R - nesetrvačný, pasivní; C,L - setrvačné, pasivní; zdroje - aktivní (i jako pasivní) C,L,zdroje - mohou být jako spotřebič i jako generátor

Transkript

1 (1) Rezistor, induktor, kondenzátor: lineární/nelineární, parametrický/neparametrický čtyři kombinace, jaké, jak je rozpoznáme. Jaká je funkční závislost u(t) na i(t) a obráceně i(t) na u(t) pro všechny tři prvky, jsou-li lineární. R - nesetrvačný, pasivní; C,L - setrvačné, pasivní; zdroje - aktivní (i jako pasivní) C,L,zdroje - mohou být jako spotřebič i jako generátor parametrický - závisí ještě na nějaké parametru s, např. param. R: u(t) = R(s)*i(t) nelineární - základní charakteristika není přímka Rezistor (A-V) Induktor (Wb-A) Kapacitor (C-V) Rezistor 1. nelineární parametrický - plně dán charakteristikou i(t)=i[u(t),s(t)]; di/du - diferenciální vodivost, di/ds diferenciální přenos (tranzistor, dioda jako snímač teploty, pozistor(=termistor s kladným koef)) 2. lineární parametrický - i(t) = u(t)*g[s(t)] (vlákno žárovky, fotoodpor, odporový tenzometr, termistor (záporný koef, ne pozistor)) 3. nelineární - i(t) = i[u(t)] (málo! Zenerova dioda s průrazem 5V, běžná dioda) 4. lineární - i(t) = u(t)*g (málo! miniodpory, přesné laboratorní odpory) Cívka 1. nelineární parametrická - plně dána charakteristikou Ψ(t)=Ψ[i(t),s(t)]; dψ/di - diferenciální indukčnost, dψ/ds - diferenciální přenos (elektromagnety, urč. typy bezdotykových snímačů) 2. lineární parametrická - Ψ(t) = i(t)*l[s(t)] (bezdotykové snímače vzdálenosti a bezdotykové koncové spínače s vf vzduchovou cívkou) 3. nelineární - Ψ(t) = Ψ[i(t)] (mnoho všechny mag. obvody s železem nebo mag. měkkými ferity) 4. lineární - Ψ(t) = i(t)*l (všechny vzduchové cívky) Kondenzátor 1. nelineární parametrický - plně dán charakteristikou q(t)=q[u(t),s(t)]; dq/du - diferenciální kapacita, dq/ds diferenciální přenos (teplotně závislé dielektrické a feromagnetické materiály; piezoelektrické materiály) 2. lineární parametrický - q(t) = u(t)*c[s(t)] (bezdotykové snímače vzdálenosti a bezdotykové koncové spínače s proměnnou vzáleností mezi elektrodami) 3. nelineární - q(t) = q[u(t)] (parazitní kapacity PN přechodů, varikap) 4. lineární - q(t) = u(t)*c (všechny svitkové a většina keramických kondenzátorů)

2 (2) Zdroj napětí, zdroj proudu ideální/neideální, základní vlastnosti. Nakreslete směr napětí a proudu na zdroji v případě, že se chová jako spotřebič, jako zdroj. Nakreslit závislost u na i - ideální, model reálného, reálný. směr u a i stejný když spotřebič, opačný, když zdroj (3) Nakreslete všechny možné způsoby zapojení parametrického rezistoru jako snímače neelektrické veličiny (napájení zdrojem ss. proudu, zdrojem ss. napětí, součást děliče, součást můstku). Konkrétně předpokládejte např. měření teploty termistorem. U všech zapojení vysvětlete, který elektricky signál je měronosný (napětí nebo proud). a) součást děliče, snímá se U b) napájen proudově, sníma se U c) napájen napěťově, snímá se I d) součást můstku, snímá se U (4) Lineární přenosový dvojbran: obecný tvar čtyř matic Z, Y, H I, H U. Čtyři nejdůležitější přenosové parametry (pouze vyjmenovat). Umět napsat (bez odvozování) H U transformátoru napětí, H I transformátoru proudu a H I bipolárního tranzistoru (návaznost na otázku č. 9). nejdůležitější parametry: a) Z vst b) Z výst c) K u d) K I (přenosová impedance?) H U transformátoru napětí H U11 : magnetizační "tokotvorný" primární proud H U22 : výstupní indukčnost transformátoru (měřit při zkrat. výstupu) H U12 = H U12 : K u naprázdno M/L 1 (M=vzájemná L); při k 1 (těsný) je to přibližně přenos: N 2 /N 1

3 H I transformátoru proudu H I22 : magnetizační "tokotvorný" sekundární proud H I11 : vstupní indukčnost transformátoru H I12 = H I12 : K I nakrátko M/L 2 (M=vzájemná indukčnost); při k 1 (těsný) je to přibližně přenos: N 1 /N 2 H I bipolárního tranzistoru (5) Dvanáct základních pravidel pro řešení lineárních obvodů - znát neomylně! a umět je prakticky používat při řešení konkrétních příkladů (vztahy pro transfiguraci hvězda-trojúhelník není nutno znát zpaměti). Pozor na praktickou aplikaci I.KZ a II.KZ v konkrétních obvodech s tranzistory. 1. První Kirchhof - suma I je nula 2. Druhý Kirchhof - suma U je nula 3. Ohmův zákon 4. Paralelní kombinace odporů 5. Napěťový přenos děliče 6. Přepočet zdroje napětí a proudu 7. Ideální zdroj napětí - (zkratuje se u Nortona a Thevenina) 8. Ideální zdroj proudu - (odstraní se u Nortona a Thevenina) 9. Theveninova věta - na napěťový zdroj (U = napětí naprázdno na svorkách, R = odpor mezi svorkami) 10.Nortonova věta - na proudový zdroj (I = proud nakrátko na svorkách, G = vodivost mezi svorkami) 11. Superpozice 12. Transfigurace (T H: Z = součin co vede do uzlu/suma všech; H T: Z12 = Z1Z2/Z3 + Z1 + Z2

4 (6) Dolní a horní RC-propust 1. řádu. U obou propustí odvoďte napěťový přenos naprázdno K U (p), K U (ω), K U (ω), φ(ω). Nakreslete v log. souřadnicích K U (ω) (včetně asymptot), φ(ω). Nakreslete odezvu na jednotkový skok. Podobně pro jakýkoli mírně složitější RC-dvojbran. mezní kmitočet: 1 / RC; odezvy: RC - rostoucí exp.; CR - klesající exp. (7) Základní obvodová pravidla pro tranzistor v aktivní oblasti znát neomylně! a umět je používat v konkrétních situacích, viz např. otázka č Prahové napětí přechodu BE je (téměř) konstantní - 0,6V při libovolné hodnotě bázového I 2. Tranzistorový zesilovací jev: β = Ic/Ib, h21e = d Ic/d Ib (β = h21e = 100 až 400) 3. Vždy platí Ib + Ic = Ie, Ib je však malý, takže Ic je skoro Ie 4. Uce = Ucb + Ube = Ucb + 0,6V 5. Pro okolní odpory platí samozřejmě Ohmův zákon

5 (8) Nastavení stejnosměrného pracovního bodu tranzistoru v libovolné situaci - nikoli obecně, ale na konkrétních příkladech, viz přednášky a příklady. 1) Volba klidového kolektorového proudu I C (menší proud I C - menší proud, menší zesílení, větší vstupní impedance h 11E ), většinou volíme 1mA 2) Volba klidového kolektorového napětí U CE (ve střídavě vázaných polovina U CC - velký rozkmit; v ss vázaných většinou U BE nebo U CC - U BE ), vyšší U CE - mírně vyšší šum, velmi vysoký když se blížíme k průraznému napětí Potom: Střídavě vázaný Výpočet R C a R B : Stejnosměrně vázaný Proud I C lze volit libovolně, však, U CE bývá často vnuceno navazujícím obvodem. (9) Tranzistor jako linearizovaný dvojbran (návaznost na otázku 4). H I -matice bipolárního tranzistoru. Význam jednotlivých čtyř h-parametrů. Pouze vyjmenujte. H I bipolárního tranzistoru

6 (10) Zapojení tranzistoru: SE, SE+R E, SC. Znát bez odvození přibližné vztahy pro Z vst, K U,21,Z. Zapojení SE Z vst = h 11E K U = (h 21E Z)/(h 11E ) Z je zátěž na výstupu přibl. vztahy jsou velmi přesné při malém Z (často splněno) Zapojení SE + R E Z vst = h 11E + h 21E R E K U = Z/R E Z je zátěž na výstupu zesílení téměř nezávisí na tranzistoru (!), navíc je velké Z vst Zapojení SC (emitor. sledovač) Z vst = h 11E + h 21E Z K U = 1 Z je zátěž na výstupu přibl. vztahy velmi přesně velké Z vst a malé Z výst => impedanční oddělení (jako sledovač napětí u OZ) (11) Zdroj konstantního proudu s bipolárním tranzistorem. Proud I E je přibližně proud I C, a ten je konstantní. Klesne li proud I E, sníží se napětí na R E, ale Zenerka udržuje stále své napětí, takže se zvýší proud I B, což více otevře tranzistor a U CE se zmenší. Kritická hodnota je U CE = 0 => U Z max = U CC - U r + 0,6 (12) Bipolární tranzistor ve spínacím režimu (bez antisaturační diody) - výpočet budicího obvodu sestaveného ze dvou odporů (co je cílem výpočtu?) - viz přednášky, příklady a laboratorní úloha. Tranzistor musí být v režimu saturace (tj. U CE << U BE ) - U CE chceme cca 0,1V. Tranzistor musí být jen mírně přebuzen (ne méně než 0,1V), kdyby byl moc přebuzen, dlouho by se vypínal. Je přebuzen => I C i I B je tranzistoru vnucen, je tedy vnuceno i zesílení h 21E (volíme 30 u výkonových 10). Jakmile jej odpojíme, dojde k odsátí minoritních nosičů přes R BE, tím se zkrátí vypínací doba. Malý R BE = krátká vypínací doba, ale velký budící proud (kompromis). Návrh budícího obvodu = určení R 1, R BE 1. Podle daného I C zvolíme h 21E (10 nebo 30)

7 2. I B = I C /h 21E 3. Volíme malé R BE - když malé, rychle se vypne, ale bude velký budíci proud 4. celk. budící proud - I 1 = I B + I RBE = I B + U BE /R BE 5. určíme R 1 = (U 0 - U BE )/I 1 (13) Nastavení pracovního bodu Zenerovy diody, známe-li proud zátěže a zvolený proud Zenerovy diody (podle jakých kritérií proud diodou volíme?). Zadáno: U Z, I 2, U 1 1. Volíme I Z : musí být nad kolenem a pod max proudem: I K < I Z < I max 1mA < I Z < P Zmax /U Z 2. I 1 = I Z + I 2 3. R 1 = (U 1 - U Z )/I 1 (14) Základní vnitřní struktura operačních zesilovačů. Nakreslete nejjednodušší třítranzistorový OZ a vysvětlete jeho funkci. Nastavte v něm všechny ss. prac. body. Jak souvisí největší možný rozkmit výstupního napětí OZ s napájecím napětím? (najdou se totiž studenti, kteří to neví). (neúplné)

8 (15) Základní pravidla pro pochopení činnosti OZ. Umět je použít při řešení následujících otázek č. 16 až 19. (16) Invertující zapojení OZ: P, I, D, P+zpětnovazební dolní propust 1.řádu. U všech umět odvodit K(p), K( ), K( ),. Pro I a D dokázat v časové oblasti, že výstupní napětí je integrálem (derivací) vstupního napětí rozumět tomu a umět demonstrovat na příkladech konkrétních signálů. - viz. vypracované základní neznalosti (17) Praktické zapojení PI-regulátoru (pouze to jednoduché, s jedním OZ). PI - regulátor: Z 0 je C sériově s R 0, Z 1 je R Má integrační a proporcionální část: U poč. = napětí na které je nabit kondenzátor (počáteční podmínka integrace) K u = -Z 0 /Z 1 = -(R 0 /R + 1/jωRC)

9 (18) Neinvertující zapojení OZ: pouze P a sledovač. Odvodit K(p), K( ). 1. vstupy nejsou na virtuální zemi, ale na potenciálu u 1 2. když U 1 U cc, pak se bortí pracovní bod (u invert. neomezeno) 3. K u nemůže klesnout pod 1, takže útlum toho co nechceme je nedostatečný 4. obtížná realizace čistých matematických operací Odvození: vstupní proudy nulové => I vst + = 0 => Z vst = a také I vst - = 0 => zpětnovazební dělič je nezatížený: (protože vnitřní zesílení obrovské, zpětná vazba udržuje Δu = 0 a oba vstupy jsou u 1 od země) K u = U 0 /U 1 = 1 + Z 0 /Z 1 (proto nemůže být K u menší než 1) Z výst = 0 (kvůli zpětné vazbě) Parazitní kapacity ovlivňují - od určité f začne derivovat. Nelze řešit nejmenšími odpory, protože na nich závisí toto f. Velké odpory zase proudově zatěžují výstup. Toto chování lze kompenzovat kondenzátory. Dolní propust lepší na vstupu než ve zpětné vazbě (kmitání kvůli zpoždění) Když dolní propusť vstupní i zpětnovazební, pak kritické tlumení v f mez. pokles -6dB, pak -40dB. Musí R 1 = R 2 na vstupu a R 1 C/2 = R 0 C 0 Zapojení P (proporcionální člen): Z 0 je R 0, Z 1 je R 1 Speciální případ - sledovač: K u = 1; R 0 = 0, R 1 = (impedanční oddělení) (19) Diferenční zapojení OZ: pouze základní proporcionální diferenční zesilovač. K čemu je v praxi dobrý? Je dobrý k realizaci čístých matematických operací U 0 = (U 1 - U 2 ) Z 2 /Z 1

10 (20) Komparátory bez hystereze: základní zapojení a zapojení se sčítacími odpory obě zapojení porovnat, jejich výhody a nevýhody. (neúplné) Komparátor porovnává který ze signálů je větší a podle toho je na výstupu +U 0max (U 1 je větší) nebo -U 0max (U 2 je větší) (21) Komparátory s hysterezí - pouze princip, bez matematického odvození. (neúplné) Nepřepínají se hned na hranici, ale až co překročí o U H jeho hodnotu. Tím se eliminuje šum. (22) Logické obvody kombinační a sekvenční - obecně, princip. Podle čeho poznáme, zda se jedná o kombinační či sekvenční obvod? Uveďte konkrétní příklady kombinačních obvodů i sekvenčních obvodů AKO, MKO, BKO. Kombinační Nemají zpětnou vazbu Nemají vstup pro časovou informaci Mají m stavů, 2 m možností vstupu, max. 2 2^m výstupů. Stav výstupů není závislý na čase. Sekvenční Mají jedno z toho co nemají komb. Typy sekvenčních: Astabilní klopný (AKO) - definují pevnou délku periody (oscilátor) Monostabilní klopný (MKO) - definují pevnou délku kyvu (generátor impulsu) Bistabilní klopný (BKO) - má ss kladnou vazbu, takže má dva stabilní stavy (log. 1 nebo log. 0 - bitová paměť) R = reset = nastaví 0; S = set = nastaví 1

11 (23) Axiomy Booleovy algebry. Pozor na pátý axiom o distributivitě - je nezvyklý! (24) De Morganova pravidla. (25) Úplná disjunktivní a úplná konjunktivní normální forma. Umět používat při řešení konkrétních praktických příkladů. hledání funkce f(a,b)=q, zadáno pravdivostní tabulkou (A=0 B=0 pak Q=1;...) úplná disjunktivní forma beru to, kde je Q=1, zapíšu to za sebe se znaménky + (+ je OR, * je AND) - kde 0 - negace např: f(a,b) = A*B +... úplná konjunktivní forma beru to, kde je Q=0, zapíšu to za sebe se znaménky * (+ je OR, * je AND) - kde 1 - negace např: f(a,b) = (A+B) *...