Download
1 / 71
710 likes | 823 Views
2. Podstawy obwodów elektrycznych. 2.1. Wstęp. Nośnikami informacji używanymi w sprzę-cie komputerowym i innych urządzeniach związanych z obróbką informacji są sygnały elektryczne. 2.1. Wstęp.
E N D
2.1. Wstęp • Nośnikami informacji używanymi w sprzę-cie komputerowym i innych urządzeniach związanych z obróbką informacji są sygnały elektryczne.
2.1. Wstęp • W urządzeniach do przetwarzania sygnałów elektrycznych, pod wpływem napięć przykładanych do poszczególnych elementów, płynie prąd elektryczny. Napięcia i natężenia prądów w obwodzie elektrycznym spełniają odpowiednie prawa elektrotechniki.
2.1. Wstęp • Elementy, z których są zbudowane układy elektroniczne, są opisane przez charakterystyczne dla nich związki między prądami i napięciami.
2.1. Wstęp • Z właściwości poszczególnych typów elementów wynikają możliwe sposoby ich wykorzystania w układach do prze-twarzania sygnałów.
2.1. Wstęp • W tej części wykładu omawiamy podstawowe cechy obwodów elektry-cznych i właściwości ich elementów składowych.
2.2. Pojęcia podstawowe • Nośniki ładunku elektrycznego - ruchliwe cząstki obdarzone ładunkiem elektry-cznym. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (1C).
2.2. Pojęcia podstawowe • Najczęściej wykorzystywany rodzaj nośników ładunku - elektrony. Ładunek elektronu jest ujemny i wynosi: • q - wartość bezwzględna ładunku elektronu
2.2. Pojęcia podstawowe • Obszar, w którym na ładunki elektryczne działają siły: pole elektryczne. Jeśli na ładunek Q umieszczony w polu działa siła to natężenie pola wynosi:
2.2. Pojęcia podstawowe • Przemieszczenie ładunku Q w polu elektrycznym: wykonanie pracy W. • Wielkość uAB nazywamy napięciem lub różnicą potencjałów między punktami A i B (VA – potencjał w punkcie A).
2.2. Pojęcia podstawowe • Pole elektryczne można wytworzyć w przewodzie przykładając między jego końcami źródło napięcia. Wynikiem tego będzie siła działająca na nośniki ładunku znajdujące się w przewodzie.
2.2. Pojęcia podstawowe • Nośników tych może być więcej lub mniej, zależnie od materiału przewodu. Używa się pojęcia koncentracji nośników swobodnych – jest to liczba nośników w jednostce objętości materiału.
2.2. Pojęcia podstawowe • Pod wpływem siły nośniki przemieszczają się. Przepływ nośników nazywamy prądem elektrycznym. Natężenie prądu przepływającego przez dany przekrój przewodu wynosi:
2.2. Pojęcia podstawowe • Gęstość prądu oznacza natężenie prądu przypadające na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego:
2.2. Pojęcia podstawowe • Gęstość prądu jest wektorem; • oznacza wektor jednostkowy wskazujący kierunek przepływu umownego ładunku dodatniego.
2.2. Pojęcia podstawowe • Prądy i napięcia występujące w obwodzie elektrycznym są na ogół funkcjami czasu. Wartości chwilowe prądów i napięć oznaczamy małymi literami z dużymi indeksami, np. iA(t), uAB(t).
2.2. Pojęcia podstawowe • W wartościach chwilowych można wyodrębnić składowe stałe (spo-czynkowe) niezależne od czasu oraz składowe sygnałowe. Składowe spo-czynkowe zapewniają gotowość elementu do przetwarzania sygnałów
2.2. Pojęcia podstawowe • System oznaczeń: wartości chwilowe składowe spoczynkowe składowe sygnałowe
2.2. Pojęcia podstawowe • Jeśli między końcówkami elementu panuje napięcie uAB i płynie prąd o natężeniu iA to do tego elementu jest doprowadzana moc o wartości chwilowej:
2.2. Pojęcia podstawowe • Doprowadzenie mocy może powodować gromadzenie energii w elemencie lub zamianę energii elektrycznej na ciepło. W tym ostatnim przypadku mówimy o rozpraszaniu lub o stratach mocy.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • elementy liniowe lub nieliniowe; • elementy inercyjne lub bezinercyjne; • elementy stratne lub bezstratne; • elementy czynne (aktywne) lub bierne (pasywne).
2.3. Prawa Kirchhoffa • I prawo Kirchoffa: Suma natężeń prądów dopływających do węzła (rozgałęzienia) obwodu jest równa zeru. • Prądom dopływającym przypisujemy znak plus, odpływającym z węzła – znak minus.
2.3. Prawa Kirchhoffa • Przykład
2.3. Prawa Kirchhoffa • II prawo Kirchhoffa: Suma napięć na poszczególnych gałęziach zamkniętego obwodu jest równa zeru.
2.3. Prawa Kirchhoffa • Przykład
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • 2.4.1. Klasyfikacje • Właściwości elektryczne elementów są opisane przez związki (zależności matematyczne) między prądami i napięciami nazywane charakterystykami elementu.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Pojęcie elementów idealnych: elementy abstrakcyjne o uproszczonych chara-kterystykach, które odzwierciedlają podstawowe cechy danego typu elementów.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Właściwości rzeczywistych elementów różnią się nieco od właściwości elementów idealnych. • Klasyfikacja elementów elektronicznych (podobnie jak i innych obiektów) może być oparta na różnych kryteriach.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Elementy możemy więc klasyfikować według materiału z którego są wykonane, liczby wyprowadzeń zewnętrznych (końcówek), rozmiarów, budowy wewnętrznej itd.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Z punktu widzenia funkcji spełnianych w układach elektronicznych, istotne są następujące podziały (klasyfikacje):
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • elementy liniowe lub nieliniowe; • elementy inercyjne lub bezinercyjne; • elementy stratne lub bezstratne; • elementy czynne (aktywne) lub bierne (pasywne).
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Element nazywamy liniowym jeśli jego podstawowa charakterystyka jest wyrażona zależnością liniową (spełnia zasadę superpozycji). W przeciwnym razie element jest nieliniowy.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Element opisany zależnością prądowo-napięciową i = f(u) jest bezinercyjny jeśli natężenie prądu w chwili t zależy jedynie od napięcia w tej samej chwili, a nie zależy od wartości napięcia w przeszłości.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Element jest inercyjny, jeśli aktualna wartość natężenia prądu zależy od wartości napięcia w przeszłości. Analogiczne określenia odnoszą się do elementu opisanego zależnością napięciowo-prądową.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Element jest bezstratny jeśli dopro-wadzona do niego energia elektryczna jest w nim gromadzona i może zostać odzyskana w całości w formie elektrycznej.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • W elementach stratnych, część lub całość dostarczonej energii elektrycznej zostaje zamieniona na ciepło i nie może być odzyskana w formie energii elektrycznej.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Elementy aktywne są zdolne do wzmacniania sygnałów elektrycznych. Moc sygnału elektrycznego odbierana z elementu aktywnego jest większa od mocy sygnału doprowadzanego.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • To wzmocnienie mocy sygnału odbywa się na koszt mocy składowych stałych prądów i napięć doprowadzanych do elementu. Elementy bierne nie są zdolne do wzmacniania sygnałów.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • W następnym punkcie omawiamy elementy bierne. Rolę elementów czynnych (aktywnych) odgrywają elementy półprzewodnikowe omawiane później.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • 2.4.2. Podstawowe elementy bierne. • Podstawowe elementy bierne używane w elektronice: oporniki, kondensatory i cewki indukcyjne. • Idealny, liniowy element rezystancyjny (opornik) jest opisany prawem Ohma:
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Parametr R to oporność (rezystancja) opornika. Rezystancja opornika o długości l i powierzchni przekroju poprzecznego S wynosi:
2.4. Elementy obwodów elektrycznych - oporność właściwa (rezystywność), - przewodność właściwa (konduktywność) materiału opornika. Opornik może być elementem nieliniowym, opisanym przez zależność: lub:
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Typowe oporniki są wykonywane tak, aby ich charakterystyka była bliska zależności liniowej. Odchylenie od liniowości jest traktowane jako nieidealność.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Specjalne oporniki nieliniowe: np. warystor. W tym przypadku, pomimo nieliniowości, element jest traktowany jako idealny.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Idealny opornik jest elementem stratnym i bezinercyjnym. Energia elektryczna doprowadzana do opornika w związku z wydzielaniem mocy chwilowej:
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • jest w nim w całości zamieniana na ciepło. Wielkości uR, iR występujące w opisach opornika oznaczają napięcie i prąd w tej samej chwili t. Oznacza to, że wartość napięcia na oporniku w pewnej chwili t0 nie zależy od wartości prądu w przeszłości (dla t < t0)
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • W rzeczywistych opornikach, przy szybkich zmianach prądów lub napięć, obserwuje się efekty inercyjne. Opornik rzeczywisty można przedstawić jako połączenie elementu idealnego z ele-mentami pasożytniczymi, pojemnościo-wymi lub indukcyjnymi.
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Idealny element pojemnościowy (kondensator)
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • Zależność definicyjna: • W przypadku liniowym: • Natężenie prądu:
2.4. Elementy obwodów elektrycznych • W przypadku liniowym: • Napięcie w chwili t0:
