ELECTROTEHNICĂ ȘI ELECTRONICĂ Conf.dr.ing. Mihai BOGDAN e-mail: mihai.bogdan@ulbsibiu.ro webpage: www.mihaibogdan60.wordpress.com 2014.

ELECTROTEHNICĂ ȘI ELECTRONICĂ Conf.dr.ing. Mihai BOGDAN webpage:

Cuprins Introducere - Clasificarea mărimilor electrice
- Mărimea periodică - Mărimea alternativă - Mărimea sinusoidală - Sisteme de unităţi de măsură Noțiuni și principii de bază ale ingineriei electrice - Legea lui Ohm - Legile (teoremele) lui Kirchhoff - Teorema superpoziţiei (suprapunerii efectelor) - Mărimi magnetice - Inducţia electromagnetică - Transformatorul electric Componente pasive de circuit electric - Rezistorul - Bobina - Condensatorul - Circuite compuse în curent alternativ (Filtre) Componente active de circuit electronic - Noţiunea de semiconductor. Joncţiunea p-n - Diode semiconductoare - Circuite de redresare - Diode stabilizatoare (Zener) - Tranzistoare bipolare - Dispozitive optoelectronice

1. Introducere Pentru a sublinia importanta însuşirii cunoștinţelor din domeniul ingineriei electrice, este necesar să se arate că forma de energie cea mai utilizată în diferite domenii, este energia electrică. În prezent, în toate sectoarele de activitate se foloseşte, în cele mai diverse moduri, energia electrică.

Motoarele electrice de acţionare a diferitelor utilaje, maşini şi mijloace de transport transformă energia electrică în energie mecanică, lămpile electrice o transformă în energie luminoasă, cuptoarele electrice o transformă în energie termica (caldură) pentru topit, încălzit sau uscat. Dacă se consideră şi utilizarea energiei electrice în telecomunicaţii, în automatizări, în aparatele electrocasnice, rezultă domeniul foarte vast în care această formă de energie îşi găseşte utilizarea.

Clasificarea mărimilor electrice
a) După prezența sau absența unei energii proprii: Mărimi active Mărimi pasive b) După aspectul dimensional-spaţial: Mărimi scalare Mărimi vectoriale c) După modul de variaţie în timp Mărimi constante Mărimi variabile Mediu: ora 10 TDDH:ora 8

Fig.1.1. Clasificarea mărimilor electrice după modul de variaţie
în timp

Mărimea aleatoare Prezintă variaţii neprevizibile, valorile pe care le ia în diverse momente de timp fiind întâmplătoare. Aceste mărimi nu pot fi caracterizate decât în sens probabilistic cu ajutorul metodelor statistice. Valoarea medie (componenta continuă) a unei mărimi aleatoare, într-un anumit interval de timp t1-t2 este dată de relaţia (1.2), iar valoarea efectivă de relaţia (1.3). (1.2) (1.3) unde t2-t1 reprezintă timpul de integrare sau timpul de măsură. Fig.1.2. Mărime aleatoare

Mărimea periodică Are proprietatea că valorile pe care le ia la anumite momente, se repetă după intervale egale de timp. Astfel pentru o mărime periodică, valoarea sa instantanee (momentană), x(t), satisface relaţia: Mărimea periodică poate fi descrisă în domeniul timp ca funcţie de amplitudine, frecventa, perioada si fază. Analiza în domeniul frecventa a acestor mărimi se face cu ajutorul seriei Fourier, rezultând un spectru de frecvente discret.

Valoarea medie (componenta continuă) a unei mărimi periodice este:
(1.5) Un alt parametru utilizat pentru caracterizarea mărimilor periodice este valoarea efectivă: (1.6)

Să se determine valoarea medie şi valoarea efectivă a semnalului periodic din Fig.1.3.
Fig.1.3. Semnal dreptungiular

Mărimea alternativă Este acea mărime periodică a cărei valoare medie pe o perioadă este nulă. Cele mai întâlnite mărimi alternative în domeniul electric sunt prezentate în Fig.1.4.

Fig.1.5. Curent continuu (a) şi curent alternativ (b)
Faţă de tensiunea şi de curentul continuu, ale căror valori în timp sunt în general stabile, tensiunea alternativă alternează în polaritate, iar curentul alternativ alternează în direcţie (Fig.1.5). (a) (b) Fig.1.5. Curent continuu (a) şi curent alternativ (b)

Valoarea efectivă sau valoarea RMS (Root Mean Square)
Semnalele periodice nu pot fi caracterizate prin valoarea lor instantanee deoarece acestea își schimba valoarea și sensul în timp. Pentru caracterizarea cantitativa a semnalelor alternative în tehnica se foloseste valoarea lor efectiva. La definirea valorii efective a semnalelor alternative s-a ajuns punând condiția de echivalență între acțiunea curentului alternativ și a curentului continuu care ar circula în acelasi circuit în același interval de timp.

Valoarea efectiva a unui curentului alternativ este numeric egală cu intensitatea curentului continuu care, străbătând același rezistor ca și curentul alternativ, produce aceeași cantitate de căldură în timp de o perioada. Astfel, cantitatea de căldură dezvoltată în timp de o perioada T la trecerea curentului alternativ i(t) prin rezistorul R se exprima prin relația:

iar curentul continuu echivalent I, la trecerea prin rezistorul R, timp de o perioada, produce o cantitate egală de căldură exprimata prin relația: [1.7] Tinând seama de egalitatea cantităților de căldură Qa = Qc se deduce valoarea efectivă a curentului alternativ I, definita ca intensitate a curentului continuu echivalent:

[1.8] [1.9] [1.10] Exprimând curenții în functie de tensiuni:
căldura dezvoltată la trecerea curenților echivalenți se scriu sub forma: [1.10]

[1.11] [1.12] de unde se deduce, tinând seama că Qa = Qc :
Prin urmare, se ajunge la concluzia că valoarea efectivă a unui semnal alternativ periodic oarecare m(t) este egală cu rădăcina pătrată a mediei pătratelor valorilor instantanee pe o perioadă: [1.12]

Valoarea efectivă se notează totdeauna cu literă mare a simbolului semnalului respectiv. Astfel, valorile efective ale curentului, tensiunii, tensiunii electromotoare se notează corespunzator: I, U, E. Relatia (1.12) este valabilă în cazul semnalelor periodice indiferent de formă (este valabila si pentru semnale periodice nesinusoidale). În cazul particular al semnalelor sinusoidale se găsește că valoarea efectivă este legată de amplitudinea semnalului respectiv printr-o simplă relație.

Astfel, considerând valoarea efectivă a curentului sinusoidal i(t ) = Im sinωt , se deduce:

În mod analog, valorile efective ale tensiunii sau tensiunii electromotoare se pot exprima prin relațiile: [1.13] În general, valoarea efectivă a oricărui semnal sinusoidal este legată de amplitudinea acestuia prin relația: [1.14]

Raportul dintre valoarea de vârf (maximă) şi valoarea efectivă a unei mărimi (semnal) electrice se numeşte factor de vârf: Kv=Xmax/Xef (1.15) Mărimea pulsatorie: este acea mărime periodică a cărei valoare instantanee nu-şi schimbă semnul (Fig.1.9). Fig.1.9. Mărimi pulsatorii

Mărimea sinusoidală Mărimile alternative sinusoidale sunt deosebit de importante pentru analiza circuitelor, deoarece cea mai mare parte a sistemelor de producere și distribuție a energiei electrice generează și transferă energie prin intermediul unor mărimi a căror evoluie în timp poate fi considerat ca fiind sinusoidală; în mod obișnuit, prescurtarea care desemneaz aceast form de energie este "c.a.", sau în engleză "AC“.

Mărimea sinusoidală, este o mărime alternativă dată de relaţia:
x(t)=Xmsin(t +) (1.16) unde: x(t) – valoarea momentană (instantanee); Xm – valoarea maximă (de vârf); Xef=Xm/ (t + )– faza, este reprezentată de argumentul sinusului din expresia mărimii;  - faza iniţială; =2f – pulsaţia; f = 1/T – frecvenţa; T = 2/ - perioada.

O tensiune u(t)=Umaxsint, poate fi reprezentată în timp sau în fază
t[s] ωt[rad] Fig Reprezentarea în timp (a) şi respectiv în fază (b), a unei tensiuni sinusoidale

Lucrurile încep să se complice atunci când trebuie să comparăm două sau mai multe forme de undă alternative ce sunt defazate între ele. Prin această „defazare” se înţelege faptul că formele de undă nu sunt sincronizate, valorile lor de vârf şi punctele de intersecţie cu axa orizontală nu sunt identice în timp. Figura de mai jos ilustrează acest lucru. Cele două unde de mai jos (A şi B) au aceeaşi amplitudine şi frecvenţă, dar sunt defazate între ele.

Legat de definiția fazei, trebuie precizat că noțiunea de defazaj apare și trebuie folosită doar atunci când se compară între ele două semnale de aceiași frecvență. Astfel, prin definiție, defazajul este diferența fazelor a două semnale sinusoidale de aceeași frecvență. Defazajul Δ  dintre două tensiuni: u1(t)=U1msin(t +1) și u2(t)=U2msin(t +2) este: Δ = (t +1) - (t +2) = 1- 2

Deci practic o mărime alternativă sinusoidală este definită prin 3 parametrii: amplitudine, frecvenţă şi fază. Se observă că valoarea medie pe o perioadă (componenta continuă) a mărimii sinusoidale este nulă, iar valoarea efectivă este dată de relaţia: Xef = (1.17)

Mărimi complexe Pentru a putea analiza cu succes circuitele de curent alternativ, trebuie să abandonăm numerele scalare şi să luăm în considerare cele complexe, capabile să reprezinte atât amplitudine cât şi faza unei unde în acelaşi timp. Numerele complexe sunt mai uşor de înţeles dacă sunt trecute pe un grafic. Dacă desenăm o linie cu o anumită lungime (amplitudine) şi unghi (direcţie), obţinem o reprezentare grafică a unui număr complex, reprezentare cunoscută în fizica sub numele de vector.

Precum în cazul distanţelor şi direcţiilor de pe o hartă, trebuie să avem un sistem de referinţă pentru ca toate aceste valori să aibă un sens. Când este folosit pentru descrierea valorilor în curent alternativ, lungimea unui vector reprezintă amplitudinea undei iar unghiul său reprezintă diferenţa de fază (defazajul) undei faţă de unda de referinţă

Cu cât amplitudinea formei de undă este mai mare, cu atât lungimea vectorului corespunzător va fi mai mare. Pe de altă parte, diferenţa de fază unghiul vectorului reprezintă (defazajul) dintre unda considerată şi o altă formă de undă de referinţă. Cu cât defazajul dintre formele de undă considerate este mai mare, cu atât este mai mare unghiul dintre vectorii corespunzători.

Sisteme de unităţi de măsură
Pentru efectuarea operaţiei de măsurare este necesară o unitate de măsură de aceiaşi natură cu mărimea de măsurat. Mărimile pentru care unităţile de măsură au fost alese convenţional se numesc mărimi fundamentale, iar unităţile de măsură corespunzătoare, unităţi fundamentale. Toate celelalte mărimi pentru care unităţile de măsură se definesc în raport cu cele fundamentale se numesc mărimi derivate iar unităţile de măsură, unităţi derivate. Totalitatea unităţilor fundamentale şi derivate dintr-un anumit domeniu, alcătuiesc un sistem de unităţi de măsură.

Mărimile şi unităţile fundamentale sunt:
lungimea  metrul [m] masa  kilogram [kg] timp  secundă [s] intensitatea curentului electric  amper [A] temperatura termodinamică  Kelvin [K] cantitatea de substanţă  mol [mol] intensitatea luminoasă candela [cd] La aceste şapte unităţi fundamentale se mai adaugă două unităţi complementare: radian – pentru unghiul plan steradian – pentru unghiul solid

2. Noțiuni și principii de bază ale ingineriei electrice
Conductoarele, sunt materiale care conţin electroni, care sunt slab legaţi de nuclee lor şi care se pot deplasa uşor de la un atom la altul. Izolatoarele sunt materiale ale caror electroni sunt stâns legaţi de nucleele lor. Nucleul unui atom este alcătuit din protoni și neutroni și are sarină electrică pozitivă. Electroni se deplasează în jurul nucleului pe orbite și au sarcină negativă. Într-un atom neutru, numărul electronilor este egal cu numărul protonilor.

Sarcina electrică s-a dovedit a fi de două feluri distincte, numită sarcină pozitivă şi respectiv sarcină negativă. Electronul – are sarcină electrica negativă; Protonul – are sarcină electrică pozitivă; Neutronul – nu are sarcină electrica. Numărul electronilor unui atom este egal cu numărul protonilor şi în consecinţă sarcina electrică totală este zero iar atomul este neutru din punct de vedere electric.

Neutralitatea nu se menţine însă în permanentă
Neutralitatea nu se menţine însă în permanentă. Unii dintre electroni, înfrângând forţele atomice, pot părăsi atomul. Acest fenomen creează concomitent un surplus de sarcină pozitivă (în zona iniţială, părăsită) şi un surplus de sarcină negativă, în zona unde au migrat. Se formează astfel zone sau corpuri încărcate cu sarcină. Se vor numi simplificat atât corpurile sau zonele încărcate cât şi sarcinile elementare drept sarcini electrice.

Câmp electromagnetic O sarcină electrică poate acţiona la distanţă, cu forţe numite forţe electromagnetice, asupra altor sarcini. Deci în jurul sarcinilor există energie sub formă de câmp, numit câmp electromagnetic. Sarcinile produc două forme distincte de câmp: – câmp electric; – câmp magnetic. Împreună acestea formează câmpul electromagnetic.

Câmpul electric Există în jurul oricăror sarcini electrice. El este caracterizat prin intensitatea câmpului electric, o mărime vectorială notata E. Câmpul se consideră prin convenţie orientat de la sarcini pozitive spre sarcini negative. O a doua mărime ce caracterizeaza câmpul electric este inducţia electrică, deasemenea o mărime vectorială, notată D. Această marime depinde de mediul sau materialul în care există câmpul şi este legată de prima prin relaţia: în care ε este o mărime scalară, se numeşte constantă electrică (permitivitate electrică) şi depinde de material sau de mediu.

Câmp magnetic Câmpul magnetic există în jurul sarcinilor în mişcare sau a magneţilor permanenţi. O sarcină în mişcare reprezintă un curent electric şi deci curenţii electrici produc câmp magnetic. Câmpul magnetic este caracterizat prin intensitatea câmpului magnetic, o mărime vectorială notata H şi o a doua, deasemenea vectorială, numită inducţie magnetică notata B şi care depinde de mediul sau materialul în care există câmpul. Aceste două marimi sunt legate prin relaţia: în care μ este o mărime scalară, se numeşte constantă magnetică (permeabilitate magnetică) şi depinde de mediu sau de material.

Intensitatea curentului electric (curentul electric), reprezintă o deplasare dirijată de sarcini electrice. Se pune întrebarea, care este sensul curentului electric. În acest sens, considerăm următoarea situaţie: un electron şi un proton se află imobilizaţi pe foaia de hârtie Un al doilea electron care este liber să se mişte, cade între cele două particole. Deoarece electronul este încărcat negativ el se va deplasa spre dreapta (totdeauna spre sarcina cu polaritate opusă). Dacă însă, un al doilea proton, care este liber să se deplaseze, este aruncat între cele două particole fixe, el se va deplasa spre stânga (către electronul fix). Ca urmare sensul curentului electric de electroni este invers faţă de cel al protonilor. Convenţional, s-a stabilit ca sensul curentului electric să fie dat de sensul de deplasare al sarcinilor pozitive (protonii).

Desi poate exista curent electric prin orice mediu, în cazul cel mai întâlnit fluxul sarcinilor este dirijat prin circuite electrice. Numele de circuit vine de la faptul că sunt parcursuri închise. Aceste circuite, sunt formate din surse, care produc forţele necesare mişcarii, din conductoare electrice care sunt elemente de legătură prin care mişcarea sarcinilor se face neângrădit şi elemente de circuit. Apelând la analogia hidraulică se poate considera un conductor parcurs de curent electric asemănator unei conducte care conduce un fluid sub acţiunea unei diferenţe de presiune sau de înălţime.

Între curent, tensiune si rezistenta exista o relatie fundamentala (Legea lui Ohm). Un circuit electric simplu consta dintr-o sursa de tensiune, sarcina (consumator) si conductoare ce permit sarcinilor electrice sa circule intre sursa si sarcina.

Sensul curentului prin rezistenţa R alimentată cu tensiunea continuă de la o baterie cu polaritatea din figură, este de sus în jos (de la + la -). Cantitatea de sarcini electrice transferate într-un anumit interval de timp este: Q = I·t [C] Astfel, 1 ampere = 1 coulomb pe secundă (1A = 1C/1s) Aplicaţia 1.2.: Cât este intensitatea curentului, dacă 0,24 coulombi sunt transferaţi în 15ms?. Aplicaţia 1.3.: Dacă un curent de 10A circulă printr-un circuit 4 minute, cât este cantitatea de electricitate transferată?. Pentru ca un curent să circule între două puncte ale unui circuit, trebuie ca între cele două puncte să existe o diferenţă de potenţial sau o tensiune electrică. Unitatea de măsură a tensiunii electrice este voltul V. Un volt este definit ca diferența de potențial (tensiune electrică) dintre două puncte, când un joule de lucru mecanic este utilizat pentru deplasarea unui coulomb de sarcină electrică de la un punct la altul. U=L/Q Tensiunea electrică este responsabilă pentru apariția curentului electric

Tensiunea electrică are acelaşi sens cu sensul câmpului, fixat convenţional ca pornind de la sarcinile pozitive. Tensiunea electrică este o mărime utilizată mai ales in circuite şi ea caracterizează electric o situaţie existentă între două puncte oarecare din circuit. În cazul surselor de energie electrică, care au obişnuit două puncte (borne) pentru conectarea consumatorului, tensiunea la borne este un parametru de importanţă majoră. Tensiunea electrică, este legată de doua puncte care trebuie în mod obişnuit menţionate în notaţie, de exemplu uAB şi se reprezintă în desene printr-o sageată (figura alaturată). Ordinea celor două puncte dă sensul săgeţii. Aşa cum apare in figură, tensiunea este considerată pozitivă. Inversarea ordinii punctelor conduce la schimbarea semnului, astfel: uAB = - uBA

Potenţial electric O notiune legată de aceea de tensiune, este potenţialul electric. Pentru a vorbi de potenţial trebuie însă definit un punct de origine, considerat punct de potenţial zero. De cele mai multe ori acest punct este pământul, simbolizat ca în figura de mai jos dar în circuitele electrice acest punct poate fi luat şi într-un alt loc, caz în care punctul se numeste masă şi se simbolizează ca în figura de mai jos. Pământ Masă

Potenţialul electric este o noţiune legată de un singur punct şi reprezintă tensiunea electrică între punct şi punctul de referinţă, fie acesta pământul sau masa. Potenţialul electric se notează cu litera V iar punctul trebuie în mod obişnuit menţionat în notaţie, de exemplu VA. Unitatea de măsura a potenţialului electric este deasemenea voltul [V]. Prin analogie cu câmpul gravitational al Pamântului putem considera punctul de potenţial zero nivelul mării, iar potenţialul unui punct oarecare înalţimea faţă de nivelul mării. Aşa cum există puncte sub nivelul marii, la înalţime negativă (Marea Moartă de exemplu), tot aşa potenţialul unui punct poate fi pozitiv sau negativ. Teoretic se defineste întâi potenţialul electric iar apoi tensiunea este considerată ca fiind diferenţa de potenţial între două puncte.

Rezistenţă electrică Deplasarea sarcinilor electrice este influenţată nu numai de câmpul electromagnetic sau de tensiunea electrică ci şi de mediul prin care se deplasează. Există medii prin care deplasarea se face foarte uşor, se spune că sunt medii bune conducatoare de electricitate cum ar fi metalele sau electrolitii. Prin altele deplasarea se face foarte greu, cum sunt sticla sau materialele plastice, acestea fiind numite izolante. Marimea care caracterizează un mediu din acest punct de vedere se numeşte rezistivitate electrica, notată ρ. O a doua mărime, mult mai utilizată în practică se numeşte rezistenţa electrică şi caracterizează un element nu numai după materialul din care este făcut ci şi după geometria sa. Astfel, un element de formă cilindrica va avea rezistenţa dependentă nu doar de material, prin rezistivitate, ci şi de lungime sau secţiune.

Rezistenţa electrica se notează cu r sau R, este ataşată de un element de circuit, de exemplu R1 dar poate fi ataşată de asemena şi de un spaţiu cuprins între două puncte ale unui circuit electric, de exemplu Rab Unitatea de măsură a rezistenţei electrice este ohm-ul, acesta fiind simbolizat prin litera omega mare [Ω]. Producerea energiei electrice Cea mai mare parte din energia electrică utilizată astăzi este produsă în centrale electrice de către generatoare electrice rotative. Modul in care este obţinută energia pentru a roti generatoarele împarte centralele în trei clase principale: hidrocentrale, termocentrale şi centrale nucleare. Dar mai există şi alte tipuri cum sunt centralele eoliene sau solare.

Energia este furnizată continuu şi este distribuita prin reţele electrice înspre consumatori.
În final, consumatorul preia energia în puncte speciale de acces. Pentru consumatorul casnic energia electrică este accesibilă la binecunoscuta priză electrică. S-a impus universal în practică generarea si distribuţia energiei electrice sub forma alternativă, trifazată. Astfel, generatorul furnizează o tensiune alternativă, care-şi schimbă semnul periodic şi este echivalentul a trei surse iar distribuţia se face printr-o reţea trifazată, compusă din trei conductoare principale (faze) şi un al patrulea, nulul. O a doua clasă de generatoare electrice sunt pilele electrice sau bateriile. Cele mai multe utilizeaza reactii chimice in vederea eliberarii energiei electrice dar exista si pile solare.

Surse de energie electrică
Sursele de energie electrică sunt cele mai importante elemente de circuit. Ele furnizează energia electrică necesară într-un circuit. O sursă de energie electrică este un convertor (dispozitiv) ce poate transforma o formă de energie (chimică, mecanică, termică, solară, potenţială, cinetică) în energie electrică. Exemple de surse de energie electrică: Pila electrică sau bateria - converteşte energia chimică în energie electrică. Panou fotovoltaic - converteşte energia solară în energie electrică. Generator electric- converteşte energia mecanică sau termică în energie electrică. Sursele de tensiune sunt acele dispozitive care produc tensiunile electrice. Tensiunile produse pot fi constante sau variabile în timp (de regulă sinusoidale). Bateriile sunt adesea reprezentate ca surse constante de tensiune.

Dintre sursele electrice cele mai utilizate sunt sursele de tensiune
Dintre sursele electrice cele mai utilizate sunt sursele de tensiune. Acestea reprezintă de fapt o idealizare a surselor de energie electrică reale şi sunt caracterizate de faptul că tensiunea la borne este constantă, indiferent de situaţia în care se găsesc. O a doua idealizare a unei surse reale se numeşte sursă de curent. Aceasta este caracterizată de faptul că furnizează un curent constant, indiferent de situaţia în care se găseşte

Surse de tensiune in serie
Tensiunea totală a surselor de tensiune conectate în serie, se adună algebric. Cât este tensiunea totală, dacă una dintre cele 3 baterii se inversează?.

The following schematic is a representation of an electrical circuit, consisting of a battery, a resistor, a voltmeter and an ammeter. The ammeter, connected in series with the circuit, will show how much current flows in the circuit. The voltmeter, connected across the voltage source, will show the value of voltage supplied from the battery. Before an analysis can be made of a circuit, we need to understand Ohm.s Law.

O sursă ideală de tensiune este un dispozitiv ce are capacitatea de a impune o diferenţă de potenţial între bornele sale, constantă, indiferent de curentul ce o străbate. Ecuaţia ce caracterizează o sursă ideală de tensiune este: unde, în general, E(t) se numeşte forţa electromotoare a sursei. Sursele de tensiune reale se comportă diferit de cele ideale, astfel încât tensiunea la bornele lor are valoare maximă în gol (curentul debitat este zero) şi scade odată cu creşterea curentului furnizat de sursă. De cele mai multe ori dependenţa tensiuni de curent este liniară fiind dată de relaţia: U=E-RiI unde E este t.e.m. (tensiunea în gol) iar Ri este rezistenţa internă a sursei. O sursă de tensiune reală poate fi modelată ca o sursă de tensiune ideală în serie cu rezistenţa sa internă. Atunci când rezistența sa internă este zero, sursa de tensiune devine ideală. La fel ca şi sursele de tensiune, sursele de curent produc curenţi constanţi sau curenţi variabili în timp.

O sursă de curent reală poate fi modelată ca o sursă de curent ideală în paralel cu rezistenţa sa internă. Atunci când rezistența sa internă este infinită, sursa de curent devine ideală. Aplicație: Dacă rezistența internă a unei surse de tensiune de 5.0 V este 0.5 Ω, cât este tensiunea pe rezistența de sarcină de 68 Ω? Aplicație: Dacă rezistența internă a unei surse de curent de 10mA este 4.7KΩ, cât este tensiunea pe rezistența de sarcină de 100 Ω?

Puterea şi energia electrică: Dacă un curent continuu străbare un circuit electric la bornele căruia se află tensiunea continuă U, puterea electrică consumată de acel circuit este : P = U I [W] Dacă tensiunea și curentul sunt variabili în timp, atunci puterea instantanee este dată de relația: p(t)=u(t)·i(t) Energia electrică consumată de circuit este dată de relaţia: We = P t [Ws] sau [Joule] Adesea, energia electrică este exprimată în kilowatoră [KWh]: 1 [KWh] = 1000 [Wh] = 1000·3600 [Ws] = [Ws] sau [J]

Legea lui Ohm Ohm a descoperit că:
-aplicând la capetele unui rezistor o tensiune electrică U, prin rezistor ia naştere un curent electric I; -trecând printr-un rezistor un curent electric I, la capetele rezistorului se va obţine o tensiune electrică U. Legea lui Ohm spune că într-un conductor intensitatea curentului electric (I) este direct proporţională cu tensiunea (U) aplicată şi invers proporţională cu rezistenţa (R) a conductorului. Dacă tensiunea şi curentul sunt constante sau continui: U = IR. Dacă tensiunea şi curentul este variabil în timp: u(t)=Ri(t)

Polarităţile la capetele unui rezistor, satisface următoarea convenţie: tensiunea în partea rezistorului în care curentul intră este mai pozitivă decât tensiunea în partea rezistorului în care curentul iese. Aplicaţia 1.4: Se dă circuitul din figură. Să se determine valoarea şi sensul curentului prin rezistenţa R. Să se determine puterea electrică disipată pe rezistenţa R. Aplicaţia 1.5: Se dă circuitul din figură. Să se determine valoarea şi polaritatea tensiunii la bornele rezistenţei R. Să se determine puterea electrică disipată pe rezistenţa R.

Aplicaţia 1.6: Determinaţi mărimile necunoscute din figura de mai jos
Aplicaţia 1.7: Figura alăturată prezintă un rezistor variabil (potenţiometru) în serie cu un rezistor fix de 30Ω. Să se determine: a) tensiunea pe rezistorul R2 dacă potenţiometrul R1 este setat pe 20Ω. b) valoarea rezistenţei R1 pentru ca tensiunea V2 să fie 150V

Cât este rezistența becului aprins din figură?
115 V

Legile (teoremele) lui Kirchhoff
Aceste legi se referă la două legi importante ale fizicii şi anume la legea conservării sarcinii (Legea I) şi respectiv la legea conservării energiei (Legea II). Legea I a lui Kirchhoff: Suma curenţilor care intră într-un nod de reţea este egală cu suma curenţilor care ies din acel nod de reţea. (Suma algebrică a curenţilor într-un nod de reţea este zero). Pentru curenţii reprezentaţi în figură, Teorema I conduce la ecuaţia:

Legea a II-a a lui Kirchhoff: Suma algebrică a tensiunilor într-un ochi de reţea, este egală cu zero. Conform Teoremei a II-a a lui Kirchoff (Legii ochiurilor), în orice moment, suma algebrică a tensiunilor de-a lungul oricărui ochi de circuit, este nulă: Cu sensurile de referinţă specificate în figura alăturată şi parcurgând ochiul în sensul acelor de ceasornic, Teorema a II-a a lui Kirchhoff conduce la ecuaţia:

De notat faptul că, tensiunile u2 şi u4 au fost considerate cu semn negativ, deoarece sensurile lor de referinţă, sunt opuse sensului de parcurgere a ochiului. Indiferent de sensul de parcurgere a ochiului (în sens orar sau trigonometric), se vor obţine ecuaţii de tensiuni absolut echivalente. Aplicaţia 1.8: Să se determine valoarea rezistenţei R, puterea debitată de sursă şi puterea absorbită de rezistenţă. Aplicaţia 1.9: Să se determine valoarea rezistenţei R, puterea debitată de cele două surse şi puterea absorbită de rezistenţă.

Aplicaţia 1.10: Aplicând Teorema I a lui Kirchhoff, determinaţi valoarea curentului i4.
Aplicaţia 1.11: Considerând sensurile de referinţă şi valorile indicate, verificaţi dacă tensiunile reprezentate în figura de mai jos, sunt în conformitate cu Teorema a II-a a lui Kirchhoff.

Aplicaţia 1.12: Utilizând teoremele lui Kirchhoff, să se determine tensiunea la bornele rezistenţei R2. Aplicaţia 1.13: Utilizand teoremele lui Kirchoff sa se determine curtentii prin cele 3 rezistente.

Teorema superpoziţiei (suprapunerii efectelor)
Într-un circuit cu mai multe surse independente, orice curent sau tensiune asociat unei laturi a circuitului, se poate calcula ca fiind suma algebrică a curenţilor sau tensiunilor produse de fiecare sursă independentă, luată separat, atunci când celelalte surse independente sunt pasivizate. Deci această metodă constă în rezolvarea circuitului, separat pentru fiecare sursă (considerându-le pe celelalte "deconectate") şi însumarea soluţiilor individuale astfel obţinute, astfel încât să se obţină soluţia corespunzătoare circuitului complet, cu toate sursele. O sursă de tensiune "deconectată" este echivalentă cu un scurt-circuit, iar o sursă de curent "deconectată" corespunde unui circuit deschis.

Aplicaţia 1. 14: Se consideră circuitul din figură
Aplicaţia 1.14: Se consideră circuitul din figură. Se cere să se determine curentul i1, utilizând metoda superpoziţiei. Prin deconectarea sursei de tensiune, configuraţia circuitului devine: Prin deconectarea sursei de curent, configuraţia circuitului devine: Aplicaţia 1.15:Să se determine tensiunea la bornele rezistenţei R2, utilizînd teorema superpoziţiei (suprapunerii efectelor).

Mărimi magnetice Câmpurile magnetice sunt descrise de liniile de flux care reprezintă chiar câmpul magnetic. În cazul în care liniile sunt mai apropiate, densitatea de flux este mai mare. În cazul în care liniile sunt mai depărtate, densitatea de flux este mai mică. Campul magnetic este produs de magnetii permanenti si de conductoare parcurse de curent electric. Campul magnetic posedea energie si exercita forte asupra altor magneti sau conductoare parcurse de curentul electric. Liniile fluxului magnetic sunt invizibile, dar forma lor poate fi vizualizată cu pilitură de fier presărate într-un câmp magnetic

Inducția magnetică este dată de relația: B= Φ/A
Fluxul magnetic se notează cu Φ, iar unitatea de măsură a fluxului magnetic este weber-ul (Wb). Densitatea fluxului magnetic, definită ca fluxul magnetic pe unitatea de suprafață, se numește inducție magnetică (B) a cărei unitate de măsură este tesla (T), care este o unitate de măsură foarte mare. Inducția magnetică este dată de relația: B= Φ/A Liniile de flux Suprafața (m) 2 Conductor parcurs de curent Pilitură de fier Liniile de flux magnetic, înconjoară un conductor parcurs de un curent electric. Aceste linii sunt concentrice

Inducţia electromagnetică
Se numeste inductie electromagnetica fenomenul de generare a unei tensiuni electromotoare într-un circuit strabatut de un flux magnetic variabil în timp. e = - Δ φ /Δt Fenomenul de inductie electromagnetica a fost pus în evidenta experimental de M. Faraday (1831). Daca circuitul strabatut de fluxul magnetic variabil este deschis, în el se induce o tensiune electromotoare numita tensiune indusa. Daca circuitul strabatut de fluxul magnetic variabil este închis, în el se induce un curent electric numit curent indus.

Transformatorul electric
Una dintre aplicaţiile de bază ale legii inducţiei electromagnetice este transformatorul electric. Transformatorul electric este o maşină electromagnetică statică de curent alternativ, care transformă o energie electromagnetică primară de anumiţi parametrii (u1,i1) într-o energie electromagnetică secundară de alţi parametrii (u2,i2), frecvenţa rămânând însă constantă (f1=f2=ct.). În general, un transformator este format dintr-un miez feromagnetic pe care se află două înfăşurări: una primară şi una secundară. Schema de principiu a unui transformator este dată în figura următoare.

Înfăşurarea primară, cu N1 spire, primeşte energia electrică la o tensiune U1 iar înfăşurarea secundară, cu N2 spire, cedează energia electrică receptorului de impedanţă Z, la o tensiune U2. Înfăşurarea alimentată cu tensiune se numeşte înfăşurare primară, iar cea care alimenteaza cu tensiune (respectiv curent) sarcina (receptorul), se numeşte înfăşurare secundară.

Transformatorul electric permite să se transforme parametrii energiei electrice din primar (tensiune, curent), obţinându-se în secundar parametrii necesari receptorului. În cele ce urmează toate mărimile referitoare la primar se vor nota cu indicele 1 (de exemplu: U1, I1, P1, N1, etc.), iar cele referitoare la secundar cu indicele 2. Clasificare transformatoarelor se poate face după mai multe criterii: - după numărul de faze, transformatoarele pot fi: monofazate şi trifazate; - în funcţie de numărul înfăşurătorilor plasate pe miez există: transformatoare cu două înfăşurări (primar şi secundar) şi cu mai multe înfăşurări (de exemplu: cu mai multe înfăşurări secundare);

- după destinaţia lor, transformatoarele se împart în două categorii mari: transformatoare pentru transportul şi distribuţia energiei electrice şi transformatoare pentru instalaţiile de utilizare a energiei electrice. Prima categorie sunt transformatoare de putere şi servesc pentru transformarea parametrilor energiei electrice în vederea transportului şi distribuţiei energiei electrice. Transformatoarele pentru instalaţiile de utilizare a energiei electrice sunt de o mare diversitate constructivă, în funcţie de rolul concret pe care trebuie să-l îndeplinească. Reprezentarea simbolică a transformatorului monofazat este dată în figurile următoare

Abilitatea transformatoarelor de a ridica tensiunea sau de a o coborî este extrem de utilă în proiectare reţelelor de distribuţie a energiei electrice. Atunci când se transportă energie electrică pe distanţe lungi, este mult mai eficient dacă aceasta se realizează la tensiuni înalte şi curenţi mici (diametrul conductorilor este mai mic, prin urmare şi pierderile sunt mai mici), şi coborârea acesteia pentru utilizarea de către consumatori.

Raportul de transformare al transformatorului: K=U1/U2= N1/N2
unde, U1 și U2 = sunt tensiunile în primar și respectiv secundar N2= numărul spirelor înfășurării secundare N1= numărul spirelor înfășurării primare k > 1 ( – transformator coborâtor de tensiune) k < 1 ( – transformator ridicător de tensiune) k = 1 ( – separator electric)

Randamentul transformatorului
Se defineşte ca fiind raportul dintre puterea activă P2 furnizată de secundar şi puterea activă P1 primită de către primar de la reţeaua de alimentare. Diferenţa P2 - P1 reprezintă puterea pierdută de transformator, care se compune din pierderile prin efect Joule în înfăşurările transformatorului numite pierderi în cupru PCu = R1I12 + R2I22 şi pierderile prin histerezis şi curenţi turbionari, numite pierderi în fier, PFe

Transformatoare cu înfăşurări multiple
Nu este neapărat necesar ca transformatoarele să fie realizate din doar două seturi de înfăşurări. În figura de mai jos este prezentat un trafo cu 2 înfășurări secundare În acest caz, raportul de transformare al tensiunilor considerat la transformatoarele cu două înfăşurări, este valabilă şi în acest toate înfăşurările împart acelaşi miez feromagnetic, fiind cuplate magnetic între ele. Relaţia dintre numărul spirelor înfăşurărilor şi raportul de transformare al tensiunilor este același ca la transformatorul cu două înfășurări.

Transformatoare cu prize

Transformatorul variabil
Caz în care vom avea un contact variabil ce se deplasează pe înfăşurarea secundară expusă a transformatorului, fiind posibilă conectarea acestuia în oricare punct (priză variabilă).

Autotransformatorul Dacă neglijăm în totalitate separarea electrică dintre înfăşurări, putem construi un transformator folosind doar o singură înfăşurare; dispozitivul astfel creat poartă numele de autotransformator. Autotransformator ridicător de tensiune Autotransformator coborâtor de tensiune

3. Componente pasive de circuit electric
Componentele electronice pot fi clasificate în trei mari categorii: - componente pasive, - componente active - surse de energie electrică. Se definesc drept componente pasive de circuit, acele componente care nu pot realiza funcţii de prelucrare a semnalelor electrice (conversie curent alternativ-curenet continu, funcții de amplificare). Cele mai utilizate componente pasive sunt: rezistoarele, condensatoarele şi bobinele.

Componentele active permit modificarea energiei semnalelor (transformarea energiei de curent alternativ în energie de curent continuu, amplificare). Exemple: diode, tranzistoare, tiristoare, etc. Se mai întâlnesc și sub denumirea de dispozitive semiconductoare.

Rezistorul Rezistorul electric este un element de circuit pasiv care se opune trecerii curentului electric dacă la bornele sale se aplică o tensiune electrică. El absoarbe pe la borne putere electrică activă pe care o transformă în căldură prin efectul electrocaloric (efectul Joule-Lenz). Rezistorul se confecţionează din diferite materiale conductoare. Caracterizarea globală a unui rezistor se face cu ajutorul parametrului fizic numit rezistenţă electrică, notat cu R. Un alt parametru folosit, de asemenea, pentru caracterizarea unui rezistor este conductanţa electrică, notată cu G. Cei doi parametri sunt legaţi între ei prin relaţia:

Modelul fizic ideal al unui rezistor îl reprezintă un conductor omogen cu secţiunea constantă. Rezistenţa unui conductor de lungime l [m] şi de secţiune transversală A [m2] este: în care ρ este rezistivitatea materialului conductor [Ω·m2/m]. Unitatea de măsură, în sistem internaţional (S.I.), a rezistenţei electrice se numeşte Ohm [Ω]. În aplicaţiile practice se utilizează şi multipli sau submultipli ai acestei unităţi. Unitatea de măsură a conductanţei electrice se numeşte Siemens [S].

Rezistoarele se pot clasifica în:
- rezistoare liniare; - rezistoare neliniare. Rezistorul liniar are rezistenţa electrică independentă de valoarea intensităţii curentului electric ce îl străbate. Aşadar, rezistenţa este constantă în orice punct de funcţionare pe caracteristica tensiune-curent u(i). Ecuaţia tensiune-curent are, în acest caz, expresia: u = R⋅i Această relaţie se poate scrie cu ajutorul conductanţei: i = G ⋅ u

Caracteristica tensiune-curent este liniară şi bilaterală;
- liniară, în sensul că această caracteristică este o linie dreaptă ce trece prin origine. O consecinţă importantă a liniarităţii este faptul că tensiunea este întotdeauna proporţională cu curentul şi viceversa. - bilateral înseamnă că această caracteristică are simetrie pară faţă de origine (u(−i) = −u(i) ). Datorită proprietăţii de bilateralitate, schimbarea polarităţii tensiunii aplicate schimbă sensul curentului, dar nu şi valoarea sa. Rezultatul este că orice rezistor se poate conecta în circuit fără a ţine seama de semnificaţia în notarea bornelor sale. Datorită liniarităţii, putem spune că:

În multe situaţii este utilă pentru un element de circuit nu numai relatia analitică, dar şi graficul dependenţei curentului de tensiunea la borne. În cazul unei rezistenţe graficul este o dreaptă care trece prin origine şi are panta egală cu 1/R. Situaţia pentru cazul mai multor rezistenţe este prezentată în figura de mai jos. Se observă că panta este mare pentru rezistente mici, iar la limită dreapta corespunzătoare axei curentului este şi dreapta corespunzatoare rezistentei zero. Similar, panta este mai mică pentru rezistente mari, la limită dreapta corespunzătoare axei tensiunii este şi dreapta corespunzatoare rezistenţei infinite.

Rezistorul neliniar are rezistenţa electrică dependentă de curentul care îl parcurge.
Ecuaţia tensiune-curent a unui rezistor neliniar reprezintă o funcţie neliniară u = u(i), dată sub formă analitică, grafică sau tabelară.

Pentru rezistoarele neliniare, într-un punct de funcţionare, M, de pe caracteristica neliniară, se definesc: - rezistenţa statică - Rs Rezistenţa statică este totdeauna pozitivă. - rezistenţa dinamică - Rd Rezistenţa dinamică poate fi pozitivă sau negativă. Exemple de rezistoare neliniare: termistoare, fotorezistențe, e.t.c.

Un alt criteriu de clasificare împarte rezistoarele în:
- rezistoare variabile; - rezistoare invariabile. Spre deosebire de rezistoarele invariabile, a căror valoare a rezistenţei nu poate fi modificată de către utilizator, rezistoarele variabile permit utilizatorului să modifice valoarea rezistenţei lor, prin deplasarea unui cursor (rezistoarele numindu-se în acest caz potenţiometre şi/sau reostate – în funcţie de modalitatea de conectare) sau prin realizarea unei comutaţii, ce realizează schimbarea conexiunilor unor grupuri de rezistoare (la rezistoarele cu variaţie în decade).

Simbolurile grafice uzuale ale rezistoarelor sunt date în figura de mai jos. Simbolurile folosite pentru rezistoarele liniare sunt date în fig.a, rezistoarele neliniare au simbolurile din fig.b., iar simbolurile pentru rezistoarele variabile sunt date în fig.c.

Construcţia rezistoarelor
Din punct de vedere constructiv se pot identifica trei tipuri principale de rezistoare, ce se vor prezenta pe scurt în continuare. Rezistorul bobinat constă dintr-un fir conductor lung înfăşurat în jurul unui cilindru izolator

Rezistoarele tip peliculă superficială (‘film resistor’) sunt fabricate prin depunerea, în mediu vidat, a unui strat subţire de metal pe un substrat izolator. Rezistivitatea stratului conductor este menţinută constantă, în vreme ce grosimea, lăţimea sau lungimea sunt variate în scopul controlării rezistenţei. Această tehnică de fabricaţie permite combinarea în vederea obţinerii de circuite integrate.

Rezistoarele din amestec de carbon sunt alcătuite dintr-un element rezistiv cilindric în care este inclus un fir ale cărui capete sunt accesibile sau care are borne terminale metalice de care sunt ataşate firele de legătură. Elementul este protejat cu vopsea sau cu plastic.

O altă categorie de rezistoare sunt, rezistoarele variabile sau potenţiometrele. Acestea sunt dispozitive cu trei borne de acces; două borne sunt conectate la capetele unui element rezistiv, iar a treia bornă este un contact mobil cu elementul rezistiv într-un punct intermediar. Cele mai utilizate tipuri de potenţiometre sunt prezentate în figura de mai jos (a. - potenţiometru rotitor, b.- potenţiometru liniar).

Conectarea rezistoarelor
Rezistoarele se pot conecta în serie, paralel sau mixt. Conectarea serie a rezistoarelor Fie două rezistoare conectate în serie între bornele A şi B ale unui circuit

Conectarea paralel a rezistoarelor
Fie două rezistoare conectate în paralel între bornele A şi B ale unui circuit.

I1= R1= 0.68 kW V1= P1= I2= R2= 1.50 kW V2= P2=
2.0 mA Aplicație: În circuitul din figură sunt montate 4 ampermetre. Primul ampermetru indică 2mA. Ce curent vor indica celelalte 3 ampermetre? Aplicație: Completați tabelul de mai jos, ce reprezintă mărimile pentru circuitul din figura alăturată. I1= R1= 0.68 kW V1= P1= I2= R2= 1.50 kW V2= P2= I3= R3= 2.20 kW V3= P3= IT= RT= 4.38 kW VS= 12 V PT=

The total current leaving the source is
a. 1.0 mA b. 1.2 mA c. 6.0 mA d. 7.2 mA The current in R1 is a. 6.7 mA b mA c. 20 mA d mA

The voltage across R2 is a. 0 V b V c V d. 4.0 V

Tabulating current, resistance, voltage and power is a useful way to summarize parameters. Solve for the unknown quantities in the circuit shown. I1= R1= 270 W V1= P1= 21.6 mA 5.82 V 126 mW I2= R2= 330 W V2= P2= 12.7 mA 4.18 V 53.1 mW I3= R3= 470 W V3= P3= 8.9 mA 4.18 V 37.2 mW IT= RT= VS= 10 V PT= 21.6 mA 464 W 216 mW

Aplicație: Să se determine potențialele în punctele A, B și C pentru circuitul din figură?.
Aplicație: Cât este valoarea maximă a tensiunii la ieșirea circuitului din figură?.

Fig.2.6. Schema divizorului rezistiv de curent analizat
Aplicaţie: În Fig.2.6 este prezentat cel mai simplu divizor rezistiv de curent. Să se determine curenţii prin cele două ramuri. Fig.2.6. Schema divizorului rezistiv de curent analizat Dacă la bornele unei rezistenţe considerată pur rezistivă (capacitatea şi inductanţa egale cu 0) se aplică o tensiune alternativ sinusoidală prin rezistenţă va lua naştere un curent alternativ sinusoidal în fază cu tensiunea (Fig.2.7). i(t)=u(t)/R Fig.2.7. Graficul tensiuni aplicate la bornele rezistenţei şi respectiv al curentului prin rezistenţă (a); Diagrama fazorială a tensiunii şi curentului (b).

Bobina Prin bobină se înţelege un conductor electric înfăşurat astfel încât să se obţină una sau mai multe spire. Cea mai simplă bobină se realizează dintr-o singură spiră. Dacă prin această spiră trece un curent continuu, în jurul conductorului ia naştere un câmp electromagnetic, care va determina apariţia unui flux magnetic  prin suprafaţa închisă de spiră (Fig.2.8). Sensul fluxului prin suprafaţă se determină cu regula burghiului drept. Între fluxul prin suprafaţa închisă de spiră şi curentul prin spiră există relaţia: Φ =L*I unde L este inductanţa bobinei. Unitatea de măsură a inductanţei este Henry [H]:

Se consideră o bobină formată din N spire
Se consideră o bobină formată din N spire. La trecerea unui curent I prin bobină, aceasta produce un flux magnetic care strbate suprafața fiecărei spire. Prin flux magnetic total se înelege fluxul care strbate suprafața totală limitată de circuitul electric. În cazul unei bobine suprafața totală se compune din suma suprafețelor spirelor și, prin urmare, fluxul magnetic total este egal cu suma fluxurilor care strbat suprafața fiecărei spire în parte (numite fluxuri fasciculare):

Fluxul magnetic care înlănțuie circuitul electric străbătut de curentul care-l produce poartă denumirea de flux de inducție proprie. Inductanța bobinei, legată de existența fluxului propriu, se numește inductanță proprie și se exprimă, conform relației 2.16: Două sau mai multe bobine se numesc cuplate prin inducție mutuală dacă sunt înlănțuite de un flux magnetic comun, produs de curentul care circulă prin una sau mai multe bobine.

Dacă la bornele unei bobine ideale (pur inductivă) se plică o tensiune alternativ sinusoidală prin bobină va lua naştere un curent alternativ sinusoidal defazat cu în urma tensiunii aplicată la borne de forma: Legătura între tensiunea aplicată la bornele bobinei şi curentul prin bobină este dată de relaţia: XL se numeşte reactanţa inductivă.

Bobina este un element de circuit realizat pentru a putea acumula energie electrică sub formă de câmp magnetic. Relatia spune ceva importat despre comportarea unei bobine funcţie de curent şi anume dacă curentul este continuu, adică este de valoare constantă în timp, di/dt este zero iar tensiunea la borne este zero. Ceea ce înseamnă că în curent continuu bobina este echivalentă cu o rezistenţă zero, un scurtcircuit.

Din punct de vedere energetic, bobina este un element care poate acumula energie electrică sub formă de câmp magnetic. Energia acumulată depinde pe de o parte de curent, pe de alta de valoarea inductanţei. Sunt numeroase cazurile în care bobina este înfaşurată pe un miez de fier (fier electrotehnic, dar exista şi miezuri din alte materiale cu proprietăţi magnetice foarte bune) ceea ce-i creşte mult inductanţa si prin urmare eficacitatea.

În realitate însă, bobina pe lângă reactanţa inductivă mai prezintă şi o rezistenţă ohmică (rezistenţa conductorului din care este realizată bobina). Fig Reprezentarea bobinei reale (a); Diagrama fazorială a tensiunilor şi curentului (b) Tensiunea u(t) aplicată la bornele unei bobine reale, determină apariţia unui curent i(t), curent care determină pe cele două elemente, câte o tensiune electrică, uL(t) şi uR(t).

Considerând tensiunea aplicată bobinei alternativ sinusoidală, din diagrama fazorială va rezulta:
U cos sint + U sin cost = RLI sint + XLI cost Pentru ca acestă relaţie să fie adevărată indiferent de valoarea timpului t, vor rezulta următoarele relaţii: unde Z este impedanţa bobinei.

Curentul ce traversează elementele circuitului determină pentru fiecare în parte următoarele puteri:
-pe rezistenţa RL determină o putere activă: -pe reactanţa inductivă XL, o putere reactivă: -pe impedanţa Z, o putere aparentă: O bobină este cu atât mai bună cu cât puterea reactivă este mai mare decât puterea activă. Puterea activă a unei bobine ideale este 0. Raportul dintre aceste puteri se numeşte factor de calitate a bobinei: Energia magnetică înmagazinată într-o bobină parcursă de curent este:

Bobinele sunt utilizate, printre altele, la realizarea releelor
Bobinele sunt utilizate, printre altele, la realizarea releelor. Releul este în esenţă un comutator electric, alcătuit dintr-un electromagnet şi unul sau mai multe contacte. În Fig.2.11 este prezentată construcţia şi principiul de funcţionare într-o schemă electrică. Aplicând o mică tensiune la terminalele de intrare (12V sau 24V), electromagnetul atrage armătura metalică închizând astfel contactul din circuitul de putere alimentat la 220V. Fig Construcţia şi principiul de funcţionare al unui releu Aplicaţia 2.6: O bobină absoarbe un curent de 2A de la o sursă de tensiune continuă de 12V. Conectând-o la o sursă de tensiune alternativă de valoare efectivă 240V şi frecvenţa 50Hz, ea absoarbe un curent efectiv de 20A. Să se determine: rezistenţa, impedanţa, reactanţa inductivă şi inductanţa bobinei.

Condensatorul Condensatorul reprezintă un ansamblu format din două suprafeţe metalice numite armături între care se găseşte un material dielectric caracterizat prin permitivitate dielectrică. Ca material dielectric se utilizează aerul, vidul sau alt material izolator. Principala caracteristică este capacitatea electrică C. Cu ajutorul condensatoarelor se pot realiza diferite circuite ca: filtre, oscilatoare, diferenţiatoare, integratoare, e.t.c. Înainte de discutarea câtorva dintre aceste circuite, să vedem ce este de fapt un condensator. Fig Condensator plan Dacă la bornele unui condensator se aplică o tensiune continuă V sarcina electrică acumulată în armăturile sale este: Q=C*V Cu cât capacitatea condensatorului este mai mare, cu atât sarcinile electrice acumulate sunt mai numeroase. Astfel, condensatorul joacă rolul unui rezervor de sarcini electrice.

Pentru a înţelege mai bine fenomenele ce au loc într-un condensator, putem compara condensatorul cu un rezervor hidraulic (Fig.2.13). Cantitatea de lichid stocată în rezervor corespunde sarcinii electrice înmagazinate în condensator Q, nivelul lichidului corespunde tensiunii electrice aplicate V, iar mărimea rezervorului corespunde capacităţi electrice a condensatorului C (Fig.2.13.a). Atunci când se introduce lichid în rezervor (sau când se injectează curent) nivelul lichidului (tensiunea la bornele condensatorului) creşte (Fig.2.13.b). Fig Asemănarea unui condensator cu un rezervor hidraulic

Atunci când la bornele condensatorului aplicăm o tensiune electrică, între cele două armături ia naştere un câmp electric

Să vedem modul de încărcare şi de descărcare al unui condensator (Fig
Cu comutatorul pe poziţia 1 condensatorul începe să se încarce prin rezistenţa R cu sarcini pozitive pe armătura stângă şi cu sarcini negative pe armătura dreaptă. Sensul curentului prin ampermetrul A este de la stânga la dreapta (S-a stabilit convenţional că sensul curentului este de la + la -). Iniţial, când condensatorul este descărcat, tensiunea la bornele sale este zero. Ca urmare curentul de încărcare va fi dat de legea lui Ohm: I=(V-0)/R Odată cu încărcarea condensatorului, tensiunea V la bornele sale creşte şi curentul de încărcare va scădea tinzând spre zero (V≈Vc): I=(V-Vc)/R Astfel, cu cât creşte mai mult tensiunea la bornele condensatorului, cu atât încârcarea condensatorului este mai lentă (Fig.2.15).

Trecând comutatorul pe poziţia 2, condensatorul începe să se descarce
Trecând comutatorul pe poziţia 2, condensatorul începe să se descarce. Acum sensul curentului este invers faţă de curentul de încărcare. După un anumit moment de timp, curentul şi tensiunea pe condensator se anulează (tind spre zero). Fig Evoluţia curentului şi a tensiunii de încărcare/descărcare a condensatorului

Există multe tipuri de condensatoare, funcţie de materialul dielectric şi de forma electrozilor (Fig.2.16). Condensatoare polarizate (electrolitice) În funcţie de necesităţi condensatoarele pot fi grupate în serie sau în paralel (Fig.2.17). Fig Grupare serie (a) şi grupare paralel (b)

Legarea în serie este echivalentă cu mărirea distanţei dintre armături
Legarea în serie este echivalentă cu mărirea distanţei dintre armături. Capacitatea echivalentă a grupării este mai mică decât oricare dintre capacităţile parţiale. Legarea în paralel este echivalentă cu mărirea suprafeţei armăturilor astfel încât capacitatea echivalentă este suma capacităţilor parţiale: În general legarea în paralel este utilizată pentru obţinerea unei capacităţi de valoare superioară, în timp ce legarea în serie este utilizată pentru extinderea domeniului de tensiune. Un condensator este caracterizat prin capacitatea sa C şi prin tensiunea nominală Vn. Prin gruparea în serie, paralel sau mixt se obţin capacităţi şi tensiuni nominale dorite. Aplicaţia 2.7: Să se determine capacitatea echivalentă între punctele a şi b, dacă cele 3 capacităţi sunt egale cu 3µF.

Dacă la bornele unui condensator se aplică o tensiune alternativ sinusoidală cu frecvenţa f atunci pe cele două armături se vor acumula sarcini electrice care îşi schimbă semnul în pas cu frecvenţa f. Cu alte cuvinte electronii trec de pe o armătură pe alta prin circuitul exterior şi nu prin dielectric. Deplasarea de electroni prin acest circuit reprezintă un curent alternativ cu aceiaşi frecvenţă f ca cea a tensiunii aplicate, de aceiaşi formă cu aceasta şi având amplitudinea direct proporţională cu amplitudinea tensiunii, cu frecvenţa (pulsaţia) şi cu capacitatea condensatorului. Aplicând la bornele unui condensator ideal (pur reactiv), o tensiune alternativ sinusoidală de forma , u=Umsint prin circuitul rezultant va lua naştere un curent, defazat înaintea tensiunii cu /2, de forma:

Legătura între tensiunea aplicată la bornele condensatorului şi curentul prin circuitul exterior format este dată de relaţia: XC se numeşte reactanţa capacitivă.

Condensatorul este un element de circuit realizat pentru a putea acumula sarcină electrică.
Relatia spune ceva importat despre comportarea unui condensator funcţie de tensiunea la borne şi anume dacă tensiunea este continuă, adică este de valoare constantă în timp, du/dt este zero iar curentul este zero. Ceea ce înseamnă că în curent continuu este echivalent cu un contact electric deschis sau o rezistenţă infinită. Din punct de vedere energetic, condensatorul este un element care poate acumula energie electrică sub formă de câmp electric. O categorie aparte de condensatoare sunt condensatoarele polarizate. Acestea, spre deosebire de condensatoarele obişnuite, nu suportă în funcţionare decât tensiune de o anumită polaritate.

Circuite compuse în curent alternativ (Filtre)
Circuitul RC

Fig Caracteristica de frecvenţă a unui filtru trece – jos (a) şi respectiv a unui filtru trece – sus (b) Circuitele care determină o modificare a tensiunii de ieşire în funcţie de frecvenţa tensiunii aplicată la intrare se numesc filtre. Când la creşterea frecvenţei semnalului de intrare peste o anumită valoare numită frecvenţă de tăiere (de bandă), amplitudinea semnalului de ieşire scade, circuitul respectiv se numeşte filtru trece – jos (FTJ). Este cazul circuitului R-C când semnalul de ieşire este cules de la bornele condensatorului. Când la scăderea frecvenţei semnalului de intrare sub o anumită valoare numită frecvenţă de tăiere (de bandă), amplitudinea semnalului de ieşire scade, circuitul respectiv se numeşte filtru trece – sus (FTS). Este cazul circuitului R-C când semnalul de ieşire este cules de la bornele rezistenţei. Frecvenţa de tăiere este frecvenţa la care filtru introduce o atenuare de -3 dB sau de 0,707.

În unele cazuri este necesară folosirea unor circuite capabile să filtreze selectiv o anumită frecvenţă, sau un domeniu de frecvenţe, dintr-un circuit ce conţine o combinaţie de frecvenţe. Un filtru, este un circuit special de curent alternativ, utilizat pentru separarea anumitor frecvenţe dintr-un semnal cu frecvenţe multiple. O aplicaţie populară pentru circuitele de filtrare o reprezintă filtrarea sistemelor audio, unde este necesar ca anumite domenii de frecvenţe să fie amplificate sau înlăturate pentru obţinerea unui sunet de cea mai înaltă calitate şi eficienţă.

Filtrarea unui sistem audio

Un condensator conectat în serie cu tweeter-ul (înaltele) are rolul de filtru trece-sus, impunând circuitului de ieşire o impedanţă mare frecvenţelor joase (bas), prevenind astfel risipa de putere pe un difuzor ce este ineficient în reproducerea acestor sunete. Asemănător, bobina conectată în serie cu woofer-ul (bas) are rolul de filtru trece-jos, permiţând doar trecerea acelor sunete pe care difuzorul le şi poate reproduce cu succes. În acest circuit simplu, difuzorul pentru frecvenţele medii este supus întregului spectru de frecvenţe produs de aparatul stereo.

Câteodată se folosesc sisteme de filtrare mult mai elaborate, dar ideea generală este aceasta. În acest exemplu este prezentat doar un singur canal (stânga sau dreapta). Un sistem real ar conţine 6 difuzoare: 2 joase, 2 medii şi 2 înalte. Pentru a mări şi mai mult performanţele acestui sistem, am putea construi un circuit de filtrare capabil să permită trecerea frecvenţelor ce se află între joase şi înalte spre difuzorul de medii, astfel încât să nu existe putere disipată (de frecvenţă înaltă sau joasă) pe un difuzor ce reproduce acest tip de sunete ineficient.

4. Componente active de circuit electronic
Noţiunea de semiconductor. Joncţiunea p-n Din punct de vedere al conductibilităţii materiale se împart în conductoare, semiconductoare şi izolatoare. Asemănarea fundamentală între cele trei categorii constă în faptul că toate au structura internă bazată pe atomi, constituiţi la rândul lor din nucleu şi electroni. Cu cât orbitele electronilor sunt mai departe de nucleu, forţele de legătură cu acesta sunt mai slabe şi astfel electronii pot fi îndepărtaţi mai uşor prin aplicarea unei energii exterioare. Electronii de pe ultimul strat (orbită) se numesc electroni de valenţă. În Fig.5.1. sunt prezentate diagramele energetice ale celor trei categorii de materiale.

Fig.5.1. Diagrama energetică a materialelor: conductoare (a); semiconductoare (b); izolatoare (c)
Prin aplicarea unei energii exterioare un număr de electroni din banda de valenţă (BV) pot fi smulşi devenind electroni liberi. Sub acţiunea unui câmp electric exterior care îi dirijează ei formează curentul electric, trecând în banda de conducţie (BC). Dacă energia exterioară aplicată unui semiconductor este mai mică decât pragul necesar trecerii în BC, electronii de valenţă trec în aşa numita bandă interzisă (BI) după care ei revin înapoi în BV.

Semiconductoarele sunt materiale care stau la baza realizării componentelor active (ex: diode, tranzistoare, etc.). La acestea, spre deosebire de conductoare şi izolatoare, conductibilitatea depinde foarte mult de temperatură, iluminare sau de impurificarea cu materiale sau cu atomi străini. Materialele semiconductoare uzuale sunt germaniu şi siliciu, ambele făcând parte din grupa a VI-a, având deci 4 electroni de valenţă pe ultima orbită. Semiconductorul pur, la rece, se comportă ca un izolator. Electronii de valenţă fiind bine fixaţi asigurând legăturile dintre atomi. Ca urmare nu există purtători de sarcină (electroni sau goluri) liberi.

Fig.5.2. Semiconductor pur

Semiconductorul de tip N constă dintr-un semiconductor pur în a cărui reţea cristalină s-au introdus atomi cu 5 electroni de valenţă din grupa a V-a (ex: Arseniu As). Patru legături de valenţă ai arseniului asigură legăturile cu atomii vecini ai semiconductorului iar cel de-al 5-lea rămânând slab legat de atomul său devine disponibil (liber) şi chiar la temperaturi obişnuite poate căpăta o mişcare liberă. Aceşti atomi capabili să producă electroni liberi se numesc donori. Fig.5.3. Semiconductoare de tip N

Semiconductorul de tip N constă dintr-un semiconductor pur în a cărui reţea cristalină s-au introdus atomi cu 5 electroni de valenţă din grupa a V-a (ex: Arseniu As). Patru legături de valenţă ai arseniului asigură legăturile cu atomii vecini ai semiconductorului iar cel de-al 5-lea rămânând slab legat de atomul său devine disponibil (liber) şi chiar la temperaturi obişnuite poate căpăta o mişcare liberă. Aceşti atomi capabili să producă electroni liberi se numesc donori. Fig.5.3. Semiconductoare de tip P

Concluzionând, semiconductorul de tip N conţine sarcini negative în exces (electroni), iar semiconductorul de tip P sarcini pozitive în exces (goluri) care se pot deplasa prin reţeaua cristalină a semiconductorului sub influenţa unor cauze energetice aplicate din exterior (căldură, lumină, forţă electromotoare, etc). Dotarea semiconductoarelor pure se poate face prin diverse procedee tehnologice ca: alierea, difuzia, implantarea ionică etc. Dacă într-un cristal semiconductor se creează prin dotare (impurificare) două zone vecine, una de tip P şi alta de tip N se spune că s-a obţinut o joncţiune P-N. Joncţiunea p-n are proprietăţi speciale şi stă la baza majorităţii dispozitivelor semiconductoare şi implicit a electronicii moderne.

Fig.5.4. Joncţiunea P-N nepolarizată
Această joncţiune nu se poate obţine printr-o simplă alipire a două regiuni impurificate de tip P şi respectiv N, deoarece metodele tehnologice actuale de alipire fac ca distanţa dintre cele două regiuni să fie foarte mare (distanţa interatomică la Si şi Ge are ordinul de mărime m). În aceste condiţii fenomenele de trecere dintr-o zonă în alta a purtătorilor de sarcină ar fi împiedicat, cele două regiuni rămânând astfel izolate. Fig.5.4. Joncţiunea P-N nepolarizată

Fig.5.5. Joncţiunea P-N polarizată: invers (a); direct (b)
Dacă la extremităţile joncţiunii P-N se aplică o sursă exterioară de tensiune, cu borna negativă pe regiunea P şi cu borna pozitivă pe regiunea N atunci electronii sunt atraşi de borna pozitivă iar golurile de borna negativă a barierei. Stratul de barieră se lărgeşte şi joncţiunea este blocată. Se spune că joncţiunea P-N este polarizată invers. Cu toate că joncţiunea P-N este polarizată invers apare totuşi un curent de valoare foarte mică Iinv datorat deplasării golurilor din regiunea N spre regiunea P, respectiv electronilor din P spre N. Acest curent se numeşte curent invers. Dacă la extremităţile joncţiunii P-N se aplică o sursă exterioară de tensiune, cu borna pozitivă pe regiunea P şi cu cea negativă pe regiunea N se spune că joncţiunea P-N este polarizată direct. Câmpul electric datorat sursei fiind de sens contrar potenţialului de barieră, golurile din zona P vor migra spre borna negativă iar electroni din zona N spre cea pozitivă astfel că prin circuitul exterior se va închide un curent Idir numit curent direct. Fig.5.5. Joncţiunea P-N polarizată: invers (a); direct (b)

Diode semiconductoare
Sunt alcătuite dintr-o joncţiune PN la care s-au ataşat 2 contacte. Din motive de protecţie faţă de mediul exterior, joncţiunea este introdusă într-o capsulă metalică, din sticlă sau din plastic. Regiunea P se numeşte anodul diodei iar regiunea N catodul diodei. Dacă aplicăm diodei, o tensiune continuă UD cu plusul pe anod şi minusul pe catod, după depăşirea unei anumite valori UD0 (tensiune de prag), dioda începe să se deschidă şi prin ea va circula un curent Id (curent direct), curent care creşte parabolic cu creşterea tensiunii UD. Aplicând o tensiune continuă cu minusul pe anod şi cu plusul pe catod, dioda este blocată sau este polarizată inversă, curentul prin diodă având o valoare mică. Dacă tensiunea inversă depăşeşte o anumită valoare Ustr, numită tensiune de străpungere, curentul prin diodă creşte brusc ducând la distrugerea diodei prin efect termic. Fig.5.7. Simbolul și caracteristica curent – tensiune a unei diode semiconductoare

Aplicaţia 5.1: Să se determine curentul prin circuitul alăturat dacă dioda este:
a) cu siliciu; b) cu germaniu. Aplicaţia 5.2: Considerăm circuitul din Fig.5.8, alcătuit dintr-o diodă cu catodul la masă şi anodul legat printr-o rezistenţă de 1k la o sursă de tensiune continuă de 10V. Să se determine curentul prin diodă, dacă tensiunea pe aceasta este UD=0,62V (măsurată în punctul B). Fig.5.8. Circuitul analizat

După utilizarea lor practică, diodele semiconductoare se împart în mai multe categorii, astfel:
Dupa materialul din care se realizeaza: - dioda cu germaniu, - dioda cu siliciu. Dupa caracteristicile jonctiunii: - dioda redresoare - dioda stabilizatoare de tensiune (dioda Zener) - dioda electroluminiscentă (LED) - dioda de comutatie - dioda cu capacitate variabila (varactor sau varicap) - dioda tunel - dioda diac - dioda Gunn -dioda Schottky

Circuite de redresare Diodele redresoare sunt proiectate şi fabricare special pentru redresarea semnalelor alternative. Acestea prezintă o rezistenţă mică la trecerea curentului direct (polarizare directă) şi o rezistenţă foarte mare la polarizarea inversă a joncţiunii. Un circuit de readresare este compus în general din trei părţi: transformator, redresor şi filtru. Rolul circutelor de redresare este de a obţine un curent de un singur sens prin sarcină. Acest curent este, în lipsa filtrului, pulsatoriu. Filtrul are rolul de a separa componenta continuă de componentele alternative ale curentului redresat. Redresoarele monofazate se utilizează pentru puteri mai mici de 1KW. Redresoarele se clasifica dupa numeroase criterii , cele mai importante fiind numarul de faze, tipul schemei, posibilitatea reglarii tensiunii de iesire.

Dupa numarul de faze al sursei, care este de obicei reteaua electrica, redresoarele se clasifica in:
- redresoare monofazate - redresoare trifazate Dupa tipul de schema: - redresoare monoalternață - redresoare bialternanță cu punct median - redresoare bialternanță in punte Dupa posibilitatea reglarii tensiunii de iesire: - redresoare necomandate - redresoare comandate

Schema bloc a unui redresor

Schemă de redresare monofazată, monoalternanţă, cu sarcină rezistivă

Scheme de redresare monofazate, bialternanţă, cu sarcină rezistivă
Schemă de redresare cu punct median

Schemă de redresare în punte

Filtrarea tensiunii redresate
La toate schemele de redresare studiate a rezultat că tensiunea redresată care se aplică sarcinii nu este ideal continuă. Obţinerea la bornele rezistenţei de sarcină a unei tensiuni cât mai continue (cu factor de ondulaţie mic) necesită diminuarea componentei alternative din tensiunea redresată, operaţie ce se realizează cu ajutorul filtrelor. Funcţionarea filtrelor se bazează pe proprietatea bobinelor conectate în serie cu Rs de a avea o rezistenţă neglijabilă pentru componenta continuă a curentului şi o reactanţă mare pentru componena alternativă din curentul redresat, respectiv pe proprietatea capacităţilor mari, conectate în paralel cu sarcina de a şunta componenta alternativă.

Filtrele utilizate frecvent la redresoarele de mică putere au schemele din Fig.5.13.
Fig Tipuri de filtre

Schema unui redresor monofazat monoalternanţă cu filtru capacitiv este prezentată în Fig.5.14.
În intervalul de timp 0..t1, u2>uC şi deci uD>0. Ca urmare dioda D conduce şi condensatorul se încarcă prin secundarul transformatorului şi diodă. Rezistenţa de încărcare Ri este foarte mică: Ri=rD+rTr. rD – rezistenţa în conducţie directă a diodei rTr – rezistenţa înfăşurării secundare a transformatorului Constanta de timp de încărcare a condensatorului Ti=Ri*C, rezultă foarte mică, deci condensatorul se încarcă rapid. După intervalul de timp t1, tensiunea u2 scade, astfel că ud=u2-uc este negativă şi deci dioda se blochează, iar condensatorul începe să se descarce prin rezistenţa de sarcină Rs. Constanta de timp de descărcare a condensatorului Td=Rs*C >>Ti şi deci tensiunea uC scade lent până în momentul t2, când dioda se deschide iar şi condensatorul se încarcă iarăşi până în momentul t3. Tensiunea pe condensator are mici oscilaţii în jurul valorii U0, care reprezintă componenta continuă a tensiunii la bornele sarcinii. Valoarea tensiunii continue U0 precum şi amplitudinea componentei alternative depind mult de valoarea rezistenţei de sarcină Rs. Odată cu micşorarea lui Rs, scade U0, iar componenta alternativă creşte.

Diode stabilizatoare (Zener)
Sunt fabricate special pentru funcţionarea în zona de străpungere nedistructivă (cu polarizare inversă), zonă în care tensiunea pe diodă rămâne practic constantă pentru un interval larg de variaţie al curentului prin diodă. Se observă că pentru un interval mare de variaţie a curentului din diodă cuprins între Izm şi IzM , tensiunea pe diodă variază într-un interval foarte mic cuprins între Uzm şi UzM putând fi considerată că rămâne practic constantă. Fig Caracteristica curent – tensiune (a) şi simbolul (b) al diodei Zener Principalii parametrii ai unei diode Zener sunt tensiunea nominală UzN, curentul nominal IzN, tensiune minim Uzm, tensiune maximă UzM, curent minim Izm, curent maxim IzM, puterea disipată maximă PzM = UzM * IzM şi rezistenţă dinamică. (5.19) Diodele Zener sunt utilizate pentru menţinerea constantă a tensiunii pe o anumită sarcină de curent continuu.

Fig.5.17. Stabilizator derivaţie
În Fig.5.17 este prezentată o schemă de principiu a unui stabilizator derivaţie. Din caracteristica diodei Zener (Fig.5.16) se observă că la variaţii mari ale curentului prin diodă ΔIz, datorate unor variaţii mari ale tensiunii de intrare ΔUin se obţine o variaţie mică a tensiunii la bornele diodei şi deci şi la bornele sarcinii ΔUz= ΔUs=constant. Aceste stabilizatoare se folosesc pentru a stabiliza tensiuni de ordinul 4-50V, pentru curenţi de sarcină de mA. Pentru a obţine tensiuni stabilizate mai mari se pot conecta mai multe diode Zener în serie. Rolul rezistenţei R este de a limita curentul prin dioda Zener la valori cuprinse între Izm şi IzM. Fig Stabilizator derivaţie

Tranzistoare bipolare
Se numesc bipolare întrucât la conducţia curentului electric participă atât purtătorii ambele tipuri de purtători: goluri şi electroni. Un tranzistor bipolar este constituit din trei zone alternante ca dotare, PNP sau NPN, realizate pe acelaşi monocristal de Si sau Ge. Zona centrală este foarte subţire comparativ cu cele extreme şi se numeşte bază (B). Zonele extreme se numesc emitor (E) şi respectiv colector (C). Există două tipuri de tranzistoare : NPN şi PNP. Săgeata din simbolul tranzistorului indică sensul de trecere al curentului principal între colector şi emitor. Datorită modului de realizare, apar două joncţiuni PN: joncţiunea E-B (joncţiunea emitorului) şi joncţiunea B-C (joncţiunea colectorului). Fig Tranzistor NPN (a) şi PNP (b) Fig Tipuri de capsule utilizate pentru tranzistoare

Fig. Curenţii şi tensiunile tranzistorului bipolar
Se pot defini trei curenţi şi trei tensiuni, dar pentru descrierea funcţionării nu sunt necesare toate aceste şase mărimi. Tensiunile şi curenţii sunt legate prin relaţiile: uCB = uCE + uEB şi iE = iB + iC Fig. Curenţii şi tensiunile tranzistorului bipolar

În funcţie de tensiunile aplicate unui tranzistor bipolar se deosebesc 4 regiuni (zone de funcţionare): 1 – regiunea activă normală, în care joncţiunea emitorului este polarizată direct iar joncţiunea colectorului este polarizată invers; 2 – regiunea de blocare, în care ambele joncţiuni sunt polarizate invers 3 – regiunea de saturaţie în care ambele joncţiuni sunt polarizate direct 4 – regiunea activă inversă în care colectorul ia locul emitorului şi invers, deci joncţiunea colectorului este polarizată direct în timp ce joncţiunea emitorului este polarizată invers. Efectul de tranzistor apare în regiunea activă normală. Pentru a studia acest efect vom considera funcţionarea unui tranzistor PNP, în regiunea activă normală.

Fig.5.19. Curenţii care apar într-un tranzistor PNP, în regiunea activă normală
Polarizările celor 2 joncţiuni se fac cu circuite de polarizare exterioare tranzistorului. Datorită polarizării directe a joncţiunii emitorului, purtătorii majoritari ai acestuia (golurile) vor difuza masiv în volumul bazei formând curentul IpE, iar electronii din bază vor difuza în emitor formând curentul InB. Deoarece baza este foarte subţire şi slab impurificată cea mai mare parte a golurilor din emitor vor ajunge în joncţiunea colectorului. Această joncţiune fiind polarizată invers cu tensiunea EC, apare un câmp electric care accelerează deplasarea golurilor spre borna minus a sursei EC. Doar o mică parte din golurile injectate în bază nu trec în colector, recombinându-se cu electronii din bază şi formând curentul IpB. Curentul ICBO este curentul purtătorilor minoritari din colector (electroni) care difuzează în bază datorită polarizării inverse a joncţiunii colectorului. De menţionat că sensul convenţional al curenţilor de electroni InB şi ICB0 este invers sensului deplasării electronilor.

Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar sunt grafice ce reprezintă dependenţa dintre curenţii ce trec prin bornele tranzistorului şi tensiunile ce se aplică la aceste borne. Tranzistorului fiind un dispozitiv cu trei borne, în orice schemă electrică el poate fi conectat în trei moduri diferite: conectare cu baza comună (BC) (Fig a), conectare cu emitorul comun (EC) (Fig b) şi cu colectorul comun (CC) (Fig c). a – bază comună; b – emitor comun; c – colector comun Fig Moduri fundamentale de conectare ale tranzistorului

Surse de polarizare a tranzistorului
Putem însă folosi ceva total diferit pentru a controla o lampă (pornit/oprit). De exemplu, putem folosi o pereche de celule solare pentru generarea unei tensiuni de 1 V, pentru depăşirea tensiunii directe de 0,7 V (VBE) între bază şi emitor, tensiune necesară pentru apariţia curentului de bază

Sau putem folosi mai multe termocuple conectate în serie pentru generarea curentului bazei necesar pornirii tranzistorului.

Putem folosi chiar şi un microfon, care cu o tensiune şi un curent (printr-un amplificator) suficient de mari, ar putea pune tranzistorul în funcţiune. Desigur, ieşirea microfonului va trebui redresată din curent alternativ în curent continuu, pentru ca joncţiunea emitor-bază să fie tot timpul polarizată direct.

Observaţii Ceea ce vrem să demonstrăm, este că orice sursă de tensiune în curent continuu, capabilă să pornească tranzistorul, poate fi folosită pentru controlul lămpii, iar puterea acestei surse de tensiune trebuie să fie doar o fracţiune din puterea circuitului controlat. Tranzistorul în acest caz nu se comportă doar ca un întrerupător, ci şi ca un amplificator: folosind un semnal de putere relativ mică pentru controlul unui semnal de putere relativ mare. Atenţie, puterea necesară aprinderii lămpii este furnizată de bateria din circuitul principal, şi nu de celula solară, termocuplă sau microfon. Acestea din urmă doar controlează puterea bateriei pentru aprinderea lămpii.

Dispozitive optoelectronice
Dispozitivele optoelectronice reprezintă elemente care transformă energia radiaţiilor luminoase (sau a altor radiaţii din spectrul invizibil) în energie electrică sau invers. Transformarea energiei radiaţiei electromagnetice în energie electrică şi invers se face în mod direct, fără intermediul altor forme de energie. Funcţionarea dispozitivelor optoelectronice se bazează pe următoarele fenomene fizice: - conversia energiei electrice în energie de radiaţie electromagnetică datorită combinării radiative a purtătorilor mobili de sarcina în semiconductoare (pentru LED-uri); - conversia radiaţiei electromagnetice (absorbita in corpul solid) in energie electrica (pentru fotoelemente, fotodiode, fototranzistoare, fototiristoare, etc.).

Radiatie luminoasa Procese electronice Procese
Energie electrica Procese electronice Energia electrica Radiatie electromagnetica (energie luminoasa) Procese termice

Functiile dispozitivelor optoelectronice
Energie luminoasa Diode electroluminiscente Energie electrica Celule solare (Fotoelemente) Fotorezistenta Fotodioda Fototranzistorul Energie electrica Energie luminoasa

Fotoelementul, reprezintă un dispozitiv optoelectronic care nu necesită alimentarea de la o sursă de tensiune exterioară, el generând o anumită tensiune atunci când este iluminat. Fotorezistenţa, este formată dintr-o peliculă semiconductoare depusă prin evaporarea în vid pe un grătar metalic fixat în prealabil pe o placă izolatoare. Această peliculă se protejează de obicei prin acoperire cu lac sau peliculă de masă plastic. Acestea au proprietatea de a-şi modifica valoarea rezistenţei electrice sub acţiunea fluxului luminos. Într-un circuit care conţine un astfel de dispozitiv alimentat de la o sursă de tensiune constantă, curentul va creşte odată cu iluminarea fotorezistorului.

Variaţia rezistenţei lor cu temperatura şi inerţia ridicată în funcţionare, constituie inconvenientele acestor dispozitive. Principalii parametri ai fotorezistenţei sunt: - Rezistenţa de întuneric, (R0); - Sensibilitatea, (S). Fotodioda, nu diferă din punct de vedere a structurii fizice faţă de diodele obişnuite. Fotodioda este constituită dintr-o jonctiune pn de construcţie specială, astfel încât să facă posibilă incidenţa razelor de lumină în domeniul zonei de difuzie a acesteia. În funcţionarea normală jonctiunea pn este polarizată invers cu ajutorul unei sursei externe. Incidenţa razelor de lumină în zona de difuzie determină o creştere a curentului invers. Pot fi folosite la frecvenţe de ordinul miilor de Hz.

Principalii parametrii ai unei fotodiode sunt:
- Curentul de întuneric, (ID); - Tensiunea inversă maximă, URM); - Curentul de iluminare, (IL); - Sensibilitatea, (S). Fototranzistorul, este format din trei zone (pnp sau npn) numite colector, bază şi emitor. Zona sensibilă la lumină formând-o joncţiune bază-colector. Spre deosebire de fotodiode fototranzistoarele realizează şi o amplificare a curentului fotoelectric. Fluxul luminos are rolul curentului de bază de aceea fototranzistorul nu este prevăzut cu terminalul pentru bază.

În circuite fototranzistorul se montează în conexiune emitor comun, polarizarea făcânduse ca şi la tranzistor, emitorul la potenţialul negativ iar colectorul la potenţialul pozitiv pentru un tranzistor npn. Inerţia în funcţionare a fototranzis-torului este mai mare decât a fotodiodei. Dioda electroluminișcentă (LED): această diodă are proprietatea de a emite lumină atunci când este polarizată direct.

Joncţiunile realizate cu GaAs emit radiaţii electromagnetice în domeniul infraroşu (IR), iar introducerea atomilor de fosfor deplasează maximul de emisie spre regiunea vizibilă a spectrului. Se realizează astfel LED-uri emiţând lumină de culoare roşie, galbenă sau verde, în funcţie de dopant. Parametrii electrici ai diodelor electroluminiscente sunt apropiaţia ca valoare de cei ai diodelor obişnuite: - curentul direct maxim are valori de ordinul zecilor de miliamperi; - tensiunea de deschidere a joncţiunii variază de la 1,2V pentru un LED ce emite în IR şi poate ajunge la 3V pentru cele ce emit lumină verde. - tensiunea inversă poate avea valoarea maximă de câţiva volţi. Printr-o tehnologie specială se pot realiza diode electroluminiscente a căror lumină emisă are caracteristicile luminii laser – monocromaticitate pronunţată, directivitate, coerenţă. Acest dispozitiv poartă numele de diodă laser.

Optocuplorul, este ansamblul format dintr-un LED şi un receptor luminos (fotodiodă, fototranzistor) montat într-o capsulă comună opacă. Aceste dispozitive au o gamă largă de aplicaţii ele putând înlocuii relee, putând izola partea de forţă de partea de comandă în sistemele automate şi în multe alte aplicaţii. Într-un astfel de dispozitiv se transmit date într-un singur sens, de la intrare la ieşire.

De obicei randamente de transfer relativ ridicate se obţin în domeniul frecvenţelor infraroşii. Optocuploarele pot fi utilizate pentru transfer de semnale atât de curent continuu, cât şi de curent alternativ, frecvenţa limită fiind ordinul zecilor de MHz. Pe lângă parametrii ce se referă separate la emiţător şi receptor, parametrii specifici optocuplorului sunt: - Tensiunea de lucru care este diferenţa de potenţial între emitor şi receptor; - Factorul de transfer în curent care este egal cu raportul dintre variaţia curentului la ieşire şi variaţia curentului la intrare; - Timpul de răspuns care reprezintă timpul scurs între momentul aplicării semnalului luminos şi cel la care fotocurentul creşte până la 0,1 din valoarea sa maximă.

ELECTROTEHNICĂ ȘI ELECTRONICĂ Conf.dr.ing. Mihai BOGDAN e-mail: mihai.bogdan@ulbsibiu.ro webpage: www.mihaibogdan60.wordpress.com 2014.

Similar presentations

Presentation on theme: "ELECTROTEHNICĂ ȘI ELECTRONICĂ Conf.dr.ing. Mihai BOGDAN e-mail: mihai.bogdan@ulbsibiu.ro webpage: www.mihaibogdan60.wordpress.com 2014."— Presentation transcript:

Similar presentations

About project

Feedback

Log in

Auth with social network:

ELECTROTEHNICĂ ȘI ELECTRONICĂ Conf.dr.ing. Mihai BOGDAN e-mail: mihai.bogdan@ulbsibiu.ro webpage: www.mihaibogdan60.wordpress.com 2014.

Similar presentations

Presentation on theme: "ELECTROTEHNICĂ ȘI ELECTRONICĂ Conf.dr.ing. Mihai BOGDAN e-mail: mihai.bogdan@ulbsibiu.ro webpage: www.mihaibogdan60.wordpress.com 2014."— Presentation transcript:

Similar presentations

About project

Feedback