COMPONENTE ŞI CIRCUITE PASIVE

28C, 14L

BibliografieMUNTEANU T., CULEA M., DUMITRESCU M. – COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE- Editura Fundaţiei universitare “Dunărea de Jos " din Galaţi - 2001 - 104 pagini.

MUNTEANU T., VASILACHE C. G. – COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE- Îndrumar de laborator - vol I - Universitatea "Dunărea de Jos " din Galaţi - 1999 - 56 pagini.

Cunoştinţe necesare: teoremele circuitelor electrice, analiza circuitelor în regim static, regim staţionar, regim permanent sinusoidal, descrierea mărimilor variabile prin fazori (Teoria circuitelor electrice), Metode de măsurare electrică (Fizică cl.10)

Cuprins

1. Introducere. Specificul ingineriei. Specificul electronicii. Structura cunoştinţelor inginerului electronist. Disciplinele din planul de învăţământ.

2. Noţiuni introductive: semnale analogice şi numerice, circuite electronice, scheme bloc.3. Noţiunea de componentă pasivă. Mărimi specifice pentru caracterizarea componentelor4. Rezistoare5. Condensatoare6. Bobine7. Transformatoare, proprietăţile la o frecvenţă dată8. Componente mecanice şi electromecanice.9. Folosirea caracteristicilor neliniare (fără dinamică). Noţiunea de punct de funcţionare. 10. Circuite pasive. Valori limită pentru structuri serie, paralel.11. Atenuatoare. Regimul staţionar. Analiza regimului tranzitoriu. Atenuator compensat12. Analiza regimului dinamic prin mijloace elementare. Caracteristici de frecvenţă (Bode)13. Aplicaţii la filtre (FTJ, FTS, FTB, FOB), circuite rezonante, transformator.14. Rezonatoare, filtre ceramice, linii de întârziere15. Funcţiuni elementare în electronică.

1 Specificul ingineriei

- finalitatea practică (creează un obiect sau o tehnologie)- proiectarea (varianta inginerească a sintezei), alege dintre soluţii verificate, dar necesită

mereu un efort de redimensionare- modele matematice ale sistemelor şi ale informaţiei- evaluarea numerică- evaluarea şi compensarea perturbaţiilor- utilizarea aproximaţiilor

Electronica: tehnologia prelucrării informaţiei.Are atât caracter tehnologic (fabricarea componentelor, a circuitelor, programarea circuitelor numerice, programe de simulare a circuitelor) cât şi caracter ştiinţific (modele matematice

1

evoluate ale semnalelor şi ale circuitelor, metode de analiză şi sinteză a algoritmilor de prelucrare şi a circuitelor).Exemple de aplicaţii ale electronicii: difuziunea radio şi TV, telefonia de orice fel, calculatoarele (de la supercalculatoare la microcontrolere, instalate în roboţi sau în jucării), echipamentele de telecomunicaţii (pentru voce şi date, prin radio, cablu şi fibră optică), programele de prelucrare a informaţiei, măsurarea mărimilor electrice şi neelectrice, echipamentele de automatizare, aparatele medicale, aparatele electrocasnice, prelucrarea informaţiei video şi audio pentru robotică sau pentru supraveghere, sistemele de transmisiune şi de măsurare miniaturizate.

Specificul electronicii: aplicaţiile tipice, baza tehnologică proprie, cunoştinţele (au fost generalizate, au produs continuări importante în automatică: reacţia, stabilitatea, influenţa perturbaţiilor, prelucrarea semnalelor). Necesitatea unor modele riguroase: viteza la care se petrec fenomenele.Suficient de dificilă încât să nu fie la îndemâna oricui.Suficient de accesibilă pentru cei care au pasiune (sau măcar ambiţie!).

Cunoştinţele necesare electronistului:- Fundamentale: matematică, fizică, programare- Semnale şi algoritmi de prelucrare (SCS, PDS, TTI)- Circuite analogice (DCE, CIA)- Circuite numerice (ASSN, circuite avansate, achiziţia datelor)- Tehnologie informatică (programare avansată, reţele de calculatoare, PAC)- Tehnologice generale (componente, tehnologie, fiabilitate, sisteme automate)- Tehnologice specifice (telefonie, medii de transmisiuni, radio, comunicaţii de date, reţele

de telecomunicaţii, electronică de putere, senzori şi traductoare, acţionări, electronică medicală)

- Complementare (engleză, economice, comunicare)

2 Noţiuni introductive

Semnal: mărime variabilă, purtătoare a unei informaţii. Noţiunea este utilizată de electronişti atât în sensul mai concret (referire la mărimea fizică respectivă) cât şi în sensul informaţiei purtate de acea mărime, care urmează a fi prelucrată (exemplu: în sintagma “prelucrarea semnalelor” se face abstracţie de natura fizică a mărimii purtătoare, obiectivul e informaţia). În oricare dintre cele două nuanţe ale noţiunii, se subînţelege că ceea ce ne interesează este informaţia purtată, nu aspectul energetic (fără a nega faptul că orice propagare de informaţie există şi un aspect energetic, adică energia necesară ca semnalul să existe şi să se propage).

Proprietăţile necesare unei mărimi fizice pentru a fi folosită ca semnal:- Proprietatea de a putea fi transmisă la distanţă;- Proprietatea de a putea fi ferită de influenţa perturbaţiilor, pe durata propagării;- Proprietatea de a se putea extrage şi prelucra informaţia purtată.

Mărimile cel mai des folosite ca semnale:- Tensiunea electrică- Intensitatea curentului electric (practicienii o numesc scurt: curentul)- Intensitatea câmpului electric şi a celui magnetic în unda electromagnetică- Intensitatea luminii (caz particular al câmpului electromagnetic) - Presiunea aerului sau lichidului- Deplasarea mecanică

2

Exemple:- În instalaţiile cu pericol de explozie, informaţiile se transmit prin presiunea aerului

instrumental, aflat în conducte subţiri, special destinate transmiterii informaţiilor- În difuziunea radio şi TV se folosesc undele radio (unde electromagnetice, în intervalul

100kHz – zeci de GHz).- Pentru comunicaţiile dintre calculatoare şi în telefonie se folosesc semnalul în tensiune,

semnalul luminos.- Pentru transmiterea datelor măsurate în instalaţiile tehnologice se folosesc semnale în

tensiune şi în curent.- Pentru comanda mecanismelor se foloseşte semnalul în deplasare (deplasarea unei pârghii

ce comandă unghiul de avans la motoarele cu explozie sau deplasarea pedalei de acceleraţie, care comandă debitul de combustibil).

Mărime analogică: o mărime variabilă continuu în valori şi continuu în timp. Un model mai riguros: o funcţie definită pe mulţimea numerelor reale (reprezentând timpul) şi cu valori într-o restricţie conexă a mulţimii numerelor reale (un interval). Exemple: poziţia acului unui aparat de măsură cu ac, valoarea tensiunii care poate fi măsurată la reţeaua de alimentare, semnalul de tensiune cules de la un microfon.Semnalul purtat de o mărime analogică este numit semnal analogic. Deşi cel mai adesea semnalul este definit ca o funcţie de variabila independentă timp, există şi situaţii (mai rar) în care mărimea independentă este spaţiul.

Semnal numeric: noţiunile de semnal eşantionat, semnal numeric (digital).Semnal eşantionat: mărimea purtătoare de informaţie este cunoscută doar la momente discrete (exemplu: semnale în impulsuri). Model mai riguros: o funcţie definită pe o mulţime numărabilă.Dacă valorile pe care le ia mărimea fac parte dintr-o mulţime de valori discrete, se zice că ea este discretă în valori.Un semnal numeric (digital) este un semnal eşantionat şi cu valori discrete. Un model mai riguros: o funcţie definită pe o mulţime discretă (reprezentând timpul) şi cu valori discrete (adică pe o mulţime numărabilă şi finită de valori).Exemple: semnalul pe care îl transmite spre afişare un aparat de măsură numeric, semnalul care se transmite între calculatoare.Numele “digital” vine de la numărarea pe degete, operaţie în care valorile sunt discrete.

Circuite electronice: caz particular de circuite electrice, în care sunt cuprinse componente electronice active.Scopurile circuitelor electronice: - Conversia energiei electrice (circuite electronice de putere, cuprind şi circuite de comandă

a părţii de putere).- Prelucrarea informaţiei purtate de semnale.

Componentele acestor circuite: componente electronice (active şi pasive) şi componente electromecanice.Obiectivul acestui curs: componentele electronice pasive.

Specificul circuitelor electronice, în comparaţie cu circuitele electrice în general (cele studiate la electrotehnică): caracterul neliniar al componentelor (cel puţin al componentelor active), chiar dacă adesea dorim o propagare sau o prelucrare liniară a semnalului.

3

Schema circuitului: o înlănţuire de simboluri din care inginerul înţelege componentele din circuit, structura circuitului, funcţiunile. Simbolurile sunt convenţii înţelese de toţi utilizatorii schemelor. Cel mai adesea, simbolurile sunt descrise într-un standard, cunoscut de producători şi de utilizatori.

Schema bloc: o descriere a circuitului prin înlănţuirea subansamblurilor care îndeplinesc funcţiuni distincte, fără a preciza componentele. Subansamblul cu funcţiune distinctă se numeşte bloc. Exemplu (vezi figura 2.1): schema bloc a unui radioreceptor, care conţine circuit de antenă, amplificator de radiofrecvenţă, schimbător de frecvenţă, oscilator local, amplificator de frecvenţă intermediară, detector (demodulator), amplificator de audiofrecvenţă, difuzor şi sursă de alimentare.

Figura 2.1. Schema bloc a unui radioreceptor

3 Componente pasive. Mărimi caracteristice

În circuitele electronice se întâlnesc componente electronice şi electromecanice. Obiectivul cursului: componentele electronice pasive. (Cele active în general, semiconductoarele în particular, se studiază la alte discipline.)

Componentele electroniceComponente active: cele care contribuie la mărirea puterii semnalului (adică a mărimii fizice care poartă informaţia), fără a altera informaţia. Mărirea puterii semnalului se face pe seama puterii absorbite de la sursa de alimentare.Componente pasive: cele care nu contribuie la mărirea puterii semnalului (ele nu vehiculează decât energie sosită de la sursa de semnal, nu şi de la sursa de alimentare)

Majoritatea componentelor pasive sunt cele întâlnite la electrotehnică: rezistoare, condensatoare, bobine, transformatoare. În afară de acestea, există câteva tipuri de componente care sunt specifice electronicii, deoarece intervin numai în circuite care prelucrează semnalul (rezonatoare piezoelectrice, linii de întârziere).

Mărimile caracteristice componentele pasive:- Valorile nominale ale parametrilor care descriu proprietăţile esenţiale ale componentelor

(rezistenţa, inductanţa, factorul de calitate etc.). De obicei, sunt înscrise de fabricant pe corpul componentei.

- Toleranţa – parametru care exprimă abaterea admisibilă a valorilor parametrilor esenţiali, faţă de valorile nominale (caracterizează lotul de fabricaţie din care provin componentele).

- Parametri care descriu influenţa perturbaţiilor (temperatura şi altele) asupra parametrilor esenţiali.

- Parametri care exprimă limitările în funcţionarea componentelor (putere maximă disipată, tensiune maximă la borne, tensiune maximă de izolaţie etc.)

4

- Parametri care exprimă inducerea de perturbaţii (factorul de zgomot).- Parametri de fiabilitate (arată durata medie de funcţionare şi de păstrare a proprietăţilor

esenţiale, pentru un lot de componente).- Parametri de gabarit şi de proprietăţi mecanice.

Alte proprietăţi: tehnologia de fabricaţie, proprietăţi privitoare la tehnologia de montare în circuit, modul de marcare a valorilor parametrilor pe corpul componentei.

De regulă, valorile acestor parametri se găsesc în catalogul de produse al firmei producătoare de componente.

N.B. Catalogul de produse are doar caracterul de document de reclamă comercială, el nu garantează proprietăţile lotului de componente. Acestea trebuie să se extragă fie din contractul de livrare a produselor, fie dintr-o normă internă de fabricaţie, care stă la baza contractului şi care trebuie cunoscută de cumpărător.

Toleranţa şi dispersia parametrică

În privinţa valorii nominale şi a toleranţei trebuie făcute precizări suplimentare. Deoarece se admite că există abatere parametrică, evaluată prin toleranţă, fabricanţii de componente au constatat că nu este rezonabil să aleagă valori nominale foarte dese, pentru un tip de componente. Mai exact, pentru fiecare clasă de toleranţă, valorile nominale sunt alese astfel încât intervalele admisibile ale valorii reale, pentru două valori nominale vecine, să nu se suprapună semnificativ. De aceea, pentru fiecare clasă de toleranţă există o serie a valorilor nominale standardizate.Exemplu: pentru toleranţa de 20%, valorile nominale standardizate sunt: [1], [1.5], [2.2], [3.3], [4.7], [6.8], [10], după care valorile se repetă, multiplicate prin 10, 100, 1000.Se observă că există 6 valori într-o decadă de valori nominale, motiv pentru care această serie se numeşte E6.Pentru toleranţa 10%, valorile nominale standardizate sunt: [1], [1.2], [1.5], [1.8], [2.2], [2.7], [3.3], [3.9], [4.7], [5.6], [6.8], [8.2], [10]. Seria se numeşte E12, pentru că există 12 valori într-o decadă.Pentru toleranţa de 5% se foloseşte seria E24 şi aşa mai departe. Seriile de valori nominale standardizate sunt cuprinse în tabelul de mai jos.

E61,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8

E121,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2

E241,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,03,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

E48100 105 110 115 121 127 133 140 147 154 162 169178 187 196 205 215 226 237 249 261 274 287 301316 332 348 365 383 402 422 442 464 487 511 536562 590 619 649 681 715 750 787 825 866 909 953

E96 ...

5

Parametrul toleranţă a fost introdus ca urmare a fenomenului de dispersie parametrică (dispersia valorii reale, faţă de valoarea nominală) şi caracterizează lotul de componente. Pentru a studia statistic un lot, se efectuează măsurarea parametrului de interes pentru un număr semnificativ de componente din acel lot. Se împarte domeniul parametrului în intervale egale şi se reprezintă grafic frecvenţa de apariţie (raportul dintre numărul de valori găsite în fiecare interval şi numărul componentelor măsurate), pentru intervalele considerate. Reprezentarea grafică se numeşte histogramă şi are aspectul din figura 2.2.

Figura 2.2. Aspectul unei histograme (frecvenţa de apariţie – valoarea parametrului)

Dacă numărul de componente măsurate este mare, se pot lua intervale ale valorii parametrului din ce în ce mai înguste, iar histograma tinde spre o curbă continuă. Funcţia obţinută astfel se numeşte densitate de probabilitate şi caracterizează distribuţia statistică a parametrului, pentru lotul de produse. Parametrul de interes este aici considerat o variabilă întâmplătoare (aleatoare). (Noţiunile de variabilă întâmplătoare, probabilitate, densitate de probabilitate şi alte noţiuni de statistică vor fi studiate la disciplina Statistică şi prelucrarea datelor, anul II.)Se folosesc două mărimi remarcabile pentru a caracteriza statistica lotului: media valorilor parametrului şi varianţa (media pătratică a abaterilor faţă de medie). Ele se exprimă prin relaţiile:

, , (3.1)

unde simbolul E[.] semnifică media statistică (sau valoarea aşteptată a variabilei) iar x este variabila întâmplătoare (aici, parametrul de interes). Pentru fixarea ideilor, să considerăm că parametrul de interes este capacitatea condensatoarelor dintr-un lot, deci variabila întâmplătoare este capacitatea.

Pentru loturile de componente electronice, cel mai adesea distribuţia statistică are aspectul din figura 2.3. Se numeşte distribuţie normală (sau gaussiană) şi este modelată prin funcţia densitate de probabilitate:

(3.2)

Figura 2.3. Distribuţia normală a valorilor unui parametru (capacitatea condensatoarelor)

6

Se verifică imediat că: iar , adică media distribuţiei capacităţii şi varianţa capacităţii sunt parametri ai funcţiei densitate de probabilitate. Rădăcina pătrată din varianţă mai este numită de statisticieni dispersie sau abatere standard.Pentru un lot de produse, media nu este egală cu valoarea nominală, dar - dacă procesul de fabricaţie a decurs suficient de corect - este destul de apropiată. Având în vedere că în intervalul se află 99,73 % din valorile capacităţii pentru exemplarele din lot, fabricantul consideră că acesta este intervalul de toleranţă, pe care îl marchează pe componente.

Tehnologii de montare în circuit

În decursul evoluţiei tehnologice a aparatelor electronice, au fost utilizate diferite tehnologii de montare. Prima variantă a fost cea a legării mecanice a terminalelor componentelor, corpurile componentelor rămânând suspendate. O altă variantă a fost cea în care pe un suport izolant erau fixate cose de metal, pe care se lipeau terminalele componentelor sau firele de legătură între componente. Acelaşi suport izolant susţinea şi soclurile destinate componentelor mari (tuburi electronice, condensatoare şi rezistoare mari), care erau prinse cu şuruburi sau alte mijloace mecanice. Un progres remarcabil a fost tehnologia cablajului imprimat, care constă în trasee de cupru dispuse pe o faţă sau pe ambele feţe ale plăcii izolante. Traseele sunt produse prin lipirea pe suportul izolant a unei foiţe de cupru, din care se corodează chimic partea care nu este necesară. Un număr mare de variante de realizare a cablajului au fost inventate până acum.În privinţa metodei de lipire a componentelor pe cablajul imprimat, se folosesc două variante. În prima variantă, terminalele trec prin găuri ale cablajului şi plăcii izolante şi sunt fixate prin lipire cu aliaj de cositor (Sn). A doua variantă, care este astăzi foarte utilizată, este tehnica lipirii pe suprafaţă (SMD = Surface Mounted Devices). Componentele nu au terminale lungi, care să treacă prin găuri ale suportului, ci au terminale scurte, care se lipesc pe o singură faţă. Această tehnologie se aplică atât pentru componentele pasive cât şi pentru dispozitivele active (tranzistoare, circuite integrate) şi este foarte favorabilă pentru circuitele care trebuie să lucreze la frecvenţe mari, pentru că reduce dimensiunile cablajului (vezi derivatele parţiale în raport cu spaţiul, în ecuaţiile lui Maxwell).

7