Основные понятия и определения. Радиоэлектроника и автоматика как отрасли науки и техники давно стали одним из важнейших направлений жизнедеятельности людей и широко внедряются в

Предисловие

Радиоэлектроника и автоматика как отрасли науки и техники давно стали одним из важнейших направлений жизнедеятельности людей и широко внедряются в промышленность, быт, научную деятельность.

Термин «радиоэлектроника» произошел из двух терминов – «радиотехника» и «электроника». Первый обозначает отрасль науки и техники, связанную с исследованием, разработкой и эксплуатацией устройств передачи, приема и переработки информации с помощью электромагнитных волн. Второй термин обозначает отрасль науки и техники, которая посвящена созданию и использованию устройств, принцип действия которых основан на движении частиц атома – электронов.

Термином «автоматика» обозначают устройства, действующие самостоятельно, без непосредственного участия человека («automatos» - самодействующий).

В современной науке и технике автоматические устройства занимают все более достойное место и в значительной мере определяют научной и экономический потенциал страны.

В учебном плане специальности 030600 «Технология и предпринимательство», разработанном в соответствии с требованиями Госстандарта высшего образования, курс «Радиоэлектроника и автоматика» отнесен к дисциплинам блока профессиональной подготовки, и на его изучение отведено около 100 часов учебных занятий вместе с самостоятельной работой. Учитывая, что в школьных программах по предмету «Технология» изучение вопросов электроники и автоматики предусмотрено с начальных классов до выпускных, то студенты, будущие учителя технологии и предпринимательства, должны овладеть знаниями и практическими навыками в этой области.

В настоящее время имеются обширная литература по радиоэлектронике и автоматике, но она рассчитана, главным образом, на профессиональную подготовку специалистов в высших и средних специальных учебных заведениях, и ее изучение студентами педагогических вузов создает немалые трудности. Это связано, прежде всего, с небольшим объемом этого курса и недостатком времени на изучение технических дисциплин, т.к. студенты много времени затрачивают на дисциплины педагогического и общекультурного блоков.

Настоящий курс рассчитан на изложение основ радиоэлектроники и автоматики применительно к специальности «технология и предпринимательство», имеет практическую направленность и ориентирован на подготовку студентов, будущих учителей технологии, работников начальных и средних учебных заведений.

Мазейкин Е.М.

Лекция 1

Слово «электрон» в переводе с греческого означает «янтарь» - название природной смолы древних хвойных деревьев. В глубокой древности было замечено интересное явление: если янтарь потереть шерстью или шерстяной тканью, то он притягивает легкие предметы (пушинки, травинки, мелкие кусочки бумаги и т.п.). Тогда объяснить это явление не могли. Только в XVII веке ученые объяснили это явление появлением на поверхности янтаря неких зарядов. Которые назвали «электрическими». Дальнейшее изучение этих зарядов привело к открытию зарядов другого вида. Для отличия их в 1778 году ввели обозначения «-» (минус) – для зарядов на янтаре («отрицательные» заряды) и «+» (плюс) – для зарядов на сургуче, потертом кожей, что означает «положительные».

Ученые научились получать эти заряды в специальных элепорофорных машинах и изучать их свойства, в частности, взаимные притяжение тел с зарядами разных знаков и отталкивание тел, заряженных одинаково. Было замечено и перемещение электрических зарядов по предметам из металлов. Это свойство металлов проводить электрические заряды назвали электропроводностью.

Движение электрических зарядов по проводникам назвали электрическим током. Ученые – физики многих стран изучали открытые электрические явления, проводили опыты с электрическим током, создавали различные электрические измерительные приборы.

Ученый – физик Алессандро Вольта создал химический источник тока (1799 г.), который он назвал «гальваническим элементом». Это изобретение А.Вольта дало начало практическому использованию электрической энергии. Элемент Вольта давал электрическое напряжение около 1В. А.Вольта соединил несколько элементов последовательно и получил батарею химических элементов напряжением в несколько вольт – «Вольтов столб» (1800г). Химическими источниками электрической энергии человечество пользуется до сего времени.

Изобретение А.Вольта активизировало работы ученых по изучению свойств электрического тока.

В 1820г. датский физик Ганс Эрстед открыл магнитное действие тока, т.е. появление магнитного поля вокруг проводника с током. Это привело к созданию электромагнита и электрического телеграфа (П.Л. Шиллинг, С. Морзе).

Широкий простор для развития электроники и автоматики дало получение электромагнитных волн немецким физиком Генрихом Герцем (1885г.). Идея использования этих волн для беспроводной связи появились у многих ученых, но практически осуществить эту идею удалось русскому ученому, преподавателю начальных классов в г. Кронштадте Александру Степанову Попову. 7 мая 1985г. на заседании русского физико-химического общества в Петербурге он продемонстрировал прибор, регистрирующий электромагнитные волны, возникающие при грозовых разрядах на больших расстояниях от места приема (до 300км). Это был первый в мире радиоприемник (слово «радиус» означает «луч»). Это является годом рождения радиосвязи – связи без проводов и на большие расстояния. А.С. Поповым были разработаны генератор электромагнитных волн, усовершенствован приемник, применена антенна и заземление, исследованы условия распространения радиоволн, обнаружено ослабление энергии излучения с удалением от радиопередатчика (затухание радиоволн), открыто явление отражения радиоволн от различных препятствий (от скал, кораблей, стен и др.), что заложило основы радиолокации.

24 марта 1896г. на заседании русского физико-химического общества была принята первая в мире радиограмма, состоявшая всего из двух слов «Генрих Герц» в честь великого ученого.

В дальнейшем усовершенствования систем связи применялась для связи берега с кораблями, а так же между кораблями. Дальность связи достигала уже 40км.

В 1900г. на Всемирной выставке достижений в Париже за новое средство связи с помощью радиоволн А.С.Попов был награжден большой золотой медалью выставки.

Новое средство связи требовало создания генераторов электромагнитных колебаний высоких частот, умения принимаемых радиоволн для увеличения дальности радиосвязи, и других устройств. Этим задачам суждено было осуществиться с открытием электрона как частицы атома (1897г.). В 1904г. Д.Флемангом была создана двухэлектродная лампа – диод, которая могла выпрямлять переменный ток, получаемый электромашинными генераторами, а в дальнейшем использовалась для детектирования (демодулирования) высокочастотных модулированных колебаний в радиоприемниках. В 1906г. была создана трех электродная лампа – триод (Ли де Форест). Эти лампы уже были типичными электронными приборами, положившими начало развитию радиоэлектроники.

В 1907г. российский ученый Б.Л. Розинг получил патент на электронную систему телевидения, которая явилась основой создания телевизионного вещания.

7 мая 1945г., отмечая заслуги радистов в победе Советского народа в Великой отечественной войне против фашистской Германии, и в честь 50-летия со дня изобретения радио А.С.Поповым, Советское правительство объявило праздником – Днем Радио, который отмечается ежегодно.

Эксплуатация устройств на электронных лампах, особенно первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ), выявила ряд их существенных недостатков, таких как ограниченный срок службы ламп из-за уменьшения эмиссии катодов, неэкономичность, связанная с подогревом катода, когда мощность на нагрев катода в десятки раз превышает мощность полезного сигнала, а также низкая надежность из – за разъемного соединения лампы с основной схемой радиоаппаратуры. Поэтому во всех развитых странах (США, СССР, Франции, Германии, Японии) велись работы над созданием полупроводниковых приборов, которые могли бы заменить электронные лампы.

Эти работы привели к успеху. В 1948г. американские ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин изготовили и испытали полупроводниковый триод, который они назвали «транзистор» (изменяющиеся сопротивление). Этот прибор обладает рядом преимуществ перед электронной лампой – это малые габариты (в 30 – 40 раз меньше лампы), экономичность (не требуется накал катода), высока надежность и долговечность (монолитная и миниатюрная конструкция, а срок службы от 10 до 20 тысяч часов вместо 200 – 300 часов у лампы). Кроме того, транзисторы не требуют высоковольтных источников питания (они потребляют постоянный ток напряжением от 3 до 40В в отличие от ламп, где напряжение питания составляет 150 -400В и более).

В СССР первые транзисторы были изготовлены в 1949 году. Транзисторы позволили резко сократить габариты и массу связи, уменьшить габариты и расширить функциональные возможности электронно-вычислительных машин (компьютеров).

Достижения в области технологии изготовления транзисторов позволили создать в 60-х годах XX века миниатюрные электронные устройства, в которых на небольшой пластинке полупроводникового материала размещены.

Десятки транзисторов, резисторов, диодов и других элементов схем и соединений между ними. Такие устройства назвали интегральными микросхемами (НМС). Они восполняют сложные преобразования электрических сигналов. Выпускаются промышленности в виде целых серий и широко используются для создания радиоаппаратуры, средств автоматики и вычислительной техники. На их основе созданы системы мобильной радиосвязи, средства промышленной автоматики, приборы медицинской диагностики, аудио-видео аппаратуры, новые быстродействующие вычислительные машины, размеры которых таковы, что – они размещаются на письменном столе (персональные ЭВМ). Все это создает неограниченные возможности для улучшения условий жизнедеятельности человека и развития его творческих способностей.

Автоматика тесно связана с электроникой, так как большинство ее функциональных устройств, называемых «элементами автоматики», являются электрическими (датчики физических величин, электронные реле, электронные усилители слабых сигналов и др.)

В автоматике различают простые устройства, выполняющие простые функции, которые называют автоматами (автоматы по продажи газет, воды и т.п.) и сложные (управление станками, технологическими объектами). Их называют автоматическими системами. Они подразделяются на несколько типов: системы автоматического контроля (САК), системы автоматического регулирования (САР), системы автоматического управления (САУ).

Современные системы автоматического регулирования и управления разрабатываются на основе Теории автоматического управления.

Большой вклад в теорию автоматического управления внесли отечественные ученые. В 1876 г. вышла книга И.А.Вышнеградского «Об общей теории регуляторов», в которой автор рассмотрел совместное действие паровой машины (объекта регулирования) и автоматического регулятора, управляющего ее работой, которые вместе составляют систему автоматического регулирования, дал понятие устойчивости таких систем и получил зависимость этого свойства автоматических систем от конструктивных параметров регулятора и объекта регулирования.

В дальнейшем в теорию автоматических систем внесли вклад труды П.Л.Чебышева, А.А.Андровнова, М.В.Ляпунова, А.Н.Колмогорова, Н.М.Крылова, Б,Н.Петрова, В.В.Солодовникова и др.

Большое влияние на развитие автоматических систем оказала книга Н. Винера «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» (1948 г.), в которой автор рассматривает общие законы сложных систем целенаправленного поведения, где главными процессами являются сбор, накопление, обработка и передача информации в системах с обратной связью.

Эти процессы значительно расширили понятием термина «управление», который стал применяться для многих систем управления. Появились такие понятия, как «техническая кибернетика», «медицинская кибернетика», «экономическая кибернетика» и др., которые характеризуют развитие сложных (больших) систем управления как в технике, так и в обществе, совершенствующих процессы жизнедеятельности современного человека.

Лекция 2