http://www.elektronika.xorg.pl/

http://www.forum.elektronika.xorg.pl/

Cewki indukcyjne



Co to jest cewka



Siła elektromotoryczna



Budowa rdzenia



Uzwojenia cewek



Jak zmniejszyć pojemność cewki?



Lica wielkiej częstotliwości

Cewką nazywamy zwojnicę (patrz rys. pod regułką), której podstawowym parametrem jest

indukcyjność. Indukcyjność określa zdolność cewki do przeciwstawiania się zmianom prądu
płynącego przez cewkę

Rysunek przedstawia budowę cewki przy czym:

1– korpus, 2– uzwojenie, 3– rdzeń

i wyraża się wzorem

przy czym: L – indukcyjność cewki w henrach [H],



= 3,14...,



– przenikalność magnetyczna rdzenia cewki,

N – liczba zwojów, d i l – średnica i długość cewki [m].

Reaktancję cewki określa wzór

przy czym X

l

– reaktancja cewki w omach [



],



- pulsacja prądu przemiennego płynącego przez cewkę w

radianach na sekundę [rad/s], f – częstotliwość prądu przemiennego w hercach [Hz], L – indukcyjność cewki w

henrach [H].

Prąd płynący przez cewkę wytwarza wokół niej pole magnetyczne. Jeśli w tym polu

magnetycznym umieścimy drugą cewkę, to otrzymamy transformator. Zmiany prądu

płynącego w pierwszej cewce transformatora powodują zmiany strumienia magnetycznego

przenikającego zwoje drugiej cewki, a więc w drugiej cewce indukuje się siła

elektromotoryczna (w skrócie: sem). Istnieją transformatory o dwóch lub większej liczbie

cewek.

Indukcyjność cewek bezrdzeniowych powietrznych jest mała w stosunku do ich wymiarów

geometrycznych. Znaczne zwiększenie indukcyjności osiąga się przez wprowadzenie w

korpus cewki rdzenia ferromagnetycznego o dużej przenikalności magnetycznej



. Rdzeń

może być stały (np. w transformatorach sieciowych) lub przesuwany (np. w transformatorach

i dławikach wielkiej częstotliwości do obwodów rezonansowych oraz do filtrów wielkiej i

małej częstotliwości). Cewki o małej częstotliwości (o maksymalnej indukcyjności

ok. 0,1



H) – stosowane w obwodach drukowanych i układach scalonych – można wytwarzać

bezpośrednio na płytce obwodu drukowanego lub mikroukładu scalonego w formie płaskich

spirali okrągłych lub prostokątnych.

Uzwojenia cewek mogą być nawinięte jednowarstwowo lub wielowarstwowo (zwój obok

zwoju). Indukcyjność cewek jednowarstwowych może dochodzić do 20



H. Cewki

wielowarstwowe mają większe indukcyjności (100÷500



H), ale i dużą pojemność

elektryczną, która szczególnie przy wielkich częstotliwościach (w.cz.) jest parametrem

niepożądanym.

Dla zmniejszenia pojemności uzwojenia buduje się cewki z uzwojeniami dzielonymi na

sekcje lub nawijanymi krzyżowo. Uzwojenie dzielone (cylindryczne) składa się z dwóch lub

więcej sekcji w kształcie cylindrów (oddzielnych cewek nawiniętych wielowarstwowo jedna

obok drugiej), leżących obok siebie i połączonych szeregowo W uzwojeniu krzyżowym

poszczególne zwoje biegną zygzakiem – są ze sobą skrzyżowane.

W celu przeciwdziałania skutkom zjawiska naskórkowości, cewki przeznaczone do

obwodów wielkiej częstotliwości są nawijane przewodami wielożyłowymi – tzw. licą

wielkiej częstotliwości, w której poszczególne żyły są odizolowane od siebie (emaliowane).

Rezystory



Ważniejsze parametry



Wartość statystycznie przypadających rezystorów na...



Szczegóły konstrukcyjne



Rodzaje rezystorów



Sposób wykonania korpusu



Wykonanie warstwy oporowej w rez. warstwowych



Rezystory objętościowe



Najważniejsze parametry rezystorów



Szeregi wartości znamionowych rezystorów



Rezystancja rezystora



Parametry rezystorów



Rezystory nastawne (potencjometry)



Potencjometry wieloobrotowe



Rezystor jako element bierny

Rezystorami są elementy, których podstawowym parametrem elektrycznym jest

rezystancja, a inne parametry, takie jak pojemność i indukcyjność, powinny być jak
najmniejsze.

Ważnym parametrem rezystora jest także moc znamionowa – jest to dopuszczalna moc

wydzielana w każdym rezystorze, przez który płynie prąd. Wskutek przepływu prądu

wydziela się ciepło Q=P×t, a zatem moc (w watach, P=U×I) określa energię traconą w

rezystorze w ciągu jednej sekundy. Na rysunku poniżej przedstawiono przykłady różnych

rezystorów.

Na rysunku przedstawione są przykładowe rezystory stałe i zmienne: a) warstwowe metalizowane;

b) objętościowe; c) drutowe; d) potencjometry

W układach elektronicznych na każdy użyty tranzystor przypada statycznie cztery do

pięciu rezystorów. W przewodzie coraz więcej produkuje się układów scalonych, w

których rezystory – podobnie jak tranzystory, diody i kondensatory – są również scalone,

ale ciągle jest wielkie zapotrzebowanie na rezystory dyskretne. Obecnie w skali

światowej produkuje się kilka miliardów takich rezystorów rocznie. Rezystory są

zbudowane z korpusu, części oporowej i pokrycia zabezpieczającego część oporową

przed uszkodzeniem.

Klasyfikację rezystorów przedstawiono poniżej. Szczegóły konstrukcyjne i

technologiczne można znaleźć w katalogach rezystorów. Podane są tam również inne

istotne dane dotyczące rezystorów, takie jak: typy, wymiary, wartości i tolerancje

rezystancji, moc dopuszczalna, napięcie dopuszczalne itp.

Powyższy rysunek przedstawia klasyfikacje rezystorów

Rezystory stałe mają rezystancję ustaloną w czasie ich produkcji i użytkownik

rezystora nie może jej zmienić. Natomiast rezystory zmienne są tak skonstruowane, że

użytkownik może zmienić ich rezystancję przez zmianę położenia suwaka na części

oporowej. Rezystory zmienne są nazywane potencjometrami. Przykłady rezystorów

przedstawiono poniżej.

Rysunek 5.3 (powyższy) przedstawia rezystory zmienne: a) potencjometry wielo- i jednoobrotowe;

b) precyzyjne potencjometry nastawne (trymery obrotowe) wieloobrotowe; c) miniaturowe trymery

oporowe jednoobrotowe

Część oporowa rezystora może być wykonana w postaci warstwy oporowej

naniesionej na korpus lub z drutu oporowego nawiniętego na korpus izolacyjny. W

rezystorach warstwowych i drutowych korpus jest wykonany z masy ceramicznej,

najczęściej w kształcie walca (rezystory stałe) lub paska (potencjometry). Druty oporowe

stosowane w rezystorach są wykonywane ze stopów oporowych złożonych z miedzi,

niklu, cynku, magnezu i żelaza. Rezystory drutowe są nawinięte jednowarstwowo, np.

drutem z konstantanu, manganinu albo nikieliny.

W rezystorach warstwowych warstwy oporowe mogą być wykonane z węgla, z metalu

napylonego lub naparowanego, z tlenków metali lub z tzw. kompozycji organicznej,

którą jest sproszkowany materiał o dużej rezystywności, związany dielektrykiem

organicznym.

Oprócz rezystorów warstwowych i drutowych, są również rezystory objętościowe. W

rezystorach tych występują lity elementy oporowe, który przewodzi prąd całą swoją

objętością. Z tej racji rezystory objętościowe wytrzymują duże obciążenia prądowe i

mocowe.

Najważniejszymi parametrami rezystorów są:



rezystancja w omach. [



];



tolerancja, czyli niedokładność rezystancji w % rezystancji znamionowej;



moc znamionowa w watach [W];



wymiary;



stałość rezystancji w czasie i w zmiennych warunkach otoczenia;



napięcie graniczne w woltach [V];



siła elektromotoryczna szumów w mikrowoltach na wolt [µV/V].

Rezystancja jest podstawowym parametrem rezystorów. Wartości rezystancji

znamionowych rezystorów są znormalizowane – tworzą tzw. szeregi: E6 (±20%),

E12 (±10%), E24 (±5%), .E48 (±2%), E96 (±1%) i E192 (±0,5%). Każdy szereg składa

się z liczb dwucyfrowych i jest tym gęściejszy, im wyższej klasy rezystorów dotyczy.

Liczby podawane obok litery E oznaczają liczbę elementów danego szeregu. Na przykład

szereg E12 dotyczy rezystorów klasy 10 (±10%) i jest określony przez ciąg 12 liczb: 10,

12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. W ramach tego szeregu możemy wybrać

rezystory np.: 18



, 180



czy 1800



(o tolerancji ±10%), natomiast nie możemy wybrać

rezystorów np. 190



czy 1900



, ponieważ liczba 19 nie występuje w szeregu E12.

Zauważymy, że szereg E6 jest 2 razy rzadszy od szeregu E12, a szereg E24 – 2 razy

gęściejszy.

Rezystory mogą mieć rezystancję w zakresie od jednego oma do kilkudziesięciu

omów. W związku z tym, przy oznaczaniu wartości rezystorów używa się tzw.

mnożników (w postaci przedrostków) oma, np.1 k



=1000×1



=10³ (czytaj: jeden

kiloom równa się tysiąc razy jeden om).

Oznaczeniem skróconym – stosowanym na schematach układów elektronicznych –

np. 1000



jest 1 k, a 10 000



- 10 k. Podobnie realizuje się oznaczanie milionów

omów, np. 5,6 M oznacza 5,6 M



(czytaj 5,6 megaoma).

Często rezystancja i tolerancja są oznaczane kodem w postaci barwnych kropek lub

pasków, a nie w postaci napisów na rezystorze. Przy odczytywaniu zakodowanych

parametrów rezystora będziemy korzystać z poniższego rysunku

Tolerancja rezystora oznacza. granice rezystancji, w których mieści się rezystancja

danego rezystora. Rezystory produkuje się w następujących grupach tolerancji:



0,1; 0,2; 0,5 i 2% – rezystory metalizowane, dokładne, np. typu AF, AT i CASE

(rezystory precyzyjne mogą być jeszcze wyższej klasy, np. produkuje się

rezystory precyzyjne o tolerancjach 0,02% do 0,5%, wartościach od 5



do 1 M



i temperaturowym współczynniku rezystancji w zakresie 10÷50×10

-6

/K);



0,5; 1; 2,5; 10 i 20% – rezystory drutowe, np. typu RDL;



5; 10 i 20% – rezystory warstwowe węglowe i metalizowane, np. typu OWB,

OWZ i MŁT.

Moc znamionowa jest to dopuszczalna moc wydzielana w rezystorze podczas jego

pracy ciągłej w określonej temperaturze otoczenia i przy napięciu nie przekraczającym
napięcia granicznego.

Przekroczenie mocy znamionowej powoduje zniszczenie rezystora na skutek

przepalenia elementu oporowego.

Wymiary rezystora są związane z jego mocą znamionową – im większa moc, tym

większy wymiar. Przy małych mocach (do 2 W) wymiary rezystorów są znormalizowane

i nie zależą od wartości rezystancji. Do obwodów drukowanych montowanych techniką

montażu powierzchniowego (SMD) są produkowane płaskie rezystory miniaturowe.

Stałość rezystancji jest bardzo ważna w urządzeniach precyzyjnych i w urządzeniach

przeznaczonych do pracy przy dużych wahaniach temperatury, w środowisku wilgotnym

itp. Stałość rezystorów danej klasy można poprawić przez tzw. starzenie w podwyższonej

temperaturze przez kilkadziesiąt godzin. Rezystory drutowe w porównaniu z masowymi

mają lepszą stałość rezystancji.

Napięcie graniczne jest to najwyższe dopuszczalne napięcie szczytowe (amplituda).

Przekroczenie napięcia granicznego powoduje powstanie przebicia elektrycznego

(wyładowanie łukowe) między końcówkami rezystora, a tym samym zniszczenie go.

Siła elektromotoryczna szumów jest to siła elektromotoryczna szumów

generowanych przez rezystor.

Jest to parametr bardzo istotny w czułych urządzeniach elektronicznych

wzmacniających słabe sygnały takich jak np. odbiorniki radiokomunikacyjne,

wzmacniacze pomiarowe itp. Siła elektromotoryczna szumów zależy od napięcia

przyłożonego do rezystora – im większe napięcie, tym większy szum. W katalogach

rezystorów podaje się siłę elektromotoryczną szumów w µV/V napięcia przyłożonego do

rezystora.

W urządzeniach wzmacniających słabe sygnały amplituda szumów może być

porównywalna z amplitudą sygnałów wejściowych. W celu zmniejszenia amplitudy

szumów, dobieramy rezystory o jak najmniejszych szumach i staramy się jak najbardziej

obniżyć napięcie ich pracy. Najmniejsze siły elektromotoryczne szumów mają rezystory

drutowe i metalizowane (0,2 µV/V), a największe – rezystory objętościowe (5 µV/V).

Rezystory nastawne – potencjometry – służą do celów regulacyjnych lub do

dobierania właściwych warunków pracy układów elektronicznych. Potencjometry

drutowe mają moce znamionowe (0,5÷4) W, a warstwowe (masowe) – (0,1÷2)W

Zmiany rezystancji w potencjometrach, dokonuje się: przez zmianę położenia styku

ślizgowego na elemencie oporowym, przez obrót osi potencjometru lub przez

przesunięcie jego suwaka. Zależność rezystancji od położenia ślizgacza może mieć

przebieg liniowy, wykładniczy, logarytmiczny lub inny – wynikający z rozkładu

rezystancji elementu oporowego wzdłuż ruch ślizgacza.

Potencjometry o charakterystyce liniowej mają zastosowanie do nastawiania np.

napięcia, o charakterystyce logarytmicznej – do nastawiania siły głosu, np. w

odbiornikach radiowych (taką charakterystykę ma ucho), a o charakterystyce

wykładniczej – do regulacji barwy tonu.

Potencjometry wieloobrotowe umożliwiają precyzyjne nastawianie rezystancji. Z

tego względu są powszechnie stosowane w układach pomiarowych i w urządzeniach

automatyki. W potencjometrach wieloobrotowych drutowych, drut oporowy jest

nawinięty na spiralnym pasku izolacyjnym. Styk ślizgowy jest sprzęgnięty z osią

potencjometru tak, że z jednego do drugiego końca spirali dociera po kilku lub kilkunastu

obrotach osi. Miniaturowe potencjometry wieloobrotowe, przewidziane do obwodów

drukowanych, mają materiał oporowy naniesiony na pasek ceramiczny. Po warstwie

oporowej ślizga się suwak potencjometru wprawiany w ruch posuwisty przez

przekładanie śrubową, przy obracaniu osi potencjometru.

Rezystor jest elementem biernym, to znaczy, że nie wzmacnia sygnałów

elektrycznych, a energia elektryczna jest w nim tracona i wydziela się w postaci ciepła.

Diody półprzewodnikowe



Złącze PN



Charakterystyka diod



Diody ostrzowe



Diody Warstwowe



Diody uniwersalne



Diody pojemnościowe (warikapy)

Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Rozpatrzmy właściwości złącza

poddanego napięciu. Na poniższym rysunku pokazano złącze PN, którego półprzewodnik

typu N został połączony z dodatnim, a półprzewodnik typu P z ujemnym biegunem

źródła napięcia. Dodatkowo pole elektryczne wytworzone przez źródło napięcia jest

skierowane zgodnie z polem ładunków przestrzennych – bariera potencjału zostaje przez

to zwiększona, co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję.

Rysunek przedstawia działanie zaporowe złącza:

a) układ połączeń (1 – jon donorowy, 2 – jon akceptorowy); b) wykres potencjału przy wyłączniku w

otwartym (3) i zamkniętym (4)

Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że biegun dodatni źródła odciąga

elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza,

wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego,

pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Mówimy, że przy takim połączeniu złącze

działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany prądem

wstecznym. Gdy na odwrót połączymy półprzewodnik typu P z dodatnim, a

półprzewodnik typu N z ujemnym zaciskiem źródła napięcia, wówczas pole wytworzone

przez źródło napięcia jest skierowane przeciwnie do pola do pola warstwy zaporowej.

Rysunek przedstawia złącze w stanie przewodzenia:

a) układ połączeń (1 – jon donorowy, 2 – jon akceptorowy); b) wykresy potencjału przy włączniku w

otwartym (3) i zamkniętym (4)

Wtedy bariera potencjału zostanie obniżona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Elektrony

półprzewodnika typu P są odpychane przez biegun ujemny źródła w kierunku warstwy

zaporowej i mogą łatwo przekroczyć barierę potencjału. Natomiast dziury

półprzewodnika typu N są odpychane przez biegun dodatni źródła w kierunku złącza.

Szerokość warstwy jonów ulega zmniejszeniu. Przy takim połączeniu złącza przepływ

prądu jest ułatwiony. Kierunek od obszaru P do N nazywamy kierunkiem

przewodzenia, a kierunek od obszaru N do P – kierunkiem zaporowym lub

wstecznym. Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeżeli obszar ładunku

przestrzennego jest szeroki, to nośniki ładunku przechodząc przez ten obszar nabierają

dużej energii. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia wstecznego, poruszające się

nośniki zderzają się z elektronami znajdującymi się w siatce krystalicznej, przekazując

im swoją energię. W wyniku tego elektrony te opuszczają siatkę krystaliczną, stając się

elektronami swobodnymi. Są one znów przyspieszane i mogą wygenerować dalsze.

Proces nabiera charakteru lawinowego. Wskutek jonizacji lawinowej następuje bardzo

duży wzrost liczby przepływających elektronów, a więc bardzo duży wzrost prądu.

Na poniższym rysunku przedstawiono zależność prądu I złącza PN od przyłożonego

napięcia U, czyli jego charakterystykę prądowo-napięciową. Przebieg tej charakterystyki

wynika ze zjawisk opisanych powyżej.

Rysunek przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową diody krzemowej

Widać, że złącze PN umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku – w
kierunku przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego U

(TO)

(dla krzemu

wynosi ono ok. 0,7V, a dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo
szybko. Natomiast przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały –
wiele tysięcy razy mniejszy niż w kierunku przewodzenia. Mówimy, że złącze PN ma
wartości prostownicze. Przy dużym napięciu wstecznym (po przekroczeniu tzw.
napięcia przebicia U

(BR)

) rozpoczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc

szybkie narastanie prądu przy prawie stałym napięciu na diodzie. Może to spowodować
zniszczenie diody, jeżeli nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej
rezystancji.
Charakterystyki złączy PN znacznie zależą od temperatury. Przede wszystkim ze
zmianami temperatury zmienia się prąd wsteczny. W przybliżeniu zwiększa się on ok.
dwukrotnie przy wzroście temperatury o 10K. Zmiany prądu są rzędu 5% przy zmianach
temperatury o 1K. Obecnie diody półprzewodnikowe wykonuje się prawie wyłącznie z
krzemu,

rzadziej

z

germanu,

jako

diody

ostrzowe

i

warstwowe.

Diody ostrzowe mają małą obciążalność prądową, ale mogą pracować przy wielkich
częstotliwościach

(do

kilkunastu

gigaherców).

Diody warstwowe wytwarzane są głównie z krzemu. Prądy przewodzenia tych diod
wynoszą nawet do kilku tysięcy amperów, a napięcie wsteczne do kilku tysięcy woltów.
Diody uniwersalne charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć
wstecznych (do kilkuset woltów) i prądów przewodzenia (do kilkuset miliamperów).
Częstotliwość ich pracy nie przekracza kilkudziesięciu megaherców. Łącząc taką diodę z
rezystorem

otrzymuje

się

najprostszy

stabilizator

napięcia.

Diody pojemnościowe (warikap) wykorzystują pojemność złącza PN przy jego
polaryzacji w kierunku zaporowym. Pojemność ta, rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu
pikofaradów, zależy od napięcia. Diody te stosuje się np. w odbiornikach radiowych do
dostrajania częstotliwości (układy tzw. automatycznej regulacji częstotliwości ARCz), w
głowicach telewizyjnych do zmiany i dostrajania kanałów itp.

Dławik

Do ograniczenia prądu w obwodach elektrycznych prądu przemiennego stosuje się cewki

indukcyjne, wykorzystując ich reaktancję. Cewki indukcyjne są korzystniejsze niż

rezystory włączane szeregowo z danym odbiornikiem, np. świetlówką lub lampą

rtęciową, ze względu na znacznie mniejszy pobór mocy. Idealna cewka indukcyjna nie

pobiera w ogóle mocy czynnej, pogarsza tylko współczynnik mocy obwodu odbiornika.

W cewkach rzeczywistych są nieuniknione straty mocy w uzwojeniu

oraz w rdzeniu ferromagnetycznym. W celu uzyskania potrzebnej reaktancji, przy

możliwie małych wymiarach cewki, często stosuje się magnetowody stalowe ze szczeliną

od ułamka milimetra do kilku milimetrów. Napięcie skuteczne, indukowane w cewce o

danej liczbie zwojów, jest proporcjonalne do strumienia



m

.

Cewki indukcyjne o rdzeniu ferromagnetycznym, wykonane w celu uzyskania

żądanej reaktancji, nazywa się dławikami.

Ograniczenia prądu za pomocą dławika polega na wykorzystaniu jego reaktancji
dla prądu przemiennego albo, ściślej mówiąc, na indukowaniu siły
elektromotorycznej przez zmienny strumień magnetyczny. Ten sam dławik włączony
w obwód prądu stałego zachowuje się jak rezystor o rezystancji równej rezystancji
uzwojenia.

Kondensatory



Wiadomości ogólne



Pojemność kondensatora



Kondensator zwijkowy



Kondensator elektrolityczny



Najważniejsze parametry kondensatorów



Kondensatory nastawne (trymer)

Kondensatorem nazywamy układ dwóch lub więcej przewodników (okładzin)

odizolowanych od siebie dielektrykiem. Zadaniem kondensatora jest gromadzenie
ładunków elektrycznych.

Miarę zdolności kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych nazywamy

pojemnością kondensatora.

Jednostką pojemności jest farad oznaczany dużą literą F. Jeden farad (1 F) jest bardzo

dużą jednostką. Dla przykładu, kula ziemska ma pojemność ok. 0,0007 F lub inaczej
700 µF (mikrofaradów), a więc bardzo małą. W praktyce, do oznaczania pojemności

kondensatorów używa się jednostek mniejszych niż farada. Każda jednostka pojemności

jest 1000 razy większa (bądź mniejsza) od poprzedniej np. 1 nF=1000 pF (czytaj: jeden

nanofarad równa się tysiąc pikofaradów); 1 µF=1000 nF (czytaj: jeden mikrofarad równa

się tysiąc nanofaradów).

Ze wzoru

gdzie: C – pojemność,



– (epsilon) przenikalność elektryczna dielektryka wypełniającego przestrzeń

między okładzinami kondensatora, S – powierzchnia okładzin (płytki przewodzącej) kondensatora, d –

odległość między okładzinami.

wynika, że pojemność kondensatora jest tym większa im większa jest powierzchnia jego

okładzin, im mniejsza jest odległość między okładzinami oraz im lepszy jest dielektryk –

tzn. im większa jest przenikalność elektryczna



.

Na skutek odizolowania okładzin kondensatora od siebie nie przewodzi on prądu

stałego, a przewodzi jedynie prąd zmienny. Reaktancja kondensatora maleje ze

zwiększaniem częstotliwości prądu przemiennego, zgodnie ze wzorem

przy czym: X

c

– reaktancja kondensatora w omach [



],



- pulsacja prądu (2



f) w radianach na

sekundę [rad/s], f – częstotliwość prądu przemiennego w hercach [Hz], C – pojemność kondensatora w

faradach [F].

Dostępne dielektryki mają ograniczoną przenikalność



, a odległość d nie można

zbytnio zmniejszyć, gdyż bardzo zmalałaby wytrzymałość kondensatora na przebicia

elektryczne. W związku z tym, jedynym sposobem zwiększenia pojemności

kondensatora jest zwiększenie powierzchni jego okładzin. Dlatego większość

kondensatorów jest kondensatorami zwijkowymi.

Zwijką nazywamy rulon zwinięty z bardzo długich taśm dielektryka (np. papieru, folii

polistyrenowej, poliestrowej lub polipropylenowej) i folii aluminiowej. Dwa paski folii

aluminiowej spełniają rolę okładzin. Zwijki są chronione obudową w kształcie walca lub

prostopadłościanu.

Okładziny mają wyprowadzenia na zewnątrz, wykonane przeważnie z drutu.

Wyprowadzenie okładziny zewnętrznej bywa zwykle oznaczane kreską na obudowie,

gdyż w układzie elektronicznym okładzina zewnętrzna kondensatora może być
wykorzystana jako ekran (osłona) przed zakłóceniami.

W kondensatorach o dużych pojemnościach, np. 1000 µF, dielektrykiem są tlenki

aluminium lub tantalu o grubości (1,2÷600 nm) – w zależności od napięcia

znamionowego kondensatora. Tlenki te są wytwarzane na jednej z okładzin – anodzie –

metodą elektrolizy roztworu nasycającego taśmę papierową zwijki kondensatora.

Kondensatory takie nazywamy elektrolitycznymi. Są produkowane kondensatory

elektrolityczne o pojemnościach 2 µF÷100 mF.

Kondensatory elektrolityczne należy dołączyć do źródła prądu stałego anodą do

bieguna plus (+), a katodą do bieguna minus (-).

Dołączenie przeciwne powoduje zniszczenie kondensatora elektrolitycznego.

Kondensatory elektrolityczne tantalowe (z okładzinami tantalowymi) mogą pracować w

szerszym zakresie temperatury (-60÷ +155)°C niż aluminiowe (-20÷ +70)°C, a poza tym

mają mniejsze tolerancje pojemności.

Zazwyczaj wartość pojemności znamionowej jest wydrukowana na obudowie

kondensatora. Jednakże na kondensatorach małych (pod względem wymiarów) nie ma

miejsca na opis i kondensator jest oznaczony kodem barwnych kropek lub kresek.

różne firmy stosują różne kody do oznaczania kondensatorów; kody te są publikowane w

katalogach kondensatorów.

Najważniejszymi parametrami kondensatorów, oprócz pojemności znamionowej, są:



napięcie znamionowe,



tolerancja,



stratność,



temperaturowy współczynnik zmiany pojemności.

Napięcie znamionowe określa granicę napięcia stałego, jakie może być w sposób

ciągły przyłożone do kondensatora.

Tolerancja ma podobne znaczenie jak w przypadku rezystorów.

Stratność (określana za pomocą współczynnika stratności) oznacza stosunek mocy

czynnej wydzielanej (traconej) w kondensatorze do mocy biernej magazynowanej w

kondensatorze (przy prądzie przemiennym). Im większa jest stratność, tym mniej

kondensator nadaje się do pracy przy prądzie zmiennym.

Tolerancje pojemności kondensatorów mają wartość od kilku do ponad stu procent

(np. w przypadku kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych). Dlatego w wielu

układach elektrolitycznych, zwłaszcza z obwodami rezonansowymi, montuje się

kondensatory nastawne (stroikowe, dostrojcze), tzw. trymery (ceramiczne lub

powietrzne). Zadaniem trymerów jest uzupełnianie pojemności kondensatora stałego o

wartość brakującą – wynikającą z tolerancji kondensatora i potrzeby projektanta układu.

Pojemności trymerów dochodzą do kilkudziesięciu pikofaradów [pF].

Zmianę pojemności kondensatorów zmiennych uzyskuje się przez równoległe

przesuwanie względem siebie dwu zespołów okładzin. Zależność pojemności

kondensatora zmiennego od kąta obrotu jego rotora jest uwarunkowana kształtem płytek

rotora i statora. Zależność pojemności kondensatorów obrotowych od kąta obrotu rotora

najczęściej jest: prostoliniowa, paraboliczna lub hiperboliczna kwadratowa.

Kondensatory o prostoliniowej charakterystyce są stosowane jako trymery (do 100 pF), o

parabolicznej – jako kondensatory strojeniowe (do 500 pF) w aparaturze radiowej

wyskalowanej w jednostkach długości fali, a o hiperbolicznej kwadratowej – w

aparaturze wyskalowanej w jednostkach częstotliwości.

We współczesnej aparaturze elektronicznej, kondensatory zmienne (zwłaszcza o

małych pojemnościach) są zastępowane przez układy z diodami pojemnościowymi

sterowanymi napięciem. Diody pojemnościowe są znacznie mniejsze, lżejsze i tańsze od

kondensatorów obrotowych

Transformator



Rola transformatorów



Transformator energetyczny



Wiadomości ogólne



Istota działania



Stany pracy transformatora

Obwody ferromagnetyczne są stosowane powszechnie do budowy transformatorów.

Transformatory odgrywają bardzo ważną rolę w elektroenergetyce. W nowoczesnych

elektrowniach energię elektryczną wytwarza się w prądnicach trójfazowych

(generatorach) o napięciu 10,5kV lub 15,75kV. Są to napięcia za niskie do przesyłania

energii na duże odległości, a jednocześnie za wysokie do zasilania odbiorników.

Odbiorniki oświetleniowe i zelektryfikowany sprzęt gospodarstwa domowego zasila się

napięciem 220V lub w wyjątkowych przypadkach niższym (np. w USA napięcie to

wynosi 110V). Silniki trójfazowe małej i średniej mocy zasila się napięciem 380V, a

silniki o mocy powyżej 200kW – napięciem 6000V. Dlatego zachodzi potrzeba

stosowania transformatorów energetycznych.

Transformator energetyczny służy do przetwarzania energii elektrycznej o jednym

napięciu na energię elektryczną o innym napięciu, przy tej samej częstotliwości.

Transformatory są też używane w miernictwie elektrycznym, w automatyce i

elektronice. Są to jednak transformatory małej mocy, w których zagadnienia

energetyczne ustępują miejsca innym zadaniom, jak np. wierność przekazywania

sygnałów. Na poniższym rysunku przedstawiono schematycznie szkic transformatora

jednofazowego dwuuzwojowego. Na rdzeniu zamkniętym z blach elektrotechnicznych są

nawinięte dwa uzwojenia, odizolowane elektrycznie od rdzenia i od siebie. Jedno z

uzwojeń przyłączamy do źródła napięcia sinusoidalnego. Nazywamy je uzwojeniem
pierwotnym, a liczbę jego zwojów oznaczamy przez N

1

. Drugie uzwojenie o liczbie

zwojów N

2

nazywamy uzwojeniem wtórnym.

Przy zasilaniu napięciem sinusoidalnym strumień w rdzeniu zmienia się sinusoidalnie.

Przyjąwszy fazę początkową równą zeru, otrzymamy

W uzwojeniu pierwotnym i wtórnym indukują się siły elektromotoryczne odpowiednio:

przy czym znak (-) odpowiada przyjęciu strzałek e

1

, e

2

zgodnie z regułą śruby

prawoskrętnej w stosunku do strumienia. Wartości skuteczna indukowanych sił

elektromotorycznych wyrażają się zależnościami

Przekładnia zwojowa transformatora jest równa stosunkowi liczby zwojów

uzwojenia pierwotnego do liczby zwojów uzwojenia wtórnego

Przekładnia napięciowa transformatora jest równa stosunkowi napięcia

pierwotnego do napięcia wtórnego

Ponieważ

oraz

,

więc można przyjąć, że w przybliżeniu n

z

=K. Zasadę zmiany wartości napięcia i prądu

wyjaśnia równanie mocy

Wynika z niego, że wartość prądu jest tym mniejsza, im napięcie jest wyższe.

Zależności między napięciami i prądami strony pierwotnej i wtórnej są następujące:

Wyższe napięcie transformatora nazywa się napięciem górnym, a niższe – dolnym.

Istota działania transformatora polega na wytworzeniu przemiennego strumienia

magnetycznego przez jedno z dwóch sprzężonych magnetycznie uzwojeń, włączone do

źródła napięcia przemiennego i na indukowaniu siły elektromotorycznej w drugim

uzwojeniu

Transformować można. tylko prądy przemienne.

Uzwojenie wtórne transformatora można uważać za źródło napięcia, tzn. że do

zacisków uzwojenia wtórnego można przyłączać odbiorniki. Wartość prądu pobieranego

z transformatora określa jego stan pracy. Rozpatrując działanie transformatora zwykle

bierze się pod uwagę trzy stany pracy: jałowy, obciążenia oraz zwarcia

Tranzystory



Wiadomości podstawowe o Tranzystorze bipolarnym



Zasada działania tranzystora bipolarnego



Układ wspólnego emitera OE



Układ wspólnego kolektora OC



Układ wspólnej bazy OB



Tranzystor unipolarny



Zasada działanie tranzystora unipolarnego

Tranzystor bipolarny jest to element półprzewodnikowy o

dwóch złączach PN i np., wykonanych w jednej płytce

półprzewodnika. Procesy zachodzące w jednym złączu

oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są

elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik : bipolarny.

Możliwe jest przy tym dwojakie uszeregowanie obszarów o

różnym typie przewodnictwa: PNP (pierwszy rysunek) i NPN

(drugi rysunek), dające dwa przeciwne typy tranzystorów.

Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji PNP

Rysunek przedstawia tranzystor bipolarny o polaryzacji NPN

Zasada ich działania jest jednakowa, różnice występują tylko w

kierunku zewnętrznych źródeł napięcia i w kierunkach przepływu

prądów.

W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary

półprzewodnika stykające się z elektrodami są oznaczone: E –

emiter, C – kolektor, B – baza.

Rozpatrzmy działanie tranzystora bipolarnego kożystając z

poniższych rysunków.

Rysunek przedstawia tranzystor NPN w konfiguracji służącej do pomiarów

prądów przy otwartym obwodzie kolektora

Rysunek przedstawia tranzystor NPN w konfiguracji służącej do pomiarów

prądów przy zamkniętym obwodzie kolektora

Na rysunkach tych pokazano strukturę tranzystora NPN wraz z

zewnętrznymi źródłami zasilania, miliamperomierzami w

gałęziach emitera i kolektora oraz mikroamperomierzem w gałęzi

bazy.

Przy zamkniętym tylko wyłączniku w1 płynie jednakowy prąd

przez miliamperomierz mA

1

i mikroamperomierz



A

2

, tak jak w

diodzie półprzewodnikowej. Elektrony z obszaru N emitera

przechodzą przez obniżoną barierę potencjału, a następnie ich

ubytek jest uzupełniany przez biegun ujemny źródła napięcia

U

BE

. Jeżeli teraz zamkniemy włącznik w2, to stwierdzimy nie

zmienione odchylenie wskazówki miliamperomierza mA

1

,

znaczne zmniejszenie odchylenia wskazówki

mikroamperomierza



A

2

i jednoczesne odchylenie wskazówki

miliamperomierza mA

3

. Na rysunkach tych zaznaczono prądy I

E

w gałęzi emitera, I

B

w gałęzi bazy oraz I

C

w gałęzi kolektora.

Zwroty strzałek prądów są oczywiście przeciwne do kierunków

ruchu elektronów. Zgodnie z pierwszym prawem kirchhoffa

Przedstawione powyżej zjawisko tłumaczy w ten sposób, że

elektrony przeskakują obniżoną barierę potencjału złącza emiter-

baza i rozpędzone przechodzą łatwo niewielką grubość bazy,

dostając się do złącza baza-kolektor, skąd zostają wychwytane

przez kolektor połączony z biegunem dodatnim U

CB

.

Praktycznie od 90% do 98% nośników ładunku oddanych przez

emiter do bazy dochodzi do kolektora: I

C

= 0,90 ÷ 0,98 I

E

. Prąd w

gałęzi bazy

Małym zmianom prądu bazy odpowiadają wielokrotnie większe

zmiany prądu kolektora. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy
nazywa się wielkosygnałowym współczynnikiem wzmocnienia

prądowego> tranzystora w układzie ze wspólnym emiterem OE

(WE)

Podobny wzór obowiązuje również dla małych zmian prądu

kolektora



I

C

i małych zmian prądu bazy



I

B

, czyli

Współczynnik



0

nazywa się małosygnałowym

współczynnikiem wzmosnienia prądowego tranzystora w

układzie WE (OE). Współczynnik



i



0

nie różnią się zbytnio od

siebie i często są nazywane w skrócie wzmocnieniami

prądowymi tranzystora. Wartości ich wynoszą od kilkunastu

(tranzystory dużej mocy) do kilkuset, a nawet kilku tysięcy

(tranzystory małej mocy).

Tranzystor bipolarny jest zatem elementem wzmacniającym,

gdyż małe zmiany prądu bazy powodują duże., zmiany prądu

kolektora.

W układzie o wspólnym emiterze – oznaczanym WE lub OE

sygnał jest doprowadzony między emiter i bazę, a obciążenie jest

włączone między kolektor i emiter. Emiter stanowi elektrodę

wspólną dla źródła sygnału i obciążenia.

Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o

wspólnym emiterze OE

W układzie o wspólnym kolektorze – oznaczanym WC lub

OC sygnał jest doprowadzony między bazę i kolektor, a

obciążenie jest włączone między emiter i kolektor. Kolektor

stanowi elektrodę wspólną dla źródła sygnału i obciążenia

Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o

wspólnym kolektorze OC

W układzie o wspólnej bazie – oznaczanym WB lub ob.

sygnał jest doprowadzany między emiter i bazę, a obciążenie jest

włączone między kolektor i bazę. Baza stanowi elektrodę

wspólną dla źródła sygnału i obciążenia.

Rysunek przedstawia układ połączeń tranzystora bipolarnego w układzie o

wspólnej bazie OB

Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczona w

hermetycznie zamkniętej obudowie metalowej, ceramicznej lub
plastykowej. Obudowa ta nie tylko chroni przed uszkodzeniami

mechanicznymi, ale spełnia również inne funkcje. Na przykład w

tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia skuteczne

odprowadzanie ciepła.

W

tranzystorach

unipolarnych – nazywanych

też

tranzystorami polowymi – wykorzystuje się zmiany prądu
płynącego przez płytkę półprzewodnika typu N lub P, wywołane
poprzecznym polem elektrycznym

Tranzystory te dzieli się na dwie zasadnicze grupy:

tranzystory polowe złączowe FET (z ang. Field-Effect

Transistor – co znaczy tranzystor wykorzystujący efekt polowy) i

tranzystory polowe z izolowaną bramką MOS, MOSFET (z

ang Metal-Oxide Semiconductor – co znaczy metal-tlenek

półprzewodnik).

Rozpatrzmy zasadę działania tranzystora FET.

Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego:

przepływ prądu przez płytkę półprzewodnikową

Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego:

zwężenie kanału i zmiana jego konduktancji przez napięcie bramki

Płytka półprzewodnika typu P (lub N) po dołączeniu źródła

napięcia przewodzi prąd, a jej konduktancja jest tym większa, im

więcej jest atomów domieszki. Jeżeli dołączymy do elektrody S,

zwanej źródłem, dodatni biegun źródła napięcia U

DS

, a do

elektrody D, zwanej drenem, biegun ujemny, to dziury będą się

przemieszczać w kierunku drenu. Warstwa półprzewodnika, w

której odbywa się przepływ ładunków nazywa się kanałem.

Gdyby płytka była wykonana z półprzewodnika typu N, to prąd

byłby wywołany przepływem elektronów. Należałoby wówczas

zamienić biegunowość źródła napięcia U

DS

. Zgodnie z prawem

Ohma, przy stałej wartości napięcia U

DS

, prąd płynący przez

płytkę można zmienić przez płytkę można zmieniać przez zmianę

konduktancji kanału. Konduktancję tę zmienia się za pomocą

pola elektrycznego. Na powierzchnię płytki nakłada się elektrodę

sterującą G, zwaną bramką. Jeżeli do bramki G doprowadzimy

napięcie dodatnie względem źródła S, to złącze PN, powstałe

między bramką a kanałem, będzie odpychać dziury zdążające do

drenu, gdyż jest ono polaryzowane zaporowo. Nastąpi zwężenie

kanału, co utrudni przepływ dziur. Napięcie bramki U

GS

zwęża

więc kanał i zwiększa jego rezystancję.

Tyrystory

Powrót do strony głównej.

Tyrystor jest to element półprzewodnikowy o trzech złączach wykonanych w jednej płytce

półprzewodnika typu P lub N. Ma on trzy elektrody: katodę K, bramkę G i anodę A

Rysunek przedstawia symbol graficzny tyrystora

Pod względem działania można go uważad za diodę półprzewodnikową sterowaną.

Przewodzi on prąd jednokierunkowo, tj. od anody do katody. Elektrodą sterującą jest bramka. Z

punktu widzenia użytkownika tyrystor jest wyłącznikiem w, zamykanym za pomocą dodatniego

prądu bramki.

Rysunek przedstawia schemat zastępczy tyrystora

schemat budowy tyrystora przedstawiono poniżej. Na płytkę półprzewodnikową typu P,

oznaczoną na rysunku przez P

1

, nałożono warstwy półprzewodnikowe N

1

, N

2

, a następnie na N

2

warstwę P

2

. Złącza między nimi oznaczono przez z

1

(N

1

P

1

), z

2

(P

1

N

2

) i z

3

(N

2

P

2

). Elektroda

zewnętrzna P

2

stanowi anodę, a elektroda N

1

– katodę.

Rysunek przedstawia budowę tyrystora i schemat jego włączania

Jeżeli do anody doprowadzimy zacisk (-) ze źródła napięcia, a do katody zacisk (+), to prąd w

tym obwodzie nie popłynie, bo złącza z

1

i z

3

będą działad zaporowo. Jeżeli natomiast anodę

połączymy z zaciskiem (+), a katodę z zaciskiem (-) źródła napięcia przez zamknięcie wyłącznika

w

1

(na powyższym rysunku) przy otwartym wyłączniku w

2

, to złącze z

2

będzie działad zaporowo i

prąd również nie popłynie. Układ złączy możemy traktowad jako tranzystor o bazie P

1

.

doprowadzając niewielkie napięcie między bazę P

1

a katodę N

1

, która odgrywa rolę emitera,

możemy zniweczyd zaporowe działanie warstwy z

2

. Po zamknięciu wyłącznika w

2

, przy

zamkniętym wyłączniku w

1

, zaobserwujemy odchylenie wskazówki amperomierza.

Na tym polega działanie sterujące tyrystora. Elektroda P

1

, nazywana bramką, jest elektrodą

sterującą