Electronică – Bazele Semiconductorului

Dacă rezistorul este componenta pasivă de bază în circuitele electronice și electrice atunci putem considera dioda ca fiind componenta activă de bază. Spre deosebire de rezistor, dioda nu are un comportament liniar în raport cu tensiunea, ci are o relație exponențială , de aceea nu o putem descrie folosind legea lui OHM.

Diodele sunt semiconductoare unidirecționale, adică curentul va circula prin ele numai într-o singură direcție.

Înainte de a vorbi despre diodă va trebui să înțelegem conceptul de bază al semiconductoarelor.

Materialele semiconductoare au o regiune pozitivă ( P ) la un capăt și o regiune negativă ( N ) la celălalt capăt și bineînțeles undeva între ele o rezistivitate. Aceste materiale au proprietăți intermediare între conductoare și izolatoare din punctul de vedere al capacității lor de a conduce curentul electric. Un semi-conductor în stare pură nu este nici bun conductor nici bun izolator. Cele mai răspândite materiale semiconductoare sunt siliciul ( Si ), germaniul ( Ge ) și carbonul.

Rezistivitatea

Rezistența electrică a unei componente electrice/electronice este în general definită ca fiind raportul dintre tensiunea aplicată la borne și curentul ce circulă prin ea, principiile legii lui Ohm. Problema este că această rezistență depinde de mărimea fizică a materialului. Noi vrem să putem defini materialul astfel încât să indicăm abilitatea lui de a conduce curentul electric sau de a se opune trecerii curentului electric necontând mărimea sau forma materialului.

Rezistivitatea este cea care ne spune acest lucru, notată cu \(\rho \) ( simbol grecesc ) iar ca unitate de măsură : \(\Ohm – m \).

Rezistivitatea este inversul conductibilității.

Dacă rezistivitatea diferitelor materiale este comparată, vom putea clasifica aceste materiale în 3 mari categorii :

  • Conductoare
  • Semi-conductoare
  • Izolatoare.

În următoarea figură avem rezistivitatea diferitelor materiale :

Conductoare

Din figura de mai sus știm că, conductoarele sunt materiale care au valoarea rezistivității foarte mică. Aceste materiale au electroni de valență slab legați ce se pot desprinde ușor de atom devenind electroni liberi. Prin urmare, materialele conductoare prezintă mulți electroni liberi care, atunci când se deplasează în aceiași direcție , formează un curent electric. Această deplasare are loc atunci când este aplicată o tensiune electrică materialului.

Exemple bune de conductoare sunt : Cuprul, Aluminiul, Aurul, Argintul ai căror atomi au un singur electron de valență, legat foarte slab. Aceștia se deplasează prin material unindu-se cu ceilalți atomi, creându-se așa numitul ”efect Domino” și dând naștere curentului electric.

Izolatori

Izolatorii, pe de altă parte, sunt opusul conductorilor. Sunt materiale, în general non-metalice, care au puțini electroni liberi care sunt foarte strâns legați de nucleu, iar la aplicarea unei tensiuni electrice acești electroni nu se desprind de atom, neluând naștere curentul electric. Izolatorii poartă un rol important în circuitele electronice/electrice.

Semiconductori

Materialele semiconductoare ca Siliciul ( Si ), germaniul ( Ge ) și arsenul de galiu ( GaAs ), au propietăți electrice undeva la mijloc între conductor și izolator. Ele nu sunt bune conductoare dar nici bune izolatoare. Au atomii grupați împreună într-o structură cristalină având foarte puțini electroni liberi, dar totuși acești electroni se pot deplasa sub anumite condiții speciale. Acești electroni liberi se numesc purtători minoritari și pot crește, ca număr, odată cu temperatura.

Conductivitatea poate fi crescută prin adăugarea unor cantități controlate de impurități. Impuritățile, cum ar fi atomii de Arsenic, introduc electroni suplimentari în structură ceea ce produce un semiconductor de tip n. Acești atomi se numesc donori.

Pe de altă parte, atomii de Aluminiu, introduc o lipsă de electroni liberi. Acești atomi se numesc acceptori. Aceste absențe de electroni liberi se numesc goluri, iar prin prezența lor se realizează semiconductorul tip p.

Cu alte cuvinte, putem spune despre semiconductori următoarele:

  • materialele semiconductoare au conductibilitatea electrică mai mare decât cea a izolatorilor dar mai cică decât cea a metalelor.
  • conductibilitatea electrică a semiconductorilor este foarte sensibilă la variațiile de temperatură: ea crește odată cu creșterea temperaturii.
  • spre deosebire de metale, a căror conductibilitate este asigurată exclusiv de electroni, conductibilitatea electrică a semiconductorilor este asigurată atât de electroni ( ”-” ) cât și de goluri ( ”+”).
  • dacă densitățile de electroni și de goluri care participă la conducție sunt egale , se spune despre semiconductor că este intrinsec.
  • dacă densitățile de electroni și de goluri care participă la conducție nu sunt egale, se spune despre semiconductor că este extrinsec.
  • semiconductorii de tip n au densitatea electronilor mai mare decât densitatea golurilor. În acest tip de semiconductor electronii sunt purtătorii majoritari, iar golurile sunt purtătorii minoritari.
  • semiconductorii de tip p au densitatea golurilor mai mare decât densitatea electronilor. În acest tip de semiconductor golurile sunt purtătorii majoritari, iar electronii sunt purtătorii minoritari.
  • procedeul de introducere controlată a unor impurități în materialul semiconductor se numește dopare




Electronică – Inductoare ( bobine )

Scurtă introducere despre Câmpul magnetic

Magnetismul joacă un rol important în aproape toate dispozitivele electrice / electronice utilizate în ziua de azi.

Câmpul magnetic există în regiunile înconjurate ( sau unde se află ) un magnet permanent și poate fi reprezentat de liniile de fux magnetic. Liniile de flux magnetic sunt într-o buclă continua ca în figura de mai jos.

Liniile de flux magnetic au direcția de la polul Nord la polul Sud și dacă punem doi magneți cu polii diferiți unul lângă altul , aceștia se vor unii ( magneții se vor atrage ) în timp ce doi magneți unul lângă altul cu polii de același fel se vor respinge. În figura de mai jos aveți exemplificat acest lucru:

Câmpul magnetic este prezent în jurul fiecărui fir ce este străbătut de un curent electric. Direcția liniilor fluxului magnetic poate fi aflat folosind regula mâinii drepte. În figurile următoare vă prezint diferite exemple cu privire la direcția câmpului magnetic :

În S.I. ( sistemul internațional ) al unităților de măsură, fluxul magnetic este măsurat în webers ( Wb ) iar notația este \(\Phi\).

Numărul liniilor fluxului câmpului magnetic pe o suprafață este numită densitatea fluxului și este notată cu B iar unitatea de măsură este tesla (T).

B = \(\frac{\Phi}{A} \) , unde :

  • B=\(\frac{Wb}{m^{2}} \) = tesla (T)

  • \( \Phi \)= Wb \( \rightarrow \) numărul de linii ale fluxului magnetic ce trec prin suprafața A

  • A = \( m^{2} \)

Densitatea fluxului unui electromagnet este direct legată de numărul de înfășurări ( spire ) și de curentul ce trece prin acesta. Cu alte cuvinte dacă mărim numărul de înfășurări ( spire ) și mărim curentul va rezulta un câmp magnetic mai puternic.

Pe internet găsiți o mulțime de articole despre câmpul magnetic, iar mai jos vă ofer câteva imagini în care găsiți exemple de aplicații , deja foarte cunoscute, ale câmpului magnetic / electromagnetic :

Bobinele

Bobina este o componentă de circuit cu două terminale și mai multe înfășurări ( spire ) realizate dintr-un conductor izolat. Proprietatea cea mai importantă a bobinei constă în faptul că ea poate acumula energie magnetică, adică înmagazinează energie electrică sub formă de câmp magnetic.

Unele înfășurări ( spire ) ale bobinelor sunt realizate în jurul unui anumit tip de material, denumit miez. Acest miez poate fi drept sau poate forma un drum închis ( pătrat, rectangular, circular ) pentru menținerea completă a fluxului magnetic.

Simbolurile bobinei :

Mărimea fizică ce caracterizează bobina se numește INDUCTANȚĂ ( L ).

Inductanță electrică = măsura capacității unei bobine de a acumula energie magnetică pentru o anumită valoare a curentului din circuit.

Bobina este un element de circuit care are proprietatea de a se opune modificărilor bruște ale curentului electric care o parcurge. Astfel cu cât valoarea inductanței L a bobinei este mai mare, cu atât mai puternic se opune bobina respectivă modificărilor bruște ale curentului care o parcurge.

Inductanța unei bobine variază direct proporțional cu proprietățile magnetice a miezului. Feritele sunt principalele utilizate ca miez pentru a crește inductanța.

În figura următoare vă prezint formula Inductanței :

L = \( \frac{N^{2} \cdot \mu \cdot A}{l} \) , unde :

  • N = numărul de spire

  • \( \mu \) = permeabilitatea miezului ( \( \mu = \mu_{r} \cdot \mu_{0} \) ) unde \( \mu_{0} \) = permeabilitatea vidului ( 1.26 \( \cdot 10^{-6} \) ) iar \( \mu_{r} \) = permeabilitatea relativă ( 1 pentru aer ).

  • A = aria înfășurării

  • l = lungimea bobinei

Exemple :

Pentru o bobină fără miez :

  1. Calculați inductanța
  2. Calculați inductanța dacă introducem un miez metalic având \( \mu_{r} \) = 2000.

1.d = \(\frac{1}{4}in \cdot \left ( \frac{1 m}{39.37 in} \right ) = 6.35mm \)

A = \(\pi \cdot \frac{d^{2}}{4} = \frac{\pi \cdot (6.35 mm)^{2}}{4} = 31.67 \mu m^{2} \)

l = 1 in = 25.4 mm

L = \( \frac{N^{2} \cdot \mu \cdot A}{l} = 4 \cdot \pi^{2} \cdot 10^{-7} \cdot \frac{1 \cdot 100^{2} \cdot 31.67\mu m^{2}}{25.4 mm} \)L = 31.36 mH

2. L = 31.36mH

Tipuri de bobine

Bobinele se pot clasifica în :

  1. fixe \( \rightarrow \) inductanța L este fixă.
  2. variabilă \( \rightarrow \) inductanța L poate fi modificată de către utilizator.

Simbolurile pentru aceste tipuri de bobine le puteți vedea mai sus. În imaginile de mai jos avem câteva tipuri de bobine ( fixe, variabile ) ce se găsesc în diverse aparate electronice :

Modelul real al bobinei

Bobinele ca și condensatoarele nu sunt ideale. Pe lângă inductanța bobinei avem o rezistență, determinată de spire și de pierderile miezului, dar și o capacitate dintre spirele c sunt separate de un izolator și foarte bine strânse ( lipite ).

În figura următoare vă prezint modelul real al unei bobine:

Pentru multe aplicații capacitatea poate fi ignorată rezultând următorul model real al bobinei:

Această rezistență \( R_{L} \) joacă un rol important în anumite aplicații ( rezonanță ) deoarece valoarea totală a rezistenței poate fi extinsă de la câțiva ohmi la câteva sute de ohmi, depinzând de construcție.

!!!! Inductanța are cu unitate de măsură henries ( H ), după fizicianul american Joseph Henry.

Notarea bobinelor

Unele bobine au dimensiuni mai mari iar valoarea poate fi scrisă pe corpul acesteia. Pentru bobinele de dimensiuni mici s-a adoptat o abreviere standard. În primul rând trebuie să știm că unitatea de măsură pentru acest standard începe de la \( \mu H \) ( micro Henry ), deci valoarea de pe bobină este exprimată în \( \mu H \). În cazul în care pe o bobină găsim inscripționat :

\( \left.\begin{matrix} \\ 223 K \Rightarrow \ primele \ 2 \ cifre \rightarrow \ 22 \\ a \ treia \ cifră \rightarrow \ 3\Rightarrow \ factorul \ de \ multiplicare \ 10^{3}= 1000 \\ K \ = \ toleranța \\
\end{matrix}\right \} \Rightarrow \\ 223 K \ = \ 22 \cdot 10^{3} \mu H = 22000 mH = 22mH \)

Unele bobine au ca notare ( marcare ) codul culorilor, în care rezultatul va fi exprimat în \( \mu H \).


bobine codul culorilor

CULOAREVALOAREFactor MultiplicareToleranță
Negru01
Maro110
Roșu2100
Portocaliu31000
Galben410000
Verde5100000
Albastru61000000
Violet710000000
Gri8100000000
Alb91000000000
Argintiu10
Auriu5

Unele bobine cilindrice sunt marcate cu 5 benzi colorate. O bandă mai groasă, aflată la unul din capete este numită MIL iar următoarele trei benzi reprezintă valoarea ( in \( \mu H \) iar a 5-a bandă reprezintă toleranța.

Dacă prima sau a doua bandă este de culoare Aurie, aceasta reprezintă punctul zecimal pentru valori mai mici de 1 iar apoi următoarele benzi reprezintă valoarea.

Comportamentul bobinei în circuit.

curentul electric produce un câmp magnetic concentrat în jurul bobonei, iar acest flux magnetic reprezintă o stocare de energie cinetică datorită deplasării electronilor prin înfășurare.

Abilitatea unei bobine de a stoca energie în funcție de curent se traduce printr-o tendință de menținere constantă a curentului ce o străbate. Cu alte cuvinte, bobinele tind să se opună variației curentului electric. Atunci când valoarea curentului , printr-o bobină, crește sau descrește, aceasta ” rezistă” variației producând o tensiune la bornele sale de polaritate opusă variației.

Relația tensiune-curent a bobinei

Tensiunea la bornele unei bobine depinde de inductanța sa, precum și de variația curentului în timp la bornele sale.

\( v= L \cdot \frac{di}{dt} \) , unde:

  • v = tensiunea instantanee la bornele bobinei
  • L = inductanța bobinei
  • \( \frac{di}{dt} \) = rata de variație a curentului.

Conectarea bobinelor

Serie :

Rezultatul este creșterea inductanței

Paralel :

Rezultatul este descreșterea inductanței.




Electronică – Divizor de tensiune Capacitiv

Circuitele tip divizor de tensiune pot fi construite din componente reactive ( condensatoare ) așa cum foarte ușor pot fi costruite și din rezistoare, nefiind afectate de schimbările de frecvență.

Înainte de a studia divizorul de tensiune capacitiv va trebui să ne aducem aminte despre reactanța capacitivă și efectele acesteia asupra condensatorului la frecvențe diferite.

Abilitatea condensatorului de a se opune sau reacționa împotriva treceri curentului este numită reactanță și fiind vorba de condensator o numim reactanță capacitivă.

Reactanța capacitivă se măsoară în ohm ( \( \Omega \) )ca și rezistența.

Când un condensator descărcat este conectat la o sursă de curent continuu, reactanța condensatorului este inițial foarte mică iar un curent maxim va parcurge condensatorul pentru o perioadă scurtă, deoarece armăturile lui se vor încărca exponențial. După o perioadă de timp egală cu \( 5 \cdot R \cdot C \) , unde \(R \cdot C = \) constanta de timp, armăturile sunt încărcate fiind egale cu sursa de alimentare și nici un curent nu va circula prin condensator. În acest moment reactanța condensatorului este maximă.

Dacă conectăm un condensator la o sursă de tensiune alternativă, armăturile acestuia se vor încărca și descărca continuu deoarece în AC polaritatea sursei se schimbă continuu. Aceasta înseamnă că prin condensator va circula un curent prin și din condensator.

\( X_c = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C} \), unde

\( X_c \) = reactanta capacitiva ( \(\Omega \) )

\( \pi \) = constanta numerica pi

f = frecventa

C = capacitatea

Consideram figura urmatoare :

\( C_1 \) și \( C_2 \) sunt două condensatoare conectate în serie, sursa este de 10V alternativ. Condensatoarele fiind conectate în serie avem aceiași sarcină Q pe fiecare , doar tensiunea diferă conform \( V = \frac{Q}{C} \).

Căderea de tensiune pe fiecare condensator se calculează astfel :

\( \left.\begin{matrix} \\ C_1=10 \mu F \\C_2=22 \mu F \\U=10V / f=80Hz \end{matrix}\right\} \Rightarrow X_{C_1}=\frac{1}{2 \pi \cdot f \cdot C_1}=\frac{1}{2\pi\cdot 80\cdot 10\mu F}=200\Omega ; X_{C_2}=\frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C_2}=90 \Omega \)

Reactanta capacitiva totala este :

\( X_C = X_{C_1} +X_{C_2} \Rightarrow X_C=200 +90 = 290 \Omega \)

Curentul prin circuit este:

\( I = \frac{E}{X_C}=\frac{10V}{290 \Omega}=34,5mA \)

Caderea de tensiune pe fiecare condensator este:

\( V_{C_1} = I \cdot X_{C_1}=34,5mA \cdot 200\Omega =6,9V \)

\( V_{C_2} = I \cdot X_{C_2} = 34,5mA \cdot 90 \Omega = 3,1V \)

Am spus mai sus că divizorul de tensiune capacitiv nu este influențat de frecvență. Pentru a vedea vă rog sa faceți calculele pentru aceleași valori C1, C2 și U dar schimbam valoarea frecvenței f=8kHz.

Divizoarele de tensiune capacitive pot fi folosite doar în curent alternativ sau semnal și sunt utilizate în mai multe aplicații electronice de la oscilatoare Colpitts, filtre la ecrane senzitive la atingere ( touch screen ) și pot fi un înlocuitor ieftin pentru transformatoarele coborâtoare de tensiune utilizate în aplicații electronice ce funcționează la tensiuni mai mici.




Electronica – Capacitorul în curent alternativ

Vom face o scurtă introducere în comportamentul condensatorului în curent alternativ, urmând să detaliem acest subiect într-un articol viitor.

Când un condensator este conectat la o sursă de tensiune continuă, acesta se va încărca la valoarea sursei de alimentare comportându-se ca o baterie și se va menține încărcat atâta timp cât sursa de tensiune continuă este prezentă.

În timpul încărcării apare un curent \( i \) ce va străbate condensatorul, opunându-se oricărei schimbări a tensiunii la o rată egală cu rata de schimb a sarcinilor electrice de pe armăturile condensatorului.

Curentul \( i \) poate fi definit ca :

\(i=C \cdot \frac{dV}{dt} \)

Odată ce condensatorul este încărcat acesta blochează orice mișcare de electroni dintre armături, aceasta însemnând că prin condensator nu circulă curent.

Dacă aplicăm o sursă de tensiune alternativă la bornele unui condensator, acesta va alterna între încărcare și descărcare la o rată determinată de frecvența sursei, aceasta însemnând că în curent alternativ va circula un curent prin condensator.

Explicație

Considerăm diagrama de curent alternativ :

Pornind din 0 vom observa că tensiunea începe să crească într-o direcție pozitivă, rezultând un curent de încărcare instant în timp. Cu cât tensiunea ajunge la valoarea de vârf ( la \( 90^{o} \) pentru o scurtă perioadă de timp ( instant chiar ) tensiunea nu crește nici nu scade, rezultând un curent 0 ( zero ) prin condensator. Tensiunea urmează să scadă spre 0 (la \( 180^{o} \) ) iar condensatorul se va descărca într-o direcție negativă. Când ajungem în punctul \( 180^{o} \) iar vom avea un curent instant maxim, și așa mai departe.

Condensatoarele în curent alternativ se opun variației de tensiune absorbind sau eliberând curent în circuit. Curentul care circulă prin condensator este direct proporțional cu rata de variație a tensiunii la bornele acestuia.

Reactanță = opoziția în calea variației tensiunii ( tensiunea alternativă în ceneral )

Reactanța în cazul condensatoarelor = reactanță capacitivă și este notată cu \( X_c \)

Formula de calcul :

\( X_c = \frac{1}{2 \pi\cdot f \cdot C} \) sau \( X_c = \frac{1}{\omega \cdot C } \) , unde \( \omega \) = viteza unghiulară

Reactanța Capacitivă și Frecvența

Reactanța capacitivă descrește odată ce frecvența crește \( \Rightarrow \) reactanța capacitivă este invers proporțională cu frecvența.

De asemenea când frecvența crește curentul prin condensator crește și el în valoare deoarece rata modificării tensiunii între armături crește.




Electronică – Conectarea în serie și paralel a Condensatoarelor

  1. Conectarea în serie

Când conectăm condensatoarele în serie, capacitatea totală scade și este mai mică decât capacitatea oricărui condensator individual.

La legarea în serie a condensatoarelor, efectul este cel a unui condensator echivalent având distanța dintre armături egală cu suma distanței dintre armăturile tuturor condensatorilor individuali.

Într-un articol precedent am văzut că dacă mărim distanța dintre armături iar toți ceilalți factori rămân constanți, capacitatea scade.

\(C_{total} = \frac{1}{\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\cdot \cdot \cdot +\frac{1}{C_n}} \)

sau

\( \frac{1}{C_{total}} = \frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\cdot \cdot \cdot +\frac{1}{C_n} \)

2. Conectarea în paralel

Când conectăm condensatorii în paralel, capacitatea totală crește și este egală cu suma capacităților individuale a condensatorilor, fiind mai mare decât oricare capacitate a oricărui condensator individual.

La legarea în paralel efectul este cel a unui condensator echivalent având aria armăturilor egală cu suma ariilor armăturilor tuturor condensatorilor individuali.

Într-un articol precedent am văzut că dacă mărim aria armăturii iar toți ceilalți factori rămân constanți, capacitatea crește.

\( C_{total} = C_1 + C_2 + \cdot \cdot \cdot +C_n \)




Electronică – Marcarea Condensatoarelor

Marcarea prin cod alfanumeric

Codul este format din una sau mai multe cifre și o literă. Această literă poate fi plasată după cifre sau între cifre ( situație în care are rol și de virgulă )

Litera poate avea următoarea semnificație :

  • p = valoarea capacității este exprimată în pF ( pico-farazi )
  • n = valoarea capacității este exprimată în nF ( nano-farazi )
  • \(\mu \) = valoarea capacității este exprimată în \(\mu \)F ( micro-farazi )
  • m = valoarea capacității este exprimată în mF ( mili-farazi )

Dacă după grupul de cifre nu se află nici o literă, înseamnă că, valaoarea capacității este exprimată în pF.

Exemple :

  • 4n4 = 4,4 nF
  • 470 = 470 pF
  • 2p2 = 2,2 pF
  • 2\(\mu \) = 2\(\mu \)F

Marcarea prin cod numeric

Acest cod este format din 2 cifre semnificative și o a treia cifră cu rol de factor de multiplicare ( coeficient de multiplicare ). Coeficientul de multiplicare este întotdeauna ultima cifră și valoarea lui reprezintă exponentul ( puterea ) lui 10. Valoarea este exprimată în pF!!!!!!.

Exemple:

  • 560 = 56\(\cdot 10^0 \) = 56 pF
  • 153 = 15 \(\cdot 10^3 \) = 15000pF = 15nF
  • 334 = 33 \(\cdot 10^4 \) = 330000pF = 330nF
  • 222 = 22\(\cdot 10^2 \) = 2200pF = 2,2nF

Acest cod se utilizează, de obicei, pentru marcarea condensatoarelor de dimensiuni mici.

Marcarea prin Codul Culorilor

Acest tip de marcare este învechit și nu se mai utilizează, dar pentru că încă mai sunt prin diverse plăci , vom vorbi și despre el.

Marcarea se face cu 3, 4 sau 5 benzi colorate, fiecărei culori îi corespunde o cifră. Se consideră prima bandă ( I ) cea de la terminale și tot așa mai departe. Valoarea inițială este exprimată în pF ( pico-farazi )

  1. Condensatoare cu 3 benzi

  • banda 1 \( \rightarrow \) prima cifră
  • banda 2 \( \rightarrow \) a doua cifră
  • banda 3 \( \rightarrow \) coeficient de multiplicare

2. Condensatoare cu 4 benzi

  • banda 1 \( \rightarrow \) prima cifră
  • banda 2 \( \rightarrow \) a doua cifră
  • banda 3 \( \rightarrow \) coeficient de multiplicare
  • banda 4 \( \rightarrow \) toleranță

3. Condensatoare cu 5 benzi

  • banda 1 \( \rightarrow \) coeficientul de variație al temperaturii
  • banda 2 \( \rightarrow \) prima cifră
  • banda 3 \( \rightarrow \) a doua cifră
  • banda 4 \( \rightarrow \) coeficient de multiplicare
  • banda 5 \( \rightarrow \) toleranță




Electronica – Tipuri de Capacitoare ( Condensatoare )

În ziua de astăzi, pe piață, există o foarte mare varietate de tipuri de condensatoare, fiecare cu caracteristicile și aplicațiile lui.

Comparațiile între ele au la bază dielectricul utilizat între armături.

Condensatoare variabile

Sunt construite din armături multiple având ca dielectric, aer și au un set de armături fixe și un set de armături mobile care se mișcă printre armăturile fixe. Simbolul condensatorului variabil :

Condensatoare cu film

Sunt cele mai întâlnite tipuri de condensatoare având ca dielectric:

  • poliester
  • polistiren
  • poli propilenă
  • poli carbonat
  • hârtie metalizată
  • teflon

Exemple de construcție a condensatorului cu film:

Aceste capacitoare sunt utilizate în general pentru putere înaltă și aplicații precise.

Condensatoare ceramice

Sunt construite din două părți a câte un disc de porțelan sau ceramică cu argint. Pentru capacități foarte mici se utilizează un singur disc de ceramică de aproximativ 3-6 mm. Aceste condensatoare au o constantă dielectrică foarte mare și de aceea o capacitate relativ mare se obține într-un ”ambalaj” mic, dar tensiunea nominală este mică.

Sunt utilizate în general ca decuplare sau by-pass.

Condensatoare Electrolitice

Sunt utilizate când avem nevoie de capacități mari și sunt construite dintr-un strat de film metalic pentru un electrod și o pastă de electrolit pentru celălalt electrod. Dielectricul este un strat subțire de oxid. Acest strat este foarte subțire astfel încât mărimea fizică a condensatorului pentru capacități mari sa fie mică. ( distanța dintre plăci mica = capacitate mare ).

Majoritatea condensatoarelor electrolitice sunt polarizate iar polaritatea este marcată pe el. Sunt utilizate în surse de curent continuu pentru a reduce riplul tensiunii sau pentru cuplare și decuplare.

Condensatoarele electrolitice vin sub două forme :

  1. condensatoare electrolitice cu aluminiu
  2. condensatoare electrolitice cu tantal

Simbolul condensatorului electrolitic este :

Dezavantajul acestor condensatoare:

  • o tensiune excesivă creează o scurgere de curent prin dielectric ducând la scurtcircuitare.
  • polaritatea inversă duce la autodistrugerea stratului de oxid.
  • temperatură mare – usucă pasta de electrolit și scurtează durata de viață a condensatorului.




Electronica – Condensatorul ( Capacitorul )

Capacitorul este o componentă electronică ce are abilitatea sau capacitatea de a stoca energie electrică prin stocarea sarcinilor electrice la aplicarea unei tensiuni pe acesta.

Capacitatea este proprietatea electrică a capacitorului și măsoară volumul de energie ( sarcini electrice ) stocat de un capacitor (condensator) între armăturile sale atunci când se aplică o anumită tensiune la bornele sale. Capacitatea se notează cu C și se măsoară ân Farad ( F ).

Un capacitor este construit din două sau mai multe armături ( plăci ) metalice, conductoare, plasate una în apropierea celelilalte fără a fi conectate sau să se atingă, fiind separate electric de aer sau de diferite materiale bune izolatoare ca: hârtie cerată, mică, ceramică, plastic,etc. Acest strat izolator dintre armăturile ( plăcile) capacitorului se numește DIELECTRIC.

Armăturile ( plăcile) metalice conductoare dintr-un capacitor ( condensator ) pot avea forme diferite: circulare, rectangulare, cilindrică, sferică , depinzând de construcția acestuia.

Cum funcționează un capacitor ( Condensator )

Avem următoarea figură în care avem construcția unui capacitor.

Când la bornele capacitorului ( condensatorului ) aplicăm o tensiune electrică, acesta acumulează o cantitate de sarcini electrice ( Q ) proporțională cu tensiunea aplicată ( U ) și capacitatea capacitorului ( condensatorului ) ( C ) conform relației :

Q = C \(\cdot \) U,

iar între cele două armături ia naștere un câmp electric ce permite existența unei diferențe semnificative de electroni liberi între cele două armături.

Pe măsura formării câmpului electric datorită aplicării tensiunii, electronii liberi se vor aduna la terminalul negativ fiind luați de la terminalul pozitiv. Această diferență de sarcină se traduce prin apariția unui stoc de energie electrică în capacitor și reprezintă sarcina potențială a electronilor dintre cele două armături. Cu cât diferența numerică a electronilor dintre cele două armături este mai mare cu atât mai mare este fluxul câmpului electric și stocul de energie din capacitor ( condensator ).

Energia câmpului electric din capacitor ( condensator ) este :

W = \(\frac{C \cdot U^{2}}{2} \)

Energia stocată într-un capacitor depinde de tensinea dintre armături precum și de alți factori. abilitatea capacitoarelor de a stoca energie în funcție de tensiune se traduce printr-o tendință de menținere a tensiunii la un nivel constant. Cu alte cuvinte condensatoarele tind să se opună variației căderii de tensiune folosind curent de la sau generând curent spre sursa de variație a tensiunii, în opoziție cu variația.

Acestea fiind spuse , pentru a stoca mai multă energie într-un capacitor, trebuie mărită valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o înmulțire a electronilor pe armătura negativă și o diminuare a lor pe cea pozitivă, lucru ce necesită existența unui curent în acea direcție.

Pentru a elibera energie dintr-un capacitor, trebuie scăzută valoarea tensiunii la bornele sale, acest lucru presupune o diminuare a electronilor pe armătura negativă prin deplasarea lor spre armătura pozitivă dând naștere, evident, unui curent în aceea direcție.

Încărcarea și descărcarea Capacitorului

Considerăm următorul circuit :

\(V_{S} \)=tensiunea de alimentare a circuitului

\( V_{C} \) = tensiunea la bornele capacitorului

Presupunem capacitorul descărcat iar întrerupătorul îl punem în poziția A. Tensiunea la bornele capacitorului este zero ( 0 ) în acest moment și curentul de încărcare ( i ) începe să circule , încărcând capacitorul până când tensiunea dintre armături \(V_{C} \) este egală cu tensiunea de alimentare a circuitului \(V_{S} \). În momentul în care \(V_{C} \) = \(V_{S} \) = 12V, curentul de încărcare ( i ) nu va mai circula și capacitorul este încărcat.

Dacă punem întrerupătorul în poziția B, capacitorul va începe să se descarce prin lampă, facând ca aceasta să lumineze până când capacitorul se va descărca. Luminozitatea lămpii și durata acesteia depinde de valoarea capacității a condensatorului și a rezistenței lămpii.

t = C \(\cdot \) R, unde t = constanta de timp.

Ecuația de funcționare a Capacitorului și relația tensiune-curent

Curentul prin capacitor apare atunci când cantitatea de sarcină Q suferă modificări în timp, fiind egală cu viteza de variație a acesteia în timp :

i=\(\frac{\mathrm{d} Q }{\mathrm{d} t} \)

Ecuația de funcționare a capacitorului furnizează informații despre curentul electric prin acesta în funcție de tensiunea electrică aplicată între terminalele sale.

Știm că :

\(\left. \begin{matrix} Q=C \cdot v \\ i=\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \end{matrix} \right \} \) \(\Rightarrow i = C \cdot \frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \), unde :

i = curentul instantaneu prin condensator,

C = capacitatea condensatorului ( F )

\(\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \) = variatia instantanee a tensiunii la bornele condensatorului ( \(\frac{V}{s} \) ).

Observație:

Am spus mai sus că: curentul electric prin condensator este direct proporțional cu variația în timp a tensiunii electrice aplicată pe acesta \(\Rightarrow \) în regim de curent continuu când mărimile electrice au valori constante în timp , curentul prin condensator este nul.

Concluzie: Curentul continuu nu trece prin condensator ( Curentul continuu prin condensator este egal cu 0 Amperi ).

Parametrii electrici specifici Condensatoarelor

  1. Capacitatea nominală ( \(C_{n} \) ) = valoarea capacitații condensatorului care trebuie realizată prin procesul tehnologic și care este înscrisă pe corpul acestuia.
  2. Coeficientul de toleranță ( % ) = abaterea în procente , plus sau minus, a capacității reale a condensatorului față de capacitatea nominală înscrisă pe acesta.
  3. Tensiunea nominala ( \( U_{n} \) ) = tensiunea continuă sau alternativă maximă ce poate fi aplicată la bornele unui condensator fără ca acesta să se străpungă. De asemenea aceasta este înscrisă pe corpul condensatorului.
  4. Rezistența de izolație ( \( R_{iz} \) ) = reprezintă valoarea raportului dintre tensiunea aplicată la bornele unui condensator și curentul care îl străbate, la un minut după aplicarea tensiunii. \( R_{iz} \) > 100M\(\Omega \)
  5. Tangenta unghiului de pierderi ( tg\(\delta \) ) = raportul dintre puterea acticvă disipată de condensator și puterea reactivă, măsurate la aceiași frecvență la care a fost măsurată capacitatea nominală. Cu cât ( tg\(\delta \) ) este mai mică cu atât condensatorul este mai bun.
  6. Rigiditatea dielectrică = tensiunea maximă continuuă pe care trebuie să o suporte condensatorul timp de 1 minut fără să apară străpungeri sau scurgeri.

Formula de calcul a capacității electrice a unui condensator.

C = \(\frac{\varepsilon \cdot A}{d} \), unde :

C = capacitatea condensatorului

\(\varepsilon \) = permitivitatea absolut[ a dielectricului ( F/m )

A = aria armăturilor ( \(m^{2} \) )

d = distanța dintre armături ( m )

Circuitul echivalent al Condensatorului

Din moment ce armăturile unui condensator prezintă o anumită rezistență electrică și din moment ce nici un dielectric nu este un izolator perfect, este imposibilă crearea unui condensator ideal.

În realitate, un condensator are atât o rezistență serie cât și o rezistență paralelă suprapusă peste caracteristicile sale capacitive :




Electronica – Rezistoare în conexiuni mixte ( paralel și serie )

Am prezent până acum conexiunile
serie, respectiv paralel a rezistoarelor, iar folosind legile lui Ohm și Kirchhoff
am aflat valorile curenților ce trec prin astfel de circuite plus valorile
căderilor de tensiune.

În prezentul tutorial îmi propun să
vă explic cum putem analiza un circuit mixt, adică unde avem rezistori în
conexiune serie și paralel.

Circuit mixt de rezistori = circuit
de rezistori ce combină rețelele de rezistori conectați în serie și paralel.

Una din metodele de analiză este
următoarea:

  • Se
    analizează individual fiecare tip de conexiune, serie sau paralel, exact cum am
    procedat în tutorialele anterioare.

De exemplu, avem următorul circuit în care avem de calculat curentul total care circulă prin circuit și curenții ce circulă prin fiecare rezistor.

La o primă privire observăm că rezistorii R1 și R2 sunt conectați în serie. Vom calcula rezistența echivalentă a celor doi rezistori ( R1 și R2 ):

\(R_{23}=R_{2}+R_{3}=8\Omega +4\Omega =12\Omega \)

După acest calcul schema noastră se va modifica astfel :

Am înlocuit cele două rezistoare R2 și R3, conectate în serie, cu rezistența echivalentă RA. În continuare observăm că, rezistorii RA și R4 sunt legați în paralel. Vom calcula rezistența echivalentă a acestei legături ( RA ‖ R4 ) :

\(\frac{1}{R_{234}}=\frac{1}{R_23}+\frac{1}{R_{4}}\Rightarrow R_{234}=\frac{R_{4}\cdot R_{23}}{R_{4}+R_{23}}=\frac{12\Omega \cdot 12\Omega }{12\Omega +12\Omega }=\frac{144\Omega }{24\Omega }=6\Omega \)

sau

Știm că dacă două sau mai multe rezistoare de aceiași valoare sunt conectate în paralel, rezistența echivalentă este: \(R_{e}=\frac{R}{n} \Rightarrow \ in \ cazul \ nostru : R_{234}=\frac{12}{2}=6\Omega \)

Schema noastra se transforma in :

Am înlocuit cele două rezistoare RA și R4, conectate în paralel, cu rezistența echivalentă Rcomb . Se observă că, rezistorii R1 și Rcomb sunt conectați în serie. Vom calcula rezistența echivalentă serie :

\(R_{e}=R_{1}+R_{comb}=6\Omega+6\Omega=12\Omega \)

Acum vom calcula curentul total ce trece prin întreg circuitul folosind legea lui Ohm :

\(U=R\cdot I \Rightarrow U=R_{e} \cdot I_{T} \Rightarrow T_{T}=\frac{U}{R_{e}}=\frac{12V}{12\Omega}=1A \)

Am aflat curentul total ce trece prin  circuit, It ,acum trecum să aflăm curenții ce trec prin fiecare rezistor. Revenim la schema inițială:

\(I_{T}=I_{1}+I_{2} \)

Observăm că RA și R4 au aceiași valoare, asta înseamnă că I1 va fi egal cu I2 .

\(\left.\begin{matrix}I_{T}=I_{1}+I_{2}\\I_{1}=I_{2}\\ \end{matrix}\right\} \) \(\Rightarrow \)\(I_{T}=2\cdot I_{1} \Rightarrow I_{1}=\frac{I_{T}}{2}=\frac{1A}{2}=0.05A \)

Exemplul 2: Să luăm următoarea schemă și să aflăm rezistența echivalentă totală.

La o primă privire vedem că rezistorii R8 și R10 sunt legați în serie. Vom calcula rezistența echivalentă a acestei conexiuni:

\(R_{8,10}=R_{8}+R_{10}=10\Omega+2\Omega=12\Omega \)

Schema se va transforma in:

Observăm în noua schemă că, rezistorii R9 și R8,10 sunt legați în paralel. Vom calcula rezistența echivalentă

\(\frac{1}{R_{A}}=\frac{1}{R_{9}}+\frac{1}{R_{8,10}} \Rightarrow \frac{1}{R_{A}}=\frac{R_{8,10}+R_{9}}{R_{9} \cdot R_{8,10}} \Rightarrow R_{A}=\frac{R_{9} \cdot R_{8,10}}{R_{9}+R_{8,10}} \Rightarrow R_{A}=4\Omega \)

Schema se modifica astfel:

Observăm rezistorii R7 și RA conectați în serie. Calculăm rezistența echivalentă acestei conexiuni

\(\R_{B}=R_{A}+R_{7}=4\Omega+8\Omega=12\Omega \)

Schema se modifica astfel:

Observăm rezistorii R6 și RB conectați în paralel. Calculăm rezistența echivalentă acestei conexiuni :

\(\frac{1}{R_{C}}=\frac{1}{R_{6}}+\frac{1}{R_{B}} \Rightarrow R_{C}=\frac{R_{B} \cdot R_{6}}{R_{6}+R_{B}} \Rightarrow R_{C}=4\Omega \)

Ca să ajungem mai repede la terminarea acestui exemplu vom executa aceiași pași dar o singură dată:

  • RC și R5 legați în serie → \(R_{D}=R_{C}+R{5}=8\Omega \)

  • RD și R4 legați în paralel → \(R_{E}=4\Omega \)

  • RE și R3 legați în serie → \(R_{F}=8\Omega \)

  • RF și R2 legați în paralel → \(R_{G}=4\Omega \)

Într-un final schema va arăta astfel :

Observăm că R1 și RG sunt în serie : \(R_{EQ}=R_{1}+R_{G}=10\Omega \)

Rezistența echivalentă a întregului circuit este: \( R_{EQ}=10\Omega \)

Sper că m-am făcut înțeles și vă propun
să vizitați și celelalte tutoriale sau articole.




Electronică-Circuite paralele ( Gruparea în paralel a rezistoarelor )

Avem următoarea figură :

Observăm că un terminal al becurilor B1,…., B3
este conectat la terminalul + ( plus ) al bateriei și celălalt terminal al
becurilor B1 , .. ,B3 este conectat la terminalul – (
minus ) al bateriei. Aceasta înseamnă că becurile B1, B2, B3 sunt conectate în
paralel.

Elementele sau ramurile de circuit spunem că sunt în paralel
când au exact două noduri în comun sau sunt conectate între aceleași două
noduri.

În următoarele figuri vă prezint câteva exemple de elemente paralele. Elementele dintre noduri pot fi orice componentă cu două terminale ca, sursă de tensiune, rezistori, becuri și așa mai departe.

Pentru studiul funcționării și analiza circuitelor avem
nevoie în primul rând de teorema ( Legea ) lui Kirchhoff cu privire la curenți.

!!!!! Suma curenților care intră într-un nod este egală cu suma curenților care ies din același nod.

\(\sum I_{in}=\sum I_{out}\)

Folosind Legea lui Kirchhoff pe figura de mai sus, vom avea :

\(I_1+I_5=I_4+I_3+I_2 \Rightarrow5A+3A=2A+4A+2A\Rightarrow8A=8A\)

Exemplu:

Verificați dacă legea lui Kirchhoff se aplică în nodul din figura următoare :

3mA+6mA+1mA=2mA+4mA+4mA⇒10mA=10mA

De mai multe ori când analizăm un circuit suntem nesiguri de direcția curentului printr-o ramură de circuit sau printr-o componentă anume. În acest caz ne asumăm o direcție oarecare, facem calculul folosind direcția aleasă de noi, iar dacă valoarea curentului pentru care ne-am asumat o direcție oarecare are semnul – ( minus ) înseamnă că direcția aleasă de noi este greșită.

Exemplu:

În figura următoare avem de aflat curentul ce trece prin rezistorul R4.

Rezolvare:

I1=I2+I4+I5⇒I5=I1−I2−I4⇒I5=2A−3A−6A=2A−9A=−7AI5=−7A
Rezultatul este negativ ceea ce înseamnă că curentul I5 are sensul opus față de cum l-am ales noi.

Conectarea rezistoarelor în paralel

Două sau mai multe rezistoare sunt grupate în paralel dacă sunt conectate între aceleași noduri.

Tensiunea, la conectarea în paralel, va fi aceiași la bornele fiecărui element de circuit conectat în paralel.

\(I=I_1+I_2+ \cdot \cdot \cdot I_n \Rightarrow \frac{E}{R_T}=\frac{E}{R_1}\cdot \cdot \cdot \frac{E}{R_n} \Rightarrow \frac{1}{R_T}=\frac{1}{R_1} \cdot \cdot \cdot +\frac{1}{R_n}\) =Rezistenta echivalenta la conectarea in paralel

La gruparea în paralel a rezistoarelor, rezistența echivalentă a rețelei va fi mai mică decât valoarea oricărui rezistor din rețea.

Dacă avem o rețea de rezistori de aceiași valoare conectați în
paralel, rezistența echivalentă va fi :

\(R_T=\frac{R}{n}\)