1 dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM"Podstawy Elektroniki" dr Stanisław Lewicki Wydział Fizyki UAM

2 LITERATURA Elektronika w laboratorium naukowym T. Stacewicz, A. Kotlicki, PWN, 1994 r. Elektronika bez wielkich problemów Otto Limann, Horst Pelka, WKŁ, 1991 r. Elementy i uklady elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach M. Rusek, J. Pasierbinski WNT, 1997r. Układy i elementy elektroniczne St. Kuta; Podstawy elektroniki B. Pióro, M. Pióro , W.Sz.i P., 1996 r. Układy półprzewodnikowe U. Tietze, Ch. Schenk , WNT, 1996 r. Sztuka elektroniki P. Horowitz, W. Hill , WKŁ, 1992 r.

3 WSTĘP

4 HISTORIA ELEKTROTECHNIKIokoło 600 lat p.n.e znane były (Grecja) właściwości rudy żelaznej (Fe3O4) - przyciągania przedmiotów żelaznych i właściwości bursztynu, który potarty wełną przyciągał drobne lekkie przedmioty, 1600 lekarz William Gilbert stwierdził, że właściwości podobne do bursztynu posiadają również liczne inne ciała np. szkło i żywica. Uważał, że zjawiska elektryczne i magnetyczne są od siebie zupełnie niezależne, 1785 francuski fizyk Charles August Coulomb wyznaczył eksperymentalnie siłę oddziaływania na siebie ładunków elektrycznych, 1789 doświadczenie z żabimi udkami przeprowadzone przez lekarza włoskiego Luigi Galvaniego, 1799 zbudowanie przez Alessandro Volta pierwszego ogniwa i „stosu elektrycznego” będącego bateria szeregowo połączonych ogniw, 1800 elektroliza wody - Nicolson, 1802 łuk elektryczny - Pietrow, 1807 Davy odkrywa metale alkaliczne : sód i potas,

5 HISTORIA ELEKTROTECHNIKI1819 odkrycie działania prądu na igłę magnetyczną przez fizyka duńskiego Hansa Oersteda, związek pomiędzy polem elektrycznym i magnetycznym, fizyk francuski Andre Maria Ampere zbadał elektrodynamiczne oddziaływanie obwodów elektrycznych i stwierdził, że właściwości magnetyczne rud żelaznych i stali są wynikiem prądów molekularnych wewnątrz materii, 1873 James Clark Maxwell ogłasza „Traktat o elektryczności i magnetyzmie”, w którym rozwinął teorię fal elektromagnetycznych, potwierdzoną doświadczalnie przez fizyka niemieckiego Heinricha Hertza – (radiotechnika), 1877 powstaje prototyp żarówki wykonany przez Th. A. Edisona, odkrycie przez inżyniera serbskiego N. Teslę pola magnetycznego wirującego i zbudowanie pierwszego silnika indukcyjnego dwufazowego, 1889 układy dwufazowe ustępują układom trójfazowym wynalezionym przez Doliwo-Dobrowolskiego,

6 Przedrostki układu SI Przedrostek Oznaczenie Mnożnik eksa E1018 = peta P 1015 = tera T 1012 = giga G = mega M = kilo k = 1 000 hekto h = 100 deka da = 10 decy d = 0,1 centy c = 0,01 mili m = 0,001 mikro  = 0, nano n = 0, piko p 10-12 = 0, femto f 10-15 = 0, atto a 10-18 = 0,

7 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKII. LAMPA ELEKTRONOWA. Powstały urządzenia: radiowe (nadawcze i odbiorcze), elektroakustyczne, radiolokacyjne; rozwinięto miernictwo elektroniczne. 1904 r. – pierwsza lampa elektronowa – dioda (dwuelektrodowa z żarzoną katodą) J.A. Fleming (fizyk angielski). 1906 r. – lampa elektronowa z siatką sterującą (trioda) Lee de Forest (inżynier amerykański). 1918 r. – opracowanie zasad odbioru heterodynowego E.H. Armstrong. 1942 r. – projekt pierwszej elektronicznej maszyny cyfrowej J.W. Mauchly i I.P.Eckert.

8 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKISzkic konstrukcji diody próżniowej. AZ 4

9 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKITrioda Lee DeForesta z 1906 r.

10 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKIII. TRANZYSTOR Odkrycie półprzewodników oraz wdrożenie produkcji elementów półprzewodnikowych spowodowało gwałtowny rozwój elektroniki. Automatyzacja produkcji spowodowała poprawę jakości oraz zwiększenie asortymentu wyrobów. 1947 r. – tranzystor bipolarny (Barden, Brattain i Shockley). 1952 r. – tranzystor polowy (unipolarny), 1958 r. – tyrystor.

11 Etap II. TRANZYSTORY 23 XII 1947

12 Etap II. TRANZYSTORY

13 ETAPY ROZWOJU ELEKTRONIKIIII. UKŁAD SCALONY Miniaturyzacja elementów oraz ich zespolenie (integracja) w nierozbieralne urządzenia tzw. układy scalone to początek nowej technologii MIKROELEKTRONIKI. Zaletami tej technologii są: niezawodność i taniość wyrobów.

14 Etap III . UKŁADY SCALONE1958 r. – bipolarny układ scalony (KILBY). W Polsce pierwszy układ scalony wyprodukowano w 1961 r. 1962 r. – laser półprzewodnikowy, 1968 r. – polowy (unipolarny układ scalony),

15 Etap III . UKŁADY SCALONEZe względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie historyczny, podział na układy: * małej skali integracji (SSI - small scale of integration) * średniej skali integracji (MSI - medium scale of integration) * dużej skali integracji (LSI - large scale of integration) * wielkiej skali integracji (VLSI - very large scale of integration) * ultrawielkiej skali integracji (ULSI - ultra large scale of integration)

16 Etap III . UKŁADY SCALONE

17 Etap III . UKŁADY SCALONE

18 UKŁADY SCALONE 1961 RTL

19 UKŁADY SCALONE 1972 Intel 8008 14 mm2 3500 tranzystorów

20 UKŁADY SCALONE Pentium GHz 55 mln tranzystorów

21 PODSTAWOWE PRAWA W  układach elektronicznych obserwuje się i analizuje dwie wielkości: napięcie (U ) oraz natężenie prądu elektrycznego ( I ).

22 Podstawowe prawa PRĄD ELEKTRYCZNY =UPORZĄDKOWANY RUCH ŁADUNKÓW ELEKTRYCZNYCH. I

23 ŁADUNEK ELEKTRYCZNY (Q)Jednostka ładunku jest Kulomb [C ]. e jest ładunkiem elementarnym = ładunkowi elektronu.

24 NATĘŻENIE PRĄDU (I) Natężeniem prądu elektrycznego lub krócej prądem elektrycznym nazywamy granicę stosunku wielkości ładunku elektrycznego q przenoszonego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu t, gdy czas ten dąży do zera, tzn. Prąd elektryczny jest wielkością skalarną. Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper (1 A).

25 NATĘŻENIE PRĄDU (I)

26 POTENCJAŁ (V) Przy przesunięciu ładunku w polu elektrycznym wykonywana jest praca. Pracę wykonaną podczas przemieszczenia ładunku jednostkowego (przypadającą na jednostkę ładunku) z danego punktu do  nazywamy POTENCJAŁEM. Potencjał punktu określany jest w woltach [V ].

27 NAPIĘCIE (U) NAPIĘCIE - Różnica potencjałów.Jednostką napięcia jest wolt [V]. Pomiędzy punktami panuje napięcie 1V, gdy praca wykonana przy przesunięciu ładunku 1C wynosi 1 J.       Napięcie oznaczane jest zwykle literą U. Napięcie między punktami A i B jest oznaczane jako UAB. Uzgodniono, że napięcie UAB jest dodatnie, gdy punkt A ma potencjał wyższy od punktu B.

28 PRAWO OHMA PRAWO OHMA W danym przewodniku, natężenie prądu jest proporcjonalne do napięcia na jego końcach.

29 PRAWO OHMA ~ gdzie:

30 PRAWO OHMA

31 PRAWO OHMA natężenie prądu I w przewodniku jestwprost proporcjonalne do napięcia U na jego końcach i odwrotnie proporcjonalne do jego oporności R.

32 PRAWO OHMA płynący w przewodniku (oporniku) prąd wywołuje spadek napięcia proporcjonalny do oporności przewodnika

33 PRAWO OHMA stosunek napięcia na końcach przewodnika do natężenia płynącego w nim prądu jest stały

34 PRAWO OHMA Oporność przewodnika zależy od rodzaju materiału ( ); jest wprost proporcjonalna do jego długości (l ) i odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego (S ).

35 PRAWO OHMA Temperaturową zmianę oporności opisuje wzór:gdzie: RT - rezystancja w temperaturze T; RTo - rezystancja w temperaturze T0 = 293 K (20 °C);  - współczynnik temperaturowy (jednostka 1/K).

36 OPORNOŚĆ

37 OPORNOŚĆ

38 OPORNOŚĆ

39 OPORNOŚĆ

40 PARAMETRY REZYSTORÓW Rezystancja nominalnaTolerancja (klasa dokładności) Moc znamionowa Napięcie graniczne Temperaturowy współczynnik rezystancji Współczynnik szumów

41 Pierwsze prawo Kirchhoffa:PRAWA KIRCHHOFFA Pierwsze prawo Kirchhoffa: Suma prądów w węźle jest równa zero. Suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów z niego wypływających. R1 R2 R3 I2 I1 I3 A . Węzłem jest punkt A. Prądy wpływające do węzła mają znak dodatni, a wypływające znak ujemny.

42 Drugie prawo Kirchhoffa:PRAWA KIRCHHOFFA Drugie prawo Kirchhoffa: W obwodzie zamkniętym (oczku) suma napięć jest równa zeru.

43 POMIAR AMPEROMIERZ VOLTOMIERZ

44 OPORNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE SZEREGOWE: R1 R2 R3

45 . OPORNOŚĆ ZASTĘPCZA R1 R3 R2 I=I1+I2+I3 I=U/R I=U/R1+U/R2+U/R3POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE: R1 R3 R2 . I=I1+I2+I3 I=U/R I=U/R1+U/R2+U/R3 I/U=1/ R1 +1/ R2 +1/ R3 I/U=1/R 1/R =1/ R1 +1/ R2 +1/ R3

46 PRAWO OHMA DLA OBWODU

47 PRACA PRĄDU. ENERGIA. Jednostką pracy prądu elektrycznego (energii elektrycznej) jest watosekunda:

48 MOC Moc urządzenia to jego zdolność do wykonania pracy, tzn. stosunek ilości pracy do czasu w jakim została ona wykonana. Jednostką mocy prądu elektrycznego jest wat.

49 MOC Podczas przepływu prądu przez opór na nim wydziela się ciepło. Moc stratna ciepło można wyznaczyć ze wzorów:

50 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNAKondensator - element elektryczny (elektroniczny) zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem. Kondensator a) symbol graficzny b) charakterystyka Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem:

51 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNAPOJEMNOŚĆ KONDENSATORA PŁASKIEGO:

52 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

53 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

54 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNA

55 POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE:

56 POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA POŁĄCZENIE SZEREGOWE:

57 POJEMNOŚĆ ELEKTRYCZNAJednostką pojemności elektrycznej jest FARAD – [F].

58 INDUKCYJNOŚĆ Cewka zwana również induktorem.Jej właściwości opisuje indukcyjność własna L wyrażona stosunkiem wytworzonego w niej strumienia magnetycznego  do natężenia płynącego przez nią prądu i. Jednostką indukcyjności jest henr :

59 INDUKCYJNOŚĆ

60 Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem w cewce:INDUKCYJNOŚĆ Cewka a) symbol graficzny b) charakterystyka Równanie opisujące zależność pomiędzy napięciem i prądem w cewce:

61 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

62 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

63 LICZBY ZESPOLONE Jednostka urojona. Postać ogólna liczby zespolonej:

64 LICZBY ZESPOLONE Interpretacja geometryczna – punkt na płaszczyźnie

65 LICZBY ZESPOLONE Postać trygonometryczna liczby zespolonej:Postać wykładnicza liczby zespolonej:

66 LICZBY ZESPOLONE Przykłady liczb zespolonych:

67 LICZBY ZESPOLONE Działania algebraiczne na liczbach zespolonych:Dodawanie i odejmowanie:

68 LICZBY ZESPOLONE Mnożenie:

69 LICZBY ZESPOLONE Dzielenie:

70 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)W podobny sposób mogą być opisywane obwody RLC dołączone do źródeł sygnału przemiennego.

71 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)

72 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY)Przepływ prądu przez oporność (R), indukcyjność (L) i pojemność (C) wywołuje spadki napięcia określone wzorami:

73 PRĄD PRZEMIENNY (ZMIENNY).W obwodzie zamkniętym: Po podstawieniu: i wykonaniu działań, otrzymujemy: Z – impedancja (zawada); Część rzeczywistą Z nazywamy rezystancją (oporem czynnym - R), część urojoną – reaktancją (oporem biernym - X).

74 OBWODY PRĄDU ZMIENNEGOWzór pozwalający obliczyć zawadę Z jest uogólnieniem prawa Ohma na sygnały zmienne. Umożliwia wyznaczanie napięć i prądów w dowolnych sieciach zawierających elementy RLC. Rozważania te są słuszne tylko dla sygnałów opisywanych funkcjami harmonicznymi. Obliczenia algebraiczne dla złożonych obwodów RLC są żmudne. Metoda graficzna znacznie ułatwia rozwiązywanie.

75 OBWODY PRĄDU ZMIENNEGOImpedancję Z, jak każdą liczbę zespoloną, można przedstawić jako wektor na płaszczyźnie zespolonej. Kąt nachylenia wektora Z do osi rzeczywistej jest kątem przesunięcia fazowego między napięciem i natężeniem prądu.

76 SYGNAŁY TWIERDZENIE FOURIERAKażdy sygnał okresowy f(t) można przedstawić jako nieskończoną sumę funkcji harmonicznych o amplitudach An , częstościach kołowych nf (n jest liczbą naturalną) i przesunięciach fazowych n : (zbiór trójek liczb An, nf,, n nazywany jest widmem sygnału f(t) a kolejne składowe n-tymi harmonicznymi).

77 SYGNAŁY

78 SYGNAŁY Jeżeli funkcja f(t) nie jest okresowa, to jej widmo S(ω) nie ma charakteru dyskretnego:

79 SYGNAŁY Przykłady widm nieokresowych sygnałów f(t) .

80 SYGNAŁY

81 SYGNAŁY WNIOSEK: możliwa jest analiza obwodu RLC pobudzanego dowolnym sygnałem. Analizy pracy dowolnego obwodu pobudzanego sygnałem niesinusoidalnym można dokonać analizując jego zachowanie dla kilku składowych ( o największych amplitudach ) sygnału.

82 OBWODY ELEKTRYCZNE W celu ułatwienia teoretycznego opisu sterowania przepływem energii, w elektronice stosuje się dwa modele idealnych źródeł: źródło napięciowe - napięcie na jego zaciskach jest równe E i nie zależy od wartości pobieranego prądu. źródło prądowe - przez źródło płynie prąd o natężeniu I bez względu na obciążenie.

83 ZASADA THEVENINA Każdą sieć elektryczną można zastąpić równoważnym układem składającym się z połączonych szeregowo: źródła napięciowego i impedancji wejściowej (wyjściowej) Zw.

84 ZASADA NORTONA Każda sieć elektryczna może być przedstawiona w postaci równoważnego układu składającego się ze źródła prądowego i bocznikującej je impedancji (wejściowej lub wyjściowej).

85 ZASADY THEVENINA I NORTONATWIERDZENIA THEVENINA I NORTONA umożliwiają analizowanie nawet najbardziej skomplikowanych układów elektronicznych za pomocą prostych układów zastępczych.

86 MODEL UKŁADU Urządzenia widziane od strony wejścia nie zawierają żadnych źródeł i charakteryzuje je tylko impedancja wejściowa Zwe. Od strony wyjścia każdy układ przedstawia sobą napięciowe źródło sygnału E lub źródło prądowe I i odpowiednią impedancję wyjściową Zwy.

87 ELEMENTY ELEKTRONICZNEBIERNE - sposób sterowania przepływem energii elektrycznej zakodowany jest w ich konstrukcji. np.: oporniki, kondensatory, cewki indukcyjne (transformatory), linie przesyłowe. CZYNNE - umożliwiają sterowanie przepływem energii elektrycznej za pomocą sygnału elektrycznego lub innego rodzaju np.: diody, tranzystory, tyrystory, lampy elektronowe, fototranzystory .

88 OBWODY ELEKTRONICZNE

89 DZIELNIK NAPIĘCIA

90 DZIELNIK NAPIĘCIA

91 DZIELNIK NAPIĘCIA

92 MOSTEK REZYSTANCYJNY gdy:

93 MOSTEK REZYSTANCYJNY

94 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RC

95 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RCStosunek amplitud tych napięć wynosi: gdy: Pulsację g nazywamy kołową częstością graniczną.

96 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RCDla g przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wyjściowym a wejściowym wynosi p/4 (45). Przyjmuje się, że pasmo przenoszenia tego układu rozciąga się od g do nieskończoności. Często filtry RC charakteryzuje się podając tzw. stałą czasową:

97 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTR RCZastosowania: kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych obwodów, przesuwanie fazy sygnałów, modyfikowanie kształtów przebiegów elektrycznych, w urządzeniach wielostopniowych jako układy sprzężenia pojemnościowego.

98 GÓRNOPRZEPUSTOWY FILTRY RC

99 DOLNOPRZEPUSTOWY FILTR RCDla g przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami wyjściowym i wejściowym wynosi 45:

100 DOLNOPRZEPUSTOWY FILTR RCZastosowania: w układach kształtowania charakterystyk częstotliwościowych, jako przesuwnik fazowy, w układach formowania przebiegów elektrycznych, do uśredniania w czasie przebiegów elektrycznych .

101 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWYGdy:

102 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

103 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

104 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWYDobroć Q układu rezonansowego wyraża stosunek energii zmagazynowanej: do mocy traconej w ciągu jednego okresu drgań.

105 SZEREGOWY OBWÓD REZONANSOWY

106 RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWY

107 RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWYgdy: RC  0 oraz RL<<L

108 RÓWNOLEGŁY OBWÓD REZONANSOWYDobroć obwodu:

109 FILTRY RC

110 FILTRY RC

111 FILTRY RC

112 OBWODY ELEKTRYCZNE Obwód liniowy.Układ nazywamy liniowym, jeżeli dla każdej częstości kołowej  doprowadzony do wejścia sygnał opisywany funkcją harmoniczną: na wyjściu wytworzy sygnał opisywany również funkcją harmoniczną: gdzie: k() jest transmitancją układu - funkcją zespoloną niezależną od czasu. Moduł funkcji k() nazywamy CHARAKTERYSTYKĄ CZĘSTOTLIWOŚCIOWĄ, a zależność kąta fazowego od częstotliwości – CHARAKTERYSTYKĄ FAZOWĄ.

113 WIDMO SYGNAŁU UKŁADY NIELINIOWE. Sygnał wejściowy: Sygnał wyjściowy:

114 OBWODY NIELINIOWE Dioda: a) symbol, b) charakterystyka.

115 OBWODY NIELINIOWE Element nieliniowy w obwodzie szeregowym.

116 OBWODY NIELINIOWE Graficzne rozwiązanie układu.

117 POWIELANIE CZĘSTOTLIWOŚCI

118 MIESZANIE CZĘSTOTLIWOŚCI

119 MODULACJA AMPLITUDY

120 MODULACJA AMPLITUDY Kształt fali zmodulowanej amplitudowo i jej widmo.

121 MODULACJA AMPLITUDY Schemat blokowy radiostacji AM.gdzie: ω - pulsacja fali nośnej, Ω - częstość kołowa fali modulującej, m - współczynnik głębokości modulacji ( 0 < m < 1 ).

122 DETEKCJA AM. Schemat blokowy odbiornika detektorowego.

123 ODBIORNIK SUPERHETERODYNOWYSchemat ideowy odbiornika superheterodynowego.