Elementy elektroniczne Wykład 1
advertisement
Elementy elektroniczne Wykład 1-2: Elementy bierne Podział elementów biernych W układach elektronicznych stosujemy następujące elementy bierne: - rezystory – rezystancja [] - kondensatory – pojemność [F] - cewki – indukcyjność [H] - bezpieczniki – prąd zadziałania [A] - przekaźniki Rezystory liniowe Rezystor liniowy jest elementem opisanym następującą charakterystyką prądowowo-napięciową: Równanie prostej (prawo Ohma): I 1 U R gdzie: R – rezystancja [] Odwrotność rezystancji – konduktancja 1 G [S ] R Rezystory nieliniowe W przypadku rezystora nieliniowego jego przykładowa charakterystyka wygląda następująco: Definiujemy rezystancje: - statyczną: Rstat UQ IQ - dynamiczną: rdyn U I Q Q dU U Q dI I Q dU dI Rezystory nieliniowe - rezystory nieliniowe są elementami półprzewodnikowymi lub układami elektronicznymi - wartości rezystancji dynamiczne i statycznej mogą być różne - w większości przypadków wykorzystujemy fakt, że rezystancja dynamiczna jest większa od statycznej - rezystancja dynamiczna może przyjmować wartości ujemne Rezystory - rezystancja Element rezytancyjny: Rezystancja: l R S gdzie: - rezystywność właściwa materiału l - długość materiału S – powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika Rezystory - rodzaje Rezystory przewlekane: Budowa rezystorów przewlekanych: a) warstwowy, b) objętościowy, c) drutowy Rezystory - rodzaje Tabela 1. Wymiary rezystorów warstwowych MŁT Ważny parametr rezystorów – MOC!!! Rezystory - rodzaje Rezystory powierzchniowe Wymiary rezystora do montażu powierzchniowego Rezystory - rodzaje Tabela 2. Wymiary rezystorów do montażu powierzchniowego Rezystory - rodzaje Rezystory - oznaczenia Oznaczenia rezystorów: a) bezpośrednie zapisanie wartości na obudowie rezystora, wystepuje w przypadku rezystorów przewlekanych, - np. wartość 0.47 zapisujemy 0.47 lub R47 lub 0E47 - np. wartość 4.7 zapisujemy 4R7 - np. wartość 470 zapisujemy 470 lub 470R lub k47 - np. wartość 4.7 k zapisuje się 4.7k lub 4k7 - np. wartość 4.7M zapisujemy 4M7 lub 4.7M Rezystory - oznaczenia Oznaczenia rezystorów: b) zakodowanie wartości poprzez podanie dwóch pierwszych cyfr i potęgi liczby dziesięć - np. wartość 47 zapisujemy 470 co oznacza 47 100 - np. wartość 470 zapisujemy 471 co oznacza 47 10 1 - np. wartość 4.7 k zapisujemy 472 co onacza 47 102 - np. wartość 4.7M zapisujemy 475 co oznacza 47 105 Rezystory - oznaczenia Oznaczenia rezystorów: c) kod paskowy – zakodowanie wartości za pomocą czterech, pięciu lub sześciu kolorowych pasków Rezystory - oznaczenia Rezystory - oznaczenia Rezystory - tolerancja Wartości rezystorów są rozłożone w szeregi, mówiące o tolerancji czyli granicy przedziału w jakiej znajduje się rzeczywista wartość rezystancji.Tolerancja: R Rznam tolerancja 100% Rznam max Wartości rezystancji tworzą szereg geometryczny: np. dla szregu E6 iloraz wynosi dla szregu E12 iloraz wynosi 6 10 1.5 12 10 1.2 Rezystory - tolerancja Mamy następujące szregi: - E6 - + 20% - E12 - + 10% - E24 - + 5% - E48 - + 2% - E96 - + 1% - E192 - + 0.5% Rezystory - szeregi Rezystory - szeregi Rezystory - moc Moc znamionowa Pzn jest to największa moc tracona na rezystorze dla w temperaturze +400C lub +700C. Przebieg dopuszczalnej mocy znamionowej w funkcji temperatury dla rezystora MŁT Rezystory - moc Typowe wartości mocy rezytorów to: 0.125W, 0.25W, 0.5W, 1W i 2W. Spotyka się także wartości: 0.05W, 0.1W, 0.2W,..., 3W, 5W, 6W, 8W, 10W, 12W, 15W, 20W, 25W, 50W i większe. Rezystory – temperaturowy współczynnik rezystancji Zmianę rezystancji wywołaną zmianą temperatury określa współczynnik TWR. Zmiana ta jest jest podawana w %/0C lub w ppm/0C (ppm – parts per million; 1 ppm = 1*10-6) Typowe wartości współczynnika TWR mieszczą się w granicach: od + 1000ppm/0C czyli + 0.1 %/0C do + 50ppm/0C czyli + 0.005%/0C Zmiana rezystancji: RT RT0 1 TWRT T0 gdzie T0 wynosi 200C Rezystory – stabilność czasowa rezystancji Rezystory zmieniają swoje parametry w czasie – wspólczynnik CWR: Rt 100h Rt 0 CWR Rt 0 Typowa wartość CWR wynosi 1%/1000h. Znając CWR wartość rezystancji można wyznaczyć z zalezności: R t CWR R t 1000 Rezystory – napięcie graniczne, rezystancja krytyczna Napięciem granicznym rezystora nazywamy wartość napięcia stałego (lub amplitudy zmiennego) jaką można przyłożyć do końcówek rezystora nie powowodując jego uszkodzenia lub powstania nieodwracalnych zmian jego parametrów. Rezystancją krytyczną nazywamy rezystancję, przy której napięcię maksymalne wywołuje wydzielanie się dopuszczalnej mocy znamionowej na rezystorze. Po przekroczeniu tej rezystancji napięcie maksymalne wyznaczamy ze wzoru: U max Pzn R Szumy rezystorów Szum termiczny – ziarnisty charakter przepływu prądu, nie wszystkie elektrony w rezystorze poruszają się zgodnie z kierunkiem przepływu prądu. Jest to szum „biały”. Średnie napięcie szumu na rezystorze: usz 4kTR f Odpowiadająca jemu wartość prądu: 1 isz 4kT f R gdzie: k – stała Bolzmana równa 1.38*10-23 J/K; T – temperatura bezwzględna w Kelvinach, R – rezystancja, f – szerokość pasma Szumy rezystorów Szumy prądowe (strukturalne) wynikają z niejednorodności i zanieczyszczeń materiału z jakiego wykonany jest rezystor. Wartość ich jest podawana wprost przez producenta. Można je oszacować z zależności: f isz A f gdzie A jest stałą materiałową podawaną przez producenta rezystora. Modele szumowe rezystorów: Rezystory – parametry pasożytnicze Cr – pojemność własna Lr – indukcyjność rezystora Lw – indukcyjność doprowadzeń Modele zastępcze rezystora Rezystory – parametry pasożytnicze Przebieg modułu impedancji dla modelu z rys. b Dla w. cz. najlepiej stosować SMD! Przebieg modułu impedancji dla modelu z rys. c i d f rez 1 2 Lr Cr Q Lr R Rezystory – parametry pasożytnicze Rezystory - klasyfikacja Typ węglowy kompozytowy węglowy warstwowy metalowy warstwowy Grubowarstwowy (cermentowy) Cienkowarstwowy tlenkowy drutowy Budowa wałek/rurka węglowa z przylutowanymi wyprowadź. spiralnie nacięta ceramiczna rurka z naparowaną warstwą węgla spiralnie nacięta ceramiczna rurka z naparowaną warstwą metalu ceramiczny korpus pokryty warstwą zmieszanych tlenków metali i szkła/ceramiki cienka warstwa metalu naparowana na szklany/ceramiczny korpus korpus pokryty spiralnie warstwą tlenku metalu wysokorezystywny drut nawinięty na szklany/ceramiczny korpus Indukcyjność własna Pojemność własna [pF] Zakres częstotliwości pracy mała ok. 0.1 – 0.2 m. cz. i śr. cz. mała ok. 0.2 m. cz. i śr. cz. mała poniżej 0.2 dobre w zastosowania ch w. cz. mała ok. 0.1 – 0.3 dobre w zastosowania ch w. cz. średnia powyżej 0.3 m. cz. i śr. cz. średnia ok. 0.4 m. cz. i śr. cz. duża ok. 0.2 - 10 m. cz. i śr. cz. Rezystory - klasyfikacja Typ Zależność rezystancji od napięcia [ppm/V] 200 do 500 Szumy własne Odporność na przeciążenia uwagi duże duża -200 do -1000 poniżej 100 duże mała stosowane w ukł. przełącz., gasikowych, przetw. imp. duży CWR duży CWR 5 do 100 ok. 1 małe b. mała mały CWR nie stosować do pracy impulsowej -2000 do 500 ok. 30 duże duża poniżej 1 ok. 0.05 b. małe mała + 200 10 małe duża mały CWR, stosowane w pracy impulsowe, wykonanie SMD mały CWR, stosowane w precyzyjnych ukł. pomiarowych odporne na wysoką temperaturę -50 do 1000 precyzyjne: 1 do 100 1 b. małe mała TWR [ppm/K] węglowy kompozytowy węglowy warstwowy -200 do -2000 metalowy warstwowy grubowarstwowy (cermentowy) cienkowarstwowy tlenkowy drutowy zastosowania precyzyjne, CWR zależny od temp. pracy Potencjometry - podział Potencjometry dzielimy na: - tablicowe (obrotowe, suwakowe) - precyzyjne (jedno lub wieloobrotowe) - dostrojcze (trymery) - tłumiki Parametry - takie jak rezystorów. Potencjometry - charakterystyki Charakterystyki rezystorów zmiennych: (LG) logarytmiczna, (L) liniowa, (W) wykładnicza, (M) typu M, (S) typu S, (N) typu N. ( - kąt obrotu) Kondensatory - definicje Kondensator - element gromadzący ładunek elektryczny. Zależność pomiędzy ładunkiem i napięciem: q Cu Charakterystyka kondensatora liniowego Prąd kondensatora: i t dq C du dt dt Energia: U 2C W 2 Kondensatory - definicje Naładowanie lub rozładowanie kondensatora trwa przez określony czas: RC gdzie: R jest rezystancją przez jaką ładujemy lub rozładowujemy kondensator, a [s] podaje czas po jakim napięcie na kondensatorze osiągnie 63.2% wartości maksymalnej (1-e-1). Pełne naładowanie następuje po czasie ok. 5. W obwodach pradu zmiennego kondensator jest scharakteryzowany przez reaktancję pojemnościową: 1 1 XC 2fC C Prądy i napięcia na kondensatorze opisuje prawo Ohma: u i X C Kondensatory - definicje Istnieją także kondensatory nieliniowe, których pojemność zmienia się w zakeżności od przyłożonego dodatkowego napięcia. Energia w kondensatorze jest gromadzona w postaci pola elektrycznego. Część energii zamieniana jest w ciepło powodując nagrzewanie się elementu. Przy projektowaniu układów elektronicznych z wykorzystaniem kondensatorów należy wyznaczyć wartość pojemności kondensatora oraz warunki jego pracy. Kondensatory płaski Pojemność: C 0 r S d 0 8.854 1012 Kondensator płaski F m Kondensatory - parametry Pojemność znamionowa i toleracja – wartości pojemności są rozłożone, podobnie jak w przypadku rezystancji, w szeregi. Producent podaje informację o wartości kondensatora i jego tolerancji. Są różne sposoby oznaczania kondensatorów: - na obudowie podawana jest liczbowo wartość pojemności, tolerancja zakodowana literowo i zakodowana kolorową kropką/paskiem wartość temperaturowego współczynnika pojemności Wartości są ułożone w szeregach: E6 (20%), E12 (10%), E24 (5%). Kondensatory - parametry Występujące wartości tolerancji i ich kodowanie Tolerancja Kod Tolerancja Kod + 0.005 E + 2.5 H + 0.01 L +5 J + 0.02 P + 10 K + 0.05 W + 20 M + 0.1 B + 30 N + 0.25 C -10....+30 Q + 0.5 D -10....+50 T +1 F -20....+50 S +2 G -20....+80 Z Kondensatory - parametry - innym sposobem kodowania wartości pojemności jest podanie dwóch cyfr wartości pojemności w pF i wykładnika potęgi dziesiątki: 470 47 100 470 pF 561 56 101 560 pF 822 82 102 8200 pF 8.2nF 334 33 104 330000 pF 330nF 475 47 105 4700000 pF 4.7F Kondensatory - parametry - kolejnym sposobem jest kodowanie wartości pojemności za pomocą wielobarwnego kodu kropkowego lub paskowego. Sposób kodowania: 1 kropka/pasek (z wyraźnym odstępem od pozostałych) – oznacza wartość temperaturowego współczynnika pojemności 2 kropka/pasek – pierwsza cyfra wartości pojemności 3 kropka/pasek – druga cyfra wartości pojemności 4 kropka/pasek – mnożnik 5 kropka/pasek – tolerancja; dla C<10pF podawana w [+pF]; dla C>10pF podawana w [%] Przyporządkowanie odp. cyfr kolorom, w kodowaniu wartości pojemności (2 i 3 kropka/pasek), jest takie same jak dla rezystorów Kondensatory - parametry Kodowanie mnożnika kolorami KOLOR MNOŻNIK srebrny 0.01 złoty 0.1 czarny 1 brązowy 10 czerwony 100 pomarańczowy 1000 Kondensatory - parametry Kodowanie tolerancji kolorami KOLOR TOLERANCJA C<10pF C>10pF [+pF] [%] srebrny - 10 złoty - 5 czerwony 2 2 niebieski 0.25 - biały 1 - granatowy 0.5 20 Kondensatory - parametry Dopuszczalne napięcie znamionowe – jest to chwilowa wartość sumy napięcia stałego i amplitudy napięcia zmiennego jaką można przyłożyć do końcówek kondensatora nie powodując jego uszkodzenia (przebicia warstwy dieelektryka). Wartość napięcia znamionowego zależy od typu dieelektryka. Wartość napięcia znamionowego podaje się wprost na obudowie kondensatora lub koduje za pomocą litery. Kondensatory - parametry Kodowanie wartrości napięcia znamionowego NAPIĘCIE ZNAMIONOWE [V] 25 40 (50) 63 100 160 250 400 630 1000 1600 500 LITERA m l a b c d e f h i nie oznacza się Kondensatory - parametry Temperaturowy wspólczynnik pojemności TWC: 1 C TWC C T TWC podaje się w [%/K] lub [ppm/K]. Pojemność kondensatora jest liniową funkcją temperatury i można ją wyznaczyć z zalezności: C T C T0 1 TWCT T0 gdzie: T0 wynosi 20 0C Istnieją rózne sposoby oznaczania TWC. Kondensatory - parametry Oznaczenie tworzywa lub TWC w [ppm/K] P100 (+100) P33 (+33) NP0 (0) N33 (-33) N47 (-47) N75 (-75) N150 (-150) N220 (-220) N330 (-330) N470 (-470) N750 (-750) N1500 (-1500) N2200 (-2200) N3300 (-3300) N4700 (-4700) N5600 (-5600) +140...-870 +250...-1750 Litera kodu Barwa kropki/paska A B C H N L P R S T U W K D E F SL UM granatowy różowy czarny brązowy Brak czerwony pomarańczowy żółty zielony niebieski fioletowy pomarańcz. - pomarańcz żółto – pomarańcz. zielono - pomarańcz niebiesko – pomarańcz. czarno – pomarańcz. szary biały Kondensatory - parametry Schemat zastępczy kondensatora: Rs – rezystancja szeregowa doprowadzeń, elektrod, elektrolitu jak również strat w dieelektryku, Rp – rezystancja izolacji (upływu), Ls – imdukcyjnośc doprowadzeń i elektrod, C - pojemność Kondensatory - parametry ESR (equivalent series resistance) – zastępcza rezystancja szeregowa Rs. ESL (equivalent series inductance) – zastępcza indukcyjność szeregowa Ls i związana z nią resztkowa reaktancja indukcyjna XL=Ls. Wpółczynnik strat - tg: PCZYNNA ESR RS tg RS C PBIERNA XC XC Dobroć kondensatora: Q 1 tg Kondensatory - parametry Moc strat wydzielana na kondensatorze: PSTR U 2Ctg Impedancja kondensatora: Z ESR 2 X C X L 2 Częstotliwość rezonansu własnego, przy której: XC X L i Z ESR Prąd upływu związany z rezystancją dieelektryka Rp (zakres m. cz.) Odporność na napięcie impulsowe – określa częstotliwość z jaką kondensator może być ładowany i rozładowywany Kondensatory - parametry Przykładowe przebiegi impedancji kondensatorów: elektrolitycznego i ceramicznego Konieczność blokowania wielostopniowego!!! Kondensatory - parametry Kondensatory - podział Kondensatory - podział Elementy indukcyjne - definicje Induktor (cewka indukcyjna, dławik) – jest elementem gromadzącym energie elektryczną w polu magnetycznym iL Indukcyjność L: d L di Wyrażana jest w [H]. Często stosuje się jednostki pochodne: [mH], [H] lub Charakterystyka liniowego [nH] induktora Elementy indukcyjne - definicje Napięcie na cewce: di u L dt Często stosuje się cewki sprzężone magnetycznie: di1 di2 u1 t L1 M dt dt di2 di1 u2 t L2 M dt dt Indukcyjność wzajemna: M MAX L1L2 Współczynnik sprzężenia: M k L1 L2 Elementy indukcyjne - definicje Energia gromadzona w cewce: I 2L W 2 Gromadzenie lub oddawanie energi przez cewkę trwa przez określony czas: L R gdzie: R jest rezystancją przez jaką ładujemy lub rozładowujemy cewkę, a [s] podaje czas po jakim napięcie na kondensatorze osiągnie 63.2% wartości maksymalnej (1e-1). Pełne naładowanie następuje po czasie ok. 5. Elementy indukcyjne - definicje W obwodach prądu zmiennego cewka reprezentowana jest przez reaktancję indukcyjną: X L 2fL L Zależnośc pomiędzy prądem i napięciem na cewce charakteryzuje prawo Ohma: u i X L Elementy indukcyjne - definicje Podział cewek: - dławiki – służą do tłumienia napięć zmiennych - cewki indukcyjne – wykorzystywane w obwodach rezonansowych filtrów i generatorów - transformatory – służące do przekazywania energii elektrycznej, zmieniając wartości napięć lub prądów (podwyższając je lub obniżając), lub służą do separacji galwanicznej obwodów Elementy indukcyjne Elementy indukcyjne - budowa Typowy element indukcyjny składa się z nastepujących elementów: - uzwojenia - magnetowodu (rdzenia) - karkasu (korpusu uzwojenia) - korpusu obudowy - koncówek, podkładek, obejmy - ekranu Najważniejsze dla parametrów cewki są dwa pierwsze elementy. Elementy indukcyjne - uzwojenia Uzwojenia są wykonywane z materiałów o dobrej przewodności elektrycznej np..: miedzi, srebra. W uzwojeniu występują straty dla prądu stałego i zmiennego. Straty dla prądu stałego – rezystancja drutu nawojowego. Straty dla prądu zmiennego – rezystancja drutu nawojowego + efekt naskórkowości (ang. skin effect). Elementy indukcyjne - uzwojenia Efekt naskórkowy związany jest z nierównomiernym rozkładem prądu płynącego przez przewodnik. Ze wzrostem częstotliwości największa gęstość (czasami całość) prądu występuje przy powierzchni zewnętrznej przewodu. Wtedy wzrastają straty w przewodniku. Parametrem opisującym efekt naskórkowy jest głębokość wnikania: 503 r f gdzie: - rezystywność przewodnika [m] (dla miedzi – 17.2nm); r – względna przenikalność magnetyczna przewodnika (dla miedzi równa 1), f = częstotliwość Elementy indukcyjne - uzwojenia Rozkład prądu w. cz. w przewodniu w zależności od odległości od jego powierzchni Przykładowo dla miedzi: f =10kHz = 1mm, f =1MHz = 0.1mm, f =100MHz = 0.01mm Elementy indukcyjne - uzwojenia Dla częstotliwości powyżej 1MHz stosuje się licę. Dla częstotliwości od kilkudziesięciu MHz stosuje się drut miedziany, srebrzony (srebrzankę). Dla b.w.cz., zwłaszcza przy dżych mocach stosuje się falowody – różnego kształtu rury miedziane. Elementy indukcyjne - magnetowody Rdzeń, umieszczony wewnątrz cewki, skupia strumień magnetyczny, zwiększając jednocześnie jej indukcyjność. Zależność indukcji od natężenia pola w magnetowodzie (krzywa magnesowania) Elementy indukcyjne - magnetowody Natężenie pola: Iz H l gdzie: z - liczba zwojów, I – natężenie prądu, l – średnia dł. zwoju Indukcja magnetyczna: B 0 r H gdzie: r – przenik. magn. względna; 0 = 410-7 H/m Przy pracy liniowej indukcyjnośc cewki z rdzeniem nie zależy od prądu. Imax – wartość prądu dla której L spada o 5%. Elementy indukcyjne - magnetowody Krzywe magnesowania materiałów: a) miękkiego, b) twardego Elementy indukcyjne - magnetowody Rodzaj materiału Właściwości Ferryt manganowow cynkowy Najwyższa wartość przenikalności magnetycznej i indukcji nasycenia strumienia, transformatory zasilaczy dla f<1MHz, filtry przeciwzakłóceniowe Małe straty, zastosowania w układach w.cz., filtry przeciwzakłóceniowe Duże prądy uzwojeń, duża wartość indukcji nasycenia, dobra stabilnośc temperaturowa i dobroć, zastosowanie – m. cz. Transformatory sieciowe, duże straty, zastosowanie w zasadzie dla f<1kHz Ferryt niklowo - cynkowy Rdzenie proszkowe Rdzenie z blach stalowych Elementy indukcyjne – indukcyjność odcinka przewodu Indukcyjność odcinka przewodu wyraża zależność: 4l L 0.002l ln( ) x d [H] gdzie: l - długośc przewodu [cm], d – średnica [cm] Zmienna x zależy od kształtu przewodu i częstotliwości: Kształt przewodu i częstotliwość x Prosty przewód dla m. cz. 0.75 Prosty przewód dla w. cz. 1 Krąg jednozwojowy dla m. cz. 2.2 Krąg jednozwojowy dla w. cz. 2.45 Kwadrat jednozwojowy dla m. cz. 2.6 Kwadrat jednozwojowy dla w. cz. 2.85 Elementy indukcyjne – indukcyjność jednowarstwowej cewki powietrznej Cewkę powietrzną jednowarstwową stosuje się dla zakresu częstotliwości od ok. kilku MHz do ok. 1 GHz. Indukcyjność jednowartswowej cewki powietrznej: 0.08d 2 z 2 L [H] 3d 9l gdzie: d – średnica cewki [cm], l – długośc cewki [cm], z – liczba zwojów. Średnica drutu powinna być przy najmniej pięć razy mniejsza niż średnica cewki Elementy indukcyjne – indukcyjność wielowarstwowej cewki powietrznej Indukcyjność wielowarstwowej cewki powietrznej wyznaczamy z zależności: 0.08d 2 z 2 L [H] 3d 9l 10a Gdzie: d – średnica cewki [cm], l – długośc cewki [cm], z – liczba zwojów, a – jest grubością uzwojenia wzdłuż promienia [cm] Elementy indukcyjne – indukcyjność cewek drukowanych Indukcyjnośc cewek trawionych bezpośrednio na laminacie dana jest zależnością: L zDm zK1 K 2 [H] gdzie: z – liczba zwojów, Dm – średnica cewki [cm], K1 i K2 stałe zależne od kształtu cewki. Dm 1.1c e Dm c d Dm c d Dm 1.1 c g c f Elementy indukcyjne – indukcyjność cewek drukowanych Wykres pomocny do wyznaczenia K1 Elementy indukcyjne – indukcyjność cewek drukowanych Widok płytki laminatowej z wytrawionymi ścieżkami: d1 – szerokość ścieżek, d2 – odstęp pomiędzy ścieżkami Elementy indukcyjne – indukcyjność cewek drukowanych Wykres pomocny w wyznaczaniu stałej K2 Elementy indukcyjne – indukcyjność wzajemna cewek sprzężonych W przypadku dwóch cewek powietrznych sprzężonych, nawinietych jedna na drugiej, ich indukcyjność wzajemna dana jest zaleznością: d2 M 0.01 z1 z2 [H] 2 D l Gdzie: d – średnica uzwojenia wewnętrznego [cm], D – średnica uzwojenia zewnętrznego [cm], l - długość cewki [cm], z1 i z2 – liczby zwojów cewek Elementy indukcyjne – indukcyjność cewki z rdzeniem Indukcyjność cewki z rdzeniem otwartym: L L 0 sk gdzie: L0 jest indukcyjnością cewki bez rdzenia (powietrznej), sk – jest przenikalnością magnetyczną skuteczną rdzenia W przypadku cewki z rdzeniem zamkniętym jej indukcyjnośc dana jest wyrażeniem: L ALz 2 gdzie: liczba AL zależy od parametrów rdzenia i jest podawana przez producenta. Wprowadzenie szczeliny – zmniejsza indukcyjność, zwiększa Imax i poprawia liniowość rdzenia Elementy indukcyjne – parametry Wartości indukcyjności cewek mogą być rozłożone w szeregi. W większości przypadków cewki są strojone z pomocą ruchomego rdzenia. Dla takich cewek podaje się wartośc cewki i zakres przestrajania tej wartości. Szczegółowe dane cewek znajdujemy w katalogach. Dla cewek stosowanych w obwodach śr. cz. i w. cz. są one w szeregi ze wzgleddu na wymiary obudowy cewki: 7x7 (wys. 12.6mm), 12x12 (wys. 19mm) 12x28 (wys. 19mm) itd. Dopiero w katalogu można znaleźć informację o budowie cewki: ilość uzwojeń, rozłożenie wyprowadzeń, indukcyjność i zakres jej przestrajania) Elementy indukcyjne – parametry Dobroć – określa zdolnośc cewki do gromadznia energii w polu magnetycznym w odniesieniu do strat energii w jednym cyklu pobudzenia: X L L Q Rs Rs Schemat zastępczy cewki: Rs – rezystancja strat (rezyst. uzwojeń, naskórkowość, straty na prądy wirowe i histerezę),Cr – pojemność pomiedzy warstwami uzwojenia i między zwojami) Elementy indukcyjne – parametry Typowe wartości dobroci to zakres 50 –200 dla częstotliwości 100kHz – 30MHz. Przy f=100kHz, dla cewek nawiniętych licą z zamkniętym rdzeniem Q=1000. W zakresie mikrofalowym, gdy cewką jest odcinek linii długiej lub rezonator wnękowy Q może przekraczać kilka tysięcy. Elementy indukcyjne – parametry Temperaturowy współczynnik indukcyjności: 1 L TWL L T podawany w [%/0C] lub [ppm/K]. Indukcyjność jest liniową zależnością temperatury: LT LT0 1 TWLT T0 gdzie: T0 = 200C. Elementy indukcyjne – parametry Dopuszczalna wartość prądu – drut musi mieć odpowiednią średnicę ze względu na gęstość prądu J (stosunek natężenia prądu do powierzchni przekroju poprzecznego drutu). Drut się nagrzewa i w ekstr. sytuacji może się przepalić. Dlatego ważne są warunki chłodzenia. Średnica drutu dla zakresu m. cz.: d 1.13 I J Dla miedzi J=2.5A/mm2 i zależnośc przybiera postać: d 0.8 I Uwaga – równoległy obwód rezonansowy!!!! Elementy indukcyjne – parametry Dopuszczalna wartośc napięcia – związana z izolacją pomiędzy poszczególnymi zwojami jak i warstwami uzwojeń. Konieczność odpowiedniego rozmieszczenia uzwojeń, odpowiedniej izolacji pomiędzy wartwami uzwojeń oraz odpowieniego rozmieszczenia wyprowadzeń. Zagrożenia – szeregowy obwód rezonansowy oraz samoindukcja!!!! Elementy indukcyjne – parametry Elementy pasożytnicze Występuje rezonans własny: 1 fr 2 LCr Schemat zastepczy cewki Dla częstotliwości powyżej fr cewka traci właściwości indukcyjne. Dlatego dla np.. Dławików szerokopasmowych stosuje się szeregowe połaczenie kilku cewek o różnych wartościach indukcyjnościach (różnych fr) Elementy indukcyjne – parametry Transformatory sieciowe Cechy charakterystyczne: - przenoszenie mocy przy dużej sprawności - praca przy małych częstotliwościach (50Hz, 60Hz, 400Hz) - duże zniekształcenia nieliniowe Podział wynika głownie z budowy transformatora: - z rdzeniami płaszczowymi: EL, M, 2F, 2L, UI - z rdzeniem toroidalnym Transformatory sieciowe Transformatory sieciowe Parametry: - moc - znamionowe napięcie wejściowe (np. 230V +10%) - częstotliwośc pracy - znamionowe napięcie i prąd uzwojenia wtónego - prąd biegu jałowego - napięcie izolacji - ciężar, wymiary - dopuszczalna temperatura pracy Transformatory sieciowe Przekładnia transformatora: z1 U1 I 2 n z 2 U 2 I1 Dla transformatora powietrznego: n L2 L1 Transformatory sieciowe Napięcia transformatora: d m d m d1 d r1 dI1 U1 I1 R1 z1 I1 R1 z1 z1 I1 R1 z1 Lr1 dt dt dt dt dt d m d m d 2 d r 2 dI U 2 I 2 R2 z2 I 2 R2 z2 z2 I 2 R2 z2 Lr 2 2 dt dt dt dt dt gdzie: MI1 MI 2 Strumień magnesujący m z z 2 1 Indukcyjność wzajemna (przypadek idealny) - M max L1L2 Współczynnik sprzężenia - k M L1 L2 Niestety występują straty: rozproszenie, ciepło, nasycenie rdzenia, prądy wirowe. Transformatory sieciowe Moc transformatora: Rezystancja wyjściowa: 1 Rg R1 Ptr I1skU1sk I 2 skU 2 sk [VA] rwy R2 2 2 n Oznaczenia: TS 40/44 - 44[VA], wersja 44 TMa 2500 – 2500 [VA] Występuje także pasożytnicza pojemność pomiędzy uzwojeniami!!! Transformatory sieciowe Moc tranformatora a przekrój poprzeczny rdzenia: gdzie: J jest dopuszczalną gęstością prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora, zależną od wytrzymałości termicznej emalii izolującej przewód, warunków chłodzenia i średnicy S 185U 2 I 2 fBmax J I2 d 2 1.13 J przewodu: Wpływ częstotliwości na gabaryty – małe transformatory w przetwornicach Impulsowych. Transformatory sieciowe Transformatory sieciowe Napięcie na zwój: U 2fBmax S z Spadek napięcia na rezystancjach uzwojeń - korekcja liczby zwojów: U z1 z 1 U1 U ' 1 U z 2 z 1 U 2 U ' 2 Transformatory sieciowe U I P2 100% 2 sk 2 sk 100% P1 U1sk I1sk Transformatory sieciowe Prąd jałowy – prąd pobierany przez nieobciażony transformator: I j I r2 I m2 Ir – straty energii w rdzeniu i rezystancji uzwojenia pierwotnego Im – straty energii w indukcyjności głównej transformatora Transformatory sieciowe Wpływ temperatury: w uzwojeniach i rdzeniu wydziela się ciepło. Dlatego w oznaczeniu transformatora podaje się jego klasę cieplną – maksymalną dopuszczalną temperaturę izolacji przewodów: Klasa cieplna Średnia dopuszczalna temp. Izolacji w ˚C Maksymalna dopuszczalna temp. Izolacji w ˚C A 100 105 E 115 120 B 120 130 F 140 150 Transformatory sieciowe Podaje się także temperaturę otoczenia, dla której możemy w sposób ciągły pobierać z transformatora charakteryzującą go moc znamionową. Przykładowe oznaczenie: TS 20/10 ta40B oznacza transformator sieciowy o mocy 20 [VA], 10 wersję, klasy cieplnej B dla temperatury otoczenia 400C. Gdy temperatura otoczenia, w której będzie pracował transformator będzie większa od podanej należy zmniejszyć znamionową moc pobieraną z transformatora!!!! Transformatory sieciowe Przykładowa korekcja wartości mocy znamionowej dla transformatorów klasy cieplnej B Ta 50˚C 60˚C 70˚C 80˚C 25B 76% 66% 57% 47% 40B 88% 77% 66% 55% 60B X X 85% 71% 70B X X X 83% Transformatory sieciowe Transformatory z rdzeniami płaszczowymi w porównaniu do toroidalnych: - mają większe rozmiary od toroidalnego dla tej samej mocy - mają mniejsza wartośc indukcji maksymalnej - mają większe straty biegu jałowego - mają większe straty na rozproszenie – zakłócenia (np. sprzęt audio) - są łatwiejsze w wykonaniu – niższa cena Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej Bezpiecznik – element zabezpieczający układ elektroniczny (elektryczny) przed uszkodzeniem spowodowanym przepływem długotrwałego prądu o określonej wartości. Bezpieczniki samochodowe Bezpieczniki topikowe stosowane w aparaturze elektronicznej Bezpieczniki pólprzewodnikowe stosowane w aparaturze elektronicznej Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej - parametry Napięcie znamionowe – największe napięcie (stałe lub zmienne) dla którego można stosować dany bezpiecznik Prąd znamionowy – prąd (roboczy), dla którego przystosowany jest bezpiecznik. Jest mniejszy od maksymalnego prądu, który nie powoduje zadziałania bezpiecznika. Zdolność łączenia – najwyższa wartość prądu, który może być przerwany przez bezpiecznik, przy danym napięciu, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia obudowy Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej - parametry Prąd zadziałania IN – minimalna wartość prądu powodująca zadziałanie bezpiecznika (przerwanie obwodu) Charakterystyka zadziałania – opisuje zależność pomiędzy szybkością zadziałania bezpiecznika a wartością prądu: - bezpieczniki szybkie – krótkim czasie zadziałania, stosowane w układach gdzie przekroczenie prądu maksymalnego może uszkodzić układ - bezpieczniki zwłoczne – zadziałanie bezpiecznika nastepuje po przepływie prądu większego/równego prądowi zadziałania przez określony czas; stosowane w układach gdzie występuje tzw. prądy rozruchowe, dużo większe od prądu pobieranego przez układy podczas pracy normalnej Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej - parametry Oznaczenia: FF – bardzo szybkie – zabezpieczają układy zawierające elementy półprzewodnikowe przed zwarciami F – szybkie – stosowane w układach, w których nie występują nagłe skoki napięcia lub jako bezpieczniki główne M – o średnim opóźnieniu zadziałania – używane w układach niskonapięciowych i niskoprądowych T – o późnionym czasie zadziałania – stosowane w układach z przełączanymi prądami o powolnych czasach narostu i opadania TT – z dużą zwłoką zadziałania – w układach z krótkotrwałymi prądami rozruchowymi Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej - rodzaje Budowa: - bezpieczniki topikowe – szklana/ceramiczna rurka z przewodem w środku, wymiar Eu(5x20mm), USA (6,3x32mm), wiele wersji i rodzajów (m. in. subminiaturowe lutowane) - samochodwe (topikowe) – ceramiczny walec (6x25mm) lub plastikowa obudowa z taśmą metalową - automatyczne termiczne – reagują na temperaturę otoczenia i dla określonej wartości przerywają obwód - polimerowe (półprzewodnikowe) – wielokrotnego użytku, po przekroczeniu prądu lub temperatury bezpiecznik przerywa obwód, po ostygnięciu wraca do stanu przewodzenia, spotyka się także rodzaje do montażu przewlekanego i powierzchniowego; typ foliowy stosowany w pakietach baterii Bezpieczniki rezystancja, spadek napięcia • Rezystancja bezpieczników – 10 -0.01Ω (mały prąd znamionowy – duża oporność) • Spadek napięcia dla prądu znamionowego 10V(IN=30mA) – 0,1V(IN=10A) Obudowy różne Obudowy SMD Długość rzędu 6mm Obudowy - najpopularniejsze Wymiary: 5x20mm 4,5x14,5 6,3x32 6,3x25,4 8,5x31,5 10,3x34,9 10,3x38, Bezpieczniki szybkie i zwłoczne Bezpieczniki polimerowe Bezpieczniki polimerowe - parametry • • • • Prąd znamionowy (Ihold) (0,1 do 10A) Prąd przeskoku (Itrip) (2xIhold) Czas do przeskoku dla Itrip (wykres) Rezystancja „pracy” (3 do 0,005Ω) Bezpieczniki polimerowe charakterystyka prądowo-napięciowa Po nagrzaniu spowodowanym przeciążeniem wzrasta oporność (PTC) i wzrasta spadek napięcia. Obwód nie zostaje jednak przerwany !!!!! Po wyłączeniu i wystygnięciu bezpiecznik powraca do stanu przed przeciążeniem !!!! Bezpieczniki polimerowe czas zadziałania Czas wyłączenia [s] Prąd [A] Bezpieczniki polimerowe (ceramiczne) - parametry • Napięcie znamionowe - 30V (265V) • Prąd znamionowy - 0,1A – 10A (15-200mA) • Rezystancja 3Ω – 0,001Ω (150Ω - 10Ω) •Mogą być stosowane jako zabezpieczenie termiczne •Szczególnie nadają się do ochrony akumulatorów, silników, transformatorów itp..
