Методическая разработка план-конспект по предмету ОП 02 "Электротехника" на тему "Электронные компоненты. Цифровая электроника"
методическая разработка

План-конспект урока теоретического обучения.

Тема:  Электронные компоненты. Цифровая электроника.

Цель урока : Познакомиться с основными типами электронных компонентов, используемых в цифровой электронике.

 Задачи урока:

Образовательные: сформировать общее представление о принципах работы цифровых схем.

Развивающие: развить понимание основных понятий и терминов, используемых в цифровой электронике.

Продолжительность: 90 мин.

Электронно-образовательные ресурсы: проектор для демонстрации презентации.

Ход урока:

1.Организационный этап (5мин)

Приветствие. Проверка присутствующих.

2. Актуализация знаний(10мин.)

 Тест.

3.Объяснение нового материала(60 мин.)

2.1 Электронные компоненты (40 минут)

Основные типы электронных компонентов.

Электронный компонент - это дискретный элемент, который выполняет определенную функцию в электрической цепи.

 Он может быть пассивным или активным, и используется для управления, преобразования, усиления, хранения или обработки электрических сигналов.

    Пассивные  электронные компоненты.

        Резисторы: принцип работы, обозначение, единицы измерения, типовые значения.

Название этого электронного элемента произошло от латинского слова resisto — сопротивляюсь.

То есть – это пассивный элемент применяемый в электрических цепях, действие которого основано на сопротивлении току. Основной характеристикой этого электронного компонента является величина его электрического сопротивления.

Пассивность данного электронного компонента означает то, что основной его функцией является поглощение электрической энергии. В отличие от активных элементов электроники, он ничего не генерирует, а только пассивно рассеивает электричество, преобразуя его в тепло. В схемах замещения сопротивление является основным параметром, в то время как ёмкость и индуктивность – паразитные величины.

Применение

Резисторы применяются во всех электрических схемах для установления нужных значений тока в цепях, с целью демпфирования колебаний в различных фильтрах, в качестве делителей напряжений и т. п.

Резисторы выполняют функции нагрузки в резистивных цепях, используются в качестве делителя напряжения и тока, являются элементами фильтров, применяются для формирования импульсов, выполняют функции шунтов и многое другое. Сегодня трудно себе представить электрическую схему, в которой не задействованы несколько резистивных элементов.

Без резисторов не работает ни один электронный прибор.

Устройство и принцип работы

Конструкция постоянных резисторов довольно простая. Они состоят из керамической трубки, поверх которой намотана проволока или нанесена резистивная плёнка с определённым сопротивлением. На концы трубки вставлены металлические колпачки с припаянными выводами для поверхностного монтажа. Для защиты слоя используется лакокрасочное покрытие.

В большинстве моделей такая конструкция традиционно сохраняется, но сегодня существуют различные виды сопротивлений с использованием резистивного материала, устройство которых немного отличается от конструкции описанной выше.

Современную электронную аппаратуру наполняют платы, начинённые миниатюрными деталями. Поскольку тенденция к уменьшению размеров электронных приборов сохраняется, то требования к уменьшению габаритов коснулись и резисторов. Для этих целей идеально подходят непроволочные сопротивления. Они просты в изготовлении, а их номинальные мощности хорошо согласуются с параметрами маломощных цепей.

Казалось бы, что эра проволочных резисторов постепенно уходит в прошлое. Однако это не так. Спрос на проволочные сопротивления остаётся в тех сферах, где транзисторы с металлоплёночным или с композитным резистивным слоем не справляются с мощностями электрических цепей.

Вещества обладают высокими показателями удельного сопротивления. Это позволяет изготавливать электронные компоненты с очень маленькими корпусами, сохраняя при этом значения номинальных величин.

Размеры и формы корпусов, проволочных выводов современных резисторов соответствуют стандартам, разработанным для автоматической сборки печатных плат. С целью надёжного соединения выводов способом пайки, выводы деталей проходят процесс лужения.

Принцип действия.

Работа резистора основана на действии закона Ома: I = U/R , где I  – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление на участке цепи. Из формулы видно как зависят от величины сопротивления параметры тока и напряжения.

Подбирая резисторы соответствующего номинала, можно изменять на участках цепей величины тока и напряжения. Например, увеличивая сопротивление последовательно включённого резистора на участке цепи, можно пропорционально уменьшить силу тока.

Условно резистор можно представить себе в виде узкого горлышка на участке трубки, по которой течёт некая жидкость (см. рис. 5). На выходе из горлышка давление будет ниже, чем на его входе. Примерно, то же самое происходит и с потоком заряженных частиц – чем больше сопротивление, тем слабее ток на выходе резистора.

Виды

Мы уже упомянули два типа резисторов, отличающиеся по конструкции: постоянные, у которых сопротивление статичное (допускается мизерное отклонение параметров при нагреве элемента) и переменные. К последним можно добавить подвид переменных сопротивлений (полупроводниковых резисторов)   – нелинейные.

За видом резистивного материала классификация может быть следующей:

проволочные резисторы ;

композиционные;

металлоплёночные ;

металлооксидные (характеризуются стабильностью параметров);

углеродные (угольный резистор);

полупроводниковые, с применением резистивных полупроводниковых материалов (могут быть как линейными, так и переменными).

Отличие плёночных smd компонентов от композиционных деталей состоит в способах их изготовления. Композиционные детали производятся путём прессования композитных смесей, а плёночные – путём напыления на изоляционную подложку.

В интегральных монокристаллических микросхемах методом трафаретной печати или способом напыления в вакууме создают встроенные интегральные резисторы.

По назначению сопротивления подразделяются на детали общего назначения и на компоненты специального назначения:

прецизионные и сверхпрецизионные (высокоточные детали с допуском отклонений параметров от 0,001% до 1%);

   Конденсаторы: принцип работы, обозначение, единицы измерения, типы конденсаторов.

Конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд.

Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд.

Количество заряда, которое способен накопить конденсатор, называют «емкостью». Эта величина измеряется в фарадах.

Принцип работы конденсаторов

При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.

В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Использование конденсаторов

Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.

В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.

К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.

К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические и пусковые конденсаторы.

Функции, выполняемые конденсаторами:

фильтрация высокочастотных помех;

сведение к минимуму пульсаций;

разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты;

накопление энергии;

создание резонанса с катушкой индуктивности, что позволяет усилить сигнал.

      Катушки индуктивности: принцип работы, обозначение, единицы измерения, типы катушек.

Катушка индуктивности (иногда называют ее индуктором или дросселем) - это просто катушка проволоки, которая намотана вокруг какого-нибудь сердечника. Ядро сердечника может быть просто воздухом или магнитом.

Когда вы подаете ток через катушку, вокруг неё создается магнитное поле.

При использовании магнитного сердечника магнитное поле будет намного сильнее.

Принцип работы катушки индуктивности

Ток через любой провод создаст магнитное поле. Катушка индуктивности имеет проволочную форму, поэтому магнитное поле будет намного сильнее.

Причина, по которой индуктор работает так, как он работает, заключается в этом магнитном поле. Отсюда вытекают и следующие свойства катушки.

Свойства катушки индуктивности:

Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.

Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.

Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.

Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое (активное) сопротивление, но и реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Более детально о принципе работы катушек индуктивности вы можете почитать на сайте.

Использование катушек индуктивности:

создание фильтров, генераторов и блоков питания, радиооборудование

    Активные компоненты:

    Диоды: принцип работы, обозначение, типы диодов.

Диод — это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одном направлении. 

Он состоит из двух основных частей: анода и катода.

 Диоды используются для выпрямления переменного тока, в качестве защитных элементов от переполюсовки, а также для преобразования высокочастотных сигналов.

Диоды являются одними из наиболее широко применяемых электронных компонентов в различных устройствах.

Применение

Диоды применяются в детекторах, логарифматорах, экстрематорах, преобразователях частоты и других устройствах, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. В таких устройствах диоды играют важную роль в качестве элементов обратной связи или основных рабочих устройств.

Диоды нашли применение и в устройствах коммутации, которые используются для того, чтобы переключать токи или напряжения. Диодные мосты позволяют размыкать или замыкать цепь, передающую сигнал. Для коммутации используется управляющее напряжение, которое вызывает переключение диода или его обратное состояние.

****Развитие диодов в XIX веке происходило параллельно в двух направлениях. В ходе исследований, проведенных в 1873 году, британским ученым Фредериком Гутри, был открыт принцип работы термионных диодов, представляющих из себя вакуумные лампы с прямым накалом. В 1874 году немецкий ученый Карл Фердинанд Браун раскрыл принцип работы кристаллических диодов, которые относятся к классу твердотельных устройств.

Принцип работы термионных диодов был повторно открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, а затем был запатентован в 1883 году (патент США № 307031). Однако данная идея не получила дальнейшего развития в работах Эдисона. В 1899 году немецкий ученый Карл Фердинанд Браун получил патент на выпрямитель на кристаллическом основании. Дальнейшую эволюцию открытия Брауна продвинул Джэдиш Чандра Боус, создав устройство, применимое для детектирования радиосигналов. К концу 1900 года Гринлиф Пикард разработал первый радиоприемник на основе кремниевого кристаллического диода. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США № 803684 от ноября 1905 года). Кроме того, 20 ноября 1906 года Пикард получил патент на кристаллический детектор на основе кремния (патент США № 836531).

В конце XIX века устройства данного типа были широко известны под названием "выпрямители". Однако термин "диод" был введен в широкое использование только в 1919 году Вильямом Генри Иклсом. Этот термин произошел от греческих корней "di" - два и "odos" - путь.*****

Устройство диода и принцип работы

Диод состоит из следующих основных элементов:

Корпус. Герметизированный корпус, материалом которого может быть керамика, металл, стекло, пластик и др.

Катод. Представляет собой тонкую нить или металлический цилиндр, который разогревается в процессе работы и испускает электроны.

Анод. По конструкции аналогичен катоду, но имеет положительный потенциал и используется для сбора электронов.

Кристалл. Изготавливается из германия или кремния, или их соединений; одна часть кристалла имеет p-тип проводимости с дефицитом электронов, а другая часть имеет n-тип проводимости с избытком электронов, граница между этими двумя областями кристалла называется p-n переходом.

Принцип работы диода

Принцип работы диода основан на свойстве p-n перехода, который образуется на границе между двумя разнородными полупроводниками с различной концентрацией примесей (p- и n-типа).

Когда к диоду прикладывается прямое напряжение (анод подключен к плюсу, катод к минусу), электрическое поле внутри p-n перехода помогает основным носителям заряда (электронам и дыркам) преодолеть потенциальный барьер, что приводит к протеканию тока через диод от анода к катоду. Этот процесс называется прямым смещением или прямым током.

Если же к диоду приложить обратное напряжение (анод к минусу, катод к плюсу), электрическое поле будет препятствовать движению основных носителей заряда, и ток через диод будет пренебрежимо мал. Однако, даже при обратном включении диода через него может протекать небольшой обратный ток, вызванный движением неосновных носителей заряда (дырок в n-полупроводнике и электронов в p-полупроводнике). Этот процесс называется обратным смещением или обратным током.

Таким образом, диод работает как односторонний клапан для тока, пропуская его только в одном направлении (от анода к катоду) и блокируя в обратном направлении. Это свойство диода используется в различных электронных схемах, например, для выпрямления переменного тока, детектирования радиосигналов и т. д.

Транзисторы: принцип работы, обозначение, типы транзисторов.

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

 Интегральные микросхемы: типы микросхем, основные функции, примеры использования.

Интегральная микросхема (ИМС)

Всего лет двадцать пять назад радиолюбителям и специалистам старшего поколения пришлось заниматься изучением новых по тому времени приборов — транзисторов. Нелегко было отказываться от электронных ламп, к которым так привыкли, и переключаться на теснящее и все разрастающееся «семейство» полупроводниковых приборов.

А сейчас это «семейство» все больше и больше стало уступать свое место в радиотехнике и электронике полупроводниковым приборам новейшею поколения — интегральным микросхемам, часто называемым сокращенно ИМС.

Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема - это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

2.2 Цифровая электроника.

Цифровая электроника - это область электроники, которая занимается обработкой информации в виде дискретных сигналов, представленных в двоичной системе счисления (0 и 1). В отличие от аналоговой электроники, где сигналы непрерывны, цифровая электроника работает с дискретными значениями, что позволяет создавать более точные, надежные и гибкие системы.

Основные принципы цифровой электроники:

Двоичная система счисления:

  Все данные в цифровой электронике представляются в виде комбинации нулей и единиц.

Логические операции:

Используются логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, XOR), которые выполняют операции над двоичными данными.

Цифровые сигналы:

  Сигналы представляют собой последовательность нулей и единиц, которые передаются между различными компонентами.

 Сигнал — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигнал, в отличие от сообщения, может генерироваться, но его приём не обязателен (сообщение должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением, а всего лишь сигналом).

Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.

1 — низкий уровень сигнала, 2 — высокий уровень сигнала, 3 — нарастание сигнала (фронт), 4 — спад сигнала (срез)

Составные части  цифровых схем:

Регистры: Хранят двоичные данные.

Счетчики:  Считают импульсы цифровых сигналов.

Дешифраторы:  Преобразуют двоичный код в другой формат (например, в адрес памяти).

Кодировщики: Преобразуют данные в двоичный код.

Мультиплексоры и демультиплексоры:  Переключают цифровые сигналы между различными линиями.

Микропроцессоры:  Центральный элемент цифровых систем, который выполняет инструкции и управляет другими компонентами.

Преимущества цифровой электроники:

Точность: Цифровые системы работают с дискретными значениями, что обеспечивает высокую точность обработки информации.

Надежность: Цифровые системы менее подвержены ошибкам, чем аналоговые.

Гибкость:  Цифровые системы легко программируются и модифицируются.

Миниатюризация:  Цифровые схемы могут быть реализованы на очень маленьких кристаллах, что позволяет создавать компактные устройства.

Цифровая электроника является основой для многих современных технологий и играет ключевую роль в развитии различных отраслей промышленности. Понимание принципов цифровой электроники необходимо для работы с различными цифровыми устройствами, а также для разработки новых технологий.