Elektryczność-prąd stały Temat i plan wykładu Jakub Dawidziuk Elektryczność-prąd stały Praca i moc prądu stałego Dzielnik napięcia i prądu Kondensatory Cewki indukcyjne Podstawowe parametry elementów biernych ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKIA – Jakub Dawidziuk piątek, 24 marca 2017 1

Repetio est mater studiorum POWTÓRKA KANONÓW PRAW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKIA – Jakub Dawidziuk piątek, 24 marca 2017 2

Definicja prądu elektrycznego Electron + - I kulomb=amperosekunda 1A=1C/1s 1C stanowi 6,28×1018 elektronów

Opór elektryczny-rezystancja Opór elektryczny (rezystancja) to wynik oddziaływania elektronów przewodnictwa z jonami sieci krystalicznej. ρ - opór właściwy (rezystywność), G - przewodność (konduktancja), przewodność właściwa (konduktywność)

Napięcie Napięcie (symbol U lub E) jest różnicą potencjału elektrycznego między dwoma wybranymi punktami i jest wyrażane w woltach (V). 1V jest to różnica potencjałów (napięcie), przy której dla przesunięcia w obwodzie ładunku elektrycznego o wartości 1C (6,28∙1018 elektronów) prąd elektryczny wykona pracę 1J (Ws). Napięcie jest pracą przypadającą na jednostkowy ładunek. UEB = 5V oznacza, że między punktami E i B występuje napięcie 5V. Punkt E ma potencjał elektryczny dodatni (lub wyższy) względem punktu B. UC= 5 V oznacza, że między punktem C a wspólnym punktem odniesienia (“masą”) występuje napięcie o wartości 5 V.

Prawo Ohma Natężenie prądu płynącego w obwodzie jest wprost proporcjonalne do napięcia zasilającego obwód i odwrotnie proporcjonalne do oporu tego obwodu.

PPK (I) prawo Kirchhoffa węzeł I2=I1+I3+I4 I1+I3+I4-I2=0

NPK (II) prawo Kirchhoffa U1 U2 U5 U3 U4 oczko sieci

NPK (II) prawo Kirchhoffa U1 + _ E U2 U3

Łączenie oporników R1 R2 R3 szeregowe R1 równoległe R2

Repetitio est mater studiorum Powtarzanie jest matką wiedzy 11

Praca i moc prądu Praca=energia prądu elektrycznego stałego [Ws] watosekunda Moc prądu elektrycznego stałego [W] wat

Sprawność urządzeń elektrycznych. Sprawność urządzenia elektrycznego: Oznaczenia:  - sprawność urządzenia elektrycznego; PZ - moc zużyta do przez urządzenie; PP - moc pobrana przez urządzenie.

Dzielnik napięcia

Dzielnik napięcia… inaczej U R1 R2 I U2 Przykład: U = 12V, R1 = 4k, R2 = 8k I = 12V/12k = 1mA U2 = 1mA∙8k = 8 V

Dzielnik napięcia… inaczej zwróć uwagę! U R1 R2 I U2 12V 4k U2=8V 8k

Dzielnik napięcia Bez obciążenia Przy obciążeniu oporem R R1 zasilacz V R1 R2 zasilacz odbiornik (R) Uwe Uwy Bez obciążenia Przy obciążeniu oporem R

Dzielnik prądu

Kondensator Kondensatorem nazywamy układ dwóch przewodników oddzielonych od siebie izolatorem. Jeżeli do układu tego doprowadzimy napięcie to na okładkach zgromadzą się ładunki jednakowe co do wartości lecz o przeciwnych znakach. Ilość zgromadzonego ładunku zależy od przyłożonego napięcia U i cech konstrukcyjnych kondensatora określanych przez pojemność C. 1 mF = 10-3 F 1 µF = 10-6 F 1 nF = 10-9 F 1 pF = 10-12 F Jednostką pojemności jest Farad (1F).

Kondensator płaski Kondensator płaski składa się z dwóch okładek o polu powierzchni S, znajdujących się w odległości d. Okładki mają na swych wewnętrznych powierzchniach ładunki o takich samych wartościach q, ale o przeciwnych znakach. Pole elektryczne wytworzone przez naładowane okładki jest jednorodne w środkowym obszarze między okładkami, przy krawędziach jest niejednorodne.

Pojemność kondensatora płaskiego Zakładamy, że powierzchnie okładzin są duże, a odległość między nimi niewielka. Sprawia to, że pole elektryczne wytwarzane jest tylko pomiędzy okładkami i jest to pole równomierne. Rozważając powierzchnię Gaussa zaznaczoną na rysunku możemy napisać: Z drugiej strony, ponieważ pole jest równomierne, możemy napisać Uwzględniając obie zależności i dokonując przekształceń otrzymujemy wzór na pojemność kondensatora płaskiego

Kondensator +Q -Q U C

Połączenie równoległe kondensatorów Napięcie na każdym z kondensatorów jest jednakowe. Q=Q1+Q2+Q3 C*U=C1*U+C2*U+C3*U Pojemność wypadkowa układu: C=C1+C2+C3 C - pojemność wypadkowa układu; C1,C2,C3 - pojemności poszczególnych kondensatorów; U - różnica potencjałów (napięcie); Q1,Q2,Q3 - ładunek zgromadzony na poszczególnych kondensatorach. Trzy kondensatory połączone równolegle do źródła napięcia. Równoważny kondensator zastępuje układ połączonych kondensatorów.

Połączenie szeregowe kondensatorów Ładunek na każdym z kondensatorów jest jednakowy. Pojemność wypadkowa układu: C - pojemność wypadkowa układu; C1,C2,C3 - pojemności poszczególnych kondensatorów; U - różnica potencjałów (napięcie); U1,U2,U3 - różnice potencjałów na poszczególnych kondensatorach; Q - ładunek zgromadzony na każdym kondensatorze. Trzy kondensatory połączone szeregowo. Równoważny kondensator zastępuje układ połączonych kondensatorów.

Energia kondensatora Energia zmagazynowana w kondensatorze: Oznaczenia C - pojemność kondensatora; U - różnica potencjałów (napięcie); Q - ładunek zgromadzony na okładkach kondensatora; E – energia.

Cewka indukcyjna L U I H - henr

Amperomierz i woltomierz Różnią się oporem wewnętrznym: woltomierz rzędu M,G, amperomierz rzędu , m.

Amperomierz i woltomierz

Siła elektromotoryczna (SEM) a rzeczywiste źródło napięcia

Źródła napięciowe idealne są dwójnikami aktywnymi, które na zaciskach utrzymują stałe napięcie niezależnie od pobieranego natężenia prądu. Źródło napięciowe rzeczywiste charakteryzuje się występowaniem spadku napięcia przy wzroście prądu. Schemat zastępczy źródła rzeczywistego składa się z szeregowego połączenia źródła idealnego i rezystancji wewnętrznej. E R w o I U W I Uo E

Przekształcanie źródła napięcia w równoważne mu źródło prądu

Przekształcanie źródła napięcia w równoważne mu źródło prądu

Elementy układów elektronicznych Temat i plan wykładu Elementy układów elektronicznych Elementy bierne Elementy aktywne: półprzewodnikowe, próżniowe Elementy optoelektroniczne ELEKTRONIKIA – Jakub Dawidziuk piątek, 24 marca 2017 33

Rezystory Jest elementem liniowym: spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. Występuje na nim spadek napięcia. W obwodzie służy do ograniczenia prądu płynącego w obwodzie. Jednostką rezystancji jest Ohm Podział rezystorów: a) drutowe (konstantan, manganian, nikielina), b) warstwowe (grubowarstwowe, cienkowarstwowe), c) objętościowe (prąd płynie całą objętością). drutowe: zwykłe, cementowane, emaliowane, warstwowe – węglowe. c) objętościowe

Parametry rezystorów rezystancja nominalna - rezystancja podawana przez producenta na obudowie opornika; rezystancja rzeczywista różni się od rezystancji nominalnej, jednak zawsze mieści się w podanej klasie tolerancji. tolerancja - inaczej klasa dokładności; podawana w procentach możliwa odchyłka rzeczywistej wartości opornika od jego wartości nominalnej moc znamionowa - moc jaką opornik może przez dłuższy czas wydzielać w postaci ciepła bez wpływu na jego parametry; przekroczenie tej wartości może prowadzić do zmian innych parametrów rezystora lub jego uszkodzenia, napięcie graniczne - maksymalne napięcie jakie można przyłożyć do opornika bez obawy o jego zniszczenie, temperaturowy współczynnik rezystancji - współczynnik określający zmiany rezystancji pod wpływem zmian temperatury opornika.

REZYSTORY

Rodzaje rezystorów Stałe Zmienne (potencjometry) variable resistors used to vary voltage (volume control) or current (LED intensity) Size of resistor is proportional to power rating Zmienne (potencjometry)

Resistors – Colour Code colour bands normally start towards one end Reproduced by permission of Tony van Roon, 2002 http://www.uoguelph.ca/~antoon

Resistors – Colour Code Example 1st band: orange = 3 2nd band: orange = 3 3rd band: red = 2 (i.e. 102) 4th band: gold = 5% 33 x 102 = 3300 Ω = 3.3 kΩ

Resistors – 5 Band Colour Code Only applies for precision resistors (1% or better) A 6th band would designate the temperature coefficient

Typowe zakresy mocy rezystorów

Kondensatory Kondensatorem nazywamy układ dwóch lub więcej przewodników (okładzin) odizolowanych od siebie dielektrykiem. Zadaniem kondensatora jest gromadzenie ładunków elektrycznych. Mikowe Ceramiczne Papierowe Polistyrenowe Poliestrowe Poliwęglanowe Elektrolityczne Cienkowarstwowe (napylane) Monolityczne (półprzewodnikowe) Aluminiowe Tantalowe

Parametry kondensatorów pojemność znamionowa - CN wyrażona w faradach, określa zdolność kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych, podawana na obudowie kondensatora; napięcie znamionowe – UN, jest największym napięciem, które może być przyłożone trwale do kondensatora. Napięcie to jest na ogół sumą napięcia stałego i wartości szczytowej napięcia zmiennego.

KONDENSATORY

SUPERKONDENSATORY

Superkondensatory-samochody są stosowane w module hamulcowym hybrydowego samochodu Toyota Prius użyto ich w hybrydowym samochodzie VW z ogniwami paliwowymi, zastosowane są także w opracowywanych od lat samochodach Honda Civic IMA i FCX-V3, znajdują się we wprowadzonej przez firmę Nissan do sprzedaży w Japonii hybrydowej ciężarówce elektryczno-dieslowskiej z hamowaniem regeneracyjnym i wspomaganiem rozruchu, zostały zastosowane w lansowanym przez firmę Man elektryczno-dieslowskim autobusie miejskim z regeneracyjnym systemem hamulcowym, w wersji na napięcie 200V zostały użyte w hybrydowym BMW X5 do hamowania regeneracyjnego.

Kondensatory zmienne Kondensatory o zmiennej pojemności to kondensatory z dielektrykiem powietrznym lub kondensatory ceramiczne dostrojcze zwane trymerami, Kondensator powietrzny zbudowany jest z dwóch zespołów równoległych płytek (rotor i stator), które zmieniając swe położenie powodują zmianę wartości pojemności kondensatora.

Kondensator strojeniowy - agregat Kondensatory zmienne Kondensator strojeniowy - agregat Trymer ceramiczny

Indukcyjność Podstawowym parametrem elektrycznym opisującym cewkę jest indukcyjność. Jednostką indukcyjności jest 1 henr [H]. Prąd płynący w obwodzie wytwarza skojarzony z nim strumień magnetyczny. Indukcyjność definiujemy jako stosunek tego strumienia i prądu, który go wytworzył. L=Ψ/I

Cewka indukcyjna, dławik Cewka jest elementem wnoszącym do obwodu określoną indukcyjność. Cewka składa się z uzwojenia, korpusu wykonanego z izolatora oraz z rdzenia. Jednostką indukcyjności jest henr. PODZIAŁ CEWEK - ze względu na kształt cewki      CYLINDRYCZNE      SPIRALNE      TOROIDALNE (PIERŚCIENIOWE) - ze względu na sposób nawinięcia      JEDNOWARSTWOWE      WIELOWARSTWOWE -ze względu na rdzeń      POWIETRZNE      RDZENIOWE (metalowy, ferrytowy) - ze względu na zmianę      STAŁE (jedno obrotowe, wieloobrotowe)      ZMIENNE (wariometr zmiana poprzez położenie cewek, zmiana położenia rdzenia).

Cewki i dławiki Elementy indukcyjne tj. cewki i dławiki stosuje się w obwodach, których własności zależą od częstotliwości. Zwykle wykonane są one w postaci pewnej ilości zwojów drutu miedzianego, nawiniętego na rdzeniu magnetycznym, lub bez rdzenia. Produkuje się wiele różnych rodzajów elementów, o indukcyjności od kilku nanohenrów (nH) do dziesiątków henrów (H).

Cewki i dławiki