Podstawy elektrotechniki i elektroniki

1. Podstawowe elementy obwodów elektrycznych: źródła napięcia, rezystancja, pojemność, indukcyjność, indukcyjność wzajemna. Prawa Kirchhoffa. Obwody prądu stałego i sinusoidalnie zmiennego, metoda symboliczna, moc w obwodach prądu stałego i zmiennego. Obwód RLC, rezonans, filtry: dolnoprzepustowy i górnoprzepustowy

Obwód elektryczny - układ źródeł prądu i napięcia, przewodów elektrycznych, przez które prąd może bez przerwy płynąć, oraz rozmaitych elementów obwodów elektrycznych elementów aktywnych lub pasywnych obwodu jak rezystory, kondensatory, cewki (zwojnice), diody, wzmacniacze, transformatory, itp.

Źródło napięcia definiowane jest jako element dwuzaciskowy, na którego zaciskach panuje zawsze taka sama różnica potencjałów, czyli inaczej mówiąc napięcie, niezależnie od dołączonego do tych zacisków obciążenia. Oczywiście jest to prawdziwe dla tzw. idealnego źródła napięcia pozbawionego rezystancji wewnętrznej R_W

Rezystancja (opór) R jest miarą oporu czynnego, z jakim element przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

Pojemnością elektryczną odosobnionego przewodnika nazywamy wielkość fizyczna C równą stosunkowi ładunku q zgromadzonego na przewodniku do potencjału
tego przewodnika.

Odosobniony przewodnik to ciało znajdujące się w tak dużej odległości od innych ciał, że wpływ ich pola elektrycznego jest pomijalny. Jednostką pojemności elektrycznej jest farad.

Pojemność wzajemna dwóch naładowanych przewodników, zawierających ładunki q i -q

Indukcyjność- określa zdolność obwodu do wytwarzania strumienia pola magnetycznego φ powstającego w wyniku płynięcia przez obwód prądu i.

Indukcyjność wzajemna, oznaczana jako M, jest to miara sprzężenia magnetycznego pomiędzy dwoma obwodami elektrycznymi otoczonymi polami magnetycznymi wzajemnie się przenikającymi.

Prawo Kirchoffa- dwa prawa dotyczące obliczania natężeń i napięć stałego prądu elektrycznego w obwodach elektrycznych,

I prawo to brzmi: Suma algebraiczna natężeń prądów dopływających(+) i odpływających(-) z danego węzła jest równa 0. lub Suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.

II prawo Suma wartości chwilowych sił elektromotorycznych występujących w obwodzie zamkniętym równa jest sumie wartości chwilowych napięć elektrycznych na elementach pasywnych tego obwodu:

Obwód RLC- RLC jest skrótowym oznaczeniem dla obwodów elektrycznych (w tym elektronicznych) składających się tylko z trzech podstawowych elementów pasywnych:

• rezystora, oznaczanego przez R (rezystancja)- opornik

• cewki, oznaczanej przez L (indukcyjność)-

• kondensatorów, oznaczanych przez C (pojemność)

2. Klasyfikacja metod pomiarowych. Mierniki wskazówkowe: zasada działania, przyrządy magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrodynamiczne. Woltomierz, amperomierz, watomierz.

Pomiary pośrednie- wielkośc mierzonej otrzymuje się pośrednio z pomiarów bezpośrednich innych wielkości związanych bezpośrednio z wielkościa mierzoną.

Pomiary bezpośrednie- wartośc mierzoną otrzymuje się bezpośrednio, bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń; bez brania poprawek np. ze względu na temperaturę

Magnetoelektryczne - to przyrządy pomiarowe służące do mierzenia natężenia prądu elektrycznego stałego; amperomierz i woltomierz

Elektromagnetyczne- Urządzenia wytwarzające pola elektromagnetyczne; Woltomierz elektromagnetyczny służy do pomiaru napięć przemiennych

Elektrodynamiczne- Woltomierz elektrodynamiczny ma zastosowanie przy pomiarach napięć stałych i przemiennych.

Woltomierz- jest to przyrząd pomiarowy za pomocą, którego mierzy się napięcie elektryczne (jednostka wolt).

Amperomierz- służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego. W zależności od zakresu amperomierza używane są też nazwy: kiloamperomierz, miliamperomierz, mikroamperomierz

Watomierz- jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru mocy czynnej

3. Metody pomiaru napięcia, mocy czynnej, rezystancji, indukcyjności i pojemności: metody techniczne, porównawcze, mostkowe, kompensacyjne.

Pomiar natężenia prądu - najprostszą metodą pomiaru jest metoda bezpośrednia za pomocą amperomierza. Przy włączeniu amperomierza do obwodu nie powinien on w miarę możliwości wpłynąć na zmianę oporu obwodu. Toteż opór amperomierzy musi być jak najmniejszy. Za pomocą amperomierzy można zmierzyć prądy najmniejsze o wartości 0.001 mA.

Pomiar napięcia - najprostszą metodą pomiaru napięcia jest metoda bezpośrednia za pomocą woltomierza. Dokładność pomiaru jest ograniczona dokładnością zastosowanego woltomierza. Pomiaru dokonujemy przyłączając woltomierz bezpośrednio do badanego elementu.

Pomiar mocy prądu stałego można dokonać bezpośrednio za pomocą watomierza elektrodynamicznego, którego cewkę nieruchomą włącza się do obwodu w szereg z odbiornikiem, podobnie jak amperomierz, i wobec tego nazywa się ją prądową; cewkę ruchomą wraz z opornikiem dodatkowym przyłącza się równolegle do odbiornika; jest to tzw. cewka napięciowa. Można też moc wyznaczyć mierząc napięcie i natężenie prądu w danym obwodzie.  

Pomiar mocy prądu przemiennego dokonuje się metodą bezpośrednią za pomocą watomierza elektrodynamicznego, ferrodynamicznego lub indukcyjnego.

Pomiar energii (pracy) prądu - elektrycznego wyraża się iloczynem mocy przez czas. Pomiary te stanowią podstawę do rachunków pomiędzy odbiorcami energii a zakładami wytwarzającymi. Pomiary energii elektrycznej dokonuje się za pomocą przyrządów zwanych licznikami energii elektrycznej. Istnieje szereg różnych systemów liczników elektrycznych dla prądu stałego i przemiennego.

Pomiar oporu- rezystancja - w elektrotechnice bardzo często przy pomiarach stosuje się tzw. metody mostkowe. Przy tych metodach stosuje się specjalne układy połączeń zwane mostkami. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych jest mostek Wheatstone'a do pomiarów oporu. W przypadkach gdy nie zależy na dużej dokładności pomiaru oporów rzędu kiloomów, stosuje się mierniki bezpośrednio wskazujące wartość oporu - zwane omomierzami, jest to metoda bezpośrednia. Opór można również zmierzyć metodą techniczną. Na podstawie prawa Ohma wartość nieznanego oporu R_x można wyznaczyć mając dane: spadek napięcia U_x na tym oporze i natężeniu prądu I_x płynącego przez ten opór:

4. Elektroniczne przyrządy i metody pomiarowe. Wzmacniacz operacyjny i układy stosowane w przyrządach analogowych. Przyrządy cyfrowe: przetworniki C/A i A/C: zasady konstrukcji i charakterystyki.

Do pomiaru wielkości elektrycznych służą przyrządy pomiarowe. Nazwy mierników elektrycznych tworzy się na ogół od jednostki miary wielkości, do której pomiaru przyrząd jest przeznaczony.

Amperomierz- mierzy natężenie prądu- A- Działanie amperomierza opiera się na pomiarach efektów elektromagnetycznych, cieplnych itp., wywołanych przepływającym prądem

Woltomierz- mierzy napięcie V- Mierzy różnicę potencjałów między dwoma punktami obwodu

Watomierz- mierzy moc- W-

Omomierz- mierzy opór- omy- przyrząd do bezpośredniego pomiaru oporności elektrycznej

Licznik elektryczny- mierzy energię- Kw.- zasada działania licznika polega na tym, że przez zwój kabla przepływa prąd elektryczny, który wywiera wpływ na magnes stały

Wzmacniacz operacyjny- Mamy do czynienia z elementem, który wykonuje operacje matematyczne.

Przyrządy cyfrowe-

Przetwornik C/A- przyrząd elektroniczny przetwarzający sygnał cyfrowy (zazwyczaj liczbę binarną w postaci danych cyfrowych) na sygnał analogowy w postaci prądu elektrycznego lub napięcia o wartości proporcjonalnej do tej liczby; W skład typowego przetwornika C/A wchodzi:

zespół przełączników elektronicznych, sterowanych wejściowymi sygnałami cyfrowymi;

sieć rezystorów;

precyzyjne źródło napięcia odniesienia.

Przetwornik A/C- to układ służący do zamiany sygnału analogowego (ciągłego) pochodzącego od obiektów świata realnego na reprezentację cyfrową (sygnał cyfrowy).

Dzięki temu możliwe jest przetwarzanie ich w urządzeniach elektronicznych opartych o architekturę zero-jedynkową oraz gromadzenie na dostosowanych do tej architektury nośnikach danych. Proces ten polega na uproszczeniu sygnału analogowego do postaci skwantowanej, czyli zastąpieniu wartości zmieniających się płynnie do wartości zmieniających się skokowo w odpowiedniej skali (dokładności) odwzorowania. Przetwarzanie A/C tworzą 3 etapy: próbkowanie, kwantyzacja i kodowanie. Działanie przeciwne do wyżej wymienionego wykonuje przetwornik cyfrowo-analogowy C/A

5. Półprzewodniki, elementy teorii pasmowej, złącze p-n, dioda, tranzystor, charakterystyki i parametry przyrostowe.

Półprzewodniki- najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też konduktancją właściwą) jest rzędu 10^-8 do 10⁶ S/m (simensa na metr), co plasuje je między przewodnikami a dielektrykami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.

Rodzaje

• samoistne

• domieszkowe

• fotoprzewodniki

Zastosowania

• diody

• dioda prostująca (dioda prostownicza)

• dioda świecąca (dioda elektroluminescencyjna - LED)

• dioda sterowana tyrystor

• lasery półprzewodnikowe

• tranzystory

Teoria pasmowa- kwantowomechaniczna teoria opisująca przewodnictwo elektryczne. W przeciwieństwie do teorii klasycznej punktem wyjścia w tej teorii jest statystyka Fermiego-Diraca i falowa natura elektronów. Najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne - jest to przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Istnienie ciągłego widma energetycznego jest związane z oddziaływaniem na siebie poszczególnych atomów (jest to zbiór bardzo blisko położonych widm liniowych), natomiast występowanie obszarów zabronionych wynika z warunków nakładanych na periodyczność funkcji falowej elektronów.

Modele

:elektryczny- używany w elektronice głównie do wyjaśniania przewodnictwa w ciałach stałych i niektórych ich własności.

:graficzny: przetworniki, izolatory, półprzewodniki

• Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: P i N.

• Dioda- jest elementem elektronicznym wyposażonym w dwie elektrody - anodę i katodę. Cechą charakterystyczną jest wyłącznie jednokierunkowy przepływ prądu od anody do katody. W praktyce, w zależności od sposobu wykonania, występuje większa lub mniejsza różnica między rezystancją mierzoną przy przepływie prądu w kierunku od anody do katody (kierunek przewodzenia - mała rezystancja) a mierzoną przy przepływie prądu w kierunku od katody do anody (kierunek zaporowy - duża rezystancja)

• tranzystor - posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego

6. Układy stabilizacji punktu pracy tranzystora, wzmacniacz napięciowy w układzie OE, OB, OC. Sprzężenie zwrotne we wzmacniaczach, sposoby zwiększania rezystancji wejściowej. Wzmacniacze wielotranzystorowe i wielostopniowe. Wzmacniacze mocy.

Punkt pracy tranzystora powinien znajdować się w obszarze bezpiecznej pracy. Podstawowym kryterium wyboru punktu pracy jest dobro wzmacniacza. Rozumienie tego dobra jest różne w zależności od jego przeznaczenia. Może to być potrzeba osiągnięcia maksymalnej niezniekształconej amplitudy, minimalnych szumów, minimalnej mocy pobieranej przez wzmacniacz, maksymalnego wzmocnienia itp. W związku z tym odpowiedzi na pytanie gdzie powinien się on znajdować można udzielić posługując się analizą graficzną lub odpowiednimi charakterystykami tranzystora np. charakterystyką szumów,

7. Układy zasilające: prostowniki, filtry, stabilizatory. Zasilacze ciągłe i impulsowe

Przetwornik jest to urządzenie dokonujące przekształcenia danej wielkości na inną wielkość według określonej zależności i z pewną dokładnością.

Przetworniki są wykorzystywane na przykład w układach z czujnikami, dzięki czemu sygnał z czujnika, który zwykle jest słaby i trudny w przekazywaniu na odległość, zostaje przekształcony do postaci i wartości użytecznej dla dalszego przetwarzania. Najczęściej przetworniki realizują przekształcenie wielkości fizycznej na wielkości elektryczne takie jak napięcie lub natężenie prądu.

Filtr jest to fragment obwodu elektrycznego lub obwodu elektronicznego odpowiedzialny za przepuszczanie lub blokowanie sygnałów o określonym zakresie częstotliwości lub zawierającego określone harmoniczne

1

---