- PDF Free Download

Transkript

1 Robert Láníèek ELEKTRONIK obvody souèástky dìje

2 V knize jsou probrány základní elektronické obvody Publikace je doplnìna velkým množstvím obrázkù a øadou názornì øešených pøíkladù Pøi øešení pøíkladù se pøedpokládá znalost støedoškolské matematiky Kniha mùže sloužit jako studijní pomùcka pro posluchaèe prùmyslových i vysokých škol Nìkteré pasáže mohou být užiteèné i vývojovým pracovníkùm v oblasti elektroniky Robert Láníèek ELEKTRONIK obvody souèástky dìje Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky utor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Veškerá práva vyhrazena Ing Robert Láníèek 1998 Nakladatelství BEN - technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Robert Láníèek: Elektronika, obvody - souèástky - dìje BEN - technická literatura, Praha vydání ISBN

3 OBSH ÚVOD 11 1 ZÁKLDNÍ OBVODY Elektronický obvod Elektronické prvky Statické a dynamické parametry 14 Pøíklad 1 1 Urèení prùbìhù statického a dynamického parametru 15 Pøíklad 1 2 Urèení dynamického odporu diody z V charakteristiky 16 Pøíklad 1 3 Konstrukce V charakteristiky z katalogových údajù Parametrické charakteristiky Jednobrany a dvojbrany Model tranzistoru 19 Pøíklad 1 4 Øešení obvodu pomocí impedanèních matic 20 Pøíklad 1 5 Urèení parametrù dvojbranu a sestrojení charakteristik Náhradní schéma zdroje 22 Pøíklad 1 6 Zjištìní vnitøního odporu zdroje 23 Pøíklad 1 7 Zmìna vnitøního odporu zdroje Pøizpùsobení zdroje a spotøebièe 24 Pøíklad 1 8 Dùkaz nastavení pracovního bodu pro výkonové pøizpùsobení 26 Pøíklad 1 9 Grafické urèení polohy optimálního pracovního bodu 27 Pøíklad 1 10 Optimální zatìžovací odpor fotoprvku 27 Pøíklad 1 11 Optimální sestava baterie Princip náhradního zdroje 28 Pøíklad 1 12 Návrh dìlièe s požadovanou tvrdostí 29 Pøíklad 1 11 Návrh napì ového dìlièe generátoru I 30 Pøíklad 1 13 Návrh napì ového dìlièe generátoru II 30 Pøíklad 1 14 Transfigurace hvìzda-trojúhelník 31 Pøíklad 1 15 Vliv nastavení potenciometru na parametry zdroje 32 Pøíklad 1 16 Citlivostní analýza 33 Pøíklad 1 17 Vliv odporu zátìže na linearitu potenciometru nalytické metody øešení obvodù 35 Pøíklad 1 18 Øešení obvodu se dvìma zdroji 37 Pøíklad 1 19 Øešení obvodu smyèkovými proudy 38 Pøíklad 1 20 Pøíklad na uzlová napìtí Grafické metody øešení obvodù 41 Pøíklad 1 21 Pøipojení svítivé diody ke zdroji 43 Pøíklad 1 22 Nezatížený stabilizátor napìtí 44 Pøíklad 1 23 Zatížený stabilizátor napìtí Nelineární grafické papíry 46 Pøíklad 1 24 Urèení funkèní závislosti z grafu 48 Pøíklad 1 25 Grafické znázornìní Ohmova zákona 50 3

4 1 13 Nomogramy 51 Pøíklad 1 26 Pøíklad nomogramù pro urèení U, I, R a P souèástky 52 Pøíklad 1 27 Nomogram pro urèení pøevrácené hodnoty komplexního èísla 53 Pøíklad 1 28 Nomogram pro sériový souèet odporù z øady E24 54 Pøíklad 1 29 Nomogram pro paralelní souèet odporù z øady E24 55 Pøíklad 1 30 Znázornìní všech kombinací hodnot øady E24 56 Pøíloha-tabulka kombinací hodnot øady E ELEKTRONICKÉ SOUÈÁSTKY Pasivní prvky a elektrotechnické øady 71 Pøíklad 2 1 Toleranèní pole prvkù elektrotechnické øady Spojování prvkù 73 Pøíklad 2 2 Nevhodné spojení prvkù z øady E Výbìr prvkù z elektrotechnické øady 74 Pøíklad 2 3 Návrh dìlièe voltmetru s konstantním vstupním odporem Znaèení rezistorù a kondenzátorù Rezistory Nelineární rezistory 76 Pøíklad 2 4 Omezení nárazového proudu pøi zapnutí obvodu Øízené rezistory Kondenzátory Elektrolytické kondenzátory Druhy kondenzátorù 81 Pøíklad 2 5 Energie nabitého kondenzátoru 82 Pøíklad 2 6 Náhrada akumulátoru kondenzátorem Teplotní závislost pasivních prvkù 83 Pøíklad 2 7 Zmìna odporu vlákna žárovky Kompenzace teplotní závislosti 84 Pøíklad 2 8 Návrh teplotnì nezávislého kondenzátoru Induktivní prvky Cívky Druhy cívek 88 Pøíklad 2 9 Orientaèní návrh tlumivky spínaného zdroje Transformátory 90 Pøíklad 2 9 Návrh sí ového transformátoru Relé Promìnné prvky 94 Pøíklad 2 10 Prùbìh závislosti kapacity varikapu na závìrném napìtí Nelineární elektronické souèástky Unipolární tranzistory 97 4

5 2 21 Vlastnosti a druhy FET 100 Pøíklad 2 11 Nastavení pracovního bodu tranzistoru JFET 101 Pøíklad 2 12 Grafické odvození napì ového zesílení zesilovaèe s JFET Polovodièová dioda Základní zapojení diod Rozdìlení a speciální typy diod 107 Pøíklad 2 13 Urèení parametrù modelu diody ze zmìøené charakteristiky 110 Pøíklad 2 14 Grafické øešení tvarovacího obvodu Bipolární tranzistory Charakteristiky tranzistoru Volba pracovního bodu tranzistoru Mezní a tranzitní kmitoèet Vliv teploty na vlastnosti tranzistoru Nastavení pracovního bodu 119 Pøíklad 2 15 Nastavení pracovního bodu tranzistoru 120 Pøíklad 2 16 Vliv teploty na nastavení pracovního bodu Rozdìlení a použití tranzistorù Vícevrstvé spínací souèástky Struktura a funkce tyristoru Dynamické vlastnosti tyristoru Zpùsoby øízení tyristoru 129 Pøíklad 2 17 Vliv úhlu sepnutí na parametry signálu Dvoubázová dioda Tyristory ve stejnosmìrných obvodech Speciální elektronické prvky Znaèení elektronických prvkù Chlazení polovodièových souèástek 139 Pøíklad 2 17 Návrh deskového chladièe KMITOÈTOVÌ ZÁVISLÉ OBVODY Fázorový poèet v elektronice Reaktance v obvodu støídavého proudu 144 Pøíklad 3 1 Reaktance jako pøedøadník Použití symbolického poètu 146 Pøíklad 3 2 Odvození reaktancí pomocí symbolického poètu 147 Pøíklad 3 3 Náhradní schéma cívky a kondenzátoru Impedanèní a výkonové diagramy 149 Pøíklad 3 4 Mìøení indukènosti metodou tøí ampérmetrù Komplexní jednobrany 151 Pøíklad 3 5 Návrh duálního obvodu 152 Pøíklad 3 6 Zjednodušený výpoèet paralelních impedancí RL a RC 153 5

6 3 6 Filtraèní èlánky 154 Pøíklad 3 7 Urèení komplexního pøenosu dìlièe Pøenos v decibelech 157 Pøíklad 3 8 Konstrukce logaritmické a decibelové stupnice 159 Pøíklad 3 9 Urèení pøenosu pomocí decibelových úrovní 161 Pøíklad 3 10 Zjednodušené poèítání s decibely Integraèní èlánky Derivaèní èlánky Mezní kmitoèet a pøenos èlánkù Vliv èlánkù na tvar signálu 168 Pøíklad 3 11 Integraèní èlánek RC zatížený rezistorem Jednoduché pásmové propusti 170 Pøíklad 3 12 Odvození šíøky pásma propusti 171 Pøíklad 3 13 Odvození pøenosu pásmové propusti a zádrže Wienùv èlánek 173 Pøíklad 3 14 Laditelný Wienùv èlánek Rezonanèní obvody 175 Pøíklad 3 15 Reálný paralelní rezonanèní obvod 176 Pøíklad 3 16 Rezonance v sériovì paralelním obvodu Rezonanèní pásmová propust a zádrž 178 Pøíklad 3 17 Vliv jakosti Q na tvar pøenosových charakteristik 179 Pøíklad 3 18 Pøenosové charakteristiky zádrže Složitìjší RC filtry 184 Pøíklad 3 19 Odvození šíøky pásma pøemostìného T èlánku 186 Pøíklad 3 20 Odvození pøenosu dvojitého T èlánku 186 Pøíklad 3 21 Odvození pøenosu fázovacího RC èlánku 188 Pøíklad 3 22 Výpoèet fázorového diagramu fázovacího èlánku Pasivní kmitoètové korektory 191 Pøíklad 3 23 Návrh korektoru hloubek 193 Pøíklad 3 24 Návrh nízkofrekvenèního sdruženého korektoru Symbolické øešení èlánkù 195 Pøíklad 3 25 symptotické øešení pøenosových charakteristik Rozdìlení elektronických filtrù 198 Pøíklad 3 26 Návrh reproduktorové výhybky 6 db na oktávu 199 Pøíklad 3 27 Návrh reproduktorových výhybek 12 db na oktávu Útlumové èlánky PØECHODNÉ DÌJE Význam pøechodných dìjù Pøíklady analogií Exponenciální charakter dìjù Èasová konstanta pøechodného dìje 207 Pøíklad 4 1 Urèení parametrù funkce u = U MX (1 e t/t ) 208 6

7 Pøíklad 4 2 Grafická konstrukce parametrù pøechodného dìje Pøechodné dìje v RC obvodu 210 Pøíklad 4 3 Odvození vztahù pro vybíjení kondenzátoru Pøechodné dìje v RL obvodu 213 Pøíklad 4 4 Odvození vztahù pro pøipojení zdroje k RL obvodu Výkonové pomìry v RC obvodu 215 Pøíklad 4 5 Urèení maximálního výkonu dodávaného do kondenzátoru Výkonové pomìry v RL obvodu 216 Pøíklad 4 6 Energetické pomìry v obvodech po odpojení zdroje Využití pøechodných dìjù v elektronice 218 Pøíklad 4 7 Urèení poèátku nekoneèna pøi nabíjení kondenzátoru 219 Pøíklad 4 8 Návrh astabilního klopného obvodu s èasovaèem Pøíklad 4 9 Návrh monostabilního klopného obvodu s èasovaèem Pøíklad 4 10 Rozmítaný generátor s èasovaèem Pøíklad 4 11 Generátor obdélníkù se støídou 1 : Pøíklad 4 12 Zapojení multivibrátoru s diodovou výhybkou 223 Pøíklad 4 13 D pøevod metodou dvojí integrace (dual slope) Øešení složitìjších obvodù 224 Pøíklad 4 14 Závislost zvlnìní na pomìru periody k èasové konstantì 226 Pøíklad 4 15 Pomìry v obvodu pøi promìnné støídì S = t 1 /T 228 Pøíklad 4 16 nalogový mìøiè kmitoètu s èasovaèem Pøíklad 4 17 Pøevodník napìtí-kmitoèet s èasovaèem Pøíklad 4 18 Zjednodušení obvodu Théveninovou vìtou 232 Pøíklad 4 19 Pøenos energie mezi kondenzátory 233 Pøíklad 4 20 Odezva integraèního èlánku na obdélníkový impulz 237 Pøíklad 4 21 Øešení rezonanèního obvodu operátorovým poètem Pøechodné dìje v RLC obvodech 240 Pøíklad 4 22 Odvození prùbìhù složitìjšího pøechodného dìje 243 Pøíklad 4 23 Urèení èinitele jakosti rezonanèního obvodu 244 Pøíklad 4 24 Pøipojení støídavého zdroje do RL obvodu 246 Pøíloha - Operátorový slovník NLÝZ SIGNÁLÙ Úvod do harmonické analýzy Vznik napìtí sinusového prùbìhu 261 Pøíklad 5 1 Odvození komplexního tvaru zápisu harmonické funkce Fourierùv rozvoj signálu 263 Pøíklad 5 2 Výpoèet spektra obdélníkového signálu ±5 V/1 khz Grafickopoèetní metoda analýzy 267 Pøíklad 5 3 Numerický výpoèet spektra obdélníkù ±5 V/1 khz 267 Pøíklad 5 4 Program pro výpoèet koeficientù Fourierovy øady Støední a efektivní hodnota 271 Pøíklad 5 5 Výpoèet støední a efektivní hodnoty obdélníkového napìtí 274 Pøíklad 5 5 Výpoèet støední a efektivní hodnoty usmìrnìného napìtí 274 7

8 5 6 Èinitelé tvaru signálu 275 Pøíklad 5 6 Výpoèet èinitelù tvaru usmìrnìných napìtí Skládání kmitù a Lissajousovy obrazce 280 Pøíklad 5 7 Urèení fázového posuvu z Lissajousova obrazce Prùchod signálu lineární soustavou 283 Pøíklad 5 8 Odvození výstupního signálu metodou Fourierovy øady Nelineární zkreslení signálu 285 Pøíklad 5 9 Rozbor èinnosti nabíjeèky akumulátorù 286 Pøíloha-Fourierovy rozvoje signálù ZESILOVÈE Základní vlastnosti zesilovaèù Zpìtná vazba 297 Pøíklad 6 1 Kritérium stability zesilovaèe Druhy zpìtných vazeb Vliv zpìtných vazeb na obvody 300 Pøíklad 6 2 Vliv zpìtné vazby na šíøku pásma zesilovaèe Parazitní zpìtné vazby Základní tranzistorové zesilovaèe Tøídy zesilovaèù 307 Pøíklad 6 3 Energetická úèinnost zesilovaèe tøídy a tøídy B Stabilizace pracovního bodu Øešení tranzistorového zesilovaèe 312 Pøíklad 6 4 nalýza zapojení zesilovaèe 314 Pøíklad 6 5 Návrh jednostupòového zesilovaèe se zesílením U = Pøíklad 6 6 Návrh dvoustupòového zesilovaèe Koncové výkonové zesilovaèe 320 Pøíklad 6 7 Simulace vlivu vazební kapacity na vlastnosti zesilovaèe Vazby mezi stupni zesilovaèe Stejnosmìrné zesilovaèe 323 Pøíklad 6 8 Návrh rozdílového zesilovaèe Operaèní zesilovaèe 326 Pøíklad 6 9 Zdroje proudu v operaèních zesilovaèích 328 Pøíklad 6 10 Rozbor zapojení operaèního zesilovaèe B Základní zapojení OZ 330 Pøíklad 6 11 Souètový a rozdílový zesilovaè 332 Pøíklad 6 12 Výkonový mùstkový zesilovaè s MD Nelineární zesilovaèe 334 Pøíklad 6 13 Kompenzované logaritmické zesilovaèe Lineární usmìròovaèe 339 Pøíklad 6 14 Návrh elektronického voltmetru ktivní filtry 341 8

9 Pøíklad 6 15 Butterworthova aproximace dolní propusti pátého øádu 346 Pøíklad 6 16 Odvození pøenosu dolní propusti druhého øádu 346 Pøíklad 6 17 Návrh dolní propusti druhého øádu 348 Pøíklad 6 18 Návrh složitìjšího filtru Integrátor a derivátor Syntetické reaktance 355 Pøíklad 6 18 Pásmová zádrž s umìlou indukèností 355 Pøíloha-pøíklady zapojení s operaèními zesilovaèi GENERÁTORY Princip generátorù LC oscilátory Oscilátory s krystalem Dynatronové oscilátory 378 Pøíklad 7 1 Tranzistorový jednobran se záporným dynamickým odporem RC oscilátory 380 Pøíklad 7 2 Rozbor zapojení nízkofrekvenèního generátoru Stabilizace amplitudy oscilací 383 Pøíklad 7 3 Návrh regulaèního obvodu 384 Pøíklad 7 4 Návrh Wienova oscilátoru Jiná øešení oscilátorù 388 Pøíklad 7 5 Oscilátory se dvìma integrátory Záznìjové generátory Fázový závìs a syntéza kmitoètu Fázové detektory 395 Pøíklad 7 6 Rozbor zapojení PLL CMOS Násobièky kmitoètu 398 Pøíklad 7 7 Návrh tvarovacího ztrojovaèe kmitoètu 399 Pøíklad 7 8 Optimální nastavení pracovního bodu násobièe 401 Pøíklad 7 9 Násobiè a syntezátor kmitoètu s obvodem fázového závìsu Dìlièe kmitoètu 404 Pøíklad 7 10 plikace dìlièù kmitoètu Napìtím øízené generátory 406 Pøíklad 7 11 VCO z obvodu fázového závìsu Generátory neharmonických kmitù 411 Pøíklad 7 12 Generátory se zdrojem proudu Komparátory napìtí 413 Pøíklad 7 13 Multivibrátor s operaèním zesilovaèem 416 Pøíklad 7 14 Blikaè jako astabilní klopný obvod 417 Pøíklad 7 15 Generátory trojúhelníkového prùbìhu 418 Pøíklad 7 16 Relaxaèní generátory s prvky s S charakteristikou 420 9

10 7 16 Funkèní generátory 421 Pøíklad 7 17 Zapojení s integrovaným generátorem XR Pøíklad 7 18 Návrh pasivního tvarovaèe trojúhelník-sinus 423 Pøíklad 7 19 Generátory schodového prùbìhu Speciální generátory NPÁJECÍ ZDROJE Elektrochemické zdroje Vlastnosti primárních èlánkù kumulátorové èlánky Nabíjecí obvody èlánkù 430 Pøíklad 8 1 Pøíklady zapojení obvodù pro rychlé nabíjení èlánkù Sí ové zdroje Usmìròovaèe Násobièe napìtí 438 Pøíklad 8 2 Experimentální ovìøení vlastností násobièe 439 Pøíklad 8 3 Mìnièe napìtí s Filtrace napìtí 441 Pøíklad 8 4 Návrh filtraèní kapacity stabilizovaného zdroje 442 Pøíklad 8 5 Návrh filtraèní kapacity nestabilizovaného zdroje Speciální usmìròovaèe 445 Pøíklad 8 6 Øídicí obvody tyristoru Stabilizátory napìtí 447 Pøíklad 8 7 Sériový a paralelní stabilizátor s tranzistorem Integrované stabilizátory 452 Pøíklad 8 8 Návrh regulovatelného zdroje 454 Pøíklad 8 9 Návrh symetrického stabilizovaného zdroje Vícesvorkové stabilizátory Stabilizátory s omezením proudu 457 Pøíklad 8 10 Pøíklady zapojení s obvodem L Stabilizátory proudu Speciální stabilizátory 461 Pøíklad 8 11 Zdroj se spínaným stabilizátorem L LITERTUR 467 REJSTØÍK 469 Knihy nakladatelství BEN - technická literatura 474 Program VISIO (kterým byly nakresleny obrázky)

11 ÚVOD Elektronika je obor elektrotechniky, který zasahuje témìø do všech ostatních oblastí techniky Pùvodnì se elektronikou rozumìla nauka o chování volných elektronù v plynu a ve vakuu Nyní se nejèastìji definuje jako odvìtví elektrotechniky, které se zabývá generováním a zpracováním elektrických signálù Kromì zpracování signálù se rozvíjí i využívání elektronických obvodù v silnoproudé elektrotechnice Podle oblasti použití se elektronika rozdìluje na: prùmyslovou, výkonovou, spotøební, lékaøskou, radioelektroniku a autoelektroniku Elektronika navazuje na poznatky z obecné elektrotechniky, fyziky i matematiky a tvoøí základ pro další technická odvìtví, jako jsou telekomunikace, radiotechnika, kybernetika, automatizace i výpoèetní technika Historie elektroniky je pøitom relativnì krátká V roce 1904 vynalezl J FLEMING diodu a o tøi roky pozdìji byla objevena trioda (LEE DE FOREST) Dalším mezníkem je vynález tranzistoru v roce 1948 (W SHOCKLEY, J BRDEEN a W BRTTIN) Následoval vývoj integrovaných obvodù a èíslicové techniky Témìø exponenciální vývoj elektronických obvodù je nejlépe patrný v oblasti osobních poèítaèù Další vývoj je obtížné pøedvídat, protože nelze vylouèit i technické využití zcela nových objevù Pøestože se tato kniha zabývá pouze klasickou analogovou technikou, není a asi ani nemùže být tato omezená èást elektroniky zpracována vyèerpávajícím zpùsobem Nicménì základní obvody i principy jsou v publikaci vysvìtleny a procvièeny v øadì øešených pøíkladù Osvojení teoretických poznatkù mùže znaènì urychlit praktické cvièení Pro tento úèel jsou ideální simulaèní programy, jako je napø : Elektronics Worbench (EWB), TIN a Micro-Cap, jejichž demoverze lze stáhnout z internetu na adresách: www interaktiv com, www tina com, www spectrum-soft com Pøedpokládám, že kniha najde své ètenáøe v øadách studentù i ostatních zájemcù o daný obor a rád bych ji vìnoval svým žákùm V Brnì dne 1 øíjna 1997 autor 11