Основы промышленной электроники

Д. А. Кушнер

ОСНОВЫ 

ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь 

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования, 

реализующих образовательные программы среднего специального 

образования по специальностям «Монтаж и эксплуатация 

электрооборудования», «Городской электрический транспорт»,

«Электроснабжение»

Минск 
РИПО

2020

УДК 621.38(075.32)
ББК 32.85я723
       К96

А в т о р:

заместитель директора по учебно-производственной работе УО «Гомельский государственный 

профессионально-технический колледж электротехники» Д. А. Кушнер.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия общепрофессиональных дисциплин и спецдисциплин специальности 

«Электроника механических транспортных средств» филиала БНТУ 

«Минский государственный политехнический колледж» (С. В. Жучкевич);

доцент кафедры автоматизированных систем управления производством УО «Белорусский 

государственный аграрный технический университет», кандидат технических наук, 

доцент И. П. Матвеенко.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части 

не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования 

Республики Беларусь.

Кушнер, Д. А.

К96
Основы промышленной электроники : учеб. пособие / Д. А. Кушнер. – 

Минск : РИПО, 2020. – 268 с., [4] л. ил. : ил.

ISBN 978-985-503-975-5.

В учебном пособии рассматриваются вопросы основ полупроводниковой электро
ники, аналоговой и цифровой схемотехники. Описывается работа полупроводниковых приборов и схем на их основе, схемотехника аналоговых устройств на основе операционных усилителей, силовая электроника. Раскрываются вопросы дискретного и 
аналогового управления производственными процессами и др.

Предназначается учащимся учреждений среднего специального образования по 

специальностям «Монтаж и эксплуатация электрооборудования», «Городской электри ческий транспорт», «Электроснабжение».

Учебное издание

Кушнер Дмитрий Александрович

ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Редактор Е. Л. Мельникова  Технический редактор Д. А. Бирук
Корректор И. В. Счеснюк
Дизайн обложки Е. Н. Самусевич

Подписано в печать 28.02.2020. Формат 60½84/16. 

Гарнитура «TimesET». Бумага офсетная. Ризография.

Усл. печ. л. 15,62 + 0,23 (вкл.). Уч.-изд. л. 14,03 + 0,16 (вкл.). Тираж 600 экз. Заказ 11.

Издатель и полиграфическое исполнение:

Республиканский институт профессионального образования.

Свидетельство о государственной регистрации издателя, 

изготовителя, распространителя печатных изданий ¹ 1/245 от 27.03.2014.

Ул. К. Либкнехта, 32, 220004, Минск. Тел.: 374-41-00, 272-43-88.

Отпечатано в Республиканском институте профессионального образования. Тел. 373-69-45.

ISBN 978-985-503-975-5                                     © Кушнер Д. А., 2020
 
           © Оформление. Республиканский институт

            профессионального образования, 2020

ВВЕДЕНИЕ

Промышленная электроника является частью более общего 

понятия – радиоэлектроника.

Промышленная электроника – отрасль науки и техники, за
нимающаяся изучением принципов устройства, работы и применения различных электронных приборов и устройств в разных отраслях промышленности и обслуживанием этих отраслей 
электронными устройствами измерения, контроля, управления, 
преобразования электрической энергии, а также электронными 
технологическими установками.

История промышленной электроники – это история про
мышленного развития. Люди постоянно пытались уменьшить 
бремя физических нагрузок рабочего, используя энергию разнообразных машин. Эволюционное развитие привело в середине 
XVIII в. к промышленной революции в Англии, когда повышение производительности труда стало необходимостью и для вращения и привода машин вместо энергии воды стали использовать энергию паровых двигателей. 

В начале XX в. изобретение электродвигателей способство
вало электрификации производства, которая привела к замене 
энергии пара и воды электроэнергией и вывела производительность труда на следующий уровень. Фабрики выросли в размерах, стали возможны более жесткие технологические допуски при 
изготовлении продукции, а применение сборочного конвейера 
(например, конвейера Г. Форда по сборке легковых автомобилей) 
для массового производства еще более увеличило производительность труда.

Ручная обработка была заменена машинной, уменьшились 

прямые контакты рабочих с производимыми товарами, а точность машины дополнила умение мастера.

Введение

Хронология событий и изобретений, которые позволили пе
рейти от ручного труда и управляемых вручную машин к автоматизированным промышленным системам, приведена в таблице.

Знаковые события, повлиявшие на развитие 

промышленной электроники

Год
Событие, изобретение

1801
Жозеф Мари Жаккар изобрел ткацкую машину, управление 
которой осуществлялось посредством перфорированных карт

1834

Чарлз Бэббидж занимался разработкой программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической, 
прообраза современного компьютера (все его разработки не 
были завершены)

1898

Никола Тесла впервые продемонстрировал лодку на дистанционном управлении. С помощью радиоволн сигналы передавали 
на винт, руль и габаритные огни судна. Лодка могла двигаться 
вперед, назад и выполнять достаточно сложные маневры. Современники-биографы считают Н. Теслу «человеком, который 
изобрел XX век»

1904

Джон Амброз Флеминг изобрел выпрямитель на двухэлектродной электронной лампе, который он назвал осцилляторным 
вентилем (вакуумный диод для преобразования переменного 
тока в постоянный)

1907
Ли де Форест запатентовал вакуумный триод – усилительную 
электронную лампу, прообраз современного транзистора

1860– 
1920

Вторая промышленная революция (технологическая революция). За этот период объем промышленного производства вырос в 33 раза при увеличении человеческих трудовых ресурсов 
только в 7 раз. Рабочих заменили промышленные машины

1928
Электронные лампы стали использовать для управления двигателями постоянного тока

1938

Вальтер Герман Шоттки сформулировал теорию, получившую название «эффект Шоттки» (сейчас используют в диодах 
Шоттки)

1941
Появился первый промышленный двигатель переменного тока 
с регулируемой скоростью вращения

1946

Представлена первая универсальная электронная цифровая 
вычислительная машина ЭНИАК, разрабатывавшаяся секретно с 1943 г.

1950
Уильям Брэдфорд Шокли создал теорию p–n-перехода и плоскостного транзистора

Введение

Год
Событие, изобретение

1953

Дэрил Чапин, Келвин Фуллер и Джеральд Пирсон изготовили первые в мире кристаллические кремниевые фотоэлементы. 
Каждый из этих элементов имел площадь активной поверхности около 2 см2

1954
Джордж Чарльз Девол разработал первый в мире программируемый робот-манипулятор для погрузочно-разгрузочных работ

1957
Появился первый промышленный полупроводниковый привод 
двигателя с регулируемой частотой вращения

1958
Компания «Kearney & Trecker» выпустила первый многоцелевой 
обрабатывающий центр, управляемый встроенным компьютером

1968
Ричард Морли разработал первый в мире программируемый 
логический контроллер Modicon 084 (4 Кбайт памяти)

1969
Компания «Molins Machine» в Англии применила компьютеры 
для управления производственными процессами

1971

Тед Хофф совместно с Федерико Фаджином и Масатоси Сима 
разработали первый коммерческий однокристальный микропроцессор Intel 4004

1973

Ричард Хон по заказу компании «Cincinnati Milacron Corporation» 
создал T3 (The Tommorow Tool – инструмент будущего) – управляемый мини-ЭВМ промышленный робот

1974

Компания ABB (Asea Brown Boveri Ltd.) создала и запустила в 
производство один из первых промышленных роботов с микроконтроллерным управлением

1977
Компания «Apple Computer» представила первый серийно выпускавшийся компьютер Apple II

1984
Компания «Adept» представила на рынке новый тип роботов на 
SCARA-механике с применением электродвигателей

1995

Фирма «Intel» представила микропроцессор шестого поколения, получивший название Pentium Pro с собственной синхронной 64-разрядной шиной

1998
Программируемые логические контроллеры tag based начали 
приспосабливать к промышленному применению

2000

Начало активного использования промышленных сетей, таких как DeviceNet, ControlNet, Fieldbus Foundation, Profibus и 
Ethernet/IP

2001

Активное внедрение беспроводных промышленных сетей 
IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.4 (ZigBee, ISA-100.11.a и 
WirelessHART), IEEE 802.16 (WiMax)

Продолжение таблицы

Введение

Год
Событие, изобретение

2007
Джеффри Хинтон в университете Торонто создал алгоритмы 
глубокого обучения искусственных нейронных сетей

2015

Активные разработки крупных мировых компаний по внедрению искусственного интеллекта в промышленное производство в целях создания полностью автоматизированного производства: от закупки сырья и набора сотрудников до логистики 
готовой продукции

Обзор почти 200-летней истории изобретений, открытий и 

разработок позволяет сделать следующие выводы:

1) промышленное управление развивается на протяжении 

длительного времени;

2) современный уровень развития промышленного управле
ния и автоматизации был достигнут благодаря изобретениям и 
разработкам в области электроники и вычислительной техники;

3) потребность в инженерах и техниках, обладающих знания
ми в области промышленной электроники, существует в течение 
уже более чем 50 лет и будет существовать в будущем.

В настоящее время одной из основных проблем радио
электроники является требование увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими 
электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии.

Данную проблему можно решить путем:
• создания полупроводниковых интегральных схем, обеспе
чивающих время переключения до 10–11 с;

• увеличения степени интеграции на одном кристалле до 

1 млн транзисторов размером менее 7 нм на основе использования нанотехнологий, а в перспективе – и молекулярной 
электроники;

• использования в интегральных схемах устройств оптической 

связи, оптоэлектронных преобразователей, сверхпроводников;

• разработки запоминающих устройств объемом до несколь
ких терабайт на одном кристалле;

• применения лазерной и электронно-лучевой коммутации;
• расширения функциональных возможностей интегральных 

схем (например, переход от микропроцессора к мини-ЭВМ на 
одном кристалле);

Окончание таблицы

Введение

• перехода от двумерной (планарной) технологии интеграль
ных схем к трехмерной (объемной) и использования сочетания 
различных свойств твердого тела в одном устройстве;

• создания электронных приборов, работающих в диапазоне 

миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также 
приборов для линий оптической связи;

• разработки мощных, с высоким КПД, приборов сверхвы
соких частот (СВЧ) и лазеров для энергетического воздействия 
на вещество и направленной передачи энергии.

ГЛАВА 1. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. РЕЗИСТОРЫ

Резистор (от лат. resisto – сопротивляюсь) является одним 

из самых распространенных элементов электронных устройств. 
Резисторы используют в качестве нагрузочных и токоограничительных элементов, добавочных сопротивлений и шунтов, делителей напряжения. Резисторы обеспечивают режимы работы 
усилительных и генераторных приборов и позволяют погасить 
излишек питающего напряжения. Различные типы резисторов 
приведены на рисунке 1 (вклейка).

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры 

и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы 
классифицируют по назначению, виду вольт-амперной характеристики, способам защиты и монтажа, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.

В зависимости от н а з н а ч е н и я  различают постоянные и 

переменные резисторы (рис. 1.1).

Наибольшее распространение имеют постоянные резисто
ры общего назначения, которые используют практически во всех 
видах электронной аппаратуры и блоках питания. Номинальные значения таких резисторов находятся в пределах от 1 Ом 
до 10 МОм, а номинальные мощности составляют 0,125–100 Вт. 
Класс точности резисторов общего назначения – 2, 5, 10 или 
20 % номинала.

Кроме того, применяют постоянные резисторы специального 

назначения. К ним относят, например, прецизионные (особо точные) резисторы, которые используют в основном в измеритель

1.1. Резисторы

ных приборах в качестве шунтов. Допуск этих резисторов составляет от ±0,001 до 1 %. Они отличаются высокой стабильностью.

 

Резисторы 

Постоянные 

Общего 
назначения 

Специального 
назначения 

Прецизионные 

Высокочастотные 

Высоковольтные 

Высокомегаомные 

Переменные 

Подстроечные 

Регулировочные 

С линейной 
функциональной 
характеристикой 

С нелинейной 
функциональной 
характеристикой 

Рис. 1.1. Классификация резисторов по назначению

Высокочастотные резисторы также являются резисторами 

специального назначения. Они отличаются низкой собственной 
индуктивностью и предназначены для работы в высокочастотных узлах. Кроме того, имеются и другие виды постоянных резисторов.

Высоковольтные резисторы рассчитаны на большие рабочие 

напряжения (от единиц до десятков киловольт). Применяют их в 
качестве делителей напряжения, искрогасителей, поглотителей, в 
зарядных и разрядных высоковольтных цепях и т. п. 

Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных 

сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом и рассчитаны на небольшие рабочие напряжения (100–400 В). Поэтому 
они работают в ненагруженном режиме с малой мощностью рассеяния (менее 0,5 Вт). Высокомегаомные резисторы применяют в 
электрических цепях с малыми токами, приборах ночного видения, дозиметрах и в измерительной аппаратуре.

Переменные резисторы подразделяют на подстроечные и ре
гулировочные. 

Подстроечные резисторы впаивают в схему, и при наладке их 

сопротивление подстраивают с помощью регулятора. На лицевую 
панель аппаратуры регуляторы подстроечных резисторов не вы

Глава 1. Пассивные элементы электронных устройств 

водят. Износоустойчивость подстроечных резисторов составляет 
до 1000 циклов.

Регуляторы регулировочных резисторов выводят на лицевую 

панель. Они служат для регулировки параметров в процессе эксплуатации. Такие резисторы обеспечивают до 5000 циклов перестройки.

По в и д у  з а в и с и м о с т и  номинального сопротивления 

регулировочного резистора от смещения его подвижной системы 
различают резисторы с пропорциональным и непропорциональным (нелинейным) законами регулирования сопротивления.

Резисторы классифицируют также и по другим параметрам.
По с п о с о б у  з а щ и т ы  о т  в л а г и  резисторы можно раз
делить на незащищенные, лакированные, компаундированные, 
впрессованные в пластмассу, герметизированные и вакуумные.

По с п о с о б у  м о н т а ж а  выделяют резисторы: 
• для печатного монтажа;
• навесного монтажа;
• микросхем и микромодулей.
По в и д у  в о л ь т - а м п е р н о й  х а р а к т е р и с т и к и  рези
сторы разделяют на линейные и нелинейные.

Основные параметры резисторов

Номинальная мощность рассеяния (Рном) – мощность, кото
рую резистор может рассеивать при непрерывной нагрузке, номинальных давлении и температуре. В электронной аппаратуре 
чаще всего используют непроволочные резисторы с номинальной 
мощностью 0,125; 0,25; 0,5; 1 и 2 Вт. Мощность резистора определяют по формуле 

Р = U2/R, 

где U – напряжение на резисторе, В; R – сопротивление резистора, Ом.

С учетом возможного повышения температуры резисторы 

выбирают с номинальной мощностью на 20–30 % больше расчетной. Численное значение мощности обычно входит в обозначение резистора, например МЛТ-1, где Рном = 1 Вт. Как правило, 
на корпусах непроволочных резисторов приводят мощность при 
Рном > 2 Вт.

Максимальное напряжение (Umax) – наибольшее напряже
ние (постоянное или действующее переменное), которое может