Электротехника и электроника (стр. 1 )

КАФЕДРА "РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ"

Электротехника и электроника Часть 2: Электроника

Санкт-Петербург

2015

Введение

Краткий исторический обзор развития элементной базы,
применяемой в авиационном РЭО

Фундамент современной радиоэлектроники был заложен в XVIII и XIXвв. работами известных физиков , и Б. Франклина по исследованию электрических разрядов в воздухе. Продолжением их исследований явилось открытие в 1802 году русским академиком электрической дуги. Позднее в 1872 году русским электротехником был изобретен первый в мире электровакуумный прибор – лампа накаливания.

Большую роль в возникновении электроники сыграла электронная теория, разработанная в конце XIX и начале XX века рядом выдающихся физиков.

В 1887 году немецкий физик  открыл фотоэлектрический эффект, а исследования этого явления, начатые в 1988 году в России , и открытие им законов фотоэффекта положили начало развитию фотоэлектронных приборов.

Термоэлектронная эмиссия была открыта в 1884 году , но сам он, не зная об электронах, не мог объяснить это явление. В 1901 году (Англия) провел детальное исследование термоэлектронной эмиссии. Первая электронно-лучевая трубка с холодным катодом была создана в 1897 году (Германия).

Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 году английский ученый применил двухэлектродную лампу (электровакуумный диод) для выпрямления (детектирования) высокочастотных колебаний в радиоприемнике.

В 1907 году американский инженер Л. Форест изобрел электровакуумный триод. Позднее в 1911 году научным коллективом под руководством электровакуумный триод впервые был применен для усиления сигналов в дальней радиосвязи. В этом же году установкой на борту летательного аппарата первого искрового радиопередатчика была открыта эра авиационной радиоэлектроники. Первый авиационный передатчик на радиолампах был испытан в 1921 году. В дальнейшем широкомасштабное производство различных типов радиоламп освоенное к этому времени позволило уже в 1924 году создать первый авиационный радиоприемник.

Однако развитие авиационной техники и осуществляемые мировые перелеты требовали создания радиоэлектронных приборов способных обеспечивать передачу информации на большие расстояния. К сожалению, мощные приборы пригодные для этого можно было использовать только на земле, так как они требовали принудительного охлаждения. Одним из путей решения существующей проблемы был переход в другой диапазон волн.

Так в 1932 году советский радиофизик предложил создать приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идеям и О. Хейль (СССР) в 1939 году построили такие приборы для усиления и генерации СВЧ колебаний, названные пролетными клистронами.

Новые открытия в радиоэлектронике, подготовка к которым велась на протяжении первой трети ХХ века, были сделаны вскоре после второй мировой войны.

Так, 1948 году американские ученые Д Бардин и В. Браттейн открыли транзисторный эффект и получили первый точечный транзистор, в 1949 – 1950 годах американский физик В. Шокли разработал и изготовил плоский биполярный транзистор, а в 1952 году – полевой (униполярный) транзистор. Изобретения начала 50-х годов моментально отразились и на авиационном РЭО. Использование полупроводниковых элементов позволило увеличить механическую прочность, сократить энергопотребление, уменьшить массу и габариты существующих радиотехнических систем.

Несколько позже были разработаны и стали широко использоваться тиристоры – полупроводниковые приборы, коммутирующие мощные электрические цепи под воздействием маломощного сигнала управления,  туннельные диоды – двухполюсники, предназначенные для усиления и генерирования электрических колебаний, полупроводниковые стабилитроны, превосходящие по многим параметрам газоразрядные, варикапы – полупроводниковые конденсаторы и так далее.

В конце 50 гг. прошлого столетия появились первые микросхемы, представляющие собой функционально законченные изделия – усилители, генераторы, логические элементы и др. Использование интегральных микросхем в авиационном РЭО позволило резко сократить габариты и массу радиоэлектронной аппаратуры, повысить ее надежность экономичность.

Дальнейшими направлениями развития радиоэлектроники являются совершенствование элементной базы и разработкой новых электронно-вычислительных машин, а также разработка и создание твердотельных аналогов электровакуумных приборов СВЧ диапазона.

Тема 1. Элементная база современных электронных устройств

1.1 Элементная база современных электронных устройств

В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий после этого электроника опиралась почти исключительно на применение ионных и электронных электровакуумных приборов. Однако, начиная с 70 гг. прошлого столетия основными элементами современной электроники почти во всех ее областях стали полупроводниковые приборы.

Техника полупроводниковых приборов стала большой и очень важной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое число различных полупроводниковых приборов.

По сравнению с электронными лампами полупроводниковые приборы имеют существенные достоинства:

малую массу и малые размеры; отсутствие затрат энергии на накал; более высокую надежность и срок службы (десятки тысяч часов и более); большую механическую прочность (стойкость к вибрациям и ударам); более высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны; возможность работы при низких питающих напряжениях; возможность использования в микроэлектронном исполнении; более низкую стоимость;

Вместе с тем полупроводниковые приборы обладают некоторыми недостатками:

параметры и характеристики отдельных экземпляров данного типа приборов имеют значительный разброс; свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры; свойства и параметры приборов с течением времени ухудшаются (старение); собственные шумы иногда больше, нежели у электронных ламп; входное сопротивление у многих транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп; полезная мощность транзистора меньше, чем у электронной лампы; работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения;

Широким фронтом ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов, по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер, транзисторы на частоты до единиц Терагерц.

Однако, некоторые образцы современного радиоэлектронного оборудования до сих пор в своем составе содержат электровакуумные приборы. Связанно это, прежде всего с тем, что разработанные в последние время образцы полупроводниковых элементов все же не могут в полной мере обеспечить требуемые характеристики. В связи с этим мы с вами кратко ознакомимся с разновидностью электровакуумных приборов и их условным графическим обозначением.

1.2 Электровакуумные и газоразрядные приборы

1.2.1. Электронные приборы

Определение. Электровакуумными называют приборы, принцип работы которых основан на использовании электрических явлений в газах или вакууме, происходящих в рабочем пространстве, изолированном от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой (баллоном).

Электровакуумные и газоразрядные приборы выполняются в виде стеклянного, керамического или металлического баллона, внутри которого в условиях высокого вакуума или инертного газа размещаются электроды: катод, анод, сетки. Катод является излучателем (эмиттером) свободных электронов, анод – собирателем (коллектором) носителей заряда. С помощью сеток или управляющих электродов осуществляется управление анодным током.

Для того, чтобы получить представление о электровакуумных и газоразрядных приборах, используемых в авиационном РЭО рассмотрим их классификацию.

1.2.1.1. Классификация и условное графическое обозначение

1. По количеству электродов электронные приборы делятся на двухэлектродные (электровакуумные диод), трехэлектродные (электровакуумный триод), и многоэлектродные лампы.

Электровакуумный диод – это двух­электродная лампа, состоящая из катода и анода. Если напряжение на аноде поло­жительное, относительно катода, то электроны, эмитируемые катодом, движутся к аноду, создавая анодный ток. При отрицательном нап­ряжении на аноде тока нет, следовательно, диод проводит только в одном направлении. Это свойство диода определяет его основное назначение – выпрямление переменного тока. Условное графическое обозначение электровакуумного диода представлено на рис. 1.

Электровакуумный триод – это трехэлектродная лампа, у которой между анодом и катодом расположена сетка. Сетка предназначена для регулирования тока анода. Напряжение на сетке изменяет поле между анодом и катодом и таким образом влияет на ток анода. Если напряжение на сетке отрицательно по отношению к катоду, то она оказывает тормозящие действие на электроны, эмитируемые катодом, в результате анодный ток уменьшается. При положительном напряжении на сетке она ока­зывает ускоряющее действие на электроны, уве­личивая анодный ток. При этом часть электронов попадает на сетку создавая сеточный ток. Сле­довательно, сетка является управляющим электродом, напряжение на котором позволяет изменять ток анода.

Условное графическое обозначение электровакуумного триода приведено на рис. 2.

Рис. 2. Условное обозначение электровакуумного триода

Для увеличения влияния на ток анода сетка располагается ближе к катоду. При отрицательном напряжении на сетке ток в ней практически отсутствует.