Что такое электроника?

Это область науки и техники, занимающаяся использованием явлений, связанных с движением заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах. Электроника включает в себя изучение физических процессов, разработку конструкций и технологию изготовления электронных приборов (ламп, транзисторов, интегральных микросхем), а также устройств, в которых эти приборы применяют.

 

В каких областях науки, техники и народного хозяйства применяют электронные устройства?

Практически во всех. Достижения электроники используются для создания измерительных устройств, без которых не было бы возможно развитие химии, физики, биологии, медицины и даже таких областей науки, как социология, психология, археология. Возникновение и развитие космонавтики и исследование космического пространства стало возможным только благодаря электронике.

Все чаще электронные устройства используются в учебном процессе. При обучении иностранным языкам, например, широко применяют так называемые аудиовизуальные устройства. Во многих странах телевидение используется для преподавания телезрителям с разным уровнем подготовки, в том числе в развивающихся странах — на уровне начального образования.

Электронные устройства позволяют автоматизировать технологические процессы и контроль качества продукции на предприятиях текстильной, автомобильной и химической промышленности, в рудниках, на верфях. Электронные устройства способствуют увеличению производства различных изделий, повышению их качества, улучшению условий труда и техники безопасности. Без электронных устройств не могут функционировать современные транспорт, телеграф, телефон и радиосвязь, так же как без электронных вычислительных центров и устройств обработки данных — современные системы управления народным хозяйством.

Наконец, электроника — это устройства повседневного пользования: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, электропроигрыватели, значение которых в жизни человека бесспорно. Современные системы кабельной и спутниковой связи, созданные уже в нескольких странах, обеспечивают произвольные двусторонние звуковые и визуально-звуковые соединении между любыми абонентами а также возможность выбора произвольной телевизионной или радиовещательной программы и даже реализацию индивидуальных программ с магнитофонных кассет и пленок.

 

Когда началось развитие электроники?

Электроника сравнительно молодая отрасль науки и техники. Теоретические основы ее были разработаны во второй половине XIX и в первой половине XX в. Первые лампы и полупроводниковые приборы были созданы в XX в. Самые важные исторические моменты в развитии электроники отмечаются следующими датами:

1865 г. — Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитных волн;

1883 г. — Т. Эдисон открыл термоэлектронную эмиссию;

1886 г. — Г. Герц открыл электромагнитные волны, годом позже — фотоэмиссию;

1897 г. — Дж. Томсон открыл электрон;

1897 г. — К. Браун изобрел осциллографическую трубку;

1904 г. — Дж. Флеминг создал диод с накаливаемым катодом;

1906 г. — Л. де Форест изобрел триод;

1948 г. — У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин изобрели транзистор.

 

Какова структура атома?

Строение атома можно представить с помощью плоской модели (рис. 1.1), являющейся упрощением пространственной модели атома, разработанной Бором в 1913 г. В такой модели атом состоит из ядра и некоторого числа электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным орбитам. Ядро имеет относительно большую массу и положительный заряд, электрон — малую массу и отрицательный заряд. Положительный заряд ядра и отрицательный заряд всех вращающихся вокруг этого ядра электронов находятся в равновесии, и изолированный атом в нормальном состоянии электрически нейтрален. Суммарный заряд электронов в атоме определяется атомным числом элемента. Орбиты, по которым вращаются электроны, называемые орбитами или оболочками, точно определены, и ни один электрон в атоме не может вращаться и пространстве между оболочками. Оболочки обозначают последовательно, начиная от ядра, буквами K, L, M, N, …. Оболочка К может содержать до двух электронов, L — до 8, M до 18 и т. д. На каждой следующей могут находиться электроны лишь в том случае, если предыдущие оболочки заполнены. Только последняя, внешняя, так называемая валентная оболочка, может быть не заполнена. Находящиеся на ней электроны называют валентными.

Рис 1.1. Плоская модель атома кремния

Валентная оболочка определяет химические свойства элемента. Ядро вместе с заполненными, оболочками образует постоянную часть атома, не подвергающуюся изменениям в химических процессах при изменениях температуры и протекании тока. С каждой оболочкой связана определенная энергия вращающихся на ней электронов. Чем дальше от ядра находится электрон, тем больше его энергия. Наибольшей энергией обладают валентные электроны.

Сообщая электронам энергию извне (температура, излучение), можно вызвать их переходы на оболочки с более высокими энергетическими уровнями. Атом с электронами, находящимися на более высоких энергетических уровнях, называется возбужденным атомом. Такое состояние является неустойчивым — электрон, возвращаясь на низший энергетический уровень, отдает приобретенную энергию в виде кванта энергии излучения. Определенная доза подводимой извне энергии может сделать электрон независимым от сил притяжения ядра. Атом, лишенный электрона, называется положительным ионом. Процесс возникновения ионов называется ионизацией. Существует обратное явление — соединение нона с электроном, называемое рекомбинацией.

 

Что такое диаграмма энергетических уровней атома?

Это диаграмма (рис. 1.2), представляющая энергетические свойства данного атома, называемая также зонной моделью атома. Для каждого слоя K, L, М… на этой диаграмме указывается численное значение энергии электронов, находящихся в этом слое (зоне).

Энергия выражается в электронвольтах [эВ]. Один электронвольт соответствует работе электрона при преодолении разности потенциалов, равной 1 В. Диаграмма энергетических уровней отражает законы квантовой механика, из которых следует, что каждый энергетический уровень может быть занят определенным числом электронов. Слой К содержит один энергетический уровень, слой L — два находящихся рядом уровня (s — внутренний, требует для заполнения двух электронов, р — внешний — шести электронов), М — три уровня (s, p, d) и т д. Представленная на рис 1.2 диаграмма относится только к одиночному изолированному атому. Если атом находится в близком соседстве с другими атомами, например в твердом теле, то диаграмма энергетических уровней изменяется.

Рис. 1.2. Зонная модель атома

 

Что такое твердое тело?

Это тело, в котором атомы или частицы образуют пространственную упорядоченную систему, называемую кристаллической решеткой, и удерживаются в этой системе благодаря силам взаимодействия. С точки зрения электропроводности твердые тела делятся на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

 

Что такое диаграмма энергетических уровней в твердом теле?

Такая диаграмма, называемая также зонной моделью твердого тела, принципиально отличается от диаграммы, составленной для изолированного одиночного атома (рис. 1.2), что является следствием взаимодействия между собой атомов, образующих кристаллическую решетку.

Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней в твердом теле

В соответствии с законами квантовой механики, согласно которым число электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне, не может быть больше двух, связь атомов в кристаллической решетке и их взаимодействие вызывают расщепление энергетических уровней и возникновение многих новых уровней, расположенных близко одни к другому в пределах данного слоя. При этом энергетические уровни образуют энергетические зоны. В электронике особенно важны две зоны: валентная, называемая также основной, которая образуется при расщеплении валентных уровней отдельных атомов, и зона с более высокими энергетическими уровнями, чем уровни валентной зоны, называемая зоной проводимости (рис. 1.3). Находящиеся в этой зоне электроны могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля.

 

Что такое проводник?

Это твердое тело (металл), проводящее электрический ток по принципу движения свободных электронов. С ростом температуры проводимость металлов убывает, а при очень низких температурах (близких к 0 К) становится очень большой (сверхпроводимость).

По структуре кристаллической решетки и диаграмме энергетических уровней проводник является телом, в котором зоны проводимости и валентная перекрываются (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Зонная модель проводника

Благодаря этому в кристаллической решетке существует высокая концентрация электронов, образующих так называемый электронный газ, который может свободно перемещаться в объеме металла под воздействием внешнего электрического поля.

Хорошими проводниками электрического тока являются медь, серебро, золото. Медь нашла широкое применение в виде проводников или соединений на печатных платах. Серебро, а особенно золото, из-за высокой стоимости используют значительно реже.

Основным параметром, определяющим проводник, является его электрическое сопротивление, выражающееся отношением падения напряжения на проводнике к протекающему по нему току. Хороший проводник оказывает малое сопротивление протеканию тока.

Электрическое сопротивление — параметр, зависящий от температуры.

 

Что такое диэлектрик?

Это тело, не проводящее электрический ток. Внутренняя структура диэлектрика (или изолятора) характеризуется полностью заполненной электронами валентной зоной и незаполненной зоной проводимости. Между зонами располагается широкая запрещенная зона (рис. 1.5), так что при нормальных условиях электроны не могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. Из-за отсутствия электронов в зоне проводимости диэлектрик не может проводить ток.

Pиc. 1.5. Зонная модель диэлектрика

Диэлектрики широко применяют в электронике. Они служат основным материалом в производстве конденсаторов (слюда, керамика, стекло, пленка, бумага и различные окислы, например, тантала). Диэлектрики используют в качестве изоляционного материала для покрытия проводов (изоляционная эмаль), изготовления каркасов катушек индуктивности (бакелит, керамика) и трансформаторов.

Свойства диэлектрика характеризуются диэлектрической проницаемостью, потерями, теплостойкостью, гигроскопичностью. Потери являются частотно-зависимым параметром.

 

Что такое полупроводник?

Это тело, свойства которого, если речь идет о протекании тока могут подвергаться изменению в зависимости от условий. Протекание тока в полупроводнике может происходить на основе движения отрицательных (электронов) и положительных зарядов. Проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры. При очень низких температурах полупроводники ведут себя, как диэлектрики.

Свойства полупроводника можно проиллюстрировать зонной моделью (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Зонная модель полупроводника

В полупроводнике, как и в диэлектрике, между незаполненной зоной проводимости и полностью заполненной валентной зоной имеется запрещенная зона. Однако она относительно узка (меньше 2 эВ). При определенном, достаточно небольшом энергетическом возбуждении (тепловом или под влиянием электрического поля) некоторые электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости. При этом в валентной зоне появятся вакантные уровни. Атом, у которого электрон перешел в зону проводимости, превращается в положительный нон. Недостающий электрон у такого атома может быть восполнен соседним атомом, который в свою очередь становятся положительным ионом, при этом положительный ион как бы перемещается в объеме валентной зоны. Такой подвижный положительный ион называется дыркой. Электрический ток в полупроводнике связан с движением дырок в валентной зоне и электронов в зоне проводимости, причем дырочный и электронный токи равны, так как освобождение одного электрона вызывает одновременно возникновение одной дырки. Полупроводник с такими свойствами называется собственным.

На рис. 1.7 показаны плоские модели кристаллической решетки собственного полупроводника, в котором, как легко заметить, имеется определенная симметрия структуры: любой атом полупроводника имеет на внешней оболочке четыре собственных электрона и связан с четырьмя электронами четырех соседних атомов. Аналогичную структуру может иметь изолятор (например, алмаз) с той лишь разницей, что в полупроводнике, как уже подчеркивалось, некоторые электроны могут при комнатной температуре переходить из валентной зоны в зону проводимости.

Рис. 1.7. Плоские модели ( а и б ) кристаллической решетки собственно полупроводника

 

Что такое несобственный полупроводник?

Это полупроводник, у которого для изменения свойств, в основном электропроводности, нарушена структура кристаллической решетки. Небольшое протекание тока в собственном полупроводнике происходит на основе равенства токов, возникающих из-за подвижных электронов и такого же числа подвижных дырок. В несобственном полупроводнике эти токи не равны, поскольку не одинакова концентрация электронов и дырок. Существуют два типа несобственных (примесных) полупроводников: полупроводники типа n и типа р.

 

Что такое полупроводник типа

n

?

В полупроводнике типа n преобладает электронный ток. Нарушения кристаллической структуры (рис. 1.8, а) достигают введением в кристалл чистого полупроводника (кремния или германия), примесей донорного типа (например, мышьяка), т. е. элемента, имеющего на внешней оболочке на один валентный электрон больше, чем германий и кремний. При этом в кристаллической решетке остается один электрон, который может легко перейти в зону проводимости и участвовать в прохождении тока как донорный или неосновной носитель.

В кристаллической решетке сохраняется ион с положительным зарядом. Следует подчеркнуть, что этот положительный ион в полупроводнике типа n неподвижный, а следовательно, не участвует в протекании тока в отличие от дырок, возникающих при собственной проводимости. В зонной модели полупроводника типа n (рис. 1.8, б) введение донорной примеси вызывает возникновение дополнительного энергетического уровня между зоной проводимости и валентной зоной.

Рис. 1.8. Плоская ( а ) и зонная ( б ) модели кристаллической решетки полупроводника типа n

Разность энергий между дополнительным уровнем и зоной проводимости настолько мала (для кремниевого полупроводника она составляет около 0,05 эВ), что электрон может легко перейти с этого дополнительного уровня в зону проводимости. Положительный ион, образовавшийся при отрыве электрона от атома примеси, остается фиксированным. Очевидно, что в полупроводнике типа n имеются также дырки, возникшие в процессе образования пар электрон — дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем электронов, возникающих в основном за счет введения примеси. Дырки, существующие в полупроводнике типа n, называются неосновными, а электроны — основными носителями.

 

Что такое полупроводник типа

р

?

В полупроводнике типа р в качестве примесей — акцепторов используются атомы элементов, имеющие на внешней оболочке на один электрон меньше, чем кремний и германий, например индий. В кристаллической решетке (рис. 1.9, а) вблизи такого атома в одном из узлов отсутствует одни электрон и возникает дырка, которая заполняется электроном соседнего атома. В результате атом становится неподвижным отрицательным ионом, а дырка может перемещаться далее. Таким образом, в полупроводнике типа р носителями являются подвижные дырки, в то время как отрицательные ионы не принимают участия в прохождении тока.

В зонной модели полупроводника типа р (рис. 1.9, б) введение акцепторной примеси вызывает появление дополнительного энергетического уровня вблизи валентной зоны. Отрицательные ионы остаются неподвижными в узлах решетки.

Рис. 1.9. Плоская ( а ) и зоновая ( б ) модели кристаллической решетки полупроводника типа р

Для полупроводника типа р характерна проводимость на основе движения дырок как основных носителей в валентной зоне. Очевидно, что в полупроводнике типа р имеются также электроны, возникшие в процессе образования пар электрон — дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем дырок, образующихся за счет введения примесей. Существующие в полупроводнике типа р электроны называются неосновными, а дырки — основными носителями заряда.

 

Что такое термоэлектронная эмиссия?

Это эмиссия электронов из твердого (металл, полупроводник) либо жидкого тела (ртуть), вызванная нагревом его до высокой, температуры, которая сообщает электронам энергию, необходимую для того, чтобы они могли покинуть тело и перейти в окружающее пространство — вакуум или газ.

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах для получения электронов, создающих электрический ток между электродами лампы.

 

Что такое фотоэмиссия и фотопроводимость?

Это так называемые фотоэлектрические эффекты: внешний (фотоэмиссия) и внутренний (фотопроводимость). Фотоэмиссия — эмиссия электронов из твердого тела (металла, полупроводника) под воздействием энергии излучения, например видимого света или инфракрасного излучения. Число эмиттированных электронов зависит от интенсивности излучения.

Фотопроводимость обусловливается увеличением электрической проводимости под влиянием лучистой энергии, вызывающей ионизацию атомов в данном теле, в результате чего возрастает число свободных электронов, возникающих в теле.

Фотоэмиссия и фотопроводимость используются в передающих электронно-лучевых трубках, находящихся в телевизионных камерах.

 

Исчерпываются ли возможности получения свободных электронов термоэмиссией и фотоэмиссией?

Нет. Свободные электроны можно получить и под влиянием сильного электрического поля (автоэлектронная эмиссия), и под влиянием энергии потока электронов твердого тела, это так называемая вторичная эмиссия.

 

Что такое явление ионизации в газах?

Ионизацией называется процесс разделения атома (или частицы) на электрон и положительный ион. Для электроники представляет интерес ионизация газа, находящегося в электрическом поле. В этом случае свободные электроны перемещаются в направлении положительного электрода (рис. 1.10), и если они обладают соответствующей энергией (напряженность электрического поля соответственно велика), то в результате их соударений с атомами газа снова возникают свободные электроны и положительные ионы, которые при своем движении могут снова выбивать электроны и т. д. Здесь имеет место лавинная ионизация, возникающая под действием сильного электрического поля.

Рис. 1.10. Лавинная ионизация газа

Процесс ионизации характеризуется резким увеличением числа носителей заряда (электронов и ионов), в результате чего проводимость между электродами в лампе резко увеличивается. Одновременно с процессом ионизации в большей или меньшей степени происходит обратный процесс, называемый деионизацией или рекомбинацией, который заключается в соединении ионов с электронами.

Ионизации сопутствует свечение газа, причем цветность свечения зависит от вида газа, а яркость — от напряженности электрического поля.

 

Какие токи существуют в электронике и как они используются?

В электронике, как и в электротехнике, используют постоянный и переменный ток (рис. 1.11). Постоянным называется ток, который не изменяется во времени. Переменный ток изменяется как по значению, так и по направлению, причем эти изменения могут иметь разную скорость. Переменный ток может быть регулярным (синусоидальным) и нерегулярным (соответствующим человеческой речи). Наипростейшей формой переменного тока является синусоидальное колебание.

Pис. 1.11. Примеры формы токов:

а — постоянный: б — переменный синусоидальный медленно и быстро изменяющийся; в — непериодический

В электронике постоянный ток чаще всего играет вспомогательную, но важную роль. Без источников постоянного тока не могло бы работать ни одно электронное устройство, так как и лампы, и транзисторы требуют питания постоянным током. Основной задачей электронных устройств является перенос и преобразование некоторой информации (сигналов звука, изображения, изменения некоторых физических величин и т. д.). В общем случае все эти сигналы переменные и могут быть представлены только переменными токами. При таком подходе постоянный ток можно считать лишь частным (предельным) случаем переменного. Большое значение в электронике имеют токи, которые резко меняются за относительно короткое время. Это — импульсные токи (колебания).

 

В каких единицах измеряется ток?

Ток измеряется в амперах [А]. В электронике часто пользуются в тысячу раз меньшей единицей — миллиампером [мА]. Токи, протекающие в транзисторных цепях, обычно имеют порядок нескольких сотен миллиампер. В мощных каскадах наблюдаются большие токи (единицы и сотни ампер).

 

В каких единицах измеряется напряжение?

Напряжение, определяющее разность потенциалов (чаще всего относительно «земли» или массы), измеряется в единицах, называемых вольтами [В]. В электронике часто пользуются в тысячу раз меньшей единицей — милливольтом [мВ] и в миллион раз меньшей единицей — микровольтом [мкВ]. В транзисторных устройствах обычно имеют дело с постоянными напряжениями от нескольких до 10–20 В и переменными напряжениями от милливольт до 10–20 В.

 

В каких единицах измеряется электрическое сопротивление?

Электрическое сопротивление, измеряется в омах [Ом). Один ом — это сопротивление цепи, в которой протекает ток в один ампер при напряжении, равном одному вольту. В электронике часто пользуются в тысячу раз большей единицей — килоомом [кОм] и в миллион раз большей единицей — мегаомом [МОм].

 

Что определяет закон Ома?

Закон Ома определяет зависимость между током и напряжением в цепи. Он гласит, что ток I, протекающий в цепи, пропорционален напряжению U и обратно пропорционален электрическому сопротивлению R, находящемуся в данной цепи.

Математически закон Ома выражается зависимостью

I = U/R, U = R·I или R = U/I.

При использовании этой зависимости следует помнить о размерности используемых единиц. Так, если ток выражается в амперах, а напряжение в вольтах, то сопротивление получаем в омах.

 

В каких единицах измеряется мощность электрического тока?

Мощность электрического тока измеряется в ваттах [Вт]. В электронике часто пользуются единицей, в тысячу раз меньшей, называемой милливаттом [мВт]. В электронных устройствах действуют чаще всего мощности от нескольких милливатт до нескольких десятков ватт. Мощность источников питания постоянного тока в большинстве случаев не превышает нескольких сотен ватт.

Математически мощность Р есть произведение тока на напряжение

Р = U·I

или с учетом закона Ома

Р = I 2 ·R либо Р = U 2 /R.

 

Что мы называем источником напряжения?

Источником напряжения или точнее источником с постоянным выходным напряжением называется такой источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет постоянное, неизменное напряжение независимо от тока, потребляемого от этого источника.

Каждый источник обладает определенным внутренним сопротивлением и может быть представлен в виде последовательного соединения (рис. 1.12) идеальной ЭДС, выраженной в вольтах, и определенного внутреннего сопротивления R г , выраженного в омах.

Рис. 1.12. Источник и внешняя цепь

Если к такому источнику подключить внешнюю цепь, то потребляемый ею ток будет идти через внутреннее сопротивление источника. На нем возникает падение напряжения тем большее, чем больше ток, — потребляемый внешней цепью. Напряжение на внешних зажимах источника равно разности ЭДС источника и падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Поэтому внешнее напряжение может иметь постоянное значение, несмотря на изменения потребляемого тока, только тогда, когда внутреннее сопротивление источника близко к нулю. Именно такой источник будем называть источником напряжения.

Графическое изображение источника напряжения показано на рис. 1.13. На практике идеальные источники с постоянным напряжением не встречаются. Однако часто источники с внутренним сопротивлением, более чем в 10 раз меньшим сопротивлении нагрузки, можно приближенно считать источниками напряжения.

Рис. 1.13. Графическое изображение источника напряжения

 

Что мы называем источником тока?

Источником тока или точнее источником с постоянным выходным током называется такой источник электрической энергии, который отдаст во внешнюю цепь ток постоянного значения независимо от падения напряжения на этой цепи, т. е. независимо от электрического сопротивления внешней цепи. Отдаваемый источником ток может иметь постоянное значение только в том случае, когда внешнее сопротивление R н пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника R вн . Это бывает только тогда, когда внутреннее сопротивление источника бесконечно велико. Такой источник называется идеальным источником тока.

Графически источник тока представлен на рис. 1.14. Чаще на схемах не показывают внутреннее сопротивление R вн либо вместо резистора, включаемого последовательно с собственно источником тока, изображают идеальный источник с проводимостью (величина, обратная сопротивлению), обозначаемой Y вн . Проводимость подключают параллельно источнику. На практике источниками тока часто считают источники, внутреннее сопротивление которых значительно больше сопротивления нагрузки, на которую работает данный источник.

Рис. 1.14. Графическое изображение источника тока:

а — переменного тока; б — постоянного тока

 

Что мы имеем в виду, когда говорим о согласовании источника с нагрузкой?

Если источник с некоторым внутренним сопротивлением нагрузить внешним сопротивлением, то окажется, что мощность, отдаваемая источником и выделяемая в нагрузке, будет зависеть от внешнего сопротивления. Максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, когда ее сопротивление равно сопротивлению источника (рис. 1.15). Такое состояние называется согласованием нагрузки с источником.

Рис. 1.15. Зависимость передаваемой в нагрузку мощности от сопротивления нагрузки

 

Какие источники постоянного и переменного токов встречаются в электронике?

В электронике встречаются различные виды источников постоянного и переменного токов. Источниками постоянного тока служат батареи и аккумуляторы, используемые для питания переносной и бортовой аппаратуры, а также различные устройства электропитания. Батареи и аккумуляторы характеризуются малым внутренним сопротивлением и в большинстве случаев их можно считать источниками напряжения. У питающих устройств постоянного тока, работающих по принципу выпрямления переменного тока, внутреннее сопротивление зависит от их схемного решения, однако в большинстве случаев они близки к источникам напряжения.

Источниками переменного тока в электронных устройствах чаще всего служат транзисторные или ламповые схемы. Транзисторная схема как источник сигнала обладает сопротивлением, зависящим от типа транзистора и схемы его включения. Обычно оно колеблется от нескольких ом до нескольких мегом. Наибольшее сопротивление, которого достаточно, чтобы считать схему источником тока, можно получить при использовании полевых транзисторов или ламп типа пентода.

 

Какими параметрами характеризуется переменный ток?

Переменный ток можно характеризовать следующими параметрами (рис. 1.16): период или частота, амплитуда, размах или пределы изменения мгновенного значения тока, действующее значение тока, форма колебания.

Рис. 1.16. Вид колебания переменного синусоидального тока

( i — мгновенное значение тока, Т — период колебаний, Im — амплитуда тока, 2Im — размах)

В случае синусоидального колебания период Т (в секундах) соответствует расстоянию на оси времени между двумя соседними пиками (двумя положительными или двумя отрицательными). Длина волны λ характеризует то же самое расстояние, но выражается в сантиметрах, дециметрах или метрах. Частота f — это величина, обратная периоду, f = 1/Т. Основная единица измерения частоты — герц [Гц] (один период в секунду). Единица, в тысячу раз большая, называется килогерцем [кГц), в миллион раз большая — мегагерцем [МГц), а в миллиард раз большая — гигагерцем (ГГц). Иногда вместо частоты определяют круговую частоту колебания, обозначаемую буквой ω. Между частотой f и ω имеется связь: ω = 2πf.

 

Какие частоты переменного тока встречаются в электронике?

Диапазон частот, с которым сталкиваются в электронике, весьма широк и зависит от отрасли, в которой используются колебания. Он простирается от нулевой частоты, соответствующей постоянному току, до частоты в несколько десятков гигагерц и более. Частота питающей сети переменного тока в ПНР и СССР равна 50 Гц.

Речи и музыке, преобразованным в электрические колебания, соответствуют низкие, или звуковые, частоты, лежащие в диапазоне от нескольких герц до 10–20 кГц.

Телевизионному изображению, полученному в результате преобразования отраженного от объекта света в электрический сигнал, соответствуют видеочастоты, лежащие в диапазоне от 0 Гц до 5–6 МГц.

Для передачи на расстояние звуков и изображений широко используются электромагнитные волны диапазона радиочастот.

 

Что называется пиковым, или амплитудным, значением переменного электрического колебания?

Пиковым, или амплитудным, значением колебания называется его наибольшее значение. В случае периодически повторяющихся процессов, таких, например, как синусоидальное колебание, пиковое значение, или амплитуду, А m определяют (рис. 1.16) на интервале времени, равном одному периоду. На таком интервале встречаются две амплитуды, отличающиеся только полярностью, — положительная и отрицательная. При записи пиковое, или амплитудное, значение переменного тока обозначают большой буквой с индексом m: U m , I m .

Амплитудное значение тока, действующего в электрической цепи, часто зависит от активного элемента (транзистора, лампы) схемы либо ограничено искажениями сигнала, возникающими при его прохождении через цепь.

Амплитудное значение напряжения в схеме ограничивается напряжением электрического пробоя элементов схемы.

 

Что называется действующим значением переменного тока?

Действующее значение переменного тока выражается значением постоянного тока, который, протекая через цепь с постоянным значением электрического сопротивления, выделяет такую же энергию, как и переменный ток, протекающий за то же самое время. Для синусоидального колебания действующее значение связано с амплитудным следующей зависимостью:

U д = 0,707·U m либо I д = 0,707·I m .

Действующее значение переменного тока при записи обозначается большой буквой с индексом «д», либо большой буквой I без всякого индекса.

Действующее значение напряжения питающей цепи в СССР равно 220 и 127 В. Действующее значение мощности связано с энергией, рассеиваемой в виде тепла, и определяет требования, которым должны удовлетворять элементы в схеме.

 

Что такое среднее значение переменного колебания?

Средним значением колебания переменного тока называется среднее арифметическое абсолютных значений этого колебания в течение одного периода. В случае синусоидального колебания между средним и амплитудным значениями существует определенная связь U ср = 0,636·U m .

Среднее значение переменного тока, протекающего в цепи, определяет среднее потребление тока от источника постоянного тока, питающего данную цепь.

 

Что такое мгновенное значение переменного колебания?

Это значение переменного колебания, которое определяется в данный момент. В случае синусоидального колебания мгновенное значение непрерывно изменяется. При других видах колебаний изменение мгновенного значения может быть резким или постоянным на некотором отрезке времени. Мгновенное значение переменного колебания обозначается малой буквой, например u, i.

 

Что такое синусоидальное или гармоническое колебание?

Это такое колебание, при котором ток и напряжение изменяются во времени в соответствии с законом изменения синуса угла от 0 до 360° (рис. 1.17). Это основная форма колебания переменного тока, являющаяся прямым результатом методов его генерации, в частности на электростанциях. Электрический ток синусоидальной формы возникает в результате вращательного движения ротора генераторного агрегата. Из самого принципа действия этих агрегатов следует периодичность изменения тока в зависимости от угла поворота. Синусоидальное колебание можно создать с помощью электронных устройств, питаемых постоянным током.

Рис. 1.17. Синусоидальное колебание

 

Что такое несинусоидальные колебания?

В общем случае это колебания, форма которых отличается от синусоиды. Несинусоидальные колебания можно разделить на две группы:

1. Колебания, форма которых повторяется через равные промежутки времени, т. е. имеются постоянно повторяющиеся периоды.

Это периодические несинусоидальные колебания. Такие колебания — результат искажений синусоидальных колебаний (рис. 1.18). Примером могут служить колебания, полученные после прохождения синусоидального колебания через устройства с нелинейными элементами.

Рис. 1.18. Форма несинусоидального колебания на выходе нелинейной цепи

2. Колебания, форма которых в разные периоды различна или вообще не наблюдается никакой периодичности (рис. 1.19). Примером может служить периодически повторяемый с частотой повторения строк телевизионный сигнал изображения, однако в общем случае в каждом периоде он различен. Непериодическими сигналами являются электрические колебания, соответствующие, например, речи либо нерегулярным изменениям физических величин (температура и др.).

Рис. 1.19. Периодическое ( а ) и непериодическое ( б ) электрические колебания

 

Что такое колебание прямоугольной формы?

Это периодическое колебание, у которого оба полупериода имеют прямоугольную форму. В общем случае оба полупериода могут иметь разную длительность (рис. 1.20). Если их длительность одинакова, то говорят, что это симметричное колебание или колебание, имеющее форму меандра. Прямоугольное колебание характеризуется амплитудой (А), длительностью положительного и отрицательного импульса Т 1 , Т 2 , периодом Т = Т 1 + Т 2 и частотой повторения f п  = 1/T = 1/(T 1 + Т 2 ). В прямоугольном колебании мы различаем фронт, срез, а также вершину импульса.

Рис. 1.20. Несимметричное ( а ) и симметричное (квадратное) ( б ) прямоугольные колебания

Прямоугольное колебание, как и другие периодические колебания, в общем случае можно рассматривать как сумму некоторой постоянной составляющей (постоянного тока) и многих синусоидальных колебаний с разными амплитудами, частотами и временным сдвигом по отношению друг к другу (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Влияние количества гармоник на форму импульса

Углы, соответствующие взаимным сдвигам, определенные, например, относительно основной составляющей, называются фазовыми углами. Самую низкую частоту синусоидального колебания называют основной частотой. Она равна частоте данного прямоугольного колебания. Остальные синусоидальные составляющие, частоты которых являются кратными основной частоте, называются гармоническими составляющими.

Форма колебания, полученная путем суммирования синусоидальных составляющих, тем ближе к исходной, чем больше составляющих учитывается в этом процессе. Прежде всего это зависит от крутизны фронта и среза прямоугольного колебания. На практике в некоторых случаях достаточно учесть лишь несколько гармоник, а в других — при очень крутых фронте и срезе — недостаточно учета даже ста гармоник. В первом случае говорят, что частотный спектр сигнала является узким, во втором — широким. Прямоугольные колебания используют в таких областях, как цифровая и импульсная техника.

 

Что такое нелинейные искажения сигнала?

Это искажения, возникающие в схемах, содержащих нелинейные элементы. Гармонические нелинейные искажения связаны с появлением в выходном сигнале новых гармонических составляющих.

На рис. 1.22 приведены примеры нелинейных искажений для синусоидального сигнала. Видно, что искажения, вызывающие, например, срез вершин синусоиды, могут приводить к получению искаженного сигнала, форма которого близка к прямоугольному колебанию. Искажения этого типа зависят от амплитуды сигнала в данной схеме и обычно тем больше, чем больше амплитуда.

Количественно гармонические искажения определяются с помощью коэффициента гармоник или коэффициента нелинейных искажений. Этот коэффициент обозначается K г и выражается в процентах. Например, в акустических устройствах содержание гармоник ограничивается несколькими процентами, а в устройствах высококачественного воспроизведения K г < 1 %.

Рис. 1.22. Неискаженное ( а ) и искаженное ( б , в ) синусоидальные колебания

 

Что такое колебание пилообразной формы?

Это колебание, в котором изменение мгновенного значения протекает во времени по линейному закону (рис. 1.23). В общем случае времена нарастания Т 1 и убывания Т 2 мгновенного значения колебания не равны. В некоторых применениях одно из этих времен (обычно более длительное) называется рабочим или активным временем, а другое — временем возврата или пассивным временем.

Пилообразные колебания используются в телевидении, а также в устройствах с осциллографическими электронно-лучевыми трубками.

Рис. 1.23. Пилообразное колебание

 

Что такое шумовое колебание?

Это колебание, мгновенное значение которого изменяется во времени по случайному закону. Накладываясь на полезное колебание, оно может привести к нежелательным эффектам. Помимо внешних, посторонних помех, таких как помехи от сетей электропитания, радиостанций, атмосферных, существуют весьма нежелательные собственные помехи или шумы, возникающие внутри устройств и проявляющиеся в виде большого количества случайных импульсов со случайным распределением частот следования и фазовых углов. Это уже не периодический, а случайный, или вероятностный, процесс.

Большую роль играют тепловые и дробовые шумы. Первые возникают в элементах цепей и зависят от сопротивления элемента и его температуры, вторые — в полупроводниковых приборах и электронных лампах и связаны, в частности, со случайным движением носителей заряда или неравномерной эмиссией электронов из катода.

Уровень шумов определяется значением их средней энергии. Шумовые свойства схем и устройств часто определяют с помощью коэффициента шума.

 

Что такое электрический импульс?

Дать точное определение трудно. В общем можно принять, что определение «импульс» чаще всего относится к электрическому процессу с малым временем длительности, причем само определение «малое» является относительным. Оно мало по сравнению с временем, когда импульс отсутствует (например, с временем перерыва между двумя последующими импульсами). Часто определение «импульс» используется неправильно, по отношению к половине симметричного прямоугольного колебания, даже когда ее длительность относительно велика.

Импульсы могут быть положительными или отрицательными по отношению к некоторому уровню отсчета. Могут быть одиночными или повторяющимися. Повторение импульсов может быть непериодическим или периодическим. Примеры различных импульсов приведены на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Примеры электрических импульсов

 

Какие параметры характеризуют электрический импульс?

Электрический импульс характеризуется следующими основными параметрами: длительностью, частотой повторения пиковым значением (амплитудой), временем нарастания, формой колебания.

Длительность импульса определяется обычно на уровне, соответствующем половине вершины (амплитуды) импульса (рис. 1.25).

Частота повторения импульсов выражается зависимостью

f и  = 1/(Т 1 + Т 2 ) = 1/T.

Пиковое, среднее и действующее значения находят так же, как и для синусоидального колебания, но очевидно, что численные значения коэффициентов отличаются и зависят от параметров импульсов.

Рис. 1.25. Определение длительности импульса

 

Что называется временем формирования фронта импульса?

Время формирования фронта импульса определяет крутизну фронта (при заданном значении амплитуды), выраженную в единицах времени. Чаще всего его определяют как время, за которое мгновенное значение импульса нарастает от 10 до 90 % установившегося значения (рис. 1.26). Аналогично находят и время среза (от 90 до 10 %); время формирования фронта обычно обозначают t ф . Невозможно создать импульсы с t ф = 0, поскольку любое физическое явление, также и нарастание тока в цепи, требует определенного времени. Длительность фронта зависит от устройства, в котором импульс был сформирован, нот элементов этого устройства, Поэтому, если говорить точно, на практике могут существовать не прямоугольные, а лишь трапецеидальные импульсы. Однако название «прямоугольные» используется повсюду по отношению к импульсам с малым временем фронта и среза по сравнению с длительностью импульса.

Рис. 1.26. Определение длительности фронта и среза импульса

 

Что называется выбросом импульса?

Определение «выброс импульса» относится к той части прямоугольного импульса, на которой наблюдается короткое, но резкое увеличение мгновенного значения и которая предшествует вершине, т. е. той части импульса, для которой мгновенное значение постоянно или почти постоянно (рис. 1.27). Во многих применениях наличие выбросов является нежелательным эффектом.

Рис. 1.27. Форма импульса с выбросом

 

Что такое спектр электрических сигналов?

Основным электрическим сигналом является синусоидальный, который в «чистом» (неискаженном) виде представляет собой периодическое колебание, точно соответствующее одиночной синусоиде без гармонических составляющих. Прямоугольное колебание и другие периодические колебания, как уже указывалось выше, можно представлять с помощью суммы ряда (теоретически бесконечного) периодических колебаний с разными частотами, амплитудами и фазовыми углами. График, представляющий набор амплитуд отдельных гармонических составляющих колебания, называют его спектром (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Спектр прямоугольного периодического колебания

Спектр периодического колебания имеет дискретный линейный характер, т е. в нем присутствуют определенные гармонические составляющие, являющиеся целыми, кратными основной частоте f 1 . Обычно наибольшую амплитуду А k имеют составляющие kf 1 , с относительно низкими частотами, а амплитуды высших гармоник в общем относительно малы. Можно показать, что последние возрастают, когда импульсы становятся более узкими либо когда их крутизна становится большей: время фронта убывает. Для правильного воспроизведения формы импульса электронные узлы, через которые проходят импульсы, должны иметь определенную полосу пропускания. Ширина этой полосы связана с временем фронта t ф следующей зависимостью: ширина полосы не менее 1/2t ф . Если время нарастания выразим в микросекундах, то ширину полосы получим в мегагерцах.

Спектр непериодического колебания, например одиночного импульса, имеет непрерывный (сплошной) характер без точно определенных гармонических составляющих. Спектр сигнала изображения в телевидении периодичен. Но форма сигнала в каждом периоде отлична и представляет набор спектральных линий, перемещающихся вблизи состояния покоя, соответствующего простому неподвижному изображению.