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.
|
|
Рис. 26.14. Ориентация молекул в различных фазах ЖК: а − смектической б − нематической в − холестерической В зависимости от направления директора и взаимного положения центров тяжести молекул различают три основные фазы смектическая, нематическая и холестерическая. Расположение молекул в этих фазах показано на рис. 26.14. В наиболее упорядоченной смектической фазе молекулы ориентированы параллельно, а их центры тяжести лежат водной плоскости. В нематической фазе параллельная ориентация молекул сохраняется, но центры тяжести молекул располагаются произвольно. В холестерической фазе имеет место закручивание директора, так что в результате создаётся винтовая структура. Важным параметром ЖК, позволяющим управлять его оптическими свойствами с помощью электрического поля, является так называемая диэлектрическая анизотропия , характеризующая разницу диэлектрических постоянных в направлениях параллельном и перпендикулярном к направлению преимущественной ориентации молекул. При >0 (положительная анизотропия) оси молекул располагаются параллельно, а при <0 − перпендикулярно электрическому полю Из большого количества электрооптических явлений, характерных для ЖК, в устройствах отображения информации находят применение эффект динамического рассеяния, твист-эффект и эффект гость-хозяин. Эффект динамического рассеяния возникает в ЖК нематической фазы при наложении электрического напряжения на ЖК. При напряжениях, превышающих некоторое пороговое значение (5 − 6 В, в ЖК возникает вихревое движение молекул, ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях и ЖК мутнеет. Таким образом, в ЖКИ при динамическом рассеянии используется эффект отражения. Время включения при этом эффекте 50 − 500 мс и выключения около 150 − 180 мс [15]. Твист-эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в ЖК нематической фазы с положительной диэлектрической анизотропией. При твист-эффекте ЖК помещается между двумя стеклянными пластинами с размещёнными на них взаимно ортогональными электродами. Молекулы ЖК-вещества ориентированы вдоль электродов. Таким образом, в толще вещества происходит поворот ориентации молекул на 90º. На стеклянных пластинах дополнительно нанесены слои поляризатора Пи анализатора А (рис. 26.15). ЖК-вещество поворачивает ось поляризации проходящего через него света на 90º. Если направление осей поляризации совпадает с направлением электродов на пластинах, то ячейка ЖК прозрачна, если ось поляризации одного из слоёв перпендикулярна направлению электродов, то ячейка непрозрачна. Под действием внешнего электрического поля ориентация молекул ЖК-вещества в ячейке изменяется, тем самым, изменяя прозрачность (и отражательные свойства) ячейки. ЖК-индикаторы на твист-эффекте имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния меньшие рабочие напряжения (0,9 − 1,5 В) и длительность переходного процесса включения − выключения мс. Но они имеют меньший, чему индикаторов на эффекте динамического рассеяния угол обзора и более сложную конструкцию а) баб) Рис. 26.15. Принцип работы ЖКИ Рис. 26.16. Принцип работы ЖКИ на твист-эффекте при напряжениях на эффекте «гость-хозяин» при а − нулевом б − превышающем пороговое напряжениях а − нулевом б − превышающем пороговое Эффект гость-хозяин реализуется в ЖК-веществе при введении в него стержневидных дихроических молекул красителя (гость, которые стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК рис. 26.16). Так как молекулы красителя поглощают свет с поляризацией вдоль длинной оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией, то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение света. В качестве основного электрооптического эффекта в таком жидком кристалле можно использовать переход из холестерического в нематическое состояние. При исходном холестерическом состоянии вещество имеет спиральную структуру, и свет с любым направлением поляризации поглощается (риса. При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в нематическое состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально и падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь неё (рис. 26.16, б. Описанная система перспективна, так как позволяет получить в зависимости от используемого красителя различную окраску во включённом и выключенном состояниях. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30 − 500 мс, управляющее напряжение 2 − В. ЖКИ просты по конструкции, дешевы, имеют низкое энергопотребление, обеспечивают хорошую контрастность изображения, хорошо совместимы с микросхемами управления, но имеют ряд недостатков. Они требуют подсветки при работе в темноте, имеют узкий температурный диапазон (от −15 до +55 С, изменение параметров в течение срока хранения и при работе [15, 52]. 27. НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ Перспективы и направления развития электроники зависят впер- вую очередь от научных достижений в области физики, химии, математики и техники полупроводников. Электроника, связанная сна- растающими информационными потоками, давно уже перешла в область микроэлектроники, где достигнуты впечатляющие успехи благодаря миниатюризации, снижению потребления энергии, повышению быстродействия, расширению функциональных возможностей электронных средств. В настоящие время наблюдается переход от микроструктур к наноструктурам, что сулит дальнейшее увеличение степени интеграции полупроводниковых приборов и улучшение энергетических параметров базовых элементов электроники, в первую очередь транзисторов, а на их основе – всех функциональных узлов электроники. По мнению ведущих ученых наноструктуры будут основной элементной базой в ближайшие (30 – 50) лет [49]. Следует при этом заметить, что технология изготовления наноструктурных электронных чипов существенно сложнее технологии изготовления микроструктурных чипов. Именно уровень развития этих технологий определит скорость продвижения электроники по пути использования наноструктур в реальных условиях жизни информационного общества. Что касается силовой электроники, те. электронных приборов, предназначенных для непосредственного управления потоками энергии при ее передаче и преобразовании, то будущее заумными коммутаторами на основе управляемых полупроводниковых структур, алгоритмы управления для которых будут вырабатывать миниатюрные электронные чипы с заложенными в них программами управления. Учитывая, что программируемые электронные управляющие узлы уже сейчас применяются широко в системах управления и автоматизации, следует ожидать их повсеместное использование не только в системах, но ив каждом электронном изделии, превращающемся в интеллектуальное. Надо признать, что в настоящие время во многих случаях применению программируемых средств заметно препятствует сложность технологии программирования. Для того, чтобы процесс программирования стал общедоступным, следует ожидать создания новых языков и средств, позволяющих транслировать автоматически обычные технические слова и термины технологического алгоритма в машинные коды, записываемые в память управляющего устройства. Это заметно повысит производительность работы программистов. Дальнейшее развитие должны получить оптоэлектроника, квантовая и молекулярная электроника, технологии производства высоконадежных средств отображения и хранения информации. За рубежом в настоящее время идут полным ходом работы в области нанотранзи- сторостроения, проводятся исследования в области криоэлектроники, магнитоэлектроники, пьезоэлектроники Например, фирма АМD создала промышленную технологию изготовления транзисторов с длиной затвора 10 нм. В США создана транзисторная структура, работающая на частоте 600 ГГц (на основе фосфида индия. Вероятно пределом миниатюризации на основе на- нотехники будет реализация одноэлектронного транзистора [49]. Исходя, из современных достижений в области практической электроники можно выделить следующие основные направления дальнейшего развития – создание и развитие электронных компонентов, принцип действия которых основан на новых, нетрадиционных для классической электроники физических эффектах, в первую очередь – компонентов наноэлектроники, одноэлектроники, спиноэлектроники [49], а также узлов и блоков на их основе, что позволит достигнуть принципиально новых уровней быстродействия, степени интеграции и функциональной сложности устройств – реализация электронных узлов, блоков и устройств преимущественно в интегральном исполнении, в том числе в тех областях, для которых до настоящего времени характерно применение, в основном, дискретных компонентов (в первую очередь – в высокочастотной аналоговой и силовой электронике – обработка информации в электронных устройствах, в основном, в цифровой форме, с применением аналоговой обработки только в минимально необходимых пределах (например, для предварительного усиления и фильтрации сигналов и т. п, что обеспечивает высокую точность результатов обработки, а также возможность применения ее методов и алгоритмов, не реализуемых в аналоговой форме – постепенное вытеснение электромеханических блоков и устройств информационных систем электронными устройствами, реализующими аналогичные функции (например, НЖМД – накопителями на полупроводниковых электрически стираемых РПЗУ), что будет способствовать повышению надежности устройств, их быстродействия, существенному снижению их габаритов, массы и стоимости – повышение степени интеграции узлов, блоков и устройств микроэлектроники за счет применения физических, структурных, схемотехнических и конструктивно-технологических решений, обеспечивающих минимальное количество или минимальные размеры компонентов при выполнении заданных функций, что обеспечит дальнейшее повышение степени функциональной сложности и законченности электронных устройств в интегральном исполнении – обеспечение более доступной программируемости и профили- руемости аналоговых и аналого-цифровых микроэлектронных узлов, блоков и устройств, те. возможности осуществления гибкого цифрового управления режимами и параметрами от микропроцессора или компьютера – интеллектуализация аналоговых и цифровых узлов, блоков и устройств в интегральном исполнении за счет введения в их состав встроенных микроконтроллерных или микропроцессорных ядер, которые позволяют реализовать функции программирования режимов работы и параметров устройств, автокалибровки его узлов, первичной обработки данных и т.д.; – постоянное повышение надежности электронных узлов, блоков и устройств в интегральном исполнении, в первую очередь – за счет совершенствования технологии их производства. В целом можно прогнозировать, что в недалеком будущем процессы проектирования и применения электронных устройств будут сводиться или к программированию и настройке на решение определенной задачи некоторого многоцелевого, функционально законченного электронного устройства в интегральном исполнении (микроконтроллера, цифрового сигнального процессора и т. пили к непосредственной реализации электронных систем на основе структурного проектирования. В любом случае для реализации дальнейшего развития и эффективного использования электроники в народном хозяйстве от инженера требуются глубокие знания принципов работы электронных средств, методов их анализа и синтеза, способов применения достижений электроники в науке, технике и быту. ЛИТЕРАТУРА Аналоговые и цифровые интегральные схемы / СВ. Якубов- ский, НА. Барканов, Б.П. Кудряшов; под ред. СВ. Якубовского. – М. : Сов. радио, 1979. – 336 сил. Аналоговая и цифровая электроника учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, ОП. Глудкин, АИ. Гуров; под ред. ОП. Глудкина. – М Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 сил. Артемьев, Б.В. Периферийные запоминающие устройства ЭВМ учебное пособие / Б.В. Артемьев. – М Изд-во МГУ, 2007. 4. Артемьев, Б.В. Устройства ввода-вывода. Периферийные устройства ЭВМ учебное пособие / Б.В. Артемьев.– М Изд-во МГУ, 2007. 5. Алиев, Т.М. Системы отображения информации учеб. пособие для вузов / Т.М. Алиев, Д.И. Вигдоров, В. П. Кривошеев. − М Высш. шк, 1988.− 223 сил. Ален, Ф. Электронные схемы с переключаемыми конденсаторами Ф. Аллен, Э. Санчес-Синенсио. – М Мир, 1989. 7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники учебник для энергетических и электротехнических вузов и факультетов / Л.А. Бессонов. – М Высш. шк, 1964. – 780 сил. Белоус, АИ. Биполярные микросхемы для интерфейсов систем автоматического управления / АИ. Белоус, О.Е. Блинков, А.В. Силин. – Л Машиностроение, 1990. – 272 сил. Быстров, Ю.А. Электронные приборы для отображения информации Ю.А. Быстров, И.И. Литвак, ГМ. Персианов. – М Радио и связь, 1985. – 240 сил. Будинский, Я. Логические цепи в цифровой технике перс чешск.] / К. Юнга, под ред. Б.А. Калабекова. – М Связь, 1977. – 392 сил. Головин, Ю.И. Введение в нанотехнику / Ю.И. Головин. – М Машиностроение, 2007. – 496 сил. Гутников, В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах / В.С. Гутников. – Л Энергоатомиздат, 1988. – 304 сил. Гилмор, Ч. Введение в микропроцессорную технику перс англ / Ч. Гилмор. – М Мир, 1984. – 334 сил. Гук, М. Аппаратные интерфейсы ПК / М. Гук. – СПб.: Питер, 2002. 15. Гусев, В.Г. Электроника учебное пособие для приборостроительных специальностей вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – е изд М Высшая школа, 1991. – 662 сил. ГОСТ 19880-74. Электротехника, термины и определения. 17. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов М Высш. шк. 1986, – 464 сил. Жеребцов, И.П. Основы электроники / И.П. Жеребцов. – Л Энергоатомиздат, 1989. – 352 сил. Касаткин, АС. Электротехника учеб. пособие для вузов / АС. Касаткин, МВ. Немцов. – М Энергоатомиздат, 1983. – 440 сил. Кучеров, Д.П. Источники питания ПК и периферии / Д.П. Кучеров СПб.: Наука и техника, 2005. – 432 сил. Карякин, НИ, Быстров КН, Киреев ПС. Краткий справочник по физике. – М Высшая школа, 1969. – 600 сил. Ларионов, А.М., Горнец, Н.Н. Периферийные устройства в вычислительных системах учебное пособие / А.М., Ларио- нов, Н.Н. Горнец. – М Высшая школа, 1991. – 336 сил. Лисицын, Б.Л. Низковольтные индикаторы справочник / Б.Л. Лисицын. − М Радио и связь, 1985. − 136 сил. Матханов, П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи учеб. пособие для вузов. – М Высшая школа, 1972. – 336 сил. 25. Общая электротехника учебное пособие для вузов, под редакцией АТ. Блажкина. – Л Энергия, 1971. – 544 сил. Основы теории цепей учебник для вузов / Г.В. Зевеке, ПА. Ионкин, А.В. Нетушил, СВ. Страхов. – М Энергия, 1975. – 752 сил. Основы промышленной электроники учебник для вузов / В.Г. Герасимов, ОМ. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухору- ков; под ред. В. Г. Герасимова. – М Высш.шк., 1978. – 336 сил. Однокристальные микроконтроллеры РIC12C5x,PIC16х8х, PIC14000: перс англ / под ред. В.Я. Прокопенко. – М Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. – 336 сил. Полупроводниковые приборы диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – М Энергоатом- издат, 1985. – 744 сил. Прянишников, В.А. Электроника курс лекций / В.А. Пряниш- ников. – СПб.: Корона принт, 1998. – 400 сил. Полупроводниковые приборы Транзисторы справочник / В.Л. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др под общ. ред. Н.Н. Го- рюнова. – М Энергоатомиздат, 1985. – 904 сил. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах учебное пособие для вузов под ред. С.Я. Шаца. – М Сов. радио, 1976. – 312 сил. Полупроводниковые БИС запоминающих устройств справочник В.В. Баранов, Н.В. Бекин, А.Ю. Гордонов и др под ред. А.Ю. Гордонова и ЮН. Дьякова. – М Радио и связь, 1987. – 360 сил. Савельев, ИВ. Курс общей физики. учебник для вузов Т. / ИВ. Савельев. – М Наука 1978. – 480 с. 35. СКБ «Никколь»: Пленочные клавиатуры TESTA STAN- DARD.– Режим доступа http://www.nikkol.ru/testa_all.htm 36. Справочник по электрическим машинам. В х кн. Кн. 2. / под ред. И.П. Копылова.– М Энергоатомиздат, 1989. 37. Сташин, В.В. Проектирование цифровых устройств на одно- кристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В Урусов, О.Ф. Мологонцева. – М Энергоатомиздат, 1990. – 224 сил. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. – М Энергия, 1973. – 608 сил. Смоляров, А.М. Системы отображения информации и инженерная психология учеб. пособие для вузов /А.М. Смоляков. − М Высш. шк 272 сил. Справочник по автоматизированному электроприводу / под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. – М Энергоатомиздат, 1983. – 616 сил. Токхейм, Р. Основы цифровой электроники [ перс англ. / Р. Токхейм. – М Мир, 1988. – 392 сил. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2003. 43. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника учебное пособие для вузов / Е.П. Угрюмов.– СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 сил. Цыкин, ГС. Электронные усилители / ГС. Цыкин. – М Связь, 1965. – 511 сил. Цветной лазерный принтер Xerox Phaser 6250.– Режим доступа http://www.ferra.ru/online/printers/s25844/ 46. Шило, В.Л. Популярные цифровые микросхемы справочник / В.Л. Шило. – М Радио и связь, 1987. – 352 сил. Шимони, К. Теоретическая электротехника / С.К. Шимони.– М Мир, 1964.– 773 с. 48. Шкритек, П. Справочное пособие по звуковой схемотехнике П. Шкритек. – М Мир, 1991. 49. Щука, А.А. Наноэлектроника /А.А. Щука. – М Физматкнига, 2007. – 464 сил. Электротехника программир. учеб. пособие для неэлектро- технич. спец. вузов / В.Г. Герасимов, Х.Э. Зайдель, В.В. Коген-Далин и др под ред. В.Г. Герасимова. – М Высш. шк, 1983. – 480 сил. Электроника. Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Колесников М Советская энциклопедия, 1991. – 688 сил. Яблонский, Ф.М. Средства отображения информации учеб. пособие для вузов / Ф.М. Яблонский, Ю.В. Троицкий М Высш. шк, 1985.− 200 сил. Ялышев, АУ. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики / АУ. Ялышев, О.И. Разорёнов. – М Машиностроение, 1981. – 399 сил Учебное издание Еременко Владимир Тарасович Рабочий Александр Александрович Фисун Александр Павлович Невров Иван Иванович Тютякин Александр Васильевич Георгиевский Александр Евгеньевич ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ Учебник Редактор И.А. Хлюпина Технический редактор НА. Соловьева Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Государственный университет - учебно-научно- производственный комплекс Подписано к печати 29.06.2012 г. Формат х 1/16. Усл. печ. л. 33,1. Тираж 500 экз. Заказ №______ Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 302030, г. Орел, ул. Московская, 65. |