Курсы электроники для начинающих

           Электроника для начинающих

Результат можно получить через какое — то время, двигаясь от простого к сложному поднимаясь по ступенькам пирамиды, у которой первые ступени — это основа электроники, только вот не у всех хватит терпения дойти до вершины, поэтому стоит попробовать поступить в обратном порядке.

Когда — то много лет назад я познакомился с “радиохулиганом” (кто не знает — это так называли тех, кто выходил в эфир без официального разрешения, они общались в эфире и крутили музыку Высоцкого и пр.) и меня это увлекло. Я попросил его научить меня как собрать радиоприемник, и он помог мне собрать простой детекторный приемник. Он работал! Принимал несколько радиостанций, радости не было предела, возможно это и был тот результат который не дал мне бросить увлечение. Потом я уже самостоятельно собирал более сложные электронные схемы, в общем то не особо владея знаниями в области электроники, и только со временем постепенно читая книги и журналы из разряда электроника для начинающих постигал сию премудрость. Так что не бойся, пробуй свои силы и у тебя все получится — Это НЕ сложно!

В разделе сайта электроника для начинающих предоставлена краткая и самая необходимая информация, все рассказано простыми словами.

Шаг 1: Напряжение, ток, сопротивление

Эти понятия являются фундаментальными и без знакомства с ними продолжать обучение основам было бы бессмысленно. Давайте просто вспомним, что каждый материал состоит из атомов, а каждый атом в свою очередь имеет три типа частиц. Электрон — одна из этих частицы, имеет отрицательный заряд. Протоны же имеют положительный заряд. В проводящих материалах (серебро, медь, золото, алюминий и т.д.) есть много свободных электронов, которые перемещаются хаотично. Напряжение является той силой, которая заставляет электроны перемещаться в определенном направлении. Поток электронов, который движется в одном направлении, называется током. Когда электроны перемещаются по проводнику, то они сталкиваются с неким трением. Это трение называют сопротивлением. Сопротивление «ужимает» свободное перемещения электронов, таким образом снижая величину тока.

Более научное определение тока – скорость изменения количество электронов в определенном направлении. Единица измерения тока — Ампер (I). В электронных схемах протекающий ток лежит в диапазоне миллиампера (1 ампер = 1000 миллиампер). Например, свойственный ток для светодиода 20mA.

Единица измерения напряжения – Вольт (В). Батарея – является источником напряжения. Напряжение 3В, 3.3В, 3.7В и 5В является наиболее распространенным в электронных схемах и устройствах.

Напряжение является причиной, а ток – результатом.

Единица измерения сопротивления – Ом (Ω).

Шаг 2: Источник питания

Аккумуляторная батарея — источник напряжения или «правильно» источник электроэнергии. Батарея производит электроэнергию за счет внутренней химической реакции. На внешней стороне у неё присутствуют две клеммы. Одна из них является положительным выводом (+ V), а другая отрицательным (-V), или «землёй». Обычно источники питания бывают двух типов.

  • Батареи;
  • Аккумуляторы.

Батарейки используются один раз, а затем утилизируются. Аккумуляторы могут быть использованы несколько раз. Батарейки бывают разных форм и размеров, от миниатюрных, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов до батарей размером с комнату, которые обеспечивают резервное питание для телефонных станций и компьютерных центров. В зависимости от внутреннего состава источники питания могут быть разных типов. Несколько наиболее распространённых типов, используемых в робототехнике и технических проектах:

Батареи 1,5 В

Батарейки с таким напряжением могут иметь различные размеры. Наиболее распространённые размеры АА и ААА. Диапазон ёмкости от 500 до 3000 мАч.

3В литиевая «монетка»

Все эти литиевые элементы рассчитаны номинально на 3 В (при нагрузке) и с напряжением холостого хода около 3,6 вольт. Ёмкость может достигать от 30 до 500мAч. Широко используется в карманных устройствах за счёт их крошечных размеров.

Никель-металлогидридные (NiМГ)

Эти батареи имеют высокую плотность энергии и могут заряжаться почти мгновенно. Другая важная особенность — цена. Такие аккумуляторы дешёвые (в сравнение с их размерами и ёмкостями). Этот тип батареи часто используется в робототехнических самоделках.

3.7 В литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Они имеют хорошую разряжающую способность, высокую плотность энергии, отличную производительность и небольшой размер. Литий-полимерный аккумулятор широко используется в робототехнике.

9-вольтовая батарея

Наиболее распространенная форма — прямоугольная призма с округленными краями и клеммами, что расположены сверху. Ёмкость составляет около 600 мАч.

Свинцово-кислотные

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются рабочей лошадкой всей радио-электронной промышленности. Они невероятно дешёвы, перезаряжаются и их легко купить. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в машиностроении, UPS (источниках бесперебойного питания), робототехнике и других системах, где необходим большой запас энергии, а вес не так важен. Наиболее распространенными являются напряжения 2В, 6В, 12В и 24В.

Последовательно-параллельное соединение батарей

Источник питания может быть подключен последовательно или параллельно. При подключении последовательно величина напряжения увеличивается, а когда подключение параллельное – увеличивается текущая величина тока.

Существует два важных момента относительно батарей:

Емкость является мерой (как правило, в Aмп-ч) заряда, хранящейся в батарее, и определяется массой активного материала, содержащегося в ней. Ёмкость представляет собой максимальное количество энергии, которую можно извлечь при определенно заданных условиях. Тем не менее, фактические возможности хранения энергии аккумулятора могут значительно отличаться от номинального заявленного значения, а ёмкость батареи сильно зависит от возраста и температуры, режимов зарядки или разрядки.

Ёмкость батареи измеряется в ватт-часах (Вт*ч), киловатт-часах (кВт-ч), ампер-часах (А*ч) или миллиампер-час (мА * ч). Ватт-час – это напряжение (В) умноженное на силу тока(I) (получаем мощность – единица измерения Ватты (Вт)), которое может выдавать батарея определенный период времени (как правило, 1 час). Так как напряжение фиксируемое и зависит от типа аккумулятора (щелочные, литиевые, свинцово-кислотные, и т.д.), часто на внешней оболочке отмечают лишь Ач или мАч (1000 мАч = 1Aч). Для более продолжительной работы электронного устройства необходимо брать батареи с низким током утечки. Чтобы определить срок службы аккумулятора, разделите ёмкость на фактический ток нагрузки. Цепь, которая потребляет 10 мА и питается от 9-вольтной батареи будет работать около 50 часов: 500 мАч / 10 мА = 50 часов.

Во многих типах аккумуляторов, вы не можете «забрать» энергию полностью (другими словами, аккумулятор не может быть полностью разряжен), не нанося серьезный, и часто непоправимый ущерб химическим составляющим. Глубина разрядки (DOD) аккумулятора определяет долю тока, которая может быть извлечена. Например, если DOD определено производителем как 25%, то только 25% от ёмкости батареи может быть использовано.

Темпы зарядки/разрядки влияют на номинальную ёмкость батареи. Если источник питания разряжается очень быстро (т.е., ток разряда высокий), то количество энергии, которое может быть извлечено из батареи снижается и ёмкость будет ниже. С другой стороны если батарея разряжается очень медленно (используется низкий ток), то ёмкость будет выше.

Температура батареи также будет влиять на ёмкость. При более высоких температурах ёмкость аккумулятора, как правило, выше, чем при более низких температурах. Тем не менее, намеренное повышение температуры не является эффективным способом повышения ёмкости аккумулятора, так как это также уменьшает срок службы самого источника питания.

С-Ёмкость: Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно её емкости. Большинство батарей, за исключением свинцово-кислотных, оценено в 1C. Например, батарея с ёмкостью 1000mAh, выдает 1000mA в течение одного часа, если уровень – 1C. Та же батарея, с уровнем 0.5C, выдает 500mA в течение двух часов. С уровнем 2C, та же батарея выдает 2000mA в течение 30 минут. 1C часто упоминается как одночасовой разряд; 0.5C – как двухчасовой и 0.1C – как 10-часовой.

Ёмкость батареи обычно измеряется с помощью анализатора. Анализаторы тока отображают информацию в процентах отталкиваясь от значения номинальной ёмкости. Новая батарея иногда выдает больше 100 % тока. В таком случае, батарея просто оценена консервативно и может выдержать более длительное время, чем указанно производителем.

Зарядное устройство может быть подобрано с точки зрения ёмкости батареи или величины C. Например зарядное устройство с номиналом C/10 полностью зарядит батарею через 10 часов, зарядное устройство с номиналом в 4C, зарядило бы аккумулятор через 15 минут. Очень быстрые темпы зарядки (1 час или менее) обычно требуют того, чтобы зарядное устройство тщательно контролировало параметры аккумулятора, такие как предельное напряжение и температура, чтобы предотвратить перезаряд и повреждения батареи.

Напряжение гальванического элемента определяется химическими реакциями, что проходят внутри него. Например, щелочные элементы – 1.5 В, все свинцово- кислотные – 2 В, а литиевые – 3 В. Батареи могут состоять из нескольких ячеек, поэтому вы редко, где сможете увидеть 2-вольтовую свинцово-кислотную батарею. Обычно они соединены вместе внутри, чтобы выдавать 6 В, 12 В или 24 В. Не стоит забывать о том, что номинальное напряжение в «1.5-вольтовой» батарее типа AA фактически начинается с 1.6 В, затем быстро опускается к 1.5, после чего медленно дрейфует вниз к 1.0 В, при котором батарею уже принято считать ‘разряженной’.

Как лучше выбрать батарею для поделки?

Как вы уже поняли, в свободном доступе, можно найти много типов батарей с разным химическим составом, таким образом, не легко выбрать, какое питание является лучшим для именно вашего проекта. Если проект очень энергозависимый (большие системы звука и моторизованные самоделки) следует выбирать свинцово-кислотную батарею. Если вы хотите построить переносную поделку, которая будет потреблять небольшой ток, то следует выбрать литиевую батарею. Для любого портативного проекта (легкий вес и умеренное питание) выбираем литиево-ионный аккумулятор. Вы можете выбрать более дешёвый аккумулятор на основе метало-никелевого гидрида (NIMH), хотя они более тяжёлые, но не уступают литиево-ионным в остальных характеристиках. Если вы хотели бы сделать энергоёмкий проект то литиево-ионный щелочной (LiPo) аккумулятор будет лучшим вариантом, потому что он имеет маленькие размеры, лёгок по сравнению с другими типами батарей, перезаряжается очень быстро и выдаёт ток высокого значения.

Хотите, чтобы Ваши аккумуляторы прослужили долгое время? Используйте высококачественное зарядное устройство, которое имеет датчики для поддержания надлежащего уровня заряда и подзарядки малым током. Дешёвое зарядное устройство убьёт ваши аккумуляторы.

Шаг 3: Резисторы

Резистор — очень простой и наиболее распространённый элемент на схемах. Он применяется для того, чтобы управлять или ограничивать ток в электрической цепи.

Резисторы — пассивные компоненты, которые только потребляют энергию (и не могут производить её). Резисторы, как правило, добавляются в цепь, где они дополняют активные компоненты, такие как ОУ, микроконтроллеры и другие интегральные схемы. Обычно они используются, чтобы ограничить ток, разделить напряжения и линии ввода/вывода.

Сопротивление резистора измеряется в Омах. Большие значения могут быть сопоставлены с префиксом кило-, мега-, или гига, чтобы сделать значения легко читаемыми. Часто можно увидеть резисторы с меткой кОм и МОм диапазоне (гораздо реже мОм резисторы). Например, 4,700Ω резистор эквивалентен 4.7kΩ резистору и 5,600,000Ω резистор можно записать в виде 5,600kΩ или (более обычно ) 5.6MΩ.

Существуют тысячи различных типов резисторов и множество фирм, что их производят. Если брать грубую градацию то существуют два вида резисторов:

  • с чётко заданными характеристиками;
  • общего назначения, чьи характеристики могут «гулять» (производитель сам указывает возможное отклонение).

Пример общих характеристик:

  • Температурный коэффициент;
  • Коэффициент напряжения;
  • Шум;
  • Частотный диапазон;
  • Мощность;
  • Физический размер.

По своим свойствам резисторы могут быть классифицированы как:

Линейный резистор — тип резистора, сопротивление которого остается постоянным с увеличением разности потенциалов (напряжения), что прикладываются к нему (сопротивление и ток, что проходит через резистор не изменяется от приложенного напряжения). Особенности вольт-амперной характеристики такого резистора — прямая линия.

Не линейный резистор – это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от значения прикладываемого напряжения или протекающего через него тока. Это тип имеет нелинейную вольт-амперную характеристику и не строго следует закону Ома.

Есть несколько типов нелинейных резисторов:

  • Резисторы ОТК (Отрицательный Температурный Коэффициент) — их сопротивление понижается с повышением температуры.
  • Резисторы ПЕК (Положительный Температурный Коэффициент) — их сопротивление увеличивается с повышением температуры.
  • Резисторы ЛЗР (Светло-зависимые резисторы) — их сопротивление изменяется с изменением интенсивности светового потока.
  • Резисторы VDR (Вольт зависимые резисторы) — их сопротивление критически понижается, когда значение напряжения превышает определенное значение.

Не линейные резисторы используются в различных проектах. ЛЗР используется в качестве датчика в различных робототехнических проектах.

Кроме этого, резисторы бывают с постоянным и переменным значением:

Резисторы постоянного значения — типы резисторов, значение которых уже установлено, при производстве и не может быть изменено во время использования.

Переменный резистор или потенциометр – тип резистора, значение которого может быть изменено во время использования. Этот тип обычно имеет вал, который поворачивается или перемещается вручную для изменения значения сопротивления в фиксированном диапазоне, например, от. 0 кОм до 100 кОм.

Магазин сопротивлений:

Этот тип резистора состоит из «упаковки», в которой содержится два или более резисторов. Он имеет несколько терминалов, благодаря которым может быть выбрано значение сопротивления.

По составу резисторы бывают:

Углеродные:

Сердечник таких резисторов отливается из углерода и связующего вещества, создающих требуемое сопротивление. Сердечник имеет чашеобразные контакты, удерживающие стержень резистора с каждой стороны. Весь сердечник заливается материалом (наподобие бакелита) в изолированном корпусе. Корпус имеет пористую структуру, поэтому углеродные композиционные резисторы чувствительны к относительной влажности окружающей среды.

Эти типы резисторов обычно производит шум в цепи за счёт электронов, проходящих через углеродные частицы, таким образом, эти резисторы, не используются в «важных» схемах, хотя они дешевле.

Осаждения углерода:

Резистор, который сделан путём нанесения тонкого слоя углерода вокруг керамического стержня — называется углеродо-осаждённым резистором. Он изготавливается путем нагревания керамических стержней внутри колбы метана и осаждением углерода вокруг них. Значение резистора определяется количеством углерода, осажденного вокруг керамического стержня.

Пленочный резистор:

Резистор выполнен путем осаждения распыляемого металла в вакууме на керамическую основу прута. Эти типы резисторов очень надежны, имеют высокую устойчивость, а также имеют высокий температурный коэффициент. Хотя они дороже по сравнению с другими, но используются в основных системах.

Проволочный резистор:

Проволочный резистор изготовлен путем намотки металлической проволоки вокруг керамического сердечника. Металлический провод представляет собой сплав различных металлов подобранных согласно заявленным особенностям и сопротивлениям требуемого резистора. Эти тип резистора имеет высокую стабильность, а также выдерживает большие мощности, но, как правило, они более громоздкие по сравнению с другими типами резисторов.

Метало-керамические:

Эти резисторы изготовлены путем обжига некоторых металлов, смешанные с керамикой на керамической подложке. Доля смеси в смешанном метало-керамическом резисторе определяет значение сопротивления. Этот тип очень стабилен, а также имеет точно вымеренное сопротивление. Их в основном используют для поверхностного монтажа на печатных платах.

Прецизионные резисторы:

Резисторы, значение сопротивлений которых лежит в пределах допуска, поэтому они очень точны (номинальная величина находится в узком диапазоне).

Все резисторы имеют допуск, который даётся в процентах. Допуск говорит нам, насколько близко к номинальному значению сопротивления может изменяться. Например, 500Ω резистор, который имеет значение допуска 10%, может иметь сопротивление между 550Ω или 450Ω. Если же резистор имеет допуск 1%, сопротивление будет меняться только на 1%. Таким образом, 500Ω резистор может варьироваться от 495Ω 505Ω.

Прецизионный резистор — резистор, у которого уровень допуска всего 0.005%.

Плавкий резистор:

Проволочный резистор, разработан таким образом, чтобы легко перегореть, когда номинальная мощность превысет граничный порог. Таким образом плавкий резистор имеет две функции. Когда питание не превышено, он служит ограничителем тока. Когда номинальная мощность превышена, оа функционирует как предохранитель, после перегорания цепь становится разорванной, что защищает компоненты от короткого замыкания.

Терморезисторы:

Теплочувствительный резистор, значение сопротивления которого изменяется с изменением рабочей температуры.

Терморезисторы показывают или положительный температурный коэффициент (PTC) или отрицательный температурный коэффициент (NTC).

Насколько изменяется сопротивление с изменениями рабочей температуры зависит от размера и конструкции терморезистора. Всегда лучше проверить справочные данные, чтобы узнать все спецификации терморезисторов.

Фоторезисторы:

Резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от светового потока, что падает на его поверхность. В тёмной среде сопротивление фоторезистора очень высоко, несколько M Ω. Когда интенсивный свет попадает на поверхность, сопротивление фоторезистора существенно падает.

Таким образом фоторезисторы — переменные резисторы, сопротивление которых зависит от количества света, что падает на его поверхность.

Выводные и безвыводные типы резисторов:

Выводные резисторы: Этот тип резисторов использовался в самых первых электронных схемах. Компоненты подключались к выводным клеммам. С течением времени, начали использоваться печатные платы, в монтажные отверстия которых впаивались выводы радиоэлементов.

Резисторы поверхностного монтажа:

Этот тип резистора всё более часто стали использовать начиная с введения технологии поверхностного монтажа. Обычно этот тип резистора создается путём использования тонкоплёночной технологии.

Шаг 4: Стандартные или общие значения резисторов

Система обозначений имеет свои истоки, которые выходят с начала прошлого века, когда большинство резисторов были углеродными с относительно плохими производственными допусками. Объяснение довольно простое – используя 10% допуск можно уменьшить число выпускаемых резисторов. Было бы малоэффективно производить резисторы с сопротивлением 105 Ом, так как 105 находится в пределах 10%-го диапазона допуска резистора на 100 Ом. Следующая рыночная категория составляет 120 Ом, потому что у резистора на 100 Ом с 10%-й терпимостью, будет диапазон между 90 и 110 Ом. У резистора на 120 Ом диапазон лежит между 110 и 130 Ом. По этой логики предпочтительно выпускать резисторы с 10% допуском 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330 и так далее (соответственно округлены). Это — ряд E12, показанный ниже.

Терпимость 20% E6,

Терпимость 10% E12,

Терпимость 5% E24 (и обычно 2%-я терпимость),

Терпимость 2% E48,

E96 1% терпимости,

E192 0,5, 0,25, 0,1% и выше допуски.

Стандартные значения резисторов:

Е6 серии: (20% допуска) 10, 15, 22, 33, 47, 68

E12 серии: (10% допуска) 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82

E24 серии: (5% допуска) 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

E48 серии: (2% допуска) 100, 105, 110, 115, 121, 127, 133, 140, 147, 154, 162, 169, 178, 187, 196, 205, 215, 226, 237, 249, 261, 274, 287, 301, 316, 332, 348, 365, 383, 402, 422, 442, 464, 487, 511, 536, 562, 590, 619, 649, 681, 715, 750, 787, 825, 866, 909, 953

При разработке оборудования лучше всего придерживаться самого низкого раздела, т.е. лучше использовать E6, а не E12. Таким образом, чтобы число различных групп в любом оборудовании было минимизировано.

Продолжение следует

(A-z Source)

Основные этапы развития электроники и схемотехники

В зависимости от используемых электронных компонентов (элементной базы) выделим следующие этапы развития электронных приборов и устройств.

Первый этап (1900—1950 гг.). Характерная особенность этого этапа — использование электронных ламп в качестве активных элементов. Пассивными элементами служили резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы. Соединение элементов осуществлялось с помощью проводов. Устройства имели большие габариты и массу. Плотность монтажа составляла 0,001—0,003 элемента/см3. На этом этапе были разработаны основные теоретические положения и решены многие вопросы схемотехники для различных областей применения устройств радиотехники и вычислительной техники.

Второй этап (1950—1970 гг.). На этом этапе разрабатывались и производились электронные устройства на полупроводниковых диодах и транзисторах. Сборка устройств осуществлялась автоматически с применением печатного монтажа. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате. Соединение элементов осуществлялось путем нанесения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку в соответствии со схемой устройства. Плотность монтажа составляла около 0,5 элемента/см3.

Третий этап (1970—1980 гг.) знаменовался переходом от дискретных элементов к интегральным схемам, содержащим от десятков до нескольких тысяч транзисторных структур на одном кристалле площадью порядка одного квадратного сантиметра. Основу элементной базы устройств составляли интегральные схемы и микросборки. Интегральная схема представляла собой более или менее законченный функциональный узел, изготовленный на подложке в едином технологическом цикле и требующий навесных элементов. На этом этапе широко использовались блочные конструкции электронных устройств, составленные из набора печатных плат, на которых смонтированы интегральные схемы и микросборки. Плотность монтажа составляла до 50 элементов/см3. Внедрение интегральных схем помимо уменьшения габарита, массы и энергопотребления привело к резкому повышению надежности электронных устройств.

Четвертый этап (1980—2000 гг.). Его главная особенность состояла в применении больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) с плотностью монтажа, превышающей 108 элементов/см3. В состав таких интегральных схем входят отдельные функциональные узлы, а в целом СБИС представляет собой готовое электронное устройство, позволяющее осуществить прием, хранение, обработку или передачу информации. Появление и внедрение микропроцессоров привело к резкому ускорению темпов развития компьютерной техники. Появились современные компьютеры, имеющие малые габариты и низкую стоимостью, обладающие высокой надежностью и производительностью, многократно превышающую производительность ЭВМ первых поколений.

Пятый этап (с 2000 г. по настоящее время). Продолжается процесс интенсивного развития интегральной схемотехники, который идет по пути освоения новых технологий, уменьшения технологических норм проектирования, повышения рабочих частот, расширения функциональных возможностей и широкого их внедрения в аппаратуру различного назначения (компьютеры и телекоммуникационные сети, системы спутниковой связи, телевидение, бытовая техника и др.).

Уменьшение проектных норм до десятков нанометров позволяет размещать на кристалле согни миллионов транзисторных структур и объединять их в законченные узлы различного функционального назначения, что привело:

  • • к повышению тактовой частоты обработки цифровой информации до единиц (и более) гигагерц, благодаря высокой плотности упаковки и отсутствию межсоединений;
  • • дальнейшему развитию и совершенствованию микросхем с программируемой структурой;
  • • появлению нового класса перспективной элементной базы, называемой «системы-на-кристалле» (system-on-chip — SoC). Внедрение SoC требует качественно новой методологии проектирования, основанной на многократном использовании так называемых IP-блоков (intellectual property — блоков интеллектуальной собственности);
  • • дальнейшему развитию, совершенствованию и широкому внедрению различных многопроцессорных вычислительных систем параллельного действия .

Развитие запоминающих устройств направлено на увеличение емкости, повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности и стоимости, а также обеспечение энергонезависимости. Для этого используются новые физические явления и перспективные технологии, к которым следует отнести 1831:

  • • два вида технологий, основанных на использовании ферро- электрических явлений. Элементы памяти FRAM (ferroelectric) строятся на основе бистабильного атома, диполи которого могут занимать два пространственных положения, соответствующих логическому нулю и логической единице. Положение диполей можно изменять с помощью внешнего электрического поля. Элементами памяти PFRAM (j)olyme?ic ferroelectric) служат диполи, расположенные на полимерной пленке и разделенные перпендикулярными разрядными и словарными линиями. Достоинствами технологий являются энергонезависимость, высокая скорость чтения и записи, практически неограниченное число циклов чтения/запи- си, малая площадь элемента памяти на кристалле, высокая радиационная стойкость, малые напряжение питания и потребляемая мощность;
  • • технологию МRAM {magnetic RAM), основанную на способности особой структуры из ферромагнетика изменять свое сопротивление при изменении намагниченности. Достоинствами памяти MRAM являются неограниченный ресурс перезаписи и весьма малое время доступа, что позволяет применять ее в качестве оперативной памяти;
  • • технологию OUM {ovonic unified memory), разрабатываемую одноименной фирмой Ovonics при активном участии Intel. Принцип работы этой памяти сходен с принципом работы оптических перезаписываемых носителей {CD RW). При пропускании через халькогенидный сплав тока он нагревается и переходит из кристаллического состояния в аморфное. Сопротивление сплава резко увеличивается, и он прекращает пропускать ток. Появившиеся первые пробные микросхемы OUM превосходят флеш-память по максимальному количеству циклов перезаписи и имеют лучшие показатели по времени доступа;
  • • нанотехнологии, освоение которых открывает широкую перспективу совершенствования микросхем памяти. Самое простое применение нанотехнологии состоит в замене плавающего затвора транзистора на нанокристаллы кремния, что позволит значительно повысить надежность хранения информации и существенно уменьшить размер ячеек.

Бурными темпами продолжает развиваться флеш-память {flash memory). Одно из ее направлений относится к разработке интегрированных однокристальных систем {single-chip, или класса «все-в-од- ном») с расширенными функциональными возможностями. Другим направлением является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. Технологический процесс 90-нм обеспечивает объем модулей памяти единицы гигабайт, их малые размеры (11 х 13 х 1,4 мм), напряжение питания 1,8 В, высокую производительность и низкое энергопотребление, высокие скорости чтения (108 Мбайт/с) и записи (10 Мбайт/с).

К перспективным направлениям развития памяти следует отнести твердотельные накопители типа NAND SSD {solidstate disk) на основе флеш-памяти и типа RAM SSD на оперативной памяти. Их достоинства — высокая скорость чтения/заниси, стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации, малые чувствительность к внешним электромагнитным полям, габариты и масса; недостатки — сравнительно высокая стоимость, ограниченное количество циклов перезаписи.

Благодаря широкому применению цифровых интегральных схем удалось улучшить многие показатели информационных устройств. Поэтому препятствием на пути улучшения массогабаритных показателей, повышения надежности и снижения стоимости электронной аппаратуры в целом являются мощные устройства, к которым относятся выходные каскады радиопередатчиков и звуковоспроизводящей аппаратуры, устройства вторичных источников электропитания (ВИЭП) и другие устройства силовой электроники (power electronics).

Поскольку мощные устройства строят на полупроводниковых приборах с ключевым режимом работы, их характеристики и параметры находятся в полной зависимости от современного состояния элементной базы.

Самыми распространенными приборами в низкочастотных (до 1 МГц) и низковольтных (до 200 В) устройствах являются МОП- транзисторы (MOSFET — metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), которые обладают малыми статическими и динамическими потерями, незначительными затратами на управление и крайне небольшим временем переключения, что позволило практически полностью вытеснить из низковольтных преобразовательных устройств все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. Совершенствование технологии изготовления МОП-транзис- торов расширило область применения приборов этого класса в диапазоне коммутируемых напряжений до 600—1000 В.

При напряжениях 500—600 В и выше предпочтительны биполярные транзисторы с изолированным затвором (1GBT — insulated gate bipolar transistors), которые обеспечивают коммутацию токов до 3600 А и напряжений до 6,5 кВ с временем переключения порядка 200—400 нс.

Дальнейшее улучшение параметров приборов силовой электроники связано с совершенствованием и внедрением новых технологий. В последние годы ведутся широкие исследования новых материалов для приборов силовой электроники, среди которых наиболее перспективен карбид кремния (SiC). Пробивная напряженность электрического поля SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Высокая теплопроводность SiC уменьшает тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si-диодами почти в два раза. Небольшое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать для силового прибора весьма малый но размерам кристалл. Карбид кремния устойчив к радиации, ее воздействие не приводит к деградации электронных свойств кристалла. Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяет создавать надежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальных применений.

Успехи полупроводниковой (MOSFET, 1GBT, мощные высоковольтные диоды Шоттки), микроэлектронной (чипы высокой степени интеграции, 5М/>компоненты и т.д.) и компьютерной (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры, флеш-память большого объема) технологий, а также достижения в области полимеров, планарных моточных изделий и микропечатных плат дают мощный импульс развитию интеллектуальных силовых модулей

{IPM — intelligent power modules). Можно выделить два направления развития IPM:

  • • объединение в одном модуле силовых компонентов различного вида для образования более сложной структуры модуля;
  • • встраивание в силовые ключи или их конфигурацию (полумосты, мосты) управляющих драйверов и (или) ШИМ-контролле- ров, датчиков для диагностики работоспособности и других функций. Этому способствует переход от аналогового управления на цифровое.

Цифровое управление источниками питания по сравнению с аналоговым обладает огромными преимуществами. Появление недорогих высококачественных цифровых сигнальных контроллеров обеспечивает:

  • • высокую точность регулирования. Допустимое отклонение от заданных параметров определяется влиянием дестабилизирующих факторов. Цифровые контроллеры позволяют не только осуществлять их мониторинг, но и производить непосредственную подстройку цени обратной связи контура регулирования в зависимости от нагрузки, температуры, тока и напряжения. Отклонение напряжения на выходе источника от номинала может достигать десятых долей процента;
  • • стабильность работы в заданной полосе частот, которая поддерживается схемой компенсации. Современный цифровой контроллер может автоматически подстраивать схему компенсации, поскольку имеет прямой доступ к коэффициентам полиномов передаточной функции, хранящимся в его регистре, т.е. способен са- моадаптироваться к постоянным изменениям условий работы;
  • • защиту от выбросов при резких и внезапных изменениях параметров нагрузки путем использования усовершенствованных топологий (архитектур), включая схемы полномостового преобразователя со сдвигом фазы и резонансного преобразователя, а также контроллеры, управляемые напряжением или током. Эти архитектуры обеспечивают оптимальную коммутацию ключа. Цифровое управление позволяет без промедления и дополнительных затрат переключаться между различными архитектурами и тем самым смягчить резкие и внезапные броски тока в нагрузке;
  • • диагностику ошибок и более совершенную защиту от перегрузок. Каждая ошибка и сбой могут быть распознаны, а последующая реакция системы может быть предварительно запрограммирована и при необходимости изменена, например в зависимости от выходных напряжений и токов. В источниках с аналоговым управлением система защиты обычно задана внешними элементами, впаянными в печатную плату;
  • • высокий КПД в широком диапазоне выходных напряжений и токов, так как цифровые алгоритмы позволяют оптимизировать внутренние параметры источника питания для каждой точки во всем заявленном диапазоне работы;
  • • высокую надежность, что достигается сведением к минимуму количества внешних элементов и токопроводящих дорожек на печатной плате. Кроме того, оптимизация КПД гарантирует меньший нагрев и более долгий срок службы компонентов.

Приведенный далеко не полный перечень достоинств цифрового управления свидетельствует о широких возможностях и перспективности его применения в современных источниках питания.

Одной из главных проблем мощных устройств радиопередающей аппаратуры является совершенствование элементной базы. В настоящее время для изготовления мощных высокочастотных транзисторов наиболее перспективной является смещенно-диф- фузная МОП-технология на основе кремния (LDMOS — laterally diffused metal oxide semiconductors), которая позволяет получить лучшие характеристики транзисторов по сравнению с биполярной технологией. LDMOS-технология появилась в конце прошлого века и стала одной из ключевых технологий в области создания транзисторов СВЧ-диапазона. Одна из ведущих компаний в этой области NXP Semiconductors, известная ранее как Philips Semiconductors, выпускает более 100 модификаций мощных транзисторов для четырех направлений применения: широковещательные транзисторы, транзисторы СВЧ, микроволновые транзисторы и транзисторы для базовых станций сотовой связи. В качестве примера приведем параметры LDMOS-транзистора для диапазона 1030—1090 МГц: выходная мощность — до 600 Вт, коэффициент усиления по мощности — не менее 19 дБ, КПД — до 52%, транзистор имеет встроенную защиту от статического электричества.

Развитие мощных устройств в радиодиапазоне сдерживается отсутствием нелинейных реактивных элементов, способных преобразовывать высокие уровни мощности. Например, область применения частотных и фазовых модуляторов, реализуемых на варикапах, ограничена информационными устройствами.