ЕлектрическиЕлектрическиверигивериги

Лекция 3Лекция 3 Съдържание на Лекция 3Съдържание на Лекция 3

Основни елементи на електрическите вериги3.1 Източници на ток и напрежение. Съгласуване на източник и

товар – основни принципи.3.2 Пасивни елементи и техните характеристики: резистори,

кондензатори, бобини. Съвременна SMD-технология.

33.1.1 Източници на ток и Източници на ток инапрежение. Съгласуване нанапрежение. Съгласуване на

източник и потребител.източник и потребител.

Лекция 3Лекция 3 Електрическа верига е съвкупност от краен брой елементи (дискретни елементи, lumpedelements) от следния тип: Източници (на напрежение или на ток; при по-високи честоти – на мощност); Пасивни (линейни) елементи (резистори, кондензатори, бобини) Активни (нелинейни) елементи (диоди и транзистори)

Електрически елементи и вериги

Източниците поддържат електрическата схема“енергетично”. Те създават насочено движениена носителите (заредени частици), които пред-извикват различни процеси в другите елементина веригата. Консуматорите (пасивни и активнипотребители) “потребяват” енергията, произве-дена от източниците. Пасивните консуматорипоглъщат, преобразуват и запасяват енергиятана електрическите сигнали. Активните консу-матори извършват същото, като допълнително“произвеждат” електрически сигнали за сметкана постояннотоковата енергия на източниците.

Електрическите вериги работят в два режима: постояннотоков (dc) режим ( f = 0) и про-менливотоков (ac) режим ( f ≠ 0). При последния има три подрежима: 1) установен режим(само-поддържащи се хармонични (синусоидални) трептения); 2) неустановен (преходен)режим (не-хармонични, затихващи или усилващи се сигнал); 3) ключов (цифров) режим.

пасивни

активни

източн

ици

източници консуматори

–

+

Източници

~10 Ω~ mV – VПреход от фотоенергия в

dc напрежение(фотоелементи)

Фотоизточник(слънчевабатерия)

0.005 Ω~ mV

Преход от инфрачервенонагряване в dc

напрежение (термо-двойки; термоелементи)

Термоелектриченизточник (термо-

батерия)

0.01 – 0.1 Ω~ 1-2 V наелемент

Електрохимични процесив електролит;

(презареждаеми)

Акумулатор(съвкупност отелементи)

0.01 – 10 Ω~ 1,6 VЕлектрохимични процесив електролит

Галваниченелемент (батерия)

Типичновътрешно

съпротивление, ΩΩΩΩ

Типичнонапрежение,

VФизичен процесИзточник

Най-използваните съвременни батерии и акумулатори

е-коли105 –10790 %–130–Маховик

не-химични

(FES)

лаптопи,GSM––3000130-2003.7

+LixC6 (Li со-ли) Li1-xCoO2–електролит-полимер

Li йонполи-мерни

самолети–––100-12060-70

1.3-1.50.9-1.1

+Ag2O (KOH)Zn;Cd

Ag-Zn;Ag-Cd

цифровооборудване120099.9 %18001603.6, 3.7+LixC6 (Li со-

ли) Li1-xCoO2–Li йонни

лаптопи9000-1500095 %40009013.8–Нано-

титанат

хибр. коли––17030-801.2–NiMH

домашнаелектр.150070-90 %

65 %150100

30-6050

1.21.2

+NiO(OH)(KOH) Cd; Fe

Ni-Cd;Ni-Fe

70-90 %

Ефектив-ност, %

180

МощностW/kg

30-40

Плътностна енергия-та, Wh/kg

2.1-2.2

Типичнонапре-жение, V

стартери наколи

500-800

+PbO2 (H2 SO4)Pb–Оловни

Типичноприло-жение

Цик-ли

Електролит;процесТип

Процес на зареждане-разреждане в оловните акумулатори

Батериите са неуправляеми електронни източници –при работа се изтощават и напрежението имнамалява с времето. Неoбходимо е презарежданекакто е показано на схемата.

Фотографии на по-известните типове батерии

Ni-Cd комерсиални батерии и типично зарядно устройство.Ni-Cd батерии имат недостатък – “памет” за последното

ниво на зареждане и не възстановяват пълният си капацитет

На фигурата са даденинай-известните

презареждаеми батериивърху диаграмата “Wh/kg

спрямо Wh/litre” –плътност на енергията в

клетките

Li-йон батерии за GSM

Фотографии на по-известните типове батерии

Има и не-химични “батерии” – даден е пример запрототипа на FES (Flywheel Energy Storage) батерия,

натрупваща механична енергия чрез маховикLi-йон полимерни батерии (фотография

на оригиналния прототип на MIT)

Li-йон батерии са “дълго-живущи”, но са леснозапалими, пробиват се и могат да експлоадират.

Известен е случаят, когато Sony “изтегли” от употреба~10 млн. Li йонни батерии, използвани в лаптопи наразлични фирми поради опасност от експлозия (вж.).

Управляеми източнициБатериите в качеството си на неуправляеми електронни източни-ци с ограничена мощност, не винаги са удобни и изгодни заизползване в електронните схеми. Затова се използват и т. нар.управляеми източници – генератори на напрежение или генерато-ри на ток. Управление-то и стабилизирането на стойността на токаили напрежението става по механичен или по електронен път –чрез ток или напрежение; плавно или стъпаловидно. Освен снапрежението E0 и с тока I0, всеки генератор се характеризира съссвое вътрешно съпротивление Ri, включено последователно илипаралелно на източника.

Генератор на ток – без и спаралелно включено вътрешно

съпротивление

E0

E0

I0

I 0 =

E0 /R

i

клетка, батерия игенератор

(Ri)ГН

Генератор на напрежение – бези с последователно включеновътрешно съпротивление

(Ri)ГТ

Генератори на напрежение и ток

iRIE .00 =iR

EI 00 =

Генератор на напрежение Генератор на ток

E0

I0

(Ri)ГН

RR

I I

UU

Означения:E0 – електродвижещо напрежение (изходното напрежение на клемите на идеаленгенератор Ri = 0);I0 – генериран ток в идеален генератор Ri = 0;R – съпротивление на консуматора(Ri)ГН – вътрешно съпротивление на генератор на напрежение; (Ri)ГН << R; (Ri)ГН ~ Ω,десетки Ω; ще го означаваме с Ri(Ri)ГТ – вътрешно съпротивление на генератор на ток; (Ri)ГТ >> R; (Ri)ГТ ~ десетки достотици kΩ; ще го означаваме с RiU – изходно напрежение на клемите на реален генератор Ri ≠ 0;I – ток през консуматора

(Ri)ГТ

RIU .=

Генератори на напрежение и ток с вътрешно съпротивление

iRIE .00 =

Генератор на напрежение

E0

(Ri)ГН

R

I

U

RIU .=

( ) ii IRIRRRIE +=+=0

000

=≅+

= ГНiR

i RE

RREI

000.

. =≅+

== ГНiR

iE

RRRERIU

i

iR

RRII +=0

∞→≅+

= ГТiR

i

i RIRR

RRIU 00

∞→=≅+

= ГТiR

i

o

i

i

REI

RRRII 00

iREI 0

0 =

Генератор на ток

I0

R

I

U

(Ri)ГТ

Съгласуване на генератор и консуматор

( )220

22 .

iRRRE

RUIURIP

+====

RRR

ERIUi+

== 0.

0)/(d

dmax =

iRRP

iRRi

oR

EP=

=4

2

max

ii RRR

ER

RRE

+=

+=

0

0 .η

,0

iRREI+

=

RRi+=

11η

E0

Ri

R

I

U

Това е важен въпрос: доколко ефективно източникът може да“достави” необходимата мощност в консуматора. Ако

консумираната мощност (доставена в консуматора) е

Максимално съгласуване (т. е. доставената в консуматора мощност да е максимална Pmax)се получава при условието R = Ri

Ефективността η (коефициентът на полезно действие) е

Графика на нормираната мощност

( )2max/1

/4/

i

i

RRRRPP

+=RRi+

=1

1η

Товарна графика на напрежението от стабилизиран генераторна напрежение

0от%10 U±U0

U

IImaxImin

Горе е показана типична крива на изходното напрежение от генератор на напрежение принатоварване с консуматор. Работната област е в интервал ± 10 % около номиналнотонапрежение U0. Ако съпротивлението R на консуматора е малко, протича силен ток инапрежението пада под номиналното. Обратно, ако съпротивлението е високо, токът емалък и напрежението е над номиналното.

Съгласуване на генератор и консуматор при променлив ток

2maxUUU eff =

iRRi

oR

eP=

=8

2

max

е0

Ri

R

I

U

При променлив ток има същите принципи на съгласуване, като туктокът и напрежението се заменят с техните ефективни стойности.

Консумираната мощност (доставена в консуматора) е

Максимално съгласуване (т.е. доставената в консуматора мощност е максимална Pmax)отново се получава при условието R = Ri

2maxIII eff =

RIP 2max2

1=

33..2 Пасивни елементи и2 Пасивни елементи итехните характеристики:техните характеристики:резистори, кондензатори,резистори, кондензатори,бобини. Съвременна бобини. Съвременна SMDSMD

технологиятехнология

Лекция 3Лекция 3 Електронни платки и схеми

Компютърна платка

Многослойна платка

Платка в клетъчен телефон - високаплътност (VLSI)

Интегрални схеми

РезисториРезисторът със съпротивление R, Ω е двуполюсен електронен елемент,който “се съпротивлява” на протичащия през него ток от носители ипредизвиква “пад” на напрежението между двата си полюса (по законана Ом). Този ефект е свързан с топлинното движение на носителите.

Технология: Резисторите се произвеждат по различна технология. Ниско-честотните рези-стори имат тяло и крачета (за запояване към платката). “Съпротивителният ефект” се по-стига по различен начин: обемни въглеродни резистори, жичен материал, съпротивителнометално фолио, метални филми, Ni-Cr, Ta, дебело-слойни и тънко-слойни резистивнифилми от различни материали и др. Има и SMT (Surface-Mount Technology) резистори.

Стари обемни резистори Резистори на “лента” Тънкослойни SMT резисториСтандартни стойности: Резисторите се произвеждат с различни, но стандартни стойностина своето съпротивление R, Ω от няколко mΩ до няколко GΩ. Използват се различнискали с различен брой стойности по стандарта IEC 60063. Използват се различни серии:E6, E12, E24, E96 и E192. Числото показва броя стандартни стойности в обхвата 10-100или 100-1000 (вж. и следващата страница). Стойностите се задават с определена точност:20%, 10%, 5%, 2%, 1%, 0.5%, 0.25%, 0.1%, в зависимост от различни фактори.

Стандартни стойности на резистори

Стойности по стандарта E12 (вж. долу)

Цветен код за означение на резистори

Други параметри на резисторитеМощност; пробивно напрежение, шумово напрежение: Резисторите се произвеждат да ра-ботят при различна номинална мощност: 1/8, 1/4, 1/2, 1 и 2 W. Имат и ограничение запробивно напрежение, което може да издържи конструкцията им. Те са сериозни“производители” на шумов сигнал Un, nV ~ 0.127 (R.∆f)0.5.

фиксиран променлив потенциометър

Температурна стабилност: Задава се температурния коефициент на съпротивлението αТ .αТ > 0 при т.нар. болометри (тънки жични резистори), αТ < 0 при полупроводниковитетермистори.

CTR

T0/, Ω

∆∆=α )1(

20TRR TCo ∆+= α

Типове: Постоянни и променливи съпротивления, потенциометри (линейни, логаритмичнии анти-логаритмични)

Линеен

Лог.

Анти-лог, Паразитни параметри:Имат важно значение напо-високи честоти. Товаса паразитна индуктив-ност LS и паразитен капа-цитет CP . Ограничаватчестотния обхват.

КондензаториКондензаторът с капацитет C, F (Фарад) е двуполюсен елек-тронен елемент, който има свойството да “запасява” енергияна електрическото поле между двойка проводници, ”плочи” накондензатора, заграждащи изолатор, чрез “натрупване” назаредени частици на тези плочи.

Технология: Кондензаторите са устройства с двойка метални плочи и дие-лектрик между тях. Има въздушни кондензатори (в най-старите радиоприм-ници), електролитни кондензатори (с висок капацитет), хартиени, слюдени,

Въздушеннискочестотни кондензатори

SMT кондензаториВисоковолтов електролитни кондензатори

керамични, SMT (за по-върхностен монтаж) идр. Във висоикочестот-ните схеми се използвати планарни кондензатори Планарни

“hairpin”

Основни параметри на кондензаторитеСтандартни стойности: Подобно на резисторите, кондензаторите също се произвеждат съсстандартни стойности на своя капацитет. Използва се същият мащаб. Типично капаците-тът е ~pF, nF, µF, по-рядко mF или fF. Стойностите също се задават с определена точност,както при резисторите.

Номинално напрежение UN: Много важен параметър; показва на какви напрежения работикондензаторът. Пробивно напрежение: Umax ~ 3UN .

Загуби и Q-фактор на кондензатора:

Температурна стабилност:

Конструкция: дискови, цилиндрични, тръбни, правоъгълни, проходни, променливи(тример-кондензатори) и др.

Паразитни параметри: основно паразитно съпротивление Rp, но и паразитна индуктивност

310~1tan −=QCδ

CpFTC

T0/,

∆∆±=α

PC CRω

δ 1tan =

БобиниБобината с индуктивност L, H (Хенри) е двуполюсен електронен елемент,който има свойството да “запасява” енергия на магнитното поле около про-водник, във вътрешността на навит проводник, соленоид и др. компоненти,в които тече ток.

Технология: Бобините са навити върху сърцевина проводници. Има мощни бобини итрансформатори. Бобините за схеми са въздушни или навити върху феритна сърцевина

Мощни бобини

Три вида SMT бобини

Жични бобини с и безферитна сърцевина

Бобина на Тесла

Ниско- и високоволтовитрансформатори

Основни параметри на бобинитеСтандартни стойности: Няма стандарти застойности на индуктивността на бобините, кактопри резисторите и кондензаторите. Използват севъдушни бобини, които могат да се “свиват” (запо-голяма индуктивност L) или да се “разтягат”(за по-малка L). За постигане на по-голямаиндуктивност L може да се използва и феритнасърцевина. В интегралните схеми се използватпланарни индутивности.

Температурна стабилност:

Конструкция: въздушни бобини и бобини съсферитни сърцевини, соленоиди, трансформатори,планарни бобини, Хелмхолцови бобини (няколкоблизко-разположени бобини с индуктивност L иваимна индуктивност М.

Паразитни параметри: основно паразитносъпротивление RS

CnHTL

T0/,

∆∆±=α

LRS

L ωδ =tan

Планарни спирални бобини

Соленоид Хелмхолцови бобини

Някои полезни формули

L

D

sd

sLnmmLDLD

nDnHL

/;],[

;45.0

,22

==+

=

75.05.0

;96.0

÷≈

≈

sdDL

mmtWLtt

R

WlRR

S

S

=

==

=

],,[

1

;

σρ

L

W

t

L

W

d rε

mmdLWd

WLpFC r

=

= −

],,[

10.85.8, 3ε

Листовпроводник

Въздушнабобина

Правоъгъленкондензатор