Základy elektroniky
zopakování (?)
pasivní a aktivní součástky
odpory a Ohmův zákon, kondenzátory
diody a LED, tranzistory, stabilizátory napětí
sensory - teplota, vlhkost, tlak a světlo
Potenciál a napětí
 elektrický potenciál φ popisuje
potenciální energii testovaného
náboje v určitém elektrickém poli
 rozdíl mezi dvěma místy s danými
hodnotami potenciálu je pak napětí U
 u obou je jednotkou volt (V)
 pokud má tužková baterie napětí 1,5 V, tak to
znamená rozdíl mezi jejím kladným a
záporným pólem
 lze to změřit milivoltmetrem
 v elektrochemii se potenciál
elektrody značí spíše symbolem E
 napětí může být stejnosměrné (DC)
či střídavé (AC, např. 220 V v zásuvce)
Proud, energie, výkon
 elektrický proud I je dán intenzitou toku elektronů,
jednotka amper A
 směr proudu je ale dán opačně – je roven toku pozitivních
ekvivalentů
 v obvodech tedy teče od pozitivního k negativnímu pólu
 energie E značí, kolik práce W je systém schopen
vykonat, nebo kolik tepla vygenerovat
 nezávisí na čase
 platí zákon zachování energie, může se měnit na různé formy
 jednotkou SI je joule J, (1 J = 1 watsekunda Ws) či běžně
známá kilowathodina kWh
 na kalorii cal zkusme zapomenout ...
 výkon P je dán přeměnou energie za čas, P = ΔE/Δt
 jednotka je watt W, 1 W = 1 J s-1
 výkon generovaný v elektrickém systému je P = UI
Elektronické
součástky
 elektronické konstrukce,
moduly a zařízení jsou složeny
z několika základních stavebních a konstrukčních prvků – součástky
 pasivní – nevnášejí do obvodu žádnou energii
 aktivní – umí zvyšovat (obecně měnit) energii signálu pomocí
energie z vnějšího zdroje
 elektromechanické – přeměňují elektrickou energii na energii
mechanickou (nebo naopak)
 mechanické – jakékoli mechanické prvky, které jsou součástí
elektronického zařízení, ale nijak elektrickou energii nemění, mohou
se však podílet na jejím přenosu
 mají vývody ve formě drátků, v současnosti také
miniaturizované verze s pájecími ploškami
Zdroj napětí
 na svém výstupu udržuje stálé elektrické napětí
 ideálně bez ohledu na odebíraný elektrický proud
 vnitřní odpor reálného zdroje omezuje maximální proud, který
může elektrickým obvodem protékat
 příklady:
 nabíječka mobilních zařízení (adaptér), která na svém
USB výstupu poskytuje napětí 5 V
 jiné adaptéry s různě velkým napětím
 tužková baterie – výstupní napětí 1,5 V, dobíjecí verze –
1,2 V, velikosti AA nebo AAA
 power banka – USB s 5 V
 (pozor – některá se samovolně vypne při nízkém odběru)
 uvnitř má Li-ion nebo Li-polymer akumulátor(y) – ty dávají 3,7
V, ale upraví se pro 5 V na výstupu
Adaptéry
 připojí se do sítě, na výstupu nízké DC
napětí, pozor na polaritu
 vnitřní část konektoru je obvykle
plus, kovový plášť minus
 přepólování často zničí špatně
připojené zařízení – prostudovat štítek
 CE … certifikováno k provozu v EU
 výhodou více výstupů nebo měření U, I
+ -
Galvanické články
 chem. zdroje el. napětí ze dvou poločlánků – elektrody v prostředí
vhodného elektrolytu
 primární – jednorázové, vybíjí se kompletně; sekundární – akumulátory – dají se
opakovaně nabíjet
 pro - elektrodu – Zn, Li, Cd, hydridy kovů
 pro + elektrodu MnO2 (burel), oxid-hydroxid niklitý NiO(OH), Ag2O
 elektrolyt - vodné roztoky alkalických hydroxidů (KOH), silných kyselin nebo
jejich solí, také bezvodé elektrolyty
 zinko-uhlíkový článek (Leclanch): MnO2 / Zn / NH4Cl 1,5 V
 alkalický článek: MnO2 / Zn / KOH 1,5 V
 olověný akumulátor: PbO2 / Pb / H2SO4 2 V
 nikl-metal hydridový akumulátor: NiO(OH) / hydrid / KOH 1,2 V
 lithium-iontový akumulátor: LiCoO2 / Li v grafitu / LiPF6 v org. rozp.
3,6 V

Odpor R
 elektrický odpor R (resistor, resistance) je mírou
omezení toku elektronů daným místem, jednotka ohm Ω
 odpor je dán velikostí napětí, které je nutné k průchodu
proudu I (Ohmův zákon): R = U/I (tj. 1 Ω = 1 V A-1
)
 odpor je také elektrickou součástkou, značí se
 ve schématech amerických a v evropských
 dělič napětí – u odporů spojených v sérii
(za sebou) se celkové vnesené napětí
rozdělí dle velikostí jednotlivých odporů
Typy a značení
 odpory se značí barevným kódem
ze 4 nebo 5 pásků na součástce
 dekódování uvádí tabulka
 vždy to jde také proměřit ...
 proměnlivé odpory
 trimry do plošného spoje
 potenciometry do panelu
Kondenzátor
 elektrická kapacita C je reprezentována
kondenzátorem jako součástkou, která má schopnost
krátkodobě uchovat náboj; jednotkou je farad F
 může ho uvolnit rychle, nebo dle potřeby vyrovnávat nedostatky
napájení jiného zdroje energie (napětí)
 vpravo je značka elektrolytického kondenzátoru,
je nutné dodržet vyznačenou polaritu při
zapojení do obvodu
 značení kondenzátorů je
dáno hodnotou a počtem
nul – v pF, zde tedy 10∙105
,
tj. 1 uF
 při zapojení do obvodu se nesmí překroči doporučené napětí
Cívka L (indukčnost)
 pasivní součástka má schopnost při průchodu proudem vytvářet
magnetické pole a akumulovat jeho energii
 značka L, jednotkou je Henry (1 H), v praxi nH až mH
 změna proudu tekoucího vinutím vytváří elektromotorickou sílu
s protisměrným směrem
 naopak proměnlivé magn. pole, když proniká do cívky, indukuje napětí
 využívají se pro filtrační účely, ochrany proti přepěťovým špičkám
(odrušovací tlumivky), rezonanční obvody
 ve spínaných stabilizátorech (u zvyšovacích měničů se využívá schopnosti
indukovat mnohem vyšší napětí při rychlé změně proudu
 reálná cívka nevykazuje pouze indukčnost, ale též sériový odpor, paralelní odpor
a paralelní kapacitu
 cívky jsou obsaženy i v transformátorech,
relé, zvoncích, elektromagnetických ventilech,
motorech, ... s pevným jádrem - elektromagnet
 při sériovém spojení se zvětšuje
celková indukčnost: L = L1 + L2 + ...
 dlouhá – solenoid, kruhová - toroid
Kmitavý rezonanční obvod
 kolem cívky se průchodem stejnosměrného proudu vytváří stálé
magnetické pole
 magnetický indukční tok závisí přímo úměrně na indukčnosti cívky a velikosti
proudu. lze zesílit vložením jádra – magnetického obvodu do cívky
 v obvodu střídavého proudu vzniká proměnné magnetické pole
 v cívce indukuje napětí - působí proti změnám, které je vyvolaly (Lenzův zákon)
 což má za následek vznik impedance, u cívky nazývané induktance, tj. odpor cívky
proti průchodu střídavého proudu
 induktance závisí přímo úměrně na indukčnosti a frekvenci střídavého proudu
 důležitá je cívka u elektromagnetického kmitání
 vzniká v obvodu s kondenzátorem a cívkou (LC nebo RLC obvody), kde se
periodicky opakuje přeměna elektrické energie na magnetickou a opačně
 u střídavého proudu se uplatňuje impedance
obou součástek a nastává rezonance,
její frekvence bude:
 obvod může být zapojen sériově i paralelně
Polovodiče
 (vysoký) el. odpor čistého polovodiče se dá
změnit teplotou, osvětlením, ale i přidáním
malého množství cizí chemické látky –
tzv. příměsi – dopování N-dopování As
 u typu N stále tepelně vznikají páry
elektron–díra, počet volných eje
díky
příměsím vyšší než počet děr
 volné elektrony = majoritní nositelé náboje
 díry = minoritní nositelé náboje
 příměsový atom = donor, dárce – poskytnul svůj elektron
 polovodič typu P = majoritní díry coby nositelné pozitivního náboje,
elektrony = minoritní
 příměsový iont = akceptor (příjemce), protože přijal elektron do svého
obalu, např. B, Al
PN přechod
 na rozhraní mezi P a N dochází
k rekombinaci mezi dírami a
elektrony
 vzniká tenká hradlová oblast bez
volných nositelů náboje
 při pokojových teplotách má dle
koncentraci příměsí šířku setiny
až jednotky mikrometru
 příměsové ionty vázané v krystalové mřížce v hradlové vrstvě
zůstávají a svou přítomností vytvářejí v této oblasti elektrické pole
 to zabrání tomu, aby zrekombinovaly všechny volné e- z celého
objemu polovodiče N s děrami uvnitř části P
 oblasti P a N mimo hradlovou vrstvu zůstávají neutrální a na
uvažovaných jevech se nepodílejí
Připojme stejnosměrné napětí
 pokud dáme polovodič P na kladný pól zdroje, jsou díry v P i volné
elektrony v N odpuzovány od pólů zdroje, a tedy tlačeny do oblasti
hradlové vrstvy - její tloušťka
se zmenšuje, tím se zeslabuje
i elektrické pole vytvořené
příměsovými ionty, a přechod
se stává lépe vodivým
 propustný směr


 pokud napětí obrátíme, budou díry v P a volné elektrony v N
polovodiči zdrojem odsávány
od přechodu, šířka izolující
hradlové vrstvy poroste a PN
přechod se bude chovat jako
nevodič
 závěrný směr
Dioda D
 aktivní polovodičová součástka, která umožní průchod proudu
pouze jedním směrem
 šipka určuje směr vedení proudu, vertikální čárka značí vývod katodu,
na opačném
konci je anoda (ta se připojí
k pozitivnímu pólu nebo
k vyššímu potenciálu)
 diodu lze tedy zapojit v propustném (prakticky neklade odpor proudu –
pozor na zkrat) nebo závěrném směru
 dochází na ní ale k úbytku napětí, běžně kolem 0,7 V
VA charakteristika D
 chování v propustném směru
 na diodu přivedeme kladné napětí
(P připojeno na +) a postupně je
zvyšujeme
 proud je nejdříve zanedbatelný,
hradlová vrstva v PN přechodu
se s nárůstem napětí postupně ztenčuje a stává se pro nositele náboje
stále lépe průchozí - exponenciální zvyšováním proudu
 v praxi se často proud pro malá napětí považuje za nulový (a dioda
tedy za nevodivou) a po překročení tzv. prahového napětí se jeho
prudký nárůst modeluje lineární závislostí
 pro Si diody se pohybuje kolem 0,7 V, pro Ge diody jen 0,3 V
 pokud přivedeme na diodu záporné napětí (P připojeno na −), je dioda
zapojena tzv. v závěrném směru
 průchodu proudu brání hradlová vrstva v PN přechodu, proud
v závěrném směru se považuje za zanedbatelný
LED
 světlo emitující dioda je LED
 různé barvy, napětí v propustném
směru je 1,6 až 2,6 V
 zapojuje se do série s odporem – ten určuje (limituje)
velikost procházejícího proudu
 slouží jako různobarevné indikátory,
výkonné varianty se musí chladit
 skupiny LED mohou vytvářed základ
číslic, písmen či sloupcový graf
 dnes základ osvětlovací
techniky – náhrada žárovek,
LED pásky
Fotodioda
 v nepřítomnosti osvětlení se fotodioda chová stejně
jako obyčejná usměrňovací dioda
 pokud je PN přechod osvětlen, energie přinášená dopadajícím
zářením generuje páry elektron–díra, a tím se zvyšuje vodivost
hradlové vrstvy
 přítomnost světla se projeví zejména v závěrném směru: čím větší
osvětlení, tím větší závěrný proud
 ve III. kvadrantu pracuje fotodioda v tzv. odporovém
(fotovodivostním) režimu = jako resistor citlivý na světlo
 ve IV. kvadrantu v hradlovém /
fotovoltaickém režimu, funguje
jako zdroj elektrické energie
Transistory T
 základní vlastností je schopnost zesilovat
proud nebo napětí
 jsou složené ze tří vrstev dvou typů
polovodičů – typu P a N
 základními prvky integrovaných obvodů
 dělí se do dvou základních skupin – bipolární
a unipolární podle toho, které druhy nosičů
energie se v konkrétním typu uplatňují
 bipolární - na přenosu energie se podílejí oba typy
nosičů, tj. jak elektrony, tak díry; podle uspořádání
se dělí na tranzistory typu NPN (vlevo) nebo PNP
 výstupní proud je řízen vstupním proudem
 unipolární - na přenosu energie podílí vždy jen jeden typ nosiče
 výstupní proud je řízen el. polem vytvářeným
vstupním napětím
 označují se jako FET (field effect transistor)
 pdle uspořádání polovodičových materiálů se dělí
na transistory s kanálem typu N nebo P
Zapojení se společným
emitorem
 v praxi dává největší proudové i
výkonové zesílení
 tranzistor jako zesilovač nebo spínač
proudu spotřebičem
 fungování spotřebiče můžeme ovládat
malými změnami proudu v řídicím obvodu
 pro napájení spotřebiče (žárovka,
elektromotor, …) potřebujeme větší proudy, zatímco v řídicím
obvodu máme součástky s malým proudovým odběrem (např. čidlo
citlivé na vnější podmínky – termistor, fotodioda, …).
 pokud do báze neteče proud (IB = 0), tranzistor je zavřený (IC = 0 )
 malá změna IB na vstupu způsobí mnohem větší zvýšení (proudový
zesilovací činitel β, typicky 10 až 1000): IC = β IB
 pro velké hodnoty má téměř konstantní hodnotu - saturace, stav
„sepnuto“
Integrované obvody IC
 složené z mnoha miniaturních elektronických součástek, které jsou
uvnitř integrovaného obvodu propojeny do předem zamýšleného
funkčního celku
 každý IC tedy přesně danou jednu nebo i více funkcí
 např. mikroprocesory, mikrokontrolery, obvody pro správu napájení, obvody
obsahující základní logické funkce a tak podobně
 z důvodů nepřeberného množství IC a jejich funkcí je v této části
více rozebírat nebudeme
 možnosti připojení IC k plošnému spoji
 DIP
dual inline
package
 SOP
small-outline
package
 BGA
ball grid array
Analog vs. digital
 analogový signál je spojitý a kontinuální
 mezi dvěma hodnotami může
být nekonečně mnoho
mezihodnot
 v daném rozsahu může takový
signál nabýt všech možných
hodnot
 fyzikální veličina, která může nabývat pouze určité
diskrétní hodnoty, je digitálním signálem
 moderní systémy pracují
se dvěma (logickými)
urovněmi signálu 0 a 1
(High – Low)
U
t
U
Mikroprocesor
 zkráceně µP či uP je v informatice označení pro centrální
procesorovou jednotku (CPUcentral processing unit), která je jako
celek uložena do pouzdra integrovaného obvodu
 postupně zpracovává jednotlivé instrukce programu, tím realizuje
požadovanou funkci
 představuje příklad sekvenčního logického obvodu, který pro
uložení dat používá dvojkovou (binární) soustavu
Mikrokontroler vs. mikroprocesor
 mikrokontrolér je jednočipový počítač, který můžeme různě
naprogramovat
 používá CPU (central processing unit), RAM (random acces
memory), ROM (read only memory) a I/O (vstupy a výstupy)
mikroprocesoru – vše integrované v jednom čipu
 mikroprocesor má CPU v jednom čipu, RAM, ROM a I/O jsou zvlášť

Numerická soustava mikroprocesorů
 v běžném životě používáme dekadickou soustavu
založenou na číslicích 0 až 9
 máme 10 prstů, z toho vyšly arabské číslice
 každé číslo umíme intuitivně rozložit:
 2563 = 2000 + 500 + 60 + 3
 což odpovídá vždy číslici násobené mocninou 10:
 2563 = 2∙103
+ 5∙102
+ 6∙101
+ 3∙100
 v binární soustavě máme pouze číslice 0 a 1 a ty se
násobí mocninami 2:
 1001 = 1∙23
+ 0∙22
+ 0∙21
+ 1∙20
= 1∙8 + 0∙4 + 0∙2 + 1∙1 = 9 (dekad.)
 jedna číslice zde tedy reprezentuje bit (hodnoty 0 nebo 1)
 byte reprezentuje 8 bitů, hodnoty mezi B0000000 (dec. 0)
a B11111111 (dec. 255)
 binární číslo se označuje na počátku písmenem B
 Now you get the joke: There are only "10" kinds of people. Those who
understand binary code and those who do not.
Převodová tabulka
 pro numerické soustavy
Decimal Binary Hex
0 0 0
1 1 1
2 10 2
3 11 3
4 100 4
5 101 5
6 110 6
7 111 7
8 1000 8
9 1001 9
10 1010 A
11 1011 B
12 1100 C
13 1101 D
14 1110 E
15 1111 F
Elektrický obvod
 vodivé spojení elektrických prvků, např. odporů,
kondenzátorů, cívek, tranzistorů, diod a spínačů
 tyto prvky vytváří vodivou cestu pro přenos elektrické
energie a splňují funkce, které jsou od obvodu požadovány (např.
zesilování signálu, vytváření oscilací apod.)
 může být nepatrný jako mikročip, nebo může zahrnovat celou
elektrickou síť
 obvod se může skládat z jednotlivých (tzv. diskrétních) prvků nebo
celých integrovaných obvodů
 pokud je vodivá dráha tvořená elektrickým obvodem uzavřená, pak
se hovoří o uzavřeném elektrickém obvodu
 je-li vodivá dráha obvodu přerušena, např. otevřeným spínačem, pak
se mluví o otevřeném elektrickém obvodu
Složky obvodu
 běžný elektrický obvod obsahuje tyto základní prvky:
 zdroj – poskytuje vstupní energii
 přístroj - slouží k ovládání obvodu (vypínač) nebo jeho ochraně před
poruchovými stavy (pojistka)
 vedení - slouží k přenosu elektrické energie od zdroje k spotřebiči,
tvořeno dvěma či více vodiči navzájem oddělenými izolantem
 spotřebič - mění elektrickou energii na energii výstupní (např.
světelnou v případě žárovky či LED diody nebo pohybovou v
případě motoru)

 pro zakreslení elektrického obvodu slouží schémata, ve kterých má
každá část, tzn. každý elektrotechnický prvek, svou značku
Vytváření schémat
 než něco začneme vytvářet, je dobré si to předem naplánovat –
nakreslit si schéma
 www.digikey.cz/schemeit/ … on-line platforma s bohatou zásobou
různých součástek, vytvoření spojů, komentáře, seznam potřebných
komponent pro nákup
 export jako PNG



 Fritzing – aplikace pro různé OS (8 EUR)
 více “obrázkové” navrhování
a dál k návrhu spojů
 https://easyeda.com/editor (electronics design automation)
 on-line návrh schématu, volba komponent, simulace funkce obvodu,
návrh a úprava plošného spoje, zadání do výroby
Propojování komponent
 provizorně – jednorázová konstrukce, ověření zamýšlené funkce,
prototypování, rozebíratelné
 breadboard – destička s dírkami, které mají vespod kontakty a jsou
propojeny v rámci řad nebo sloupců, lze tam zastrkovat součástky,
moduly, vodiče apod., není nutné pájet

Pájení do PCB
 PCB deska vytvořená přesně dle konkrétního
schématu obvodu, bere v potaz velikosti
součástek a umístění vývodů
 univerzální PCB – spoje pomocí přítomných
drah doplněné připájenými vodiči
 pouze několik součástek – připájet rovnou
metoda “vrabčího hnízda”
Pájení
 elektrické zahřátí cínové pájky ji roztaví a tavenina se
spojí s vývodem i pájecím bodem – trvale a spolehlivě
Další informace

 https://e-manuel.cz/ On-line učebnice fyziky pro gymnázia
 Simon Monk: Hacking electronics, 2017, 305 stran.
 Stručný úvod do elektroniky, základních součástek a prvních triviálních
experimentů, včetně různých mikrokontrolerů.
 Martin Malý: Hradla, volty, jednočipy. Úvod do bastlení 2017, 514 str.
 Od primitivních základů postupně až ke složitějším příkladům s různými
mikrokontrolery, zopakování logických operací, principy sensorů – vždy včetně
vysvětlení.