Elektrotechnika i elektronika Celem jest przedstawieni

1
Elektrotechnika i elektronika

• Celem jest przedstawienie zasadniczych tresci
  wykladu
• podstaw elektrycznosci,
• obwodów elektrycznych,
• elementów biernych,
• przyrzadów pólprzewodnikowych,
• ukladów elektronicznych.

Elektrotechnika i elektronika Jakub Dawidziuk
czwartek, 1 sierpnia 2013
2
Kierunek przeplywu pradu
3
Definicja pradu elektrycznego
ladunek
natezenie pradu
czas przeplywu ladunku
Jednostka natezenia pradu jest amper.
4
Opór elektryczny-rezystancja
Opór elektryczny (rezystancja) to wynik
oddzialywania elektronów przewodnictwa z jonami
sieci krystalicznej.
? - opór wlasciwy (rezystywnosc), G - przewodnosc
(konduktancja),
przewodnosc wlasciwa (konduktywnosc)
5
Napiecie
Napiecie (symbol U lub E) jest róznica
potencjalów elektrycznych miedzy dwoma wybranymi
punktami i jest wyrazane w woltach (V). 1V jest
to róznica potencjalów (napiecie), przy której
dla przesuniecia w obwodzie ladunku elektrycznego
o wartosci 1C (6,281018 elektronów) prad
elektryczny wykona prace 1J (Ws). Napiecie
jest praca przypadajaca na jednostkowy ladunek.
UEB 5V oznacza, ze miedzy punktami E i B
wystepuje napiecie 5V. Punkt E ma potencjal
elektryczny dodatni (lub wyzszy) wzgledem punktu
B. UC 5 V oznacza, ze miedzy punktem C a
wspólnym punktem odniesienia (masa) wystepuje
napiecie o wartosci 5 V.
6
Prawo Ohma
Natezenie pradu plynacego w obwodzie jest wprost
proporcjonalne do napiecia zasilajacego obwód i
odwrotnie proporcjonalne do oporu tego obwodu.
7
. Prawo Ohma
I
R
U
URI
8
PPK (I) prawo Kirchhoffa
wezel
I2I1I3I4
7A1A2A4A
9
NPK (II) prawo Kirchhoffa
15V20V3V-8V
10
Laczenie oporników
R1
R2
R3
szeregowe
R1
równolegle
R2
11
Dzielnik napiecia
Przyklad U 12V, R1 4k??, R2 8k? I
12V/12k? 1mA U2 1mA8k? 8 V
12
Praca i moc pradu
Pracaenergia pradu elektrycznego stalego Ws
watosekunda
Moc pradu elektrycznego stalego W wat
13
Sprawnosc urzadzen elektrycznych
Sprawnosc urzadzenia elektrycznego ? -
sprawnosc urzadzenia elektrycznego, PZ - moc
otrzymana z danego urzadzenia, PP - moc
doprowadzona do danego urzadzenia.
14
Kondensator
15
Polaczenie równolegle kondensatorów Pojemnosc
wypadkowa ukladu CC1C2C3
Trzy kondensatory polaczone równolegle do zródla
napiecia. Równowazny kondensator zastepuje uklad
polaczonych kondensatorów.
16
Polaczenie szeregowe kondensatorów Pojemnosc
wypadkowa ukladu
Trzy kondensatory polaczone szeregowo do zródla
napiecia. Równowazny kondensator zastepuje uklad
polaczonych kondensatorów.
17
Energia kondensatora

• Energia zmagazynowana w kondensatorze
• Oznaczenia
• C - pojemnosc kondensatora U - róznica
  potencjalów (napiecie)
• Q - ladunek zgromadzony na okladkach
  kondensatora E - energia

18
Cewka indukcyjna
H - henr
19
Energia pola magnetycznego

• Prad przeplywajacy przez cewke
• nie moze zmieniac sie skokowo.
• Energia magnetyczna nagromadzona
• w cewce z pradem

20
Amperomierz i woltomierz
21
Prad okresowy
22
Wielkosci charakteryzujace prad sinusoidalny
23
Wspólczynnik amplitudy i wspólczynnik
ksztaltu
24
Rodzaje przyrzadów pólprzewodnikowych
diody pólprzewodnikowe, tranzystory bipolarne,
tyrystory konwencjonalne, tyrystory wylaczalne,
tranzystory polowe mocy, tranzystory IGBT,
ulepszone przyrzady mocy sterowane napieciowo,
uklady scalone analogowe i cyfrowe.

25
Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym
oraz prady w zlaczu
26
Charakterystyka pradowo-napieciowa diody
Zakres zaporowy
Zakres przewodzenia
27
Typowe parametry diod malej mocy

• Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej
  wynosza- dioda krzemowa IS10 pA, mUT30 mV,
  IF(AV)100 mA,
• dioda germanowa IS100 nA, mUT30 mV, IF(AV)100
  mA,
• URM30 V 50 V.Z charakterystyki mozna
  odczytac wartosci napiecia przewodzenia UF dla
  pradu przewodzenia IF0,1IFmax. Dla diody
  germanowej napiecie przewodzenia jest równe
  0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

Koniec W4
28
Symbole graficzne
29
Charakterystyka pradowo-napieciowa diody Zenera
30
Charakterystyki diod Zenera
31
Wartosci katalogowe

• UZ - napiecie Zenera
• rz - rezystancja rózniczkowa (Zenera)
• Izmax - prad maksymalny
• Pzmax maksymalna moc rozproszenia
• Pzmax Izmax Uz

32
Zlacze metal-pólprzewodnik
Tranzystor Schottkyego
33
Prostowniki sieciowe

• prostowniki przeksztalcaja napiecie przemienne
  na napiecie stale,
• wartosc stalego napiecia wyjsciowego jest
  regulowana przez ustalenie odpowiedniego
  wejsciowego napiecia przemiennego,
• dzielone sa na uklady jednopolówkowe
  (jednopulsowe) i dwupolówkowe (dwupulsowe),
• najczestsze zastosowania to zasilacze sieciowe
  i urzadzenia do ladowania akumulatorów.

34
Prostowniki sieciowe - symbole
35
Prostownik jednopolówkowy obciazenie R

• podczas dodatniej pólfali dioda przewodzi,
• podczas ujemnej pólfali dioda jest blokowana,
• ksztalt pradu diody powtarza ksztalt napiecia na
  obciazeniu.

36
Prostownik jednopolówkowy RC
Q I0 T Q C ?U C ?U I0 T C
I0 / f ?U T1/f
37
Prostownik dwupolówkowy z wyprowadzonym punktem
srodkowym transformatora

• uklad wymaga transformatora z wyprowadzonym
  punktem srodkowym
• prostowana jest zarówno dodatnia i ujemna fala
  napiecia zasilajacego
• gabaryty transformatora sa dwa razy mniejsze w
  porównaniu z prostownikiem jednofazowym dla
  takich samych I0 i pulsacji

u0
38
Prostownik mostkowy pelnookresowy (dwupulsowy)
us

• moze byc uzyty bez transformatora
• diody przewodza podczas dodatnich i ujemnych
  pólfal napiecia zasilajacego,
• pojemnosc kondensatora filtrujacego dwa razy
  mniejsza niz w 1f, dla tych samych Io i ?U
  (dlaczego?)

39
Prostownik napiec symetrycznych
40
Tranzystor
Trójkoncówkowy pólprzewodnikowy element
elektroniczny, posiadajacy zdolnosc wzmacniania
sygnalu elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi
z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który
oznacza element transformujacy rezystancje.
41
Tranzystory (ang. TRANSISTOR TRANSfer
resISTORs)
Podzial
Tranzystory bipolarne i unipolarne BIPOLARNE
(BJT Bipolar Junction Transistor) STEROWANE
PRADOWO, czyli aby IC ? 0 musi IB ? 0 UNIPOLARNE
(FET Field Effect Transistor) STEROWANE POLEM
ELEKTRYCZNYM wystepujacym pomiedzy bramka i
zródlem, czyli napieciem UGS wytwarzajacym to
pole, ale IG 0
42
Symbol graficzny tranzystora bipolarnego npn
43
Zastosowania tranzystorów
44
Tranzystor bipolarny (BJT) npn uklady polaczen
45
Polaryzacja normalna tranzystora iCßiB
IC
Tranzystor pracuje jako wzmacniacz pradowy.
46
Charakterystyki U-I tranzystora npn w
konfiguracji OE
47
Parametry graniczne tranzystora
przekroczenie grozi uszkodzeniem
UCE0max - maksymalne dopuszczalne napiecie
kolektor-emiter UEB0max - dopuszczalne napiecie
wsteczne baza-emiter UCB0max - dopuszczalne
napiecie wsteczne kolektor-baza ICmax -
maksymalny prad kolektora IBmax - maksymalny prad
bazy Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
48
Uklady polaryzacji tranzystorów
O takich ukladach mówi sie równiez uklady
zasilania tranzystorów czy tez uklady ustalania
punktów pracy. Uklady te maja za zadanie nie
tylko zasilac tranzystor ale równiez ustalac jego
stalopradowy punkt pracy (spoczynkowy punkt
pracy) czyli stale napiecie kolektor-emiter UCE i
staly prad kolektora IC. Punkt pracy musi byc
dobrany w sposób optymalny do funkcji jaka
spelnia uklad, w którym pracuje tranzystor.
49
Stalopradowy inaczej spoczynkowy punkt pracy
tranzystora


-
-
50
Prosta obciazenia
51
Tranzystor bipolarny w konfiguracji OE obszary
pracy
52
Stany pracy tranzystora - aktywny
zlacze E-B przewodzi zlacze C-B zatkane
53
Stany pracy tranzystora - nasycenie
zlacze E-B przewodzi zlacze C-B przewodzi
UCE(sat)0 UCE(sat)0,1V-2V
54
Stany pracy tranzystora - zatkania
UBB0 IB0 IC0 UEB0 UCEUCC
zlacze E-B zatkane zlacze C-B zatkane
55
Tranzystory polowe - unipolarne(tranzystory
wykorzystujace efekt polowy)
zlaczowe (JFETy (PN-lub MS-FETy)) ang.
Junction Field-Effect Transistors z izolowana
bramka (MOSFETy) ang. Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistors
56
JFET MOSFET
Draindren
Bulkpodloze
Gatebramka
Sourcezródlo
57
Zasada dzialania tranzystora zlaczowego z
kanalem typu n
58
Charakterystyki tranzystora zlaczowego
59
Punkt pracy tranzystora zlaczowego
60
Punkt pracy tranzystora zlaczowego. Prosta
obciazenia
61
Punkt pracy tranzystora zlaczowego
62
Tranzystory polowe - unipolarne
63
Charakterystyka przejsciowa i wyjsciowa
UT threshold voltage napiecie progowe,
tworzenia
64
Symbole graficzne MOSFET z kanalem indukowanym
(normalnie zamknietym)
kanal typu n
kanal typu p
65
Light Emitting Diode
Diody elektrolumiscencyjne
b)
a)
66
Light Emitting Diode
intensywnosc swiecenia LED
67
Light Emitting Diode
Charakterystyki I(U) diod elektroluminiscencyjnych
UF1,3-3V
IF10-100mA
68
Light Emitting Diode
Podsumowanie Zalety diod LED to niewielkie
rozmiary, niskie zuzycie energii
elektrycznej, niewielka emisja ciepla, duza
trwalosc, duza wytrzymalosc na uszkodzenia,
mozliwosc uzyskania róznych barw swiatla, brak
promieniowania UV.
69
Fotorezystory
70
Fotorezystory

• Fotorezystory wykorzystuje sie do
• pomiarów malych natezen oswietlenia,
• bezposredniego sterowania przekazników
  (automatyczne wlaczanie lamp w nocy),
• pomiarów temperatury i ostrzegania w systemach
  przeciwpozarowych,
• wykrywania zanieczyszczen rzek i zbiorników
  wodnych,
• detekcji strat ciepla przez izolacje termiczna
  budynków,
• badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów.

71
Fotorezystory-wylacznik zmierzchowy
72
Fotodioda
Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykla
dioda krzemowa. Róznica jest w obudowie, gdyz
znajduje sie tam soczewka plaska lub wypukla,
umozliwiajaca oswietlenie jednego z obszarów
zlacza. Fotodiody wykonuje sie z krzemu lub
arsenku galu. Fotodiode mozna traktowac jako
zródlo pradu o wydajnosci zaleznej od natezenia
oswietlenia. Fotodiode polaryzuje sie zaporowo
zewnetrznym zródlem napiecia. Pod wplywem
oswietlenia przez fotodiode plynie prad wsteczny,
który zwieksza sie ze wzrostem oswietlenia. Przy
braku oswietlenia przez fotodiode plynie
niewielki ciemny prad wsteczny wywolany generacja
termiczna nosników. Prad ten narasta liniowo wraz
ze wzrostem wartosci napiecia wstecznego.
73
Fotodioda-zasada dzialania
74
Fotoogniwo
Fotoogniwo, bateria sloneczna, 1m2 300W, ?20
75
Fotodioda jako fotodetektor
76
Zastosowanie fotodiody

• w urzadzeniach komutacji optycznej,
• w ukladach zdalnego sterowania,
• w szybkich przetwornikach analogowo cyfrowych,
• w ukladach pomiarowych wielkosci elektrycznych i
  nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów,
  odleglosci, stezen i zanieczyszczen roztworów,
  czestotliwosci i amplitudy drgan, naprezen itp.

77
Fototranzystory
Fototranzystorem nazywamy element
pólprzewodnikowy z dwoma zlaczami p-n. Dziala tak
samo jak tranzystor z ta róznica, ze prad
kolektora nie zalezy od pradu bazy, lecz od
natezenia promieniowania oswietlajacego obszar
bazy. Oswietlenie wplywa na rezystancje obszaru
emiter-baza. Wykorzystuje sie tu zjawisko
fotoelektryczne wewnetrzne, tj. zjawisko
fotoprzewodnictwa. Fotoprzewodnictwo polega na
zwiekszaniu przewodnictwa elektrycznego pod
wplywem energii promienistej powodujacej
jonizacje atomów w ciele stalym, wskutek czego
zwieksza sie liczba swobodnych elektronów
powstajacych w pólprzewodniku.
78
Fototranzystory zasada dzialania
79
Fototranzystory zasada dzialania
Prad jasny kolektor-emiter fototranzystora w OE

• W fototranzystorach koncówka moze byc
  wyprowadzona na zewnatrz obudowy lub nie, dlatego
  tez fototranzystor moze pracowac jako
• fotoogniwo, wykorzystuje sie zlacze
  kolektor-baza,
• fotodioda, wykorzystane jest zlacze
  kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej,
• fototranzystor bez wyprowadzonej koncówki bazy w
  tym przypadku pracuje jako normalny
  fototranzystor,
• fototranzystor z wyprowadzona koncówka bazy
  mozna go niezaleznie sterowac optycznie i
  elektrycznie.

80
Charakterystyka pradowo-napieciowa
C
B
E
81
Wlasciwosci fototranzystorów

• Zalety
• duza czulosc dzieki wzmocnieniu pradu
  fotoelekrycznego,
• mozliwosc sterowania elektrycznego i swietlnego.
• Wada-niska czestotliwosc graniczna okolo 300 kHz,
  w ukladzie Darlingtona-okolo 30 kHz.
• Zastosowanie uklady automatyki i zdalnego
  sterowania, uklady pomiarowe wielkosci
  elektrycznych i nieelektrycznych, przetworniki
  analogowo cyfrowe, uklady laczy
  optoelektronicznych, czytniki tasm i kart
  kodowych itp.

82
Proste przetworniki fotoelektryczne
83
Transoptory
brak polaczen galwanicznych we-wy
fotoemiter-LED w zakresie podczerwieni fotodetekto
r-czesto fotodioda, fototranzystor, rzadziej
fototyrystor, fotodarlington, fotodioda i
tranzystor, bramka logiczna, komparator,
fotorezystor
84
Zastosowanie transoptorów

• Transoptory stosuje sie
• do galwanicznego rozdzielania obwodów, - np. w
  TWN,
• w technice pomiarowej i automatyce,
• w sprzecie komputerowym,
• w sprzecie telekomunikacyjnym.
• Spelniaja one równiez role potencjometrów
  bezstykowych oraz przekazników optoelektronicznych
  , wykorzystywanych do budowy klawiatury
  kalkulatorów i komputerów.
• W ukladach sygnalizacyjnych i zabezpieczajacych
  sa uzywane jako
• wylaczniki krancowe, czujniki otworów, czujniki
  polozenia, wskazniki poziomu cieczy.

85
Wlasciwosci idealnego wzmacniacza operacyjnego
86
Podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego
(idealnego)

• nieskonczona wartosc impedancji wejsciowej Rwe
  ?
• nieskonczona wartosc wzmocnienia róznicowego Ar
  ?
• zerowa wartosc impedancji wyjsciowej Rwy 0
• nieskonczone pasmo przenoszonych czestotliwosci
• brak zjawisk niepozadanych (niestabilnosc,
• niezaleznosc od zmian napiecia zasilania, itp.)

87
Wzmacniacz odwracajacy(??0)
IRF
IR
R
u1
uwy
88
Wzmacniacz odwracajacy, sumujacy
(??0)
89
Wzmacniacz nieodwracajacy (??0)
90
Wtórnik napieciowy (??0)
91
Wzmacniacz róznicowy (??0)
U_
U
92
Wzmacniacz calkujacy
93
Wzmacniacz rózniczkujacy
94
Konwerter I/U
95
Konwerter I/U - zastosowanie
96
Elektrokardiografia system pomiarowy
97
Komparatory napiecia
Komparatory sluza do porównywania dwóch sygnalów
analogowych (stalych lub zmiennych)
doprowadzonych do ich wejsc oraz do zaznaczenia
poprzez zmiane napiecia wyjsciowego chwili
zrównania sygnalów wejsciowych. Czesto chcemy
wiedziec, które z dwóch napiec ma wieksza wartosc
lub wykryc chwile, w której napiecie danego
sygnalu przekracza pewna ustalona wczesniej
wartosc.
98
Zasada dzialania komparatora nieregeneracyjnego
99
Komparator regeneracyjny odwracajacy
uwe
uwy
RF
R
UREF
Zadaniem rezystora RF jest spowodowanie powstania
dwóch poziomów napiecia progowego, którego
wartosci beda zalezaly od stanu wyjscia
komparatora.
100
(No Transcript)
101
Komparator z otwartym kolektorem
Przyklady komparatorów LM 311-szybki LM 339, CP
401-OC TLC 393-CMOS NE 529-dwie bramki,
swiatlowodowe przekazywanie danych, przetwornik
A/C MAX 921-wewnetrzne napiecie odniesienia,
programowalna histereza, wyjscie TTL/CMOS
czas odpowiedzi ns, µs zasilanie symetryczne,
asymetryczne OC-open collector
102
Wylacznik zmierzchowy
103
Detektory przejscia przez zero
Detektor przejscia przez zero wytwarza sygnal
wyjsciowy zmieniajacy stan za kazdym razem, gdy
wartosc analogowego sygnalu wejsciowego
przekracza poziom zerowy. Uklad taki jest
szczególnie przydatny przy analizie widma
czestotliwosciowego sygnalu, gdyz przetwarza
sygnal analogowy w ciag impulsów prostokatnych o
szerokosciach zaleznych od czestotliwosci. W ten
sposób nastepuje redukcja szumów i znieksztalcen
sygnalu badanego, a dalsza analize mozna latwo
przeprowadzic metodami cyfrowymi.
104
Przerzutnik astabilny
Moga byc uzyte wzmacniacze operacyjne lub
komparatory przerzutnik astabilny, generator
relaksacyjny, muliwibrator.
105
Podstawowe rodzaje generatorów
106
Rodzaje generatorów

• Generatory
• generatory czestotliwosci wzorcowy zegar, np.
  narzucajacy rytm pracy komputera lub dlugosc fali
  nadajnika radiowego,
• generatory mocy dostarczaja do obciazenia
  odpowiednio duza moc przy okreslonej
  czestotliwosci, np. w kuchence mikrofalowej.

107
Generacja sygnalu sinusoidalnego

• Q?L/R dobroc obwodu rezonansowego
• Qgt0 drgania tlumione
• rezystancja ujemna skompensuje straty
• uklady tranzystorowe z dodatnim sprzezeniem
  zwrotnym

108
Warunki generacji wzmacniacza ze sprzezeniem
zwrotnym dodatnim
Wzmocnienie ukladu ze sprzezeniem dodatnim
109
Przyklady generatorów sygnalu sinusoidalnego
Generator kwarcowy Meachama
110
Generatory funkcyjne
Na integrator podawane jest napiecie stale
dodatnie lub ujemne. Jesli Uwy integratora
osiagnie poziom wlaczenia lub wylaczenia
przerzutnika Schmitta, zostaje odwrócony znak
napiecia na wej integratora. Na wyjsciu ukladu
powstaje napiecie trójkatne, zmieniajace sie
miedzy poziomami wyzwalania przerzutnika Schmitta.
111
Zasada stabilizacji napiecia i pradu
112
Parametry stabilizatorów napiecia i pradu
113
Stabilizatory trójkoncówkowe 78XX o stalym
napieciu wyjsciowym
114
Stabilizatory trójkoncówkowe 79XX o stalym
napieciu wyjsciowym
115
Podstawowe parametry serii 78XX
116
Stabilizatory nastawne napiecia dodatniego LM317
PODSTAWY ELEKTRONIKI Jakub Dawidziuk
czwartek, 1 sierpnia 2013
117
Stabilizatory nastawne napiecia ujemnego LM337
PODSTAWY ELEKTRONIKI Jakub Dawidziuk
czwartek, 1 sierpnia 2013
118
Stabilizatory LDO (Low Drop Out)
119
Stabilizatory dwunapieciowe
120
Start 1.06.2009
121
Stabilizator ciaglyliniowy i impulsowy
122
Wartosc srednia przebiegu impulsowego
123
Sprawnosc stabilizatora szeregowego
Sprawnosc maleje wraz ze wzrostem Uwe.
124
Sprawnosc stabilizatora impulsowego
Sprawnosc wzrasta wraz ze wzrostem Uwe.
125
Rodzaje stabilizatorów
126
Podsumowanie
127
Uklady przeksztaltnikowe - energoelektroniczne
przekazuja energie elektryczna miedzy dwoma
obwodami rózniacymi sie czestotliwoscia oraz
wartosciami napiec i pradów
128
Wspólczesne ppm
129
Glówne typy ppm
130
Prostownik sterowany jednofazowy
131
Zasada pracy przeksztaltników DC/DC
132
Falownik pólmostkowy
133
Ksztaltowanie napecia wyjsciowego
134
Falownik mostkowy
135
Falownik trójfazowy
136
Rozwój stopnia scalania ppm
137
Zastosowania ppm
138
Przyszlosc ukladów napedowych
139
UKLAD PRZESYLOWY PRADU STALEGO HVDC
140
Elektryczne akcesoria w samochodzie
141
(No Transcript)
142
(No Transcript)
143
NOWA GENERACJA MASZYN LATAJACYCH
scalenie w sprzecie latajacym tradycyjnych
mechanicznych, hydraulicznych i pneumatycznych
urzadzen z inteligentnymi urzadzeniami
energoelektronicznymi