Электроника

Немировский А. Е., Сергиевская И. Ю.,  
Степанов О. И., Иванов А. В.  
 
 
Электроника 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Инфра-Инженерия 
Москва - Вологда 
2019
1 

ФЗ 
№ 436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 
 
УДК  62.276.1/.4622.279.23/.4 (075.8) 
 ББК  33.36 
 
Н 50 
 
 
 
 
Немировский А. Е. 
Н 50  Электроника: учебное пособие / А. Е. Немировский, И. Ю. Сергиевская,  
О. И. Степанов, А. В. Иванов. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 200 с. 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0264-4  
 
 
 
Рассмотрены основные элементы электронных схем, электронные приборы и электронные устройства, импульсные и цифровые сигналы и устройства, 
порядок выявления и методы расчета их важнейших параметров и характеристик. В приложениях содержатся справочные данные, которые будут полезны 
при выполнении контрольных работ и курсового проектирования. 
Для студентов, изучающих дисциплину СД.01 «Электроника» и смежные 
дисциплины при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений». 
 
 
 
 
 
 
‹ Немировский А. Е., Сергиевская И. Ю., Степанов О. И.,  
Иванов А. В., авторы, 2019 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0264-4  
  
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ...................................................................................................................... 
5 
Глава 1. Элементы электронных схем ........................................................... 
6 
† 1.1. Краткое описание пассивных элементов электронных схем 
...................... 
6 
† 1.2. Электронные приборы ............................................................................... 11 
1.2.1. Электропроводность проводников и диэлектриков ..................... 11 
1.2.2. Электропроводность полупроводников ......................................... 13 
1.2.3. Примесные полупроводники ............................................................. 16 
1.2.4. Электронно-дырочный переход и его свойства ............................ 17 
† 1.3. Полупроводниковые  диоды ...................................................................... 23                  
† 1.4. Полупроводниковые  транзисторы 
............................................................ 26 
† 1.5. Тиристоры ................................................................................................... 38 
† 1.6. Оптоэлектронные приборы 
........................................................................ 46 
† 1.7. Операционные усилители 
.......................................................................... 50 
† 1.8. Силовые полупроводниковые приборы .................................................... 59 
Контрольные вопросы и задачи к главе 1 ......................................................... 75 
Глава 2. Электронные устройства 
................................................................. 79 
† 2.1. Вторичные источники питания 
................................................................... 79 
2.1.1. Выпрямители 
..................................................................................... 82 
2.1.2. Электрические фильтры ................................................................. 89 
2.1.3. Стабилизаторы напряжения ........................................................... 95 
† 2.2. Инверторы и умножители  напряжения .................................................... 97 
† 2.3. Усилители электрических сигналов .......................................................... 98 
† 2.4. Генераторы электрических сигналов ...................................................... 121 
Контрольные вопросы и задачи к главе 2 ....................................................... 132 
Глава 3. Импульсные и цифровые сигналы и устройства .............. 134 
† 3.1. Импульсные сигналы и их параметры .................................................... 134 
† 3.2. Цифровое представление информации ................................................. 137 
† 3.3. Логические функции и алгебра логики 
.................................................... 140 
3.3.1. Логические функции и способы их записи 
..................................... 140 
3.3.2. Основы алгебры логики (алгебры Буля) ....................................... 141 
3.3.3. Основные теоремы алгебры логики ............................................. 143 
3.3.4. Представление и минимизация булевых функций 
....................... 144 
† 3.4. Реализация логических функций и особенности построения  
логических устройств 
............................................................................... 146 
† 3.5. Комбинационные устройства 
................................................................... 148 
† 3.6. Последовательностные устройства 
........................................................ 159 
† 3.7. Устройства для формирования и преобразования 
аналого-цифрового и цифро-аналогового  сигналов ............................ 176 
Контрольные вопросы и задачи к главе 3 ....................................................... 185 
Заключение ............................................................................................................ 186 
3 
 

Список использованных источников 
......................................................... 187 
Приложение 1. Международная цветовая маркировка резисторов .................. 188 
Приложение 2. Классификация и основные параметры  
полупроводниковых диодов 
........................................................ 190 
Приложение 3. Классификация и основные характерные  
признаки транзисторов ............................................................... 193 
Приложение 4. Классификация и основные характеристики тиристоров 
......... 195 
Приложение 5. Параметры интегральных стабилизаторов 
............................... 197 
 
 
 
4 
 

Введение 
Курс «Электроника» является одним из основных при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и магистров 
по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»  
и основывается на знаниях высшей математики, теоретических основ электротехники.  
Электроника является универсальным и эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, 
автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования 
энергии. Сфера применения электроники постоянно расширяется, и практически 
каждая сложная техническая система оснащается электронными устройствами. 
Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось 
бы без использования электроники. 
Целью настоящего пособия является анализ принципов действия и структур 
электронных приборов и устройств, выявление их важнейших параметров  
и характеристик, а также уяснение методов их расчета. Учебное пособие предназначено для дисциплины СД.01 «Электроника» согласно Государственному  
образовательному стандарту высшего профессионального образования. 
Учебное пособие состоит из трех разделов: элементы электронных схем, 
электронные  устройства, импульсные и цифровые сигналы и устройства.  
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам рукописи: ведущему специалисту производственно-технического отдела ООО «Строительные 
системы» Бугаевой Т. В., мастеру ООО «ЦентрСтройКомплекс» Крепышеву А. С. 
за полезные замечания и предложения. 
Отзывы и предложения просим направлять по адресу: 160035, г. Вологда, 
ул. Ленина, д. 15, ВоГУ, кафедра электрооборудования. 
5 
 

ГЛАВА 1.  
Элементы электронных схем 
† 1.1. Краткое описание пассивных элементов  
электронных схем 
Основой электронной техники наряду с электронными приборами являются 
резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. 
Свойства реальных компонентов ² резисторов, конденсаторов и катушек 
индуктивности ² могут существенно отличаться от их идеальных моделей. 
Эти отличия зависят от технологии материала и условий эксплуатации. 
Резистор является простым и самым распространенным и компонентом 
электронных схем и представляет собой элемент электрической цепи, в котором 
происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую. Сопротивление резистора может быть определено как тангенс угла 
наклона его вольт-амперной характеристики. 
Сопротивление резистора в цепи переменного тока больше сопротивления 
этого же резистора в цепи постоянного тока, что объясняется наличием поверхностного эффекта, который заметно сказывается на частотах от 10 МГц.  
Резисторы бывают разных типов, размеров и конструкций. Самые часто  
употребляемые типы ² металлопленочные и углеродистые резисторы. Наиболее распространенным типом углеродистых резисторов является С1-4. Ранее  
выпускались и часто встречаются до сих пор резисторы типа МЛТ. Современные 
резисторы маркируются международным цветным кодом, состоящим из двенадцати цветов. 
Выпускаемые промышленностью резисторы обозначаются следующим 
образом: R (или Е) обозначают омы; к ² килоомы; м ² мегаомы. 
Эти буквы могут использоваться вместо десятичной точки (1К2 есть то же 
самое что и 1,2 кОм), а 3R3 (или 3Е3) ² то же самое, что 3,3 Ом. При обозначениях на схемах целые омы в большинстве случаев вообще опускаются: например 
«360» означает просто 360 Ом. ЧИП-резисторы для поверхностного монтажа  
маркируются тремя цифрами: первые две ² номинальное значение (без запятой), 
а последняя ² степень десяти. Так, надпись 103 означает 10 Â 103 = 10 000 Ом,  
а надпись 272 ² 2 700 Ом. 
Резисторы С1-4 и МЛТ выпускаются следующих предельно допустимых 
мощностей ² 0,0625; 0,125; 0,25; 1; 2 Вт и отличаются размерами. Обычные 
резисторы выпускаются с 1-ным разбросом, однако на практике в продаже 
встречаются только их 5-ные разновидности.  
6 
 

Более точные (прецезионные) резисторы с разбросом в 1  и ниже носят 
другие наименования и значительно дороже. Широко применяются на практике 
различные типы безвыходных резисторов для поверхностного монтажа  
(ЧИП-компоненты). Все резисторы имеют предельно допустимое напряжение, 
которое также зависит от их размеров ² так, для мощностей 0,125 и 0,25 Вт это 
напряжение не превышает 250 В, поэтому их нельзя употреблять в цепях с сетевым питанием независимо от того, что тепловая мощность может быть и не превышена. Для цепей с напряжением 220 В и выше минимально допустимая мощность резистора составляет 0,5 Вт. Резисторы номиналом меньше 1 Вт предназначены для пропускания больших токов и имеют большие размеры. Резисторы 
мощностью более 2 Вт требуются довольно редко и для таких случаев выпускают специальные проволочные резисторы, залитые термостойким составом 
(остеклованные).  
Кроме постоянных резисторов, широкое применение в электронике находят 
переменные резисторы, отличающиеся от постоянных наличием третьего вывода ² движка, представляющего собой подпружиненный ползунок, механически 
передвигающийся по резистивному слою. Так как вывода три, то переменный  
резистор может подключаться двумя способами: как простой резистор (вывод 
движка при этом объединяется с одним из крайних выводов) и по схеме потенциометра, когда все три вывода задействованы. Резисторы по своему предназначению служат для преобразования напряжения в ток и обратно. В соответствии  
с этим схема обычного включения переменного резистора служит для преобразования напряжения в ток, а схема потенциометра (делителя напряжения) ² тока  
в напряжение. 
Резисторы могут в схеме включаться последовательно или параллельно,  
и следовательно, общее сопротивление будет равняться: 
x при последовательном соединении:  
 
R™ = R1  R2  … 
(1.1) 
x при параллельном соединении: 
 
R™ = 1 / R1  1 / R2  … 
(1.2) 
Из этих определений вытекает несколько правил. 
x Для последовательного соединения: 
1. сумма двух резисторов имеет сопротивление всегда больше, чем сопротивление резистора с большим номиналом (правило «больше 
большего»); 
2. если номиналы резисторов равны, то суммарное сопротивление 
вдвое больше каждого номинала; 
7 
 

3. если номиналы резисторов различаются во много раз, то общее  
сопротивление примерно равно большему номиналу. 
x Для параллельного соединения: 
1. сумма двух резисторов имеет сопротивление всегда меньшее, чем сопротивление резистора с меньшим номиналом (правило «меньше 
меньшего»); 
2. если номиналы резисторов равны, то суммарное сопротивление 
вдвое меньше каждого номинала; 
3. если номиналы резисторов различаются во много раз, то общее  
сопротивление примерно равно меньшему номиналу. 
Международная цветная маркировка резисторов приведена в Приложении 1.  
Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному сопротивлению и имеющей величину от сотых долей до единиц пикофарад.  
Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные 
слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности,  
и ею можно пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц. В то же время между их проводящим слоем и другими частями схемы образуются паразитные 
конденсаторы с емкостями до нескольких пикофарад, которые, как правило, 
больше проходных. Другим недостатком резисторов этих типов является  
сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры  
и влажности. Резисторы нельзя применять в устройствах, рассчитанных  
на меньшие отклонения. Например, если расчетное сопротивление резистора 
10 кОм при допустимом отклонении r100 Ом (10 кОм r 1 ), то не следует 
брать резисторы с номиналом 10 кОм r 10  и отбирать среди них тот, сопротивление которого укладывается в диапазон 99-101 кОм. Дело в том, что уже 
в процессе пайки сопротивление резистора «уйдет» значительно больше,  
чем на 100 Ом. 
Проволочные резисторы обладают значительно большей температурной 
и временной стабильностью, но у них больше паразитные емкости и индуктивности. Для уменьшения последней прибегают к так называемой (бифилярной) 
встречной намотке проволоки на каркас. Проволочные резисторы являются  
незаменимыми в цепях, где точность и стабильность активных элементов являются решающими.  
Конденсатор ² это элемент электрической цепи, запасающий электрическую энергию. Параметром, характеризующим это свойство конденсатора,  
является электрическая емкость, представляющая собой отношение заряда  
8 
 

(в кулонах) к разности потенциалов на пластинах (в вольтах). Самым высоким 
соотношением емкость/габариты обладают электролитические (оксидные) конденсаторы, например, серия К50-35. Емкости таких конденсаторов достигают 
100 000 мкФ, а допустимые напряжения ² до 600 В. В то же время у таких 
конденсаторов есть три существенных недостатка. Первый и самый главный ² 
эти конденсаторы полярны, т. е. подразумевают включение только в определенной ориентации по отношению к полярности источника питания. Полярность обычно обозначается на корпусе и/или толщиной (длиной) выводов.  
Второй недостаток «электролитов» заключается в том, что они обеспечивают 
номинальную емкость только на низких частотах. При быстром перезаряде их 
емкость существенно снижается, поэтому в фильтрах источников питания  
рекомендуется параллельно ставить неполярные (керамические или иные)  
конденсаторы в целях лучшей защиты от высокочастотных помех. Третий  
недостаток «электролита» заключается в т. н. эффекте «аккумулятора» (или 
накопления заряда). Если полностью разрядить электролитический конденсатор 
(например, коротким замыканием выводов), то через некоторое время напряжение на выводах опять восстановится до некоторого значения (1-1,5 В), а для его 
полного рассасывания требуется от нескольких часов до суток. Этот эффект 
тем сильнее, чем больше емкость и выше допустимое напряжение.  
Также достаточно широко применяются конденсаторы с неполярным  
диэлектриком: бумажные, слюдяные, керамические, полиэтилентерефталатные 
(лавсановые) или фторопластовые (тефлоновые). Следует отметить, что старые 
металлобумажные конденсаторы типа МБГ или МБГЧ имели достаточно  
существенную особенность ² они могли самовосстанавливаться после пробоя. 
Однако в настоящее время все чаще используются неполярные конденсаторы  
с керамическим или органическим диэлектриком (К10, К73 и др.) При применении в точных времязадающих цепях рекомендуется не просто выбирать  
конденсатор с подходящим изолятором (тефлоновый или слюдяной), но и с как 
можно боғльшим допустимым напряжением (например, конденсатор с номинальным напряжением 600 В в цепях с напряжением 12 В) Емкости широко  
используемых конденсаторов лежат в пределах от пико- до микрофарад и при 
условных обозначениях пишут просто «мк», «н», «п» вместо «мкФ» и т. д.  
Часто микрофарады обозначаются лишним десятичным знаком, например 
100,0 означает 100 мкФ, а просто 100 ² 100 пФ. 
Как и резисторы, конденсаторы можно включать последовательно  
или параллельно. Параллельное включение применяют при необходимости 
увеличить емкость, которая в этом случае будет равняться сумме емкостей  
отдельных конденсаторов:  
9 
 

 
С™ = С1  С2  … 
(1.3) 
При необходимости уменьшить емкость конденсатора их соединяют  
последовательно, при этом общая емкость вычисляется по формуле:  
 
1 / С™ = 1 / С1  1 / С2   … 
(1.4) 
Конденсатор по своей сути (определению) не пропускает постоянный ток, 
т. к. представляет собой разрыв в цепи, а переменный ток через него протекает ² 
при этом происходит постоянный перезаряд конденсатора, т. к. напряжение все 
время изменяется по величине и полярности. 
Сам по себе конденсатор энергии не потребляет, поэтому его сопротивление 
переменному току называют реактивным, в то время как обычное резистивное сопротивление называют активным. 
Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, поскольку у них 
есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. Для высококачественных 
конденсаторов (слюдяные, фторопластовые, керамические и пр.) собственное сопротивление утечки составляет при малой влажности и нормальной температуре 
гигаомы (1 ГОм = 109 Ом) и в большей степени зависит от состояния поверхности 
корпуса или монтажной платы, чем от диэлектрика.  
 Индуктивность ² это элемент электрической цепи, в котором накапливается энергия электромагнитного поля. Простейшая индуктивность представляет 
собой катушку из провода, который для улучшения индуктивных свойств наматывают на основу из ферромагнитного материала. 
Индуктивность для постоянного тока представляет нулевое сопротивление, и с ростом частоты переменного тока ее реактивное сопротивление растет. 
Ток в цепи, содержащей индуктивность, отстает от напряжения на 90ƒ. 
Индуктивность измеряется в генри (Гн). Катушки индуктивности  
без ферромагнитных сердечников могут быть достаточно близки к идеальным 
индуктивностям. Основную роль в них играет сопротивление провода. Так,  
в дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеала оказываются очень существенными. Потери энергии на перемагничивание сердечника и вихревые токи Фуко в них вызывают ее обращение 
на нагрев. Это обстоятельство определяет КПД и качество трансформаторов.  
 
 
10