазного диска в виде
параллельных дорожек из скоплений дефектов, в шлифованных кристаллах –
равномерно по сечению. При полировании первый слой представляет собой
поверхностные неровности, относительно меньшие, чем при шлифовании, и
в отличие от шлифованной поверхности он является аморфным. Второй слой
также аморфный, его глубина в 2...3 раза больше, чем поверхностные
неровности. Третий слой является переходным от аморфной структуры к
ненарушенному
монокристаллу
и
может
содержать
упругие
или
пластические деформации, дислокации, а в некоторых случаях и трещины. В
процессе обработки и подготовки поверхности подложек полупроводников
необходимо создание совершенных поверхностей, имеющих высокую
степень
плоскопараллельности
при
заданной
кристаллографической
ориентации, с полным отсутствием нарушенного слоя, минимальной
плотностью поверхностных дефектов. Поверхностные загрязнения должны
быть минимальными.
В настоящее время большинство полупроводниковых ИС изготовляют
на основе монокристаллического кремния, хотя в отдельных случаях
используют германий. Это объясняется тем, что кремний по сравнению с
германием обладает рядом физических и технологических преимуществ,
важных для создания элементов ИС.
Кремний– прочный и жесткий материал, в монокристаллическом
состоянии
пригодный
для
изготовления
чувствительных
элементов
прецизионных широкодиапазонных датчиков в виде консолей, мембран
очень малой толщины–вплоть до 1...3 мкм. Такие элементы могут массово
производиться
методами,
разработанными
в
технологии
ИС.
Они
обеспечивают резкое ускорение развития средств автоматики, печатной
техники.
Технология изготовления заключается в следующем: берется кристалл
кремния p-типа, на нем методом диффузии делаются области n-типа. Эти
области называются «карманом», их число равняется числу элементов ИС. В
каждом кармане формируются необходимые активные и пассивные
элементы. Карман представляет собой p-n переход, на который подается
обратное напряжение. Сопротивление p-n перехода достигает 1 МОм.
Особенности проектирования больших ИС
При совершенствовании больших ИС возникает проблема увеличения
числа элементов. В итоге проектировщики пришли к многослойным
(многоуровневым) структурам с использованием нескольких подложек,
расположенных в несколько этажей параллельно друг другу. При этом
возникает проблема обеспечения электрических соединений, связей между
подложками разных уровней. Как правило, на подложке стремятся размещать
функционально-законченные фрагменты электрической схемы большой ИС,
а также используют передачу сигналов с этажа на этаж в виде
последовательных, цифровых.
Для обеспечения соединений в больших ИС используются специальные
программы многоуровневой разводки. Большие ИС выполняются на
кремниевых кристаллах, между которыми находятся слои диэлектрической
плёнки по полупроводниковой технологии.
Полузаказные большие ИС предназначены для решения специальных
задач, как правило, в цифровой аппаратуре. Полузаказные большие ИС
выполняются
по
полупроводниковой
технологии.
Для
разработки
полузаказных больших ИС используют базовые кристаллы, соединения
между элементами которых можно видоизменять, в зависимости от
особенности их дальнейшего использования. Базовые кристаллы содержат в
своём составе от нескольких тысяч до 20 тысяч элементов.
Этапы изготовления полузаказных больших ИС:
1. Заказчик выдает предприятию изготовителю техническое задание на
разработку комплекта документации для конкретной схемотехнической
структуры, в число документов обязательно входит документ на
выполнение межэлементных связей.
2. Изготовитель выбирает наиболее подходящий вид базового кристалла,
на котором может быть реализована необходимая электрическая схема.
3. При
использовании
вычислительных
систем
и
специальных
программных продуктов, изготовителем разрабатывается полный
комплект конструкторских документов после проведения нескольких
вариантов моделирования и выбора наилучшего.
4. По
разработанной
конструкторской
документации
на
полупроводниковом базовом кристалле выполняются межэлементные
соединения, в результате кристалл преобразуется в сложнейшее
функциональное законченное устройство, содержащее до 20 тысяч
транзисторов.
5. Кристалл помещается в корпус, выводы кристалла подключаются к
выводам корпуса, производится проверка на функционирование на
специальных
стендах.
Выполняются
заключительные
операции
изготовления больших ИС.
1.9. Система обозначения ИС
Система обозначения состоит из 6 элементов:
К
Р
1
(1)
(2)
(3)
П
11
А
8
(4)
(5)
1Б
(6)
(1) – показывает, что ИС широкого применения (цифра);
(2) - характеризует тип корпуса (буква), Р – пластмассовый корпус 2 типа
(планарный), А - планарный корпус 4 типа, Е – металлополимерный
корпус, И – стеклокерамический, М – металлокерамический, Ф –
микрокорпус;
(3) - указывает тип микросхемы (цифра), 1, 5, 6, 7 – полупроводниковая
ИС; 2, 4, 8 – гибридные; 3 – прочие (плёночные, керамические);
(4) - порядковый номер разработки (2 или 3 цифры), характеризует номер
конкретной серии ИС;
(5) - обозначает функциональное назначение ИС (2 буквы).Усилители: УВ
– усилитель высокой частоты, УД – операционный усилитель, УИ –
импульсный усилитель, УК – широкополосный усилитель, УН –
усилитель низкой частоты, УР – усилитель промежуточной частоты,
УЕ - усилитель-повторитель, УС – дифференциальный усилитель, УТ –
усилитель постоянного тока, УП – прочие усилители. Генераторы: ГС –
генератор синусоидального сигнала, ГГ- генератор прямоугольного
сигнала, ГМ – генератор шума, ГЛ – генератор линейно изменяющихся
сигналов. Детекторы: ДА – амплитудный детектор, ДФ – фазовый
детектор, ДС – частотный детектор, ДИ – импульсный детектор, ДП –
прочие. Модуляторы: МА – амплитудный модулятор, МС – частотный
модулятор, МФ –фазовый модулятор, МИ – импульсный модулятор.
Набор элементов: НТ – набор транзисторов, НК – комбинированный,
НЕ – конденсаторный набор, НР – резисторный набор, НД – набор
диодов. Преобразователи: ПА – цифро-аналоговый преобразователь,
ПВ
–
аналого-цифровой
преобразователь,
ПФ
преобразователь,
–
фазовый
ПС
–
частотный
преобразователь,
ПМ
–
преобразователь мощности, ПН – преобразователь напряжения, ПУ –
преобразователь уровня, ПЛ - синтезаторы частоты, ПЕ – умножители
частоты, ПЦ – делители частоты. Фильтры: ФВ – верхних частот, ФЕ –
полосовой фильтр, ФН – фильтр нижних частот, ФР – режекторный
фильтр. Цифровые устройства: ИМ - сумматор, ИЕ – счётчик, ИР –
регистр, ИВ – шифратор, ИД – дешифратор, ИП – прочие. Логические
элементы: ЛА – И-НЕ, ЛИ – И, ЛС – И-ИЛИ, ЛН – НЕ.
Вычислительные устройства: ВЕ – микро ЭВМ, ВК – контроллер, ВМ –
микропроцессор,
ВФ
(тригонометрические,
управление
–
функциональные
логарифмические,
памятью,
ВК
–
преобразователи
арифметические),
комбинированные,
ВТ
ВХ
–
–
микрокалькуляторы. Запоминающие устройства: РУ – оперативное
запоминающее устройство (ОЗУ), РЕ – постоянное запоминающее
устройство (ПЗУ), РФ – ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и
электрической записью информации. Триггеры: ТД – динамический
триггер, ТК – комбинированный, ТЛ – триггер Шмитта.
(6) - порядковый номер разработки конкретной серии, буквы от А до Я
указывают разработку ИС по электрическим параметрам.
Пример: К155ЛА1 – полупроводниковая ИС широкого применения
логического элемента И-НЕ.
1.10.Функциональные ИС
Возможности гибридных плёночных и полупроводниковых технологий
изготовления приборов электроники не беспредельно. Вызывает интерес
использование других физических принципов для создания высоконадёжной
аппаратуры. Прежде всего, устройства на основе акустоэлектроники,
например, приборы на поверхностных акустических волнах, а также
приборах с переносом заряда (приборы с зарядовой связью).
В основе работы приборов на поверхностных акустических волнах
лежит акустоэлектрический эффект, то есть воздействие ультразвуковых
волн
на
поверхности
звукопровода.
При
этом
упругие
волны
распространяются по поверхности твёрдого тела с другой средой.
Поверхностные волны имеют вертикальную поляризацию, при этом
смещение
частиц
звукопровода.
В
в
волне
качестве
происходит
звукопровода
перпендикулярно
используется
границе
пластина
из
пьезоэлектрического материала (ниобат лития, пьезокварц, пьезокерамика).
На звукопровод нанесены в виде гребенчатых электродов из металлической
плёнки, толщиной не более 0,5 мкм электромеханические преобразователи.
Эти преобразователи называют встречно-штыревые преобразователи (ВШП).
К входному ВШП подключен источник сигнала, под действием его
напряжения в ВШП электрические волны превращаются в акустические
(механические).
Далее
акустические
волны
распространяются
вдоль
поверхности звукопровода и достигают выходного ВШП, в котором
преобразуются в электрический сигнал, поступающий на сопротивление
нагрузки. При таком прохождении в зависимости от геометрических
размеров и формы ВШП (входного и выходного) происходит преобразование
электрических сигналов, причём от числа штырей в ВШП зависит
относительная полоса (по частоте) пропускаемых сигналов. Чем больше
число штырей, тем уже относительная полоса частот, пропускаемых
фильтром. Самая широкая полоса будет при двух штырях.
На основе приборов ПАВ созданы линии задержки, полосовые фильтры,
которые вытеснили простые LCфильтры в телевизорах. Фильтры на ПАВ
могут использоваться в радиолокационных приёмниках в качестве входного
фильтра. Существует большой выбор фильтров, предназначенных для
фильтрации на различных частотах. Приборы на ПАВ используются на
частотах
до
2ГГц.
Для
создания
приборов
на
математические модели на вычислительных комплексах.
ПАВ
применяют