Celem jest przedstawienie zasadniczych treści wykładu: podstaw elektryczności, obwodów elektrycznych, elementów biernych, przyrządów półprzewodnikowych, układów elektronicznych. Elektrotechnika i elektronika – Jakub Dawidziuk niedziela, 3 listopada 2013 Elektrotechnika i elektronika

Kierunek przepływu prądu

natężenie prądu ładunek czas przepływu ładunku Jednostką natężenia prądu jest amper. Definicja prądu elektrycznego

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 (symbol U lub E) jest różnicą potencjałów elektrycznych 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, elektronów) prąd elektryczny wykona pracę 1J (Ws). Napięcie jest pracą przypadającą na jednostkowy ładunek. U EB = 5V oznacza, że między punktami E i B występuje napięcie 5V. Punkt E ma potencjał elektryczny dodatni (lub wyższy) względem punktu B. U C = 5 V oznacza, że między punktem C a wspólnym punktem odniesienia (masą) występuje napięcie o wartości 5 V. Napięcie

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

. Prawo Ohma U=RI R I U

PPK (I) prawo Kirchhoffa I 2 =I 1 +I 3 +I 4 I2I2 I1I1 I4I4 I3I3 węzeł 7A=1A+2A+4A

NPK (II) prawo Kirchhoffa U1U1 + _ E + _ +_+_ U2U2 _ + U3U3 15V=20V+3V-8V

Łączenie oporników R1R1 R2R2 R3R3 R1R1 R2R2 szeregowe równoległe

Dzielnik napięcia U R1R1 R2R2 I U2U2 Przykład: U = 12V, R 1 = 4k, R 2 = 8k I = 12V/12k = 1mA U 2 = 1mA8k = 8 V

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

Sprawność urządzeń elektrycznych Sprawność urządzenia elektrycznego: - sprawność urządzenia elektrycznego, P Z - moc otrzymana z danego urządzenia, P P - moc doprowadzona do danego urządzenia.

Kondensator +Q -Q U C

Połączenie równoległe kondensatorów Pojemność wypadkowa układu: C=C 1 +C 2 +C 3 Trzy kondensatory połączone równolegle do źródła napięcia. Równoważny kondensator zastępuje układ połączonych kondensatorów.

Połączenie szeregowe kondensatorów Pojemność wypadkowa układu: Trzy kondensatory połączone szeregowo do źródła napięcia. 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

Energia pola magnetycznego Prąd przepływający przez cewkę nie może zmieniać się skokowo. Energia magnetyczna nagromadzona w cewce z prądem:

Amperomierz i woltomierz

Prąd okresowy

Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalny

Współczynnik amplitudy i współczynnik kształtu

diody półprzewodnikowe, tranzystory bipolarne, tyrystory konwencjonalne, tyrystory wyłączalne, tranzystory polowe mocy, tranzystory IGBT, ulepszone przyrządy mocy sterowane napięciowo, układy scalone analogowe i cyfrowe. Rodzaje przyrządów półprzewodnikowych

Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz prądy w złączu

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zakres zaporowy Zakres przewodzenia

Typowe parametry diod małej mocy Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej wynoszą: - dioda krzemowa I S =10 pA, mU T =30 mV, I F(AV) =100 mA, - dioda germanowa I S =100 nA, mU T =30 mV, I F(AV) =100 mA, - U RM =30 V – 50 V. Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia U F dla prądu przewodzenia I F =0,1·I Fmax. Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V. Koniec W4

Symbole graficzne

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera

Charakterystyki diod Zenera

Wartości katalogowe U Z - napięcie Zenera r z - rezystancja różniczkowa (Zenera) I zmax - prąd maksymalny P zmax – maksymalna moc rozproszenia P zmax = I zmax U z

Złącze metal-półprzewodnik Tranzystor Schottkyego

Prostowniki sieciowe prostowniki przekształcają napięcie przemienne na napięcie stałe, wartość stałego napięcia wyjściowego jest regulowana przez ustalenie odpowiedniego wejściowego napięcia przemiennego, dzielone są na układy jednopołówkowe (jednopulsowe) i dwupołówkowe (dwupulsowe), najczęstsze zastosowania to zasilacze sieciowe i urządzenia do ładowania akumulatorów.

Prostowniki sieciowe - symbole

Prostownik jednopołówkowy obciążenie R podczas dodatniej półfali dioda przewodzi, podczas ujemnej półfali dioda jest blokowana, kształt prądu diody powtarza kształt napięcia na obciążeniu.

Prostownik jednopołówkowy RC Q = I 0 T Q = C ΔU C ΔU = I 0 T C = I 0 / f ΔU T=1/f

Prostownik dwupołówkowy z wyprowadzonym punktem środkowym transformatora układ wymaga transformatora z wyprowadzonym punktem środkowym prostowana jest zarówno dodatnia i ujemna fala napięcia zasilającego gabaryty transformatora są dwa razy mniejsze w porównaniu z prostownikiem jednofazowym dla takich samych I 0 i pulsacji u0u0

Prostownik mostkowy pełnookresowy (dwupulsowy) usus może być użyty bez transformatora diody przewodzą podczas dodatnich i ujemnych półfal napięcia zasilającego, pojemność kondensatora filtrującego dwa razy mniejsza niż w 1f, dla tych samych Io i ΔU (dlaczego?)

Prostownik napięć symetrycznych + _ + _

Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję. Tranzystor

Tranzystory (ang. TRANSISTOR = TRANSfer resISTORs) Tranzystory bipolarne i unipolarne BIPOLARNE (BJT – Bipolar Junction Transistor) STEROWANE PRĄDOWO, czyli aby I C 0 musi I B 0 UNIPOLARNE (FET – Field Effect Transistor) STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYM występującym pomiędzy bramką i źródłem, czyli napięciem U GS wytwarzającym to pole, ale I G 0 Podział

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego npn

Zastosowania tranzystorów

Tranzystor bipolarny (BJT) npn – układy połączeń

Polaryzacja normalna tranzystora i C =βi B Tranzystor pracuje jako wzmacniacz prądowy. U CB U BE U CE przewodzi zatkane Nie mylić prądu kolektora I C z prądem diody baza-kolektor. IBIB ICIC

Charakterystyki U-I tranzystora npn w konfiguracji OE U CEsat - parametr katalogowy, podawany przy określonej wartości I C oraz I B. U CEsat = 0,2 ÷2V Tranzystory małej mocy Tranzystory mocy

przekroczenie grozi uszkodzeniem Parametry graniczne tranzystora U CE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter U EB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter U CB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza I Cmax - maksymalny prąd kolektora I Bmax - maksymalny prąd bazy P strmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

O takich układach mówi się również: układy zasilania tranzystorów czy też układy ustalania punktów pracy. Układy te mają za zadanie nie tylko zasilać tranzystor ale również ustalać jego stałoprądowy punkt pracy (spoczynkowy punkt pracy) czyli stałe napięcie kolektor-emiter U CE i stały prąd kolektora I C. Punkt pracy musi być dobrany w sposób optymalny do funkcji jaką spełnia układ, w którym pracuje tranzystor. Układy polaryzacji tranzystorów

Stałoprądowy inaczej spoczynkowy punkt pracy tranzystora

Prosta obciążenia

Tranzystor bipolarny w konfiguracji OE – obszary pracy

Stany pracy tranzystora - aktywny złącze E-B przewodzi złącze C-B zatkane

Stany pracy tranzystora - nasycenie złącze E-B przewodzi złącze C-B przewodzi U CE(sat) =0 U CE(sat) =0,1V-2V

Stany pracy tranzystora - zatkania złącze E-B zatkane złącze C-B zatkane U BB =0 I B =0 I C =0 U EB =0 U CE =U CC

Tranzystory polowe - unipolarne ( tranzystory wykorzystujące efekt polowy) złączowe (JFETy (PN-lub MS-FETy)) –ang. Junction Field-Effect Transistors z izolowaną bramką (MOSFETy) –ang. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors

JFET MOSFET Drain=dren Source=źródło Gate=bramka Bulk=podłoże

Zasada działania tranzystora złączowego z kanałem typu n

Charakterystyki tranzystora złączowego

Punkt pracy tranzystora złączowego

Punkt pracy tranzystora złączowego. Prosta obciążenia

Punkt pracy tranzystora złączowego

Tranzystory polowe - unipolarne

Charakterystyka przejściowa i wyjściowa U T threshold voltage – napięcie progowe, tworzenia

Symbole graficzne MOSFET z kanałem indukowanym (normalnie zamkniętym) kanał typu nkanał typu p

Light Emitting Diode a) b) Diody elektrolumiscencyjne

Light Emitting Diode intensywność świecenia LED

Light Emitting Diode Charakterystyki I(U) diod elektroluminiscencyjnych I F =10-100mA U F =1,3-3V

Light Emitting Diode Podsumowanie Zalety diod LED to: niewielkie rozmiary, niskie zużycie energii elektrycznej, niewielka emisja ciepła, duża trwałość, duża wytrzymałość na uszkodzenia, możliwość uzyskania różnych barw światła, brak promieniowania UV.

Fotorezystory

Fotorezystory wykorzystuje się do: pomiarów małych natężeń oświetlenia, bezpośredniego sterowania przekaźników (automatyczne włączanie lamp w nocy), pomiarów temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych, wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków, badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów.

Fotorezystory- wyłącznik zmierzchowy

Fotodioda Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

Fotodioda-zasada działania

Fotoogniwo Fotoogniwo, bateria słoneczna, 1m 2 ~ 300W, η=20%

Fotodioda jako fotodetektor

Zastosowanie fotodiody w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania, w szybkich przetwornikach analogowo – cyfrowych, w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.

Fototranzystory Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-baza. Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa. Fotoprzewodnictwo polega na zwiększaniu przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii promienistej powodującej jonizacje atomów w ciele stałym, wskutek czego zwiększa się liczba swobodnych elektronów powstających w półprzewodniku.

Fototranzystory – zasada działania

Prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w OE W fototranzystorach końcówka może być wyprowadzona na zewnątrz obudowy lub nie, dlatego też fototranzystor może pracować jako: fotoogniwo, wykorzystuje się złącze kolektor-baza, fotodioda, wykorzystane jest złącze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej, fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy w tym przypadku pracuje jako normalny fototranzystor, fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy – można go niezależnie sterować optycznie i elektrycznie.

Charakterystyka prądowo-napięciowa C E B

Właściwości fototranzystorów Zalety: duża czułość dzięki wzmocnieniu prądu fotoelekrycznego, możliwość sterowania elektrycznego i świetlnego. Wada-niska częstotliwość graniczna około 300 kHz, w układzie Darlingtona-około 30 kHz. Zastosowanie: układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, przetworniki analogowo – cyfrowe, układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart kodowych itp.

Proste przetworniki fotoelektryczne

Transoptory brak połączeń galwanicznych we-wy fotoemiter-LED w zakresie podczerwieni fotodetektor-często fotodioda, fototranzystor, rzadziej fototyrystor, fotodarlington, fotodioda i tranzystor, bramka logiczna, komparator, fotorezystor

Zastosowanie transoptorów Transoptory stosuje się: do galwanicznego rozdzielania obwodów, - np. w TWN, w technice pomiarowej i automatyce, w sprzęcie komputerowym, w sprzęcie telekomunikacyjnym. Spełniają one również rolę potencjometrów bezstykowych oraz przekaźników optoelektronicznych, wykorzystywanych do budowy klawiatury kalkulatorów i komputerów. W układach sygnalizacyjnych i zabezpieczających są używane jako: wyłączniki krańcowe, czujniki otworów, czujniki położenia, wskaźniki poziomu cieczy.

Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego +U CC -U CC u1u1 u2u2 u wy Masa i 1 = 0 i 2 = 0

Podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego (idealnego) nieskończona wartość impedancji wejściowej R we = nieskończona wartość wzmocnienia różnicowego A r = zerowa wartość impedancji wyjściowej R wy = 0 nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości brak zjawisk niepożądanych (niestabilność, niezależność od zmian napięcia zasilania, itp.)

Wzmacniacz odwracający ( 0) RFRF K0K0 R 1 =R||R F u id R IRIR I RF u wy u1u1

Wzmacniacz odwracający, sumujący RFRF u1u1 u wy R1R1 R2R2 u2u2 ( 0)

Wzmacniacz nieodwracający ( 0) RFRF u1u1 u wy K R u id

Wtórnik napięciowy ( 0) u1u1 u wy K u id

Wzmacniacz różnicowy ( 0) RFRF u1u1 u wy R R u2u2 RFRF U_ U+U+

Wzmacniacz całkujący u1u1 u wy R u id C

Wzmacniacz różniczkujący u1u1 u wy R u id C

Konwerter I/U u wy R i

Konwerter I/U - zastosowanie u wy R i U

Elektrokardiografia – system pomiarowy

Komparatory napięcia Komparatory służą do porównywania dwóch sygnałów analogowych (stałych lub zmiennych) doprowadzonych do ich wejść oraz do zaznaczenia poprzez zmianę napięcia wyjściowego chwili zrównania sygnałów wejściowych. Często chcemy wiedzieć, które z dwóch napięć ma większą wartość lub wykryć chwilę, w której napięcie danego sygnału przekracza pewną ustaloną wcześniej wartość.

+U CC -U CC u we U REF u wy GND u wy t U HO U LO u we t U REF 0 0 Zasada działania komparatora nieregeneracyjnego

Komparator regeneracyjny odwracający RFRF u we u wy R U REF Zadaniem rezystora R F jest spowodowanie powstania dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości będą zależały od stanu wyjścia komparatora.

u wy komparatora nieregeneracyjnego t U HO U LO u wy komparatora regeneracyjnego U HO t U LO u we t U REF U his

Komparator z otwartym kolektorem np.+5V wy OC R0,5-5k Ω Przykłady komparatorów: LM 311-szybki LM 339, CP 401-OC TLC 393-CMOS NE 529-dwie bramki, światłowodowe przekazywanie danych, przetwornik A/C MAX 921-wewnętrzne napięcie odniesienia, programowalna histereza, wyjście TTL/CMOS czas odpowiedzi: ns, μs zasilanie: symetryczne, asymetryczne OC-open collector

Wyłącznik zmierzchowy

Detektory przejścia przez zero Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy. Układ taki jest szczególnie przydatny przy analizie widma częstotliwościowego sygnału, gdyż przetwarza sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości. W ten sposób następuje redukcja szumów i zniekształceń sygnału badanego, a dalszą analizę można łatwo przeprowadzić metodami cyfrowymi.

Przerzutnik astabilny R2R2 R1R1 wy C R uCuC u wy Mogą być użyte wzmacniacze operacyjne lub komparatory: przerzutnik astabilny, generator relaksacyjny, muliwibrator. u wy i t U CC -U CC t uCuC Δt 1 Δt 2

Podstawowe rodzaje generatorów

Rodzaje generatorów Generatory: generatory częstotliwości – wzorcowy zegar, np. narzucający rytm pracy komputera lub długość fali nadajnika radiowego, generatory mocy – dostarczają do obciążenia odpowiednio dużą moc przy określonej częstotliwości, np. w kuchence mikrofalowej.

Generacja sygnału sinusoidalnego RLC i(t)=I. 1(t) u(t) Q=ωL/R – dobroć obwodu rezonansowego Q>0 drgania tłumione rezystancja ujemna skompensuje straty układy tranzystorowe z dodatnim sprzężeniem zwrotnym

Warunki generacji wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym dodatnim Wzmocnienie układu ze sprzężeniem dodatnim

Przykłady generatorów sygnału sinusoidalnego Generator kwarcowy Meachama RFRF R Wy s

Generatory funkcyjne Na integrator podawane jest napięcie stałe dodatnie lub ujemne. Jeśli Uwy integratora osiągnie poziom włączenia lub wyłączenia przerzutnika Schmitta, zostaje odwrócony znak napięcia na wej integratora. Na wyjściu układu powstaje napięcie trójkątne, zmieniające się między poziomami wyzwalania przerzutnika Schmitta.

Zasada stabilizacji napięcia i prądu

Parametry stabilizatorów napięcia i prądu

Stabilizatory trójkońcówkowe 78XX o stałym napięciu wyjściowym

Stabilizatory trójkońcówkowe 79XX o stałym napięciu wyjściowym

Podstawowe parametry serii 78XX

PODSTAWY ELEKTRONIKI – Jakub Dawidziuk niedziela, 3 listopada 2013 Stabilizatory nastawne napięcia dodatniego LM317

PODSTAWY ELEKTRONIKI – Jakub Dawidziuk niedziela, 3 listopada 2013 Stabilizatory nastawne napięcia ujemnego LM337

Stabilizatory LDO (Low Drop Out)

Stabilizatory dwunapięciowe

Start

Stabilizator ciągły=liniowy i impulsowy

Wartość średnia przebiegu impulsowego

Sprawność stabilizatora szeregowego Sprawność maleje wraz ze wzrostem U we.

Sprawność stabilizatora impulsowego Sprawność wzrasta wraz ze wzrostem U we.

Rodzaje stabilizatorów

Podsumowanie

przekazują energię elektryczną między dwoma obwodami różniącymi się częstotliwością oraz wartościami napięć i prądów Układy przekształtnikowe - energoelektroniczne

Współczesne ppm

Główne typy ppm

Prostownik sterowany jednofazowy

Zasada pracy przekształtników DC/DC

Falownik półmostkowy

Kształtowanie napęcia wyjściowego

Falownik mostkowy

Falownik trójfazowy

Rozwój stopnia scalania ppm

Zastosowania ppm

Przyszłość układów napędowych

UKŁAD PRZESYŁOWY PRĄDU STAŁEGO HVDC

Elektryczne akcesoria w samochodzie

NOWA GENERACJA MASZYN LATAJĄCYCH scalenie w sprzęcie latającym tradycyjnych mechanicznych, hydraulicznych i pneumatycznych urządzeń z inteligentnymi urządzeniami energoelektronicznymi