Elektronika 2015 Doporučená literatura • J. Doleček Moderní učebnice elektroniky 1-6, Technická literatura BEN • Z Ondráček Elektronika pro fyziky, Brno 1998 • www • Mike Tooley, Electroinic circuits, fundamental and applications, Elsevier 2006 • V.A Suprynowicz Electrical and Electronics Fundamental: West Publishing company 1987 Elektronické prvky • Elektrický obvod - vzájemné spojení součástek - součástky nahrazeny idealizovanými prvky - spojením el. prvků tak, že vznikne uzavřená dráha pro tok proudu - děje lze popsat Maxwelovými rovnicemi - rozměry « s vlnovou délkou - obvod se soustřednými prvky (řeš. —» diferenciální rovnice) - rozměry srovnatelné s vln. délkou -obvod s rozloženými prvky (řeš. —» parciální diferenciální rovnice) • Obvody - lineární - nelineární (závislost na přiloženém napětí, protékajícím proudu...) Prvky dále dělíme • aktivní - obsahují zdroj el. energie - součástky, jejichž el. parametry j sou proměnné a řiditelné změnou napětí či proudu přivedeného jejich vývody • pasivní - nejsou zdrojem proudu nebo napětí Rezistory (odpory) Kapacitory (kondenzátory) Induktory (cívky) Normalizované řady hodnot (pokrývá právě jednu dekádu - geometrická řada) E6 (20%) 10, 15, 22, 33, 47, 68 E12 (10%) 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 E24 (5%) 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33 ,36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 72, 82, 91 Několik schématických značek v cd ü vodičů -(§)- iórovko rezistor pr okenný í «ist oř otíjporový tffflif sluchátko kůndenzátoT > «fcMrů(ytk*ý kcmdcnzótor |K promeVrri 'TI kOft<řtflBOt0í dicdo Zarcrova dioda L^l ivéleíná dioda piezoelektrický prvek repf oduktor 0 za sad v Opio Ofldl (UM Qptrttn* ZmInm Typy zapojení Blokové > Fázový > detektor Filtr Napětím řízený oscilátor f2=n-f1 -> f 2/n Čítač s předvolbou 7\ 1 n zaclání činitele násobeni kmitočtu Principiální Obvodové zapojení MIH 1 1 1LSB Clilo Prvky dále dělíme Podle počtu pólů: 2 pólové 3 pólové n-pólové Podle závislosti: lineární nelineární (závislost na přiloženém napětí, protékajícím proudu, teplotě,...) Dvoj póly Pro pomalé změny dnu . di ď"i ■f> au ú"u o a . «6 u ŕ dť1 dt^''idF,hdii'''idF) Odporové dvojpóly u = nebo Í = Kapacitní dvojpóly i = C n eb ní / idt Indukčnostnídvojpóly l=ljudt nebo u= Ld± L J dt Typy pasivních dvoj pólů -rezistory Konstrukce: Vlastnosti: Rezistory patří nejčastěji používaným pasivním prvkům, které elektrickou energii nevratným způsobem mění na jinou formu energie • Technologie montáže: povrchová montáž (SMT) vývodové (THT) drátové vrstvové - uhlíkové - naprášenou kovovou vrstvou - vakuově napař, kovovou vrstvou - cermetove (kovová vrstva vypálená za horka do keramiky) hmotové (polykrystalický polovodivý spékaný materiál; méně kvalitní avšak levný) velikost odporu, výkonové zatížení, teplotní stabilita, časová stabilita, parazitní kapacita, parazitní indukčnost atp. Razení rezistorů Sériově Ri R; r = r1 + r2 + ... +r n Paralelně I—I Ri R, I_I 1 J r r-^ ^ n Rezistory Pro ss napětí a nízké frekvence- chování se blíží ideální součástce c Pro vyšší frekvence lze nahradit obecným obvodem R L Mezní frekvence použitelnosti fjns. =- je-li omezující parazitní indukčnost 2 - /r l f 1 2-tt-R-C JomezuJ1C1 parazitní kapacita Zatížitelnost rezistorů dána teplem vyzářeným rezistorem do okolí příkon vyjadřuje vztah: p = ui, [w, v, a] u = ri i = u/r p=ri2 w,a,a\ u2 Značení rezistorů číselné 47J = 47R = 47 Ĺl 2k2 = 2200Q(2,2-103 £1) M47 = 470k = 470 kQ (470-103 Ĺí) barevné (dle normalizované řady barev) 4- BAREVNY KÔO O vy kód 560Kíl*5% násobek ] tolerance MODRA 5 - proužkový kód 247Q ±1% Proměnné rezistory Dle způsobu zapojení: • reostat - v sérii se zátěží • potenciometr - části dráhy odporu tvoří dělič napětí Průběh dráhy: lineární (N) logaritmický (G) ^^a^TdX0 exponenciální (E) j) ^ rohy ^H^pM\drAhy Provedení: trimr, potenciometr pSiS jednoduchý, tandemový úhel natočení 270 °, víceotáčkové (10 ot.) Pozn.: Odporový dělič zatížený a nezatížený - viz cvičení Napěťově závislé rezistory - varistory Varistor - variable rezistor (VDR - Voltage Dependent Rezistor) • nelineární polovodičová součástka • velikost odporu závislá na velikosti přiloženého napětí I [mA] 200 * UM Napěťově závislé rezistory - varistory • výroba: slisováním a spékáním zrn karbidu křemíku (SiC) za vysokých teplot (1200 °C) (MOV - Metal Oxid Varistor) spékáním oxidu kovů, např. zinku • vlastnosti: rychlá odezva (desítky ns) odolávají krátkodobému přetížení • použití: přepěťové ochrany odlehčující obvody (kontakty relé, demagnetizace cívek relé, ...) Rezistory závislé na teplotě - termistory z angl. slova thermistor - thermal rezistor • nelineární -l\ l- • velikost odporu závisí na teplotě • dva druhy: PTC - kladný teplotní koeficient NTC - záporný teplotní koeficient b(—-—"1 r± = r2 . e Ti> rx - odpor při teplotě tx r2 - odpor při teplotě t2 B - teplotní konstanta termistoru (materiál, geom. tvaro,...) (konstanta B se mění s teplotou —► rovnice není zcela přesná) Rezistory závislé na teplotě - termistory x Rezistory závislé na teplotě - termistory • výroba: rozemletí oxidu kovu (Mn, Fe, Co, Ni,...) přidání příměsí a pojiva slisování vysokým tlakem vypálení při vysoké teplotě (přes 1000 °C) • vlastnosti: rozsah teplot od-200 °C do 300 °C pro měřicí účely je pracovní proud desítky |uA • použití: měření teploty jištění NTC - omezení náraz, proudu PTC - Polyswitch, Semifuse, Multifuse (jedná se o polymer PTC) stabilizace stejnosměrného napětí Rezistory závislé na osvětlení - fotorezistor R závislý na osvětlení R = r\E Logaritmováním log R = log r — a log E Odporová citlivost dR Relativní spektrální citlivost 7 ' ' MA) 10 m 30 40 50 H M) 10 au 30 E[hc] Obi. U Pracovní bod = oblast, kde obvodový prvek pracuje, tj. bod na charakteristice určený U a I, když není přiveden signál p - pracovní bod p 'Sl£j1 sig1 napaj napaj Elektronický obvod l = hs + '3i92 U = Uss + Usig2 OP r 1 výst uvýst -o 15 10 í > [TflAl : / 25 / 15 p j ro K _X 5 *r - 1 "1 |---i-yt—1 2 -i n B 10 12 u [V] : 2 4 6 s 10 12 ti [V] Statický, dynamický odpor Statický odpor ř + [mAj- stat 20 15 10 5 2 4 6 S 1012 u [V] Dynamický odpor au0 .U UP2 = 11V lp2 UP1 = 7 V [ pi - 5 mA tečna 2 4 6 S 10 12 u IV] Typy pasivních dvoj pólů - kapacitor Kondenzátor akumuluje energii ve formě energie elektrického pole. Kapacitor charakterizuje závislostí akumulovaného náboje q na napětí u. i©! c dielektriku rr u(t) _| C = 4 [F] £0 = 8,854 • 10~12 F • m 1 qŤ q = C u j, 1 Vľ = -Cu2 0 u —> b) -1 Náhradní zapojení R., i- R. c 2 2n-f-C Pzträt = U;f-2n-f -C • tgô 1 Vlastnosti dielektrickvh materiálů •UM** tlŕK'l m**. fi*0Jftivi Mi Ipf - AQrJ 100 • »000 dúfarl Vybôrn*. *bndn* c-o *f íK*** 100*2000 bobr* .. Jlf moJwý vfto*r T, (*f «xajw»y| &* T O t lOpf - IjJ 40 »000 tpihni t#*l"í ťnlM, krvná, Irpí hrilH* Jt C > rt*1* ■ MU* w ■ 1000 dufcrl r'Ji ,. kvr-* dobři, oblbini lOpŕ í.7,rf 100-100 dobi* • rW<*. M^äcŕntin* pra ľŕtry so-ňoo "U* ■ ŕt--i rillU f»4 vprav vtan 100*# - tO*ŕ 100 ■ 800 f vvtKwn*. ~ iM hirtf— Itrlon In* • ři* SO ■ 20O vHxvrU, r**fntnV hrtlťtJ* lůpí - InF 100- 1000 dobrí 400r» MM) p*!*, OJ** • SÚCU* 1 100 j m ***** LptinJ f hry v* i0*uf i>. IputrJ r-varnatf o.if íor IJV ■ A fcptMl m*n> 0J«« ľOO 20000 Mladni maty vtfcvum IN,' lpf w 2000 ■ 60000 -dobil pri «tjNCi pec*-** lOOpf - 0,1** M MO dobil *»P»lWllH)*il r+itiif ľ. 100 1000 ■4*4* m* , pru'ír nfjnl da»tnJtm>rv| Konstrukční provedení diskový materiál: polyester, polypropylen Řazení kapacitorů Ci C2 cn HI—IH 111 1 - = — + — +••• + C Ci C2 Cn C2 —T—Cn c = d + c2 + - +c. Značení kapacitorů * číselné zákl. j. = pF (|j,F) 82 = 82pF 10k= lOnF 4n7 = 4,7nF M5 = 0,5^lF 500M = 0,5mF mili io-3 mikio io-6 nano io-9 piko io-12 • barevné Y — msjhA CfitlCE i;ik hahCí Obr. 4-S JWntíHŕý hijhí hrj c i TEPLOT Hl SOuClrtTCL Typy pasivních dvojpólu - induktory Cívka akumuluje energii v magnetickém poli a je charakterizována závislostí spřaženého magnetického toku *F na proudu i. «01 u(t) 4 ¥ = Li ^ 1 , W = -Li2 0 i —> b) cívka navinuta nejčastěji z měděného drátu (VF lanko) vzduchová (případně plošná) na železném j ádře - na feritovém jádře Náhradní schema c R L L = N ■ // • — / Induktory - relativní permeabilita |u = permeabilita H> = IV Mr ju0 = 4 n * 10"7 [H/m] < 1 diamagnetické látky \ir = 0,993 dusík \ir > 1 paramagnetické látky \ir = 2,85 kyslík \ir »1 feromagnetické látky \ir = 1,28 vzduch \ir = 500 železo \ir = 3000 permalloy \ir = 5000 ferit relativní susceptibilita = Xm _ a , v závislost na teplotě, s teplotou klesá Mr — J- "r Am M- magnetizace H- intenzita mag. pole Razení induktoru Sériově u l2 _rm_mr>_ l = lt + l2 + - +l n Aktivní obvodové prvky Působí v obvodu jako zdroje elektrické energie. Energii nevyrábí, ale získávají ji z energie jiného druhu, např. energie chemické, tepelné, světelné, mechanické nebo jiné. • nezávislé (autonomní) zdroje • závislé (řízené) zdroje (ZNŘN, ZPŘP, ZNŘP, ZPŘN) Nezávislé zdroje elektrické energie • nezávislé zdroje napětí • nezávislé zdroje proudu ■ ideální ■ reálné zdroje > lineární > nelineární Zdroje napětí a proudu Ideální zdroj napětí - napětí na svorkách u(t) nezávisí na velikosti odebíraného proudu i(t) u(t) a) Reálný zdroj napětí -o 1=0 - RZN Ui(t) G a) b) u(tk) 0 11 lli(tk) - v \ lin. \ v 1 V.1 0 k V b) Zdroje napětí a proudu Ideální zdroj proudu - dodává proud určitého časového průběhu i(t) nezávisle na velikosti zátěže i(t) u(t) -o Reálný zdroj proudu a) ii(t) RZP a i u = 0 i(tk) 0 b) u Reálny zdroj napětí Uj - vnitřní napětí U - svorkové napětí Rj - vnitřní odpor Reálny zdroj proudu vznikne spojením ideálního zdroje proudu s pasivním prvkem ii I = L - GrU = I. -M Ij - vnitřní proud Gj - vnitřní vodivost / - výstupní proud