Robert Láníèek ELEKTRONIK obvody souèástky dìje

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 1998 1 vydání ISBN 80-86056-25-2

OBSH ÚVOD 11 1 ZÁKLDNÍ OBVODY 13 1 1 Elektronický obvod 13 1 2 Elektronické prvky 13 1 3 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 16 1 4 Parametrické charakteristiky 17 1 5 Jednobrany a dvojbrany 18 1 6 Model tranzistoru 19 Pøíklad 1 4 Øešení obvodu pomocí impedanèních matic 20 Pøíklad 1 5 Urèení parametrù dvojbranu a sestrojení charakteristik 21 1 7 Náhradní schéma zdroje 22 Pøíklad 1 6 Zjištìní vnitøního odporu zdroje 23 Pøíklad 1 7 Zmìna vnitøního odporu zdroje 24 1 8 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 28 1 9 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 33 1 10 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 40 1 11 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 45 1 12 Nelineární grafické papíry 46 Pøíklad 1 24 Urèení funkèní závislosti z grafu 48 Pøíklad 1 25 Grafické znázornìní Ohmova zákona 50 3

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 E24 57 2 ELEKTRONICKÉ SOUÈÁSTKY 71 2 1 Pasivní prvky a elektrotechnické øady 71 Pøíklad 2 1 Toleranèní pole prvkù elektrotechnické øady 72 2 2 Spojování prvkù 73 Pøíklad 2 2 Nevhodné spojení prvkù z øady E12 73 2 3 Výbìr prvkù z elektrotechnické øady 74 Pøíklad 2 3 Návrh dìlièe voltmetru s konstantním vstupním odporem 74 2 4 Znaèení rezistorù a kondenzátorù 75 2 5 Rezistory 76 2 6 Nelineární rezistory 76 Pøíklad 2 4 Omezení nárazového proudu pøi zapnutí obvodu 78 2 7 Øízené rezistory 79 2 8 Kondenzátory 80 2 9 Elektrolytické kondenzátory 81 2 10 Druhy kondenzátorù 81 Pøíklad 2 5 Energie nabitého kondenzátoru 82 Pøíklad 2 6 Náhrada akumulátoru kondenzátorem 83 2 11 Teplotní závislost pasivních prvkù 83 Pøíklad 2 7 Zmìna odporu vlákna žárovky 84 2 12 Kompenzace teplotní závislosti 84 Pøíklad 2 8 Návrh teplotnì nezávislého kondenzátoru 85 2 13 Induktivní prvky 86 2 14 Cívky 87 2 15 Druhy cívek 88 Pøíklad 2 9 Orientaèní návrh tlumivky spínaného zdroje 89 2 16 Transformátory 90 Pøíklad 2 9 Návrh sí ového transformátoru 91 2 17 Relé 92 2 18 Promìnné prvky 94 Pøíklad 2 10 Prùbìh závislosti kapacity varikapu na závìrném napìtí 96 2 19 Nelineární elektronické souèástky 96 2 20 Unipolární tranzistory 97 4

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 102 2 22 Polovodièová dioda 104 2 23 Základní zapojení diod 105 2 24 Rozdìlení a speciální typy diod 107 Pøíklad 2 13 Urèení parametrù modelu diody ze zmìøené charakteristiky 110 Pøíklad 2 14 Grafické øešení tvarovacího obvodu 113 2 25 Bipolární tranzistory 114 2 26 Charakteristiky tranzistoru 114 2 27 Volba pracovního bodu tranzistoru 116 2 28 Mezní a tranzitní kmitoèet 117 2 29 Vliv teploty na vlastnosti tranzistoru 118 2 30 Nastavení pracovního bodu 119 Pøíklad 2 15 Nastavení pracovního bodu tranzistoru 120 Pøíklad 2 16 Vliv teploty na nastavení pracovního bodu 121 2 31 Rozdìlení a použití tranzistorù 122 2 32 Vícevrstvé spínací souèástky 124 2 33 Struktura a funkce tyristoru 127 2 34 Dynamické vlastnosti tyristoru 128 2 35 Zpùsoby øízení tyristoru 129 Pøíklad 2 17 Vliv úhlu sepnutí na parametry signálu 130 2 36 Dvoubázová dioda 132 2 37 Tyristory ve stejnosmìrných obvodech 132 2 38 Speciální elektronické prvky 135 2 39 Znaèení elektronických prvkù 139 2 40 Chlazení polovodièových souèástek 139 Pøíklad 2 17 Návrh deskového chladièe 142 3 KMITOÈTOVÌ ZÁVISLÉ OBVODY 143 3 1 Fázorový poèet v elektronice 143 3 2 Reaktance v obvodu støídavého proudu 144 Pøíklad 3 1 Reaktance jako pøedøadník 146 3 3 Použití symbolického poètu 146 Pøíklad 3 2 Odvození reaktancí pomocí symbolického poètu 147 Pøíklad 3 3 Náhradní schéma cívky a kondenzátoru 148 3 4 Impedanèní a výkonové diagramy 149 Pøíklad 3 4 Mìøení indukènosti metodou tøí ampérmetrù 149 3 5 Komplexní jednobrany 151 Pøíklad 3 5 Návrh duálního obvodu 152 Pøíklad 3 6 Zjednodušený výpoèet paralelních impedancí RL a RC 153 5

3 6 Filtraèní èlánky 154 Pøíklad 3 7 Urèení komplexního pøenosu dìlièe 154 3 7 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 161 3 8 Integraèní èlánky 162 3 9 Derivaèní èlánky 163 3 10 Mezní kmitoèet a pøenos èlánkù 164 3 11 Vliv èlánkù na tvar signálu 168 Pøíklad 3 11 Integraèní èlánek RC zatížený rezistorem 169 3 12 Jednoduché pásmové propusti 170 Pøíklad 3 12 Odvození šíøky pásma propusti 171 Pøíklad 3 13 Odvození pøenosu pásmové propusti a zádrže 172 3 13 Wienùv èlánek 173 Pøíklad 3 14 Laditelný Wienùv èlánek 174 3 14 Rezonanèní obvody 175 Pøíklad 3 15 Reálný paralelní rezonanèní obvod 176 Pøíklad 3 16 Rezonance v sériovì paralelním obvodu 177 3 15 Rezonanèní pásmová propust a zádrž 178 Pøíklad 3 17 Vliv jakosti Q na tvar pøenosových charakteristik 179 Pøíklad 3 18 Pøenosové charakteristiky zádrže 181 3 16 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 190 3 17 Pasivní kmitoètové korektory 191 Pøíklad 3 23 Návrh korektoru hloubek 193 Pøíklad 3 24 Návrh nízkofrekvenèního sdruženého korektoru 194 3 18 Symbolické øešení èlánkù 195 Pøíklad 3 25 symptotické øešení pøenosových charakteristik 196 3 19 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 200 3 20 Útlumové èlánky 201 4 PØECHODNÉ DÌJE 203 4 1 Význam pøechodných dìjù 203 4 2 Pøíklady analogií 203 4 3 Exponenciální charakter dìjù 206 4 4 Èasová konstanta pøechodného dìje 207 Pøíklad 4 1 Urèení parametrù funkce u = U MX (1 e t/t ) 208 6

Pøíklad 4 2 Grafická konstrukce parametrù pøechodného dìje 209 4 5 Pøechodné dìje v RC obvodu 210 Pøíklad 4 3 Odvození vztahù pro vybíjení kondenzátoru 212 4 6 Pøechodné dìje v RL obvodu 213 Pøíklad 4 4 Odvození vztahù pro pøipojení zdroje k RL obvodu 214 4 7 Výkonové pomìry v RC obvodu 215 Pøíklad 4 5 Urèení maximálního výkonu dodávaného do kondenzátoru 215 4 8 Výkonové pomìry v RL obvodu 216 Pøíklad 4 6 Energetické pomìry v obvodech po odpojení zdroje 217 4 9 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 555 219 Pøíklad 4 9 Návrh monostabilního klopného obvodu s èasovaèem 555 221 Pøíklad 4 10 Rozmítaný generátor s èasovaèem 555 221 Pøíklad 4 11 Generátor obdélníkù se støídou 1 : 1 222 Pøíklad 4 12 Zapojení multivibrátoru s diodovou výhybkou 223 Pøíklad 4 13 D pøevod metodou dvojí integrace (dual slope) 224 4 10 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 555 229 Pøíklad 4 17 Pøevodník napìtí-kmitoèet s èasovaèem 555 231 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 238 4 11 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 247 5 NLÝZ SIGNÁLÙ 259 5 1 Úvod do harmonické analýzy 259 5 2 Vznik napìtí sinusového prùbìhu 261 Pøíklad 5 1 Odvození komplexního tvaru zápisu harmonické funkce 262 5 3 Fourierùv rozvoj signálu 263 Pøíklad 5 2 Výpoèet spektra obdélníkového signálu ±5 V/1 khz 264 5 4 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 269 5 5 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

5 6 Èinitelé tvaru signálu 275 Pøíklad 5 6 Výpoèet èinitelù tvaru usmìrnìných napìtí 277 5 7 Skládání kmitù a Lissajousovy obrazce 280 Pøíklad 5 7 Urèení fázového posuvu z Lissajousova obrazce 280 5 8 Prùchod signálu lineární soustavou 283 Pøíklad 5 8 Odvození výstupního signálu metodou Fourierovy øady 283 5 9 Nelineární zkreslení signálu 285 Pøíklad 5 9 Rozbor èinnosti nabíjeèky akumulátorù 286 Pøíloha-Fourierovy rozvoje signálù 293 6 ZESILOVÈE 295 6 1 Základní vlastnosti zesilovaèù 295 6 2 Zpìtná vazba 297 Pøíklad 6 1 Kritérium stability zesilovaèe 299 6 3 Druhy zpìtných vazeb 299 6 4 Vliv zpìtných vazeb na obvody 300 Pøíklad 6 2 Vliv zpìtné vazby na šíøku pásma zesilovaèe 301 6 5 Parazitní zpìtné vazby 303 6 6 Základní tranzistorové zesilovaèe 304 6 7 Tøídy zesilovaèù 307 Pøíklad 6 3 Energetická úèinnost zesilovaèe tøídy a tøídy B 309 6 8 Stabilizace pracovního bodu 310 6 9 Øešení tranzistorového zesilovaèe 312 Pøíklad 6 4 nalýza zapojení zesilovaèe 314 Pøíklad 6 5 Návrh jednostupòového zesilovaèe se zesílením U = 40 315 Pøíklad 6 6 Návrh dvoustupòového zesilovaèe 317 6 10 Koncové výkonové zesilovaèe 320 Pøíklad 6 7 Simulace vlivu vazební kapacity na vlastnosti zesilovaèe 322 6 11 Vazby mezi stupni zesilovaèe 323 6 12 Stejnosmìrné zesilovaèe 323 Pøíklad 6 8 Návrh rozdílového zesilovaèe 325 6 13 Operaèní zesilovaèe 326 Pøíklad 6 9 Zdroje proudu v operaèních zesilovaèích 328 Pøíklad 6 10 Rozbor zapojení operaèního zesilovaèe B080 329 6 14 Základní zapojení OZ 330 Pøíklad 6 11 Souètový a rozdílový zesilovaè 332 Pøíklad 6 12 Výkonový mùstkový zesilovaè s MD2005 333 6 15 Nelineární zesilovaèe 334 Pøíklad 6 13 Kompenzované logaritmické zesilovaèe 336 6 16 Lineární usmìròovaèe 339 Pøíklad 6 14 Návrh elektronického voltmetru 340 6 17 ktivní filtry 341 8

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 349 6 18 Integrátor a derivátor 352 6 19 Syntetické reaktance 355 Pøíklad 6 18 Pásmová zádrž s umìlou indukèností 355 Pøíloha-pøíklady zapojení s operaèními zesilovaèi 359 7 GENERÁTORY 375 7 1 Princip generátorù 375 7 2 LC oscilátory 375 7 3 Oscilátory s krystalem 378 7 4 Dynatronové oscilátory 378 Pøíklad 7 1 Tranzistorový jednobran se záporným dynamickým odporem 380 7 5 RC oscilátory 380 Pøíklad 7 2 Rozbor zapojení nízkofrekvenèního generátoru 382 7 6 Stabilizace amplitudy oscilací 383 Pøíklad 7 3 Návrh regulaèního obvodu 384 Pøíklad 7 4 Návrh Wienova oscilátoru 387 7 7 Jiná øešení oscilátorù 388 Pøíklad 7 5 Oscilátory se dvìma integrátory 390 7 8 Záznìjové generátory 392 7 9 Fázový závìs a syntéza kmitoètu 394 7 10 Fázové detektory 395 Pøíklad 7 6 Rozbor zapojení PLL CMOS 4046 396 7 11 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 403 7 12 Dìlièe kmitoètu 404 Pøíklad 7 10 plikace dìlièù kmitoètu 405 7 13 Napìtím øízené generátory 406 Pøíklad 7 11 VCO z obvodu fázového závìsu 4046 408 7 14 Generátory neharmonických kmitù 411 Pøíklad 7 12 Generátory se zdrojem proudu 411 7 15 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

7 16 Funkèní generátory 421 Pøíklad 7 17 Zapojení s integrovaným generátorem XR8038 421 Pøíklad 7 18 Návrh pasivního tvarovaèe trojúhelník-sinus 423 Pøíklad 7 19 Generátory schodového prùbìhu 425 7 17 Speciální generátory 426 8 NPÁJECÍ ZDROJE 427 8 1 Elektrochemické zdroje 427 8 2 Vlastnosti primárních èlánkù 427 8 3 kumulátorové èlánky 428 8 4 Nabíjecí obvody èlánkù 430 Pøíklad 8 1 Pøíklady zapojení obvodù pro rychlé nabíjení èlánkù 433 8 5 Sí ové zdroje 434 8 6 Usmìròovaèe 435 8 7 Násobièe napìtí 438 Pøíklad 8 2 Experimentální ovìøení vlastností násobièe 439 Pøíklad 8 3 Mìnièe napìtí s 555 440 8 8 Filtrace napìtí 441 Pøíklad 8 4 Návrh filtraèní kapacity stabilizovaného zdroje 442 Pøíklad 8 5 Návrh filtraèní kapacity nestabilizovaného zdroje 443 8 9 Speciální usmìròovaèe 445 Pøíklad 8 6 Øídicí obvody tyristoru 446 8 10 Stabilizátory napìtí 447 Pøíklad 8 7 Sériový a paralelní stabilizátor s tranzistorem 449 8 11 Integrované stabilizátory 452 Pøíklad 8 8 Návrh regulovatelného zdroje 454 Pøíklad 8 9 Návrh symetrického stabilizovaného zdroje 455 8 12 Vícesvorkové stabilizátory 456 8 13 Stabilizátory s omezením proudu 457 Pøíklad 8 10 Pøíklady zapojení s obvodem L200 458 8 14 Stabilizátory proudu 460 8 15 Speciální stabilizátory 461 Pøíklad 8 11 Zdroj se spínaným stabilizátorem L4960 462 LITERTUR 467 REJSTØÍK 469 Knihy nakladatelství BEN - technická literatura 474 Program VISIO (kterým byly nakresleny obrázky) 478 10

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