background image

 
 

 

 

PODSTAWY ELEKTRONIKI 

Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 

SEMESTR 2 i 3 

 

 

 

Rozwiązania zadań nie były w żaden sposób konsultowane z żadnym wiarygodnym źródłem informacji!!! 

W związku z tym ich poprawność jest wątpliwa i w przypadku ewentualnych błędów proszę zgłaszać poprawki do autora. 

 (dane kontaktowe na końcu opracowania) 

 
 
 

GWOLI WSTĘPU 

Gratuluję  pomyślnego  przejścia  sesji  i  powitania  drugiego  semestru  na  MSIB.  Czas  jednak  ponownie  zasiąść  do  ksiąg 
tajemniczych i zgłębiać kolejne sekrety tej jakże interdyscyplinarnej  dziedziny. Po pokonaniu mieszanki biologii, chemii, fizyki 
i  matematyki,  nadszedł  czas  by  dowiedzieć  się  co  nie  co  o  prądzie.  Ponieważ  pewna  część  (nie  jest  to  znane  jak  wielka) 
ukończyła  profile  biologiczno-chemiczne,  a  osoby,  które  ukończyły  profile  matematyczno-fizyczne  również  mają  pojęcie 
praktyczne na ten temat nikłe,  stąd powstał  ten  mały  „rozrusznik”. Na początek  może  się okazać,  iż  sterta kabli  oraz bliżej 
nieokreślona plastikowa płytka porysowana różnymi ciekawostkami jest nie co zbyt skomplikowana, aczkolwiek po zgłębieniu 
tych  pierwszych  rad  i  wskazówek  być  może  okaże  się,  że  cała  tematyka  nie  jest  aż  tak  trudna,  a  zajęcia  stosunkowo 
interesujące. 
 
P.S.: Wraz z nowym semestrem przychodzi też odświeżone logo opracowań… ;) 

background image

 
 

 

TREŚCI SPIS 

 

OCZYWISTOŚCI ...................................................................................................................................................................................... 5 

1.NAPIĘCIE i PRĄD ............................................................................................................................................................................ 5 

NAPIĘCIE ........................................................................................................................................................................................ 5 

PRĄD .............................................................................................................................................................................................. 5 

2.SYMBOLIKA .................................................................................................................................................................................... 6 

3.PRAWA OHMA ............................................................................................................................................................................... 7 

PIERWSZE PRAWO OHMA ........................................................................................................................................................... 7 

4.PRAWA KIRCHHOFFA .................................................................................................................................................................... 9 

PIERWSZE PRAWO KIRCHHOFFA (PPK) ...................................................................................................................................... 9 

DRUGIE PRAWO KIRCHHOFFA (DPK) .......................................................................................................................................... 9 

5.OZNACZENIA ................................................................................................................................................................................ 10 

6.JEDNOSTKI .................................................................................................................................................................................... 12 

7.OPÓR ZASTĘPCZY ......................................................................................................................................................................... 12 

POŁĄCZENIE SZEREGOWE OPORNIKÓW .................................................................................................................................. 12 

POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE OPORNIKÓW ............................................................................................................................... 13 

PRZEKSZTAŁCENIE TRÓJKĄT-GWIAZDA .................................................................................................................................... 14 

8.METODA OCZKOWA .................................................................................................................................................................... 17 

ZADANIE 1.4 – ŹRÓDŁO PRĄDOWE ........................................................................................................................................... 20 

9.POMOCE ....................................................................................................................................................................................... 24 

PRAKTYKA ............................................................................................................................................................................................ 24 

1.MASA ............................................................................................................................................................................................ 24 

2.PRĄD STAŁY I ZMIENNY .............................................................................................................................................................. 25 

NAZEWNICTWO .......................................................................................................................................................................... 25 

HISTORIA...................................................................................................................................................................................... 25 

CZĘSTOTLIWOŚĆ, AMPLITUDA, DC OFFSET .............................................................................................................................. 26 

3.PRZYRZĄDY POMIAROWE .......................................................................................................................................................... 28 

WOLTOMIERZ (voltmeter) .......................................................................................................................................................... 28 

AMPEROMIERZ (ammeter) ........................................................................................................................................................ 30 

MULTIMETR (multimeter) .......................................................................................................................................................... 32 

WATOMIERZ (wattmeter) .......................................................................................................................................................... 33 

OSCYLOSKOP (oscilloscope) ....................................................................................................................................................... 34 

background image

 
 

 

4.DZIELNIK NAPIĘCIA ...................................................................................................................................................................... 40 

5.ELEMENTY – WYGLĄD RZECZYWISTY I JAK PODPINAĆ? .......................................................................................................... 42 

ELEMENTY PASYWNE (passive components) ............................................................................................................................ 42 

a. REZYSTOR (OPORNIK) (resistor) ............................................................................................................................................ 42 

b. KONDENSATOR (capacitor).................................................................................................................................................... 42 

c. KONDENSATOR ELEKTROLITYCZNY (electrolytic capacitor) ................................................................................................ 43 

d. CEWKA INDUKCYJNA (inductor) ............................................................................................................................................ 44 

e. MEMRYSTOR (memristor) ...................................................................................................................................................... 44 

ELEMENTY AKTYWNE (active components) .............................................................................................................................. 45 

a. DIODA LED (diode) .................................................................................................................................................................. 45 

b. DIODA LED (light emitting diode) .......................................................................................................................................... 52 

c. TRANZYSTOR BIPOLARNY (bipolar junction transistor) ....................................................................................................... 53 

d. TRANZYSTORY POLOWE FET ................................................................................................................................................. 72 

e. MOSFET (NMOS i PMOS) ....................................................................................................................................................... 72 

f. WZMACNIACZ OPERACYJNY (operational amplifier - Op-Amp) .......................................................................................... 86 

6.OBWODY Z ZASTOSOWANIEM WZMACNIACZY OPERACYJNYCH .......................................................................................... 89 

WZMACNIACZ ODWARACAJĄCY (inverting amplifier) ............................................................................................................ 89 

WZMACNIACZ NIEODWARACAJĄCY (noninverting amplifier) ................................................................................................ 91 

WTÓRNIK NAPIĘCIOWY (voltage follower) .............................................................................................................................. 93 

KONWERTER PRĄD-NAPIĘCIE (I-to-V converter) ...................................................................................................................... 95 

SUMATOR (summing amplifier) ................................................................................................................................................. 96 

WZMACNIACZ ODEJMUJĄCY (difference amplifier) ................................................................................................................ 98 

ODEJMUJĄCO-MNOŻĄCY (RAZY 2) ........................................................................................................................................... 99 

KOMPARATOR (comparator) ................................................................................................................................................... 100 

WZMACNIACZ CAŁKUJĄCY (integrator) .................................................................................................................................. 101 

WZMACNIACZ RÓŻNICZKUJĄCY (differentiator) .................................................................................................................... 102 

KONIEC ............................................................................................................................................................................................... 104 

TROCHĘ GŁĘBIEJ ................................................................................................................................................................................ 104 

1.MULTISIM ................................................................................................................................................................................... 104 

2.OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO ................................................................................................................................................ 104 

3.REZYSTANCJA WEWNĘTRZNA I SCHEMATY ZASTĘPCZE ........................................................................................................ 104 

4.ZASADA SUPERPOZYCJI ............................................................................................................................................................. 104 

5.MOSTKI ....................................................................................................................................................................................... 104 

6.KONWERTERY DAC i ADC .......................................................................................................................................................... 104 

7.WOLTOMIERZ WEKTOROWY .................................................................................................................................................... 104 

background image

 
 

 

LABORATORIA ................................................................................................................................................................................... 104 

1.PODSTAWY ELEKTRONIKI ......................................................................................................................................................... 104 

2.PODSTAWY METROLOGII .......................................................................................................................................................... 105 

Ćw. 1: OSCYLOSKOP.................................................................................................................................................................. 105 

Ćw. 2a: R

W

 (rezystancja wewnętrzna) .................................................................................................................................... 108 

Ćw. 2b: ŚWIATŁO I DŹWIĘK ..................................................................................................................................................... 117 

Ćw. 3: CZĘSTOTLIWOŚĆ ............................................................................................................................................................ 117 

Ćw. 4: AC/CA ............................................................................................................................................................................. 126 

Ćw. 5: KARTA POMIAROWA .................................................................................................................................................... 135 

Ćw. 6: POJEMNOŚĆ ................................................................................................................................................................... 140 

Ćw. 7: TEMPERATURA .............................................................................................................................................................. 155 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

 

OCZYWISTOŚCI 

CZYLI TO, CO JEST DLA WSZYSTKICH WOKOŁO OCZYWISTE, ACZKOLWIEK NIE DLA TYCH CO TRZEBA

 

 

1.NAPIĘCIE i PRĄD 

NAPIĘCIE 
Jak już zapewne wiecie (albo i nie) istnieje coś takiego jak pole elektryczne oznaczane dużą literką  , ale żeby nie wchodzić 
zbyt w zawiłości… 
 
Potencjał  to  jest  wielkość,  charakteryzująca  "nasilenie"  pola  elektrycznego  (pola  sił  elektrostatycznych)  w  danym  punkcie 
przestrzeni - różnica potencjałów pola elektrycznego jest czymś podobnym do różnicy wysokości w polu grawitacyjnym Ziemi; 
elektron przemieszcza się w polu elektrycznym od punktu o większym potencjale do punktu o mniejszym potencjale tak, jak 
ciało  swobodnie  spadające  z  punktu  położonego  wyżej  do  punktu  położonego  niżej.  Podobnie  też  określa  się  energię 
potencjalną cząstki elektrycznej w polu elektrycznym jak energię potencjalną ciała materialnego w polu grawitacyjnym Ziemi. 
 
PRĄD 
Prąd płynie kiedy? Prąd płynie wtedy, gdy jest zamknięty obwód, w obwodzie jest jakieś źródło prądu (bądź napięcia) i coś, co 
będzie „zjadało” ten prąd, np. rezystor. 
 

 

źródło napięcia 

rezystor (opornik) 

 

 

 
W powyższym obwodzie widać źródło napięcia, rezystor (w amerykańskim systemie oznaczania oporników – w europejskim 
jest to po prostu prostokąt) oraz prąd przepływający w obwodzie (zielone kwadraty). Należy w tym miejscu zwrócić uwagę, iż 
dłuższa  kreska  oznacza  dodatni  (wyższy)  potencjał,  natomiast  krótsza  ujemny  (niższy).  Ale  teraz  pytanie  –  w  którą  stronę 
płynie prąd? W tym miejscu zacytuję według mnie najbardziej przyswajalne wyjaśnienie: 

 

background image

 
 

 

Prąd  płynie  od  plusa  do  minusa,  bo  historycznie  ładunek  elementarny  określano  jako  wartość  ładunku  niesionego  przez 
proton  albo  wartość  bezwzględna  z  ładunku  elektronu.  Na  studiach  nauczono  nas,  że  prąd  płynie  od  plusa  do  minusa, 
ponieważ  elektrony  przesuwają  się  po  kolei  od  minusa  do  plusa  pozostawiając  po  sobie  wolne  miejsca.  (…)  Takie  wolne 
miejsca nazywają się  dziurami  elektronowymi i ponieważ ich ładunku  nie równoważą  żadne  elektrony  (no jak  to dziura  po 
elektronie  -  nie  ma  tam  elektronu),  więc  ma  ona  ładunek  dodatni.  Takie  wolne  miejsce  jest  zastępowane  przez  kolejny 
elektron, który  to zostawia za sobą wolne miejsce, na które wchodzi kolejny elektron itd. I  tak elektrony przesuwają się jak 
samochody w kolejce, a przerwy miedzy nimi są zajmowane przez kolejne samochody nadjeżdżające z tyłu, więc taka przerwa 
sprawia wrażenie, jakby poruszała się do tyłu kolejki. Ufff! I dlatego prąd płynie od plusa do minusa. 

(źródło - http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic828177.html) 

 
2.SYMBOLIKA 

W  schematach  obwodów  jest  masa  różnych  ciekawych  symboli  i  każdy  z  nich  COŚ  oznacza.  Na  początek  będziemy 
potrzebowali  jedynie  kilku  pierwszych  elementów,  a  tematyka  multisim’a  będzie  poruszona  nie  co  dalej,  więc  nie  ma 
potrzeby zbytniego wczytywania się w ten paragraf. Oto mini lista co jest czego: 
 

OPORNIK (REZYSTOR) 

u góry USA 

na dole Europa

 

ŹRÓDŁO NAPIĘCIA 

(stałego) 

ŹRÓDŁO PRĄDU 

po lewej USA 

resistor 

DC voltage source 

current source 

 

 

 

 

symbole z multisim’a 

 

 

 

 
Żeby było śmieszniej, w literaturze anglojęzycznej (USA), źródło prądu lubi wyglądać jak nasze europejskie źródło napięcia. 
Taka przestroga co by nie było zaskoczenia czytając zagraniczne księgi. 
 

CEWKA INDUKCYJNA 

KONDENSATOR 

zwany też konzatorem :) 

DIODA

 

inductor 

capacitor 

diode 

 

 

 

symbole z multisim’a 

 

 

 

background image

 
 

 

Diod jest kilka różnych rodzajów, a każdy jest inaczej oznaczony. Najbardziej popularne (a raczej znane) są diody LED (light-
emitting diode), świecące. Obok nich istnieją jeszcze diody Zener’a, Schottky’ego, fotodiody, etc.  
 

TRANZYSTOR BIPOLARNY 

Bipolar (Junction) Transistor

 

TRANZYSTOR MOSFET 

Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

 

NPN 

PNP

 

nMOS

 

pMOS 

BJP NPN 

BJP PNP 

n-channel 

p-channel 

 

 

 

 

 
Program MultiSim nie przewiduje symulowania konkretnie tranzystorów NMOS i PMOS, ale można zamiast nich wykorzystać 
zwykłe  tranzystory  bipolarne  NPN  i  PNP,  których  samo  sedno  działania  jest  to  samo.  Oprócz  tranzystorów  polowych  z 
kanałem typu n i p istnieją jeszcze inne ich rodzaje, np. JFET, aczkolwiek nie jest to przedmiotem naszych rozważań. Więcej 
na temat tranzystorów bipolarnych i MOS w osobnych działach.  

 

WĘZEŁ 

PRZEWÓD

 

WOLTOMIERZ

 

AMPEROMIERZ 

junction 

wire 

voltmeter 

ammeter 

 

 

 

 

 

3.PRAWA OHMA 

PIERWSZE PRAWO OHMA 
No  i  przyszedł  czas  na  coś  konkretniejszego.  Jeśli  ktoś  mówi  o  prawie  Ohma,  to  najczęściej  chodzi  mu  właśnie  o  pierwsze 
prawo Ohma. W 1827 roku, niemiecki fizyk Georg Simon Ohm odkrył, że: 
 

=  

 
Czyli, że natężenie prądu w obwodzie jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia podzielonego przez rezystancję obwodu. 
Należy w tym miejscu podkreślić, iż zapis: 

=  

 
ma  raczej  niewielki  sens.  Dlaczego?  Dlatego,  że  opór  nie  jest  wartością  zależną  od  napięcia  i  natężenia  prądu.  Opór  jest 
wartością  stałą,  niezmienną  (chyba,  że  mówimy  o  opornikach,  których  opór  zależy  np.  od  przyłożonego  napięcia  albo 
temperatury – wtedy nie jest wartością stałą). Oczywiście zapis ma sens, gdy w zadaniu otrzymujemy jako dane prąd i spadek 
napięcia  na  rezystancji,  a  mamy  policzyć  wartość  oporu.  Jednocześnie,  dzięki  zapisowi  powyżej  możemy  wyprowadzić 
jednostkę oporu, czyli om: 

background image

 
 

 

=

=

[ ]
[ ]

=


=

=

= [ ] 

 
Zapisując prawo Ohma w postaci: 

=

 

otrzymujemy wiadomość, iż bez rezystancji nie ma napięcia. W rzeczywistości, gdy napięcie maleje do nieskończenie małych 
wartości  ( → 0), to natężenie prądu wzrasta do nieskończoności  ( → +∞). Podobna  sytuacja ma miejsce  gdy  weźmiemy 
baterię (źródło napięcia) i połączymy plus i minus kabelkiem, powodując tzw. zwarcie (w nazewnictwie elektrotechnicznym 
zwarciem nazywa się dowolne połączenie obwodu, a nie tylko spięcie). Prąd o natężeniu ampera to stosunkowo duży prąd – 
dla przykładu przy napięciu 3 woltów (3  to dwie baterie „paluszki”) oraz oporniku o wielkości 100 ohm (albo po polsku 100 
omów – to jest bardzo mały opór) otrzymujemy prąd wielkości: 
 

=

=

3

100

= 0,03 = 30

 

 
Ponieważ  (jak  zostało  to  wcześniej  napisane),  prąd  o  natężeniu  ampera  to  już  stosunkowo  duży  prąd,  więc  w  momencie 
spowodowania  spięcia  na baterii,  chcemy  z  baterii  „wyciągnąć”  go bardzo dużo  (ponieważ  → +∞).  Oczywiście  tak  mała 
bateria  nie  jest  w  stanie  zaspokoić  tak  wielkiego  zapotrzebowania,  więc  reakcja  jest  znikoma,  aczkolwiek  w  przypadku 
potężniejszych  źródeł  prądu,  może  dojść  do  zniszczenia  przewodów  pod  wpływem  wydzielającego  się  ciepła  (grzałka 
oporowa i te sprawy – dla przykładu grzałkowe zadanie poniżej i odnośnik do prawa Joule’a). 
 
 
ZADANIE 1.1 
Obliczyć czas potrzebny do zagotowania (

=

) 1 litra wody o temperaturze początkowej 

=

 grzejnikiem 

elektrycznym o mocy 800 W i sprawności  = ,

 (zadanie pochodzi z „Podstaw elektrotechniki” prof. Romana Kurdziela 

– WNT, Warszawa 1973). 
 
Rozwiązanie: 

Do zagotowania wody potrzeba ciepła: 

=

(

)

 

Masa wody: 

= 1 

 

Ciepło właściwe wody: 

≈ 1

∗ ℃

 

=

(

)

=

1 ∗ 1 ∗ (100 − 12)

0,85

= 103,5 

 

 

=

860 ∗

=

103,5

860 ∗ 0,8

= 0,155 ℎ = 9,3 

 

 
DRUGIE PRAWO OHMA 
Drugie prawo Ohma rozwija nieco bardziej tematykę oporu: 

=

∗  

 
Ujmując powyższy wzór w sposób mądry – „Opór odcinka przewodnika o stałym przekroju poprzecznym jest proporcjonalny 
do  długości tego  odcinka  i  odwrotnie proporcjonalny do  pola powierzchni  przekroju.”  (źródło – Wikipedia).
  W  tym miejscu 
podkreślam, by nie mylić ro – gęstości z ro, współczynnikiem proporcjonalności z wzoru powyżej. 
 
 
 

background image

 
 

 

4.PRAWA KIRCHHOFFA 

Kolejnym ważnym krokiem na wstępie jest poznanie praw Kirchhoffa. Są one bardzo uniwersalne, bowiem zachowują swoją 
słuszność zarówno dla prądu stałego jak i przemiennego. Pierwsze z dwóch praw zostało sformułowane w roku 1845 przez 
niemieckiego fizyka – Gustav’a Kirchhoff’a. 
 
PIERWSZE PRAWO KIRCHHOFFA (PPK) 
Suma  natężeń  prądów  wpływających  do  węzła  jest  równa  sumie  natężeń  prądów  wypływających  z  tego  węzła.  (źródło  – 
Wikipedia) 
 
O co w tym chodzi? Najlepiej wyjaśnić to prawo na podstawie wzoru nawiązującego do ilustracji poniżej: 

 

+

+

=

+

 

 

+

+

= 0 

 
Czyli  tyle  ile wpływa musi również  wypłynąć. Można to porównać  to rurki  z  wodą  –  jeśli do  jednego  końca  wlejemy to na 
drugim końcu dostajemy tyle samo wody – nie może jej przybyć, ani nie może się jej zrobić mniej. Jeśli połączymy dwie rurki 
ze sobą, to wlewając do każdej z nich pewną ilość wody, na końcu otrzymamy ich sumę, czyli: 

 

 

+

=

 

 

+

= 0 

 
Ponieważ pierwsze prawo Kirchhoffa dotyczy rozpływu prądu w obwodzie, więc jest również nazywane prądowym prawem 
Kirchhoffa (z angielska - Kirchhoff's current law – KCL). W formie ogólnej wygląda w sposób następujący: 
 

, , ,…

= 0 

 
DRUGIE PRAWO KIRCHHOFFA (DPK) 
Zwane  jest  również prawem  napięciowym  (Kirchhoff's  voltage  law  -  KVL), dotyczy bilansu  napięć  w  zamkniętym obwodzie 
elektrycznym. Z pierwszego prawa Ohma wynika, iż opornik generuje pewien spadek napięcia o wartości: 
 

=

 

 

background image

 
 

10 

 

Drugie prawo Kirchhoffa mówi nam o tym, iż napięcie jakie odłoży się na oporniku nie może być większe od napięcia źródła. 
Co to oznacza? Mianowicie chodzi o to, iż podłączając do opornik do baterii 3V, nie możemy zmierzyć na oporniku większego 
spadku napięcia niż 3V. 

 

Powyżej zamieszczony przykład obwodu ilustruje niejako drugie prawo Kirchhoffa, które zapiszemy w następującej postaci: 
 

=

+

 

 
Czyli spadki napięcia na rezystorach muszą być w sumie równe napięciu źródła: 
 

=

 

 

5.OZNACZENIA 

Podczas rozwiązywania obwodów stosuje się pewne reguły oznaczeń.  Wcześniej  została  wymieniona pierwsza, mianowicie 
oznaczenie przepływu prądu („prąd płynie od plusa do minusa”). Teraz przyszedł czas poznać kilka następnych na podstawie 
schematu wcześniejszego obwodu: 

 

1.Prąd płynie od plusa do minusa. 
W przypadku oznaczenia źródła napięcia w drugi sposób (kółko ze strzałką), prąd biegnie w kierunku strzałki jak na ilustracji 
poniżej: 

 

 
2.Źródło napięcia oznaczamy literą E, a spadki napięć na elementach obwodu U. 
Nie jest to co prawda jakiś szczególnie ogólnoświatowy standard, ale lepiej się połapać w obliczeniach stosując tą regułę. 
 
3.Napięcie źródła oznaczamy w kierunku płynięcia prądu. 
Jak widać, strzałka nad źródłem  E jest  zakreślona w kierunku I. 

background image

 
 

11 

 

 

4.Spadki napięć na elementach obwodu oznaczamy w przeciwnym kierunku niż kierunek przepływu prądu. 

 

5.Połączenia (węzły) w obwodzie zaznaczamy kropkami. 

 

Po wprowadzeniu tych wszystkich oznaczeń możemy się zabrać za rozwiązywanie obwodu. 
 
ZADANIE 1.2 
Oblicz obwód zamieszczony w powyższym paragrafie. 
 
Rozwiązanie: 
Na początek widzimy, że wszędzie w obwodzie płynie ten sam prąd (brak jakichkolwiek rozgałęzień, a więc prąd się nie dzieli), 
co możemy zapisać jako: 

=

 

 
Teraz spróbujmy zapisać napięciowe prawo Kirchhoff’a (DPK): 
 

=

+

 

 
Teraz  pojawił  się  problem,  bowiem mamy dane rezystancje oporników  (oba  oporniki mają wartość 

= 100 ),  aczkolwiek 

nie wiemy jakie są spadki napięć na nich. Musimy w tym miejscu skorzystać z prawa Ohma: 
 

= ∗  

 
Rozpisując prawo Ohma dla naszych dwóch oporników musimy pamiętać o tym, iż prąd w całym obwodzie jest ten sam: 
 

=

        

=

 

 

=

 

 

= ∗

        

= ∗

 

 
Teraz możemy połączyć nasze równania z prawa Ohma, z naszym napięciowym równaniem drugiego prawa Kirchhoffa: 
 

=

+

= ∗

+ ∗

= (

+

 

background image

 
 

12 

 

Wiedząc, że  = 5  oraz 

=

= 100 jesteśmy w stanie obliczyć prąd  : 

 

=

+

=

5

100 + 100

=

5

200

= 0,025 = 25

 

 
6.JEDNOSTKI 

Bardzo ważne jest właściwe przeliczanie jednostek oraz biegłość w posługiwaniu się skrótami. W przypadku woltów nie ma 
szczególnego problemu, bowiem generalnie operuje się w zakresie wolt, miliwolt, aczkolwiek w przypadku np. kondensatora 
otrzymujemy  wartości  rzędu  piko-,  nano-.  Dla  rezystancji  najczęściej  pojawiają  się  wartości  rzędu  kilooma,  zaś  dla  prądu 
otrzymujemy głównie miliampery. 
 
 

giga 

10 = 1 000 000 000 

E9 

 

mega 

10 = 1 000 000 

E6 

 

kilo 

10 = 1 000 

E3 

 

mili 

10

= 0,001 

E-3 

 

mikro 

10

= 0,000 001 

E-6 

 lub   

nano 

10

= 0,000 000 001 

E-9 

 

piko 

10

 

E-12 

 

 

 
7.OPÓR ZASTĘPCZY 

Teraz stanie się tutaj trochę magii, bowiem z prostych wzorków okażą się wręcz niesamowite rzeczy! Na początek połączenie 
szeregowe oporników, a zaraz później równoległe, by na koniec zająć się przekształceniem trójkąt/gwiazda. Sprawa prosta, 
aczkolwiek wymaga w miarę dobrej orientacji w poprzednio poruszonych zagadnieniach. 
 
POŁĄCZENIE SZEREGOWE OPORNIKÓW 

 

Wiemy, że w całym obwodzie płynie ten sam prąd, czyli: 
 

=

=

=          =

 

 
Zapisując napięciowe prawo Kirchhoffa otrzymujemy: 
 

=

+

+

 

 
Jednocześnie dodając do tego pierwsze prawo Ohma: 
 

=

 

 

background image

 
 

13 

 

=

+

+

= (

+

+

) 

 
Z czego wnioskujemy, że opór zastępczy jest równy sumie rezystancji połączonych szeregowo oporników: 
 

ę

=

+

+

 

 
W formie ogólnej: 

ę

=

 

 
POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE OPORNIKÓW 
 

 

W przypadku połączenia równoległego, na każdym z oporników odkłada się to samo napięcie. Proszę zwrócić uwagę, iż 
napięcie ze źródła jest jakby przykładane do każdego opornika z osobna, a więc możemy zapisać, iż: 
 

=

 

 
Natomiast prąd rozpływa się dla każdego z oporników z osobna, co zapisujemy prądowym prawem Kirchhoffa: 
 

=

+

+  

 
Łącząc drugie prawo Kirchhoffa (prądowe) z prawem Ohma otrzymujemy: 

=

+

+

=

ę

 

Reasumując: 

1

=

1

 

 
Oczywiście przy takim połączeniu stosowniej należałoby rozpisać prądy w następujący sposób: 

 

Wtedy otrzymujemy, iż: 
 

=

+

 

 

=

+  

 

=

+

+  

background image

 
 

14 

 

 
Co doprowadza nas do tych samych wniosków. 
 
Omawiając połączenie równoległe dwóch oporników warto zapamiętać wzór na połączenie równoległe dwóch oporników, 
który bardzo często się przydaje: 

1

=

1

+

1

=

1

+

1

=

+

 

 

=

+

 

 
Na koniec warto jeszcze wspomnieć o ciekawej zależności zachodzącej w przypadku połączenia równoległego oporników. 
Otóż opór zastępczy jest zawsze mniejszy od najmniejszego składowego opornika. Załóżmy, że opornik pierwszy jest x razy 
większy od opornika drugiego: 

=

 

 
Wtedy otrzymujemy dla 1 < : 

=

+

=

+

=

(1 + )

=

1 +

 

a dla  = 1: 

=

1

1 + 1

= 0,5

 

a dla 0 <

< 1: 

=

 

 

=

+

=

+

=

(1 + )

=

1

1 +

 

Jak widać, opór zastępczy zawsze jest mniejszy od opornika drugiego, ponieważ za każdym razem dół ułamka jest o 1 większy 
niż góra (licznik od mianownika). 
 
PRZEKSZTAŁCENIE TRÓJKĄT-GWIAZDA 
To  przekształcenie  w  zakresie  materiału  jaki  został  przewidziany  dla  nas  nie  pojawia  się  zbyt  często,  ale  dobrze  jest  być 
zorientowanym o co chodzi i mniej więcej kojarzyć wyprowadzenie. 
 

 

 

trójkąt 

gwiazda 

Na  początek  pytanie  –  w  jaki  sposób  przeliczyć  trzy  opory  trójkąta  na  3  rezystancje  gwiazdy?  Najpierw  musimy  opisać 
odpowiednio punkty połączeń: 
 

background image

 
 

15 

 

 

 

 
Teraz trzeba zauważyć pewną charakterystyczną rzecz, iż z perspektywy gałęzi AB w trójkącie, opornik R

1

 jest równoległy do 

szeregowo  połączonego  opornika  R

2

  i  R

3

  (zostało  to  uwidocznione  na  rysunku  poniżej).  Możemy  to  zapisać  w  sposób 

następujący: 
 

=

 ||  (

+

 

=

(

+

)

+

+

 

 
 

 

Z drugiej strony, z perspektywy gałęzi AB gwiazdy mamy dwa szeregowo połączone oporniki R

A

 i R

B

, czyli otrzymujemy: 

 

=

+

 

 
Po połączeniu obu wzorów uzyskujemy następujący rezultat: 
 

+

=

(

+

)

+

+

 

 
W taki sam sposób rozpisujemy wzory dla gałęzi AC i BC: 
 

gałąź AB 

gałąź AC 

gałąź BC 

 ||  (

+

) =

+

 

 ||  (

+

) =

+

 

 ||  (

+

) =

+

 

background image

 
 

16 

 

+

=

(

+

)

+

+

 

+

=

(

+

)

+

+

 

+

=

(

+

)

+

+

 

 
Teraz już pozostają jedynie odpowiednie przekształcenia. Dla ułatwienia zakładamy, że: 
 

+

+

=  

 
Jest to element pojawiający się w każdym z równań, który pojawi się również w finalnych wynikach, więc takie podstawienie 
poprawi nie co wizualny odbiór wyprowadzenia: 
 

+

=

(

+

)

=

+

 

 

+

=

(

+

)

=

+

 

 

+

+

+

=

+

+

+

 

 

+

=

(

+

)

 

 

2

+

(

+

)

= 2

+

+

 

 

2

+

+

= 2

+

+

 

 

2

= 2

 

=

 

 
Po otrzymaniu wzoru na R

B

 możemy przejść do obliczenia R

A

 oraz R

C

+

=

(

+

)

 

 

=

+

=

 

 

=

(

+

)

=

 

 

=

+

+

 

=

+

+

 

=

+

+

 

 
Ewentualnie, jeśli ktoś nie lubi wyprowadzeń, to można te wzorki zapamiętać w inny sposób. Opór R

A

 jest równy iloczynowi 

(iloczyn – wynik mnożenia  )dwóch oporników połączonych bezpośrednio z punktem A w trójkącie przez sumę wszystkich 
trzech oporników (i tak analogicznie dla każdego z pozostałych): 

background image

 
 

17 

 

 

 

 

 

8.METODA OCZKOWA 

Tak  naprawdę,  to  metody  rozwiązywania  obwodów  elektrycznych  można  znaleźć  w  dowolnej  księdze  o  teorii  obwodów. 
Ponieważ  ten  sposób  jest  stosunkowo  prosty  i  nie  wymaga  wiele  wysiłku,  więc  będzie  tu  nie  co  przybliżony.  Po  więcej 
ciekawych metod odsyłam do części 8.POMOCE. Zadanie, którym się teraz zajmiemy jest stosunkowo proste i powinno we 
właściwy sposób pokazać metodykę rozwiązywania podobnych problemów. 
 
W tym miejscu dodatkowa mała adnotacja – przyjmuje się, że  liczba utworzonych oczek wynosi  =

+ 1, gdzie   to 

liczba równań,   liczba gałęzi, a   to liczba węzłów (węzeł to miejsce połączenia przynajmniej 3 przewodów). Natomiast do 
rozwiązania obwodu  o    gałęziach  i    węzłach wymaga  
( − 1)  równań  węzłowych  lub ( −

+ 1) równań oczkowych. 

Gdy ( −

+ 1) ≤ ( − 1) to wybiera się metodę oczkową. (źródło – „Podstawy elektrotechniki” – prof. Roman Kurdziel – 

WNT, Warszawa 1973) 
 
 
 
ZADANIE 1.3 
Oblicz prąd płynący w obwodzie mając dane R

1

, R

2

, R

3

 oraz E. 

 

 

 
 

Rozwiązanie: 
Na początek rozpiszmy rozpływ prądów w obwodzie, pamiętając, że prąd oznaczamy w takim kierunku jaki wskazuje strzałka 
na źródle napięcia E: 

background image

 
 

18 

 

 

 
Proszę  jednak  w  tym  miejscu  zapamiętać,  iż  to  w  którym  kierunku „strzałkujemy”  prąd  jest  jedynie  pewną  konwencją!  To 
znaczy, że jeśli ustawimy strzałkę odwrotnie i obliczmy cały obwód, to wynik na „błędnej” strzałce wyjdzie po prostu ujemny. 
O ile  nie  zajdzie jakaś pomyłka  w obliczeniach,  zastrzałkowanie odwrotnie  prądu nie powinno  zmienić w żaden  sposób idei 
rozwiązania  i  jego  poprawności.  Następnym  krokiem  będzie  przejście  do  oznaczania  napięć.  Strzałki  napięć  mają  biec 
przeciwnie do płynącego prądu: 

 

No  i  zrobiło  się  trochę  tłoczno  na  naszym  rysunku…  Ale  to  nic!  Nie  ma  się  po  co  zbytnio  przerażać!  Wracamy  do  pracy! 
Zapiszmy teraz Prądowe Prawo Kirchhoffa (pierwsze prawo) dla naszego obwodu: 
 

=

+

 

 
Nie wiemy jednak ile wynosi prąd    i  . Moglibyśmy spróbować rozwiązać to zadanie używając dodatkowo prawa Ohma, 
aczkolwiek mieliśmy się zapoznać z nową metodą rozwiązywania, co teraz uczynimy. O co chodzi z tą metodą oczkową? Otóż 
patrząc na nasz schemat można zobaczyć trzy pętle – dwie małe i jedną dużą: 
 

 

 

 

małe lewe oczko 

duże oczko centralne 

prawe małe oczko 

background image

 
 

19 

 

 
Otrzymujemy 3 oczka – małe zielone oczko z lewej, małe niebieskie z prawej oraz duże, centralne, czerwone. Proszę zauważyć, 
że podobny sposób postępowania występował w przypadku wyprowadzenia oporu zastępczego dla równoległego połączenia 
oporników.  Każde  z  tych  oczek  użyjemy  do  zapisu  spadków  napięć,  czyli  dla  każdego  z  nich  zapiszemy  osobny  warunek  z 
napięciowego prawa Kirchhoffa (drugie prawo). Dla zielonego (pierwszego) oczka warunek będzie następujący: 
 

= 0 

 
Spróbujmy teraz zapisać podobny warunek dla oczka niebieskiego. Zaczniemy od opornika R

1

, a następnie skierujemy się w 

stronę opornika R

3

 

= 0 

 

Teraz jeszcze tylko czerwone oczko – zaczniemy od źródła napięcia E: 

 

= 0 

 
Jeśli  strzałka  jest  w  przeciwnym  kierunku  do  obranego  przez  nas  kierunku,  to  zapisujemy  napięcie  ze  znakiem  ujemnym, 
natomiast w momencie gdy kierunki są zgodne, to zapisujemy plus. Należy w tym miejscu podkreślić, iż to w jakim kierunku 
zaczynamy rozpisywać napięcia nie ma większego znaczenia. Reasumując, otrzymaliśmy 4 równania: 
 

=

+

 

= 0 

= 0 

= 0 

 
Drugie równanie daje nam wiadomość, iż: 
 

=

 

 
Co po powiązaniu z prawem Ohma pozwala nam obliczyć  : 
 

=

=

     

=

 

 

background image

 
 

20 

 

W tym momencie, do pełnego rozwiązania potrzebujemy jeszcze jedynie  . Spróbujmy rozpisać równanie 

= 0 z 

użyciem prawa Ohma: 

=

+

 

 

=

+

 

 

=

(

+

) 

 

=

+

∗  

 
Teraz jeszcze tylko musimy obliczyć główny prąd z prądowego prawa Kirchhoffa: 
 

=

+

=

+

+

=

1 +

+

=

1 +

+

 

 

=

+

+

 

 
Dokładnie ten sam wynik otrzymalibyśmy licząc opór zastępczy, łącząc go z prawem Ohma: 
 

ę

=

+

 

 

ę

=

(

+

)

+

+

 

 

=

ę

=

+

+

(

+

)

=

(

+

)

+

+

(

+

)

 

 

=

1

+

+

1

=

1 +

+

 

 
ZADANIE 1.4 – ŹRÓDŁO PRĄDOWE 
Oblicz prąd płynący przez oporniki R

i R

oraz w gałęzi AC I

AC

 mając dane rezystancje R

1

 (

= 100 ), R

(

= 200 ), R

3

 

(

= 300 ) oraz napięcie E ( = 5 ) i wartość prądu źródła prądowego J ( = 10

). 

 

Rozwiązanie: 
Na  początek  musimy  sobie  zadać  pytanie,  czym  jest  źródło  prądowe.  Temat  ten,  będzie  ponownie  poruszany  przy  okazji 
schematów  zastępczych  źródeł  prądu,  napięcia  oraz  woltomierzy  i  amperomierzy.  Najważniejszą  informacją  w  przypadku 
idealnego  źródła  prądu  jest  to,  że  bez  względu  na  napięcie,  generuje  on  cały  czas  taką  samą  ilość  prądu  (takie  źródło 
wymusza w gałęzi obwodu określone jego natężenie), co możemy oznaczyć następująco: 

background image

 
 

21 

 

 

 

=

 

 

Po  tym  krótkim  wstępie  możemy  przystąpić  do  oznaczania  prądów  i  napięć  w  obwodzie  pamiętając,  że  napięcie  na 
elementach obwodu strzałkujemy przeciwnie do płynącego prądu. 

 

Przypominam,  że  to  w  jaki  sposób  oznaczymy  rozpływ  prądów  w  obwodzie  nie  ma  na  początku  żadnego  znaczenia  –  jeśli 
zaznaczymy coś odwrotnie,  to wynik  wyjdzie  ujemny, bądź  zerowy  (czyli, że  prąd w  danej  gałęzi  w ogóle  nie płynie). Teraz 
jedynie musimy jeszcze oznaczyć napięcia: 

 

 

Pamiętać należy o tym, że na źródle prądu również odkłada się napięcie, stąd oznaczyliśmy nasze źródło jako U

J

. Rozpiszmy 

teraz rozpływ prądów w obwodzie wedle prądowego prawa Kirchhoffa. Sprawa się nie co komplikuje w węźle A. Spróbujmy 
wyciąć ten kawałek obwodu i popatrzeć na niego z perspektywy prądów wpływających i wypływających: 
 

background image

 
 

22 

 

 

 
Po pozbyciu się utrudniających interpretację elementów możemy łatwo stwierdzić, iż prąd I i prąd I

J

 muszą być równe prądowi 

I

1

 i I

AC

, co zapiszemy w następujący sposób: 

  

+

=

+

 

 
Następnie przechodzimy do węzła C, w którym prąd I

AC

 rozdziela się na prąd I

3

 i I

2

 

=

 

 
Na koniec przejdźmy do węzła B, z którego wynika, że I

1

 i I

3

 są równe prądowi I: 

 

+

 

 
W tym momencie możemy już wysnuć pierwsze wnioski. Łącząc wszystkie trzy wzory ze sobą otrzymujemy: 
 

+

=

+

=

+

 

 

+

+

=

+

 

 

=

= 10 

 

 
Po rozpisaniu równań prądowych, możemy teraz nasz obwód podzielić na oczka. Po separacji otrzymujemy 3 małe oczka: 
 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

23 

 

I jedno duże oczko: 

 

 

To,  dla  których  oczek  rozpiszemy  napięcia  nie  ma  większego  znaczenia.  Potrzebujemy  jedynie  uzyskać  na  tyle  równań,  by 
rozwiązać nasz obwód. Zacznijmy na początek od jednego z małych oczek: 

 

 

Rozpoczynając od źródła napięcia E otrzymujemy: 
 

= 0 

 

=

=

 

 

=

=

5

100

= 0,05  = 50 

 

 
Teraz przejdźmy do drugiego małego oczka: 

 

 

= 0 

 

Łącząc tą wiadomość z prawem Ohma i obliczeniami dla poprzedniego oczka otrzymujemy: 
 

=

=

=

 

background image

 
 

24 

 

=

     

=

=

=

5

300

= 0,0167  = 16,7 

 

 
Teraz wracając do naszych wzorów na prądowe prawo Kirchhoffa otrzymujemy ostatnią odpowiedź do naszego zadania: 
 

=

+        

=          

=

+

= 10 

+ 16,7 

= 26,7 

 

 
9.POMOCE 

By  lepiej  poznać  zawiłości  teorii  obwodów  dobrze  jest  zdobyć  trochę  dobrej  literatury.  Ta,  która  jest  polecana  na  stronie 
MSIB jest również polecana przez wiele innych osób obeznanych w tematyce: 

1.       Bolkowski Stanisław, Teoria obwodów elektrycznych, WNT, Warszawa 2005

 

2.       Bolkowski Stanisław, Teoria obwodów elektrycznych zadania, WNT, Warszawa 2006

 

3.       Dąbrowski W., Dąbrowski A., Krupa S., Miga A., Elektrotechnika ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwa 

AGH, Kraków 2000 

Dodatkowo  warto  do nauki  używać  wszelakiego  rodzaju  symulatorów, np.  MultiSim  (wersja demo  edukacyjna  ma  co 
prawda trochę  wad – brak możliwości cofania poczynionych  ruchów, brak  możliwości  zapisu obwodów,  spory poziom 
skomplikowania na początek – ale jak ktoś ma zacięcie to jak chwilę posiedzi nad programem to go załapie – więcej na 
temat MultiSima trochę dalej). Osobiście do symulacji na początek polecam bardzo ciekawy aplet Java: 
 

www.falstad.com/circuit/ 

 
Wprost  genialny  w  prostocie  użytkowania  i  swych  możliwości.  Zawiera  bardzo  dużo  przykładowych  obwodów  z  podstaw 
elektroniki i elektrotechniki oraz wizualizuje bardzo dokładnie przepływ zarówno napięcia jak i prądu. 

 
 
 
 

PRAKTYKA 

CZYLI CO ROBIĆ ŻEBY WSZYSTKIM WOKOŁO WYDAWAŁO SIĘ, ŻE WIESZ CO ROBISZ 
 

1.MASA 

Bardzo często pojawia  się pojęcie „masa”,  „potencjał masy”  (z angielskiego ground albo  earth – oznaczana  skrótem GND). 
Czym  jest masa?  Najlepiej  masę  zdefiniować  jako swego  rodzaju prądowy  ściek, do  którego  odpływa prąd z obwodu. Jeśli 
układ  jest  zasilany  z  baterii  (…)  to  zazwyczaj  masą  jest  ujemny  biegun  baterii  lub  zasilacza.  (źródło  - 
http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic693766.html). 
 
Masa jest również potencjałem odniesienia w elektronice. Jak zostało to już wcześniej wspomniane, napięcie mierzy się na 
dwóch punktach, z czego jeden jest punktem odniesienia. Potencjał masy jest potencjałem zerowym i względem tego punktu 
podaje się wszystkie mierzone napięcia (potencjał masy WYMUSZA POTENCJAŁ ZEROWY). 
 
Masa na schematach jest oznaczana w następujący sposób: 
 

MASA 

ground (GND) 

 

 

MultiSim 

 

 

background image

 
 

25 

 

2.PRĄD STAŁY I ZMIENNY 

NAZEWNICTWO 
Każdy raczej wie, że jest coś takiego jak prąd stały (direct current DC) i prąd przemiennym (alternating current AC). Często 
mówi  się  o  prądzie  przemiennym  jako  o  zmiennym  (variable  curent).  Wedle  definicji,  prąd  zmienny  nie  musi  wykazywać 
okresowości  zmian  –  inaczej,  natężenie  prądu  zmiennego  zmienia  się  w  czasie  w  sposób  dowolny.  Oczywiście  prąd 
przemienny  jest  prądem  zmiennym,  ale  dokładniej,  jest  jego  szczególnym  przypadkiem  –  prądem  okresowo  zmiennym  o 
przebiegu  sinusoidalnym.  Jednocześnie  należy  podkreślić,  że  prąd  przemienny  niekoniecznie  jest  prądem  o  przebiegu 
sinusoidalnym! 
 

 

 
Prąd stały i przemienny mają swoje specjalne oznaczenia na obudowach sprzętu elektronicznego i elektrycznego: 
 

PRĄD STAŁY DC 

PRĄD PRZEMIENNY AC 

 

 

 

 

 
HISTORIA 
Pierwszy  transformator został zaprezentowany  w 1881 roku przez Lucien’a Gaulard’a  i John’a  Dixon’a Gibbs’a  w Londynie. 
Obaj panowie chcieli zarejestrować swój patent, aczkolwiek nie udało im się to przez działania Nikoli Tesli i Sebastiana Ziani 
de Ferranti’ego. Ferranti był jedną z osób, które mocno wierzyły w przyszłość prądu przemiennego. Po otwarciu swego sklepu 
w 1882 roku w Londynie stał się jednym z niewielu specjalistów zajmujących się konstrukcją obwodów wykorzystujących taki 
sposób zasilania. W 1887 roku firma London Electric Supply Corporation poprosiła Ferrantiego o zaprojektowanie elektrowni 
w Deptford. Budowę całej sieci energetycznej ukończono w roku 1891. Ten bardzo nowoczesny i pomysłowy system okazał 
się  być  na  tyle  uniwersalny,  że  przetrwał  do  dziś  (jeszcze  dziś  można  znaleźć  domy  z  miernikami  z  nalepką  patentu 
Ferrantiego). 
 
W  początkowych  latach  dystrybucji  prądu,  prąd  stały  popularyzowany  przez  Edisona  był  standardem  w  Stanach 
Zjednoczonych,  dzięki  czemu  patenty  Edisona  były  wciąż powszechne,  a  sam  wynalazca  wciąż na  nich  zarabiał.  Prąd  stały 
radził sobie świetnie zarówno z silnikami jak i żarówkami, które na tamten czas były priorytetowym urządzeniem użytkowym. 
Prąd DC również mógł być łatwo gromadzony w bateriach, co powodowało, że w przypadku awarii generatora nie kończyły 
się  dostawy prądu.  W czasie  gdy Edison  zaprezentował swój system prądu stałego, na świecie nie  istniał żaden praktyczny 
silnik  zasilany  prądem  przemiennym.  Jednocześnie  Edison  skonstruował  miernik,  który  pozwalał  ludziom  płacić  za  ilość 
wykorzystanego prądu, ale oczywiście działający jedynie pod prądem stałym. 

background image

 
 

26 

 

 
Dzięki swojej pracy nad polem magnetycznym, Tesla skonstruował system, który potrafił generować, przesyłać i użytkować 
prąd  zmienny.  Wchodząc  do  spółki  z  George’em  Westinghouse’m  (Westinghouse  kupił  patenty  Tesli  oraz  patent  na 
transformator AC Gaulard’a i Gibbs’a) starał się skomercjalizować swój wynalazek. Jednocześnie olbrzymi minus sieci prądu 
stałego był rozwiązany nowym systemem Tesli – prąd stały nie mógł być wysyłany na duże odległości z powodu rezystancji 
obwodu  powodującej  istotny  spadek  napięcia  (generatory  musiały  być  w  odległości  1  do  2  km  od  użytkownika). 
Wprowadzenie transformatorów pozwalało na ominięcie tego problemu. 
 
By zniechęcić ludzi do użytkowania prądu zmiennego, Edison prowadził specjalną kampanię mającą na celu pokazanie prądu 
zmiennego  jako  śmiertelnego  zagrożenia  dla  człowieka.  W  zakresie  jego  działań  było  rozsiewanie  plotek  o  śmiertelnych 
ofiarach  i  nieszczęśliwych  wypadkach  z  użyciem  prądu  przemiennego.  Jednocześnie  dokonywał  publicznych  pokazów,  na 
których zabijano prądem przemiennym zwierzęta. Edison także próbował przeforsować termin „Westinghoused” jako nazwę 
dla  osoby,  która  zginęła  porażona  prądem.  Należy  jednak  zaznaczyć,  iż  prąd  zmienny  jest  bardziej  niebezpieczny  dla 
człowieka od prądu stałego ze względu na większe zagrożenie wytrącenia serca z rytmu przez częste zmiany napięcia. 
 
Edison był  osobą przeciwną karze śmierci,  ale  przez  swoją olbrzymią niechęć do prądu zmiennego niejako doprowadził  do 
wynalezienia  krzesła  elektrycznego.  Harold  P.  Brown,  który  był  sekretnie  opłacany  przez  Edisona,  skonstruował  pierwsze 
takie  urządzenie  dla  stanu  Nowy  Jork,  by promować  status  prądu  przemiennego  jako  tego  bardziej  niebezpiecznego.  Gdy 
krzesło zostało pierwszy raz użyte 8 sierpnia roku 1890, technicy wykonujący egzekucję na Williamie Kemmlerze (zabił swoją 
żonę  (common-law  wife)  siekierą)  źle  ocenili  ilość  prądu  potrzebną  do  zabicia  skazanego,  co  po  pierwszym  wstrząsie 
spowodowało jedynie okrutne rany.  
 
W tym miejscu należy podkreślić różnice charakteru między Teslą, a Edisonem. Edison był typem eksperymentatora, który nie 
posiadał  wiedzy  matematycznej  i  fizycznej,  która była  konieczna  do  pełnego  zrozumienia  prądu przemiennego.  Tą  wiedzę 
posiadał Tesla, który pracując u Edisona był wielokrotnie przez niego niedoceniany. Dla przykładu, gdy Edison pierwszy raz 
dowiedział  się  o  pomyśle  Tesli  na  przesyłanie  prądu  zmiennego  stwierdził:  „pomysły  [Tesli]  są  wspaniałe,  ale  całkowicie 
niepraktyczne”. Dodatkowo Tesla został  oszukany przez  Edisona  (Edison obiecał  rekompensatę  dla Tesli za  jego pracę),  co 
przyczyniło się mocniej do zaostrzenia konfliktu. W konsekwencji Edison przyznał się do błędu, żałując, że nie posłuchał rad 
Tesli dotyczących prądu przemiennego. (źródło - http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents
 
CZĘSTOTLIWOŚĆ, AMPLITUDA, DC OFFSET 
CZĘSTOTLIWOŚĆ 
Sporo osób jest zorientowanych co do napięcia w gniazdku – napięcie w sieciach niskiego napięcia w Polsce to w przybliżeniu 
230 V. A teraz pytanie – jaka jest częstotliwość (frequency) prądu w gniazdku? W ogóle co to jest częstotliwość prądu? 
 

 

 

background image

 
 

27 

 

Jak widać na powyższej ilustracji (taki obraz uzyskuje się na oscyloskopie – sposób posługiwania się oscyloskopem opisany 
jest trochę dalej), częstotliwość to odległość między dwoma identycznymi punktami przebiegu sinusoidalnego. Wzór na 
częstotliwość to: 

=

1

 

 
Gdzie   to okres obiegu (period), czyli czas jaki mija pomiędzy jedną, a drugą „górką” sinusoidy. Jednostka częstotliwości to 
herc, czyli: 

[

] =

1

 

 
 Wiemy już, że częstotliwość w gniazdku to 50 Hz – jaki jest więc okres obiegu? 
 

=

1

= 50 

         =

1

=

1

50

= 0,02 

 

 
Dzięki temu,  że czas  trwania  jednego okresu  (2 )  to tylko  0,02  sekundy, nie widzimy, że  żarówka wpięta  w obwód prądu 
zmiennego  w  rzeczywistości  mruga,  a  nie  świeci  światłem  ciągłym.  Z  tego  wynika,  że  skoro  między  jedną  górką,  a  drugą 
mamy 4 działki, to na każdą z działek przypada: 
 

0,02

4

= 0,005

ł ę

= 5

 

 

 

 
Dodatkowo możemy wzór na częstotliwość połączyć z pulsacją, czyli częstością kołową (angular frequency). Częstość kołowa 
to analogiczne przeniesienie prędkości do ruchu po okręgu, gdzie zmiana kąta 

 w czasie jest analogiem zmiany położenia 

 w czasie: 

 

=

          

=

 

 
Idąc dalej, dochodzimy do wniosku, że: 

=

=

2

= 2

 

 
 
 
 

background image

 
 

28 

 

AMPLITUDA 
Jeśli ktoś prosi nas o podanie amplitudy, to najczęściej chodzi mu o amplitudę peak to peak (ptp), ale amplitudy są różne: 

 

1. Amplituda (peak amplitude) -   
 
2. Wartość międzyszczytowa (peak to peak 
amplitude
) - 2  
 
3. Wartość skuteczna (RMS amplitude) -  /√2 
 
4. Okres (wave period
 
 

Okres na wykresie jest najprawdopodobniej narysowany dla 

zmylenia przeciwnika, bo tylko 1 do 3 to amplitudy  

(źródło – Wikipedia) 

 

 
 
Zagadnienie  wartości  skutecznej  (root  mean  square)  jest  trochę  bardziej  złożone.  Wartość  skuteczna  prądu  przemiennego 
jest  taką  wartością  prądu  stałego,  która  w  ciągu  czasu  równego  okresowi  prądu  przemiennego  spowoduje  ten  sam  efekt 
cieplny, co dany sygnał prądu przemiennego (zmiennego). (źródło – Wikipedia)
 Tutaj uwaga, wartość skuteczna równa  /√2 
jest  tylko  dla  sygnału  sinusoidalnego  –  inne  przebiegi  mogą  mieć  inne  wartości  skuteczne!  Mierząc  napięcie  przemienne 
mierzymy właśnie wartość skuteczną, bowiem wartość średnia sinusoidy to zero. 
 
DC OFFSET 
Jest on omawiany przy okazji omawiania budowy oscyloskopu w dziale 3.PRZYRZĄDY POMIAROWE – oscyloskop. 
 
 

3.PRZYRZĄDY POMIAROWE 

Na  samym początku  nic nie jest  oczywiste. Ale po  to tu  jesteśmy,  żeby  pewne rzeczy  wyjaśnić.  Przede  wszystkim podczas 
używania  wszelakiego  rodzaju  sprzętu  należy  zachować  spokój.  Stres  i  presja  nie  są  naszymi  przyjaciółmi…  :P  Dopóki 
pracujemy  na  małych  napięciach  i  natężeniach  prądu  stałego  to  ciężko  jest  coś  zepsuć  (choć  nie  jest  to  niemożliwe,  co 
wielokrotnie zostało udowodnione na wszelakiego rodzaju laboratoriach). 
 
 
WOLTOMIERZ (voltmeter
Woltomierz służy do pomiaru napięcia. Prosta sprawa. Pytanie – jak podpiąć takie cudo do obwodu? Woltomierz do obwodu 
podpina się równolegle. Przykładowo, mamy obwód, w którym chcemy zmierzyć spadek napięcia na oporniku 

 

background image

 
 

29 

 

 
By dokonać pomiaru spadku napięcia musimy przyłożyć plus woltomierza (zazwyczaj czerwony kolor kabla sondy) do miejsca, 
gdzie napięcie jest dodatnie, a minus do ujemnego napięcia (bądź masy – zazwyczaj czarny kabel sondy woltomierza).  
 

 

Proszę pamiętać, że zamiana miejscami sond (plusa z minusem) nie powoduje zepsucia się woltomierza, a jedynie otrzymanie 
wyniku z minusem. Poniżej przykładowy woltomierz, z którym się jeszcze można spotkać na pracowniach (ale to już bardziej 
elektrotechniki niż elektroniki). 
 

 

 

Standardowo  biorąc  woltomierz  w  łapki  nie  trzeba  przykładać  obu  końcówek  woltomierza  w  dwóch  (pokazanych  na 
schemacie)  punktach  (chyba,  że  alternatywny  sposób  pomiaru  zmienia  zupełnie  sens  i  wynik).  W  elektronice  potencjały 
podaje  się  względem  masy,  tak  więc  jedną  sondę  woltomierza  można  zawsze  „przytknąć”  do  masy  (minusową),  a  drugą 
dokonywać interesujących nas pomiarów. 

background image

 
 

30 

 

 

 
Powyżej mamy przykładowy pomiar napięcia z użyciem potencjału masy (masa w obwodzie jest narysowana jedynie po to, 
by zaakcentować, że właśnie w tamtej części obwodu znajduje się minus źródła, odpływ prądu). Jak widać, mierząc napięcie 
tak  jak powyżej otrzymujemy nie spadek napięcia na samym oporniku 

,  lecz na  całej gałęzi, otrzymując na  woltomierzu 

wynik: 
 

=

=

+

 

 
W tym przypadku poprawny pomiar spadku napięcia na oporniku 

 wygląda tak jak poniżej: 

 

 

 
 
AMPEROMIERZ
 (ammeter
Amperomierz służy do pomiaru natężenia prądu. Z tego typu pomiarem jest większy problem, niż z napięciem, ponieważ w 
przypadku amperomierza, urządzenie trzeba wpiąć do obwodu szeregowo. Spróbujmy zmierzyć ilość prądu przepływającego 
przez opornik 

 w poniższym obwodzie. 

background image

 
 

31 

 

 

By  to  zrobić,  musimy  w  jakiś  sposób  dostać  się  albo  między  opornik 

a  węzeł  A,  albo  między  opornik 

  i  węzeł  B  – 

przykładowo: 

 

 

W tym miejscu adnotacja stosunkowo ważna, że prąd płynie jedynie w przypadku ciągłości obwodu! Napięcie natomiast tego 
warunku  spełniać  nie  musi,  co  świetnie  pokazują  opisane  niżej  tranzystory  MOSFET  (dział  5.ELEMENTY  –  WYGLĄD 
RZECZYWISTY I JAK PODPINAĆ?). Zasady co do kolorów sondy amperomierza są identyczne jak dla woltomierza – podpinamy 
plus  do  plusa,  minus  do  minusa.  Plus  –  czerwony  kabel,  minus  –  czarny  (lub  niebieski).  W  przypadku  wpięcia  odwrotnie 
otrzymujemy wynik ujemny. 
 

 

 

background image

 
 

32 

 

MULTIMETR (multimeter
Multimetr cechuje się tym, że mierzy praktycznie wszystko dla obu rodzajów prądu. Na pracowniach laboratoryjnych pracuje 
się (chyba) głównie na multimetrach firmy UNI-T (czasami mają przypięty śliczny łańcuszek :P ale to tak abstrachując), które 
oscylują w przedziale cenowym 100 do 500 złotych. Przykładowo, poniżej dość klasyczny na początek model M890G (okolice 
70 złotych). 

 

 

Co możemy zmierzyć takim urządzeniem? 

 

Są oczywiście jeszcze potężniejsze maszyny w stylu multimetru laboratoryjnego RIGOL, ale to już bardzo drogie urządzenia 
(co nie znaczy, że nie będziemy ich używać). W tym miejscu należy pamiętać o zakresach dokładności. Jeśli przewidujemy, że 

background image

 
 

33 

 

w gałęzi będzie np. 15V, ale  na pewno napięcie  nie przekroczy 20V,  to wtedy ustawiamy  20 (zdjęcie poniżej)  na pomiarze 
napięcia stałego i dopiero dokonujemy pomiarów w obwodzie. Ta sama zasada dotyczy pomiarów oporu, natężenia etc. 
 

 

 
Multimetr posiada standardowo 3 lub 4 wyjścia na sondy. Po co ich tyle? 

 

 

COM, od  common, czyli wspólny, to masa (potencjał ujemny) dla wszystkich rodzajów pomiarów. Czasem można się pomylić 
i  np.  mierzyć  natężenie  prądu  na  sondzie  podpiętej  do  wyjścia  napięciowego,  stąd  dobrze  jest  pamiętać,  że  istnieją  takie 
pomyłki i wtedy nie wszystko wychodzi tak jak powinno. 
 
 
WATOMIERZ (wattmeter
Watomierz to miernik wskazujący aktualny pobór mocy czynnej w obwodzie. Posiada cztery zaciski wejściowe - dwa prądowe 
i dwa napięciowe. Moc prądu (czynna) zależy od napięcia i natężenia prądu elektrycznego zgodnie ze wzorem: 
 

=

∗ ∗ cos  

 
gdzie   to przesunięcie fazy pomiędzy napięciem a prądem. Zaciski początkowe cewki prądowej i napięciowej oznaczone są 
gwiazdką.  Cewkę  prądową  watomierza  włącza  się  szeregowo  z  odbiornikiem,  a  napięciową  równolegle.  Z  watomierzem 
spotykamy się na chwilę na elektrotechnice, stąd nie będziemy bardzo zgłębiać tematyki użytkowania tego urządzenia. 

background image

 
 

34 

 

 

 

 
OSCYLOSKOP (oscilloscope
Oscyloskop  (dawniej  oscylograf)  to  przyrząd  elektroniczny  służący  do  obserwowania,  obrazowania  i  badania  przebiegów 
zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi, bądź innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci 
elektrycznej.  Oscyloskop  został  wynaleziony  przez  Thomasa  Edisona.  Stosuje  się  go  najczęściej  do  badania  przebiegów 
szybkozmiennych, niemożliwych do bezpośredniej obserwacji przez człowieka. (źródło – Wikipedia) 
 
Oscyloskop  to  jedno  z  podstawowych  urządzeń  jakie  wykorzystuje  się  przy  obwodach.  Na  stronie  internetowej  katedry 
elektroniki  (http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl/?q=pl/node/446)  są  pewne  wskazówki  dotyczące obsługi  oscyloskopu  na 
podstawie oscyloskopu Tektronix 2225, ale niestety nie jestem w stanie stwierdzić, czy to właśnie na takim czymś przyszło 
nam pracować podczas laboratoriów. 
 
http://layer.uci.agh.edu.pl/~maglay/wrona/pl/podstrony/dydaktyka/Technika_Cyfrowa/Wprow_Pom/Oscyloskop_ABC.pdf 
 

 

 
Jednakże  na  laboratoriach  z  podstaw  metrologii  jestem  w  stanie  mniej-więcej  określić  z  jakim  oscyloskopem  mieliśmy  do 
czynienia. Najprawdopodobniej był to dwukanałowy oscyloskop analogowy firmy Instek model GOS-620 (lub firmy EQ model 
OA240A-020, który wygląda niemalże identycznie :P ). 

background image

 
 

35 

 

 

 
SONDY OSCYLOSKOPU 
Sygnał do oscyloskopu przekazuje się przez sondy, bardzo podobne do tych znanych z woltomierza, z tą różnicą, że potencjał 
masy (ujemny) jest z ząbkami, a dodatni może mieć specjalne haczyki do zaczepienia o elementy obwodu. 
 

 

 

 

 
 

Sondy oscyloskopu traktujemy jak woltomierz, więc podpinamy je w obwodzie identycznie, czyli równolegle do elementów 
obwodu, na których chcemy dokonać pomiaru. Do oscyloskopu sondę podpina się tak jak na zdjęciu powyżej – bez żadnych 
szczególnych problemów. Końcówkę sondy wsuwamy na wyjście, a następnie lekko ją przekręcamy do momentu zaskoczenia 
zaczepu sondy. Zajmiemy się teraz panelem przednim oscyloskopu. Ogólnie, panel każdego oscyloskopu możemy podzielić na 
3 obszary – vertical (ustawienia w pionie), horizontal (ustawienia w poziomie), trigger (wyzwalanie). 
 

background image

 
 

36 

 

 

 
Obiektem naszego  zainteresowania nie będzie część  trigger.  Jeśli ktoś  jest  ciekaw  co i  jak,  to odsyłam do  instrukcji obsługi 
oscyloskopu  (www.elektroda.pl/rtvforum/topic1418610.html  lub  www.if.p.lodz.pl/download/files/elektro/GOS620_pl.pdf). 
Jeśli ktoś ma ochotę poćwiczyć przed zajęciami używanie oscyloskopu, to świetną do tego okazją jest ta strona - www.virtual-
oscilloscope.com
  Na początek  musimy  przyjąć  jakiego  typu przebiegiem  będziemy  się  zajmować.  Przykładowo  załóżmy,  że 
nasz wzorzec będzie zwykłą sinusoidą (prąd sinusoidalnie zmienny). Po podłączeniu sondy do wyjścia kanału pierwszego CH1, 
otrzymujemy przebieg przedstawiony poniżej: 
 

 

 
Proszę zwrócić, iż nasz przebieg jest podzielony szarą siatką. Siatka ta tworzy kwadraty, które nazywają się działkami (8 
działek w pionie i 10 w poziomie). Działki te są potrzebne do zorientowania się w wartości np. napięcia. Przykładowo, mamy 
0,5 V/DIV, czyli 0,5 wolta na działkę. Nasz przebieg ma amplitudę peak to peak około 3 działki, czyli: 
 

 

= 3 

ł

∗ 0,5

ł ę

= 1,5   

background image

 
 

37 

 

Dla naszego przykładowego przebiegu mamy następujące dane – częstotliwość 220Hz (4,5 działki – 1 ms/działkę), amplituda 
ptp  1,56V  (7,8  działki  –  0,2  V/działkę).  Więcej  na  temat  częstotliwości  i  amplitudy  można  znaleźć  tutaj  -  2.PRĄD  STAŁY  I 
ZMIENNY część CZĘSTOTLIWOŚĆ, AMPLITUDA. 
 
HORIZONTAL 
Część  pierwsza  –  HORIZONTAL  dotyczy przesuwania  przebiegu  w poziomie.  Ponieważ  oś pozioma  w  standardowym  trybie 
pracy oscyloskopu to oś czasu, stąd obszar horizontal można również nazywać podstawą czasową. Przejdźmy do omówienia 
działania poszczególnych elementów i pokręteł obszaru: 
 

position – odpowiada za położenie wykresu (przebiegu) w poziomie 

 

time/div (czas przypadający na działkę) – możemy zmieniać podstawę czasu od S – sekund, przez mS – milisekundy 

do uS - mikrosekundy 
 

x10 MAG (magnify) – naciśnięcie powoduje 10 krotny rozciąg podstawy czasu 

 

-  SWP.VAR. (swap  variable) – regulacja noniusza podstawy czasu - potencjometr  płynnej  regulacji podstawy czasu 

(płynne  rozciąganie  przebiegu  w  poziomie)  pomiędzy  krokami  przełącznika  TIME/DIV.  Pamiętaj:  przebieg  jest  kalibrowany 
(skokowa  regulacja  okresu  podstawy  czasu  TIME/DIV  jest  zgodna  ze  skalą  przełącznika)  wtedy,  gdy  potencjometr  jest 
skręcony maksymalnie w kierunku napisu CAL do zaskoku (standardowo pokrętło to jest skręcone maksymalnie do CAL). 
 
Funkcja tzw. noniusza - zwiększa ona precyzję regulacji. Dzięki niej można precyzyjnie dobrać wzmocnienie, tak aby przebieg 
był  widoczny  na  całej  wysokości  ekranu.  Ewentualne  pozycjonowanie  przebiegu  odbywa  się  już  tradycyjnie  pokrętłem 
przesuwu oscylogramu. (źródło - http://www.am-tech.pl/go.php?l=1&art=213) 
 

 

 

przekręcenie (HORIZONTAL) POSITION w prawo 

zmniejszenie TIME/DIV (przekręcenie w prawo) 

 

 

 

background image

 
 

38 

 

VERTICAL – ELEMENTY PODWÓJNE 
Na początek zajmiemy się pokrętłami i elementami występującymi po obu stronach – zarówno dla kanału pierwszego jak i 
drugiego. Część druga stanowi połączenie dwóch paneli – osobno dla kanału pierwszego (lewego) CH1 (channel 1) i drugiego 
(prawego) CH2 (channel 2). Część vertical zajmuje się kontrolą przebiegów w pionie. 
 

CH1 i CH2 - dwa wejścia dla sond  

 

position – zmiana pozycji przebiegu w pionie 
volts/div (napięcie przypadające na jedną działkę) – skokowa regulacja czułości odchylania pionowego w woltach 

na działkę. Szare pokrętło znajdujące się w środku to VAR CH1 – potencjometr płynnej regulacji czułości (płynne rozciąganie 
przebiegu w pionie) pomiędzy krokami przełącznika VOLTS/DIV CH1
 – standardowo ma być skręcone na CAL, aż do momentu 
zaskoczenia (podobnie jak SWP.VAR. w horizontal) 
 

przełącznik AC/GND/DC – AC – sprzężenie zmiennoprądowe (składowe stałe sygnału są blokowane), GND – wejście 

kanału  1  zwarte  do  masy,  przewód  gorący  sondy  pomiarowej  odłączony  od  kanału  1,  DC  –  sprzężenie  stałoprądowe 
(wszystkie składowe sygnału są wyświetlane na ekranie oscyloskopu).
 
 
Ważne  jest,  by  masa  GND  była  równo  na  linii  poziomej.  Jeśli  np.  przebieg  będzie  za  wysoko  i  obniżymy  go  za  pomocą 
POSITION nie co niżej, by był dla nas wyraźnie widoczny, to przestawiając na tryb GND w łatwy sposób możemy zobaczyć o 
ile przestawiliśmy nasz przebieg (o jakie napięcie) – jak bardzo przestawiliśmy poziom odniesienia. 
 
W przypadku DC mamy coś takiego jak DC offset. Przełączając się do trybu DC jesteśmy w stanie określić jak duży jest offset. 
Pytanie – a gdzie jest offset? Proszę zwrócić uwagę, że na poniżej umieszczonym rysunku, sinus nie oscyluje wokół wartości 
od -1 do 1, lecz jest niejako wysunięty do góry.  
 

 

 
Dla  standardowego  sinusa,  oscylującego  od  -1  do  1,  wartością  średnią  jest  0.  Na  przykładzie  powyżej,  tą  wartością  jest 
napięcie pomiędzy 0,5, a 1 wolta, czyli 0,75 V. Kolejny przykład: 
 

 

 

Tutaj otrzymujemy DC offset dla sinusoidy oscylującej między 2 V, a 5 V. Wartością średnią (czyli środkiem przebiegu), będzie 
wartość (2+5) : 2 = 3,5 V. 
 

background image

 
 

39 

 

 

 

przekręcenie (VERTICAL) POSITION w lewo 

zmniejszenie VOLTS/DIV (przekręcenie w prawo) 

 

 

 

 

 

 
 
VERTICAL – ELEMENTY POJEDYNCZE 
 

CH2 INV (invert) – odwrócona zostaje polaryzacja dla kanału drugiego (co powoduje obrót sinusoidy) 

 

-  CH1/CH2/DUAL/ADD  –  wyświetlanie  poszczególnych  przebiegów  –  na  trybie  CH1  widoczny  jest  tylko  kanał 

pierwszy,  na  trybie  CH2  tylko  kanał drugi,  na  trybie  DUAL  widoczne  są  oba  przebiegi,  natomiast  tryb  ADD  dodaje  do oba 
przebiegi do siebie (lub odejmuje po wciśnięciu przycisku CH2 INV

ALT/CHOP zmiana trybu wyświetlania dwóch przebiegów dla funkcji DUAL - ALT – praca przemienna (na ekranie 

rysowany  jest  przebieg  z  kanału  CH1  a  następnie  z  kanału  CH2),  tryb  zalecany  dla  małych  częstotliwości,  CHOP  –  praca 
siekana  (przebiegi  z  kanału  CH1  i  kanału CH2  są  rysowane  w  jednym  poziomym  przebiegu  plamki),  tryb  przeznaczony  dla 
sygnałów o dużej częstotliwości. 
Standardowo pracujemy na CHOP (czyli przycisk wciśnięty). 

 

background image

 
 

40 

 

DUAL 

(po dodaniu dodatkowego przebiegu na CH2) 

ADD 

(po dodaniu dodatkowego przebiegu na CH2)

 

 

 

 

 

Trochę wyjaśnień można również znaleźć również tutaj - http://www.pracownie.ovh.org/downloads/oscyloskop.pdf 

 

 

4.DZIELNIK NAPIĘCIA 

Jest to jeden z podstawowych schematów, które stosuje się w elektronice/elektrotechnice. W najprostszej formie składa się z 
dwóch oporników i źródła napięcia: 

 

Rozpiszmy teraz prądy i napięcia na poszczególnych elementach obwodu: 

 

Proszę  zwrócić  uwagę,  iż  napięcie  na  rezystorze 

  jest  równocześnie  napięciem  wyjściowym 

  (

),  więc 

docelowo  będziemy  dążyć  do  obliczenia  spadku  napięcia  na  drugim  z  rezystorów  obwodu.  Dla  wygody  przerysujmy  nasz 
obwód z użyciem symbolu masy: 
 

background image

 
 

41 

 

 

Wiemy, że prąd w całym obwodzie jest ten sam –  , czyli: 
 

= ∗

        =

 

 

= ∗

        =

 

 

=

 

 

=

=

 

 
 
Rozpiszmy więc jeszcze napięciowe prawo Kirchhoffa (DPK), które łącząc z powyższym wyprowadzeniem daje nam: 
 

=

+

=

+

 

 

=

+ 1 =

+

 

 
Teraz jeszcze jedno małe przekształcenie i otrzymamy wzór na zależność 

 od 

 

=

+

 

Inaczej: 

=

+

 

 
To jest stosunkowo ważny wzór, którego wyprowadzenie jest raczej proste. Warto go zapamiętać! :P Jak widać z powyższego 
wzoru,  głównym  zadaniem  jest  odpowiednie  dzielenie  napięcia  w  stosunku  wyznaczonym  przez  rezystancje  dwóch 
oporników. 

 
 
 

background image

 
 

42 

 

5.ELEMENTY – WYGLĄD RZECZYWISTY I JAK PODPINAĆ? 

Kawałek wcześniej dowiedzieliście się jak wszystko wygląda na schematach. Na początku zawsze powstaje spory problem – 
jak  podpinać  elementy  obwodu?  Który  przewód  to  plus,  a  który  to  minus?  W  ogóle  co  jest  co?  Tutaj  postaram  się 
odpowiedzieć na te pytania. Elementy obwodu możemy podzielić na dwie duże grupy – pasywne i aktywne. 
 
 
ELEMENTY PASYWNE (passive components) 
Elementy  elektrycznie  pasywne  (bierne)  są  odbiornikami  energii  elektrycznej.  Dzielimy  je  na  elementy  dyssypatywne 
(rozpraszające), czyli  rezystory  i elementy   akumulujące  energię  elektryczną, czyli  kondensatory  i  cewki  (coś więcej na  ten 
temat  można  znaleźć  tu  -  http://www.aszajfler.swspiz.pl/userfiles/file/Elementy%20pasywne.pdf).  W  przypadku,  gdy  w 
obwodzie nie mamy nic ponad rezystory i kondensatory (wyjątek - kondensatory elektrolityczne), to nie ma się po co zbytnio 
przejmować w którą stronę się co podłącza. Nie są to elementy kierunkowe i nie posiadają swojej polaryzacji. 
 
 
a. REZYSTOR (OPORNIK) (resistor) 
Opornik to taka mała ceramiczna tubeczka z namalowanymi kolorowymi kreseczkami, w której znajduje się drucik oporowy. 
Kolorowe kreseczki na obudowie są swego rodzaju kodem, który mówi o wartości oporu opornika (w przypadku gdyby ktoś 
był bardzo zainteresowany związkiem kolorów z oporem zapraszam tu http://www.dannyg.com/examples/res2/resistor.htm 
- przelicznik online i tu http://pl.wikipedia.org/wiki/Opornik). Jak zrozumieć opornik? Otóż można sobie wyobrazić, iż opornik 
jest swego rodzaju zabezpieczeniem naszego układu rurek – taka tama, która powoduje, że woda nie rozsadzi naszych rur. 
Chcąc przy  konkretnym napięciu  uzyskać  konkretną  ilość prądu,  regulujemy  to  rezystancją naszego  opornika  wedle  prawa 
Ohma. 
 

 

 
 
b. KONDENSATOR
 (capacitor) 
Pierwszymi  kondensatorami  były  tzw.  butelki  lejdejskie.  Wynalazcami  butelki  byli  niezależnie  od  siebie  Pieter  van 
Musschenbroek, profesor  Uniwersytetu  w Lejdzie  i  Ewald Jürgen  Georg von  Kleist  z Kamienia Pomorskiego.  Obaj donieśli  o 
swoim  wynalazku  w  1745  r.  Wkrótce  po  wynalezieniu  tego  przyrządu,  francuski  ksiądz  Jean-Antoine  Nollet,  zapalony 
eksperymentator,  na  dziedzińcu  królewskiego  pałacu  w  Wersalu,  w  obecności  króla  i  całego  dworu,  rozładował  butelkę 
lejdejską,  używszy  zamiast  przewodnika  łańcucha  trzymających  się  za  ręce  240  królewskich  gwardzistów.  Ku  podziwowi  i 
uciesze  widzów,  porażeni  wyładowaniem  gwardziści  równocześnie  podskoczyli  do  góry.  Innym  razem  ten  sam 
eksperymentator  rozładował  butelkę  łańcuchem  niemal  trzykilometrowej  długości  utworzonym  z  zakonników  opactwa  w 
Chartreux, połączonych ze sobą odcinkami drutu. I w tym doświadczeniu jego uczestnicy wyraźnie odczuli  wstrząs. (źródło - 
Wikipedia)
 Na koniec mała ciekawostka - http://www.youtube.com/watch?v=pY745NxZwsY 

background image

 
 

43 

 

 

 

 

 

Butelka lejdejska 

 
c. KONDENSATOR ELEKTROLITYCZNY
 (electrolytic capacitor) 
 

 

 

 

W tym miejscu uwaga! Kondensatory elektrolityczne posiadają swoją polaryzację, czyli plus 

i minus! Podpięcie odwrotnie powoduje wybuch kondensatora, co zostało kiedyś 

przypadkowo sprawdzone na zajęciach (o kondensatorach elektrolitycznych z Wikipedia – 

Nie są jednak odporne na piki napięciowe i ulegają zniszczeniu (któremu może towarzyszyć 

ich eksplozja), jeśli zostaną odwrotnie spolaryzowane lub narażone nawet na krótkie 

impulsy napięcia przekraczające ich znamionowe napięcie pracy.”)! :P 

 

 
Na  ilustracji  powyżej  widać  wyraźnie  oznaczony  szary  pasek  na  obudowie,  który  wskazuje  na  minus,  który  podpinamy  w 
obwodzie według zasady minus do minusa źródła napięcia, plus do plusa źródła napięcia.  
 

 

Ten typ kondensatora pojawia się pierwszy raz przy okazji ćwiczenia 1 laboratoriów z podstaw elektroniki – badanie diod i 
prostowników (całość laboratorium bazuje na symulacjach w MultiSim’ie). Jak widać na poniższej ilustracji (screen z instrukcji 
do  laboratorium  -  http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl/files/cw_1.pdf),  minus  kondensatora  (uwypuklona  część)  jest 
połączona z potencjałem masy (potencjał o wartości zero), czyli niejako z minusem zasilania. 
 

background image

 
 

44 

 

 

d. CEWKA INDUKCYJNA (inductor) 
Cewka  indukcyjna  w  obwodzie  pojawia  się  jedynie  w  postaci  transformatora.  Raczej  rzadko  spotykany  element.  Pod 
względem  strukturalnym  jest  to  izolowany  przewód  nawinięty  równomiernie  w  postaci  zwojów  na  specjalnym  korpusie 
(rdzeniu),  linii  śrubowej  w  taki  sposób,  że  wszystkie  zwoje  cewki  można  uważać  w  przybliżeniu  za  prostopadłe  do  jej  osi. 
(źródło - Encyklopedia Techniki, WNT, Warszawa 1974)
 Cewka jest elementem inercyjnym, gromadzi energię w wytwarzanym 
polu  magnetycznym.  W  połączeniu  z  kondensatorem  tworzy  obwód  rezonansowy  -  jeden  z  fundamentalnych  obwodów 
elektronicznych.  Cewki  zasilane  prądem  stałym,  zwane  elektromagnesami  są  wykorzystywane  do  wytwarzania  pola 
magnetycznego lub jego kompensacji, np. przy rozmagnesowaniu i pomiarach pola magnetycznego. (źródło – Wikipedia)
 
 

 

 
 
 
e. MEMRYSTOR 
(memristor) 
Jak  zostało  to  zapisane  wcześniej,  standardowo  wymienia  się  3  podstawowe  elementy  pasywne  –  rezystor  (opornik), 
kondensator  i cewka  indukcyjna.  Ostatnimi czasy pojawił się  jednak  jeszcze  jeden  element – memrystor (nie  jest  to chyba 
jeszcze  w  pełni  oficjalna  nazwa  tego  elementu,  a  jedynie  zapożyczenie  z  angielskiego  memristor).  Do  tej  pory  istniały  3 
elementy  łączące  pole  elektryczne,  pole  magnetyczne,  napięcie  i  natężenie  prądu.  Rezystor  to  element  prądu  i  napięcia, 
który wyrażamy wzorem znanym z prawa Ohma: 
 

=

 

 
Zapisując  wzór  w  wersji  różniczkowej  (nieskończenie  mała  zmiana  napięcia  powodująca  nieskończenie  małą  zmianę 
natężenia prądu) otrzymujemy: 

background image

 
 

45 

 

=

 

 

Jeśli napięcie lub natężenie prądu jest zmienne w czasie, to zapisujemy je z małej litery. Kondensator łączy w sobie ładunek 
elektryczny i napięcie, co wyrażamy wzorem na pojemność kondensatora: 
 

=

 

 
Cewka indukcyjna wytwarza pole magnetyczne, którego intensywność wyrażamy wzorem: 
 

=

 

 
Gdzie 

 

jest 

strumieniem 

pola 

magnetycznego 

(więcej 

informacji 

na 

ten 

temat 

tutaj 

http://www.neurosoft.edu.pl/akozioro/Elektrotechnika/obwody_pradu_zmiennego.pdf).  No  i  teraz  powstaje  pytanie,  czy 
istnieje możliwość stworzenia elementu łączącego właściwość kondensatora i cewki indukcyjnej, następującym wzorem: 
 

=

 

 
 

 

 

Okazuje się, że tym elementem jest właśnie memrystor. Teoretyczny memrystor stworzył na kartce papieru Leon O. Chua w 
1971  roku,  ale  dopiero  30  kwietnia  2008  roku  grupa  naukowców  z  HP  Labs  doniosła  o  stworzeniu  takowego  w  pełni 
funkcjonalnego  urządzenia  (więcej  na  temat  własności  i  możliwości  zastosowania  w  praktyce  tego  elementu  - 
http://www.youtube.com/watch?v=wZAHG3COYYA). 
 
 
 
ELEMENTY AKTYWNE 
(active components) 
Generalnie zasada jest prosta – plus do plusa źródła napięcia, minus do minusa źródła napięcia. Potencjał dodatni (wyższy) 
zazwyczaj jest kablem czerwonym, natomiast potencjał niższy (ujemny) to kabel czarny (lub czasami niebieski). 
 
 
a. DIODA LED 
(diode) 
WSTĘP I HISTORIA 
Mówiąc dioda, najczęściej wyobrażamy sobie coś świecącego z powodu popularności opisanych trochę niżej diod typu LED. 
Jednak historia diody jest nie co inna. Sama nazwa wywodzi się od charakteru jej działania, bowiem jest to element, który w 
jedną stronę przewodzi prąd, natomiast w drugą nie. 

background image

 
 

46 

 

 

 

W momencie kiedy między anodą, a katodą pojawi się odpowiednia różnica napięcia, powstaje specjalne przejście dla prądu. 
Stąd nazwa zaproponowana w 1919 roku przez William Henry Eccles’a pochodząca z greckiego dia, czyli „przez” i ode, czyli 
„przejście” (in 1919, William Henry Eccles coined the term diode from the Greek roots dia, meaning “through”, and ode (from 
ὅδος), meaning “path” – źródło - Wikipedia
). Pierwsze diody były diodami próżniowymi (vacuum tube diode) w następstwie 
do odkrycia Thomasa Edisona z roku 1880, który niejako zbadał dokładniej i opatentował spostrzeżenia Frederica Guthriego z 
roku  1873  (należy  tutaj  podkreślić,  że  obaj  panowie  nie  wiedzieli  o  swoich  odkryciach).  Edison  zajmował  się  wtedy 
problemem spalonych żarówek, co doprowadziło go do stworzenia pierwszej diody, którą szybko opatentował mimo tego, że 
nie  istniały  jeszcze  obwody,  w  których  można  by  było  w  sensowny  sposób  wykorzystać  charakterystyczne  właściwości 
przewodzenia prądu (poniżej znajduje się schemat obwodu jaki użył Edison w swoim eksperymencie).  
 

 

 
Po podłączeniu zasilania do żarnika, katoda zaczyna się rozgrzewać emitując elektrony. By umożliwić przepływ prądu między 
anodą, a katodą musimy do anody przyłożyć dodatnie napięcie przyciągające elektrony. W przypadku spolaryzowania lampy 
próżniowej  odwrotnie,  elektrony  nie  będą  przekazywane  do  anody,  ponieważ  katoda  będzie dodatnio naładowana  i  sama 
będzie  „ściągać”  do  siebie  ujemny    ładunek.  Efekt  ten  nazywa  się  emisją  termoelektronową  (thermionic  emission),  zwaną 
również  efektem  Edisona.  W  obwodzie  zaprezentowanym  powyżej  znajduje  się  dioda  próżniowa  żarzona  bezpośrednio 
(direct heated vacuum tube diode). Istnieją jeszcze diody próżniowe żarzone pośrednio (indirect heated vacuum tube diode), 
w których katoda nie jest połączona z żarnikiem: 

background image

 
 

47 

 

 

 
W latach 50tych powstały diody germanowe, które były szeroko stosowane aż do momentu stworzenia diod krzemowych w 
latach 70tych, które są głównym obiektem naszego zainteresowania. 

 

BUDOWA I DZIAŁANIE 
Najbardziej jednak interesują nas diody półprzewodnikowe. W jaki sposób działa? Jej działanie w ścisły sposób jest związane 
z  jej  budową.  Dioda  składa  się  z  pojedynczego  złącza  P-N  (p-n  junction).  W  części  N  (negative)  znajduje  się  domieszka 
zawierająca donory ładunku z nadmiarem elektronów (mówimy tutaj o tzw. nośnikach większościowych (majority carriers), 
którymi  w  przypadku  obszaru  typu  N  są  elektrony).  W  części  P  (positive)  znajduje  się  obszar  zawierający  akceptory 
elektronów, które nazywamy dziurami (holes). Reasumując, dla obszaru N nośnikami większościowymi są elektrony, a dla P – 
dziury. Oczywiście zarówno donory jak i akceptory są unieruchomione w sieci krystalicznej, a jedynymi ruchomymi cząstkami 
są  właśnie  elektrony.  Ruch  dziur  jako  taki  nie  istnieje,  bowiem  ma  on  swe  podstawy  w  przemieszczaniu  się  elektronów 
(każdy,  który  przejdzie  z  jednego  atomu  do  drugiego  zostawia  za  sobą  dziurę  –  problem  ten  został  poruszony  w  dziale 
OCZYWISTOŚCI, 1.NAPIĘCIE I PRĄD).  
 

 

 

 

 

Obszar typu N 

Obszar typu P 

Poniższe wyjaśnienie pracy diody jest mocnym uproszczeniem! 

 
Zarówno obszar P jak i  N są  same  w  sobie dobrymi  przewodnikami.  W momencie  gdy połączymy  te dwa obszary  ze  sobą, 
dojdzie do dyfuzji ładunku, aż do ustalenia się równowagi, w której na środku powstaje obszar warstwy zaporowej (depleted 
region
).  
 

 

background image

 
 

48 

 

 

 

 
 

 

 

 

 
W momencie przyłożenia napięcia ujemnego do obszaru N i dodatniego do obszaru P, równowaga diody zostaje zachwiana. 
Ujemne napięcie  powoduje odpychanie elektronów w  kierunku  obszaru  P, natomiast  dodatni  ładunek zaczyna  przepychać 
dziury w kierunku obszaru N. Jednocześnie, od strony ujemnego napięcia napływają kolejne elektrony, a dodatnie napięcie 
tworzy kolejne dziury – w ten oto sposób tworzy się strumień prądu w diodzie (w tym miejscu polecam obejrzeć film, który w 
prosty sposób ilustruje działanie diody - http://www.youtube.com/watch?v=CvRZG1zL2o0). 
 

 

background image

 
 

49 

 

 
 

 

 
W  rzeczywistości  dioda  posiada  pewien  próg  napięcia,  powyżej  którego  zaczyna  przewodzić  prąd  (   -  forward),  prąd 
wsteczny przy odwrotnej polaryzacji (  - reverse) oraz próg napięcia, poniżej którego następuje przebicie (

 - breakdown) i 

może dojść do uszkodzenia (więcej na temat działania i budowy fizar.up.lublin.pl/pracownia_14/dioda.doc). 
 

 

(wykres pochodzi z Wikipedia) 

 
 
WYGLĄD RZECZYWISTY i ZASTOSOWANIE 
Na  początku  dioda  prostownicza  może  się  mylić  z  rezystorami  stąd  najlepiej  po  prostu  popatrzeć  na  poniższe  ilustracje  i 
zapamiętać, że to trochę inny rodzaj „tubki”. 

background image

 
 

50 

 

 

 

 
Diody  używa  się  głównie  do  prostowania  prądu  (takie  najbardziej  pospolite  zastosowanie).  Mamy  więc  źródło  prądu 
przemiennego  (alternating  current  AC)  o przebiegu sinusoidalnym  (czemu  nie  zmiennego? bo prąd  zmienny zmienia  się w 
czasie w  sposób dowolny -  ewentualnie  możemy powiedzieć o prądzie okresowo  zmiennym lub sinusoidalnie  zmiennym – 
temat poruszony w dziale PRAKTYKA – 2. PRĄD STAŁY I ZMIENNY). 
 

 

 

Standardowo w gniazdku jest częstotliwość prądu 50Hz (temat poruszony w dziale PRAKTYKA – 2. PRĄD STAŁY I ZMIENNY). 
Teraz potrzebujemy trochę „przeprostować” prąd, tj. pozbyć się ujemnego napięcia na wyjściu. Nasz obwód będzie wyglądał 
następująco: 
 
 

 

 
 
 

 
Proszę pamiętać, że dioda również posiada swoją określoną rezystancję, stąd też posiada swój spadek napięcia 

. Napięcie 

z  źródła    będzie  wyglądać  tak  jak  zwykły  przebieg  sinusoidalny  (napięcie  maksymalne 

= 5 ,  a  minimalne 

=

−5  - amplituda peak to peak 10 ): 
 

background image

 
 

51 

 

 

 
Teraz  pytanie, jak będzie  wyglądało napięcie  na  rezystorze 

?  Działanie  diody powoduje blokowanie prądu w  momencie 

odwrotnej  polaryzacji  diody,  więc  gdy  na  źródle  napięcie  będzie  poniżej  0V,  to  przez  diodę  nie  będzie  płynął  prąd. 
Jednocześnie prąd nie będzie płynął przez rezystor, a gdy  = 0, to wedle prawa Ohma 

= ∗ , napięcie również będzie 

równe zero 

= 0. W konsekwencji otrzymujemy poniższy przebieg napięcia na rezystorze: 

 

 

 

Po nałożeniu na siebie obu przebiegów od razu widać, że ujemne napięcia są blokowane na diodzie. Tego typu prostownik 
napięcia nazywa się prostownikiem jednopołówkowym (half wave rectifier). 

 

 
 

Oczywiście prąd też można prostować w ten sposób używając transformatora podpiętego do źródła napięcia, tak jak jest to 
pokazane poniżej: 
 

background image

 
 

52 

 

 

 

Ten sposób prostowania prądu pojawia się w ćwiczeniu 1 laboratoriów z podstaw elektroniki (badanie diod i prostowników). 
Poniżej screen z instrukcji do laboratorium wraz z opisami (więcej na temat tego konkretnego laboratorium można znaleźć w 
odrębnym dziale). Oscyloskop został wycięty ze schematu, by ułatwić odbiór: 

 

 
b. DIODA LED 
(light emitting diode) 
Sama  elektroluminescencja  została  odkryta w roku 1907 przez  Brytyjczyka  H.  J.  Round’a. Jednocześnie rosyjski  telegrafista 
Oleg  Vladimirovich  Losev  opublikował  w  roku  1927  serię  artykułów  na  ten  sam  temat,  nie  wiedząc  nic  o  spostrzeżeniach 
Round’a.  Ponieważ  obserwacje  Round’a  były  bardzo  niewielkie,  to  właśnie  Losev’a  uznaje  się  za  właściwego  odkrywcę  i 
wynalazcę diody LED. Niestety Losev zginął podczas blokady Leningradu 22 stycznia 1942 roku mając jedynie 39 lat. Pierwsza 
prawdziwa dioda elektroluminescencyjna, wykonana została w roku 1962 przez Amerykanina Nick’a Holonyak’a Jr. 
 
Tak  jak  normalna  dioda,  dioda  LED  składa  się  z  półprzewodników  domieszkowanych  tworzących  złącze  P-N  (opisane  przy 
powyżej). Prąd w diodzie płynie łatwo ze strony P (anody) do strony N (katody), ale nie w przeciwną stronę. Nośniki ładunku, 
elektrony i dziury, przedostają się przez złącze przeciwnie spolaryzowanych elektrod. W momencie kiedy elektron napotyka 
dziurę, wpada w stan niższej energii, którą uwalnia w postaci fotonu. 
 

 

 

background image

 
 

53 

 

Dioda LED w schematach obwodów ma następujący symbol: 

 

 

Ponieważ  nazwy  ze  schematu  są  tłumaczone  przeze  mnie,  więc  równocześnie  podaję  nazwy  oryginalne,  pochodzące  ze 
źródła ilustracji (Wikipedia). 
 

 

 
Dioda LED posiada bardzo cienkie wprowadzenie (wire bond), by nie zasłaniać emitowanego światła. Epoksydowa soczewka 
(epoxy  lens)  ma  na  celu  skupiać  wiązkę.  Kowadełko  (anvil)  i  słupek  (post)  stanowią  główną  ramkę  (leadframe)  diody.  Na 
kowadełku  znajduje  się  półprzewodnikowa  matryca  (semiconductor  die)  złożona  z  obszaru  typu  N  oraz  położonej  na  niej 
cienkiej warstwie obszaru typu P i siatki aluminiowej będącej połączeniem elektrycznym z wprowadzeniem. Dodatkowy efekt 
wzmacniający światło stanowi wgłębienie odblaskowe (reflective cavity). Płaskie wytłoczenie w osłonce epoksydowej (epoxy 
case
) jest oznaczeniem katody. 
 

 

c. TRANZYSTOR BIPOLARNY (bipolar junction transistor) 
Tranzystory  bipolarne  BJT  istnieją  w  dwóch  konfiguracjach  –  PNP  i  NPN,  różniących  się  budową.  Jak  już  wiemy  z  części  o 
diodach,  N  oznacza  obszar  zawierający  domieszkę  zawierającą  więcej  elektronów,  a  obszar  P  dotyczy  fragmentu  ze 
zwiększoną ilością dziur. Można w tym miejscu stwierdzić, iż budowa tranzystora bipolarnego przypomina dwie połączone ze 
sobą diody (oczywiście z dwóch połączonych diod nie otrzymamy od razu tranzystora). 
 
 
 
 

background image

 
 

54 

 

SYMBOLE TRANZYSTORÓW W SCHAMTACH OBWODÓW 

 

 

PNP 

NPN 

 

 

 

 

 
O co chodzi z tym E, B i C? E to emiter (emitter), B to baza (base), a C to kolektor (collector). Nazwy te w dość wyraźny sposób 
określają funkcje poszczególnych końcówek. Emiter emituje (uwalnia) elektrony, baza jest elementem kontrolnym, natomiast 
kolektor zbiera wyemitowane elektrony. Działanie tranzystora bipolarnego ma swe podstawy w opatentowanej w 1908 roku 
triodzie (vacuum tube triode), wynalezionej przez Lee De Forest’a.  
 
 

 

ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA 

 

 

Zwróćcie uwagę na dwie ważne rzeczy: 

1.  Trzy  warstwy  tranzystora  są  różnie  domieszkowane.  Najsłabiej  domieszkowany  jest  kolektor.  Wyraźnie  silniej 

domieszkowana  jest  baza  (co  zaznacza  się  plusem  przy  literze  P).  Z  kolei  emiter  domieszkowany  jest  jeszcze  dużo 
silniej niż baza (N z dwoma plusami). 

 

background image

 
 

55 

 

2.  Bardzo  istotne:  baza  -  środkowy,  najważniejszy  obszar  tranzystora  -  jest  niezwykle  cienka  (Chodzi  tu  o  obszar 

"aktywnej bazy" - leżący bezpośrednio między emiterem a kolektorem). To wynik wysiłku technologów. BAZA MUSI 
BYĆ CIENKA, inaczej tranzystor będzie kiepski, albo nawet wcale nie będzie się zachowywać jak tranzystor. 

 
Jak więc to wszystko działa? Spójrzmy na złącze baza-emiter (B-E).  
 

 

 
Choć rozmieszczenie kontaktów jest inne, niż w diodzie (kontakty nie leżą naprzeciwko siebie), to mimo wszystko jest to złącze 
PN. Jeśli więc spolaryzujemy złącze B-E to oczywiście złącze zacznie przewodzić i pojawią się nośniki w obszarze bazy. Emiter 
jest  wyraźnie  silniej  domieszkowany  niż  baza,  więc  w  transporcie  nośników  właśnie  emiter  odgrywa  dominującą  rolę 
(pomińmy na razie dużo słabsze wstrzykiwanie odwrotne: z bazy - do emitera).  
 

 

 

A więc w bazie naszego tranzystora pojawią się wstrzyknięte przez emiter elektrony. Gdyby nie było kolektora, to oczywiście 
część  elektronów  rekombinowałaby  z  dziurami  obecnymi  w  obszarze  bazy,  a  pozostałe  dotarłyby  aż  do  kontaktu  bazy.  I 
mielibyśmy do czynienia z taką jakąś koślawą diodą (z dziwnie  rozmieszczonymi kontaktami). Jednak kolektor  istnieje i leży 
akurat  na  drodze  ruchu  znacznej  większości  wstrzykiwanych  z  emitera  elektronów.  Elektrony  wprowadzone  z  emitera 
właściwie  siłą  rozpędu  ("rozpęd"  to  niezbyt  trafne  określenie,  ale  na  razie  pozostańmy  przy  takim)  trafiają  do  obszaru 
kolektora.    Jeśli  do  kolektora  doprowadziliśmy  napięcie  dodatnie  (powinno  być  dodatnie,  jeśli  tranzystor  ma  działać 
aktywnie), to elektron (ładunek ujemny), który już trafi do kolektora jest po prostu "odsysany".  
 

background image

 
 

56 

 

 

 

Niektóre  elektrony  mogą  oczywiście  na  swojej  drodze  trafić  na  dziurę  i  zrekombinować  (oczywiście  na  miejsce 
zrekombinowanej  dziury  wchodzi  nowa  dziura  z  kontaktu  bazy  -  i  taki  jest  mechanizm  powstawania  prądu  bazy  -  jest  to 
wprowadzanie  z  kontaktu  bazy  nowych  dziur  na  miejsce  tych,  które  zrekombinowały  z  elektronami).  Jednak  dziur  jest  w 
obszarze  bazy dość mało  (dlaczego mało  -  o  tym później).  Dlatego rzadko  który  elektron na  krótkiej drodze  od  emitera  do 
kolektora rekombinuje z dziurą.  
 

 

 
Jeśli np. jeden elektron na 100 wprowadzonych z emitera do kolektora zrekombinował, to prąd emitera jest 100 razy większy 
od prądu bazy. A prąd kolektora ( ) - prawie 100 (dokładnie 99) razy większy od prądu bazy ( ). Stosunek prądu kolektora 
do prądu bazy to   ( 
=

) - według niektórych starych górali najważniejszy parametr tranzystora bipolarnego. Jak widać - 

ten  ważny  parametr  tranzystora  to  po  prostu  rodzaj  miary.  Konkretnie  jest  to  miara  prawdopodobieństwa  rekombinacji. 
Czym mniejsze prawdopodobieństwo rekombinacji - tym większa   i tym lepszy tranzystor (lepszy - pod względem bety).  
 

PNP 

NPN 

 

 

 
 

background image

 
 

57 

 

Reasumując:  zmieniając napięcie  na  złączu  B-E  zmieniamy  prąd  kolektora.  Właściwie  tak  samo  jest  w diodzie:  zwiększając 
napięcie  na  złączu  zwiększamy  (i  to  wyraźnie  -  wykładniczo)  prąd  diody.  A  w  tranzystorze  prawie  tak  samo  -  tak  jakby 
tranzystor  był  taką  dziwną  diodą,  w  której  napięcie  przykłada  się  do  elektrod  B-E,  ale  prawie  cały  prąd  wywołany 
przyłożeniem  tego  napięcia nie  płynie przez kontakt  bazy,  tylko przez kolektor  (od  kolektora  do  emitera;  przypominam,  że 
kierunek przepływu prądu  jest  zgodnie z ustaloną konwencją przeciwny  do ruchu  elektronów
w tranzystorze NPN  prąd 
płynie od kolektora do emitera, a  elektrony od emitera do  kolektora
).  Prąd  bazy natomiast,  w przeciwieństwie  do prądu 
kolektora,  jest  mały  -  można  powiedzieć  -  "resztkowy"  (w  niektórych  zastosowaniach  pomijalny,  tj.  przyjmuje  się,  że 
praktycznie  prądu bazy  nie ma).  "Resztkowy" - bo prąd bazy wywołuje resztka elektronów  z emitera, które "miały  pecha"  i 
zrekombinowały po drodze do kolektora. 
 
I takie właśnie, z grubsza rzecz biorąc, ma właściwości tranzystor bipolarny, wtedy gdy chcemy zrobić z niego wzmacniacz. 
 
Dla porządku należy teraz wyjaśnić kilka kwestii. 
 
Skąd się biorą dziury w bazie i dlaczego jest ich dość mało?  
Mechanizm pojawiania się dziur w bazie jest dość prosty. Emiter wstrzykuje do bazy elektrony. Ale nie można, ot tak sobie, 
wstrzyknąć  gdzieś  tam  elektronów  i  nic.  Trzeba  pamiętać  o  zasadzie  zachowania  ładunku.  Do  zrównoważenia  ujemnego 
ładunku  wstrzykniętych  elektronów  potrzebne  są  jakieś  inne  ładunki.  Oczywiście  tylko  dziury  mogą  zrównoważyć  ładunek 
elektronów, bo tylko one są ruchome i mają ładunek dodatni. Wpływają więc w obszar bazy z kontaktu bazy. Gdyby elektrony 
po  wprowadzeniu  z  emitera  stały  w  miejscu  i  czekały  spokojnie,  to  do  obszaru  bazy  wpłynęłoby  tyle  samo  dziur  ile  było 
wstrzykniętych z emitera elektronów. A następnie po jakimś czasie elektrony zostałyby zobojętnione przez dziury w procesie 
rekombinacji,  tzn. każdy  elektron  "wpadłby"  w  dziurę i  nie  byłoby  już żadnych  nośników. Jednak -  uwaga  -  takie całkowite 
zobojętnienie  mogłoby  zajść  dopiero  po  dostatecznie  długim  czasie,  bo  ładunki  (elektrony  i  dziury)  poruszają  się  w 
półprzewodniku ze stosukowo małymi prędkościami. A ponieważ elektrony jednak nie stoją w miejscu i przemieszczają się w 
kierunku  kolektora,  to  przeciętny  elektron  przebywa  w  obszarze  bazy  dość  krótko.  I  właśnie  dlatego,  że  typowy  elektron 
krótko gości w bazie, to wychodzi na to, że:  

a.  prawdopodobieństwo rekombinacji w tym krótkim czasie jest małe,  
b.  wpływ elektronu na "ujemność" ładunku bazy jest tylko cząstką tego wpływu, który miałby nasz elektron, gdyby coś 

go w bazie zatrzymało.  

 
 
Na czym polega siła "rozpędu" elektronów wprowadzanych przez emiter do bazy.  
Tak naprawdę nie ma żadnego rozpędu. Działają tu natomiast dwa zjawiska:  
 
Dyfuzja.  Dyfuzja  to  dość  znane  zjawisko  fizyczne  występujące  często  w  gazach  i  cieczach.  Jeśli  np.  wprowadzimy  kroplę 
barwnika  (np. atramentu) do  naczynia  z  wodą, to  choćbyśmy się nie  wiem jak starali,  barwnik i  tak  rozejdzie  się  po całym 
naczyniu.  Tak samo z elektronami,  które  znajdą się w obszarze bazy  -  rozłażą  się we  wszystkich  kierunkach.  A  jak  już  wiele 
razy powiedziano, "większość kierunków" zajmuje złącze kolektora.  
 
Tzw.  pole  wbudowane,  występujące  w  znacznej  większości  tranzystorów  bipolarnych.  Nie  wnikając  w  technologię  można 
powiedzieć,  że  najczęściej  warstwę  bazy  robi  się  tak,  iż  na  elektrony  oddziałuje  wytworzone  w  przestrzeni  bazy  pole 
elektryczne, które kieruje elektrony w stronę kolektora. Uzyskuje się ten efekt stosując nierównomierne domieszkowanie bazy 
-  więcej  domieszek  akceptorowych  przy  emiterze,  a  mniej  przy  kolektorze.  Jony  akceptorowe  są  ujemne,  więc  elektrony 
kierują się tam, gdzie ujemnych ładunków jest mniej.  
 
Dlaczego  rysunek  tranzystora  przedstawiony  jako  "trzy  klocki"  (pierwszy  rysunek  tego  artykułu)  utrudnia  zrozumienie 
działania  tranzystora.
  Specjaliści  od  technologii  półprzewodnikowej  często  używają  tego  rysunku.  Oczywiście  w  dobrej 
wierze. Ten rysunek przedstawia nie całą budowę tranzystora, a konkretnie wycinek przekroju. Na takim rysunku można np. 
pokazać  ruch  wszystkich  nośników,  co  jest  potrzebne  przy  głębszym  wniknięciu  w  subtelności  działania  tranzystora. 
Tymczasem nieświadomi albo po prostu nieuważni czytelnicy interpretują ten rysunek wprost, tak jakby to była rzeczywista 
budowa tranzystora.  Oczywiście  tak nie jest.  Mam nadzieję,  że czytelnicy już rozumieją na czym polega  problem.  Gdyby to 
była rzeczywista struktura półprzewodnikowa "trzyklockowa", to wiele elektronów wstrzykiwanych z emitera docierałoby do 

background image

 
 

58 

 

kontaktu  bazy,  który  w  tym  przypadku  jest  bezpośrednio  "na  widoku".  Elektrony  mają  tu  również  dużą  szansę  na 
rekombinację.  A  to  oznaczałoby,  że  mamy  absurdalny  tranzystor  o  wzmocnieniu    mniejszym  od  jedności  (bo  większość 
elektronów  kierowałaby  się  do  bazy,  albo  rekombinowała,  a  tylko  resztka  -  do  kolektora).  Uwaga.  Nie  zawsze    jest 
parametrem decydującym o przydatności tranzystora. 
W układzie odchylania prawie każdego telewizora pracuje tranzystor 
o współczynniku   bliskim jedności. Jego   jest bardzo mała, ale za to tranzystor jest w stanie skutecznie przełączać bardzo 
duże napięcia.  
 
Prąd  kolektora  zależy  głównie  od  napięcia na  złączu  B-E,  a bardzo  mało  zależy  od czegokolwiek  więcej.  Między  innymi, 
prąd  kolektora  bardzo  mało  zależy  od  napięcia między  bazą  a  kolektorem, o ile  napięcie na  kolektorze w  ogóle  jest  jakieś. 
Dlatego  absurdalne  są  odruchy  początkujących  elektroników,  którzy  próbują  ustalić  prąd  kolektora  za  pomocą  zmiany 
napięcia kolektor-baza, czy też kolektor-emiter.  
 
Tranzystor  jest  elementem  unilateralnym.  To  mądre  słowo  "unilateralny"  oznacza  po  prostu,  że  istnieje  (i  jest  łatwo 
zauważalne) oddziaływanie wejścia na wyjście, natomiast nie ma oddziaływania w drugą stronę - wyjścia na wejście (w ogóle 
takie  oddziaływanie  istnieje,  ale  jest  szczątkowe).  W  omówionym  wcześniej  sposobie  sterowania  tranzystorem  "wejściem" 
(dokładniej zmienną wejściową) jest napięcie na złączu B-E, a "wyjściem" (zmienną wyjściową) prąd kolektora. Unilateralność 
to ważna i w znacznej większości zastosowań bardzo pożyteczna cecha.  
 
Sam  tranzystor nie  jest wzmacniaczem.  Nie  należy zapominać, że  sam tranzystor  jako taki nie jest ani wzmacniaczem, ani 
kluczem  ani  w  ogóle  niczym,  a  tylko  tranzystorem.  Wzmacniaczem  czy  czymś  tam  innym  staje  się  tranzystor  dopiero  w 
odpowiednim  układzie.  Porównując  tranzystor  do,  powiedzmy,  komputera  możemy  powiedzieć,  że  "goły"  tranzystor  to  jak 
komputer bez oprogramowania. Do tranzystora trzeba dodać, i to z sensem, jakieś oporniki, kondensatory, zasilanie itp., żeby 
powstał  wzmacniacz,  bufor,  ogranicznik  czy  inny  układ  (a  czasami,  ha,  ha,  powstaje  twór  realizujący  inną  funkcję,  niż 
chcieliśmy).  Dlatego  apeluję:  patrzcie  na  tranzystor  jak  na  element  o  określonych  właściwościach  (może  i  w  pierwszym 
zetknięciu dziwacznych),  ale nie jak na  np.  wzmacniacz.  A  wzmacniacz  da  się zbudować, jeśli tylko rozumie  się właściwości 
najważniejszej części składowej wzmacniacza, czyli właściwości tranzystora.  
 
I na koniec w skrócie niektóre występujące w tranzystorze efekty i właściwości drugiego i trzeciego rzędu: 
 
Efekt Early'ego (modulacja szerokości bazy). Jest to efekt polegający na tym, że kiedy zwiększa się napięcie na złączu B-C (a 
więc również napięcie U

CE

), to zgodnie z prawami fizyki półprzewodników zwiększa się szerokość tego złącza. A to oznacza, że 

baza staje się cieńsza, bo "włazi" w nią złącze kolektora. A więc maleje prawdopodobieństwo rekombinacji - czyli rośnie  . To 
oznacza też, że prąd kolektora nieznacznie rośnie przy wzroście napięcia U

CE

 przy utrzymywaniu stałego prądu bazy. 

 
Przebicia.  Oba  złącza  przebijają  się  przy  określonych  napięciach.  Wielu  początkujących  zapomina,  albo  wręcz  nie  wie,  że 
złącze E-B przebija  się dla napięć wyraźnie  mniejszych  od  tych,  przy  których  przebija  się  złącze  B-C.  Istnieje  też  możliwość´ 
przebicia C-E przy niepodłączonej bazie. Z pewnych powodów prawie zawsze jest tak, że U

CEmax

 jest mniejsze lub równe U

BCmax

Tranzystor cechują więc co najmniej trzy napięcia przebicia (są jeszcze inne!). Warto zaznaczyć, że przeważnie nie podaje się 
w  katalogach  ani  napięcia  przebicia  B-C,  ani  E-B,  a  tylko  napięcie  przebicia  kolektor-emiter  przy  rozwartej  bazie  (U

CEmax

). 

Przykładowe napięcia przebicia popularnego tranzystora BC107: U

CBmax

 = 50V, U

CEmax

 = 45V, U

EBmax

 = 7V. Oczywiście nie należy 

doprowadzać do przebić złączy, chyba, że panuje się nad tym procesem (przebicie tranzystora w określonych warunkach nie 
musi być niszczące!) 
 
Efekt Kirka (efekt quasinasycenia). Niektóre tranzystory wykazują ten efekt bardzo wyraźnie, inne - prawie wcale. Efekt Kirka 
polega na tym, że wewnątrz rzeczywistej struktury półprzewodnika, z którego zrobiono tranzystor, powstaje tak jakby opornik 
włączony  w  szereg  z  kolektorem,  którego  oczywiście  (tego  opornika  znaczy),  nikt  nie  chciał.  Dlatego  właściwie  tranzystor 
może  być  wewnętrznie  nasycony,  chociaż  pomiar  napięcia  na  zaciskach  zewnętrznych  tego  nie  wykazuje.  Jednak  fakt 
nasycenia  (saturacji)  wewnętrznej  wyraźnie  zakłóca  normalną  pracę  tranzystora  (spowolnienie,  niemożliwość  osiągnięcia 
oczekiwanego  małego  napięcia  nasycenia  U

CEsat

).  Efekt  ten  występuje  dla  dość  dużych  prądów  kolektora  (dla  niektórych 

tranzystorów "duży prąd" to 20mA !) i małych napięć U

CE

 (rzędu 1V). 

 

background image

 
 

59 

 

Wpływ temperatury. Ważne są dwa podstawowe parametry, które zależą od temperatury: U

BE

 i  . U

BE

 maleje z temperaturą 

o ok. 2.3mV/°C, a B rośnie z temperaturą zgodnie z zależnością:  
 

( ) =

 

 
gdzie: 

 - b w temp.  , 

 - temp. odniesienia, typowo 25°C, 

 - współczynnik potęgowy, typowo m przyjmuje wartość ok. 1,5.  

 
Niektóre źródła podają inne wartości współczynnika   (2-6), albo zależność w postaci zwiększania   o ok. 5% na każde 10°C. 
 
Główna przyczyna  powstawania  prądu  bazy.  W  starszych  technologicznie  typach  tranzystorów  (ale  również  w  niektórych 
obecnie stosowanych)  prąd  bazy  bierze  się,  tak  jak  opisano  wyżej,  z  rekombinacji  elektron  (z  emitera)  -  dziura  (z  bazy).  W 
nowszych typach (obecnie znaczna większość) - w których baza jest naprawdę bardzo cienka - rekombinacja zachodzi bardzo 
rzadko - np. raz na 10000. Główną przyczyną prądu bazy jest wstrzykiwanie odwrotne: z bazy do emitera. Parametr B zatem 
odzwierciedla  w  tych  tranzystorach  głównie  stosunek  skuteczności  wstrzykiwania  emiter  -  baza  do  wstrzykiwania  baza  - 
emiter. 
 

(źródło - http://www.eres.alpha.pl/elektronika/readarticle.php?article_id=7 – autor: dr inż. Aleksander Burd

 
CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO-NAPIĘCIOWA (current-voltage characteristic
Charakterystyki  tranzystora  przedstawione  na  rysunkach  poniżej  najlepiej  nadają  się  do  opisu  i  analizy  jego  działania. 
Charakterystyka wyjściowa  przedstawia zależność  prądu  kolektora  I

C

  od  napięcia kolektor-emiter U

CE

 przy  doprowadzonym 

napięciu wejściowym baza-emiter U

BE

.  

 

 

Z charakterystyki tej można stwierdzić, że: 

- powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U

CE

- do wywołania dużej zmiany prądu kolektora ΔI

C

 wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter ΔU

BE

Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia (saturacji) kolektor-emiter 
U

CEsat

 
Zależność  prądu  kolektora  od  napięcia  wejściowego  jest  lepiej  widoczna  na  charakterystyce  przejściowej  pokazanej  na 
rysunku  charakterystyki  przejściowej.  Prąd  kolektora  I

C

  jest  tu  funkcją  napięcia  baza-emiter  U

BE

,  inaczej  U

BE

(I

C

). 

Charakterystyka ta, tak jak i charakterystyka diody ma charakter wykładniczy. 
 

background image

 
 

60 

 

 

 
Reasumując: 
1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora I

C

 od napięcia kolektor-emiter U

CE 

przy 

doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U

BE

 i stałym prądzie bazy I

B

2)  Charakterystyka  przejściowa  przedstawia  prąd  kolektora  I

C

  jako  funkcję  napięcia  baza-emiter  U

BE

,  oraz  I

B

  =const. 

Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy. 
3) Charakterystyka wejściowa  opisuje  zależność  prądu bazy  I

B

  od  napięcia baza-emiter  U

BE

,  przy stałym napięciu  kolektor-

emiter U

CE

. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych. 

4) Charakterystyka zwrotna przedstawia  zależność prądu kolektora  od prądu  kolektora  I

C

  od prądu  bazy I

B

,  przy U

CE

=const 

Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy. 
 

Źródło - http://www.edw.com.pl/ea/bipolarne.html 

http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/bipolarne.html 

 
ZASTOSOWANIA 
Tematyka  tranzystora bipolarnego  pojawia  się  na  laboratorium podstaw  elektroniki  w  ćwiczeniu 2a  –  tranzystor bipolarny 
oraz  2b  –  wzmacniacz  tranzystorowy  (szczegóły  na  temat  laboratoriów  poruszone  w  odpowiednim  dziale).  Główne  dwa 
zadania tranzystora to funkcja wzmacniacza oraz elektronicznego przełącznika. Na początek elektroniczny przełącznik: 
 
ELEKTRONICZNY PRZEŁĄCZNIK 
Rzecz pierwsza – potrzebujemy źródła napięcia, przykładowo 5V, które chcemy by było włączane co kilka sekund. 
 

 

 
 
 

Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie zwykłego klucza (przełącznika), który byśmy ręcznie zwierali i rozwierali wedle 
potrzeb.  Ale  co  zrobić  jeślibyśmy  chcieli  pozostawić  ten  obwód,  by  pracował  sam,  bez  naszego  udziału?  Na  początek 
przerysujmy nasz schemat obwodu w nie co inny sposób, stosując symbol masy. 
 

background image

 
 

61 

 

 

 
Masa  spełnia  tutaj  rolę ujemnego  bieguna  źródła  napięcia  tak,  że  prąd  będzie przepływał  z  źródła  do masy.  Jednocześnie 
masa wymusza potencjał zerowy po drugiej stronie rezystora. Teraz musimy w jakiś sposób pozbyć się klucza, zastępując go 
elektronicznym włącznikiem. 

 

 

W  przeciwieństwie  do  tranzystorów  polowych  (np.  MOSFET),  które  są  sterowane  napięciem,  tranzystory  bipolarne 
sterowane są prądem, co oznacza, że do bazy musimy doprowadzić strumień prądu. By w prosty sposób kontrolować ilość 
tego prądu (pamiętajmy o wzmocnieniu tranzystora  =

/

≈ 100 by sensownie dobrać ilość prądu jaki podajemy na B) 

dodajemy rezystor przed bazę tranzystora. Ten rezystor dodatkowo pełni funkcję umożliwiającą przepływ prądu, ponieważ 
wedle prawa Ohma, bez oporu nie ma prądu. 

 

Teraz  musimy  jeszcze  do  rezystora  podpiąć  generator  fali  prostokątnej,  który  będzie  włączał  i  wyłączał  tranzystor,  czyli 
otwierał i zamykał elektroniczny klucz. Nasz generator będzie pracował z częstotliwością 40Hz i amplitudą 2V (peak to peak 
4V – U

MIN

=-2V i U

MAX

=2V), wytwarzając przebieg napięcia na bazie przedstawiony poniżej: 

background image

 
 

62 

 

 

 

 
Łącząc wszystko w jeden obwód otrzymujemy: 

 

 

 

 
 
Jak  widać, generator oscyluje między napięciem  -2, a 2 wolty  (czerwony, górny  wykres). W momencie gdy napięcie osiąga 
poziom ujemny, prąd przestaje płynąć przez tranzystor (niebieski, dolny wykres). Dla lepszego efektu, rezystor 1 kiloomowy 
można  zastąpić  10  kiloomowym  (10000  omów).  Dlaczego  nie  uzyskujemy  obiecanego  stukrotnego  wzmocnienia  prądu?  Z 
powodu obecności 100 omowego rezystora za źródłem napięcia. Po jego usunięciu otrzymalibyśmy poniższe rezultaty: 

background image

 
 

63 

 

 

 

 

 

Jak  widać  otrzymujemy  stukrotne  wzmocnienie,  ponieważ  prąd  bazy  to 

= 1,3

,  prąd  kolektora 

= 130,24

Konstrukcja obwodu klucza elektronicznego zarówno bazująca na tranzystorze PNP jak i NPN jest taka sama: 
 
 

 

 
 

Jest jednak pewna subtelna różnica, którą teraz pokażę. Załóżmy, że oba generatory są ze sobą synchronizowane i podają w 
tym samym czasie te same wartości napięcia (kolor niebieski -5V, a kolor czerwony +5V). W momencie kiedy tranzystor NPN 
otrzymuje na bazę napięcie 5V, zaczyna przewodzić prąd od kolektora do emitera (strzałka przy symbolu oznacza przepływ 
prądu). Natomiast gdy tranzystor PNP otrzyma napięcie 5V to tak jakby klucz był rozwarty i nie ma przepływu prądu między 
emiterem a kolektorem. 

background image

 
 

64 

 

 

 
Przeciwnie  dzieje  się  w  przypadku  gdy  tranzystory  otrzymają  ujemne  napięcie  -5V.  Wtedy  to  tranzystor  PNP  zaczyna 
przewodzić, natomiast NPN nie. Proszę w tym miejscu  zwrócić uwagę  na kierunek prądów bazy. Dla tranzystora NPN prąd 
wpływa, a dla PNP wypływa z bazy. 
 

 

 

Jednocześnie  nie  możemy  zapominać  o  tym,  że  głównym  elementem  decydującym  o  przewodzeniu  (bądź  nie)  między 
kolektorem  a  emiterem  jest  napięcie  między  bazą  a  emiterem  U

BE

,  które  dla  PNP  musi  być  mniejsze  od  zera,  a  dla  NPN 

większe. Policzmy, czy zgadza się to z powyższymi przykładami. Ponieważ napięcie ma być między BAZĄ, a EMITEREM, więc 
odejmujemy  potencjał  emitera  V

E

  od  potencjału  bazy  V

B

.  Nie  możemy  jednak  zapominać  o  tym,  że  rezystory  generują 

dodatkowe spadki napięć, które również musimy uwzględnić (sam tranzystor również „zabiera” część napięcia): 
 

 

 

=

= −626,6

− 48,4

= −675

 

 
Teraz policzmy to samo dla tranzystora NPN. Trzeba w tym miejscu zaznaczyć, iż emiter połączony jest z masą wymuszającą 
potencjał zerowy, więc potencjał V

E

 musi być równy zero. 

background image

 
 

65 

 

 

 

=

= 677

− 0 = 677

 

 
O  tym,  że  napięcie  U

BE

  decyduje  o  przewodzeniu  należy  pamiętać  szczególnie  w  przypadku  tranzystora  PNP.  Tranzystor 

będzie wciąż przewodził prąd mimo przełączenia generatora na dodatnie napięcie w chwili gdy napięcie generatora będzie 
mniejsze niż napięcie źródła. Przykładowo napięcie źródła 5V, a napięcie maksymalne generatora 4V – wtedy otrzymujemy: 
 

=

= −4 − 5 = −1  

 
WZMACNIACZ TRANZYSTOROWY 
Ponieważ tranzystor ma trzy końcówki, stąd może pracować w 3 konfiguracjach: 

1.  wspólny emiter OE (WE) – common emitter 
2.  wspólna baza OB (WB) – common base 
3.  wspólny kolektor OC (WC) – common collector 

 
W ćwiczeniu 2a – tranzystor bipolarny laboratoriów podstaw elektroniki pojawiają się schematy do pomiaru charakterystyk 
tranzystora p-n-p w układzie wspólnego emitera oraz wspólnej bazy. Odwołania z tekstu na ten temat będą przekierowywać 
do tej części opracowania. 

 

 

wspólny emiter 

wspólna baza 

wspólny kolektor 

 

 

 

 
 

Wspólny emiter 
Zasadniczą cechą tego rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy 
bazę a emiter tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Emiter jest więc 
"wspólny" dla sygnałów wejściowego i wyjściowego - stąd nazwa układu. 
 
Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się: 

- dużym wzmocnieniem prądowym 
- dużym wzmocnieniem napięciowym 
- dużym wzmocnieniem mocy 

Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 stopni w stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa 
jest rzędu kilkuset W, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt kW. 
 

background image

 
 

66 

 

Wzmacniacze  ze  wspólnym  emiterem  są  najczęściej  wykorzystywanym  typem  wzmacniaczy,  szczególnie  w  zakresie  niezbyt 
wysokich częstotliwości, np. we wzmacniaczach częstotliwości  akustycznych.  Zapewniają  stosunkowo wysokie  wzmocnienie 
napięciowe; wzmocnienie prądowe jest także znacznie większe od jedności. 
 

 

 
Wspólna baza 
Zasadniczą cechą tego rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy 
bazę  a  emiter  tranzystora,  natomiast  sygnał  po  wzmocnieniu  odbierany  jest  spomiędzy  bazy  i  kolektora.  Baza  jest  więc 
"wspólna" dla sygnałów wejściowego i wyjściowego - stąd nazwa układu. 
 
Tranzystor pracujący w układzie OB ma: 

- małą rezystancję wejściową 
- bardzo dużą rezystancje wyjściową 
- wzmocnienie prądowe bliskie jedności 

Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz. 

 

Wzmocnienie  napięciowe  układu  ze wspólną  bazą  jest  większe  od  jedności, charakteryzuje się  natomiast niską impedancją 
wejściową.  Często  wykorzystywany  jest  tam,  gdzie  zachodzi  potrzeba  dopasowania  do  źródeł  sygnału  o  małej  impedancji 
wyjściowej, np. w przedwzmacniaczach do mikrofonów magnetoelektycznych z ruchomą cewką. Inna cecha wzmacniaczy ze 
wspólną bazą to fakt, że wolne są one od efektu Millera (we wzmacniaczach ze wspólnym emiterem zwiększa on pojemność 
wejściową  niekorzystnie  wpływając  na  parametry  w  zakresie  wyższych  częstotliwości),  dzięki  czemu  układ  może  być 
wykorzystywany we wzmacniaczach w.cz., np. w głowicach UKF i VHF. 
 
 
 

background image

 
 

67 

 

Wspólny kolektor 
Zasadniczą cechą tego rodzaju wzmacniaczy jest to, że wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy 
bazę a  kolektor tranzystora,  natomiast  sygnał po wzmocnieniu  odbierany jest  spomiędzy kolektora a emitera.  Kolektor jest 
więc "wspólny" dla sygnałów wejściowego i wyjściowego - stąd nazwa układu. 
 
Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: 

- dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości) 
- wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym) 
- dużym wzmocnieniem prądowym 

 

 

 

Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem ma wzmocnienie napięciowe równe jeden (ściślej: nieznacznie mniej, niż jeden), wobec 
czego  na  wyjściu  wzmacniacza  otrzymuje  się  "powtórzone"  napięcie  z  wejścia,  stąd  druga  powszechnie  używana  nazwa 
takich wzmacniaczy - wtórnik emiterowy. Pomimo braku wzmocnienia napięciowego, wtórniki emiterowe charakteryzują się 
wysokim  wzmocnieniem  prądowym.  Impedancja  wejściowa wzmacniacza w  tym układzie jest  wysoka,  a  wyjściowa  - niska. 
Układ  często  wykorzystywany  wszędzie  tam,  gdzie  zachodzi  potrzeba  wysterowania  następnych  stopni  wzmacniacza 
wymagających stosunkowo dużego sygnału prądowego, np. do sterowania stopni końcowych wzmacniaczy dużej mocy. 

 

Źródła: 

http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/bipolarne.html 

Wikipedia 

 
 
TRANZYSTOR BIPOLARNY JAKO ŹRÓDŁO PRĄDOWE 
Tranzystor  bipolarny  z  odpowiedniej  perspektywy  wygląda  jak  idealne  źródło  prądowe.  Jak  wygląda  charakterystyka 
prądowo-napięciowa (current-voltage characteristic) idealnego źródła prądowego (ideal current source)? 
 
 

 

 

background image

 
 

68 

 

Jak widać, bez względu na zmianę wartości napięcia odkładającego się na źródle, źródło prądowe wytwarza stałą ilość prądu 
(oczywiście w rzeczywistości źródło prądowe działa poprawnie jedynie w pewnym zakresie – więcej informacji na ten temat 
w odpowiednim dziale). Wróćmy teraz na chwilę do charakterystyk prądowo-napięciowych tranzystora (dokładniej interesuje 
nas  charakterystyka  wyjściowa).  Proszę  zwrócić  uwagę,  iż  wraz  ze  zmianą  napięcia  praktycznie  nie  zmienia  się  natężenie 
prądu.  Możemy  to  zapisać  jako 

  dla  przedziału  od  około  dwóch  woltów  do  plus  nieskończoności  - 

=

(2  ; +∞). 
 
 

 

 
Teraz  pytanie  –  jak  zastosować  tą  właściwość  w  obwodzie?  Istnieje  coś  takiego  jak  LUSTRO  PRĄDOWE  (current  mirror), 
którego schemat jest przedstawiony poniżej, ale omawianiem tego zagadnienia zajmiemy się przy okazji tranzystorów NMOS 
i PMOS. Pytanie jest, jak stworzyć proste źródło prądowe przy pomocy jednego tranzystora NPN? 
 

 

background image

 
 

69 

 

 

Proszę zwrócić uwagę na budowę tego obwodu. Składa się on z dzielnika napięcia (voltage divider) po lewej  

 

oraz szeregowo połączonych oporników 6k (6 kiloomów) i 1k (1 kiloom) wraz z tranzystorem (na którym również odkłada się 
część napięcia). Klucz jest elementem pokazującym, że wraz z ominięciem dużego, 6 kiloomowego opornika, źródło prądowe 
wciąż  wytwarza  taką  samą  ilość  prądu.  Omijając  ten  opornik  bardzo  zwiększa  się  ilość  napięcia  odkładającego  się  na 
tranzystorze. 
 
Czym  jest  dzielnik  napięcia?  Temat  ten  pojawił  się  już  wcześniej  w  dziale  PRAKTYKA  –  3.  DZIELNIK  NAPIĘCIA.  Ma  on  za 
zadanie podział napięcia w ściśle określonej proporcji. W przypadku naszego dzielnika będzie to: 
 

=

+

=

2

2 + 8

10 = 0,2 ∗ 10 = 2  

 
Po co on  się  znajduje w  tym  miejscu obwodu  i dlaczego  te rezystancje są  takie  duże? Dzielnik ten ogranicza ilość napięcia 
przykładanego do bazy  (B)  tranzystora. Użycie  w  tym przypadku  tak dużych oporników ma na  celu zminimalizowanie  ilości 
prądu: 

background image

 
 

70 

 

=

      =

=

10

8000 + 2000

= 0,001 = 1

 

 
Oczywiście należy wziąć pod uwagę, że rezystancja bazy jest bardzo duża, a prąd rozpływa się na dwie części (na prąd płynący 
do bazy   i prąd płynący przez opornik 2k 

).  

 

 
Wiemy,  że  na  bazie  odkładają  się  2V.  Jeśli  dowiemy  się  jaka  jest  wartość  prądu  bazy 

,  to  będziemy  mogli  obliczyć 

rezystancję z prawa Ohma. W tym celu musimy użyć galwanometru oznaczonego symbolem   (galwanometr to bardzo czuły 
amperomierz). Po dokonaniu pomiarów okazuje się, że płynący prąd bazy to 

= 13,8

, co daje nam opór: 

 

=

=

2

13,8

= 144927,5 = 145

 

 
Zamieniając opornik  2k na  zwarcie, prąd przestaje płynąć do bazy, ponieważ woli  wybierać drogę  BEZ oporu  (łatwiejszego 
przepływu), co kompletnie blokuje przepływ prądu między C, a E. 

 

background image

 
 

71 

 

Teraz słowo na temat drugiej części obwodu - opornik 1k ma na celu „przesunięcie” potencjału masy – tzn. potencjał masy 
jest wymuszony nie na końcówce tranzystora (emiterze), a na dolnej części rezystora 1k. W przypadku braku tego opornika 
wytwarza  się  bardzo  duża  różnica  potencjałów  po  zwarciu  klucza  (+10  V  i  0  V),  która  powoduje  drastyczne  zwiększenie 
przepływu prądu i popsucie naszego źródła prądu. 
 
WYGLĄD RZECZYWISTY 
Wyróżniamy następujące modele TO (transistor outline): 
 

TO-92 

TO-18 

 

 

 

 

 
TO92  wyróżnia  się  niską  ceną wytworzenia i  małymi  rozmiarami, aczkolwiek nie  radzi  sobie  z  dużą  mocą  i łatwo  się może 
uszkodzić  z  powodu  temperatury.  W  TO18  zarówno  atutem  jak  i  wadą  jest  metalowa  obudowa  chroniąca  przed  efektem 
Faraday’a, ale jednocześnie podnosząca koszt wytworzenia tranzystora. 
 

TO-3 

TO-220 

 

 

background image

 
 

72 

 

 

Kolektorem jest metalowa obudowa 

tranzystora. 

 

 
TO3  i  TO220  są bardzo  kosztownymi  modelami  jednocześnie  zajmującymi  sporo  miejsca.  Należy  jednak podkreślić,  iż  oba 
świetnie spełniają swoje zadanie w obwodach wysokiej mocy i prądów. 
 
d. TRANZYSTORY POLOWE FET 
Tranzystor  polowy,  tranzystor  unipolarny,  FET  (ang.  Field  Effect  Transistor)  –  tranzystor,  w  którym  sterowanie  prądem 
odbywa  się  za  pomocą  pola  elektrycznego,  a  nie  tak  jak  w  przypadku  tranzystora  bipolarnego  (BJT)  za  pomocą  prądu  i 
napięcia.  Zasadniczą  częścią  tranzystora  polowego  jest  kryształ  odpowiednio  domieszkowanego  półprzewodnika  z  dwiema 
elektrodami:  źródłem  (symbol  S  od  ang.  source,  odpowiednik  emitera  w  tranzystorze  bipolarnym)  i  drenem  (D,  drain, 
odpowiednik  kolektora).  Pomiędzy  nimi tworzy się  tzw. kanał,  którym  płynie prąd. Wzdłuż kanału  umieszczona  jest  trzecia 
elektroda, zwana  bramką (G, gate, odpowiednik  bazy). W  tranzystorach epiplanarnych,  jak  również  w przypadku  układów 
scalonych,  w  których  wytwarza  się  wiele  tranzystorów  na  wspólnym  krysztale,  wykorzystuje  się  jeszcze  czwartą  elektrodę, 
tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. 
 

 

 

 
e. MOSFET (NMOS i PMOS) 
MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane są z półprzewodnika monokrystalicznego; ponieważ tutaj najczęściej 
rolę  izolatora  pełni  ditlenek  krzemu  SiO

2

  (ang.  oxide),  toteż  tranzystory  te  częściej  nazywa  się  MOSFET  (Metal-Oxide-

Semiconductor FET, MOSFET) lub krócej MOS. Wyróżniamy dwa podstawowe typy tranzystorów MOSFET – NMOS i PMOS. 
 
 

background image

 
 

73 

 

BUDOWA i DZIAŁANIE 
Osobiście  od  tranzystorów  bipolarnych  bardziej  lubię  właśnie  MOSFET’y.  :P  Tranzystory  MOS  samą  ideą  działania  raczej 
niewiele  różnią  się  od  BJT.  NMOS  (n-channel  MOSFET)  zbudowane  są  na  podłożu  o  domieszce  P  wytwarzając  kanał 
przewodzący  N,  a  PMOS  (p-channel  MOSFET)  na  podłożu  o  domieszce  N  wytwarzając  kanał  przewodzący  P.  Spróbujmy 
poznać budowę tranzystora MOS na podstawie NMOS. 
 

 

 
Warstwa  zubożona  (zaporowa)  powstaje  przez  rekombinację  ładunków  (elektronów  z  dziurami).  W  obszarze  domieszki  P 
(positive, czyli więcej dziur) znajdują się szczątkowe elektrony: 
 

 

 
By  umożliwić  przepływ  elektronów  między  źródłem,  a  drenem  musimy  wytworzyć  kanał  elektronowy  z  tych  właśnie 
szczątkowych ujemnych ładunków. W tym celu polaryzujemy dodatnio bramkę (G – gate) tranzystora.  

 

background image

 
 

74 

 

 

 
Po wytworzeniu kanału musimy jeszcze tylko wytworzyć różnicę potencjałów między źródłem a drenem. 
 

 

 
W przypadku, gdy przyłożymy napięcie do bramki (G), a tego napięcia nie będzie między drenem (D),a źródłem (S), to prąd 
nie  będzie  płynął  z  powodu  braku  kanału.  Przykładając  napięcie  nie  można  jednocześnie  zapominać  o  jego  polaryzacji  (w 
przypadku  NMOS,  dren  dodatnio,  a  źródło  ujemnie).  Kierunek  przepływu  prądu    jest  oczywiście  oznaczony  na  symbolach 
tranzystorów. Dla NMOS (jak zostało to już pokazane wcześniej) prąd płynie od drenu do źródła, co wskazuje strzałka. 
 

PMOS 

NMOS 

 

 

 
 
CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO-NAPIĘCIOWA 
Spróbujmy  znaleźć  w  jakimkolwiek  programie  symulującym  obwody  elektryczne  tranzystor  MOS  i  samemu  wykonać  jego 
charakterystykę  prądowo  napięciową  dla  zależności  napięcia  drenu 

  od  napięcia  między  drenem  a  źródłem 

,  czyli 

(

). Na początek kilka informacji – MultiSim nie posiada specjalnego schematu dla NMOS i PMOS, stąd można użyć do 

symulacji  np.  tranzystorów  bipolarnych  (BJT)  NPN  (dla  NMOS)  i  PNP  (dla  PMOS).  Dwa  poniższe  schematy  są  sobie 
równoważne: 

background image

 
 

75 

 

 

 
Proszę  zwrócić uwagę,  iż  nie  ma prądu bramki, ponieważ nie ma ciągłości  obwodu w  tamtym  miejscu (nie  ma połączenia) 
stąd  występuje  tam  jedynie  napięcie,  które  tej  ciągłości  nie  potrzebuje.  W  czasie  tworzenia  pierwszego  wykresu 
charakterystyki  prądowo-napięciowej  przyjmujemy  napięcie  dren-źródło 

= 5 =

  (inaczej 

)  i  zmieniamy 

napięcie bramki 

 (inaczej 

).  

 

 [

] 

 [ ] 

 [ ] 

0,00005 

0,00005 

1,5 

2,5 

10 

2,5 

22,5 

40 

3,5 

62,5 

90 

4,5 

122,5 

160 

5,5 

202,5 

250 

6,5 

300 

 
 

 

 

background image

 
 

76 

 

Jak  widać,  prąd  zaczyna  płynąć  dopiero  po  przekroczeniu  napięcia  1,5V.  To  napięcie  nazywa  się  napięciem  progowym 
(threshold  voltage).  Napięcie  progowe  naszego  tranzystora  to  właśnie 

= 1,5 .  Na  wykresie  możemy  wyróżnić  dwa 

zakresy pracy tranzystora: 

zakres odcięcia (cutoff, subthreshold lub weak-inversion mode) gdy 

<

– w naszym przypadku 

< 1,5  

 
-  zakres  nienasycenia,  inaczej  triodowy  (triode  mode  lub  the  ohmic  mode)  lub  też  inaczej  zakres  liniowy  (linear 

region) gdy 

>

, ale 

< (

) - w naszym przypadku 

> 6,5  (5 <

− 1,5 ) 

 
zakres nasycenia, saturacji, pentodowy (saturation mode lub active mode) gdy 

>

 oraz 

> (

), 

czyli u nas - 

< 1,5  i 

< 6,5 . 

 
Wyznaczanie  zakresu  nasycenia  i  nienasycenia  jest  sensowniejsze  w  momencie  opisywania  drugiego  wykresu,  czyli  funkcji 
prądu drenu   od napięcia między drenem, a źródłem 

. W czasie tworzenia drugiego wykresu charakterystyki prądowo-

napięciowej  przyjmujemy 

= 5 =

  (inaczej 

)  i  zmieniamy  napięcie 

  (inaczej 

).  Napięcie  progowe 

naszego tranzystora 

= 1,5 , więc zakres nasycenia będzie od 

> 3,5  (

= 5 − 1,5 = 3,5 ). 

 

 [

] 

 [ ] 

 [ ] 

 

Zakres 

nienasycenia 

32,5 

0,5 

60 

82,5 

1,5 

100 

112,5 

2,5 

120 

122,5 

3,5 

122,5 

Zakres 

nasycenia 

122,5 

4,5 

122,5 

 
Dzięki temu otrzymujemy następujący wykres: 
 

 

W wykresie tym możemy wyróżnić 2 obszary pracy tranzystora MOS. Trzeci obszar, odcięcia nie zależy od 

, więc by go 

wyznaczyć wykonuje się taki wykres jak poniżej, łącząc kilka różnych pomiarów: 

background image

 
 

77 

 

 

 

Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystorów MOS nie jest tak „ostra” (bardziej płynne przejście do zakresu nasycenia, 
saturacji). W tym miejscu należy podkreślić, iż efekt  wysokiej rezystancji tranzystorów MOS jest efektem dynamicznym. By 
utrzymać  natężenie  prądu  na  stałym  poziomie,  trzeba  w  jakiś  sposób  kontrolować  napięcie  (dokładniej  –  niwelować  jego 
przyrost). Wedle prawa Ohma nie mamy zbyt wielkiego pola do popisu: 
 

=

 

 
Jeśli  =

,  to  wraz  z  narastającym  napięciem    musi  wzrastać  opór  .  Okazuje  się,  że  w  zakresie  nasycenia  (

>

(

)) kanał nie biegnie całkowicie od źródła do drenu, a zatrzymuje się w pewnej odległości od drenu (przewodzący 

kanał jest indukowany tylko od strony źródła, nie sięga do drenu). Efekt ten nazywa się pinch off. Przykładowo nasz tranzystor 
NMOS  ma 

= +0,7   (tranzystory  PMOS  mają ujemne  napięcie  progowe),  do  źródła  przyczepiona  jest  masa  (potencjał 

źródła - 

= 0  NIE MYLIĆ Z NAPIĘCIEM MIĘDZY DWOMA PUNKTAMI), a dren i bramka mają potencjał 

=

= +0,8 . 

 

 

 
Jak zostało to napisane wcześniej, kanał wytworzy się, lecz w okolicy drenu go nie będzie ponieważ spełniony jest warunek 
nasycenia 

> (

), czyli: 

background image

 
 

78 

 

=

= +0,8 − 0 = +0,8  

 

= (+0,8 − 0,8 ) − 0,5 = −0,5  

 

+0,8 > −0,5  

 

 

 
Każdy z zakresów pracy tranzystora opisuje się innym równaniem: 
ZAKRES ODCIĘCIA(cutoff) 

≈ 0 

 
ZAKRES NIENASYCENIA (linear region) 

=

(

)

2

 

 
Gdzie 

 to część stała. 

 i   to wymiary bramki (G) – 

 to szerokość (width), a   to długość (lenght). Tranzystory 

najlepszej jakości posiadają  = 45

 (CMOS 45 nm). 

 to ruchliwość nośników ładunku (charge-carrier effective mobility - 

w  NMOS  to  elektrony),  natomiast 

  to  pojemność  izolatora  na  jednostkę powierzchni  (gate  oxide  capacitance per  unit 

area). 
 

 

 
 
ZAKRES NASYCENIA(saturation) 

=

1
2

(

)  

 
W tym wzorze wprowadza się dodatkowo poprawkę (  to około 0,01) spowodowaną lekką pochyłością (linia saturacji nie jest 
doskonale pozioma i po części zależy od napięcia między drenem, a źródłem): 
 

=

1
2

(

) (1 +

 

background image

 
 

79 

 

 

 

Więcej informacji na temat charakterystyk tranzystorów MOS można znaleźć tu: 
http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/ksmi/dydaktyka/Elementy_elektroniczne//20091112_MOSFET_2.pdf 
 

 

WYGLĄD RZECZYWISTY 
Jak widać poniżej, tranzystory MOS są bardzo podobne wyglądem do tranzystorów bipolarnych typu TO-220. 

 
 

 

 

 
 

 
 
ZASTOSOWANIE 
Podobnie jak w przypadku tranzystora bipolarnego możemy z tranzystora MOS zrobić elektroniczny klucz, ale to w tej chwili 
jest  już  mało  zabawne.  Wystarczy  jedynie  w  schematach  dla  tranzystorów  bipolarnych  zamienić  np.  PNP  na  PMOS.  Po 
przyswojeniu  tak  potężnej  dawki  wiedzy  zajmiemy  się  czymś poważniejszym  i  konkretniejszym.  Na  tranzystorach  MOSFET 
można zbudować konwertery DAC (digital to analog converter – konwerter z sygnału cyfrowego na analogowy), ale o tym 
przy okazji specjalnego działu z podstaw metrologii. 
 

background image

 
 

80 

 

Źródło prądowe/lustro prądowe 
Mówiąc  o  tranzystorach  bipolarnych  pojawił  się  temat  źródła  i  lustra  prądowego.  Za  pomocą  jednego  tranzystora  MOS 
również da się zbudować proste źródło prądowe, a jest to nawet dużo prostsze niż w przypadku tranzystorów bipolarnych. 
Co by nie było, że jestem gołosłowny, poniżej schemat źródła prądowego z użyciem jednego tranzystora MOS: 
 

 

 
Ktoś może się wielce wzburzyć i rzec, że to przecież tranzystor MOS podpięty do dwóch źródeł napięcia i nic więcej! Ale jeśli 
ktoś pamięta charakterystyki prądowo-napięciowe to kojarzy, że od pewnego momentu prąd płynący od drenu D do źródła S 
nie  zależy od  napięcia  między  drenem,  a  źródłem 

.  Prąd drenu 

  w  zakresie  nasycenia  tranzystora  MOS  jest  opisany 

wzorem: 
 

=

1
2

(

)  

 
Oczywiście w rzeczywistym tranzystorze (jak zostało to napisane wcześniej) pojawia się pewne wygięcie charakterystyki od 
poziomu, co koryguje się we wzorze prowadzając element (1 +

). Reasumując, dopóty dopóki nie zmienia się napięcie 

między  bramką,  a  źródłem,  dotąd  nie  zmienia  się  ilość  prądu  (oczywiście  od  momentu  rozpoczęcia  pracy  w  zakresie 
nasycenia).  
 
Teraz  powstaje  pytanie,  czym  jest  lustro  prądowe?  Jest  to  bardzo  sprytny  obwód,  który  pozwala  na  stworzenie  bardzo 
prostego konwertera DAC (digital to analog converter – poniższy obwód zbudowany jest na NMOS’ach). 

 

 
Kluczowym  elementem  tego  obwodu  jest  opornik  ,  który  stanowi  kurek  –  to  on  decyduje  o  tym  jak  dużo  prądu  ma 
wytwarzać  źródło  prądowe.  W  jaki  sposób?  Proszę  zwrócić  uwagę,  iż  opornik  generuje  spadek  napięcia,  czyli  to  5V  jakie 
mamy  dostępne  ze  źródła  napięcia 

  jest  dzielone  między  opornik    i  rezystancję  tranzystora  NMOS.  Opornik    ma 

rezystancję  wartości  100  omów,  a  spadek  napięcia  na  nim  to 

= 2,06   (dane  z  symulatora).  Natężenie  prądu 

przepływającego  zarówno  przez  opornik    jak  i  tranzystor  to 

= 20,64

.  Napięcie  odkładające  się  na  tranzystorze 

= 2,94  (przy 

= 1,5 ). 

background image

 
 

81 

 

Przyłączając  bramkę    zaraz  pod  opornikiem    powodujemy,  że  do  bramki  dociera  napięcie  dopiero  po  jego  spadku  na 
rezystorze. Podpinając bramkę bezpośrednio do źródła zasilania 

 nie pozwoliłoby na tak łatwą kontrolę przepływającego 

prądu   – musielibyśmy wtedy sterować prądem przez napięcie zasilania  . 
 
Ważnym elementem jest to, że do bramki   nie wpływa żaden prąd. Spróbujmy zilustrować kolorami rozpływ napięcia (kolor 
jasnoczerwony to potencjał 5V, a czarny 0V) z przepływem prądu przez obwód (zielone kwadraty). 

 

 
Z  powyższej ilustracji  wynika, że opornik   nie  tylko  kontroluje lewy, ale też i  prawy tranzystor  MOS.  Widać  również, iż w 
drugim tranzystorze nie jest już potrzebny taki kontrolny opornik. Dodatkowo, źródło 

 może być innej wartości niż źródło 

, ponieważ ilość prądu wytwarzana przez drugi (prawy) tranzystor zależy tylko i wyłącznie od napięcia pochodzącego od 

Należy  jednak pamiętać, by 

  nie  było mniejsze od  napięcia progowego  tranzystora  (nasze 

= 1,5 ).  Dlaczego  lustro? 

Dlatego, że prawa część obwodu jest lustrzanym odbiciem lewej. W ten sposób możemy łączyć bardzo wiele tranzystorów. 
Przykładowo chcemy otrzymać obwód, który w jednej gałęzi będzie generował prąd 20,6mA, w drugiej dwa razy więcej, a w 
trzeciej trzy razy więcej: 

 

background image

 
 

82 

 

Jak widać, bez względu na użyte napięcie zasilania wciąż otrzymujemy tą samą ilość prądu z wszystkich sześciu tranzystorów. 
Dobrze  jest  sobie  wyrobić  zwyczaj  stawiania  kropek  w  miejscach  węzłów.  Sposób  łączenia  elementów  obwodu  taki  jak 
powyżej jest bardzo popularny  w elektronice (przeciągnięcie  linii poziomej przez symbol tranzystora)  i trzeba  się  do niego 
przyzwyczaić.  
 

 

 
Zwykle dwa niepołączone ze sobą przewody, które się przecinają oznacza się „górką”. W naszym zadaniu przewody te biegną 
równolegle, więc możliwość użycia tego sposobu jest nie co bardziej kłopotliwa. 
 

 

 
Lustro prądowe można również wykonać na tranzystorach PMOS: 

 

 

 
Bramki logiczne oparte o CMOS – NOT gate 
Na początek czym jest technologia CMOS, z angielska complementary MOS (układy komplementarne MOS). Complementary 
oznacza  uzupełniający,  dopełniający.  Jak  to  się  ma  do  tranzystorów  MOS?  Cytując  Wikipedię  –  CMOS  to  technologia 
wytwarzania  układów  scalonych,  głównie  cyfrowych,  składających  się  z  tranzystorów  MOS  o  przeciwnym  typie 
przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układ 
statystycznie  nie  pobiera  żadnej  mocy  (pomijając  niewielki  prąd  wyłączenia  tranzystora),  a  prąd  ze  źródła  zasilania  płynie 
tylko w momencie przełączania – gdy przez bardzo krótką chwilę przewodzą jednocześnie oba tranzystory. 
 
 

background image

 
 

83 

 

Czyli  przykładowo,  jeśli  montujemy  2  tranzystory  PMOS  równolegle,  to  w  ramach  komplementarności  dodajemy  2  NMOS 
połączone  szeregowo.  Najprostszym  obwodem  zbudowanym  w  oparciu  o  CMOS  jest  inwerter  (inverter)  składający  się  z 
jednego tranzystora NMOS i jednego PMOS: 
 

 

Jak  to  działa?  Wiemy  już,  że  tranzystor  NMOS  zaczyna  przewodzić  prąd  w  między  drenem  a  źródłem  w  momencie  kiedy 

> 0 (oczywiście nie zapominając o czynniku napięcia progowego 

). Przeciwnie jest w przypadku tranzystora PMOS, 

czyli napięcie między bramką, a źródłem musi być mniejsze od zera 

< 0. W elektronice oznaczamy zazwyczaj dwa stany 

– LOW, czyli niski i HIGH, czyli wysoki. LOW ma zazwyczaj przypisaną wartość 0V, natomiast HIGH 5V (oczywiście nie jest to 
zasadą).  Napięcie  progowe 

= +1,5    dla  NMOS  i 

= −1,5   dla  PMOS.  Spróbujmy  do  wejścia  (

,  czyli 

doprowadzić stan wysoki   i sprawdzić co się stanie. 

 

 
Dając na wejście logiczną jedynkę, otrzymaliśmy na wyjściu logiczne zero. Dlaczego? Ponieważ napięcie 

 na tranzystorze 

PMOS jest równe zero. 

 

background image

 
 

84 

 

Mamy 5V zasilania jako potencjał źródła tranzystora PMOS (

= 5 ) oraz 5V stanu wejściowego wysokiego jako potencjał 

bramki, co daje nam: 
 

=

= 5 − 5 = 0  

 

  naszego  tranzystora  PMOS  to  -1,5V,  czyli próg nie  został przekroczony i tranzystor  nie  przewodzi  prądu.  Oczywiście 

NMOS  ma  warunki  do  przewodzenia  prądu,  ponieważ  źródło  ma  potencjał  masy,  czyli  zero  woltów,  a  bramka  potencjał 
wysoki wejście, czyli 5V (

= +1,5  dla NMOS): 

 

=

= 5 − 0 = 5  

 
Kanał  do  masy  istnieje,  ale  nie  ma  żadnego  dostępnego  źródła  napięcia,  stąd  otrzymujemy  na  wyjściu  poziom  niski  0V 
(logiczne zero). 
 
Co się stanie w momencie gdy na wejście podamy stan niski? 

 

 
Otrzymujemy sytuację odwrotną – PMOS zaczyna przewodzić, ponieważ 

<

 

=

= 0 − 5 = −5  

 
NMOS stanowi przerwę (

<

), blokując ciągłość obwodu, dzięki czemu nie ma przepływu prądu między źródłem 

napięcia, a masą: 
 

=

= 0 − 0 = 0  

 
Dzięki temu otrzymujemy na wyjściu logiczną jedynkę. Po  zawarciu naszych pomiarów w tabeli otrzymujemy: 
 

IN 

OUT 

 
Inwerter  inaczej  nazywa  się  bramką  logiczną  NOT  (NOT  gate),  która  wykonuje  operację  logiczną  negacji  (symbol  ~).  W 
obwodach inwerter oznacza się poniższym symbolem: 
 

 

background image

 
 

85 

 

Proszę  zwrócić  uwagę  na  kółko  za  trójkątem  –  w  elektronice  kółko  oznacza  zaprzeczenie,  negację  (stąd,  np.  PMOS  w 
porównaniu do NMOS oznaczany jest z kółkiem na bramce, ponieważ potrzebuje przeciwnego do NMOS napięcia). 
 
Prosty inwerter można zbudować z jednego tranzystora NMOS lub PMOS, ale wyższość powyższego obwodu zbudowanego w 
technologii CMOS polega na tym, że praktycznie nie pobiera prądu.  

 

 
Bramki logiczne oparte o CMOS – NAND gate
 
Bramka NAND to zaprzeczenie bramki AND, czyli logicznej koniunkcji (iloczyn logiczny – logical conjunction). Można ją łatwo 
zbudować za pomocą CMOS na 2 tranzystorach NMOS i 2 PMOS. Jak już zostało to odnotowane wcześniej, łącząc dwa PMOS 
równolegle, dla komplementarności musimy połączyć 2 NMOS szeregowo, przez co otrzymujemy poniższy obwód: 
 

 

 
Zarówno wejście A jak i B muszą być podłączone do jednego NMOS i jednego PMOS równocześnie. W momencie, gdy IN-A 
otrzymuje  jedynkę,  to  zaczyna  przewodzić  N

A

,  natomiast  P

A

  nie.  Jeśli  w  tym  czasie  IN-B  będzie  miało  również  jedynkę 

logiczną, to otrzymamy na wyjściu zero, ponieważ P

B

 również będzie zablokowane i napięcie nie dostanie się do wyjścia OUT. 

W każdej innej konfiguracji na wyjściu otrzymujemy jedynki. 
 

OUT 

 
Szeregowo połączone dwa NMOS’y na dole obwodu pozwalają na blokowanie przepływu prądu i… PONOWNIE! Oszczędność! 
:D  Stosując  oznaczenia  z  kółkami  (digital  symbols),  możemy  przedstawić  nasz  schemat  tak  jak  poniżej.  PMOS  z  kółkiem, 
ponieważ dostając napięcie na bramkę nie przewodzi, czyli dostając jedynkę, oddaje zero. 

background image

 
 

86 

 

 

 

 

Zamieniając kolejność, tj. dwa PMOS u góry szeregowo, a na dole dwa NMOS równolegle, otrzymujemy bramkę NOR (która 
jest de facto bardzo nudną bramką, ponieważ daje na OUT jedynkę w momencie gdy na obu wejściach ma zera). 
 
f. WZMACNIACZ OPERACYJNY 
(operational amplifier - Op-Amp) 
 
HISTORIA 
Wzmacniacz operacyjny to bardzo ciekawy element, o stosunkowo długiej historii. Pierwsze tego typu urządzenie bazowało 
na lampach próżniowych. W roku 1941, Karl D. Swartzel Jr. z laboratoriów Bell’a złożył patent na „Wzmacniacz sumujący”. 
Wynalazek  okazał  się  być  bardzo  przydatny  podczas  II  Wojny  Światowej  –  wykorzystano  go  do  maszyn  wspomagających 
celowanie w artylerii (M9 artillery director), dzięki czemu uzyskano zaskakującą celność bliską 90%. Wzmacniacz operacyjny 
został  oficjalnie  zdefiniowany  i  opisany  w  1947  roku  przez  profesora  John’a  R.  Ragazzini’ego  z  Uniwersytety  Columbia  w 
Nowym  Jorku,  który  na  koniec  swej  notatki  dodał,  iż  wzmacniacz  zaprojektowany  przez  studenta  Loebe  Julie  może  być 
prawdopodobnie bardzo przydatnym urządzeniem. 
 
Wraz  z  narodzinami  tranzystora  w  roku  1947  i  silikonowego  tranzystora  w  1954  roku  powstały  możliwości  stworzenia 
wzmacniacza  operacyjnego  jako  układu  scalonego  (integrated  circuit  –  IC).  W  roku  1961  powstał  pierwszy  wzmacniacz 
operacyjny  wykonany  jako  układ  scalony.  Wraz  z pojawieniem  się  FET’ów  w  latach  70,  zaczęto  projektować  i  produkować 
wzmacniacze bazujące na tranzystorach MOS. 
 
W  roku  1972  pojawił  się  LM324  –  był  to  układ  składający  się  z  czterech  osobnych  wzmacniaczy  operacyjnych  w  jednym 
opakowaniu (quad package), co stało się od tamtej pory standardem. 
 
BUDOWA 
Samą budową wzmacniacza jako taką nie będziemy się zajmować (na Wikipedii znajduje się schemat budowy wzmacniacza 
operacyjnego  741  -  http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier#Internal_circuitry_of_741_type_op-amp  –  rzecz  dla 
bardziej  zainteresowanych  tematyką).  Interesują  nas  jednak  4  charakterystyczne  cechy  wzmacniacza.  Standardowo 
wzmacniacz przedstawia się z trzema końcówkami – dwie wejściowe i jedna wyjściowa: 
 

 

 

background image

 
 

87 

 

To,  że  mamy  wejście  plus  i  minus  nie  oznacza,  iż  do  plusa  przykładamy  jedynie  napięcie  dodatnie,  a  do  minusa  ujemne. 
Wzmacniacz  operacyjny  nie  ma  swojej  polaryzacji,  a  oznaczenie  to  ma  na  celu  rozróżnienie  poszczególnych  końcówek. 
Czasami pojawiają się we wzmacniaczu jeszcze 2 dodatkowe końcówki: 
 

 

Dodatkowe dwie końcówki to końcówki zasilania wzmacniacza – po co one są? O tym trochę dalej. 
 

 - wejście nieobracające (non-inverting input

 - wejście obracające (inverting input

 - wyjście (output

 - plus zasilania wzmacniacza(positive power supply
 - minus zasilania wzmacniacza (negative power supply

 
Teraz, znając już ogólny schemat budowy wzmacniacza możemy przejść do 4 głównych jego cech: 

1)  nieskończone wzmocnienie różnicowe - wzmocnienie różnicowe jest stosunkiem napięcia wyjściowego do 

wejściowego, czyli: 

=

óż

→ ∞ 

 
Według definicji, przykładając na wejście wzmacniacza 1

 (milionową część wolta) powinniśmy na wyjściu 

otrzymać nieskończenie duże napięcie 

. W rzeczywistości 

 zawsze oscyluje wokół napięcia zasilania 

±

 (stąd czasem dodaje się do schematu wzmacniacza dwie dodatkowe końcówki). 

 

2)  napięcie  sumacyjne  równe  zero  –  w  momencie  gdy  na  wejścia 

  i 

  wzmacniacza  operacyjnego 

podamy  takie  same  napięcia,  to  otrzymamy  na  wyjściu 

  napięcie  zerowe  (tłumienie  sygnałów 

współbieżnych). Przykładowo, jeśli na oba wejścia damy ten sam sygnał zwierając ze sobą końcówki wejścia 
to nie zobaczymy na wyjściu nic: 
 

 

W  momencie,  gdy  pojawiła  się  nieznaczna  różnica  napięcia  między  końcówkami,  wzmacniacz  na  wyjściu 
podał napięcie zasilania 15V. 
 

3)  nieskończenie duża rezystancja (impedancja) wejściowa – oznacza to tyle, że do wejścia wzmacniacza nie 

wpływa  żaden  prąd  (wejścia  nie  pobierają  żadnego  prądu  z  zewnątrz).  W  rzeczywistości  impedancja 
wejściowa może posiadać wartości z przedziału 10 − 10   . 

→ ∞ 

background image

 
 

88 

 

 

4)  zerowa rezystancja (impedancja) wyjściowa – przykładowo, wzmacniacz operacyjny jest świetnym źródłem 

napięciowym  z  powodu braku  rezystancji  (w  rzeczywistości  impedancja  wyjściowa  jest bardzo mała  rzędu 
kilkudziesięciu omów). 

= 0 

 

Więcej na temat idealnych i rzeczywistych cech wzmacniaczy operacyjnych tutaj:  
http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/wzmacniacz.html#2 
 
Wzmacniacze operacyjne mają jeszcze dwie bardzo ważne własności: 

1)  wzmacniacz operacyjny dąży do wyrównania potencjałów, by 

 

2)  (dla komparatora) gdy napięcie na plusie jest mniejsze od napięcia na minusie, to na wyjściu otrzymujemy 

ujemne napięcie zasilania (

<

, to 

=

), a gdy 

>

, to 

=

 

 
 
ZASTOSOWANIA 
Jakie znaczenie mają cechy wymienione powyżej dowiemy się teraz. Wzmacniacz operacyjny pracuje w 3 konfiguracjach: 
 

- bez sprzężenia zwrotnego (BSZ – without feedback) – np. komparator 

  - ujemne sprzężenie zwrotne (USZ – negative feedback) – np. wzmacniacz, sumator, przenośnik fazy, układ całkujący i 
różniczkujący 

 

- dodatnie sprzężenie zwrotne (DSZ – positive feedback) – np. oscylator 

Na układy z zastosowaniem wzmacniaczy opresyjnych poświęcimy osobny dział -  
 
WYGLĄD RZECZYWISTY 
W  rzeczywistości  wzmacniacze  operacyjne  to  takie bardzo  przyjemne  pudełeczka  (pajączki).  Każda  z  tych  nóżek  pełni  inną 
funkcję, z czego sam wzmacniacz operacyjny stanowi 3 plus 2 końcówki zasilania. 
 

 

 

Specjalne półokrągłe wcięcie u góry obudowy pozwala na właściwe określenie funkcji kolejnych końcówek. Poniżej schemat z 
opisem co jest co:

 

 

background image

 
 

89 

 

 

 

 
Jeśli chodzi o regulację zera (offsetu), to odsyłam do działu 3.PRZYRZĄDY POMIAROWE – oscyloskop, część poświęcona DC 
offset. 
 
 

6.OBWODY Z ZASTOSOWANIEM WZMACNIACZY OPERACYJNYCH 

 
WZMACNIACZ ODWARACAJĄCY (inverting amplifier) 
Wzmacniacz  odwracający  jest  podstawowym  obwodem  z  użyciem  wzmacniacza  operacyjnego.  Układ  ten  budujemy  z 
użyciem dwóch oporników i ujemnego sprzężenia zwrotnego: 
 

 

 

background image

 
 

90 

 

Proszę pamiętać o tym, że napięcia podajemy względem potencjału masy! Teraz musimy sobie przypomnieć kilka własności 
wzmacniacza  operacyjnego.  Pierwsza  to,  że 

,  a  ponieważ  potencjał  masy  jest  niejako  dominujący,  więc  w  okolicy 

wejścia minus otrzymujemy tzw. punkt masy pozornej. Przez okolicę wejścia minus rozumiemy obszar od końca opornika 

 

do początku opornika 

, oznaczony poniżej na niebiesko: 

 

 

Kolejny ważny element – żaden prąd nie wpływa do wzmacniacza z powodu nieskończenie dużej rezystancji wyjściowej 
wzmacniacza, czyli w węźle punktu masy pozornej nie ma podziału prądu. W obwodzie powyżej płynie tylko jeden prąd – 
przez oporniki 

 i 

 

 
Spadek napięcia na oporniku pierwszym to 

, natomiast na drugim 

. Z prawa Ohma wynika, że: 

 

= ∗

          

= ∗

 

 
W  obu  równaniach  mamy  ten  sam  prąd,  ponieważ  jak  już  wcześniej  stwierdziliśmy,  żaden  nie  wpływa  do  końcówki 
odwracającej (minus) wzmacniacza. Przekształcamy nasze wzory tak, by uzyskać wzory na prąd: 
 

=

           =

 

 

=

 

 
Teraz  rozpiszmy  wzory  na  napięcie 

  i 

  dla  naszych  oporników.  Napięcie  to  różnica  potencjałów  między  dwoma 

punktami, przykładowo: 

= ∆

=

 

 
Ponieważ z lewej strony opornika 

 mamy napięcie wejściowe 

 (

Ś

), a z prawej strony potencjał punktu masy 

pozornej więc otrzymujemy, że: 
 

=

− 0 =

 

 

background image

 
 

91 

 

Z tego wynika, że na oporniku 

 mamy pełny spadek napięcia wejściowego. Teraz przejdźmy do drugiego opornika – 

. Z 

lewej strony opornika 

 mamy potencjał punktu masy pozornej, a z prawej strony napięcie wyjściowe 

 (

Ś

więc otrzymujemy, że: 

= 0 −

= −

 

 
Łącząc to ze wzorem wyprowadzonym z prawa Ohma: 
 

=

          

= −

 

 
Dzięki czemu wyprowadzamy wzór na zależność napięcia wyjściowego do wejściowego: 
 

= −

 

 
Jak widać, napięcie wyjściowe zależy w głównej mierze od stosunku impedancji (rezystancji) oporników 

 i 

. Przykładowo, 

używając oporników 

= 3

 (3 kiloomy, czyli 3000 omów) oraz 

= 1

 otrzymujemy trzykrotne wzmocnienie: 

 

= −

= −

3
1

= −3 ∗

 

 
Oczywiście mankamentem tego obwodu jest obrót fazy, czego nie ma we wzmacniaczu nieobracającym. Drugim problemem 
tego  wzmacniacza  jest  to,  że  obciąża  poprzednie  urządzenie.  Podłączając  przykładowo  baterię  do  obwodu  wzmacniacza 
obracającego,  cały  czas  powodowany  jest  przepływ  prądu  z  baterii  do  wzmacniacza.  Gdzie  ten  prąd  się  gromadzi  w  tym 
wzmacniaczu?  Otóż  proszę  pamiętać  o  obecności  końcówek  zasilania,  gdzie  ujemna  końcówka  może  spełniać  rolę  masy. 
Rezystancja wyjściowa wzmacniacza jest równa zero, więc prąd „preferuje” drogę bez przeszkód, wpływając do środka. Na 
poniższym  schemacie  dodatkowo  oznaczono  potencjały  (potencjał  masy  na  czarno,  potencjał  dodatni  na  czerwono,  a 
potencjał ujemny na niebiesko) oraz przepływ prądu (zielone kwadraty). 
 

 

 
 
WZMACNIACZ NIEODWARACAJĄCY (noninverting amplifier) 
Obwodem  pozbawionym  mankamentów  wzmacniacza  odwracającego  jest  wzmacniacz  nieodwracający.  Sam  schemat  nie 
różni  się  bardzo  od  wzmacniacza odwracającego,  bowiem  jedynie  wystarczy  zamienić  napięcie  wejściowe 

  z  masą.  Po 

podpięciu masy w miejsce napięcia wejściowego 

 i napięcie wejściowe 

 w miejsce masy otrzymujemy poniższy obwód: 

background image

 
 

92 

 

 

 
Proszę zwrócić uwagę, iż podając napięcie wejściowe bezpośrednio na końcówkę nieobracającą wzmacniacza, nie pobieramy 
żadnego  prądu  z  poprzedniego  stopnia  obwodu  (nie  obciążamy  go),  ponieważ  do  wzmacniacza  nie  wpłynie  żaden  prąd 
(nieskończona rezystancja wejściowa). 

 

Spróbujmy  teraz  wyprowadzić  wzór  na  zależność  napięcia  wyjściowego  od  wejściowego  dla  tego  wzmacniacza. 
Rozpoczniemy podobnie jak w przypadku wzmacniacza obracającego od prawa Ohma: 
 

=

           =

 

 

=

 

 
Rozpisując  spadki napięć na opornikach musimy pamiętać,  że wciąż działa  zasada wyrównywania napięć między końcówką 
dodatnią,  a  ujemną,  czyli 

.  Dla  pierwszego  opornika 

  z  lewej  mamy  masę  (potencjał  0V),  a  z  prawej  potencjał 

ujemnej końcówki wzmacniacza, natomiast dla drugiego – 

, z lewej mamy potencjał ujemnej końcówki wzmacniacza  , a z 

prawej napięcie wyjściowe 

 

= 0 −

= −  

 

=

 

 
Łącząc wszystko w całość otrzymujemy: 

background image

 
 

93 

 

=

 

 

=

 

 

= −

+

 

 

=

+

=

+ 1

 

 
W  tym  momencie,  wiedząc,  że  napięcie  wejściowe 

  to  napięcie  dodatniej  końcówki  wzmacniacza 

,  a  potencjał 

dodatniej końcówki jest w przybliżeniu równy ujemnej 

, otrzymujemy: 

 

=

+ 1

 

 
WTÓRNIK NAPIĘCIOWY (voltage follower
Wtórnik (zwany czasami buforem) jest bardzo prosty w budowie, ale już nie tak oczywisty w zastosowaniu. Jeśli weźmiemy 
wzór wzmacniacza nieobracającego i założymy, że 

→ ∞ to otrzymamy wzmocnienie równe jedynce: 

 

=

 

 
Na schemacie wtórnik wygląda następująco (czasami nawet nie pojawia się opornik  ): 

 

 

Skoro obwód ten nie ma wzmocnienia, a napięcie na wyjściu i wejściu jest identyczne, to w takim razie po co on jest? Jakie 
jest  jego  zastosowanie?  Musimy  tutaj  wrócić  do  właściwości  wzmacniaczy  –  nieskończenie  duża  rezystancja  wejściowa  i 
zerowa  rezystancja  wyjściowa.  Co  to  oznacza?  Przykładowo  chcemy  podpiąć  naszą  mp3kę  do  dużych  głośników  o  oporze 
własnym  8Ω.  Jeśli  odtwarzacz  będzie  miał  opór  własny  w  okolicy  100Ω  (przesadzona  wartość),  a  odtwarzacz  będzie 
generował sygnał o maksymalnym napięciu 1V to z dzielnika napięcia otrzymamy: 
 

=

+

=

8

100 + 8

∗ 1 = 0,074 = 74

 

 

background image

 
 

94 

 

 

Jednocześnie  z  mp3ki próbujemy  wyciągnąć  stosunkowo dużo  prądu,  ponieważ  mamy duże obciążenie  w postaci  głośnika 
małej rezystancji (z prawa Ohma wynika, że im mniejszy opór, tym większy prąd musi płynąć przy tym samym napięciu). W 
tym miejscu przydałoby się jakoś przetransformować impedancję. Do tego możemy użyć wtórnika, który ma nieskończenie 
duży opór wejściowy, więc nie będzie obciążał odtwarzacza.  

 

Z  perspektywy  wyjścia  wzmacniacza,  będzie  to  wyglądało  tak,  jakbyśmy  podpięli  źródło  napięcia  +/-1V  do  bardzo  małego 
opornika (np. 0,01Ω), czyli w konsekwencji do głośnika oddajemy prawie cały 1V. 

 

 

=

+

=

8

0,01 + 8

∗ 1 = 0,99875  

background image

 
 

95 

 

Oczywiście w rzeczywistości wzmacniacz musiałby mieć końcówkę mocy pobierającą odpowiednią ilość prądu. 
 
Kolejnym zastosowaniem jest blokada przed rozładowaniem się kondensatora, ale o tym trochę więcej przy okazji omawiania 
przetwornika zbudowanego w oparciu o skalowane kondensatory i układ Sample & Hold (S&H). Na razie tylko ogólny zarys – 
czasem zachodzi taka potrzeba, by zablokować odpływ ładunku z naładowanego kondensatora w momencie odłączenia go 
od  źródła  zasilania.  Do  tego  służy  właśnie  wtórnik,  który  podłączony  do  obwodu  blokuje  gwałtowne  rozładowanie 
kondensatora. Jednocześnie należy pamiętać, by nie podpinać masy bezpośrednio do wyjścia wtórnika!  
 

 

 

Jak widać powyżej, podpięcie masy bezpośrednio do wtórnika powoduje, że potencjał zerowy dociera do wyjścia i ujemnego 
wejścia  wzmacniacza.  W  momencie  gdy  potencjał  dociera  do  wejścia  ujemnego,  to  jest  również przekazywany  na  wejście 
dodatnie  z  zasady  wyrównywania  potencjałów 

.  Obecność  opornika  powoduje  zablokowanie  potencjału  masy  w 

„dolnej” części opornika. 
 
 
KONWERTER PRĄD-NAPIĘCIE (I-to-V converter
Czasami zwany również konwerterem I/U to nic innego jak zwykły wzmacniacz odwracający. 

 

Stosunek napięcia wyjściowego 

Ś

 do prądu wejściowego 

 zależy w głównej mierze od opornika  . Rozpiszmy 

spadek napięcia na oporniku   - po lewej stronie opornika mamy napięcie masy w związku z punktem masy pozornej (patrz – 
wzmacniacz odwracający), natomiast po prawej mamy napięcie wyjściowe 

Ś

 

=

∗  

 

0 −

Ś

=

∗  

 

Ś

= −

∗  

background image

 
 

96 

 

By uzyskać napięcia dodatnie, musimy prąd wyciągać ze wzmacniacza, przykładowo ustawiając tak źródło prądowe, by było 
skierowane od wzmacniacza (a nie w kierunku jego wejść). 

 

 

 
Ewentualnie  możemy  użyć  jeszcze  drugiego  wzmacniacza  operacyjnego  w  konfiguracji  wzmacniacza  odwracającego  o 
wzmocnieniu -1 na wyjściu konwertera, co spowoduje obrócenie napięcia. 
 
 
SUMATOR (summing amplifier
Wzmacniacz  sumujący  wykonuje  stosunkowo  proste  zadanie  –  sumuje  napięcia.  Jedynym  elementem  różniącym  go  od 
wzmacniacza  odwracającego  jest  obecność  swego  rodzaju  drabinki.  Najpierw  napięcia  są  podawane  na  wejścia  drabinki, 
później w drabince są konwertowane na prąd przechodząc przez skalowane (dobrane w odpowiednim stosunku rezystancji) 
oporniki, by na koniec zlać wszystko w jeden główny, zsumowany prąd, który przekazujemy na wejście wzmacniacza. 
 

 

Drabinka  ta  może być  zbudowana  z  bardzo  wielu  źródeł  napięcia,  albo  może  stanowić  jedynie  jedno  źródło  z  opornikami 
połączonymi  w  odpowiednim stosunku – przykładowo, zadanie egzaminacyjne z  podstaw  metrologii -  narysuj w oparciu  o 

background image

 
 

97 

 

wzmacniacz operacyjny schemat sumatora trzech napiec w stosunku 1 : 2 : 4. By je rozwiązać musimy najpierw wyprowadzić 
wzór na zależność napięcia wyjściowego od napięć wejściowych. 
 

 

Prąd przepływający przez opornik referencyjny (opornik odniesienia – 

) jest sumą prądów z trzech równoległych gałęzi 

drabinki: 
 

=

+

+  

 
Rozpisując dla każdego z nich prawo Ohma otrzymujemy (zera wynikają z punktu masy pozornej): 
 

=

0 −

        

=

− 0

        

=

        

=

 

 

=

+

+

 

 
Ponieważ w naszym obwodzie wszystkie trzy napięcia pochodzą z tego samego źródła, to możemy napisać, że: 
 

=

=

=

 

 

= −

1

+

1

+

1

 

 

= −

1

+

1

+

1

 

 
 
Dobierając odpowiednio stosunek rezystancji oporników możemy otrzymać następujący wynik: 
 

= 2

          

= 4

 

 

= −

1

+

1

2

+

1

4

= −

1 +

1
2

+

1
4

 

 
Wystarczy  jedynie,  by  podpiąć  3  różne  źródła  napięcia  zamiast  jednego  i  otrzymamy  odpowiedź  na  nasze  zadanie 
egzaminacyjne: 
 

= −

+

2

+

4

= −

4

(4

+ 2

+

 
 
 

background image

 
 

98 

 

WZMACNIACZ ODEJMUJĄCY (difference amplifier
Zwany też wzmacniaczem różnicowym zbudowanym na wzmacniaczu operacyjnym (differential amplifier). Układ ten ma na 
celu odjęcie od siebie dwóch napięć wejściowych. 
 

 

 
Na schemacie można dostrzec dwa dzielniki napięcia – jeden związany z napięciem wejściowym pierwszym 

 (oporniki 

)  oraz  drugi  związany  z  napięciem  wejściowym  drugim 

.  My  jednak  przy  wyprowadzeniu  zastosujemy  metodę 

używaną w poprzednich układach wzmacniaczy. Rozpiszmy spadki napięć na poszczególnych opornikach: 
 

=

 

 

=

 

 

=

 

 

=

− 0 

 
Teraz, używając prawa Ohma rozpiszmy przepływ prądu przez oporniki 

 i 

 

=

=

           =

=

 

 
Ponieważ w całej gałęzi płynie ten sam prąd, więc łączymy ze sobą oba powyższe równania: 
 

=

 

 

(

) =

 

 

=

(

) =

+

 

 

=

1 +

 

 
Teraz jeszcze potrzebujemy rozpisać przepływ prądu przez oporniki 

 i 

:  

background image

 
 

99 

 

 

=

=

           =

=

 

 

=

 

 
Musimy jeszcze „wyciągnąć” z tego równania wzór na potencjał dodatniej końcówki wzmacniacza: 
 

  =

 

 

=

+

=

1

+

1

=

+

 

 

=

+

=

+

 

 
Łączymy  teraz  wszystko  w  całość  pamiętając  o  zasadzie  wyrównywania  potencjałów  między  końcówkami  wzmacniacza 
(

): 

 

=

1 +

=

+

1 +

 

 
By wzmacniacz wykonywał operację odejmowania, czyli: 
 

=

 

 
Oporniki 

 i 

 muszą mieć równe rezystancje (

=

): 

 

=

+

(1 + 1) − 1 ∗

= 2 ∗

+

 

 
By skrócić dwójkę wynikającą z poprzedniego założenia, również oporniki 

 i 

 muszą być sobie równe (

=

): 

 

= 2 ∗

1
2

 

 

=

 

 
 
ODEJMUJĄCO-MNOŻĄCY (RAZY 2) 
Na  jednym  z  wykładów podstaw  metrologii  dostaliśmy  zadanie dla chętnych  – dwa  przebiegi  odjąć  od  siebie, a następnie 
pomnożyć razy 2 na dwóch wzmacniaczach lub jeśli potrafisz, to na jednym. To jest efekt rozważań na ten temat.  
 
Wiemy już, że wzmacniacz odejmujący wykonuje działanie: 
 

=

 

 
Natomiast nasz wzmacniacz, odejmująco-mnożący miałby wykonywać operację: 
 

= 2 ∗ (

) = 2 ∗

− 2 ∗

 

 

background image

 
 

100 

 

By  mógł  realizować  takie  działanie,  musimy  odpowiednio  dopasować  do  siebie  wartości  rezystancji  oporników  we  wzorze 
wyprowadzonym przy układzie odejmującym: 
 

=

+

1 +

 

 
By otrzymać wyraz 2 ∗

, opornik 

 musi być dwa razy większy od opornika 

 (

= 2

), dzięki czemu otrzymujemy: 

 

=

+

1 +

2

2

=

+

(1 + 2) − 2

 

 

= 3 ∗

+

− 2

 

 
Teraz musimy dopasować tak oporniki by otrzymać wyraz 2 ∗

 

3 ∗

+

= 2 

 

+

=

2
3

         

=

2
3

+

2
3

       

1
3

=

2
3

 

 

= 2

 

 
Jeśli wszystkie 4 oporniki będą utrzymane w odpowiednich do siebie stosunkach rezystancji (

= 2

 oraz 

= 2

), to 

otrzymamy układ odejmująco-mnożący razy 2 (przykładowo 

= 100 , 

= 200 , 

= 0,5

= 1

). 

 
 
KOMPARATOR (comparator
Komparator  to  wzmacniacz  operacyjny  bez  żadnych  dodatków.  Dla  przypomnienia, 

  to  dodatni  biegun  zasilania 

wzmacniacza operacyjnego, natomiast 

 to ujemny. 

 

 

 
Komparator ma następującą właściwość: 

1)  Jeśli 

<

, to 

=

 

2)  Jeśli 

>

, to 

=

 

3)  Jeśli  

=

, to 

= 0 

 

Na  komparatorach  buduje  się  przetworniki  analogowo-cyfrowe  typu  flash  (flash  ADC),  które  bardzo  szybko  przetwarzają 
informacje, ale niestety są bardzo kosztowne i wymagają sporo komparatorów (ale o tym więcej trochę później). 
 
 
 

background image

 
 

101 

 

 
WZMACNIACZ CAŁKUJĄCY (integrator
Być  może  jeszcze  niektórzy  pamiętają  co  to  jest  całka  (lub  jeszcze  nie  mieli  okazji  się  dowiedzieć).  W  każdym  razie, 
całkowanie jest operacją przeciwną do liczenia pochodnej. Jeśli pochodną sinusa jest cosinus, to podając na wejście układu 
napięcie o przebiegu cosinusa, otrzymamy na wyjściu sinusa. Układ wykonujący tą operację składa się z jednego opornika i 
jednego kondensatora połączonych w ujemnym sprzężeniu zwrotnym na wzmacniaczu operacyjnym. 
 

 

Zarówno przez kondensator  , jak i opornik   płynie ten sam prąd   (małe i w związku z prądem zmiennym – by kondensator 
przewodził prąd ciągle, napięcie musi się zmieniać w czasie, a co za tym idzie, również i natężenie będzie zmienne). Zapiszmy 
prawo Ohma dla opornika  : 

=

 

 
Z  lewej  strony  opornika  mamy  napięcie  wejściowe 

,  natomiast  po  prawej  mamy  punkt  masy  pozornej  (końcówka 

dodatnia i ujemna wyrównują między sobą napięcia – 

), czyli otrzymujemy potencjał 0V: 

 

=

− 0 

 

=

 

Wzór na przepływ prądu przez kondensator to: 
 

=

 

 
Gdzie w naszym przypadku po prawej stronie mamy potencjał masy pozornej, a po lewej mamy 

 

= 0 −

 

 

=

(0 −

)

= −

 

 
Łącząc oba wrażenia na prąd otrzymujemy: 
 

=

 

 

background image

 
 

102 

 

Jeśli ktoś nie wie co oznacza zapis z literkami  , to polecam poczytać o zapisie Leibniz’a (en.wikipedia.org/wiki/Derivative). 
Standardowo na matematyce używa się notacji Lagrange, czyli (

) , ale ten typ zapisu nie daje pojęcia o tym, po czym 

mamy  liczyć  pochodną  (co  uznajemy  za  zmienną,  który  składnik  wzoru).  Należy  jednak  podkreślić,  iż  docelowo  mamy 
wyprowadzić wzór na 

, co zmusza nas do kolejnych przekształceń: 

 

=

 

 

= −

 

 

= −

 

 
Teraz jeszcze musimy obie strony równania przecałkować: 
 

= −

 

 

+

= −

 

 
Stała całkowania   to tak naprawdę napięcie początkowe 

Ą

, czyli wartość napięcia w chwili  = 0. Reasumując 

wzmacniacz ten wykonuje poniższe działanie: 
 

= −

 

+

Ą

 

 

Gdzie   to rezystancja opornika, a   to pojemność kondensatora. 
http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_6.html 
 
 
WZMACNIACZ RÓŻNICZKUJĄCY (differentiator
Wzmacniacz  różniczkujący  to  obwód  liczący  pochodną  z  przebiegu.  Przykładowo,  podając  na  wejście  sinusa,  na  wyjściu 
otrzymamy cosinusa. Samą budową obwód nie różni się bardzo od wzmacniacza całkującego – wystarczyło jedynie zamienić 
miejscami opornik z kondensatorem. 
 

 

background image

 
 

103 

 

Zarówno przez kondensator  , jak i opornik   płynie ten sam prąd   (małe i w związku z prądem zmiennym – by kondensator 
przewodził prąd ciągle, napięcie musi się zmieniać w czasie, a co za tym idzie, również i natężenie będzie zmienne). Zapiszmy 
prawo Ohma dla opornika  : 

=

 

 
Po  lewej  stronie  opornika  mamy  punkt  masy  pozornej  (końcówka  dodatnia  i  ujemna  wyrównują  między  sobą  napięcia  – 

),  więc  otrzymujemy  potencjał  0V.  Z  prawej  strony  opornika  mamy  natomiast  napięcie  wyjściowe 

,  czyli 

możemy zapisać: 
 

= 0 −

 

 

=

 

Wzór na przepływ prądu przez kondensator to: 
 

=

 

 
Gdzie w naszym przypadku, po lewej mamy 

, a po prawej potencjał masy pozornej: 

 

=

− 0 

 

=

(

− 0)

=

 

 
Łącząc oba wrażenia na prąd otrzymujemy: 
 

= −

 

 
Reasumując, wzmacniacz ten wykonuje poniższe działanie: 
 

= −

 

 
http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_6.html 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

104 

 

KONIEC 

CZYLI, ŻE NIE MA CZASU NA DOKOŃCZENIE 
 
Niestety, ale to by było na tyle jak na razie. Być może, jak jeszcze znajdę chwilę kiedyś to uzupełnię to opracowanie o 
dodatkowe działy. Elementy poświęcone laboratoriom z metrologii również nie są do końca uzupełnione (brakuje rozwiązań 
niektórych grup w zbiorach zadań), co na pewno zostanie skorygowane w przyszłości. Pozdrawiam i życzę powodzenia na 
laboratoriach! :P 

 
 
 

TROCHĘ GŁĘBIEJ 

CZYLI TROCHĘ GŁĘBIEJ, TROCHĘ DALEJ, ALE WCIĄŻ PRZY POWIERZCHNI… 
 

1.MULTISIM 
2.OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO 
3.REZYSTANCJA WEWNĘTRZNA I SCHEMATY ZASTĘPCZE 
4.ZASADA SUPERPOZYCJI 
 
PODSTAWY METROLOGII - WYKŁADY 
5.MOSTKI 
6.KONWERTERY DAC i ADC 
7.WOLTOMIERZ WEKTOROWY 

 
 
 
 
 
 
 
 

LABORATORIA 

CZYLI JAK TO ROBIĆ JEDNOCZEŚNIE WIEDZĄC CO SIĘ ROBI (O ROZUMIENIU JUŻ NIE MÓWIĄC) 
 

1.PODSTAWY ELEKTRONIKI 

http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl/?q=pl/node/446 
Ćw. 0:  Wprowadzenie do programu Multisim 
Ćw. 1:  Badanie diod i prostowników 
Ćw. 2a: Tranzystor bipolarny 
Ćw. 2b: Wzmacniacz tranzystorowy RC 
Ćw. 3: Wzmacniacze operacyjne 
Ćw. 4a: Sprzężenie zwrotne 
Ćw. 4b: Generatory sinusoidalne LC 
Ćw. 5: Bramki logiczne 
Ćw. 6: Przerzutniki i układy sekwencyjne 

 

background image

 
 

105 

 

2.PODSTAWY METROLOGII 

Poniżej  znajdują  się  opracowania  zbiorów  zadań  przygotowywane  podczas  całego  semestru  3.  W  zbiory  te  składają  się  z 
zadań pojawiających się na kolokwiach wstępnych na laboratoria podstaw metrologii. 
 
 
 
 

OSCYLOSKOP 

 
Ćw. 1: OSCYLOSKOP  
W zestawie pierwszym mamy podać następujące wartości , zaobserwowane na oscyloskopie: 
 

 

 
 
 
 
Jak widać, w zestawie drugim pojawia się mała modyfikacja w postaci braku konieczności podawania UL oraz UH: 

 

 
 
PRZEBIEG ĆWICZENIA: 
1) 

Na  początek  trzeba  pamiętać,  by  mieć  koło  siebie  –  kalkulator,  długopis,  instrukcję  do  oscyloskopu  i  generatora 
(zalaminowana kartka) oraz kartkę na kolokwium. Niby banalne, ale jak czegoś się zapomni, to traci się czas, a ma się 
go mało i trzeba się spieszyć. 
 

2) 

Dobrze jest również nie zapomnieć spisać z obudowy pen drive’a, które przebiegi się wczytuje. 
 

3) 

Jak podłączyć stuff do płytki? 
 
Trzeba  znaleźć  kabelki  od generatora Rigol, które mają dwie końcówki – niebieską i czerwoną. Niebieską  wpinamy u 
samego  dołu  płytki,  natomiast  czerwoną  u  samej  góry.  Następnie  szukamy  kabli  oscyloskopu  –  sondy  pomiarowej 

background image

 
 

106 

 

(najlepiej  użyć  tych  wychodzących  z  kanału  pierwszego  Ch1  –  Channel  1).  Koniec  z  „haczykiem”  zaczepiamy  koło 
czerwonej końcówki generatora, natomiast koniec z ząbkami zaczepiamy koło niebieskiej końcówki. 
 

 

 

4) 

Chyba najczęstszym błędem jest to, że zapomina się ustawić na generatorze Arb zamiast Sine po wczytaniu przebiegu z 
pen  drive’a.  Bardzo  dyskretna,  aczkolwiek  ważna  różnica,  bo  zamiast  właściwych  przebiegów  na  oscyloskopie, 
otrzymuje się 4 sinusoidy o zerowym offsecie i takich samych amplitudach i częstotliwościach. 

 

5) 

Co gdzie znaleźć, czyli słowo o częstotliwości, amplitudzie i offsecie… 
 
Zamieszczona poniżej iluminacja powinna stosunkowo dobrze wyjaśnić gdzie można znaleźć amplitudę i częstotliwość:
 

 

background image

 
 

107 

 

 

 

Pytanie – a gdzie jest offset? Proszę zwrócić uwagę, że na poniżej umieszczonym rysunku, sinus nie oscyluje wokół wartości od 
-1 do 1, lecz jest niejako wysunięty do góry.  
 

 

 
Dla  standardowego  sinusa,  oscylującego  od  -1  do  1,  wartością  średnią  jest  0.  Na  przykładzie  poniżej,  tą  wartością  jest 
napięcie pomiędzy 0,5, a 1 wolta, czyli 0,75 V. Kolejny przykład: 
 

 

 

Tutaj otrzymujemy DC offset dla sinusoidy oscylującej między 2 V, a 5 V. Wartością średnią (czyli środkiem przebiegu), będzie 
wartość (2+5) : 2 = 3,5 V. 
 

background image

 
 

108 

 

 

 
 
No i na koniec co nie co o sygnale impulsowym (pulse wave): 
 

 

U

H

  zapewne  od  napięcia  wysokiego,  czyli  high,  a  U

L

  od  niskiego,  czyli  low.  Mam  pewną  niepewność,  co  do  oznaczenia  t

H

ponieważ nie znalazłem źródeł weryfikujących moje przypuszczenia, aczkolwiek wydaje mi się, że jest to time – high, czyli czas 
trwania wysokiej części impulsu. 
 
Dla potwierdzenia moich oznaczeń zamieszczam jeszcze jedną z grafik, które znalazłem: 
 

 

 
Dla zainteresowanych tematyką polecam jeszcze: 
http://www.mil.ufl.edu/3701/classes/15.pdf 
 
 
 
 

REZYSTANCJA WEWNĘTRZNA 

 
Ćw. 2a: R

W

 (rezystancja wewnętrzna) 

Zadanie 2A.1 
Napięcie  zmierzone  na  wyjściu  nieobciążonego  rzeczywistego  źródła  napięcia  (zasilacza)  wynosiło  12V.  Po  podłączeniu 
obciążenia  o  rezystancji 10Ω napięcie spadło do 10V. Narysować obwód  z obciążeniem  i schematem zastępczym  zasilacza. 
Podać wartości wszystkich elementów w obwodzie. 
 

background image

 
 

109 

 

 

Obwód z obciążeniem i schematem zastępczym zasilacza: 

 
 
Rozwiązanie: 
Początkowym krokiem będzie przypomnienie sobie jaki jest schemat zastępczy rzeczywistego źródła napięcia:  

 

Rzeczywiste  źródło  napięcia  zastępuje  się  jednym  doskonałym  źródłem  napięcia  oraz  rezystancją  wewnętrzną  połączoną  z 
źródłem  szeregowo.  W  naszym  zadaniu  musimy  policzyć  właśnie  rezystancję  wewnętrzną  jaka  pojawia  się  na  schemacie 
powyżej.  W  tym  celu  musimy  przerysować  nasz  obwód  z  tą  różnicą,  że  uwzględnimy  dodatkowo  obciążenie  w  postaci 
rezystora 10 ohmowego: 

 

Jak  łatwo  zaobserwować,  w  zadaniu  mamy  do  rozwiązania  zwykły  rezystancyjny  dzielnik  napięcia,  którego  wzór 
wyprowadzimy poniżej: 

background image

 
 

110 

 

 

Składnik U

1

/U

2

 = R

1

/R

2

 wynika z tego, że przez cały obwód płynie ten sam prąd I, czyli I=U

1

R

1

=U

2

R

2

. W każdym razie, wracając 

do zadania, musimy dostosować wyprowadzony wzór do naszych warunków: 

=

+

∗  

Przekształcamy na: 

=

+

 

=

+

 

(

+ ) =  

=

=

12
10

∗ 10 − 10 = 2  

 
Drugim sposobem rozwiązania jest metoda oczkowa – natężenie prądu I w całym obwodzie jest takie samo, czyli: 

=

=

10
10

= 1   

 
Zapisujemy napięcia na oczku z napięciowego prawa Kirchhoffa: 

= 0 

12 − ∗

− 10 = 0 

= 12 − 10 = 2   

 
Zadanie 2A.2 
Zasilacz z poprzedniego zadania obciążono opornikiem 6Ω a następnie odbiornikiem pobierającym prąd 1A. Policzyć napięcie 
na wyjściu zasilacza dla obu przypadków. 

background image

 
 

111 

 

 

Uzas= 
 
 
 
 
 
 
 
Uzas= 

Rozwiązanie: 
Ponieważ zasilacz, tj. źródło napięcia, jest to samo co w poprzednim zadaniu, więc napięcie   jakie będzie wytwarzało będzie 
równe  12 V  (w  zależności  od  oznaczenia,  możemy  to  również  zapisać  jako 

= 12  ,  ale  oczywiście  już 

  odpada  ze 

względu  na  oznaczenia  wymuszone  z  treści  zadania).  Jedyne  co  teraz  musimy  zrobić,  to  sięgnąć  ponownie  po  wzór 
rezystancyjnego dzielnika napięcia: 

ąż

=

ąż

ę

+

ąż

 

Czyli dla nas: 

=

+

∗  

 
 
Dla pierwszego obwodu: 

=

6

2 + 6

∗ 12 =

6
8

∗ 12 = 9   

 
 
Dla drugiego obwodu: 

=

+

=

+

∗  

+

=

∗  

+

 

+

 

=

= 12 − 2 = 10  

 
Oczywiście,  drugi  obwód  jest  wygodniej  liczyć  oczkowo,  ponieważ  unika  się  wielu  przekształceń.  Na  koniec  zadania 
podkreślam żeby pamiętać o wpisaniu wyliczonych napięć w odpowiednie miejsca do tego przeznaczone! 
 
 
 
 
 

background image

 
 

112 

 

Zadanie 2A.3 
Ogniwo  obciążono  rezystorem.  Następnie  zmierzono  napięcie  na  ogniwie  dwoma  woltomierzami  o  dwóch  różnych 
rezystancjach wewnętrznych. Narysować schemat obwodu z uwzględnieniem schematów zastępczych ogniwa i woltomierza. 
Na podstawie parametrów podanych na schemacie policzyć jakie będą wskazania woltomierzy w obu przypadkach. 
 

 

Obwód ze schematami zastępczymi ogniwa i woltomierza 
 
 
 
Obliczenia dla woltomierza 10G Ω 
 
 
 
Obliczenia dla woltomierza 1M Ω 

 
Rozwiązanie: 
Tym  razem  potrzebujemy  schematu  zastępczego  rzeczywistego  woltomierza.  W  przeciwieństwie  do  amperomierza, 
woltomierz powinien mieć jak największą rezystancję wewnętrzną, by jak najmniej prądu „uciekało” z obwodu: 

 

 

Jak  widać  na  ilustracji,  pomiar  napięcia  w  rzeczywistym  woltomierzu  jest  faktycznie  pomiarem  spadku  napięcia  na  jego 
rezystancji  wewnętrznej.  Teraz  przejdziemy  dalej,  czyli  do  narysowania  schematu  obwodu  z  uwzględnieniem  schematu 
zastępczego dla woltomierza i źródła napięcia: 

 

 

Teraz,  by  rysunek  był  zgodny  z  oznaczeniami  zadania,  zamieszczam  poniżej  jeszcze  jeden  schemat,  na  którym 
przeprowadzone zostaną obliczenia: 

background image

 
 

113 

 

 

W obliczeniach można pominąć obecność woltomierza. Pierwszym krokiem będzie obliczenie rezystancji zastępczej dwóch 
oporników połączonych równolegle, czyli   i 

 (rozwiązujemy przypadek pierwszy, czyli 

= 10 ): 

1

=

1

+

1

 

=

+

=

1

∗ 10

1

+ 10

≈ 999 900 

 

 
W tym miejscu małe przypomnienie jednostek: 

giga 

10

 

mega 

10  

kilo 

10  

 
I wracamy ponownie do zadania! Mamy już opór zastępczy, więc teraz potrzebujemy obliczyć jaki jest spadek napięcia na tym 
oporze. W tym celu posłużymy się ponownie wzorem na dzielnik napięcia: 
 

=

+

=

999 900

100 000 + 999 900

≈ 0,909 ∗ 1,5 ≈ 1,36   

 
Dla wewnętrznego oporu woltomierza wartości 1M ohm otrzymujemy wynik (część druga zadania): 

=

+

=

1

∗ 1

1

+ 1

= 0,5

= 500 000 

=

+

=

500 000

100 000 + 500 000

≈ 0,83 ∗ 1,5 ≈ 1,25   

 
 
 
 
Zadanie 2A.4 
Źródło  napięcia  obciążono  rezystorem,  a  następnie  na  dwa  sposoby  zmierzono  prąd  i  napięcie  w  obwodzie.  Zaznaczyć 
krzyżykiem, który układ poprawnie mierzy prąd w obciążeniu. Narysować schematy zastępcze obwodów i policzyć wskazania 
mierników. 

background image

 
 

114 

 

 

 

Schemat zastępczy 

Obliczenia 
 
 
 
 
 
 
 
Woltomierz: 
Amperomierz: 

 

Schemat zastępczy 

Obliczenia 
 
 
 
 
 
 
 
Woltomierz: 
Amperomierz: 

 
Rozwiązanie: 
Na początek pytanie – jak wygląda schemat zastępczy rzeczywistego amperomierza? Jak to napisałem powyżej, amperomierz 
powinien  mieć  rezystancję  wewnętrzną  bliską  zeru,  ponieważ  nie  powinien  doprowadzać  do  spadków  napięcia  i  zmian  w 
rozkładzie oporów w obwodzie. 

 

OBWÓD 1: 
W konsekwencji otrzymujemy doskonały amperomierz, połączony z rezystancją wewnętrzną szeregowo. Łącząc tą informację 
ze schematem zastępczym woltomierza, otrzymujemy schemat zstępczy naszego pierwszego obwodu: 
 

background image

 
 

115 

 

 

Przechodzimy teraz do obliczeń. Na początek potrzebujemy rezystancji zastępczej oporu woltomierza i opornika 1M: 

=

+

=

1

∗ 10

1

+ 10

=

10
11

≈ 0,9091

≈ 0,91

 

 

 

 
Teraz zapiszmy prawo Kirchhoffa dla naszego obwodu: 
 

=

+

= ∗

+ ∗

= (

+

) 

=

+

=

1

0,1 + 910 000

≈ 1,0989 ∗ 10

= 1,0989 

 

 
W tym miejscu ponownie małe przypomnienie jednostek: 
 

mili 

10

= 0,001

 

mikro 

10

= 0,000 001 

Nano 

10

= 0,000 000 001 

 
Wiedząc  jaki  prąd  płynie  w  obwodzie  (taki  właśnie  zostanie  zmierzony  przez  amperomierz),  możemy  obliczyć  wskazanie 
woltomierza: 
 

= ∗

= 0,000 001 0989 ∗ 910 000 = 0,999999 ≈ 1

 

 

background image

 
 

116 

 

(Z mojej małej obserwacji wynika, że lepiej jest zapisać coś w rodzaju 0,99, niż wynik 1 wolt.) 

 

OBWÓD 2: 
Teraz przechodzimy do drugiego obwodu, którego schemat zastępczy wygląda następująco: 

 

Od  razu  widać,  iż  to  właśnie  ten  obwód  mierzy  dokładniej  ilość  prądu  przepływającego  przez  opór  1M.  W  poprzednim 
obwodzie  część  prądu  „uciekało”  do  woltomierza,  co  nie  zostało  zobrazowane  przez  amperomierz,  bowiem  został  on 
umieszczony przed woltomierzem, czyli mierzył natężenie prądu w obwodzie, a nie konkretnie na interesującej nas rezystancji. 
Zastępczy opór amperomierza i opornika 1M to: 

=

+ 1

= 0,1 + 1 000 000 = 1 000 000,1 ≈ 1  

 

Należy  zwrócić  uwagę,  iż  napięcie  generowane  przez  źródło,  będzie  takie  samo  na  wszystkich  częściach  obwodu  przez 
równoległe połączenie: 

=

=

= 1  

 
W takim wypadku, natężenie prądu jakie zmierzy amperomierz będzie równe: 

=

= ∗

 

=

=

1

1 000 000,1

= 9,9999990000001 ∗ 10

= 10

= 1 

 

 
(Po raz kolejny okazuje się, że lepiej odnotować wartość 0,999 * 10

-6

lub 0,999 μA, niż 1.) 

Woltomierz wskaże natomiast napięcie o wartości 1V. 

background image

 
 

117 

 

ŚWIATŁO I DŹWIĘK 

 
Ćw. 2b: ŚWIATŁO I DŹWIĘK 
Ćwiczenie to było zadaniem dodatkowym, w momencie gdy ktoś skończył wcześniej jedno z laboratoriów. Tylko dla chętnych, 
więc  bardzo  często  osoby  szły  do  domu,  zamiast  zostawać  na  dłużej  (albo  po  prostu  nie  wiedzieli  o  istnieniu  tej  części 
laboratorium). 
 

CZĘSTOTLIWOŚĆ 

 
Ćw. 3: CZĘSTOTLIWOŚĆ 
Zadanie 3A.1 
Dorysować brakujący przebieg. 

 

 

Rozwiązanie: 
Bramka AND, czyli oba sygnały muszą być prawdą (jedynką), żeby otrzymać na wyjściu Y prawdę (czyli jedynkę – górkę). 
 
 
 
 
 
Zadanie 3A.2 
Dorysować brakujący przebieg. (Przerzutnik reaguje na zbocze rosnące) 

 

 

background image

 
 

118 

 

Rozwiązanie: 
Mamy tutaj wibrator (przerzutnik) monostabilny. Należy zauważyć, że wejście CLK ma sam trójkąt (bez kółka), co oznacza, że 
przerzutnik reaguje na narastające zbocze zegara. Co do wejścia D, to przerzutnik przepisuje stan z wejścia D na wyjście Q w 
momencie  pojawienia  się  zbocza  rosnącego  na  przebiegu  CLK  (CLocK).  Natomiast  wyjście  Q(-)  (Q  z  kreską)  jest  po  prostu 
zaprzeczeniem Q bez kreski – dokładnie to samo co Q, tylko że odwrotnie. :) 

 

 

Zadanie 3A.3 
Dorysować brakujący przebieg. 

 

 
Rozwiązanie: 
Po raz drugi przerzutnik monostabilny, aczkolwiek z tą różnicą, że wejście D jest połączone z wyjściem nie-Q (zaprzeczenie Q, 
Q z  kreską). Rozwiązanie  podane  jest poniżej  wraz  ze zbędnym, aczkolwiek bardzo  edukacyjnym, przebiegiem dla  wyjść D  i 
nie-Q.
 

 

 

No i oczywiście zbędne przebiegi dla D i nie-Q: 

 

 
 
 

Zadanie 3A.4 
Przyjmując poniższą notację, podać częstotliwości na wyjściach dzielników. 

background image

 
 

119 

 

 

 

Rozwiązanie: 
W  tym  miejscu  trzeba  zauważyć  pewną  charakterystykę  przebiegów  przerzutnika  w  momencie  połączenia  wejścia  D  z 
wyjściem  nie-Q  (Q  z  kreską).  Proszę  zwrócić  uwagę,  iż  gdy  na  wejściu  CLK  (CLocK)  otrzymujemy  przebieg  o  równej 
częstotliwości, to na wyjściu Q otrzymujemy ten sam sygnał, lecz z częstotliwością połowę mniejszą.  
 

 

 

 
 

Powyższy  przebieg  pochodzi  z  poprzedniego  zadania,  lecz  z  nie  co  wydłużoną  powtarzalną  częścią,  która  w  jasny  sposób 
pokazuje  interesującą  nas  cechę  przerzutnika.  Samo  rozwiązanie  zadania  jest  stosunkowo  proste,  bowiem  w  kolejnych 
kółkach wpisujemy 1M Hz, później dwa razy mniej, czyli 0,5M Hz, a następnie 0,25M Hz i 0,125M Hz. Aczkolwiek, być może 
poprawniej, zapiszmy 1 MHz, 500 kHz, 250 kHz i 125kHz. 
 

 

 

 
Zadanie 3A.5 
Dorysować brakujący przebieg na wyjściu (magistrali) Q 2-bitowego licznika. Licznik zlicza na zboczu rosnącym a resetowany 
jest poziomem „1”. 

 

background image

 
 

120 

 

 

 
Rozwiązanie: 
Na  początek  -  wejście  CLK  jest  wejściem  wzorcowym,  którego  impulsy  zlicza  licznik.  Trzeba  jednak  zaznaczyć,  iż  licznik  na 
wejściu CLK reaguje na zbocze wschodzące, co zostało oznaczone trójkącikiem BEZ kółeczka: 
 

 

 

Co  to  oznacza?  Oznacza  to, że  każde zbocze  rosnące będzie  powodowało  reakcję  na wyjściu Q,  które  zlicza  kolejne  zbocza 
rosnące. Każdą taką reakcję będziemy oznaczać na trzeciej części wykresu – Q[0..1]: 
 

 

 

Proszę zwrócić uwagę, iż na naszym wykresie jedna z takich „reakcji” została już oznaczona. Porównując wykres CLK i Q[0..1] 
widzimy, że zmiana z 0 na 1 dokonała się w momencie gdy na CLK pojawiło się zbocze wschodzące: 

 

 

Skoro wiemy już do czego służy Q[0..1] i CLK, to pozostaje jeszcze jedynie kwestia wykresu RST. Jest to przebieg, który resetuje 
nasz  licznik  Q[0..1],  aczkolwiek  nie  ma  żadnego  wpływu  na  przebieg  badany  CLK.  W  momencie,  gdy  na  RST  pojawia  się 
„jedynka” (czyli z poziomu 0 przechodzimy na poziom różny od zera), to zegar Q[0..1] jest restartowany i liczenie ponownie 
odbywa  się  od  0.  Oczywiście,  tak  długo  jak  na  RST  jest  jedynka,  tak  długo  nie  rozpoczyna  się  nowe  odliczanie  na  Q[0..1]. 
Jednak trzeba również pamiętać o tym, że nasz zegar jest dwubitowy, a więc mamy jedynie dostępne 2

2

 stanów, czyli 2*2=4 

stany. W związku z tym, w momencie, gdy zegar osiągnie poziom 3, to znowu wraca do poziomu 0 i liczy od początku 0, 1, 2, 3 
i znowu 0, 1, 2, 3, 0, etc. 

 

 

background image

 
 

121 

 

Teraz jedynie pozostaje nam zebrać wszystko w całość(kupę) i wyprodukować poprawną odpowiedź dla zadania. 
 

 

 
 

Zadanie 3A.6 
Ile czasu trwa jedynka w jednym cyklu przebiegu prostokątnego o wypełnieniu 50% i częstotliwości f. Podać wzór i wartości 
dla częstotliwości z tabeli. 

 

T

1

(f) = 

...................

 

 
Rozwiązanie: 
Skoro wzór na częstotliwość to: 

=

1

 

 
Czyli  częstotliwość  to  odwrotność czasu  trwania  jednego  okresu,  to  wzór  na  czas  trwania  jedynki  o  wypełnieniu 50%  (czyli 
połowa długości okresu to jedynka) będzie wyglądał następująco: 
 
 

( ) = 0,5 ∗

= 0,5 ∗

1

=

1

2

 

f [Hz] 

T

1

 [s] 

0.5 

0.5 

1M 

0.5 * 10

-6 

= 0.5μs 

 
 
 
 
Zadanie 3A.7 
Używając  podanych  obok  symboli  narysować  schemat  układu  do  pomiaru  częstotliwości.  Na  podstawie  przebiegu 
wejściowego  (We)  narysować  przebiegi  na  wejściach  i  na  wyjściu  bramki  oraz  na  wyjściu  licznika  (Q).  Układ  powinien 
pokazywać wynik w Hertzach co drugą sekundę. Wyraźnie zaznaczyć wejście układu – „We”. Nie wszystkie podane symbole 
muszą  być  wykorzystane.  Niektóre  symbole  można  wykorzystać  wielokrotnie.  Zwrócić  uwagę,  że  licznik  resetowany  jest 
zboczem (rosnącym). 

background image

 
 

122 

 

 

 

 
Rozwiązanie: 

 

 
Zbyt  wiele do opisywania w przypadku  tego  zadania nie  ma,  bowiem jest ono  jedynie  połączeniem poprzednich  zagadnień. 
Należy jedynie pamiętać, iż w tym przypadku RST działa pod wpływem nie jedynki, lecz zbocza rosnącego. 

background image

 
 

123 

 

 

 
 
 
 
 
 
Zadanie 3A.8 
Używając  podanych  obok  symboli  narysować  schemat  układu  do  pomiaru  okresu.  Wyraźnie  zaznaczyć  wejście  układu  – 
„We”. Nie wszystkie podane symbole muszą być wykorzystane. Niektóre symbole można wykorzystać wielokrotnie. 
 
 

 

 
 
 

 
 

 

background image

 
 

124 

 

ZESTAW B 

Zadanie 3B.1 
Dorysować brakujący przebieg. 

 

 
Rozwiązanie: 
Zadanie rozwiązujemy tak samo jak zadanie 3A.1, lecz z małą, subtelną różnicą, że na wejściu A pojawia się inwerter, zwany 
również bramką NOT (zaprzeczenie, negacja). Jeśli na wejściu inwertera otrzymujemy jedynkę, to na wyjściu mamy zero i vice 
versa. 

 

 
Dalej już mamy zwykłego AND’a, którego rozwiązujemy tak jak w zadaniu 3A.1: 

 

 

Zadanie 3B.2 
Dorysować brakujący przebieg. (Przerzutnik reaguje na zbocze opadające) 

 

 

 
 

background image

 
 

125 

 

Rozwiązanie: 
Jedyna  różnica  w  stosunku  do  zadania  3A.2  jest  taka,  że  przerzutnik  tym  razem  reaguje  zamiast  na  zbocze  rosnące,  to 
opadające, co oznacza się kółkiem przed trójkątem na wejściu CLK. Bez dalszych zbędnych rozważań rozwiązanie powyżej… 

 

Zadanie 3B.3 
Dorysować brakujący przebieg. 

 

 

Rozwiązanie: 
Po szczegóły odsyłam do zadania 3A.3 i 3B.2 (żeby było łatwiej zrozumieć skąd się co bierze, polecam rozrysować przebiegi 
dla wejścia D i wyjścia nie-Q, czyli Q z kreską). 
 
 
Zadanie 3B.4 
Przyjmując poniższą notację, podać częstotliwości na wyjściach dzielników. 

 

 
Zadanie 3B.5 
Dorysować brakujący przebieg na wyjściu (magistrali) Q 2-bitowego licznika. Licznik zlicza na zboczu rosnącym a resetowany 
jest poziomem „0”. 

 

 

background image

 
 

126 

 

 
W przypadku zadań 3B.6, 3B.7 i 3B.8  nie widzę  różnicy w stosunku do treści  ich  odpowiedników  z zestawu A, więc jeśli 
jakieś różnice (znaczące) są, to prosiłbym o kontakt. Pozdrawiam i życzę powodzenia. 
 
 
PRZEBIEG ĆWICZENIA: 
6) 

Co na start? 
 
Dobrze  jest  powtórzyć  sobie  po co  jest  i  jak  działa  transoptor  refleksyjny  oraz  komparator…  Ogólnie  przeczytać  całą 
instrukcję wcześniej, żeby nie było niemiłych niespodzianek. 
 
Z  TRANSOPTORA  WYCHODZĄ  „NIERÓWNE”  NAPIĘCIA,  ZMIENNE  Z  POWODU  RÓŻNEGO  OŚWIETLENIA.  BY  JE 
USTABILIZOWAĆ STOSUJE SIĘ KOMPARATOR, KTÓRY „PRZEPUSZCZA” TYLKO „PEŁNOWARTOŚCIOWE” NAPIĘCIA, JASNO 
WSKAZUJĄCE NA OBSZAR ZACIEMNIONY I OŚWIETLONY. 
 
 

 

AC/CA 

 
Ćw. 4: AC/CA 
Zadanie 4A.1 
Na podstawie przebiegu napięcia na wejściu „We” podać przebiegi napięć na wyjściach komparatorów. 

 

 

 
Rozwiązanie: 
Na początek wzór ogólny dla dzielnika napięcia: 

=

+

 

gdzie 

 to napięcie dolnego opornika, 

 górnego, 

 to napięcie na 

, a 

 na 

+

 
DZIELNIK 1 – oporniki 4 i 1: 

=

1

1 + 4

∗ 5 =

1
5

∗ 5 = 1  

background image

 
 

127 

 

 
DZIELNIK 2 – oporniki 3 i 3: 

=

3

3 + 3

∗ 5 =

1
2

∗ 5 = 2,5  

 
DZIELNIK 3 – oporniki 1 i 4: 

=

4

1 + 4

∗ 5 =

4
5

∗ 5 = 4  

 
 
 
Teraz wykresy – cóż począć z tymi komparatorami? Otóż, w momencie, gdy na We (wejście dodatnie) napięcie nie jest równe 
napięciu referencyjnemu (napięcie wzorcowe, odniesienia), to na wyjściu komparatora otrzymujemy zero (zerowe napięcie). Z 
chwilą,  gdy  napięcie  na We  (wejście  dodatnie)  osiąga  wartość  napięcia  na minusie  komparatora  (czyli  tego  wyliczonego  z 
dzielników),  na  wyjściu  komparatora  pojawia  się  jedynka  (napięcie  zasilania  komparatora  –  w  naszym  przypadku  5V).  By 
jaśniej  zrozumieć  zawiłość  pracy  komparatora,  posłużymy  się  pierwszym  z  nich,  czyli  K1  połączonym  z  dzielnikiem  o  U

OUT

 

równym 1V: 
 
 
 

 

 
 
 
 
Oznaczyliśmy sobie długą, ciągłą linią poziom 1V, jako poziom odniesienia, który będzie powodował zmianę stanu napięcia na 
wyjściu  komparatora,  czyli  na  
 

  1.  Linie  przerywane  ułatwią  nam  zapis  przebiegu,  który  w  konsekwencji  będzie 

prezentował się następująco: 

background image

 
 

128 

 

 

 

W pozostałych przypadkach postępujemy identycznie, tworząc kolejne wykresy: 

 

 

Zadanie 4A.2 
Wypełnić tabele, dorysować brakujące połączenia na schemacie trans kodera bar kodu na kod binarny. 
 

Bar kod 

 

background image

 
 

129 

 

Rozwiązanie: 
Tabelki wypełniamy w następujący sposób: 

 

1 z 4 

 3 

 

 

binarny 

 

 

dziesiętny 





 

 
By rozwiązać dalszą część zadania, poświęconą schematowi połączeń trans kodera bar kodu na kod binarny, musimy zagłębić 
się w tabelki rozwiązywane powyżej. 

 

 

 

Bar kod 

 

 

1 z 4 

 3 

 

 

binarny 

 

 

dziesiętny 





 

 
 
W bar kodzie, zero jest trzema „zerami”, czyli na każdym z wejść dla bar kodu (2, 1 oraz 0) otrzymujemy 0. Jeśli chcemy bar 
kod „przetłumaczyć” na 1 z 4,  musimy na pierwszej bramce  AND (oznaczonej 0)  doprowadzić  tak połączenia z inwerterami 
(bramki NOT –  trójkąt z kółkiem,  rysunek poniżej), czy  otrzymać  trzy  jedynki  (trzy zaprzeczenia zera,  czyli trzy  sygnały 1 na 
wyjściu out inwertera). 
 
 

 

 
W momencie, gdy otrzymujemy 3 sygnały 0 na trzy  wejścia A inwerterów, są one „zaprzeczone” i na wyjściach otrzymujemy 
trzy 1, które na wyjściu bramki AND dają jedynkę. Na reszcie bramek, pojawienie się trzech zer będzie powodowało również 
zera na wyjściach (bramka AND daje na wyjściu 1 tylko w momencie, gdy na wejściach ma same jedynki). 

background image

 
 

130 

 

 

 

wejście 

wyjście 

AND 

 0 

 

 

 

Następnym krokiem jest zaprojektowanie połączenia dla bramki AND jedynki z kodu 1 z 4. 

 

Bar kod 

 

 

1 z 4 

 3 

 

 

dziesiętny 


 

 
Jak widać z bar kodu, na wejściu 2 i 1 musimy wstawić inwertery, by bramka AND na swoich wejściach otrzymała 3 sygnały 
logicznej  jedynki.  Jednocześnie  otrzymując  jedynkę  na  bramce  AND  oznaczonej  1,  nie  otrzymamy  tej  jedynki  na  każdej 
pozostałej  bramce  AND,  ponieważ  nie  wszystkie  docierające  sygnały  do  pozostałych  bramek  AND  będą  jedynką,  tak  więc 
otrzymujemy to co chcieliśmy (środkowa tabela 1 z 4 – tylko na wyjściu 1 jest jedynka). 

 

Postępując analogicznie do pozostałych wejść powinniśmy otrzymać następującą konfigurację: 

 

 

background image

 
 

131 

 

Teraz  możemy  przejść  do  drugiej  części  rysowania  schematu,  czyli  „przepisaniu”  kodu  1  z  4  na  kod  binarny.  Pierwszym 
krokiem będzie zapoznanie się z bramką OR (alternatywa, suma logiczna): 

 

Na początek zaczniemy od zera – by zakodować zero, wyłączamy z obiegu pierwszą z bramek AND (AND 0). W sytuacji, gdy w 
kodzie bar pojawi się zero, czyli układ 0, 0 i 0, wszystkie bramki AND (1, 2 i 3) będą dawać na wyjściach zera. W konsekwencji 
na  wyjściach  dwóch  bramek  OR  również  pojawią  się  zera,  bez  względu  na  połączenie  (drugi  wiersz  od  góry  naszej  tabeli 
powyżej). 
 
W kodzie binarnym jedynka kodowana jest w momencie, gdy na wyjściu 1 mamy zero, a na wyjściu 0 mamy 1. Musimy więc 
tak połączyć nasze bramki AND 1, 2 i 3 z bramkami OR 1 i 0, by otrzymać pożądaną konfigurację: 

 

1 z 4 

 3 

 

 

binarny 

 

 

dziesiętny 


 

 
Taką sytuację otrzymalibyśmy łącząc bramkę AND 1 i bramkę AND 2 lub 3 z OR 1, natomiast OR 0 musiałby być połączony z 
dwoma zerami, czyli AND 2 i 3. 

 

 Pytanie jednak, którą z bramek połączyć do drugiego wejścia bramki OR 0? Odpowiedź uzyskamy analizując „trójkę” kodu 1 z 
4. By uzyskać pożądaną liczbę w kodzie binarnym musimy na wyjściu bramek OR 1 i 0 otrzymać dwie jedynki. Ponieważ na 
wyjściach bramek AND, tylko AND 3 jest jedynką, więc musi ta bramka być połączona zarówno z wejściem OR 1 jak i OR 0. 
Wtedy to otrzymujemy sytuację, gdzie p=0, q=1, więc p V q = 1. 

 

1 z 4 

 3 

 

 

binarny 

 

 

dziesiętny 


 

 

background image

 
 

132 

 

Tak więc po złożeniu wszystko w całość, otrzymujemy poniższą odpowiedź do zadania: 

 

Zadanie 3A.3 
Dla  2-bitowego  przetwornika  cyfra/prąd  wyliczyć  wartości  rezystancji  według  tabeli.  Założyć,  że  wartości  logicznej  „0" 
odpowiada napięcie 0V a „1" 5V. Wyliczenia należy przeprowadzić na dostarczonej kartce. 
 

 

 

Binarny 

I [mA] 

b1 

b0 

10 

15 

 

0 =  
1 = 

 
Rozwiązanie: 
Do  rozwiązania zadania potrzebujemy  dwóch prądów, 

= 5

 oraz 

= 10

.  Dla każdego  z nich, napięcie  jest  równe 

5V.  Dlaczego? Ponieważ „jedynce”  logicznej przydzielone  jest właśnie 5V. Równania  jakie zastosujemy są niczym innym  jak 
prawem Ohma: 

=

          

=

=

5

5

=

5

5 ∗ 10

= 1 ∗ 10 = 1

 

=

          

=

=

5

10

= 0,5

 

 

background image

 
 

133 

 

Zadanie 3A.4 
Połączyć  obwód  z  zadania  3  z  przetwornikiem  I/U  (rysunek).  Wyliczyć  rezystor  w  przetworniku  I/U  (Ri)  tak  aby  napięcie 
odpowiadające największej wartości na wejściu przetwornika C/A wynosiło -5V. 
 
Rozwiązanie: 
Zaczynamy od rozrysowania obwodu z wzmacniaczem: 

 

Dla największej wartości, czyli dziesiętnej trójki, zarówno b0 jak i b1 ma stan 1. W związku z tym otrzymujemy informację 
(pochodzącą z zadania 3A.3), że sumarycznie na wyjściu obwodu z zadania 3 prąd będzie miał wartość  
= 15

, natomiast 

drugim warunkiem jest 

= −5 

 
Zero  na  jednym  z  węzłów  to  tzw.  punkt  masy  pozornej  -  wzmacniacz  operacyjny  jest  skonstruowany  tak,  że  jego  obwód 
wyjściowy stara się zrobić wszystko co konieczne, aby różnica napięć pomiędzy wejściami + i - była równa zeru.  Jeżeli punkt 
plus  dołączony  jest  do  masy,  potencjał  punktu  minus  jest  również  zerowy.
  Wejście wzmacniacza operacyjnego  nie  pobiera 
żadnego prądu (jego impedancja wejściowa jest bardzo duża). Dlatego prąd o natężeniu I płynący przez opornik R

1

 lub R

2

 musi 

być kompensowany prądem I

i

 płynącym przez opornik R

i

Na tej podstawie otrzymujemy, że: 

 

+

= 0 

 

= −15

 

 

− 0

+

− 0

= 0 

 

= −

= −15

 

 

−5

= −15

 

=

5

0,015

=

1
3

 

 

 
Taki mały bonus na koniec – co nie co o wzmacniaczach: 
http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/wzmacniacz.html 

 
 

background image

 
 

134 

 

Zadanie 4A.1 
Proszę zwrócić uwagę, że napięcia zasilania komparatorów również się zmieniły! 
DZIELNIK 1
 – oporniki 5 i 5 – zasilanie 5V: 

=

5

5 + 5

∗ 5 = 2,5  

 
DZIELNIK 2 – oporniki 1 i 3 – zasilanie 4V: 

=

3

1 + 3

∗ 4 = 3  

 
DZIELNIK 3 – oporniki 2 i 1 – zasilanie 3V: 

=

1

1 + 2

∗ 3 = 1  

 
 
 
 
Zadanie 4A.3 

=

=

3.3

50

= 66  

 

=

=

3,3

100

= 33

 

 
 
 
Zadanie 4A.4 

= −150

 

 

= −

= −150

 

 

−5

= −150

 

=

5

0,15

=

100

3

 

 
 
W przypadku zadań 4B.1 do 4B.4 nie widzę różnicy w stosunku do treści ich odpowiedników z zestawu A, więc jeśli jakieś 
różnice (znaczące) są, to prosiłbym o kontakt. Pozdrawiam i życzę powodzenia.  

background image

 
 

135 

 

 

 
 
 
 
 

KARTA POMIAROWA 

 
Ćw. 5: KARTA POMIAROWA  
Zadanie 5.1 
Na podstawie oscylogramu dobierz minimalną i optymalną częstotliwość próbkowania oraz odpowiedni zakres pomiarowy. 
Do wyboru są następujące zakresy: +/- 0.5V, +/- 1V, +/-5V, +/- 10V. Uzasadnij wybór częstotliwości i zakresów. 
 

 

Podstawa czasu: 1 ms/dz 
Wzmocnienie: 0.5 V/dz 
 
Częstotliwość minimalna: 500 Hz 
Częstotliwość optymalna: 2500 Hz 
Zakres pomiarowy: +/- 5 V 
 

 
Rozwiązanie: 
Mamy wykres o przebiegu trójkątnym (nie znam jego profesjonalnej nazwy, dlatego nazywam go tak jak go widzę). Na sam 
początek  przydałaby  się  nam  częstotliwość  tego  przebiegu.  W  tym celu  liczymy  ile  działek  przypada  na  jeden  trójkąt,  czyli 
jeden  pełny  obieg  (okres).  Otrzymujemy,  że  nowy  trójkąt  pojawia  się  co  4  działki,  a  więc 

= 4 

.  Ponieważ 

background image

 
 

136 

 

otrzymujemy,  że  częstotliwość  przebiegu  to 

=

=

 

=

,

= 250 

.  Super  sprawa,  tylko  co  dalej?  Według 

twierdzenia Kotielnikowa-Shannona o próbkowaniu wiemy, że minimalnie powinniśmy próbkować z częstotliwością dwa razy 
większą od częstotliwości maksymalnej przebiegu (wykresu). Dlaczego maksymalnej? Dlatego, że czasami się zdarza przebieg 
niestały w czasie. Na szczęście takich problemów nie mamy. Czyli nasza minimalna częstotliwość próbkowania 

 

= 2 ∗

= 2 ∗ 250 

= 500 

. W takim  razie, skoro mamy minimum, jakie jest optimum próbkowania? Z jaką częstotliwością 

jest  najlepiej  próbkować?  Zakłada  się,  że 

 

= 10 ∗

= 10 ∗ 250 

= 2 500 

= 2,5 

.  Bez  jakiejkolwiek 

szczególnej filozofii. Po prostu takie założenie. 
 
Ostatnie  pytanie  dotyczy  zakresu.  W  tym  celu  musimy  zwrócić  uwagę  na  obszar  w  jakim  znajduje  się  wykres  przebiegu. 
Minimalne  napięcie to  0,5 V,  natomiast maksymalne to  1,5 V  (peak  to peak 1  V).  Otrzymujemy  dzięki  temu  wiadomość, iż 
zakres +/- 0,5 V i +/- 1 V będzie za mały, natomiast +/-10V za duży. W przypadku przyjęcia zakresu +/- 5V otrzymujemy jeszcze 
spory „margines” nieużywanego zakresu. 
 
 
Zadanie 5.2 
Czy 12-bitowy przetwornik A/C o zakresie napięcia wejściowego 0-5V wystarczy do wykrycie oscylacji w sygnale wejściowym 
o amplitudzie peek to peek 1.5mV? 
 
Rozwiązanie: 
12  bitowy  przetwornik  A/C  daje  nam  
2

= 4096  przedziałów  wykrywanego  napięcia.  Ponieważ  napięcie  wejściowe 

przetwornika zamyka się w przedziale od 0 do 5 V, więc na jeden przedział przypada (  - przedział kwantowania): 
 

=

2

ó

=

5

2  

łó

=

5

4096

ł

  = 0,00122

ł

= 1,22

ł

 

 
A więc otrzymujemy rozwiązanie, iż nasz przetwornik wykryje tą oscylację. Aczkolwiek ilość informacji jakie o niej uzyskamy 
będzie  minimalna,  ponieważ  np.  wartości  sinusoidy od  0  do  1,22  będą  zamykać  się  w  pierwszym  przedziale,  a  od  1,22  do 
maksymalnego 1,5 mV w przedziale 1,22 do 2,44. Oczywiście zakładamy, że peak-to-peak dotyczy wartości napięcia od 0 do 
1,55 mV (równie dobrze mogło by to być np. od -1mV do 0,55mV, a wtedy byśmy już nie wykryli sygnału). 
 
 
Zadanie 5.3 
Ile bitowy powinien być przetwornik o zakresie wejściowym +/- 10V żeby gwarantował wykrycie oscylacji w sygnale 
wejściowym o amplitudzie peek to peek 1mV ? 
 
Rozwiązanie: 
W tym przypadku otrzymujemy zakres napięcia 20 V, którego minimalny przedział powinien mieć wartość w okolicy danego w 
treści zadania 1 mV. W tym celu określmy, na ile przedziałów powinien być podzielony zakres 20 V: 
 

=

2

ó

 

2

ó

=

=

20 

=

20 

0,001 

= 20 000 

łó  

 
Oczywiście sprawę można rozważyć „na oko”, bo 
2

= 16 384, a 2

= 32 768. Ale można to też policzyć ładnie 

logarytmem o podstawie 2: 

log 20 000 = 14,2877 

Skoro nie ma nic pomiędzy 14, a 15 bitami, więc musimy wziąć wartość większą, która da nam „zapas” przedziałów, czyli 15 
bitów.  
 
 
 

background image

 
 

137 

 

Zadanie 5.4 
Policzyć SNR pokazanego na rysunku sygnału prostokątnego. Na kartce umieścić wszystkie wzory i obliczenia. Wynik podać w 
decybelach. 
 
 
 

 

Rozwiązanie: 
Zadanie  sprawia  trochę  kłopotu,  a  podane  poniższe 
rozwiązanie  jest  jedynie  mglistą  wskazówką.  Na 
początek  wypiszmy  wszystkie  wartości  napięć  dla 
poszczególnych  próbek  wykresu  ze  strony  dodatniej  i 
ujemnej: 
 
 

x(+) 

U [V] 

x(-) 

U [V] 

-7 

-5 

-8 

-3 

-9 

-4 

 

 
Liczymy  teraz  składową  stałą  sygnału,  wokół  której  fluktuują  (pływają,  oscylują)  wszystkie  wartości  (osobno  dla  części 
ujemnej jak i dodatniej wykresu przebiegu): 

̅ =

5 + 4 + 9 + 7 + 3 + 8

6

= 6 

̅ =

−7 − 5 − 8 − 3 − 9 − 4

6

= −6 

 
No i teraz prawdziwe szczęście, bo pytanie co robić dalej? A ja odpowiadam, że nie wiem. Mamy liczyć wariancje.  
 

=

1

[ ( ) − ̅]  

Można to zrobić na kilka sposobów: 

a) liczymy wariancje osobno dla góry i dla dołu, przyjmując wartość średnią 6 i -6: 

=

1
6

[(5 − 6) + (4 − 6) + (9 − 6) + (7 − 6) + (3 − 6) + (8 − 6) ] 

=

1
6

(1 + 4 + 9 + 1 + 9 + 4) =

1
6

∗ 28 =

14

3

≈ 4,67 

Taki sam wynik winien wyjść w przypadku obliczeń dla dolnej części wykresu. 
 
b) liczymy wariancję dla całego przebiegu, przyjmując za wartość średnią 6 i -6: 

=

1
6

[(5 − 6) + (4 − 6) + (9 − 6) + (7 − 6) + (3 − 6) + (8 − 6) ] ∗ 2 =

28

3

≈ 9,33 

Mnożenie razy dwa wynika z powtarzalności wartości zarówno na dole jak i górze. 

 
Na  wykładzie  była  adnotacja,  by  wariancje  szumów  liczyć  osobno  dla  góry  i  osobno  dla  dołu,  natomiast  w  przypadku 
wariancji sygnału posłużyć się jakąś całką. Osobiście wariancję sygnału policzyłem następująco: 
 

background image

 
 

138 

 

ł

=

[(6 − 0) + (−6 − 0) ]

2

=

72

2

= 36 

 
Na pewno nie jest to poprawne rozwiązanie SNR, dlatego polecam wymyślenie czegoś skuteczniejszego. Pozdrawiam i życzę 
powodzenia. Na koniec jeszcze wzór na SNR: 
 

= 10 ∗ log

 

ł

 

 

 
 
PRZEBIEG ĆWICZENIA: 
7) 

Co na start? 
 
Pudełeczko,  z  przeźroczystą  pokrywką  i  wystającym  długim,  czarnym  kablem  sieciowym  po  lewej  oraz  dwoma 
cieniutkimi, czerwonymi kabelkami po prawej, to nasz transformator napięcia. Najpierw jeden z kabelków wpinamy w 
dowolne miejsce płytki, a drugi w drugie, aczkolwiek tak, by nie było między nimi połączenia (najlepiej wpiąć je po lewej 
stronie  zielonej  płytki,  oznaczonej  ~12  V  –  jeden  w  lewym  górnym  rogu,  drugi w  lewym  dolnym)!  Następnie  z  teczki 
wyciągamy  dwa  czarne kable  – Ch0  i  GND.  Oba  kable  przykręcamy  do  karty pomiarowej  w odpowiednio  oznaczone 
miejsca  (wszystko  jest  ładnie  opisane),  a następnie  Ch0  łączymy  z  jednym  z  czerwonych  kabelków poprzez  płytkę,  a 
GND  z drugim.  W ten sposób otrzymujemy obwód  zamknięty, przechodzący  z  jednego  kabelka transformatora,  przez 
Ch0 do komputera, a następnie przez GND do drugiego kabelka transformatora. 
 

 

 

 

8) 

Dobrze jest przypomnieć sobie instytucję dzielnika napięcia wraz z wzorkiem na napięcie wyjściowe: 

 

=

+

 

 
 
 

background image

 
 

139 

 

9) 

PYTANIE Z PUNKTU 3.1 
12) Dlaczego przebiegi z pomiarów nie są zgodne w fazie? 
Odpowiedź:  Proszę  zwrócić  uwagę,  iż  urządzenie  próbkujące  włączamy  w  różnych  momentach  przebiegu 
sinusoidalnego. Czasami zdarza się, że rozpoczynamy pomiar „na dołku”, a czasami „na górce”. Stąd różnica w fazach 
poszczególnych pomiarów. 
 

10)  Jak podpinać elementy obwodu? Jak wyglądają konkretne elementy obwodu? 

 
Dioda  prostownicza  wygląda  mniej-więcej  jak  poniżej  (jest  „opakowana”  w  izolację).  Diodę  podpinamy  według 
schematu obok zdjęcia (kreska na rzeczywistej diodzie oznacza katodę): 
 

 

 

 

   

Kondensator  to taka czarna  beczułka z szarym paseczkiem określającym sposób  połączenia  w obwodzie. Oznacza  on 
ujemną elektrodę, która na schemacie oznaczona jest pogrubioną kreską: 

 

 

 

 
 

11)  PUNKT 3.3 3) O co chodzi z tym Fs? 

Fs w przypadku naszych zadań z początku to była częstotliwość próbkowania. W przypadku punktu 3.3 3), oznacza on 
częstotliwość  własną  przebiegu,  czyli 

.  Czyli  jeśli  mamy  zmierzyć  coś  z  częstotliwością  próbkowania  20Fs,  to 

wchodzimy do menu „Config” i ustawiamy tam częstotliwość próbkowania 20 razy większą od częstotliwości sinusoidy. 
Skąd wziąć częstotliwość sinusoidy? W którymś z poprzednich punktów mieliśmy za zadanie ją obliczyć. Pomiar dla 20Fs 
i 2Fs (2Fs jest częstotliwością dwa razy większą od częstotliwości własnej przebiegu) wykonujemy po 3 razy ze względu 
na pytanie z podpunktu 5). 

 
12)  PYTANIE Z PUNKTU 3.3 

5) Dlaczego pomiary 20Fs są do siebie podobne a 2Fs różne ?  
Odpowiedź: W  związku z tym,  iż  pomiarów dokonujemy  w różnych momentach  przebiegu, to  w  przypadku  zbierania 
pomiarów  z  częstotliwością  większą  20  razy  od  częstotliwości  samego  przebiegu,  dostajemy  zawsze  na  tyle  dużo 
punktów(próbek),  by  właściwie  narysować  wykres  funkcji  (odwzorować  go).  W  przypadku  próbkowania  z 
częstotliwością jedynie dwa razy większa niż częstotliwość przebiegu sinusa, może zdarzyć się sytuacja, iż każda próbka 
będzie np. zerem, a więc na wykresie otrzymamy już nie sinusoidę (a w przypadku tak rzadkiego próbkowania wykres 
trójkątny), a linię prostą. Stąd każdy pomiar z częstotliwością 2Fs może dać zupełnie inne wyniki od poprzedniego. 
 

13)  PYTANIE Z PUNKTU 4 

5) Czym różni się przebieg przed diodą i za diodą ?  

background image

 
 

140 

 

Ile wynosi różnica między napięciem maksymalnym przed diodą i za diodą ?  
Odpowiedź: Spadek napięcia na diodzie:  
„Teoretycznie, kiedy dioda przewodzi (czyli potencjał anody jest większy od potencjału katody) stanowi ona zwarcie, ale 
w  praktyce  występuje  na  niej  spadek  napięcia  -  ok.~1V.  Również  w  kierunku  zaporowym  (odwrotnie  spolaryzowana 
dioda  -  wyższy  potencjał  katody)  teoretycznie  prąd  nie  powinien  płynąć,  jednak  pojawia  się  znikomo  mały  prąd 
wsteczny. Napięcie na diodzie w tym stanie jest równe napięciu zasilania.” 

 
 
 
 

POJEMNOŚĆ 

 
Ćw. 6: POJEMNOŚĆ 
Zadanie 6A.1 
Na układach  współrzędnych pokazano  przebiegi  wejściowe dla dzielnika  rezystancyjnego i układu  RC.  Narysować przebiegi 
wyjściowe. Wyraźnie zaznaczyć który przebieg któremu układowi odpowiada. Obliczenia umieścić pod rysunkami. 
 

 

 
Rozwiązanie: 
DZIELNIK: 
Na  początek  startujemy  z  dzielnikiem  napięcia.  Wyprowadzenie  wzoru  na  dzielnik  napięcia  będzie  na  podstawie  obwodu 
przedstawionego w zadaniu pierwszym, podpunkt A) po lewej: 
 

 

 

Musimy  zauważyć,  iż  jeśliby  odjąć  przewody  mierzące 

,  to  otrzymujemy  dwa  oporniki  połączone  ze  sobą  szeregowo. 

Automatycznie  dostajemy  wiadomość,  iż  prąd  płynący  przez  oba  oporniki  jest  taki  sam,  ponieważ  nie  ma  możliwości 
„odpłynięcia” w innym kierunku. Czyli: 

=

+

= 8 + 2 = 10 

background image

 
 

141 

 

 
Następnie zapisujemy wzór na prąd płynący w obwodzie: 

=

=

10

 

 
Ponieważ w obwodzie płynie ten sam prąd, a my chcemy zmierzyć 

, które przypada na rezystor 

 (spadek napięcia na 

rezystorze 

), to zapisujemy, że: 

=

∗ =

=

=

+

=

2

10

= 0,2

 

 
CZĘŚĆ PIERWSZA ZADANIA: 

 

Automatycznie  otrzymujemy  odpowiedź  na  przebieg  napięcia  pierwszego  dzielnika.  Ponieważ  napięcie  wejściowe 

=

10 , więc według naszych obliczeń napięcie wyjściowe będzie stanowiło 0,2 część napięcia wejściowego - 

= 0,2

=

. Następnie przechodzimy do kolejnych dzielników, B) i C) (obwód D) nie jest dzielnikiem – wykres napięcia wyjściowego 
będzie po prostu spadkiem napięcia na rezystorze): 

=

+

 

)   

=

5

5 + 5

∗ 10 = 0,5 ∗ 10 = 5  

)   

=

8

2 + 8

∗ 10 = 0,8 ∗ 10 = 8  

 
Natomiast dla obwodu D) otrzymujemy: 

)   

=

2

0 + 2

∗ 10 = 1 ∗ 10 = 10  

 

 
UKŁAD RC: 
Jeśli wyprowadzenie wzoru na układ RC jest Ci znane, bądź po prostu Cię ono nie obchodzi, to można swobodnie ominąć ten 
akapit.  Aczkolwiek,  dla  ludzi  ciekawych  świata,  zagadnienie  to  zostanie  omówione  na  podstawie  pierwszego  obwodu  z 
prawej, czyli A) dla pojemności: 
 

background image

 
 

142 

 

 

Standardowo, pierwsza ważna dla nas informacja to, że w obwodzie płynie ten sam prąd. Zapisujemy więc napięciowe prawo 
Kirchoffa (czy też drugie – nomenklatura jak kto woli) dla naszego potężnego RC: 
 

ś

=

+

 

=

+

 

 
Co możemy również zapisać jako (natężenie prądu pisane jest małą literą  , ponieważ prąd jest zmienny w czasie): 
 

=

+

 

 
W  momencie,  gdy  w  obwodzie  nie  ma  zmiennego  (w  czasie)  napięcia,  to  kondensator  staje  się  przerwą  (nie  płynie  prąd  -
  = 0, ponieważ pochodna ze stałej to zero). Możemy to zapisać jako: 
 

=

 

 
Teraz łączymy dwa powyższe wyrażenia: 

=

+

=

+

 

 
Otrzymujemy tutaj równanie różniczkowe, które rozwiązujemy w następujący sposób: 
 

=

+

 

=

 

=

 

=

 

 
Po przekształceniach, całkujemy obie strony równania (podkreślam, iż 

 jest elementem stałym, a wiec otrzymujemy całkę z 

, która jest równa po prostu  ): 

 

=

 

− ln(

) =

 

=

 

 
Minus przy logarytmie wynika z tego, iż w wyrażeniu 

, nasza zmienna 

 ma przed sobą minus. Kolejnym krokiem 

jest obliczenie stałej  , wynikającej z zasad całkowania. Przyjmijmy sytuację początkową, dla  = 0, w której również 

= 0

 

− 0 =

 

=

 

 
Czyli otrzymujemy, iż: 

background image

 
 

143 

 

=

=

=

 

=

 

=

exp −

=

1 − exp −

 

 
CZĘŚĆ DRUGA ZADANIA: 
By  jak  najłatwiej  rozrysować  przebiegi  do  drugiej  części  zadania,  posłużymy  się  wyprowadzonym  wzorem  na  napięcie  na 
kondensatorze w obwodzie RC: 

=

1 − exp −

 

 
Na początek zakładamy, iż nasz czas  
=

=

, przez co otrzymujemy: 

 

=

1 − exp −

=

(1 − 0,37) = 0,63

 

 
Dzięki  temu  wiemy,  iż  za  każdym  razem,  gdy  czas  równy  jest 

,  to  napięcie  na  kondensatorze 

  będzie  63%  napięcia 

wejściowego 

 (

= 0,63 ∗

). Na koniec pozostało nam jedynie policzyć 

 dla poszczególnych obwodów: 

 

 

=

 

)  = 1 ∗ 8

= 1000 ∗ 0,008 = 8 

)  = 1 ∗ 4

= 1000 ∗ 0,004 = 4 

)  = 1 ∗ 500 = 1000 ∗ 0,0005 = 0,5 

 
Oczywiście, do każdego z wyników trzeba dodać dwusekundową poprawkę (plus 2 sekundy), ponieważ napięcie 10V pojawiło 
się dopiero w drugiej sekundzie. W konsekwencji otrzymujemy takie przebiegi na wykresach: 

background image

 
 

144 

 

 

 

W tym momencie jeszcze podkreślam, iż wykres C nie kończy się punktowo w czwartej sekundzie, bo wedle obliczeń nigdy nie 
dociera do wartości 10V, a jedynie do nieskończenie mniejszej wartości 9,99999999(9). 

Część grup pisze, że wykresy przebiegów dla D są po osi X. Jeśli ktoś zna uzasadnienie tego, to prosiłbym o komentarz. 

Przed wejściem na zajęcia spytałem o to prowadzącego, który stwierdził, że D to będą „czarne” przebiegi jak powyżej. :) 

 
 
Zadanie 6A.2 
Na  podstawie  wykresów  ładowania/rozładowywania  układów  RC  uzupełnić  wartości  elementów  na  schematach.  Na 
wykresach krzyżykiem zaznaczyć punkty użyte do liczenia stałej czasowej. 

 

 
 

background image

 
 

145 

 

Rozwiązanie: 
Wykresy trzech przebiegów są dla nas w tym zadaniu głównym źródłem informacji. Podczas rozwiązywania zadania musimy 
odszukać miejsce pierwszego tau, czyli moment, w którym  
=

. Jak to zrobić? By uzyskać rozwiązanie naszego problemu, 

musimy powrócić do poprzedniego zadania, w którym stwierdziliśmy, że w przypadku, gdy czas jest równy RC, to napięcie na 
kondensatorze jest równe 63% napięcia wejściowego: 
 

=

1 − exp −

=

(1 − 0,37) = 0,63

 

 
Oczywiście  sytuacja ta  odnosi się  do  sytuacji  ładowania  kondensatora. W  przypadku jego  rozładowywania szukamy  100%-
63%=37% napięcia wyjściowego. Tak więc, rozpocznijmy rozwiązywanie zadania, od zaznaczenia odpowiednich punktów na 
przebiegach: 

 

Przebieg A – rozładowywanie od 10 V do 0. 37% napięcia wyjściowego po pierwszym tau otrzymujemy na poziomie 3,7 V, po 
czasie około 4 sekund. Wliczając do tego dwusekundowe opóźnienie, otrzymujemy czas 2 sekundy na tau: 

=

          

=

=

1000 

= 0,002 

 
Przebieg B – ładowanie od 1V do 6V. 63% napięcia wyjściowego po pierwszym tau otrzymujemy na poziomie 4,15 V, co daje 
nam czas w okolicy 3 sekundy. Ponieważ przebieg B zaczyna się na początku osi czasu, więc nie musimy modyfikować tau: 

=

         

=

=

3

0,000001

= 3 000 000 

 
Przebieg C – rozładowywanie od 8Vdo 5V. 37% napięcia wyjściowego po pierwszym tau otrzymujemy na poziomie 6,11 V, po 
czasie około 6 sekund. Skoro przebieg C startuje z czasu t=5 sekund, więc czas trwania tau to 1 sekunda. 

=

= 1          

=

1

 

 
 
 

background image

 
 

146 

 

Zadanie 6A.3 
W poniższym układzie przez 1 sekundę włączony jest (tylko) przełącznik S1 a przez następne 0.5 sekundy włączony jest(tylko) 
przełącznik  S2.  Narysować  przebieg napięcia  na  kondensatorze oraz  przebieg  napięcia na  wyjściu  komparatora.  Przyjąć  że 
rezystancja przełączników jest bardzo mała w porównaniu  do  rezystancji opornika. Przyjąć,  że  w chwili  t0 kondensator był 
rozładowany. Zwrócić uwagę na sposób podłączenia komparatora. 

 

Rozwiązanie: 
Nasz  złożony  obwód  na początek  podzielmy  na  dwa  mniejsze.  Jeden,  związany  z  kondensatorem  i  opornikiem  (RC)  i  drugi, 
związany z komparatorem. Należy tutaj podkreślić ważną cechę wzmacniaczy operacyjnych – nieskończenie duża rezystancja 
wejściowa,  przez  co  żaden  prąd  nie  wpływa  do  wzmacniacza.  Dlatego  też  bez  włączonego  S2  mamy  zwykły  obwód  RC, 
którego przebieg możemy obliczyć tak jak i wcześniejsze przypadki: 

 

 

=

1 − exp −

 

= 5            = 100            = 10  

 
Obliczmy teraz 

 dla  = 1 

, czyli dla czasu włączenia przełącznika S1: 

=

1 − exp −

1

100 ∗ 10

=

[1 − exp(−1)] = 0,63

= 0,63 ∗ 5 = 3,15  

 
Jednocześnie okazało się, iż  = 1 

 to także czas trwania tau ( =

= 1). 

 

 

background image

 
 

147 

 

Wykres  ładowania  kondensatora  urywa  się  w  momencie  wyłączenia  S1  i  włączenia  S2    -  robi  się  wtedy  zwarcie  z  masą  i 
natychmiastowe rozładowanie do zera. 
 
W  przypadku  komparatora  mamy  do  czynienia  z  dzielnikiem  napięcia,  który  na  wejściu  posiada  napięcie  5V,  natomiast 
napięcie na wyjściu obliczamy ze wzoru wyprowadzonego w pierwszym zadaniu: 

 

 

=

+

=

10

10 + 10

= 0,5 ∗ 5 = 2,5  

 
Dzięki  temu  wiemy,  że 

  komparatora  ma  napięcie  2,5V.  Gdy  napięcie 

>

,  to  komparator  na  wyjściu  daje  swoje 

napięcie  zasilania  (w  naszym  przypadku  5V).  Ponieważ  z  dzielnika  obliczyliśmy,  że 

= 2,5 ,  więc  wykres  napięcia  dla 

komparatora  będzie  się utrzymywał na poziomie  5V do momentu,  w którym nie  zostanie  przekroczona  ta  wartość dla 

Stąd, wykres napięcia komparatora ma wartość 0V w chwili gdy wykres kondensatora osiąga wartość 2,5V. 

 

 
Reasumując (zacytuję): kondensator - urwana eksponenta, komparator - sygnał prostokątny, na początku 5V, na końcu 5V, a 
gdy na konzatorze jest ponad 2,5V - na komparatorze 0. 
 
Zadanie 6A.4 
Do  ustalenia  czasu  trwania  przerzutnika  monostabilnego  użyto  elementów  o  podanych  niżej  wartościach.  Korzystając  z 
podanego  wzoru  narysować  odpowiedź  (wyjście  Q)  układu  na  podany  sygnał  wejściowy  (A)Przerzutnik  reaguje  na  zbocze 
rosnące. 

= 0,28 

 (1 + 0,7/ ) 

background image

 
 

148 

 

 

 

 

Rozwiązanie: 
Obliczamy  na  początek  stałą  czasową  T,  która  będzie  nam  mówiła  o  długości  impulsu,  jaki  będzie  generował  przerzutnik 
monostabilny na wyjściu Q: 

= 0,28 

  1 +

0,7

≈ 3

 

 
Ponieważ nasz przerzutnik jest monostabilny, reagujący na wzgórze rosnące, więc KAŻDE wzgórze rosnące, które wpłynie do 
wejścia A, spowoduje na wyjściu Q powstanie impulsu o długości 3ms. 
 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

149 

 

ZESTAW B 

Zadanie 6B.1 
Na układach  współrzędnych pokazano  przebiegi  wejściowe dla dzielnika  rezystancyjnego i układu  RC.  Narysować przebiegi 
wyjściowe.  Wyraźnie  zaznaczyć  który  przebieg  któremu  układowi  odpowiada.  Obliczenia  umieścić  pod  rysunkami.  Przyjąć 
napięcie początkowe kondensatorów równe 10V. 
 

 

 
Rozwiązanie: 
Metoda rozwiązania zadania jest taka sama jak w przypadku 6A.1. Poniżej podaję gotowe wyniki: 
 
 

=

+

 

 
 

.  

= 0  

 

.  

=

8

8 + 2

∗ 10 = 8  

 

.  

=

2

2 + 8

∗ 10 = 2  

 

.  

=

5

5 + 5

∗ 10 = 5  

 

 

 
 

background image

 
 

150 

 

 

=

exp −

= 0,37

= 3,7  

 

=

 

 
 

.  

= 1 ∗ 500 = 10 ∗ 500 ∗ 10

= 0,5 

 

.

= 1 ∗ 4

= 10 ∗ 4 ∗ 10

= 4 

 

.

= 1 ∗ 8

= 8 

 

.

 

 (

 

) 

 

 

 
Zadanie 6B.2 
(zadanie praktycznie takie samo jak 6A.2) 
 
Zadanie 6B.3 
W poniższym układzie przez 1 sekundę włączony jest (tylko) przełącznik S1 a przez następne 0.5 sekundy włączony jest (tylko) 
przełącznik S2.  Narysować przebieg napięcia na kondensatorze oraz  przebieg napięcia na  wyjściu  komparatora.  Przyjąć,  że 
rezystancja przełączników jest bardzo mała w porównaniu  do  rezystancji opornika. Przyjąć,  że  w chwili  t0 kondensator był 
rozładowany. Zwrócić uwagę na sposób podłączenia komparatora. 

 

Rozwiązanie: 
Różnicą w stosunku do zadania 6A.3 jest to, że komparator ma zamienione końcówki (+ na -) oraz pojawiają się nie co inne 
wartości  oporów,  źródeł  i pojemności kondensatora.  Obliczmy  napięcie na  kondensatorze 

 dla  = 1 

,  czyli dla czasu 

włączenia przełącznika S1: 
 

=

1 − exp −

1

200 ∗ 5

=

[1 − exp(−1)] = 0,63

= 0,63 ∗ 3 = 1,89  

 
Teraz dzielnik napięcia na ujemnej końcówce komparatora: 

.  

=

1

2 + 1

∗ 3 = 1  

background image

 
 

151 

 

Kondensator osiągnie napięcie 1V po czasie: 

=

1 − exp −

= 1  

 

3 ∗ 1 − exp −

1

= 1 

 

1 − exp(− ) =

1
3

 

exp(− ) =

2
3

 

ln [exp(− )] = ln

2
3

 

= 0,4 

I wykresy: 

 

Zadanie 6B.4 
Do  ustalenia  czasu  trwania  przerzutnika  monostabilnego  użyto  elementów  o  podanych  niżej  wartościach.  Korzystając  z 
podanego  wzoru  narysować  odpowiedź  (wyjście  ~Q  –  zaprzeczenie  Q)  układu  na  podany  sygnał  wejściowy  (A)Przerzutnik 
reaguje na zbocze opadające t. 
 

T = 0,28 RC (1+0,7/R) 

 
Rozwiązanie: 
Musimy teraz pamiętać, że wejście A reaguje na zbocze opadające (oznaczone kółkiem z trójkątem) oraz zapisujemy przebieg 
dla zaprzeczenia Q. Na początek policzmy T: 
 

= 0,28 ∗ 3 ∗ 3,6 ∗ 1 +

0,7

3

= 0,003024 ∗ 1,00023 ≅ 0,003 = 3

 

background image

 
 

152 

 

 

 

 

 
 
PRZEBIEG ĆWICZENIA: 
14)  
Co na start? 

Wedle powszechnie panującej opinii, jest to bodaj najcięższe z ćwiczeń. W każdym razie zaczynamy od… zaskoczenie! 
Od  zbudowania  obwodu!  W  instrukcji  ćwiczenia  mamy  wskazówki  co  z  czym  i  czym  połączyć.  Sprawa  prosta.  Na 
początek  do  górnej  płytki  podłączamy  zasilanie  5V,  a  następnie  łączymy  płytkę  górną  (komparatora)  z  dolną 
(przerzutniki)  tak  jak  na  iluminacji  poniżej.  Oczywiście  schemat  obwodu  jest  jedynie  zarysem,  bowiem  nie  ma 
zaznaczonej  masy  dla  wszystkich  elementów,  czyli  generatora,  dwóch  kanałów  oscylatora  i  zasilania  oraz  brakuje 
zaznaczonego połączenia między górną płytką z komparatorem i dolną płytką z przerzutnikami. 
 
 
 

 

 

background image

 
 

153 

 

 

Jeśli wciąż jest brak jasności to polecam jeszcze drugie ujęcie: 

 

 

15)  Schematy  obwodów  rysujemy  używając  głównie  tego,  co  znajduje  się  na  płytkach,  czyli  wszelakich  symbolicznych 

oznaczeń,  które  na  nich  są  namalowane.  Można  się  jednocześnie  posiłkować  kartkami  z  zadaniami  na  kolokwium. 
Schematy  z  tych  kartek  pomagają  w  uporządkowaniu  bałaganu  jaki  pojawia  się  w  przypadku  dokładnego 
przerysowywania obwodów z płytek. 
 

16)  W zadaniu 3.1 pojawia się obwód z kluczem o rezystancji własnej 1 Ohm. Oczywiście można stwierdzić, że ten jeden 

Ohm  w  porównaniu  do  megaoma  rezystora  sprzed  kondensatora  będzie  miał  tak  niewielki  wpływ,  że  można  go 
pominąć, ale okazuje się, że nie, co było omówione podczas wykładu. 

background image

 
 

154 

 

 

 

17)  W zadaniu 3.3.2) należy multimetrem zmierzyć dzielnik napięciowy, znajdujący się w okolicy komparatora… Ok… Tylko 

gdzie przyłożyć styki multimetru? 

 

 to miejsca przyłożenia styków multimetru. Z jednej strony przykładamy styk do dolnego końca opornika R1, 

natomiast drugi do masy GND (np. tam gdzie zasilanie ma swoją masę). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

155 

 

TEMPERATURA 

 
Ćw. 7: TEMPERATURA 
Zadanie 7.1 
Narysować wykresy w układach współrzędnych po prawej stronie obwodów. 
 

 

 

 
Rozwiązanie: 
OBWÓD PIERWSZY: 
Pierwszy obwód dotyczy stosunku napięcia do natężenia w obwodzie zawierającym 10 omowy opornik: 

 

Otrzymujemy  na  osi  napięcia  3  charakterystyczne  punkty,  według  których  mamy  narysować  wykres.  Oczywiście  należy 
pamiętać  o  tym,  że  oś  x  (napięcia)  nie  jest  liniowa,  stąd  pojawia  nam  się  łuk  na  wykresie  przebiegu.  W  rubryce  równanie 
wpisujemy: 

=

          =

=

10

 

 

background image

 
 

156 

 

OBWÓD DRUGI: 
W  obwodzie  napięcie  w  żaden  sposób  nie  zależy  od  rezystora.  Dlaczego?  Możemy  to  uzasadnić  napięciowym  prawem 
Kirchhoffa (drugie prawo Kirchhoffa), które mówi (mniej-więcej) o tym, że suma wymuszeń (źródeł napięcia) musi być równa 
sumie  spadków  napięcia  na  poszczególnych  elementach  obwodu.  Tak  więc  otrzymujemy  wiadomość,  iż  U=12V=const 
niezależnie  od  zmian  wartości  oporu.  Jak  widać  to  na  drugim  wykresie  (tj.  po  prawej),  wraz  ze  zmianą  oporu  zmienia  się 
natężenie prądu I: 

 

W rubryce równanie możemy wpisać, iż: 

=

         12 =

=

          =

=

12

 

OBWÓD TRZECI: 
Obwód  trzeci  ma  jedno  źródło  napięciowe  i  jedno  prądowe,  plus  opornik.  Cały  zestaw  połączony  jest  szeregowo,  a  więc 
I=1A=const. Zapisujemy dla obwodu prawo bilansu napięciowego: 

=

ź ó ł  

ą

+

 

12 =

ź ó ł  

ą

+

 

W tym miejscu, do wyrysowania pierwszego z wykresów zakładamy, że 

= ∗

= 1 ∗

 

 
W ostatnim wykresie bierzemy pod uwagę źródło prądowe, które determinuje natężenie prądu w obwodzie. 
 
 
Zadanie 7.2 
Podczas  obciążania  rzeczywistego  źródła  napięcia  (zasilacza)  coraz  większym  prądem  (coraz  mniejszą  rezystancją) 
zaobserwowano  spadek  wartości  napięcia  na  jego  wyjściu  (wykres poniżej).  Na  podstawie  wykresu  zależności  napięcia  na 
wyjściu zasilacza od prądu obciążenia policzyć rezystancję wew. zasilacza oraz narysować obwód z uwzględnieniem schematu 
zastępczego zasilacza

.

 

background image

 
 

157 

 

 

 

Rozwiązanie: 
W  przypadku  schematu  zastępczego  rzeczywistego  źródła  napięcia,  otrzymujemy  doskonałe  źródło  napięcia  połączone 
szeregowo z opornikiem R

WEW

 

Nasze napięcie Uz to zarówno napięcie po lewej, jak i prawej stronie obwodu. Z prawa napięciowego wynika, że zarówno 
lewa strona powinna być równa prawej, co zapiszemy w następujący sposób: 

=

 

− ∗

=

 

 
Prąd  w  całym  obwodzie  jest  ten  sam,  ze  względu  na  szeregowe  połączenie  elementów.  Teraz,  korzystając  z  wykresu, 
podstawiamy odpowiednie dane do równania. Na początek weźmy moment, w którym I=0 A, natomiast Uz=5V: 

− 0 ∗

= 5 

= 5  

 
Otrzymujemy informację na temat napięcia źródła. Teraz weźmy sytuację końcową, w której I=6 A, zaś Uz=4V: 

5 − 6 ∗

= 5 

1 = 6

 

=

1
6

 

 
Zadanie 7.3 
A) Narysować wykres zależności prądu od napięcia dla idealnego źródła prądowego 

background image

 
 

158 

 

 

Rozwiązanie: 
Główną  cechą  źródła  prądowego  jest  utrzymywanie  stałego  natężenia  prądu  bez  względu  na  zmianę  napięcia.  Tak  więc 
otrzymujemy, iż I=const. Jedyny problem to założenie ile ma być ten I równy. W rozwiązaniu, na którym się opierałem, wykres 
poprowadzony był na poziomie 4 A, stąd i ja zakładam taką wartość (chyba, że ta wartość skądś się bierze :) ). 
 
B)  Na  podstawie  wykresu  zależności  prądu  od  napięcia na  rzeczywistym  źródle  prądu  policzyć  jego  rezystancję  wew.  Oraz 
narysować z uwzględnieniem schematu zastępczego źródła. 

 

 

Rozwiązanie: 
Rzeczywiste  źródło  prądu  zastępujemy  schematem  z  równolegle  połączonym  idealnym  źródłem  prądu  i  rezystancją 
wewnętrzną. Przeciwnie do schematu zstępczego idealnego źródła napięcia, w przypadku poniższym, im większa rezystancja 
wewnętrzna, tym lepsze źródło prądowe. 

 

 
Prądowe prawo dla tego obwodu zapiszemy jako: 

=

+

 

 

background image

 
 

159 

 

ponieważ prąd z źródła prądowego rozdziela się na prąd opornika i prąd źródła napięcia. Napięcie w przypadku połączenia 
równoległego  „rozpływa  się”  równomiernie,  a  więc  zarówno  na  oporniku,  jak  i  źródle  prądu  będzie  takie  samo  napięcie 
wynikające ze źródła napięcia E: 

=

=

 

 
W momencie gdy U=0, otrzymujemy wiadomość, iż I

R

 również jest zerowe, ponieważ: 

=

=

0

= 0 

 
Dlatego również: 

=

+

= 0 +

= 3,75   

 
Na koniec zajmiemy się jeszcze sytuacją,  w której I=4,25, natomiast U=12V: 

=

=

12

4,25 − 3,75

=

12

0,5

= 24 

 
Zadanie 7.4 
Czujnik  PT100  wpięto  w  obwód  jak  poniżej  i  wystawiano  kolejno  na  działanie  trzech  temperatur.  Policzyć  jakie  napięcia 
odkładały się na czujniku. 

 

Rozwiązanie: 
Czujnik  PT100  charakteryzuje  się  tym,  iż  w  zerowej  temperaturze  ma  opór  100  om.  Ponieważ  w  obwodzie  mamy  źródło 
prądowe, więc otrzymujemy następujące równanie na napięcie na czujniku: 

=

∗ = 100 ∗ 0,001 = 0,1  

 
Oczywiście  zmiany  oporu  na  takim  termorezystorze  są  bardzo  niewielkie  wraz  z  wzrostem  temperatury  otoczenia,  co 
przedstawia poniższa charakterystyka dla PT100: 

 

PT100 

t [°C] 

+5 

+10 

+15 

+20 

-25 

90,15 

92,13  94,10  96,07  98,04 

100,00  101,95 103,90 105,85 107,80 

25 

109,74  111,68 113,61 115,54 117,47 

50 

119,40  121,32 123,24 125,16 127,08 

75 

129,00  130,91 132,81 134,70 136,60 

100  138,50  140,40 142,29 144,18 146,07 
125  147,95  149,83 151,71 153,59 155,46 

Źródło: Polska Norma PN-59/M-53852.

 

 

 
 
 

background image

 
 

160 

 

Zadanie 7.5 
Czujnik  PT100 umieszczono w  temperaturze  0  C° i  podłączono do  obwodu pomiarowego  za pomocą  dwóch przewodów  o 
rezystancji  6Ω  każdy.  Jaką  temperaturę  wyliczymy  mierząc  napięcie  woltomierzem  V1  a  jaką  woltomierzem  V2.  Przyjąć 
rezystancję przewodów pomiarowych woltomierzy za pomijalnie małą. 

 

Rozwiązanie: 
Na początek obwód zastępczy: 

 

 

Woltomierz pierwszy V1 mierzy napięcie na wszystkich trzech opornikach (dwa R i termorezystor PT100), natomiast V2 jest 
ustawiony na pomiar jedynie czujnika PT100. Dla naszego obwodu możemy zapisać następujące prawo napięciowe: 

=

+

+

+

 

czyli napięcie ze źródła rozpływa się na źródle prądowym, pierwszym oporniku (przewód o rezystancji 6 om), czujniku Pt100 i 
drugim oporniku (przewód o rezystancji 6 om). Prądowego prawa nie ma sensu zapisywać, ponieważ źródło prądu powoduje, 
że  
= 1

=

. Teraz pytanie, co pokażą woltomierze. Przekształćmy tak nasze wyrażenie by uzyskać odpowiedź: 

=

+ 2 +

 

= 1 

 
Wiedząc jaki jest opór kabli, możemy obliczyć napięcie na dwóch opornikach: 

= ∗

= 1

∗ 6 = 0,001 ∗ 6 = 0,006  

 
Następnie wiemy, że opór Pt100 w 0

o

C jest równy 100 om: 

= ∗

= 0,001 ∗ 100 = 0,1  

 
Znając poszczególne napięcia możemy zapisać, iż: 

1 = 0,006 ∗ 2 + 0,1 = 0,012 + 0,1 = 0,112  

2 = 0,1  

 

background image

 
 

161 

 

W  przypadku  woltomierza  V2  otrzymamy  prawidłowe  wskazanie  temperatury,  czyli  0

o

C.  Natomiast  w  przypadku  0,112V 

użyjemy wzoru ( = 0,00391): 

( ) =

(1 +

) 

 

=

( ) −

=

112 − 100

100 ∗ 0,00391

= 30,69 

  
Zadanie 7.6 
W  warunkach  takich  samych  jak  w  poprzednim  zadaniu  woltomierz  połączono  z  PT100  za  pomocą  takiej  samej  pary 
przewodów  jak  Pt100  z  obwodem  pomiarowym  (2  x  6Ω).  Ile  wyniesie  różnica  między  napięciem  na  PT100  a  wskazaniem 
woltomierza? Odpowiedź uzasadnić. 

 

Rozwiązanie: 
Nie wiem czy schemat zastępczy jest rozrysowany poprawnie, aczkolwiek jeśli jest, to prosiłbym o jakieś mądre wnioski. :P Ofc 
mam  swoją  interpretację,  ale  ponieważ  wydaje  się  ona  być  nie  co  wątpliwa  więc  jej  tu  nie  umieszczę.  Być  może,  dla 
niektórych  wskazówką  w  toku  myślenia  będzie  następujące  rozwiązanie  (początek  fragmentaryczny,  bowiem  nie  mogłem 
doczytać): 
 
„…spadek  napięcia  jak…  …ponieważ  to,  że  podpięto  woltomierz  kablami  o  sumarycznym  oporze  12  om  nie  gra  roli  przy 
nieskończonym oporze woltomierza.” 

 

 

background image

 
 

162 

 

 
 
 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

W przypadku błędów w notatce lub pytań i sugestii, proszę kontaktować się z autorem.  

Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej. 

mail – michalgasior89@gmail.com 

www - http://student.agh.edu.pl/~bonesaaa/ 

Pozdrawiam, 

Mike (BNS).