Elektronika analogowa Teoria Elementy RLC




Elektronika analogowa - Teoria - Elementy RLC









A.etykieta {
COLOR: #cc0099
}















archiwum         literatura         linki         księga
gości         kontakt





Rezystory - Łączenie
rezystorów - Dzielnik
napięcia - Potencjometr -
Kondensatory -
Łączenie
kondensatorów - Rozładowanie
kondensatora - Ładowanie
kondensatora - Cewka indukcyjna -
Transformator

Elementy bierne takie jak: R -
rezystory, C - kondensatory i L - cewki indukcyjne to najczęściej
spotykane elementy w elektronice, a w szczególności
elektronice analogowej.



     
Elementy te posiadają ciekawe i bardzo przydatne charakterystyki
prądu I w funkcji napięcia U czy też napięcia
w funkcji prądu. Dla rezystora prąd I jest wprost proporcjonalne
do napięcia U, dla kondensatora prąd I jest proporcjonalny do
szybkości zmian napięcia, natomiast dla cewki indukcyjnej napięcie
U jest proporcjonalne do szybkości zmian prądu.   
  Z tych krótkich opisów można wywnioskować, że kondensatory
i cewki indukcyjne są właściwie bezużyteczne w obwodach prądu
stałego, gdzie nie ma mowy o żadnych zmianach prądu czy
napięcia.      Dla pełnego zrozumienia mechanizmów
jakie rządzą elementami takimi jak kondensator i cewka indukcyjna
przydałoby się trochę więcej wiedzy matematycznej, chociaż nie jest to
niezbędne. Wystarczy zapamiętać wzory, które będą potrzebne do obliczania
i analizowania układów.      Dla bardziej
dociekliwych polecam dział trochę
matematyki lub odpowiednią literaturę.

















Rezystory to elementy dwukońcówkowe
o właściwości dającej się opisać równaniem R=U/I (znane prawo Ohma). Jeżeli
U wyrazi się w woltach V, a I w amperach
a to R będzie wyrażone w omach W. Na schematach ideowych rezystor jest
zwykle przedstawiany tak jak na rys. 2.1 lub rys. 2.2.

rys. 2.1
rys. 2.2
















      Patrząc na
równanie opisujące rezystor można powiedzieć, że przy ustalonym napięciu,
zmieniając wartość rezystora zmieniamy wartość prądu płynącego przez ten
rezystor i odwrotnie, jeżeli przez rezystor płynie stały prąd (np. ze
źródła prądowego) to zmieniając wartość rezystora zmieniamy napięcie na
rezystorze. Można więc powiedzieć, że rezystor to element, który służy do
przetwarzania napięcia w prąd i odwrotnie.   
  Najistotniejszymi parametrami rezystorów są:- rezystancja
znamionowa - podawana zwykle w W, kW lub MW,- tolerancja rezystancji
(dokładność) - podawana w procentach,- moc znamionowa - moc,
którą może rezystor rozproszyć,- współczynnik temperaturowy
rezystancji TWR,- napięcie znamionowe.     
Zastosowań rezystorów jest bardzo dużo. Stosuje się je we wzmacniaczach
jako elementy sprzężenia zwrotnego, z tranzystorami do ustalania ich
punktu pracy, w połączeniu z kondensatorami pracują
w układach filtrów, ustalają wartości napięć i prądów
w wybranych punktach układu.      Rezystory
produkowane są z różnych materiałów, ale najbardziej popularne są
rezystory węglowe, które jednak ze względu na zbyt małą stabilność nie
nadają się do zastosowania w układach, które muszą odznaczać się
wysoką stabilnością i precyzją. Do takich celów lepiej nadają się
rezystory metalizowane.

Zdjęcie przedstawia
rezystory:a) metalizowany, b) drutowy,c) węglowy, d) drabinka
rezystorowa,e) grubowarstwowy.

      Aby porównać
parametry różnych typów rezystorów oraz poznać sposób znakowania
i szeregi wartości rezystancji zajrzyj do działu katalogi. 
    Na schematach ideowych układów elektronicznych stosuje się
różne sposoby zapisu wartości rezystancji i tak np.:- jeden W można zapisać jako 1W, 1R, 1E lub 1,- tysiąc W można zapisać jako 1kW lub 1k,- tysiąc dwieście W można zapisać jako 1,2kW, 1,2k lub 1k2.



Szeregowe i równoległe łączenie
rezystorów. Z prawa Ohma, które można zapisać R=U/I, wynikają następujące właściwości
rezystorów:- rezystancja zastępcza dwóch rezystorów połączonych
szeregowo (rys. 2.3) wynosi:
R=R1+R2czyli
przez szeregowe połączenie rezystorów zawsze otrzymuje się większą
rezystancję,

rys. 2.3




- rezystancja zastępcza dwóch
rezystorów połączonych równolegle (rys 2.4) wynosi:




rys. 2.4

czyli przez równoległe łączenie
rezystorów zawsze otrzymuje się mniejszą rezystancję.



Oczywiście należy przytoczone
właściwości uogólnić i tak dla większej niż dwa ilości rezystorów
prawdziwe są wzory:





     
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć, że wypadkowa
rezystancja dwóch rezystorów różniących się znacznie od siebie jest
w przybliżeniu równa, dla połączenia szeregowego tych rezystorów,
rezystancji o większej wartości, a dla połączenia równoległego
tych rezystorów, rezystancji o mniejszej wartości. Warto również
zauważyć, że rezystancja wypadkowa n rezystorów o takiej samej
rezystancji R1, połączonych równolegle wynosi R=R1/n.Abyś się przekonał na ile
istotne są te informacje proponuję abyś przeanalizował przykład
2.1 z działu zadania
i przykłady.



Dzielnik napięcia jest układem, który
jak sama nazwa już sugeruje dzieli napięcie doprowadzone do jego wejścia,
czyli jest to układ, którego napięcie wyjściowe jest częścią napięcia
wejściowego.      Przykład dzielnika jest pokazany na
rys. 2.5, jak widać są to po prostu dwa rezystory połączone szeregowo.
Napięcie wejściowe doprowadzone jest do rezystorów R1 i R2, natomiast
wyjściowe jest równe spadkowi napięcia na rezystorze R2.   
  Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco:-
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest
obciążone jakąś rezystancją), czyli





- napięcie na R2, czyli wyjściowe
jest równe:

rys. 2.5




Jak widać ze wzoru wartość napięcia
wyjściowego jest zawsze mniejsza (lub równa, gdy R1=0) od napięcia
wejściowego.










rys. 2.6
rys.
2.7

Potencjometr jest to rezystor
o zmiennej rezystancji (rys. 2.6). Jest to element o trzech
końcówkach. Trzecia końcówka (suwak) jest wyjściem potencjometru.
Potencjometr zwykle pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia.
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1
i R2 (rys. 2.7). Na zdjęciu obok przedstawiony jest potencjometr do
montażu pionowego firmy PIHER.      Chcąc bliżej poznać
parametry i wygląd różnych potencjometrów zobacz co jest
w dziale katalogi.






Kondensatory to podobnie jak
rezystory, elementy dwukońcówkowe o właściwości dającej się opisać
równaniem Q=C*U, gdzie:- Q jest ładunkiem
wyrażonym w kulombach,- U jest napięciem między końcówkami
kondensatora,- C jest pojemnością kondensatora podawaną
w faradach.Kondensatory są zbudowane z dwóch przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem). 
    Kondensator jest to element, który posiada zdolność
gromadzenia ładunku. Patrząc na równanie, które go definiuje można
powiedzieć, że kondensator o pewnej pojemności C i napięciu
U zawiera ładunek Q na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany
ładunek -Q na drugiej okładce.      Na schematach
ideowych kondensator jest zwykle przedstawiany tak jak na rys. 2.8 - dla
kondensatorów niespolaryzowanych i tak jak na rys. 2.9 - dla
kondensatorów spolaryzowanych np. tantalowych czy elektrolitycznych.

rys. 2.8
rys. 2.9




      Kondensator jest
elementem nieco bardziej skomplikowanym niż rezystor, gdyż prąd płynący
przez niego nie jest wprost proporcjonalny do napięcia lecz do szybkości
jego zmian i dlatego można napisać:





Z tego wzoru (jeśli czegoś nie
rozumiesz to zajrzyj do działu trochę
matematyki) można zauważyć, że jeśli na kondensatorze
o pojemności 1F napięcie będzie się zmieniało z prędkością 1V/s,
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A. Można powiedzieć
również odwrotnie, że gdy przez taki kondensator przepływa prąd
o natężeniu 1A to napięcie na nim zmienia się z prędkością
1V/s.      Najistotniejszymi parametrami kondensatorów
są:- pojemność - podawana zwykle w mF, nF lub pF,- tolerancja
pojemności (dokładność) - podawana w procentach,- napięcie
znamionowe.



      Zastosowań
kondensatorów, podobnie jak rezystorów, jest bardzo dużo. Stosuje się je
w filtrach, do blokowania napięć zasilających, w układach
kształtowania impulsów, do oddzielania składowych stałych sygnałów,
w układach generatorów, w układach zasilaczy, czy też do
gromadzenia energii. Zdolność do gromadzenia energii wykorzystana jest np.
w urządzeniach medycznych zwanych w defibrylatorami, gdzie
gromadzi się energię w kondensatorze potrzebną do pobudzenia serca do
pracy.












      Podobnie jak
zastosowań również typów kondensatorów jest wiele. Można dla przykładu
wymienić następujące typy kondensatorów: mikowy, ceramiczny, poliestrowy,
styrofleksowy, poliwęglanowy, polipropylenowy, teflonowy, olejowy,
tantalowy, elektrolityczny.      Aby porównać parametry
różnych typów kondensatorów oraz poznać sposób znakowania i szeregi
wartości pojemności zajrzyj do działu katalogi. 
    Na schematach ideowych układów elektronicznych stosuje się
różne sposoby zapisu wartości pojemności i tak np.:

Zdjęcie
przedstawia kondensatory:a) elektrolityczny, b) tantalowy,c)
polyestrowy, d) ceramiczny,e) styrofleksowy.

- sto pikofaradów można zapisać jako
100pF, 100p, lub 100,- sto mikrofaradów można zapisać jako 100mF lub 100m,- sto nanofaradów można zapisać
jako 100nF, 100n, 0,1m, 0m1.



Szeregowe i równoległe łączenie
kondensatorów.Dla dwóch kondensatorów połączonych szeregowo
wzór na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzór na rezystancję
zastępczą rezystorów połączonych równolegle. Pojemność zastępcza dwóch
kondensatorów połączonych szeregowo (rys. 2.10) wynosi:

rys. 2.10





czyli przez szeregowe połączenie
kondensatorów zawsze otrzymuje się mniejszą pojemność.



Dla dwóch kondensatorów połączonych
równolegle wzór na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzór na
rezystancję zastępczą rezystorów połączonych szeregowo. Pojemność
zastępcza dwóch kondensatorów połączonych równolegle (rys. 2.11)
wynosi:
C=C1+C2

rys. 2.11

czyli przez równoległe połączenie
kondensatorów zawsze otrzymuje się większą pojemność.   
  Jeżeli jesteś zainteresowany tym skąd wzięły się powyższe wzory to
spróbuj przeanalizować przykład
2.4 z działu zadania
i przykłady.      Podane wcześniej wzory
należy podobnie jak dla rezystorów uogólnić i wtedy będą miały
postać:









Rozładowanie kondensatora w układzie
RC. Na rys. 2.12 pokazany jest najprostszy układ RC.
Kondensator C został naładowany do napięcia U0, jeżeli do tak
naładowanego kondensatora zostanie w chwili t=0 dołączony rezystor R
(po zamknięciu wyłącznika W), to:




rys. 2.12

Jest to równanie różniczkowe (patrz
dział trochę
matematyki), którego rozwiązaniem jest:






Z powyższego wzoru widać, że
naładowany kondensator, obciążony rezystorem zostanie rozładowany,
a krzywa rozładowania obwodu RC będzie wyglądała tak jak na rys.
2.13.      Iloczyn R*C jest nazywany stałą czasową
t, jeżeli R będzie podawane
w omach, a C w faradach to jednostką stałej czasowej będzie
sekunda. Stałą A można wyliczyć
z warunków początkowych, czyli dla t=0 to U=U0,
z czego wynika, że A=U0.     
Wzór na rozładowanie kondensatora można więc zapisać następująco:

rys. 2.13





Ładowanie kondensatora w układzie
RC. Na rys. 2.14 pokazany jest układ, w którym po
zamknięciu wyłącznika w w chwili t=0, rozpocznie się ładowanie
kondensatora C poprzez rezystor R. Kondensator C będzie ładowany prądem
I z baterii o napięciu Uwe. Można to zapisać
w postaci równań:





rys. 2.14

Ostatnie równanie jest równaniem
różniczkowym, którego rozwiązaniem jest:






      Jak widać ze
wzoru kondensator C zostanie naładowany do wartości Uwe dla t znacznie większego
od RC, co jest uwidocznione na rys.2. 15 w postaci krzywej ładowania
kondensatora.      Wartość stałej A wylicza się uwzględniając warunki
początkowe, czyli w chwili t=0. Wówczas U=0, a więc A=-Uwe. Ostatecznie otrzymuje
się wzór na ładowanie kondensatora w układzie RC:




rys. 2.15

     
Zarówno układ, ładowania jak i rozładowania kondensatora dążą do
równowagi, to znaczy do stanu gdy U jest równe Uwe. Taki
stan jest osiągany dla czasu znacznie większego od stałej czasowej t=RC. Z doświadczenia wynika, że
czas taki to t=5RC. Po tym czasie napięcie na kondensatorze osiąga swoją
końcową wartość z dokładnością 1%. Jeżeli wówczas zmieni się wartość
napięcia Uwe na przeciwną to napięcie U będzie dążyć do
tej nowej wartości.



tab. 2.1


Dokładność
37%
10%
1%
0,1%

Czas
t
2,3t
4,6t
6,9t




     
W tabelce 2.1 pokazana jest zależność dokładności ustalania napięcia
na kondensatorze od czasu ustalania.      Na rys. 2.16
pokazany jest przykładowy przebieg dla układu RC z rys. 2.14
z tym, że zamiast napięcia wejściowego w postaci baterii
i wyłącznika podany został sygnał prostokątny o okresie T=10RC.
Można zauważyć, że przebieg na kondensatorze składa się kolejno
z "krzywych ładowania i rozładowania kondensatora" (porównaj
z rys. 2.15 i 2.13).

rys. 2.16






Cewka indukcyjna (rys. 2.17) jest
elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym.
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego
na niej napięcia. Zależność tą można wyrazić wzorem:

rys. 2.17









gdzie L czyli indukcyjność jest najważniejszym
parametrem cewki indukcyjnej. Indukcyjność podaje się w henrach H, w praktyce używa się najczęściej
mH i mH.   
  Z podanego wzoru widać, że doprowadzenie do cewki napięcia
stałego spowoduje narastanie prądu. Jeżeli więc do cewki
o indukcyjności 1H przyłoży się napięcie 1V to prąd, który popłynie
przez cewkę będzie narastał z prędkością 1A/s.   
  Symbol cewki indukcyjnej (rys. 2.17) przypomina spiralę i tak
jest w rzeczywistości, gdyż cewka jest spiralą z drutu nawiniętą
na rdzeniu. Różnice między cewkami dotyczą głównie rdzenia, na którym są
nawinięte. Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność
cewki. Rdzenie są budowane z żelaza lub ferrytu (jest to
nieprzewodzący materiał magnetyczny) i mogą mieć przeróżne kształty
np.: toroidu czyli pierścienia, prętu, "kubka" itd.   
  Cewki mają wiele zastosowań szczególnie w układach radiowych
w różnych filtrach i dławikach wielkiej częstotliwości (w.cz.),
w obwodach rezonansowych, generatorach czy też w układach
kształtujących impulsy.

Zdjęcie
przedstawia cewki indukcyjne:a) na rdzeniu toroidalnym,b) na
rdzeniu walcowym.






Transformator (rys. 2.18) jest
urządzeniem składającym się z dwóch silnie sprzężonych ze sobą
uzwojeń (cewek), nawiniętych na wspólnym rdzeniu, nazywanych uzwojeniem
pierwotnym i wtórnym.      Jeśli do uzwojenia
pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1to zmieniać się będzie tak
samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie
napięcia zmiennego U2w
uzwojeniu wtórnym. Napięcie to będzie miało taki sam kształt jak napięcie
w uzwojeniu pierwotnym, a amplitudę wprost proporcjonalną do
przekładni transformatora. Można to zapisać wzorem:

rys. 2.18







gdzie: - n jest przekładnią zwojową
transformatora,         -
n1 jest liczbą zwojów
w uzwojeniu
pierwotnym,         -
n2 jest liczbą zwojów
w uzwojeniu wtórnym,



Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie
obniżał napięcie.      Stosunek prądu I2 płynący w uzwojeniu
wtórnym transformatora i prądu I1 płynącego w uzwojeniu
pierwotnym jest odwrotnie proporcjonalny do przekładni zwojowej
transformatora, co można zapisać następująco:






      Korzystając
z dwóch powyższych wzorów i wzoru na moc można wykazać, że
w idealnym transformatorze (bez strat) moc po obu stronach
transformatora jest taka sama. Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość
transformatorów, jest to transformacja impedancji według poniższego
wzoru:

Zdjęcie przedstawia
przykłady transformatorów:a) transformator sieciowy,b)
transformator z rdzeniem typu RM.




gdzie: - Z1 jest impedancją po stronie pierwotnej
transformatora,           -
Z2 jest impedancją po stronie
wtórnej transformatora.Właściwość ta wykorzystywana jest
w transformatorach małej częstotliwości (m.cz.) do dopasowywania
impedancji pomiędzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub też do dopasowania
impedancji między wzmacniaczem i głośnikiem.     
Transformatory, z którymi mamy najczęściej do czynienia to
transformatory sieciowe. Transformatory te mają do spełnienia dwie
podstawowe funkcje w urządzenizch elektronicznych:- zmieniają
napięcie sieciowe (220V 50Hz) na niższe,- izolują układ elektroniczny
od części sieciowej, oznacza to, że nie ma połączenia elektrycznego między
siecią, a układem elektronicznym zasilanym z obniżonego
napięcia.



zadania i
przykłady







Literatura:

"Sztuka elektroniki" -
P.Horowitz i W.Hill"Układy półprzewodnikowe" - U.Tietze i
Ch.Schenk







nowości na stronie |
elektronika w kraju i na
świecie | nowe elementy i
podzespoły | ciekawe rozwiązania
układowe | katalogi | schematy | teoria -
wstęp | podstawowe prawa |
elementy RLC | diody | tranzystory | źródła
napięcia i prądu | wzmacniacze operacyjne
| elementy
optoelektroniczne | filtry i generatory |
stabilizatory | zasilacze | zadania
i przykłady | trochę matematyki |


© Copyright 2001 - http://www.elektronika.qs.pl/     









Wyszukiwarka