Zagadnienia kierunkowe od 11 do 20

Question 1

11. Liniowe i nieliniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych.

Answer 1

Wzmacniacze operacyjne (opamp) – wszechstronne urządzenia elektroniczne, znajdujące szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach analogowych.

Liniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych: Wykorzystywane do przetwarzania sygnałów analogowych, gdzie zachowują proporcjonalność i liniowość odpowiedzi wzmacniającej.

Przykładowe zastosowania:

*Wzmacniacz odwracający, nieodwracający, sumujący, różnicowy
*Układ całkujący, różniczkujący
*Filtry (np. górnoprzepustowe i dolnoprzepustowe)

Nieliniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych: Używane do realizacji operacji, gdzie charakterystyka wzmacniana nie jest liniowa.

Przykładowe zastosowania:

*Komparator (porównywanie dwóch sygnałów)
*Ogranicznik napięcia (ustawianie maksymalnego lub minimalnego poziomu napięcia)
*Prostownik (zmiana sygnału zmiennego na jednokierunkowy)
*Generator przebiegu prostokątnego/sinusoidalnego
*Wzmacniacz logarytmiczny (generowanie sygnału wyjściowego proporcjonalnego do logarytmu sygnału wejściowego)

Question 2

12. Logika optyczna: podstawowe układy logiki optycznej, bramki optoelektroniczne.

Answer 2

Logika optyczna – realizacja algebry Boole’a na wiązkach fotonów za pomocą urządzeń optycznych. Wiązkę światła traktuje się zero-jedynkowo, mierząc natężenie pola, analogicznie do napięć w logice elektronicznej. Układy logiczne optyczne wykorzystują fotony do przełączania światła, eliminując potrzebę sterowania elektrycznego.

Logiczne bramki optyczne – wykorzystują nieliniowe zjawiska optyczne (układy pasywne) i/lub wzmacniacze optyczne (układy aktywne). Jedna z bramek opiera się na efekcie Kerra i dwukanałowym kierunkowym powielaczu optycznym.

Efekt Kerra – zjawisko zmiany właściwości ośrodka (współczynnika załamania światła) w zależności od przyłożonego pola elektrycznego, występujące w ośrodkach nieliniowych.

Optyczny powielacz kierunkowy – wykorzystuje dwa równoległe światłowody o zbliżonych parametrach. Przy zgodności fazowej sygnał jest w pełni przekazywany do drugiego kanału. W przypadku niezgodności faz, sygnał jest przekazywany częściowo lub wcale, co pozwala na przełączanie stanów logicznych światła.

Bramki logiczne:

*AND - zwraca 1, gdy oba wejścia są 1
*OR - zwraca 1, gdy przynajmniej jedno wejście jest 1
*NOT - zwraca odwrotność wejścia
*NOR - zwraca 1, gdy oba wejścia są 0

Question 3

13. Mechanizmy przewodnictwa opisujące charakterystykę R = f(T) grubowarstwowych rezystorów cermetowych.

Answer 3

Rezystory cermetowe (cermet = ceramika + metal) cechują się najniższą rezystancją w temperaturze w przybliżeniu pokojowej. Dla wyższych temperatur rezystancja rośnie ze wzrostem temperatury, a dla niższych rośnie ze spadkiem temperatury.

Warstwa rezystywna składa się z dużych ziaren szkła, stanowiących izolator, oraz niewielkich ziaren materiału przewodzącego, zwykle rutylu (RuO₂). W zależności od zawartości procentowej przewodnika, warstwy możemy podzielić na:

• Przewodzące – przewodnika jest wystarczająco dużo, aby jego ziarna były w stałym fizycznym kontakcie, tworząc ścieżkę przewodzącą.
• Nieprzewodzące (izolacyjne) – gdy odległości między ziarnami przewodnika są stosunkowo duże, więc niemożliwy jest przeskok elektronów między ziarnami.
• Rezystywne – gdy ziarna przewodnika nie tworzą ścieżki przewodzącej, ale odległości między nimi są wystarczająco małe, aby doszło do przewodnictwa.

Rodzaje przewodnictwa:

• Elektronowe – występuje między dwoma spieczonymi ziarnami. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się ruchliwość elektronów, a przewodnictwo metali maleje.
• Kontaktu metalicznego – występuje między dwoma ziarnami mającymi kontakt fizyczny. Kontakt mechaniczny generuje szumy, a rezystancja połączenia jest niestabilna.
• Tunelowe – występuje między oddalonymi ziarnami (przy mniejszych odległościach). Elektron przechodzi przez barierę potencjału o energii większej niż jego energia.
• Hoppingowe – występuje między oddalonymi ziarnami (przy większych odległościach). Nośniki przeskakują między miejscami w strukturze materiału, zamiast poruszać się swobodnie.

Question 4

14. Metoda cyfrowa pomiaru częstotliwości i okresu sygnałów elektrycznych. Jakie są najistotniejsze czynniki wpływające na błąd pomiaru.

Answer 4

Pomiar okresu (metodą cyfrową):
Badany przebieg jest przetwarzany na sygnał impulsowy, w którym czas każdego impulsu odpowiada okresowi tego przebiegu. Impuls ten otwiera bramkę na czas pomiaru. W trakcie, gdy bramka jest otwarta, zliczane są impulsy z generatora wzorcowego o znanej częstotliwości. Liczba zliczonych impulsów pozwala obliczyć wartość okresu badanego przebiegu.

Pomiar częstotliwości (metodą cyfrową):
Badany przebieg o danej częstotliwości jest przekształcany na przebieg impulsowy o tej samej częstotliwości. Generator wzorcowy tworzy impuls otwierający bramkę na czas pomiaru. W czasie, gdy bramka jest otwarta, licznik zlicza impulsy badanego przebiegu. Liczba zliczonych impulsów pozwala obliczyć częstotliwość badanego przebiegu.

Główne źródła błędów w cyfrowych pomiarach częstotliwości:

*Błąd zliczania (kwantowania): Występuje, gdy długość impulsów bramkujących nie jest całkowitą wielokrotnością zliczanych okresów. Liczba zliczonych impulsów zależy od położenia impulsu bramującego.
*Błąd częstotliwości generatora wzorcowego: Częstotliwość generatora może odbiegać od częstotliwości znamionowej lub zmieniać się w czasie pracy, na przykład z powodu wahań temperatury lub starzenia elementów.
*Błąd bramkowania: Wynika z różnicy opóźnienia między zboczem narastającym i opadającym impulsu bramkującego. Różnica ta powoduje rozbieżności w czasie otwarcia i zamknięcia bramki. Błąd może być również spowodowany zakłóceniami w badanym przebiegu.

Question 5

15. Metody obliczania błędu granicznego w pomiarach złożonych.

Answer 5

Błąd graniczny w pomiarach złożonych jest określany jako największa możliwa wartość błędu wskazania przyrządu w dowolnym punkcie zakresu pomiarowego. W praktyce oznacza to maksymalny błąd, jaki może wystąpić w wyniku pomiaru, biorąc pod uwagę wszystkie możliwe źródła błędów.

Metody obliczania błędu granicznego obejmują:

• Sumowanie maksymalnych wartości bezwzględnych błędów: Dodaje się maksymalne możliwe wartości błędów każdej składowej, zakładając ich jednoczesne wystąpienie.
• Sumowanie kwadratów błędów: Kwadraty błędów poszczególnych składowych są sumowane, a następnie bierze się pierwiastek z tej sumy.
• Propagacja błędów: Oblicza się błąd wyniku końcowego na podstawie błędów poszczególnych pomiarów i zależności między nimi.

Question 6

16. Metody pomiaru piezoelektryków.

Answer 6

Proste zjawisko piezoelektryczne: Na przeciwległych ścianach kryształów powstają ładunki elektryczne przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu.

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne: Wymiary kryształów zmieniają się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Metody pomiaru piezoelektryków

Statyczne:

• Pomiar modułu piezoelektrycznego d: Mierzy się generowany ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożony nacisk lub zmianę pola elektrycznego.

Dynamiczne:

• Pomiar przenikalności elektrycznej: Analizuje zmiany przenikalności dielektrycznej w zależności od częstotliwości pobudzenia, co umożliwia określenie przenikalności εT (przy polu stałym) i εS (przy zmiennym polu).
• Pomiar współczynnika sprzężenia elektromechanicznego: Określa efektywność przekształcania energii podczas wymuszonych drgań mechanicznych lub elektrycznych.

Pozostałe współczynniki (Określenie z wykorzystaniem obu metod pomiarowych):

• Pomiar stałej napięciowej
• Pomiar współczynnika sprężystości

Question 7

17. Metody pomiaru parametrów rozproszonych elementów biernych (RLC).

Answer 7

RLC – elementy powszechnie stosowane w budowie urządzeń elektrycznych i elektronicznych, obejmujące rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne.

Metody pomiaru parametrów RLC

Metoda mostkowa:
* Mostek Wheatstone’a: Pomiar rezystancji przy użyciu czterech rezystorów tworzących mostek, z których jeden jest elementem badanym.
* Mostek Maxwella: Pomiar indukcyjności, wykorzystując znaną pojemność i rezystancje do równoważenia mostka.
* Mostek Wiena: Pomiar pojemności poprzez równoważenie pojemności i rezystancji.

Metoda rezonansowa: Pomiar częstotliwości rezonansowej obwodu LC; znajomość częstotliwości rezonansowej i wartości jednego z elementów (L lub C) pozwala obliczyć drugi parametr.

Metoda impedancyjna: Pomiar impedancji przy różnych częstotliwościach umożliwia wyznaczenie wartości R, L i C elementu biernego oraz określenie charakterystyki impedancyjnej.

Metoda oscyloskopowa: Połączenie elementu do oscyloskopu i analiza przebiegu napięcia oraz prądu, na podstawie różnic fazowych i amplitud, pozwala wyznaczyć parametry RLC.

Question 8

18. Zastosowania piezoelektryków.

Answer 8

Piezoelektryki znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach dzięki swoim unikalnym właściwościom mechaniczno-elektrycznym.

Zastosowania piezoelektryków:
* Rezonatory w generatorach i stabilizatorach częstotliwości
* Przetworniki drgań w urządzeniach medycznych i przemysłowych: użyteczne w ultrasonografii i czujnikach przemysłowych.
* Mikrosiłowniki w mikrorobotyce
* Urządzenia wykorzystujące efekty drgań i fal: sonary, mikrofony oraz głośniki.

Question 9

19. Metody pomiaru wartości skutecznej napięcia sygnałów zmiennych.

Answer 9

Wartość skuteczna (RMS) to parametr energetyczny sygnału, który odzwierciedla efekty cieplne (ciepło Joule’a) sygnału przemiennego i odpowiada wartości napięcia stałego powodującego ten sam efekt.

Metody pomiaru wartości skutecznej:

• Pomiar cieplny: Wartość skuteczna jest ustalana przez regulację napięcia stałego tak, aby temperatura obu rezystorów była identyczna, co odzwierciedla efekty cieplne sygnału zmiennego.
• Pomiar analogowy: Analogowe układy realizują potęgowanie, całkowanie i pierwiastkowanie sygnału, precyzyjnie obliczając wartość skuteczną sygnałów okresowych.
• Pomiar cyfrowy: Miernik cyfrowy przetwarza sygnał na postać cyfrową i oblicza wartość skuteczną, zapewniając dokładne pomiary przy użyciu technologii True RMS.
• Współczynnik kształtu: Wartość skuteczna jest obliczana na podstawie napięcia średniego i stosunku wartości skutecznej do średniej, z wykorzystaniem odpowiedniego współczynnika kształtu.

Question 10

20. Metody stało- i zmiennoprądowego pomiaru właściwości materiałów i elementów elektronicznych.

Answer 10

Metody stałoprądowe:

• Pomiar rezystancji (metoda czteropunktowa): Mierzy rezystancję przy użyciu dwóch zewnętrznych styków do przepuszczania prądu i dwóch wewnętrznych do pomiaru napięcia, idealny dla niskich rezystancji.
• Pomiar charakterystyki I-U: Określa relację między prądem a napięciem w elemencie, umożliwiając analizę jego właściwości prądowo-napięciowych.
• Pomiar efektu Halla: Wykorzystuje poprzeczne napięcie w materiale z przepływającym prądem i polem magnetycznym do oceny koncentracji nośników ładunku i ich ruchliwości.
• Pomiar temperatury: Ocena zmian rezystancji materiału w zależności od temperatury, pozwala na analizę wpływu temperatury na właściwości materiałów.

Metody zmiennoprądowe:

• Pomiar impedancji (LCR meter): Mierzy impedancję elementów w różnych częstotliwościach, pozwalając na określenie wartości rezystancji, indukcyjności i pojemności.
• Spektroskopia impedancyjna: Badanie odpowiedzi elektrycznej obiektu na małe sygnały w szerokim zakresie częstotliwości, umożliwiające analizę impedancji.
• Pomiar współczynnika strat dielektrycznych: Mierzy straty energii w dielektrykach pod zmiennym polem elektrycznym, oceniając absorpcję energii i konwersję na ciepło.
• Pomiar współczynnika sprzężenia magnetycznego: Ocena sprzężenia magnetycznego w transformatorach i cewkach, ważna dla analizy ich efektywności.
• Pomiar indukcyjności i pojemności metodą rezonansową: Określa indukcyjność lub pojemność na podstawie częstotliwości rezonansowej obwodu LC.
• Analiza Fouriera sygnałów zmiennoprądowych: Rozkłada sygnał zmiennoprądowy na składowe częstotliwości za pomocą transformacji Fouriera, umożliwiając szczegółową analizę częstotliwościową.