Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 29 страниц)

Что такое явление ионизации в газах?

Ионизацией называется процесс разделения атома (или частицы) на электрон и положительный ион. Для электроники представляет интерес ионизация газа, находящегося в электрическом поле. В этом случае свободные электроны перемещаются в направлении положительного электрода (рис. 1.10), и если они обладают соответствующей энергией (напряженность электрического поля соответственно велика), то в результате их соударений с атомами газа снова возникают свободные электроны и положительные ионы, которые при своем движении могут снова выбивать электроны и т. д. Здесь имеет место лавинная ионизация, возникающая под действием сильного электрического поля.

Рис. 1.10. Лавинная ионизация газа

Процесс ионизации характеризуется резким увеличением числа носителей заряда (электронов и ионов), в результате чего проводимость между электродами в лампе резко увеличивается. Одновременно с процессом ионизации в большей или меньшей степени происходит обратный процесс, называемый деионизацией или рекомбинацией, который заключается в соединении ионов с электронами.

Ионизации сопутствует свечение газа, причем цветность свечения зависит от вида газа, а яркость – от напряженности электрического поля.

Какие токи существуют в электронике и как они используются?

В электронике, как и в электротехнике, используют постоянный и переменный ток (рис. 1.11). Постоянным называется ток, который не изменяется во времени. Переменный ток изменяется как по значению, так и по направлению, причем эти изменения могут иметь разную скорость. Переменный ток может быть регулярным (синусоидальным) и нерегулярным (соответствующим человеческой речи). Наипростейшей формой переменного тока является синусоидальное колебание.

Pис. 1.11. Примеры формы токов:

_{а – постоянный: б – переменный синусоидальный медленно и быстро изменяющийся; в – непериодический}

В электронике постоянный ток чаще всего играет вспомогательную, но важную роль. Без источников постоянного тока не могло бы работать ни одно электронное устройство, так как и лампы, и транзисторы требуют питания постоянным током. Основной задачей электронных устройств является перенос и преобразование некоторой информации (сигналов звука, изображения, изменения некоторых физических величин и т. д.). В общем случае все эти сигналы переменные и могут быть представлены только переменными токами. При таком подходе постоянный ток можно считать лишь частным (предельным) случаем переменного. Большое значение в электронике имеют токи, которые резко меняются за относительно короткое время. Это – импульсные токи (колебания).

В каких единицах измеряется ток?

Ток измеряется в амперах [А]. В электронике часто пользуются в тысячу раз меньшей единицей – миллиампером [мА]. Токи, протекающие в транзисторных цепях, обычно имеют порядок нескольких сотен миллиампер. В мощных каскадах наблюдаются большие токи (единицы и сотни ампер).

В каких единицах измеряется напряжение?

Напряжение, определяющее разность потенциалов (чаще всего относительно «земли» или массы), измеряется в единицах, называемых вольтами [В]. В электронике часто пользуются в тысячу раз меньшей единицей – милливольтом [мВ] и в миллион раз меньшей единицей – микровольтом [мкВ]. В транзисторных устройствах обычно имеют дело с постоянными напряжениями от нескольких до 10–20 В и переменными напряжениями от милливольт до 10–20 В.

В каких единицах измеряется электрическое сопротивление?

Электрическое сопротивление, измеряется в омах [Ом). Один ом – это сопротивление цепи, в которой протекает ток в один ампер при напряжении, равном одному вольту. В электронике часто пользуются в тысячу раз большей единицей – килоомом [кОм] и в миллион раз большей единицей – мегаомом [МОм].

Что определяет закон Ома?

Закон Ома определяет зависимость между током и напряжением в цепи. Он гласит, что ток I, протекающий в цепи, пропорционален напряжению U и обратно пропорционален электрическому сопротивлению R, находящемуся в данной цепи.

Математически закон Ома выражается зависимостью

I = U/R, U = R·I или R = U/I.

При использовании этой зависимости следует помнить о размерности используемых единиц. Так, если ток выражается в амперах, а напряжение в вольтах, то сопротивление получаем в омах.

В каких единицах измеряется мощность электрического тока?

Мощность электрического тока измеряется в ваттах [Вт]. В электронике часто пользуются единицей, в тысячу раз меньшей, называемой милливаттом [мВт]. В электронных устройствах действуют чаще всего мощности от нескольких милливатт до нескольких десятков ватт. Мощность источников питания постоянного тока в большинстве случаев не превышает нескольких сотен ватт.

Математически мощность Р есть произведение тока на напряжение

Р = U·I

или с учетом закона Ома

Р = I²·R либо Р = U²/R.

Что мы называем источником напряжения?

Источником напряжения или точнее источником с постоянным выходным напряжением называется такой источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет постоянное, неизменное напряжение независимо от тока, потребляемого от этого источника.

Каждый источник обладает определенным внутренним сопротивлением и может быть представлен в виде последовательного соединения (рис. 1.12) идеальной ЭДС, выраженной в вольтах, и определенного внутреннего сопротивления R_г, выраженного в омах.

Рис. 1.12. Источник и внешняя цепь

Если к такому источнику подключить внешнюю цепь, то потребляемый ею ток будет идти через внутреннее сопротивление источника. На нем возникает падение напряжения тем большее, чем больше ток, – потребляемый внешней цепью. Напряжение на внешних зажимах источника равно разности ЭДС источника и падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Поэтому внешнее напряжение может иметь постоянное значение, несмотря на изменения потребляемого тока, только тогда, когда внутреннее сопротивление источника близко к нулю. Именно такой источник будем называть источником напряжения.

Графическое изображение источника напряжения показано на рис. 1.13. На практике идеальные источники с постоянным напряжением не встречаются. Однако часто источники с внутренним сопротивлением, более чем в 10 раз меньшим сопротивлении нагрузки, можно приближенно считать источниками напряжения.

Рис. 1.13. Графическое изображение источника напряжения

Что мы называем источником тока?

Источником тока или точнее источником с постоянным выходным током называется такой источник электрической энергии, который отдаст во внешнюю цепь ток постоянного значения независимо от падения напряжения на этой цепи, т. е. независимо от электрического сопротивления внешней цепи. Отдаваемый источником ток может иметь постоянное значение только в том случае, когда внешнее сопротивление R_н пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника R_вн. Это бывает только тогда, когда внутреннее сопротивление источника бесконечно велико. Такой источник называется идеальным источником тока.

Графически источник тока представлен на рис. 1.14. Чаще на схемах не показывают внутреннее сопротивление R_вн либо вместо резистора, включаемого последовательно с собственно источником тока, изображают идеальный источник с проводимостью (величина, обратная сопротивлению), обозначаемой Y_вн. Проводимость подключают параллельно источнику. На практике источниками тока часто считают источники, внутреннее сопротивление которых значительно больше сопротивления нагрузки, на которую работает данный источник.

Рис. 1.14. Графическое изображение источника тока:

_{а – переменного тока; б – постоянного тока}

Что мы имеем в виду, когда говорим о согласовании источника с нагрузкой?

Если источник с некоторым внутренним сопротивлением нагрузить внешним сопротивлением, то окажется, что мощность, отдаваемая источником и выделяемая в нагрузке, будет зависеть от внешнего сопротивления. Максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, когда ее сопротивление равно сопротивлению источника (рис. 1.15). Такое состояние называется согласованием нагрузки с источником.

Рис. 1.15. Зависимость передаваемой в нагрузку мощности от сопротивления нагрузки

Какие источники постоянного и переменного токов встречаются в электронике?

В электронике встречаются различные виды источников постоянного и переменного токов. Источниками постоянного тока служат батареи и аккумуляторы, используемые для питания переносной и бортовой аппаратуры, а также различные устройства электропитания. Батареи и аккумуляторы характеризуются малым внутренним сопротивлением и в большинстве случаев их можно считать источниками напряжения. У питающих устройств постоянного тока, работающих по принципу выпрямления переменного тока, внутреннее сопротивление зависит от их схемного решения, однако в большинстве случаев они близки к источникам напряжения.

Источниками переменного тока в электронных устройствах чаще всего служат транзисторные или ламповые схемы. Транзисторная схема как источник сигнала обладает сопротивлением, зависящим от типа транзистора и схемы его включения. Обычно оно колеблется от нескольких ом до нескольких мегом. Наибольшее сопротивление, которого достаточно, чтобы считать схему источником тока, можно получить при использовании полевых транзисторов или ламп типа пентода.

Какими параметрами характеризуется переменный ток?

Переменный ток можно характеризовать следующими параметрами (рис. 1.16): период или частота, амплитуда, размах или пределы изменения мгновенного значения тока, действующее значение тока, форма колебания.

Рис. 1.16. Вид колебания переменного синусоидального тока

_{(i – мгновенное значение тока, Т – период колебаний, Im – амплитуда тока, 2Im – размах)}

В случае синусоидального колебания период Т (в секундах) соответствует расстоянию на оси времени между двумя соседними пиками (двумя положительными или двумя отрицательными). Длина волны λ характеризует то же самое расстояние, но выражается в сантиметрах, дециметрах или метрах. Частота f – это величина, обратная периоду, f = 1/Т. Основная единица измерения частоты – герц [Гц] (один период в секунду). Единица, в тысячу раз большая, называется килогерцем [кГц), в миллион раз большая – мегагерцем [МГц), а в миллиард раз большая – гигагерцем (ГГц). Иногда вместо частоты определяют круговую частоту колебания, обозначаемую буквой ω. Между частотой f и ω имеется связь: ω = 2πf.

Какие частоты переменного тока встречаются в электронике?

Диапазон частот, с которым сталкиваются в электронике, весьма широк и зависит от отрасли, в которой используются колебания. Он простирается от нулевой частоты, соответствующей постоянному току, до частоты в несколько десятков гигагерц и более. Частота питающей сети переменного тока в ПНР и СССР равна 50 Гц.

Речи и музыке, преобразованным в электрические колебания, соответствуют низкие, или звуковые, частоты, лежащие в диапазоне от нескольких герц до 10–20 кГц.

Телевизионному изображению, полученному в результате преобразования отраженного от объекта света в электрический сигнал, соответствуют видеочастоты, лежащие в диапазоне от 0 Гц до 5–6 МГц.

Для передачи на расстояние звуков и изображений широко используются электромагнитные волны диапазона радиочастот.

Что называется пиковым, или амплитудным, значением переменного электрического колебания?

Пиковым, или амплитудным, значением колебания называется его наибольшее значение. В случае периодически повторяющихся процессов, таких, например, как синусоидальное колебание, пиковое значение, или амплитуду, А_m определяют (рис. 1.16) на интервале времени, равном одному периоду. На таком интервале встречаются две амплитуды, отличающиеся только полярностью, – положительная и отрицательная. При записи пиковое, или амплитудное, значение переменного тока обозначают большой буквой с индексом m: U_m, I_m.

Амплитудное значение тока, действующего в электрической цепи, часто зависит от активного элемента (транзистора, лампы) схемы либо ограничено искажениями сигнала, возникающими при его прохождении через цепь.

Амплитудное значение напряжения в схеме ограничивается напряжением электрического пробоя элементов схемы.

Что называется действующим значением переменного тока?

Действующее значение переменного тока выражается значением постоянного тока, который, протекая через цепь с постоянным значением электрического сопротивления, выделяет такую же энергию, как и переменный ток, протекающий за то же самое время. Для синусоидального колебания действующее значение[1]1
  Действующее значение периодического колебания f(t) можно выразить интегралом
  Для периодического синусоидального колебания имеем f(t) = U_m·sin ωt, тогда U_д = (1/√2)·U_m.


[Закрыть] связано с амплитудным следующей зависимостью:

U_д = 0,707·U_m либо I_д = 0,707·I_m.

Действующее значение переменного тока при записи обозначается большой буквой с индексом «д», либо большой буквой I без всякого индекса.

Действующее значение напряжения питающей цепи в СССР равно 220 и 127 В. Действующее значение мощности связано с энергией, рассеиваемой в виде тепла, и определяет требования, которым должны удовлетворять элементы в схеме.

Что такое среднее значение переменного колебания?

Средним значением колебания переменного тока называется среднее арифметическое абсолютных значений этого колебания в течение одного периода[2]2
  Среднее значение синусоидального тока можно выразить интегралом


[Закрыть]. В случае синусоидального колебания между средним и амплитудным значениями существует определенная связь U_ср = 0,636·U_m.

Среднее значение переменного тока, протекающего в цепи, определяет среднее потребление тока от источника постоянного тока, питающего данную цепь.

Что такое мгновенное значение переменного колебания?

Это значение переменного колебания, которое определяется в данный момент. В случае синусоидального колебания мгновенное значение непрерывно изменяется. При других видах колебаний изменение мгновенного значения может быть резким или постоянным на некотором отрезке времени. Мгновенное значение переменного колебания обозначается малой буквой, например u, i.

Что такое синусоидальное или гармоническое колебание?

Это такое колебание, при котором ток и напряжение изменяются во времени в соответствии с законом изменения синуса угла от 0 до 360° (рис. 1.17). Это основная форма колебания переменного тока, являющаяся прямым результатом методов его генерации, в частности на электростанциях. Электрический ток синусоидальной формы возникает в результате вращательного движения ротора генераторного агрегата. Из самого принципа действия этих агрегатов следует периодичность изменения тока в зависимости от угла поворота. Синусоидальное колебание можно создать с помощью электронных устройств, питаемых постоянным током.

Рис. 1.17. Синусоидальное колебание

Что такое несинусоидальные колебания?

В общем случае это колебания, форма которых отличается от синусоиды. Несинусоидальные колебания можно разделить на две группы:

1. Колебания, форма которых повторяется через равные промежутки времени, т. е. имеются постоянно повторяющиеся периоды.

Это периодические несинусоидальные колебания. Такие колебания – результат искажений синусоидальных колебаний (рис. 1.18). Примером могут служить колебания, полученные после прохождения синусоидального колебания через устройства с нелинейными элементами.

Рис. 1.18. Форма несинусоидального колебания на выходе нелинейной цепи

2. Колебания, форма которых в разные периоды различна или вообще не наблюдается никакой периодичности (рис. 1.19). Примером может служить периодически повторяемый с частотой повторения строк телевизионный сигнал изображения, однако в общем случае в каждом периоде он различен. Непериодическими сигналами являются электрические колебания, соответствующие, например, речи либо нерегулярным изменениям физических величин (температура и др.).

Рис. 1.19. Периодическое (а) и непериодическое (б) электрические колебания

Что такое колебание прямоугольной формы?

Это периодическое колебание, у которого оба полупериода имеют прямоугольную форму. В общем случае оба полупериода могут иметь разную длительность (рис. 1.20). Если их длительность одинакова, то говорят, что это симметричное колебание или колебание, имеющее форму меандра. Прямоугольное колебание характеризуется амплитудой (А), длительностью положительного и отрицательного импульса Т₁, Т₂, периодом Т = Т₁ + Т₂ и частотой повторения f_п = 1/T = 1/(T₁ + Т₂). В прямоугольном колебании мы различаем фронт, срез, а также вершину импульса.

Рис. 1.20. Несимметричное (а) и симметричное (квадратное) (б) прямоугольные колебания

Прямоугольное колебание, как и другие периодические колебания, в общем случае можно рассматривать как сумму некоторой постоянной составляющей (постоянного тока) и многих синусоидальных колебаний с разными амплитудами, частотами и временным сдвигом по отношению друг к другу (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Влияние количества гармоник на форму импульса

Углы, соответствующие взаимным сдвигам, определенные, например, относительно основной составляющей, называются фазовыми углами. Самую низкую частоту синусоидального колебания называют основной частотой. Она равна частоте данного прямоугольного колебания. Остальные синусоидальные составляющие, частоты которых являются кратными основной частоте, называются гармоническими составляющими.

Форма колебания, полученная путем суммирования синусоидальных составляющих, тем ближе к исходной, чем больше составляющих учитывается в этом процессе. Прежде всего это зависит от крутизны фронта и среза прямоугольного колебания. На практике в некоторых случаях достаточно учесть лишь несколько гармоник, а в других – при очень крутых фронте и срезе – недостаточно учета даже ста гармоник. В первом случае говорят, что частотный спектр сигнала является узким, во втором – широким. Прямоугольные колебания используют в таких областях, как цифровая и импульсная техника.

Что такое нелинейные искажения сигнала?

Это искажения, возникающие в схемах, содержащих нелинейные элементы. Гармонические нелинейные искажения связаны с появлением в выходном сигнале новых гармонических составляющих.

На рис. 1.22 приведены примеры нелинейных искажений для синусоидального сигнала. Видно, что искажения, вызывающие, например, срез вершин синусоиды, могут приводить к получению искаженного сигнала, форма которого близка к прямоугольному колебанию. Искажения этого типа зависят от амплитуды сигнала в данной схеме и обычно тем больше, чем больше амплитуда.

Количественно гармонические искажения определяются с помощью коэффициента гармоник или коэффициента нелинейных искажений. Этот коэффициент обозначается K_г и выражается в процентах. Например, в акустических устройствах содержание гармоник ограничивается несколькими процентами, а в устройствах высококачественного воспроизведения K_г < 1 %.

Рис. 1.22. Неискаженное (а) и искаженное (б, в) синусоидальные колебания

Что такое колебание пилообразной формы?

Это колебание, в котором изменение мгновенного значения протекает во времени по линейному закону (рис. 1.23). В общем случае времена нарастания Т₁ и убывания Т₂ мгновенного значения колебания не равны. В некоторых применениях одно из этих времен (обычно более длительное) называется рабочим или активным временем, а другое — временем возврата или пассивным временем.

Пилообразные колебания используются в телевидении, а также в устройствах с осциллографическими электронно-лучевыми трубками.

Рис. 1.23. Пилообразное колебание

Что такое шумовое колебание?

Это колебание, мгновенное значение которого изменяется во времени по случайному закону. Накладываясь на полезное колебание, оно может привести к нежелательным эффектам. Помимо внешних, посторонних помех, таких как помехи от сетей электропитания, радиостанций, атмосферных, существуют весьма нежелательные собственные помехи или шумы, возникающие внутри устройств и проявляющиеся в виде большого количества случайных импульсов со случайным распределением частот следования и фазовых углов. Это уже не периодический, а случайный, или вероятностный, процесс.

Большую роль играют тепловые и дробовые шумы. Первые возникают в элементах цепей и зависят от сопротивления элемента и его температуры, вторые – в полупроводниковых приборах и электронных лампах и связаны, в частности, со случайным движением носителей заряда или неравномерной эмиссией электронов из катода.

Уровень шумов определяется значением их средней энергии. Шумовые свойства схем и устройств часто определяют с помощью коэффициента шума.

Что такое электрический импульс?

Дать точное определение трудно. В общем можно принять, что определение «импульс» чаще всего относится к электрическому процессу с малым временем длительности, причем само определение «малое» является относительным. Оно мало по сравнению с временем, когда импульс отсутствует (например, с временем перерыва между двумя последующими импульсами). Часто определение «импульс» используется неправильно, по отношению к половине симметричного прямоугольного колебания, даже когда ее длительность относительно велика.

Импульсы могут быть положительными или отрицательными по отношению к некоторому уровню отсчета. Могут быть одиночными или повторяющимися. Повторение импульсов может быть непериодическим или периодическим. Примеры различных импульсов приведены на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Примеры электрических импульсов