Časově tématický plán učiva MĚSÍCTÉMA - UČIVOHODIN IX. 1.Opakování - elektronické obvody,součástky a vlastnosti obecných nbranů5 2.Metody řešení elektronických.

Prezentace na téma: "Časově tématický plán učiva MĚSÍCTÉMA - UČIVOHODIN IX. 1.Opakování - elektronické obvody,součástky a vlastnosti obecných nbranů5 2.Metody řešení elektronických."— Transkript prezentace:

1 Časově tématický plán učiva MĚSÍCTÉMA - UČIVOHODIN IX. 1.Opakování - elektronické obvody,součástky a vlastnosti obecných nbranů5 2.Metody řešení elektronických obvodů, duální obvody, Theveninova věta6 X. Smyčkové proudy a graficko-početní metoda11 XI.-XII. 3.Lineární součástky elektronických prvků - rezistory, kondenzátory a cívky18 I. 4.Nelineární polovodičové součástky -přechod PN, dioda, opakování12 II. Bipolární tranzistory9 III. Unipolární tranzitory a vícevrstvé spínací prvky11 IV. Varistor, termistor, optoelektronické prvky, Hallova sonda9 V.5.Elektronky - obrazovky (osciloskopické, televizní)7 VI.6.Příklady použití LEDdiod, laserové LED diody6 Opakování2

2 Náměty na praktická cvičení 1.Praktické ověření metody smyčkových proudů 2.Identifikace diod-měření prahového napětí 3.Měření proudového zesilovacího činitele bipolárního tranzistoru 4.Nelineární polovodičové součástky -přechod PN, dioda, opakování Bipolární tranzistory Unipolární tranzitory a vícevrstvé spínací prvky Varistor, termistor, optoelektronické prvky, Hallova sonda 5.Elektronky - obrazovky (osciloskopické, televizní) 6.Příklady použití LEDdiod, laserové LED diody Opakování

3 Proudové pole Prochází-li v celém prostoru uvnitř vodiče elektrický proud, lze toto prostředí nazvat elektrickým proudovým polem. Elektrický proud je dán uspořádaným pohybem elektrických nábojů v určitém směru. Elektrický náboj Q se měří v coulombech (C). Existují náboje dvou polarit. Kladné polarity, např. náboj protonu, a záporné polarity, např. náboj elektronu. Náboj nelze od jeho částice oddělit. Nejmenší velikost má náboj elektronu. Náboj elektronu označujeme ve fyzice: - e = 1,602. 10 -19 C. Jeho velikost byla stanovena měřením. Vzhledem ke své velikosti se elektrony v přírodě vyskytují ve velkém množství. Hmotnost elektronu m e = 9,11. 10 -28 kg. Náboj jednoho coulombu představuje 6,242. 10 18 elektronů. Platí vztah: V praxi se el.náboj vyjadřje obvykle v ampérhodinách (A.h) (1Ah=3600 A.s = 3600 C) Elektrický proud I je dán elektrickým nábojem Q, který projde vodičem za dobu t. Platí vztah : Q = I.t (C; A; s) Elektrický proud značíme písmenem I a měříme ho v ampérech (A). Proud jednoho ampéru představuje náboj jednoho coulombu, který projde průřezem za jednu sekundu.

4 Elektrické napětí U. Aby mohl procházet vodičem elektrický proud, musí se k jeho koncům připojit zdroj elektrické energie. Elektrický zdroj je zařízení, které mezi dvěma místy vytváří a trvale udržuje elektrické napětí. Elektrické napětí U je definováno prací A potřebnou k přemístění elektrického náboje Q. Platí vztah : Elektrické napětí se měří ve voltech (V). Definice voltu Pomocí práce: Jeden volt je definován prací jednoho joulu, která je potřebná k přemístění náboje jednoho coulombu. Pomocí energie: Jeden volt je takové napětí na vodiči, při němž se průchodem proudu jeden ampér vyvine ve vodiči za jednu sekundu teplo odpovídající energii jednoho joulu. Proudová hustota. Vodič se při průchodu proudu zahřívá. Teplu vyvinutému průchodem proudu vodičem říkáme Lenc- Joulovo teplo. Část tohoto tepla se odvádí povrchem vodiče do okolí, a proto oteplení vodiče bude tím menší, čím větší bude jeho povrch. Chceme-li vzhledem k provozní bezpečnosti toto oteplení zmenšit, musíme zvětšit průřez vodiče. V praxi se udává proudové zatížení neboli proudová hustota. Hustotu proudu značíme písmenem J, je dána podílem proudu I a průřezu vodiče S. Pro proudovou hustotu platí: (praxe: 2-4 A.mm -2 pro Cu, Al)

5 Příklad Vodičem prochází proud 180 mA. Stanovte průměr vodiče při proudové hustotě 4 A.mm -2. Intenzita proudového pole E Je napětí U připadající na jednotku délky I. Udává, jak se mění napětí v závislosti na délce vodiče (spád napětí). Pro intenzitu proudového pole tedy platí vztah: Veličiny elektrický proud I a elektrické napětí U se vztahují k určité délce, celému průřezu vodiče a nepodávají přesnou představu o každém místě vodiče. Jsou to veličiny celkové. Používají se u vodiče se stálým průřezem a materiálem, tedy pro homogenní proudové pole. Veličiny proudová hustota J a intenzita proudového pole E se vztahují k určitému místu a vyjadřují přesně místní poměry ve vodiči. Jsou to veličiny místní. Používají se tam, kde hustota proudu a intenzita proudového pole není konstantní a místo od místa se určitým způsobem mění. Jedná se tedy o místa s nehomogenním proudovým polem. (V.m-1; V; m)

6 Vlastnosti proudového pole Ohmův zákon Ve vodiči, kterým prochází elektrický proud, lze měřením stanovit dvě veličiny, a to: elektrický proud I, měřený v ampérech, a : elektrické napětí U, měřené ve voltech. Obr.1 Ohmův zákon Obr.2 Grafické znázornění Ohmova zákona Ampérmetr se zapojuje do série se součástkou, ve které měříme elektrický proud. Voltmetr se zapojuje paralelně k součástce, na které měříme napětÍ. Dva způsoby stanovení závislosti mezi napětím a proudem: a) Pro stejný vodič budeme postupně zapojovat zdroj s napětím U 1, U 2, U 3 a pro každou hodnotu napětí přečteme proud I 1, I 2, I 3. Výsledek měření zobrazíme graficky, a to tak, že na osu vodorovnou nanášíme proudy I a k nim na svislou osu příslušná napětí U. Spojením bodů jednotlivých měření dostaneme přímku jdoucí počátkem souřadnicových os (obr. 2). Z grafického zobrazení je patrné, že proud je přímo úměrný napětí. Poměr mezi napětím a proudem je stálý!

7 Elektrický odpor Přímka jdoucí počátkem souřadnicových os znázorňuje veličinu označenou písmenem R. Veličina R vyjadřuje vlastnosti prostředí, kterým prochází elektrický proud, a nazýváme ji elektrickým odporem nebo také rezistancí vodiče. Součástka, jejíž základní požadovanou vlastností je elektrický odpor, se nazývá rezistor. Platí vztah: (Ω; V; A) Obr.3. Ohmův zákon Obr. 4. Grafické znázornění Ohmova zákona pro několik různých vodičů b) Pro vodiče různých délek, průřezů a materiálů lze stanovit závislost mezi napětím U a proudem I tím způsobem, že mezi svorky a a b připojujeme různé vodiče a při konstantním napětí U stanovíme proudy I v jednotlivých vodičích (obr. 3). Výsledky měření znázorníme graficky (obr. 4). Pro každý vodič bude jiný proud, a tudíž i jiná velikost elektrického odporu, takže platí vztahy: Elektrický odpor R je charakteristickou vlastností vodiče, závisí na geometrických rozměrech a materiálu. Různé materiály kladou pohybu elektronů různě velký elektrický odpor. Jednotkou elektrického odporu je jeden ohm (Ω). který se nazývá Ohmův zákon

8 Definice jednoho ohmu: Vodič má elektrický odpor jeden ohm, jestliže při napětí mezi koncovými průřezy jeden volt prochází vodičem proud jeden ampér. Definice jednoho siemensu: Vodič má vodivost jeden siemens právě tehdy, má-li odpor jeden ohm. Elektrická vodivost Převrácená hodnota elektrického odporu R se nazývá elektrická vodivost (konduktance) a značíme ji písmenem G. Jednotkou elektrické vodivosti je jeden siemens (S). Platí vztah: Ohmův zákon udává vztah mezi elektrickým napětím U, elektrickým proudem I a elektrickým odporem R na libovolné části elektrického obvodu.

9 Př.2. Stanovte odpor vodiče. Intenzita elektrického pole je 12 V.m -1. Vodič, kterým prochází proud 1,2 mA, má délku 0,5 m. Napětí na vodiči : Odpor vodiče: Př.3.Stanovte vodivost měděného vodiče při hustotě proudu 2 A.mm -2. Průměr vodiče je 0,36 mm, mezi konci vodiče je napětí 8V. Průřez vodiče: Proud procházející vodičem: Vodivost vodiče:

10 Elektrický výkon Jelikož napětí U (V) udává práci na náboj a proud I (A) udává náboj za čas, je výsledkem součinu napětí a proudu výkon. Jedná se o elektrický výkon, který se může měnit v teplo, mechanickou energii, elektromagnetickou energii a podobně. Jeden volt je takové napětí mezi konci vodiče, do něhož stálý proud jednoho ampéru dodává výkon jednoho wattu. Kirchhoffovy zákony První Kirchhoffův zákon Z empirické zkušenosti je známo, že náboj je nezničitelný, stejně jako jej nelze vytvořit. Tato zkušenost je označována jako zákon zachování náboje. V elektronice se s ním setkáváme prakticky ve formě Prvního Kirchhoffova zákona: Součet proudů v kterémko-li uzlu elektrického obvodu se rovná nule. Znamená to, že celkový proud, který vteče do uzlu, z něj ve stejné velikosti také vyteče

11 Druhý Kirchhoffův zá zákon Průtok proudu, tj. transport nosičů náboje, lze uskutečňovat jen po uzavřených trasách konečných rozměrů, které nazýváme elektrické obvody. V takovém obvodu musí existovat alespoň jeden zdroj sil, tzv. elektromotorické napětí, které působí proti elektrostatickým silám nosičů náboje, jejichž transport je uskutečňován.Pro tento obvod, stejně jako pro všechny uzavřené smyčky, platí 2. Kirchhoffův zákon: Součet svorkových napětí prvků elektr. obvodu v libovolné uzavřené smyčce se rovná nule. Z prvního Kirchhoffova zákona také vyplývá, že sériově zapojenými součástkami protékají shodné proudy. Z druhého Kirchhoffova zákona také vyplývá, že paralelně zapojené součástky mají shodné napětí.

12 Zdroj napětí Zdroj napětí si obvykle představujeme jako ideální zdroj napětí U 0 (který má nulový vnitřní odpor) v sérii s vnitřním odporem Ri. Je-li zdroj napětí nezatížený, je na jeho výstupu takzvané napětí naprázdno U 0. Zkratujeme-li výstupní svorky, teče ze zdroje takzvaný proud nakrátko, což je maximální proud, který může ze zdroje téci. Celá řada zdrojů napětí tento stav nesnáší, protože vede k jeho zničení. Naproti tomu elektronické zdroje s proudovým omezením umějí těmto stavům čelit. Při odběru proudu zátěží vzniká na vnitřním. odporu Ri ; nežádoucí úbytek napětí Ri.I, o který se snižuje výstupní napětí. Jelikož tento úbytek s rostoucím proudem I narůstá, požadujeme hodnotu Ri co nejmenší, a to zejména v zapojeních s velkým odběrem proudu. Vnitřní odpor standardních alkalických článků je v řádu jednotek ohmů, u olověného akumulátoru v automobilu se pohybuje v řádu jednotek miliohmů. U elektronického zdroje napětí lze dosáhnout vnitřního odporu Ri = 0.

13 LINEÁRNÍ OBVODY Lineárním obvodem nazýváme el.obvod, který obsahuje pouze lineární obvodové prvky. Při řešení lineárních obvodů používáme Kirchhoffovy zákony a metody z nich vyplývající. a)Théveninovu větu b)Smyčkové proudy c)Lineární superpozice Théveninova věta (stanovuje pravidla pro zjednodušení lineárního obvodu): Libovolně složitý lineární aktivní dvojpól je možné z hlediska libovolných dvou svorek nahradit jedním ideálním zdrojem napětí a sériově zapojeným odporem. Napětí U 0 určíme jako napětí naprázdno na výstupních svorkách obvodu. Vnitřní odpor Ri stanovíme jako odpor mezi výstupními svorkami při současné náhradě zdrojů napětí zkratem.

14

15 Metoda smyčkových proudů Metoda je založena na použití druhého Kirchhoffova zákona, takže je vyloučeno sestavit rovnice, které by byly na sobě závislé. Metoda spočívá v tom, že zavádíme do každé smyčky smyčkový proud. Smyčkové proudy označíme v každé smyčce libovolně. Tyto smyčkové proudy jsou pro nás neznámé veličiny a musíme sestavit tolik rovnic, kolik je v daném zapojení smyček. Pro každou smyčku sestavíme obvodovou rovnici podle druhého Kirchhoffova zákona. Každým rezistorem, který je společný dvěma smyčkám, prochází podle zavedeného označení dva proudy. Jsou to proudy obou sousedních smyček, pro něž je rezistor společným prvkem. Doporučuje se volit smysl smyčkových proudů souhlasný, např. ve směru pohybu hodinových ručiček. Výhodné je rovněž postupovat při sestavování rovnic ve smyčkách ve stejném smyslu. Pak jsou úbytky napětí v příslušné smyčce kladné, úbytky napětí na sousedních smyčkách záporné. Postup při řešení obvodu metodou smyčkových proudů: 1.Označíme v každé smyčce smyčkový proud a na každém prvku předpokládaný smysl skutečného proudu. 2.Pro každou smyčku sestavíme obvodovou rovnici podle druhého Kirchhoffova zákona. Tím dostaneme soustavu rovnic. 3.Řešením soustavy rovnic vypočteme smyčkové proudy. 4.Skutečné proudy stanovíme smyčkovými proudy, napětí na jednotlivých prvcích pak vypočteme pomocí Ohmova zákona. Vyjde-li nějaký skutečný proud se záporným znaménkem, je jeho smysl opačný, než jsme předpokládali.

16 Příklad V obvodu zapojeném podle obr.stanovte proudy procházející všemi prvky obvodu. Hodnoty obvodových prvků jsou: R 1 = 2 Ω, R 2 = 6 Ω, R 3 = 2 Ω, R 4 = 3 Ω, R 5 = 2 Ω, R 6 = 6 Ω, U 1 = 120 V, U 2 = 6 V, U 3 = 80 V. Při řešení použijeme tři smyčky, a tudíž označíme tři smyčkové proudy Ia, lb a Ic. Na každém rezistoru označíme předpokládaný smysl skuteč­ného proudu, a to I1, I2, I3, I4, I5 a I6. Sestavíme pro každou smyčku rovnici podle druhého Kirchhoffova zákona. Pro smyčku a: R 1 I a + R 2 (I a – I b ) – U 1 = 0. Pro smyčku b: R 3 I b + U 2 + R 5 (I b – I c ) + R 4 I b + R 2 (I b - I a ) = 0. Pro smyčku c: R 6 I c + U 3 + R 5 (I c – l b ) = 0. Po dosazení dostaneme: 8I a - 6I b = 120 -6I a + 13I b - 2I c = -6, -2I b + 8I c = - 80 Skutečné proudy získáme pomocí smyčkových proudů I 1 = I a = 21A I 2 = I a – l b = (21 - 8) A = 13 A I 3 = -l b = -8A Po úpravě dostaneme soustavu rovnic (R 1 +R 2 )I a – R 2 I b = U 1 -R 2 I a + (R 2 + R 3 + R 4 + R 5 )I b – R 5 I c = -U 2, -R 5 lb + (R 5 + R 6 )I c = -U 3 Řešením soustavy dostaneme příslušné proudy I a = 21A, I b = 8 A, I c =-8A. skutečný proud I 3 prochází v opačném smyslu, než jsme předpokládali, I 4 = I b =8A, I 5 = l b – I c = [8 - (-8)] A = 16A I 6 = -I c = -(-8)A = 8A

17 Metoda lineární superpozice Metodu lineární superpozice používáme pro stanovení napětí nebo proudu v libovolném prvku elektrického obvodu s několika napěťovými zdroji obsahujícími pouze lineární prvky. Napětí nebo proud v libovolném prvku elektrického obvodu se stanoví tak, že postupně necháme zapojen vždy jeden zdroj napětí a stanovíme napětí nebo proud na uvažovaném prvku. Ostatní napěťové zdroje nahradíme zkratem. To provedeme postupně u každého zdroje. Výsledné napětí nebo proud v libovolném prvku jsou dány algebraickým součtem napětí nebo proudů vyvolaných jednotlivými zdroji. Je nutné dbát na polaritu jednotlivých zdrojů. Příklad Stanovte napětí na výstupních svorkách obvodu podle zapojení na obr. 181. Napětí zdrojů jsou U1 = 450 V, U2 = 110 V. Odpory rezistorů jsou R1 = 60 Ω, R2 = 30 Ω, R3 = 20 Ω.

18 ZÁKLADNÍ POJMY ELEKTRONICKÝ OBVOD Elektronický obvod vzniká vzájemným spojením elektronických součástek takovým způsobem, aby po připojení zdroje elektrické energie mohl součástkami procházet elektrický proud. Zároveň mezi jednotlivými částmi obvodu působí elektrická napětí. Obvod může být složen ze samostatných (oddělených, diskrétních) součástek nebo můfže být vytvořen vhodnou technologií jako jeden celek (obvod integrovaný). OBVODOVÉ VELIČINY Napětí působící mezi částmi obvodu a proudy procházející jednotlivými větvemi nazýváme obvodové veličiny. Napětí označují šipkou otevřenou, proudy šipkou uzavřenou. Tomuto označení předpokládaného smyslu působení obvodové veličiny říkáme orientace obvodových veličin. Jestliže skutečný směr průchodu proudu nebo skutečná polarita napětí souhlasí s vyznačenou orientací, považujeme příslušný proud nebo napětí za kladné. Nesouhlasí-li směr šipky se skutečností, připisujeme k příslušné velikosti napětí nebo proudu znaménko minus, které znamená že skutečný směr průchodu proudu nebo skutečná polarita napětí v dané části obvodu je obrácená než jakou označuje šipka. Velikost dané veličiny včetně jejího znaménka nazýváme hodnota veličiny.

19 Časový průběh obvodových veličin můžeme dobře sledovat z grafického znázornění, ve kterém na vodorovnou osu vynášíme čas, a na svislou osu ke každému časovému okamžiku příslušnou hodnotu obvodové veličiny nazývanou okamžitá hodnota. Označujeme malým písmenem. Je-li grafem přímka rovnoběžná s osou času (tzn. všechny okamžité hod­noty jsou stejné- obr. a), jde o stejnosměrné (stálé, konstantní) napětí nebo proud. Na obrázku b) je znázorněn proud závislý na čase (proud proměnný) Opakuje-li se průběh veličiny vždy po stejné době T, které říkáme perioda, jde o veličinu periodickou. Zvlášltním případem průběhu periodické veličiny je veličina harmonická. Jejím grafem je sinusoida s určitou maximální hodnotou (ampIitudou)- obr. d) Aritmeticjký průměr všech funkčních hodnot za dobu jedné periody nazýváme střední hodnota. Nulovou střední hodnotu mají veličiny, pro které v době jedné periody platí, že součet ploch omezených křivkou znázorňující časový průběh veličiny, které leží nad vodorovnou osou, se rovná součtu ploch omezených křivkou pod vodorovnou osou. (např. harmonický průběh)

20 OBVODOVÉ SOUČÁSTKY jsou malé části obvodu, které již nemůžeme dále dělit. Můžeme jeroztřídit podle několika hledisek : - podle počtu vývodů, kterými se součá"tka zapojuje do ohvodu (dvojpóly a vícepóly); - podle počtu dvojic svorek (bran). které slouží k přivádění signálu do součástky a k jeho odvádění do dalších částí obvodu (jednobrany, dvojbrany a vícebrany); -podle toho, zda do obvodu energii dodávají neho ji odebírají (zdroje a spotřehiče - součástky aktivní a pasívní); - podle vzájemné závislosti obvodových veličin (součástky lineární a nelineární); -podle toho, zda jejich vlastnosti jsou nebo nejsou závislé na frekvenci procházejícího proudu (odporové, reaktanční a komplexní). Např: rezistor je pasívní odporový lineární jednobran a v obvodu je spotřebičem; tranzistor je aktivní nelineární dvojbran, v obvodu stejnosměrného proudu je součástkou odporovou a chová se jako spotřebič. Dvojpóly a vícepóly součástky, které zapojujeme do obvodu dvěma vývody (svorkami), nazýváme dvojpóly. Jsou to např. rezistory, kondenzátory, diody… Mat. vyjádření vztahu mezi proudem a napětím I = f(U) se nazývá charakteristická rovnice souč. Grafické znázornění závislosti proudu procházejícího součástkou na napětí mezi jejími vývody je voltampérová charakteristika.

21 Vícepóly jsou součástky, které zapojujeme do obvodu více než dvěma svorkami. Např. tranzistor je trojpól (má kolektor, emitor a bázi, transformátor s jedinou vstupní (primární) a jedinou výstupní (sekundární) cívkou je čtyřpól, telefonní ústředna nebo integrovaný obvod s mnoha vývody jsou vícepóly. Jednobrany, dvojbrany a vícebrany V některých vícepólech můžeme po jejich zapojení do obvodu najít svorku, do které se uzavírají proudy procházející alespoň dvěma dalšími svorkami. Její potenciál slouží zpravidla jako vztažný pro určování napětí ostatních svorek. Jednotlivé svorky tvoří s touto společnou svorkou dvojice, kterým říkáme brány. Dvojice svorek, které slouží k přivádění signálu jsou vstupní svorky (vstupní brána) Dvojice svorek, které slouží k odvádění signálu jsou výstupní svorky (výstupní brána) Vícepóly, které splňují tyto vlastnosti nazýváme n-brany.

22 Zdroje a spotřebiče - součástky aktivní a pasívní Připojíme-li k baterii s napětím U 0 rezistor s odporem R, uzavře se elektrický obvod a z kladného pólu baterie začne do obvodu procházet proud I (obr. 9b). Napětí U vznikající při průchodu tohoto proudu mezi svorkami rezistoru R můžeme vypočítat z Ohmova zákona : U = RI Rezistor je v obvodu spotřebičem, jeho odpor je kladný úbytek napětí na rezistoru i proud jsou kladné a mají stejná znaménka. Jejich součin- výkon- se v rezistoru R mění na teplo: Ps = UI je kladný. Říkáme, že rezistor je v obvodu spotřebičem, neboť "potřebová­vá kladný výkon. Pro baterii platí něco jiného. Proud prochází proti směru působícího napětí (šipky U a I jsou proti sobě). Výkon je záporný. Záporný spotřebovaný výkon je výkon dodávaný do obvodu. Baterie je tedy zdrojem elektrické energie. Tomuto způsobu určení obvodových veličin říkáme spotřebičová orientace obvodových veličin. Voltampérová charakteristika rezistoru prochází pouze I. a III. kvadrantem.(napětí a proud mají vždy stejnou orientaci) Nazýváme součástky pasívní. Naproti tomu aktivní součástky do obvodu energii dodávají. Znamená to, že součin procházejícího proudu a svorkového napětí je záporný. Jejich voltampérová charakteristika alespoň zčásti prochází II. nebo IV. kvadrantem.

23 Voltampérová charakteristika pasívní a aktivní součástky

24 Součástky lineární a nelineární Lineární součástky mají voltampérovou závislost lineární(přímkovou) Nelineární součástky mají voltampérovou závislost nelineární(zakřivenou) Závislost proudu na napětí v obvodu lineární součástky Závislost proudu na napětí v obvodu nelineární součástky

25 Součástky odporové a reaktanční Součástky odporové odporové součástky nejsou v širokých mezích závislé na frekvenci procházejícího proudu. Mají pro stejnosměrný i pro střídavý proud stejný průběh voltampérové charakteristiky. Součástky reaktanční Reaktanční součástky jsou na frekvenci závislé. Pro každou frekvenci dostáváme jiný průběh voltampérové charakteristiky. Voltampérové charakteristiky cívky s indukčností L=1mH. Voltampérové charakteristiky odporového jednobranu a)lineárního b)nelineárního

26 Pracovní bod jednobranu Klidový (statický) pracovní bod Každý z bodů voltampérové charakteristiky odpovídá určitým pracovním podmínkám, které mohou pro součástku nastat. Jednotlivé body voltampérové charakteristiky proto nazýváme pracovní body součástky. Souřadnice každého pracovního bodu graficky zachycují hodnotu svorkového napětí součástky a hodnotu procházejícího proudu v určité(konkrétní) situaci obvodu. Mají-li působící svorkové napětí a procházející proud konstantní stejnosměrné hodnoty, má pracovní bod na VA char. stálou polohu.Takovému pracovnímu bodu říkáme klidový (statický) pracovní bod. Statický pracovní bod P - pracovní bod R SS –statický odpor součástky R – průměrný odpor součástky R i –dynamický odpor součástky Vlastnosti nelineárních součástek jsou závislé na hodnotách obvodových veličin a vlastnosti lineárních součástek nejsou závislé na hodnotách obvodových veličin.

27 NELINEÁRNÍ OBVODY Nelineárním obvodem je každý obvod, který obsahuje alespoň jeden nelineární prvek. Metody řešení nelineárních obvodů se podstatně liší od metod používaných při řešení obvodů s lineárními prvky. Při řešení nelineárních obvodů neplatí princip superpozice. Při řešení těchto obvodů postupujeme tak, že obvod rozdělíme na část s lineárními prvky a na část s nelineárními prvky. Lineární část obvodu nahradíme podle věty o náhradním zdroji napětí (Théveninova poučka) obvodem skutečného zdroje napětí. Nelineární část obvodu zjednodušujeme až na jediný nelineární jednobran, který pro skutečný zdroj představuje zátěž. Graficko-početní metoda Při řešení obvodů s nelineárními prvky používáme graficko-početní metodu. Obvod skutečného zdroje napětí zobrazíme zatěžovací charakteristikou. Do stejného souřadnicového systému zobrazíme voltampérovou charakteristiku nelineárního prvku jako zátěž. Pracovní bod je v průsečíku lineární části zatěžovací charakteristiky a voltampérové charakteristiky nelineární části.

28 Příkad Stanovte pracovní bod nelineárního prvku v zapojení podle obr. Zdroj napětí U = 6 V, odpory rezistorů R 1 = 120 Ω, R 2 = 240 Ω. Dále je dána voltampérová charakteristika nelineárního prvku grafem. Obvod rozdělíme na lineární a nelineární část. Lineární část nahradíme obvodem skutečného zdroje napětí podle Théveninovy poučky. Pro skutečný zdroj napětí platí: Zakreslíme zatěžovací charakteristiku lineární části a voltampérovou charakteristiku nelineární části do společného grafu a v jejich průsečíku je hledaný pracovní bod P. Hledaný pracovní bod má souřadnice: U P =2,8V, I P =15mA.

29 Příklad Stanovte proud procházející žárovkou I ž a proud I R2 procházející rezistorem R 2 v obvodu zapojeném podle obr. Hodnoty obvodových součástek jsou: U = 8 V,R 1 = 25 Ω, R 2 = 40 Ω. Voltampérovou charakteristiku žárovky stanovíme z naměřených hodnot: Nelineární prvek tvoří rezistor R 2 a žárovka. Zakreslíme VA char. rezistoru R 2 a žárovky proto, abychom získali výslednou VA char.zátěže. Dále zatěžovací char.skuteč. zdroje napětí pomocí dvou bodů, a to napětím naprázdno U 0 a proudu nakrátko I k : Pracovní bod P je v jejich průsečíku. Napětí na zátěži bude, přečteno z grafu, Už =2,1V, a proud procházející zátěží I =0,233 A. Proudu R 2 a žárovkou odečteme z grafu. Vycházíme z toho, že na obou součástkách je stejné napětí. Při U ž = 2,1 V bude I R1 = 0,053 A a I ž = 0,18 A.

30 Rezistory Kde: ρ je rezistivita (měrný elektrický odpor) (Ωmm 2.m -1 ), l je délka vodiče (m) S plocha příčného průřezu (mm 2 ), kterým protéká elektrický proud Elektrický odpor R vystupující v Ohmově zákoně je v praxi realizován součástkou nazývanou rezistor. Důležitost této součástky vyplývá již ze samotného vzorce pro Ohmův zákon, který říká, že rezistory převádějí proud na napětí a naopak. Rezistor je tedy v elektrickém obvodu schopen proud omezovat, což je další z jeho velmi častých aplikací. Pro odpor elektricky vodivého materiálu R platí vztah: Ze vztahu je patrné, že odpor R se zvětšuje s rostoucím měrným odporem ρ a délkou l a s klesajícím průřezem S.

31 Rezistory lze dnes nalézt ve formě: Jejich konstrukce založena nejčastěji na existenci tenké vrstvy materiálu, což vede na relativně velký odpor na jednotku objemu. diskrétní (jako samostatnou součástku) jsou tvořeny uhlíkovou nebo kovovou (stabilnější) vrstvou integrované (v integrovaných obvodech - monolitických). jsou tvořeny polovodičovým materiálem (např. křemíkem). Součástky jsou obvykle popisovány mezními a charakteristickými parametry. Parametry rezistorů Charakteristické parametry charakterizují užitné vlastnosti součástky. Jejich opomenutí vede většinou k nesprávné funkci obvodu, nikoliv však k jeho destrukci. Mezní parametry jsou ty, jejichž překročení vede ke zničení součástky. Nejdůležitějšími parametry diskrétního rezistoru je: jmenovitá hodnota odporu (charakteristický parametr) jmenovitá zatížitelnost (mezní parametr).

32 Tyto řady jsou celosvětovým standardem, (všichni výrobci používají shodné řady). Konkrétní hodnoty tvořící danou řadu přitom vyplývají z toho, že zájem každého výrobce je co nejefektivněji pokrýt pro danou přesnost rezistoru celou dekádu. Kýžené efektivnosti je dosaženo tehdy, když se toleranční pole sousedních hodnot rezistorů překrývají co nejméně. Toho je dosaženo volbou geometrické řady jmenovitých hodnot. Řady jmenovitých hodnot V praxi se lze běžně setkat s rezistory v rozsahu řádově 1 Ω až 10 6 Ω, (poněkud méně běžné jsou rezistory v rozsahu 0,1 Ω až 1 Ω a 10 6 Ω až 10 12 Ω ). Z takto širokého rozsahu možných hodnot odporu vyrábějí výrobci součástek jen některé jmenovité hodnoty. Tyto hodnoty se v každé dekádě hodnot odporu opakují, tvoří unifikované řady hodnot. Přesnost hodnot je ±20 %, pro kterou vychází 6 hodnot v rámci jedné dekády (hodnota 100 Ω patří již do další dekády) a proto se řada označuje jako řada E6.

33 Vedle řady E6 jsou běžně k dispozici rezistory z řad E12 (±10 %), E24 (±5 %) a E48 (±2 %). Je patrné, že udání typu řady v sobě skrývá informaci o přesnosti hodnoty odporu. Konkrétní hodnoty jednotlivých členů řad E6, E12 a E24 jsou uvedeny v tabulce:

34 Jmenovitá zatížitelnost Tento výkon se mění převážně v teplo. Jelikož by mohl nadměrný ohřev způsobit překročení teploty, nad kterou již nastávají nevratné změny parametrů daného rezistoru, stanovuje výrobce maximální povolený (jmenovitý) ztrátový výkon, při kterém ještě tato teplota překročena není. vychází z elektrického výkonu zmařeného průchodem proudu I rezistorem R, na kterém je přitom úbytek napětí U. Jeho hodnoty obvykle tvoří řadu 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; … W (jsou u většiny výrobců shodné). Pozn.: Rezistor můžeme také poškodit, přiložíme-li na něj vyšší napětí, než je povoleno. Může se také stát, že jej vyšším napětím nezničíme, ale "pouze" zhoršíme nebo podstatně změníme jeho parametry, aniž bychom si toho všimli. U většiny diskrétních rezistorů toto ale nehrozí až do zhruba 250 V. Nad touto hodnotou záleží na typu rezistoru a je potřeba prostudovat příslušný katalog výrobce.

35  teplotní součinitel odporu udávající závislost odporu na teplotě,  napěťový součinitel odporu udávající závislost odporu na přiloženém napětí,  závislost odporu na okolní vlhkosti a době používání,  velikost nežádoucího šumu generovaného rezistorem,  kmitočtová závislost elektrického odporu (impedance)  velikost parazitní indukčnosti atd. Další parametry rezistorů U rezistorů se v katalozích udává teplotní součinitel odporu TKR, který je definován jako poměrná změna odporu, odpovídající změně teploty o 1 K : kde : ΔR je absolutní změna odporu (Ω), R hodnota odporu při počáteční teplotě (Ω) Δv změna teploty rezistoru (K). Nejdůležitějšími parametry rezistorů v monolitických integrovaných obvodech (tvořených například křemíkovým čipem) je velikost odporu a teplotní koeficient odporu. Oproti diskrétním rezistorům nemusíme velikost odporu volit z řady jmenovitých hodnot, jsme však omezeni jen na relativně nízké hodnoty Mezi další parametry patří například:

36 Základní jednotkou pro značení odporu rezistorů je 1 Ω. Ostatní řády se označují obvyklými příponami (násobiteli). Na konci označení může být ještě písmeno značící toleranci hodnoty odporu. Přípony a značky pro toleranci jsou uvedeny v tabulce. Násobitel R a J může být vynechán. Značení rezistorů Podle velikosti a tvaru rezistorů využívají výrobci zpravidla jeden ze tří druhů značení odporu rezistorů:  číselné značení s příponou  barevný kód  číselný kód Číselné značení s příponou

37 Značení se skládá ze tří až šesti proužků, kde první proužek je blíže k okraji rezistoru. Navíc poslední proužek bývá až dvakrát širší než ostatní. Označení zahrnuje: ddvě až tři platné číslice, ddále násobitel, ttoleranci a případně teplotní koeficient TKR. Barevný kód Označování rezistorů barevným kódem se využívá především u miniaturních rezistorů, kde rozměry součástky neumožňují vyjádřit hodnotu a toleranci písmenovým kódem. Barevné značení má výhodu ve snadném čtení údajů ze všech směrů a poloh umístění rezistorů, protože je provedeno po celém obvodu rezistoru.

38 Pro určení hodnot odporu jednotlivých rezistorů použijeme kódové tabulky:

39 TTento typ značení se používá pro popis rezistorů SMD pro povrchovou montáž (Surface Mount Device). SSkládá se ze tří nebo čtyř číslic, pprvní dvě respektive tři číslice určují hodnotu odporu pposlední číslice představuje násobitel jjedná se tedy o obdobu čárového kódu rrezistory na obrázku 3.4 tedy mají hodnoty odporu 22 Ω a 422 kΩ. Číselný kód

40

41 DRÁTOVÉ REZISTORY zhotovují se obvykle vinutím odporového drátu na nosné keramické tělísko konce drátu jsou přivařeny k vývodům, které mohou být axiální nebo sponkové axiální drátové vývody jsou měděné nebo pocínované sponkové vývody se vyrábějí z ocelového pocínovaného plechu povrch rezistoru se opatřuje speciálními ochr. laky nebo smalty (odolává vysoké teplotě) povrchová vrstva chrání funkční vrstvu mechanicky, v izolovaném provedení zajišťuje elektrickou pevnost mezi odporovou vrstvou a povrchem součástky a dále chrání rezistor před vlhkostí v poslední době se tyto rezistory vyrábějí i v keramickém pouzdře všechny drátové rezistory mají značnou parazitní indukčnost, a proto se používají v obvodech se stejnosměrným proudem nebo střídavých obvodech nízké frekvence (50 Hz) s rozsahem teplot -55°C až + 125 °C. používají se pro větší výkonová zatížení. Podle provedení rozlišujeme rezistory: PEVNÉ - jejichž odpor se nemění. PROMĚNNÉ - dá se u nich měnit plynule odpor v určitém rozsahu. PEVNÉ REZISTORY dále rozdělujeme na: drátové a vrstvové Princip konstrukce drátových rezistorů Rezistory pro povrchovou montáž (SMD = Surface Mount Device)

42 VRSTVOVÉ REZISTORY nejrozšířenější rezistory základním mechanickým prvkem je nosné tělísko, vyrobené ze speciálního porcelánu na nosném tělísku je nanesena funkční vrstva - nejčastějším materiálem je pyrolyticky nanesený uhlík, - případně kovové slitiny Ni-Cr, Si-Fe-Cr - nebo oxidové vrstvy SnO, SbO a nitridu tantalu. Konečná ohmická hodnota odporu se získá výbrusem šroubovice na válcové ploše tělíska rezistoru, nebo vytvořením dělících trysek vývody funkční vrstvy jsou realizovány: - nalisovanými kovovými čepičkami s přivařenými vývody - drátové vývody připájeny na kontaktní kovovou vrstvu. povrch rezistoru je opatřen speciálními ochrannými laky nebo smalty. Vyrábějí se pro teplotní rozsah - 55 až + 155 (165) °C, v toleranci od ± 5 % u uhlíkových, až do ± 0,1 % u metalizovaných stabilních rezistorů. Tyto rezistory můžeme dále rozdělit na: - pro všeobecné použití (750 V, 1 Ω - 10 M Ω) - stabilní ( pro přesné měřící přístroje apod. ) - miniaturní - velkých ohmických hodnot (22 M Ω - 1.1014 Ω) - vysoko napěťové (5 - 15) kV - s potlačenou indukčností (přijímače, vysílače) Princip konstrukce vrstvových rezistorů

43 - jsou elektromechanické součástky, u nichž je kontakt běžce vždy jen mechanicky přitlačen k odporové dráze. PROMĚNNÉ REZISTORY - dá se u nich měnit plynule odpor v určitém rozsahu. Rozdělujeme je na:  potenciometry  odporové trimry. POTENCIOMETRY mmenší stabilita nastaveného odporu, ššum při protáčení, mmožnost změny odporu při mechanickém zatížení aj. Většinou mají tři vývody, z nichž dva jsou umístěny na konci odporové dráhy a třetí je vyveden na vývod běžce. Mechanický pohyb běžce je ve většině případů rotační (otočné potenciometry) nebo přímočarý ­ posuvné (tahové) potenciometry. Většinou mají tři vývody, z nichž dva jsou umístěny na konci odporové dráhy a třetí je vyveden na vývod běžce. Mechanický pohyb běžce je ve většině případů rotační (otočné potenciometry) nebo přímočarý ­ posuvné (tahové) potenciometry. Vlastnosti:

44 Odporová dráha posuvných potenciometrů je  lineární (100 Ω - 4,7 M Ω)  logaritmická (1 k Ω - 1 M Ω ). Pro běžné použití postačí lakosazové potenciometry (podložka z tvrzeného papíru), Pro náročnější použití se používají potenciometry cermetové nebo z vodivých plastů. Ootočné potenciometry (nejčastější) Drátové potenciometry  již se vytrácejí z výrobních programů výrobců.  jsou nahrazovány cermentovými potenciometry  v nezměněné formě zůstávají drátové potenciometry pro velká zatížení (často jako reostaty)  vyrábějí se pro jmenovitá zatížení od jednotek do stovek W.  na jejich výrobu se používá drátu s velkým měrným odporem, který je navinutý na kostru. Cermetová odporová vrstva ttvořena tenkou vrstvou skla s rozptýlenými částicemi kovů vvelká stabilnost odporu ddlouhou dobu života vvelmi malý šum. Odporová dráha z vodivých plastů ppoužívá se poměrně ne dlouho llze ji nastavovat na libovolný průběh (včetně přesně lineárního). ttéměř nekonečnou životnost a výbornou rozlišovací schopnost (super hladký povrch)

45 Konstrukčně jsou potenciometry provedeny jako:  jednoduché (s jedním systémem)  dvojité (se dvěma samostatnými systémy)  tandemové (se dvěma systémy souběžně ovládanými jednou osou). Podle průběhu odporové dráhy rozdělujeme potenciometry na: llineární - mají lineární stupnici a označují se písmenem N nnelineární – mají nelineární stupnici ss logaritmickou stupnicí - označují se G ss logaritmickou stupnicí s pevnou odbočkou v 1/3 dráhy otáčení – Y ss logaritmickou stupnicí s pevnou odbočkou v 2/3 dráhy otáčení - F ss exponenciální stupnicí - označují se písmenem E.

46 Používají se pro: regulaci hlasitosti změny barvy tónu (výšky-hloubky) nastavuje se jím výška tónu u generátoru, atd. Prostě slouží pro každodenní používání (mají mechanickou trvanlivost 10 3 – 10 4 pracovních cyklů). Potenciometry se vyrábějí buď bez spínače, nebo se spínačem nízkého nebo malého napětí. Vyrábějí se buď v kovovém nebo plastovém pouzdře.

47 mají odporovou dráhu stejného složení jako vrstvové potenciometry. Konstrukčně se však od nich liší, neboť nejsou určeny k mnohonásobnému přestavování polohy běžce a obvykle se nastavují pomocí šroubováku. (20-50 otáček podle typu). ODPOROVÉ TRIMRY Slouží pro nastavování:  velikosti proudu  pracovního bodu  apod. Trimry mají obvykle vývody konstrukčně uzpůsobeny pro zabudování do plošných spojů. Vyrábějí se jako:  otevřené  nebo zakrytované (víceotáčkové cermetové). Pro SMT je konstrukce trimrů přizpůsobena nastavování odporu dráhy na automatech, pro náročné aplikace se vyrábějí hermeticky uzavřené trimry, u kterých je pohyblivý jezdec utěsněm silikonovým těsněním.

48

49 Válcové provedení typu MELF - je podobné jako u klasických rezistorů. Vyrábí se vakuovým napařováním odporové vrstvy (uhlíkové nebo kovové) na keramické tělísko. Toto válcové tělísko je po stranách opatřeno kovovými pocínovanými čepičkami. Vlastní odpor rezistoru je nastaven na správnou velikost trimováním laserem. Odporová vrstva je chráněna lakem. Ploché (čipové) rezistory - vyrábějí se z korundové destičky (čistý Al 2 O 3 ), na kterou je většinou sítotiskem nanesena tlustovrstvou technologií odporová vrstva, která je tvořena směsí kysličníku ruthenia a skla. Kontakty jsou vytvořeny metalizací na užších stranách destičky. Vypálená vrstva odporové hmoty je pak upravena na požadovaný odpor trimováním (drážkovým laserem) a chráněna proti vlivům okolí vrstvou borosilikátového skla. Rezistory pro povrchovou montáž (SMD = Surface Mount Device) se vyrábějí ve dvou provedeních: Vyrábějí se v hodnotách 1 Ω až 10 M Ω, ve speciálních případech až do jednotek teraohmů v tolerančních řadách E6 (20 %), E12 (10 %), E24 (5 %), E48 (2 %), E96 (1 %), E192 (0,5 %), pro speciální použití i provedení mimo tyto toleranční řady. Ve všech velikostech se rovněž vyrábějí rezistory s nulovým odporem pro realizaci propojek mezi plošnými spoji.

50 Připojíme-li ke zdroji střídavého napětí u = U max sin ωt ideální kondenzátor, bude obvodem procházet střídavý sinusový proud. Vztah mezi střídavým proudem, který prochází ideálním kondenzátorem a napětím na kondenzátoru můžeme vysvětlit pomocí vztahu pro nabíjecí proud podle vztahů : Ideální kondenzátor v obvodu střídavého proudu Q = I.t (C; A; s) Z uvedeného vyplývá, že je-li časová změna napětí kladná, je proud kladný. Z průběhu střídavého napětí je zřejmé, že časová změna napětí je největší v okamžicích, kdy napětí prochází nulou (t = 0; T/2; T; 3/2T atd.). V těchto okamžicích je proud největší, má hodnotu I max. V okamžicích, kdy časová změna napětí je rovna nule (t = T/4; 3T/4; 5T/4 atd.), je proud nulový. Proud je kladný, je-li kladná časová změna napětí, tedy když střídavé napětí roste (v první a čtvrté čtvrtperiodě průběhu napětí). Při zmenšování střídavého napětí je časová změna napětí záporná, proud je rovněž záporný (ve druhé a třetí čtvrtperiodě průběhu napětí).

51 Bude-li napětí na ideální kondenzátoru dáno rovnicí: u = U max sin ωt pak proud ideálním kondenzátorem bude: i = I max sin (ωt + π/2) Proud v obvodu s ideálním kondenzátorem předbíhá napětí o π/2. Nazývá se kapacitní proud. Ideální kondenzátor je obvodový prvek, který má dokonale vodivé elektrody, dokonalé dielektrikum a elektrické pole soustředěné jen uvnitř dielektrika. Maximální hodnota střídavého sinusového proudu je tím větší, čím větší je kapacita ideálního kondenzátoru, čím větší je úhlová frekvence a čím větší je maximální hodnota střídavého napětí, tedy: I max = ω.C.U max pro efektivní hodnoty: I= ω.C.U z toho: U= X C.I Výraz Xc představuje hodnotu odporu, kterou klade kondenzátor průchodu střídavého proudu, nazývá se kapacitní reaktance.

52 Okamžitý výkon střídavého proudu v ideálním kondenzátoru stanovíme z rovnice pro okamžité hodnoty napětí a proudu: p = ui Okamžité hodnoty výkonu jsou kladné a záporné, neboť proud předbíhá napětí o úhel π/2. Z časového průběhu výkonu je patrné, že v obvodu s ideálním kondenzátorem kmitá výkon s dvojnásobnou frekvencí kolem nulové hodnoty, kolem osy času. V průběhu první a třetí čtvrtperiody je kapacitní výkon kladný, ze zdroje se do ideálního kondenzátoru dodává energie na vytvoření jeho elektrického pole. V průběhu druhé a čtvrté čtvrtperiody je okamžitý výkon záporný, energie elektrického pole ideálního kondenzátoru se vrací zpět do zdroje. Elektrické pole ideálního kondenzátoru zaniká.

53 V obvodu s ideálním kondenzátorem se nespotřebává žádná energie. Dochází pouze k výměně energie mezi zdrojem a elektrickým polem ideálního kondenzátoru. Pro stanovení velikosti výměnného výkonu mezi zdrojem a ideálním kondenzátorem je důležitá jeho amplituda, která je dána součinem efektivních hodnot napětí a proudu Q = Ul (var; V, A). Je to jalový kapacitní výkon, značí se Q a udává se ve varech (var). Proudu, který předbíhá napětí o 90°, říkáme jalový kapacitní proud.

54 Kondenzátory Kondenzátory jsou elektronické součástky, jejichž základní vlastností je kapacita, respektive schopnost akumulace elektrického náboje Q. Vztahy mezi napětím U, nábojem Q a energií elektrostatického pole W : Konkrétní kondenzátor se však chová složitěji: má parazitní vlastnosti (odpor, indukčnost), způsobuje ztráty energie může mít překvapivé vlastnosti v závislosti na teplotě, na intenzitě elektrického pole, vlhkosti a stárnutí. Kapacita, povolené napětí a rozměry jsou základními hledisky při výběru kondenzátoru. Používají se jako vazební členy mezi obvody, v laděných obvodech, ve vysokofrekvenčních filtrech, k vyhlazení usměrněného střídavého napětí ve zdrojích, v časovacích obvodech apod. Ideální kondenzátor má jen kapacitu, posouvá fázi o 90° a nemění elektrickou energii v teplo. Jeho vlastnosti jsou dány souhrnem jevů, které v kondenzátoru probíhají.

55 charakterizuje ztráty energie v kondenzátoru, které jsou způsobeny ztrátami v dielektriku a svodem mezi elektrodami. Uvádí se pro jednotlivé typy kondenzátorů v katalogu. Ztrátový činitel tgδ Dielektrikum má řadu žádoucích i nežádoucích vlastností: má svodový odpor udržuje v sobě náboj způsobuje ztráty při střídavém proudu. Dielektrikum je materiál, který vložen mezi plochými nebo fóliovými elektrodami a při daných podmínkách určuje vlastnosti kondenzátoru. Vlastnosti dielektrika se mění s časem, teplotou a závisí na přiloženém napětí.

56 je poměr náboje v ideálním kondenzátoru s tímto dielektrikem a téhož kondenzátoru s vakuem. Určuje tedy, kolikrát je kapacita s dielektrikem větší, než u stejného kondenzátoru s vakuem. ε 0 - permitivita vakua (8,8. 10 -12 Fm -1) ε r - relativní permitivita - udává vlastnosti použitého dielektrika S - plocha překrytí desek d - vzdálenost desek od sebe (tloušťka dielektrika) Permitivita (dielektrická konstanta) dielektrika ε = ε 0. ε r

57 pevné, jejichž kapacita je stálá proměnné, u kterých lze kapacitu měnit v určitém rozsahu Podle konstrukčního provedení rozdělujeme kondenzátory na: PEVNÉ KONDENZÁTORY - jsou tvořeny dvěma kovovými elektrodami, oddělenými od sebe tenkou vrstvou izolantu-dielektrikem. U běžných kondenzátorů bývá dielektrikem papír impregnovaný olejem, kovové elektrody jsou vytvořeny dvěma pásky tenké hliníkové fólie. Pásky impregnovaného papíru spolu s pásky hliníkové fólie jsou pak stočeny do svitku a uloženy do krytu. Kapacita pevného kondenzátoru je dána vztahem: Podle druhu použitého dielektrika můžeme pevné kondenzátory rozdělit na: -jsou tvořeny dvěma hliníkovými fóliemi, mezi kterými je jako dielektrikum speciální kondenzátorový papír, vrstvy jsou pak společně svinuty do balíčku takovým způsobem, aby kondenzátor měl co nejmenší indukčnost. Ten je buď zalit do plastické látky nebo zasunut do kovového pouzdra. -s papírovým dielektrikem

58 - elektrody mají zhotoveny ze dvou kondenzátorových papírů, které jsou po jedné straně pokovené hliníkovou vrstvou a svinuté. Konstrukce je podobná předešlému typu, výhodou je však menší hmotnost, rozměry a regenerační schopnost těchto kondenzátorů. Při napěťovém přetížení nedojde totiž zpravidla k trvalému zkratu elektrod, neboť místa, ve kterých se elektrická pevnost dielektrika porušila, se při průrazu vypaří a kondenzátor je opět použitelný. - jsou konstrukčně podobné kondenzátorům s papírovým dielektrikem. Místo kondenzátorového papíru je použita fólie tloušťky 5 až 20 μm, např. z polystyrénu, terylénu nebo teflonu. Tyto kondenzátory se vyznačují velkou elektrickou pevností, malým činitelem ztrát a velkým izolačním odporem. s metalizovaným papírem s plastickou fólií Všechny tyto typy řadíme podle konstrukce provedení mezi tzv. svitkové kondenzátory mají elektrody zhotoveny napařením nebo nastříkáním stříbrné vrstvy na tenké destičky z jakostní slídy. Jednotlivé destičky jsou spojeny paralelně, aby se dosáhlo dostatečné kapacity. Tyto kondenzátory vynikají malými ztrátami, velkou časovou i teplotní stabilitou kapacity. slídové

59 mají dielektrikum ze speciální keramiky s velkou permitivitou a malými dielektrickými ztrátami. Keramická hmota je ve tvaru fólií, destiček (nemají vývody a pájí se přímo do desek plošných spojů) nebo trubiček (tvořeny zvenku i zevnitř postříbřenou trubičkou). Keramická hmota se obyčejně označuje jako hmota I, II a III (I - hlavní složkou dielektrika je oxid titaničitý, II - dielektrikum z titaničitých kovů žíravých zemin, III - dielektrikum z tenké vrstvy keramiky). Na povrchu jsou napařeny elektrody, na které jsou připájeny vývody. Povrch je chráněn vrstvou tmelu (obr.) Keramické

60 mají v porovnání s hliníkovými menší rozměry, lepší časovou i teplotní stabilitu kapacity a menší ztráty při vyšších kmitočtech (akustické pásmo). Vyrábějí se však pro nižší napětí než hliníkové. Elektrolytické využívají jako dielektrika tenké vrstvy kysličníku velké elektrické pevnosti, která se vytváří na povrchu hliníkové nebo tantalové elektrody působením elektrického proudu, je-li elektroda obklopena vhodným elektrolytem. Kovová elektroda musí být vždy kladně a elektrolyt proti ní záporně polarizován. Při obrácené polarizaci izolační oxidová vrstva nevzniká, dochází k narušování oxidu a kondenzátor se chová jako rezistor s malým odporem. Zvětšeným proudem se dielektrikum ohřívá, dále se narušuje a může dojít ke zničení kondenzátoru. Elektrolyt může být ve stavu tekutém, polosuchém nebo pevném. Při zapojování těchto kondenzátorů do obvodu je nutné dodržovat polaritu vyznačenou výrobci na součástce. Hliníkové Tantalové

61 Jako dielektrikum mezi statorem a rotorem slouží nejčastěji vzduch, nebo se rotorové desky zasouvají mezi fólie ze speciálních dielektrických materiálů, kterými jsou statorové desky proloženy (kondenzátory s pevným dielektrikem). PROMĚNNÉ KONDENZÁTORY - tvoří dvě funkčně rozdílné skupiny: kondenzátory ladící - konstruované pro časté, mnohokrát opakované změny kapacity kondenzátory dolaďovací - určené jen k občasnému doladění obvodů Ladicí kondenzátory jsou vytvořeny soustavou pevných statorových desek uložených izolovaně do kovového pouzdra (vany). Mezi statorové desky se zasouvá soustava rotorových desek, které jsou vodivě spojeny s vanou. Vzájemným překrýváním desek se zvětšuje kapacita.

62 kde:  C je kapacita ve faradech  ε r - relativní permitivita  S - plocha překrytí desek v metrech na druhou  d - vzdálenost mezi deskami v metrech  n - počet desek kondenzátoru Kapacita ladicího kondenzátoru je dána vztahem: mají nejčastěji trubkové provedení. Kondenzátor je tvořen skleněnou nebo keramickou trubičkou, která zároveň tvoří dielektrikum. Elektrody tvoří vrstva stříbra nanesená na vnější ploše trubičky a mosazný píst ovládaný ladicím šroubem. Dolaďovací kondenzátory

63 pro velké kapacity se jedná o elektrolytické kondenzátory (hliníkové nebo tantalové). KONDENZÁTORY SMD pro malé a střední kapacity se jedná o kondenzátory s pevným dielektrikem, které je tvořeno keramikou nebo polymerem, Různé hodnoty kapacit kondenzátorů jsou dodávány v hodnotách dle vybraných řad. Kondenzátory vyrábí řada výrobců, kteří používají různé druhy značení. Proto musíme být při výběru typu kondenzátoru opatrní. Ve většině případů se kódování skládá z několika čísel, která udávají hodnotu, provozní napětí a toleranci. Označování kondenzátorů  10 3 pF (=1nF nanofarad) se značí písmenem k,  10 6 pF (=1μF mikrofarad) se značí písmenem M  10 9 pF (=1mF milifarad) se značí písmenem G. Písmena jsou opět umístěna na místě desetinné čárky. (4J7 = 4,7pF, 33 = 33pF, 3k3 = 3300pF, M1 = 0,1μF, G5 = 500μF,2G = 2000μF = 2mF 1)Číselné označení kapacity Symbol označující velikost kapacity se vytváří podobně jako u rezistorů. Základní jednotkou je zde pikofarad, který se označuje písmenem J.

64 Značení tolerance - značí se velkým písmenem a následuje za označením kapacity u malých kondenzátorů jsou údaje o součástce uvedeny pomocí barevných proužků nebo teček. Tento barevný kód se v mnohém podobá kódu používanému ke značení rezistorů. 2) Barevný kód

65 vedle barevných kódů se používá také číselného kódu. Např. označení u keramického kondenzátoru, viz obr. 1.33c. 3) Číselné kódy pro kondenzátory

66 u těchto kondenzátorů velmi často chybí označení velikosti kapacity, neboť tyto kondenzátory jsou určeny pro automatické osazování z rolí přímo na desky plošných spojů. 4) Značení kondenzátorů SMD

67 Ideální cívka v obvodu střídavého proudu Připojíme-li ke zdroji střídavého napětí u ideální cívku, bude obvodem procházet sinusový proud: Sinusový proud i vybudí střídavý magnetický tok Ф, který je ve fázi s proudem i. Vztah mezi střídavým proudem, který prochází ideální cívkou, a napětím na cívce vysvětlíme pomocí Podle indukčního zákona bude napětí na cívce u L : Časovou změnou sinusového proudu se indukuje v ideální cívce střídavé napětí, které předbíhá proud o π/2. (Proud v ideální cívce je zpožděn o čtvrt kmitu za napětím na svorkách této cívky.)

68 Přesto, že ideální cívka nemá činný odpor, je střídavý proud v obvodu omezen. Odpor není činný, bude jen zdánlivý a nazývá se indukční reaktance. Platí: výraz X L představuje zdánlivý odpor, který klade ideální cívka průchodu střídavého proudu, nazývá se indukční reaktancí ideální cívky a značí se X L.Platí: Okamžitý výkon střídavého proudu v ideální cívce stanovíme z rovnice pro okamžité hodnoty p = ui Okamžité hodnoty výkonu jsou kladné a záporné, neboť proud je zpožděn za napětím o π/2.

69 V obvodu s ideální cívkou není žádná spotřeba energie. Dochází zde pouze k výměně energie mezi zdrojem a magnetickým polem ideální cívky. Pro stanovení velikosti výměnného výkonu mezi zdrojem a ideální cívkou je důležitá jeho amplituda, která je dána součinem efektivních hodnot napětí a proudu : Je to jalový indukční výkon, značí se Q. Jeho jednotkou je voltampér reaktanční (var). Proudu, který je zpožděný za napětím o 90°, říkáme jalový indukční proud nebo také magnetizační proud.

70 jsou součástky, jejichž podstatou obvykle bývá vodič (měděný drát) navinutý do tvaru šroubovice nebo spirály. Základní a požadovanou vlastností cívky je vlastní indukčnost L: Díky velmi různorodým a těžko sjednotitelným požadavkům, na rozdíl od rezistorů a kondenzátorů nejsou cívky všeobecně standardizovány a nejsou ve velkém vyráběny výrobci elektronických součástek (kromě cívek pro SMT). Standardizovány a hromadně vyráběny jsou pouze díly vhodné pro konstrukci běžných cívek - např. jádra, jejich armatury, kostřičky a kryty, ze kterých jsou potom induktory vyráběny finálními výrobci podle požadavků. Výjimku tvoří pouze odrušovací a vysokofrekvenční oddělovací tlumivky, které jsou mnoha výrobci typizovány a dodávány. Cívky ( také induktory nebo tlumivky) N – počet závitů (-) Φ – magnetický tok (Wb) I - proud (A) Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich geometrickém uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají i které cívky obklopuje.

71 velikost indukčnosti cívky teplotní závislost indukčnosti cívky proudová a napěťová závislost indukčnosti činitel jakosti (ztrátový činitel) cívky maximální provozní proud cívky maximální provozní napětí cívky maximální výkon cívky stárnutí cívky V elektronických zařízeních je používáno mnoho druhů cívek, které se od sebe liší jak parametry, tak i svou obvodovou funkcí. Z konstrukčního hlediska jsou cívky tvořeny vodičem (drátem, lankem, trubkou), který bývá tvarově upraven tak, aby vzájemná indukčnost jednotlivých úseků byla co největší. Magnetické pole vznikající kolem vodiče, protéká-li jím proud, buď volně prochází prostorem kolem vodiče, nebo je cívka opatřena magnetickým obvodem z feromagnetického materiálu, ve kterém se magnetické pole soustřeďuje. Vlastnosti cívek lze popsat následujícími parametry:

72 Jádra jsou vyráběna z magneticky značně vodivých materiálů s malými hysterezními ztrátami. Elektrická vodivost jader musí být naopak co nejmenší, aby ztráty vznikající v jádře průchodem vířivých proudů byly malé. Provedení cívek Cívky bez jádra konstruují se pro indukčnosti řádově mikrohenry, výjimečně jednotek milihenry. Jsou využívány v obvodech vf (s kmitočtem až několik set megahertzů) nebo v obvodech nf. Vinou se na izolační kostry, nebo při použití tlustšího drátu mohou být provedeny jako samonosné (bez kostry). Vinutí je buď jednovrstvé, nebo při větší indukčnosti několikavrstvé. Speciální skupinu cívek bez jádra tvoří tzv. plošné cívky, které jsou vytvořeny vyleptáním do plošných spojů ve tvaru závitů. Indukčnost těchto cívek zpravidla nepřesahuje 10 μH. Užívají se pro kmitočty několika desítek až stovek megahertzů. Cívky s jádrem. Podle druhu použitého jádra dosahuje maximální indukčnost těchto cívek několika desítek až stovek milihenry (cívky pro použití ve vysokofrekvenčních obvodech) nebo několika desítek henry (nízkofrekvenční tlumivky).

73 Rozdělení cívek Cívky se dělí podle následujících kritérií: 1.podle použití: cívky pro ladicí okruhy a filtry (na tyto cívky jsou kladeny požadavky teplotní a dlouhodobé stability) tlumivky síťové, nízkofrekvenční nebo vysokofrekvenční (které mají bránit průchodu střídavé složky proudu) 2.podle velikosti magnetické permeability jádra: vzduchové cívky cívky s magnetickým jádrem s otevřeným magnetickým obvodem s polouzavřeným magnetickým obvodem s uzavřeným magnetickým obvodem 3.podle druhu vinutí: cívky s vrstvovým vinutím (závit vedle závitu v jedné nebo více vrstvách) cívky křížově vinuté cívky s hrázovým nebo pyramidovým vinutím cívky s vinutím v sekcích 4.podle pracovního kmitočtu: nízkofrekvenční vysokofrekvenční

74

75 Vyrábí se buď otevřené provedení, nebo může být cívka zalisována do vhodné plastické hmoty. Cívky s malou indukčností se mohou vyrábět jako samonosné bez jádra, s tvarem přizpůsobeným povrchové montáži. Vinutí cívky je možné vytvořit závity plošného vodiče realizovaného na keramických podložkách postupně skládaných na sebe tak, aby vytvořily cívku. Keramické podložky mohou mít feromagnetické vlastnosti pro zvětšení indukčnosti cívky. Výsledkem jsou tzv. vrstvové cívky, které se vyznačují velkou kompaktností a spolehlivostí. Cívky pro SMT Tyto cívky se vyrábějí navinutím vodiče na jádro většinou z feromagnetického materiálu. Používají se magneticky měkké materiály s velkou permeabilitou (ferity). Jádro může v některých případech zcela obklopovat vinutí.

76 Podle konstrukce magnetického obvodu rozeznáváme transformátory: - jádrové - vinutí obklopuje plechy - plášťové - plechy obklopují vinutí Transformátory Transformátory se skládají z uzavřeného magneticky dobře vodivého jádra, na němž je cívka s dvěma nebo více vinutími. Vstupní vinutí se nazývá primární, výstupní sekundární. Průtokem střídavého proudu primárním vinutím vzniká v dutině cívky a v uzavřeném jádru časově proměnný magnetický tok. V důsledku tohoto proměnného magnetického toku se indukuje v sekundárním vinutí střídavé elektrické napětí, a po připojení zátěže jím protéká elektrický proud. Podstatnou částí transformátoru je magnetický obvod, tj. jeho aktivní část, která vede magnetický tok. Na magnetickém obvodu rozlišujeme jádra, na kterých je umístěno vinutí. Magnetický obvod je složen z elektrotechnických plechů.

77