of 36 /36
1 Capitolul 1 NOŢIUNI INTRODUCTIVE

Capitolul 1 Dispozitive si circuite electrice

Embed Size (px)

DESCRIPTION

notiuni introductive Generalitati

Text of Capitolul 1 Dispozitive si circuite electrice

  • *Capitolul 1NOIUNI INTRODUCTIVE

  • *1.1.GENERALITI1.1.1. Noiunea de semnal electricMajoritatea circuitelor electronice prelucreaz semnale electrice, generate de diverse surse. Prelucrarea const n modificarea unuia sau mai multor parametri ai semnalului electric ca: amplitudine, form, frecven etc. Semnalul electric este o mrime electric care variaz n timp. Variaia n timp a semnalului este purttoare de informaie. Cu alte cuvinte, semnalul electric este o reprezentare a informaiei, provenit de la o anumit surs.

  • *Un semnal electric are ca suport fizic o mrime elctric. Mrimile electrice cele mai uzuale, folosite ca suport fizic pentru semnalele electrice sunt tensiunea electric i curentul electric, pe care le vom folosi exclusiv pe parcursul cursului.Observaie. Unii specialiti consider c tensiunea continu, respectiv curentul continuu nu reprezint semnale, alii, n schimb, le consider semnale, cu condiia s fie prelucrate de ctre unul sau mai multe circuite electronice. De exemplu, exist amplificatoare de curent continuu, la care mrimea electric prelucrat poate fi continu, deci semnalul este reprezentat de mrimea respectiv. n acest curs, subscriem la cea de-a dou variant.

  • *Semnalul electric poate fi exprimat n domeniul timp, cnd el este descris matematic prin intermediul unei funcii, care are ca argument timpul, respectiv n domeniul frecven, cnd este descris matematic prin intermediul unei funcii, care are ca argument frecvena. n cele ce urmeaz, vom utiliza exprimarea temporal (n domeniul timp) a semnalelor. Notm semnalul cu s(t) sau (simbolizarea complex). O clasificare a semnalelor, util demersului nostru este n: semnale analogice; semnale digitale.

  • *Semnalul analogic este semnalul la care mrimea sa variaz n mod continuu n timp. Semnalele analogice sunt prelucrate de circuite electronice analogice.Semnalul digital (numeric) este semnalul caracterizat de tranziii brute ntre dou nivele aflate n dou domenii disjuncte de valori, fiecrui domeniu fiindu-i asociat o valoare logic. Semnalele digitale sunt prelucrate de circuite electronice digitale.

  • *Exemple de semnale electriceSemnale analogice periodiceUnul dintre cele mai importante semnale analogice periodice este semnalul sinusoidal (semnalul armonic). El are o proprietate care-l face unic printre semnale i anume, este singurul semnal care, aplicat la intrarea unui sistem liniar se transmite nedistorsionat la ieire.La modul general:

  • *Semnalul sinusoidal poate fi:-tensiune:

    -curent:

  • *Reprezentarea ca funcie de timp a semnalului sinusoidal este dat n figura 1.1, iar cea fazorial, corespunztoare reprezentrii complexe, este dat n figura 1.2.Fig. 1.1. Reprezentarea ca funcie de timp a semnalului sinusoidal

  • *Fig. 1.2. Reprezentarea fazorial a semnalului sinusoidal

  • *b) Semnale analogice aperiodiceFig. 1.3. Semnal analogic aperiodic

  • *c) Semnale digitaleFig. 1.4. Semnal digital

  • *Semnalele digitale apar ca o succesiune de impulsuri dreptunghiulare la care, cele dou paliere corespund celor dou nivele H (High=nalt) i L (Low=jos). Celor dou nivele L i H li se pot atribui valorile booleene astfel:L=0 i H=1, caz n care se spune c logica este pozitiv;L=1 i H=0, caz n care se spune c logica este negativ.

  • *1.1.2. Semnale modulateProcesul de transferare prin care caracteristicile unui semnal de joas frecven sunt transferate n domeniul frecvenelor nalte se numete modulaie.Semnalul de joas frecven se numete semnal modulator. Cellalt semnal de intrare este un semnal sinusoidal de nalt frecven, cruia i se vor modifica prin modulaie anumite caracteristici. El se numete semnal purttor. semnalul rezultat n urma modulaiei se numete semnal modulat.

  • *Modulaia poate fi continu sau discret.n modulaia continu semnalul purttor este un semnal sinusoidal de frecven nalt, cruia i se vor modifica prin modulaie anumite caracteristici.Prin modificarea n funcie de ritmul semnalului modulator a amplitudinii, frecvenei sau a fazei semnalului deosebim: modulaie de amplitudine (MA), modulaie de frecven (MF), modulaie de faz (MP). ntre modulaia de frecven i cea de faz exist o serie de analogii, de aceea o vom exemplifica doar pe prima.

  • *Modulaia discret sau de impulsuri const n modificarea, n ritmul semnalului modulator, a unei succesiuni periodice de impulsuri. n funcie de parametrul afectat, deosebim: modulaie de amplitudine a impulsurilor (MAI); modulaie de durat a impulsurilor (MDI);modulaie de poziie a impulsurilor (MPI);modulaia de frecven a impulsurilor (MFI). MDI, MPI i MFI sunt modulaii temporale ale impulsurilor.

  • *Operaia invers modulrii, prin care se extrage semnalul de joas frecven din semnalul modulat, se numete demodulare.n figura 1.5 sunt prezentate semnalele MA i MF.

  • *

  • *1.1.3. Componenta continu i componenta variabil ale unei mrimi electricen general, n electronic, tensiunea electric i curentul electric sunt mrimi care variaz n timp. Vom considera cazul tensiunii electrice, conveniile rmnd valabile i n cazul curentului electric. n electronic, tensiunea electric se noteaz cu litera v, iar curentul electric cu litera i.

  • *Tensiunea electric total este:

    unde: VA este componenta continu (medie, de repaus);va(t) este componenta variabil.Dac componenta variabil este un semnal sinusoidal, ea are expresia:

    unde Va este amplitudinea semnalului.n cazul curentului electric, se poate scrie relaii similare.

  • *Prin convenie:-mrimea total se noteaz cu liter mic i indicele asociat cu liter mare (tensiunea cu vA, curentul cu iA);-componenta continu se noteaz cu liter mare i indicele asociat cu liter mare (tensiunea cu VA, curentul cu IA);-componenta variabil se noteaz cu liter mic i indicele asociat cu liter mic (tensiunea cu va, curentul cu ia);

  • *Observaie-Cu liter mare se noteaz mrimile continue, ca de exemplu: tensiunile electromotoare continue, coordonatele unor puncte remarcabile (punctul static de funcionare M(VA, IA)), etc. Tensiunea total i componentele sunt exprimate grafic n figura 1.6.Fig. 1.6. Reprezentarea tensiunii totale i a componentelor sale

  • *1.2. COMPONENTE ELECTRONICEComponenta electronic este o unitate constructiv indivizibil fizic, cu borne de interconectare proprii, care intr n alctuirea circuitelor electronice i care apare ca un tot unitar din punctul de vedere al prezentrii, nominalizrii, testrii i exploatrii.Clasificarea componentelor electronice se face, n principal, dup capacitatea de a prelucra sau nu semnalele. Din acest punct de vedere, componentele electronice pot fi: componente pasive, componente active.

  • *Componentele pasive nu pot prelucra semnalele electrice, pot conduce curentul electric i pot disipa i/sau acumula energie electric sau magnetic. Componentele pasive sunt reprezentate, n general, prin dipoli i pot fi caracterizate complet funcional printr-o singur mrime electric. Ca exemple amintim: rezistoarele, condensatoarele, bobinele. Componentele active pot ndeplini funcii de prelucrare a semnalelor ca: amplificarea, redresarea, etc. Alimentate cu curent electric se comport ca o surs de energie electric comandat de ctre o mrime electric (curent sau tensiune). Ca exemple amintim: tranzistoarele, diodele, tiristoarele, etc.

  • *Observaie. n accepiunea unor autori, doar acele dispozitive care pot amplifica n putere sunt active, deci diodele, neavnd aceast capacitate ar trebui s fie considerate componente pasive. Un alt argument n favoarea acestui lucru este faptul c ele sunt reprezentate ca dipoli i nu ca i cuadripoli.

    Orice descriere a comportrii electrice a unei componente, considerat la bornele sale sau la punctele n care este conectat ntr-un circuit, constituie un circuit echivalent (model). Pentru a modela o component trebuie s se msoare comportarea electric a dispozitivului la bornele sale, iar proprietile msurate trebuie folosite direct pentru modelarea componentei n cauz.

  • *Proprietile msurate pot fi prezentate sub form tabelar, form grafic sau sub forma unor relaii funcionale stabilite empiric. Orice model este o reprezentare teoretic a componentei reale pe care o reprezint. De exemplu, n reprezentarea unui model se folosesc elemente de circuit idealizate, care sunt abstracii definite matematic prin relaii simple ntre cureni i tensiuni. Astfel, dac: rezistorul, condensatorul, bobina i bateria sunt componente, atunci: rezistena, capacitatea, inductana i sursa de tensiune sunt elemente de circuit.

  • *1.3. CIRCUITE LINIARE, CIRCUITE NELINIARE. REGIMURI DE SEMNAL Circuitele electronice, n funcie de componentele care intr n alctuirea lor i de regimurile funcionale ale acestora pot fi circuite liniare i circuite neliniare. Privit prin prisma teoriei sistemelor, un circuit liniar este un sistem liniar, iar un circuit neliniar este un sistem neliniar.

  • *Semnalul aplicat la intrarea unui sistem (circuit) se numete semnal de intrare sau excitaie, iar semnalul rezultat la ieirea sistemului n urma aplicrii unui semnal de intrare se numete semnal de ieire sau rspuns. Circuitele liniare sunt acele circuite a cror funcionare este descris de o ecuaie diferenial liniar ntre excitaie i rspuns, deci o relaie liniar ntre rspuns i excitaie exist.

  • *Not-O ecuaie diferenial liniar const dintr-o sum de termeni liniari n care variabilele (excitaia i rspunsul) i derivatele lor n raport cu timpul intervin numai la puterea nti, deci este de forma:

    n cazul unui circuit liniar este adevrat principiul suprapunerii efectelor, cunoscut i sub numele de principiul superpoziiei, exprimat astfel: Dac y1 este rspunsul sistemului liniar la excitaia x1 i y2 este rspunsul sistemului liniar la excitaia x2, atunci rspunsul acestuia la excitaia x1 + x2 va fi y1 + y2, iar rspunsul la excitaia kx1 va fi ky1.

  • *Circuitele neliniare sunt acele circuite a cror funcionare este descris de o ecuaie diferenial neliniar, deci o relaie neliniar ntre rspuns i excitaie. Ecuaia diferenial are urmtoarea form general:

    unde f este o funcie neliniar. n cazul acestor circuite principiul superpoziiei nu mai este valabil.

  • *Dintre componentele electronice, componentele care au un comportament electric liniar sunt cele pasive, adic: rezistoarele, condensatoarele i bobinele, modelate prin elementele de circuit: rezisten (R), capacitate (C) i inductan (L). Circuitele electrice formate numai din componente pasive au, la rndul lor, un comportament liniar.Anumite componente pasive cum sunt rezistoarele neliniare precum i componentele active de tipul diodelor, tranzistoarelor, tiristoarelor au un comportament electric neliniar. n consecin, circuitele electronice care au n alctuire astfel de componente au un comportament neliniar.

  • *n anumite condiii, caracteristicile statice ale dispozitivelor active pot fi liniarizate pe poriuni, adic exprimate prin zone drepte, considerate ca zone liniare ale caracteristicii statice. Limitarea funcional a unui dispozitiv la una din zonele liniare determin un regim de funcionare liniar al acestui dispozitiv. Un circuit electronic care are n componen dispozitive electronice cu regim de funcionare liniar este un circuit liniar.

  • *Regimul dinamic de semnal mic Regimul dinamic de semnal mic este un regim funcional ntlnit la dispozitivele electronice active, deci implicit i n circuitele electronice (ex. amplificatoare) din care acestea fac parte. El se caracterizeaz printr-o dependen liniar a semnalului de ieire de semnalul de intrare. Regimul dinamic de semnal mic se caracterizeaz prin variaii mici ale semnalului, situate ntr-un interval relativ restrns n jurul unor componente continue, interval n care comportarea dispozitivului electronic poate fi descris prin ecuaii liniare.

  • *n regim de semnal mic, n vederea analizei circuitului din care face parte, dispozitivul electronic poate fi nlocuit printr-un circuit echivalent, format din elemente liniare, ale cror valori depind, n general, de punctul static de funcionare (dat de componentele continue ale curenilor i tensiunilor prin circuit). Variaiile semnalelor sunt mici, dar vitezele de variaie n timp nu sunt neglijabile, astfel nct acumulrile de sarcini electrice n dispozitiv trebuie luate n considerare. n acest regim funcional, semnalul de ieire nu este distorsionat n raport cu semnalul de intrare, aa cum se observ i n figura 1.7, unde rspunsul la excitaie sinusoidal este tot semnal sinusoidal, ntre cele dou semnale putnd s apar un defazaj oarecare.

  • *Fig. 1.7. Rspunsul circuitului electronic liniar la excitaie sinusoidal n regim dinamic de semnal mic

  • *Regimul dinamic de semnal mareRegimul dinamic de semnal mare este un regim funcional ntlnit la dispozitivele electronice active, deci implicit i n circuitele din care fac parte dispozitivele respective. El se caracterizeaz printr-o dependen neliniar a semnalului de ieire de semnalul de intrare. O alt particularitate const n faptul c mrimea semnalului aplicat la intrare este prea mare pentru ca poriunea de interes funcional din caracteristica static s mai poat fi aproximat doar cu o singur zon liniar fr a afecta major caracteristicile rspunsului. Astfel, semnalul de ieire rezult distorsionat n raport cu semnalul de intrare (fig. 1.8).

  • *Descrierea funcional a dispozitivelor nu mai poate fi fcut prin intermediul unor ecuaii liniare, iar pentru a analiza funcionarea unui circuit, dispozitivele nu se pot nlocui prin circuite echivalente liniare. n acest regim, pentru analiza i proiectarea circuitelor, se folosesc familii de caracteristici i metode grafo-analitice. Fig. 1.8. Rspunsul circuitului electronic neliniar la excitaie sinusoidal n regim dinamic de semnal mare