Виды электронных устройств

Содержание

Оптрон (оптопара)

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 107..108 раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что и обусловливает широкую применимость резиновых оптопар в аналогичных устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01..1 c.

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5..50 мкс. Для некоторых оптронов это время меньше. Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод.

Условное графическое обозначение оптопары показано на рисунке а:

Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

Основные различия аналоговой и цифровой электроники

Поскольку в аналоговых и цифровых схемах информация кодируется по-разному, у них отличаются и процессы обработки сигналов. Следует при этом заметить, что все операции, которые могут быть совершены над аналоговым сигналом (в частности, усиление, фильтрация, ограничение диапазона и т. п.) могут быть осуществлены и методами цифровой электроники и программного моделирования в микропроцессорах.

Основное различие аналоговой от цифровой электроники можно найти в наиболее характерных для той или иной электроники способах кодирования информации.

Аналоговая электроника использует простейшее пропорциональное одномерное кодирование — отражение физических параметров источника информации в аналогичные физические параметры электрического поля или напряжения (амплитуды в амплитуды, частоты в частоты, фазы в фазы и т. д.).

Цифровая электроника использует n-мерное кодирование физических параметров источника данных. Минимально в цифровой электронике используется двумерное кодирование: напряжение (ток) и моменты времени. Данная избыточность принята исключительно для гарантированной передачи данных с любым программируемым уровнем добавленных в устройстве шумов и искажений в исходный сигнал. В более сложных цифровых схемах используется методы программной микропроцессорной обработки информации. Методы цифровой передачи данных позволяют реально создавать физические каналы передачи данных абсолютно без потерь (без возрастания шумов и других искажений)

В физическом же смысле поведение всякой цифровой электронной схемы и всего устройства ничем не отличается от поведения аналогового электронного устройства или схемы и может быть описано теорией и правилами, описывающими функционирование аналоговых электронных устройств.

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы к воздействию шума, нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов . До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Шум является одним из ключевых факторов, влияющих на точность сигнала; в основном это шум, присутствующий в исходном сигнале, и помехи, вносимые при его передаче (см. Отношение сигнал-шум). Фундаментальные физические ограничения — к примеру, т. н. «дробовой» шум в компонентах — устанавливают пределы разрешения аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность обеспечивается использованием вспомогательных разрядов, характеризующих сигнал; их количество зависит от производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) .

Сложность разработки

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации. Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе . К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.

Описание

Учебный план будущих специалистов по электронным приборам и устройствам сочетает фундаментальную техническую и технологическую подготовку с прикладным овладением возможностями современных электронных приборов и устройств. Базовая инженерная подготовка включает в себя изучение инженерной графики, электротехники, материаловедения, электрорадиоизмерений. Основная прикладная специфика специальности заключается в изучении технологии сборки и настройки электронных приборов и устройств. Также изучаются методы оценки качества и управления качеством, а также методы стандартных и сертификационных испытаний.

Возможно, вам также будет интересно

После успеха серии коючей BUKXXX TOPFET компании Philips Semiconductors, фирма выпустила новую серию полевых транзисторов (TOPFET) серии PIP3XXX. Ключи PIP3XXX разработаны на основе BUKXXX TOPFET, которые предназначались преимущественно для автомобильной электроники. PIP3-транзисторы оптимизированы для резистивных и индукционных нагрузок, которые имеются в большинстве процессов управления. Эти ключи рекомендуются для управления лампами, двигателями, соленоидами и элементами отопления.

Разъемы серии DN в металлическом и пластмассовом исполнении (рис. 1) рассчитаны на работу в экстремальных условиях и агрессивных средах. Изделия водонепроницаемы, оснащены байонетной блокировкой и гарантируют надежное соединение. Запатентованная фирмой Schaltbau система самоочищающихся нажимных контактов обеспечивает продолжительный срок службы и высокую степень ударо- и вибропрочности. За счет стабильно низкого переходного сопротивления сохраняется высокая надежность контакта, в том числе при малых значениях напряжения и тока в широком диапазоне температур.

Компания Microchip объявила о выпуске новых отладочных средств для разработки современных устройств на 32-битных контроллерах PIC32.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности – устройство, обладающее свойством:

U = L · dI / dt,

где
L – индуктивность в генри (или мГн, или мкГн);
U – напряжение в вольтах;
dI/dt – скорость изменение тока.

УГО катушки индуктивности следующее:

Катушка индуктивности – свернутый в спираль изолированный проводник, обладающий значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Материалом сердечника служит обычно железо или феррит в виде бруска, тора.

В цепях переменного тока катушка ведет себя как резистор, сопротивление которого растет с увеличением частоты.

Трансформатор – это устройство, состоящие из двух индуктивно связанных катушек индуктивности, называемой первичной и вторичной обмоткой.

УГО трансформатора с магнитопроводом:

Коэффициент трансформации:

n = w1 / w2

где w1 и w2 – число витков

Трансформаторы служат для преобразования переменных напряжений и токов, а также для изолирования от сети.

Типология схем

Электронные схемы и их составляющие могут быть разделены на два ключевых типа в зависимости от общих принципов их функционирования: аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные). Одно и то же устройство может состоять как из схем одного типа, так и из смешения обоих типов в той или иной пропорции.

Аналоговые схемы

В основном аналоговые электронные приборы и устройства (радиоприёмники, например) конструктивно представляют собой сочетание нескольких разновидностей базовых схем. В аналоговых цепях используется непрерывный диапазон напряжения, в противоположность дискретным уровням, которые применяются в цифровых схемах. На данный момент разработано существенное количество разнообразных аналоговых контуров — в особенности их число велико в силу того, что под «схемой» можно понимать многое: от единственного компонента до целой системы, состоящей из тысяч элементов. Аналоговые схемы ещё называют иногда линейными (хотя необходимо заметить, что в некоторых их видах — преобразователях, к примеру, или модуляторах, — используются и многие нелинейные эффекты). В качестве характерных примеров аналоговых контуров можно назвать электронные лампы и транзисторные усилители, операционные усилители и осцилляторы.

В настоящее время сложно найти такую электронную схему, которая была бы полностью аналоговой. Сейчас в аналоговых цепях используются цифровые или даже микропроцессорные технологии, позволяющие увеличить их производительность. Такая схема обычно называется не аналоговой или цифровой, а смешанной. В некоторых случаях провести чёткое разграничение между непрерывными и дискретными схемами сложно — в силу того, что как те, так и другие включают в свой состав элементы и линейного, и нелинейного характера. Примером может послужить, допустим, компаратор: получая на входе непрерывный диапазон напряжения, он в то же время выдает на выходе лишь один из двух возможных уровней сигнала, подобно цифровой схеме. Похожим образом перегруженный транзисторный усилитель может приобрести свойства контролируемого переключателя, также имеющего два уровня выходного сигнала.

Цифровые схемы

К цифровым относятся схемы, основанные на некотором количестве дискретных уровней напряжения. Они представляют собой наиболее типичную физическую реализацию булевой алгебры и составляют элементную основу всех цифровых компьютеров. Термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логическая схема» часто при этом рассматриваются как синонимичные. Для цифровых схем характерна, как правило, двоичная система с двумя уровнями напряжения, которые соответствуют логическому нулю и логической единице соответственно. Часто первый соотносится с низким напряжением, а вторая — с высоким, хотя встречаются и обратные варианты. Изучались также и тернарные логические схемы (то есть с тремя возможными состояниями), предпринимались попытки построения компьютеров на их основе. Помимо вычислительных машин, цифровые схемы составляют основу электронных часов и программируемых логических контроллеров (используемых для управления промышленными процессами); ещё одним примером могут служить цифровые сигнальные процессоры.

К числу базовых конструктивных элементов этого типа относятся:

Устройства с высокой степенью интеграции:

Микропроцессоры
Микроконтроллеры
Интегральные схемы для специфического применения (ASIC)
Цифровые сигнальные процессоры (DSP)
Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA)

Надёжность электронных устройств

Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.

Доходы в России и других странах

По состоянию на 2017 год средняя зарплата электроника в России
составляет 30 000 руб
.

В Санкт-Петербурге, Снежногорске, Новосибирске, Смоленском электронщики получают месячную заработную плату — 40 000 руб
.

Профессия электроника и наноэлектроника востребована в Украине
.

Наибольше предложений по работе инженера электроники в Виннице, Киеве, Харькове, Одессе, Днепре, Запорожье.

Специалисты с образованием электроников работают в разных сферах.

Для примера радиотехники-электроники в Казахстане
имеет оклад от 90 до 300 тыс. тг.
, а специалист по информационным технологиям и телекоммуникациям получает среднюю зарплату в 120 000 тг
.

В Беларуси, по информации с ресурса belmeta, цифры месячного дохода у инженеров-электроников: 300-2500 бел
.

Такие профессионалы, в зависимости от разряда, получают зарплаты в диапазоне 300-2000 бел. руб
.

Компьютерное проектирование (САПР)

Сегодняшние инженеры-электронщики имеют возможность разрабатывать схемы с использованием предварительно изготовленных строительных блоков, таких как источники питания , полупроводники (то есть полупроводниковые устройства, такие как транзисторы ) и интегральные схемы . Программы автоматизации проектирования электроники включают в себя программы захвата схем и программы проектирования печатных плат . Популярными именами в мире программного обеспечения EDA являются NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB и LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad и многие другие.

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электронного сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров.

В полупроводниковых резисторах применяется полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей и конструкции удается получить различные зависимости от управляющих параметров.

Линейный резистор – полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия.

Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного полупроводникового резистора остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов. Полупроводниковые линейные резисторы широко применяют в интегральных микросхемах.

Вольт-амперная характеристика линейного резистора

Области электроники

Можно различать следующие области электроники:

физика (микромира, полупроводников, электромагнитных волн, магнетизма, электрического тока и др.) — область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами,
бытовая электроника — бытовые электронные приборы и устройства, в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны. (Например телевизор, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита. и др.).
Энергетика — выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электроприборы высокой мощности (например электродвигатель, электрическая лампа, электростанция), электрическая система отопления, линия электропередачи.
Микроэлектроника — электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы:

оптоэлектроника — устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов,
аудио-видеотехника — устройства усиления и преобразования звука и видео изображений,
цифровая микроэлектроника — устройства на микропроцессорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор, компьютер, цифровой телевизор, мобильный телефон, принтер, робот, панель управления промышленным оборудованием, средствами транспорта, и другие бытовые и промышленные устройства.

Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическая цепь.

Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.

История твердотельной электроники

Термин твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы — радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX века этот термин потерял своё значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.

Миниатюризация устройств

С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз — с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

Примечания

.
. bstudy.net. Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» (2017). Дата обращения: 23 августа 2021.
Игорь Захаров. . postnauka.ru. Издательский дом «ПостНаука» (6 ноября 2019). Дата обращения: 23 августа 2021.
↑ , с. 77.
Egon E. Loebner. Subhistories of the Light Emitting Diodes. — IEEE Transaction Electron Devices. — 1976. — Vol. ED-23, №7, July.
, с. 74.
.
, с. 80.
, с. 88.
. Computer History Museum. Дата обращения: 10 августа 2019.
. — «Noise from an analog (or small-signal) perspective…».
. — «In order for analog devices… to communicate with digital circuits…».
. — «Even within companies producing both analog and digital products…».
Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем. — Киев: Издательский дом Вильямс,, 2014. — 320 с.

Технология получения элементов

Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа.

Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией, а раздел электроники — микроэлектроникой.

В 1970-е годы в процессе миниатюризации твердотельной электроники в ней наметился раскол на аналоговую и цифровую микроэлектронику. В условиях конкуренции на рынке производителей элементной базы победу одержали производители цифровой электроники. И в XXI веке производство и эволюция аналоговой электроники практически были остановлены. Так как в реальности все потребители микроэлектроники требуют от неё, как правило не цифровые, а непрерывные аналоговые сигналы или действия, цифровые устройства снабжены ЦАП-ами на своих входах и выходах.

Миниатюризация электронных схем сопровождалась ростом быстродействия устройств. Так первые цифровые устройства ТТЛ технологии требовали микросекунды на переключение из одного состояния в другое и потребляли большой ток, требовавший специальных мер для отвода тепла.

В начале XXI века эволюция твердотельной электроники в направлении миниатюризации элементов постепенно приостановилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением минимально возможных размеров транзисторов, проводников и других элементов на кристалле полупроводника ещё способных отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Эти размеры достигли единиц нанометров и поэтому технология изготовления микрочипов называется нанотехнологией.

Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/«дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от светового потока, падающего на полупроводниковый материал или от проникающего электромагнитного излучения. Наибольшее распространение получили фоторезисторы с положительным фотоэффектом (например, СФ2-8,СФ3-8). УГО такого элемента показано на рисунке:

В фоторезисторах сопротивление изменяется в результате облучения пластины из полупроводникового материала световым потоком в видимом, ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне. В качестве материала используется сульфиды таллия, теллура, кадмия, свинца, висмута.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов представляют собой линейные функции, угол наклона которых зависит от величины светового потока. В координатах I – U (ток по вертикали) угол, составляемый прямой с горизонтальной осью (ось напряжения), тем больше, чем больше световой поток. Темновое сопротивление резисторных оптронов составляет 107 – 109 Ом. В освещенном состоянии оно снижается до нескольких сотен Ом. Быстродействие их невелико и ограничивается значениями в несколько килогерц.

Основные различия аналоговой и цифровой электроники

Шум

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы для воздействия шума, нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов. До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Сложность разработки

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации. Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе. К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.