Curs Electronica

A

Notiuni Fundamentale

1

1. Curentul electric

Definiie

Curentul electric este un flux de sarcini electrice (electroni) intr-un conductor electric.

.

Curent continuu, curent alternativ.

Curentul electric continuu este acel flux de electroni ce nu-si schimba sensul in timp.

Curentul continuu este obtinut de la baterii sau de la sursele de curent continuu. In cele mai multe cazuri este de joasa tensiune si se foloseste la alimentarea circuitelor electronice.

Curentul electric alternativ isi schimba sensul in mod periodic. Cel mai obisnuit exemplu de curent alternativ este curentul de la priza. Acesta isi schimba sensul de 50 de ori intr-o secunda si de aceea se spune ca are frecventa de 50 de hertzi (Hz).

Curentul electric este analog curgerii unui fluid printr-un tub. Cantitatea de fluid care trece prin tub depinde de diferenta de presiune dintre capetele tubului si de sectiunea tubului.

Curentul electric ca si marime fizica se noteaza cu I.

Unitatea de masura pentru curentul electric

Unitatea de masura pentru curentul electric este Amperul.

Prin analogia afirmata anterior, intensitatea curentului electric (masurata in amperi sau multipli ori submultipli ai amperului) poate fi comparata cu cantitatea de fluid care trece prin tub in unitatea de timp.

Cantitatea de sarcini electrice transportate de un curent avand intensitatea de un amper intr-o secunda este de 1 Coulomb. Coulombul este unitatea de masura pentru sarcinile electrice.

Efectele curentului electric

Asemenea fluxului de fluid din tub, curentul electric transporta energie. Aceasta energie, numita energie electrica, se manifesta in forme diferite.

2

Cele mai importante forme de manifestare a energiei electrice, numite si efecte ale curentului electric sunt :

energia termica

energia magnetica si electromagnetica

energia luminoasa

energia electrochimica

2. Tensiunea electric

Definiie

Tensiunea electrica este marimea fizica ce produce miscarea sarcinilor electrice in conductoare si de aceea mai este numita si forta electromotoare.

Putem spune ca tensiunea electrica este analoga presiunii din exemplul cu fluidul care curge prin tub.

Tensiunea electrica se noteaza cu V.

Unitatea de masura pentru tensiunea electrica

Unitatea de masura a tensiunii electrice este Voltul.

Surse de tensiune, simboluri grafice.

+-

Surse de tensiune continua Sursa de tensiune alternativa

3. Rezistena electric

Definiie3

Rezistenta electrica este marimea fizica atribuita unor elemente de circuit, care caracterizeaza proprietatea acestora de a se opune trecerii curentului electric.

Afirmam despre un material ca este conductor electric daca permite trecerea curentului electric. De asemenea afirmam despre un material ca este izolator electric daca acesta nu permite trecerea curentului electric.

Rezistenta electrica se noteaza cu R.

Unitatea de msur

Unitatea de masura a rezistentei electrice se numeste Ohm.

Daca cele 2 cazuri le consideram ca fiind extreme putem spune ca materialele conductoare au rezistenta nula (0) iar cele izolatoare au rezistenta foarte mare, tinzand la infinit.

Intre cele 2 cazuri extreme exista foarte multe materiale sau elemente de circuit care au valori intermediare, finite ale rezistentei electrice.

Legea lui Ohm

Avand definite trei marimi electrice fundamentale, putem stabili o relatie intre acestea numita legea lui Ohm si care este si o definitie pentru marimea numita rezistenta electrica:

Un element de circuit are valoarea rezistentei electrice de 1 ohm daca acesta avand la borne o tensiune de 1Volt permite sa treaca prin el un curent de 1 amper.

Relatia se scrie matematic prin formula:

R=V / IToate legile care definesc comportamentul circuitelor electrice au la baza aceasta formula de calcul elementara.

Formula se mai poate srie astfel:

I = V / R sau V = R * IRevenind la analogia cu fluidul putem afirma ca rezistenta electrica este asemanatoare cu sectiunea unui tub prin care circula fluid. Cantitatea de fluid care trece prin tub este invers proportionala cu marimea sectiunii tubului.

In acelasi mod si sectiunea unui conductor electric sau alt element de circuit, influienteaza trecerea curentului electric.

4

Circuite rezistive echivalente serie si paralel

Puterea electrica

Puterea electrica este definita ca fiind produsul dintre tensiunea de la borne si curentul care traverseaza un element de circuit avand o anumita rezistenta electrica. Simbolul puterii electrice este litera P. Pentru calculul puterii este suficient sa cunoastem 2 dintre marimile definite abterior:

P = V * I sau P = V * V / R sau P = I * I * R

Componente electrice rezistive

Elementul de circuit care este cel mai exact caracterizat de legea lui Ohm este numit rezistor.

Simbolurile grafice des folosite ale rezistorului sunt:

Exemplele cele mai intalnite de elemente de circuit rezistive sunt: aparatele electrocasnice: resoul/aeroterma electrica, becul cu filament.

Circuite electrice rezistive.

5

R1 R3R2

R1 R2 R3

B

A

I

I = V a b / RR

V a b = E = I * R

E +-

4. Inductivitatea electrica

Definitie

Inductivitatea electrica este o marime fizica asemanatoare cu rezistenta electrica. Diferenta esentiala intre cele 2 marimi consta in faptul ca Inductivitatea se opune trecerii curentului electric in dependenta de frecventa acestuia. Inductivitatea electrica lasa sa treaca curentul continuu (curentul continuu are frecventa 0 Hz) si diminueaza intensitatea curentilor alternativi de frecvente mari.

Pentru a caracteriza comportamentul inductivitatii in circuitele electrice s-a introdus o marime electrica mai generala decat rezistenta electrica: impedanta electrica. Impedanta reprezinta la fel ca si rezistenta electrica un raport intre tensiunea la bornele unui element de circuit si curentul care-l strabate dar are o formula de calcul care o face dependenta de frecventa:

Z = R +jX

Unde Z este simbolul impedantei, R rezistenta electrica , X reactanta electrica iar j este vectorul complex unitate.

Atat Z cat si X au aceeasi unitate de masura ca si R: Ohm.

Unitate de masura

X este componenta impedantei dependenta de frecventa. In cazul inductivitatii X se noteaza cu XL (reactanta inductiva) si se exprima cu formula:

XL = 2 * f * L

Unde f reprezinta frecventa curentului alternativ iar L reprezinta inductivitatea electrica.

Simbol grafic

6

Unitatea de masura pentru inductivitatea electrica se numeste Henry si are simbolul H.

Simbolul grafic pentru inductivitate este:

Componente inductive

Elementul de circuit care se comporta in mod predominant inductiv este bobina electrica. Bobina ideala este caracterizata doar de inductivitatea electrica: L. Astfel impedanta electrica a unei bobine ideale este:

Z = 0 +jXL = j * 2 * f * L

Modelul de baza al unei bobine este un cilindru pe care se infasoara un conductor electric de un anumit numar de ori. Acest numar se noteaza cu N si reprezinta numarul spirelor bobinei.

Elemente de circuit inductive intra in componenta transformatoarelor electrice, a filtrelor electrice, electromagnetilor, releelor, difuzoarelor, etc..

5. Capacitatea electrica

Definitie

Capacitatea electrica este o marime complementara inductivitatii electrice.

Si in cazul capacitatii electrice se poate exprima o reactanta electrica, numita reactanta capacitiva: XC.

Astfel formula de calcul pentru impedanta unui element de circuit capacitiv este:

Z = 0 -jXc = - j/2 * f * C

Unde XC = 1/2 * f * C iar C este simbolul capacitatii electrice.

Unitate de masura

Capacitatea electrica se masoara in farazi sau submultipli ai faradului.

7

Simbol grafic

Simbolul grafic pentru capacitatea electrica este:

Simbolul pentru unitatea de masura este litera F sau pentru submultipli:

mf , uF, nF si pF.

Componente capacitive

Componenta electrica definita cel mai exact prin marimea fizica numita capacitate electrica este condensatorul electric. Gama condensatoarelor electrice este foarte variata, exista condensatoare de 0,25 pF dar si condensatoare de ordinul farazilor. Pentru toate modelele si marimile de condensatoare este valabila urmatoarea proprietate: condensatoarele permit cu atat mai bine trecerea curentului electric cu cat frecventa acestuia este mai mare. Putem astfel afirma ca un condensator nu lasa sa treaca curentul continuu ci doar curentul alternativ, adica se comporta invers fata de bobina.

Modelul de baza al unui condensator este reprezentat de doua suprafete metalice (conductoare) separate de un strat izolator foarte subtire.

6. Circuite RLC.

REI

C

L

E = I*(R+j*2*f*L+1/j*2*f*C)

Tensiunea alternativa E este egala cu produsul dintre suma impedantelor componentelor din circuit si curentul care trece prin aceste componente.

8

Caracteristici circuite RLC

Circuitele electrice formate din componente RLC sunt circuite liniare deoarece

dependenta dintre curent si tensiune in aceste componente este liniara.

Rezistentele, bobinele si condensatorii sunt componente liniare. Ele sunt de

asemenea si componente pasive deorece nu produc energie electrica ci

doar o consuma sau o transforma.

Circuitele electronice mai contin si componente active: care produc energie

Electrica. Acestea sunt sursele de tensiune si componentele semiconductoare.

Semiconductoarele sunt elemente chimice cu proprietati de conductivitate

intermediare intre conductori si izolatori si sunt folosite pentru fabricarea

componentelor electronice active.

7. Componente electronice active Componentele electronice active cele mai simple sunt diodele si tranzistorii. Atat diodele cat si tranzistorii se intalnesc intr-o gama foarte diversificata;

exista foarte multe variante constructive si tehnologii utilizate pentru obtinerea

acestor componente.

Componentele electronice mai complexe, de exemplu circuitele integrate,

contin multe astfel de tranzistoare si diode incorporate in aceeasi capsula.

Exemple de Componente Electronice

- dioda redresoare

- dioda stabilizatoare de tensiune

- dioda varicap

9

- dioda electroluminiscenta: LED

- dioda schotcky

- dioda gun

- dioda tunel

- tranzistorul bipolar

- tranzistorul unijonctiune

- tranzistorul cu efect de camp cu jonctiune: UJT

- tranzistorul cu efect de camp cu metal-oxid: MOS

- circuite integrate analogice: amplificatoare operationale,

amplificatoare de radiofrecventa, stabilizatoare de tensiune,

comparatoare

- circuite integrate logice: porti logice, registre, memorii RAM,

memorii EEPROM, procesoare, convertoare analogic-digitale

8. Functionarea Componentelor si Circuitelor electronice

8.1Dioda redresoareDioda redresoare este cea mai simpla dintre componentele electronice.

Dioda redresoare este realizata prin contactul dintre 2 materiale semiconductoare in amestec cu substante diferite care le determina sa aiba sarcini electrice in exces: una sarcini pozitive si alta sarcini negative.

Acest contact de doua materiale semiconductoare cu proprietati diferite se numeste jonctiune pn.

+

-+

+ -

+ -

++

---+

-

-- -

++

+

-

K-

A+

+

Jonctiunea pn

Terminalul de la contactul p se numeste anod (A) iar terminalul de la contactul n se numeste catod (K).

10

Simbolul grafic al diodei redresoare este urmatorul:

KA

Principala proprietate a dodei redresoare este aceea ca nu permite trecerea curentului decat intr-un singur sens: de la anod spre catod. Atunci cand diodei redresoare i se aplica o tensiune la borne cu + la anod si la catod (spunem ca este polarizata direct) va trece prin ea un curent electric. Daca dioda va fi polarizata cu - la anod si + la catod (spunem ca este polarizata invers) curentul prin dioda va fi 0.

K+ -

I

A K+

I = 0-

A

Dioda in circuit se comporta astfel:

BE

I

I = V a b / R+-

RA

In polarizare directa curentul I trece prin doda si prin rezistenta si considerand ca dioda este ideala I = Vab/R = E/R.

BE

I = 0

+-

R V a b = 0A

In polarizare inversa dioda nu permite trecerea curentului electric si de aceea tensiunea la bornele rezistentei -Vab- este nula.

Aceasta proprietate a diodei o face sa transforme curentul alternativ in curent continuu pulsatoriu, adica sa redreseze curentul alternativ:

11

Folosirea unei singure diode permite redresarea doar a unei alternante dupa cum se vede in figura.

Pentru recuperarea ambelor alternante se va folosi puntea cu 4 diode astfel:

Tensiunea AC este aplicata in punctele indicate de sageti iar tensiunea DC este disponibila intre bornele + si -.

Caracteristica curent tensiune a diodei ideale este urmatoarea:

12

V

I

0

Pe portiunea de tensiune negativa a caracteristicii curentul prin dioda ideala este 0. Cand tensiunea de polarizare devine pozitiva curentul creste brusc la infinit, Astfel dioda se comporta ca si un intrerupator: deschis pentru tensiuni negative si inchis pentru tensiuni pozitive.

Dioda redresoare reala insa se comporta altfel: nu se deschide imediat dupa 0V ci dupa ce se trece de tensiunea de polarizare directa Vd de aproximativ 0,7 volti si nu are rezistenta de 0 ohmi in polarizare directa ci are o rezistenta serie de la valori de zecimi de ohm la valori de zeci de ohmi, in functie de tipul diodei

Reprezentarea echivalenta in circuit a diodei reale este urmatoarea:

+ R dV d

D -

iar caracteristica ei arata astfel:

V d = 0 , 7 V V

I

0

Datorita rezistentei serie destul de mici a diodei, curentul prin dispozitiv creste repede cand se mareste tensiunea peste pragul de deschidere. Din acest motiv diodele nu se vor lega niciodata in mod direct la o sursa de tensiune ci doar prin intermediul unor rezistente care au rolul de a limita curentul.

13

Se observa ca graficul functiei curent-tensiune nu este o linie dreapta, adica nu exista o dependenta liniara a curentului prin dioda fata de tensiunea de polarizare a acesteia: dioda este o componenta neliniara. Aceasta caracteristica o au toate elementele de circuit (componentele electronice) pe baza de semiconductoare.

8.2 Dioda stabilizatoare

Dioda stabilizatoare se comporta in polarizare directa la fel ca si o dioda redresoare iar in polarizare inversa intra in conductie daca se depaseste un prag de tensiune care reprezinta tensiunea de stabilizare a diodei.

Simbolurile grafice mai des intalnite ale diodei stabilizatoare sunt urmatoarele:

Circuite simple cu diode stabilizatoare:

E

BI = V a b / R = ( E - V s t ) / R

V a b = E - V s tARV s t

+-

I

A V a b = V s t

I

E R

BV s t+- I = ( E - V s t ) / R

Caracteristica curent-tensiune a diodei stabilizatoare este urmatoarea:

V s t0- V d V

I

Dioda stabilizatoare se foloseste acolo unde este nevoie de mentinerea umui curent sau a unei tensiuni la valoare constanta,

14

8.3 Dioda electroluminiscenta

Dioda electroluminiscenta este foarte des intalnita cu denumirea de LED ( Light Emitting Diode). Semnul conventional al LED-ului este urmatorul:

Dioda LED emite o anumita cantitate de lumina atunci cand este polarizata direct si prin ea trece un curent de la cativa mA pana la zeci de mA. Acest curent apare doar cand tensiunea la bornele diodei depaseste valoarea de deschidere. Deoarece odata depasit acest prag de tensiune curentul creste foarte mult prin dioda datorita cresterii tensiunii, exista riscul de a o distruge.

- V d VV d

I

0

Din acest motiv dioda LED va fi intotdeauna pusa in circuit in serie cu o rezistenta pentru limitarea curentului.

E +- V D = V a b = E - I * R

B

AR

L E D

I

8.4 Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este constituit din 2 jonctiuni pn si apare ca si cum ar fi compus din 2 diode:

15

- ---

-- -

-C

-++

+-E-

B-

+

BEC

Acest tip de tranzistor se numeste npn. Exista si tipul de tranzistor pnp care arata astfel:

+

--+

++--

C ++++

E+B

++ +

BEC

si se polarizeaza invers in circuite fata de cel npn.

Cele trei terminale ale tranzistorului sunt: emitorul-E, colectorul-C si baza-B.

Semnele conventionale pentru cele 2 tipuri de tranzistori sunt:

C

EB

B

C

E

In tranzistorul bipolar exista urmatoarea relatie intre curenti, indiferent daca tranzistorul este pnp sau npn::

E

BI B

I E

I CC

C

EB

I C

I E

I E = I C + I BI B

IE IC >> IB de aceea se accepta in general ca IE = IC.

O alta relatie importanta intre curentii prin tranzistor este urmatoarea:

IC = * IB

este o constanta a tranzistorului care depinde foarte mult de regimul de functionare al acestuia.

Din aceasta relatie rezulta ca functia cea mai importanta a tranzistorului bipolar este aceea de amplificator de curent, factorul reprezentand tocmai amplificarea in curent a dispozitivului. Alte doua notatii mai des intalnite pentru factorul de amplificare in curent al tranzistorului sunt h21 si hfe.

Un exemplu de amplificator de curent cu un tranzistor este urmatorul:

16

+-I B I C

E = 2 4 VI C = 1 0 0 m A

Avem nevoie sa aprindem un bec de 24V avand un curent nominal de 100 mA.

Becul se comporta in circuit ca si o rezistenta. Daca deschidem tranzistorul astfel incat sa asigure un curent de colector de 100 mA, toata tensiunea de alimentare a circuitului de 24 V va cadea la bornele becului iar tensiunea colector-emitor a tranzistorului va fi practic nula. Acest lucru este necesar pentru ca tranzistorul sa nu consume putere In circuit ci sa o transfere in totalitate becului.

Puterea consumata de bec va fi: 24V * 100 mA = 2,4W iar puterea consumata de tranzistor va fi: 0V * 100 mA = 0W.

Factorul de amplificare al tranzistorului este de 100. Pentru a asigura un curent de colector de 100 mA este nevoie sa introducem in baza tranzistorului un curent de 100 mA / 100 = 1 mA.

In concluzie, cu ajutorul tranzistorului putem comanda un curent de 100 mA cu un curent de numai 1 mA, deci de 100 de ori mai mic, acest fapt datorandu-se amplificarii in curent a acestei componente.

Polarizarea tranzistorului bipolar se poate realiza in trei moduri diferite:

Emitor comun, colector comun sau baza comuna. Primele doua moduri sunt mai des intalnite.

In polarizarea cu emitor comun, emitorul este cuplat direct la sursa de alimentare a circuitului:

+-I B+- I E

E 1

E 2I C I E = I B + I C

In polarizarea cu colector comun, colectorul este cuplat direct la sursa de alimentare a circuitului:

17

+-E 1 E 2+

-I E

I BI E = I B + I C

I C

Indiferent in ce fel de polarizare se afla tranzistorul, exista doua regimuri distincte de functionare : regimul liniar si regimul neliniar.

In principiu am enuntat ca o proprietate a componentelor semiconductoare este aceea de a fi neliniare.

Exista totusi conditii in care se aproximeaza ca ele lucreaza liniar. Pentru ca un tranzistor sa lucreze in regim liniar este nevoie ca atat curentii cat si tensiunile caracteristice regimului de functionare sa fie diferiti de zero, iar variatia lor sa fie cat mai mica.

De obicei regimul liniar al tranzistorului este folosit pentru amplificarea unor curenti alternativi de tensiune redusa (semnale de amplitudine sau nivel mic).

Pentru amplificarea in tensiune a unor curenti alternativi, se poate utiliza urmatorul etaj de amplificare cu un tranzistor bipolar in conexiune emitor comun:

+-

V o u tC 2

V i nC 1

E

Amplitudinea de tensiune a curentului alternativ de la iesire este mai mare decat aceea a curentului de la intrare. Raportul dintre cele doua tensiuni il numim amplificare in tensiune.

Condensatoarele se folosesc pentru a separa componenta alternativa a tensiunii de cea continua.

Datorita faptului ca obtinem tensiunea de iesire de pe colectorul tranzistorului, aceasta apare inversata fata de cea de intrare, de aceea vom numi acest mod de amplificare inversoare.

18

Daca folosim un etaj asemanator de tensiune in conexiune colector comun, semnalul de la iesire va fi in faza cu cel de la intrare si va avea aceeasi amplitudine, sau putin mai mica decat acesta. Numim aest mod de functionare al tranzistorului repetor pe emitor.

+-

V o u t

C 2V i n

C 1

E

Regimul de lucru neliniar al amplificatorului este folosit mai ales pentru amplificarea impulsurilor. In circuitele digitale tranzistoarele lucreaza intr-un regim puternic neliniar tocmai pentru a putea reduce cat mai mult puterea consumata de tranzistori si care este mai mare in regimurile liniare.

In circuitele logice sau digitale tranzistoarele lucreaza in comutatie adica trec periodic din starea de blocat (Ic=0) in starea de saturat (Vce=0). Cand tensiunea Vce este egala cu E tranzistorul este blocat si curentul de colector Ic = 0. Acest lucru se intampla cand tensiunea pe baza este 0V si din acest motiv si curentul de baza Ib este 0. Daca pe baza tensiunea creste va apare un curent In baza care la randul lui va determina un curent de colector care va trece prin rezistenta Rc. Tranzistorul este acum deschis si datorita curentului Ic caderea de tensiune va avea loc pe Rc. Rezistenta Rc este astfel calculata incat caderea de tensiune pe tranzistor-Vce sa fie aproape 0V. In acest moment spunem ca tranzistorul este saturat.

C

E

V o u t

E +-

V i n

I cR c

B

Pentru circuitul din figura avem urmatoarele forme de unda pentru Vce, Vin si Ic:

19

V i n

V c

V c s a t t

t

A

t

E

E / R cI c

Vin este tensiunea de comanda a amplificatorului de impulsuri. Pe durata cat Vin depaseste tensiunea de deschidere a tranzistorului Vbe care este de 0,6V, apare un curent de colector Ic. Curentul de colector spunem ca este in faza cu tensiunea de intrare deoarece are aceleasi momente de crestere si descrestere.

Curentul Ic produce o cadere de tensiune pe rezistenta Rc, care se scade din tensiunea de alimentare a circutului E. Tranzistorul este capabil sa se deschida pana cand tensiunea de colector scade la cateva zecimi de volt, aceasta este tensiunea de saturatie a tranzistorului.

Forma de unda a tensiunii de colector este inversata fata de cea a tensiunii de intrare, de aceea vom spune ca iesirea este in antifaza cu intrarea. Acest lucru se explica prin faptul ca tranzistorul in conexiune emitor comun lucreaza ca un amplificator inversor.

20

1. Curentul electricDefiniieCurentul electric este un flux de sarcini electrice (electroni) intr-un conductor electric..Curent continuu, curent alternativ.Curentul electric continuu este acel flux de electroni ce nu-si schimba sensul in timp.Curentul continuu este obtinut de la baterii sau de la sursele de curent continuu. In cele mai multe cazuri este de joasa tensiune si se foloseste la alimentarea circuitelor electronice.Curentul electric alternativ isi schimba sensul in mod periodic. Cel mai obisnuit exemplu de curent alternativ este curentul de la priza. Acesta isi schimba sensul de 50 de ori intr-o secunda si de aceea se spune ca are frecventa de 50 de hertzi (Hz).Curentul electric este analog curgerii unui fluid printr-un tub. Cantitatea de fluid care trece prin tub depinde de diferenta de presiune dintre capetele tubului si de sectiunea tubului.Curentul electric ca si marime fizica se noteaza cu I.Unitatea de masura pentru curentul electricUnitatea de masura pentru curentul electric este Amperul.Prin analogia afirmata anterior, intensitatea curentului electric (masurata in amperi sau multipli ori submultipli ai amperului) poate fi comparata cu cantitatea de fluid care trece prin tub in unitatea de timp.Cantitatea de sarcini electrice transportate de un curent avand intensitatea de un amper intr-o secunda este de 1 Coulomb. Coulombul este unitatea de masura pentru sarcinile electrice.Efectele curentului electricAsemenea fluxului de fluid din tub, curentul electric transporta energie. Aceasta energie, numita energie electrica, se manifesta in forme diferite.Cele mai importante forme de manifestare a energiei electrice, numite si efecte ale curentului electric sunt :energia termicaenergia magnetica si electromagneticaenergia luminoasaenergia electrochimica2. Tensiunea electric

DefiniieTensiunea electrica este marimea fizica ce produce miscarea sarcinilor electrice in conductoare si de aceea mai este numita si forta electromotoare.Putem spune ca tensiunea electrica este analoga presiunii din exemplul cu fluidul care curge prin tub.Tensiunea electrica se noteaza cu V.Unitatea de masura pentru tensiunea electricaUnitatea de masura a tensiunii electrice este Voltul.Surse de tensiune, simboluri grafice.Surse de tensiune continua Sursa de tensiune alternativa3. Rezistena electricDefiniieRezistenta electrica este marimea fizica atribuita unor elemente de circuit, care caracterizeaza proprietatea acestora de a se opune trecerii curentului electric.Afirmam despre un material ca este conductor electric daca permite trecerea curentului electric. De asemenea afirmam despre un material ca este izolator electric daca acesta nu permite trecerea curentului electric.Rezistenta electrica se noteaza cu R.Unitatea de msurUnitatea de masura a rezistentei electrice se numeste Ohm.Daca cele 2 cazuri le consideram ca fiind extreme putem spune ca materialele conductoare au rezistenta nula (0) iar cele izolatoare au rezistenta foarte mare, tinzand la infinit.Intre cele 2 cazuri extreme exista foarte multe materiale sau elemente de circuit care au valori intermediare, finite ale rezistentei electrice.Legea lui OhmAvand definite trei marimi electrice fundamentale, putem stabili o relatie intre acestea numita legea lui Ohm si care este si o definitie pentru marimea numita rezistenta electrica:Un element de circuit are valoarea rezistentei electrice de 1 ohm daca acesta avand la borne o tensiune de 1Volt permite sa treaca prin el un curent de 1 amper.Relatia se scrie matematic prin formula:R=V / IToate legile care definesc comportamentul circuitelor electrice au la baza aceasta formula de calcul elementara.Formula se mai poate srie astfel:I = V / R sau V = R * IRevenind la analogia cu fluidul putem afirma ca rezistenta electrica este asemanatoare cu sectiunea unui tub prin care circula fluid. Cantitatea de fluid care trece prin tub este invers proportionala cu marimea sectiunii tubului.In acelasi mod si sectiunea unui conductor electric sau alt element de circuit, influienteaza trecerea curentului electric.Circuite rezistive echivalente serie si paralelPuterea electricaPuterea electrica este definita ca fiind produsul dintre tensiunea de la borne si curentul care traverseaza un element de circuit avand o anumita rezistenta electrica. Simbolul puterii electrice este litera P. Pentru calculul puterii este suficient sa cunoastem 2 dintre marimile definite abterior:P = V * I sau P = V * V / R sau P = I * I * RComponente electrice rezistiveElementul de circuit care este cel mai exact caracterizat de legea lui Ohm este numit rezistor.Simbolurile grafice des folosite ale rezistorului sunt:Exemplele cele mai intalnite de elemente de circuit rezistive sunt: aparatele electrocasnice: resoul/aeroterma electrica, becul cu filament.Circuite electrice rezistive.4. Inductivitatea electricaDefinitieInductivitatea electrica este o marime fizica asemanatoare cu rezistenta electrica. Diferenta esentiala intre cele 2 marimi consta in faptul ca Inductivitatea se opune trecerii curentului electric in dependenta de frecventa acestuia. Inductivitatea electrica lasa sa treaca curentul continuu (curentul continuu are frecventa 0 Hz) si diminueaza intensitatea curentilor alternativi de frecvente mari.Pentru a caracteriza comportamentul inductivitatii in circuitele electrice s-a introdus o marime electrica mai generala decat rezistenta electrica: impedanta electrica. Impedanta reprezinta la fel ca si rezistenta electrica un raport intre tensiunea la bornele unui element de circuit si curentul care-l strabate dar are o formula de calcul care o face dependenta de frecventa:Z = R +jXUnde Z este simbolul impedantei, R rezistenta electrica , X reactanta electrica iar j este vectorul complex unitate.Atat Z cat si X au aceeasi unitate de masura ca si R: Ohm.Unitate de masuraX este componenta impedantei dependenta de frecventa. In cazul inductivitatii X se noteaza cu XL (reactanta inductiva) si se exprima cu formula:XL = 2 * f * LUnde f reprezinta frecventa curentului alternativ iar L reprezinta inductivitatea electrica.Simbol graficUnitatea de masura pentru inductivitatea electrica se numeste Henry si are simbolul H.Simbolul grafic pentru inductivitate este:Componente inductiveElementul de circuit care se comporta in mod predominant inductiv este bobina electrica. Bobina ideala este caracterizata doar de inductivitatea electrica: L. Astfel impedanta electrica a unei bobine ideale este:Z = 0 +jXL = j * 2 * f * LModelul de baza al unei bobine este un cilindru pe care se infasoara un conductor electric de un anumit numar de ori. Acest numar se noteaza cu N si reprezinta numarul spirelor bobinei.Elemente de circuit inductive intra in componenta transformatoarelor electrice, a filtrelor electrice, electromagnetilor, releelor, difuzoarelor, etc..5. Capacitatea electricaDefinitieCapacitatea electrica este o marime complementara inductivitatii electrice.Si in cazul capacitatii electrice se poate exprima o reactanta electrica, numita reactanta capacitiva: XC.Astfel formula de calcul pentru impedanta unui element de circuit capacitiv este:Z = 0 -jXc = - j/2 * f * CUnde XC = 1/2 * f * C iar C este simbolul capacitatii electrice.Unitate de masuraCapacitatea electrica se masoara in farazi sau submultipli ai faradului.Simbol graficSimbolul grafic pentru capacitatea electrica este:Simbolul pentru unitatea de masura este litera F sau pentru submultipli:mf , uF, nF si pF.Componente capacitiveComponenta electrica definita cel mai exact prin marimea fizica numita capacitate electrica este condensatorul electric. Gama condensatoarelor electrice este foarte variata, exista condensatoare de 0,25 pF dar si condensatoare de ordinul farazilor. Pentru toate modelele si marimile de condensatoare este valabila urmatoarea proprietate: condensatoarele permit cu atat mai bine trecerea curentului electric cu cat frecventa acestuia este mai mare. Putem astfel afirma ca un condensator nu lasa sa treaca curentul continuu ci doar curentul alternativ, adica se comporta invers fata de bobina.Modelul de baza al unui condensator este reprezentat de doua suprafete metalice (conductoare) separate de un strat izolator foarte subtire.6. Circuite RLC.E = I*(R+j*2*f*L+1/j*2*f*C)Tensiunea alternativa E este egala cu produsul dintre suma impedantelor componentelor din circuit si curentul care trece prin aceste componente.Caracteristici circuite RLCCircuitele electrice formate din componente RLC sunt circuite liniare deoarecedependenta dintre curent si tensiune in aceste componente este liniara.Rezistentele, bobinele si condensatorii sunt componente liniare. Ele sunt deasemenea si componente pasive deorece nu produc energie electrica cidoar o consuma sau o transforma.Circuitele electronice mai contin si componente active: care produc energieElectrica. Acestea sunt sursele de tensiune si componentele semiconductoare.Semiconductoarele sunt elemente chimice cu proprietati de conductivitateintermediare intre conductori si izolatori si sunt folosite pentru fabricareacomponentelor electronice active.7. Componente electronice activeComponentele electronice active cele mai simple sunt diodele si tranzistorii.Atat diodele cat si tranzistorii se intalnesc intr-o gama foarte diversificata;exista foarte multe variante constructive si tehnologii utilizate pentru obtinereaacestor componente.Componentele electronice mai complexe, de exemplu circuitele integrate,contin multe astfel de tranzistoare si diode incorporate in aceeasi capsula.Exemple de Componente Electronice- dioda redresoare- dioda stabilizatoare de tensiune- dioda varicap- dioda electroluminiscenta: LED- dioda schotcky- dioda gun- dioda tunel- tranzistorul bipolar- tranzistorul unijonctiune- tranzistorul cu efect de camp cu jonctiune: UJT- tranzistorul cu efect de camp cu metal-oxid: MOS- circuite integrate analogice: amplificatoare operationale,amplificatoare de radiofrecventa, stabilizatoare de tensiune,comparatoare- circuite integrate logice: porti logice, registre, memorii RAM,memorii EEPROM, procesoare, convertoare analogic-digitale8. Functionarea Componentelor si Circuitelor electronice8.1Dioda redresoareDioda redresoare este cea mai simpla dintre componentele electronice.Dioda redresoare este realizata prin contactul dintre 2 materiale semiconductoare in amestec cu substante diferite care le determina sa aiba sarcini electrice in exces: una sarcini pozitive si alta sarcini negative.Acest contact de doua materiale semiconductoare cu proprietati diferite se numeste jonctiune pn.Jonctiunea pnTerminalul de la contactul p se numeste anod (A) iar terminalul de la contactul n se numeste catod (K).Simbolul grafic al diodei redresoare este urmatorul:Principala proprietate a dodei redresoare este aceea ca nu permite trecerea curentului decat intr-un singur sens: de la anod spre catod. Atunci cand diodei redresoare i se aplica o tensiune la borne cu + la anod si la catod (spunem ca este polarizata direct) va trece prin ea un curent electric. Daca dioda va fi polarizata cu - la anod si + la catod (spunem ca este polarizata invers) curentul prin dioda va fi 0.Dioda in circuit se comporta astfel:In polarizare directa curentul I trece prin doda si prin rezistenta si considerand ca dioda este ideala I = Vab/R = E/R.In polarizare inversa dioda nu permite trecerea curentului electric si de aceea tensiunea la bornele rezistentei -Vab- este nula.Aceasta proprietate a diodei o face sa transforme curentul alternativ in curent continuu pulsatoriu, adica sa redreseze curentul alternativ:Folosirea unei singure diode permite redresarea doar a unei alternante dupa cum se vede in figura.Pentru recuperarea ambelor alternante se va folosi puntea cu 4 diode astfel:Tensiunea AC este aplicata in punctele indicate de sageti iar tensiunea DC este disponibila intre bornele + si -.Caracteristica curent tensiune a diodei ideale este urmatoarea:Pe portiunea de tensiune negativa a caracteristicii curentul prin dioda ideala este 0. Cand tensiunea de polarizare devine pozitiva curentul creste brusc la infinit, Astfel dioda se comporta ca si un intrerupator: deschis pentru tensiuni negative si inchis pentru tensiuni pozitive.Dioda redresoare reala insa se comporta altfel: nu se deschide imediat dupa 0V ci dupa ce se trece de tensiunea de polarizare directa Vd de aproximativ 0,7 volti si nu are rezistenta de 0 ohmi in polarizare directa ci are o rezistenta serie de la valori de zecimi de ohm la valori de zeci de ohmi, in functie de tipul diodeiReprezentarea echivalenta in circuit a diodei reale este urmatoarea:iar caracteristica ei arata astfel:Datorita rezistentei serie destul de mici a diodei, curentul prin dispozitiv creste repede cand se mareste tensiunea peste pragul de deschidere. Din acest motiv diodele nu se vor lega niciodata in mod direct la o sursa de tensiune ci doar prin intermediul unor rezistente care au rolul de a limita curentul.Se observa ca graficul functiei curent-tensiune nu este o linie dreapta, adica nu exista o dependenta liniara a curentului prin dioda fata de tensiunea de polarizare a acesteia: dioda este o componenta neliniara. Aceasta caracteristica o au toate elementele de circuit (componentele electronice) pe baza de semiconductoare.8.2 Dioda stabilizatoareDioda stabilizatoare se comporta in polarizare directa la fel ca si o dioda redresoare iar in polarizare inversa intra in conductie daca se depaseste un prag de tensiune care reprezinta tensiunea de stabilizare a diodei.Simbolurile grafice mai des intalnite ale diodei stabilizatoare sunt urmatoarele:Circuite simple cu diode stabilizatoare:Caracteristica curent-tensiune a diodei stabilizatoare este urmatoarea:Dioda stabilizatoare se foloseste acolo unde este nevoie de mentinerea umui curent sau a unei tensiuni la valoare constanta,8.3 Dioda electroluminiscentaDioda electroluminiscenta este foarte des intalnita cu denumirea de LED ( Light Emitting Diode). Semnul conventional al LED-ului este urmatorul:Dioda LED emite o anumita cantitate de lumina atunci cand este polarizata direct si prin ea trece un curent de la cativa mA pana la zeci de mA. Acest curent apare doar cand tensiunea la bornele diodei depaseste valoarea de deschidere. Deoarece odata depasit acest prag de tensiune curentul creste foarte mult prin dioda datorita cresterii tensiunii, exista riscul de a o distruge.Din acest motiv dioda LED va fi intotdeauna pusa in circuit in serie cu o rezistenta pentru limitarea curentului.8.4 Tranzistorul bipolarTranzistorul bipolar este constituit din 2 jonctiuni pn si apare ca si cum ar fi compus din 2 diode:Acest tip de tranzistor se numeste npn. Exista si tipul de tranzistor pnp care arata astfel:si se polarizeaza invers in circuite fata de cel npn.Cele trei terminale ale tranzistorului sunt: emitorul-E, colectorul-C si baza-B.Semnele conventionale pentru cele 2 tipuri de tranzistori sunt:In tranzistorul bipolar exista urmatoarea relatie intre curenti, indiferent daca tranzistorul este pnp sau npn::IE IC >> IB de aceea se accepta in general ca IE = IC.O alta relatie importanta intre curentii prin tranzistor este urmatoarea:IC = * IB este o constanta a tranzistorului care depinde foarte mult de regimul de functionare al acestuia.Din aceasta relatie rezulta ca functia cea mai importanta a tranzistorului bipolar este aceea de amplificator de curent, factorul reprezentand tocmai amplificarea in curent a dispozitivului. Alte doua notatii mai des intalnite pentru factorul de amplificare in curent al tranzistorului sunt h21 si hfe.Un exemplu de amplificator de curent cu un tranzistor este urmatorul:Avem nevoie sa aprindem un bec de 24V avand un curent nominal de 100 mA.Becul se comporta in circuit ca si o rezistenta. Daca deschidem tranzistorul astfel incat sa asigure un curent de colector de 100 mA, toata tensiunea de alimentare a circuitului de 24 V va cadea la bornele becului iar tensiunea colector-emitor a tranzistorului va fi practic nula. Acest lucru este necesar pentru ca tranzistorul sa nu consume putere In circuit ci sa o transfere in totalitate becului.Puterea consumata de bec va fi: 24V * 100 mA = 2,4W iar puterea consumata de tranzistor va fi: 0V * 100 mA = 0W.Factorul de amplificare al tranzistorului este de 100. Pentru a asigura un curent de colector de 100 mA este nevoie sa introducem in baza tranzistorului un curent de 100 mA / 100 = 1 mA.In concluzie, cu ajutorul tranzistorului putem comanda un curent de 100 mA cu un curent de numai 1 mA, deci de 100 de ori mai mic, acest fapt datorandu-se amplificarii in curent a acestei componente.Polarizarea tranzistorului bipolar se poate realiza in trei moduri diferite:Emitor comun, colector comun sau baza comuna. Primele doua moduri sunt mai des intalnite.In polarizarea cu emitor comun, emitorul este cuplat direct la sursa de alimentare a circuitului:In polarizarea cu colector comun, colectorul este cuplat direct la sursa de alimentare a circuitului:Indiferent in ce fel de polarizare se afla tranzistorul, exista doua regimuri distincte de functionare : regimul liniar si regimul neliniar.In principiu am enuntat ca o proprietate a componentelor semiconductoare este aceea de a fi neliniare.Exista totusi conditii in care se aproximeaza ca ele lucreaza liniar. Pentru ca un tranzistor sa lucreze in regim liniar este nevoie ca atat curentii cat si tensiunile caracteristice regimului de functionare sa fie diferiti de zero, iar variatia lor sa fie cat mai mica.De obicei regimul liniar al tranzistorului este folosit pentru amplificarea unor curenti alternativi de tensiune redusa (semnale de amplitudine sau nivel mic).Pentru amplificarea in tensiune a unor curenti alternativi, se poate utiliza urmatorul etaj de amplificare cu un tranzistor bipolar in conexiune emitor comun:Amplitudinea de tensiune a curentului alternativ de la iesire este mai mare decat aceea a curentului de la intrare. Raportul dintre cele doua tensiuni il numim amplificare in tensiune.Condensatoarele se folosesc pentru a separa componenta alternativa a tensiunii de cea continua.Datorita faptului ca obtinem tensiunea de iesire de pe colectorul tranzistorului, aceasta apare inversata fata de cea de intrare, de aceea vom numi acest mod de amplificare inversoare.Daca folosim un etaj asemanator de tensiune in conexiune colector comun, semnalul de la iesire va fi in faza cu cel de la intrare si va avea aceeasi amplitudine, sau putin mai mica decat acesta. Numim aest mod de functionare al tranzistorului repetor pe emitor.Regimul de lucru neliniar al amplificatorului este folosit mai ales pentru amplificarea impulsurilor. In circuitele digitale tranzistoarele lucreaza intr-un regim puternic neliniar tocmai pentru a putea reduce cat mai mult puterea consumata de tranzistori si care este mai mare in regimurile liniare.In circuitele logice sau digitale tranzistoarele lucreaza in comutatie adica trec periodic din starea de blocat (Ic=0) in starea de saturat (Vce=0). Cand tensiunea Vce este egala cu E tranzistorul este blocat si curentul de colector Ic = 0. Acest lucru se intampla cand tensiunea pe baza este 0V si din acest motiv si curentul de baza Ib este 0. Daca pe baza tensiunea creste va apare un curent In baza care la randul lui va determina un curent de colector care va trece prin rezistenta Rc. Tranzistorul este acum deschis si datorita curentului Ic caderea de tensiune va avea loc pe Rc. Rezistenta Rc este astfel calculata incat caderea de tensiune pe tranzistor-Vce sa fie aproape 0V. In acest moment spunem ca tranzistorul este saturat.Pentru circuitul din figura avem urmatoarele forme de unda pentru Vce, Vin si Ic:Vin este tensiunea de comanda a amplificatorului de impulsuri. Pe durata cat Vin depaseste tensiunea de deschidere a tranzistorului Vbe care este de 0,6V, apare un curent de colector Ic. Curentul de colector spunem ca este in faza cu tensiunea de intrare deoarece are aceleasi momente de crestere si descrestere.Curentul Ic produce o cadere de tensiune pe rezistenta Rc, care se scade din tensiunea de alimentare a circutului E. Tranzistorul este capabil sa se deschida pana cand tensiunea de colector scade la cateva zecimi de volt, aceasta este tensiunea de saturatie a tranzistorului.Forma de unda a tensiunii de colector este inversata fata de cea a tensiunii de intrare, de aceea vom spune ca iesirea este in antifaza cu intrarea. Acest lucru se explica prin faptul ca tranzistorul in conexiune emitor comun lucreaza ca un amplificator inversor.