dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM

dr Stanisław Lewicki

Wydział Fizyki UAM

"Podstawy Elektroniki"

2

LITERATURA

Elektronika w laboratorium naukowym T. Stacewicz, A. Kotlicki, PWN, 1994 r. Elektronika bez wielkich problemów Otto Limann, Horst Pelka, WKŁ, 1991 r. Elementy i uklady elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach M. Rusek, J. Pasierbinski WNT, 1997r.Układy i elementy elektroniczne St. Kuta;Podstawy elektroniki B. Pióro, M. Pióro , W.Sz.i P., 1996 r. Układy półprzewodnikowe U. Tietze, Ch. Schenk , WNT, 1996 r. Sztuka elektroniki P. Horowitz, W. Hill , WKŁ, 1992 r.

3

WSTĘP

4

HISTORIA ELEKTROTECHNIKI

około 600 lat p.n.e

znane były (Grecja) właściwości rudy żelaznej (Fe3O4) - przyciągania przedmiotów żelaznych

i właściwości bursztynu, który potarty wełną przyciągał drobne lekkie przedmioty,

1600 lekarz William Gilbert stwierdził, że właściwości podobne do bursztynu posiadają również liczne inne ciała np. szkło i żywica. Uważał, że zjawiska elektryczne i magnetyczne są od siebie zupełnie niezależne,

1785 francuski fizyk Charles August Coulomb wyznaczył eksperymentalnie siłę oddziaływania na siebie ładunków elektrycznych,

1789 doświadczenie z żabimi udkami przeprowadzone przez lekarza włoskiego Luigi Galvaniego,

1799 zbudowanie przez Alessandro Volta pierwszego ogniwa i „stosu elektrycznego” będącego bateria szeregowo połączonych ogniw,

1800 elektroliza wody - Nicolson,

1802 łuk elektryczny - Pietrow,

1807 Davy odkrywa metale alkaliczne : sód i potas,

5

HISTORIA ELEKTROTECHNIKI

1819 odkrycie działania prądu na igłę magnetyczną przez fizyka duńskiego Hansa Oersteda, - związek pomiędzy polem elektrycznym i magnetycznym,

1820-1823 fizyk francuski Andre Maria Ampere zbadał elektrodynamiczne oddziaływanie obwodów elektrycznych i stwierdził, że właściwości magnetyczne rud żelaznych i stali są wynikiem prądów molekularnych wewnątrz materii,

1873 James Clark Maxwell ogłasza „Traktat o elektryczności i magnetyzmie”, w którym rozwinął teorię fal elektromagnetycznych, potwierdzoną doświadczalnie przez fizyka niemieckiego Heinricha Hertza – (radiotechnika),

1877 powstaje prototyp żarówki wykonany przez Th. A. Edisona,

1877 odkrycie przez inżyniera serbskiego N. Teslę pola magnetycznego wirującego i zbudowanie pierwszego silnika indukcyjnego dwufazowego,

1889 układy dwufazowe ustępują układom trójfazowym wynalezionym przez Doliwo-Dobrowolskiego,

6

Przedrostki układu SI

Przedrostek Oznaczenie Mnożnik

eksa E 1018 = 1 000 000 000 000 000 000

peta P 1015 = 1 000 000 000 000 000

tera T 1012 = 1 000 000 000 000

giga G 109 = 1 000 000 000

mega M 106 = 1 000 000

kilo k 103 = 1 000

hekto h 102 = 100

deka da 101 = 10

decy d 10-1 = 0,1

centy c 10-2 = 0,01

mili m 10-3 = 0,001

mikro 10-6 = 0,000 001

nano n 10-9 = 0,000 000 001

piko p 10-12 = 0,000 000 000 001

femto f 10-15 = 0,000 000 000 000 001

atto a 10-18 = 0,000 000 000 000 000 001

7

ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKI

I. LAMPA ELEKTRONOWA.Powstały urządzenia: radiowe (nadawcze i odbiorcze),

elektroakustyczne, radiolokacyjne; rozwinięto miernictwo elektroniczne.

1904 r. – pierwsza lampa elektronowa – dioda (dwuelektrodowa z żarzoną katodą) J.A. Fleming (fizyk angielski).

1906 r. – lampa elektronowa z siatką sterującą (trioda) Lee de Forest (inżynier amerykański).

1918 r. – opracowanie zasad odbioru heterodynowego E.H. Armstrong.

1942 r. – projekt pierwszej elektronicznej maszyny cyfrowej J.W. Mauchly i I.P.Eckert.

8


Szkic konstrukcji diody próżniowej. AZ 4

9


EL84Trioda Lee DeForesta z 1906 r.

10


II. TRANZYSTOR

Odkrycie półprzewodników oraz wdrożenie produkcji elementów półprzewodnikowych spowodowało gwałtowny rozwój elektroniki.

Automatyzacja produkcji spowodowała poprawę jakości oraz zwiększenie asortymentu wyrobów.

1947 r. – tranzystor bipolarny (Barden, Brattain i Shockley).

1952 r. – tranzystor polowy (unipolarny),

1958 r. – tyrystor.

11

Etap II. TRANZYSTORY

23 XII 1947

12

Etap II. TRANZYSTORY

13


Miniaturyzacja elementów oraz ich zespolenie (integracja) w nierozbieralne urządzenia tzw. układy scalone to początek nowej technologii

MIKROELEKTRONIKI. Zaletami tej technologii są: niezawodność i taniość wyrobów.

III. UKŁAD SCALONY

14

Etap III . UKŁADY SCALONE

1958 r. – bipolarny układ scalony (KILBY). W Polsce pierwszy układ scalony wyprodukowano w 1961 r.

1962 r. – laser półprzewodnikowy,

1968 r. – polowy (unipolarny układ scalony),

15


Ze względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie historyczny, podział na układy:

* małej skali integracji (SSI - small scale of integration)

* średniej skali integracji (MSI - medium scale of integration)

* dużej skali integracji (LSI - large scale of integration)

* wielkiej skali integracji (VLSI - very large scale of integration)

* ultrawielkiej skali integracji (ULSI - ultra large scale of integration)

16


17


18

UKŁADY SCALONE

1961

RTL

19

UKŁADY SCALONE

1972

3500 tranzystorów

Intel 8008

14 mm2

2055 mln tranzystorówPentium 4 2.4 GHz

UKŁADY SCALONE

21

PODSTAWOWE PRAWA

W układach elektronicznych obserwuje się i analizuje dwie wielkości:

napięcie (U ) oraz natężenie prądu elektrycznego ( I ).

22

Podstawowe prawa

PRĄD ELEKTRYCZNY =UPORZĄDKOWANY RUCH ŁADUNKÓW ELEKTRYCZNYCH.

I

23

ŁADUNEK ELEKTRYCZNY (Q)

Jednostka ładunku jest Kulomb [C ].

eC 1810*24,61

e jest ładunkiem elementarnym = ładunkowi elektronu.

24

NATĘŻENIE PRĄDU (I)

Natężeniem prądu elektrycznego lub krócej prądem elektrycznym nazywamy granicę stosunku wielkości ładunku elektrycznego q przenoszonego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu t, gdy czas ten dąży do zera, tzn.

dt

dq

t

qi

t

0

lim

Prąd elektryczny jest wielkością skalarną. Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper (1 A).

25

NATĘŻENIE PRĄDU (I)

s

CA

AsC

26

POTENCJAŁ (V)

Przy przesunięciu ładunku w polu elektrycznym wykonywana jest praca.

Pracę wykonaną podczas przemieszczenia ładunku jednostkowego (przypadającą na jednostkę ładunku) z danego punktu do nazywamy POTENCJAŁEM.

Potencjał punktu określany jest w woltach [V ].

C

JV

As

JV

27

NAPIĘCIE (U)

NAPIĘCIE - Różnica potencjałów.

Jednostką napięcia jest wolt [V].

Pomiędzy punktami panuje napięcie 1V, gdy praca wykonana przy przesunięciu ładunku 1C wynosi 1 J.

Napięcie oznaczane jest zwykle literą U. Napięcie między punktami A i B jest oznaczane jako UAB. Uzgodniono, że napięcie UAB jest dodatnie, gdy punkt A ma potencjał wyższy od punktu B.

28

PRAWO OHMA

W danym przewodniku, natężenie prądu jest proporcjonalne do napięcia na jego końcach.

PRAWO OHMA

29

PRAWO OHMA

gdzie:

I ~ UGUI

1G

R

30

PRAWO OHMA

R

UI

I

UR

IRU

31

PRAWO OHMA

R

UI

natężenie prądu I w przewodniku jest

i odwrotnie proporcjonalne do jego oporności R.

wprost proporcjonalne do napięcia U na jego końcach

32

PRAWO OHMA

RIU płynący w przewodniku (oporniku) prąd wywołuje spadek napięcia proporcjonalny do oporności przewodnika

33

PRAWO OHMA

I

UR

stosunek napięcia na końcach przewodnika do natężenia płynącego w nim prądu

jest stały

34

PRAWO OHMA

S

lR

Oporność przewodnika zależy od rodzaju materiału ( ); jest wprost proporcjonalna do jego długości (l ) i odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego (S ).

35

PRAWO OHMA

Temperaturową zmianę oporności opisuje wzór:

010

TTRR TT

gdzie: RT - rezystancja w temperaturze T; RTo - rezystancja w temperaturze T0 = 293 K (20 °C); - współczynnik temperaturowy (jednostka 1/K).

36

OPORNOŚĆ

37

OPORNOŚĆ

38

OPORNOŚĆ

39

OPORNOŚĆ

40

PARAMETRY REZYSTORÓW

Rezystancja nominalna

Tolerancja (klasa dokładności)

Moc znamionowa

Napięcie graniczne

Temperaturowy współczynnik rezystancji

Współczynnik szumów

41

PRAWA KIRCHHOFFA

Suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów z niego wypływających.

0IPierwsze prawo Kirchhoffa:

Suma prądów w węźle jest równa zero.

R1

R2

R3

I2

I1

I3

A.Węzłem jest punkt A.

Prądy wpływające do węzła mają znak dodatni, a wypływające znak ujemny.

0321 IIII

42

PRAWA KIRCHHOFFA

W obwodzie zamkniętym (oczku) suma napięć jest równa zeru.

Drugie prawo Kirchhoffa:

43

POMIAR

AMPEROMIERZ

VOLTOMIERZ

44

OPORNOŚĆ ZASTĘPCZA

POŁĄCZENIE SZEREGOWE:

iRR

R1 R2 R3

321 RRRR

45

OPORNOŚĆ ZASTĘPCZA

POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE:

iRR

11

R1

R3

R2. .I=U/R1+U/R2+U/R3

I=U/R

I=I1+I2+I3

I/U=1/ R1 +1/ R2 +1/ R3

I/U=1/R

1/R =1/ R1 +1/ R2 +1/ R3

46

PRAWO OHMA DLA OBWODU

.. obcwewn RR

EI

21 RRIE

21 UUE

.1 wewnIRU

.2 obcIRU E

.wewnR

.obcR

.. wewnobc UEU

47

PRACA PRĄDU. ENERGIA.

JWs

UQL ItQ

UItL Jednostką pracy prądu elektrycznego (energii

elektrycznej) jest watosekunda:

VAsWs

48

MOC

Moc urządzenia to jego zdolność do wykonania pracy, tzn. stosunek ilości pracy do czasu w jakim została ona wykonana.

UIt

UItP

Jednostką mocy prądu elektrycznego jest wat.

s

JW

t

LP

49

MOC

RIP 2R

UP

2

R

PU

Podczas przepływu prądu przez opór na nim wydziela się ciepło. Moc stratna ciepło można wyznaczyć ze wzorów:

P

UR

2

UIP

50

POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

Kondensator a) symbol graficzny b) charakterystyka

Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem:

dt

duC

dt

dqi

Kondensator - element elektryczny (elektroniczny) zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem.

51


POJEMNOŚĆ KONDENSATORA PŁASKIEGO:

d

SkC

52


53


54


55

POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA

POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE:

iCC

1C

2C

3C 1

111 d

SkC

56

POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA

POŁĄCZENIE SZEREGOWE:

iCC

111C 2C 3C

1

111 d

SkC

57


U

QC

V

CF

V

AsF

Jednostką pojemności elektrycznej jest FARAD – [F].

QC

U 1

58

INDUKCYJNOŚĆ

sH

Cewka zwana również induktorem.

Jej właściwości opisuje indukcyjność własna L wyrażona stosunkiem wytworzonego w niej strumienia magnetycznego do natężenia płynącego przez nią prądu i.

iL

Jednostką indukcyjności jest henr :

A

VsH

59

INDUKCYJNOŚĆ

60

INDUKCYJNOŚĆ

dt

diL

dt

du

Cewka a) symbol graficzny b) charakterystyka

Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem w cewce:

61

PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

tIti cos0

tUtu cos0


62


tjIti exp0

tjUtu exp0

63

LICZBY ZESPOLONE

Jednostka urojona. 1j

Postać ogólna liczby zespolonej:

a j

64

LICZBY ZESPOLONE

Interpretacja geometryczna – punkt na płaszczyźnie

sinz

a j cosz

65

LICZBY ZESPOLONE

Postać trygonometryczna liczby zespolonej:

*(cos sin )a z j

Postać wykładnicza liczby zespolonej:

*expa z j

66

LICZBY ZESPOLONE

Przykłady liczb zespolonych:

13

1 3

1 12 cos sin

3 3

2j

a j

a j

a e

67

LICZBY ZESPOLONE

Działania algebraiczne na liczbach zespolonych:

Dodawanie i odejmowanie:

1 1 2 2 1 2 1 2j j j

68

LICZBY ZESPOLONE

Mnożenie:

1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2j j j

1 1 1 2 2 2

1 2 1 2 1 2

cos sin cos sin

cos sin

z j z j

z z j

69

LICZBY ZESPOLONE

Dzielenie:

1 1 1 2 1 2 2 1 1 2

2 2 2 22 2 2 2 2 2

jj

j

70


W podobny sposób mogą być opisywane obwody RLC dołączone do źródeł sygnału przemiennego.

71


72


Przepływ prądu przez oporność (R), indukcyjność (L) i pojemność (C) wywołuje spadki napięcia określone wzorami:

,

dt

tdiLtuL

.1

dttiC

tuc

tRituR

73

PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY).

W obwodzie zamkniętym:

dttiCdt

tdiLtRitu

1

Po podstawieniu:

Z – impedancja (zawada);

Część rzeczywistą Z nazywamy rezystancją (oporem czynnym - R), część urojoną – reaktancją (oporem biernym - X).

tjIti exp0

ZCj

LjRI

U

1

0

0

i wykonaniu działań, otrzymujemy:

74

OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO

Wzór pozwalający obliczyć zawadę Z jest uogólnieniem prawa Ohma na sygnały zmienne. Umożliwia wyznaczanie napięć i prądów w dowolnych sieciach zawierających elementy RLC.

Obliczenia algebraiczne dla złożonych obwodów RLC są żmudne.

Metoda graficzna znacznie ułatwia rozwiązywanie.

Rozważania te są słuszne tylko dla sygnałów opisywanych funkcjami harmonicznymi.

75

OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO

Impedancję Z, jak każdą liczbę zespoloną, można przedstawić jako wektor na płaszczyźnie zespolonej.

Kąt nachylenia wektora Z do osi rzeczywistej jest kątem przesunięcia fazowego między napięciem i natężeniem prądu.

76

SYGNAŁY

Każdy sygnał okresowy f(t) można przedstawić jako nieskończoną sumę funkcji harmonicznych o amplitudach An , częstościach kołowych nf (n jest liczbą naturalną) i przesunięciach fazowych n :

1

0 cosn

nfn tnAAtf

(zbiór trójek liczb An, nf,, n nazywany jest widmem sygnału f(t) a kolejne składowe n-tymi harmonicznymi).

TWIERDZENIE FOURIERA

77

SYGNAŁY

78

SYGNAŁY

Jeżeli funkcja f(t) nie jest okresowa, to jej widmo S(ω) nie ma charakteru dyskretnego:

jtj eSdtetfS

79

SYGNAŁY

Przykłady widm nieokresowych sygnałów f(t) .

80

SYGNAŁY

81

SYGNAŁY

WNIOSEK:

możliwa jest analiza obwodu RLC pobudzanego dowolnym sygnałem.

Analizy pracy dowolnego obwodu pobudzanego sygnałem niesinusoidalnym można dokonać analizując jego zachowanie dla kilku składowych ( o największych amplitudach ) sygnału.

82

OBWODY ELEKTRYCZNE

źródło prądowe - przez źródło płynie prąd o natężeniu I bez względu na obciążenie.

W celu ułatwienia teoretycznego opisu sterowania przepływem energii, w elektronice stosuje się dwa modele idealnych źródeł:

źródło napięciowe - napięcie na jego zaciskach jest równe E i nie zależy od wartości pobieranego prądu.

83

ZASADA THEVENINA

Każdą sieć elektryczną można zastąpić równoważnym układem składającym się z połączonych szeregowo: źródła napięciowego i impedancji wejściowej (wyjściowej) Zw.

84

ZASADA NORTONA

Każda sieć elektryczna może być przedstawiona w postaci równoważnego układu składającego się ze źródła prądowego i bocznikującej je impedancji (wejściowej lub wyjściowej).

85

ZASADY THEVENINA I NORTONA

umożliwiają analizowanie nawet najbardziej skomplikowanych układów elektronicznych za pomocą prostych układów zastępczych.

TWIERDZENIA THEVENINA I NORTONA

86

MODEL UKŁADU

Urządzenia widziane od strony wejścia nie zawierają żadnych źródeł i charakteryzuje je tylko impedancja wejściowa Zwe.

Od strony wyjścia każdy układ przedstawia sobą napięciowe źródło sygnału E lub źródło prądowe I i odpowiednią impedancję wyjściową Zwy.

87

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

BIERNE - sposób sterowania przepływem energii elektrycznej zakodowany jest w ich konstrukcji.

np.: oporniki, kondensatory, cewki indukcyjne (transformatory), linie przesyłowe.

CZYNNE - umożliwiają sterowanie przepływem energii elektrycznej za pomocą sygnału elektrycznego lub innego rodzaju

np.: diody, tranzystory, tyrystory, lampy elektronowe, fototranzystory .

88

OBWODY ELEKTRONICZNE

89

DZIELNIK NAPIĘCIA

21

2

RR

RUU wewy

221 R

U

RR

U wywe

90

DZIELNIK NAPIĘCIA

21

2

RR

RUU wewy

zwarciaI

rozwarciaUZw

1R

UI we

21

21

RR

RRZw

91

DZIELNIK NAPIĘCIA

92

MOSTEK REZYSTANCYJNY

4

3

2

1

R

R

R

R

gdy:

0WYU

93

MOSTEK REZYSTANCYJNY

94

GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RC

95


RCj

R

u

u

we

wy

/1

21 CR

CR

U

U

we

wy

71,02

1

we

wy

U

U1CRg

Stosunek amplitud tych napięć wynosi:

gdy:

Pulsację g nazywamy kołową częstością graniczną.RCg

1

96


Przyjmuje się, że pasmo przenoszenia tego układu rozciąga się od g do nieskończoności.

Często filtry RC charakteryzuje się podając tzw. stałą czasową:

RCg

1

Dla g przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wyjściowym a wejściowym wynosi /4 (45).

97


Zastosowania:

- kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych obwodów,

- przesuwanie fazy sygnałów,- modyfikowanie kształtów przebiegów elektrycznych,- w urządzeniach wielostopniowych jako układy

sprzężenia pojemnościowego.

98

GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTRY RC

99

DOLNOPRZEPUSTOWY FILTR RC

Ru

u

we

wy

Cj/1

Cj/1

21

1

RCU

U

we

wy

Dla g przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami wyjściowym i wejściowym wynosi 45:

71,02

1

we

wy

U

U

100

DOLNOPRZEPUSTOWY FILTR RC

Zastosowania:

- w układach kształtowania charakterystyk częstotliwościowych,

- jako przesuwnik fazowy,- w układach formowania przebiegów elektrycznych,- do uśredniania w czasie przebiegów elektrycznych .

101

SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

Gdy:

CjLjR

tuti

1

22

00

1

CLR

UI

R

UIR

0LC

10

102


C

L

RRCR

L

U

U

U

UQ Lc 11

0

0

00

103


P

W

TRI

LI

R

LQ m

R

R 2

21

21

2

02

0

104


Dobroć Q układu rezonansowego wyraża

stosunek energii zmagazynowanej:

do mocy traconej

20

2 LIW R

m

2

2RIP R

0

2

Tw ciągu jednego okresu drgań.

105


106

RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWY

107


gdy: RC 0 oraz RL<<L

2

2

0D

L

CRLLC

CRL

220

2

20

LR

LCRRI

L

CLR

LC

10

DL RL

CR

108


Dobroć obwodu:

R

LQ 00

109

FILTRY RC

110

FILTRY RC

111

FILTRY RC

112

OBWODY ELEKTRYCZNE

Układ nazywamy liniowym, jeżeli dla każdej częstości kołowej doprowadzony do wejścia sygnał opisywany funkcją harmoniczną:

tAtfWE cos

na wyjściu wytworzy sygnał opisywany również funkcją harmoniczną:

Obwód liniowy.

tAktfWY cos

gdzie: k() jest transmitancją układu - funkcją zespoloną niezależną od czasu.

Moduł funkcji k() nazywamy CHARAKTERYSTYKĄ CZĘSTOTLIWOŚCIOWĄ, a zależność kąta fazowego od częstotliwości – CHARAKTERYSTYKĄ FAZOWĄ.

113

WIDMO SYGNAŁU

UKŁADY NIELINIOWE.

Sygnał wejściowy:

Sygnał wyjściowy:

tAswe cos

tnAksn

nwy cos0

nn

nnwe

nnwy tADsDs

cos00

114

OBWODY NIELINIOWE

Dioda: a) symbol, b) charakterystyka.

1exp

kT

UIUI G

UwsUIn

n

0

115

OBWODY NIELINIOWE

Element nieliniowy w obwodzie szeregowym.

116

OBWODY NIELINIOWE

Graficzne rozwiązanie układu.

117

POWIELANIE CZĘSTOTLIWOŚCI

118

MIESZANIE CZĘSTOTLIWOŚCI

119

MODULACJA AMPLITUDY

ttmUtUtU coscos2

1sin 00

120

MODULACJA AMPLITUDY

Kształt fali zmodulowanej amplitudowo i jej widmo.

121

MODULACJA AMPLITUDY

gdzie: ω - pulsacja fali nośnej, Ω - częstość kołowa fali modulującej, m - współczynnik głębokości modulacji ( 0 < m < 1 ).

Schemat blokowy radiostacji AM.

ttmUtu sinsin10

122

DETEKCJA AM.

Schemat blokowy odbiornika detektorowego.

123

ODBIORNIK SUPERHETERODYNOWY

Schemat ideowy odbiornika superheterodynowego.

Documents

dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM