51-60

Question 1

51. Wzmacniacze mocy.

Answer 1

Może być zarówno pojedynczym układem elektronicznym zawierającym jeden element aktywny, jak również bardziej złożonym systemem zawierającym w swojej strukturze oprócz właściwego stopnia wzmacniającego pewną liczbę współpracujących z nim dodatkowych bloków.

Zadaniem wzmacniacza mocy jest dostarczanie do obciążenia sygnału zapewniającego wydzielenie pożądanej mocy elektrycznej.

Podstawowe parametry:

• Współczynnik zniekształceń harmonicznych (Total Harmonic Distortion, THD) – parametr opisujący liniowość wzmacniacza. Wartość wyznacza się na podstawie wartości amplitud napięć o częstotliwościach harmonicznych występujących w sygnale wyjściowym wzmacniacza pobudzonego sygnałem sinusoidalnym.
• Współczynnik zniekształceń harmonicznychTHD+N (THD + Noise) – opisuje liniowość wzmacniacza, ale zawiera informacje o występujących w sygnale wyjściowym szumach.
• Znamionowa moc wyjściowa – wartość mocy, jaka wzmacniacz może wydzielić na znamionowej impedancji obciążenia w ciągu określonego czasu.
• Pasmo przenoszenia mocy – jest określone przedziałem częstotliwości, na którego krańcach moc wyjściowa jest mniejsza o 3dB do mocy znamionowej.
• Sprawność energetyczna – określa stosunek moc wydzielanej przez wzmacniacz w obciążeniu do mocy pobieranej z obwodów zasilających.

Klasy wzmacniaczy mocy

• Klasa A – przez element aktywny prąd płynie przez cały okres sygnału sterującego.
• Klasa B – sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny przewodzi prąd tylko przez połowę okresu trwania sygnału sterującego.
• Klasa C – sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny przewodzi prąd przez czas krótszy niż pół okresu trwania sygnału sterującego.
• Klasa AB – sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny przewodzi prąd przez czas krótszy niż jeden okres T trwania sygnału sterującego, ale dłuższy niż pół okresu. Jest to klasa pośrednia miedzy klasami A i B.
• Klasa D – tranzystory wyjściowe są sterowane impulsowo z regulowanym współczynnikiem wypełnienia. Tego typu sterowanie PWM charakteryzuje się dużą sprawnością i jest szczególnie często stosowane w automatyce.

Question 2

52. Liniowe i impulsowe stabilizatory napięcia.

Answer 2

Liniowe stabilizatory napięcia - Regulują rezystancje w obwodzie, co pozwala na utrzymanie stałego napięcia wyjściowego.
Regulacja odbywa się przez tranzystor pracujący w trybie liniowym, który dostosowuje opór w odpowiedzi na zmiany napięcia wejściowego lub obciążenia.

Impulsowe stabilizatory napięcia (przetwornice)– umożliwiają wytworzenie wyższego stabilnego napięcia wyjściowego niż napięcie dostarczane ze źródła zasilania.
Takie działanie odbywa się na podstawie zjawiska samoindukcji tzn, przełączania tranzystorów między stanem włączonym i wyłączonym z wysoką częstotliwością.
Energia jest magazynowana w elementach indukcyjnych i pojemnościowych, a następnie dostarczana do obciążenia.

Liniowe stabilizatory napięcia są prostsze i generują mniej szumów, ale są mniej efektywne energetycznie.

Impulsowe stabilizatory napięcia oferują wysoką sprawność i są bardziej wszechstronne, ale generują więcej szumów i są bardziej skomplikowane w konstrukcji.
Wybór odpowiedniego stabilizatora zależy od konkretnych wymagań aplikacji, takich jak efektywność energetyczna, poziom zakłóceń, zakres napięć i prądów, oraz koszty.

Parametry:

• Napięcie wyjściowe (Vout) – zakres napięcia, które stabilizator utrzymuje na wyjściu.
• Napięcie wejściowe (Vin) – zakres napięcia, które stabilizator utrzymuje na wejściu.
• Prąd wyjściowy (Iout) – maksymalny prąd, jaki stabilizator może dostarczyć.
• Sprawność(Efficiency) – stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej.
• Tętnienia wyjściowe (Output Ripple) – zakłócenia w napięciu wyjściowym wynikające z pracy stabilizatora.
• Regulacja Liniowa (Line Regulation) – zdolność stabilizatora do utrzymania stałego napięcia wyjściowego przy zmianach napięcia wejściowego.
• Regulacja obciążeniowa (Load Regulation) – zdolność stabilizatora do utrzymania stałego napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia.
• Zakres temperatury pracy – temperatura, w której stabilizator działa prawidłowo.

Question 3

53. Pętla synchronizacji fazowej PLL.

Answer 3

Pętla synchronizacji fazowej (Phase-Locked Loop – PLL) – stanowy jeden z podstawowych układów wykorzystywanych w nowoczesnej elektronice.

Służy do modulacji i demodulacji częstotliwości (FM, FSK), syntezy częstotliwości regeneracji sygnałów zegarowych, synchronizacji, demodulacji amplitudy (AM) itd.

Znajduje szerokie zastosowanie w takich urządzeniach jak modemy, odbiorniki telewizyjne, odbiorniki radiowe, mikroprocesory, układy logiki programowalnej, generatory częstotliwości wzorcowych itp.

Ze względu na zasadę działania rozróżnia się dwa rodzaje pętli synchronizacji fazowej:

• Analogowa – sygnały sterujące maja postać analogową .
• Cyfrowa – sygnały sterujące stanową ciąg impulsów napięciowych odpowiadających stanom logicznym zera i jedynki.

Zadaniem pętli PLL jest zrównanie częstotliwości generatora wbudowanego fg z częstotliwością generatora wzorcowego fw tak, aby różnica faz przebiegów była niezmienna w czasie.

Detektor fazy dokonuje porównania przesunięcia fazowego sygnałów fw oraz fg. Napięcie wyjściowe Ud(t) , proporcjonalne do różnicy faz, jest przetwarzane w bloku filtru dolnoprzepustowego, celem usunięcia niepożądanych składowych.

W następnym kroku napięcie to podawane jest na wejście generatora VCO.

W generatorze VCO następuje konwersja napięcia na odpowiadającą mu częstotliwość, która porównywana jest dalej w bloku detektora fazy.

Dodatkowo można zastosować dzielnik częstotliwości, dzięki któremu istnieje możliwość powielania częstotliwości wzorcowej fw.

Question 4

54. Zalety montażu powierzchniowego w porównaniu z montażem przewlekanym.

Answer 4

Montaż powierzchniowy (SMD Surface Mount Technology) – sposób montowania podzespołów elektronicznych na płytce.
Elementy charakteryzują się niewielkimi wymiarami, mają płaskie obudowy i końcówki lutownicze w formie kołnierzy obejmujących końce obudowy.

Montaż przewlekany– (THT, Through Hole Technology) – sposób montowania podzespołów elektronicznych na płytce obwodu drukowanego PCB.
Elementy mają wyprowadzenia w postaci drutów, które w trakcie montażu przewlekane są przez otwory w płytkach i lutowane do ścieżek przewodzących po przeciwnej stronie płytki niż montowany element.

Zalety montażu powierzchniowego:

• Oszczędność miejsca na płytce PCB
• Mniejsza ilość otworów musi zostać wywiercona na płytce
• Duża gęstość rozmieszczenia elementów
• Miniaturyzacja urządzeń
• Automatyzacja procesu produkcyjnego
• Duża szybkość montażu
• Mała impedancja połączeń
• Możliwa produkcja dużych serii w krótkim czasie
• Dobre wartości mechaniczne w warunkach wstrząsów lub wibracji
• Zwiększanie skuteczności odprowadzania ciepłą przez przeciwną do kontaktów stronę niezabudowanej struktury
• Możliwość rozmieszczenia komponentów po obu stronach płytki drukowanej

Question 5

55. Wpływ temperatury na właściwości elektryczne metali. Jak obserwowane zmiany wpływają na działanie pasywnych elementów elektronicznych bądź są wykorzystywane w czujnikach?

Answer 5

Wpływ temperatury na własności elektryczne metali:

• Przewodnictwo właściwe (σ):
  Parametr mierzący zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego.
  Dla metali przewodnictwo właściwe maleje ze wzrostem temperatury ze względu na spadek ruchliwości nośników ładunku elektrycznego.
• Rezystywność (ρ):
  Parametr odwrotnie proporcjonalny do przewodnictwa właściwego, mierzący opór właściwy materiału.
  Dla metali rezystywność wzrasta liniowo wraz ze wzrostem temperatury.

Wykorzystanie w czujnikach:
Rezystancyjne czujniki temperatury, takie jak Pt100, wykorzystują zależność rezystancji metalu (platyny w przypadku Pt100) od temperatury.
Pt100 charakteryzuje się tym, że jego rezystancja zmienia się liniowo wraz ze zmianą temperatury, co jest wykorzystywane do precyzyjnego pomiaru temperatury.
Pt100 ma rezystancję 100 Ω przy 0°C i współczynnik temperaturowy rezystancji (TWR) wynoszący 3900 ppm/K.
Czujniki tego typu znajdują zastosowanie w szerokim spektrum aplikacji, gdzie wymagane są dokładne pomiary temperatury.

Question 6

56. Wpływ temperatury na dielektryki i magnetyki. Jak obserwowane zmiany wpływają na działanie pasywnych elementów elektronicznych?

Answer 6

Dielektryki:

• Przerwa wzbroniona:
  Dielektryki charakteryzują się szeroką przerwą wzbronioną, co oznacza, że nie posiadają swobodnych nośników ładunku jak półprzewodniki.
  Koncentracja nośników nie zmienia się wraz z temperaturą.
• Jony:
  W dielektrykach mogą występować jony, których koncentracja jest stała i nie zależy od temperatury.
  Te jony mogą wpływać na właściwości dielektryka, takie jak jego dielektryczna stała właściwa.
• Wzrost temperatury:
  Wzrost temperatury może wpłynąć na dielektryki poprzez zmiany ich dielektrycznych właściwości, takich jak dielektryczna stała właściwa czy straty dielektryczne.
  Jednakże te zmiany są zazwyczaj mniej istotne niż w przypadku półprzewodników.

Magnetyki:

• Właściwości magnetyczne: Magnetyki posiadają właściwości magnetyczne, które mogą zmieniać się wraz ze zmianą temperatury.
• Temperatura Curie: Jest to temperatura, powyżej której magnetyk traci swoje właściwości magnetyczne.
  Dla różnych materiałów magnetycznych temperatura Curie może być różna.
• Wpływ na elementy elektroniczne:
  W pasywnych elementach elektronicznych, takich jak cewki i transformatory, magnetyki są kluczowymi elementami.
  Zmiany właściwości magnetycznych mogą wpływać na ich charakterystyki, takie jak indukcyjność i straty energii.

Question 7

57. Zasada działania kamertonu piezoelektrycznego.

Answer 7

Kamerton piezoelektryczny wykorzystuje właściwości piezoelektryczne kryształu kwarcowego do generowania sygnału elektrycznego o stabilnej częstotliwości.

• Materiał piezoelektryczny: Kamerton używa kryształu kwarcowego, który wykazuje efekt piezoelektryczny, czyli generuje pole elektryczne pod wpływem mechanicznego odkształcenia.
• Struktura kamertonu:
  Na płytkę kwarcową nanoszone są cienkie elektrody metalowe.
  Podanie zmiennej w czasie napięcia na te elektrody powoduje mechaniczne odkształcenia kryształu.
• Rezonans mechaniczny:
  Kryształ kwarcowy posiada naturalne częstotliwości rezonansowe, na których może drgać mechanicznie.
  Dzięki sprzężeniu pola elektrycznego z odkształceniami mechanicznymi, kamerton może rezonować na dokładnie określonych częstotliwościach.
• Zastosowania:
  Kamertony piezoelektryczne są wykorzystywane jako stabilne źródła częstotliwości w różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak zegary kwarcowe, oscylatory do syntez częstotliwości czy standardy czasu.

Esencja działania kamertonu piezoelektrycznego leży w wykorzystaniu efektu piezoelektrycznego kryształu kwarcowego do generowania stabilnego sygnału rezonansowego, który może być dalej wykorzystany w elektronice do precyzyjnego mierzenia i generowania częstotliwości.

Question 8

58. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne. Określ warunki występowania oraz przykłady zastosowania.

Answer 8

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne:

• Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (fotoemisja, fotoefekt, efekt fotoelektryczny):
  Warunki występowania: Emisja elektronów zachodząca wskutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego (podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego) przez ciało emitujące.
  Foton padający na ciało powinien mieć energię większa od pracy wyjścia elektronu z danej substancji (warunek Einsteina).
  Przykłady zastosowania: Fotokomórki, fotodiody, wytwarzanie elektronów w lampach elektronowych.
• Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne - Nośniki ładunku (elektrony lub dziury) w półprzewodnikach mogą być wzbudzane do pasma przewodnictwa lub walencyjnego przez absorpcję fotonów o odpowiedniej energii.
  o Warunki występowania: Energia fotonu musi być większa od szerokości przerwy energetycznej.
  Przykłady zastosowania: Fotodiody, ogniwka słoneczne (fotowoltaika), czujniki promieniowania.

Esencja zjawiska fotoelektrycznego obejmuje emisję elektronów z materiału lub wzbudzenie nośników ładunku w półprzewodnikach poprzez absorpcję odpowiedniej energii fotonów. Zjawisko to znajduje zastosowanie w różnych technologiach, takich jak detektory światła, panele słoneczne czy lampy elektronowe.

Question 9

59. Źródła mocy mikrofalowej - klasyfikacja, porównanie parametrów i obszarów zastosowań.

Answer 9

Mikrofale – fale elektromagnetyczne znajdujące się w widmie pomiędzy falami ultrakrótkimi, a podczerwienią.

Stosowane w radiolokacji, telekomunikacji satelitarnej i urządzeniach grzewczych.

Do generacji mikrofal stosuje się specjalne lampy elektronowe, masery lub generatory półprzewodnikowe.

W przesyłaniu mikrofal stosuje się falowody.

1. Klasyfikacja źródeł mocy mikrofalowej:

a) Lampy mikrofalowe:

• Klistron wielownękowy: Lampa wzmacniająca o wysokiej sprawności (do 60%), dużym wzmocnieniu (40-60 dB) i wąskim paśmie pracy (1-2%). Stosowany do częstotliwości do 30 GHz.
• Lampa z falą bieżącą (LFB): Wykorzystywana w satelitach telekomunikacyjnych oraz radarach, charakteryzuje się dużym wzmocnieniem (20-60 dB) i średnią sprawnością (do 50%).
• Magnetrony: Lampy o polach skrzyżowanych, powszechnie używane w radiolokalizacji. Charakteryzują się wysoką mocą wyjściową i stosunkowo niską sprawnością.

b) Diody:

• Dioda waraktorowa: Zmienia swoją pojemność w zależności od przyłożonego napięcia wstecznego.
• Dioda ładunkowa: Generuje impulsy prądu o dużej wartości dzięki skokowej strukturze złącza.
• Dioda Gunna, tunelowa i lawinowo-przelotowa: Wykorzystują zjawiska związane z ujemną rezystancją dynamiczną do przetwarzania energii.

c) Tranzystory mikrofalowe HEMT:
o HEMT (High Electron Mobility Transistor): Wykorzystywane do 10 GHz dla krzemowych i do 100 GHz dla azotku galu. Charakteryzują się wysoką mobilnością elektronów.

2. Porównanie parametrów:

• Lampy mikrofalowe oferują wysokie wzmocnienie, ale często mają niższą sprawność w porównaniu do tranzystorów i diod.
• Tranzystory mikrofalowe HEMT są efektywne w wyższych pasmach częstotliwościowych i cechują się dobrą sprawnością.
• Diody mikrofalowe różnią się pod względem rodzaju złącza i zastosowania, od waraktorowych po diody tunelowe.

3. Obszary zastosowań:

• Kuchenki mikrofalowe: Wykorzystują mikrofalowe źródła do szybkiego gotowania.
• Systemy radiotelekomunikacyjne: W tym linie radiowe, systemy satelitarne, Bluetooth, Wi-Fi.
• Motoryzacja: Czujniki radarowe do systemów bezpieczeństwa.
• Systemy satelitarne: Telewizja satelitarna, systemy nawigacji GPS.

Question 10

60. Źródło napięciowe i prądowe. Warunki równoważności źródeł.

Answer 10

Modele:

• Rzeczywiste – uwzględniają rezystancję/konduktancję wewnętrzną (ograniczenie prądu/napięcia).
• Idealne – nie uwzględniają rezystancję/konduktancję wewnętrzną (brak ograniczenia prądu/napięcia)

Rodzaje:

• Sterowane – napięcie/prąd są niezależne
• Niesterowane – napięcie/prąd zależą liniowo lub nieliniowo od napięcia/prądu płynącego w innej gałęzi obwodu.

Źródło napięcia – definiowane jako element dwuzaciskowy, na którego zaciskach panuje zawsze taka sama różnica potencjałów czyli inaczej mówiąc, napięcie niezależne od dołączonego do tych zacisków obciążenia.
Jest to prawdziwe dla tzw. Idealnego źródła napięcia pozbawionego rezystancji wewnętrznej.
Rzeczywiste źródło napięcia – posiada rezystancje wewnętrzną.

Najczęściej spotykanie źródła napięcia:

• Baterie
• Akumulatory
• Zasilacze
• Fotoogniwa

Idealne źródło prądu stałego – element aktywny, przez który płynie prąd
I = const niezależnie od napięcia panującego na jego zaciskach.

Rzeczywiste źródło prądu – charakteryzuje się tym, że wraz ze wzrostem napięcia na jego zaciskach, prąd zmniejsza się.

Warunki równoważności źródeł – porównywając charakterystyki prądowo-napięciowe rzeczywistych źródeł napięcia i prądu.
Obydwie mają taki sam kształt, co oznacza, że przy odpowiednym doborze parametrów jedno źródło można zastąpić drugim co może ułatwić obliczenia.
Aby charakterystyki były identyczne muszą spełniać warunek E = J/Rw, gdzie E – siła elektromotoryczna źródła napięcia, J – prąd źródłowy źródła prądu, Rw – rezystancja wewnętrzna.