Как научиться разбираться в электрике: уроки для начинающих

Введение

Сегодня электрические устройства помогают управлять АЭС, самолётами, кораблями, готовить пищу, запускать спутники и исследовать дальние миры. Поэтому что такое электроника в нынешнее время должны знать почти все. Тем более что электричество изучают в школах и университетах.

С точки зрения обычного человека электроника это отрасль, которая поставляет полезные приборы для дома и работы, а с точки зрения радиолюбителя — целая наука, которая объединяет в себе успехи математики, физики, химии и производственных технологий. Если тебе интересна электроника, то ты попал на правильный сайт.

На первых порах электроника может показаться тебе крутой, неприступной горой, которая завораживает своими невероятно красивыми снежными пиками. Возможно, ты сейчас думаешь, что только избранные могут осилить изучение электроники. Я считаю иначе. Если кто-то смог её освоить, то и ты сможешь. Надо только разобраться как устроен мир электроники, ухватить общие идеи, а затем постепенно углублять знания.

Если сто лет назад электроники не существовало и информация была в основном об электричестве и электрических машинах, то сегодня электроника представляет огромный мир с множеством направлений. Поэтому можно слегка с грустью, но правдиво заметить, что всё изучить невозможно и хвататься за всё подряд будет плохим решением. 

В начале радиолюбительского пути особенно трудно. Сейчас доступно много информации по электронике и глаза разбегаются с чего начать и с какого края к ней подойти. Я сам был на твоём месте и честно скажу — голова порой кипела. Поэтому я и решил написать путеводиль по электронике для начинающих радиолюбителей. С его помощью я хочу помочь тебе ступить на радиолюбительский путь и войти в мир электроники. 

Почему следует прочитать мой путеводитель?

Традиционно изучение электроники начинается снизу вверх: сначала рассказывается что такое заряд, потом — что такое напряжение и ток, затем описываются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, потом диоды, транзисторы, операционные усилители, различные виды микросхем и тому подобное. 

В этой книге я поставил всё с ног на голову. И сделал это намеренно. Подумай о том, как ты разбираешься в чем-то новом для себя? Например, увидел необычное устройство, заинтересовался его конструкцией, стал изучать как оно работает, затем как оно устроено, из чего состоит и как связаны между собой его части. Постепенно, шаг за шагом, ты углубляешься и твои знания становтся более глубокими. Ты как будто спускаешься с горы к её подножию, продвигаясь от целого к деталям. Так устроено наше мышление. Сначала мы создаем общую картину мира, затем разбиваем её на части и изучаем каждую часть по отдельности. 

Очевидно, что спускаться с горы проще, чем подниматься на вершину. Поэтому я решил, что вместо изучения резисторов начнём сразу с цифровой техники и микроконтроллеров. Затем посмотрим, как устроены отдельные блоки цифровой техники, спустимся до логических элементов и бинарной арифметики, а затем постепенно перейдём к аналоговой электронике и рассмотрим как на самом деле устроены те же самые логические элементы, но с точки зрения аналоговой электроники.

Затем спустимся ещё на ступеньку ниже и посмотрим как устроены разные электронные компоненты и на основе каких физических принципов они работают. Попутно будем разбирать разные физические принципы и понятия.  Я считаю, что благодаря этому легче понять основные принципы и получить хорошее основание для дальнейшего самостоятельного изучения электроники.

По ходу повествования лишние подробности будут отбрасываться, чтобы сделать акцент на самые важные и основополагающие идеи. На первых порах много деталей только помешают ухватить самые важные идеи. Я надеюсь, что, отбросив лишнее, мне удастся внести ясность, сделать мой рассказ понятным и занимательным. Пусть меня за это простят опытные радиолюбители, профессиональные инженеры и академики «электронных» наук. Эта книга не для вас. Но вы можете помочь мне сделать её лучше, указав на ошибки в тексте.

Если бы у меня была такая книга в начале моего пути — я был бы счастлив. Пусть мой путеводитель превратит твой стартовый путь в электронику в путешествие по скоростному шоссе. Поехали!

Читай дальше: Как работает цифровая электроника

Практическая электроника

Практическое изучение электроники с нуля начинается с понимания принципов работы электронных приборов и устройств, функционирование которых основано на взаимодействии электромагнитных полей и свободных электрических зарядов. Описание этих процессов можно найти во всех учебниках по радио,- и микроэлектронике. Особенно помогают в этом отношении видео уроки в интернете. Азы современной электроники в практической области постигаются приобретением знаний по следующим вопросам:

1. Построение цепей;
2. Полупроводники;
3. Сигналы и измерения;
4. Электропитание схем;
5. Цифровая электроника.

Построение цепей

Электротехника для начинающих

Основой создания различных электрических схем являются правила построения цепей. Те же принципы построения электрических связей распространяются и на структуру микросхем. Твёрдое знание самых важных законов Ома и Кирхгофа позволяют понять логику создания линий, связующих компоненты электронных схем.

Обратите внимание! Без изучения базовых законов физики и электротехники начать овладевать основами электроники с нуля невозможно. Именно эти знания открывают все секреты создания электронных схем

Можно часами простоять, наблюдая за работой тех или иных сложных устройств, но без знаний основ электроники понять механизмы их действия не получится.

Полупроводники

В мире микроэлектроники полупроводники занимают важное место. Для того чтобы понять принцип их действия, нужно знать их физические возможности

Полупроводники меняют своё сопротивление в зависимости от нагрева. С повышением температуры сопротивление падает, в условиях низких температур полупроводники приобретают свойства диэлектриков.

Полупроводники на плате

К полупроводникам относятся такие радиодетали, как:

• диоды;
• транзисторы;
• тиристоры.

Сигналы и измерения

Сигналы – это носители информации. Они передаются электронами электрической цепи. Величина заряженной частицы служит единицей измерения энергетического заряда. Измерения и исследования сигналов в электронике проводятся с помощью осциллографов. Цифровой прибор производит математическую обработку полученных результатов.

Цифровой осциллограф предназначен для профессиональных электронщиков и стоит довольно дорого. Для начинающих любителей подойдут недорогие модели отечественного производства – С1-73 и С1-101.

Электропитание схем

Энергообеспечение электронных схем осуществляется через специальные блоки питания. Сетевые импульсные блоки питания называют электронными трансформаторами. Это простые источники питания, работающие от сети 220 вольт. В сети интернет можно приобрести довольно дешёвые модели китайского производства.

Цифровая электроника

Основы цифровой электроники для начинающих базируются на понятии двоичной системы (ноль и единица) и алгебраической логике. В самоучителях и разных учебниках даются разъяснения, что такое базовые логические элементы электронных схем. К ним относятся триггеры, регистры, дешифраторы и микроконтроллеры.

Цифровая электроника

Цифровая технология передачи сигналов кодирует, а после доставки в нужное место дешифрует их. Этим добиваются чистоты информационных сигналов, защищённых от каких-либо помех. Примером этому служит цифровое телевидение.

Типы проводников

Первое, что влияет на электрический ток — это проводимость материала. Такая проводимость у разных материалов разная. Условно все вещества можно разделить на три вида:

• проводник;
• полупроводник;
• диэлектрик.

Проводником может быть любое вещество, свободно пропускающее через себя электрический ток. К ним относятся такие твердые материалы, как, например, металл или полуметалл (графит). Жидкие — ртуть, расплавленные металлы, электролиты. А также сюда входят ионизированные газы.

Исходя из этого, проводники делят на два типа проводимости:

• электронный;
• ионный.

В ионной проводимости эту роль выполняет частица, имеющая положительный или отрицательный заряд. Ион — это частица с недостающим или лишним электроном. Одни ионы не прочь захватить «лишний» электрон, а другие не дорожат электронами и поэтому свободно их отдают.

В соответствии с этим такие частицы могут быть отрицательно заряженными и положительно заряженными. Примером служит соленая вода. Основным веществом является дистиллированная вода, которая является изолятором и не проводит ток. При добавлении соли она становится электролитом, то есть проводником.

Все остальные материалы, не вошедшие в первые два вида, относятся к диэлектрикам или изоляторам. Они в обычных условиях практически не проводят электрический ток. Это объясняется тем, что на внешней орбите электроны очень прочно держатся на своих местах, а места для других электронов нет.

Выбор платформы: Arduino или Raspberry Pi

Две самые знаменитые платформы для реализации проектов «сделай сам» — это микрокомпьютер Raspberry Pi и микроконтроллер Arduino. А знаменитость в таких случаях означает массу совместимых компонентов и мануалов, которые можно применять без изменений.

Arduino Uno и Raspberry Pi 3B+

Arduino — это опенсорсная плата на основе чипов Atmel ATmega 8/168/328 AVR. Ее основное применение — работа с датчиками и сенсорами. Данная плата прекрасно подходит для простых проектов, где от гаджета требуется только реагировать на поступающие данные.

Для начала работы с Arduino понадобится среда разработки — . В ней обычно пишут на Arduino programming language. Но есть и поддержка С и С++.

ПО для работы с Arduino простое в использовании и не вызовет вопросов у новичка, но при этом оно достаточно гибкое, чтобы не переставать им пользоваться и потом. Arduino IDE без особых проблем идет в Mac, Windows и Linux.

В общем, Arduino — это мастхев для любого, кто хочет научиться электроники и начать мастерить что-то электронное. В качестве начального проекта подойдет любой из готовых наборов либо что-то из наработок сообщества Arduino. Самый легкий вариант можно собрать на макетной плате.

В модельной линейке фирменных Arduino есть разные варианты. В первую очередь вам пригодятся Uno или Leonardo.

Таблица сравнения моделей Uno и Leonardo

Главное различие между ними в том, что Leonardo может подключаться не только как СОМ-порт, но и как мышка или клавиатура. В остальном разница между Uno и Leonardo не существенна. Зато когда вы возьметесь за более амбициозные проекты, то обязательно взгляните на Mega и Duo, у них много важных отличий: больше входов и выходов, больше оперативной и флеш-памяти. А модель Micro выделяется своими размерами — всего 4,8 на 1,77 см.

К тому же у Arduino есть многочисленные клоны, многие из которых по качеству совсем не уступают оригиналу. Стоить они могут намного дешевле, но совместимы с софтом и модулями для Arduino. Нет ничего особенно зазорного в покупке клона, поскольку дизайн Arduino опенсорсный. А вот за сборку и качество компонентов клонов отвечают только их производители. Также различаться могут размеры и разводка, расположение кнопок и светодиодов — в тех рамках, что не мешают совместимости с периферией.

Многочисленные клоны Arduino

Вы можете заказать плату по очень приятной цене на «Aliexpress», но проблема в том, что нет легкого способа отличить качественный клон от некачественной подделки по фотографии. Брак бывает малозаметен, как изображено на картинке.

Различия между оригиналом и фальшивкой

Однако если вам уже попалась нерабочая плата, то и ее при желании (и некотором умении) можно починить.

Другая распространенная проблема с дешевыми китайскими клонами — это использование чипа CH340 вместо ATmega. Если видите Arduino за 200 рублей, то там наверняка стоит именно этот CH340 чип. Однако для его поддержки нужно всего лишь установить другой драйвер, так что в каком-то смысле экономия может быть очень даже оправданной.

Что же касается Raspberry Pi, это компьютер со своей операционной системой, на него даже можно установить большинство программ для Linux (если есть сборка для ARM или если удастся собрать из исходных кодов). Из Raspberry Pi делают игровые приставки, камеры видеонаблюдения, устройства с тачскринами и файловый сервер с блокировкой рекламы и т.д.

Если для вашего проекта нужен полноценный компьютер с разнообразием утилит и библиотек, то Raspberry Pi или Raspberry Pi Zero W — отличный, хорошо поддерживаемый разработчиками и сообществом вариант. При желании вы даже можете связать Arduino и Raspberry Pi, чтобы они работали в связке: например, несколько микроконтроллеров Arduino будут собирать информацию с датчиков, а Raspberry Pi обрабатывать ее.

Что изучает электротехника

Электроэнергетика и электротехника

Основа электрики формировалась в XIX веке. Те времена называют эпохой грандиозных открытий основополагающих законов, дающих все представления об электричестве. Электротехника (ЭТ) как наука начинала делать свои первые шаги. Теория стала подкрепляться практикой. Появились первые электротехнические устройства, совершенствовались коммуникационные системы доставки электроэнергии от источника потребителю.

Базой развития электротехники стали достижения в области физики, химии и математики. Новая наука изучала свойства электрического тока, природу электромагнитных излучений и другие процессы. По мере накопления знаний ЭТ становилась наукой прикладного характера.

Современная научная дисциплина изучает устройства, в которых используется электрический ток. На основании исследований создаются новые более совершенные электротехнические установки, приборы и устройства. ЭТ – одна из передовых наук, являющаяся одним из основных двигателей прогресса человеческой цивилизации.

Напряжение и ток – понятия

Для работы любого электронного компонента требуется наличие электрического тока. Он создается электрическим потенциалом, то есть «напором» частиц. Самого потенциала недостаточно для течения тока. Нужен также проводник, способный пропустить его через себя. Если проводника нет, то потенциал уходит в воздух, который очень хорошо препятствует распространению тока. Объекты, которые останавливают ток, называются диэлектриками, а позволяющие протекать через них – проводниками.

Помимо проводника, для течения тока нужна разность потенциалов, возникающая в цепи. Аналогию можно провести с водопроводной трубой. Если с обеих ее сторон подается одинаковый напор, то каким бы сильным он ни был, вода не будет течь. Разность потенциалов называется напряжением. Оно обозначается буквой «U» и измеряется в вольтах. Сила тока же обозначается «I» и измеряется в амперах.

Вам это будет интересно Обозначение разного электрооборудованья на схемах

Важно! По общей договоренности считают, что ток течет от плюса к минусу, но на самом деле это условность. Все дело в том, что отрицательные электроны были открыты уже после этой договоренности

В схемах и на практике никто не вспоминает, откуда и куда течет ток.

Наглядное определение напряжения

Формулы для постоянного электрического тока

Постоянный электрический ток не изменяется в величине и направлении. Он используется для расчета замкнутой, однородной цепи, мощности и прочих параметров

Поэтому важно знать формулы для него и основные законы, связанные с ним

Закон Ома для участка однородной цепи

Чтобы электрический ток существовал, нужно поле. Для его образования, нужны потенциалы или разность их, выраженная напряжением. Ток будет направлен на снижение потенциалов, а электроны начнут свое передвижение в обратном направлении. В 1826 г. Г. Ом провел исследование и сделал заключение: чем больше показатель напряжения, тем больше ток, который проходит через участок.

В результате, согласно теореме Ома, сила тока для участка однородной цепи будет иметь прямую пропорциональность показателю напряжения на нем и обратную пропорциональность проводниковому сопротивлению.

Закон Ома

По формуле I = U / R, где I считается силой тока, U — напряжением, а R — электрическим сопротивлением, последнее значение можно найти, если p * l / S, где p является удельным проводниковым сопротивлением, l — длиной проводника, а S — площадью поперечного проводникового сечения.

Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока

Ом сделал формулу и для замкнутой цепи. По ней ток на этом участке из токового источника, имеющего внутреннее и внешнее нагрузочное сопротивление, равен делению электродвижущей силы источника на сумму внутреннего и внешнего сопротивления. Она выглядит так: I = e / R + r, где I является токовой силой, е — ЭДС, R — сопротивлением, а r — внутренней сопротивляемостью источника напряжения.

Закон Ома для замкнутой цепи

Работа постоянного тока

Энергия, когда проходит через проводник, упорядоченно двигается в носитель. Во время движения она совершает работу. В результате работой постоянного тока называется деятельность поля, направленная на перенос электрических зарядов по проводнику. Она равна умножению I на совершаемое работой напряжение и время.

Закон Джоуля-Ленца

Когда электричество проходит через какой-то проводник с сопротивляемостью, всегда высвобождается теплота. Количество тепла, которое высвободилось за определенный промежуток времени, определяет закон Джоуля-Ленца. По формуле мощность тепла равняется умножению плотности электричества на напряжение — w =j * E = oE(2).

Закон Джоуля-Ленца

Как проверить напряжение мультиметром

черный провод мультиметра необходимо подключить к разъему „COM”;
красный провод необходимо подключить к разъему для измерения напряжения „V” (Внимание! Подключение проводов иным образом может привести к повреждению прибора!)
мы ожидаем получить значение около 1,5 вольта, поэтому ручку мультиметра устанавливаем на значение «20» в области DCV или V- (буква V с тире, означает постоянный ток) и если это необходимо, включаем прибор (некоторые модели включаются при повороте ручки), при этом мультиметр должен показать 0;
металлическими наконечниками щупов мультиметра касаемся выводов батарейки… но какой куда? Попробуйте обе комбинации – результат должен быть один и тот же, только в одном случае будет отражаться положительное число, а в другом случае то же число, но только со знаком минус.
считываем значение – в нашем случае напряжение новой батарейки составляет 1,62 вольт;
выключаем мультиметр.

ВНИМАНИЕ! Во время проведения измерений, чтобы не повредить мультиметр, всегда выбирайте диапазон измерения большее максимально ожидаемого результата! Если мы не знаем чего ожидать, то безопаснее будет выбрать более высокий диапазон и в дальнейшем уменьшить его для получения максимально точного результата. Поскольку мы научились измерять напряжение мультиметром, то давайте померим и другие батарейки/аккумуляторы! Мы для тестирования выбрали:

Поскольку мы научились измерять напряжение мультиметром, то давайте померим и другие батарейки/аккумуляторы! Мы для тестирования выбрали:

• заряженный аккумулятор 1,2 вольта, размер АА — мультиметр показал 1,34 вольт.
• частично разряженный аккумулятор Ni-Mh (используемый в камере) — мультиметр наш показал 1,25 вольт.

Далее нам понадобятся 4 батарейки формата ААА, кассета для 4 батареек и макетная плата (что такое макетная плата и как ею пользоваться можно узнать здесь). Установим наши 4 батарейки в кассету. Затем концы проводов кассеты вставим в отверстия макетной платы так, как это показано на следующих фото:

Следующим шагом будет подготовка соединительных проводов (перемычек), их еще называют джамперами. Это такие провода, которые будут объединять отдельные радиодетали между собой на макетной плате.

Конечно же, какое-то количество джамперов входит в комплект вместе с макетной платой. Но если их у вас нет, то не беда, их можно сделать самим.

Держатель для платы
Материал: АБС + металл, размер зажима печатной платы (max): 20X14 см…

Подробнее

Для этого нам понадобится: компьютерный кабель, так называемая витая пара, ножницы или острый нож.

Для начала необходимо снять изоляцию с кабеля. Внутри кабеля мы видим скрученные между собой тонкие провода. Следующим шагом будет нарезка проводов необходимой длинны. И последнее что необходимо – это зачистить с обоих концов изоляцию примерно на 1 см.

Далее. Нам понадобится 4 короткие перемычки (для соединения линий питания платы) и 2 длинные, лучше если они будут красного и синего цвета.

Теперь мы на макетной плате соберем нашу первую схему. Возьмем резистор 22кОм с цветными полосками (красный-красный-оранжевый-золотой). А какое реальное сопротивление данного резистора? Давайте проверим это мультиметром!

Выполнение электромонтажных работ

Создание электрических сетей состоит из нескольких этапов:

• проектирования;
• подготовки материалов и инструментов;
• прокладки проводки.

Необходимые инструменты

Для работы потребуются:

• фазоискатель;
• плоскогубцы;
• кусачки;
• ножи;
• изоляционная лента;
• отвертки;
• мультиметр для проверки сетей.

Удаление виниловой изоляции с проводов (зачистка)

Процедура сопряжена с некоторыми сложностями. Ее нужно проводить так, чтобы не повреждалась токопроводящая жила. Иногда каждый проводник защищается виниловой изоляцией. Набор таких шин помещается в еще одну оплетку. В таком случае нужно разрезать верхний слой, не повреждая внутренней изоляции. Для снятия оплетки используют тупой нож, для зачистки медных или алюминиевых жил — острый.

Изоляция

Места соединения или повреждения оплетки тщательно изолируют. При электромонтаже для этого используют специальную ленту. Для начала жилы изолируют раздельно, затем вместе. Нанесенный на изоленту клей должен обеспечивать прочную фиксацию. Материал надежно приклеивают к виниловой оплетке на ширину, препятствующую отслаиванию или сползанию.

Прокладка проводки

Современный провод укладывают без дополнительной изоляции. При проведении работ учитывают, что:

• места соединений оставляют в свободном доступе;
• провод не должен подвергаться механическим воздействиям;
• нужно исключать влияние агрессивных факторов на места соединений;
• нельзя задевать проводку инструментом при выполнении каких-либо работ.

При прокладке кабелей под землей используют бронированный канал. Гидроизоляция не является обязательной, поскольку провод нечувствителен к воздействию влаги.

Понятие электричества

Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. У атома есть ядро и движущиеся вокруг него положительно и отрицательно заряженные частицы (протоны и электроны). При нахождении двух материалов рядом друг с другом между ними возникает разность потенциалов (у атомов одного вещества электронов всегда меньше, чем у другого), что приводит к появлению электрического заряда – электроны начинают перемещаться от одного материала к другому. Так возникает электричество. Другими словами, электричество – это энергия, возникающая в результате перемещения отрицательно заряженных частиц из одного вещества в другое.

Скорость перемещения может быть разной. Чтобы движение было в нужном направлении и с нужной скоростью, используются проводники. Если движение электронов по проводнику осуществляется только в одном направлении, такой ток называется постоянным. Если же направление перемещения с определенной частотой меняется, то ток будет переменным. Самым известным и простым источником постоянного тока является батарейка или автомобильный аккумулятор. Переменный ток активно используется в бытовом хозяйстве и в промышленности. На нем работают практически все устройства и оборудование.

Примечания

1. Технология изготовления микросхем // 1. Общие сведения о микросхемах и технологии их изготовления.. Проверено 11 октября 2010. Архивировано 10 февраля 2012 года.
2. См. в частности Механцев Е. Б. Об одном полузабытом событии (к пятидесятилетию микроэлектроники), Электроника: Наука, технология, бизнес, выпуск 7, 2009 https://www.electronics.ru/journal/article/293
3. История Ангстрема Архивная копия от 2 июня 2014 на Wayback Machine
4. Музей электронных раритетов — Гибриды — 201-я серия
5. Создание первой отечественной микросхемы. Chip News №8, 2000 г..
6. Петров Л., Удовик А. Кто изобрёл… интегральную схему? // Электронные компоненты. 2013. №8. С. 10-11. (недоступная ссылка)
7. История отечественной электроники, 2012 г., том 1, под ред. директора Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России Якунина А. С., стр. 632
8. Охраняется гл. 74 «Право на топологии интегральных микросхем» ГК РФ как интеллектуальная собственность (ст. 1225 «Охраняемые результаты интеллектуальной деятельности и средства индивидуализации»).
9. What is Ultra Large-Scale Integration (ULSI)? — Definition from Techopedia
10. Стандарты и качество, Issues 1-5 1989 стр 67 «Сверхбольшая интегросхема (СБИС) — около 100 тыс. элементов; ультрабольшая интегросхема (УБИС) — более 1 млн элементов»
11. ↑ 12 Is 14nm the end of the road for silicon chips? // ExtremeTech, September 2011
12. H. Iwai, Roadmap for 22 nm and beyond Архивная копия от 23 сентября 2015 на Wayback Machine / Microelectron. Eng. (2009), doi:10.1016/j.mee.2009.03.129
13. https://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-details_presentation.pdf
14. https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/pdf/foundry/mark-bohr-2014-idf-presentation.pdf
15. Moore’s Law Buckles as Intel’s Tick-Tock Cycle Slows Down, July 16, 2015
16. Нефедов А.В., Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры: Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — С. 4. — 300 000 экз. — ISBN 5-283-01540-8.
17. Якубовский С.В., Барканов Н.А., Ниссельсон Л.И. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие. — 2-е изд. — М.: «Радио и связь», 1985. — С. 4—5.
18. К174ХА42 — однокристальный ЧМ радиоприёмник
19. Pressure sensors
20. Магнитоуправляемые ИС на основе кремниевых датчиков Холла (недоступная ссылка)
21. Интегральные аналоговые термодатчики в схемах на МК
22. Интегральные датчики компании Maxim
23. Проектирование аналоговых микросхем на МОП-транзисторах. Часть 1. Малосигнальная модель МОП-транзистора с источниками шумов
24. ПРАВО НА ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.

Будет интересно Все о блоках питания — схема устройства, изготовление своими руками

Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.

Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.

Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.

Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.

Микросхемы на плате

Книги для начинающих радиолюбителей

Самоучители по электронике в помощь начинающим радиолюбителям. Сборник книг по радиоэлектронике для самостоятельного изучения основ электроники начинающими радиолюбителями.

Книга справочник по схемотехнике для радиолюбителя. В справочнике приводится справочный материал по радиолюбительской схемотехнике. Содержатся схемы цифровых и аналоговых фильтров, устройств импульсной и вычислительной техники, автоматики, телемеханики, радио-любительских конструкций. Рассмотрены методы настройки и расчета электронных схем, измерения их электрических параметров. Формат книги djvu. Размер файла — 4.6Mb. Книга Введение в электронику. В книге детально изложены принципы работы измерительных и полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, общие принципы микроэлектроники, алгоритмов цифровой обработки информации и многое другое. Приводится большое количество примеров, задач и упражнений для лучшего восприятия материала. Формат книги djvu. Размер файла — 4.7Mb.

Книга Первые шаги в электронику для школьников. В книге рассказывает о базовых сведениях в области электротехники и электромонтажных работ. Приводятся описания простейших радиоэлектронных устройств, способы их сборки и настройки. Формат книги djvu. Размер файла — 2.1Mb. Книга Радиоэлектроника для начинающих. Приводится описание основных материалов и компонентов используемых в электронике, принципов работы с этими материалами, рассказывается о различных радиоэлектронных устройствах для самостоятельной сборки радиолюбителями. Формат книги djvu. Размер файла — 6.6Mb. Книга Радиоэлектроника для чайников. В книге рассказывается о всех основных нюансах электроники. Что такое электрический ток, что такое резистор, как проверить или измерить тот или иной параметр или компонент — все это , и многое другое, можно узнать из этой книги. Формат книги djvu. Размер файла — 10.3Mb.

Книга Самоучитель по радиоэлектронике. В книге приведены практические рекомендации по проектированию, изготовлению и наладке различных электронных устройств. Так же приводятся основные принципы конструирования, примеры сборки электронных устройств, порядок тестирования компонентов, проведения измерений в электрических схемах и ремонта устройств. Формат книги djvu. Размер файла — 3.7Mb.

Книга Электроника курс лекций. В книге описаны элементы электронной техники, аналоговые интегральные микросхемы, цифровые интегральные микросхемы, линейные электронные устройства, не линейные электронные устройства, аналого-цифровые функциональные устройства, источники электропитания электронных устройств. Формат книги djvu. Размер файла — 9.1Mb.

Книга Радиолюбительская азбука. Самоучитель для тех, кто хочет самостоятельно научится разбираться в радиоэлектронике. Книга посвящена основам цифровой техники. В ней рассматриваются принципы работы и особенности применения логических микросхем, приведены примеры конструирования. Формат книги djvu. Размер файла — 5Mb.

Книга Шпаргалка по общей электронике и электротехнике. В книге приводятся большое количество ответов на самые часто задаваемые вопросы из области электроники. Книга довольно не плохо подходит для самостоятельного изучения радиоэлектроники. Формат книги djvu. Размер файла — 1Mb. Книга Электроника. В книге рассматриваются разделы электроники: плазменная и вакуумная электроника, полупроводниковая и микроэлектроника, оптическая и квантовая электроника, функциональная электроника. Формат книги djvu. Размер файла — 12.4Mb.

Книга Электротехника. В книге изложены основные теоретические сведения, примеры решения типовых задач, задачи и контрольные задания по основным разделам курса «Электротехника». Приведены указания и справочные таблицы позволяющие решать задачи без дополнительного справочного материала. Формат книги djvu. Размер файла — 3.2Mb.

Книга Большой справочник радиолюбителя. В книге приводится описание компонентов, материалов, физических и электрических свойств элементов. Книга является без преувеличения не заменимым помощником для всех радиолюбителей! Формат книги djvu. Размер файла — 4.6Mb.

Читать далее — Книги по электронным самоделкам

Популярные книги по электронике:

Справочники по радиодеталям

Книги по ремонту и модернизации компьютера

Глава 1 Уроки юного конструктора

Можно ли сесть за руль автомобиля, не зная, как запустить двигатель и для чего нужны педали и ручки управления?

Конечно, нет, скажете вы. Сначала надо ознакомиться с назначением каждой ручки, выучить строение автомобиля, а потом уже ездить на нем. Так и с нашими конструкциями. В них используются разнообразнейшие детали, каждая из которых выполняет свою заранее установленную функцию. Чтобы создать любое устройство, надо знать, для чего нужны детали, входящие в него, уметь проверять их, соединять между собой, налаживать созданную конструкцию.

Получить базовые знания об электрическом токе, радиодеталях и правилах создания изделий вам поможет этот раздел. Конечно, не все сведения, которые помещены в нем, будут понятны после первого прочтения. Не огорчайтесь — практика вам поможет! Главное — хорошо выучите правила безопасности работы и смелее беритесь за нее. А к этим материалам, имеющим в основном ознакомительный характер, обращайтесь при возникновении вопросов.

Похожие записи:

Привариваем петли на ворота и калитку Оригинальные идеи декора горшков для цветов своими руками «что угодно кроме алгоритмов»: где искать музыку, если стриминговые платформы уже надоели Окрашивание мебели в домашних условиях Строительный портал 1как заделать проем окна в деревянном доме Срок службы пластиковых окон или когда их нужно менять?