La deuxième partie du cours magistral "Electronique Physique" - "Appareils Electroniques" est consacrée aux principes fondamentaux du fonctionnement des appareils électroniques de base sous vide, à l'état solide et au gaz. Le cours comprend des conférences et un atelier de laboratoire.
introduction
Le concept d'appareils électroniques. Séparation des appareils électroniques selon la généralité des processus physiques qui les sous-tendent. Fonctions principales. Classement des appareils électroniques. Le concept de caractéristiques des appareils électroniques.
Section 1. Appareils à vide
1.1. Diodes à vide
La diode est un dispositif non linéaire à deux bornes. Émission d'électrons de la cathode. Distribution de potentiel dans une diode plate. CVC d'une diode à vide idéale. Loi de degré 3/2. Obtention d'une loi de degré 3/2 à partir d'un système d'équations hydrodynamiques. Obtention d'une loi de degré 3/2 par la méthode d'analyse dimensionnelle. CVC d'une vraie diode. Paramètres de la diode - résistance interne, pente caractéristique, gain. Courant de saturation. Ligne de charge. Dissipation de puissance à l'anode. Paramètres de mode maximum autorisés.
1.2. Lampes électroniques avec maille.
Répartition du potentiel et du champ électrique dans une triode. Commande de courant dans une triode.
diode équivalente. Tension de fonctionnement. Loi du 3/2 degré pour une triode. Perméabilité directe et inverse.
Familles de caractéristiques anode statique et anode-grille. Paramètres de triode. L'équation interne de la lampe. Famille de caractéristiques réelles. effet d'île. Courants de réseau à tension de réseau positive et négative. Coefficient de répartition actuel. Caractéristiques du réseau.
Caractéristiques dynamiques et paramètres de la triode. capacités interélectrodes. Puissance maximale autorisée. Modes de fonctionnement triode. Cascade amplificatrice. Schéma avec décalage automatique.
Inconvénients des triodes Lampes multifilaments. Effet dinatron. Tétrode de faisceau. Fonctionnement de la tétrode. Pentode. Mode de fonctionnement des pentodes. Régimes d'insertion. Circuits équivalents de triodes et de tubes multigrilles.
1.3. Dispositifs à faisceau d'électrons.
Le dispositif du tube à rayons cathodiques. Projecteur électronique. Systèmes de focalisation électrostatique. Systèmes de focalisation magnétostatiques. Systèmes de rejet. Sensibilité statique des tubes cathodiques. Distorsion de l'image. Analyse. Observation des tensions alternatives avec un oscilloscope. Moniteur CRT.
1.4. Eléments de microélectronique sous vide.
Émission autoélectronique. Le passage des électrons à travers une barrière de potentiel. Loi de Fowler-Nordheim. droites de Fowler-Nordheim. Cathodes à émission de champ à couches minces, leur fabrication. Détermination expérimentale de leurs principaux paramètres. Construction d'une microdiode à vide. Microtriode comme élément d'un circuit amplificateur. Microscope à effet tunnel. MAC. Autres applications de l'émission de champ.
Section 2. Dispositifs semi-conducteurs.
2.1. diodes semi-conductrices.
Types de semi-conducteurs. Diagrammes de zones. Courants de diffusion et de dérive. transition p-n.
Distribution de la concentration des porteurs de charge. CVC d'une diode idéale. Formule de Shockley. Courant thermique.
CVC d'une diode réelle (courant de recombinaison, effet de résistance de base, courant de génération, courant de fuite).
Jonction p-n capacitive. Rupture de la jonction p-n. Influence de la température sur le CVC de la diode.
Mode de fonctionnement de la diode.
Utilisation de diodes semi-conductrices pour redresser le courant alternatif.
Processus transitoires dans la jonction p-n ; utilisant des diodes comme interrupteurs.
Diodes tunnel et inversées.
2.2. Transistors.
2.2.1. transistors bipolaires. Dispositif et principe de fonctionnement. La structure du transistor. Courants et distributions des porteurs. Modes de fonctionnement. Régimes d'insertion. Paramètres physiques des transistors. Caractéristiques statiques. Fonctionnement transistor à hautes fréquences. Le fonctionnement des transistors en mode pulsé (clé). Conversion de fréquence par des dispositifs semi-conducteurs.
2.2.2. Transistors à effet de champ. Appareil, principe de fonctionnement. Contrôle statique et caractéristiques de sortie. Paramètres. Régimes d'insertion. Circuits de puissance à transistors.
2.2.3. MOSFET. Principe général de travail. Caractéristiques statiques.
2.3. des amplificateurs opérationnels.
Le principe de fonctionnement du système d'exploitation. Modèle linéaire du système d'exploitation. Principaux paramètres et caractéristiques. Amplificateur opérationnel idéal.
Ici, vous allez à la théière dans la joie avec l'idée de faire éclater une tasse de thé avec un bagel en l'honneur de l'appareil nouvellement assemblé, mais il a soudainement cessé de fonctionner. En même temps, il n'y a pas de raisons visibles : les condensateurs sont intacts, les transistors ne semblent pas fumer, les diodes aussi. Mais l'appareil ne fonctionne pas. Comment être? Vous pouvez utiliser cet algorithme de dépannage simple :
Montage "morve"
"Snot" sont de petites gouttes de soudure qui créent un court-circuit entre deux pistes différentes sur un PCB. Lors de l'assemblage à domicile, de telles gouttes de soudure désagréables entraînent le fait que l'appareil ne démarre tout simplement pas, ou ne fonctionne pas correctement, ou, pire encore, que des pièces coûteuses brûlent immédiatement après avoir été allumées.
Afin d'éviter de telles conséquences désagréables, avant d'allumer l'appareil assemblé, vous devez vérifier soigneusement la carte de circuit imprimé pour les courts-circuits entre les pistes.
Instruments pour le diagnostic des appareils
L'ensemble minimum d'appareils pour le réglage et la réparation des structures de radio amateur se compose d'un multimètre et. Dans certains cas, vous pouvez vous débrouiller avec un simple multimètre. Mais pour un débogage plus pratique des appareils, il est toujours souhaitable d'avoir un oscilloscope.
Pour les appareils simples, un tel ensemble suffit pour les yeux. En ce qui concerne, par exemple, le débogage de divers amplificateurs, afin de les configurer correctement, il est également souhaitable de disposer d'un générateur de signaux.
Une bonne nutrition est la clé du succès
Avant de tirer des conclusions et des performances des pièces incluses dans la conception de votre radio amateur, vous devez vérifier si l'alimentation est correctement fournie. Parfois, il s'avère que le problème était dans le mauvais régime alimentaire. Si vous commencez à vérifier l'appareil avec son alimentation, vous pouvez gagner beaucoup de temps sur le débogage si la raison y était.
Test de diodes
S'il y a des diodes dans le circuit, elles doivent être soigneusement vérifiées une par une. S'ils sont extérieurement intacts, vous devez dessouder une sortie de la diode et la vérifier avec un multimètre allumé en mode de mesure de résistance. De plus, si la polarité des bornes du multimètre coïncide avec la polarité des fils de diode (+ borne à l'anode et - borne à la cathode), alors le multimètre affichera environ 500-600 Ohms, et dans la connexion inverse (borne - à l'anode et borne + à la cathode) ne montrera rien du tout, comme s'il y avait une coupure. Si le multimètre affiche autre chose, il est fort probable que la diode soit en panne et inutilisable.
Vérification des condensateurs et des résistances
Les résistances brûlées peuvent être vues immédiatement - elles deviennent noires. Par conséquent, trouver une résistance grillée est assez facile. Quant aux condensateurs, leur vérification est plus difficile. Tout d'abord, comme dans le cas des résistances, vous devez les inspecter. S'ils ne suscitent pas de suspicion extérieurement, ils doivent être dessoudés et vérifiés avec un compteur LRC. Les condensateurs électrolytiques échouent généralement. Cependant, ils gonflent lorsqu'ils sont brûlés. Une autre raison de leur échec est le temps. Par conséquent, dans les appareils plus anciens, tous les condensateurs électrolytiques sont souvent remplacés.
Vérification des transistors
Les transistors sont testés de la même manière que les diodes. Tout d'abord, un examen externe est effectué et s'il ne suscite pas de suspicion, le transistor est vérifié avec un multimètre. Seules les bornes du multimètre sont connectées tour à tour entre la base-collecteur, la base-émetteur et le collecteur-émetteur. Soit dit en passant, les transistors ont un dysfonctionnement intéressant. Lors de la vérification, le transistor est normal, mais lorsqu'il est inclus dans le circuit et qu'il est alimenté, le circuit cesse de fonctionner au bout d'un moment. Il s'avère que le transistor a chauffé et se comporte comme un transistor cassé lorsqu'il est chauffé. Un tel transistor doit être remplacé.
Les appareils électroniques, qui constituent la base de l'électronique, peuvent être classés selon deux critères :
Selon le principe du travail;
Par fonctionnalité.
Selon le principe du travail les appareils électroniques peuvent être divisés en quatre classes :
1. Appareils électroniques – le flux d'électrons se déplace entre les électrodes, qui sont dans un vide poussé, c'est-à-dire dans un environnement d'un gaz tellement raréfié que les électrons en mouvement ne subissent pas de collisions avec des particules de gaz.
2. Appareils à décharge de gaz - le mouvement des électrons dans l'espace interélectrodes se produit dans des conditions de collision avec des particules de gaz (avec des molécules et des atomes), ce qui, dans certaines conditions, conduit à l'ionisation du gaz, ce qui modifie considérablement les propriétés de l'appareil. De tels appareils sont appelés ionique.
3. Appareils électrochimiques - le principe de fonctionnement est basé sur les phénomènes liés à l'origine du courant électrique dans les corps liquides à conductivité ionique. De tels dispositifs fonctionnent sur la base de phénomènes étudiés par l'électrochimie et l'électronique - chimiotronique.
4. Semi-conducteurs - le principe de fonctionnement est basé sur des phénomènes électroniques dans des substances à structure cristalline, caractérisées par une disposition régulière et ordonnée des atomes dans l'espace. Les atomes interconnectés sont disposés de manière strictement définie, ce qui forme réseau cristallin corps solide.
Par fonction les appareils électroniques peuvent être divisés en trois groupes :
1. Convertisseurs électriques - ce sont des appareils dans lesquels l'énergie électrique d'un type (par exemple, le courant continu) est convertie en énergie électrique d'un autre type (par exemple, le courant alternatif de différentes formes). Il s'agit notamment des dispositifs de redressement, d'amplification, de commutation, de stabilisation, etc.
2. Éclairage électrique sont des dispositifs dans lesquels l'énergie électrique est convertie en énergie optique. Il s'agit notamment des indicateurs lumineux électroniques, CRT, indicateurs de signalisation, lasers, incl. diodes électroluminescentes, etc.
3. photovoltaïque sont des dispositifs dans lesquels l'énergie du rayonnement lumineux est convertie en énergie électrique. Ce sont des photocellules, des photodiodes, des phototransistors, des caméras vidéo, etc.
Le point commun à tous les appareils électroniques est qu'ils convertissent des énergies de différents types, de sorte que les appareils qui présentent des différences significatives en principe, sont utilisés dans le même but fonctionnel, c'est-à-dire dans le même but et ont des propriétés similaires.
Électronique.
Cours magistral.
Introduction.
Le rythme du développement dans de nombreux domaines de la science et de la technologie est largement associé au développement de l'électronique. À l'heure actuelle, il est impossible de trouver une branche de l'industrie qui n'utilise pas d'appareils électroniques ou d'appareils électroniques d'automatisation, de calcul ou de mesure.
Dans chacune des nombreuses branches de la technologie moderne, l'électronique donne une impulsion à une étape de développement qualitativement nouvelle, produit une véritable révolution technique.
L'électronique comme science(Communément appelé électronique physique) est engagé dans l'étude des phénomènes et processus électroniques associés à une modification de la concentration et du mouvement des particules chargées dans divers milieux (dans le vide, les gaz, les liquides, les solides) sous l'influence de diverses conditions (température, pression, électriques et magnétiques champs, rayonnements de divers types, y compris th. et lumière).
La tâche de l'électronique en tant que branche de la technologie ( électronique technique) - développement, production et exploitation d'appareils, d'appareils et de systèmes électroniques à des fins diverses.
L'efficacité de la technologie électronique est due à la vitesse élevée, à la précision et à la sensibilité de ses éléments constitutifs, dont les plus importants sont les appareils électroniques.
À l'aide d'appareils électroniques, il est possible de convertir des types d'énergie non électriques en énergie électrique et vice versa.
Le rôle de l'électronique est exceptionnellement important dans la création de la technologie informatique, y compris les ordinateurs électroniques très efficaces (ordinateurs) et les ordinateurs personnels (PC).
Classement des appareils électroniques.
Les appareils électroniques, qui constituent la base de l'électronique, peuvent être classés selon deux critères :
Selon le principe du travail;
Par fonctionnalité.
Selon le principe du travail les appareils électroniques peuvent être divisés en quatre classes :
1. Appareils électroniques – le flux d'électrons se déplace entre les électrodes, qui sont dans un vide poussé, c'est-à-dire dans un environnement d'un gaz tellement raréfié que les électrons en mouvement ne subissent pas de collisions avec des particules de gaz.
2. Appareils à décharge de gaz - le mouvement des électrons dans l'espace interélectrodes se produit dans des conditions de collision avec des particules de gaz (avec des molécules et des atomes), ce qui, dans certaines conditions, conduit à l'ionisation du gaz, ce qui modifie considérablement les propriétés de l'appareil. De tels appareils sont appelés ionique.
3. Appareils électrochimiques - le principe de fonctionnement est basé sur les phénomènes liés à l'origine du courant électrique dans les corps liquides à conductivité ionique. De tels dispositifs fonctionnent sur la base de phénomènes étudiés par l'électrochimie et l'électronique - chimiotronique.
4. Semi-conducteurs - le principe de fonctionnement est basé sur des phénomènes électroniques dans des substances à structure cristalline, caractérisées par une disposition régulière et ordonnée des atomes dans l'espace. Les atomes interconnectés sont disposés de manière strictement définie, ce qui forme réseau cristallin corps solide.
Par fonction les appareils électroniques peuvent être divisés en trois groupes :
1. Convertisseurs électriques - ce sont des appareils dans lesquels l'énergie électrique d'un type (par exemple, le courant continu) est convertie en énergie électrique d'un autre type (par exemple, le courant alternatif de différentes formes). Il s'agit notamment des dispositifs de redressement, d'amplification, de commutation, de stabilisation, etc.
2. Éclairage électrique sont des dispositifs dans lesquels l'énergie électrique est convertie en énergie optique. Il s'agit notamment des indicateurs lumineux électroniques, CRT, indicateurs de signalisation, lasers, incl. diodes électroluminescentes, etc.
Le principal indicateur de qualité des appareils électroniques est la fiabilité de leur fonctionnement, qui est déterminée par la fiabilité des pièces et des assemblages individuels.
La fiabilité est comprise comme une propriété d'un système (produit) associée à sa fiabilité, sa durabilité et sa maintenabilité et assurant la performance de fonctions spécifiées.
Fiabilité détermine la propriété du système (produit) à maintenir en permanence l'opérabilité dans certains modes et conditions de fonctionnement.
Durabilité- il s'agit d'une propriété d'un produit ou d'un système pour maintenir l'opérabilité pendant une longue période dans certains modes et conditions de fonctionnement. La durabilité est quantifiée par la ressource technique, qui est la somme des intervalles de disponibilité pour la période de fonctionnement jusqu'à la panne ou autre état limite.
maintenabilité- c'est une propriété d'un produit ou d'un système qui caractérise son aptitude à la prévention, la détection et l'élimination des défaillances.
échec Un tel dysfonctionnement est appelé, sans l'élimination duquel il est impossible pour l'équipement de continuer à remplir tout ou au moins l'une de ses fonctions principales. Les échecs peuvent être complets et partiels (conditionnels), soudains et progressifs, dépendants et indépendants. La signification physique d'une panne soudaine est qu'à la suite d'un changement brusque de n'importe quel paramètre, l'élément de circuit perd les propriétés nécessaires pour assurer un fonctionnement normal. Les pannes complètes incluent les pannes associées à une perte complète de fonctionnement de l'appareil en raison de circuits ouverts ou de courts-circuits de câbles internes ou externes, de la panne d'une jonction PN, etc.
Les causes des pannes soudaines peuvent être des défauts de conception, des défauts de fabrication cachés, la violation des règles de fonctionnement et des influences extérieures qui ne sont pas typiques d'un fonctionnement normal (chocs, vibrations, surchauffe, haute tension, etc.). De telles pannes se produisent le plus souvent pendant la période initiale de fonctionnement.
Les défaillances progressives sont associées à une modification des paramètres des appareils (produits) dans le temps et se manifestent sous la forme de paramètres dépassant les limites établies dans les conditions techniques. Les échecs progressifs sont dus à l'imperfection de la technologie ou à sa violation dans le processus de fabrication des appareils.
La majeure partie des défaillances des dispositifs à semi-conducteurs est due à la détérioration progressive des paramètres, principalement causée par un changement de l'état de la surface des semi-conducteurs. La pénétration d'humidité ou d'oxygène à la surface du cristal entraîne la formation de canaux conducteurs à la surface du semi-conducteur, ce qui peut entraîner une augmentation du courant de jonction inverse et une diminution du coefficient de transfert de courant du transistor. En conséquence, les dispositifs fabriqués à l'aide de la technologie planaire ont une stabilité des paramètres plus élevée, car leur surface semi-conductrice est recouverte d'un film d'oxyde protecteur que les dispositifs fabriqués à l'aide de la technologie des alliages.
Dans les dispositifs à vide électrique, de telles défaillances peuvent survenir en raison de la détérioration du vide de la lampe et de la diminution de l'émission cathodique au fil du temps. Des défaillances progressives peuvent être partiel ou conditionnel, où une modification des paramètres de l'appareil dans certains cas peut entraîner une défaillance du circuit, dans d'autres - seulement une modification partielle des paramètres. Le critère des défaillances conditionnelles est une modification des principaux paramètres (pour les transistors, il s'agit généralement d'une modification du coefficient de transfert et du courant inverse du collecteur) d'un certain nombre de fois supérieur aux normes stipulées par les spécifications techniques. Un circuit correctement calculé permet des changements significatifs dans les paramètres de l'appareil, de sorte que les appareils en panne conditionnelle ne peuvent pas entraîner une défaillance de son fonctionnement.
Pour une évaluation quantitative de la fiabilité, le concept de taux de défaillance (risque) est utilisé, c'est-à-dire le rapport entre le nombre de pannes d'appareils par unité de temps et le nombre d'appareils fonctionnant correctement. Taux d'échec
où n est le nombre d'appareils défaillants pendant le temps t en heures ; N est le nombre total d'appareils en fonctionnement. Puisque généralement n N, alors
Pour évaluer la fiabilité des appareils électroniques (appareils), utilisez le concept: la probabilité de fonctionnement sans panne p pendant une certaine période de fonctionnement
Riz. 10.5. Courbe de taux d'échec typique
Une courbe de taux de défaillance typique est illustrée à la fig. 10.5. Cette courbe peut être divisée en trois sections. Parcelle 1 caractérisé par une intensité accrue de pannes soudaines, qui sont le résultat d'une mauvaise exécution, qui s'est révélée avec le début de l'exploitation du produit. Parcelle 2 correspond à la durée de vie normale. Le taux d'échec diminue ici, car la période de rodage est terminée et l'usure des appareils n'a pas encore commencé. Parcelle 3 se caractérise par une nouvelle augmentation du taux de défaillance, qui est le résultat du vieillissement ou de l'usure des éléments (par exemple, la perte d'émission de la cathode d'un appareil à électrovide). Pour la plupart des types de dispositifs semi-conducteurs, il n'a pas été possible d'établir la présence d'une zone d'usure, ce qui s'explique par leur longue durée de vie.
