Министерство образования Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
промышленных установок
621.314(07)
Г322
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Программа, методические указания
и контрольные задания для студентов-заочников
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
2007
УДК 621.314 (07)
Физические основы электроники. Преобразовательная техника: Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников/ Составитель М.В. Гельман. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2007. – 36 с.
Методические указания предназначены для студентов специальности «Электропривод и автоматика технологических процессов и комплексов». Они содержат программу курсов лекций по физическим основам электроники и преобразовательной технике, методические указания к ним, контрольные вопросы и контрольные задания. Программа разбита на разделы и главы, для которых указаны страницы основной литературы.
Табл. 2, список лит. – 12 назв.
ВВЕДЕНИЕ
«Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» являются неразрывно связанными курсами и поэтому рассматриваются совместно. Эти дисциплины занимают важное место в системе подготовки дипломированных инженеров-специалистов по специальности 180400 “Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов”.
Глобальная цель дисциплин «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» состоит в том, чтобы сформировать навыки чтения элементарных схем информационной электроники и устройств преобразовательной техники, понимания происходящих в них процессов, научить их рассчитывать и применять, создать базу для изучения последующих курсов – ”Теории электропривода”, ”Систем управления электроприводами”, ”Элементов автоматизированного электропривода”.
Дипломированный инженер по специальности 180400 должен
знать: принципы построения, статические и динамические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники; принципы построения, методы расчета и анализа, параметры и характеристики полупроводниковых преобразователей электрической энергии; основные стандарты, условные буквенные и графические обозначения электронных элементов и устройств, используемых в системах автоматизированного электропривода промышленных установок и технологических комплексах;
уметь: грамотно применять и эксплуатировать основные виды электронных приборов и устройств, формулировать технические требования на разработку новых электронных устройств; составлять структурные и функциональные схемы несложных устройств автоматики на базе интегральных микросхем, оценивать их достоинства и недостатки, рассчитывать и осуществлять стыковку различных преобразовательных устройств; выбирать для данного объекта типовой вентильный преобразователь или из отдельных силовых блоков скомпоновать требуемый преобразователь, пользоваться стандартами при выполнении конструкторских, исследовательских и других видов работ, использовать стандартную терминологию, определения и обозначения электронных приборов и устройств;
иметь представление: о технологиях производства полупроводниковых приборов и микроэлектронных схем; о перспективах и путях совершенствования аналоговых, импульсных цифровых, микропроцессорных и преобразовательных устройств, используемых в различных автоматизированных системах.
С целью приобретения практических навыков студенты выполняют лабораторные работы. Контрольные задания включают предварительные расчеты к лабораторным работам. Студенты для проведения лабораторных работ объединяются в бригады. Номера лабораторных работ и номера вариантов заданий (номера бригад) выдаются преподавателем. Каждый вариант содержит три подварианта: А, Б, В. Подварианты присваиваются членам одной бригады (одного варианта).
Так как в лаборатории проводится проверка расчетов, выполненных в задании, то к лабораторным работам допускаются студенты, получившие зачет по контрольному заданию, Нет расчетов, – нечего делать в лаборатории. Перед каждой работой проводится контрольный опрос.
После защиты отчетов по лабораторным работам студенты получают зачеты и допускаются к сдаче экзаменов. Экзамены проводятся по курсам «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» отдельно, сначала по первому предмету, а затем по второму.
ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1. Роль электроники в современной науке и технике
Краткий исторический очерк развития электроники. Преобразовательная техника как предмет. Классификация электронных приборов и устройств. Значение преобразовательной техники для комплексной автоматизации производства. Перспективы развития преобразовательной техники.
Методические указания
Обратите особое внимание на классификацию электронных приборов и устройств. Уясните преимущества электронных приборов и устройств. Оцените важность знаний в области электроники для Вашей будущей специальности.
Литература: [1, с. 190 – 192; 2, с. 3 –6].
1. По каким признакам классифицируются полупроводниковые приборы?
2. Преимущества полупроводниковых приборов и устройств.
3. Какие существуют полупроводниковые приборы и устройства?
2. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.
2.1. Физические основы полупроводниковых приборов.
Проводники, полупроводники, диэлектрики. Собственные полупроводники. Примесные полупроводники. P-п переход и его вольт- амперная характеристика (ВАХ). Емкость р-п перехода. Переходные процессы в р-п переходе.
Методические указания
Возможность изменения вида проводимости и широчайшего изменения ее величины явились предпосылкой расцвета полупроводниковой техники.
Обратите особое внимание на понятие смещение p-n перехода. При прямом смещении основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией. При обратном смещении через p-n переход протекает обратный ток. При достижении высокого напряжения происходит лавинный пробой. Лавинный пробой обратим. При увеличении тока и выделении большой мощности может произойти тепловой пробой. Он необратим и приводит к разрушению p-n перехода.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода является основой понимания ВАХ всех полупроводниковых приборов. Нужно уметь объяснить ее вид на основе процессов на p-n переходе. При повышении температуры различные участки ВАХ изменяются по-разному. Падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно. Особенно сильно меняется обратный ток. При увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет. Нужно уметь объяснить такое поведение участков ВАХ.
Литература: [1, с. 193 – 199; 2, с. 7 – 13].
1. В чем отличие проводников, полупроводников и диэлектриков?
2. В чем отличие собственного и примесного полупроводника?
3. В чем состоит преимущество примесных полупроводников по сравнению с проводниками (металлами и их сплавами), обеспечившее развитие полупроводниковой техники?
4. Назовите виды носителей зарядов.
5. Что такое p-n переход?
6. Какие бывают p-n переходы?
7. Что такое смещение p-n перехода?
8. Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода.
9. Что такое лавинный пробой?
10. Поясните, как и почему влияет повышение температуры на каждый участок ВАХ p-n перехода.
11. Поясните переходные процессы при смещении p-n перехода.
2.2. Полупроводниковые диоды
Классификация.
Выпрямительные диоды. Устройство. Схема для снятия характеристики. Понятие о выпрямлении. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Параметры диодов. Применение.
Стабилитроны. Назначение и устройство. Вольтамперная характеристика. Параметры. Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне. Способ повышения термостабильности стабилизатора напряжения. Применение.
Методические указания
Нужно знать разновидности диодов, их назначение, ВАХ и схемы включения в устройствах. ВАХ диода имеет такой же вид, как и ВАХ p-n перехода. Нужно уметь нарисовать схему для снятия ВАХ диода на постоянном токе и с помощью осциллографа. Обратите внимание на параметры выпрямительных диодов и стабилитронов. Изучите схему параметрического стабилизатора напряжения и способ повышения его термостабильности.
Литература: [1, с. 199 – 203; 2, с. 14 – 18].
1. Назначение различных видов диодов.
2. Нарисуйте схему простейшего однополупериодного выпрямителя.
3. Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном выпрямителе.