Prąd stały

Prąd stały (DC) - prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu.

Rezystancja - jest miarą oporu, z jakim element przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Elementy:

1. PASYWNE (na ich zaciskach nie ma napiecia przed doprowadzeniem prądu)

1. elementy rozpraszające (rezystor) -zachodzi w nich proces przemiany energii elektrycznej w inny rodzaj energii)

2. elementy zachowawcze (kondensator, cewka) - charakteryzuja się gromadzeniem energii; kondensator gromadzi ja w polu elektrycznym, a cewka w polu magnetycznym

2. Aktywne (źródł energii)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Rezystor (opornik) - zamienia energię elektryczna na cieplną, jego parametrem jest rezystancja R czyli opór elektryczny, jednostką jest [om] wykres u|/_i

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Cewka (induktor) - właściwość to indukcyjność (L) wyroażona stosunkiem strmienia skojarzonego
z cewką do prądu i płynącego przez cewkę L =
/i, gdzie
-strumień skojarzeniowy cewki o N zwojach. Jednostką jest henr [1H] = 1om*s

U=
/t czyli u =i/t

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Kondensator - właściwością jest pojemność (C) będąca wielkością wyroażoną stosunkiem ładunku q zgromadzonego na jednej z okładzin kondenasatora do napięcia między okłądzinami C = q/u, q podajemy w kulombach (C), u podajemy w Woltach[V] a c jest w faradach [F]

----------------------------------------------------

PRAWA

Prawo Ohma mówi, że napięcie U na końcach przewodnika, przez który płynie prąd o natężeniu I jest iloczynem natężenia prądu i rezystancji R tego przewodnika, czyli U = I  R
      Jest to prawo, z którego będziesz wielokrotnie korzystał, gdy będziesz musiał obliczyć prąd lub napięcie czy też wyliczyć właściwą dla danego układu wartość rezystora.

Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających z niego lub inaczej, że suma wszystkich prądów w węźle jest równa zeru .
Prądy wpływające do węzła mają znak dodatni, a wypływające znak ujemny.
Przykładem węzła jest punkt A na rysunku. Prądy I₁, I₂ są dodatnie, a I₃ ujemny .

Drugie prawo Kirchhoffa mówi, że w obwodzie zamkniętym (oczku) suma wszystkich napięć jest równa zeru (rys. .
      Napięcia, których zwrot strzałki jest zgodny z obiegiem oczka są dodatnie, a te, których zwrot jest przeciwny są ujemne. Obieg oczka przyjmuje się zgodnie z zaznaczoną okrągłą strzałką wewnątrz obwodu.
      Zgodnie z tymi założeniami napięcia U₁ i U₄ są dodatnie, a U₂ i U₃ ujemne.

----------------------------------------------------

Ładowanie kondensatora

Ładowanie kondensatora w układzie RC. Na rys. 2.15 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 U_we. Można to zapisać w postaci równań:

Ostatnie równanie jest równaniem różniczkowym, którego rozwiązaniem jest:

Jak widać ze wzoru kondensator C zostanie naładowany do wartości U_we dla t znacznie większego od RC, co jest uwidocznione na rys. w postaci krzywej ładowania kondensatora.

Wartość stałej A wylicza się uwzględniając warunki początkowe, czyli w chwili t=0. Wówczas U=0, a więc A=-U_we. Ostatecznie otrzymuje się wzór na ładowanie kondensatora w układzie RC:

Rozładowanie kondensatora

Rozładowanie kondensatora w układzie RC.Gdy 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:

Jest to równanie różniczkowe , 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.

Iloczyn RC jest nazywany stałą czasową , 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:

----------------------------------------------------

Prąd zmienny, liczby zespolone

Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) jest charakterystycznym przypadkiem prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Sygnał sinusoidalny jest przedstawiony na rys. 1.7. Wzór opisujący ten sygnał wygląda następująco: U = U_msin2ft, gdzie:
U_m - amplituda, f - częstotliwość wyrażona w hercach (Hz), t - czas w sekundach.
   Jeśli przyjąć, że =2f, to sygnał sinusoidalny można opisać następującym wzorem: U = U_msint, gdzie  jest pulsacją wyrażoną w radianach na sekundę.
   Falę sinusoidalną opisują dwa parametry amplituda i częstotliwość (dotyczy to również innych sygnałów). Czasami zamiast amplitudy używa się pojęcia wartości skutecznej U_sk czy też wartości międzyszczytowej U_pp.
   Wartość skuteczna jest równa U_sk=0,707U_m, natomiast wartość międzyszczytowa jest równa podwojonej amplitudzie U_pp=2U_m.
   Przykładem wartości skutecznej sygnału sinusoidalnego może być znana wszystkim wartość 220V napięcia o częstotliwości 50Hz w gnieździe sieciowym, jakie znajduje się w każdym mieszkaniu. Amplituda tego napięcia wynosi 311V, a wartość międzyszczytowa 622V.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

POSTACIE LICZBA ZESPOLONYCH:

1. Algebraiczna z = a + bi

Gdzie Re(z) = a nazywana czescia rzeczywistą,

Im(z) = b nazywana cześcią urojoną

2. Trygonometryczna

z = |z| (cos
+isin
)

3. Wykładnicza

z = |z| e ⁱ

----------------------------------------------------

Impedancja

Impedancja, moduł impedancji, opór całkowity (ozn. Z)

Impedancja jest rozszerzeniem pojęcia rezystancja z obwodów elektrycznych prądu stałego.

Impedancja Z elementu obwodu prądu przemiennego jest definiowana jako

gdzie:

V_r - napięcie elektryczne,

I_r - natężenie prądu przemiennego.

Jest wypadkową oporu czynnego (rezystancji) R i biernego (reaktancji) X.

Zapis na liczbach zespolonych:

----------------------------------------------------

Rezystancja

W obwodach prądu przemiennego rezystancja jest odpowiedzialna za rozpraszanie mocy czynnej, ale dodatkowo występują elementy, które mogą pobierać, magazynować i oddawać energię elektryczną. Dowolny odbiornik nie jest więc już charakteryzowany tylko mocą czynną rozpraszaną na rezystancji R, ale również mocą bierną pobieraną i oddawaną przez reaktancję X. Sumę geometryczną tych dwóch wartości nazywa się impedancją Z.

----------------------------------------------------

Reaktancja

Reaktancja lub opór bierny to wielkość charakteryzująca obwód elektryczny zawierający kondensator (pojemność) lub cewkę (indukcyjność). Jednostką reaktancji jest om.

Reaktancję oznacza się na ogół symbolem X.

Gdy przez cewkę lub kondensator płynie prąd przemienny, wtedy część energii magazynowana jest w polu, odpowiednio magnetycznym lub elektrycznym. Wywołuje to spadek napięcia wprost proporcjonalny do iloczynu prądu i reaktancji.

Reaktancja idealnej cewki i kondensatora jest równa co do wartości bezwzględnej ich impedancji. Napięcie i prąd w takich elementach są przesunięte w fazie o 90 stopni względem siebie. Znak liczby zależy od tego, czy prąd wyprzedza napięcie, czy napięcie wyprzedza w fazie prąd.

Reaktancja cewki (opór indukcyjny) ma znak dodatni i oblicza się ją ze wzoru:

gdzie L to indukcyjność własna cewki,
pulsacja.

Reaktancja kondensatora (opór pojemnościowy) ma znak ujemny i oblicza się ją ze wzoru:

gdzie: C - pojemność kondensatora,
- pulsacja..

--------------------------------------------------

Półprzewodniki

Półprzewodniki to materiały powszechnie stosowane do produkcji

elementów i układów elektronicznych.

Ka_dy materiał ma pewna wartosc rezystywnosci. W zale_nosci od tej

wartosci dzielimy je na metale i niemetale (dielektryk, półprzewodnik),

ró_niace sie własciwosciami fizykochemicznymi.

Półprzewodniki obejmuja obszerna grupe materiałów, które ze wzgledu

na przewodnictwo elektryczne zajmuja posrednie miejsce pomiedzy metalami

a izolatorami. Półprzewodniki stanowia oddzielna klase substancji, gdy_ ich

przewodnictwo ma szereg charakterystycznych cech. Nale_y podkreslic

odwrotna ni_ dla metali zale_nosc przewodnictwa elektrycznego od

temperatury. W dostatecznie niskich temperaturach półprzewodnik staje sie

izolatorem. W szerokim zakresie temperatur przewodnictwo przewodników

szybko rosnie wraz ze wzrostem temperatura. Druga wa_na cecha

półprzewodników jest zmiana przewodnictwa elektrycznego w wyniku

niewielkich zmian ich składu.

--------------------------------------------------

Półprzewodniki samoistne i niesamoistne

Półprzewodnik samoistny

jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej, których koncentracja elektronów jest równa koncentracji dziur.

----------------------------------------------------

Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (co objawia się dużym oporem właściwym, czyli małą konduktywn

ością), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi.

Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs)

--------------------------------------------------

półprzewodnik typu n i p

Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom donorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z ang. negative - ujemny).

Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu p, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką akceptorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom akceptorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego, lub w samym paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie zapełnionym w przypadku półprzewodników samoistnych) powodując powstanie w nim wolnych miejsc.

--------------------------------------------------

złącze pn

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

W obszarze typu N występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory). Analogicznie w obszarze typu P nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory). W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

--------------------------------------------------

model pasmowy

Energetyczny model pasmowy jest używany w elektronice głównie do wyjaśniania przewodnictwa w ciałach stałych i niektórych ich własności.

W atomie poszczególne elektrony mogą znajdować się w ściśle określonych, dyskretnych stanach energetycznych. Dodatkowo w ciele stałym atomy są ze sobą związane, co daje dalsze ograniczenia na dopuszczalne energie elektronów. Dozwolone poziomy energetyczne odizolowanych atomów na skutek oddziaływania z innymi atomami w sieci krystalicznej zostają przesunięte tworząc tzw. pasma dozwolone, tj. zakresy energii jakie elektrony znajdujące się na poszczególnych orbitach mogą przyjmować; poziomy leżące poza dozwolonymi określane są pasmami zabronionymi.

--------------------------------------------------

Prostownik

Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednokierunkowe, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Jednopołówkowe (półokresowe)

Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu - podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie.

Dwupołówkowe (całookresowe)

Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych. Jedyną wadą jest to, że układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze, i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła przemiennego.

--------------------------------------------------

Tranzystor bipolarny

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,

stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,

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

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

Na rys. 4.7 pokazana jest charakterystyka wyjściowa tranzystora,

która przedstawia zaleŜność prądu kolektora IC od napięcia

kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napięciu wejściowym

baza-emiter UBE. Z charakterystyki tej moŜna stwierdzić, Ŝe:

 powyŜej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zaleŜy od

napięcia UCE,

 do wywołania duŜej zmiany prądu kolektora IC wystarczy

mała zmiana napięcia baza-emiter UBE.

Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej

nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-emiter UCEsat.

ZaleŜność prądu kolektora od napięcia wejściowego jest lepiej

widoczna na charakterystyce przejściowej pokazanej na rys. 4.6.

Prąd kolektora IC jest tu funkcją napięcia baza-emiter UBE.

Charakterystyka ta, tak jak i charakterystyka diody ma charakter

wykładniczy. Jednak w odróŜnieniu od równania diody dla

tranzystora współczynnik

--------------------------------------------------

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny opisywany jest jako wzmacniacz prądu stałego, czy jak kto woli wzmacniacz o sprzężeniach bezpośrednich, który charakteryzuje się bardzo dużym wzmocnieniem, wejściem różnicowym (symetrycznym) i wyjściem asymetrycznym - są również wzmacniacze z wyjściem symetrycznym.
   Wzmacniacz operacyjny służy podobnie jak inne wzmacniacze do wzmocnienia napięcia czy też mocy, różni się jednak od zwykłych wzmacniaczy tym, że w przeciwieństwie do nich sposób jego działania zależy głównie od zastosowanego zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego (najczęściej silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego).
   Na rysunku 6.1 przedstawiony jest przykładowy symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego. Wejście oznaczone znakiem "-" jest tak zwanym wejściem odwracającym (odwraca fazę sygnału wejściowego), wejście oznaczone znakiem "+" to wejście nieodwracające, po przeciwnej stronie znajduje się wyjście wzmacniacza (w tym przypadku końcówka nr 1). Aby na wejściach i wyjściu mogły występować napięcia zarówno dodatnie jak i ujemne to układ musi być zasilany napięciami dodatnim i ujemnym podawanymi na końcówki 4 i 11 (oczywiście dotyczy to tego typu wzmacniacza jak na rys. 6.1 dla innych typów będą to inne numery końcówek).

--------------------------------------------------

Wzmacniacz operacyjny

--------------------------------------------------

Modulacja

Podstawowym celem modulacji jest nało_enie sygnałów zawierajacych

po_adana informacje na prad nosny wielkiej czestotliwosci. Nakładanie

realizuje sie po to, aby przesłac informacje na tej własnie wielkiej

czestotliwosci. Przesłanie sygnału w jego naturalnym pasmie za pomoca fal

radiowych jest prawie we wszystkich przypadkach niemo_liwe. Istnieja takie

zakresy fal elektromagnetycznych.

Modulacja nazywamy proces przemieszczania informacji zawartej w

pewnym pasmie czestotliwosci do innego pasma czestotliwosci, a wiec

pewnego rodzaju kodowania informacji.

Demodulacja nazywamy proces dekodowania, czyli przywracania

sygnałowi jego pierwotnego kształtu.

-------------------------------------------------

12.1. MODULACJA AMPLITUDY

Przebieg nosny napiecia mo_na zapisac nastepujaco:

przy czym f0 jest czestotliwoscia przebiegu nosnego (rys. 12.1a). Przyjeto, _e

kat fazowy  = 0, gdy_ jego wartosc nie ma wpływu na modulacje amplitudy.

Przy modulacji amplitudy amplituda Uom przebiegu nosnego zmienia sie

proporcjonalnie do sygnału (rys. 12.1b). Modulacja amplitudy wprowadza do

przebiegu nosnego obwiednie modulacji. Obwiednia ta ma przebieg

identyczny z przebiegiem sygnału modulujacego, nale_y pamietac _e gdy

obwiednia rosnie w kierunku dodatnim rosnie tak_e w kierunku ujemnym.

------------------------------------------------------------------------

12.3. MODULACJA CZESTOTLIWOSCI

Przykład:

Czestotliwosc nosna f0 = 1000 kHz,

Czestotliwosc modulujaca fs = 1 kHz,

Amplituda sygnału modulujacego Usm = 1 V.

W chwili, gdy napiecie modulujace przechodzi przez wartosc zero,

czestotliwosc fali o modulowanej czestotliwosci wynosi 1000 kHz. Załó_my

dalej, _e gdy wartosc chwilowa napiecia modulujacego rosnie w kierunku

dodatnim, to czestotliwosc fali modulowanej równie_ rosnie. Natomiast gdy

wartosc chwilowa napiecia modulujacego staje sie ujemna, to czestotliwosc

przebiegu wyjsciowego maleje. Zakładamy dalej, _e w chwili gdy napiecie

modulujace ma wartosc + 1 V, to wartosc chwilowa czestotliwosci przebiegu

wyjsciowego wynosi 1010 kHz, a przy wartosci napiecia modulujacego - 1 V,

czestotliwosc ta wynosi 990 kHz.

--------------------------------------------------

Tyrystor i triak

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej - bramką (G, od ang. gate - bramka).

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda ma dodatnie napięcie względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe - gazotrony, w których rzewodzenie objawiało się świeceniem

zjonizowanego gazu.

Triak

Triak, element półprzewodnikowy należący do rodziny tyrystorów. Ma pięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle).

Triak ma trzy końcówki, 2 anody A1 i A2 oraz bramkę G. Triaki przewodzą prąd zmienny w obu kierunkach, a napięcie przełączania regulowane jest prądem bramki. Używane są jako łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy.

Uproszczoną strukturę blokową przedstawia poniższy rysunek.

Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR) - patrz poniższy rysunek.

dodawanie resystorów
równoległe : 1/R=1/R1+1/R2
szeregowe : R=R1+R2

reaktancje :
XL = 2*pi*f*L ( 2*pi*f = omega)

Xc = 1 / (2*pi*f*C)

impedancja (taka rezystancjia
)
Z= pierwiastek (R^2 + (XL-XC)^2

prawo oma : I=U/R

napiecie / prąd chwilowy :

e(t) = Umax*sin(omega*t+przesuniecie fazowe)
i(t) = I max*sin(omega*t+przesuniecie fazowe)

U=Umax / pierwiastek z 2
I = tak samo


>prąd na elementach szeregowych jest taki sam a na ruwnoległych różny
>napiecie na elementach szeregowych jest różne a na równoległych takie samo
w kolejnosci

Xc2 = 1/omega*C2
XL2 = omega*L2
Z2 = pierwiastek (R2^2+(Xl2-Xc2)^2)

R3+Z2 = R3*Z2 / R3+Z2

Xc1 = 1/omega*C1
XL1 = omega*L1
Z1 = pierwiastek (R1^2+(XL1-Xc1)^2)

Rz = Z1+ (R3+Z2)

I1 = U/Rz <==== U=Umax / pierwiastek z 2

U3 = I1 * (R3+Z2)

I3 = U3/R3

I2 = U3 / (R2+Z2)

to powinno być ok

---