Laborator 1: Componente de bază

Componentele de bază ale unui circuit se împart în două categorii: * componente pasive - sunt acele elemente de circuit care nu pot executa funcţii de amplificare asupra semnalelor aplicate * componente active - sunt elemente de circuit care pot controla deplasarea electronilor (curentul) pe cale electrica si pot executa funcţii de amplificare/atenuare asupra semnalelor aplicate

Diferența între cele două clase este faptul că în cazul componentelor pasive, acestea nu pot genera energie.

Componentele pasive cel mai des întâlnite sunt: * rezistorul * condensatorul * bobina * conectori

Componentele active de bază sunt: * dioda * tranzistorul * circuitele integrate

Componentele pasive sunt realizate în scopul obținerii unei anumite impedanțe cu o comportare cât mai apropiată de cea ideală într-o bandă de frecvență cât mai mare și concentrată într-un volum cât mai mic. Ele reprezintă elementele de circuit care nu au amplificare sau direcționalitate.

Caracteristicile specifice componentelor pasive sunt, în general, specificate în fișa tehnică de prezentare a componentelor. Caracteristicile de bază sunt:

1. Valoare nominală: valoarea care se dorește a fi obținută în procesul de fabricație, măsurată în unitatea de măsură specifică componentei: Ohm pentru Rezistor, Farad pentru condensator etc.
2. Toleranță de fabricație: abaterea maximă a valorii reale față de valoarea nominală.
   • E.g. O rezistență cu valoarea nominală de 100Ω și toleranță 5% va avea valori între 95Ω și 105Ω. Din felul în care sunt separate, o rezistență cu toleranță 10% nu va devia niciodată de la rezistență nominală cu mai puțin de 5% (cu alte cuvinte, rezistența de 100Ω cu 10% toleranță va avea valori între 90-95Ω și 105-110Ω).
   • În funcție de toleranța dorită, există o clasificare pe serii (e.g. E12 cu 10% toleranță, E24 cu 5%, E96 cu 1%).
3. Coeficientul de variație cu temperatura (%/°C): abaterea valorii reale la variația temperaturii corpului său cu 1°C.
4. Puterea nominală activă: puterea maximă pe care poate să o disipe componenta la o funcționare continuă într-un mediu ambiant cu temperatura egală cu cea nominală.
5. Temperatura nominală: temperatura la care se definește puterea nominală.
6. Tensiunea nominală este valoarea maximă a tensiunii ce poate fi aplicată la bornele unei componente pentru o funcționare îndelungată.
7. Rezistența de izolație este definită ca raportul dintre tensiunea aplicată unei componente și curentul continuu care se măsoară între terminale după un minut de la aplicarea tensiunii.

Rezistorul reprezintă o componentă electrică pasivă de tip dipol care se opune trecerii curentului electric, conform legii lui Ohm (sursă imagini: Wikipedia):

* Cod alfa-numeric: 2R2, 200, 2K2, 1M. * Codul culorilor:

• este folosit pe rezistori cilindrici
• valoarea nominală este dată de codificarea a 4,5,6 inele concentrice de diferite culori
• primele inele (2 sau 3 - depinde de variantă) reprezintă cifrele semnificative ale numărului
• penultimul inel reprezintă ordinul de mărime
• ultimulul inel este toleranța (variația în care se încadrează rezistența față de valoarea nominală)
• citirea se începe de la partea opusă bandei argintii/aurii

* Rezistoarele fixe se împart în mai multe categorii (în funcție de modul de construcție), câteva dintre cele mai uzuale fiind: rezistoarele bobinate, rezistoarele cu peliculă de carbon, rezistoarele cu peliculă din oxizi metalici, rezistoare peliculare chip (SMD).

* Rețelele de rezistori sunt capsule ce conțin mai multe rezistențe, care prin procesul de producție au valori aproape identice (diferente de sub 0,01%). Pe lângă aceasta, toate rezistențele au aceeași temperatură (a capsulei), astfel că variația valorilor la un moment de timp se modifică asemănător pentru toate.

* Potențiometrul este un rezistor cu 3 contacte, unul din ele fiind la mijloc. Se comportă ca un divizor de tensiune de raport variabil, cursorul din mijloc putând fi mișcat. Dacă are doar două contacte (unul fiind mobil), atunci este numit reostat.

* Rezistorul semi-reglabil (trimmer) este un tip de potenționetru ce poate fi ajustat cu o șurubelniță, se consideră că numărul de schimbări ale poziției sunt reduse (fie după fabricare, fie la service).

• Limitare a curentului. Exemplu:
  • Un LED are o rezistență internă foarte mică, așa că el permite trecerea unui curent foarte mare ceea ce duce la arderea LEDului. Pentru a nu se întampla aceste lucru, se folosește o rezistență în serie cu LEDul pentru a limita curentul. Dacă avem un LED ce rezistă la 10mA iar tensiunea este 5V atunci, pentru a calcula valoarea rezistenței, folosim legea lui Ohm: R=V/I ⇒ R = 5V/0.01A = 500Ω.
• Pull-up. O rezistentă de pull-up asigură o valoare default intr-un circuit. Daca nu am avea rezistența și legătura la Vcc atunci:
  • Dacă switchul este închis atunci starea este bine definită
  • Dacă switchul este deschis atunci starea este nedefinită și poate fluctua.
  • Dacă am pune doar legatura la Vcc atunci am avea scurt când switchul e închis.

• Pull-down. Același comportament ca rezistența de pull-up.
  
  
  
  
  
  

Condensatorul este un dispozitiv format din două plăci conductoare paralele separate de un material dielectric ce poate stoca energie pe acestea. Principala caracteristică a unui condensator este capacitatea. Cu cât aceasta este mai mare cu atat condensatorul poate să stocheze mai multă energie. Capacitatea se masoara in Farazi (F). Un farad reprezintă o capacitate destul de mare așa că de obicei sunt folosiți submultipli ai săi, precum μF sau pF.

Din cauza neidealităților procesului de producție, condensatorul nu este o capacitate ideală. Condensatorul real prezintă pe lângă capacitate și o rezistență parazită între terminale. Această rezistență parazită generează curenți de scurgere care descarcă capacitatea. Odată cu îmbătrânirea condesatorului (sau la defect), această rezistență scade foarte mult, cauzând apariția unor curenți foarte mari absorbiți de condensator, mai ales în regim dinamic. Din punct de vedere practic, condensatorul deși pare în regulă dacă este măsurat cu un capacimetru (sau multimetru), în circuit el se comportă ca un scurtcircuit și afectează funcționalitatea ansamblului electronic. Cel mai des acest fenomen apare în sursele de alimentare ale calculatoarelor și pe plăcile de bază în subansamblul de alimentare al procesorului.

Un alt fenomen este pierderea capacității (se comportă ca un gol). Condensatoarele au specificată o temperatura de lucru (nominală) la care pot fi folosite timp îndelungat fără a-și pierde proprietatea de a acumula și menține sarcina electrică. În special pentru condensatoarele electrolitice, utilizarea condensatorului într-o gamă de temperaturi mai mare decât cea nominală duce la pierderea capacității de acumulare a sarcinii, și implicit de filtrare (utilizate la ieșirea surselor de tensiune) sau de transmisie a semnalului (folosite la comanda tranzistoarelor din sursele în comutație).

* Pe cele suficient de mari este inscripționată direct valoarea: 22μF, 100pF etc. * Cod alfa numeric:

• primele două cifre reprezintă valoarea (exprimată în pF)
• a treia este multiplicatorul (10^x)
• poate fi inscripționată și o literă care reprezintă toleranța (J=±5%, K=±10%, M=±20%)
• Exemplu: 101 (10*10¹pF = 100pF).

* Condensator electrolitic * Condensator variabil.

• este un condensator căruia i se poate modifica capacitatea
• acest lucru se poate realiza:
  • în mod mecanic, prin modificarea suprafeței de suprapunere a plăcilor
  • prin modificarea distanței dintre plăci

* Supercondensator * Condensator styroflex * Condensator ceramic * Condensator cu tantal

Unele tipuri de condensatoare pot fi polarizate.

• Condensator de filtrare: folosit pentru elimiarea variației semnalului continuu.
• Folosit pentru înmagazinare de energie (similar cu o baterie).
• Condensator de decuplare: folosit la eliminarea zgomotului pe pinii de alimentare pentru circuitele integrate.
• Condensator de cuplare: folosit pentru eliminarea componentei continue.
• Banc de condensatoare pentru corecția puterii reactive: folosit pentru corecția factorului de putere pentru centrale electrice.

* Memorie DRAM

• Starea celulei de memorie este ținută în condensatorul C.
• Tranzistorul M funcționează ca un switch ce protejează accesul la bit.
• Pentru a citi din memorie se ridică linia AL, iar pe linia de date (DL) va apărea un curent în funcție de starea condensatorului.
• Pentru a scrie date se setează DL cu 1 sau 0 logic si se ridică AL încărcând sau descărcând condensatorul.
  
  

Bobina este un element pasiv de circuit ce poate acumula energie magnetică. În momentul în care un curent trece printr-un conductor el generează un câmp magnetic, însă efectul acestui câmp este neglijabil. Pentru a genera un câmp magnetic util se înfășoară conductorul în jurul unui miez. Acesta poate fi aer, material feromagnetic etc.

• Inductanța
• Rezistența totală de pierdere
• Capacitatea parazită
• Se opune variației curentului ce o străbate

* Cod alfa numeric:

• Primele două cifre reprezintă valoare exprimată în μH
• A treia cifră reprezintă multiplicatorul (10^x)
• Exemplu: 101 (10*10μH = 100μH)
• Dacă exista un R atunci multiplicatorul este -1. Exemplu: 4R7 4.7μH

* Codul culorilor: similar cu rezistoarele (vezi Figura de mai jos)

* Bobină toroidală

• O bobină toroidală se obține înfășurând spirele pe un miez toroidal.
• Astfel câmpul magnetic este conținut în bobină, obținându-se valori mai mari pentru câmpul magnetic și inductanță.
• Câmpul magnetic formeaza bucle închise în miezul bobinei.
• Utilizat in special ca bobina de filtrare pentru circuite de curent continuu și pentru surse in comutație de joasă frecvență.

* Bobine cilindrice cu miez închis

• Utilizate în sursele în comutație de frecvență mare(MHz).

* Bobine cuplate

• Inductanța mutuală apare atunci când o variație a curentului într-o bobina induce o tensiune într-o alta bobină apropiată.
• Sunt folosite în transformatoare.

* Bobină variabilă

• Se poate realiza o bobină variabilă făcând unul din contacte mobil (numit priză mediană), putând astfel mări sau micșora numărul de spire.
• Un exemplu este autotransformatorul a cărui ieșire poate fi modificată prin variația poziției prizei mediane.

* Bobină cu miez variabil

• Se poate modifica cat de mult intră miezul magnetic în interiorul bobinei fără a modifica numărul de spire.
• Utilizate în special în radiouri și televizoare.

* Filtre pasive (trece sus / jos / bandă, rejecție bandă). * În transformatoare

• Transformatorul este un dispozitiv ce transferă energie electrică dintr-un circuit în altul folosind inducția electromagnetică.

* Dispozitive electromecanice(relee) care utilizeaza un solenoid pentru a acționa un dispozitiv mecanic. * Încuietori mecanice.

Componentele active au capabilitatea de a fi comandate și de a controla semnalul electric (amplifica, atenua).

• O diodă este formată dintr-o joncțiune P-N.
• Cea mai cunoscută utilizare a diodei este să permită trecerea curentului într-o direcție și să blocheze trecerea în cealaltă direcție.
• În funcție de caracteristicile joncțiunii P-N pot avea diverse utilizări.

• transformarea curentului alternativ în curent continuu (diode redresoare)
• reglarea tensiunii (diode Zener)
• reglarea receptoarelor TV sau radio (diode varicap)
• generarea de oscilații în frecvențe radio sau microunde (diode tunel)
• iluminare (LED-uri)
• demodulare radio
• convertoare Analog-Digitale
• protejare ciruitelor față de tensiuni mai mari decât cele suportate
• porți logice (AND și OR) - Mickey Mouse logic (Diode Resistor Logic)
• punte H - folosite în general pentru a controla motoare în curent alternativ (diodă de tip flyback)

Dioda Varicap:

Punte redresoare:

AND implementat cu diode:

OR implementat cu diode:

Punte H:

• Sunt elementele de bază din toate circuitele integrate.
• Văzute într-un mod simplist operațiile pe care le realizează un tranzistor sunt de amplificare și de comutare.
• Au înlocuit lămpile (tuburile electronice) și au permis dezvoltarea unor dispozitive electronice mult mai mici.

• Pro-electron
  • Prima literă din marcaj indică materialul din care este facut tranzistorul:
    • A - germaniu
    • B - silicon
  • A doua literă indică domeniul de aplicare:
    • N - optocuplor
    • P - fototranzistor
    • S - tranzistor switch
    • U - high voltage
  • Mai poate exista o a treia litera care indică daca tranzistorul este pentru uz industrial sau comerical ( X,Y,W,Z )
  • Numarul de serie ( 100 - 9999 )
• JIS
  • O cifră egala cu numărul de picioare minus unu
  • Două litere ce indică domeniul de aplicare
    • SA - PNP HF transistor
    • SB - PNP AF transistor
    • SC - NPN HF transistor
    • SD - PNP AF transistor
  • Numar de serie ( 100 - 9999 )
• JEDEC
  • O cifră egala cu numărul de picioare minus unu
  • O literă ce este mereu N
  • Numar de serie ( 100 - 9999 )

• Tranzistor bipolar.
  • Tranzistorul bipolar constă în două joncțiuni PN, joncțiunea bază-emitor si cea bază-colector, separate de o bază subțire din material semiconductor.
  • În funcție de tipul joncțiunilor, tranzistoarele bipolare se împart în doua tipuri:
    • NPN este format dintr-un strat de semiconductor dopat pozitiv între două straturi dopate negativ. Sunt cele mai folosite datorită mobilității sporite a electronilor.
    • PNP este format dintr-un strat de semiconductor dopat negativ între două straturi dopate pozitiv.
• Tranzistor cu efect de câmp.
  • Funcționarea sa se bazează pe modificarea conductibilităţii unui canal realizat dintr-un material semiconductor prin aplicarea unui cîmp electric.
  • Modificarea dimensiunii canalului se realizează prin aplicarea unei tensiuni între poarta( terminalul notat G(Gate)) și substratul dispozitivului.
  • În funcție de modul de construcție, tranzistoarele cu efect de câmp se împart în: tranzistoare cu canal P sau cu canal N.

Tranzistor bipolar (BJT)
Tranzistor cu efect de camp (FET)

• Poate acționa ca un comuntator controlat electric.

• Poate fi folosit ca un amplificator.

• Porți logice (schema bloc în stânga, implementare în siliciu în dreapta).

• Amplificatoare pentru audio, radio și prelucrare de semnal.