Notiuni Introductive

Dispozitive i circuite electronice Note de curs

1

Tema de curs nr.1 Noiuni introductive Obiectivele temei:

- cunoaterea notaiilor i simbolurilor folosite uzual n electronic; - cunoaterea principalelor legi ale circuitelor electrice, utilizate n analiza i

proiectarea circuitelor electronice: - cunoaterea noiunilor de baz legate de elementele pasive de circuit; - cunoaterea unor noiuni de baz din electronic.

1.1. Notaii i simboluri

Ca orice domeniu, electronica are o serie de notaii i simboluri proprii, care trebuiesc cunoscute nainte de a ncepere nvarea propriu-zis. O parte dintre simboluri sunt cunoscute din cursurile de fizic parcurse anterior. n figura 1.1 sunt reprezentate simbolurile uzuale pentru surse de tensiune, rezistoare i condensatori.

Fig.1.1. Simboluri uzuale pentru surse de tensiune (a-f), rezistori (g), poteniometru (h), condensator (i), condensator electrolitic (j) Simbolurile proprii dispozitivelor electronice vor fi prezente n cadrul cursului. n reprezentarea grafic a circuitelor se folosesc o serie de convenii. Conexiunea dintre dou conductoare se reprezint prin ngroarea punctului de contact, pentru a face diferena fa de cazul n care conductoarele se intersecteaz, fr contact electric, aa cum se vede n figura 1.2. Pentru a simplifica reprezentarea grafic a circuitelor, de obicei se folosete reprezentarea cu folosirea simbolului de mas. Masa este un potenial de referin, convenabil ales. De cele mai multe ori, acesta este potenialul negativ al sursei de alimentare n curent continuu, ns nu ntotdeauna. O exemplificare a acestui mod de reprezentare a circuitelor este dat n fig. 1.3. Sursa de alimentare este reprezentat numai prin borna diferit de borna de mas, la care se indic i polaritatea.

Fig.1.2. Reprezentarea grafic a unei conexiuni (a) i a lipsei contactului electric (b,c)


2

Fig.1.3. Reprezentarea complet a unui circuit (a) i reprezentarea simplificat (b) n unele situaii se folosesc pentru alimentare surse duble de tensiune. Acestea se obin din cuplarea n serie a dou surse de tensiune, dup cum este reprezentat n figura 1.4. La un circuit alimentat cu o astfel de surs, potenialul de mas este potenialul bornei comune a celor dou surse. Tot n fig.1.4 este reprezentat un astfel de circuit, indicndu-se i modul de msurare a tensiunilor.

Fig.1.4. Exemplu de circuit alimentat cu o surs dubl de tensiune. Tensiunile din circuit se msoar fa de borna de mas (potenial de referin) Simbolurile utilizate pentru cureni au de obicei indici care reprezint laturile de circuit pe care le strbat, n timp ce tensiunile sunt identificate printr-un indice care indic punctele ntre care se msoar tensiunea. n plus, notaia trebuie s permit identificarea tipului de semnal la care se refer. O particularitate a circuitelor electronice este c de multe ori sunt supuse aciunii a dou tipuri de mrimi electrice: mrimea continu, utilizat pentru aducerea dispozitivelor active n condiiile de funcionare dorite i semnalul propriu-zis, variabil, prelucrat de ctre circuit. Suprapunerea celor dou mrimi reprezint mrimea instantanee. O reprezentare grafic a celor trei tipuri de mrimi este dat n fig.1.5. Componentele continue i valorile medii ale diferitelor mrimi se noteaz cu liter mare, iar indicii de asemeni cu majuscule (IC, UCE, UDS). Mrimile componentelor


3

variabile (semnalele prelucrate) se noteaz cu litere mici, ca i indicii (ic, uce, uds). Mrimile totale, date de suma mrimii continue i a celei variabile, se noteaz cu litere mici, iar indicii cu majuscule (iC, uCE, iB).

C C ci I i= + n practic, cea mai

uoar cale de a face diferena ntre diferitele tipuri de semnale este de a folosi vizualizarea lor cu ajutorul osciloscopului.

Mrimea semnalelor variabile se d de obicei printr-o valoare efectiv, care poart numele de RMS (root mean square), reprezentnd radical din valoarea medie a ptratului mrimii exprimate. La mrimile sinusoidale, poart numele de valoare efectiv, i este dat de relaia:

max

2ef RMSUU U= =

1.2. Legi folosite n analiza i proiectarea circuitelor 1.2.1. Legea lui Ohm. Intensitatea curentului electric printr-un rezistor este egal cu raportul dintre tensiunea la bornele rezistorului i rezistena acestuia:

UIR

= 1.2.2. Teorema I a lui Kirchhoff. Suma curenilor care intr ntr-un nod de reea este egal cu suma curenilor care ies din nod. Un nod este punctul n care se ntlnesc cel puin trei laturi de circuit. 1.2.3. Teorema a II-a a lui Kirchhoff. Pe un ochi de reea, suma algebric a tensiunilor electromotoare este egal cu suma algebric a cderilor de tensiune pe laturile reelei. Pentru aplicarea acestei teoreme trebuie fixat mai nti ochiul de reea, trebuie ales cte un sens al curentului prin fiecare latur i trebuie ales un sens n care este parcurs ochiul. O surs de tensiune care este parcurs de sensul ales de la borna + la borna este considerat negativ, iar o surs parcurs n

-8 -4 0 4 8

0

2

i C

timp

IC

iC

ic

fara semnal cu semnal

Fig.1.5

Fig.1.6 Exemplu de calcul al teoremelor lui Kirchhoff


4

sens invers este luat n calcul cu valoare pozitiv. Cderile de tensiune pe rezistene sunt egale cu produsul dintre valoarea rezistenei i intensitatea curentului care o strbate i sunt pozitive cnd sensul curentului coincide cu sensul ales pentru parcurgerea ochiului. n electronic mai apar i cderile de tensiune pe elementele de circuit, al crui sens este stabilit prin convenie. n plus, la reprezentarea simplificat a circuitelor, trebuie inut cont i de faptul c ochiurile se pot nchide pe la bornele legat la mas. Pentru exemplificare, vom scrie ecuaiile teoremelor lui Kirchhoff pentru circuitul din fig. 1.6. Pentru prima teorem, tranzistorul poate fi considerat nod de reea, iar ecuaia primei teoreme este: B C EI I I+ = Primul ochi de reea este format din sursa de curent continuu, laturile care conin rezistoarele RC i RE, i tranzistor. Dei aparent ochiul este deschis, reprezentarea nesimplificat a circuitului, ca n fig.1.3, demonstreaz contrarul. Ecuaia teoremei a doua este: C C CE E EE R I U R I= + + unde E este tensiunea electromotoare a sursei de alimentare. Repetnd raionamentul pentru ochiurile II i III, se obine:

1 1 2 22 20

B B

B BE E E

E R I R IR I U R I

= += + +

1.3. Rezistoare i condensatoare. Marcarea rezistoarelor

Rezistoarele reprezint elemente liniare de circuit, pasive, folosite frecvent n electronic. Denumirea de elemente liniare de circuit se datoreaz faptului c pentru rezistoare dependena curent tensiune este o dreapt (conform legii lui Ohm). Denumirea de element pasiv se datoreaz faptului c rezistoarele nu pot controla electronic trecerea purttorilor prin dispozitiv.

Rezistoarele folosite n practic n prezent se pot mpri n dou mari categorii: rezistoarele clasice, cu dou terminale, care se introduc n orificiile unui cablaj imprimat i respectiv rezistoarele de tip SMD, de foarte mici dimensiuni, care sunt plantate pe circuitele imprimate de maini automate.

Chiar atunci cnd sunt fabricate n condiii foarte bine controlate, rezistoarele au valoarea mprtiat statistic; astfel productorii de dispozitive electronice ofer rezistoare n mai multe game de toleran. Cele mai puin precise au o toleran de +/- 20


5

% n jurul valorii nominale (valoarea marcat pe rezistor). Cu aceast toleran, valorile nominale standardizate pentru o decad de valori sunt cele din seria E6, prezentat n figura alturat. Se observ c aceste valori sunt aproximativ echidistante pe scara logaritmic; cu linie subire au fot trasate intervalele de toleran pentru fiecare din valori. Pentru celelalte decade, valorile nominale se nmulesc cu puteri ale lui 10, ca de exemplu 33 , 330 , 3.3 k, ...etc. Seria E12, prezentat i ea n figur, este utilizat pentru valorile nominale n cazul rezistoarelor cu tolerana +/- 10 %. Exist i serii de precizie mai ridicat, E24 pentru 5 %, E48 pentru 2 %, E96 pentru 1 %, etc.

Datorit dimensiunilor foarte mici, de obicei inscripionarea rezistoarelor se face folosind codul culorilor. Pentru seriile E6, E12 i E24 se folosesc 4 benzi colorate, cu urmtoarea semnificaie:

Cul

oare

a

Neg

ru

Mar

o

Ro

u

Porto

caliu

Gal

ben

Ver

de

Alb

astru

Vio

let

Gri

Alb

Aur

iu

Arg

intiu

Fr

cu

loar

e

Banda 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Banda 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Banda 3 x1 x10 x102 x103 x104 x105 x106 x107 x108 x109 x0.1 x0.01 Banda 4 5% 10% 20% Primele dou benzi dau valoarea numeric. Aceasta se nmulete cu valoarea indicat de banda a treia, iar banda a patra d tolerana. n desenul alturat valorile celor dou rezistoare sunt de 82 cu o toleran de 5% (gri, rou, negru, auriu), respectiv 330 k cu o toleran de 5% (portocaliu, portocaliu, galben, auriu). La condensatoare, codul culorilor este folosit din ce n ce mai puin, el fiind mai complicat dect n cazul rezistoarelor. Atunci cnd este folosit, trebuie inut cont c valoarea capacitii este exprimat n pF. Condensatoarele se mpart n dou mari categorii. Condensatoarele nepolarizate, cu izolaia ceramic, din polistiren sau policarbonat au n general valori mici ale capacitii (max. 10 F) la tensiuni care pot ajunge chiar i la 1000 V. Condensatoarele polarizate sunt de dou feluri, electrolitice i cu tantal, i se conecteaz n circuit n funcie de semnul tensiunii de polarizare. Ele asigur capaciti foarte mari, la dimensiuni mici, avnd i tolerane mari, de pn la 100 %. 1.4. Caracteristic. Dreapta de sarcin i punctul static de funcionare

Oricrui element de circuit i se asociaz o caracteristic curent-tensiune, cnd dispozitivul are doar dou terminale sau o familie de caracteristici, cnd dispozitivul are trei sau mai multe terminale. Caracteristica reprezint o dependen ntre dou mrimi electrice, impus de elementul de circuit. n fig.1.7 sunt reprezentate caracteristicile ctorva elemente uzuale de circuit.


6

Dreapta de sarcin reprezint legtura dintre curent i tensiune impus de elementele de circuit. Ea este obinut prin aplicarea teoremei a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul considerat i de aceea dependena este o dreapt. Punctul static de funcionare (PSF) punctul de pe caracteristic n care funcioneaz un dispozitiv n condiii de polarizare date. El se obine pe cale grafic prin intersecia caracteristicii cu dreapta de sarcin sau analitic, prin rezolvarea sistemului de ecuaii pentru aceleai dou dependene. Modul grafic de aflare al PSF este exemplificat n fig.1.8.

Fig.1.7. Exemple de caracteristici. a) ntreruptor deschis; b) ntreruptor nchis; c) rezistor; d)

diod

Fig.1.8. Exemplu de determinare grafic a PSF la o diod. a) circuitul electric i ecuaia dreptei de sarcin; b) reprezentarea grafic a caracteristicii diodei i a dreptei de sarcin. Punctul lor de

intersecie determin punctul static de funcionare

1.5. Exprimarea amplificrii n scar logaritmic

Prin amplificare se nelege raportul dintre dou mrimi de acelai fel, cea de la numrtor fiind mrimea de ieire, iar cea de la numitor, mrimea de intrare. Datorit faptului c amplitudinile semnalelor variaz n limite foarte largi, compararea acestora prin simplul raport este nepractic. De aceea s-a introdus noiunea de decibel, dB, care este submultiplul unitii numite bel, care msoar de fapt logaritmul zecimal al amplificrii. De fapt, amplificarea, fiind un raport de dou mrimi de acelai fel, este


7

adimensional. Pentru a face ns diferena ntre diferitele moduri de exprimare a amplificrii s-a introdus unitatea de msur bel, definit ca fiind amplificarea n cazul n care puterea de ieire este de 10 ori mai mare dect puterea de intrare:

iesire intrare

intrare intrare

10( ) lg lg 1P PA Bel BelP P

= = = innd cont c att curentul ct i tensiunea sunt proporionale cu radical din putere, amplificarea n tensiune, exprimat n dB este dat de relaia:

2iesire iesire

2intrare intrare

( ) 10lg 20lgUU R UA dB

R U U= =

n multe cazuri, decibelii sunt folosii i pentru a exprima valoarea mrimii unui semnal, prin comparare cu un semnal de referin. n electronic i electrotehnic se folosesc dBV, cnd tensiunea de referin este un volt, i dBm, cnd tensiunea de referin este aproximativ 0,78 V, corespunztor unei puteri de 1 mW pe o rezisten de 600 . 1.6. Aproximri

n general, datorit folosirii elementelor neliniare de circuit, rezolvarea exact a ecuaiilor pentru gsirea parametrilor electrici este imposibil sau extrem de laborioas. Pe de alt parte, dispersia mare a valorilor constructive, att pentru componentele pasive, ct i pentru cele active, face inutil utilizarea unei precizii foarte mari n calcule. n funcie de precizia dorit, se poate lucra la niveluri diferite de aproximare.

Prima aproximare nlocuiete un dispozitiv prin cel mai simplu circuit echivalent posibil. De exemplu, n prima aproximare un conductor are rezistena nul, iar o diod este un ntreruptor ideal.

A doua aproximare include cteva proprieti noi ale dispozitivului studiat, fiind aproximarea cel mai des folosit n practic. De exemplu, dac n prima aproximare, o surs de tensiune este caracterizat doar de tensiunea sa electromotoare, n a doua aproximare, inem cont i de rezistena sa intern.

A treia aproximare aduce corecii mici fa de a doua aproximare i de aceea este folosit doar rar.

Notiuni Introductive

Documents

Transcript of Notiuni Introductive