Физические основы электроники

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
 
 
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
621.38 
Г22 
 
 
В.Р. Гасияров, А.С. Маклаков, А.А. Радионов  
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
Челябинск 
2019 
 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  
Южно-Уральский государственный университет 
Кафедра «Мехатроника и автоматизация» 
 
 
621.38 
Г22 
 
 
 
 
 
В.Р. Гасияров, А.С. Маклаков, А.А. Радионов 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ  
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Челябинск 
Издательский центр ЮУрГУ 
2019 
 

УДК 621.38 
        Г22 
 
Одобрено 
Научно-методическим советом 
Южно-Уральского государственного университета  
(национального исследовательского университета) 
 
 
Рецензенты: 
Сарваров Анвар Сабулханович, д.т.н., 
профессор кафедры автоматизированного привода и мехатроники, 
Магнитогорского государственного университета имени Г.И. 
Носова 
 
Белый Алексей Владимироваич, к.т.н.  
кафедры автоматизации и электроснабжения 
Национального исследовательского московского государственного 
университета 
 
Гасияров, В.Р. 
Г22 
Физические основы электроники: учебное пособие / В.Р. Гасияров, А.С. Маклаков, А.А. Радионов – Челябинск: Издательский 
центр ЮУрГУ, 2019. – 110 с. 
 
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлениям подготовки “Электротехника 
и 
электроэнергетика”, 
“Автоматизация 
технологических 
процессов и производств” и “Мехатроника и робототехника”. 
В пособии рассмотрены физическая сущность, основы теории, 
принцип действия, технические показатели и области применения 
полупроводниковых 
приборов. 
Представлены 
схемотехнические 
решения источников питания основные схемы включения биполярного 
и полевого транзисторов.  
Может быть полезна для инженерно-технических работников, 
занимающихся проектированием наладкой и эксплуатацией устройств 
промышленной электроники. 
 
УДК 621.38 
 
 
ISBN 978-5-696-05072-0  
      © Издательский центр ЮУрГУ, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие 
..................................................................................................... 5 
Введение ........................................................................................................... 6 
Глава 1. Пассивные компоненты электронных устройств……………….7 
1.1. Резисторы 
1.1.1. Классификация, система условных обозначений и основные параметры резисторов ................................................................................... 7 
1.1.2. Параллельное и последовательное соединение резисторов. Делители напряжения 
................................................................................... 13 
1.2. Конденсаторы 
1.2.1. Классификация, система условных обозначений и основные               
параметры конденсаторов ....................................................................... 16 
1.2.2. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов 
20 
1.3. Катушки индуктивности и трансформаторы .......................................... 21 
1.4. Полупроводниковые компоненты 
........................................................... 24 
1.4.1. Структура и свойства электронно-дырочного перехода .............. 24 
1.4.2. Классификация полупроводниковых компонентов....................... 29 
1.4.3. Полупроводниковые диоды, стабилитроны 
.................................. 29 
Контрольные вопросы и упражнения ............................................................ 35 
Глава 2. Источники питания электронных устройств…………………….37 
2.1. Структура источника питания ................................................................. 37 
2.2. Схемы выпрямления переменного тока ................................................ 37 
2.2.1. Однополупериодный выпрямитель ............................................... 38 
2.2.2. Двухполупериодные выпрямители ................................................ 41 
2.2.3. Двухполярные мостовые выпрямители с общей точкой 
.............. 43 
2.3. Стабилизаторы напряжения ................................................................... 45 
2.3.1. Параметрический стабилизатор .................................................... 45 
2.3.2. Интегральные стабилизаторы напряжения .................................. 47 
Контрольные вопросы и упражнения ............................................................ 50 
Глава 3. Биполярный транзистор и его основные схемы включения 
3.1. Классификация транзисторов................................................................. 51 
3.2. Биполярные транзисторы ....................................................................... 51 
3.3. Схемы включения биполярного транзистора ........................................ 57 
3.3.1. Схема с общим эмиттером 
............................................................. 57 
3.3.2. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) 
............ 72 
3.3.3. Схема с общей базой...................................................................... 74 
Контрольные вопросы и упражнения ............................................................ 75 
Глава 4. Полевой транзистор и его основные схемы включения 
4.1. Полевые транзисторы ............................................................................. 76 
4.2. Схемы включения полевых транзисторов ............................................. 80 
4.2.1. Схема с общим истоком ................................................................. 80 
4.2.2. Схема с общим стоком (истоковый повторитель) ........................ 84 
4.2.3. Стабилизатор тока .......................................................................... 85 
4.2.4. Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах ......... 86 

4.2.5. Полевой транзистор в качестве управляемого сопротивления .. 87 
Контрольные вопросы и упражнения ............................................................ 88 
Глава 5. Силовые полупроводниковые приборы………………………...90 
5.1. Силовые транзисторы ............................................................................. 90 
5.1.1. Транзисторы со статической индукцией........................................ 90 
5.1.2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором 
................ 91 
5.2. Тиристоры, симисторы 
............................................................................ 95 
5.3. Запираемые тиристоры 
........................................................................... 98 
5.3.1. GTO тиристоры ............................................................................... 98 
5.3.2. GCT тиристоры 
.............................................................................. 101 
5.4. Сравнительные характеристики современных силовых                                    
полупроводниковых приборов ..................................................................... 102 
Контрольные вопросы и упражнения .......................................................... 103 
Глава 6. Оптоэлектронные приборы 
6.1. Индикаторные приборы ........................................................................ 104 
6.1.1. Электронно-лучевые индикаторы 
................................................ 104 
6.1.2. Полупроводниковые индикаторы 
................................................. 105 
6.1.3. Жидкокристаллические индикаторы 
............................................ 107 
6.2. Фотоэлектрические приборы ................................................................ 108 
Контрольные вопросы и упражнения .......................................................... 109 
Библиографический список ......................................................................... 110 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие разработано в 
соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования Российской Федерации для 
студентов Южно-Уральского государственного университета направлений 
подготовки бакалавров 13.03.02 “Электротехника и электроэнергетика”, 
15.03.04 “Автоматизация технологических процессов и производств” и 
15.03.06 “Мехатроника и робототехника”. 
Поскольку учебное пособие написано в виде конспекта лекций, материал изложен в объеме, позволяющем рассматривать его в течение 32 
лекционных часов. 
Материал лекций разбит на шесть глав. В первой главе рассмотрены 
пассивные компоненты электронных устройств – резисторы, конденсаторы, 
катушки индуктивности, трансформаторы, диоды и стабилитроны. Во второй главе, рассматриваются источники питания электронных устройств: 
схемы выпрямления, способы стабилизации выпрямленного напряжения. В 
третьей главе рассмотрены физическая сущность биполярного транзистора 
и основные схемы его включения. Четвертая глава посвящена описанию 
полевых транзисторов. В пятой главе рассматриваются силовые полупроводниковые приборы – силовые транзисторы и тиристоры. Шестая глава 
посвящена рассмотрению оптоэлектронных приборов.  
Вопросы курса изложены с учетом наличия знаний у студентов дисциплин ”Теоретические основы электротехники”, “Физика”, ”Математика” – в 
объеме, изучаемом в техническом вузе. 
Лекции не содержат ссылок на литературу, однако все литературные 
источники, которые авторы использовали при написании пособия, приведены в конце книги. Поэтому при возникновении каких-либо вопросов в 
процессе изучения курса студентам необходимо пользоваться указанной 
литературой. 
Авторы надеются, что настоящее учебное пособие окажет достойную 
помощь студентам при изучении соответствующего курса, а также будет 
полезно в их дальнейшей профессиональной деятельности. 
Понимая, что материал пособия может быть изложен в более доступной и наглядной форме, авторы с благодарностью примут все замечания 
по его содержанию, которые следует направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ЮУрГУ (НИУ), кафедра “Мехатроника и автоматизация”). 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Современные средства промышленной автоматизации являются 
сложными техническими объектами, имеющими в своем составе большое 
многообразие устройств, в том числе и электронных. Направление науки, 
занимающееся развитием электронных устройств в промышленности, носит название промышленной электроники. В промышленную электронику 
входят: 
- информационная электроника, занимающаяся вопросами сбора, передачи, хранения и обработки информации для управления производственными 
процессами; 
- энергетическая электроника (преобразовательная техника), занимающаяся вопросами преобразования переменного тока в постоянный, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты и др.; 
- технологическая электроника, разрабатывающая методы осуществления 
или совершенствования тех или иных технологических процессов (высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковая очистка и т.д.). 
Промышленная электроника непрерывно развивается как по пути совершенствования компонентов, так и по пути совершенствования схемных 
решений электронных устройств. Элементная база электроники прошла 
несколько этапов развития: от радиоламп до микропроцессоров. 
Бурное развитие промышленной электроники началось в начале ХХ 
века, когда создание разнообразных типов электровакуумных приборов 
предопределило развитие радиосвязи, телевидения, измерительной техники. Эти успехи позволили в то время широко внедрять электронные приборы и устройства в промышленность. Однако для построения сложных электронных устройств требовалось большое количество радиоламп, что сильно сокращало время их безотказной работы. Так, при сроке службы одной 
лампы около 500 часов, устройство, состоящее из 2000 ламп, могло безотказно проработать не более 15 минут.  
Указанные недостатки электронных ламп были преодолены созданием 
электронных приборов с новым принципом действия, основанных на использовании свойств полупроводников (диоды, транзисторы, тиристоры и 
т.д.). Применение полупроводниковых приборов в промышленной электронике определялось такими их достоинствами, как долговечность, высокий 
к.п.д., небольшие габариты и масса. 
Дальнейшая растущая сложность схем потребовала развития технологии создания их элементов. Так появились интегральные схемы, объединяющие некоторое количество элементов на одном кристалле, т.е. позволяющие исключать внешние соединения между отдельными элементами. 
Сегодняшний этап развития электроники характеризуется появлением 
интегральных микросхем большой степени интеграции (свыше 1 млн. элементов на кристалле). 
В последние десятилетия возникло и быстро развивается новое 
направление электроники – цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли и в 
область электропривода. С помощью программных методов получены такие результаты, которые ранее были достижимы только сложными аппаратными средствами.  

Глава 1 
ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 
Любое электронное устройство состоит из электрических цепей. Электрическая цепь представляет собой множество компонентов, которые в 
общем случае можно разделить на два класса, а именно: на активные и 
пассивные. 
Под активными компонентами понимают те компоненты, при прохождении которых электрические сигналы усиливаются, ослабляются, меняют 
форму (транзисторы, операционные усилители и т.д.).  Кроме активных 
компонентов электронные устройства содержат большое количество пассивных компонентов, к которым относятся резисторы, конденсаторы, 
катушки индуктивности, трансформаторы, диоды и стабилитроны. 
Рассмотрим последовательно их основные характеристики. 
1.1. Резисторы 
} 1 см
Рис. 1.1. Резисторы
1.1.1. Классификация, система условных обозначений и основные 
параметры резисторов 
Наиболее распространенными компонентами электронной аппаратуры 
являются резисторы (рис.1.1). 
Все многообразие выпускаемых в настоящее время резисторов можно 
классифицировать по характеру изменения сопротивления, назначению и 
материалу резистивного элемента (рис. 1.2).  
Резисторы общего назначения выпускают в диапазоне номиналов в 1 - 10 Ом, 
номинальной 
мощностью 0,062 - 100 Вт. 
Высокочастотные резисторы имеют малые 
собственные емкости и 
индуктивности. Сопротивление высокоомных 
резисторов, 
предназначенных для работы с напряжением 100 - 400 В, достигает сотен ТОм 
(1012). Высоковольтные резисторы могут выполняться сопротивлением до 
1011 Ом и на рабочее напряжение в десятки кВ. Прецизионные резисторы 
обладают повышенной точностью - допуск 0,001 - 1 %, стабильностью и 
выпускаются номиналом в 0,1 - 10 МОм, номинальной мощностью до 2 Вт. 
Переменные подстроечные резисторы рассчитаны на проведение 
подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а переменные регулировочные - для проведения многократных регулировок (до 5000 циклов 
перемещения подвижной части). 

В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяют на проволочные, непроволочные и металлофольговые (проводящий элемент выполнен из фольги, 
нанесенной на непроводящие основания). 
РЕЗИСТОРЫ
По способу
монт аж а
По назначению
По характ еру
изменения
сопрот ивления
По мат ериалу
резест ивного
элемент а
планарные
Высокоомные
Прецизионные
Пост оянные
Проволочные
Переменные
регулируемые
Высоковольт ные
Переменные
подст роечные
Непроволочные
Высокочаст от ные
Общего назначения
с уст ановкой выводов в от верст ие
Мет аллофольговые
 
Рис. 1.2. Классификация резисторов 
 
По способу монтажа различают резисторы с установкой выводов в отверстие и планарные (SMD – резисторы), предназначенные для поверхностного монтажа. 
В настоящее время резисторы могут маркироваться как в соответствии с буквенно-цифровой системой условных обозначений, так и в соответствии с цветовой системой условных обозначений. 
В первом случае на резистор наносится буквенно-цифровая маркировка, которая содержит информацию о номинальной мощности, номинальном сопротивлении, допуске и даты изготовления. Система условных 
обозначений предусматривает как полные, так и сокращенные условные 
обозначения. Полное обозначение обычно используется в технической 
документации и, например, имеет вид: Р1-33И-0, 25 Вт-100 кОм ±2% А 
0.467.027.ТУ. Оно состоит из сокращенного обозначения (Р1-33И), обозначений и величин основных параметров и характеристик (25 Вт-100 кОм ±2% 
А), где А - группа по уровню шумов, и обозначений документа на поставку 
(0.467.027.ТУ). Сокращенное условное обозначение состоит из трех элементов: первый - буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резистора (Р - постоянные резисторы; РП - переменные резисторы; НР - наборы 
резисторов); второй - цифра (1 - для непроволочных резисторов; 2 - для 
проволочных резисторов); третий - цифра, обозначающая регистрационный 
номер каждого типа. 
Во втором случае на корпус резистора наносятся до пяти разноцветных полосок (рис.1.3). Первые три полоски и соответствующие им цифры 
обозначают число и множитель величины сопротивления резистора (табл. 

1-я
цифра
Надежност ь
(необязат ельно)
Допуск
2-я
цифра
Множит ель
Рис. 1.3. Цветовая маркировка резисторов
 
1.1), 
четвертая 
полоска 
обозначает допуск. Иногда 
для обозначения других 
параметров 
наносится 
и 
пятая 
полоска 
(так, 
для 
металлопленочных резисторов пятая полоска желтого 
или оранжевого цвета обозначает уровень надежности). 
К основным параметрам резисторов относят: 
1. Номинальное сопротивление, обозначаемое цифрами с указанием 
единицы измерения: Ом (R, Е* или вообще без буквы) - омы; кОм (К) - килоомы; МОм (М) - мегаомы; ГОм (G, Г*) - гигаомы; ТОм (Т) - тераомы. 
Например, 330 Ом, 220 кОм, 6,8 МОм, или 330R, 220К, 6М8 (в этом случае 
буква означает множитель 1, 103, 106, 109, 1012 и определяет положение 
запятой десятичного знака). Номинальное сопротивление резистора должно соответствовать одному из шести рядов (ГОСТ 2825-67, 10318-80): Е6, 
Е12, Е24, Е48, Е96, Е192 (табл. 1.2). Значение сопротивления находят 
умножением или делением на 10n, где n - целое число (положительное 
либо отрицательное) или нуль. 
Таблица 1.1 
Система цветовой маркировки резисторов 
Цвет 
Цифра Множитель Допуск 
Цвет 
Цифра Множитель Допуск 
Серебряный 
 
0,01 Ом 
10 % 
Желтый 
4 
10 кОм 
 
Золотой 
 
0,1 Ом 
5 % 
Зеленый 
5 
100 кОм 
 
Черный 
0 
1 Ом 
 
Голубой 
6 
1 МОм 
 
Коричневый 
1 
10 Ом 
 
Фиолетовый 
7 
10 МОм 
 
Красный 
2 
100 Ом 
2 % 
Серый 
8 
 
 
Оранжевый 
3 
1 кОм 
 
Белый 
9 
 
 
 
Таблица 1.2 
Номинальные сопротивления по рядам 
Ряд 
Числовые коэффициенты 
Е6 
1 
1,5 
2,2 
3,3 
4,7 
6,8 
 
 
 
 
 
 
Е12 
1 
1,2 
1,5 
1,8 
2,2 
2,7 
3,3 
3,9 
4,7 
5,6 
6,8 
8,2 
Е24 
1 
1,1 
1,2 
1,3 
1,5 
1,6 
1,8 
2 
2,2 
2,4 
2,7 
3 
 
3,3 
3,6 
3,9 
4,3 
4,7 
5,1 
5,6 
6,2 
6,8 
7,5 
8,2 
9,1 
 
2. Допускаемые отклонения сопротивлений от номинальных величин. 
Ряд допускаемых отклонений (допусков) также нормализован. Допуски 
указываются в процентах. Для наиболее распространенных допусков используется следующая кодировка: ±30% - N; ±20% - M; ±10% - K; ±5% - I; 
±2% - G; ±1% - F; ±0,5% - D; ±0,25% - C; ±0,1% - B; ±0,05% - X. 
 
*по ГОСТ 13453-68, действовавшему до 1980 г.