Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM "Podstawy Elektroniki"

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM "Podstawy Elektroniki""— Zapis prezentacji:

1

2 dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM "Podstawy Elektroniki"

3 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.

4 3 WSTĘP

5 4 HISTORIA ELEKTROTECHNIKI około 600 lat p.n.e znane były (Grecja) właściwości rudy żelaznej (Fe 3 O 4 ) - 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,

6 5 HISTORIA ELEKTROTECHNIKI 1819 odkrycie działania prądu na igłę magnetyczną przez fizyka duńskiego Hansa Oersteda, - związek pomiędzy polem elektrycznym i magnetycznym, 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,

7 6 Przedrostki układu SI PrzedrostekOznaczenieMnożnik eksaE10 18 = petaP10 15 = teraT10 12 = gigaG10 9 = megaM10 6 = kilok10 3 = hektoh10 2 = 100 dekada10 1 = 10 decyd10 -1 = 0,1 centyc10 -2 = 0,01 milim10 -3 = 0,001 mikro = 0, nanon10 -9 = 0, pikop = 0, femtof = 0, attoa = 0,

8 7 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKI I. LAMPA ELEKTRONOWA. Powstały urządzenia: radiowe (nadawcze i odbiorcze), elektroakustyczne, radiolokacyjne; rozwinięto miernictwo elektroniczne r. – pierwsza lampa elektronowa – dioda (dwuelektrodowa z żarzoną katodą) J.A. Fleming (fizyk angielski) r. – lampa elektronowa z siatką sterującą (trioda) Lee de Forest (inżynier amerykański) r. – opracowanie zasad odbioru heterodynowego E.H. Armstrong r. – projekt pierwszej elektronicznej maszyny cyfrowej J.W. Mauchly i I.P.Eckert.

9 8 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKI Szkic konstrukcji diody próżniowej. AZ 4

10 9 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKI EL84 Trioda Lee DeForesta z 1906 r.

11 10 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKI II. TRANZYSTOR uOdkrycie półprzewodników oraz wdrożenie produkcji elementów półprzewodnikowych spowodowało gwałtowny rozwój elektroniki. uAutomatyzacja produkcji spowodowała poprawę jakości oraz zwiększenie asortymentu wyrobów r. – tranzystor bipolarny ( Barden, Brattain i Shockley ) r. – tranzystor polowy (unipolarny), 1958 r. – tyrystor.

12 11 Etap II. TRANZYSTORY 23 XII 1947

13 12 Etap II. TRANZYSTORY

14 13 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKI 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

15 14 Etap III. UKŁADY SCALONE 1958 r. – bipolarny układ scalony ( KILBY ). W Polsce pierwszy układ scalony wyprodukowano w 1961 r r. – laser półprzewodnikowy, 1968 r. – polowy (unipolarny układ scalony),

16 15 Etap III. UKŁADY SCALONE 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)

17 16 Etap III. UKŁADY SCALONE

18 17 Etap III. UKŁADY SCALONE

19 18 UKŁADY SCALONE 1961 RTL

20 19 UKŁADY SCALONE tranzystorów Intel mm 2

21 20 55 mln tranzystorówPentium GHz UKŁADY SCALONE

22 21 PODSTAWOWE PRAWA W układach elektronicznych obserwuje się i analizuje dwie wielkości: napięcie ( U ) oraz natężenie prądu elektrycznego ( I ).

23 22 Podstawowe prawa PRĄD ELEKTRYCZNY = UPORZĄDKOWANY RUCH ŁADUNKÓW ELEKTRYCZNYCH. I

24 23 ŁADUNEK ELEKTRYCZNY ( Q ) Jednostka ładunku jest Kulomb [ C ]. e jest ładunkiem elementarnym = ładunkowi elektronu.

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

26 25 NATĘŻENIE PRĄDU ( I )

27 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 ].

28 27 NAPIĘCIE ( U ) NAPIĘCIE - Różnica potencjałów. Jednostką napięcia jest wolt [ V ]. Pomiędzy punktami panuje napięcie 1 V, gdy praca wykonana przy przesunięciu ładunku 1 C wynosi 1 J. Napięcie oznaczane jest zwykle literą U. Napięcie między punktami A i B jest oznaczane jako U AB. Uzgodniono, że napięcie U AB jest dodatnie, gdy punkt A ma potencjał wyższy od punktu B.

29 28 PRAWO OHMA W danym przewodniku, natężenie prądu jest proporcjonalne do napięcia na jego końcach. PRAWO OHMA

30 29 PRAWO OHMA gdzie: ~

31 30 PRAWO OHMA

32 31 PRAWO OHMA natężenie prądu I w przewodniku jest i odwrotnie proporcjonalne do jego oporności R. wprost proporcjonalne do napięcia U na jego końcach

33 32 PRAWO OHMA płynący w przewodniku (oporniku) prąd wywołuje spadek napięcia proporcjonalny do oporności przewodnika

34 33 PRAWO OHMA stosunek napięcia na końcach przewodnika do natężenia płynącego w nim prądu jest stały

35 34 PRAWO OHMA Oporność przewodnika zależy od rodzaju materiału ( ); jest wprost proporcjonalna do jego długości ( l ) i odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego ( S ).

36 35 PRAWO OHMA Temperaturową zmianę oporności opisuje wzór: gdzie: R T - rezystancja w temperaturze T ; R To - rezystancja w temperaturze T 0 = 293 K (20 °C); - współczynnik temperaturowy (jednostka 1/K).

37 36 OPORNOŚĆ

38 37 OPORNOŚĆ

39 38 OPORNOŚĆ

40 39 OPORNOŚĆ

41 40 PARAMETRY REZYSTORÓW Rezystancja nominalna Tolerancja (klasa dokładności) Moc znamionowa Napięcie graniczne Temperaturowy współczynnik rezystancji Współczynnik szumów

42 41 PRAWA KIRCHHOFFA Suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów z niego wypływających. Pierwsze prawo Kirchhoffa: Suma prądów w węźle jest równa zero. R1R1 R2R2 R3R3 I2I2 I1I1 I3I3 A. Węzłem jest punkt A. Prądy wpływające do węzła mają znak dodatni, a wypływające znak ujemny.

43 42 PRAWA KIRCHHOFFA W obwodzie zamkniętym (oczku) suma napięć jest równa zeru. Drugie prawo Kirchhoffa:

44 43 POMIAR AMPEROMIERZ VOLTOMIERZ

45 44 OPORNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE SZEREGOWE: R1R1 R2R2 R3R3

46 45 OPORNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE: R1R1 R3R3 R2R2.. I=U/R 1 +U/R 2 +U/R 3 I=U/R I=I 1 +I 2 +I 3 I/U=1/ R 1 +1/ R 2 +1/ R 3 I/U=1/R 1/R =1/ R 1 +1/ R 2 +1/ R 3

47 46 PRAWO OHMA DLA OBWODU

48 47 PRACA PRĄDU. ENERGIA. Jednostką pracy prądu elektrycznego (energii elektrycznej) jest watosekunda:

49 48 MOC Moc urządzenia to jego zdolność do wykonania pracy, tzn. stosunek ilości pracy do czasu w jakim została ona wykonana. Jednostką mocy prądu elektrycznego jest wat.

50 49 MOC Podczas przepływu prądu przez opór na nim wydziela się ciepło. Moc stratna ciepło można wyznaczyć ze wzorów:

51 50 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA Kondensator a) symbol graficzny b) charakterystyka Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem: Kondensator - element elektryczny (elektroniczny) zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem.

52 51 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA POJEMNOŚĆ KONDENSATORA PŁASKIEGO:

53 52 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

54 53 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

55 54 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

56 55 POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE:

57 56 POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE SZEREGOWE:

58 57 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA Jednostką pojemności elektrycznej jest FARAD – [ F ].

59 58 INDUKCYJNOŚĆ Cewka zwana również induktorem. Jej właściwości opisuje indukcyjność własna L wyrażona stosunkiem wytworzonego w niej strumienia magnetycznego do natężenia płynącego przez nią prądu i. Jednostką indukcyjności jest henr :

60 59 INDUKCYJNOŚĆ

61 60 INDUKCYJNOŚĆ Cewka a) symbol graficzny b) charakterystyka Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem w cewce:

62 61 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

63 62 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

64 63 LICZBY ZESPOLONE lJednostka urojona. lPostać ogólna liczby zespolonej:

65 64 LICZBY ZESPOLONE lInterpretacja geometryczna – punkt na płaszczyźnie

66 65 LICZBY ZESPOLONE lPostać trygonometryczna liczby zespolonej: lPostać wykładnicza liczby zespolonej:

67 66 LICZBY ZESPOLONE lPrzykłady liczb zespolonych:

68 67 LICZBY ZESPOLONE lDziałania algebraiczne na liczbach zespolonych: Dodawanie i odejmowanie:

69 68 LICZBY ZESPOLONE Mnożenie:

70 69 LICZBY ZESPOLONE Dzielenie:

71 70 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY) W podobny sposób mogą być opisywane obwody RLC dołączone do źródeł sygnału przemiennego.

72 71 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

73 72 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY) Przepływ prądu przez oporność (R), indukcyjność (L) i pojemność (C) wywołuje spadki napięcia określone wzorami:

74 73 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY). W obwodzie zamkniętym: Po podstawieniu: Z – impedancja (zawada); Część rzeczywistą Z nazywamy rezystancją (oporem czynnym - R), część urojoną – reaktancją (oporem biernym - X). i wykonaniu działań, otrzymujemy:

75 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.

76 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.

77 76 SYGNAŁY Każdy sygnał okresowy f(t) można przedstawić jako nieskończoną sumę funkcji harmonicznych o amplitudach A n, częstościach kołowych n f (n jest liczbą naturalną) i przesunięciach fazowych n : (zbiór trójek liczb A n, n f,, n nazywany jest widmem sygnału f(t) a kolejne składowe n-tymi harmonicznymi ). TWIERDZENIE FOURIERA

78 77 SYGNAŁY

79 78 SYGNAŁY Jeżeli funkcja f(t) nie jest okresowa, to jej widmo S(ω) nie ma charakteru dyskretnego:

80 79 SYGNAŁY Przykłady widm nieokresowych sygnałów f(t).

81 80 SYGNAŁY

82 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.

83 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.

84 83 ZASADA THEVENINA Każdą sieć elektryczną można zastąpić równoważnym układem składającym się z połączonych szeregowo: źródła napięciowego i impedancji wejściowej (wyjściowej) Z w.

85 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).

86 85 ZASADY THEVENINA I NORTONA umożliwiają analizowanie nawet najbardziej skomplikowanych układów elektronicznych za pomocą prostych układów zastępczych. TWIERDZENIA THEVENINA I NORTONA

87 86 MODEL UKŁADU Urządzenia widziane od strony wejścia nie zawierają żadnych źródeł i charakteryzuje je tylko impedancja wejściowa Z we. Od strony wyjścia każdy układ przedstawia sobą napięciowe źródło sygnału E lub źródło prądowe I i odpowiednią impedancję wyjściową Z wy.

88 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.

89 88 OBWODY ELEKTRONICZNE

90 89 DZIELNIK NAPIĘCIA

91 90 DZIELNIK NAPIĘCIA

92 91 DZIELNIK NAPIĘCIA

93 92 MOSTEK REZYSTANCYJNY gdy:

94 93 MOSTEK REZYSTANCYJNY

95 94 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RC

96 95 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RC Stosunek amplitud tych napięć wynosi: gdy: Pulsację g nazywamy kołową częstością graniczną.

97 96 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RC Przyjmuje się, że pasmo przenoszenia tego układu rozciąga się od g do nieskończoności. Często filtry RC charakteryzuje się podając tzw. stałą czasową : Dla g przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wyjściowym a wejściowym wynosi /4 (45 ).

98 97 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RC Zastosowania: -kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych obwodów, -przesuwanie fazy sygnałów, -modyfikowanie kształtów przebiegów elektrycznych, -w urządzeniach wielostopniowych jako układy sprzężenia pojemnościowego.

99 98 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTRY RC

100 99 DOLNOPRZEPUSTOWY FILTR RC Dla g przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami wyjściowym i wejściowym wynosi 45 :

101 100 DOLNOPRZEPUSTOWY FILTR RC Zastosowania: -w układach kształtowania charakterystyk częstotliwościowych, -jako przesuwnik fazowy, -w układach formowania przebiegów elektrycznych, -do uśredniania w czasie przebiegów elektrycznych.

102 101 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY Gdy:

103 102 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

104 103 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

105 104 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY Dobroć Q układu rezonansowego wyraża stosunek energii zmagazynowanej: do mocy traconej w ciągu jednego okresu drgań.

106 105 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

107 106 RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWY

108 107 RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWY gdy: R C 0 oraz R L << L

109 108 RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWY Dobroć obwodu:

110 109 FILTRY RC

111 110 FILTRY RC

112 111 FILTRY RC

113 112 OBWODY ELEKTRYCZNE Układ nazywamy liniowym, jeżeli dla każdej częstości kołowej doprowadzony do wejścia sygnał opisywany funkcją harmoniczną: na wyjściu wytworzy sygnał opisywany również funkcją harmoniczną: Obwód liniowy. gdzie: k( ) jest transmitancją układu - funkcją zespoloną niezależną od czasu. Moduł funkcji k( ) nazywamy CHARAKTERYSTYKĄ CZĘSTOTLIWOŚCIOWĄ, a zależność kąta fazowego od częstotliwości – CHARAKTERYSTYKĄ FAZOWĄ.

114 113 WIDMO SYGNAŁU UKŁADY NIELINIOWE. Sygnał wejściowy: Sygnał wyjściowy:

115 114 OBWODY NIELINIOWE Dioda: a) symbol, b) charakterystyka.

116 115 OBWODY NIELINIOWE Element nieliniowy w obwodzie szeregowym.

117 116 OBWODY NIELINIOWE Graficzne rozwiązanie układu.

118 117 POWIELANIE CZĘSTOTLIWOŚCI

119 118 MIESZANIE CZĘSTOTLIWOŚCI

120 119 MODULACJA AMPLITUDY

121 120 MODULACJA AMPLITUDY Kształt fali zmodulowanej amplitudowo i jej widmo.

122 121 MODULACJA AMPLITUDY gdzie: ω - pulsacja fali nośnej, Ω - częstość kołowa fali modulującej, m - współczynnik głębokości modulacji ( 0 < m < 1 ). Schemat blokowy radiostacji AM.

123 122 DETEKCJA AM. Schemat blokowy odbiornika detektorowego.

124 123 ODBIORNIK SUPERHETERODYNOWY Schemat ideowy odbiornika superheterodynowego.


Pobierz ppt "dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM "Podstawy Elektroniki""

Podobne prezentacje


Reklamy Google