9. Podstawy elektrotechniki i elektroniki

1. Pole elektrostatyczne: ładunek elektryczny Q, natężenie pola E, potencjał V, indukcja elektryczna D, prawo Gaussa, dielektryki, pojemność elektryczna C, energia naładowanego kondensatora.

Polem elektrostatycznym nazywamy przestrzeń, w której na dowolny ładunek działa siła elektryczna. Źródłem pola elektrostatycznego jest nieruchomy ładunek.

Ładunek elektryczny Q. Źródło pola elektromagnetycznego związane z nośnikiem materialnym. Wszystkie zjawiska elektryczne tłumaczy się jako przejaw obecności, ruchu i oddziaływania ładunków elektrycznych Występują dwa rodzaje ładunków elektrycznych, umownie zwane dodatnimi i ujemnymi. W wyniku wzajemnego oddziaływania jednoimienne ładunki elektryczne odpychają się, różnoimienne zaś przyciągają. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C);

Natężenie pola E. Wektor natężenia pola elektrycznego jest to stosunek siły działającej na ładunek q znajdujący się w danym polu elektrycznym do wartości tego ładunku.

E=F/q [N/C]

F - siła elektryczna

q - ładunek

Potencjał V. Potencjałem w pewnym punkcie przestrzeni nazywamy stosunek pracy sił zewnętrznych, niezbędnej do przesunięcia ładunku próbnego z nieskończoności do danego punktu pola - do wartości tego ładunku próbnego.

V=W/q₀

Indukcja elektryczna , wektor indukcji elektrycznej,
, wielkość charakteryzująca pole elektryczne wewnątrz dielektryka wytworzone przez swobodne ładunki elektryczne. Wyraża się wzorem
 = ε₀
 + 
, gdzie
— pole elektryczne w dielektryku, ε₀ — przenikalność elektryczna próżni,
— wektor polaryzacji

Prawo Gaussa. Strumień wektora natężenia pola przez dowolną powierzchnię zamkniętą równy jest ładunkowi zawartemu wewnątrz tej powierzchni podzielonemu przez przenikalność elektryczną ośrodka otaczającego ładunki.

*= q/*

Dielektryki - dielektrykami (izolatorami) nazywamy ciała mające bardzo mało swobodnych ładunków elektrycznych. Ciała nieprzewodzące prądu elektrycznego. Dielektrykami mogą być zarówno ciała stałe, ciecze i gazy.

Pojemność elektryczna C - pojemność elektryczna przewodnika jest równa stosunkowi ładunku Q zgromadzonego na przewodniku do potencjału V wywołanego obecnością tego ładunku. Zależy od kształtu i rozmiarów przewodnika oraz przenikalności elektrycznej otaczającego ośrodka.

C = Q/V

[F] = [C/V]

F- farad, C- kulomb, V- wolt

Energia naładowanego kondensatora. Kondensator zbudowany jest z dwóch przewodników oddzielonych izolatorem (dielektrykiem). Służy do gromadzenia ładunku elektrycznego. Przewodniki nazywamy okładkami kondensatora. W zależności od kształtu tych przewodników wyróżniamy kondensatory:
a) płaskie
b) kuliste
c) cylindryczne (butelka lejdelska)

Energię naładowanego kondensatora można traktować jako energię zgromadzoną w polu elektrycznym panującym pomiędzy okładkami kondensatora.

Naładowany kondensator posiada energię
E_c=CU²/2

2. Pole magnetyczne: prawo przepływu, natężenie H, indukcja B, strumień magnetyczny, materiały magnetyczne. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej, indukcyjność własna i wzajemna, transformator, energia cewki z prądem.

Polem magnetycznym nazywamy taki stan przestrzeni, w którym na poruszające się ładunki działają siły.

Prawo przepływu (prawo Ampera)

Służy do wyznaczania indukcji pola magnetycznego pochodzącego z różnych przewodników z prądem.

Prawo Ampera : Krążenie wektora indukcji po dowolnej krzywej zamkniętej jest proporcjonalne do sumy natężeń prądów zawartych wewnątrz tej krzywej :

Oznaczenia

I - natężenie prądu;

 L - długość krzywej zamkniętej;

B - natężenie pola elektromagnetycznego (indukcja);

 ₀ - przenikalność magnetyczna próżni;

j - ilość natężeń (przewodników);

i - ilość odcinków krzywej

Natężenie H. Wektor natężenia pola magnetycznego H jest odpowiednikiem wektora indukcji elektrycznej D, gdyż zarówno wektor H jak i wektor D nie zależą od rodzaju ośrodka, w którym wytworzono pole. Natężenie pola magnetycznego wyraża się wzorem:

H = B / *0

[ H ] = A / m

gdzie:
*0 - ( czyt. mi zero) - przenikalność magnetyczna próżni

Indukcja B. Pole magnetyczne ma charakter wektorowy i jest charakteryzowane wielkością wektorową
. Wektor indukcji magnetycznej
, definiowany jest poprzez siłę
, z jaką pole magnetyczne działa na poruszający się z prędkością
ładunek elektryczny q (
 = q
×
).Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (T).

Strumień magnetyczny (strumień indukcji magnetycznej) jest to wielkość skalarna, w obrazie geometrycznym proporcjonalna do liczby linii pola magnetycznego przenikających przez daną powierzchnię S. Jednostką strumienia indukcji magnetycznej jest 1 weber (Wb)

Oznaczenia

f - strumień pola magnetycznego;

B - natężenie pola elektromagnetycznego (indukcja);

S - pole powierzchni

Materiały magnetyczne. Materiały wykazujące ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm. Do grupy materiałów magnetycznych, należą m.in. metale: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin, dysproz oraz niektóre ich stopy i związki; przykładem materiałów magnetycznych uporządkowanych ferrimagnet. są ferryty. Z punktu widzenia właściwości użytkowych rozróżnia się materiały magnetyczne miękkie i materiały magnetyczne twarde.

Materiały magnetycznie miękkie łatwo i silnie się magnesują i łatwo rozmagnesowują. Należą do nich żelazo technicznie czyste, stal niskowęglowa, stal krzemowa, stopy żelaza z niklem, żelaza z kobaltem, żelaza z aluminium, żelaza z krzemem, nikiel z kobaltem i żelazem, ferryty (manganowo-cynkowe, niklowo-cynkowe). Materiały magnetycznie miękkie są stosowane w różnych działach elektrotechniki i elektroniki (m.in. do wyrobu rdzeni elektromagnesów, transformatorów, przekaźników, rdzeni głowic magnetofonowych, urządzeń mikrofalowych).

Materiały magnetycznie twarde dają się namagnesować trwale — charakteryzuje je duża pozostałość magnetyczna. Należą do nich stale węglowe w stanie zahartowanym, stale chromowe, ferryty (barowe i strontowe), stopy żelaza, aluminium, niklu, kobaltu z domieszkami miedzi lub tytanu stopy żelaza, kobaltu. Materiały magnetycznie twarde są używane do wyrobu magnesów. Ważną grupę stanowią materiały magnetycznie twarde, przygotowane w specjalnej postaci, np. proszków magnet. (żelaza, tlenku żelaza, tlenku chromu, ferrytu barowego), umieszczonych w środowisku niemagnet., stosowane do wyrobu taśm i dysków magnetycznych.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Istotą zjawiska jest powtarzanie siły elektromagnetycznej w dowolnym obwodzie przy zmianie strumienia skojarzonego z tym obwodem.

*= - d*/dt

Ponieważ zmieniający się strumień magnetyczny indukuje SEM, a pod jej wpływem w zamkniętym obwodzie płynie prąd, więc zjawisko indukcji elektromagnetycznej można wykorzystać do wytwarzania prądów zmiennych lub stałych (generatory, prądnice), do zmiany napięcia i natężenia prądów zmiennych (transformator) a także do budowy wielu bardziej złożonych przyrządów pomiarowych i urządzeń.

Indukcyjność własna. Przepływając przez cewkę, zmieniający się w czasie prąd powoduje powstanie zmiennego strumienia magnetycznego, który w uzwojeniu cewki będzie indukował SEM. Ten szczególny przypadek zjawiska indukcji elektromagnetycznej, kiedy to SEM indukcji powstaje w tej samej cewce, przez którą płynie zmieniający się prąd nazywa się samoindukcją lub indukcją własną.

Indukcyjność wzajemna. Jeśli mamy układ dwóch cewek ustawionych w ten sposób, że strumień magnetyczny wytwarzany przez prąd płynący w jednej z nich przenika powierzchnię zwojów drugiej (mówimy wtedy, że cewki są sprzężone indukcyjnie), to zmiana prądu w jednej z nich powoduje powstanie SEM indukcji w drugiej. Ten szczególny przypadek zjawiska indukcji elektromagnetycznej nazywa się indukcją wzajemną.

Transformator. Jeżeli na wspólny rdzeń magnetyczny nawiniemy dwie zwojnice i przez jedną z nich (uzwojenie pierwotne) przepuścimy prąd przemienny, to w drugiej zwojnicy (uzwojenie wtórne) wzbudzi się prąd indukcyjny. Dobierając ilość zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, możemy zmniejszać lub zwiększać napięcie prądu (zgodnie z prawem Ohma proporcjonalnie zmieni się także natężenie prądu). Ile razy ilość zwojów w uzwojeniu wtórnym jest większa od ilości zwojów w uzwojeniu pierwotnym, tyle razy napięcie między zaciskami uzwojenia jest większe i na odwrót.

Liczbę n_w /n_p nazywamy przekładnią transformatora.

n_w - ilość zwojów w uzwojeniu wtórnym

n_p - ilość zwojów w uzwojeniu pierwotnym

Energia cewki z prądem

Rozważmy proces włączenia cewki do obwodu zawierającego źródło napięcia stałego. Natężenie prądu w obwodzie nie może osiągnąć od razu wartości ustalonej. Zmieniający się w czasie prąd powoduje powstanie w cewce SEM samoindukcji. Jeśli w czasie t prąd zmienia się od zera do I, to źródło dołączone do cewki wykona pracę:

W = ½ LI²

A zatem w polu magnetycznym cewki zmagazynowana jest pewna energia. Jeśli cewkę taką, dołączoną do zewnętrznego źródła, będziemy odłączać od obwodu, to pole może oddać tę energię, wykonując pracę, np. w oporniku wydzieli się ciepło.

3. Zjawisko prądu elektrycznego: przewodniki, źródła energii elektrycznej, prawo Ohma, prawo Joule'a. Obwody elektryczne: prawa Kirchhoffa, metoda prądów oczkowych.

Prądem elektrycznym jest uporządkowany ruch ładunków.

Przewodniki - przewodniki są to ciała dobrze przewodzące prąd elektryczny dzięki temu, że ładunki elektryczne mogą się wewnątrz nich swobodnie przemieszczać pod wpływem pola elektrycznego. Przewodnikami mogą być ciała stałe (są nimi wszystkie metale), ciecze (elektrolity) i gazy (w pewnych warunkach - po zjonizowaniu).

Źródła energii elektrycznej (źródła napięcia) - prądnice, ogniwa, akumulatory, fotoogniwa, prostowniki. Przez źródło prądu rozumie się każde urządzenie, które zamienia energię dowolnego rodzaju (pochodzenia) na energię prądu elektrycznego.

Prawo Ohma - dla danego przewodnika stosunek napięcia mierzonego na jego końcach do natężenia prądu płynącego przez ten przewodnik jest wielkością stałą i nazywa się oporem elektrycznym przewodnika.

R = U/I opór = napięcie/natężenie

Prawo Ohma możemy jeszcze sformułować następująco

Natężenie prądu płynącego w danym elemencie jest wprost proporcjonalne do napięcia na końcach tego elementu i odwrotnie proporcjonalne do oporu tego przewodnika.

I = U/R

Prawo Joule'a - podczas przepływu prądu przez przewodnik wzrasta jego energia wewnętrzna i następuje cieplny przepływ energii do otoczenia (wydziela się ciepło). Ilość tej energii jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu, oporu przewodnika i czasu przepływu.

E_w = I² * R * t

Obwody elektryczne:

I prawo Kirchhoffa (dotyczy węzłów obwodu elektrycznego)

Suma algebraiczna wszystkich prądów dopływających i odpływających z węzła jest równa zeru.

* I_i = 0

II prawo Kirchhoffa (dotyczy obwodów zamkniętych - oczek sieci)

Suma algebraiczna sił elektromotorycznych i napięć w oczku wynosi zero.

Metoda prądów oczkowych:

4. Wielkości charakteryzujące prądy i napięcia sinusoidalne. Zjawisko rezonansu w obwodach RLC. Moc prądu sinusoidalnego, kompensacja mocy biernej. Metoda symboliczna rozwiązywania obwodów elektrycznych prądu sinusoidalnego.

Częstotliwość (mierzona w jednostkach zwanych Hercami - odwrotność sekundy) to liczba okresów przypadająca na jedną sekundę.

Okres to nic innego jak jeden pełen cykl przepływu, czyli 2*Pi na wykresie przebiegu.

Pulsacja jest proporcjonalna do częstotliwości. Mówi ona o jaką miarę konta na wykresie przebiegu zmienia się prąd w jednej sekundzie.

Amplituda opisuję maksymalną wartość chwilową prądu dla przebiegu sinusoidalnego. Są to po prostu wartości szczytowe (tzw „górki” na wykresie wykresie=sin(x)).

Wartość natężenia prądu stałego, który - płynąc przez ten sam opornik co prąd zmienny o znanej amplitudzie I_m- wykona w ciągu tego samego czasu tę samą pracę, nazywa się wartością skuteczną prądu zmiennego.

I = I_m/ pierwiastek 2

Wartość średnia

I_śr = 0

Zjawisko rezonansu w obwodach RLC

Moc prądu sinusoidalnego

Kompensacja mocy biernej

Metoda symboliczna

Metoda, w której wskazy (wektory) zapisuje się używając liczb zespolonych nosi nazwę metody symbolicznej.

5. Półprzewodniki: teoria pasmowa, domieszki, dziury i elektrony, złącze PN, dioda półprzewodnikowa.

Półprzewodnikiem nazywamy kryształ, w którym w temperaturze zera bezwzględnego pasmo walencyjne jest całkowicie zajęte elektronami, a pasmo przewodnictwa całkowicie puste. Cechą charakterystyczną półprzewodników jest silna zależność przewodnictwa elektrycznego od warunków zewnętrznych (temperatury, napromieniowania, pól elektr. i in.), przy czym (odwrotnie niż w przypadku metali) przewodnictwo półprzewodników rośnie ze wzrostem temperatury.

Teoria pasmowa. Teoria tłumacząca właściwości elektronowe ciał stałych. Opiera się na założeniu, że podczas powstawania struktury krystalicznej ciała stałego dozwolone dla elektronów poziomy energetyczne swobodnych atomów rozszczepiają się tworząc pasma poziomów blisko leżących. Poszczególne pasma są od siebie oddzielone pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną); najwyższe, całkowicie lub częściowo wypełnione elektronami pasmo jest nazywane pasmem walencyjnym, a kolejne wyższe, całkowicie lub prawie całkowicie puste — pasmem przewodnictwa.

Domieszki

Półprzewodnik może być półprzewodnikiem domieszkowym (przewaga elektronów w paśmie przewodnictwa - typ n, przewaga dziur w paśmie walencyjnym - typ p).Półprzewodniki domieszkowe są kryształami zawierającymi dodatkowe obce atomy tzw. domieszki.

Dziury i elektrony

Przewodnictwo dziurowe. Może się zdarzyć, że z górnej części pasma podstawowego półprzewodnika (zwanego również pasmem walencyjnym) elektron pokonawszy przerwę energetyczną przedostał się do pustego lub zapełnionego częściowo pasma przewodnictwa. Wówczas mówimy, że w paśmie podstawowym pojawiła się dziura. Powstanie dziury powoduje z kolei przechodzenie elektronów z sąsiednich atomów w uwolnione miejsce. Elektron zapełniając ową dziurę z kolei zostawia dziurę po sobie. Kolejne przeskoki elektronów z atomów sąsiednich odpowiadają wędrowaniu dziury po całym krysztale. Dziurę tę umownie obarczamy również pewną masą efektywną m_ef, odzwierciedlającą działanie międzyatomowych pól krystalicznych.

Złącze PN. Powstaje z zestawienia dwóch półprzewodników typu n i p. W praktyce złącza wykonuje się w tym samym monokrysztale podstawowego półprzewodnika, do którego z jednej strony wprowadzono domieszki jednego rodzaju - donory, a z drugiej inne domieszki - akceptory. W obszarze typu p mamy ujemnie naładowane akceptory i swobodne dziury. W obszarze typu n występują dodatnio naładowane donory oraz elektrony swobodne. Liczba akceptorów i liczba donorów jest w przybliżeniu równa liczbie dziur i liczbie elektronów. W pobliżu styku obszaru typu n z obszarem typu p pojawia się skokowa różnica w gęstości elektronów i dziur.

Dioda półprzewodnikowa. Półprzewodnik, w którym zostało utworzone złącze p-n nosi nazwę diody półprzewodnikowej, gdyż dioda półprzewodnikowa charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu. Złącza p-n możemy włączyć w obwód prądu elektrycznego dwojako:

1. W kierunku przewodzenia - półprzewodnik p połączony jest z dodatnim biegunem baterii zasilającej, półprzewodnik n z biegunem ujemnym. Przez złącze płynie duży prąd; elektrony i dziury przyspieszane przez zewnętrzne pole elektryczne pokonują barierę potencjału.

2. W kierunku zaporowym połączenie jest odwrotne, przez złącza płynie prąd minimalny. Bariera potencjału teraz rośnie, a nośniki są odciągane od złącza przez pole elektryczne.

1. Tranzystor bipolarny: zasada działania, charakterystyki, stany pracy.

Zbudowany jest z trzech półprzewodników tworzących dwie pary złącz:

1. n-p-n

2. p-n-p

Środkowa warstwa półprzewodnika nosi nazwę bazy (ozn.B), zewnętrzne - emitera (ozn.E)i kolektora (ozn.C).

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

stan zatkania: złącza BC i BE spolaryzowane są w kierunku zaporowym;

stan nasycenia: złączą BC i BE spolaryzowane są w kierunku przewodzenia;

stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze BC zaporowo;

stan aktywny inwersyjny: BE zaporowo, BC w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora. Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter przyłożone w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy. (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy, co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki wstrzyknięte do bazy niejako 'siłą rozpędu' dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są 'wsysane' do kolektora. Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinowania wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w bazie. Jest tym mniejszy im cieńsza jest baza. Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.

Podstawowe znaczenie dla działania tego urządzenia mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze, zwanym bazą, pomiędzy dwoma złączami półprzewodnikowymi.

Ze względu na podłączenia sygnału wejściowego i wyjściowego rozróżnia się trzy metody włączenia tranzystora: układ ze wspólnym kolektorem (OC), ze wspólną bazą i ze wspólnym emiterem.

1. Układy zasilające: transformator, prostownik filtr, stabilizator.

Transformator

Maszyna elektryczna służąca do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (uzwojeń) nawiniętych na wspólny rdzeń wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego. Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego, powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego, pole to przenika przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi) i w wyniku indukcji elektromagnetycznej powstanie w nich zmiennej siły elektromotorycznej (napięcia). Transformatory znalazły liczne zastosowania w energetyce oraz w urządzeniach elektronicznych do zmiany napięcia

Prostownik

Element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy (prąd stały).

Rozróżniamy następujące prostowniki:

półokresowy (dla prądu jednofazowego: jednopołówowy)

pełnookresowy (dla prądu jednofazowgo: dwupołówkowy )

wielofazowe (dla prądu np. 3-fazowego: jednopołówowy i dwupołówkowy)

Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej)

Filtr

Układ elektryczny przepuszczający przebiegi elektryczne zawarte w określonym paśmie częstotliwości, a tłumiący przebiegi o innych częstotliwościach. Filtr elektryczny ma co najmniej 1 pasmo przepustowe i 1 pasmo tłumieniowe. Filtry elektryczne stosuje się w urządzeniach radiowych, elektroakust., telekomunikacyjnych i prostownikach prądu przemiennego.

Stabilizator

Stabilizatorem napięcia lub prądu stałego nazywamy układ, którego zadaniem jest utrzymywania stałej, ściśle mówiąc prawie stałej wartości napięcia lub prądu wyjściowego, przy określonych granicach zmian napięcia zasilającego, obciążenia oraz czynników zewnętrznych, np. temperatury, ciśnienia, wilgotności, czasu itd. Są często wykorzystywane jako integralne części bardziej rozbudowanych układów elektronicznych.

Podstawy elektrotechniki i elektroniki

9

---