Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0581 Číslo materiálu VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_01_Lineární prvky el_obvodů Název školy Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Autor Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA Ročník druhý Datum tvorby 15.6.2012 Anotace Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům 2.ročníku, slouží jako doplněk učiva. Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora
LINEÁRNÍ PRVKY ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ ELEKTRONICKÝ OBVOD je připojení jedné součástky (prvku) nebo většího počtu součástek (prvků) ke zdroji elektrické energie. SOUČÁSTKA (PRVEK) - je základní, dále nedělitelná část elektronického obvodu. Každá součástka je určena elektrickými vlastnostmi neboli parametry.
ROZDĚLENÍ SOUČÁSTEK (PRVKŮ) a) Podle chování - Pasivní => chovají se jako spotřebič elektrické energie. Jedná se o rezistory, kondenzátory, cívky, diody, termistory, varikapy atd.. - Aktivní => tyto prvky jsou buď zdroje, nebo se chovají jako zdroj. Jedná se o baterie, fotodiodu, tranzistory, atd.. b) Podle kmitočtové (frekvenční) závislosti - frekvenčně nezávislé (rezistory, diody, tranzistory) => vlastnosti součástky se se změnou kmitočtu (frekvence) se nemění. - frekvenčně závislé (kondenzátory, cívky) => vlastnosti prvku se mění se změnou kmitočtu (frekvence). c) Podle závislosti proudu na napětí - lineární (rezistory, cívky a kondenzátory) - nelineární (diody, tranzistory, tyristory atd.). Obr. 1
Voltampérová charakteristika součástek Tuto závislost můžeme zjistit zvyšováním napětí na součástce při současném měření proudu součástkou (obr.2). Vyneseme-li naměřené hodnoty do grafu, získáme tzv. voltampérovou charakteristiku součástky (zkráceně VA charakteristika) (obr.3). Lineární prvky mají voltampérovou charakteristiku přímkovou, neboli lineární a proto lze u nich určit proud z Ohmova zákona. Oproti tomu nelineární prvky mají tuto závislost odlišnou od přímky a proto u diod, tranzistorů, termistorů a ostatních polovodičů nelze proud určit z Ohmova zákona. Obr. 2 Obr. 3
Rezistory Rezistor je pasivní elektronická součástka lineární a frekvenčně nezávislá v nízkofrekvenční oblasti (do 50 khz). Vlastností rezistoru je elektrický odpor a vyjadřuje velikost odporu (překážky), kterou klade součástka procházejícímu elektrickému proudu. Definice jednotky odporu 1 W (1 ohm) - odpor 1 W má vodič, kterým při napětí 1 V protéká proud 1 A. Ve vysokofrekvenční oblasti (nad 1 MHz) se neuplatňuje frekvenční nezávislost a projevuje se zde jev skinefekt. Skinefekt na vysokých či velmi vysokých frekvencích proud rezistorem neteče celým průřezem, ale pouze částí ( je vytlačován k povrchu rezistoru). f < 50 khz f > 10 MHz f > 1 GHz f > 10 GHz
s dvěma vývody - vrstvové uhlíkové metalizované, DRUHY REZISTORŮ R - drátové, R s více vývody - s pevnou odbočkou - s plynule nastavitelnou odbočkou (potenciometry). Pomocí potenciometru se plynule mění odpor, což lze využít pro získání proměnného napětí U nebo proudu.
ROZDĚLENÍ POTENCIOMETRŮ PODLE KONSTRUKCE - posuvné - sběrač se posouvá přímočaře - otočné jednoduché - velikost odporu je úměrná úhlu pootočení sběrače upevněném na ose potenciometru, která je obvykle zakončena ovládacím knoflíkem Obr. 4 - otočné dvojité (tandemové) - mají dvě í více odporových drah a sběrače jsou ovládány souběžně jedním hřídelem - trimry - osa je krátká a většinou uzpůsobena pro otáčení pomocí šroubováku, jsou upevňovány přímo na desku plošného spoje, slouží k jednorázovému nastavení hodnoty výstupního napětí v malém rozsahu - reostaty - druh drátového potenciometru s mohutnější konstrukcí, který je určen pro silnoproudé účely Obr. 5 Obr. 6 Obr. 7
ROZDĚLENÍ POTENCIOMETRŮ dle průběhu velikosti odporu - lineární (označení N) - logaritmické (G) - exponenciální (E) R (W) R (W) (W) E N G α α ( ) ( )
Základní vlastnosti, určují tyto parametry: ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI REZISTORU - jmenovitý odpor [W] (řady E6 = 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4, 7; 6,8; E12 až E96 a dále násobky těchto hodnot) - zatížitelnost [W] (základní řada 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 6; 10 W) - přesnost [%] (± 20; 10; 5; 2; 1; 0, 5; 0,1 %).
KRESLENÍ REZISTORŮ VE VÝKRESECH a) Rezistor b) Rezistor s pevnou odbočkou c) Potenciometr d) trimr Obr. 8
Kondenzátory - Jedná se o pasivní elektronické součástky - Jsou frekvenčně (kmitočtově) závislé, neboť se změnou kmitočtu se mění kapacitní reaktance X C. - Základní vlastností kondenzátoru je jeho kapacita C. - Kapacita kondenzátoru C je schopnost udržet elektrický náboj Q. - Základní jednotka kapacity je Farad (F), praktická jednotka je mf, nf, pf. Obr. 9
VLASTNOSTI KONDENZÁTORU V OBVODU SE STEJNOSMĚRNÝM ZDROJEM Je-li kondenzátor napájen ze stejnosměrného zdroje, stejnosměrný elektrický proud nepropouští. Po připojení kondenzátoru ke zdroji se kondenzátor C nabíjí, dochází k polarizaci dielektrika a po tuto dobu jím prochází polarizační proud. V okamžiku připojení kondenzátoru ke zdroji je polarizační proud maximální, s časem nabíjení kondenzátoru polarizační proud klesá dle exponencielního průběhu a po nabití kondenzátoru bude mít nulovou hodnotu.
NABÍJENÍ KONDENZÁTORU V OBVODU SE STEJNOSMĚRNÝM ZDROJEM Po připojení na stejnosměrné napětí se kondenzátor nabíjí podle nabíjecí křivky. uc nab Umax ( 1 - e - t τ ) u c nab U max t t - okamžitá hodnota napětí - hodnota napájecího zdroje - čas - časová konstanta kondenzátoru Kondenzátor je nabit tehdy, dosáhne-li nabíjecí napětí 90% hodnoty zdroje U max. Doba za kterou se kondenzátor nabije je 3t. t - je časová konstanta kondenzátoru (s) R odpor dielektrika kondenzátoru (W) C kapacita kondenzátoru ( F ) τ R C (s) 0,9 U max t Obr. 10 3t
VYBÍJENÍ KONDENZÁTORU V OBVODU SE STEJNOSMĚRNÝM ZDROJEM Kondenzátor se vybíjí tehdy, je-li zkratován a vybíjí se podle vybíjecí křivky. u - c vyb U max e t τ u c vyb U max t t - okamžitá hodnota napětí - hodnota napájecího zdroje - čas - časová konstanta kondenzátoru Kondenzátor je vybit tehdy, dosáhne-li vybíjecí napětí 10% hodnoty zdroje U max. Doba za kterou se kondenzátor vybije je 3t. t - je časová konstanta kondenzátoru (s) R odpor dielektrika kondenzátoru (W) C kapacita kondenzátoru ( F ) τ R C (s) U t U max 0,1 U max 3t t
VLASTNOSTI KONDENZÁTORU V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Je-li kondenzátor napájen ze střídavého zdroje, jeví se kondenzátor tak, že střídavý proud propouští. Jelikož na svorkách střídavého zdroje se v určité periodě mění polarita, nemůže u kondenzátoru dojít k ustálenému stavu z hlediska nabití. Kondenzátor se neustále nabíjí a přebíjí, proto jím neustále prochází polarizační proud. S rostoucí frekvencí střídavého napájecího zdroje se kondenzátor jeví tak, že jeho kapacitní reaktance (odpor) klesá. X C 1 1 C 2 f X C kapacitní reaktance (W) X C (W) kruhová frekvence f kmitočet (frekvence) střídavého zdroje (Hz) C kapacita kondenzátoru (F) a) Je-li f = 0 => X C = W b) Je-li f = => X C = 0 W C W f (Hz)
VLASTNOSTI IDEÁLNÍHO KONDENZÁTORU V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Ideální kondenzátor představuje součástku, která nemá žádné ztráty (R = 0) Je-li ideální kondenzátor napájen ze střídavého zdroje, vznikne na kondenzátoru fázový posuv mezi proudem I C a napětím U C. Pro ideální kondenzátor platí, že fázový posuv mezi proudem I C a napětím U C je 90. Rotace fázorů proudu a napětí je proti orientaci hodinových ručiček. y = 90 I C x U C
VLASTNOSTI IDEÁLNÍHO KONDENZÁTORU V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Pracuje-li se střídavým signálem, dochází k rotaci a fázory napětí a proudu mají stále stejný fázový posuv 90. Rotace fázorů proudu a napětí je proti orientaci hodinových ručiček. y I C UC U C I C IC UC x U C I C
VLASTNOSTI SKUTEČNÉHO KONDENZÁTORU V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Skutečný kondenzátor je součástka, která má ztráty (R > 0) U skutečného kondenzátoru je třeba vyřešit fázorový diagram, kde se musí pracovat s úbytkem napětí na rezistoru, který je v sérii s kapacitou kondenzátoru. Pro skutečný kondenzátor pro fázový posuv mezi proudem I C a napětím U C platí: 0 < < 90. Rotace fázorů proudu a napětí je proti orientaci hodinových ručiček. I C y I C U R U R d 1 U R 0 < 1 < 90 x C U C U C U d 1 ztrátový úhel kondenzátoru (pro kvalitní kondenzátor musí být co nejmenší)
ZNAČENÍ KONDENZÁTORŮ VE VÝKRESECH a) Pevný b) Otočný c) elektrolytický Obr. 11
DRUHY KONDENZÁTORŮ pevné - keramické - velmi kvalitní (malé dielektrické ztráty), v současnosti mají největší zastoupení v elektronických přístrojích, - s papírovým dielektrikem - svitkové - z metalizovaného papíru - odolné proti průrazu, hliníková fólie se při zkratu odpaří, tím odejme teplo a dielektrikum se neporuší - s plastovou fólií - z polystyrenu - slídové - pro obvody s vysokou frekvencí - mají malé ztráty - elektrolytické - dielektrikum tvoří tenká vrstva oxidu hliníku na hliníkové, nebo tantalové elektrodě, spojení dielektrika s druhou elektrodou je uskutečněno pomocí pórovité látky s elektrolytem, je nutno zachovat polaritu, výhodou je velká kapacita při malých rozměrech - speciální - odrušovací, vysokonapěťové, tantalové atd. s proměnnou kapacitou - otočné - kapacitní trimry - dolad'ovací.
PARAMETRY KONDENZÁTORU - jmenovitá kapacita [FJ běžný rozsah hodnot je od řádu jednotek pf do jednotek mf - maximální napětí [V] obvykle se uvádí pro stejnosměrné napětí, pro U ef = 230 V je U max = 325 V - ztrátový činitel tg d charakterizuje ztráty energie v kondenzátoru. Je závislý na teplotě okolí, na kmitočtu a na velikosti jmenovitého napětí. - zbytkový proud [A] Po přiložení stejnosměrného napětí protéká elektrolytickým kondenzátorem trvalý omezený proud, tzv. zbytkový proud. Velikost zbytkového proudu je měřítkem kvality elektrolytického kondenzátoru. Pohybuje se v řádu ma - efektivní (ekvivalentní) sériový odpor ESR [W] v náhradním schématu kondenzátoru. Jeho vliv se uplatňuje především u elektrolytických kondenzátorů, kde se pohybuje v řádu desetin až stovek ohmů - izolační odpor [W] bývá asi 10 9 W POUŽITÍ KONDENZÁTORŮ - např. v oddělovačích stejnosměrného napětí od střídavého, - při úpravách charakteristik, - v rezonančních obvodech, - filtrech atd.
Cívky Cívka je dvoupólová součástka, zhotovená vinutím závitů vodiče v jedné, či více vrstvách. Je to součástka lineární a frekvenčně závislá. Cívkami získáváme potřebnou indukčnost - L, jednotka indukčnosti je 1 H (Henry), čím více závitů cívka obsahuje, tím má větší indukčnost. Obr. 12
DRUHY CÍVEK bez jádra - samonosné, - vinuté na kostře závit vedle závitu křížově vinuté vinuté "na divoko", s jádrem Cívky s jádrem mají větší indukčnost (od 10 mh), a tato indukčnost se vysouváním jádra zmenšuje o 5 až 10 %. Cívku je nutno považovat při výpočtech jako sériové spojení ideální indukčnosti L se stejnosměrným odporem cívky R ss. Ten se změří např. ohmmetrem na svorkách cívky. Obr. 13
VLASTNOSTI CÍVKY V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Je-li cívka napájena ze střídavého zdroje, projeví se v obvodu impedance cívky, která je závislá na kmitočtu. Cívka střídavý proud propouští, ale s rostoucí frekvencí se impedance cívky zvyšuje. X L induktivní reaktance (W) kruhová frekvence f kmitočet (frekvence) střídavého zdroje (Hz) L indukčnost cívky (H) X L L 2 f L W a) Je-li f = 0 => X L = 0 W X L (W) b) Je-li f = => X L = W f (Hz)
VLASTNOSTI IDEÁLNÍ CÍVKY V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Ideální cívka představuje součástku, která nemá žádné ztráty (R = 0) Je-li ideální cívka napájena ze střídavého zdroje, vznikne na cívce fázový posuv mezi proudem I L a napětím U L. Pro ideální cívku platí, že fázový posuv mezi proudem I L a napětím U L je 90 ; napětí předbíhá proud. Rotace fázorů proudu a napětí je proti orientaci hodinových ručiček. y U L = 90 I L x
VLASTNOSTI IDEÁLNÍ CÍVKY V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Pracuje-li se střídavým signálem, dochází k rotaci a fázory napětí a proudu mají stále stejný fázový posuv 90. Rotace fázorů proudu a napětí je proti orientaci hodinových ručiček. y I L U L U L IL UL I L x UL I L
VLASTNOSTI SKUTEČNÉ CÍVKY V OBVODU SE STŘÍDAVÝM ZDROJEM Skutečná cívka je součástka, která má ztráty (R > 0) U skutečné cívky je třeba vyřešit fázorový diagram, kde se musí pracovat s úbytkem napětí na rezistoru, který je v sérii s indukčností cívky. Pro skutečný kondenzátor pro fázový posuv mezi proudem I L a napětím U L platí: 0 < < 90. Rotace fázorů proudu a napětí je proti orientaci hodinových ručiček. I L y R U R U L U U L U L d 1 0 < 1 < 90 I L Obr. 24 U R x d 1 ztrátový úhel cívky (pro kvalitní cívku musí být co nejmenší)
Použité zdroje: Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1. Obr. 1; 2; 3; 8; 9; 10;11; 12; 13: Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1. Obr. 4: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b5/potentiometer.jpg/220px- Potentiometer.jpg 15.6.2012 Obr. 5: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/faders.jpg/220px-faders.jpg 15.6.2012 Obr. 6: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/pcb_variable_resistors.jpg/220px- PCB_variable_resistors.jpg 15.6.2012 Obr. 7: http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~koubek/ut_html/ut12_html/12-5_soubory/image008.jpg. Ilustrace: archiv autora