Ce este curentul electric ?

Scris de Ciprian 34 comentarii

Bine te-am gsit !

i mai aduci aminte de leciile de fizic din coala general, cele de prin clasa a VII-a n care se vorbea despre curentul electric ? Poate tu ai fost mai perspicace sau poate nu; eu unul mrturisesc c nu am neles atunci mai nimic despre ce este curentulelectric, cum se comporta el n anumite situaii i implicit cumlputem folosi. nsmi-am dorit s neleg i astfel acum te invits vezi curentul electric din perspectiva mea. Vom vorbi despreurmtoarele lucruri:

Ce este sarcina electric ? Ce este cmpul electric ? Ce este tensiunea electric ? Ce este curentul electric ? Ce este intensitatea curentului electric ?Definiia oficial spune c curentul electric este micarea ordonat a purttorilor de sarcin sub aciunea unui cmp electric i nu o contrazic, ci doar ncerc s-o traduc mai pe nelesul tu.

Ce este sarcina electric ?nainte de a vorbi despre curentul electric trebuie s clarificm ce este un purttor de sarcin? Pai, un purttor de sarcin poate fi orice obiect care are o anumit sarcin electric.

Bun. Dar ce este sarcina electric?Nimeni nu-i va putea spune ce este ci doar cum se manifest, adic: sarcina electric a unui corp este un ceva care creeaz fore de atracie sau de respingere ntre el i oricare alt corp care are o sarcin electric (pentru mai multe detalii d click aici i aici). Forele de atracie apar ntre sarcini electrice care au semne diferite, iar forele de respingere apar ntre sarcini electrice de acelai semn. Prin convenie, se consider c electroni au sarcini electrice negative, iar protonii (particulele din nucleul atomului) au sarcini pozitive.

n mod normal, ntr-un atom, numrul electronilor este egal cu numrul protonilor. innd cont de faptul c sarcina electric a unui electron, ca valoare, este egal cu cea a unui proton, rezult c n mod normal un atom nu are sarcin electric deoarece sarcina electric (negativ) a electronilor o anuleaz pe cea pozitiv a protonilor. Exist ns situaii n care unui atom i se poate fura sau bga pe gt unul sau mai muli electroni, caz n care acesta devine ion pozitiv (sarcin electric pozitiv) sau ion negativ (sarcin electric negativ).

Unele materiale (numite iconductoare) au unii electroni mai slab legai de atomi, fapt pentru care acetia pot migra uor de la un atom la altul. Sunt exact ca i pisicile de la ar: azi stau la unul, mine la altul i aa mai departe. Cum probabil ai intuit deja, cele mai ntlnite exemple de astfel de materiale sunt metalele.

Ce este cmpul electric ?

Este locul sau spaiul geometric n care poate avea loc interaciunea dintre sarcinile electrice. Metaforic vorbind, i-l poti nchipui ca fiind o aur de lumin care nconjoar particula sau corpul care are o sarcin electric: ct timp aura este vizibil, dac n zona ei bagi o alt sarcin electric, cele dou vor interaciona ntr-un fel sau altul. Este foarte asemnator cu cmpul luminos (n care o surs de lumin poate interaciona cu ochii ti), cu un cmp termic (n care o surs de cldur poate interaciona cu ngheata ta) etc.

Cmpul electric poate fi creat n multe feluri, ns acest subiect l voi aborda ntr-un alt articol n care voi vorbi despre generatoare electrice.

Ce este tensiunea electric ?

Dac n mod normal densitatea de electroni dintr-un corp este constant, n momentul n care apare un cmp electric, electronii vor fi dirijati ctre una din extremele corpului, crend un deficit de electroni n cealalt extrem. Tensiunea electriceste unitatea de msura care exprim dezechilibrul de electroni care apare ntre cele dou extreme ale corpului. n cazul unui generator electric, cele dou zone extreme se numesc borne i prin convenie zona cu surplus de electroni se numete borna negativ iar zona cu deficit de electroni se numete borna pozitiv. Ca s poi vizualiza mai clar explicaia mea, i poi imagina cmpul electric ca pe un vnt invizibil care mpinge electronii de la borna pozitiv la cea negativ. Fiecare din aceti electroni are o anumit sarcin electric i deci, cu ct mai muli electroni sunt exilai de la borna pozitiv la borna negativ cu att mai mare va fi tensiunea electric dintre cele dou borne. Sensul tensiunii electrice este dictat de orientarea cmpului electric.

n discuia de mai sus am considerat c sensul cmpului electric este constant i prin urmare va crea o tensiune continu. n realitate ns, avem de a face frecvent i cu cmpuri electrice alternative, care i schimb frecvent sensul i care astfel genereaz tensiuni alternative.

Tensiunea electric se msoara n voli [V]. Echivalentul ei n sistemele mecanice este presiunea (sau mai corect spus diferena de presiune).

Ce este curentul electric ?

Electronii nghesuii la borna negativ nu se vor simi niciodat comfortabil n aceast situaie i de aceea vor tinde mereu s se ntoarc la borna pozitiv pentru a reechilibra situaia. Att timp ct cmpul electric este meninut activ este clar c electronii exilai nu se pot ntoarce acas pe acelai drum pe care au venit ci doar pe un altul, ocolitor. n momentul n care conectezi un consumator electric intre bornele generatorului, practic tu oferi electronilor exilai un drum prin care se pot ntoarce acas. Altfel spus, curentul electric este clatoria electronilor din locul n care au fost trimii de cmpul electric (borna negativ) napoi n locul din care au fost luai (borna pozitiv).

Aadar, este bine s ii minte c curentul electric nu poate exista dect dac exist otensiune electric i untraseu de ntoarcere a electronilor de la o born la cealalt (consumator). Acest traseu poate fi fabricat din orice material care are conductivitate electric. Trebuie s menionez c n realitate nu exist materiale perfect izolatoare sau conductoare. n concluzie curentul electric, chiar dac extraordinar de puin, trece i prin materialele izolatoare.

Ce este intensitatea curentului electric ?Este mrimea care arat ct de multe sarcini electrice trec printr-un conductor electric ntr-un anumit interval de timp. Se msoar n amperi [A]. Echivalentul mecanic al intensitii electrice este debitul. i s nu uit un amnunt care m-a zpcit un pic pe vremea cnd eram nceptor: n practic nu se mai obinuiete s se spun o intensitate a curentului electric de x amperi ci doar un curent de x amperi.

Curentul electric i mai tot ce ine de el este de multe ori explicat (doar) printr-o ton de formule. Au i formulele rostul lor, ns nainte de a muca din formule primul pas cred c ar trebui s fie explicarea subiectului ntr-o manier care s te ajute s i faci o imagine de ansamblu. Sper c punctele mele de vedere te-au ajutat s nelegi mai clar ce este curentul electric.

Capacitatea, inductana i rezistena electric.

Scris de Ciprian 3 comentarii

Bine te-am gsit !

Acum dup ce ai neles ce nseamn curentul electric, este momentul s vedem prin ce aventuri pot trece electronii n timpul cltoriei lor de la borna negativ la borna pozitiv. Capacitatea, inductana i rezistena electric sunt nite parametri eseniali dac vrei s ajungi s nelegi funcionarea unui circuit electric, oricare ar fi el. Spun asta pentru c pe vremea cnd eram nceptor, m grbeam s ajung s pun n funciune ct mai repede montajul electronic dorit, chiar dac nu mi era 100% clar cum funcioneaz. Era o abordare stupid, pentru c montajele electronice fcute orbete de regul nu funcionau. Aa c te sftui s nu-mi repei greeala. nainte de a te apuca s contruieti circuite electrice, f-i un bine i pune-te la punct cu ceea ce nseamn capacitatea, inductana i rezistena electric.

n continuare vom vorbi despre:

Ce este un circuit electric ? Ce este capacitatea electric ? Ce este inductana electric ? Ce este rezistena electric ?Ce este un circuit electric ?Pe scurt, este o pist de alergare destinat electronilor. Altfel spus, reprezint toate drumurile prin care electronii, pornind de la start (borna negativ a generatorului) pot ajunge la finish (borna pozitiv). n condiii normale, electronii nu pot cltori dect n materiale bune conductoare de electricitate i prin urmare, un circuit electric este format din elemente care au o bun conductivitate electric. Aa cum se observ i n figura 1, elementele fundamentale ale unui circuit electric sunt:

generatorul electric: este un dispozitiv care folosete un anumit tip de energie (chimic, mecanic, termic, luminoas etc.) pentru a crea energie electric;

consumatorul electric: poate fi reprezentat de orice dispozitiv care permite trecerea curentului electric. Odat conectat la generator, consumatorul va transforma energia electric primit de la acesta n alt forma de energie (cldur, lumin, lucru mecanic etc.);

conexiunile electrice:reprezint elementele care fac legtura dintre generator i consumator. n practic se gsesc sub form de cabluri metalice, trasee de cablaj imprimat etc. O meniune foarte important este aceea c rezistena electric a conexiunilor electrice trebuie mereu cu mult mai mic dect cea a consumatorului electric.

Figura 1. Componentele fundamentale ale unui circuit electricDup cum i-am explicat narticolul trecut, curentul electric curge de la borna negativ la cea pozitiv. Cu toate acestea,convenionalse consider c sensul curentului electric este de la borna pozitiv la cea negativ. Mi se pare o tmpenie ns dac aceast convenie se folosete peste tot, n figura 1 am folosit intenionat sensul convenional ca s te poi obinui i tu cu el.

n ceeea ce privete continuitatea circuitelor electrice, acestea pot fi:

nchise, atunci cnd elementele circuitului sunt conectate n una sau mai multe bucle. Un exemplu de circuit nchis este cel din figura 1. n acest caz, exist cel puin un lan format din elemente bune conductoare de electricitate prin care curentul electric poate circula;

deschise, atunci cnd nu exist nici un traseu prin care curentul electric s poat circula.

Aadar, pentru a putea obine un curent electric ntr-un circuit electric trebuie s te asiguri c sarcinile electrice exilate la borna pozitiv au pe unde ajunge la borna negativ. Cnd un electronist studiaz o schem electric, unul prin primele lucruri pe care l va face va fi s caute traseul sau drumul de ntoarcere al curentului, adic va urmri pe unde se ntoarce la borna negativ curentul electric plecat de la borna pozitiv.

Tot n figura 1 poi observa c n cazul consumatorului electric nu am mai indicat vreo diferen ntre borne aa cum am fcut-o (prin culori) n cazul generatorului. Motivul este faptul c, pentru simplificare, am presupus c acela este un consumator electric la care nu conteaz la care borna i legi plusul i la care minusul.

Ce este capacitatea electric ?Definiia oficial spune c este o mrime careexprim proprietatea corpurilor conductoare de a nmagazina i pstra sarcini electrice. Eu nu-i dau 100% dreptate, pentru c un condensator (obiectul n care se nmagazineaz sarcini electrice) de fapt are mereu exact acelai numr de sarcini ceea ce poate varia este doar distribuia lor.

Ca s nelegi mai uor hai s aruncm o privire peste figura 2.

Figura 2. Structura unui condensator electricCorpul alb-albastru este un condensator electric. Este format din dou plci metalice numitearmturi. ntre armturi se observdielectricul, care n esen este un material izolator plasat acolo pentru a evita contactul electric dintre armturi.

Cum funcioneaz condensatorul ? Atunci cnd generatorul bag tensiune pe bornele condensatorului, practic acesta ia electroni de pe o armtur i i trimite pe cealalt. Neavnd cum trece de dielectric, tensiunea electric (dezechilibrul de sarcini electrice) astfel format se pstreaz chiar i dac deconectm generatorul. n aceast situaie, se spune c avem un condensator proaspt ncrcat.

Aadar, ntre orice suprafee ntre care exist o tensiune electric, neaprat apare i o capacitate electric. n cazul suprafeelor obinuite, care sunt i mici i separate de distane destul de mari, capacitile electrice care apar sunt de multe ori neglijabile. De aceea, pentru capacitile necesare n electronic, se folosesc condensatori realizai din foie metalice cu suprafee mari, plasate foarte aproape una de alta i rulate ca o shaorma (adica n form cilindric) pentru a obine un gabarit ct mai redus.

O analogie mecanic a condensatorului poate fi o butelie cu aer: armturile condensatorului ar fi echivalente cu spaiul exterior i cel din interiorul buteliei, iar dielectricul ar fi echivalent cu pereii buteliei.

Capacitarea electric este important n special pentru c:

este un rezervor de energie electric i astfel, n cazul n care tensiunea generatorului nu este chiar constant, condensatorul ajuta la stabilizarea ei: cnd tinde s scad, condensatorul ncepe s se descarce cednd energie electric ctre generator, iar cnd tinde s creasc, condensatorul ncepe iar s se ncarce consumnd energie electric de la generator;

permite trecerea curentului electric doar n momentul ncrcrii sau al descrcrii. Bine, printre armturile unui condensator nu poate circula nici un electron din cauza dielectricului care este izolator, ns pe durata ncrcrii/descrcrii condensatorului, electronii care sunt luai de pe o armtura i dui pe cealalt tot un curent electric formeaz. n analogia cu butelia, chiar dac prin pereii buteliei nu poate trece nici un atom, n momentul ncrcrii sau descrcrii buteliei, prin conducta de ncrcare/descrcare a buteliei va circula un curent de aer;

permite filtrarea curenilor n funcie de viteza de variaie a acestora: cei care variaz suficient de rapid pot trece mai departe de un condensator iar cei care variaz foarte lent, sunt blocai.

Capacitatea unui condensator se msoar n Farazi [F].

Ce este inductana electric ?La trecerea printr-un circuit electric, curentul electric (pe care-l vom numi iniial) creeaz n jurul conductorilor prin care trece un cmp magnetic. Acest cmp, la rndul su creeaz n conductorul electric un curent electric (pe care-l vom numi indus) de sens contrar, care tinde s-l frneze pe cel iniial. Acest fenomen de frnare are loc doar cnd curentul iniial i modific valoarea (crete sau scade) i poarta numele de autoinducie.

Acestea fiind spuse, dac avem un element de circuit prin care circula un curent electric (iniial), inductana reprezint capacitatea acelui element de circuit de a se opune modificrii intensitii curentului iniial, prin crearea (inducerea) unui curent de sens contrar.

Echivalentul mecanic direct al inductanei este ineria. Prin urmare, ca s nelegi mai bine inductana, i poi nchipui c electronii dintr-un circuit nu pot fi accelerai sau frnai instant, la fel cum nici o main nu poate accelera sau frna instant.

Valoarea curentului indus este proporional cu valoarea curentului iniial. n acelai timp, este direct proporional i cu viteza de variaie a curentului, la fel cum fora de inerie este proporional cu variaia vitezei unei maini.

Inductana corpurilor obinuite este de multe ori neglijabil i de aceea nu prea ne putem folosi de ea. Pentru a obine inductane de valori mai mari, firul a crui inductan dorim s o mrim se modeleaz sub forma unei bobine (vezi bobina cu aer din figura 3 stnga).

Dac este nevoie de o inductan i mai mare, n interiorul bobinei se pune un miez fabricat din materiale feromagnetice (vezi bobina cu miez din figura 3 dreapta). Aceste materiale, prin simpla lor prezen n interiorul bobinelor, reuesc s le mreasc inductana chiar i de cteva zeci de ori.

Figura 3. Bobine electrice cu aer (stnga) i cu miez (dreapta)Inductana este important n special pentru c:

permite filtrarea curenilor electrici n funcie de viteza de variaie a acestora: cei care variaz suficient de repede nu pot trece mai departe de o bobin (de o inductan) iar cei care variaz foarte lent, pot trece complet nestingherii;

inductanele a dou bobine plasate suficient de aproape una de cealalt, comunic ntre ele. Cmpul magnetic creat de o bobin poate crea cureni electrici (indui) nu doar n acea bobin ci i n orice alt material conductor din apropiere. Acest fapt permite transferul de energie electric fr a avea contact electric ntre cele dou bobine (de exemplu: transformatorul electric). Fr aceast caracteristic a inductanei, nu am putea avea comunicaii wireless de nici un fel.

Inductana se msoar n Henry [H]

Nu am gsit deocamdat o explicaie simpl i clar la ntrebarea ce este cmpul magnetic. Pentru a rspunde la aceast intrebare ar trebui s fac apel la noiuni de fizic cuantic, ceea ce ar nsemna s m ndeprtez inutil de mult de tematica articolului. Dac totui eti deosebit de interesat despre natura cmpului magnetic, poi ncepe deaicii deaici.

Din punct de vedere practic, este suficient s tii c:

i cmpul electric i cmpul magnetic sunt fenomene prin care sarcinile electrice pot interaciona (se pot atrage sau respinge);

principala diferen dintre cmpul electric i cel magnetic este aceea c dac primul este creat de dezechilibrul de sarcini electrice (tensiune electric), cel de-al doilea apare atunci cnd sarcinile electrice se deplaseaz (curent electric). Aadar, intensitatea cmpului electric depinde de tensiunea electric, n timp ce intensitatea cmpului magnetic depinde de intensitatea curentului electric.

Ce este rezistena electric ?n drumul lor, electronii care formeaz curentul electric se ciocnesc de atomii conductorului respectiv la fel cum apa dintr-o conduct se freac de pereii acesteia. Prin urmare, rezistena electric este opoziia pe care o ntlnete curentul electric la trecerea sa printr-un anumit material.

Rezistena electric are ca unitate de msur ohm-ul [].

Rezistena electric este important pentru c afecteaz n mod direct intensitatea curentului electric. Legea lui Ohm este formula care descrie cu precizie acest fenomen, spunnd aa:

unde:

I intensitarea curentului electric. Se exprim n A (amperi);

U tensiunea electric. Se exprim n V (voli);

R rezistena electric. Se exprim n (ohmi).

Asta nseamn c, dac avem un generator electric (de exemplu o baterie), la bornele cruia legm un fir metalic, cu ct rezistena electric a acestuia va fi mai mare, cu att mai mic va fi intensitatea curentului electric (i invers).

Am observat c mult lume are impresia c dac rezistena electric a unui echipament electric este mare asta nseamn c i consumul de energie electric este mare. Aa cum i-am explicat mai sus, situaia st exact invers: rezistena electric frneaz trecerea curentului electric, la fel cum un furtun subire sau parial nfundat ngreuneaz trecerea apei prin el.

Nu se poate spune c rezistena electric este un lucru bun sau ru, ci doar potrivit sau mai puin potrivit unei anumite situaii. De exemplu, pentru a micora pierderile, rezistena electric a cablurilor de alimentare cu energie electric trebuie s fie ct mai mic. Pe de alt parte, rezistena electric a izolaiei cablurilor respective trebuie s fie ct mai mare pentru a reduce ct mai mult riscul de electrocutare.

Ca i component electronic,rezistena electric este folosit n principal pentru reducerea/limitarea curenilor i tensiunilor electrice. Din acest motiv, n aproape orice tip de montaj electronicrezistena electric este cea mai folosit component.

n final, important de reinut este faptul c inductana, capacitatea i rezistena electric sunt proprieti pe care absolut orice material le are. Altfel spus, fabricanii de componente electronice pot crete inductana, capacitatea sau rezistena electric practic orict de mult, ns niciodat nu le pot reduce pn la zero.

Legarea n serie i legarea n paralel

Scris de Ciprian 6 comentarii

Bine te-am gsit !

n ultimele articole am vorbit doar despre circuite electrice compunse dintr-un generator electric i o singur component pasiv (fie ea rezisten, inductan sau capacitate). A venit timpul s vedem cum stau lucrurile cnd n circuit avem conectatemai multe componente pasive. Astzi vom vorbi doar despre situaiile n care toate componentele sunt de acelai tip, urmnd ca n articolele viitoare s analizm i situaia cnd circuitul electric conine tipuri diferite de componente. Subiectele de discuie de astzi sunt:

Legarea n serie Legarea n paralel Legarea n serie-paraleln caz c nu eti deja familiarizat cu ea, sigur ai observat c mai sus am folosit expresia component pasiv. Mai mult, aa cum exist componente pasive, tot aa exist i componente active. Ca s nu lsm lucrurile n cea, uite ce nseamn fiecare:

Componentele pasive sunt elemente de circuit care i pstreaz constante proprietile electrice (rezisten, capacitate i inductan) indiferent de tensiunea electric aplicat la borne. Cele mai ntlnite exemple de componente pasive sunt: rezistenele, condensatorii, bobinele, termistoarele etc.

Componentele activesunt elemente de circuit ale cror proprieti electrice (rezisten, capacitate i inductan) variaz n funcie de tensiunea electric pe care o aplicm la bornele lor. Cele mai ntlnite exemple de componente active sunt diodele, tranzistoarele i circuitele integrate.

Legarea n seriePentru a explica acest mod de legare te invit s te uii peste schemele dinfigura 1. nainte de vorbi despre legarea n serie menionez c generatorul din figura 1 se presupune a fi unul decurent alternativ. De ce ? Pentru c, pe scurt, cel puin n cazul bobinelor i condensatorilor, efectele legrii n serie i n paralel se observ cel mai uor n curent alternativ.

Figura 1.Legarea n serie a rezistenelor, bobinelor i condensatorilor electriciAadar, aa cum se observ i n figura 1, legarea n serie nseamn legarea componentelor una dup alta aa cum sunt legate inelele unui lan. Toi electronii care circul prin circuit trec rnd pe rnd prin fiecare component.

S studiem primul caz i anume legarea n serie a rezistenelor. Fiind mai mult de o component n circuit, ca s nelegem exact ce se ntmpl n circuit avem nevoie s tim rezistena echivalent serie, adic rezistena electric rezultat prin legarea n serie a acelor rezistene. Rezistena echivalent serie se calculeaz adunnd valorile tuturor rezistenelor legate n serie. n figura 1 am reprezentat un circuit cu n rezistene,ceea ce nseamn c generatorul va alimenta un circuit care are o rezisten echivalent la legarea n serie (Rechiv.serie) de

unde R1este prima rezisten din circuit iar Rneste ultima.

Exemplu: presupunem c circuitul cu rezistene dinfigura 1este format din 3 rezistene care au urmtoarele valori:R1 = 1Kohm, R2 = 2Kohmi i R3 = 10Kohmi. n acest caz rezult c circuitul respectiv ar avea o rezisten echivalent serie de:

Dup cum se observ i din exemplul de calcul, legarea n serie produce o rezistena echivalent care este ntotdeaunamai maredect oricare din rezistenele din respectivul circuit serie.

La fel st treaba i cu legarea n serie a bobinelor: inductana echivalent al celui de-al doilea circuit din figura 1 se obine adunnd toate inductanele din acel circuit. Aadar,inductana echivalent la legarea n serie (Lechiv.serie)se calculeaz cu relaia:

unde L1este prima bobin (inductan) din circuit iar Lneste ultima.

La legarea n serie, inductana echivalent este ntotdeauna mai mare dect oricare din inductanele din respectivul circuit serie.

Exemplu: presupunem c circuitul cu bobine dinfigura 1este format din 3 bobine care au urmtoarele valori: L1= 10mH, L2= 20mH i L3= 30mH. n acest caz rezult c circuitul respectiv ar avea o inductan echivalent serie de:

Spre deosebire de rezistene i bobine, capacitatea echivalent la legarea n serie(Cechiv.serie)se calculeaz cu o relaie diferit i anume:

unde C1este primul condensator din circuit iar Cneste ultimul.

Exemplu: presupunem c circuitul cu condensatori dinfigura 1este format din 3 condensatori care au urmtoarele valori: C1= 1nF, C2= 5nF i C3= 9nF. n acest caz rezult c circuitul respectiv ar avea o capacitate echivalent serie de:

De aici rezult c:

La legarea n serie, capacitatea echivalent este ntotdeauna mai micdect oricare din capacitile din respectivul circuit serie.

Legarea n paralelAa cum se poate vedea i n figura 2, legarea n paralel presupune c o parte din electroni trec printr-o component, o alt parte trece prin alt component i aa mai departe.

Figura 2.Legarea n paralel a rezistenelor, bobinelor i condensatorilor electriciLegarea n paralel a rezistenelor(primul circuit din figura 2), produce o rezisten echivalent paralelcare este mereu mai mic dect oricare din rezistenele din respectivul circuit paralel. Rezistena echivalent la legarea n paralel(Rechiv.paralel) se calculeaz cu urmtoarea relaie:

unde: R1 este prima rezisten din circuit iar Rneste ultima.

Exemplu: presupunem c circuitul cu rezistene dinfigura 2este format din 3 rezistene care au urmtoarele valori: R1= 1k, R2= 2k i R3= 10k. n acest caz rezult c circuitul respectiv ar avea o rezisten echivalent la legarea n paralel de:

De aici rezult c:

Se observ c mereu rezistenele legate n paralel produc o rezisten echivalent paralel mai mic dect oricare din celelalte rezistene din circuit.

Legarea n paralel a bobinelor(al doilea circuit din figura 2), produce o inductan echivalent paralelcare este mereu mai mic dect oricare din inductanele din respectivul circuit paralel. Inductana echivalent la legarea n paralel (Lechiv.paralel) se calculeaz cu urmtoarea relaie:

unde: L1 este prima bobin din circuit iar Lnultima.

Exemplu: presupunem c circuitul cu bobine dinfigura 2este format din 3 bobine (inductane) care au urmtoarele valori: L1= 2mH, L2= 4mH i L3= 8mH. n acest caz rezult c circuitul respectiv ar avea o inductan echivalent la legarea n paralel de:

De aici rezult c:

Legarea n paralel a condensatorilor (al treilea circuit din figura 2), produce o capacitate echivalent paralelcare este mereu mai mare dect oricare din capacitile din respectivul circuit paralel. Capacitatea echivalent la legarea n paralel (Cechiv.paralel) se obine nsumnd valorile capacitilor legate n paralel, adic:

Exemplu: presupunem c circuitul cu condensatori dinfigura 2este format din 3 condensatori care au urmtoarele valori: C1= 2nF, C2= 6nF i C3= 10nF. n acest caz rezult c circuitul respectiv ar avea o capacitate echivalent la legarea n paralel de:

Dac n circuitul cu condensatori de mai sus am considera C1 = 2nF, C2 = 6nF i C3 = 10nF, rezult c circuitul respectiv ar avea o capacitate echivalent paralel de:

Legarea n serie-paralelDup cum se vede i n figura 3, legarea n serie i legarea n paralel se pot combina pentru a realiza circuite mai complexe. Prima ntrebare care s-ar pune ar fi: cum aflu rezistena, inductana sau capacitatea echivalent a unui circuit serie-paralel ? Raspunsul const n a lua fiecare bucic de circuit n parte, a-i calcula valoarea echivalent i apoi a o combina cu celelalte valori echivalente.

S lum exemplul primului circuit din figura 3 (pentru celelalte dou circuite treaba st exact la fel). Se observ c rezistenele R1 iR2 reprezinto legare n serie, iar R3, R4 i R5 reprezint o legare n paralel. Prima dat calculmrezistena echivalent paralel, pe care s zicem c o notm cu Re. Apoi, observm c R1, R2 i Re formeaz mpreun un circuit serie. Aadar, utiliznd formulele de la legarea n serie i legarea n paralel, descompunnd un circuit mai complex n circuite serie i paralel elementare, obii uor valoarea echivalent a circuitului respectiv.

n practic foarte rar se ntlnesc circuite serie-paralel formate dintr-un singur tip de componente, ns principiul descompunerii rmne valabil. De exemplu, dac n locul lui R3, R4 i R5 ar fi nite condensatori C3, C4 i C5, ai putea calcula capacitatea echivalent paralel a grupului C3, C4 i C5 (s-i zicem Cp) i rezistena echivalent serie a grupului R1, R2 (s-i zicem Rs). n final vei putea spune c circuitul respectiv este compus dintr-o rezisten Rs nseriat cu un condensator Cp.

Figura 3. Legarea n serie paralel a rezistenelor, bobinelor i condensatorilorLa ce folosete legarea n serie a rezistenelor, bobinelor i condensatorilor ? Lund cazul rezistenelor sau al bobinelor, observm c ne permite s folosim mai multe rezistene sau bobine de valoare mai mic pentru a construi una de valoare mai mare. n cazul condensatorilor este exact invers: legarea n seriea mai multor condensatoare conduce la obinerea unei capaciti echivalente mai mici. ns principala importan este dat de faptul c n punctul de legtur a dou rezistene, bobine sau condensatori legai n serie, tensiunea electric msurat ntre acel punct i oricare dintre bornele generatorului este mai mic dect cea dat de generator. Aceast proprietate st la baza funcionrii atenuatoarelor (reductoarelor) de semnal.

Legarea n paralel permite obinerea unor rezistene de valoare mic. Te-ai putea ntreba dar cum, nu se pot gsi rezistene exact de valoarea de care am nevoie ? Poi gsi, ns de exemplu n situaiile n care ai nevoie de o rezisten care s disipe cteva zeci de W, greu gseti una de cumprat. Aa c n cazul acesta, poi lua mai multe rezistene de putere mai mic i valori mai mari ale rezistenei, calculezi cte i trebuie s pui n paralel ca s ajungi la rezistena echivalent de care ai nevoie i te-ai scos.

n ceea ce privete condensatoarele, legarea n paralel permite creterea capacitii echivalente. De exemplu, o problem frecvent ntlnit la condensatoarele mai ieftine este aceea c nu suporta cureni de ncrcare/descrcare foarte mari. Dac acetia sunt folosii la ncrcri i descrcri dese (cum ar fi n cazul unui stroboscop dintr-un club) riti s i nclzeti pn explodeaz. Pentru a evita problema asta poi folosi un condensator care suport un curent de ncrcare/descrcare mai mare dar care este mai scump sau poi folosi o variant mai ieftin, la fel de bun dar probabil puin mai voluminoas s legi n paralel mai muli condensatori obinuii.

n final, te rog s te gndeti atent la lucrurile despre descompunerea circuitelor de care vorbeam mai sus. Dac reueti repede s le nelegi, chiar dac nu-i dai nc seama, ai fcut un mare pas spre a ajunge s nelegi uor orice schem electric.

Reactana inductiv i reactana capacitiv.

Scris de Ciprian Las un comentariu

Bine te-am gsit !

Povesteam n articolul trecut despre faptul c inductanele (bobinele) i capacitile (condensatorii) opun o anumit rezisten la trecerea curentului electric, doar atunci cnd acesta are o anumit variaie de intensitate. n rest, dac acel curent rmne constant i continuu (adic nu-i schimb sensul) bobina are rezisten electric extrem de mic (curentul trece ca-n branz) iar condensatorul are rezisten electric aproape infinit (curentul este complet blocat). Lucrurile devin i mai interesante atunci cnd bobina i condensatorul sunt conectate n circuite electrice prin care circul curent alternativ.

Astfel, astzi vom vorbi despre:

Ce este curentul electric alternativ ? Reactana inductiv Reactana capacitivn toate situaiile discutate pn acum am considerat, pentru simplificare, c electronii se deplaseaz n acelai sens, adic vorbeam doar despre curentul electric continuu. n practic ns, pe lng aplicaii de curent continuu exist i o gama vast de aplicaii pentrucurentul electric alternativ.Ce este curentul electric alternativ ?Spre deosebire de curentul electric continuucare este produs de un cmp electric continuu, curentul electric alternativ este creat de un cmp electric alternativ. Alternativ nsemn ceva care i schimb sensul de un anumit numr de ori ntr-o anumit durat de timp. Aceasta nseamn c pe lng tensiune i intensitate, curentul electric alternativ este caracterizat de frecven. Bornele unui generator de curent alternativ nu se mai noteaz cu plus i minus, pentru c evident, nu are nici un rost: o born va avea rnd pe rnd potenial pozitiv (i astfel va deveni pentru scurt timp borna pozitiv) i potenial negativ (moment n care va deveni, tot pentru scurt timp, borna negativ).

Perioada de timp n care curentul electric alternativ efectueaz un ciclu complet de schimbare de sens este frecvent numitalternan. Sunt posibile dou sensuri de curgere i astfel perioada de timp dintr-o alternan complet n care curentul curge ntr-un singur sens se numete semialternan.

Figura 1. Reprezentarea grafic a curentului alternativ cu form de und sinusoidaln figura 1 i-am artat sub forma grafic ce nseamn alternana i semialternana. Poate eti deja familiarizat cu reprezentrile grafice, nsa n caz c nu, uite ce vrea acest grafic s arate:

curba roie reprezint tensiunea electric de la bornele generatorului n diferite momente (t0, t1, t2 etc.). Tensiunile de deasupra axei t [sec] sunt tensiuni pozitive iar cele de sub aceast ax sunt tensiuni negative. Ce nseamn n cazul acesta tensiune pozitiv i tensiune negativ ? Este o convenie: mai precis nseamn c dac notm bornele generatorului cu 1 i 2, tensiunea pozitiv o putem considera ca fiind cu plusul la borna 1 i cu minusul la borna 2 iar cea negativ, invers, cu minusul la borna 1 i cu plusul la borna 2;

considerm c graficul ncepe ntr-un moment t0 cnd tensiunea de la bornele generatorului este zero (captul din stnga al curbei roii);

odat cu trecerea timpului observm c tensiunea U [V] crete continuu pn cnd, n momentul t1 aceasta ajunge la un maxim, dup care coboar pn cnd, n momentult2ajunge la 0. Dup cum am spus deja, aceast variaie a tensiunii reprezint osemialternan, i pentru c n acest caz curba roie corespunde unor tensiuni pozitive, o putem numisemialternan pozitiv. Timpul de lat0lat2se numeteperioada semialternanei;

dup ce tensiunea a ajuns la zero observm ca ea continu s coboare n domeniul tensiunilor negative pn cnd, n momentul t3 ajunge la un maxim negativ. Apoi, la fel ca i n cazul semialternanei pozitive, se ntoarce i urc pn cnd, n momentul t4 ajunge iar la 0. Aceast variaie o putem numisemialternan negativ. Timpul de la t0 la t4 se numete perioada alternanei.

Se observ c n graficul de mai sus am reprezentat variaia tensiunii n funcie de timp. n cazul n care n circuit avem doar sarcini rezistive, n locul tensiunii am fi putut reprezenta foarte bine curentul (adic intensitatea lui). De ce ? Pentru c dac punem tensiune electric pe o rezisten electric vom obine imediat i un curent electric. O tensiune mai mic ar fi generat un curent mai mic, o tensiune mai mare ar fi generat un curent mai mare, ceea ce nseamn c o tensiune care variaz ca cea din imaginea de mai sus ar provoca un curent care ar varia exact la fel.

Tot n figura 1 se mai poate observa c am ales s reprezint forma de und sinusoidal deoarece este cea mai ntlnit (chiar i forma de und a tensiunii de la priz este tot sinusoidal).

n funcie de aplicaii, frecvenele curenilor electrici alternativi pot varia de la cteva fraciuni de her i pn la cteva zeci sau sute de GHz (miliarde de heri). Important ar fi s mai reii i faptul c exist o legtur direct ntre frecvena curentului alternativ i perioada unei alternane a acestuia. Aceast legtur este dat de ecuaia :

sau

unde:

f este frecvena curentului alternativ exprimat n Hz (heri);

T este perioada unei alternane, exprimat n secunde.

Cu aceast formul, putem de exemplu afla c perioada unei alternane a tensiunii de la reea (de la priz) este:

Cnd ns n circuit aveminductane i/sau condensatori, situaia devine puin mai complicat din cauza reactanelor specifice care apar.

O.K., prima dat trebuie s-i rspund la ntrebarea ce este o reactan ?. Este o mrime electric ce arat ct de mult frneaz o bobin sau un condensator trecerea unui curent electric alternativ.

Echivalentul mecanic al reactanei este fora de inerie. Cu alte cuvinte, i poi nchipui c electronii (care formeaz curentul electric) ar fi nite bilue din plumb care se plimb vesele prin conductoarele electrice. n cazul curentului continuu, singurul lucru care le stnjenete deplasarea este frecarea cu atomii conductorului electric respectiv (adic rezistena electric). n cazul curentului alternativ, biluelor din plumb li se cere s-i schimbe frecvent sensul de deplasare, adica vor fi frecvent accelerate ntr-un sens, apoi frnate pn la oprire, accelerate n cellalt sens, apoi iar frnate i tot aa. Cu alte cuvinte, n curent alternativ, deplasarea biluelor din plumb este frnat att de rezistena materialului din care e fcut conductorul electric ct i de forele de inerie care apar.

Reactanele sunt fenomene electrice care sunt provocate fie de capaciti fie de inductane.

Reactana inductivDac vom considera un circuit format dintr-un generator de curent alternativ la bornele cruia este legat o inductan (o bobin), reactana inductiv arat ct de mult se opune bobina respectiv curgerii curentului electric. La fel ca i rezistena electric, reactana inductiv se msoar tot n ohmi [].

Pn o vei digera n detaliu, i mai poi imagina c reactana inductiv este rezistena electric n curent alternativ a bobinei. Aa cum se observ din ecuaia de mai jos, reactana inductiv crete odat cu frecvena curentului electric. n condiii de amator este puin mai dificil s msori inductane, ns dac ai cu ce i eti curios s vezi ci ohmi are o anumit inductan la o anumit frecven, trebuie doar s faci produsul din ecuaia urmtoare:

unde:

XLeste reactana inductiv, exprimat n ohmi [];

f este frecvena curentului alternativ din circuit, exprimat n heri [Hz];

L este inductana bobinei, exprimat n Henry [H].

Reactana capacitivDac vom considera acelai generator de curent alternativ, cuplat de data asta la un condensator, reactana capacitiv este rezistena electric n curent alternativ a condensatorului.Spre deosebire de inductana inductiv, reactana capacitivscade odat cu frecvena curentului electric. Ecuaia reactanei capacitive este urmtoarea:

unde:

XCeste reactana capacitiv, exprimat n ohmi [];

feste frecvena curentului alternativ din circuit, exprimat n heri [Hz];

C este inductana bobinei, exprimat n Farazi [F].

Te ntrebi ce folos are s tii c reactana unei bobine sau a unui condensator variaz cu frecvena curentului ? Unul din cele mai simple i importante rspunsuri este: acest fenomen ne permite ca dintr-un semnal cu o groaz de cureni electrici (fiecare cu frecvena lui), s-i filtram doar pe cei pe care i dorim.

n cadrul acestui articol am ncercat s-i vorbesc despre reactan scurt i la obiect. Dac totui vrei informaii mai detaliate i sugerez s tragi cu ochiul aici(ncepnd cu pagina 30).

Defazajul dintre tensiune i curent.

Scris de Ciprian 2 comentarii

Bine te-am gsit !

Indiferent de tipul curentului electric care le parcurge (continuu sau alternativ) rezistenele electrice ascult doar de legea lui Ohm (despre care am vorbit dejaaici). n cazul capacitilor i inductanelor lucrurile nu mai sunt la fel de simple deoarece ori de cte ori tensiunea electric se modific, acestea introduc defazaje ntre tensiune i curent. Aadar, subiectele care le vom aborda astzi sunt:

Defazajul dintre tensiune i curent introdus de o inductan (o bobin). Defazajul dintre tensiune i curent introdus de o capacitate (un condensator).n cuprinsul de mai sus se observ cuvntul defazaj. Defazaj poate nsemna multe aa c nainte de a trece mai departe trebuie s te lmuresc ce nseamn defazaj n cazul de fa.

Curentul electric alternativ are o comportare ciclic i din acest motiv, pentru a simplifica nelegerea fenomenelor care in de el, s-a introdus o convenie care spune c durata unui ciclu (adic a unei alternane complete) poate fi transpus pe circumferina unui cerc. Ca s nelegi mai bine, hai s ne uitm n figura 1.

Figura 1. Exprimarea valori instantanee a tensiunii electrice alternative ca poziie unghiular pe circumferina unui cercn stnga vedem reprezentarea grafic a unei alternane complete a curentului alternativ. n dreapta vedem cum domeniul de tensiuni din stnga a fost mulat pe circumferina unui cerc. Aceasta nseamn c oricrei poziii de pe linia albastr din stnga i corespunde o poziie pe circumferina cercului din figura din dreapta. Astfel, prin convenia de care pomeneam mai sus se consider c:

punctul n care alternana are valoarea 0 pe zona de urcare (adicat0) este poziia de 0o;

punctul n care alternana atinge valoarea pozitiv maxim (t1) este poziia de 90o;

punctul n care alternana are valoarea 0 pe zona de coborre (t2) este poziia de 180o;

punctul n care alternana atinge valoarea negativ maxim (t3) este poziia de 270o;

punctul n care alternana atinge din nou valoarea 0 pe zona de urcare (t4) este poziia de 360opentru alternana curent i n acelai timp punctul de 0oal urmtoarei alternane.

Cu acestea fiind zise, n cazul n care n graficul de mai sus am avea dou semnale, acestea pot fi:

n faz, cnd alternanele amndurora trec n exact acelai timp prin momentele t0, t1, t2, t3 i t4;

defazate,cnd alternanele celor dou semnale nu trec n exact acelai timp prin momentelet0,t1,t2,t3 it4.Defazajul dintre tensiune i curent introdus de o inductan (o bobin)Dac unei rezistene electrice i modificm tensiunea la borne, aceasta va modifica instantaneu i intensitatea curentului care curge prin ea. ns n cazul unei bobine, orice modificare a tensiunii la borne va provoca apariia fenomenului de autoinducie.

Figura 2. Defazajul dintre tensiune i curent produs de o inductan (bobin)n figura 2avem reprezentate dou semnale: variaia tensiunii aplicate la bornele unei bobine i respectiv a intensitii curentului care apare prin ea. Se observ c pe ntreaga durat ct tensiunea crete (linia albastr n intervalul t0 t1) fenomenul de autoinducie mpiedic modificarea (creterea) intensitii curentului prin bobin. Cnd tensiunea i nceteaz creterea (n momentul t1) influena autoinduciei scade i abia atunci curentul ncepe i el s creasc. i continu s creasc, deoarece bobina simind c cineva i fur din tensiunea de la borne, ncearc s stabilizeze situaia pompnd un curent suplimentar n circuit. Maximul pozitiv de curent se atinge n t2, deoarece n t2 viteza de variaie a tensiunii este maxim i deci autoinducia este n floare. ntre t2i t3 viteza de variaie a tensiunii scade pn la 0 la fel ca i curentul. ntre t3i t5 tensiunea ncet ncet i mrete viteza de variaie, crend un maxim (negativ) de curent n t4, apoi ncet ncet viteza de variaie a tensiunii scade, reducnd curentul la 0 n momentul t5i tot aa mai departe.

Urmrind graficul din figura 2 se observ c mereu variaia tensiunii va afecta variaia curentului abia dup ce a trecut un sfert din durata unei alternane complete. Dup cum se vede n figura 1, distana dintre t0i t1 corespunde unui defazaj de 90o. Aadar, n cazul unei inductane, defazajul dintre tensiune i curent este de +90o(+-ul indicnd faptul c, n acest caz, tensiunea apare naintea curentului). Din acest motiv se spune c defazajul dintre tensiune i curent produs de o inductan este pozitiv.

Defazajul dintre tensiune i curent introdus de o capacitate (un condensator)Spre deosebire de inductan, care tinde s menin un curent constant prin ea, capacitatea tinde s-i menin constant tensiunea la borne. Urmrind graficul din figura 3se observ c atunci cnd ncepem s cretem tensiunea pe condensator (momentul t0) acesta protesteaz consumnd un curent foarte mare, care se reduce la 0 abia n momentul t1 cnd tensiunea nu mai crete. ntre t1i t2 tensiunea ncepe s scad. La nceput scade lent, condensatorul ncepe s se descarce lent i deci i curentul dat de acesta este mic. ns pe msur ce ne apropiem de momentul t2, viteza de variaie a tensiunii crete din ce n ce mai mult, condensatorul se descarc mai repede i deci i curentul dat de acesta crete atingnd un maxim n momentult2. Cnd tensiunea atinge valoarea negativ maxim (n momentul t3), condensatorul nu mai consum nici un curent, fiind deja ncrcat la tensiunea (negativ) maxim. n momentul n care tensiunea ncepe s se ndrepte spre momentul t4, la fel ca i viteza de variaie a tensiunii, curentul crete pn la maximul pozitiv (n momentul t4)i apoi scade pn la 0 (n momentul t5). Evident, la fel se ntmpl i n cazul urmtoarelor alternane.

Figura 3. Defazajul dintre tensiune i curent produs de o capacitate (un condensator)Aadar, n cazul unei capaciti, defazajul dintre tensiune i curent este de -90o(--ul indicnd faptul c, n acest caz, tensiunea apare ceva mai trziu dect curentul). Din acest motiv se spune c defazajul dintre tensiune i curent produs de o capacitate este negativ.

n concluzie:

intensitatea curentului alternativ printr-o bobin (n afar de prima semialternan) sau printr-un condensator, este maxim atunci cnd viteza de variaie a tensiunii de la borne este maxim;

n bobin curentul maxim apare cu 90omai trziu dect valoarea maxim a tensiunii care l-a creat (defazaj pozitiv);

n condensator curentul maxim apare cu 90onaintea tensiunii care l-a creat (defazaj negativ). S nu i se par ciudat faptul c curentul apare naintea tensiunii deoarece este vorba doar de valorile maxime. Spuneam n articolele trecute c tensiunea electrica este cea care creeaz curentul electric. Acest regul se aplic i aici, n cazul condensatorului: nainte s ajung sa aib la borne tensiunea maxim din circuit, condensatorul va consuma cel mai mare curent posibil.

Punnd cap la cap defazajele celor dou tipuri de componente, rezult c ntr-un circuit de curent alternativ care conine bobine i condensatori, curentul maxim prin bobin va fi defazat cu 180ofa de curentul maxim prin condensator. Aceasta nseamn c valoarea maxim pozitiv a curentului prin bobin va apare exact n momentul n care curentul prin condensator atinge valoarea negativ minim adic sunt mereu contrari. Acest fapt se observ foarte bine i n graficele din figura 2i figura 3: de exemplu, n momentul t2curentul prin bobin atinge maximul pozitiv, n timp ce curentul prin condensator atinge maximul negativ.

Cu alte cuvinte, prezena n acelai circuit a unui condensator i a unei bobine face ca efectele prezenei lor s se bat cap n cap. Din aceast ncierare pot iei nite aplicaii foarte faine, despre care ns vom vorbi n articolele viitoare.

Ce este puterea electric ?

Scris de Ciprian 4 comentarii

Bine te-am gsit !

Spuneam ntr-unul din articolele trecute cum c un generator electric nu face dect s preia o anumit form de energie (mecanic, chimic, termic etc.) i s o transforme n energie electric. n acelai timp, spuneam c un consumator electric preia energie electric i o transform n alte forme de energie (cldura, lumin, lucru mecanic etc.). Din acestea putem trage concluzia c, n momentul funcionrii lor, absolut toate componentele electrice transform energia pe care o primesc n una sau mai multe alte forme de energie. Pentru a putea nelege i profita ct mai mult de pe urma acestor fenomene este nevoie s tim cu ce vitez se transform energia dintr-o stare n alta. n cazul energiei electrice, viteza de transformare a energiei electrice n sau din alt form de energie este numit putere electric. Prin urmare, astzi vom vorbi despre:

Ce este puterea electric ? Puterea electric activ Puterea electric reactiv Puterea electric aparent Factorul de putereCe este puterea electric ?Dup cum am spus i n introducere, puterea este mrimea care arat ct de rapid curge energia dintr-un loc n altul sau ct de rapid se transform ea ntr-o alt form de energie. n cazul energiei electrice, viteza cu care aceasta curge este proporional att cu tensiunea ct i cu intensitatea curentului electric care o transport. Aadar, relaia matematic a puterii electrice este:

unde:

P puterea electric. Se exprim n W (vai);

U tensiunea electric. Se exprim nV (voli);

I intensitatea curentului electric. Se exprim nA (amperi).

Nu tiu tu, ns eu m-am obinuit deja ca toate formulele simple s nu poat fi folosite direct n practic dect n destul de puine cazuri. La fel st treaba i n cazul formulei puterii electrice: relaia de mai sus este valabil doar n cazul circuitelor formate din circuite pur rezistive (adic formate doar din rezistene electrice). De ce ? Mai bbete spus, rezistenele electrice tranfer energie ntr-un singur sens (din energie electric n cldur), n timp ce bobinele i condensatorii se comport ca nite rezervoare de energie electric: ele pot primi dar pot i ceda energie electric. Noi dorim s tim doar puterea consumat de circuit ns relaia de mai sus pune n aceeai oal att puterea consumat ct i cea cedat de circuit i astfel ne poate da rezultate complet greite.

Dac inem cont i de faptul c orice component electronic va avea mereu att o capacitate ct i o inductan parazit, rezult c formula de mai sus este 100% corect doar n cazul circuitelor electrice alimentate cu tensiune continu constant (adic atunci cnd efectele capacitilor i inductanelor nu se pot produce). Totui, ultima afirmaie nu trebuie s te sperie n cazul n care este vorba de componente electronice de mici dimensiuni folosite n circuite electrice de joas frecven (s zicem sub cteva zeci de mii de heri), efectul capacitilor i inductanelor parazite este de multe ori complet neglijabil.

Puterea electric activEste puterea real consumat de un circuit. ntr-un circuit n care avem rezistene, bobine i condensatori, puterea electric activ este consumat doar de rezistenele electrice deoarece acestea nu pot stoca energie electric (toat energia electric pe care o primesc trebuie neaprat s se consume cumva, adic s se transforme n alt form de energie n cazul acesta n cldur).

Formula de calcul a puterii active este cea de mai sus. O rescriu n continuare mpreun cu celelalte variante perfect echivalente:

sau

sau

unde:

P puterea electric actic. Se exprim nW (vai);

U tensiunea electric. Se exprim nV (voli);

I intensitatea curentului electric. Se exprim nA (amperi);

R este rezistena electric a circuitului. Se exprim n (ohmi).

Puterea electric reactivPe scurt, este puterea electric plimbat de colo pn colo de ctre bobinele i condensatorii dintr-un circuit. Mai pe larg, putem privi bobinele i condensatorii ca pe nite oglinzi: primesc energie electric ns mai devreme sau mai trziu o reflect napoi n circuit. Din acest motiv condensatoarelor i bobinelor li se mai spun componente reactive pentru c reacioneaz la trecerea curentului electric folosind energia electric acumulat anterior.

ntr-un circuit n care avem rezistene, bobine i condensatori, puterea electric reactiv apare doar datorit prezenei n circuit a bobinelor i condensatorilor deoarece acestea sunt singurele componente care nmagazineaz energia electric primit, putnd ulterior s o reintroduc n circuit. Ca s fim mai la obiect, uite cum se ntmpl:

energia electric primit de o bobin se transform n energie magnetic. Cnd tensiunea de la bornele bobinei tinde s devin constant sau chiar s scad, energia magnetic stocat n bobin se transform din nou n energie electric producnd un curent electric de sens contrar celui care exist iniial prin bobin;

energia electric primit de un condensator este folosit pentru a muta sarcini electrice de la o born la alta a condensatorului. Cnd tensiunea de la bornele bobinei tinde s scad, energia (s-o numim electrostatic) din condensator se transform inapoi n energie electric sub forma unui curent care are aceelai sens cu cel iniial. Altfel spus, cnd tensiunea de a borne scade, condensatorul se descarc i bag napoi n circuit energia electric pe care a primit-o mai devreme.

Formula de calcul a puterii electrice reactive este:

sau

unde:

Q putere electric reactiv. Se exprim nVAR (volt-amperi reactivi);

I intensitatea curentului electric.Se exprim nA (amperi);

U tensiunea electric. Se exprim nV (voli);

X reactana electric. Se exprim n (ohmi).

i-am mai vorbit despre reactana electric dar dect s te trimit unde am vorbit prima dat despre ea este mai eficient mai reiau aici i acum cteva lucruri despre ea.

Reactana este pentru un condensator sau o bobin ceea ce este rezistena electric pentru o, hmm, rezisten electric :D. Altfel spus reactana arat ct de mult se opune un condensator sau o bobin la trecerea unui curent electric. Reactana poate fi inductiv (a bobinelor) sau capacitiv (a condensatoarelor) i se msoar la fel ca i rezistena electric, n ohmi []. Reactana este un fenomen care apare doar cnd tensiunea electric din circuit este variabil (de exemplu n curent alternativ).

Ecuaia de calcul a reactanei inductive este:

Ecuaia de calcul a reactanei capacitive este:

unde:

XL- reactana inductiv. Se exprim n (ohmi);

XC reactana capacitiv. Se exprim n (ohmi);

f frecvena curentului alternativ care circul prin respectiva component. Se exprim n Hz (heri);

L inductana bobinei sau inductana echivalent (n cazul n care circuitul conine mai multe bobine). Se exprim n H (henry);

C capacitatea condensatorului sau capacitatea echivalent (n cazul n care circuitul conine mai multe bobine). Se exprim n F (farazi).

Acestea fiind zise, X din ecuaia puterii reactive:

se nlocuiete cu XLdac n circuit avem doar bobine;

se nlocuiete cu XCdac n circuit avem doar condensatori.

Cunoaterea i nelegerea puterii reactive este important deoarece prezena ei n circuit solicita suplimentar att generatorul ct i cablurile de alimentare ale circuitului. Prezena unei componente reactive ntr-un circuit electric este o surs de ocuri: n loc ca energia electric s circule lin prin circuit, ea este ba nfulecat cu lacomie ba scuipat cu furie de componentele reactive. Prin urmare, elementele circuitului trebuie construite mai solid, fapt ce implic preuri de cost mai mari pentru componentele circuitului.

Puterea electric aparentEste puterea care include att puterea electric activ ct i cea reactiv. Relaia de calcul este urmtoarea:

sau

sau

unde:

S puterea electric aparent. Se exprim n VA (volt-amperi);

U tensiunea electric. Se exprim n V (voli);

I intensitatea curentului electric. Se exprim n A (amperi);

Z impedana electric a circuitului. Pe scurt, impedana electric este suma dintre rezistena electric echivalent a circuitului, reactana capacitiv i reactana inductiv. La fel ca i componentele sale impedana electric se exprim n (ohmi).

De ce i se spune putere aparent ? Pai dac i aduci aminte, la nceputul articolului am spus c puterea electric se calculeaz nmulind tensiunea de la bornele unui circuit cu intensitatea curentului care circul prin acesta. Dac facem acest calcul pentru un circuit de curent alternativ care conine componente reactive (bobine i condensatori) vom obine doar o putere aparent deoarece valoarea ei poate fi foarte departe valoarea puterii active (reale) consumate de respectivul circuit.

Factorul de putereMatematic vorbind, factorul de putere este raportul dintre puterea electric activ i cea aparent. Fiind un raport ntre dou mrimi de aceeai natur, rezult c factorul de putere este o mrime adimensional. Poate lua valori ntre 0 i 1:

valoarea 0 nseamn c n circuit nu avem dect componente reactive, care nu consum energie ci doar o plimb de ici colo pe cea existent n circuit, aa cum am explicat mai sus;

valoarea 1 nseamn c n circuit nu circul dect putere activ.

La ce ne folosete factorul de putere ?

tii deja c atunci cnd avem circuite cu bobine i condensatori pot exista diferene de faz ntre tensiunea i intensitatea curentului electric. Mai tii i c bobinele induc un defazaj opus fa de defazajul introdus de condensatori, ceea ce nseamn c dac reactanele produse de cele dou tipuri de componente sunt egale, ele se vor anula reciproc (acesta fiind cazul n care avem un factor de calitate egal cu 1). n practic este evident c aceast egalitate apare foarte rar de la sine fapt pentru care, daca nu intervenim n vreun fel, n circuitul respectiv intensitatea curentului va fi mai mult sau mai puin defazat fa de tensiune, ceea ce va provoca apariia unor dezechilibre n circuit (cureni de intensiti mult mai mari dect este nevoie, reducerea puterii active disponibile etc.).

n concluzie, un factor de putere mai mic dect 1 conduce la pierderi. Aa cum poate ai intuit deja din cele prezentate mai sus, factorul de putere poate fi corectat astfel nct valoarea acestuia s fie adus foarte aproape de 1. Despre aceasta ns vom vorbi n articolele viitoare.

Compensarea factorului de putere

Scris de Ciprian 10 comentarii

Bine te-am gsit !

ncepusem data trecut s vorbesc despre factorul de putere i despre efectele lui asupra eficienei cu care energia electric este transportat de la generator la consumatori. Pentru astzi mi propusesem s vorbesc despre toate modurile i situaiile n care se poate face compensarea factorului de putere ns mi-am dat seama casta ar nsemna s folosesc noiuni care nc nu au fost prezentate pe Hobbytronica. De aceea, pentru a pstra lucrurile ct mai simple n acest articol m voi referi doar la compensarea factorului de putere din circuitele care conin doar componente pasive. Prin urmare, astzi vom vorbi despre:

Ce nseamn compensarea factorului de putere ? Exemplu de calcul pentru compensarea factorului de putere al unui motor electric.Ce nseamn compensarea factorului de putere ?

O definiie scurt ar suna cam aa:Compensarea factorului de putere presupune grupul de activiti prin care valoarea acestuia este adus ct mai aproape de 1.Pentru a nelege i mai bine este necesar s-i reamintesc c n cadrul circuitelor de curent alternativ formate din rezistene, bobine i condensatori:

cantitile de energie electric pe care bobinele i condensatorii le ruleaz (le absorb sau le cedeaz) depind de valorile inductanelor i capacitilor acestora;

absorbia i cedarea de energie electric de ctre condensatori i bobine provoac apariia puterii electrice reactive;

bobinele i condensatorii legai n acelai circuit absorb i cedeaz energie electric n contratimp: cnd condensatorul absoarbe bobina cedeaz i viceversa;

factorul de putere este raportul dintre puterea activ (cea de care ne folosim efectiv) i puterea aparent (cea care include i energia reactiv).

Din cele spuse mai sus rezult c fiecare tip de component pasiv creeaz propriul tip de putere reactiv: prezena bobinelor n circuit provoac apariia puterii reactive inductive iar prezena condensatorilor d natere puterii reactive capacitive. Diferena dintre aceste dou tipuri este bineneles aceea c i ele se afl n contratimp: ntr-un circuit n care avem i bobine i condensatori, atunci cnd puterea reactiv inductiv intr n bobin, puterea reactiv capacitiv circula iese din condensator, i viceversa. Asta mai departe nseamn c puterea reactiv care iese din bobin se poate duce n condensator i viceversa.

Ce concluzie simpl i cuprinztoare se poate extrage de aici ? Dac puterea reactiv inductiv este cantitativ egal cu puterea reactiv capacitiv, cele dou vor circula doar pe traseul dintre componentele care le creeaz (bobina i condensatorul). Cu alte cuvinte energiile reactive nu vor mai circula ntre circuit i generator. Ai putea spune eh i ce-i cu asta ?, iar eu i rspund c:

prin ncrcare i descrcare, condensatorii absorb i bag forat n circuit cureni electrici de mare intensitate;

prin ncrcarea i descrcarea energiei din bobine, acestea bag forat n circuit tensiuni electrice suplimentare;

din cele dou scurte observaii de mai sus rezult c prezena puterii electrice reactive pe traseul dintre generator i circuit cere de la generator mai mult putere electric dect este nevoie i apoi i trimite napoi surplusul care nu-l folosete. Asta e ca i cum ai pstra n portbagajul mainii un pietroi: nu te ajut cu nimic dac-l plimbi cu maina ns la deal i foreaz motorul s consume mai mult iar la vale i accelereaz uzura frnelor.

n realitate puterea reactiv inductiv rareori este egal cu puterea reactiv capacitiv. Din acest motiv, pentru a aduce cele doua tipuri de puteri reactive ct mai aproape de egalitate, n respectivul circuit se mrete fie inductana (dac puterea reactiv inductiv este mai mic dect cea capacitiv), fie capacitatea (dac puterea reactiv capacitiv este mai mic dect cea inductiv). Cu alte cuvinte:compensarea factorului de putere al unui circuit electric nseamn modificarea valorii unei componente reactive (a capacitii sau a inductanei) astfel nct efectele puterii reactive capacitive i ale puterii reactive inductive s se anihileze reciproc.

Exemplu de calcul pentru compensarea factorului de putere al unui motor electric.n continuare o s-i art cum se face compensarea factorului de putere n cadrul unei situaii foarte des ntlnit n practic: cazul n care la reeaua electric sunt conectate motoare electrice cu o putere de cel puin cteva sute de W. n acest caz este vorba despre prezena n circuit a unei sarcini aproape exclusiv inductive pentru c motorul este format din bobine care doar n anumite configuraii sunt nsoite i de ceva condensatori. Avnd o sarcin aproape exclusiv inductiv rezult c ntre motor i generator va circula nite putere electric reactiv (inductiv), ceea ce nseamn c factorul de putere este mai mic dect 1.

Concret, n cadrul situaiei discutate rezult c pentru a neutraliza efectele prezenei puterii reactive inductive compensarea factorului de putere trebuie fcut prin adugarea n circuit a unor condensatori a cror capacitate s creeze o putere reactiv capacitiv egal ca i valoare cu puterea reactiv inductiv. Este important ca valoarea condensatorilor de compensare s fie precis aleas pentru c alfel:

o valoare prea mic nu va ameliora factorul de putere (adica ar fi ca i cum nu am fi intervenit cu nimic);

o valoare prea mare va produce prea mult putere reactiv capacitiv: o parte va fi neutralizat de puterea reactiv inductiv iar restul va rmne s se zbenguie aiurea pe traseul dintre generator i circuit. Altfel spus, astfel am da-o din lac n pu.

Pentru a determina ce capacitate va trebui s aib condensatorul de compensare, n mod ideal ar trebui s obinem cu ajutorul unui osciloscop defazajul dintre tensiune i curent introdus de circuit, pentru ca apoi s calculm factorul de putere. ns, m ndoiesc c ai avea un osciloscop la dispoziie :D. Din fericire, valoarea factorului de putere este de obicei notat pe placua cu informaii tehnice a motorului, prin simbolulcos sau pur i simplu (figura 1). Ca s nu rmi cu lacune, este defazajul dintre tensiune i curent de care vorbeam mai sus.

Figura 1. Indicarea valorii factorului de putere pe eticheta unui motor electricS presupunem c circuitul nostru are doar un motor electric de 2KW alimentat de la 220V/50Hz, pe a crui plcu scrie c are un factor de puterecos=0,7 .

Asta nseamn c datele noastre iniiale sunt:

Tensiunea de alimentare U=200[V]; Frecvena tensiunii de alimentare f=50[Hz];

Puterea activ P=2000[W]; Factorul de putere cos=0,7 (Factorul de putere = Puterea activ/Puterea aparent); Puterea aparent S=2000[W]/0,7=2857[VA];

Formula puterii reactive este:

i deci n cazul nostru, puterea reactiv Q are valoarea de:

Dup cum am pomenit i mai sus, tiind c al nostru consumator este un motor electric, este logic s credem c puterea reactiv calculat mai sus este de tip inductiv. Prin urmare, n acest caz compensarea factorului de putere ar consta n conectarea n circuitul nostru a unui condensator care s produc 2040 VAR de putere reactiv capacitiv (pe care o vom nota cu QC ).

Formula general a puterii reactive mai poate fi scris i sub forma:

unde:

U tensiunea de alimentare exprimat n V (voli);

X reactana componentei care produce puterea reactiv, exprimat n (ohmi).

n cazul de fa formula devine:

unde XC este reactana capacitiv. Se observ c XCeste singurul termen pe care nu-l tim i deci hai s-l aflm:

Mai tim c formula reactanei capacitive este:

n ea vedem c apare i o capacitate C, care este tocmai valoarea condensatorului pe care vrem s-o aflm. n cazul nostru vom nota aceast capacitate cu CV i astfel vom obine:

Dac facem mprirea lui 1 la 7418 vom obine valoarea condensatorului n farazi [F], adic un crnat de 0,000 [F] ceea ce nu e prea plcut ochiului. Aa c voi nmuli acel raport cu 1 milion (pentru c microfaradul este de 1 milion de ori mai mic dect faradul) i voi afla c valoarea condensatorului de compensare ar trebui s fie de:

Acest rezultat arat c dac vom aduga n circuitul motorului un condensator de 134,8 F puterea reactiv capacitiv i cea capacitiv se vor anula complet reciproc.N-ai s gseti nicieri un condensator de fix 134,8 F ns poi folosi ori o valoare apropiat (de exemplu 100 F) sau dac vrei s fii mai ateu dect papa poi lega n paralel mai multe condensatoare astfel nct s obii o valoarea ct mai apropiat de 134,8 ( de exemplu 100 F + 22 F + 10F+ 2,2 F).

Dup cum vezi, compensarea factorului de putere presupune calcule destul de simple. Att de simple nct se preteaz n a fi inclus ntr-un calculator on-line. Am i asta n plan ns pn atunci trebuie s-i mai spun c atunci cnd n circuit predomin puterea reactiv capacitiv, modul de calcul al inductanei de compensare este identic (bineneles, nlocuind relaia reactanei capacitive cu cea a reactanei inductive).

Tot referitor la cazul exemplificat mai sus trebuie s ii cont de faptul c la compensarea factorului de putere trebuie s foloseti doar condensatori nepolarizai (de curent alternativ). Pe lng asta, tensiunea de lucru a condensatorilor de compensare trebuie s fie cu cel puin 50% mai mare dect tensiunea de alimentare a circuitului n care sunt montai. Motivul l voi detalia ntr-un articol viitor cnd voi vorbi despre modurile n care se poate msura/exprima tensiunea electric alternativ. Ca i concluzie este bine s reii c, pentru compensarea factorului de putere din circuitele electrice alimentate de la priz va trebui s foloseti condensatori nepolarizai cu tensiunea de lucru de 400V.

Exemplul discutat se refer la cazul n care motorul este alimentat cu tensiune monofazic. Pentru compensarea factorului de putere a motoarelor trifazice, calculul de mai sus rmne valabil cu excepia faptului c valoarea calculat a condensatorului de compensare va fi mprit la 3, pentru c trebuie s distribuim acea capacitate ntre toate cele 3 bobine ale motorului. Pe scurt, n cazul trifazic ne vor trebui 3 condensatori de 134,8 / 3 F. 134,8 / 3 F ne d cam 45 F aa c, din nou, va trebui s caui n magazine o valoare apropiat.

Acum c tim ce condensatori de compensare ne trebuie, nu a rmas dect s-i montm. Cum ? Pai n cazul monofazic, condensatorul sau condensatorii se conecteaz n paralel cu motorul (direct pe bornele acestuia), iar n cazul trifazic, fiecare din cei 3 condensatori se leag ntre cte o pereche de faze. Pentru clarificare trage o privire peste figura de mai jos.

Figura 2. Compensarea factorului de putere. Conectarea condensatorilor de compensare.tiu c nc nu am vorbit despre tensiuni trifazice i monofazice, aa c pn cnd voi aborda i acest subiect ine minte urmtoarele:

un cablu de alimentare monofazic are: un fir pentru nul (culoarea standard este maro), un fir pentru faz (culoarea standard este albastru) i uneori un fir pentru mpmntare (culoarea standard este galben-verde);

un cablu de alimentare trifazic ar trebui s aib trei fire pentru cele 3 faze (colorate fiecare n maro, negru i gri), un cablu pentru nul (de culoare albastr) i un fir pentru mpmntare (de culoare galben-verde).

Chiar dac m repet, condensatorii folositi pentru compensarea factorului de putere trebuie conectai direct pe bornele motorului. De ce ? Pentru c dac de exemplu i legm nainte de ntreruptorul cu care pornim i oprim motorul, atunci cnd motorul este oprit, condensatorul nostru rmne n continuare conectat la reeaua electric. Ce nseamn asta ? nseamn c n lipsa bobinelor motorului, puterea reactiv creat de condensatorul de compensare nu va mai fi contrabalansat de nimic. Consecine ? n cazul n care nu-i vor sri imediat siguranele de la tabloul electric, contorul de energie reactiv va nota cu lcomie n index mult mult energie reactiv.

Important de menionat ar mai fi faptul c n cazul unui circuit n care avem dispozitive care produc putere reactiv (motoare electrice, transformatoare electrice, electromagnei etc.) factorul de putere variaz n funcie de puterea activ consumat de acestea. Altfel spus, cnd un motor electric merge n gol avem un anumit factor de putere, iar cnd motorul trage din greu avem alt factor de putere. Din acest motiv, n electrotehnica de mare putere, compensarea factorului de putere se face cu ajutorul unor instalaii speciale care n funcie de valoarea curent a factorului de putere conecteaz n circuit mai muli sau mai puini condensatori de compensare. Cteva exemple gsetiaici.

n final vreau s subliniez: compensarea factorului de putere nu este o form de furt, nu este o mecherie prin care pcleti contoarele de energie electric astfel nct s plateti mai puin. Compensarea factorului de putere ar fi echivalentul mbuntirii izolaiei termice n locuine n scopul reducerii pierderilor de cldur. Prezena energiei reactive n reelele de alimentare cu energie electric nu folosete nimnui, ns produce pierderi care n cele din urma tot de consumatori trebuie pltite.

Jonciunea PN.

Scris de Ciprian Las un comentariu

Salut !

Studiul materialelor semiconductoare mi s-a prut mereu ceva total inutil din punct de vedere practic. Aceast prere mi s-a ntrit n timp, observnd c reueam s-mi dezvolt montajele electronice pe care mi le doream fr s am niciodat nevoie de cunotinele despre fizica materialelor semiconductoare, despre jonciunea PN etc. Totui, mi-am dat seama c fr s neleg mcar n mare cum funcioneaz toate componentele electronice cu care am de a face, este mai greu s neleg ca lumea toate modurile n care le pot folosi. Fizica semiconductoarelor este un subiect greu digerabil aa c m-am hotrt ca prin acest articol s te ajut s o nelegi mai uor. Aadar, astzi vom vorbi despre:

Ce sunt materialele semiconductoare ? Cum funcioneaz materialele semiconductoare ? Jonciunea PNCe sunt materialele semiconductoare ?Sunt materiale care au conductivitatea electric undeva ntre cea a metalelor i cea a materialelor izolatoare. Ce le face ns cu adevrat importante n electronic este faptul c n anumite condiii i pot schimba radical conductivitatea electric.

Cum funcioneaz materialele semiconductoare ?

Pentru a putea nelege mai uor cum funcioneaz i cum se fabric semiconductoarele, fie c ne place sau nu, trebuie s nghiim nti puin chimie.

Aadar, chimia ne spune c electronii unui atom nu se rotesc n jurul lui aa oricum, ci n nite straturi sau orbite care se afl la distane precise fa de centrul atomului.Altfel spus, un atom poate fi privit ca o ceap: centrul acesteia este echivalent cu nucleul atomului, iar foiele cepei corespund cu straturile n care se plimb electronii n jurul nucleului. n fiecare din aceste straturi poate ncape doar un numr limitat de electroni.

Aezarea electronilor n straturi are loc la fel cum se aeaz spectatorii n sala de spectacol. Dac este vorba de un spectacol la care vine puin lume, vor fi pline doar locurile din primele dou-trei rnduri, dac este un spectactol la care vine mai mult lume, se ocup i rndurile trei-patru i tot aa mai departe. Similar, dac un atom are puini electroni, acetia vor ocupa doar primele straturi, dac atomul are mai muli electroni, se vor ocupa i cteva din straturile urmtoare i aa mai departe.

La fel ca i n analogia cu sala de spectacol, n cazul multor elemente chimice, ultimul strat nu se completeaz 100% cu electroni. n aceste cazuri, electronii de pe ultimul strat pot fi folosii de ctre atom pentru a forma legturi chimice cu ali atomi.

Acum, dup aceast scurt lecie de chimie, tim destule pentru a putea nelege funcionarea materialelor semiconductoare.

Materiile prime folosite la fabricarea materialelor semiconductoare sunt cristalele de diamant, germaniu i mai ales siliciu. Aceste materiale sunt speciale prin faptul c absolut toi electronii de pe ultimul strat sunt folosii la crearea de legturi cu atomii vecini.

Acest lucru se observ foarte bine n figura 1(inspirat dintr-un document mai amplu). Sferele albastre reprezint electronii de pe ultimul strat (pe cei din straturile inferioare nu i-am mai pomenit pentru c practic nu au nici o influen). Atomul de germaniu (simbolizat Ge) din centrul figurii 1 are doar 4 electroni pe ultimul strat i viseaz s mai fac rost de nc 4 pentru a-i ocupa toate locurile de pe ultimul strat. Fiind de aceeai natur, acelai lucru i-l doresc i atomii vecini. Cum i rezolv acetia problema lipsei de electroni ? Simplu, electronii vecini i pun la comun cte un electron la fel cum amicii pun bani mn de la mn pentru a-i cumpra lucruri pe care nu i le pot permite singuri, lucruri pe care apoi le folosesc mpreun. Altfel spus, dac doi atomi i pun la comun cte un electron, perechea respectiv de electroni va fi folosit simultan de ambii atomi. Astfel, fiecare din cei doi atomi se va simi ca i cum ar avea 5 electroni pe ultimul strat. n figura 1 se observ c fiecare atom de Ge i mparte toi cei 4 electroni de pe ultimul strat cu patru atomi nvecinai, ceea ce l face s se simt ca i cum nu ar avea nici un electron lips. n chimie, aceast nelegere poart denumirea de legtur covalent.

Figura 1. Reeaua cristalin a unui cristal de germaniuAceast situaie las materialul semiconductor fr electroni liberi. Fr prezena electronilor liberi, semiconductoarele nu pot conduce curentul electricideci, teoretic, sunt materiale perfect izolatoare. De ce le-am vrea izolatoare ? Pentru a le putea face s devin conductoare doar n modul n care dorim noi, nu haotic aa cum ar putea-o face diferitele impuriti. Din acest motiv, puritatea materiilor prime semiconductoare trebuie s fie mai mare de 99,9999%.

Ultima etap n fabricarea materialelor semiconductoareconst n transformarea lor din izolatori electrici n conductori electrici. Aceast transformare se obine prin doparea (amestecarea) semiconductoarelor cu nite impuriti speciale, numite impuriti de tip P sau impuriti de tip N.

Impuritile de tip P constau n cantiti foarte mici de bor (B) sau galiu (Ga). Acest fapt este reprezentat n figura 2 unde se observ cum atomul de bor (cruia i lipsesc 5 electroni de pe ultimul strat) pur i simplu fur 1 electron de la un atom de germaniu vecin pentru a putea stabili 4 legturi covalente cu atomii vecini (3 legturi cu electronii lui i una cu electronul furat de la vecinu germaniu). La fel de bine se poate ntmpla ca atomul de bor s fie cinstit, s nu fure electroni de nicieri, s formeze doar 3 legturi covalente i s rmn cu un loc gol pe ultimul strat. n oricare din aceste situaii ne-am afla, vom avea mereu aceeai consecin: nsemiconductorii dopai cu atomi de tip P, mereu vor exista locuri libere pentru ali electroni (provenii de undeva din exteriorul materialului.n literatura tehnic de specialitate, aceste locuri libere se numesc goluri. Deoarece aceste goluri pot primi electroni de undeva din exterior, rezult c n acest caz semiconductorul poate conduce curentul electric.

Figura 2. Doparea unui cristal de germaniu (Ge) cu atomi de bor (B).Nota: Te-ai putea gndi c dup ce conectezi semiconductorul la o surs de alimentare cu energie electric, toate golurile se vor umple cu electroni luai din borna negativ a sursei respective (care este doldora de electroni)i c, n cele din urm, semiconductorul redevine izolator. ntr-adevr, golurile vor absorbi electronii fcui cadou de sursa respectiv, ns nu-i vor putea nepeni n legturi covalente pentru c toate legturile covalente posibile sunt deja fcute nc din etapa de fabricaie a semiconductorului. Asta nseamn c electronii primii cadou de la sursa de alimentare vor putea ocupa golurile, ns pentru c nu-i mpiedic nici o legtur covalent, la nevoie pot prsi acele goluri pentru a forma un curent electric.

Aadar, semiconductorul rmne conductor i n acest caz.

Materialele semiconductoare dopate cu impuriti de tip P se numescmateriale semiconductoare de tip P.

Impuritile de tip N constau n cantiti foarte mici de fosfor sau arsenic. Situaia este reprezentat n figura 3 unde se observ cum funcioneaz doparea cristalelor de germaniu cu atomi de arseniu (crora de pe ultimul strat le lipsesc doar 3 electroni). Cu toate c ar avea nevoie doar de 3 atomi, atomul de arseniu ncearc s se integreze n societate i formeaz 4 legturi covalente cu 4 atomi de germaniu vecini. Astfel atomul de arseniu simte c s-a ales cu 4 electroni, deci cu unul n plus fa de ct ar avea nevoie pentru a-i completa ultimul strat. Electronul care este n plus nu este acceptat de nici unul din atomii vecini, pentru c acetia au format deja toate legturile covalente posibile. Asta nseamn c electronul rmas n plus este de fapt un electron liber, care poate ajuta oricnd la formarea unui curent electric.

Not: presupun c n acest caz te-ai putea gndi c dup ce conectezi semiconductorul la o surs de alimentare cu energie electric, toi electronii liberi din semiconductor ar putea fi absorbii de borna pozitiv a sursei respective (care este mereu flmnd dup electroni) i c, n final, semiconductorul redevine izolator. ntr-adevr, electronii liberi vor fi absorbii de borna pozitiv ns fr aceti electroni o parte din atomii semiconductorului vor deveni ioni pozitivi, caremereu vor fi dornici s primeasc electroni pentru a redeveni neutri. Altfel spus, absorbind electronii liberi, nu faci dect s creezi nite goluri de electroni n care se pot instala foarte bine nite electroni venii de undeva din exteriorul semiconductorului. Cum nici n acest caz nu se mai pot forma alte legturi covalente, rezult c electronii care ar ocupa acele goluri ar putea-o lua oricnd din loc pentru a forma un curent electric. n concluzie, i n acest caz semiconductorul rmne conductor.

Materialele semiconductoare dopate cu impuriti de tip N se numesc materiale semiconductoare de tip N.

Figura 3. Doparea unui cristal de germaniu (Ge) cu atomi de arseniu (As)Jonciunea PN

Din discuiile de mai sus rezult c att semiconductoarele de tip P ct i cele de tip N, luate separat, sunt materiale conductoare. Cnd ns sunt puse n contact, electronii liberi din semiconductorul N se npustesc s ocupe golurile de electroni din semiconductorul P. Zona de contact dintre semiconductorul de tip N i cel de tip P poart numele de jonciunea PN (vezifigura 4).Pe msur ce electronii liberi din N ocup golurile din P se ntmpl urmtoarele lucruri:

n semiconductorul P crete numrul de electroni, fapt pentru care n acesta ncep s apar ioni negativi (punctele albastre din figura 4);

n semiconductorul N scade numrul de electroni, fapt pentru care n acesta ncep s aparioni pozitivi (punctele roii dinfigura 4).

Probabil mai ii minte de la chimie c ionii negativi, avnd exces de electroni, tind s resping electronii liberi de prin apropiere. Asta nseamn c neutralizarea golurilor din semiconductorul P cu electroni liberi din semiconductorul N, continu doar pn cnd ionii negativi care apar n semiconductorul P ajung s fie att de muli nct formeaz o barier care nu mai permite trecerea electronilor liberi prin jonciunea PN. Aceast barier se numete barier de potenial sau zon de golire (depletion zone).Primii electroni liberi i primele goluri care se mnnc reciproc sunt cele din imediata vecinatate a jonciunii PN i de aceea mijlocul barierei de potenial coincide cu zona de contact a semiconductorului de tip N cu cel de tip P.

Figura 4. Jonciunea PNAi putea spune, nu mai neleg nimic, electronii liberi vor sau nu s ocupe toate golurile disponibile ?. Asta m-a bulversat i pe mine pn cnd am neles c este vorba de dou fenomene care se petrec n acelai timp dar au efecte contrare:

primul fenomen am spus mai sus c n semiconductorul P, unii atomi din materialul de baz sunt deposedai de un electron de ctre atomul de impuritate. Per total ns, numrul de electroni ai semiconductorului P rmne constant.n urma electronului rpit rmne un gol care ip c vrea umplut napoi. Drept consecin, zonele cu mai puini electroni din semiconductorul P, atrag prin jonciunea PN electroni din semiconductorul N;al doilea fenomen cnd un electron liber ajunge din semiconductorul N ntr-un gol din semiconductorul P, acesta rezolv problema golului ns n acelai timp reduce numrul de electroni din semiconductorul de tip N. Drept consecin, semiconductorul N cere napoi semiconductorului P electronii luai n cadrul primului fenomen.

Datorit apariiei zonei de golire, n mod normal electronii liberi nu mai pot circula prin jonciunea PN. Trecerea curentului electric prin jonciunea PN este totui posibil dac neutralizm efectul barierei de potenial aplicnd o tensiune electric de aceeai valoare dar de sens contrar. Aceast tensiune electric de neutralizare poart denumirea de tensiune de prag.Valoarea tensiunii de prag depinde de materialul de baz din care este construit jonciunea PN. De exemplu, pentru cele din siliciu este de cca. 0,65V, pentru cele cu germaniu este n jur de 0,15V i aa mai departe

Cea mai important proprietate pe care o posed jonciunea PN este faptul c nu conduce curentul electric dect ntr-un singur sens. n continuare vom vorbi puin despre ce se ntmpl n jonciunea PN atunci cnd o conectm o surs de tensiune electric, n fiecare din cele dou sensuri posibile.

Jonciunea PN polarizat n sens direct.n acest mod, electronilor din materialul N li se adaug electroni trimii de borna (minus) a sursei, iar numrul de goluri din materialul P este crescut de electronii absorbii de borna + (plus). n acest mod, practic se mrete numrul de electroni liberi din materialul N i numrul de goluri din materialul P. Din acest motiv, n sens direct, jonciunea PN conduce curentul electric (bineneles, dac la bornele ei aplicm o tensiune electric cel puin egal cu tensiunea de prag). Fenomenul este schiat n figura 5unde se observ c bariera de potenial are dimensiuni mai reduse la polarizarea n sens direct fa de cazul din figura 4n care jonciunea PN nu este conectat nicieri.

Figura 5.Jonciunea PN polarizat n sens directJonciunea PN polarizat n sens invers.n acest caz, toi electronii liberi din materialul N sunt nghiii de borna + (plus) iar toate golurile din materialul P sunt completate de electronii venii de la borna (minus).n aceast situaie, semiconductorul de tip N devine izolator pentru cfr electroni liberi nu mai are cine conduce curentul electric. n acelai mod i materialul P devine izolator pentru c nemaiavnd locuri libere, nu mai poate accepta electroni de nicieri.

n alt ordine de idei:

n sensul direct, tensiunea aplicat pe jonciunea PN reduce grosimea barierei de potenial, putnd-o chiar anula dac are o valoare mai mare dect tensiunea de prag;

n sensul indirect, tensiunea aplicat pe jonciunea PN mrete grosirea barierei de potenial.

Fenomenul este schiat nfigura 6unde se observ c bariera de potenial are dimensiuni mult mai mari la polarizarea n sens invers fa de cazul dinfigura 4n care jonciunea PN nu este conectat nicieri.

Figura 6.Jonciunea PN polarizat n sens inversDup cum vezi, jonciunea PN are o funcionare destul de simpl (DAC stpneti binedestul de multe noiuni de chimie i fizic molecular). Sunt multe moduri de a explica aceste lucruri, ns eu sper c am reuit s le aleg doar pe cele care sunt pe nelesul tau.

n practic, jonciunile PN se regsesc n structura diodelor, tranzistoarelor i tiristoarelor. ns despre acestea vom vorbi n articolele viitoare.

Dioda.

Scris de Ciprian Un comentariu

Bine te-am gsit !

Componentele folosite n electronic sunt de dou tipuri: pasive i active. n momentul n care sunt parcurse de un curent electric, cele active i pstreaz ntotdeauna parametrii constani. Spre deosebire de acestea, compontele active i pot modifica parametrii n funcie de o groaz de factori. Pentru nceput vom vorbi despre cel mai simplu exemplu de componenta activ, i anume despre diod. Prin urmare, astzi vom afla:

Ce este dioda ? Cum funcioneaz o diod ? Notarea diodelor Parametrii diodei Principalele tipuri de diode:

Dioda redresoare Dioda Zenner Dioda varicap Dioda Shottky Dioda Tunnel Fotodioda LED-ulCe este dioda ?Este o component electronic a crei rezisten electric depinde de valoarea i de sensul tensiunii aplicate ntre cele dou borne ale acesteia. Mai concret, principala proprietate a unei diode este aceea c las curentul electric s treac doar ntr-un singur sens. Echivalentul ei mecanic este supapa (de sens).

Din punct de vedere fizic, dioda este compus dintr-o jonciune PN, despre care am vorbit pe larg aici.Detalii suplimentare despre principiul de funcionare al diodei mai poi gsiaicisauaici.

Spre deosebire de rezistene, bobine i condensatorii nepolarizai, bornele unei diode au semnificaii diferite i de aceea fiecare a primit un nume special anod i catod. Simbolul general al unei diode este prezentat n figura 1, unde este artat care born este anodul i care catodul.

Figura 1. Dioda simbolizare generalDac te uii atent la simbolul diodei, pare c este compus dintr-o sgeat care strpunge o barier (bara aia vertical din dreapta triunghiului). Este important s ii minte c sensul sgeii din simbolul diodei arat sensul n care dioda permite trecerea curentului electric. Cu alte cuvinte, dioda poate fi conectat ntr-un circuit n dou moduri:

polarizare direct (n care dac legm plusul la anod i minusul la catod, dioda conduce curentul electric);

polarizare invers (n care dac legm plusul la catod i minusul la anod, dioda nu conduce curentul electric).

Figura 2. Dioda n polarizare direct i n polarizare indirectn figura 2 sunt schematizate cele dou moduri posibile de conectare a unei diode ntr-un circuit. Pn acum am considerat dioda ntr-o situaie idealizat: dac este polarizat direct va conduce curentul electric (adic va avea rezistena electric egal cu zero) iar dac este polarizat invers nu va conduce curentul electric (adic va avea o rezisten electric infinit de mare).n realitate nimic nu e perfect, nici mcar dioda. Cnd este polarizat direct, rezistena ei electric nu este chiar zero, iar cnd este polarizat invers dioda las s treac un mic curent, chiar dac acesta este extraordinar de mic.

Cum funcioneaz o diod ?Aa cum se vede n figura 2, dioda las s treac un curent direct (Id) atunci cnd este polarizat direct i un curent invers minuscul (Ii) atunci cnd este polarizat invers. Am spus la nceputul articolului c funcionarea diodei este similar cu cea a unei supape de sens. Hai s detaliem acest fapt aruncnd o privire pe graficul din figura 3.

Figura 3. Diagrama tensiune-curent a unei diodeLinia roie arat ce curent (Idiod) apare n diod atunci cnd la borne i punem o anumit tensiune (Udiod). Observm c linia asta nu este chiar simpl, aa c pentru a o nelege mai uor am mprit graficul n patru zone. Fiecare din aceste zone este delimitat de valorile de pe axa Udiod la care se ntmpl ceva important cu linia roie. Dup cum poate ai intuit deja, n zonele A i B dioda este polarizat invers iar n zonele C i D este polarizat direct.

Zona C. Aceast zon arat c dac la bornele diodei bgm orice tensiune ntre 0 V i Vp (n polarizare direct), aceasta nu va lsa s treac nici un curent. Vp este ceea ce se numete tensiune de prag sau tensiune de deschidere (a diodei). Vp i-l poti imagina ca fiind un arc care ine o supap presat n locaul ei: dac presiunea fluidului blocat de supap este mai mic dect fora arcului, supapa nu se va deschide iar dac presiunea fluidului depete fora arcului, supapa se va deschide.

Zona D. Cuprinde zona n care diodei i este aplicat o tensiune mai mare dect Vp (tot n polarizare direct). Se observ c cu ct ncercm s-i dm o tensiune mai mare dect Vp, cu att curentul prin ea crete mai mult. Trebuie s subliniez c dup ce depim Vp, curentul prin diod crete extraordinar de repede. Asta nseamn c dac unei diode ncercm s i aplicm o tensiune cu doar foarte puin peste Vp, rezistena electric a acesteia va scdea pn foarte aproape de 0 ohmi (adic dintr-un dispozitiv izolator devine brusc unul foarte bun cu o foarte bun conductivitate electric).

Ca s fiu i mai sigur c ai neles, imagineaz-i c dioda este un pahar gol i c Vp este nlimea buzei paharului. Pentru orice nivel de umplere ntre zero i Vp, din pahar nu va curge nimic. Dac ns ridici nivelul lichidului din pahar pn la Vp, o s vezi c lichidul va ncepe s curg din pahar. Ghici ce se ntmpl dac ncerci s ridici nivelul lichidului din pahar peste Vp ? Va crete nivelul lichidului ? Bineneles c nu ! Nivelul lichidului va rmne doar puin peste Vp ns viteza cu care lichidul va curge din pahar va crete. Asta nseamn c practic orict te-ai strdui s creti nivelul lichidului peste Vp, nu vei reui dect s i inunzi rapid casa.

Tradus n cazul diodei, aceast analogie arat c n polarizare direct dioda nu te va lsa niciodat s i bagi o tensiune cu mult mai mare dect Vp. Cu alte cuvinte, atta timp ct o diod este deschis, tensiunea de la bornele ei va fi NTOTDEAUNA doar cu foarte foarte puin mai mare dect Vp.

Zona B. Este zona n care dioda este polarizat invers cu tensiuni ntre 0 i Vs, unde Vs este tensiunea de strpungere, adic tensiunea la care izolaia diodei polarizare invers cedeaz. Nu cred c este nevoie s detaliez mai mult dect c n aceast zon dioda nu las practic s treac nici un curent.

Zona A. Este zona n care diodei polarizate invers i se aplic tensiuni mai mari dect poate ea suporta (Vs). Ce se ntmpl n aceast situaie ? Cu ct ncercm s bgm tensiuni mai mari dect Vs, cu att curentul prin diod va fi mai mare. Curentul provocat de depirea Vs crete la fel ca i n cazul lui Vp, adic extraordinar de repede. Asta nseamn c n polarizare nvers, nu putem depi dect cu foarte puin tensiunea Vs.

Notarea general a diodelorPrin notarea general vreau s nelegi cum anume recunoti o diod ntr-un cablaj imprimat sau ntr-o cutie cu piese electronice culese de cine tie unde.

Pentru cele de mare putere este cel mai simplu: indiferet de capsula sub care le ntlneti, indiferent de tipul ei, mereu vei gsi pictat pe ea simbolul general al diodei (cel din figura 1).

n cazul celor de mic putere, nu prea este spaiu pentru pictarea simbolului diodei. De aceea, n cazul lor singurul indiciu c avem de a face cu o diod este un inel plasat la unul din capetele piesei