Электроника: от простого к сложному

1. Постоянный ток. Первые радиодетали

Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю. Первый ее период связан с простейшими передатчиками ключевого действия и способными принимать их сигналы приемниками, которые появились в начале XX века. Затем наступила эпоха вакуумных ламп, которая ознаменовала собой возможность претворения в жизнь смелых идей. Сейчас мы являемся свидетелями нового этапа развития электроники, связанного с появлением элементов на твердом теле. Технология появления больших интегральных схем (БИС) дает возможность производить такие кристаллы кремния, на основе которых создают калькуляторы, вычислительные машины и сотовые телефоны. Развитие технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) открывает возможность создания новых замечательных устройств.

Если вас заинтересовали успехи электроники, и есть желание узнать об электронных устройствах побольше, то этот курс - то, что вам нужно.

Протоны и электроны

Повседневный опыт приучил нас к тому, что твердые тела и жидкости имеют плотную и непрерывную структуру. А вместе с тем структура у них, можно сказать, ажурная. Любое вещество - вода, бумага, металлы, пластмасса - больше напоминают хокеистов на льду во время игры, чем зрителей, наблюдающих за игрой. Мы не видим этой ажурности, но точными физическими исследованиями установлено, что сгустки вещества - атомы и электроны - находятся друг от друга на расстоянии, во много раз превышающими их размеры. Если предположить, что атомное ядро имеет размеры футбольного мяча, то для соблюдения пропорций нужно представить, как на расстоянии в сотни и тысячи метров от него летают электроны размером с горошину, а всё остальное - пустота. А расстояния между соседними атомами в этом масштабе совсем огромны - это десятки и сотни километров.

В любом веществе найдется некоторое количество атомов, потерявших электроны со своих внешних орбит. В твердом теле атомы закреплены в определенных точках пространства, связаны друг с другом в прочный каркас кристаллической решетки. В жидкостях атомы связаны слабее, могут смещаться, именно поэтому жидкость "мягкая", она легко изгибается, течет. В любом случае атомы пошатываются, совершают небольшие движения, колеблются. В процессе этих хаотических тепловых колебаний атомы, грубо говоря, "сбрасывают" внешние электроны, те, которые больше всего удалены от ядра, слабее других привязаны к нему электрическими силами. Вырвавшиеся из атомов электроны перемещаются в межатомном пространстве, они свободны.

Атом, у которого электронов на орбитах больше, чем протонов в ядре, - отрицательный ион, а потерявший один или несколько электронов, - это положительный ион. В твердых телах такие положительные ионы неподвижны, в жидкостях и особенно в газах они, как и электроны, могут свободно двигаться.

Проводники, полупроводники и изоляторы

Специалисты по электричеству привыкли делить все вещества на три группы - проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). В диэлектриках свободных зарядов очень мало, почти нет. Полупроводники - это вещества, в которых свободных зарядов немного, но они все таки есть. К проводникам относятся вещества, в которых свободных зарядов очень много.

Рис. 1.1. Изоляторы, полупроводники, проводники

1.1. Ток и напряжение

1.1.1. Электрический ток

Электрический ток - это направленное движение электрически заряженных частиц внутри проводника, например, меди или железа. Когда-то считалось, что эти частицы заряжены положительно, но на самом деле это электроны, которые имеют отрицательный заряд.

Ток имеет направление, или полярность, считается, что заряды всегда текут от положительного полюса к отрицательному. Первым человеком, который ввел эту идею, был Бенджамин Франклин, который не обладал средствами и знаниями, чтобы доказать, что в действительности ток обусловлен отрицательно заряженными электронами, а не гипотетическими положительными частицами. Эта условность осталась по сей день, хотя в действительности электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Положительный полюс обычно указывается на схемах знаком "+" или красным цветом, а отрицательный - знаком "-" или черным цветом.

Как можно измерить ток? Измерить поток воды достаточно просто: нам нужны секундомер и счетчик воды, текущей из трубы. Скорость этого потока зависит от диаметра трубы и скорости воды и равна количеству литров, которые проходят через секцию трубы в секунду: могут пройти десять, сто или тысячи литров в секунду. Для измерения силы электрического тока поступают подобным образом, но вместо измерения количества воды мы должны считать электрические заряды, или электроны, которые проходят в электрическом проводе в секунду (через данное сечение проводника).

Единицей измерения электрического тока, или силы тока, является ампер (А), названный в честь первооткрывателя электрического тока - великого французского физика Андре-Мари Ампера, жившего на рубеже XVIII-XIX веков. Один ампер соответствует скорости прохождения через сечение проводника заряда в 1 кулон (К) за 1 секунду. (Один кулон - суммарный заряд примерно 6 миллиардов миллиардов (или 6,24·1018) электронов.) Символом ампера является буква "А". В формулах сила тока обозначается буквой "I". Токи небольшой величины могут быть выражены в мА или даже в мкА.

Человек начинает ощущать ток в своем теле при его величине 0,005 А. Ток 0,05 А опасен для жизни. Ток в люминесцентной лампе - 0,15 А, в лампе накаливания - 0,2-1 А, в холодильнике - 0,5-0,8 А, в бытовых нагревательных приборах - 2-8 А, в электродвигателе трамвайного вагона - 100 А и выше, в индукторе печи для плавления алюминия - 18000 А.

1.1.2. Напряжение и разность потенциалов

Сколько раз мы задавали себе вопросы вроде "При каком напряжении работает этот электрический прибор?" - "220 вольт", или "Какую батарейку нужно вставить в этот пульт?" - "1,5 В". Как аналогию можно привести в пример воду, которая может течь, потому что есть разница в высоте. Похожим образом течет электрический ток, если существует разница в уровнях, или, лучше сказать, разность потенциалов, как будто точки расположены на разной высоте.

Если мы возьмем очень длинную трубу, положим ее на землю и наполним ее водой (рис. 1.2), вода выйдет из другого конца с небольшой силой. Если мы поднимем один из концов трубы, то вода выйдет с большей силой. Чем больше разница в высоте, тем больше сила (или давление) на выходе из трубы.

Рис. 1.2. Сила потока воды зависит от разницы в высоте

Представим себе, что можно некоторый положительный заряд разместить в одном месте, а отрицательный - в другом. Между ними появится так называемое электрическое поле. Если в этом поле разместить некоторую положительно заряженную частицу, то она будет двигаться в сторону отрицательного заряда. Электрический заряд, расположенный в электрическом поле, обладает определенным уровнем потенциальной энергии, потому что находится в определенной точке поля и является неподвижным, хотя под воздействием этого поля его тянет в сторону отрицательного заряда. Потенциальная энергия, которую частица стремится перевести в энергию движения, деленная на количество заряда, называется напряжением (ее можно сравнить с высотой, с которой падает вода, например с высотой водопада). Под напряжением мы имеем в виду разницу потенциалов (вроде разницы высот).

Рис. 1.3. Заряды разных знаков притягиваются друг от другу

Единицей измерения напряжения является вольт (В), в честь одного из основоположников учения об электричестве, итальянского ученого, графа Алессандро Вольта, жившего на рубеже XVIII-XIX веков, также известного изобретением первого гальванического элемента, так называемого Вольтового столба. В формулах и на схемах напряжение обозначается буквой "U".

Обозначение источника напряжения на электрической схеме, которое применяется на практике, приведено на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Условное обозначение источника напряжения на электронных схемах

1.1.3. Закон Ома

Это один из очень простых, понятных и в то же время очень важных законов электрической цепи. Согласно ему, чем больше электрическое напряжение между двумя точками схемы, тем быстрее будут перенесены заряды, образующие ток, тем больше будет ток. Также он увеличивается при уменьшении сопротивления цепи (сопротивление измеряется в омах (Ом)). Этот закон был открыт в 1826 году и носит название закона Ома:

I = U / R,

т.е. ток I в цепи прямо пропорционален приложенному к ее выводам напряжению U и обратно пропорционален сопротивлению цепи R. При своем движении электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Чем больше в веществе электронов и чем меньше столкновений у них с ионами, тем меньше удельное сопротивление вещества.

1.1.4. Первая радиодеталь - резистор

Резисторы уменьшают поток электрического тока. Представьте, что вы поливаете розы в саду из резинового шланга, как вдруг поток воды останавливается. Вы поворачиваетесь и видите своего друга, который наступает ногой на шланг, уменьшая тем самым поток воды. Резисторы для тока играют роль тонкой или толстой (в зависимости от того, какой величины сопротивление требуется) резиновой трубки. Высокое значение сопротивления означает, что через материал может проходить лишь ток малой величины.

Сопротивление является свойством всех электрических компонентов. Задача резисторов заключается в том, что они должны оказывать сопротивление электрическому току. Закон Ома подсказывает, что можно установить в цепи необходимую силу тока, создав в этой цепи точно дозированное, то есть строго определенное сопротивление. Задавшись величиной тока I и зная напряжение U источника питания, можно по формуле R = U / I, вытекающей из закона Ома, вычислить это необходимое сопротивление. Резистор является наиболее часто используемым элементом электрических цепей. Резисторы бывают с постоянным и переменным сопротивлением. Они имеют различные формы и размеры, в зависимости от условий их применения и предъявляемым к ним требованиям.

Сейчас резисторы в виде микроскопических полупроводниковых пылинок в основном ушли в интегральные схемы, но в то же время всё ещё выпускаются в виде отдельных (дискретных) деталей. Существует два основных типа резисторов - угольные и металлопленочные. Угольные резисторы создают, смешивая порошкообразные изолятор и уголь в пропорциях, необходимых для получения необходимого сопротивления. А металлопленочные резисторы (более распространенные в настоящее время) создают, напыляя тонкую пленку металла на керамическую подложку, а затем удаляя некоторый объем напыления до получения необходимого сопротивления.

Условное обозначение резистора показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Условное обозначение резистора

На практике сопротивление резисторов отличается от номинального в связи с воздействием температуры и влажности, а также нагрева при протекании через них тока и других факторов. Максимальное возможное отклонение называется допуском и задается в процентах относительно сопротивления резистора. Выпускаются резисторы с допусками ±20%, ±10%, ±5%, ±2%, ±1%.

Значения номиналов импортных резисторов нанесены на них в виде цветных полос. Первые две полосы означают первую и вторую цифры номинала, третья - количество нулей, на которое необходимое умножить значащие цифры, а четвертая полоса - допуск резистора (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Последовательное и параллельное включение резисторов

Рассмотрим последовательное и параллельное соединение резисторов.

Рис. 1.6. Последовательное (1) и параллельное (2) соединение резисторов

Cопротивление двух последовательно включенных резисторов R1 и R2 (рис. 1.6, 1) равно из сумме:

Rобщ = R1 + R2.

Видно, что при последовательном соединении мы всегда получаем сопротивление больше любого из этих резисторов.

При параллельном соединении резисторов (рис. 1.6, 2) напряжение на каждом из них равно U (одинаковое), а ток в цепи равен сумме токов через резисторы:

U / Rобщ = U / R1 + U / R2,

отсюда

1 / Rобщ = 1 / R1 + 1 / R2,

или (что то же самое)

Rобщ = R1 · R2/(R1 + R2).

При параллельном соединении общее сопротивление меньше наименьшего из сопротивлений (это остается верным и при большем количестве резисторов). Чем больше резисторов включены параллельно друг другу, тем меньше их общее сопротивление. В случае последовательного соединения, наоборот, чем больше резисторов мы включим друг за другом, тем больше будет их общее сопротивление.

Делитель напряжения

Рассмотрим делитель напряжения, который широко используется в электронных схемах. В любой настоящей схеме можно найти несколько делителей напряжения. Это схема, на вход которой подается некоторое входное напряжение или сигнал (чуть позже мы начнем знакомиться с синусоидальным напряжением и его представлением в электронике), а с выхода снимается напряжение, являющееся частью входного напряжения или сигнала.

Пусть нам надо получить напряжение на выходе схемы меньше, чем на входе. Простейший делитель представлен на рис. 1.7. Чему здесь равно Uвых? Представим, что нагрузки нет, тогда ток равен

I = Uвх / (R1 + R2).

Выходное напряжение - это напряжение на резисторе R2, поэтому

Uвых = I · R2 = Uвх · R2 / (R1 + R2).

Видно, что выходное напряжение всегда меньше входного, т.е. данная схема успешно справляется с этой задачей. Но следует помнить, что мы предположили Rист = 0 и Rнагр = ∞. Ниже будет рассказано о методе Тевенина, который позволяет определить Uвых и Rвых нагруженного делителя.

Рис. 1.7. Делитель напряжения

Особые делители - добавочное сопротивление и шунт

Часто в делителе напряжения одно из сопротивлений - это сама нагрузка. Необходимое напряжение на ней в этом случае можно установить, подобрав сопротивление остальной части делителя, обычно его называют "гасящее сопротивление", и это очень удачное название. Действительно, гасящее сопротивление как бы гасит излишек напряжения, берет его на себя с таким расчетом, чтобы нагрузке досталось только то, что ей требуется (рис. 1.7).

Рис. 1.8. Шунт

Аналогично можно пропустить через нагрузку необходимый ток Iн, подключив сопротивление Rш параллельно ей (рис. 1.8). Оно получило название "шунт" (в переводе с английского - "обходной путь"), а само подключение шунта называется шунтированием. Шунт включают в том случае, когда ток в нагрузке Iн был бы слишком большим. Или, можно сказать иначе, шунтирование снижает ток через нагрузку, ответвляя в шунт часть Iш общего тока (Iш + Iн). Чем меньше сопротивление шунта, тем сильнее шунтирование, тем меньшая часть общего тока достается нагрузке (Iн) и тем большая его часть Iш пойдет через шунт.

1.2. Законы Кирхгофа и их использование

Законы, или правила, Кирхгофа - это соотношения, которые соблюдаются между токами и напряжениями на участках абсолютно любой электрической цепи. С помощью законов Кирхгофа можно рассчитать любые электрические цепи как постоянного, так и переменного тока.

В замкнутой цепи постоянного тока не могут скапливаться электрические заряды, так как это вызвало бы изменение потенциалов точек цепи. Поэтому сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла. Так звучит первый закон Кирхгофа. Его можно сформулировать и по другому: сумма токов в узле равна нулю:

При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут с одним знаком, как правило со знаком "плюс", а токи, направленные от узла, - с противоположным знаком. Например, для узла 1 на рис. 1.9

- I1 + I2 + I3 = 0

Рис. 1.9

Второй закон Кирхгофа - сумма ЭДС в любом контуре электрической цепи равна сумме падений напряжения на всех элементах этого контура:

Для контуров I и II на рис. 1.9 данное правило с учетом полярности ЭДС и напряжений имеет вид:

E1 - E2 = - U1 - U2 E2 - E3 = U2 - U3

Законы Ома и Кирхгофа используют, как правило, при расчете несложных электрических цепей с небольшим числом контуров, хотя теоретически с их помощью можно рассчитать электрические цепи любой сложности.

1.2.1. Что такое на схеме "4,5В"?

Вы наверняка встречали схемы, в которых напротив узлов написано "U1" и "U2" или 6 В и 4,5 В. Но ведь напряжение измеряют между точками схемы. Разберемся, что это означает. Возьмем некоторую схему, сейчас совершенно неважно, что это за схема, пусть это будет схема, изображенная на рис. 1.10. На нижней точке схемы указан знак "земля". Обычно за "землю" (иногда говорят о "корпусе") принимают один из выводов источника питания схемы, как правило "минус". Напряжение - это разность потенциалов. Потенциал "земли" принимают равным нулю. Тогда потенциал φA в точке A схемы будет равен напряжению между этой точкой и "землей"/корпусом. Специалисты говорят: "Измерь напряжение в точке А", имея в виду разность потенциалов между этой точкой и корпусом, поскольку потенциал корпуса нулевой:

UA = φA - φGND = φA - 0 = φA

Аналогично для любой другой точки схемы.

Рис. 1.10. Напряжение в точке А измеряется относительно "земли"

Условные обозначения "корпуса" и "земли" приведены на рис. 1.11. О "земле" чаще говорят в электротехнике, когда речь идет, например, о моторах холодильников, стиральных машин, нагревателях и другом подобном оборудовании. При рассмотрении схем электронных устройств, как правило, используют обозначение, приведенное на рис. 1.11, 1.

Рис. 1.11. "Корпус" (1) и "земля" (2) в электрических схемах

Для закрепления знаний о законах Кирхгофа рассмотрим следующую схему (рис. 1.12).

Рис. 1.12.

Согласно первому закону Кирхгофа

I1 = I2 + I3

Согласно второму закону Кирхгофа

E1 = I1R1 + I2R2 - I2R2 + I3R3 + I3R4 = 0

Пусть E1 = 15 В, R1 = R3 = 5 Ом, R2 = R4 = 10 Ом.

Тогда

I1 = 15/11 А, I2 = 9/11 А, I3 = 6/11 А.

Согласно закону Ома напряжения в точках 1 и 2 равны

Uт1 = I2R2 = (9/11) · 10 = 8,18 В Uт2 = I3R4 = (6/11) · 10 = 5,45 В

Тогда напряжение на резисторе R3 равно разности потенциалов в точках 2 и 1, а значит - этих напряжений:

UR3 = Uт1 - Uт2 = 8,18 - 5,45 = 2,73 В

Привыкайте к измерению напряжений относительно "корпуса" и к тому, что напряжение на элементах схемы равно их разнице. Также необходимо помнить, что в случае измерения тока через какую-то ветвь амперметр необходимо включать в ее разрыв.

1.3. Источники питания

1.3.1. Что такое "внутреннее сопротивление"?

Если говорить о реалиях, то напряжения, которые мы получаем от батареек, аккумуляторов и прочих источников питания, в действительности немного меньше, чем об этом заявляют производители. Если вы купили батарейку "Крона" (9 В) для настольных часов или пальчиковую (1,5 В) для пульта телевизора, то в действительности после того, как вы подключите их к к нагрузке (к часам и к пульту), напряжение немного упадет, на очень малую величину, но упадет. Причина в том, что все источники напряжения имеют ненулевое внутреннее сопротивление. К сожалению, оно есть, и является таким же полноправным элементом схемы, как и все внешние радиодетали, поэтому когда, вы вставите батарейку в пульт, потечет ток, и на этом сопротивлении по закону Ома окажется некоторое напряжение. Если представить батарейку или аккумулятор как последовательно соединенные идеальный источник ЭДС (именно так называется источник питания без потерь) и внутреннее сопротивление, то после замыкания цепи образуется делитель напряжения, работу которого мы рассмотрели выше. ЭДС распределится между Rвнутр и сопротивлением устройства-нагрузки Rнагр. Если увеличить ток (уменьшить Rнагр), то по закону Ома увеличится падение на этом внутреннем сопротивлении, и напряжение на выходе, которое достанется Rнагр, окажется еще меньше. Чтобы изменение нагрузки как можно меньше влияло на внешнее напряжение источника питания, Rвнутр стараются сделать как можно меньше. Еще одним примером того, что это происходит, является сеть 220 В (напряжение переменное, но суть не меняется). У нее внутреннее сопротивление составляет доли ома, но все же оно есть (сказывается сопротивление линий электропередачи (ЛЭП)) и теоретически напряжение должно быть чуть меньше 220 В.

Теперь, когда вы знаете, что такое внутреннее сопротивление, можно обсудить, что такое источник напряжения и что такое источник тока.

1.3.2. Источник напряжения и источник тока

Рис. 1.13. Режимы работы генератора

Из всех возможных соотношений между сопротивлениями генератора и нагрузки можно выделить два типичных случая.

Случай первый: сопротивление генератора Rг во много раз меньше, чем сопротивление нагрузки Rн. Такой источник называют источником напряжения, отмечая этим, что почти вся ЭДС приложена к нагрузке и что при изменении нагрузки напряжение на ней почти не меняется (рис. 1.13; 3). Для иллюстрации - числовой пример.

Предположим, что E = 200 В, Rг = 1 Ом и Rн = 400 Ом. На внутреннем сопротивлении генератора остается около 1 В, нагрузке достается примерно 199,5 В. Увеличим Rн до 800 Ом, на нагрузке, несмотря на это, останется примерно такое же напряжение, какое было, - около 199,75 В; на внутреннем сопротивлении генератора останется около 0,25 В. Если уменьшить Rн до 100 Ом, то на нем все равно будет около 198 В, на Rг потеряется около 2 В.

Во втором типичном случае сопротивление генератора Rг во много раз больше сопротивления нагрузки Rн. Это режим генератора тока, он назван так потому, что ток в цепи почти не меняется при изменении Rн (рис. 1.13; 4).

Числовой пример: ЭДС генератора E = 200 В, Rг = 200 Ом и Rн = 1 Ом. Легко подсчитать, что ток в цепи - около 1 А и он примерно таким и останется, если увеличить или уменьшить Rн в несколько раз.

Оба эти режима имеют свои достоинства и недостатки, но генератор напряжения встречается гораздо чаще. В режиме генератора напряжения работают электрическая сеть (внутреннее сопротивление - десятые и даже сотые доли ома), автомобильный аккумулятор, батарейка карманного фонаря (внутреннее сопротивление новой батарейки - около ома, у старой батарейки - несколько ом).

1.4. Конденсатор

1.4.1. Что это такое?

Простейший конденсатор состоит из двух пластин (или обкладок), находящихся одна перед другой и сделанных из проводящего материала. Между пластинами находится изолирующий материал, называемый диэлектриком (рис. 1.14). Простейшими диэлектриками являются воздух, бумага, слюда и т.д.

Рис. 1.14. Конденсатор

Основным свойством конденсатора является его способность запасать электрическую энергию в виде электрического заряда.

На рис. 1.15, 1 изображена схема, в которой конденсатор через ключ соединяется с источником питания. Когда ключ замкнут (рис. 1.15, 2), положительный полюс источника "откачивает" электроны с обкладки A, и она приобретает положительный заряд. Отрицательный полюс источника питания в это время "поставляет" электроны на обкладку B, в результате чего она приобретает отрицательный заряд, по абсолютной величине равный положительному заряду обкладки A. Такой поток электронов называется током заряда. Он продолжает течь до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с ЭДС источника питания. В этом случае говорят, что конденсатор полностью заряжен.