Podstawy elektroniki i akustyki

Transkrypt

1 Podstawy elektroniki i akustyki 1 Dr Klaudiusz Majchrowski Wykład dla Elektroradiologii

2 2 Podstawy elektroniki Wykład 7 Źródło:

3 3 Źródło napięciowe Idealne źródło napięciowe jest dwójnikiem, na którego zaciskach występuje stała różnica potencjałów niezależnie od natężenia i kierunku prądu. W szczególności napięcie takiego źródła nie zależy od wartości rezystancji obciążenia. Rzeczywiste źródło napięciowe zachowuje się jak idealne źródło napięciowe z szeregowo połączonym rezystorem o małej wartości rezystancji. Ogniwo elektryczne, baterię, akumulator można uważać za przybliżone źródła napięciowe.

4 4 Źródło prądowe Idealne źródło prądowe jest dwójnikiem, który wymusza prąd o stałym natężeniu w dołączonym obwodzie, niezależnie od wartości napięcia na jego zaciskach. Rzeczywiste źródło prądowe charakteryzuje się pewną graniczną wartością napięcia wyjściowego a wydajność prądowa jest tylko w przybliżeniu stała.

5 5 Stany pracy Stan obciążenia - stan pracy źródła przy dowolnej(różnej od 0 i ) wartości rezystancji R. W stanie obciążenia w układzie płynie prąd I a napięcie na zaciskach źródła wynosi U. Zgodnie z II prawem Kirchhoffa o bilansie napięć w oczku stan obciążenia opisujemy:

6 6 Stany pracy Stan jałowy źródła - stan pracy źródła przy wartości rezystancji R=. W obwodzie nie płynie prąd a napięcie U 0 jest równe napięciu źródłowemu.

7 7 Stany pracy Stan zwarcia źródła - stan pracy źródła przy wartości rezystancji R=0. W obwodzie płynie wówczas prąd zwarciowy I z

8 8 Stany pracy Stan dopasowania źródła - stan pracy źródła, w którym z rzeczywistego źródła napięcia pobierana jest największa możliwa moc. Występuje wówczas gdy R=R w.

9 9 Źródła sterowane Obok źródeł niezależnych, których parametry nie zależą od napięć i prądów w innych elementach danego obwodu elektrycznego (a nawet od obciążenia tego źródła) istnieją źródła sterowane, zwane też źródłami zależnymi, kontrolowanymi lub regulowanymi. W takim przypadku napięcie lub prąd źródła zależy od napięcia lub prądu w innym elemencie obwodu elektrycznego. Takie źródła oznaczane są symbolem diamentu ( ).

10 Źródła sterowane 10

11 11 Dzielnik napięcia Jest to układ, którego napięcie wyjściowe jest ściśle określoną częścią napięcia wejściowego. Jest podstawą do zrozumienia działania wielu układów elektronicznych. Dla dzielnika bez obciążenia na jego wyjściu (jak na rysunku) przez oporniki R 1 i R 2 płynie taki sam prąd. Napięcie wyjściowe, czyli napięcie na zaciskach R 2, jest równe U wy = U we R 2 /(R 1 +R 2 ). U wy jest taką częścią U we jaką R 2 jest częścią sumy R 1 +R 2. Zatem zmiany R 2 lub R 1 lub obu rezystorów zmieniają U wy.

12 12 Kierunek przepływu energii W obwodach elektrycznych dwójnik oddaje energię, gdy prąd wypływa z jego zacisku o wyższym potencjale elektrycznym, natomiast pobiera energię, gdy prąd wpływa do tego zacisku. Na rys. obok prąd I = (E 1 E 2 )/R = 3 A ma kierunek zgodny ze strzałką. Widać, że źródło E1traci moc P 1 = I*E 1 = 36 W, źródło napięcia E 2 przyjmuje i magazynuje moc P 2 = 18 W, a rezystor R pobiera i rozprasza moc P 3 = I 2 *R = 18 W.

13 13 ANALIZA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH Do najczęściej stosowanych metod analizy obwodów elektrycznych zaliczamy następujące metody. 1. Metoda uproszczeń. 2. Metoda superpozycji. 3. Metoda stosowania twierdzeń Thevenina i Nortona. 4. Metoda oczkowa, zwana też metodą prądów oczkowych (preferowane są układy zawierające źródła napięciowe). 5. Metoda węzłowa, zwana też metodą napięć węzłowych jest najczęściej stosowana (preferowane są układy zawierające źródła prądowe). 6. Metoda ogólna - polega na zastosowaniu kilku powyższych metod. 7. Metoda małosygnałowa. 8. Metoda graficzna. Stosowana jest szczególnie w przypadku układów zawierających elementy nieliniowe.

14 14 ANALIZA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH W prezentowanych metodach stosowane są: prawa Kirchoffa, prawo Ohma, intuicja i dążenie do uzyskania pełnego układu równań niezależnych. W większości metod przed przystąpieniem do układania równań konieczne jest tzw. strzałkowanie napięć i prądów by składniki równań były zapisywane ze zgodnymi znakami. Czasem duże ułatwienie przynosi zamiana źródeł prądowych na równoważne źródła napięciowe lub odwrotnie.

15 15 Połączenie gwiazda, trójkąt Przy takiej zamianie pewnych części układu możemy otrzymać układ równoważny i prostszy do obliczeń. Poniższe wzory otrzymujemy z 3 równań zapisanych jako równości oporu między odpowiednimi punktami R[1,2] Trójkąt = R[1,2] Gwiazda, R[1,3] Trójkąt = R[1,3] Gwiazda i R[2,3]T rójkąt = R[2,3] Gwiazda.

16 Gwiazda-trójkąt 16

17 Gwiazda-trójkąt 17

18 Gwiazda-trójkąt 18

19 19 Multimetr analogowy Multimetry to proste przyrządy do pomiaru prądu, napięcia, rezystancji itp. Multimetr analogowy (wskazówkowy). Błąd określa klasa dokładności przyrządu jako wielkość procentową od użytego zakresu. Typowe klasy dokładności: 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2.5, 5. Gdy klasa podana jest w kółeczku, to oznacza ona błąd procentowy od wartości zmierzonej. Dodatkowo należy uwzględniać błąd odczytu oraz zaburzenie spowodowane podłączeniem przyrządu o zadanej impedancji wewnętrznej. W woltomierzach analogowych oporność rośnie ze zwiększaniem zakresu pomiarowego i morze być podana np. jako 20 kω/v. W amperomierzach oporność jest mała rzędu 1Ω i też nie może być zaniedbana gdy amperomierz włączamy do układu z małymi wartościami oporności R. Rozdzielczość wyraża najmniejszą, dającą się wykryć, zmianę wielkości mierzonej.

20 Multimetr analogowy 20

21 21 Multimetr cyfrowy Multimetry cyfrowe są dokładniejsze od analogowych. Błąd pomiaru określany jest jako suma dwuskładnikowa. Pierwszy składnik to ułamek od wartości zmierzonej (ułamek zależny od temperatury). Drugi składnik to ułamek od użytego zakresu albo waga najmniej znaczącej cyfry tegoż zakresu razy współczynnik n. Dodatkowo należy uwzględniać zaburzenie badanego układu spowodowane podłączeniem przyrządu o zadanej impedancji wewnętrznej. Oporność wewnętrzna (jako wielkość zaburzająca badany układ) podawana jest w dołączonej do multimetru instrukcji. Czasem wielkość ta jest umieszczana na obudowie przyrządu. W przyrządach cyfrowych zwykle największa oporność jest dla zakresu o największej czułości np Ω, a dla wyższych zakresów np Ω. Zwykle konieczne jest dobre poznania instrukcji dołączonej do przyrządu.

22 22 Multimetr cyfrowy Nowocześniejszymi multimetrami można mierzyć, oprócz prądu napięcia i oporności również pojemność, indukcyjność, częstotliwość i temperaturę, można też badać diody i tranzystory. Niektóre multimetry można podłączać do komputera poprzez interfejs IEC-625 (IEEE- 488), RS-232 lub USB.

23 23 Oscyloskop Oscyloskop przyrząd elektroniczny służący do obserwowania, obrazowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi, bądź innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci elektrycznej. Oscyloskop stosuje się do badania przebiegów szybkozmiennych, niemożliwych do bezpośredniej obserwacji przez człowieka. Jest podstawowym przyrządem pomiarowym w pracowni elektronika.

24 24 Oscyloskop W zależności od technologii analizy sygnału wyróżnić można oscyloskopy: analogowe z lampą oscyloskopową, na której obraz generowany jest w wyniku oddziaływania obserwowanych przebiegów na układ odchylania wiązki elektronowej; cyfrowe z monitorem wyświetlającym obraz wygenerowany przez układ mikroprocesorowy na podstawie analizy zdigitalizowanych sygnałów wejściowych. Oscyloskopy mogą występować jako system wbudowany albo oprogramowanie.

25 Oscyloskop 25

26 Oscyloskop 26

27 27 Krzywa Lissajous Krzywa Lissajous (wym. lisaʒu) bądź Bowditcha w matematyce krzywa parametryczna opisująca drgania harmoniczne, dana wzorem x(t) = Asin(at + d), y(t) = Bsin(bt). Nazwy pochodzą od nazwisk Nathaniela Bowditcha, który opisał rodzinę tych krzywych w 1899, oraz Jules'a Antoine'a Lissajous, który badał je używając do tego drgających kamertonów z umocowanymi do nich zwierciadełkami. Krzywe te nazywane są też figurami Lissajous.

28 28 Krzywa Lissajous Jedną z metod uzyskiwania krzywych Lissajous jest podanie na wejścia oscyloskopu, pracującego w trybie XY, dwóch sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach pozostających w stosunku a/b. Ciekawy efekt uzyskuje się również, gdy stosunek tych częstotliwości jest minimalnie różny od ilorazu dwóch niskich liczb naturalnych: dzięki płynnej zmianie fazy (parametru d) uzyskuje się iluzję trójwymiarowego obrotu krzywej. W najprostszym przypadku, gdy a b uzyskuje się efekt obracającej monety. Poniżej zamieszczono przykłady krzywych Lissajous o parametrach d= π/2, a nieparzyste, b parzyste, a - b = 1.

29 Krzywa Lissajous 29

30 30 Rezystory Rezystory są istotnymi elementami obwodów prądu zarówno zmiennego jak i stałego. W obwodach prądu zmiennego obok rezystancji (rezystorów) istotnymi elementami są również indukcyjności i pojemności (cewki i kondensatory). Rezystory, zwane również opornikami ( określenie z dawnych czasów), zaliczane są do elementów biernych. Podstawowym parametrem oporników jest rezystancja podawana w omach i jednostkach wyższych rzędów, czyli "kilo omach" i "mega omach". Można powiedzieć, że rezystancja to zdolność od przeciwstawiania się przepływowi prądu. Rezystancja (opór elektryczny, opór czynny, oporność, oporność czynna) wielkość charakteryzująca relacje między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego. W obwodach prądu przemiennego rezystancją nazywa się część rzeczywistą zespolonej impedancji.

31 31 Rezystory Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R. Rezystancja zdefiniowana jest wzorem: R = U/I gdzie: R opór przewodnika elektrycznego, U napięcie między końcami przewodnika, I natężenie prądu elektrycznego

32 32 Rezystory Rezystancja przewodnika o jednakowym przekroju poprzecznym do kierunku przepływu prądu jest proporcjonalna do długości przewodnika, odwrotnie proporcjonalna do przekroju i zależy od materiału, co wyraża zależność (niekiedy nazywana drugim prawem Ohma): gdzie l długość przewodnika, R = ρl S S pole przekroju poprzecznego przewodnika, ρ rezystywność (opór właściwy) przewodnika, parametr charakteryzujący materiał.

33 33 Rezystory Rezystywność (oporność właściwa, opór właściwy) wielkość charakteryzująca materiały pod względem przewodnictwa elektrycznego. Rezystywność jest zazwyczaj oznaczana jako ρ (mała grecka litera rho). Jednostką rezystywności w układzie SI jest om metr (Ω m). Ze względu na opór właściwy ciała dzieli się na następujące grupy: metale, będące bardzo dobrymi przewodnikami (opór właściwy rzędu 10 8 Ω m), półprzewodniki (10 6 Ω m), izolatory ( Ω m). Granice te są umowne, w różnych dziedzinach techniki i fizyki używa się różnych.

34 34 Rezystory Inne parametry: indukcyjność pasożytnicza, napięcie graniczne, dopuszczalna moc, tolerancja, poziom szumu (Rezystory metalizowane i drutowe "szumią" najmniej ale mają większą indukcyjność. Ich napięcie szumów wynosi 0,05 μv/v. Napięcie szumów rezystorów węglowych wynosi 6 μv/v). Schemat zastępczy rezystora: - Resztkowa indukcyjność L (ok. 5nH) - Resztkowa pojemność C (ok. 0.5pF)

35 Rezystory 35

36 Rezystory 36

37 Rezystory - potencjometry 37

38 38 Termistor Termistor opornik półprzewodnikowy lub metalowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu. Od rodzaju i proporcji użytych tlenków zależą właściwości termistora.

39 39 Rezystory w układach scalonych Osobną grupę rezystorów stanowią te w układach scalonych. Mamy tam rezystory półprzewodnikowe i rezystory w postaci naparowanych cienkich warstw. Rezystory półprzewodnikowe to odpowiednio domieszkowane poprzez dyfuzję lub inplantację obszary objętości półprzewodnika. Rezystory cienkowarstwowe powstają przez naniesienie (naparowanie) warstwy materiału oporowego (tantalu, SnO 2, Ni-Cr lub jeszcze innego) na izolacyjne podłoże i wytrawienie w taki sposób aby uzyskać pożądaną sieć rezystorów.

40 40 Tensometry Zastosowanie rezystorów do pomiaru odkształceń i naprężeń: Tensory w postaci cienkowarstwowego rezystora (grubość warstwy przewodzącej poniżej 0,001mm) są wykonywane metodą fotolitografii. Maksymalne odkształcenie L/L = 0,005 (0,5%) powoduje zmianę rezystancji rezystora o około 1 % (100Ω o około 1Ω). W tensometrii elektrooporowej wykorzystuje się zjawisko zmiany oporności elektrycznej przewodnika wynikającej z jego wydłużenia lub skrócenia.

41 Tensometry 41

42 42 Warystor Warystory to rezystory zależne od napięcia z silną nieliniowością: V = k I β, zabezpieczają one inne elementy przed przepięciem.

43 43 Fotorezystor Fotorezystor (fotoopornik, fotoelement oporowy, opornik fotoelektryczny) jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia.

44 44 Fotorezystor Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się do: pomiaru temperatury poprzez pomiar natężenia promieniowania, ostrzegania w systemach przeciwpożarowych, wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków. Zalety fotorezystora niezawodność działania, niska cena, duża obciążalność prądowa. Wady fotorezystora wrażliwość na temperaturę, dość duża bezwładność czasowa.

45 Fotorezystor 45