WST
P DO ELEKTRONIKI
Część I

Napięcie, natężenie i moc prądu elektrycznego

Sygnały elektryczne i ich klasyfikacja

Rodzaje układów elektronicznych
Janusz Brzychczyk IF UJ
Elektronika
Dziedzina nauki i techniki zajmujÄ…ca siÄ™ wytwarzaniem i przetwarzaniem
sygnałów w postaci prądów i napięć elektrycznych lub pól elektromagnetycznych.
(Wikipedia)
Dziedzina nauki i techniki wykorzystująca zachowanie się elektronów
w próżni, gazach i ciałach stałych.
(Encyklopedia Techniki, WNT)
Elektronika to sterowanie przepływem elektronów

w próżni (np. lampy elektronowe, kineskop, mikroskop elektronowy)

w gazach (np. lampa neonowa, detektor gazowy)

w ciałach stałych (np. elementy półprzewodnikowe ą dioda, tranzystor...)
tak aby osiągnąć odpowiedni efekt np. wzmocnienie, oscylacje, prostowanie...
Elektronika zajmuje siÄ™ zastosowaniem zjawisk elektromagnetycznych
do przesyłania, przetwarzania i gromadzenia informacji.
Prąd elektryczny ą napięcie, natężenie
I
I
+
-
- +
- +
+
-
+
- -
+
-
+
+
-
-
+
Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków.
Natężenie prądu (symbol: I, i) wyraża szybkość przepływu
ładunku elektrycznego przez poprzeczny przekrój przewodnika:
dQ
I =
dt
amper [A] = [C/s]
Jednostka (układ SI)
Napięcie elektryczne (symbol: U, u niekiedy E ) :
Różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami układu.
U = ´Ä… -´Ä…B
AB A
Jednostka napięcia:
wolt [V]
B
A
Napięcie wytworzone przez generatory prądu (ogniwa, baterie, fotoogniwa, termopary...)
bywa również nazywane siłą elektromotoryczną (SEM).
Często mówimy o napięciu w danym punkcie układu.
Wyrażenie to rozumiane jest jako napięcie między danym punktem a masą.
B
A
U U
A B
Ä…masaº
(potencjał Ziemi = 0)
Prawo Ohma
U
R
I
U
I =
R
R ą opór elektryczny (rezystancja)
Jednostka rezystancji:
Om (Ohm) [Wð]
Moc pobierana przez urzÄ…dzenie
U t
śą źą
I t
śą źą
Moc chwilowa: P t = U t I t
śą źą śą źą śą źą
Jednostka:
Moc średnia w przedziale czasu (t1 , t2 ):
wat [W] = [VFáA]
t2
1 1 = [J/s]
Ä…
P t1 ,t2 = U śątźą I śątźą dt = W t1 ,t2
śą źą +" śą źą
t1
śąt -t1źą śąt -t1źą
2 2
Praca wykonana przez prÄ…d w przedziale czasu (t1 , t2 ):
t2
dżul [J] = [VFáAFás]
W t1 ,t2 = U t I t dt
śą źą śą źą
+"
śą źą
t1
Praca prądu zamienia się w ciepło (oporniki), lub też w pracę mechaniczną (silniki),
energiÄ™ promieniowania (lampy, nadajniki), energiÄ™ zmagazynowanÄ… (kondensatory,
baterie).
Sygnały elektryczne
Sygnał definiowany jest jako funkcja czasowa (i przestrzenna) dowolnej wielkości
o charakterze energetycznym, w którym można wyróżnić dwa elementy:
nośnik i parametr informacyjny.
W zależności od rodzaju nośnika wyróżnia się sygnały elektryczne, magnetyczne,
elektromagnetyczne (w tym świetlne), akustyczne, mechaniczne, cieplne.
Parametrem informacyjnym może być np. amplituda, częstotliwość, faza, szerokość
impulsu.
Sygnały elektryczne: U t ,Śą , I t , Śą , Q t , Śą
x x x
śą źą śą źą śą źą
W układach skupionych czyli takich, których
rozmiary są znacznie mniejsze od długości fali,
sygnały mogą być traktowane jako funkcje jedynie czasu:
U t , I t
śą źą śą źą
Klasyfikacja sygnałów
U(t)
Sygnał analogowy
(ciągły w wartościach i w czasie)
t
U(t)
Sygnał spróbkowany
(ciągły w wartościach,
dyskretny w czasie)
t
Klasyfikacja sygnałów
U(t)
Sygnał skwantowany
(dyskretny w wartościach,
ciągły w czasie)
t
U(t)
Sygnał cyfrowy
(dyskretny w wartościach i w czasie)
t
Sygnał okresowy
Sygnałem okresowym jest sygnał powtarzający się
w równych odstępach czasu nazywanych okresem sygnału.
U tƒÄ…T = U t
śą źą śą źą
U(t)
t
T
Okres sygnału: T
1
Częstotliwość: jednostka: Herc [Hz] = [1/s]
f =
T
Przykłady sygnałów analogowych
U(t)

Sygnał harmoniczny
(sinusoidalny) t
U(t)

Fala prostokÄ…tna
t
U(t)

Fala trójkątna
t
U(t)

Fala piłowa
t
Przykłady sygnałów analogowych
U(t)

Liniowo narastajÄ…ce
napięcie
t
U(t)

Impuls (prostokÄ…tny)
t
U(t)

Skok
t
U(t)

Szpilka
t
Przykłady sygnałów analogowych
u(t)

Przebieg sinusoidalny
zmodulowany
amplitudowo (AM)

Przebieg sinusoidalny
zmodulowany
częstotliwościowo (FM)
Sygnały harmoniczne (sinusoidalne)
u(t)
T
u(t) = A sin (wð t + jð)
lub
u(t) = A cos (wð t + jð© )
gdzie jð© = jð -ð pð /2
A Ä… amplituda pð pð 2 pð
wð wð
wð
(wð t + jð) Ä… faza
wð Ä… czÄ™stość (czÄ™stość koÅ‚owa)
jð - faza poczÄ…tkowa (przesuniÄ™cie fazowe)
Zapis w postaci eksponencjalnej
wð
Częstotliwość: f =
z wykorzystaniem liczb zespolonych:
2pð
1
j ÎÄ…tƒÄ… ÔÄ…
śą źą
2pð
cosśąÎÄ…tƒÄ… Ôąźą = [e ƒÄ… e- j śąÎÄ…tƒÄ… Ôąźą]
Okres: T = 1 / f =
wð
2
j ÎÄ…tƒÄ… ÔÄ…
śą źą
cosśąÎÄ…tƒÄ… Ôąźą = ![e ]
j Ä… jednostka urojona
Sygnały impulsowe
u(t)
+
(4)
(3)
t
 (1)
(2)
Podstawowe parametry:
amplituda, szerokość impulsu.
W rzeczywistości sygnał ma
skończony czas narastania:
Impulsy o polaryzacji dodatniej: (1), (2)
Impulsy o polaryzacji ujemnej: (3), (4)
100 %
90 %
Impulsy dodatnie: (1), (4)
Impulsy ujemne: (2), (3)
t
10 %
0
tr Ä… czas narastania
Przykład sygnału cyfrowego
Sygnał czterobitowy, szeregowy:
Układy elektroniczne
Układem elektronicznym nazywamy układ zbudowany z elementów
elektronicznych realizujący określoną funkcję.
Podstawowym zadaniem układów elektronicznych jest generacja, transmisja,
przetwarzanie i zapis sygnałów.
Często układy elektroniczne dzielimy na:

analogowe

cyfrowe

konwertery (zamieniające wielkość analogową na cyfrową - ADC,
lub wielkość cyfrową na analogową - DAC)
Przykład układu analogowego:
Sygnał
Sygnał
wejściowy
wyjściowy
Wzmacniacz
Typowe układy elektroniczne stosowane w pomiarach
Sterowanie
np. ogrzewaniem
Badany
Elektroniczny
Konwerter
obiekt
Detektor
Komputer
układ analogowy
Analog / Cyfra

Detektor (czujnik) ą zamienia wielkość mierzoną na jeden z parametrów elektrycznych
np. temperatura ®ð napiÄ™cie
natężenie Å›wiatÅ‚a ®ð opór elektryczny
stężenie jonów ®ð natężenie prÄ…du

Układy analogowe ą wzmacniają sygnał, filtrują, formują przebiegi...

Konwertery ą zamieniają wielkość analogową na cyfrową