ROZDZIAŁ I: Elementy liniowe w elektronice Temat 1 : Rezystory. Potencjometry. Rezystory s to elementy, których podstawowym parametrem elektrycznym jest rezystancja, a inne parametry, takie jak pojemno i indukcyjno, powinny by jak najmniejsze. Wanymi parametrami rezystorów s take: moc znamionowa czyli dopuszczalna moc wydzielana w kadym rezystorze, przez który płynie prd (ciepło: Q = P t; w watach, P = U I); tolerancja czyli niedokładno rezystancji w % rezystancji znamionowej; wymiary; napicie graniczne podawane w woltach [V]. Podział rezystorów w zalenoci od: cech funkcjonalnych, na: rezystory, potencjometry, termistory, warystory i magnetorezystory gaussotrony; charakterystyki prdowo napiciowej, na: liniowe i nieliniowe; stosowanego materiału oporowego, na: drutowe i niedrutowe. Rys.1.1. Przykłady rezystorów stałych i zmiennych: a) warstwowe metalizowane; b) objtociowe; c) drutowe; d) potencjometry
Rezystory drutowe wykonane z drutu stopowego (manganin, konstantan, kanthal) nawinitego na ceramiczny wałek lub rurk w postaci jednowarstwowego uzwojenia. Rezystory niedrutowe wykonane z materiału rezystywnego jako rezystory warstwowe lub objtociowe. Rezystory warstwowe wykonane z materiału rezystywnego umieszczonego na podłou w postaci warstwy. Mog by wglowe (OWZ; stosuje si w układach o bardzo wielkich czstotliwociach, do 1 GHz) i metalizowane. Rezystory metalizowane wykonane z materiałów takich jak złoto, platyna, rod, pallad, nikiel, iryd. S to rezystory cienkowarstwowe (grubo warstwy poniej 1 m). Rys.1.2. Symbole rezystorów: a) stały; b) zmienny (potencjometr); c) nastawny. Rezystory objtociowe wystpuje w nich lity element oporowy, który przewodzi prd cał swoj objtoci. Z tej racji rezystory te wytrzymuj due obcienia prdowe i mocowe. Rezystor liniowy charakteryzuje si w normalnych warunkach proporcjonaln zalenoci napicia od prdu, tzn. spełnia prawo Ohma w postaci U = I R, przy czym R=const. Rezystor nieliniowy charakteryzuje si tym, e warto rezystancji jest funkcj prdu lub napicia
Rys.1.3. Przedrostki, mnoniki i jednostki rezystancji. Rys. 1.4. Kod barwny rezystorów: a) paski; b) kropki; c) mieszany Rys. 1.5. Kod barwny rezystorów do rys. 1.4.
Rezystory zmienne (potencjometry) s to takie rezystory, w których warto rezystancji zaley od połoenia pokrtła lub ruchomego lizgacza. Najbardziej stabilne ze wszystkich rezystorów s potencjometry drutowe. Stosuje si je jako potencjometry dostrojnicze i wieloobrotowe w układach pomiarowokontrolnych (moc 0,5 4 W). Potencjometry warstwowe s stosowane do regulacji napi w obwodach.(moc 0,1 2 W). Potencjometry o charakterystyce liniowej zastosowanie: do regulacji napicia (dzielniki napiciowe); Potencjometry o charakterystyce logarytmicznej zastosowanie: do regulacji siły głosu we wzmacniaczach akustycznych; Potencjometry o charakterystyce wykładniczej zastosowanie: do regulacji barwy tonu. Rys. 1.6. Rezystory zmienne: a) potencjometry wielo- i jednoobrotowy; b) precyzyjne potencjometry nastawne (trymery oporowe) wieloobrotowe; c) miniaturowe trymery oporowe jednoobrotowe.
ROZDZIAŁ I: Elementy liniowe w elektronice Temat 2 : Charakterystyki rezystorów i potencjometrów. Zalenoci midzy parametrami elektrycznymi rezystorów (rezystancja, napicie, prd i moc) okrelaj ich charakterystyki napiciowo prdowe I(U). Zgodnie z prawem Ohma U I = albo U = R I R Rys.2.1. Charakterystyki potencjometrów:1 liniowa (A); 2 wykładnicza (B); 3 logarytmiczna (C). Rezystor jest elementem biernym, to znaczy, e nie wzmacnia sygnałów elektrycznych, a energia elektryczna jest w nim tracona i wydziela si w postaci ciepła. Moc P tracona w rezystorze zaley od napicia i prdu rezystora P = U I, np. dla rezystora o rezystancji R przy napiciu U 0 prd U R 0 I 0 =, a moc tracona P = I 2 0 0 R albo P 0 = 2 U 0 R Moc tracona w rezystorze R` o rezystancji 2 razy wikszej (R` = 2 R) przy takim samym napiciu jest 2 razy mniejsza: P`= U 0 I`0 = U 0 0,5 I0 = 0, 5 P0
Rys.2.2. Przykładowe charakterystyki napiciowo prdowe rezystorów i hiperbola H Mocy znamionowej P N ; R, R` - rezystancje rezystorów (R` = 2 R); A, B punkty na granicy obszaru pracy dopuszczalnej. Rezystor naley dobiera tak, by moc tracona w nim P R była mniejsza od mocy znamionowej P N (dopuszczalnej) podanej przez wytwórc dla danego rezystora, czyli PR P N Parametry rezystora w układzie (R, U, I) powinny by dobrane tak, aby punkt okrelony tymi parametrami nie przekraczał hiperboli H mocy znamionowej rezystora przedstawionej na charakterystyce napiciowo prdowej (Rys. 2.2.) I = P U N Niespełnienie powyszego warunku powoduje zniszczenie rezystora w skutek przegrzania.
Temat 3 : Kondensatory. Kondensatorem nazywamy układ dwóch lub wicej przewodników (okładzin) odizolowanych od siebie dielektrykiem. Zadaniem kondensatora jest gromadzenie ładunków elektrycznych. Miar zdolnoci kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych nazywamy pojemnoci kondensatora. C = ε gdzie: C pojemno, przenikalno elektryczna dielektryka wypełniajcego przestrze midzy okładzinami kondensatora, S powierzchnia okładzin kondensatora, d odległo midzy okładzinami S d Rys. 3.1. Budowa kondensatora płaskiego Jednostk pojemnoci jest farad [F]. Jeden farad jest jednostk bardzo du. Np. kula ziemska ma pojemno 700 F. W praktyce uywa si jednostek mniejszych od farada.
Parametry kondensatorów: pojemno znamionowa C N (wyraona w [F]) okrela zdolno kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych. napicie znamionowe U N, najwiksze dopuszczalne napicie stałe lub zmienne, które moe by przyłoone do kondensatora. tolerancja niedokładno wykonania kondensatora. Tolerancje maj wartoci od kilku do ponad stu procent (np. w przypadku kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych). tangens kta stratnoci tg, stosunek mocy czynnej wydzielajcej si w kondensatorze do mocy biernej magazynowanej w kondensatorze, przy napiciu sinusoidalnie zmiennym o okrelonej czstotliwoci. prd upływowy I u, prd płyncy przez kondensator przy doprowadzonym napiciu stałym. temperaturowy współczynnik pojemnoci C, okrela wzgldn zmian pojemnoci zalen od zmian temperatury. Na skutek odizolowania okładzin kondensatora od siebie nie przewodzi on prdu stałego, a przewodzi jedynie prd przemienny. Reaktancja kondensatora maleje ze zwikszaniem czstotliwoci prdu przemiennego, zgodnie ze wzorem: 1 X C = ω C gdzie: X C reaktancja kondensatora w [], pulsacja prdu w [rad/s], C pojemno kondensatora w [F]. Podział kondensatorów stałych ze wzgldu na budow: mikowe do budowy stosuje si muskowit (rodzaj miki). Maj mały temperaturowy współczynnik pojemnoci i mały tangens kta stratnoci dielektrycznej. Wad ich jest wysoka cena kondensatorów duej pojemnoci. ceramiczne wykonywane z ceramiki alundowej, rutylowej, steatytowej, maj mał warto tangensa kta stratnoci dielektrycznej oraz duy temperaturowy współczynnik pojemnoci. Zalet jest dua warto pojemnoci znamionowej i małe wymiary. Czsto stosowane w obwodach w.cz. oraz jako pojemnoci sprzgajce (pojemnoci w obwodach rezonansowych i filtrach). papierowe maj małe wymiary przy duych wartociach pojemnoci oraz duy współczynnik stratnoci dielektrycznej. Dielektrykiem w nich jest bibuła nasycona olejem syntetycznym, kondensatorowym, lub parafinowym.
poliestyrenowe maj mały współczynnik temperaturowy pojemnoci oraz mały tangens kta stratnoci dielektrycznej. Przeznaczone s do układów wielkich czstotliwoci. elektrolityczne : aluminiowe i tantalowe (z elektrolitem ciekłym mokre, z elektrolitem suchym półprzewodnikowe). Stosowane w układach filtracji napicia zasilania i jako kondensatory sprzgajce w układach małej czstotliwoci. Maj due wartoci pojemnoci znamionowej. Długotrwała praca przy napiciu mniejszym od znamionowego powoduje znaczny wzrost pojemnoci. Ich wad jest duy prd upływowy, którego warto ronie wraz ze wzrostem temperatury. Rys.3.2. Rodzaje kondensatorów: a) stałe ceramiczne; b) stałe zwijkowe; c) elektrolityczne; d) nastawne (trymery)
Temat 4 : Cewki i transformatory. Cewk nazywamy zwojnic, której podstawowym parametrem jest indukcyjno. Indukcyjno okrela zdolno cewki do przeciwstawiania si zmianom prdu płyncego przez cewk i wyraa si wzorem : π ( N d) L = µ 4 l gdzie: L indukcyjno cewki w henrach [H], przenikalno magnetyczna rdzenia cewki, N liczba zwojów, d i l rednica i długo cewki [m]. 2 Rys. 4.1. Budowa cewki. 1 korpus, 2 uzwojenie 3 rdze (ewentualnie) Podział cewek ze wzgldu na sposób wykonania: jednowarstwowe (15 20 H) lub wielowarstwowe (100 500 H); bezrdzeniowe lub z rdzeniem; cylindryczne, płaskie, toroidalne lub drukowane (odpowiednio profilowane cieki); ekranowane lub nieekranowane. Podstawowe parametry cewki: indukcyjno własna L; dobro Q Q L L = ω r gdzie: L indukcyjno; r L rezystancja uzwojenia pojemno własna C 0 (wystpuje midzy poszczególnymi zwojami cewki, midzy zwojami a korpusem oraz innymi elementami otaczajcymi cewk) zaley od wymiarów i sposobu uzwojenia. L
Od wartoci pojemnoci własnej cewki (0,5 50 pf) zaley czstotliwo rezonansu własnego f 0 = 2π 1 LC 0 Podczas zwikszania czstotliwoci pracy, najpierw wystpuje zjawisko 2 rezonansu (gdy ω LC0 = 1), a nastpnie zaznacza si pojemnociowy charakter cewki. Reaktancja cewki okrelona jest wzorem: X L = ω L Cewka z rdzeniem ferromagnetycznym o nieliniowej charakterystyce magnesowania rdzenia nazywamy dławikiem. Płyncy przez cewk prd wytwarza wokół niej pole magnetyczne. Jeli w tym polu magnetycznym umiecimy drug cewk, to otrzymamy transformator. Zmiany prdu płyncego w pierwszej cewce transformatora powoduj zmiany strumienia magnetycznego przenikajcego zwoje drugiej cewki, a wic w drugiej cewce indukuje si siła elektromotoryczna (sem). Istniej transformatory o dwóch lub wikszej liczbie cewek. Rys.4.2. Transformator dwuuzwojeniowy: a) uzwojenia nawinite zgodnie; b) uzwojenia nawinite przeciwnie. Przekładni transformatora nazywamy stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego z 1 do liczby zwojów uzwojenia wtórnego z 2, czyli υ = z z 1 2
Rys.4.3. Cewki i transformatory: a) cewki miniaturowe; b) elementy wielkogabarytowe; c) transformatory sieciowe 1 cewki jednowarstwowe, 2 dławik hermetyczny, 3 cewka nawinita krzyowo, 4 cewka płaska, 5 autotransformator z kubkowym rdzeniem ferrytowym, 6 rdzenie ferrytowe (okrgły i płaski), 7 cewki wielowarstwowe, 8 i 9 transformatory sieciowe z rdzeniem toroidalnym (100 W) i zwijanym (23 W).
Temat 5 : Przetworniki elektroakustyczne. Przetworniki elektroakustyczne s to elementy przetwarzajce przebiegi akustyczne w przebiegi elektryczne (mikrofon) lub odwrotnie (głonik, słuchawki). Ze wzgldu na sposób przetwarzania, przetworniki dzielimy na: piezoelektryczne (krystaliczne), dynamiczne (magnetoelektryczne), pojemnociowe (elektrostatyczne), wglowe (tylko mikrofony), elektromagnetyczne. Poziom natenia d wiku wyraa si w decybelach [db]. Bel jest to jednostka miary logarytmicznej stosunku dwóch porównywanych mocy sygnału (czsto stosuje si pomiary w skali napicia, prdu lub impedancji). P liczba decybeli = 10log P gdzie: P i P 0 wartoci dwóch porównywanych mocy. 0 Głoniki. Rys.5.1. Konstrukcja głonika magnetoelektrycznego: a) widok ogólny; b) w przekroju. Zasada działania głonika jest bardzo prosta. Przebieg elektryczny wywołuje w przetworniku elektroakustycznym drgania membrany. Membrana przekazuje drgania czsteczkom powietrza, a te z kolei tworz fal akustyczn.
Główne parametry głoników podawane przez producentów: moc znamionowa P N warto mocy elektrycznej, któr głonik moe by obciony w sposób stały. impedancja znamionowa Z N najmniejsza warto impedancji dla czstotliwoci powyej czstotliwoci rezonansu mechanicznego f M (odpowiada to dolnej czstotliwoci przenoszenia), dla którego impedancja osiga pierwsze minimum. zakres przetwarzanych czstotliwoci - charakterystyka przenoszenia przedstawiajca zmiany cinienia akustycznego w funkcji czstotliwoci przy stałej wartoci napicia doprowadzonego do głonika. Rys.5.2. Charakterystyka trójdronego zespołu głonikowego. efektywno jest to iloraz cinienia akustycznego [N/m 2 ], wytworzonego przez głonik zasilany moc 1 W i mierzonego w odległoci 1 m od cewki, do cinienia wzorcowego, które przyjto jako 2 10-4 bar = 20 Pa. Efektywno głoników wyraa si w mierze wzgldnej w decybelach i wynosi 60 110 db.
Mikrofony. Mikrofon jest przetwornikiem elektroakustycznym, przetwarzajcym sygnały akustyczne w sygnały elektryczne. Rys.5.3. Budowa mikrofonu magnetoelektrycznego. Zasada działania mikrofonu: D wik (fala akustyczna) wywołuje ruch drgajcy czsteczek powietrza. Drgajce czsteczki powoduj drgania membrany przetwornika elektroakustycznego, z kolei ten zamienia drgania membrany na sygnał elektryczny. Podstawowe parametry mikrofonów: skuteczno stosunek napicia na wyjciu mikrofonu do cinienia akustycznego działajcego na membran, przy okrelonej czstotliwoci; zakres przetwarzanych czstotliwoci; impedancja wyjciowa impedancja cewki drgajcej lub innego układu wyjciowego, mierzona na wyjciu mikrofonu przy danej czstotliwoci. Mikrofony wglowe przetwarzane czstotliwoci: 200Hz 4kHz; impedancja wewntrzna 20 1k, due zniekształcenia d wiku. Mikrofony magnetoelektryczne - przetwarzane czstotliwoci: 30Hz 10 khz; mała impedancja wewntrzna, małe zniekształcenia d wiku. Mikrofony piezoelektryczne - przetwarzane czstotliwoci: 12Hz 14kHz; bardzo dua impedancja wewntrzna (G), małe zniekształcenia d wiku. Mikrofony pojemnociowe przetwarzane czstotliwoci 15Hz 15kHz; impedancja wewntrzna ok. 100M, bardzo małe zniekształcenia d wiku.
Temat 6 : Symbole graficzne elementów. Elementami głównymi rysunków technicznych elektrycznych s oznaczenia i symbole. Symbole graficzne elektryczne dzieli si na: ogólne, przedmiotowe, rozróniajce. Symbole ogólne okrelaj zjawiska wystpujce w elektryce. Symbole przedmiotowe przedstawiaj obiekty elektryczne. Symbole rozróniajce okrelaj zasady pracy obiektów, rodzaj wykorzystywanego zjawiska lub jego właciwoci. Rysunki techniczne elektryczne i elektroniczne wykonane zgodnie z wytycznymi norm midzynarodowych staj si zrozumiałe na całym wiecie i czsto zawieraj niezbdne informacje dotyczce obiektów i wyrobów elektrycznych i elektronicznych. Tabela 1.1. Symbole graficzne elementów stosowanych w elektrotechnice i elektronice: