BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA - unizd.hr ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA.… · svjetlosna jakost I v kandela cd . 6 ... •Otpor ovisi o vrsti materijala, duljini vodiča i površini

1

BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA

doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

• Predavač: dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing.

• Asistent: Ninoslav Miholčić dipl.ing.

• Fond sati : 60 sati predavanja + 30 sati vježbe

2

3

UVOD


4

Mjerni sustavi

• Mjerenje predstavlja uspoređivanje fizikalne veličine s njenom jedinicom uz određenu točnost.

• Mjeriti znači eksperimentalnim putem odrediti pravu vrijednost mjerene veličine, s određenom točnošću.

5

Osnovne fizikalne veličine i osnovne jedinice SI sustava

FIZIKALNA

VELIČINA OZNAKA

OSNOVNA

JEDINICA SI OZNAKA

duljina l metar m

masa m kilogram kg

vrijeme t sekunda s

električna struja I amper A

termodinamička

temperatura T kelvin K

množina (količina

tvari) n mol mol

svjetlosna jakost Iv kandela cd

6

Izvedene fizikalne veličine u elektrotehnici


7

Osnovni električni simboli električnih komponenata

8

Električne uređaji su opisani električnom shemom

Pomoću električni mjernih instrumenata moguće je mjeriti razne električne veličine kao napon, jakost struje na komponentama itd. i na taj način otkriti kvar uređaja

9

UVOD U ELEKTRIČNE MATERIJALE


10

1. elektrotehnički materijali - omogućuju ostvarivanje osnovne zadaće električnih proizvoda (izolatori, poluvodiči i vodiči)

2. konstrukcijski materijali - uobličavaju proizvod u jednu cjelinu prikladnu s funkcionalnih i estetskog motrišta (plastični i metalni ormari,...)

3. pomoćni materijali - obavljanje pomoćnih zadaća (zaštita od korozije, podmazivanje, ....).

Materijali koji se koriste u električnim uređajima

11

Elektrotehnički materijali

Vodiči - Atomi metala su poredani u kristalne rešetke, a valentni elektroni atoma slabo su vezani uz jezgru, te se slobodno gibaju po kristalu (vodiči prve vrste). Pojedine tekućine vode struju – elektroliti (vodiči druge vrste) – u tekućinama ioni vode struju

Izolatori – svi elektroni su čvrsto vezani za atome unutar materijala. Nema slobodnih elektrona. Veliki naponi mogu proizvesti nagli protok struje – proboj izolacije

Poluvodiči– izolatori koji pod određenim uvjetima (temperatura, dodavanje primjesa) mogu postati vodiči

12

Podjela elektrotehničkih materijala

• Poznatiji vodiči su:

- Bakar, aluminij,srebro i dr. metali...

• Poznatiji poluvodiči su:

- silicij, germanij, galij-arsenid...

• Poznatiji izolatori su:

- guma, drvo, PVC, papir, zrak, destilirana voda...

13

ELEKTRIČNA STRUJA I NJENI UČINCI

14

Pod električnom strujom podrazumijeva se usmjereno gibanje električnih naboja. Karakteriziraju je smjer, jakost (može biti funkcija vremena) Električna struja ostvaruje se gibanjem elektrona u metalima (pri gibanju elektrona ne dolazi do prijenosa materije). Električna struja ostvaruje se i gibanjem pozitivnih i negativnih iona u tekućinama i plinovima (pri gibanju iona dolazi do prijenosa materije). .

Električna struja

15

• Električna struja iskazuje se svojim učincima. To su: - toplinski učinak, - kemijski učinak, - magnetski učinak. • Poneki autori među osnovne učinke električne

struje ubrajaju još i fiziologijski i svjetlosni učinak, mada su oni posredno iskazani u kemijskom, odnosno toplinskom učinku.

16

Toplinski učinak struje

Toplinski učinak je fizikalna pojava zagrijavanja

vodiča kojim prolazi električna struja.

Do zagrijavanja dolazi zbog sudaranja električnih naboja u gibanju s česticama tvari kroz koju se gibaju, čime joj povećavaju toplinsku energiju.

Stječe se utisak da električna struja nailazi na otpor okolne tvari.

17

Kemijski učinak očituje se u razdvajanju pojedinih vodiča na sastavne dijelove pri prolasku električne struje - elektroliza.

Ovdje električna struja prolazi kroz elektrolite - vodiče druge vrsti. Vodiči druge vrsti su otopine raznih soli, kiselina i lužina.

(Vodiči prve vrsti su metali, i oni se ne mijenjaju na takav način prolaskom električne struje).

Kemijski učinak struje

18

Magnetski učinak je neizbježan pratitelj električne struje.

Iskazuje se stvaranjem magnetnih sila oko vodiča, jakost kojih je veća u blizini vodiča, a s udaljenošću opada.

Prostor u kojem se pojavljuju i osjećaju te sile naziva se magnetskim poljem.

Magnetski učinak struje

19

Fiziologijski učinci struje

• Električna fiziološka struja prenosi se živcima (kemijsko – električni prijenos signala) – normalno je prisutna u čovjeku -EKG

• Posebno je opasno ako vanjska električna struja prolazi kroz srce, u kojem se nalazi i centar za generiranje srčanog ritma (proizvodi impulse od cca 1 Hz koji daju signal srcu da se stegne).

• Prolaskom vanjske izmjenične struje od npr. 80 mA i više, te frekvencije 50 Hz srčani mišić bi se trebao stegnuti 100 puta u sekundi - otprilike 80 puta brže od uobičajenog ritma.

20

Fiziologijski učinci struje – utjecaj na čovjeka

Dolazi do treperenja srca, koje više ne tlači krv. To je treperenje srca, posljedica kojega je prestanak rada srca (50-100 mA je smrtno !! – tu struju može izazvati napon veći od 60 V – ovisi o otporu). Vrijeme prolaska struje kroz tjelo je izrazito bitno. Prolaskom električne struje kroz mozak dolazi do paraliziranja centra za disanje, što takođe može izazvati smrt. Zagrijavanjem tkiva zbog prolaska struje dolazi do zgušnjavanja bjelančevina, do rasprskavanja eritrocita, i sl. Posljedica kemijskog učinka električne struje u organizmu je razgradnja stanične tekućine.

21

22

23

24

25

ELEKTRIČNI KRUGOVI ISTOSMJERNE STRUJE

26

Krug istosmjerne struje

• Tri su osnovna dijela svakog električnog strujnog kruga:

- izvor,

- vodiči,

- trošilo.

• U trošilima se vrši obratna pretvorba energije.

27


28

Elektromotorni napon ili sila električnog izvora

Električno nabijena tijela mogu se dobiti odvajanjem elektrona iz atoma utroškom neke druge vrsti energije, npr. Mehaničke, svjetlosne ili kemijske. Takvo odvajanje postoji u električnom izvoru. Zbog djelovanja energije u izvoru nastaje elektromotorna napon (sila) E koja uzrokuje da jedna stezaljka izvora ima višak negativnog naboja (negativni pol), a druga manjak negativnog naboja (pozitivni pol) – između stezaljki nastaje razlika potencijala.

29

Elektromotorni napon ili sila

Radnja dW u izvoru pomiče naboj dQ u izvoru i stvara napon E na stezaljkama

Svaki izvor ima definiran električni napon E koji se mjeri u voltima (V). Napon je “sila” koja “gura” struju kroz trošilo i vodiče. Struja protiče kada se zatvori strujni krug

dW JE V

dQ C

30

• Razlika u potencijalu između bilo koje dvije točke strujnog kruga naziva se naponom,

Električni potencijal

•Svaka stezaljka izvora ima određeni potencijal.

• Električni potencijal označava se s , i on je skalarna veličina, mjeri se u voltima (V).

2 1E


31

Mjerenje napona izvora

32

Razlika potencijala ili napon između dvije točke strujnog kruga

•Napon između točaka strujnog kruga može se odrediti kao razlika potencijala između promatranih točaka.

33

•Da bi električna struja tekla između izvora i trošila, svi dijelovi strujnog kruga trebaju biti dobro vodljivi i nigdje ne smije biti prekida – zatvoren strujni krug.


34

Gibanje slobodnih elektrona u vodiču

Smjer električne struje

35

Smjer električne struje

Istosmjerna struja stalno teče strujnim krugom u istom smjeru (polaritet izvora se ne mijenja vremenu) Jakost električne struje je veličina o kojoj ovisi učinak električne struje. Određuje se kao mjera količine elektriciteta koja prođe u jedinici vremena kroz vodič na jednom mjestu strujnog kruga: Q –električni naboj [C]

Q CI A

t s

36

ELEKTRIČNI OTPOR I VODLJIVOST

37

RS

1

G SR

Električni otpor i vodljivost

•Vodič pruža otpor prolasku struje – efekt sudaranja elektrona sa česticama materije

•Otpor ovisi o vrsti materijala, duljini vodiča i površini poprečnog presjeka vodiča

261 10mm m

m

62

1 1 10Sm Smmm


38

0 1R R T

Ovisnost otpora o temperaturi

R otpor pri stvarnoj temperaturi R0 - otpor pri sobnoj temperaturi T - razlika između stvarne i sobne temperature α- temperaturni koeficijent materijala [C-1],

39

Pojava iščezavanja električne otpornosti koja nastaje kao rezultat podhlađivanja vodiča do kritične temperature , naziva se supravodljivošću. Sredstvo za hlađenje je za te temperature tekući helij. Tehnologija tekućeg helija je vrlo složena i skupa. Visokotemperaturni supravodiči Tc =100 Kº – te temperature moguće postići tekućim dušikom. Moguća područja primjene su: prijenos energije, izgradnja jakih magneta, transport, električni strojevi, računalska tehnika, medicina i sl.

Supravodljivost

40

Otpornici

Otpornici su elementi kruga koji reguliraju jakost struje ili ostvaruju pad napona u strujnom krugu.

41

Otpornici na štampanoj pločici

Novi trend u izradi otpornika je tzv. SMD tehnologija, tj. tehnologija površinskog postavljanja.

42

Maseni ugljeni otpornik

43

Vrste i parametri otpornika

Vrste otpornika: Stalni i promjenjivi Prema tehnologiji izrade : maseni, ugljično slojni, žićani … •Linearni i nelinearni: NTC, PTC otpornici, varistori, magnetski otpornici fotootpornici, otporne trake (straingages) -senzori

Parametri otpornika: •otpornost [Ω], •snaga[W], •tolerancija...

44

OHMOV ZAKON


45

• Njemački fizičar George Simon Ohm (1787-1854.) eksperimentalno je utvrdio da je pri konstantnoj temperaturi jakost električne struje razmjerna naponu, a obrnuto razmjerna električnom otporu.

R

UI

Ohmov zakon


46

Grafička reprezentacija ohmovog zakona linearnog otpornika


47

Tri radna stanja električnog kruga

Tri su radna stanja električnog kruga: - normalno radno stanje (I=Iradno) - prazni hod ( R=∞;I=0) - kratki spoj (I=∞;R=0) opasno !!!


48

KIRCHOFFOVI ZAKONI


49

Za bilo koji čvor električne mreže vrijedi da je algebarski zbroj svih struja u svakom trenutku jednak nuli

1

1 2

0

... 0

n

i

i

n

i j

ulaznih izlaznih

I

I I I

I I

Prvi Kirchoffov zakon


50

U zatvorenom strujnom krugu, algebarski zbroj napona izvora jednak je algebarskom zbroju padova napona na

otpornicima.

Oni elektromotorni naponi kojima se smjer djelovanja podudara s referentnim smjerom uzimaju se kao pozitivni, a ostali kao negativni.

i j j

i j

E I R

Drugi Kirchoffov zakon


51

Drugi Kirchoffov zakon

1 2 3 4 1 1 2 2 3 3 4 4E E E E I R I R I R I R


52

Pad napona realnog naponskog izvora

• Na unutarnjem otporu izvora, prolaskom struje I, dolazi do pada napona (idealni izvor ima Ri=0), pa se smanjuje napon U

U = E - I Ri


53

SPOJEVI OTPORNIKA


54

SPOJEVI OTPORNIKA

• Serijski

• Paralelni

• Mješoviti

• Zvijezda

• Trokut


55

n

n

i

iuk

n

n

RRRRR

IIII

EUUU

...

...

...

21

1

21

21

Serijski spoj otpornika


../../../../../../../../../danko/Predmeti/Osnove elektrotehnike/Predavanja/nova predavanja i ispitna pitanja/java/resist2/index.html

56

1 2

1 2

1 1 2

...

...

1 1 1 1 1...

n

n

n

iuk i n

I I I I

U U U E

R R R R R

Paralelni spoj otpornika


../../../../../../../../../danko/Predmeti/Osnove elektrotehnike/Predavanja/nova predavanja i ispitna pitanja/java/resist4/index.html

57

Paralelni spoj dvaju otpornika – strujno djelilo

1 2

1 2

21

1 2

12

1 2

uk

R RR

R R

RI I

R R

RI I

R R


58

Mješoviti spoj otpornika


59

Zvjezda spoj i trokut spoj

zvjezda trokut

Američki simbol za otpornik


60

PROMJENJIVI OTPORNICI


61

Promjenljivi otpornici, zvani potenciometri, služe za regulaciju napona električne struje

Potenciometri se primjenjuju prilikom podešavanja napona (glasnoća, kurs broda, rasvjeta)

Potenciometar


62

Promjenljivi otpornici, zvani reostati, služe za regulaciju jakosti električne struje

Reostati se primjenjuju pri pokretanju elektromotora, pri nabijanju akumulatora, itd.

Reostat


63

NELINEARNI OTPORNICI


64

• Ako se otpor otpornika ne mijenja u ovisnosti o jakosti

električne struje ili iznosu narinutog napona govori se o

linearnim otpornicima (stalni otpornici ili mehaničkim

putem promjenjivi) – linearna U/I karakteristika

Linearni i nelinearni otpornici

•Ako se otpor otpornika mijenja u ovisnosti o jakosti struje

ili iznosu narinutog napona u krugu govori se o nelinearnim

otpornicima – nalinearna U/I karakteristika


65

Linearni i nelinearni otpornici


66

Magnetski otpornici su oni koji mijenjaju otpor s promjenom magnetnog polja, odnosno gustoće magnetnog toka, u kojem se nalaze. Nazivaju se Hallovim elementima.

Kod otpornika ovisnih o tlaku otpor raste s porastom tlaka kojem su izloženi –otporne trake (strain gages) – naprezanje trupa broda.

Nelinearni otpornici


67

Termistori

Termistori: -s pozitivnim temperaturnim koeficijentom – otpor se povećava rastom temperature ( PTC)

i s negativnim temperaturnim koeficijentom – otpor se smanjuje povećanjem teperature (NTC)

Koriste se kao senzori temperature doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

68

Fotootpornik

Rad fotootpornika zasniva se na činjenici da se električni otpor nekih materijala smanjuje kad se obasjaju svjetlošću (oslobađaju se elektroni i povećava se vodljivost). – protuprovala)


69

Varistor

Varistori (VDR - voltage dependent resistor) su otpornici kod kojih se otpor smanjuje s porastom napona. – zaštitni elementi


70

SPOJEVI IZVORA


71

Serijski spoj izvora

Serijski spoj izvora koristi se kada je potreban veći napon trošila od napona koju može dati jedan izvor.


72



n

i

iEE1

Serijski protuspoj izvora


73

Paralelni spoj izvora

Paralelni spoj izvora koristi se kada je potrebna veća struja trošila od struje koju može dati samo jedan izvor.


74

Paralelni spoj izvora Struja izjednačenja- nejednaki naponi !

Paralelni spoj realnih izvora

1 2I I I 1 20

1 2i i

E EI

R R

Kada Ri1 i Ri2 nisu jednaki, dolazi do protjecanja struje izjednačenja bez da se priključuje trošilo


75

MJERENJE JAKOSTI STRUJE MJERENJE NAPONA STRUJE


76

Mjerenje napona

• Za mjerenje napona koristi se instrument voltmetar.

• Voltmetar se u strujni krug priključuje paralelno,


77

Mjerenje jakosti

• Za mjerenje jakosti električne struje koristi se instrument

ampermetar.

• Ampermetar se u strujni krug priključuje serijski,


78

MJERENJE OTPORA


79

Mjerenje otpora

• Ommetrom (analognim ili digitalnim, univerzalnim instrumentom)

• U-I postupkom (mjeri se U i I, te računa

R = U/I)

• Mosni postupci (Wheatstoneov most).


80

Mjerenje otpornika ohmometrom


81

U-I postupak mjerenja otpora

• U-I postupak mjerenja otpora sastoji se od mjerenja jakosti električne struje kroz nepoznati otpornik, ampermetrom, i mjerenja pada napona na tom otporniku, voltmetrom.

• Tako očitani podaci uvrste se u jednadžbu Ohmova zakona.


82

Mosni postupak - Wheatstoneov most

• Wheatstoneov most koristi se za mjerenje otpora, po iznosu, većih otpornika.

• Most se dovodi u ravnotežu promjenom iznosa otpora R2

Rx = R2

R

R

3

4


83

SNAGA, RAD, ENERGIJA


84

Pretvorba električne energije

Energija se ne može ni iz čega stvoriti, a niti

uništiti – zakon održanja energije.

Prilikom pretvorbe energije iz jednog oblika

u drugi vrijedi

W = Wk + Wg

Wk - korisni (željeni) oblik energije,

Wg - gubitak energije.


85

Primjeri pretvorbe električne energije


86

• Kada je strujni krug priključen na napon U, u krugu poteče električna struja I. Količina elektriciteta Q = I t koja sudjeluje u tom gibanju obavlja rad:

A = Q U=U I t [VAs = Ws = J

• Za električnu energiju, odnosno električni rad, u svakodnevnom životu često se koristi jedinica kilovatsat. Energija od 1 KWh odgovara radu koji je nužan da se teret mase 100 kg podigne na visinu 3670 metara. [1 KWh=3,6 MJ]

Električni rad i energija


87

Električna snaga je brzina kojom se neka

radnja može izvršiti, a određuje se radnjom

koja se izvrši u jedinici vremena (p = dA/dt):

2

2A UP UI I R

t R W

Električna snaga

Nazivna ili nominalna snaga -najveći dopušteni iznos snage s kojim trošilo može u pogonu trajno raditi, a da se pri tome ne ošteti.


88

Stupanj korisnosti

100 %k k

k g k g

W P

W W P P


89

Zadatak: Odredi snagu na trošilu ako je U=220 V, R=22 Ω

22010

22

U VI A

R

220 10 2200 2,2P U I V A W KW

Kolika je energija potrošena na trošilu za 2h ??

220 10 2 4,2A U I t V A h KWh

Kolika je cijena potrošene energije ako je 1KWh=0,2 Kn ??

4,2 0,2 0,84KWh Kn Kn doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

90

Grafički prikaz napona, struje, snage i rada za slučaj istosmjerne struje


91

Mjerenje snage i rada električne struje

• Snaga se može mjeriti: izravno vatmetrom ili neizravno mjerenjem struje i napona.

P=UI W • Za mjerenje električnog rada utroška električne energije,

odnosno njegovog, koriste se brojila. W = U I t Ws = J


92

Prilagodba trošila izvoru

Snaga koja se razvija na

trošilu je:

P I Rp p 2

IE

R Ri p

PE

R RRp

i p

p

2

2( )

P

R

p

p = 0

P

R

p

p =

E R R E R R R

R R

i p p i p

i p

2 2 2

4

20

( ) ( )

( )

► R Ri p

Najveća snaga na trošilu se postiže kada je otpor trošila jednak unutarnjem otporu izvora. Važno za telekomunikacijske uređaje, stupanj iskorištenosti samo 50% - ne vrijedi za energetske uređaje


93

JOULOV ZAKON I NJEGOVA PRIMJENA


94

Jouleov zakon

Q=I2Rt [J]


95

Jouleov zakon Nositelji električne struje, npr. slobodni elektroni u

metalnim vodičima, sudaraju se s česticama materijala

vodiča, te pri tome gube dio svoje kinetičke energije.

Jedan dio te energije isijava se kao toplina. Iznos

topline koja se stvara zbog sudaranja izravno je ovisan

o jakosti električne struje, otporu vodiča i vremenu u

kojem električna struja prolazi tim vodičem.

Razvijena količina topline određuje se izrazom:

Q = I 2R t J

Primjena: Električni grijači pretvaraju električnu energiju u toplinsku primjenom joulova zakona (bojleri, pećice, sijalice sa žarnom niti..) doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

96

ELEKTROSTATIKA


97

Električno polje

• Tijela mogu biti električni neutralna, pozitivno ili negativno nabijena. Tijela se mogu nabiti naprimjer trenjem.

• Prostor u kojem se osjeća djelovanje nabijenih tijela naziva se električnim poljem.

• Električno polje iskazuje se mehaničkom silom na naboj koji je unešen u to polje.

F VE

Q m


98

Električno polje

• Električno polje usamljenog točkastog naboja je radijalno – silnice grafički prikazuju polje.

• Jakosti električnog polja E usamljenog točkastog naboja:

12

0 8,854 10F

m

2

04

1

r

QE

apsolutna dielektrička konstanta vakuuma (permitivnost) - označava sposobnost medija za “provođenje” silnica el. polja

0doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

99

• Električno polje je homogeno ako ima u svakoj točki jednaku jakost, pravac i smjer. U suprotnom je nehomogeno.

Homogeno električno polje

Između dvije metalne ploče

Nehomogeno električno polje između

vodiča i Zemlje

Električno polje


100

Raznoimeni električni naboji privlače, a istoimeni odbijaju.

Ako se radi o točkastim nabojima sile među nabojima mogu se izraziti Coulombovim zakonom:

1 2

2

1

4

Q QF N

r

Columbov zakon

0 r

relativna dielektrička konstanta r


101

Raspodjela naboja na okruglom vodiču

Električni se naboj raspoređuje po površini vodiča. Električno polje unutar šuplje metalne kugle jednako nuli, a da je naboj na kugli jednoliko raspoređen. Ako je kugla izrađena od nevodiča i cijela nabijena pozitivnim nabojem, polje unutar nje bilo bi linearno (pravac od središta do r = R), a izvan nje kao na slici.


102

Raspodjela naboja vodiču nepravilna oblika

Slična je situacija i na vodičima nepravilna oblika: veća im je gustoća naboja na onim dijelovima koji imaju manji polumjer zakrivljenosti.

Jako polje na vrhu šiljka ionizira zrak oko šiljka i stvara se električna i zračna struju – (električni vjetar) –EFEKT ŠILJKA To je uočio Benjamin Franklin¸za izradbu uzemljenog gromobrana – šiljak privlači grom – kišobran !!!


103

Gromobran na brodu


104

Tok električnog polja

Skup silnica kroz promatranu površinu predstavlja tok električnog polja.

Tok električnog polja određen je izrazom:

S

E SdE


105

Gaussov zakon Ako se u električno polje postavi zatvorena površina bilo

kakvog oblika, Gaussov zakon kaže da je ukupan tok kroz

zatvorenu površinu, u smjeru od te površine, jednak

umnošku 1/0 i algebarskog zbroja naboja unutar te

površine.

0S

QE dS


106

Električna influencija

• Električna influencija je pojava razdvajanja raznoimenih naboja na vodljivom tijelu u električnom polju bez izravnog fizičkog dodira s nekim nabijenim tijelom.

• Slobodni elektroni koji se nalaze u nenabijenom vodljivom tijelu premjestit će se na onu stranu tog tijela koja je bliža pozitivno nabijenom vodiču, a s druge strane tog tijela prevladat će pozitivni naboj atomskih jezgri.


107

• Kao mjera influencijskog djelovanja služi veličina koja se naziva vektorom električnog pomaka ili električnom indukcijom.

• U unutrašnjosti nabijenih tijela nema električnog polja.

2

Q CD

S m

Električna influencija


108

•Ako se u unutarnjost jednog vodiča postavi drugi nenabijeni vodič, a zatim vanjski vodič nabije, vanjski vodič ne može nikako djelovati na unutarnji vodič.

•Vanjski vodič tako štiti unutarnjega od raznih stranih električnih polja.


109

Faradeyev kavez

Ako se tijelo nalazi unutar zatvorenog metalnog kaveza- Nema opasnosti od groma – auto, brod


110

Vodiči, izolatori, dielektrici


111

Vodiči, izolatori, dielektrici • Vodiče karakterizira prisutnost slobodnih nositelja

naboja koji se pod djelovanjem vanjskog električnog polja mogu gibati u vodiču.

• Izolatori ili dielektrici su oni materijali kod kojih se naboji ne mogu premještati s jednog mjesta na drugo, jer slobodnih nositelja električnog naboja gotovo nemaju.

• Elementarni električni naboji od kojih je sastavljen izolator pod djelovanjem vanjskog električnog polja mogu se pomaknuti samo na mikroskopski male udaljenosti (ne mogu napustiti svoje atome ili molekule) osim kod izuzetno jakih električnih polja kad dolazi do uništenja (proboja) izolatora.


112

Dva su tipa izolatora:

- nepolarni - koji su neutralni u nepobuđenom stanju, (Ako se takav atom postavi u vanjsko električno polje, doći će do djelovanja elektrostatičkih sila i do njegove deformacije. Jezgra i elektronski omotač dobit će novi ravnotežni položaj. Nastaje el. dipol),

- polarni - koji zbog svoje građe već imaju električni dipolni moment bez djelovanja vanjskog polja

Vrste izolatora


113

Nepolarni atom u električnom polju

Nepolarni atom izvan (a) i u električnom polju (b,c)


114

Polarne molekule bez djelovanja električnog polja i pod njegovim djelovanjem –

polarizacija dielektrika

Polarne molekule u električnom polju

•Dielektrik je u električnom polju izložen djelovanju sila električnog polja, zbog čega dolazi do polarizacije dielektrika. Polarizacija je to više izražena što je jače električno polje.


115

Polarizacija dielektrika

• Djelovanjem vanjskog električnog polja dipoli se orijentiraju u smjeru električnog polja.

• Kratkotrajno pomicanje naboja u izolatoru čini struju dielektričnog pomaka.

ED r

0


116

Dielektrična čvrstoća

• Kad vanjska sila električnog polja postane jača od unutarnjih sila koje povezuju atomske jezgre i elektrone u elektronskim omotačima, dolazi do ionizacije, tj. takva jača vanjska sila otrgne neke elektrone iz elektronskog omotača, te atomi tada postaju pozitivni ioni.


117

•Ti elektroni i pozitivni ioni kreću se pod djelovanjem električnog polja u dva suprotna smjera: elektroni suprotno smjeru električnog polja, a + ioni u suprotnom.

•Na taj način izolator gubi svoja izolacijska svojstva. Pojava se naziva probojem dielektrika (izolatora).

Napon pri kojemu nastupi proboj naziva se probojni napon, a jakost električnog polja u trenutku proboja dielektrika je dielektrična čvrstoća.


118

Dielektrična čvrstoća


119

ELEKTRIČNI POTENCIJAL I NAPON


120

Električno polje usamljenog naboja i raznoimenih naboja

Električno polje djeluje na sve naboje koji se nalaze u dosegu električnog polja.

U svakoj točki električnog polja postoji određena potencijalna energija.


121

Djelovanje električnog polja se iskazuje tako da električno polje nastoji pomaknuti električne naboje koji se nađu u

njemu određenom silom F.

sdFdW

sdEQdW

Rad pomicanja naboja u električnom polju

uslijed djelovanja polja E, na naboj Q djeluje sila F i pomiče ga za put s (od točke A do točke B).

_

_

točka B

točka A

W Q Eds Ukupan mehanički rad W pomicanja naboja iz točke A u točku B polja


122

Električni potencijal je radnja W koju bi valjalo izvršiti da se jedinični pozitivni naboj Q prenese iz neke točke izvan polja (referentna točka daleko od naboja) u neku točku električnog polja (točka A) čije su

silnice usmjerene prema naboju Q.

Električni potencijal

_

_

točka A

referentna točka

Eds W

VQ

Potencijal točke A prema referentnoj točki


123

Ekvipotencijalne plohe

Ekvipotencijalne plohe (pune crte) i silnice električnog polja (isprekidane crte) usamljenog pozitivnog točkastog naboja i raznoimenih točkastih naboja

dE

dn

Veza potencijala i električnog polja između ekvipotencijalnih ploha udaljene za razmak n:


124

2 1

B

A

U Eds

Električni napon predstavlja razliku potencijala između dvije točke

Električni napon kao razlika potencijala


125

ELEKTRIČNI KAPACITET I KONDENZATORI


126

• Električni kapacitet je sposobnost vodiča da na sebe primi stanovitu količinu elektriciteta

• To svojstvo imaju bilo koja dva vodiča međusobno odvojena dielektrikom.

CQ

U

C

V

As

VF

Električni kapacitet i kondenzatori


127

Kondenzatori su naprave koje imaju sposobnost pohrane električne energije


128

Pločasti kondenzator

U VE

d m

d

SC r0

Vodiči kondenzatora nazivaju se elektrodama (oblogama). Elektrode kondenzatora na različitim potencijalima, između njih postoji električno polje. Prirodni kondenzatori su bilo koja dva vodljiva tijela ili dijela nekog elektrouređaja odvojena izolatorom, npr. zrakom, zatim kombinacija zemlja - vodič


129

• Prema tehnologiji izradbe kondenzatori se mogu podijeliti na više skupina: film/folija, metalizirani film,

keramički, elektrolitski i tantal.

CR

R

2

2

1

l

lnvaljkasti

Cr r

r r

4 1 2

2 1

kuglasti

Kondenzatori

Kondenzatori kojima možemo mjenjati kapacitet nazivaju se promjenjivi kondenzatori (oznaka)


130

SPOJEVI KONDENZATORA


131

C Cuk i

i

n

1

Q EC EC EC 1 2 3

FU

QC

Paralelni spoj kondenzatora


132

Q

C

Q

C

Q

C

Q

Cuk

1 2 3

1 1 1 1

1 2 3C C C Cuk

Serijski spoj kondenzatora


133

KONDENZATOR U KRUGU ISTOSMJERNE STRUJE


134

idq

dtC

du

dt

c

E RCdu

dtuc

c

)1(

t

c eEu

q Q e

t

( )1

Punjenje kondenzatora

RC


135

Pražnjenje kondenzatora

u Eec

t

q Qe

t

RC


136

CUQUWe

2

2

1

2

1

Elektrostatička energija kondenzatora


137

STATIČKI, ATMOSFERSKI ELEKTRICITET , PROLAZ ELEKTRIČNE STRUJE KROZ PLINOVE


138

• Ako se tijelu poremeti električna ravnoteža ono se postaje naelektrizirano odnosno nabijeno statičkim elektricitetom.

• U prirodi do nabijanja tijela statičkim elektricitetom može doći

1. trljanjem dviju različitih tvari, 2. električnom influencijom, 3. priključenjem izoliranih ploča na polove

istosmjernog izvora.

Statički elektricitet


139

•Na brodovima su opasne pojave statičkog elektriciteta do kojeg može doći strujanjem nevodljivih, zapaljivih tekućina.

•S tekućinom pri tom strujanju odlaze električni naboji jednog predznaka, dok se električni naboji suprotnog predznaka skupljaju po stijenkama tankova, po cijevima, itd.

•Vrlo je opasno što se i prah nekih materijala može nabiti statičkim elektricitetom - te može izazvati požar.

•Na čovjeku se može stvoriti statički elektricitet češljanjem, nošenjem odjeće od sintetičkih materijala i vune, hodanjem u cipelama izrađenim od gume po plastičnom podu, itd.

Statički elektricitet


140

Atmosferski elektricitet

•Električki nabijene čestice nastaju u atmosferi djelovanjem kozmičkih zraka, zračenja Sunca i djelovanjem radioaktivnih elemenata iz Zemljine kore i atmosfere.

•U svim slojevima atmosfere postoji višak pozitivnih iona, te je prostorni naboj atmosfere pozitivnog karaktera. •Kako je Zemljin naboj negativan, električno polje će biti usmjereno okomito ka površini Zemlje.

•Pri površini Zemlje jakost električnog polja je u prosjeku 120 - 130 V/m.

.


141 doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

142


•Jakost električnog polja je najveća oko 19 sati (Greenwich), a najmanja oko 5 sati i opada s porastom visine.

•Atmosfera i površina Zemlje mogu se promatrati kao kuglasti kondenzator, s tim što je vanjski oblog sloj atmosfere na visini između 50 i 65 kilometara – ispod ionosfere, a unutarnji oblog bi bila površina Zemlje.

•Može se kazati da je ionosfera Faradayev kavez koji štiti atmosferu od ekstraterestričkog djelovanja.


143


U prirodi mora postojati generator koji obnavlja naboj i održava razliku u potencijalu između obloga spomenutog "kondenzatora". Smatra se da su grmljavine upravo taj generator koji održava razliku u potencijalu.


144


Atmosfersko pražnjenje između olujnih, elektricitetom nabijenih, oblaka i površine Zemlje naziva se gromom. Elektično polje postaje tako jako da se stvara vodljiva staza između oblaka i zemlje. Pražnjenja između oblaka i unutar oblaka nazivaju se munjama.

Za vrijeme grmljavine električno polje dostiže velike vrijednosti (cumulonimbusi).


145

Korona

• Korona je vrsta samostalnog pražnjenja između elektroda koje imaju veoma malen polumjer zakrivljenosti, te je u njihovoj blizini električno polje znatno jače nego u ostalom prostoru. Elektrode okružuje tinjajuća svjetlost u obliku krune. Pražnjenje je praćeno siktavim šuštanjem. Pojava korone može se uočiti u vrijeme oluja na vrhovima gromobrana, na jarbolima brodova, na dalekovodima, i sl.


146

•Polarna svjetlost – svijetljenje atmosfere u blizini polova. Izazvana je brzim elektronima koji dolaze sa Sunca i ioniziraju atome i molekule plina u atmosferi

Polarna svijetlost


147

PROLAZAK ELEKTRIČNE STRUJE KROZ PLINOVE


148

Prolazak električne struje kroz plinove

• Plinovi se pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi ponašaju kao izolatori, iako propuštaju struju malenog iznosa, koja se može zanemariti.

• Plin ima bolja izolacijska svojstva pri višem tlaku i nižoj temperaturi.

• Da bi u plinu došlo do prolaska električne struje potrebno ga je podvrgnuti djelovanju električnog polja koje uzrokuje gibanje slobodnih električnih naboja koji se već nalaze u plinu.


149

• Slobodni električni naboji u plinu se gibaju pod

djelovanjem električnog polja.

• Negativni naboji (anioni) gibaju se prema pozitivnoj elektrodi - anodi,

• Pozitivni naboji (kationi) gibaju se prema negativnoj elektrodi - katodi.

• To gibanje tvori električnu struju koja se razlikuje od električne struje u metalnim vodičima gdje se gibaju samo slobodni elektroni.



150

Područje 0-b (Townsendovo izbijanje) je tamno (nevidljivo) izbijanje pri malenim strujama. Područje b-c napon je već toliko velik da izaziva veću ionizaciju i struju kroz plin.

Strujno naponska karakteristika izbijanja u plinu


151

Kod točke c napon izaziva jaku ionizaciju koja poprima oblik lavine, (struja raste, napon na cijevi pada). To je područje tinjavog izbijanja primjenjuje kod cijevi zvanih tinjalice. Povećanjem napona dostiže se točke d - proboj i paljenja luka, pa se tada naglo povećava električna struja, uz smanjenje napona. Nastaje lučno izbijanje – plinom punjenih svijetleće cijevi.



152

PROLAZAK ELEKTRIČNE STRUJE KROZ TEKUĆINE


153

Prolazak električne struje kroz tekućine

• Osim kemijski čiste vode sve tekućine vode električnu struju. Pri prolasku električne struje dolazi do kemijskih promjena tekućih vodiča.

• Spomenute otopine nazivaju se elektroliti, a elektrolizom se

nazivaju kemijski procesi koji se zbivaju pri prolasku električne struje kroz elektrolite.

• Prolazak električne struje prati razvijanje Jouleove topline, i rastavljanje molekula elektrolita na ione. Ta se pojava naziva elektrolitičkom disocijacijom.

•Moguća je podjela vodiča na vodiče prve i druge vrste, gdje su metali vodiči prve, a otopine lužina, soli i kiselina vodiči druge vrste.


154

• Kroz tekućine se gibaju ioni u dva smjera, pa se uspostavlja dvojna struja. Ioni su nezanemarivih masa pa osim prijenosa naboja imamo i prijenos materije (to nije slučaj u vodičima).

• Na dodirnoj površini elektroda-elektrolit mogu nastati:

1. Djelovi atoma i molekula elektrolita talože se na elektrodi (metal na katodi) i ona postaje sve deblja

2. Izlučeni djelovi iz elektrolita stvaraju plinove koji odlaze u atmosferu

3. Izlučeni djelovi iz elektrolita kemijski reagiraju sa metalom elektrode koja postaje sve tanja



155


2 4 42H SO H SO


156

IZVORI ISTOSMJERNE ELEKTRIČNE STRUJE


157

Izvori električne struje mogu biti: - kemijski, - toplinski (nuklearne baterije), - svjetlosni, (fotonaponski elementi - solarne ćelije) - mehanički (istosmerni generatori) Kemijski izvori električne energije: • primarni izvori, ili galvanski članci (elementi) –

neobnovljivi izvori • sekundarni izvori, ili akumulatori – obnovljivi izvori

• Bitni su napon i kapacitet baterije!

Izvori istosmjerne električne struje


158

PRIMARNI KEMIJSKI IZVORI


159

Primarni kemijski izvori

• Ako se u elektrolit urone dvije elektrode od različitih materijala, svaka elektroda dobiva prema elektrolitu određeni potencijal (EMN), kojemu je uzrok elektrolitička polarizacija.

• Ako su elektrode od istog materijala uronjene u elektrolit, neće biti razlike u potencijalu!

• Što su materijali udaljeniji u nizu iz tablice elemenata među elektrodama je viši napon.


160

Prvi primarni članak napravio je Alessandro Volta (1745-1827), a kasnije su razvijeni i mnogi drugi: Leclanchéov, alkalni-MnO2, litijev, itd.


161

• Katoda je od kadmij-amalgama (HgCd2) pokrivenog slojem kristala kadmij-sulfata (CdSO4).

• Anoda je od žive Hg, a depolarizator je živin sulfat (Hg2SO4).

• Elektrolit služi zasićena vodena otopina kadmij-sulfata (CdSO4).

• Tijekom duljeg vremena daje izuzetno konstantan napon (1,01865 V), te se njime koristi kao etalonom napona.

• Napon članka ovisi o temperaturi.

Primarni članak - Westonov članak


162

Primarni članak - Leclanchéov članak

• Elektrolit je vlažna smjesa salmijaka (N4HCl),

• Pozitivni pol - anoda je ugljeni štapić obložen prahom mangan-dioksida (MnO2), koji služi kao depolarizator.

• Negativni pol - katoda, je od cinka (Zn) i ujedno je i posuda.

• Napon članka je 1,5 (V). Serijski spojena takva tri članka, daju plosnatu bateriju od 4,5 (V).


163

Primarni članak - Alkalni članak

• razlikuje se od Leclanchéovog članka samo po

elektrolitu -kalijevoj lužini

• Napon članka je 1,5 V

• Može se neprekidno prazniti jačim strujama

• Kapacitet u mAh veći i do 10 puta od Laclansheovog članka

• Može se dugo skladištiti i podnosi niske temperature


164

Primarni članak Živin oksid - cink članak

• Malih dimenzija u obliku dugmeta

• Napon članka je 1,35 i 1,4 V

• Može se neprekidno prazniti jačim strujama

• Kapacitet cca 1100 mAh

• Može se dugo skladištiti i podnosi niske temperature – otrovna

živa

• Slušni aparati, kalkulatori, kamere...


165

Primarni članak - Litijev članak

• Najbolji primarni izvor energije

• Napon članka je 3 V

• Veliki kapacitet

• Može se dugo skladištiti i podnosi niske

temperature -40 +100

• EPIRB, SART, pace-maker


166

SEKUNDARNI KEMIJSKI IZVORI


167

Sekundarni kemijski izvori

• Sekundarni kemijski izvori električne struje ili akumulatori su obnovljivi izvori električne energije.

• Mogu se nakon pražnjenja ponovo napuniti priključivanjem na ispravljač – efikasnost punjenja.

• Broj ciklusa punjenja i pažnjenja može biti vrlo velik (tisuću i više puta)


168

Kemijski izvori električne struje - akumulatori

1. Klasični akumulatori s tekućim elektrolitom - Olovni, - Srebreni (u kombinaciji s cinkom i s kadmijem), - Čelični, - Nikal – kadmijev - Nikal - metalhidridni

2. Gel ili VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) akumulatori

3. AGM (Absorbed Glass Mat) akumulatori


169

Klasični akumulatori s tekućim elektrolitom


170

Prednost:

- Značajno nižu cijena,

- manja težina,

- maksimalna tolerancija napona punjenja,

Mane:

- montiraju se na plovilima jedino u vertikalnom položaju,

- mogućnost curenja elektolita,

- potrebna je stalna kontola i održavanje,

- potrebna je ventilacija prostora,

- manji broj ciklusa pražnjenja i punjenja,

- prosječni vijek trajanja 2-3 godine,

- moguć kratki spoj unutar olovnog akumulatora zbog olovnog sulfata koji se s vremenom taloži na dnu akumulatora.

Klasični akumulatori s tekućim elektrolitom


171

Olovni akumulatori

Anoda je olovni superoksid, a

katoda olovo.

Sumporna kiselina je elektrolit

koji se razblažuje destiliranom

vodom.

Napon koji daje takva ćelija je

2V


172

Dok se akumulator prazni on predaje trošilu

električnu energiju , električna struja prolazi i

kroz elektrolit.

Nastaje slijedeća kemijska reakcija:

PbO Pb H SO PbSO PbSO H O2 2 4 4 4 22 2

Pražnjenjem akumulatora elektrode se po

sastavu postupno izjednačavaju (sulfatiziraju) te

napon postupno opada.

Kada napon padne ispod 1,85 V, zabranjena je

daljnja uporaba, jer bi to otežalo/onemogućilo

postupak punjenja.

Olovni akumulatori - pražnjenje


173

Pažnja! - Prilikom punjenja kroz čepiće čelija izlazi tzv. plin praskavac opasnost eksplozija !!!!!. - U slučaju da kožu dotakne elektrolit, potrebno je isprati to mjesto.

Olovni akumulatori - punjenje

4 4 2 2 2 42 2PbSO PbSO H O PbO Pb H SO


174

Olovni akumulatori – krivulja punjenja i pražnjenja

Kapacitet akumulatora – umnožak jakosti struje i vremena pražnjenja [Ah]. Akumulator koji ima 45 Ah može davati struju od 45 A u vremenu od 1 sat ili naprimjer 15 A u vremenu od 3 sata. Gustoća kiseline pokazuje stanje napunjenosti akumulatora (bometri)


175

•Manja osjetljivost na preopterećenje, veća trajnost i manja težina od olovnih

Čelični ili alkalijski akumulatori

2 6 2 2( ) 2 ( ) ( )Ni OH Fe Ni OH Fe OH

• Elektrolit alkalijskih ili čeličnih akumulatora je vodena otopina kalijeve lužine (KOH), anoda je nikal(III)-hidroksid ili Ni2(OH)6, katoda željezo, Fe

• Kemijski proces je reverzibilan, a elektrolit se uopće ne mijenja. Napon po ćeliji 1,2 V (opseg napona 1,15V-1,8V)


176

Srebreni akumulatori

•Mala masa, obujam, neosjetljivost na temperature

• Elektrolit srebrnih akumulatora je vodena otopina kalijeve lužine (KOH), anoda je od srebra, katoda cink.

• Kemijski proces je reverzibilan. Opseg napona 1-2,1 V

2 2( )Ag Zn OH AgO Zn H O

prazan pun


177

Gel ili VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) akumulatori AGM (Absorbed Glass Mat) akumulatori


178

Gel akumulatori - nikal kadmij...

Elektrolit je imobiliziran između ploča u obliku želatinozne mase


179

Prednosti

- nije potrebno nikakvo održavanje,

- moguća je montaža u bilo kojem položaju,

- nema izlaženja plina praskavca prilikom punjenja,

- ako su kleme izolirane mogu raditi pod vodom,

- otporni su na vibracije i udarce,

- stupanj samopražnjenja je malen,

- vijek trajanja 5-8 godina,

- brzo se pune, a mogu se prazniti do 50% nominalnog kapaciteta,

Nedostaci

- duplo veća cijena od klasičnog akumulatora,

- potrebni posebni punjači, pa se na brodu teško obnavljaju.

Gel akumulatori - nikal kadmij...


180

AGM akumulatori

Elektolit je imobiliziran u staklenoj vuni


181

Prednosti: - tehnološki najnapredniji, - dug vijek trajanja, - vrlo velik broj ciklusa punjanja i pražnjenja, - niski stupanj samopražnjenja, - nije potrebno održavanje, - može raditi u različitim položajima, - nema plinova prilikom punjenja, - otporan na vibracije i udarce,

Mane: - visoka cijena, - vrlo je osjetljiv na visinu napona punjenja, - izrađuje se samo u nekoliko veličina.

AGM akumulatori


182

Uporaba i smještaj akumulatora na brodovima

• Akumulatori na brodu namijenjeni su za rasvjetu u nužnosti, signalizaciju, telefoniju, rasvjetu u nužnosti, dojavu požara, alarmna zvonca, pozivna zvonca, rezervne radiouređaje, električne satove, itd. Najčešći napon baterija u uporabi je 24 V i 60 V.

• Na brodu se akumulatorijske baterije čuvaju u posebnim prostorijama.


183

Uporaba i smještaj akumulatora na brodovima

• Prostorije u kojima se čuvaju akumulatori trebaju biti smještene visoko na brodu, da u slučaju nesreće mogu biti što dulje izvan vode, jer se njima u principu opskrbljuju električnom energijom uređaji za nužnost.

• U tim prostorijama nužna je dobra provjetrenost, zbog plinova koji se oslobađaju, pod treba biti otporan na djelovanje kiselina i lužina.

• U tim prostorijama sve električne naprave ili uređaji moraju imati protueksplozijsku zaštitu


184

Toplinski i svjetlosni izvor istosmjerne električne energije


185

Toplinski izvori električne struje - termoelemenat

• Termoelementi (termoparovi) su naprave u kojima se toplinska energija pretvara u električnu.

• Dva vodiča izrađena od različitih materijala, A i B, spojena su čvrsto

(zalemljena) na kraju 2. Slobodni su im krajevi, 1 i 3, povezani. Ako se spojno mjesto 2 zagrijava, u strujnom krugu će poteći električna struja.

• Porast temperature uzrokuje povećanje difuzije elektrona iz jednog materijala u drugi


186

Svjetlosni izvori električne struje

Svojstvo na temelju kojeg neki materijali (K, Na, Si, Rb, Cz, Se, Li, Cu2O, itd.) oslobađaju elektrone kada se obasjaju svjetlošću, naziva se fotoelektricitet, a primjenjuje se za izradbu fotootpornika i fotoelemenata (fotogeneratorske ćelije).


187

MAGNETIZAM


188

Grci su prije 2500 g znali da neke vrste željeza iskopane u Magneziji (današnja Tesalija) imaju osobinu privlačenja prema željezu i legurama, niklu, kobaltu i još nekim materijalima. To svojstvo privlačenja izraženije je na krajevima magneta. .

Prirodni (permanentni) magneti


189

Krajevi magneta nazivaju se polovima. U sredini ravnog magneta nalazi se neutralna zona. Raznoimeni magnetski polovi se privlače, a istoimeni se odbijaju.


190

•Magnetskim poljem naziva se prostor u kojem se opažaju magnetski učinci.

•Dva su temeljna magnetska učinka: mehanička sila i elektromagnetska indukcija.

Magnetsko polje


191

Permanentni magnet

Silnica je linija koja je zatvorena sama u sebe i pokazuje kako u pojedinoj točki prostora djeluje magnetska sila. Silnice izviru iz sjevernog magnetskog pola i ulaze u južni magnetski pol. Tangenta na silnicu pokazuje smjer magnetske sile.

Gustoća magnetskih silnica na pojedinom mjestu je mjera veličine

magnetske sile.


192

Zemljin magnetizam

Blizu zemaljskih polova postoje magnetski polovi zemlje promjera cca 150 milja čiji se položaj vremenom mijenja.


193

Kut kojeg zatvaraju geografski meridijan i magnetska igla koja se može slobodno vrtjeti u vodoravnoj ravnini naziva se magnetskom deklinacijom, a u navigaciji varijacijom. Varijacija je istočna ili pozitivna kada se sjeverni pol magnetske igle otkloni istočno od geografskog meridijana Kut kojeg zatvaraju vodoravna ravnina i magnetska igla koja se može slobodno vrtjeti u okomitoj ravnini naziva se magnetskom inklinacijom ( na magnetskom polu je 90º a na magnetskom ekvatoru je 90º ).

Magnetska deklinacija (u nautici varijacija) i inklinacija


194

Magnetski tok, Magnetska indukcija


195

Magnetski tok Φ

Skup silnica (linija) magnetskog polja kroz neku plohu naziva

se magnetskim tokom Φ.

Magnetski tok je skalarna veličina. Jedinica magnetskog toka je Weber Wb = Vs.


196

Magnetska indukcija B

Iznimno važna fizikalna veličina koja karakterizira magnetsko

polje je gustoća magnetskog toka (mag. indukcija) B=Φ/S predstavlja omjer magnetskog toka Φ i površine presjeka S kroz koji taj tok prolazi. Gustoća magnetskog toka je vektorska veličina. Jedinica gustoće magnetskog toka je Tesla Wb /m2.


197

cosB S cosS S

d B dS

Homogeno i nehomogeno magnetsko polje


198

Elektromagnetizam


199

• Bitan iskorak u proučavanju magnetskih pojava ostvario je Oersted otkrićem da magnetska igla mijenja položaj kada je u blizini vodiča kojim protječe električna struja.

• 1820. godine Ampėre je dokazao da između dva paralelna vodiča kojima protječu električne struje postoje mehaničke sile.

Elektromagnetizam


200

Magnetska uzbuda ili jakost magnetskog polja H

U prostor oko vodiča kroz koji prolazi struja djeluje magnetska uzbuda H - jakost magnetskog polja (koja se mjeri u A/m) i opada proporcijonalno kvadratu udaljenosti od vodiča. Magnetska uzbuda H izaziva stvaranja magnetskog toka Φ ( veći tok Φ što je veći H i što je bolja provodnost mag. silnica u mediju ) Magnetski tok Φ, pa prema tome i magnetska indukcija B (gustoća silnica) ovisi o magnetskoj vodljivosti materijala oko vodiča tkz. magnetskoj permeabilnosti.


201

Pravilo desne ruke za vodič

• Ako se palac desne ruke postavi u smjer protjecanja električne struje, savijeni ostali prsti desne ruke pokazuju smjer polja.

• Smjer vektora B (H – jakost

magnetskog polja) u nekoj točki određen je tangentom u toj točki na silnicu magnetskog polja koja prolazi tom točkom.


202

Magnetsko polje zavoja


203

Svitak kojim protječe električna struja ponaša jednako kao permanentni magnet (elektromagnet).

Magnetsko polje svitka


204

Pravilo desne ruke za svitak (zavojnicu)

• Ako se savinuti prsti desne ruke postavi u smjer protjecanja električne struje kroz svitak, palac pokazuje smjer odakle silnice izlaze – smjer polja .

• B (magnetska indukcija) je najveća unutar svitka (najgušče silnice)


205

TORUSNI SVITAK


206

ZAKON PROTJECANJA

Magnetski napon zatvorene konture (Hdl) (cijele silnice ) jednak je magnetskom protjecanju Θ=IN (magnetomotorna sila):

1

n

i

i

H d I N I

I N Az - magnetsko protjecanje ili magnetomotorna sila doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

207

• Magnetska uzbuda ili jakost magnetskog polja (H) i magnetska indukcija (B) su povezane relacijama:

B H T

I N

H Wb

Jakost magnetskog polja i indukcija u torusu

7

0 4 10H

m

0 r

magnetska permeabilnost


208

Ohmov zakon za magnetski krug

m

I NB S H S

R

S

1m

l AR

S Vs H

- magnetski otpor

0 r


209

Torusni svitak – analogija sa električnim krugom

Magnetomotorna sila Θ stvara magnetsku uzbudu H koja generira tok Φ i indukciju B=μH=Φ/s, čija veličina ovisi o permeabilnosti medija μ.

Magnetski napon


210

ELEKTROMAGNETSKA INDUKCIJA


211

Ukoliko imamo dva svitka tada: -prilikom uključivanja ili isključivanja toka istosmjerne električne struje u jednom svitku dolazi do pojave napona (induciranja elektromotornog napona) u drugom zatvorenom svitku koji se nalazi u blizini prvog svitka;

-se pri promjeni položaja jednog svitka u odnosu na položaj drugoga svitka, kojim protječe istosmjerna električna struja, također inducira elektromotorni napon u prvom svitku.

Elektromagnetska indukcija


212



213

• Iznos induciranog napona razmjeran brzini promjene magnetskog toka i broju zavoja svitka.

• Značenje minusa objašnjava se Lencovim zakonom: smjer induciranog napona uvijek je takav da se od tog napona stvorena struja svojim magnetskim učinkom protivi promjeni magnetskog toka uslijed kojeg je došlo do induciranog napona.

de N

dt



214

NAPON POMICANJA NAPON ROTACIJE


215

Napon pomicanja

• Vodič se giba po vodljivom okviru brzinom okomito u odnosu na magnetsko polje gustoće B. Naponom pomicanja dat je izrazom:

de B v

dt

1( ) abcdt B S

2( ) ( )abcdt dt B S l ds

1 2d


216

Smjer induciranog napona

Pravilo desne ruke: Ako se desna ruka postavi tako da silnice magnetskog polja upadaju na dlan ispružene desne šake i ako ispruženi palac pokazuje smjer gibanja vodiča, onda prsti pokazuju smjer induciranog napona.


217

Napon rotacije • Do induciranog napona može se doći i na način da svitak

rotira u homogenom magnetskom polju indukcije B. Takav napon naziva se naponom rotacije, a u biti to je načelo rada generatora izmjenične struje.

t

( ) sine t N B S t

( )( )

( cos )

d te t N

dt

dN B S t

dt


218

Grafički prikaz magnetskog toka i induciranog

izmjeničnog napona

T – period izmjeničnog napona [s] f=1/T – frekvencija (broj titraja u s [Hz]


219

SAMOINDUKCIJA MEĐUINDUKCIJA


220

Svitak sa magnetskom jezgrom posjeduje induktivitet

2 2

m

N N SL H

R l


221

Samoindukcija

dt

tdiLte

)()(

• Pojava da se u istoj zavojnici (svitku) kojom protječe izmjenična električna struja inducira napon e(t), kao posljedica promjenjivog magnetskog toka Φ(t), naziva se samoindukcija, a tako inducirani napon naziva se naponom samoindukcije.


222

Međuindukcija

• Pojava stvaranja napona u donjem svitku kao poslijedica promjenjivog magnetski toka u gornjem svitku koji obuhvaća i zavoje donjeg svitka naziva se međuindukcija.

M1,2 - koeficijent međuindukcije (međuinduktivitet). Ukazuje na magnetsku povezanost prvog i drugog svitka.

1 12 2 2

( )( )( )

m

N di td te t N N

dt R dt

dt

tdiMte

)()( 1

2,12

1,2 1 2M L L doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. -

ELEKTRONIKA

223

SADRŽAJ

• Uvod i osnovni pojmovi

• Poluvodiči – osnova poluvodičkih elektroničkih elemenata

• Elektronički elementi

• Elektronički sklopovi

• Elektronički sustavi

• Primijenjena elektronika

224

1. Uvod i osnovni pojmovi • Elektronika je grana znanosti, tehnike i tehnologije koja se bavi

izučavanjem i primjenom pojava povezanih s gibanjem elektrona i električki nabijenih čestica kroz poluvodiće, vakuum i plinove, te izradom naprava i uređaja koji takva gibanja rabe za praktične primjene.

• Područja primijenjene elektronike:

Informacijska elektrotehnika - radiokomunikacije

- telekomunikacije - računarstvo

Elektronika

- energetska elektronika - mjerna elektronika- opæa elektronika (potrošaèka)

Električna upravljačka i regulacijska tehnika (automatika i automatizacija)

225

• Područja (vrste) elektronike prema karakteru električnog signala koji se obrađuje

Analogna elektronika – iznos signala može imati bilo koju vrijednost između dvije krajnje (analogni signali)

Digitalna elektronika – iznos signala ima jednu od dvije međusobno dovoljno različite vrijednosti (digitalni signali)

• Elektronički uređaji se prema složenosti njihove građe i elektroničke funkcije koju obavljaju dijele na:

- elektroničke elemente - elektroničke sklopove - elektroničke sustave

226

Elektronički elementi

-sastavni dijelovi elektroničkih sklopova- obavljaju osnovne elektroničke funkcije (npr. pojačanje signala, sklapanje i sl.)

- prema I-U karakteristici: linearni, nelinearni - prema tehnološkoj izvedbi

a) diskretni (pojedinačni) elektronički elementi – ugrađuju se na ploču i međusobno električki spajaju b) integrirani elektronički elementi (monolitni i hibridni) – ujedinjuju područja elemenata i sklopova

- vrste elektroničkih elemenata a) aktivni elektronički elementi - poluvodički elementi (dioda, tranzistor, tiristor i ostali)- elektronske cijevi b) pasivni elektronički elementi - otpornici, kondenzatora, zavojnice, transformatori i ostalo

227

Elektronički sklopovi i sustavi

Elektronički sklopovi - složeni strujni krugovi koji se sastoje od elektroničkih i električnih

elemenata, a namijenjeni su za obavljanje elektronièkih funkcija (npr. pojačavanje signala, generiranje signala i sl.)

- vrste elektroničkih sklopova

a) analogni – osnovni analogni sklop je pojačalo b) digitalni – osnovni digitalni sklop je invertor - vrste elektroničkih sklopova prema tehnološkoj izvedbi a) diskretni elektronički sklopovi – građeni od pojedinačnih

elemenata b) integrirani elektronički sklopovi – svi elementi smješteni u

jedno kučište (hibridni i monolitni) Elektronički sustavi

- složena elektronička struktura koja je sastavljena od većeg broja elektroničkih sklopova namijenjenih obavljanju složenijih elektroničkih funkcija (npr. elektroničko računalo, TV prijamnik, telefonska centrala i sl.). 228

Poluvodiči – osnova poluvodičkih elektroničkih elemenata • Vrste materijala koji imaju primjenu u elektronici

- vodiči - poluvodiči - izolatori • poluvodički materijali – silicij – su temelj za moderne elektronièke

elemente • čisti poluvodički materijali ne vode dobro struju jer im je broj slobodnih

elektrona u vodljivom pojasu ograničen – otpor silicija (i drugih poluvodičkih materijala) se može drastično smanjiti i kontrolirati dodavanjem primjesa čistome poluvodičkom materijalu – proces dopiranja

• procesom dopiranja se povećava broj nosilaca struje (elektrona ili šupljina) te se povećava vodljivost, a smanjuje otpor

• dopiranje se radi sa dvije vrste nečistoća i to nečistoće N-tipa i nečistoće P-tipa, pa dobivamo: a) poluvodič N-tipa (N-vodljivi silicij) – povećava se koncentracija slobodnih elektrona, pa su elektroni većinski nosioci naboja b) poluvodič P-tipa (P-vodljivi silicij) – povećava se koncentracija šupljina, pa su šupljine većinski nosioci naboja

229

PN spoj - ako polovicu uzorka silicija dopiramo tako da ostvarimo N-tip

poluvodiča, a preostalu polovicu tako da ostvarimo P-tip poluvodiča, izme u dvaju područja nastane PN prijelaz

- područje N-tipa ima višak vodljivih elektrona, a područje P-tipa višak šupljina

- PN spoj je temelj za rad poluvodičkih dioda, tranzistora i ostalih poluvodičkih elemenata

Temeljna PN struktura: a) načelni spoj; b) spoj s

označenim većinskim nosiocima naboja

230

Poluvodiči – osnova poluvodičkih elektroničkih

231

Elektronički elementi

• Poluvodička PN dioda Diode opće namjene (ispravljačke diode) sastoje se od p-tipa i n-tipa

poluvodiča. Mogu biti silicijske i germanijske. Izvod povezan s p-tipom poluvodiča je anoda (A), a izvod povezan s n-tipom je katoda (K). Imaju svojstvo da u jednome smjeru propuštaju struju, a u drugom ne.

232

• Kad je anoda na pozitivnijem potencijalu od katode, za diodu se kaže da je propusno polarizirana. U tom slučaju kroz diodu teće propusna struja IF (engl. forward current, njem. Durchlassstrom) od anode prema katodi.Stoga se može reći da dioda djeluje kao ukljućena sklopka.

233

• Kad je katoda na pozitivnijem potencijalu od anode, dioda je zaporno (nepropusno) polarizirana. Kroz diodu teće u smjeru od katode prema anodi vrlo mala struja IR koja se naziva reverzna struja (preostala struja, engl. reverse current, njem. Sperrstrom). Dioda djeluje praktično kao isključena sklopka

234

Strujno-naponska karakteristika diode • Grafički prikaz odnosa napona i struje diode naziva se strujno-naponska

karakteristika diode.Dioda postaje vodljiva kad priključeni napon propusne polarizacije dostigne iznos UT. Taj napon naziva se napon praga ili napon koljena (engl. treshold voltage, knee voltage, njem. Schwellspannung, Schleusenspannung) i za silicijske diode iznosi oko 0,6

V – 0,7 V, a za germanijske diode 0,2 V – 0,3 V.

Ako priključeni napon zaporne

Ako priključeni napon zaporne

polarizacije prijeđe vrijednost UBR,

koja se naziva probojni napon (engl.

breakdown reverse voltage, njem.

Durchbruchspannung), dolazi do

nagloga porasta reverzne struje, što

može prouzročiti uništenje diode.

Iznos probojnoga napona za diode

kreće se u rasponu od nekoliko

desetaka volta do nekoliko kilovolta.

235

• Karakteristične veličine diode Najvažnije karakteristične veličine diode su:

- dopuštena vrijednost napona zaporne polarizacije UR koja se smije

priključiti na diodu a da ne dođe do njezina trajnog oštećenja - dopuštena jakost struje IF koja smije teći kroz diodu pri propusnoj polarizaciji a koja neće uzrokovati trajno oštećenje diode - dopušteni utrošak snage Ptot - temperaturno područje rada - temperaturno područje rada- oblik kućišta i raspored izvoda

236

237

Primjena PN dioda – ispravljanje – pretvorba izmjenične struje u istosmjernu struju

238

Zenerova dioda

239

• Zenerova dioda je silicijska dioda koja ima svojstvo da kad se na nju

priključi napon nepropusne polarizacije veći od vrijednosti napona proboja, ona održava stalan napon, praktično neovisano struji koja teče kroz diodu.

• Propusno polarizirana Zenerova dioda djeluje kao ispravljačka dioda. Kad je Zenerova dioda zaporno polarizirana, kroz nju ne teče struja sve dok napon priključenog izvora ne prijeđe iznos probojnog napona Uz, a tada dioda prelazi u stanje Zenerova proboja i održava stalan napon

• Probojni naponi Zenerovih dioda se kreću od nekoliko volta do nekoliko

stotina volta. • Zenerove diode koriste se kao stabilizatori i ogranièivaèi napona.

240

Tranzistor

• Tranzistor je troelektrodna komponenta koja ima daleko širu primjenu od dvoelektrodnih komponenata, od primjene za pojačavanje signala do onih u digitalnim logièkim i memorijskim sklopovima. Načelo njegova rada temelji se na dovođenju napona između dvije elektrode kojim se upravlja protokom struje kroz treću elektrodu. Stoga se troelektrodna komponenta može primijeniti za ostvarenje upravljanoga izvora, što i jest temelj za projektiranje pojačala. U krajnjem, upravljačkim signalom mogu se proizvesti promjene struje od ništice do najvećih vrijednosti, te se takva komponenta može primijeniti kao sklopka.

• Sklopka je temeljna komponenta logičkog invertora, a invertor temeljna komponenta digitalnih sklopova.

• Tranzistori se dijele na: - bipolarne i Bipolarni tranzistor se sastoji od dvaju PN-prijelaza izra enih

na poseban naèin i me usobno spojenih u seriju. Struja u tranzistoru rezultat je kretanja i elektrona i šupljina, i zato je nazvan bipolarni

- unipolarne (FET)..

241

Bipolarni tranzistor

• tranzistor sastoji se od tri poluvodička sloja na koja su priključene metalne elektrode. Slojevi i elektrode nazivaju se baza (B), emiter (E) i kolektor(C). S obzirom na raspored poluvodičkih slojeva tranzistori mogu biti NPN tipa (slika a) ili PNP tipa (slika b). S obzirom na materijal od kojega se izrađuju mogu biti silicijski ili germanijski.

242

243

• Budući da tranzistor ima tri elektrode, jedna se upotrebljava kao ulazna, druga kao izlazna, a treća je zajednička ulaznom i izlaznom strujnom krugu. Zajednička elektroda može biti bilo koja pa se u praksi primjenjuju sva tri načina spajanja tranzistora: spoj zajedničkog emitera, spoj zajedničke baze i spoj zajedničkog kolektora. Svaki spoj ima svoje osobitosti koje ga čine prikladnim za određene svrhe. U praksi se najčešće upotrebljava spoj zajedničkog emitera.

244

• Za praktičnu primjenu tranzistora potrebno je poznavati odnose između pojedinih struja i napona tranzistora. Proizvodači tranzistora daju za svaki tip i osnovni spoj tzv. statičke karakteristike iz kojih se vide omjeri pojedinih struja i napona tranzistora. Za praktičnu primjenu najvažnije su ulazne, prijenosne i izlazne karakteristike tranzistora.

245

• Izlazne karakteristike tranzistora

246

• Primjena bipolarnog tranzistora – pojačala signala

247

Unipolarni tranzistori ili tranzistori s efektom polja (FET)

• Poput bipolarnih: (najčešće) 3 elektrode, koriste se za pojačanje i kao sklopka

• Osnovna razlika: izlazna struja upravljana ulaznim naponom (nema ulazne struje), tj. el. poljem nastalim kao posljedica ulaznog napona – zato ime FET (eng. Field Effect Transistors – Tranzistor s Efektom Polja)

• Rad ovisan samo o većinskim nositeljima, ne i manjinskim - samo jedan polaritet nositelja naboja – zato se još zovu i unipolarni tranzistori (za razliku od bipolarnih, čiji rad temeljno zavisi o oba polariteta nositelja naboja, tj. o većinskim ali i manjinskim nositeljima)

248

• Dva osnovna konstrukcijska oblika: - spojni tranzistori s efektom polja (Junction Field Effect Transistor JFET) - metal-oksid-poluvodič tranzistor s efektom polja (Metal Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET)

Imaju 3 elektrode: - upravljačka elektroda ili vrata (G – gate) - odvod ili ponor (D – drain) - uvod ili izvor (S- source)

• Slično kao što kod BJT imamo NPN i PNP tip, i kod FET-a imamo 2 tipa: N-

kanalni i P-kanalni. Princip rada je potpuno isti, samo što su polarizacije napona za P-kanalni obrnuti od N-kanalnog.

• Temeljni princip rada objasnit će se na N-kanalnom tipu

249

G

D

S

G

D

S

a) b)

Simboli JFET-a sa oznakama elektroda (G,D,S)

a) N – kanalni JFET; b) P – kanalni JFET

(često se koriste simboli bez kruga)

JFET

250

MOSFET

• Osnovna karakteristika:

• Kod ove vrste tranzistora ne postoji vodljivi kontakt između upravljačke elektrode (G) i poluvodičkog materijala

• vrlo veliki ulazni otpor (veći od JFET-a → praktično beskonačan).

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): Metal –

oksid –poluvodič FET

Ili Tranzistor s efektom polja s izoliranom upravljačkom elektrodom

251

Dva tipa i dva “podtipa” (ukupno 4 različita tipa):

• N-kanalni (N-MOSFET, ponekad NMOS) i P-kanalni (P-MOSFET, ponekad PMOS)

• Svaki od ovih može biti osiromašenog i obogaćenog tipa

Općenito o MOSFET-u

• Po električnim karakteristikama slični JFET-u

• Princip rada i konstrukcija različiti od JFET-a

• Posebno pogodni za izradu u integriranim krugovima – danas

dominiraju (pogotovo digitalna elektronika)

252

N – kanalni MOSFET obogaćenog tipa

P (podloga)

N+

N+

S G D

SiO2

metal

• Unutar podloge (substrata) sastavljenu od poluvodiča P tipa, nalaze

se dva jako onečišćena (zato N+, a ne N) područja sastavljena od

poluvodiča N tipa.

• Upravljačka elektroda (G) je električki izolirana od podloge, tj. od N

područja (koja su spojena na elektrode odvod (D) i uvod (S)) slojem

Silicij-dioksida (dobar izolator).

• Dakle, kroz G ne može teći nikakva struja 253

• Upravljačka elektroda (G) nalazi se na površini između izvoda i izvora. Zbog ove slojevitosti metal-oksid-poluvodič i nastao je naziv MOSFET.

P (podloga)

N+

N+

S G D

SiO2

metal

254

• Ako nema ulaznog napona,

nema kanala – nema izlazne

struje ID

• Obogaćeni tip se ponekad zove

i “normalno isključen” (Normally

OFF) tranzistor

• Pod “normally” se

podrazumjeva situacija kada

ništa nije spojeno na G, a “ON”

ili “OFF” su engleski nazivi za 2

stanja sklopke: “uključeno” ili

“isključeno”

• Da bi se tranzistor uključio

(počeo voditi izlaznu struju),

područje kanala (područje pri

vrhu P-podloge) se treba

“obogatiti”

Kako ulazni napon upravlja izlaznom strujom?

DGS

P

N+ N+

+

UDS

ID=0

• Izlazna struja ID ne teče

(praktično je 0), s obzirom da je

desni PN spoj zaporno

polariziran (N strana je na višem

(pozitivnijem) potencijalu od P

strane (podloge)).

• Male struje uslijed manjinskih

nositelja možemo za MOSFET

zanemariti (uzeti da su 0) 255

Simboli MOSFET-a

G

S

D D

S

G

G2 G2

N-kanalni P-kanalni

G

S

D D

S

GG2 G2

N-kanalni P-kanalni

(a) MOSFET obogaćenog tipa (b) MOSFET osiromašenog tipa

*još različitih varijacija simbola (npr. simboli mogu biti unutar kružnice), no svi

imaju zajedničko smjer strelice prema kanalu (N ili P kanalni) te izgled kanala

(obogaćeni tip – isprekidana crta, osiromašeni tip – puna crta)

256

Korištenje FET-ova

• Kao pojačalo – npr. male promjene ulaznog napona UGS izazivaju

velike promjene izlazne struje ID

• Kao sklopka:

– JFET :

• UGS = 0: zatvorena sklopka (točnije, izlazni otpor (između D i S) je

vrlo male vrijednosti, dakle nije idealna zatvorena sklopka kod koje

R=0)

• UGS > UP : otvorena sklopka – zapiranje (kanal zatvoren), vrlo velik

(gotovo beskonačan) izlazni otpor, ne teče izlazna struja

– MOSFET

• UGS velik: zatvorena sklopka (točnije, izlazni otpor (između D i S) je

vrlo male vrijednosti, dakle nije idealna zatvorena sklopka kod koje

R=0)

• UGS < UP : otvorena sklopka – zapiranje (“isključen” MOSFET), vrlo

velik (gotovo beskonačan) izlazni otpor, ne teče izlazna struja 257

FET u odnosu na BJT

Prednosti FETova:

vrlo veliki ulazni otpor tj. gotovo nema ulazne struje – pogotovo

MOSFET (upravljanje gotovo bez snage) – značajno u digitalnoj

elektronici opadanje struje povećanjem temperature

jednostavnost izrade

(Tipične) mane FETova:

o veća nelinearnost (izl. struje sa ul. naponom)

o manje pojačanje

o za MOSFET-e: osjetljivost na statički elektricitet uslijed vrlo tankog

dielektrika (otežano baratanje – običan dodir ruke može izazvati

proboj)

258

Tiristor

• Tiristori su elektroničke komponente sa četveroslojnom poluvodičkom strukturom sa upravljačkom elektrodom. Najvažnije svojstvo tiristora jest mogućnost upravljanja vrlo velikim snagama uz utrošak malih iznosa snaga.Tiristori imaju dva stabilna stanja, vodljivo i nevodljivo, a prijelaz iz jednoga stanja u drugo stanje vrlo je brz.

• Postoje brojne različite vrste tiristora – široko područje poluvodičkih elemenata, tako postoje tiristori s dvije, tri i četiri elektrode.

259

260

• Četveroslojna dioda

UBO – prekretni napon

261

• Tiristor – SCR – silicijska upravljiva ispravljačica

G – upravljačka

elektroda (Gate)

262

Integrirani sklopovi Integrirani sklopovi (engl. integrated circuits, IC) imaju male dimenzije, malu masu i malu potrošnju snage. Primjenjuju se u suvremenim elektroničkim sklopovima. Oni zamjenjuju tranzistore u elektroničkim sklopovima kao što su prethodno tranzistori zamijenili vakuumske elektronske cijevi. Integrirani sklopovi su suvremene mikroelektroničke komponente za elektronicke sklopove. Sastoje se od mikroskopski malih elektroničkih komponenata kao što su diode, tranzistori, otpornici i kondenzatori. Pakiraju se u pojedinačna hermetićki zatvorena kučišta s prikljućnicama. Integrirani sklopovi mogu biti linearni i digitalni. Linearni integrirani sklopovi rabe se u analognim sklopovima, kao što su audio pojacala, regulatori napona, operacijska pojacala i radiofrekvencijski sklopovi. Vecina su linearnih integriranih sklopova komponente male snage s disipacijom snage manjom od 1 W. Oni su, medutim, raspoloživi i kao čipovi većih snaga, 5 W ili više. Digitalni integrirani sklopovi rabe se u računalima, kalkulatorima, digitalnim satovima, kao i mnogim drugim digitalnim sklopovima.

263

264

Optoelektronički elementi

• Optoelektronički elementi su elektroničke komponente kod kojih je djelovanje povezano sa svjetlosnim efektom.

• Vrste optoelektroničkih elemenata - fotodetektori i sunčane ćelije – elementi koji svjetlosne veličine pretvaraju u električne, odnosno koji svjetlosnu energiju pretvaraju u električnu energiju - svjetlosni izvori – elementi koji električnu energiju pretvaraju u svjetlosnu energiju

- fotovezni ili optovezni elementi – kombinacija svjetlosnog izvora i fotodetektora

265

Fotodetektori

266

Fotootpornik (LDR)

Fotodioda

267

• Fototranzistor

• Fototiristor

268

• Sunčane ćelije

269

• Svijetleće diode (LED)

270

271

Elektronički sklopovi

• Pojačala

272

Operacijska pojačala – integrirani elektronički elementi

273

• Oscilatori – na izlazu daju izmjenični napon bez ulaznog

signala

• Stabilizatori napona – daju stabilan iznos napona napajanja neovisno o

tome

mijenja li se mrežni napon, struja opterećenja ili drugo.

274

Digitalna elektronika

275

Digitalna elektronika

• Digitalna elektronika koristi samo diskretan broj “pojasa” vrijednosti

signala (napona ili struja, no najčešće napona). Najčešće se koriste 2

pojasa (tzv. binarni sustav).

• Bilo koji napon ili struja iz vrijednosti jednog pojasa ima značenje tzv.

logičke 1 (ili logičke ISTINE), a drugog logičke 0 (ili logičke NEISTINE)

• Npr. bilo koja vrijednost napona od 0V..2V ima značenje logičke 0, dok

naponi od 3V..5V imaju značenje logičke 1. Uočiti da postoji

“zabranjeno” područje (2V..3V)– ako se napon nađe unutar ovog

područja, ne može se sigurno odrediti radi li se o logičkoj 0 ili.

*Napomena: ovi iznosi su samo ilustrativan primjer

• Ovakav pristup prikazu informacije pomoću napona ili struje ima 2

velike prednosti: omogućene su logičke (Booleove) i aritmetičke

operacije sa signalom, i signal je vrlo otporan na šum (smetnju).

Zahvaljujući ovome, digitalna elektronika je postala dominantno

područje elektronike (npr. PC, mobitel, velik dio kućanskih uređaja itd.)

276

Logički sklopovi

• Može se pokazati da se kombiniranjem vrlo malog broja osnovnih

logičkih operacija mogu realizirati proizvoljno složene operacije

• Osnovni logički sklopovi kojima se ove operacije realiziraju se stoga

međusobno povezuju u proizvoljno složene logičke sklopove

• Npr. mikroprocesori - do nekoliko milijuna tranzistora izvedenih i

povezanih na jednoj silicijevoj pločici upakiranoj u plastično ili metalno

kućište.

• Sklopovlje jednog mikroprocesora se bazira na manjim elementima koje

nazivamo logički sklopovi ili logička vrata (eng. gate) koja su jednostavni

sklopovi sastavljeni od manjeg broja tranzistora i pasivnih komponenti.

• Logička vrata se danas u pravilu izrađuju tranzistorskim spojevima

• Elektroničke sklopove možemo klasificirati ovisno o broju standardnih

logičkih vrata koja sadrže, tj. klasificiramo ih ovisno o njihovu stupnju

integracije 277

Stupnjevi integracije digitalnih sklopova

Stupanj

integracije

Broj logičkih

vrata (red veličine)

Primjena

Niski stupanj integracije

(SSI)

100

Osnovna vrata i bistabili

Srednji stupanj integracije

(MSI)

101

Brojači, registri, male

memorije

Visoki stupanj integracije

(LSI)

103

Memorije i jednostavni

mikroprocesori

Vrlo visoki stupanj

integracije (VLSI)

104

Velike memorije,

mikroprocesori (danas:

>106)

278

• Osnovni logički sklopovi: NE, I, ILI (eng. NOT, AND, OR)

• Tablica istine: izlaz(i) sklopa za sve moguće situacije na ulazima

• Iako se kombiniranjem navedenih osnovnih logičkih sklopova može

realizirati bilo koja logička funkcija, vrlo često se kao temeljni “građevni

elementi” nekog digitalnog sklopa koriste i nešto složeniji sklopovi (NI,

NILI, isključivo ILI – eng XOR)

279

I vrata (eng.

AND)

A

B

Z

1

1

1

0

1

0

1

0

0

0

0

0

A

B

Z

1

1

1

0

1

1

1

0

1

0

0

0

(izlaz Z je 1 samo ako su i

jedan i drugi ulaz 1) (izlaz Z je 1 ako je ili jedan ili

drugi ulaz 1)

ILI vrata

(eng. OR)

280

A

B

Z

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

A

Z

1

0

0

1

Isključivo ILI vrata

(eng. XOR)

NE vrata ili INVERTER

(eng. NOT)

(izlaz Z je 1 samo ako je

isključivo A=1 ili isključivo

B=1)

(izlaz Z je je logička NEgacija ulaza, ili

“obrnuta” (invertirana) vrijednost

ulaza)

281

A

B

Z = A + B

A

B

Z = A B

A

B

Z

1

1

0

0

1

0

1

0

0

0

0

1

A

B

Z

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

1

NILI vrata

(eng. NOR)

NI vrata

(eng. NAND)

282

Nadomjesne sheme

a) NI; b) NILI; c) Isključivo ILI

A

B

Z

A

B

Z Z

A

B

a) b)c)

A

B

Z

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

1

A

B

Z

1

1

1

0

1

1

1

0

1

0

0

0

A

B

Z

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

A

B

Z

1

1

1

0

1

0

1

0

0

0

0

0

283

Primjer: zbrajanje dva binarna broja pomoću logičkih sklopova

Pravila zbrajanja dva jednoznamenkasta binarna broja su sljedeća:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 10

zbroj (eng. Sum)

prijenos (eng. Carry)

284

•Sklop kojim realiziramo ovu logičku funkciju nazivamo polusumator

(eng. half-adder):

A

B

C

S

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

Polusumator: Blok dijagram i tablica istine

285

Polusumator možemo realizirati na različite načine, a jedan od mogućih načina

prikazan je na slici

A

B

C

S

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

A

BC

S

A∙B

A B+

doc.dr.sc. Marijan Gržan

dipl.ing. - 286

• Polusumator na slici obavlja samo operaciju zbrajanja nad jednim

bitom, no redovito je potrebno zbrojiti više bitova

• Da bi se pri zbrajanju bit-ova veće težine obuhvatio i prijenos (zbrajanja

prethodnog bita), potrebna su tri ulaza.

• To znači da se potpuni sumator (eng. full adder) sastoji od dva

polusumatora od kojih jedan vrši binarno zbrajanje (S1), a drugi ovome

pribraja prijenos (Cul) koji dobiva od prethodnog potpunog sumatora

(onog koji je zbrojio niži bit):

A

B

Cul

Cizl C1

S1

S

C2

S2

potpuni sumator

287

• Digitalni elektronički sklopovi

288

• Sklopovi energetske elektronike

289

POJAČALA

290

• Elektronička pojačala su sklopovi koji se pojačavaju električni signal (pod “signalom” se podrazumijeva struja, napon ili oboje)

• Pojačala općenito imaju jedan ili dva ulaza i izlaza, no najčešće jedan ulaz i jedan izlaz

• Signal (struja ili napon) na ulazu se pojača K puta, pa je izlazni signal po obliku (idealno) isti kao ulazni, samo ima K puta veću amplitudu. Umjesto K koristi se oznaka A.

• Mnoštvo sklopovskih izvedbi – u pravilu se temelje na tranzistorima (koji sami po sebi omogućuju pojačanje)

• Najosnovniji parametri pojačala su strujno pojačanje (AI), naponsko pojačanje(AI), ulazni otpor (RUL) i izlazni otpor(RIZL); * oznaka A dolazi od engleskog termina za pojačanje – Amplification

• Pojačala se konstruiraju na način da budu što linearnija (tj. da izlazni signal ima isti oblik kao ulazni – matematički, ovo znači da je omjer izlaznog i ulaznog signala uvijek konstantan). Realni sklopovi pojačala nikad nisu potpuno linearna, ali se mogu postići vrlo dobre aproksimacije.

291

• Pojačanje se može odnositi na struju ili napon i govori koliko puta je struja ili napon na izlazu veća od struje ili napona na ulazu pojačala

• Matematički, ovo znači da je pojačanje omjer izlaznog signala prema ulaznom signalu (A=IZLAZ/ULAZ)

• Stoga, naponsko pojačanje je AV=Uizl/Uul, a strujno AI=Iizl/Iul

• Ako je pojačanje manje ili jednako 1, to znači da je izlazni signal manji od ulaznog, pa kažemo da pojačalo ne pojačava (u slučaju da je manje od 1, čak prigušuje ili atenuira) ulazni signal

• Nerijetko pojačala imaju samo pojačanje struje ili samo pojačanje napona (npr. ako je AI>1 i AV<=1 onda ovo pojačalo pojačava samo struju)

• S obzirom da je P=U∙I, postoji izlazna i uzlazna snaga, a njihov omjer predstavlja pojačanje snage, koje se naziva dobitak i označava sa G (eng. Gain). Pojačala uvijek imaju pojačanje snage.

Pojam pojačanja

292

• Korištenje pojačala (blok shema)

Pojačalo

G

Ge

ne

rato

r u

lazn

og

sig

na

la (

str

uje

, n

ap

on

a)

Po

troša

č o

tpo

ra R

P

RP

IUL

UUL

IIZL

UIZL

293

• Ilustracija pojačanja napona za ulazni napon sinusnog oblika i proizvoljnog

oblika:

t

uul

t

uizlPojačalo

iul

uuluizl

iizl

1V

3V

AV = 3

Pojačalo

iul

uul uizl

iizluul

t

uizl

t

294

• Osnovna svrha pojačala je da na svom izlazu da pojačani signal istog oblika kao ulazni signal. Međutim, ovo nikad nije potpuno realno izvedivo. Naime, izlazni signal će se više ili manje razlikovati po svom obliku u odnosu na ulazni signal (bit će izobličen). Pojačala se nastoje konstruirati kako bi ova izobličenja bila što manja.

• Izobličenja nastaju uslijed činjenice što pojačanje nije uvijek isto za bilo koji iznos ulaznog signala. Drugim riječima, omjer izlaznog i ulaznog signala nije konstanta. Grafički, ovo se može jasno vidjeti iz tzv. prijenosne karakteristike pojačala, koja pokazuje ovisnost izlaznog signala o ulaznom. Idealno pojačalo, kod kojeg nebi bilo izobličenja, imalo bi karakteristiku pravca – bilo bi potpuno linearno. Stvarna pojačala imaju karakteristiku koja je više ili manje “zakrivljena” (nelinearna su), što znači da omjer izlaznog i ulaznog signala (pojačanje) nije isto za bilo koju vrijednost ulaznog signala. Što je prijenosna karakteristika manje zakrivljena (više slična pravcu) kažemo da je pojačalo linearnije. Uvijek su određeni djelovi karakteristike “ravniji”, pa se pojačalo nastoji koristiti u ovom (tzv. linearnom) području, jer su ovdje izobličenja izlaznog signala manja.

Linearnost

295

• Ilustracija izobličenja izlaznog napona:

t

uul

t

uizlPojačalo

iul

uuluizl

iizl

1V

3V

AV = 3

• Izlazni signal za 3 pojačala sa istim pojačanjem, no različitim stupnjem

nelinearnosti:

Vrlo nelinearno pojačalo (loše)

Potpuno linearno pojačalo (idealno)

Malo nelinearno pojačalo (dobro)

296

• Slika desno pokazuje primjer prijenosnih karakteristika 3 idealna naponska pojačala, različitih naponskih pojačanja

• Može se uočiti da je ovisnost izlaznog napona o ulaznom uvijek ista (npr. plavi pravac govori da je izlazni napon uvijek 10 puta veći od ulaznog, bez obzira na iznos ulaznog napona), tj. linearna (pravac)

• Nagib pravca pokazuje pojačanje – veće pojačanje = strmiji pravac i obrnuto – manje pojačanje= “položeniji” pravac

• Napomena: naponsko pojačanje uzeto je samo kao primjer – sve iznešeno odnosi se i na strujno pojačanje!

Prijenosna karakteristika

UUL [V]0.2

UIZL [V]

0.4 0.6 0.8 1

2

4

6

8

10

A V =

10

AV =5

AV

=50

-0.2-0.4

-2

-4

doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. - 297

• Slika desno pokazuje primjer prijenosne karakteristike realnog naponskog pojačala, različitih naponskih pojačanja

• Može se uočiti da se nagib krivulje mijenja, zavisno o iznosu ulaznog napona. Ovo znači da se i naponsko pojačanje mijenja zavisno o iznosu ulaznog napona.

• Najmanja promjena pojačanja (dio krivulje najsličnija pravcu) je za ulazne napone od cca. 0.25V..0.35V. Ako se ulazni napon mijenja unutar ovog područja, pojačalo se može tretirati kao linearno, tj. izobličenja izlaznog napona će ovdje biti najmanja.

UUL [V]0.1

UIZL [V]

0.2 0.3 0.4 0.5

2

4

6

8

10

-0.2

Približno linearno

• Ako UUL dosegne cca 0.45 V, izlazni napon je maksimalan i ne može se

više povećavati (pojačalo je u zasićenju). Obrnuto, ako UUL < 0.15V (cca),

izl. napon pada na 0. doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. - 298

• S obzirom da na ulaznim stezaljkama (priključcima) pojačala postoji ulazni napon, te da u pojačalo “ulazi” neka ulazna struja, promatrano sa ulaznih stezaljki, pojačalo ima neki ulazni otpor, koji predstavlja omjer ulaznog napona i struje (Rul=Uul/Iul).

• Svako realno pojačalo ima i neki izlazni otpor Rizl, na kojem se “izgubi” dio izlaznog signala (struje ili napona, zavisno radi li se o strujnom ili naponskom pojačalu). S obzirom da se na izlaz pojačala spaja potrošač (kojem želimo “predati” pojačani signal), bitno je poznavati koliki je izlazni otpor pojačala u odnosu na otpor potrošača, kako bi znali koliki dio izlaznog signala će se stvarno uspjeti predati potrošaču.

• Za naponsko pojačalo želimo što veći ulazni i što manji izlazni otpor

• Za strujno pojačalo obrnuto: želimo što manji ulazni i što veći izlazni otpor

Ulazni i izlazni otpor

299

Odnosi snaga • S obzirom da na ulaznom otporu, kao i na potrošaču (spojenom na

izlaz pojačala) postoje odgovarajuće struje i naponi, znači da imamo neku ulaznu i izlaznu snagu (jer, sjetimo se, snaga je umnožak napona i struje)

• Izlazna i ulazna snaga može se opisati pomoću odgovarajućih struja, napona i otpora (korištenjem Ohmovog zakona: U=I∙R):

• Ulazna snaga je snaga koju generator ulaznog signala predaje pojačalu (tj. koja se troši na ulaznom otporu pojačala)

• Izlazna snaga je snaga koju pojačalo predaje potrošaču (tj. koja se troši na otporu potrošača)

• Stoga imamo pojačanje snage tj. dobitak G, koji pokazuje koliko puta veću snagu pojačalo daje potrošaču u odnosu na onu snagu koju prima na ulazu:

2 22 2;ul iz

ul ul ul ul ul iz iz iz iz p

ul p

U UP I U I R P I U I R

R R

izl iz iz iz izI V

ul ul ul ul ul

P I U I UG ili G A A

P I U I U

300

Pojačanja se često prikazuju u decibelima, na način:

Računanje u decibelima

10log2

I VA dB A dBG dB G

20log

20log

I I

V V

A dB A

A dB A

• Primjeri:

– ako pojačalo ima strujno pojačanje AI=10, onda AI[dB] = 20∙log10= 20∙1 = 20

( ima pojačanje od 20dB)

– ako pojačalo ima naponsko pojačanje AV=100, onda AV[dB]= 20∙log100= 20∙2

= 40 ( ima pojačanje od 40dB)

– ako pojačalo ima strujno pojačanje od 60dB, onda je logAI =60/20=3, pa je

AI=103, tj. ovo pojačalo pojačava struju 1000 puta

– ako pojačalo ima 100 puta veću izlaznu snagu od ulazne, onda mu je dobitak

G=100, tj. 20dB (jer 10∙log100=10∙2=20dB)

– ako pojačalo ima dobitak od 40dB, to znači da je izlazna snaga 104=10000

puta veća od ulazne

– ako pojačalo ima strujno pojačanje 10 dB i naponsko 20 dB onda je dobitak

15 dB doc.dr.sc. Marijan Gržan dipl.ing. - 301

Elektronički sustavi • Sustav za digitalno upravljanje

Poopćeni prikaz sustava za digitalno upravljanje prikazan je na slici.

Odvijanjem nekog procesa mijenjaju se njegove karakteristične veličine

(npr.pomak, brzina, temperatura i sl.). Osjetilo mjeri te promjene i šalje ih na

sklop za analognu obradu signala. Analogno-digitalni pretvornik signalu daje

digitalni oblik nakon čega signal dolazi u računalo na obradu. Programska

potpora (softver) odre uje što i kako se u promatranom procesu mora mijenjati.

Digitalni signal se iz računala dovodi u digitalno-analogni pretvornik koji ga

vraća u analogni oblik.

302

• Mikroračunala

Danas se upotrebljava vrlo velik broj digitalnih sustava različite namjene koji se mogu smatrati programski upravljanim uređajima, tj. računalima različite namjene. Sva se ta računala zasnivaju na načelima koja je prije više od pola stoljeća izložio američki matematičar John von Neumann. Njegov model računala prikazan je slikom.

303

REGULATORI

304

Tipovi regulatora

Postoje različite vrste regulatora:

P regulator

D regulator

I regulator

Moguće su i kombinacije

P

PI

PID

PD se ne koristi

305

P-REGULATOR

100( _ )

p

PB proportional bandk

ppojačanjek

306

Primjer P regulatora

Realan sustav – mora postojati

odstupanje od par stupnjeva

– veće pojačanje manje odstupanje

- veće pojačanje manje vrijeme uspona

- veće pojačanje veće oscilacije

Idealan sustav

307

Integracijsko djelovanje regulatora

I-REGULATOR

e(t)- regulacijsko odstupanje

yr(t)-izlazni signal iz regulatora

308

I-REGULATOR

309

Proporcionalno – integracijsko djelovanje

PI-REGULATOR

kp – proporcionalno pojačanje sustava

ki – integracijsko pojačanje sustava

Ti – integracijsko vrijeme [s, min] 310

Vrijeme potrebno da izlazni

signal iz regulatora postigne

dvostruko veću vrijednost od

“početnog skoka”(koji je

posljedica proporcionalnog

dijelovanja) se naziva

integracijsko vrijeme Ti

izražava se u sekundama,

minutama ili u broju ponavljanja

u minuti

PI-REGULATOR

311

TEMELJNE ZNAČAJKE PI REGULATORA

• Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja, dok integracijsko djelovanje otklanja odstupanje.

• Postoje oscilacije za vrijeme prijelaznih pojava.

312

Derivacijsko djelovanje regulatora

D-REGULATOR

e(t)- regulacijsko odstupanje

yr(t)-izlazni signal iz regulatora

kd – derivacijsko pojačanje sustava

Td – derivacijsko vrijeme [s, min] 313

D-REGULATOR

314

PD-REGULATOR Proporcionalno – derivacijsko djelovanje

315

Vrijeme potrebno da izlazni signal

iz regulatora postigne vrijednost

proporcionalnog pojačanja kp koji

je jednak “početnom skoku” (koji

je posljedica derivacijskog

djelovanja) se naziva derivacijsko

vrijeme Td izražava se u

sekundama, minutama ili u broju

ponavljanja u minuti

PD-REGULATOR

316

TEMELJNE ZNAČAJKE PD REGULATORA

• Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja te otklanja veća odstupanja, dok se derivacijsko djelovanje daje brzinu odziva.

• Preostaje odstupanje regulirane i vođene veličine.

317

TEMELJNE ZNAČAJKE PD REGULATORA

• Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja te otklanja veća odstupanja, dok se derivacijsko djelovanje daje brzinu odziva.

• Preostaje odstupanje regulirane i vođene veličine.

318

PID-REGULATOR

Proporcionalno – integracijsko – derivacijsko djelovanje

319

Proporcionalno djelovanje mu osigurava stabilnost,

integracijsko otklanja odstupanje, a derivacijsko

poboljšava brzinu odziva i prigušuje eventualnu

sklonost sustava k osciliranju.

TEMELJNE ZNAČAJKE PID REGULATORA

320

Dobro podešen regulator:

Kratko vrijeme uspona T

Kratko vrijeme smirivanja Tsilacije

Mali offset ESS

321

Programirljivi logički upravljači (PLC kontroleri)

322

7.6 Primijenjena elektronika

INFORMACIJSKA ELEKTROTEHNIKA

• Grana elektrotehnike koja se bavi primjenom, obradom,pohranjivanjem, pretvorbom i prijenosom informacija.

Informacijska elektrotehnika sastoji se od:

• radiokomunikacije

• telekomunikacije

• racunarstvo

323

RADIOKOMUNIKACIJE

• RADIOKOMUNIKACIJE I TELEKOMUNIKACIJE su podruĉje znanosti i komunikacijske tehnike koji se bave odašiljanjem, prijenosom i prijemom poruka (tona, slike, podataka) elektromagnetskim valovima uz upotrebu

elektroniĉkih elemenata i sklopova potrebnih za taj proces.

324

• Radiokomunikacijski uređaji tehniĉka su osnova svih radiokomunikacijskih službi kao što su:

• •zemaljske usmjerene veze (radiorelejne veze),

• •pokretne radiokom. službe (zemaljske, pomorske i zraĉne),

• •satelitske radiokomunikacijske službe,

• •radiodifuzija,

• •radioastronomija,

• •radar,

• •radionavigacija, radiolokacija,

• •daljinsko upravljanje.

325

Osnovni pojmovi iz radiokomunikacija

• Zadatak je predajnika je da modulira val nosioc signalom koji se želi prenijeti a prijamnika da iz prijenosnog medija izdvoji željeni modulirani signal i iz njega što vjernije rekonstruira izvorno odaslanu poruku.

326

• Radiokomunikacijski sustav sastoji se od tri osnovna dijela: odašiljača, prijenosnog sredstva i prijamnika.

• Odašiljač služi za transformaciju poruke (modulacijskog signala) u pogodan oblik (modulirani signal) kako bi se što djelotvornije prenio do prijamnika.

• Transformacija signala poruke naziva se modulacijom, a svrha joj je da se odaslani signal što bolje prilagodi uvjetima prijenosa.

327

• Modulator, koji se nalazi u odašiljaću, služi da bi se signal poruke utisnuo u val nosilac i tako prenio do prijamnika.

• Val nosilac je signal sinusnog oblika kojemu je jedan od parametara (amplituda, frekvencija ili faza) nakon prolaza kroz modulator proporcionalna vremenskoj promjeni modulacijskog signala.

• Prijenosno sredstvo je sredstvo u kojem se šire elektromagnetski valovi najĉešće atmosfera u blizini Zemljine površine, a pri satelitskim komunikacijama i svemirski prostor. Kako se prijenosni sustav svojom tromošću opire, brzina je promjene signala ograniĉena parametrom sustava koji se naziva širinom frekvencijskog pojasa (engl. Bandwidth). Što je veća širina frekvencijskog pojasa, više se informacija može prenijeti kroz prijenosni sustav.

328

• Kanal – frekvencijski pojas ograničene širine preko kojeg se ostvaruje radio veza. Njega čini frekvencija odašiljanja (Tx) i frekvencija prijema (Rx). Frekvencije mogu biti uparene ili neuparene.

• Kvaliteta kanala određena je kapacitetom podataka koji se moţe prenjeti kanalom, odnosom BW kanala. Satelitske veze imaju daleko veći BW od MF, HF i VHF veza, te zato omogućuju prijenos velikih brzina preko kanala.

329

Podjela RF radiofrekvencija

330

331

332

ODAŠILJAČ

• Odašiljač je elektronički uređaj u sustavu radio-prijenosa koji služi za stvaranje moduliranog prijenosnog elektromagnetskog vala dovoljne snage i pogodne visoke frekvencije. Tim se signalom napaja antena zrači elektromagnetski val i time omogućuje prijenos informacije do udaljenog korisnika.

333

Princip generiranja radiovalova u odašiljačima

Kapacitet krajeva antene i induktivitet vodiča sačinjavaju otvoreni titrajni krug.

Dipolu se dovodi energija iz VF generatora, u anteni dolazi do titranja struje,

antena zrači elektromagnetsku energiju u prostor.

334

Osnovna blok shema odašiljaća

Odšiljač se sastoji od elektroničkih sklopova, koji se pak sastoje od

elektroničkih elemenata (diode, tranzistori, otpornici, kondenzatori zavojnice). S

klopovi su: oscilator, modulator, NF pojačalo, VF pojačalo ..

335

Osnovna blok shema odašiljaća

• 1.Mikrofon pretvara zvučne titraje u električne titraje niske (zvučne)

frekvencije. • 2. Niskofrekvencijsko pojačalo pojačava slabe signale iz mikrofona. • 3. Visokofrekvencijski oscilator proizvodi signal visoke frekvencije stalne

amplitude. Taj signal u anteni stvara val nositelj. • 4. Visokofrekvencijsko pojačalo pojačava visokofrekvencijske signale

dobivene iz VF oscilatora. • 5. Modulator utiskuje signale zvučne frekvencije iz mikrofona u

visokofrekvencijske signale iz oscilatora. • 6. Izlazno pojačalo pojačava modulirane VF signale koji se vode u antenu. • 7. Elementi za prilagođavanje služe za prilagodbu signala karakteristikama

antene sa ciljem da se signali emitiraju sa što manje gubitaka. • 8. Antena služi za odašiljanje moduliranih VF signala.

336

Modulacija

• Modulacija je oblikovanje visokofrekvencijskih (VF) oscilacija vala nositelja u odašiljaču s pomoću niskofrekvencijskih (NF) oscilacija informacije kao što su govor, glazba, podaci

• Oblikuje se jedan od parametara vala nosioca: Amplituda (AM), frekvencija (FM) ili faza (PM), na takav način da se u prijamniku prenošena informacija može lako otkriti i postupkom obratnim od modulacije – tkz. demodulacijom izdvojiti i reproducirati u obliku pogodnom za slušni – audio ili vidni – video prijam.

337

Amplitudna modulacija

338

Frekvencijska modulacija

339

AM = Amplitude modulation

FM = Frequency modulation

340

Modulacije koje se koriste u pomorstvu

341

PRIJEMNIK

• Prijemnici su naprave sastavljene od niza elektroničkih sklopova s pomoću kojih se iz signala što ih u anteni induciraju modulirani elektromagnetski valovi izdvaja, pojačava i detektira signal koji sadrži željenu informaciju.

• Prijemni signali se razlikuju uvelike u jačini zbog raznih faktora:

•zračenje lokalnog odašiljača male ili veće snage •zračenje udaljene stanice visoke ili srednje snage •varijacijama u ionosferi koje mogu utjecati na signale MF noću

ili HF u bilo koje vrijeme •simulatno primanje površinskih i prostornih valova na MF

noću koje mogu konstantno varirati u snazi, jačini i fazi i djelovati jedan s drugim – feding

• HF signali mogu dostići prijamnik putovanjem razliĉitim putevima, opet uzrokovajući feding

342

Osnovna blok shema prijemnika

343

• Antena prima modulirane elektromagnetske valove mnogih radio-postaja.

• Ulazni titrajni krug odvaja iz VF titraja samo titraje jedne frekvencije, tj. samo signale jedne radio-postaje na koju je podešen.

• Lokalni oscilator (Synthesiser) proizvodi nemodulirane visokofrekventne električne titraje kojih se frekvencija može mijenjati . S

• tupanj za miješanje (Frequency changer) miješa modulirane titraje (propuštene kroz ulazni titrajni krug) s nemoduliranim titrajima iz lokalnog oscilatora, i tako stvara modulirane titraje konstantne međufrekvencije.

• Međufrekvencijsko pojačalo pojačava međufrekventne titraje odbijene iz stupnja za miješanje.

• Detektor ili demodulator odvaja NF električne titraje zvučne frekvencije iz električnih titraja međufrekvencije.

• Niskofrekvencijsko pojačalo pojačava izdvojene električne titraje zvučnih frekvencija.

• Zvučnik pretvara elektriĉne titraje zvučnih frekvencija u zvuk. 344

Radiogoniometar

• Radio-goniometar je prijemni radio-uređaj koji služi za određivanje smjera u kojem se nalazi izvor radio valova.

• Radio smjerom se naziva se smjer određen radio-goniometrom, a predstavlja kut između neke referentne vodoravne razine kroz radio-goniometar i vodoravne razine koja prolazi kroz objekt u kojem se nalazi odašiljaĉ i radio-goniometar.

• Radio smjer računa se u smjeru kazaljke na satu. Ako se za referentni smjer uzme uzdužnica broda (val pramca) govorio se o pramčanom smjeru, a ako se uzme astronomski merdijan govori se o pravom smjeru (azimutu).

345

Antene

• Antena je uređaj koji pretvara titranje visokofrekventne električne struje generirane u odašiljaču u elektromagnetski val koji se širi u prostor, i obratno, pretvara primljeni elektromagnetski val u titraje električne struje koji se pojačavaju i obrađuju u prijemniku.

• Antene mogu biti predajne, prijemne, primopredajne. Takođe mogu biti usmjerene ili neusmjerene.

• Najefikasnije su antene ĉija je duljina jednaka cijeloj, polovici ili četvrtini valne duljine elektromagnetskog vala kojeg primaju ili odašiljaju.

346

Dijagrami zračenja antene

• Dijagram zračenja antene grafički je prikaz raspodjele zračenja antene u horizontalnoj, vertikalnoj ili nekoj odabranoj ravnini.

• Poluvalni dipol

347

Dijagrami zračenja antene

• Uz dijagram zračenja neke usmjerene antene daju se i sljedeće karakteristične veličine:

• usmjerenost: svojstvo antene koncentrirati energiju zračenja u jednu ili više glavnih latica;

• širina snopa zračenja: širina u stupnjevima glavne latice između dvaju pravaca na kojima je nanijeta relativna vrijednost zračene snage jednake polovici najveće zračene snage ( - 3dB );

• omjer naprijed-natrag: omjer snaga zračenja prema naprijed i prema natrag, npr. omjer naprijed-natrag kod dipola iznosi 1 ( tj. 0 dB );

• omjer naprijed-bočno: omjer snage zračenja u smjeru glavnog zračenja u smjeru 0˚ i snage boĉnog zračenja u smjeru 90˚;

• dobitak antene: porast efektivne izraĉene snage u željenom smjeru glavne latice;

• efektivna izračena snaga (e.r.p.): umnožak snage privedene antene u odnosu na poluvalni dipol u danome smjeru;

348

PRIMJERI ANTENA

• Poluvalni dipol napajan u sredini

349

Vertikalna antena HF/MF

350

Parabolična antena iznad 400 MHz - radar

351

Načelo rada radara

352

Kako to izgleda u praksi

353

354

SASTAV RAČUNALA

355

PODJELA PRIMJENJENE ELEKTRONIKE

• Grana elektrotehnike koja se bavi elektroničkim komponentama i njihovom primjenom u elektroničkim sklopovima i uređajima. Dijeli se na:

• energetska elektronika • informacijska elektronika • opća elektronika

356

357

ELEKTRIČNA UPRAVLJAČKA I REGULACIJSKA TEHNIKA

• Grana elektrotehnike koja povezuje informacijsku i energetsku elektrotehniku, a ima primjenu u gotovo svim drugim granama tehnike.

358

Documents

BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA - unizd.hr ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA.… · svjetlosna jakost I v kandela cd . 6 ... •Otpor ovisi o vrsti materijala, duljini vodiča i površini