WSTĘP DO ELEKTRONIKI Część I Napięcie, naężenie i moc prądu elekrycznego Sygnały elekryczne i ich klasyfikacja Rodzaje układów elekronicznych Janusz Brzychczyk IF UJ
Elekronika Dziedzina nauki i echniki zajmująca się wywarzaniem i przewarzaniem sygnałów w posaci prądów i napięć elekrycznych lub pól elekromagneycznych. (Wikipedia) Dziedzina nauki i echniki wykorzysująca zachowanie się elekronów w próżni, gazach i ciałach sałych. (Encyklopedia Techniki, WNT) Elekronika o serowanie przepływem elekronów w próżni (np. lampy elekronowe, kineskop, mikroskop elekronowy) w gazach (np. lampa neonowa, deekor gazowy) w ciałach sałych (np. elemeny półprzewodnikowe dioda, ranzysor...) ak aby osiągnąć odpowiedni efek np. wzmocnienie, oscylacje, prosowanie... Elekronika zajmuje się zasosowaniem zjawisk elekromagneycznych do przesyłania, przewarzania i gromadzenia informacji.
Prąd elekryczny napięcie, naężenie - - - - - - I - - - I Prąd elekryczny jes o uporządkowany ruch ładunków. Naężenie prądu (symbol: I, i) wyraża szybkość przepływu ładunku elekrycznego przez poprzeczny przekrój przewodnika: I = dq d Jednoska (układ SI) amper [A] = [C/s]
Napięcie elekryczne (symbol: U, u niekiedy E ) : Różnica poencjałów elekrycznych między dwoma punkami układu. U AB = A B Jednoska napięcia: A B wol [V] Napięcie wyworzone przez generaory prądu (ogniwa, baerie, fooogniwa, ermopary...) bywa również nazywane siłą elekromooryczną (SEM).
Częso mówimy o napięciu w danym punkcie układu. Wyrażenie o rozumiane jes jako napięcie między danym punkem a masą. A B U A U B masa (poencjał Ziemi = 0)
Prawo Ohma U R I I = U R R opór elekryczny (rezysancja) Jednoska rezysancji: Om (Ohm) [ ]
Moc pobierana przez urządzenie U I Moc chwilowa: P = U I Moc średnia w przedziale czasu ( 1, 2 ): P 1, 2 = 1 2 1 1 2 U I d = 1 2 1 W 1, 2 Praca wykonana przez prąd w przedziale czasu ( 1, 2 ): W 1, 2 = 1 2 U I d Jednoska: wa [W] = [V A] = [J/s] dżul [J] = [V A s] Praca prądu zamienia się w ciepło (oporniki), lub eż w pracę mechaniczną (silniki), energię promieniowania (lampy, nadajniki), energię zmagazynowaną (kondensaory, baerie).
Sygnały elekryczne Sygnał definiowany jes jako funkcja czasowa (i przesrzenna) dowolnej wielkości o charakerze energeycznym, w kórym można wyróżnić dwa elemeny: nośnik i paramer informacyjny. W zależności od rodzaju nośnika wyróżnia się sygnały elekryczne, magneyczne, elekromagneyczne (w ym świelne), akusyczne, mechaniczne, cieplne. Paramerem informacyjnym może być np. ampliuda, częsoliwość, faza, szerokość impulsu. Sygnały elekryczne: U, x, I, x, Q, x W układach skupionych czyli akich, kórych rozmiary są znacznie mniejsze od długości fali, sygnały mogą być rakowane jako funkcje jedynie czasu: U, I
Klasyfikacja sygnałów U() Sygnał analogowy (ciągły w warościach i w czasie) U() Sygnał spróbkowany (ciągły w warościach, dyskreny w czasie)
Klasyfikacja sygnałów U() Sygnał skwanowany (dyskreny w warościach, ciągły w czasie) U() Sygnał cyfrowy (dyskreny w warościach i w czasie)
Sygnał okresowy Sygnałem okresowym jes sygnał powarzający się w równych odsępach czasu nazywanych okresem sygnału. U() U T = U T Okres sygnału: T Częsoliwość: f = 1 T jednoska: Herc [Hz] = [1/s]
Przykłady sygnałów analogowych U() Sygnał harmoniczny (sinusoidalny) U() Fala prosokąna U() Fala rójkąna U() Fala piłowa
Przykłady sygnałów analogowych Liniowo narasające napięcie U() Impuls (prosokąny) U() U() Skok U() Szpilka
Przykłady sygnałów analogowych u() Przebieg sinusoidalny zmodulowany ampliudowo (AM) Przebieg sinusoidalny zmodulowany częsoliwościowo (FM)
Sygnały harmoniczne (sinusoidalne) u() = A sin ( ) lub u() = A cos ( ' ) gdzie ' = /2 u() T A ampliuda ( ) faza częsość (częsość kołowa) faza począkowa (przesunięcie fazowe) Częsoliwość: f = Okres: T = 1 / f = 2 Zapis w posaci eksponencjalnej z wykorzysaniem liczb zespolonych: 2 cos = 1 2 [e j e j ] cos = R [e j ] j jednoska urojona
Sygnały impulsowe u() (3) (4) (1) (2) Podsawowe paramery: ampliuda, szerokość impulsu. Impulsy o polaryzacji dodaniej: (1), (2) Impulsy o polaryzacji ujemnej: (3), (4) Impulsy dodanie: (1), (4) Impulsy ujemne: (2), (3) W rzeczywisości sygnał ma skończony czas narasania: 100 % 90 % 0 10 % r czas narasania
Przykład sygnału cyfrowego Sygnał czerobiowy, szeregowy:
Układy elekroniczne Układem elekronicznym nazywamy układ zbudowany z elemenów elekronicznych realizujący określoną funkcję. Podsawowym zadaniem układów elekronicznych jes generacja, ransmisja, przewarzanie i zapis sygnałów. Częso układy elekroniczne dzielimy na: analogowe cyfrowe konwerery (zamieniające wielkość analogową na cyfrową ADC, lub wielkość cyfrową na analogową DAC) Przykład układu analogowego: Sygnał wejściowy Sygnał wyjściowy Wzmacniacz
Typowe układy elekroniczne sosowane w pomiarach Serowanie np. ogrzewaniem Badany obiek Deekor Elekroniczny układ analogowy Konwerer Analog / Cyfra Kompuer Deekor (czujnik) zamienia wielkość mierzoną na jeden z paramerów elekrycznych np. emperaura napięcie naężenie świała opór elekryczny sężenie jonów naężenie prądu Układy analogowe wzmacniają sygnał, filrują, formują przebiegi... Konwerery zamieniają wielkość analogową na cyfrową