Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС ВТ. Еременко, А.А. Рабочий, А.П. Фисун, И.И. Невров, А.В. Тютякин, А.Е. Георгиевский ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» для использования в учебном процессе в качестве учебника для высшего профессионального образования Орел 2012 УДК 621.3+621.38](075) ББК 31.2я7+32.85я7 О75 Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Государственный университет - учебно-научно- производственный комплекс» А.И. Суздальцев, доктор технических наук, профессор кафедры Радиотехника и электроника Академии Федеральной службы охраны Российской федерации Б.Р. Иванов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Компьютерные технологии и системы, проректор по информатизации Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Брянский государственный технический университет» В.И. Аверченков О Основы электротехники и электроники учебник для высшего профессионального образования / ВТ. Еременко, А.А. Рабочий, А.П. Фисун и др под общ. ред. ВТ. Еременко. – Орел ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2012. – 529 с. ISBN 978-5-93932-465-6 Учебник в доступной форме дает представление о законах и методах расчёта электрических цепей и принципах действия электрических устройств, свойствах и характеристиках основных полупроводниковых элементов, способах создания и применения элементарных базовых функциональных узлов, составляющих основу современных электронных средств. Приведены сведения о принципах действия и устройстве некоторых (наиболее распространенных) электрических, электромеханических и электронных средств. В учебнике используется максимально упрощенный математический аппарат, поэтому для понимания и освоения излагаемого материала достаточно знаний, полученных в объеме изучаемых дисциплин Физика и Математика. Предназначен студентам, обучающимся техническим специальностям по направлениям, связанным с использованием, разработкой и эксплуатацией информационных управляющих систем и электронных средств в автоматизированных системах любых отраслей народного хозяйства. УДК 621.3+621.38](075) ББК 31.2я7+32.85я7 ISBN 978-5-93932-465-6 © ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2012 СОДЕРЖАНИЕ Введение .................................................................................................. Часть 1. Основы электротехники .......................................................... 11 1. Основные положения теории электрических цепей. 11 1.1. Ток, ЭДС и напряжение в электрической цепи ...................... 11 1.2. Схемы замещения электрической цепи .................................... 14 1.3. Эквивалентные схемы источников электрической энергии ............................................................................................. 17 1.4. Мощность вцепи с источником ЭДС ....................................... 19 1.5. Классический метод анализа и расчёта электрических цепей .................................................................................................. 20 2. Электрические цепи переменного тока ........................................... 26 2.1. Пассивные элементы цепей переменного тока ........................ 26 2.2. Описание цепей переменного тока с помощью линейных интегро-дифференциальных уравнений. 32 2.3. Основы символического метода расчёта электрических цепей .................................................................................................. 35 2.4. Реакция элементов электрической цепи на синусоидальные (гармонические) воздействия ......................... 40 2.5. Мощности вцепи синусоидального тока ................................ 43 2.6. Многофазные электрические цепи ........................................... 45 3. Общие методы описания электрических цепей ............................... 50 3.1. Частотные характеристики электрической цепи ..................... 50 3.2. Описание электрических цепей на основе передаточных функций .................................................................... 53 3.3. Электрические фильтры ............................................................ 57 3.4. Представление электрической цепи в виде двухполюсника ................................................................................. 60 3.5. Четырёхполюсник в электрической цепи. 68 4. Переходные процессы в электрических цепях ................................ 76 4.1. Ступенчатая функция ................................................................ 77 4.2. Единичная импульсная функция ............................................... 79 4.3. Переходные и импульсные характеристики цепей ................. 80 4.4. Электрические цепи для передачи импульсных сигналов ....... 83 5. Магнитные цепи и трансформаторы ................................................ 91 5.1. Основные понятия магнитной цепи .......................................... 91 5.2. Трансформаторы ......................................................................... 98 5.3. Безобмоточные трансформаторы ............................................. 106 6. Электрические двигатели ................................................................ 107 6.1. Конструктивные особенности двигателя переменного тока ................................................................................................... 107 6.2. Общий принцип действия двигателя переменного тока ........ 108 6.3. Способы создания вращающегося магнитного поля .............. 108 6.4. Двигатели переменного тока с вращающимся магнитным полем ................................................................................................ 111 6.5. Электрические машины постоянного тока ............................ 119 7. Электрические системы питания для электронных устройств .... 122 7.1. Классификация систем питания ............................................. 122 7.2. Основные характеристические параметры источников вторичного электропитания (ИВЭП) ........................................................ 123 7.3. Типовые структурные схемы ИВЭП ...................................... 124 7.4. Системы бесперебойного питания (СПБ) электронных средств ............................................................................................ 126 Часть 2. Основы полупроводниковой электроники .......................... 128 8. Физические основы работы полупроводниковых приборов ........ 131 8.1. Электропроводимость полупроводников ............................... 131 8.2. Электрические переходы ......................................................... 137 8.3. Смещение р – перехода. 141 8.4. Емкость p – перехода ............................................................ 144 8.5. Пробой р – перехода ............................................................. 145 8.6. Полупроводниковые диоды ..................................................... 147 9. Биполярные транзисторы ................................................................ 150 9.1. Структура и принцип действия биполярного транзистора ... 150 9.2. Физическая нелинейная модель транзистора и эквивалентные схемы .................................................................. 153 9.3. О способах включения биполярных транзисторов ................. 156 9.4. Основные режимы работы транзистора .................................. 158 9.5. параметры биполярного транзистора ................................... 159 9.6. Основные параметры биполярных транзисторов ................... 161 9.7 Транзисторы с инжекционным питанием ................................ 163 10. Полевые транзисторы .................................................................... 164 10.1. Транзистор с управляющим р – переходом. 164 10.2. МДП(МОП)- транзисторы ..................................................... 168 10.3. МДП- транзисторы со встроенным каналом ........................ 172 10.4. Способы включения полевого транзистора ......................... 174 10.5. Полевой транзистор как четырёхполюсник ......................... 174 10.6. МДП- структуры специального назначения ........................ 175 10.7. Нанотранзисторы ................................................................... 177 11. Электронные приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением ................................................. 181 11.1. Туннельный и обращённый диоды ........................................ 182 11.2. Двухбазовый диод (однопереходный транзистор) .............. 183 11.3. Лавинный транзистор ............................................................. 185 11.4. Динисторы и тиристоры ......................................................... 188 12. Компоненты оптоэлектроники ..................................................... 193 12.1. Излучающие диоды ................................................................. 195 12.2. Фоторезисторы ........................................................................ 196 12.3. Фотодиоды .............................................................................. 199 12.4. Фототранзисторы .................................................................... 201 12.5. Оптроны ................................................................................... 202 13. Краткая характеристика индикаторов и лазеров ......................... 204 13.1. Вакуумные люминисцентные индикаторы (ВЛИ) ............... 205 13.2. Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) ..................... 206 13.3. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) ........................ 207 13.4. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы (ППЗСИ) ..................................................................... 209 13.5. Дисплеи ................................................................................... 210 13.6. Лазеры ..................................................................................... 212 Часть 3. Основы аналоговой схемотехники электронных средств .............................................................................................................. 216 14. Электронные усилительные устройства ...................................... 216 14.1. Общие сведения об усилителях электрических сигналов .. 216 14.2. Основные параметры и характеристики усилителей .......... 218 Усилительные каскады на биполярных транзисторах ......... 224 14.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах .............. 234 14.5. Режимы работы усилительных каскадов ............................. 238 15. Усилители мощности и усилители постоянного тока ................. 240 15.1. Усилители с трансформаторным включением нагрузки .............................................................................................................. 240 15.2. Безтрансформаторные двухтактные усилители .................. 242 15.3. Усилители постоянного тока (УПТ) ................................ 243 15.4. Дифференциальный усилитель (ДУ).................................... 247 15.5. Некоторые схемные решения, используемые в ДУ ............ 252 16. Операционные усилители (ОУ) .................................................... 255 16.1. Общие сведения .................................................................... 255 16.2. Идеальный ОУ ..................................................................... 257 16.3. Основные параметры и характеристики ОУ ....................... 259 16.4. Обратные связи (ОС) в усилительных устройствах .......... 263 16.5. Примеры использования ОУ и ОС в некоторых схемах .... 267 16.6. Области применения ОУ в электронных схемах ............... 273 17. Генераторы электрических колебаний и электронные ключи. 274 17.1. Общие сведения .................................................................... 274 17.2. Генераторы гармонических сигналов. 276 17.3. Кварцевые генераторы ......................................................... 279 17.4. Генераторы колебаний прямоугольной формы мультивибраторы) ........................................................................ 279 17.5. Импульсные сигналы ............................................................ 284 17.6. Электронные ключи .............................................................. 286 17.7. Использование МОП-ключей в электронных устройствах с переключаемыми конденсаторами ....................... 294 Часть 4. Основы цифровой схемотехники электронных средств .... 300 18. Основы теории логических (переключательных) функций 18.1. Логические функции и элементы 18.2. Аксиомы, законы, тождества и теоремы алгебры логики (булевой алгебры) .......................................................................... 305 18.3. Представление и преобразование логических функций ... 307 18.4. Понятие о минимизации логических функций .................. 309 18.5. Структура и принцип действия логических элементов ..... 313 18.6. Основные параметры и характеристики логических элементов ....................................................................................... 317 19. Комбинационные логические устройства .................................... 322 19.1. Шифраторы и дешифраторы ................................................ 322 19.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ............................... 325 19.3. Сумматоры ............................................................................ 328 19.4. Цифровой компаратор .......................................................... 330 19.5. Преобразователи кодов ........................................................ 331 19.6. Арифметико-логическое устройство ................................... 333 20. Триггеры и цифровые автоматы ................................................... 334 20.1. Триггерная схема на двух усилительных каскадах ........... 334 20.2. триггеры на логических элементах .............................. 336 20.3. Разновидности триггеров .............................................. 342 20.4. триггеры .......................................................................... 347 20.5. триггер и Т-триггер.......................................................... 348 20.6. Несимметричные триггеры ................................................. 352 20.7. Цифровые автоматы ............................................................ 355 21. Регистры и счётчики ..................................................................... 359 21.1. Общие сведения о регистрах ............................................... 359 21.2. Сдвиговые регистры ............................................................ 362 21.3. Синхронные сдвиговые регистры с обратными связями .......................................................................................... 365 21.4. Функциональные узлы на основе регистров сдвига .......... 367 21.5. Электронные счётчики ........................................................ 375 22. Запоминающие электронные устройства ................................... 381 22.1. Основные параметры и виды ЗУ ......................................... 381 22.2. Статические ОЗУ ................................................................. 383 22.3. Динамические ОЗУ .............................................................. 385 22.4. Энергонезависимые ОЗУ ..................................................... 386 22.5. Основные структуры оперативных запоминающих устройств (ОЗУ. 388 22.6. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) ................. 390 22.7. Структурная схема РПЗУ-ЭС (ЕРОМ) ............................. 396 22.8. Постоянные запоминающие устройства типа РПЗУ-УФ .. 397 22.9. Условные обозначения микросхем и сигналов управления запоминающими устройствами примеры УГО ЗУ) ........................................................................ 398 22.10. Флэш-память ...................................................................... 399 ЧАСТЬ 5. Электронные приборы формирования, обработки и отображения информации ............................................................ 403 23. Преобразователи цифра-аналог и аналог-цифра ................. 403 23.1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) ..................... 403 23.2. Основные принципы построения аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ............................................................. 409 24. Электронные средства с программируемой структурой ............. 419 24.1. ПЛМ, ПМЛ и БМК .............................................................. 420 24.2. Микропроцессоры ................................................................ 423 24.3. Микроконтроллеры .............................................................. 428 24.4. Понятия о программировании микроконтроллеров .......... 429 25. Электромеханические устройства ввода, вывода и обработки информации ......................................................................................... 430 25.1. Общие положения ................................................................ 430 25.2. Накопители на магнитном носителе ................................... 431 25.3. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) на оптических носителях .............................................................. 443 25.4. Клавиатуры и манипуляторы .............................................. 460 25.5. Принтеры .............................................................................. 481 26. Электронные приборы отображения информации ..................... 499 26.1. Общие сведения ................................................................... 499 26.2. Электронно-лучевые индикаторы ....................................... 501 26.3. Вакуумно-люминесцентные индикаторы ........................... 505 26.4. Электролюминесцентные индикаторы ............................... 506 26.5. Полупроводниковые приборы отображения информации ................................................................................... 509 26.6. Газоразрядные приборы ...................................................... 512 26.7. Жидкокристаллические приборы ....................................... 518 27. Направления и перспективы развития электроники ................... 522 Литература ........................................................................................... 525 ВВЕДЕНИЕ Всеобщая электрификация, электронизация и компьютеризация производства и быта требует от современного человека знания основ электротехники и электроники, пронизывающих все сферы нашей жизни и деятельности. Специалист в любой технической или научной области, тем более связанный с разработкой и применением электронных средств, должен уверенно ориентироваться в мире электротехники и электроники. Авторы учебника пытаются помочь читателю, утвердившемуся в намерении разобраться в основных положениях и возможностях электротехники и электроники, Это необходимо для того, чтобы создать прочный запас знаний для дальнейшего более глубокого изучения конкретных вопросов, при выборе профессии, связанной, в основном, с электронной техникой, в частности, автоматикой и компьютерными информационными системами. Электроника развивается столь стремительно, что специалисту, связанному с разработкой и эксплуатацией электронных средств и систем, приходится пополнять свои знания постоянно. Базой такого пополнения может быть только понимание основ электроники и электротехники. В учебнике используется максимально упрощенный математический аппарат, поэтому для освоения излагаемого материала достаточно знаний в объёме курсов физики и математики и сведений о простейших методах расчёта электрических цепей. Основное внимание уделено изложению принципов действия, свойств и характеристик как элементарных электронных приборов диодов, транзисторов, микросхем и т.п.), таки электронных устройств и средств, их использующих. Учебник состоит из пяти частей, тематически связанных между собой. Часть 1 Основы электротехники даёт элементарные сведения о методах расчёта электрических цепей и принципах действия основных электрических устройств, необходимые для последующего изучения основ электроники и схемотехники электронных средств, рассматриваемых в последующих частях. В части 2 раскрываются, в основном, принципы действия и характеристики дискретных электронных приборов. Части 3 и 4 посвящены основам схемотехники простейших электронных средств (аналоговых и цифровых. В части 5 кратко рассматриваются свойства и характеристики более сложных электронных средств обработки информации, широко распространённых на практике. Авторы надеются, что учебник будет полезен также студентам, обучающимся по техническим специальностям, связанным с использованием компьютерных технологий, разработкой и эксплуатацией информационных, управляющих систем и электронных средств в различных отраслях народного хозяйства. ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ |