Elektronika I ISBN Vydavatel, nositel autorských práv, vyrobil: (C) Evropský polytechnický institut, Ing. Oldřich Kratochvíl

1

S So ou uk o.. krro om má á ssttřře ed dn níí o od db bo orrn ná á ššk ko olla a,, ss..rr..o Osvobození 699, 686 04 Kunovice

tteell..:: 5 57 72 25 54 48 81 19 98 8,, ee--m maaiill::sssso oss@ @eed du uk ko om mp plleexx..cczz

Elektronika I

IIn ng g.. O Olld dřřiicch hK KR RA AT TO OC CH HV VÍÍLL 2 20 00 07 7

2

3

Ing. Oldřich Kratochvíl

Elektronika I Vydavatel, nositel autorských práv, vyrobil:

(C) Evropský polytechnický institut, 2007 Editor: Prof. Ing. Vladimír Mikula, CSc.

ISBN 978-80-7314-114-1

9

10

Obsah 1

ZÁKLADNÍ ELEKTRONICKÉ PRVKY............................................................................. 9 1.1 REZISTORY ................................................................................................................. 9 1.1.1 Pevné vrstvové rezistory .................................................................................. 12 1.1.2 SMD rezistory................................................................................................... 12 1.1.3 Pevné drátové rezistory.................................................................................... 13 1.1.4 Rezistory s více, než dvěma vývody ................................................................ 13 1.2 KONDENZÁTORY ........................................................................................................ 16 1.2.1 Konstrukce pevných kondenzátorů .................................................................. 16 1.2.2 Kondenzátory s proměnnou kapacitou............................................................. 22 1.3 CÍVKY ....................................................................................................................... 23 1.3.1 Konstrukce cívky .............................................................................................. 23 1.3.2 Základní výpočty cívky ..................................................................................... 29 1.4 TRANSFORMÁTOR ..................................................................................................... 33 1.5 POLOVODIČOVÁ DIODA .............................................................................................. 37 1.5.1 Základní pojmy ................................................................................................. 37 1.5.2 Vznik a vlastnosti PN přechodu........................................................................ 42 1.5.3 Ampérvoltová charakteristika diody.................................................................. 47 1.5.4 Druhy polovodičových diod .............................................................................. 55 1.5.5 Schematické určení časového průběhu usměrněného proudu ........................ 59 1.5.6 Střední hodnota usměrněného napětí a proudu............................................... 60 1.5.7 Střídavá složka usměrněného napětí, zvlnění ................................................. 60 1.5.8 Sériové a paralelní řazení diod......................................................................... 60 1.5.9 Aplikace............................................................................................................ 61 1.5.10 Elektronický obvod ........................................................................................... 63 1.6 ZÁKLADNÍ POJMY A JEJICH VYSVĚTLENÍ ...................................................................... 65 1.7 OTÁZKY: ................................................................................................................... 67 1.8 KONSTRUKČNÍ ÚLOHY ................................................................................................ 74

2

ZDROJE STEJNOSMĚRNÉ ELEKTRICKÉ ENERGIE ................................................. 80 2.1 CO TO JE ELEKTRICKÝ ZDROJ A JEHO FUNKCE V ELEKTRICKÉM OBVODU....................... 80 2.2 STEJNOSMĚRNÉ, STŘÍDAVÉ, PULSNÍ A OSTATNÍ ZDROJE .............................................. 81 2.3 MONOČLÁNKY A PLOCHÉ BATERIE .............................................................................. 82 2.3.1 Monočlánky ...................................................................................................... 82 2.3.2 Spojování monočlánků - baterie....................................................................... 85 2.4 ZÁKLADNÍ PARAMETRY STEJNOSMĚRNÝCH ZDROJŮ ..................................................... 88 2.5 MĚŘENÍ ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKY STEJNOSMĚRNÉHO ZDROJE ........................... 89 2.6 TVRDOST STEJNOSMĚRNÉHO ZDROJE ........................................................................ 90 2.7 SÍŤOVÉ NAPÁJECÍ ZDROJE PRO ELEKTRONICKÁ ZAŘÍZENÍ ............................................. 91 2.7.1 Jednocestný usměrňovač odporové zatížený .................................................. 94 2.7.2 Dvojcestný Graetzův usměrňovač s odporovou zátěží (můstkové zapojení) ... 95 2.7.3 Zapojení se zdvojeným sekundárním vinutím síťového transformátoru........... 96 2.8 USMĚRŇOVAČE SE SBĚRACÍM KONDENZÁTOREM ........................................................ 98 2.8.1 Jednocestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem .................................. 98 2.8.2 Dvojcestný můstkový usměrňovač se sběracím kondenzátorem..................... 99 2.8.3 Dvoucestný usm. se zdvojeným vinutím síťového transf. a sběracím kond... 101 2.8.4 Zdroje souměrného napětí ............................................................................. 102 2.8.5 Násobiče (kaskádní, podle Villarda)............................................................... 103 2.9 FILTRY .................................................................................................................... 104 2.10 STABILIZACE NAPĚTÍ ................................................................................................ 105 2.10.1 Stabilizátor napětí se Zenerovou diodou (parametrický stabilizátor).............. 105

11 2.10.2 Stabilizátor napětí s tranzistorem................................................................... 107 2.10.3 Integrované stabilizátory ................................................................................ 107 2.10.4 Elektronická pojistka ...................................................................................... 112 2.11 POUŽITÉ VÝRAZY S PŘEKLADEM A JEJICH STRUČNÝ POPIS ........................................ 113 3

TRANZISTOR .............................................................................................................. 116 3.1 ZÁKLADNÍ POJMY..................................................................................................... 116 3.2 BIPOLÁRNÍ TRANZISTOR JAKO SPÍNAČ ...................................................................... 116 3.2.1 PNP a NPN tranzistor .................................................................................... 116 3.2.2 Základní zapojení bipolárního tranzistoru jako spínače ................................. 122 3.2.3 Zbytkové proudy bip. tranzistoru, proudový zesilovací činitel, ss char........... 130 3.2.4 Měření vstupní a výstupní charakteristiky v zapojení SE............................... 135 3.2.5 Nastavení pracovního bodu tranzistoru ......................................................... 136 3.2.6 Řešení saturace (nasycení) ........................................................................... 140 3.2.7 Mezní parametry bipolárních tranzistorů........................................................ 140 3.2.8 Ochrana přechodu B-E .................................................................................. 141 3.2.9 Časové postupy vypínání spínače s odporovou zátěží.................................. 142 3.2.10 Spínač s induktivní a kapacitní vazbou .......................................................... 144 3.3 VYUŽITÍ BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU JAKO ZESILOVAČE ............................................ 145 3.3.1 Přeměna akustického signálu na elektrický a opačně ................................... 147 3.3.2 Základní zapojení tranzistoru jako zesilovače malých střídavých signálů ..... 163 3.3.3 Stabilizace pracovního bodu tranzistoru ........................................................ 166 3.3.4 Volba pracovního bodu zesilovače střídavých signálů................................... 171 3.3.5 Statická a dynamická zatěžovací přímka ....................................................... 173 3.3.6 Střídavé parametry tranzistoru....................................................................... 174 3.3.7 Mezní kmitočty, šum a mezní hodnoty tranzistoru ......................................... 183 3.4 ZESILOVAČE ELEKTRICKÝCH SIGNÁLŮ ...................................................................... 184 3.4.1 Zesilovače napětí, proudu a výkonu .............................................................. 184 3.4.2 Impedanční transformátor .............................................................................. 185 3.4.3 Nejvýznamnější parametry zesilovačů........................................................... 185 3.4.4 Linearita a zkreslení zesilovače ..................................................................... 185 3.4.5 Zesilovač a zesilovací stupně ........................................................................ 186 3.4.6 Mikrofonní zesilovač....................................................................................... 199 3.4.7 Směšovací stupně.......................................................................................... 201 3.4.8 Budicí zesilovač ............................................................................................. 203 3.4.9 Korekce hloubek a výšek (korekční předzesilovač) ....................................... 204 3.4.10 Regulátor vyvážení s využitím změny zesílení kanálů................................... 207 3.4.11 Ekvalizér......................................................................................................... 207 3.4.12 Nastavení hlasitosti ........................................................................................ 209 3.4.13 Výkonový zesilovač, tzv. koncový stupeň ...................................................... 212 3.5 VÝKONOVÉ ZESILOVAČE S INTEGROVANÝMI OBVODY ................................................ 224

4

TYRISTOR ................................................................................................................... 227

5

TRIAK........................................................................................................................... 229

6

DIAK............................................................................................................................. 231

7

Studijní cíle Po absolvování tohoto učebního textu budete schopni: Hledat technické informace o elektronických prvcích v katalozích. Určit stejnosměrné a střídavé napětí. Zobrazit stejnosměrné a střídavé napětí na osciloskopu. Tvořit elektronické obvody s transformátorem. Tvořit elektronické obvody s diodou. Používat tlačítka, vypínače, pojistky, relé a stykače. Vytvořit π filtr LC. Konstruovat obvody a sestavovat rozpočet. Stručně popsat obvody v jazyku anglickém. Řešit úlohy v týmu. Pracovat s odbornou literaturou. Nakreslit schematickou značku – rezistoru - kondenzátoru - cívky a tlumivky - transformátoru - diody Pochopit rozdílné chování kovů a polovodičů v důsledku jejich rozdílných druhů vazeb mezi jednotlivými atomy krystalu. Pochopit, proč kov vede vždy a proč polovodič jen při dostatečně vysoké teplotě, nebo při dodání dostatečného množství příměsi. Pochopit, jak lze využít dotace povrchů tenkých polovodičových destiček donory a akceptory k výrobě polovodičových prvků, jako jsou diody, tranzistory, tyristory, triaky, diaky atd. Seznámíte se s dalšími vlastnostmi PN přechodu. Chápat a správně používat údaje uvedené v katalogu diod. Umět vysvětlit, změřit a použít v praxi voltampérové charakteristiky, včetně její teplotní závislosti. Pochopíte důvod komutace diody. Pochopíte význam chlazení diody. Nalézt druhy prvků a vypočítat cenu elektronického zařízení. V jazyce anglickém popsat obvody. Nakreslit průběhy napětí v obvodech a na elektronických prvcích. Nakreslit obvodová řešení pro měření elektronických prvků. Konstruovat jednoduchá elektronická zařízení. Členit zdroje na stejnosměrné a střídavé. Měřit a využívat zdroje podle základních parametrů (U0, Ik, Ri, zatěžovací charakteristika), posoudit tvrdost zdroje. Nakreslit schéma a měřit zatěžovací charakteristiku. Využívat výhod řazení zdrojů a eliminovat nevýhody. Chápat, jak zpracuje elektrickou energii kondenzátor, cívka a transformátor. Vypočítat a určit časovou konstantu τ RC obvodu. Zkontrolovat fázi, nulový a ochranný vodič u zásuvky. Znalost základních pojmů v anglickém jazyce. Na štítku nalézt výrobce zdroje elektrické energie, určit technické parametry a ceny. Navrhnout a sestavit výukový panel pro tuto kapitolu. Navrhnout standardizovaný elektronický protokol k měření. Popsat rozčlenění tranzistorů. Popsat a vyhledat odpovídající chladič tranzistoru. Použít přechody PN tranzistoru. Sestavit a popsat činnost blokového a obvodového schématu tranzistoru jako spínače. Nakreslit a popsat parametry zapojení bipolárního tranzistoru (SE, SB, SC).

7

8

Ověřit funkčnost tranzistoru. Popsat různá technická zapojení tranzistoru, včetně popisu v cizím jazyce. Správně polarizovat kondenzátory a baterie u NPN a PNP tranzistoru. Popsat a použít Darlingtonovo zapojení. Navrhnout, popsat a sestavit obvod pro zvýšení citlivosti relé. Navrhnout, popsat a sestavit obvod spínače s fotoodporem. Navrhnout, popsat a sestavit obvod jako senzorový spínač. Navrhnout, popsat a sestavit obvod jako senzorové tlačítko. Navrhnout detektor vlhkosti. Nakreslit a vysvětlit blokové schéma sestavy. Popsat konstrukci a použití tranzistoru. Nakreslit směrové charakteristiky mikrofonu. Popsat a využívat prvky připojení mikrofonu k zesilovači, včetně zapojení konektorů. Popsat technické řešení reproduktorů, včetně kmitočtové a směrové charakteristiky. Popsat rozdělení zesilovačů. Popsat blokové schéma zesilovače. Popsat parametry zesilovače. Popsat a nakreslit způsoby nastavení pracovního bodu tranzistoru. Popsat a nakreslit třídy zesilovače. Popsat a nakreslit kompenzační obvody tranzistoru. Popsat činitel stabilizace. Popsat a nakreslit emitorový sledovač. Popsat a nakreslit dvoustupňový zesilovač. Popsat a nakresli dvojčinný mikrofonní zesilovač. Popsat korekci hloubek a výšek. Popsat ekvalizér. Popsat nastavení hlasitosti. Nakreslit a popsat plynule regulovatelný zdroj s tranzistorem. Nakreslit a popsat zdroj konstantního napětí s tranzistorem. Popsat funkci a nakreslit charakteristiky tyristoru. Nakreslit a popsat obvody s využitím tyristoru. Popsat vlastnosti a využití diaku. Popsat vlastnosti triaku. Popsat využití triaku.

8

9

1

Základní elektronické prvky

1.1

Rezistory

Rezistor je elektronická součástka, jejíž základní vlastností je odpor R definovaný velikostí v Ω (ohmech). R Elektrotechnická značka: Rezistory

S třema a více vývody

Se dvěma vývody

Pevné vrstvové rezistory (TR)

Pevné drátové rezistory (TR)

Děliče s pevně nastavitelným poměrem (trimry, TP)

Děliče s plynule proměnným dělícím poměrem (potenciometry, TP)

Z technologického hlediska členíme rezistory na: Vrstvové Drátové Výrobce: Přehled rezistorů, trimrů a potenciometrů, jejich technické a konstrukční parametry lze nalézt v konstrukčních katalozích. Přehled cen jednotlivých součástek lze nalézt v obchodním katalogu. Některé katalogy jsou i na internetových stránkách: www.gme.cz www.kte.cz

Ukázka internetových obchodních katalogových stránek (www.gme.cz)

nebo přímo u výrobců Tesla, Panasonic, AVX … Cena rezistorů záleží na jejich zařazení do řad, toleranci, ztrátovém výkonu rezistoru a technickém provedení (vrstvový, drátový, SMD). Ceny jsou uváděny obvykle v katalozích obchodních firem, mohou se vzájemně lišit i pro stejný typ. Záleží většinou na vztazích výrobce – odběratel, obchodník – zákazník …

9

10 ČSN 35 801 Jmenovitý odpor rezistorů: Jmenovité hodnoty rezistorů jsou normalizovány do řad, z nichž jsou nejpoužívanější E6, E12, E24, E48, E96 a E192. E6: 1 – 1,5 – 2,2 – 3,3 – 4,7 – 6,8 E12: 1 – 1,2 – 1,5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 E 24: 1 – 1,1 – 1,2 – 1,3 – 1,5 – 1,6 – 1,8 – 2,0 – 2,2 – 2,4 – 3,0 – 3,3 – 3,6 – 3,9 – 4,3 – 4,7 – 5,1 – 5,6 – 6,2 – 6,8 – 7,5 – 8,2 – 9,1

23

21

19

17

15

13

11

9

7

5

3

1

10 Jmenovitá 9 hodnota 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Pozice prvku v E24

Tolerance jmenovitého odporu: Podle tolerance jmenovitého odporu se rezistory řadí do skupin, označených písmeny nebo barevným kódem. Vyznačuje se za údajem jmenovitého odporu. ± 20 % - bez označení nebo M (používají se ve spotřební elektronice) ± 10 % - označeno K ± 5 % - označeno J ± 2 % - označeno G ± 1 % - označeno F Velmi přesné rezistory. Používají se ± 0,5 % - označeno D v měřicích obvodech. ± 0,25 % - označeno C ± 0,1 % - označeno B Pro hodnoty s odchylkou ± 0,2% a ± 0,1% se doporučují hodnoty z řady E192. Tolerance v řadách: v E6 je ± 20% v E12 je ± 10% v E24 je ± 5% Každá číselná řada obsahuje různý poče prvků. E6 má 6 prvků, E12 má 12 prvků, E24 má 24 prvků atd. Označení rezistorů: Číselné označení odporu rezistorů: Např.: 120R ⇒ 120 Ω 1K7 ⇒ 1 700 Ω K33 ⇒ 330 Ω 33K ⇒ 33 000 Ω M1 ⇒ 100 kΩ 1M ⇒ 1 000 000 Ω

10

11 Barevné značení rezistorů:

5,6 kΩ 5%±

2,7 kΩ 5%± tolerance násobitel

3,9 kΩ 5%±

2. číslice 1. číslice

1. číslice 1 2 3 4 5 6 7 8 9

hnědá červená oranžová žlutá zelená modrá fialová šedá bílá

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

2. číslice černá hnědá červená oranžová žlutá zelená modrá fialová šedá bílá

násobitel 10 černá 101 hnědá 102 červená 103 oranžová 104 žlutá 105 zelená 106 modrá 107 fialová 108 šedá 109 bílá 10-1 zlatá 10-2 stříbrná 0

Tolerance ± 20% bez proužku ± 10% stříbrná ± 5% zlatá ± 2% červená ± 1% hnědá ± 0,5% zelená ± 0,25% modrá ± 0,1% fialová

Rezistor uvedený na ilustračním obrázku má tedy hodnotu 2,7 kΩ s tolerancí jmenovité hodnoty ± 2%. Ohmův zákon Prochází-li rezistorem s odporem R elektrický proud I, vzniká na odporu napětí U.

U = R .I

[V, Ω, A]

Výkonové zatížení rezistoru: Prochází-li rezistorem elektrický proud, vzniká v něm teplo. Mění se též hodnota odporů. Rt = R0 + α∆t kde

Rt … odpor rezistoru při dané teplotě R0 … odpor rezistoru při teplotě 20°C α … teplotní součinitel odporu [K-1] ∆t … rozdíl teplot [K]

αCu = 3,9 . 10-3 K-1 αAl = 3,8 . 10-3 K-1 αFe = 4,6 . 10-3 K-1 αkonstantan = 0,01 . 10-3 K-1 Vzniklé teplo musí povrch rezistoru bezpečně odvést. Proto se rezistory dělí do skupin podle jejich ztrátového výkonu (0,25 W, 0,5 W, 1 W, 2 W...): P = U.I kde

U … napětí na rezistoru I … proud rezistoriem

11

12

1.1.1

Pevné vrstvové rezistory

Rezistory s odporem větším než 4 kΩ, mají délku odporové vrstvy zvětšenu vybroušením drážky ve tvaru šroubovice.

Odporová vrstva – uhlíková -metalizovaná (kovové kysličníky, slitiny) Keramické nosné tělísko

Přívody (pocínované dráty) Kovová čepička

Lak

Použití vrstvových rezistorů: Snižování elektrického proudu obvodem Vrstvové rezistory V děliči napětí pro získání nižšího napětí U měřicích přístrojů jako bočníky nebo předřadné odpory

Upevnění rezistorů na desce plošných spojů (vertikální, horizontální)

1.1.2

SMD rezistory

Jsou to miniaturní součástky, které nemají drátové vývody, ale pouze kovové plošky, pomocí kterých se součástka připájí na plošný spoj. Používají se zejména pro úsporu místa na deskách s velkým obsahem elektronických součástek. V SMD provedení se vyrábí téměř všechny elektronické součástky (kondenzátory, diody, tranzistory …).

12

13

SMD rezistor

Číselné značení Číselné značení se skládá ze tří nebo čtyř číslic, kde první dvě nebo tři číslice určují hodnotu odporu a poslední číslice představuje násobitel. Je to obdoba čárového kódu. Tento typ značení se používá pro popis rezistorů SMD pro povrchovou montáž (Surface Mount Device).

1.1.3

SMD rezistory

Pevné drátové rezistory

Jsou navinuty z odporového vodiče jehož povrch je smaltovaný. Nebývají samonosné konstrukce, většinou bývají navinuty na keramickém tělísku různého tvaru. Smalt povrchové úpravy snese až několik set °C. Chlazení je sáláním. Nevýhodou je parazitní indukčnost, takže se hodí jen do obvodů stejnosměrných, nebo s nízkou frekvencí (kolem 50 Hz). Odporový vodič

Tmel, smalt

Drátové rezistory

ρ … měrný odpor drátu [Ω.m] l … délka použitého drátu [m] S … průřez použitého drátu [m2]

l [Ω ] R = ρ. S

1.1.4

Rezistory s více, než dvěma vývody

Rezistor s odbočkou: 1 U1

3 U2 3

1 2

Odbočka rezistoru

Rezistor s odbočkou slouží jako dělič napětí. 13

2

14 Potenciometr: Potenciometr umožňuje uživateli plynule nastavit jeho hodnotu (odpor) nebo dělicí poměr. 2

1

U1

R1 R2

U2

U 2 R2 = U 1 R1 3 1 2

3

Otočný potenciometr

Posuvný potenciometr

Definice: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

Použití posuvného potenciometru Použití potenciometru v obvodu

Odporový trimr: Odporový trimr jemně nastavuje dělicí poměr při nastavování elektronických obvodů. Dělič napětí:

U1

U2 r = U1 R

R r

U2

Odporové trimry

Úkol: Napište maximální a minimální možnou hodnotu r, jaké lze dosáhnout u trimru. …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

Použití trimru v obvodu

14

15 Lineární, logaritmické a exponenciální potenciometry: Dělící poměr A

1

A=

U2 U1

Exponenciální E

0,8 Lineární N 0,6

0,4 Logaritmický G 0,2

0

0

60

120

180

240

Poloha běžce

300 α [°]

Využití: Například exponenciální potenciometr se využívá pro regulaci veličin, které závisí na napětí logaritmicky (hlasitost). Tyto veličiny se potom regulují v závislosti na otočení osy. Z konstrukčního hlediska jsou ještě vyráběny odbočky např. v 1/3, 2/3 odporové dráhy. Sériové řazení rezistorů N

I

U

RC = R1 + R2 + R3 + ... + R N = ∑ Ri

U1

R1

U2

R2

U3

R3

i =1

Při N stejných rezistorech R:

RC = N . R N

U = U 1 + U 2 + U 3 + ... + U N = ∑U i i =1

UN

RN

I=

U 1 + U 2 + U 3 + ... + U N U = RC R1 + R2 + R3 + ... + R N

Paralelní řazení rezistorů

U

I1

I2

IN

R1

R2

RN

N 1 1 1 1 1 = + + ... + =∑ RC R1 R2 R N i =1 Ri N

GC = G1 + G2 + ...G N = ∑ Gi i =1

Celková vodivost je dána součtem všech vodivostí.

15

16 Pro N stejných rezistorů R:

RC =

R N

Pro dva paralelní rezistory R1, R2 platí:

RC =

R1 . R2 R1 + R2

Celkový proud: N

I = I 1 + I 2 + ... + I N = ∑ I i i =1

U = I . RC = I 1 R1 = I 2 R2 = ... = I N R N Měření odporu rezistorů IR

A +

U

V

UR

R

Popište princip měření a výpočet odporu rezistoru: ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… …………………………………………………………………

1.2

Kondenzátory

1.2.1

Konstrukce pevných kondenzátorů

Kondenzátor je elektronická součástka, jejíž základní vlastností je kapacita C definované velikosti ve F (faradech). Elektrotechnická značka:

C

Záporný pól

Přívod

Kladný pól

Dielektrikum

Dielektrikum Kovový pásek Hliníkový obal

Vodivé elektrody

Přívod

Umělohmotná izolace

Elektrolytický kondenzátor

Kapacita je schopnost akumulace elektrického náboje Q. Vztah mezi napětím a nábojem Q je Q = C .U

C je zde konstanta úměrnosti.

Kondenzátor s kapacitou C a napětím U přiloženým na jeho svorkách (deskách) v sobě hromadí náboj Q.

16

17 Pro nabíjení kondenzátoru platí:

I=

dQ dU =C dt dt

Proud kondenzátoru je přímo úměrný změně napětí na jeho svorkách. Připojíme-li ke kondenzátoru stejnosměrný zdroj (napětí), vznikne přechodový jev a obvodem teče proud, potřebný k nabití kondenzátoru. Po nabití již proud neteče. Znamená to, že stejnosměrný proud kapacitor nepropouští. Příklad: Vypočtěte kapacitu blokovacího kapacitoru pro integrovaný obvod MC68HC11, víte-li, že maximální povolené zvlnění napájení je 0,2 V při impulsní spotřebě 0,1 A. Doba proudového impulsu je 10ns. Řešení: Každá aktivní součástka v číslicovém obvodu má při překlápění mezi logickými úrovněmi po určitou dobu zvýšenou (impulsní) spotřebu. Amplituda a délka proudového impulsu se liší podle typu součástky. Vzhledem k tomu, že délka impulsu je srovnatelná se zpožděním průchodu proudu na plošném spoji od napájecího zdroje k součástce, je nutné u každého číslicového obvodu vytvořit lokální zdroj elektrické energie pro pokrytí jeho impulsní spotřeby. K tomu se používá kapacitor, který musí být umístěný co nejblíže k napájecím vývodům obvodu. Jedná se o typickou úlohu výpočtu kapacity podle vzorce I = C .

C=

0 ,1 I = 0 ,2 dU dt 10.10

C=

9

= 5.10 [F ] 9

ε … permitivita dielektrika S … plocha desky d … vzdálenost desek

ε .S d

ε = ε0 . εr

kde

ε0 … dielektrická konstanta vakua ε0 = 8,85 . 10-12 [F.m-1] εr … relativní dielektrická konstanta εr vzduchu = 1

Cn = C ( n 1 ) Popis chování kondenzátoru v elektrickém obvodu stejnosměrného zdroje: I +

U

v sepnut

v rozepnut

v

C

UC

τ UC

Ri

Imax I

t

t

RV t

17

du : dt

18 Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

I max =

U Ri + R v

Ri … vnitřní odpor zdroje Rv … odpor vedení

Úkol: 1. Vypočítejte maximální proud tekoucí obvodem, je-li odpor vedení Rv = 0,1 Ω a je: a) napájen plochou baterií s vnitřním odporem Ri = 0,5 Ω a napětím U = 4,5 V b) napájen z akumulátoru s vnitřním odporem Ri = 0,05 Ω a napětím U = 12 V Časová konstanta τ je rovna:

τ = R .C

Napište definici časové konstanty: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Měření časové konstanty τ:

τ

R

C

Generátor obdélníkového průběhu

Osciloskop

Úkol: Vypočítejte τ, jestliže bude R = 1 Ω a C = 100 µF v zapojení podle předchozího obrázku. Náboj kondenzátoru:

Q = C .U = I .t

R +

U

Q … náboj kondenzátoru [C] U … nabíjecí napětí [V] I … nabíjecí proud [A] t … čas nabíjení [s]

18

I Q+ Q-

C

19 Sériová spojení kondenzátorů: C1 UC

U1

C2

CN

U2

UN

N 1 1 1 1 1 = + + ... + =∑ C C C1 C 2 C N i =1 C i

Pro dva kondenzátory:

CC =

Definice: ……………………………………………………... …..……………………………………………………………. .………………………………………………………….…….. …………………………………………………………………

C1C2 C1 + C2

Pro N shodných kondenzátorů:

Definice: ……………………………………………………... C …..……………………………………………………………. N …..……………………………………………………………. U C = U 1 + U 2 + ... + U N …..……………………………………………………………. Q = CU = C1U 1 = C 2U 2 = ... = C N U N

CC =

Paralelní řazení kondenzátorů: U

C1 Q1

C2 Q2

CN QN

Pro N shodných kondenzátorů:

C C = N .C Celkový náboj:

N

C C = C1 + C 2 + ... + C N = ∑ C i i =1

Definice: ……………………………………………………... …..……………………………………………………………. …..……………………………………………………………. …..…………………………………………………………….

N

QC = Q1 + Q2 + ... + Q N = ∑ Qi i =1

U=

QN Q Q1 Q2 = = = ... = C C1 C 2 CN

Definice: ……………………………………………………... …..……………………………………………………………. …..……………………………………………………………. …..…………………………………………………………….

Energie nabitého kondenzátoru:

W =

1 1 CU 2 = QU 2 2

W … uložená energie [Ws] U ... napětí kondenzátoru [V] Q … odpovídající náboj [C]

Definice: ……………………………………………………... …..……………………………………………………………. …..……………………………………………………………. …..…………………………………………………………….

19

20 Rozdělení kondenzátorů Typy kondenzátorů

Vzduchové

S papírovým dielektrikem

S metalizovaným papírovým diel.

S plastickou fólií

Slídové

Keramické

Elektrolytické

Provedení kondenzátorů

Pevné

S proměnnou kapacitou

Pevné kondenzátory: Dvě hliníkové fólie, odělené speciálním kondenzátorovým papírem (εr = 4 ÷ 7) Kondenzátory s metalizovaným papírem: Kondenzátorový papír má na obou stranách nanesenou hliníkovou vrstvu. Rozsah kapacity kondenzátorů: stovky pF ÷ stovky nF Kondenzátor s plastickou fólií: Dielektrikum tvoří plastická fólie o tloušťce 5 až 20 µm (polystyrén, teflon, terylen). Rozsah kapacity kondenzátorů: jednotky nF ÷ jednotky µF

Slídové kondenzátory: Kvalitní, malý činitel ztrát, přesné, teplotně málo závislé atd. Slídová destička Napařená (nastříkaná) stříbrná vrstva

Rozsah kapacity kondenzátorů: jednotky pF ÷ desítky nF Keramické kondenzátory: Dielektrikum tvoří keramická vrstvička. Výsledkem jsou velice nízké dielektrické ztráty. Typy: terčové destičkové diskové polštářkové (ploché) trubičkové průchodkové Rozsah kapacity kondenzátorů: cca jednotky pF ÷ stovky nF Lze se s nimi setkat téměř v každém spotřebním elektronickém zařízení. Jsou snadno vyrobitelné, mechanicky pevné a mají nízkou pořizovací cenu

20

21

Ukázka internetových katalogových stránek (www.gme.cz)

Elektrolytické kondenzátory: Dielektrikum tvoří tenká vrstva kysličníku. Kovová elektroda musí být vždy kladně nabitá. Přepólování změní kondenzátor na rezistor s malou hodnoutou odporu. Elektrolyt může být pevný i tekutý. Rozsah kapacity kondenzátorů: cca 1 µF ÷ 10 mF Tantalové kondenzátory: Vysoce stabilní a kvalitní kondenzátory. Rozsah kapacity kondenzátorů: cca desítky µF

Nám nejméně vzdálený výrobce kondenzátorů je společnost AVX Czech Republic s.r.o., Uherské Hradiště, která vyrábí kondenzátory keramické, tantalové… Mezi další výrobce kondenzátorů patří: Philips, Siemens, Motorola

21

22

1.2.2

Kondenzátory s proměnnou kapacitou

V některých elektronických zařízeních potřebuje uživatel mít možnost měnit kapacitu kondenzátoru. Mluvíme o ladicím kondenzátoru. Rotor Vana - desky

Typy dielektrika: Vzduch Slída Olej, atd.

Ladicí kondenzátor

Kapacita v řádu pF (5 ÷ 500 pF). Vyrábí se jako dvojité i trojité.

Ve výrobě dolaďujeme kapacitu pomocí jemně nastavitelných, tzv. dolaďovacích kondenzátorů. Trubkové provedení:

Skleněná nebo keramická trubička Šroubovací elektroda - kovová

Rozsah: 0,3 ÷ 1 pF 0,8 ÷ 5 pF 1 ÷ 7,5 pF 1,5 ÷ 14 pF

Stříbrná vrstva

Maximální provozní napětí je 200 až 400 V. Kapacitní trimr


Parametry kondenzátorů: • jmenovitá hodnota kapacity • jmenovité napětí • přesnost • ztrátový činitel – tg δ • teplotní součinitel kapacity • izolační odpor

22

23 Úkol: Dopište, jak vzniká: 1. kapacita samostatného vodiče vůči jinému vodiči 2. kapacita zařízení vůči zemi

Měření kondenzátorů Provádí se pomocí kapacitního můstku, kde se snažíme docílit jeho rovnováhy. Cx

Cn

V ~

C1

Pomocí kapacitní dekády Cn vyvážíme můstek tak, aby voltmetr ukazoval nulovou výchylku. Hodnotu kondenzátoru CX odečteme z kapacitní dekády. Kondenzátory C1 a C2 jsou stejné.

C2

Ukázka kondenzátoru na desce plošných spojů:

Připojení radiálního a axiálního kondenzátoru

1.3

Cívky

1.3.1

Konstrukce cívky

Cívka je elektronická součástka, jejím základní vlastností je indukčnost L definované velikosti. IL

L

IZ

v rozepnut IC

U

C

+

v sepnut ILmaxt

IL

Rz v

IC

ICmax

t

t

I L max =

U RL + R z

RL … odpor cívky RZ … odpor zátěže

23

24

Bez jádra

Různé druhy cívek

Schematická značka cívky bez jádra:

Pozn: Každý vodič má tedy svoji indukčnost LNF … indukčnost při nízkém kmitočtu [H]

LHF = 2l(ln

2l 1 ) . 10 rD

9

LHF ... indukčnost při vysokém kmitočtu [H] l … délka vodiče [cm]

rD =

d … poloměr drátu [cm] 2

Indukčnost cívky

S L = n . µ0 . µr . lm 2

[H ] =

[V . s ] [ A]

n … počet závitů µ0 … permeabilita vakua = 1,257 . 10-6 [H.m-1] µr … relativní permeabilita S … plocha [m2] lm … střední délka siločáry [m]

24

L NF = 2l(ln

2l 0 ,75 ) .10 rD

9

25 Indukčnost dvojitého vedení

L NF

a = l( 4 .ln + 1 ) .10 rD

9

rd

[H ]

a

a … střední vzdálenost vodičů [cm]

LHF = l( 4 .ln

a ) .10 rD

9

l

[H ]

Koaxiální vedení:

L NF LHF

2rD

rM 9 [H ] = 2l(ln + 0 ,25 ) .10 rD rM 9 [H ] = 2l(ln ) .10 rD

l

rM ... vnitřní poloměr pláště [cm] rd =

Vodič proti zemi: 2h L = 2 .l .ln .10 rD

h 9

2rM

[H ]

d 2

r h l L

[cm] [cm] [A] [H]

h … vzdálenost vodiče od vedení [cm] Jsou-li tyto závity navinuty na kostřičce, nebo je vodič tak tvrdý, že drží tvar sám, členíme cívky na: Vzduchové – samonosné, nebo vinuté na kostřičce

S jádrem

Tvar závitu (kruhový, čtvercový, obdélníkový), počet závitů a počet vrstev závitů (jednovrstvové cívky, vícevrstvové cívky), materiál a tvar jádra a také magnetické vlastnosti okolí cívky ovlivňují indukčnost cívky. ooooooo ooooooo ooooooo

o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ooooo

oooo oooo oooo oooo oooo

ooooooo ooooooo ooooooo

Cívka bez jádra a s EI jádrem

Cívka je využívána ve střídavých obvodech, protože je překážkou pro procházející střídavý proud nejen velikostí svého odporu vodiče z něhož je navinuta, ale hlavně v důsledku své vlastnosti – indukčnosti.

25

26 Při vysokých frekvencích (řádově stovky kHz) totiž většinou proudu prochází povrchovými vrstvami vodiče, středem jen minimum. Proto se významně zvýší odpor vodiče vf proudu v porovnání s odporem, který by kladl stejný vodič stejnosměrnému proudu. Tento jev nazýváme povrchový jev, tzv. skin efekt. + -

500 kHz

Vodivostní elektrony jsou v průřezu rozloženy rovnoměrně.

Vodivostní elektrony jsou rozmístěny u povrchu vodiče. V tomto případě i krátký vodič může být pro procházející střídavý proud o vysoké frekvenci významným odporem.

Jak tedy konstrukčně dosáhnout, aby vedení, po nichž přenášíme signály vf kladlo malý odpor procházejícímu proudu? Odpověď: Zvětšit povrch vodiče nebo napařit kvalitní vodivý materiál.

Koaxiální vodič

Dutý středový vodič

Cívky do vf obvodů se často vinou lankem z mnoha vodičů navzájem odizolovaných. To platí pro frekvence řádu 102 kHz až 103 kHz. Otázka: Popište kapacitu drátového vodiče a kapacitu lanka: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

Na frekvenci nad 103 kHz nás omezuje již parazitní kapacita soustavy. Nad 103 kHz používáme: Vodiče o velikém průřezu Trubky Pásky Cívky členíme na: a) cívky bez jádra b) cívky s jádrem

26

27 a) Cívky bez jádra Konstruují se pro indukčnosti řádu 10-6 H (mikrohenry).Využívají se v obvodech s kmitočtem řádu 102 MHz Konstrukce: a) samonosné (bez kostry) b) na izolační kostře Používané do 10 µH.

Cívky na izolační kostře

Samonosné cívky

b) Cívky s jádrem Užití: vf obvody (100 -102 mH) nf obvody (100 H – nízkofrekvenční tlumivky) Jádra: šroubová (jádro má tvar šroubu se závitem). Dosáhneme L ~ 102 mH. L se zvětšuje zašroubováním jádra do cívky. Cívka se šroubovým jádrem

hrníčková (jádro je složeno ze dvou částí, které po sloučení zcela obklopuje cívku. Cívka je nasunuta na středovém sloupku).

Hrníčkové jádra

Jednovrstvová válcová cívka:

d

L=

d 2 n . F . 10 2

9

[H ]

l

F

l … délka cívky [cm] d … průměr cívky [cm] n … počet závitů F … výpočtový činitel

30

20

10

0

1

2

3

4 d/l

27

28 Hrníčkové jádro, práškové jádro:

L = n 2 . AL L … indukčnost [nH] AL ... činitel jádra (AL – činitel, indukční činitel) (z katalogových listů) [nH] Zdroj: DIETMEIER, U. Vzorce pro elektroniku. Praha : BEN, 1999.

nf tlumivky Užití: hlavně v napájecích zdrojích Konstrukce: jádrové (jádro C, atd.) plášťové C – jádro Jádro je vyrobeno z ortopermového pásku a)

po f = 50 Hz je tloušťka vodiče = 0,32 mm …. žlutá barva označení

b)

po f = 50 Hz – 20 kHz je tloušťka vodiče = 0,13 mm … zelená barva označení

Jednotlivé závity pásku jsou od sebe odděleny (snížení vířivých proudů).

oooo oooo oooo

oooo oooo oooo

oooo oooo oooo

oooo oooo oooo

Cívka na C jádru

Cívky s nosnými jádry – transformátorový plech (nf tlumivky)

µ0 µ r S n2 L= = n2 Rm lm n … počet závitů µ0 … 1,257.10-6 [H.m-1] µr … permeabilita plechu jádra lm … střední délka siločáry [m] S … plocha jádra [m2] Cívka se vzduchovou mezerou

Rml > RmFe

L = n2

µ0 S ll

o o o o o o o o oooo

Rml … magnetický odpor vzduchové mezery ll … délka vzduchové mezery [m] S … plocha jádra [m2] Plášťové nf tlumivky (dvě jádra, jedna cívka) 28

o o o o o o o o oooo

29

1.3.2

Základní výpočty cívky

Úkol č. 1: Vypočítejte indukčnost jednovrstvové cívky bez jádra, závity uloženy vedle sebe, u níž je: N

oooooooooooo

D

oooooooooooo

D1

d´

N = 40 závitů d = 0,8 mm, s izolací d´ = 0,87 mm (∅ vodiče) D1 = 12mm D = D1 + d´

b

Řešení: Vyjádřete z Nagaokova vztahu:

L=k

D2 2 N 10 b

3

(1)

[µH ; cm2 ; cm;]

kde

L … indukčnost cívky k … konstanta D … vnitřní průměr cívky D = D1 + d´ b … délka cívky N … počet závitů Tabulka: Určení konstanty z upraveného Nagaokova vztahu pro výpočet indukčnosti jednovrstvových cívek bez jádra. D b

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95

D b

k

9,8700 9,6637 9,4633 9,2689 9,0813 8,8987 8,7231 8,5523 8,3885 8,2286 8,0746 7,9265 7,7824 7,6443 7,5100 7,3807 7,2554 7,1340 7,0175 6,9040

1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95

D b

k

6,7945 6,6888 6,5862 6,4875 6,3908 6,2980 6,2082 6,1203 6,0355 5,9525 5,8726 5,7946 5,7196 5,6466 5,5755 5,5064 5,4393 5,3732 5,3090 5,2468

2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 3,80 3,90

Výpočet: b = N x d´= 40 x 0,87 = 34,8 mm D = D1 + d´= 12 mm + 0,87 mm = 1,87 mm Z tabulky pro

D b

= 0,37 vyčteme k = 8,55

L = 6,5 µH

29

k

5,1866 5,0702 4,9596 4,8540 4,7533 4,6576 4,5658 4,4780 4,3941 4,3131 4,2362 4,1621 4,0911 4,0220 3,9558 3,8927 3,8315 3,7723 3,7150 3,6597

D b

4,00 4,10 4,20 4,30 4,40 4,50 4,60 4,70 4,80 4,90 5,00 5,20 5,40 5,60 5,80 6,00 6,20 6,40 6,60 6,80

k

3,6064 3,5551 3,5048 3,4564 3,4100 3,3646 3,3202 3,2778 3,2363 3,1959 3,1564 3,0814 3,0103 2,9422 2,8780 2,8168 2,7586 2,7033 2,6500 2,5987

D b

7,00 7,20 7,40 7,60 7,80 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00

k

2,5504 2,5040 2,4586 2,4161 2,3747 2,3352 2,2424 2,1565 2,0786 2,0065 1,8782 1,7667 1,6700 1,5841 1,5071 1,4380 1,3758 1,3186 1,2673 1,2199

30 Odpověď: Indukčnost navržené cívky bude 6,5 µH Pozn.: pro proudovou hustotu σ = 1,5 A/ mm2 může touto cívkou protékat proud

I = σ .S = σ .

πd2 3,14 .0 ,8 2 = 1,5 . = 0 ,75 A 4 4

Vyšší proud by způsobil již nežádoucí velikost zahřátí vodiče cívky, což by mohlo poškodit izolaci vodiče. DÚ: 1) Sestavte vývojový diagram a napište program v Pascalu pro výpočet Nagaokova vztahu. 2) Navrhněte jednovrstvovou válcovou cívku bez jádra, závit vedle závitu tak, aby L = 10 µH. Dodržte požadavek na d = 0,8 mm (d´= 0,87 mm).

Úkol č. 2: Vypočítejte indukčnost cívky s rozměry: a = 20 mm b = 60 mm c = 10 mm a N = 600

N = ∅ počet závitů ooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooo

c

D1

S1 …..plocha zaplněna mědí S ……celkový průřez vinutí (b;c) S > S1 I

ooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooo

Kv – činitel plnění

Řešení: Vyjdeme ze vztahu: b 2

L=

2

320 a N 10 -6 [mH ; cm] 6 a + 9b + 10 c

(2)

(platí pro kv = 0,6)

L=

320.4.360 000 = 6 ,06 mH 12 + 36 + 10.10 -6

Odpověď: Cívka má indukčnost 6,06 mH. Měření indukčnosti cívky Měřicí metoda využívá rezonančních vlastností cívky a kondenzátoru. Z určeného rezonančního kmitočtu lze jednoduše vypočítat indukčnost cívky při známé hodnotě kapacity kondenzátoru. Ze vztahu pro rezonanční kmitočet vypočítáme C L R indukčnost:

L=

1

C . ( f 0 2π )2

~

30

31 DÚ: 1) Navrhněte vícevrstvovou vzduchovou cívku s L = 0,8 mH; I = 0,6A; D1 = 20 mm; b = 10 mm. 2) Sestavte VD a napište program v Pascalu pro výpočet vztahu (2). 3) Popište rozdíl mezi vztahem (1) a vztahem (2). Úkol č. 3: Vypočítejte indukčnost jednovrstvé cívky, navinuté na feritovém šroubovém laděném jádře, když víme, že: Indukčnost cívky bez jádra je 0,5 mH a permeabilita jádra je 1,25. Řešení: Pro výpočet indukčnosti cívek se šroubovými laděnými jádry lze užít vztah: L = µC . Lo

(3)

Lo … indukčnost stejné cívky bez jádra µC … cívková permeabilita jádra (1,1 ÷ 1,3 - viz. katalog) L = µC . Lo = 1,25 . 0,5.10-3 = 0,625 mH DÚ: 1) S využitím programu v úkolu č. 1 vypočítejte indukčnost cívky na feritovém jádře. 2) Program z úkolu č. 1 upravte pro verzi, která řeší úkol č. 1 i 2. Úkol č. 4: Vypočítejte indukčnost cívky s feritovým hrníčkovým jádrem J26/16 z materiálu H 22, když délka vzduchové mezery lv = 0,45 mm a N = 141 závitů? Řešení: Vyjdeme ze vztahu:

L = AL . N 2

[nH; nH;…]

AL závisí na A [nH] L konstrukčním materiálu a velikosti mezery. Jádra se vyrábí s takovými vzduchovými mezerami, aby jejich konstanty AL tvořily normalizovanou řadu R5 (100 – 125 – 160 – 250 – 400 – 630 – 1000 µH). AL odečteno z grafu po lv = 0,45 mm činí 250.

1000 Feritové hrníčkové jádro

800

J26 / 16 Materiál H22, µr = 2 200

600

400 rozsah ladění šroubovým jádrem 200 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

lv [mm]

Graf pro určení indukční konstanty AL feritového hrníčkového jádra

31

32

L = AL . N 2 = 250 .1412 [nH ] = 5 mH Odpověď: Indukčnost této cívky je 5 mH.


Uložení cívky na desce plošného spoje:

Indukované napětí

Definice:

di u= L ≈ dt

…………………………………………………………………………

∆I L ∆t

di … změna proudu …………………………………………………………………………. ∆I … změna proudu …………………………………………………………………………. ∆t … změna času (přírůstek) Sériové spojení cívek L1

L2

LN

LC

Definice: …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………….

N

LC = L1 + L2 + ... + L N = ∑ Li i =1

LC … celková indukčnost [H]

32

33 Paralelní spojení cívek LC

L2

L1

Definice: ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… …………………………………………………………………

LN

N 1 1 1 1 1 = + + ... + =∑ LC L1 L2 L N i =1 Li

Energie cívky protékané proudem

W =

Definice: ………………………………………………………... ………………………………………………………... ………………………………………………………... ………………………………………………………..

1 2 LI [Ws ] 2

W … magnetická energie [Ws] I … proud cívkou Parametry induktorů: jmenovitá hodnota jmenovitá zatížitelnost maximální ss odpor maximální hodnota činitele Q elektrická pevnost rozsah pracovních teplot

1.4

Transformátor

Užití: transformace napětí, proudu, impedance, galvanické odděleni obvodů Konstrukce:

- jádro (magnetický obvod, obvykle není přerušen vzduchovou mezerou) - vinutí - primární sekundární U1 I2

I1 U1

N1

M

t N2

U2

RZ U2 t

N1 N2 I1 I2 RZ U1 U2

primární vinutí sekundární vinutí proud v primárním vinutí proud v sekundárním vinutí zátěž napětí na primárním vinutí výstupní napětí – napětí na sekundárním vinutí

33

34

Převod transformátoru:

U1 N1 I 2 = = U 2 N 2 I1

p=

p2 =

R1 R2

R1 … odpor v primáru R2 … odpor v sekundáru

Definice převodu transformátoru: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Vzájemná indukčnost M

Φ12 Φ21 = N1 i1 i2 di1 u2 = M dt di2 u1 = M dt M = N2

[H ] =

V .s A

N1 … počet závitů primáru N2 … počet závitů sekundáru Φ12 … tok cívky 1 v cívce 2 Φ21 … tok cívky 2 v cívce 1 Ztráty v transformátoru: 1. hysterezní (důsledek střídavé magnetizace jádra) 2. tepelné ve vinutí transformátoru (úměrné druhé mocnině procházejícího proudu – Joul-Lencův zákon) 3. vířivými proudy ve vodivém jádře – jev lze snížit výrobou plechů z Si materiálu a jejich vzájemným odizolováním lakem. Jádro se vyrábí také z materiálu s velkým měrným odporem (ferit). Účinnost transformátoru: P1 … příkon transformátoru

P U I η= 2 = 2 2 P1 U1 I1

P2 … výkon transformátoru U1 … napětí na primární straně U2 … napětí na sekundární straně I1 … vstupní proud I2 … výstupní proud

Definice účinnosti transformátoru: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

34

35 Maximální účinnost malých transformátorů je 60-70%, síťové transformátory mají účinnost kolem 95%.

Malý transformátor

Síťový transformátor

Toroidní transformátor

Vysokonapěťový transformátor

Plášťový transformátor Vinutí je obklopeno transformátorovými plechy.

Jádrový transformátor Vinutí obklopuje transformátorové plechy.

Uložení transformátoru na desce plošného spoje:

Sériové spojení magneticky vázaných cívek

LC = L1 + L2 ± 2 M

L1

M

L2

+ shodný tok v L1 i L2 - opačný tok v L1 a L2 Paralelní řazení cívek Má složitější řešení. Po připojení induktorů ke ss zdroji se rozdělí proud podle činného odporu, nikoliv podle indukčnosti. Nelze tedy stanovit výslednou hodnotu indukčnosti paraleleního spojení pouze z hodnot indukčností jednotlivých induktorů. V případě, že induktory nejsou vázány vzájemnými indukčnostmi, platí:

1 n 1 =∑ L i =1 Li

35

36 Autotransformátor I1

u1

N1 R1

n=

I2 u2

N2

N1 U 1 I 2 = = = N 2 U 2 I1

R1 R2

R2

Kontrolní otázky: 1. Kdy používáme pevné vrstvové rezistory a kdy pevné drátové rezistory? 2. Kolik prvků má řada E6, E12, E24. 3. Určete r: R = 100 Ω r=? U1 = 1 V

R

U2 = 2 V r

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Čím se liší elektrolytické kondenzátory od ostatních kondenzátorů? Co je základní funkcí rezistoru? Co je základní funkcí kondenzátoru? Co je základní funkcí cívky? Kdy používáme cívky bez jádra a kdy s jádrem? K čemu slouží transformátor? Popište konstrukci transformátoru. Jak se transformátory liší svojí účinností?

36

37

1.5

Polovodičová dioda

1.5.1

Základní pojmy

Vodiče V elektrotechnice členíme materiály na: vodiče polovodiče nevodiče Charakteristickou vlastností vodičů je jejich schopnost propouštět elektrický proud, připojímeli na konce vodiče elektrické napětí.

kovové přívody

Elektrické vodiče

Zvýšení teploty vyvolává u vodičů také zvýšení odporu. Izolanty Vytvoříme-li oba přívody ze dřeva, skla, nebo plastu, žárovka nesvítí. Materiálem tedy neprochází elektrický proud.

pryžové přívody

Izolanty

Aby izolant vedl elektrický proud, musíme jej vystavit vlivu neobyčejně vysokých teplot. Otázka: Co je charakteristické pro izolanty?

37

38 Polovodiče Polovodiče (prvky čtvrté skupiny, např. chemicky čistý křemík, germanium atd.) za normálních teplot elektrický proud nevedou, ale pokud je zahřejeme, stávají se vodivými.

křemíkové tyčinky plamen

křemíkové tyčinky

Dioda je elektrický prvek, který je pro elektrický proud propustný jen v jednom směru ( při vhodné polarizaci napětí). Chová se tedy jako ventil. Elektrotechnická značka: A

K

A – anoda K – katoda

Druhy diod: Hrotová dioda Plošná dioda Dioda s přivařeným zlatým hrotem Zenerova a lavinová dioda Tunelová dioda Kapacitní dioda (varikap, varaktor) Schottkyho dioda

Různé druhy diod

Základem polovodičových diod jsou některé prvky IV. skupiny Měndělejovy periodické soustavy prvků a sloučeniny. vázané elektrony

Oddělí-li se některý elektron vzniká volný elektron a díra. Tato vodivost je nazývána vlastní vodivostí polovodičů (nejčastěji vlastní elektrony, které se uvolnily z vazeb). Nevlastí vodivost v polovodiči získáme tak, že do polovodiče dodáme nepatrné množství prvků: a) III. skupiny (bór, gálium, hliník, rudium) b) V. skupiny (arsén, fosfor, antimon)

38

39 Mluvíme o dotaci. a) Vodivost typu P

Majoritní – většinové nosiče Minoritní – menšinové nosiče Majoritními nosiči jsou díry. (elektrony jsou minoritní nosiče)

díra

b) Vodivost typu N Majoritními nosiči jsou elektrony. (díry jsou minoritní nosiče)

Koncentrace příměsí je velmi malá – na jeden atom příměsi připadá asi 108 atomů vlastního polovodiče. Nevlastní vodivost je asi 105 větší, oproti vodivosti vlastní. Vnitřní a valenční elektrony atomu Elektrický proud tvoří usměrněný pohyb kladně, nebo záporně nabitých částic. Tyto kladné i záporné částice nalezneme v atomu. Doplňte: Kladně nabité částice jsou ..................................... a mají kladný náboj o velikosti ...................... +C Záporně nabité částice jsou ... ..................................... a mají záporný náboj o velikosti ...................... - C V jádře atomu jsou spolu s protony také neutrony. Jaký náboj mají neutrony? ..................................................................................................................... Kolem jádra krouží elektrony. Elektrony ve vnitřních drahách nazýváme vnitřní elektrony. Elektrony v poslední dráze nazýváme valenční elektrony, protože umožňují vazby s jinými atomy. -

-

+

-

39

40 Odpovězte celou větou: Z čeho se skládá atom křemíku? ................................................................................................................................................. Pohyblivost elektronů a vznik elektrického proudu Atomová jádra nemohou v materiálu opustit své místo a proto nemohou být nositelem elektrického proudu. Ani vázané elektrony za běžných podmínek neopouští atom a nejsou tedy nositeli elektrického proudu. Valenční elektrony u vodičů jsou jen málo vázány k atomu, snadno se uvolní buď při zvýšení teploty materiálu, světelným kvantem, nebo vlivem působení vnějšího elektrického pole, stávají se volnými elektrony a mohou být nositelem elektrického proudu. Lze říci, že volných elektronů je vždy nejméně tolik, jako je počet atomů. V materiálu se potom volné elektrony nepohybují přímočaře, ale neustále se odráží od částic materiálu a vždy při srážce změní směr. Valenční elektrony mají tedy dvojí funkci: a) realizují vznik vazeb mezi atomy b) mohou být nositeli elektrického proudu. Vliv vnějšího elektrického pole na atom polovodiče a na jeho vnější elektrony Vnější elektrické pole může při dosažení potřebné síly vytrhnout valenční elektron z dráhy a uvolnit jej. Vzniká volný elektron, který se pohybuje proti směru intenzity elektrického pole E, po své cestě však naráží na částice materiálu. Na místě uvolněného valenčního elektronu vzniká kladná částice, tzv. díra. Generace dvojice elektron-díra je silně teplotně závislá. Zvýšení teploty o 10oC vyvolá vzrůst dvojic elektron-díra na dvojnásobek! Při nízkých teplotách tento jev neovlivňuje činnost součástek. Avšak při vyšších teplotách je jeho vliv významný a omezuje použití polovodičových součástek. Vlastní vodivost v polovodiči Elektrická vodivost je tedy následek vzniku dvojice elektron-díra vlivem zvýšené teploty, elektrického pole, světelného kvanta atd. a závisí významně na teplotě. Odpovězte: Pokud je vodivost polovodiče dána jen vlastní vodivostí, jaký je poměr počtu volných elektronů k počtu děr? a) Počet elektronů je dvojnásobný ve srovnání s počtem děr b) Počet elektronů a děr je shodný c) Děr je dvakrát více, než volných elektronů Rekombinace V polovodičovém krystalu však nemohou zůstat všechny uvolněné valenční elektrony, protože po čase by se uvolnily všechny valenční elektrony všech atomů krystalu. Potká li volný elektron při svém pohybu díru, spadne do ní a stává se opět valenčním. V krystalu polovodiče probíhají souběžně dva jevy: a) uvolňování valenčních elektronů b) rekombinace - spojování díry a volného elektronu (elektron "spadne" do díry). Zaniká (rekombinuje) vždy stejný počet děr a volných elektronů. K rekombinaci dochází převážně v okolí tzv. poruchy (poruchového místa), které nazýváme rekombinačním centrem. Také vytvoření párů je v podstatě vázáno na tato rekombinační centra.

40

41 Tato rekombinační centra tvoří v krystalech Ge a Si tvoří atomy těžkých kovů, například zlata, nebo nepatrné poruchy uspořádání krystalové mříže. Počet rekombinací je závislý na počtu rekombinačních center v krystalu. V krystalu se nakonec počet vznikajících a rekombinujících párů ustálí. Rekombinační centra ale neovlivňují vodivost Ge, nebo Si krystalu. Ovlivňují pouze dobu života volných elektronů a děr. Doba života nosičů nábojů se projektuje v rozmezí 10 až 0,01 mikrosekudy. Příměsová vodivost, způsobená pětimocnými prvky Volný elektron v krystalu polovodiče můžeme vytvořit také tak, že do krystalu vpravíme atom příměsi prvku, který má 5 valenčních elektronů. Jeho čtyři valenční elektrony se zapojí do vazeb s atomy polovodiče a pátý je jen slabě k atomu příměsi poután a velmi snadno se uvolní a stane se elektronem volným. Příkladem je například atom arzénu. Takový atom nazýváme příměsí. Příměsi, které dodávají jeden, nebo více volných elektronů nazýváme donory (donare ... darovati). Donory způsobují v polovodiči vodivost typu N (náboj elektronu je záporný). Proces zavedení cizích atomů do krystalu nazýváme dotování, dotace. Donory způsobují zápornou dotaci. Vodivost donorů závisí jen málo na teplotě!!! Při běžných teplotách je vodivost způsobená donory mnohem vyšší, než vodivost vlastní. Teprve při vysokých teplotách "dožene" vlastní vodivost vodivost nevlastní, způsobenou donory. O silně dotovaném krystalu Ge, nebo Si mluvíme tehdy, když na každých 102 až 104 atomů těchto prvků připadá jeden cizí atom příměsi. O slabě dotovaném krystalu Ge, nebo Si mluvíme tehdy, když na každých 106 až 109 atomů těchto prvků připadá jeden cizí atom příměsi. Příměsová vodivost, způsobená trojmocným prvkem Díru v krystalu polovodiče můžeme vytvořit také tak, že do krystalu vpravíme atom příměsi prvku, který má 3 valenční elektrony. Jeho tři valenční elektrony se zapojí do vazeb s atomy polovodiče a čtvrtý elektron atomu polovodiče nemá partnera. Je jen slabě k atomu polovodiče poután a velmi snadno se uvolní a stane se elektronem volným. Příkladem je například atom india In. Takový atom nazýváme příměsí. Příměsy, které dodávají jednu, nebo více volných děr nazýváme akceptory (accipere ... přijímati). Akceptory způsobují v polovodiči kladnou vodivost typu P (náboj díry je kladný). Akceptory způsobují kladnou dotaci. Vodivost akceptorů závisí jen málo na teplotě!!! Při běžných teplotách je vodivost způsobená akceptory mnohem vyšší, než vodivost vlastní. Teprve při vysokých teplotách "dožene" vlastní vodivost vodivost nevlastní, způsobenou akceptory. Lze tedy konstatovat, že vodivost polovodičového krystalu, je li velmi čistý je velice malá a jen málo závisí na teplotě, nepodrobíme li krystal vysokým teplotám. Avšak nepatrným množstvím příměsy můžeme vodivost polovodiče významně ovlivnit. U kovů je počet volných elektronů větší, než počet atomů a tak nepatrné množství příměsových nosičů vodivost neovlivní. Odpovězte: Proč zůstane jedna z vazeb mezi atomy v případě že do atomu Ge vpravíme atom In volná? .................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................

41

42 Difúzní a vodivostní proud Příčiny vzniku elektrického proudu: a) existence elektrického pole a volných nosičů elektrického náboje b) difusní proud Předpokládejme, že v polovodiči je nepatrné množství děr a vysoké množství volných elektronů. V každém krystalu částice kmitají kolem svých rovnovážných poloh a je tím větší, čím vyšší je teplota. Toto kmitání v důsledku způsobuje vytrhávání valenčních elektronů z jejich vazeb a následně jejich chaotický (neuspořádaný) pohyb. Částice se v krystalu pohybují bez cíle systémem "sem tam" i v případě, že v polovodiči nepůsobí žádné elektrické pole. Tyto částice mají tendenci rovnoměrně se v prostoru rozptýlit. Pohybuje li se v takovém případě více elektronů, nebo děr ve stejném směru, vzniká tzv. difúzní proud. Otázka: Které částice mohou být nosiči elektrického proudu? a) valenční elektrony b) atomová jádra c) všechny elektrony 1. Proč se nemůže jeden valenční elektron atomu arzénu zapojit do vazeb mezi atomy krystalové mříže Ge, ani Si ? .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 2. Jaký vznikne poměr počtu volných elektronů v polovodiči k počtu děr v případě záporné dotace? a) 1:1 b) 1:2 c) Poměr závisí na stupni dotace a teplotě polovodiče 3. Mluvíme-li o polovodiči, který vykazuje velký odpor, znamená to že jde o polovodič dotovaný a) silně b) slabě?

1.5.2

Vznik a vlastnosti PN přechodu

Předpokládejme, že máme krystal křemíku, jehož jedna strana vykazuje vodivost typu P a druhou stranu bude tvořit vodivost typu N: N

P díra záporně nabité akceptory

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

-

-

-

-

-

volný elektron kladně nabité donory

Přechod PN v křemíkovém krystalu

To můžeme dosáhnout tak, že do levé strany vpravíme akceptory a do pravé strany donory. Místo, kde se stýká polovodič typu P a polovodič typu N se nazývá přechod PN. 42

43 Otázka: Napište alespoň dva prvky, které se používají k dotování krystalu křemíku a germania: a) akceptory .......................... b) donory .......................... Díry z oblasti polovodiče P se snaží rovnoměrně rozmístit po celém materiálu a difundují do oblasti N. Opačně to je u elektronů. Lze říci, že oba druhy nosičů difundují a vyvolávají elektrický difúzní proud. N

P + + + +

+ + + +

+ + + +

+

+ + + +

+ +

-

+

-

-

-

-

-

Vznik difúzního proudu

Otázka: Jaký směr mají difúzní proudy vyvolané pohybem děr a elektronů a) stejný směr b) opačný směr Nakonec se vytvoří následující ustálený stav po průchodu: a) díry difundující z levé oblasti typu P do pravé oblasti typu N, nechaly za sebou nepohyblivé záporně nabité akceptory, které se snaží přitáhnout díry zpět a nejsou kompensovány nábojem děr. b) volné elektrony difundující z pravé oblasti typu N do levé oblasti typu P, nechaly za sebou nepohyblivé kladně nabité donory, které se snaží přitáhnout volné elektrony zpět a nejsou kompensovány nábojem volných elektronů. V oblasti P se tedy objevuje nekompensovaný záporný elektrický náboj. V oblasti N se objevuje nekompensovaný kladný elektrický náboj. N

P - - + - + - - + - - + - +

N

P -

+ + +

a)

+ + + + + b)

Nekompenzovaný náboj v oblasti P, N

Nekompensované náboje vyvolávají tzv. difúzní napětí a poměry připomínají nabitý kondenzátor. Difůze elektronů a děr z přechodu PN vyvolává následující důsledky: a) elektrická vodivost PN přechodu je nepatrná b) činný odpor PN přechodu je velký V oblasti PN není kompensován elektrický náboj akceptorů a donorů, protože zde chybí náboj volných elektronů a děr, které difundovaly na druhou stranu přechodu. Protože je tento nekompenzovaný elektrický náboj rozložený v prostoru,nazýváme oblast zbavenou nosičů nábojů oblastí prostorového náboje.

43

44 Otázka: Jaký elektrický náboj má oblast prostorového náboje přechodu PN a) na straně oblasti typu P b) na straně oblasti typu N N

P + + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

-

Rozdělení děr a volných elektronů v oblasti přechodu PN

Difúzní napětí při styku kovu a polovodiče: Koncentrace volných elektronů ve vodičích je mnohonásobně vyšší, než v oblasti P, či N polovodiče. Proto se objeví difúzní napětí i na styku kovu a polovodiče. Připojení přechodu PN k vnějšímu zdroji a) zapojení PN přechodu v propustném směru

N

P + + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + + + + + +

-

- - - - - - - - - - - -

-

Připojením kladného pólu napětí na oblast typu P a záporného pólu baterie na oblast typu N se stává přechod vodivý, ale pouze od určité hodnoty + napětí. Pokud dosahuje vnější napětí hodnoty Chování přechodu PN, připojíme-li na oblast vodivosti několika desetin voltu a to je nižší, než typu P malé napětí vzhledem k oblasti typu P. difusní napětí přechodu, prochází přechodem PN nepatrný proud. Oblast prostorového náboje má velký odpor. Pokud dosáhne vnější napětí hodnoty difúzního napětí (Ge ... 0,4V, Si .... 0,7V), začne proud přes přechod prudce růst, protože vnější napětí tlačí díry přes PN z oblasti P do oblasti N. Předtím nepatrně vodivý přechod PN je zaplaven pohyblivými nosiči nábojů. Odpor PN přechodu se významně zmenšuje. PN přechod je zapojen v propustném směru. oblast náboje

Na tomto jevu se podílí elektrony i díry.

prostorového N

P

b) zapojení PN přechodu v nepropustném směru

+ + + +

Vnější zdroj odtahuje volné elektrony a díry od přechodu PN a odsává volné nosiče z PN přechodu.

+ + + + + + + + + + + +

-

-

-

- - - - - - -

-

+

Závěrně polarizovaný přechod PN Důsledky: a) PN přechod se rozšíří b) v oblasti prostorového náboje se sníží počet volných nosičů nábojů c) přechodem PN proud téměř neprochází Přechod je polarizován závěrně.

44

45 I tak však teče velice malý, ale reálný tzv. závěrný proud přechodu PN. Ten je vyvolán rekombinačními centry v oblasti prostorového náboje, v nichž se generují páry elektron-díra vlivem elektrického pole, působícího v oblasti prostorového náboje. Tato rekombinační centra dodávají nepřetržitě malé množství nosičů, které tvoří závěrný proud. Lze tedy říci, že rekombinační centra plní funkci zdroje závěrného proudu. + + + +

+ + + +

P R + + + + R + + + + + -

N -

- - - - - - -

-

+

Závěrný proud přechodu PN (R je rekombinační centrum)

Generace dvojic elektron-díra významně závisí na teplotě a proto je i velikost závěrného proudu závislá na teplotě přechodu. Kritická hodnota závěrného napětí Připojíme-li k přechodu PN malé závěrné napětí, je oblast prostorového náboje úzká a elektrody kondenzátoru se nachází blízko sebe: P

N - + - - + + - - + + -

+

+ + - d + -

+

Zdvojnásobíme-li šířku oblasti prostorového náboje, zvětší se tím dvakrát i prostorový náboj. N - - - + + + - - - - + + + + - - - + + + P

-

+

+ + + + - 2d + + -

+

Odtud plyne, že pokud chceme nabít kondenzátor, jehož desky se vzdálily dvojnásobně na dvojnásobný náboj, musíme napětí na deskách zvětšit čtyřnásobně. Roste tak intenzita elektrického pole. Zvyšováním závěrného napětí na přechodu tedy roste intenzita elektrického pole. Krystal křemíku či germania má kritickou hodnotu intenzity elektrického pole přibližně 25 kV/mm. 45

46

Lavinový průraz Závěrný proud vzniká generací párů elektron-díra v oblasti prostorového náboje. Elektrony a díry při svém pohybu narážejí na atomy křemíku či germania a odevzdávají část své energie. Je-li intenzita elektrického pole dostatečně velká, může elektron mezi dvěma nárazy získat tak velkou energii, že při nárazu do atomu krystalu z atomu vytrhne další valenční elektron z valenční dráhy. Vzniká nová dvojice elektron-díra. Zvyšuje se závěrný proud. Jev se neustále opakuje. Průraz přechodu je lavinový. Zenerův průraz V oblasti silně dotovaného přechodu PN, který má úzkou oblast prostorového náboje mohou volné náboje (elektrony a díry) při určitém napětí proběhnout tuto oblast, aniž by došlo ke srážce s atomovou mříží. Narazí-li na atomy Si, či Ge mimo oblast prostorového náboje, vznikne sice také dvojice elektron-díra, ale tyto nosiče již nejsou urychlovány, protože mimo oblast prostorového náboje již nepůsobí elektrické pole. Proto nedojde k lavinovému průrazu. Intenzita elektrického pole v oblasti prostorového náboje může dosáhnout takových hodnot, že dojde k vytržení valenčních elektronů, vzniku dvojice elektron-díra a náhlému vzrůstu závěrného proudu. Mluvíme o Zenerově průrazu. Opakování vyprázdněná oblast P

N

о о Ө ⊕ ● ● о ● о Ө ⊕ ●о ● о о о Ө ⊕ ● о

о

ionty potenciálního valu

většinová díra

menšinový elektron

● ● ●

Vytvoříme-li v jednom krystalu prostor typu P i N potom tenkou oblast, kde přechází polovodič typu P do polovodiče typu N nazýváme přechod PN.

většinový elektron menšinová díra

Právě tento přechod se chová jako ventil: menšinové nosiče

P

N ○

● ● ●

○ ○ -

+ Potenciálový val

závěrný proud

-

Popis chování přechodu: Záporné nosiče z oblasti N jsou přitahovány kladným pólem zdroje a kladné nosiče z oblasti P záporným pólem zdroje. Žádné nosiče neprochází přes přechod.

=

+

Závěrný směr

46

47 Popis chování přechodu: Záporné nosiče z oblasti N jsou přitahovány kladným pólem zdroje a kladné nosiče z oblasti P záporným pólem zdroje. Všechny nosiče prochází přes PN přechod (dioda je polarizována v propustném směru).

většinové nosiče

P

N ●

○ ○ ○ ○ ● ● ○ ○ ○ ● ● propustný proud

+

= + Propustný směr A

A … anoda (elektroda připojena na oblast vodivosti P)

P N

K

K … katoda (elektroda připojena na oblast vodivosti N) IF [mA] IFA

UR [V]

URM 0

0,4 0,7

IR [µA]

UF [mV]

Pro malé proudy platí

UF … propustné napětí [V] IF … propustný proud [A] UR … závěrné napětí [V] URM … maximální závěrné napětí [V] IS … teoretický závěrný proud [A] IR … závěrný proud [A] UT … teplotní napětí [V]

1.5.3

UFA

UF

I F = I S (e U T 1)

Ampérvoltová charakteristika diody

Diodu lze přiloženým napětím zapojit: a)

v propustném směru +

+

-

A

-

-

+

v rozepnut IF

t 0,4V (0,7V)

uD(t)

IRz

UA

v sepnut

UD UF

U0

Rz

URz

v

uv(t)

U0

t

t

uRz(t) Uz – 0,4V (0,7V)

t

47

48 V katalogu označujeme střídavý propustný proud u diody iF a střídavé napětí na diodě uF. U0 = UA + UD + URz U0 = UA + UD + IRz.RZ U0 = 0,4 V pro Ge diodu U0 = 0,7 V pro Si diodu

Popis v symbolickém tvaru pro RA = 0: v ↑: Uv = U, URz = 0, UD = 0 v ↓: Uv = 0, UD → 0,4V (0,7V), UR → U – 0,4V (0,7V) v↑ … spínač rozepnut v↓ … spínač sepnut UD → 0,4 V napětí UD klesne na hodnotu 0,4 V URz → U – 0,4 V napětí na odporu se ustálí na napětí zdroje zmenšené o úbytek na diodě

AV charakteristika diody: Dioda začíná propouštět proud až při úbytku napětí na diodě 0,4 V (Ge) nebo 0,7 V (Si). Toto napětí je tzv. prahové napětí.

I

0

0,4 0,7

⎛ UU −1 ⎞ I = I RO ⎜ e v ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

U [V]

Oblast, kdy dioda téměř nepropouští proud, i když je polarizovaná v propustném směru.

Jedná se o indeální průběh AV charakteristiky diody. IRO – nasycený proud Uv – teplotní napětí (při teplotě υ = 20oC má hodnotu 26mV)

Popište funkci obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Popište nakreslený graf: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Napište definici AV charakteristiky: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Jaký vnitřní odpor musí mít ampérmetr a voltmetr, pomocí něhož chceme měřit v obvodu a): Odpor ampérmetru má být: a) RA << R0; RA << Rz b) RA = R0; RA = Rz c) RA >> R0; RA >> Rz

48

49 Statický a dynamický odpor diody v propustném směru Voltampérovou charakteristiku lze nahradit dvěma přímkami. Do tzv. prahového napětí UTO je dioda nevodivá a po jeho překročení proud na diodě stoupá lineárně v závislosti na napětí. Tato linearizace je velice přibližná. V tomto případě můžeme označit odpor diody rF jako diferenciální odpor.

rF =

uF UT0 iF

Charakteristika diody v propustném směru však není přímka. V takovém případě nesmíme pracovat s velmi malými hodnotami změn napětí a proudu v nastaveném pracovním bodě: Tečna v bodě A

RSA =

I IA

A

IA

RdA =

α1

α2

∆U A dU A = = tgα 2 ∆I A dI A

Dynamický odpor diody v bodě A

UA

Uto

0

UA = tgα1 Statický odpor diody v bodě A IA

U UA

Definice statického odporu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Definice dynamického odporu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… V propustném směru má tedy dioda sériový odpor RS a dynamický odpor RdA. U stejnosměrných proudů se uplatňuje jen statický odpor diody.

IF [A]

IF [mA]

Teplotní závislost charakteristiky diody Úbytek na diodě v propustném směru se se zvyšující teplotou PN přechodu zmenšuje. 60 50 40 νj = 30

+ 60°C + 25°C

600 500 400 νj = 300

+ 160°C + 25°C

200

20

100 0

10 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 UF (V) UF [V] b) a) Propustná charakteristika a/ germaniové diody, b/ křemíkové diody

49

50 DÚ: Navrhněte obvodové schéma pro měření statického a dynamického odporu diody v propustném směru a napište postup měření.

b) v nepropustném směru -

A

-

Dokreslete graf:

IZ

+

V sepnut

v rozepnut

UA

UD

U0

t

Rz URz

UD

+ t

v

Uv

U0 = UA + UD + URz IZ ≅ 0 U0 ≅ UD

t

URz

t

IZ

t Úkol: Popište funkci obvodu v symbolickém tvaru: …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

Slovy popište funkci obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Celé napájecí napětí zatěžuje diodu v závěrném směru. Závěrný proud je určen především tokem menšinových nosičů. Ten se již při napětí několika setin voltu nasytí. Proud diodou v závěrném směru označujeme IR, úbytek v závěrném směru diody, tzv. závěrné napětí diody UR. V nepropustném směru teče také tzv. svodový proud. Překročí-li se však napětí na diodě průrazné napětí UBR, závěrný proud strmě roste, protože dochází k průrazu PN přechodu. UR [V]

I

2000 1500 1000 500

0 100 nA

UBR

B

A 0

νj =

U

νj =

C

+ 25°C

1µA 10µA

+ +180°C

100µA 1 mA 10 mA

Charakteristika lavinové diody

50

IR

νj =

51 UBR nazýváme průrazné napětí. Při něm dojde k nevratným změnám vlivem růstu teploty (teplota překročí kritickou mez). Mluvíme o destruktivní změně. Definujte AV charakteristiky v závěrném směru: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Otázka: Popište chování Rd v oblasti a) AB b) BC Otázka: Kdy dojde k nedestruktivní změně? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

Dovolené napěťové zatížení diod Téměř celý úbytek napětí se objevuje v oblasti prostorového náboje. Uvnitř krystalu je izolační pevnost kolem 25kV/mm. Místo, kde se oblast prostorového náboje vyskytuje na povrchu krystalu je izolační pevnost vzduchu jen 3kV/mm. To je důvod, proč musí být povrch krystalu kvalitně opracován. Povrch krystalu

3kV/mm

-

P N 25/kV 25kV/mm /mm 25/V/mm

+

Diodu může také zničit i povrchový průraz mimo vlastní přechod PN.

Přechod PN

Vliv teploty na průběh závěrné charakteristiky diody Závěrný proud diody je výrazně závislý na teplotě přechodu PN. UR [V] 20 νj =

15

10

+ 25°C + 50°C + 75°C

5

0 0,1 1

100 1000

IR [µA]

10

Vliv teploty na závěrnou charakteristiku

Tato závislost je markantně vyšší u diod z Si, než Ge.

51

52 Ztráty v závěrném směru Stejnosměrný ztrátový výkon v závěrném směru:

PR = U R .I R Tento ztrátový výkon způsobuje oteplení diody. Charakteristické hodnoty diod velikost propustného proudu IF a tomu odpovídající UF na diodě pro jeden bod charakteristiky a diferenciální odpor v tomto bodě prahové napětí UTo napětí UR a tomu odpovídající IR, který bude diodou procházet v závěrném směru pro jeden bod charakteristiky a diferenciální odpor v tomto bodě teplotní součinitelé nejdůležitějších charakteristik další údaje (např. kapacita přechodu, sériový odpor RS, mezní kmitočet) atd. Mezní hodnoty diod a) mezní proudy v propustném směru IF IFRM IFSM

největší střední proud, který smí diodou procházet trvale, největší špičkový proud (opakovatelný), největší nárazový proud (ojedinělý náraz – udává se přípustné trvání nárazu a minimální interval mezi dvěma následujícími nárazy), b) mezní závěrná napětí UR UBR URRM URSM

největší závěrná napětí, které smí být na diodě trvale, průrazné napětí, největší špičkové závěrné napětí (opakovatelné), největší nárazové závěrné napětí se stejnými údaji jako pro IFSM,

c) mezní údaje související s teplotním režimem diody υjM υa υs PdM

největší dovolená teplota přechodu (teplota, na níž se smí při provozu přechod ohřát, aniž by se tepelně poškodil), rozmezí dovolených teplot okolí, rozmezí dovolených teplot při skladování, největší dovolený ztrátový výkon diody.


52

53 Teplotní závislost diody v propustném směru Dioda se v obvodu chová jako spotřebič a odebírá ze zdroje určitý výkon P=U.I Zahřívá se a změny teploty ovlivňují všechny parametry diody: υj 60 °C 25 °C

I [mA]

I

U

PF = U F .I F

300 200

-80

-60 -40

100 -20 0

- 4.10

1

U [V]

2

Vliv teploty na průběh VA charakteristiky diody

Teplotě lépe odolávají Si diody, než germániové. Při překročení mezní teploty dochází k průrazu diody a jsou zničeny. Značení polovodičových diod Značení Tesla: A diody všeobecně B varikap E tunelová dioda P fotodioda a fototranzistor R několikavrstvová dioda Y usměrňovací Z Zenerova a lavinová dioda G germániová K křemíková

Značení světových výrobců: 1N … UF… DSE… BAV… MUR… BY…

K označování diod se používá barevné značení, které lze nalézt v technickém katalogu výrobce. Měření diody a) měření charakteristiky v propustném směru R0

IA A

URo

+

ID

IV UA

U

-

53

V

UV

UD

54 Otázky: 1. Čemu se rovná IA = I ... + I ... 2. Jaký je vztah mezi (<, >, =) Př.: Iv < ID IV IA IA

……… ……… ………

ID IV ID

UV UA UA

……… ……… ………

UD UV UD

a proč? K čemu slouží Ro a jak jej vypočítáme. V jakém rozsahu se může měnit U pro dané Ro a příslušnou diodu. Popište metodiku měření. Navrhněte tabulku na evidenci údajů ve Wordu. Proveďte měření. Nakreslete charakteristiku diody: - ručně - ve Wordu b) Měření diod v nepropustném směru

3. 4. 5. 6. 7. 8.

R0

IA A

URo

-

ID

IV UA

V

U

UD

UV

+

Popište postup měření charakteristiky: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Komutace diody V propustném směru diody je průchod PN nasycen volnými nosiči nábojů – elektrony a děrami s relativně krátkými dobami životnosti. Důsledek: Při přepólování diody je v závěrném směru na krátký okamžik závěrný proud mnohonásobně větší než po ustálení přechodového děje diody. i

~

u

u

u(t)

t i

t Doba komutace (závěrná zotavovací doba)

Tento jev nazýváme komutací diody.

54

55 Toto komutační napětí může převýšit střídavé napětí zdroje. Proti tomuto přepětí potřebujeme diody chránit tzv. přepěťovou ochranou diod: U

u(t)

i

~

R

u

t U

u(t)

t Komunikační přepětí

Zdroj: Kolektiv autorů Dioda, tranzistor a tyristor názorně. Praha : SNTL, 1987.

Komutace diody určuje tzv. mezní kmitočet diody, od něhož dioda ztrácí svoji usměrňovací funkci. U1

U4

u(t)

u(t)

t

t

U2

u(t) U5 t

u(t)

U3

t t Vliv kmitočtu usměrňovaného napětí na proud diody U4 - běžná dioda, vysoký kmitočet U1 - nízký kmitočet U5 - rychlá dioda, vysoký kmitočet U2 - střední kmitočet U3 - vysoký kmitočet


Diody které mají mimořádně krátkou dobu komutace nazýváme rychlé.

1.5.4

Druhy polovodičových diod

Hrotová dioda

Schématická značka

Je vytvořena z destičky polovodiče typu N a wolframového hrotu, který je na tuto destičku přitlačován. Přechod má nepatrné rozměry, s čímž souvisí nejdůležitější vlastnosti této diody: malé mezní propustné proudy a malé závěrné napětí (mA, desítky V) vysoký mezní kmitočet (108 ÷ 1010 Hz) krátká zotavovací doba malá mechanická odolnost

Použití: Usměrňování vysokofrekvenčních proudů

55

56 Plošná dioda Schématická značka

Je vytvořena některou z technologií výroby PN přechodu. PN přechod je podstatně rozměrnější než u hrotové diody. Charakteristické vlastnosti: snesou velké propustné proudy (stovky A) velké závěrné napětí (102 ÷ 103 V) dobrá mechanická odolnost

Použití: Výkonové usměrňování střídavých proudů, spínání velkých proudů.

Ukázka katalogového listu z www.gme.cz

Dioda s přivařeným zlatým hrotem Základní destičky s vodivostí N se dotýká přitavený zlatý hrot. Tento typ diody si zachovává výhodné a odstraňuje některé nevýhodné vlastnosti hrotových diod. Charakteristické vlastnosti: mezní frekvence a zotavovací doba je stejná jako u hrotové diody má menší úbytek napětí v propustném směru než hrotová dioda Schématická snese větší mezní proud a menší napětí v závěrném směru značka má lepší mechanické vlastnosti Použití: Usměrňování vysokofrekvenčních proudů, rychlé spínání. Typ

0A5

Mezní hodnoty Ta IF IFM IFSM UR URM [°C] [mA] [mA] [mA] [V] [V] 25 115 350 1000 100 100

0A9

25

120

500

800

25 25

IF

při UF

[mA] 0,1 10 200 300 0,1 10

IR při

UR

[V] [µA] [V] <0,25 <5 1,5 <0,55 <6 10 <1 <9 50 <1,25 <30 100 <0,2 <2,5 1,5 <0,42 <7 10 <14 25

Ukázka katalogového listu z katalogu TESLA

56

pouzdro

Analog

H3

~0A180, 0A182, AAY15 ~ FD4, FD6, FD7

H3

~ FD3, FD9

57 Zenerova dioda Zenerovy a lavinové diody jsou křemíkové plošné diody určené pro provoz v průrazovém režimu závěrně polarizovaného přechodu PN. Průraz je nedestruktivní.

Schematická značka

Použití: Stabilizátory napětí, omezovače, spínače, ochrana proti přepětí, zdroj referenčního napětí atd.

Stabilizační napětí Výkon diody


Tunelová dioda Pro tuto diodu je charakteristické, že jí v propustném směru prochází proud (mA) již při napětích, podle vyslovených teorií potenciálový val brání průchodu nosičů přechodem. Schematická značka

Použití: Jako součástka se záporným diferenciálním odporem (např. v oscilátorech, rychlý spínač)

10 I [mA]

0

0,2

0,4

U [V]

VA charakteristika Typ Ta Ptot [°C] [mW]

Mezní hodnoty IF IFM

GE130 GE131 GE132 -10…+85 GE133 GE134

IP

IV

[µA] [mA]

10.IP

IP/IV

[µA]

rS

Barevný kód

pouzdro

Analog

[Ω]

[mA]

10.IP

10±1 1±0,2 20 2±0,2 3±0,4 4±0,4

2,0 0,2 0,4 0,6 0,8

8 8 8 8 8

1<1,6 1<3,0 1<2,8 1<2,4 1<2,0

černý hnědý červený oranžový žlutý

H5

Ukázka katalogového listu z katalogu TESLA

Kapacitní dioda

Schematická značka

Všechny polovodičové diody mají parazitní kapacitu Cd závislou na přiloženém napětí U. Tato závislost kapacity se více projevuje v závěrném směru (u Si diod více než u Ge).

57

58 Charakteristické vlastnosti: velký rozsah řízení kapacity (Cdmax : Cdmin) malý proud v závěrném směru malý sériový odpor RS Skl.č. 228-006

Název

Charakteristika

BB221

Jednotková cena CZK

varicap 28V 1.8-17pF

8.03 ks


Charakteristika:

Cj

Rj

UR

I, Cj

Rs

Cj … kapacita diody [F] f0 … kmitočet sériové resonance [Hz] rs … sériový odpor [Ω] Ls … sériová indukčnost [H] Q … jakost

C0 Cp

Cj

Ls

Náhradní schéma kapacitní diody

f0 =

1 2 π C j . Ls

0

UR

Up

U

C0

C= (e

u up

1

1 )2

Schottkyho dioda Je to dioda s přechodem polovodič – kov (GaAs – zlato, Si – Al). Zotavovací doba těchto diod dosahuje řádově pikosekund. Použití: Usměrňování proudů velmi vysokých kmitočtů a jako velmi rychlý spínač.


Dioda s akumulovaným nábojem Vyznačuje se poměrně dlouhou dobou zotavovací dobou a schopností po tuto dobu udržet v krystalové mřížce určitý zbytkový náboj QS. Použití: Pomalé spínače, paměťové součástky.

58

59 Dioda PIN Je charakteristická tím, že je mezi oblasti polovodiče s nevlastní vodivostí typu P a N vložena vrstva s vlastní vodivostí typu I. VA charakteristika této diody I je lineární. Mezní kmitočet PIN diody je závislý na tloušťce If vrstvy I. Čím je tato vrstva tlustší, tím je mezní kmitočet nižší. Použití: Pro realizaci lineárních odporů pro vysoké kmitočty řízených stejnosměrným proudem. U

VA charakteristika

1.5.5

Schematické určení časového průběhu usměrněného proudu

Obrázek uvádí jednoduchou grafickou konstrukci, která umožňuje stanovit časový průběh proudu id při zatížení jednopulsního usměrňovače činným odporem. Nejprve zakreslíme do propustné charakteristiky diody iF (uF) odporovou přímku pR, určenou rovnicí i=uR/R. Pak určíme pro každou hodnotu proudu iF celkový úbytek napětí na diodě a odporu R [křivka iF (u)] a připojíme dvě časové osy, takže můžeme vyznačit závislost u (t) a iF (t). Odvození funkce iF (t) je z obrázku zřejmé. if

uR

u1

uD = u1 – i.R if = f(uf) = - uD/R + u1/R

iF

iF(u)

PR

ir (u)

uD

u1/R u1 u1 uD

uR

uf

t

T

T

t Určení průběhu iF z propustné charakteristiky diody


59

60

1.5.6

Střední hodnota usměrněného napětí a proudu

Jestliže měříme pulsující napětí o kmitočtu 50 Hz průběhu, naznačeného na obrázku voltmetrem s otočnou cívkou, nestačí systém přístroje následkem své hmotnosti sledovat rychlé časové změny napětí; voltmetr měří střední hodnotu (označujeme ji také jako stejnosměrnou složku měřeného napětí). Obrázek uvádí průběh výstupního napětí ud, (index d označuje výstupní veličinu obvodu) a střední hodnotu Udav. Plochy vymezené průběhem ud (t) a přímkou y = Udav různé barvy výplně, jsou stejně velké. uD

Udav

t

1.5.7

Střídavá složka usměrněného napětí, zvlnění

Pulsující průběh napětí ud můžeme rozložit na dvě složky: stejnosměrné napětí (střední ∼

hodnotu) Udav a střídavé napětí u d. Poměr efektivní hodnoty střídavé složky ud (t), tj. Ud, a střední hodnoty Udav nazýváme zvlnění kz kz =

Ud .100 U dav

Jestliže je udáváme v procentech (%).

1.5.8

Sériové a paralelní řazení diod

Potřebujeme-li diodu s vyšším napětím než jmenovité závěrné napětí, můžeme řadit diody sériově. Musíme ale zajistit, aby se závěrné napětí rozdělilo rovnoměrně na všechny diody, byť mají rozptyl parametrů. Obvykle snižujeme zatížení závěrným napětím u diody na 80%.

C

R2

R2

R2

V

V

V

R1

C

R1

C

R1

Sériové zapojení diod


R a C omezuje vliv komutačního napětí. R2 se volí tak, aby jeho proud byl roven desetinásobku závěrného proudu diod. Potřebujeme-li získat větší proud, řadíme diody paralelně. Zatěžujeme je však jen na 80% přípustného proudu diody.

60

61

1.5.9

Aplikace

a) Ochrana ručkového měřidla před přetížením +

+ RS

RS

D Si

0 ,8 U Z I0

R0

I0 ; R0 A

-

-

Křemíková dioda má pro UF = 0,3 V až 0,4 V zanedbatelně malý propustný proud. Přesáhne-li však úbytek napětí na měřidle 0,5 V až 0,6 V, převede dioda větší proud a chrání měřidlo.

UF I0

RS = 2)

RS =

Uz

I0 ; R0 A

1)

D

R0

Popište činnost obvodu se Zenerovou diodou: ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………

b) Omezovač s diodou v paralelní větvi 1) R u2 u1

u1

D

u2 t

t

Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 2) R u2 D u1

u1

UB

UB

u2

t

t

Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

61

62 3) Dokreslete průběh

R u2 D u1

u1

u2

UB

t

t

Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… c) Omezovač s diodou v podélné větvi 1) D u2 u1

u1

R

u2 t

t

Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 2) D u2 R u1

u1

UB

u2 UB

t

t

Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 3) D u2 R u1

u1 t

u2 UB

UB

62

t

63 Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… d) Ladění s varikapem C1 zamezuje průchodu ss proudu vinutím cívky a pomocí R1 nastavujeme kapacitu varikapu D.

10k R2

+ 30 V

C1 M22 D

Popište činnost obvodu: …………………………………………… …………………………………………… …………………………………………… ……………………………………………

R1

M1

C2

e) Diodový přepínač C2

D1

Obvod přepíná signál řídícím napětím U ze špičky 1 na špičku 2 nebo 3.

2

C1 1

D2

C3

Popište činnost obvodu: ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… …………………………………………………………

3

R2

R3

U 4

1.5.10

5

Elektronický obvod

Elektronický obvod se skládá z elektronických součástek navzájem propojených, kterým říkáme obvodové součástky. Napětí, působící v obvodu a proudy tekoucí součástkami se nazývají obvodové veličiny. Obvodové součástky

i = i1 + i2 + i3 u = uD + UR1 = uD + uL + uC i

u

∼

D

L

UD UR1

UL R1

i1

UC i2

C i3

Obvodové veličiny

63

R2

UR2

64 Elektrický proud I a napětí U jsou základními obvodovými veličinami. K jejich jednoznačnému určení nestačí znát pouze jejich velikost, ale je zapotřebí určit i polaritu daného napětí a technický směr proudu. Orientaci veličiny značíme jednosměrnou šipkou, pro napětí otevřenou a pro proud uzavřenou. IR

R UR

Šipku napětí orientujeme od místa s vyšším potenciálem k místu s potenciálem nižším, tedy od + k -. Šipka proudu souhlasí s technickým směrem proudu, tj. směřuje od bodu s vyšším potenciálem k bodu s potenciálem nižším. Změníme-li orientaci šipky příslušné obvodové veličiny, musíme změnit znaménko u čísla udávající hodnotu této veličiny.

64

65

1.6

Základní pojmy a jejich vysvětlení

Transformátor

Jazyk anglický Transformer

Napájecí síť

Supply network

Dioda

Diode

Vodič Pojistka Osciloskop Voltmetr

Wire Fuse Oscilloscope Voltmeter

Ampérmetr

Ampermeter

Základní pojmy

Definice Elektrický přístroj (měnič), který plní dvě základní funkce: 1. Transformaci (změnu velikosti) střídavého elektrického napětí, proudu a impedance (střídavého odporu) jedné velikosti na jinou velikost. Frekvence (kmitočet) střídavého napětí nebo proudu se přitom nezmění. 2. Galvanické (stejnosměrné) oddělení vstupního (primárního) obvodu od výstupního (sekundárního) obvodu. Skládá se z magnetického obvodu (jádra), ze vstupní cívky (primární) a z jedné nebo několika cívek výstupních (sekundárních). Soubor vodičů a dalších technických zařízení sloužící pro přenos elektrické energie od zdroje ke spotřebičům. Nelineární dvoupólová polovodičová součástka, obsahující většinou jeden přechod PN opatřený dvojicí vývodů a pouzdrem.

www + literatura www.gme.cz www.kte.cz

2)

www.gme.cz www.kte.cz

3) 1) Měřicí přístroj pro měření velikosti 1) elektrického napětí stejnosměrného nebo střídavého. Do elektrického obvodu se zapojuje paralelně ke dvěma bodům obvodu. Ideální voltmetr má nekonečně veliký odpor a proto nezatěžuje obvod odběrem el. Proudu. Skutečný voltmetr má vysoký vstupní odpor, několik kOhmů až Mohmů. Měřicí přístroj pro měření velikosti 1) elektrického proudu stejnosměrného nebo střídavého. Do elektrického obvodu se zapojuje sériově se zátěží. Ideální A-metr má nulový vnitřní odpor, proto na něm nevzniká žádný úbytek napětí. Skutečný A-metr má vnitřní odpor malý (menší než 1 Ohm, často několik mOhmů). Pozor! Je-li A-metr zapojen paralelně ke zdroji, vznikně zkrat – obvodem protéká zkratový proud, který může poškodit buď A-metr

65

66

Tlumivka

Kondenzátor

Vypínač

Tlačítko

Relé

Jistič Střídavý proud Stejnosměrný proud Pulzující proud

nebo zdroj (pokud není chráněn pojistkou. Choke Tlumivka (cívka, induktor) je dvoupólová součástka, která má požadovanou hodnotou indukčnosti L. Této indukčnosti se dosáhne navinutím vodiče (měděného drátu) na kostřičku z izolantu. Do dutiny cívky většinou bývý vloženo jádro, pro zvětšení indukčnosti. Tlumivky slouží pro zmenšení hodnoty střídavého proudu nebo pro vyhlazení střídavé složky proudu. Dělí se na síťové, nízkofrekvenční a vysokofrekvenční. Capacitor Lineární dvoupólová součástka s kapacitou C definované velikosti. Je tvořen dvěmi vodivými elektrodami oddělenými dielektrikem (izolantem, nevodičem). Používají se k vyhlazení usměrněného střídavého napětí ve zdrojích, jako vazební členy mezi obvody (přenášejí střídavou složku signálu), jako oddělovací (oddělují – nepřenášejí) stejnosměrnou složku napětí, ve vysokofrekvenčních filtrech, v časovacích obvodech. Switch El. Přístroj, který slouží pro zapínání a vypínání el. obvodu. Má dvě polohy. Vždy je přepnut do jedné z nich. Push-button El. Přístroj, který slouží pro zapínání a vypínání el. obvodu. Má dvě polohy. Při stisku sepne a po uvolnění se samočinně vrátí do rozepnuté polohy. Relay El. přístroj, který slouží jako elektromechanický zesilovač. Malým výkonem v ovládacím obvodu umožňuje ovládat (spínat) větší (velký) výkon v ovládaném obvodu. Circuit Breaker El. přístroj, který jistí vedení nebo spotřebič před přetížením nadproudem (velkým proudem). Alternatin Current Mění smysl (znaménko), velikost (AC) (amplitudu) a případně i frekvenci v závislosti na čase. Direct Current (DC) Nemění smysl ani velikost v závislosti na čase. Např. proud akumulátorové baterie. Pulse Current Nemění smysl, ale mění velikost v závislosti na čase. Např. usměrněný proud.

66

1) www.gme.cz www.kte.cz


1) www.gme.cz www.kte.cz www.gme.cz www.kte.cz


1) 1) 1)

67

1.7

Otázky:

1. Co chápete pod pojmem generace párů nosičů nábojů? a) současný vznik dvou volných elektronů. b) Současný vznik jednoho volného elektronu a jedné díry. c) Současný vznik dvou děr. 2. Jak vzniká volný elektron 3. Jak vzniká díra 9. Nakreslete závislost četnosti vzniku dvojice elektron-díra v závislosti na teplotě. 10. Jakým způsobem přechází volný elektron zpět do stavu valenčního elektronu? 11. Závisí počet rekombinačních pochodů v polovodičovém krystalu silně na teplotě? a) ano b) ne 12. Je vázán jev generace párů elektron-díra a rekombinace hlavně na rekombinační centra? Pokud ano, proč? 13. Jakým směrem prochází difúzní proud na obrázku. A

B

Pohyb elektronů a směr jimi vyvolaného proudu

14. Jaké předpoklady musí být splněny, aby mohl procházet jistou látkou elektrický proud? a) Látka musí obsahovat nabité částice. b) Látka musí obsahovat pohyblivé částice. c) Látka musí obsahovat nabité pohyblivé částice. 15. Jaký je důvod toho, že kovy jsou vždy schopny vést elektrický proud? 16. Které částice nemohou být nosiči proudu? a) Atomová jádra. b) Valenční elektrony. c) Vnitřní elektrony. 17. Které elektrony mohou vést proud, uvažujeme-li pouze vlastní vodivost polovodičového materiálu? a) Vnitřní elektrony. b) Vázané elektrony. c) Volné elektrony. 18. Jak označujeme oba druhy nosičů nábojů, umožňujících vznik elektrického proudu? 19. Které elektrony z otázky č. 1 odpovídají nosičům z otázky č. 2? 20. Který druh elektrické vodivosti polovodiče má největší důležitost pro technickou praxi? a) Vlastní vodivost vzhledem k tomu, že značně závisí na teplotě. b) Nevlastní vodivost, získaná dotací výchozího materiálu, protože závisí málo na teplotě. 21. Které druhy vodivosti, získané dotací, znáte? 22. Jaký je rozdíl mezi donory a akceptory? 23. Kolik valenčních elektronů má atom křemíku, resp. germánia? a) tři b) čtyři c) pět

67

68 24. Jak dosahuje krystal křemíku či germania vodivost typu N? Tím, že do něj vpravíme a) akceptory b) donory c) rekombinační centra 25. Kde se generují páry elektron-díra nejsnadněji? a) v akceptorech b) v donorech c) v rekombinačních centrech 26. závisí měrný odpor germaniového či křemíkového krystalu na době života nosičů nábojů? a) ano b) ne 27. Jalá je příčina vzniku difúzního proudu mezi dvěma oblastmi krystalu? a) Teplota těchto oblastí. b) Difúzní napětí mezi oběma oblastmi. c) Rozdíl koncentrací volných nosičů v obou oblastech. 28. V kterém místě krystalu polovodiče vzniká oblast prostorového náboje? 29. V čem spočívá rozdíl mezi kovy na jedné straně, polovodiči a izolanty na druhé straně? a) Vodiče jsou schopny vést elektrický proud vždy, polovodiče a izolátory ne vždy. b) Ve vodiči se vyskytují valenční elektrony. 30. Z čeho se skládá pevná látka? 31. Z čeho se skládá atom? 32. Proč mají zvláštní důležitost valenční elektrony, tzn. ty elektrony, jež se pohybují ve vnějších drahách kolem jádra? a) Protože jsou nabity záporně. b) Protože mohou zajistit vazby se sousedními atomy. c) Protože mohou za jistých okolností přispět ke vzniku elektrického proudu. 33. Čím se vyznačují valenční elektrony v kovových krystalech na rozdíl od valenčních elektronů jiných látek? a) U kovu připadá na každý atom minimálně jeden valenční elektron. b) U kovů jsou valenční elektrony vždy volné. 34. Jsou valenční elektrony v polovodiči volné či vázané? a) Jsou vázané. b) Jsou volné. c) Jsou za normálních okolností vázané. 35. Jsou valenční elektrony v izolantu vázané či volné? a) Jsou vázané. b) Jsou téměř vždy vázané. c) Jsou za normálních okolností volné. 36. Jak vzniká elektrická vodivost polovodiče? a) Vytržením valenčních elektronů z atomových vazeb. b) Vytržením vnitřních elektronů atomu. 37. Které dva druhy elektronů mohou vyvolat elektrickou vodivost polovodiče? 38. Pomocí kterých fiktivních částic můžeme také vysvětlovat chování vázaných elektronů v polovodiči? 39. U kterého druhu vodivosti se vyskytuje vždy stejný počet volných elektronů a děr? a) U nevlastní vodivosti typu N. b) U vlastní vodivosti. c) U nevlastní vodivosti typu P. 40. Která vodivost závisí značně na teplotě? a) Vlastní. b) Nevlastní vodivost typu P. c) Nevlastní vodivost typu N.

68

69 41. Kdy je vlastní vodivost relativně velká v porovnání s příměsovou vodivostí, získanou dotací? a) Při vysoké teplotě a mnoho příměsových atomech. b) Při vysoké teplotě a malém počtu příměsových atomů. c) Při nízké teplotě a mnoha příměsových atomech. d) Při nízké teplotě a málo příměsových atomech. 42. Kdy je vlastní vodivost relativně malá a příměsová vodivost, získaná dotací, velká? a) Při vysoké teplotě a mnoha příměsových atomech. b) Při vysoké teplotě a málo příměsových atomech. c) Při nízké teplotě a mnoha příměsových atomech. d) Při nízké teplotě a málo příměsových atomech. 43. Čím se liší polovodič od izolantu? a) Nijak. b) Pouze rozdílnou elektrickou vodivostí. 44. Ze dvou jinak zcela stejných krystalů křemíku č.1 a č.2 má krystal č.2 dvojnásobný počet akceptorů než krystal č.1. Který z obou krystalů má větší měrný odpor? a) Krystal č.1. b) Krystal č.2. c) Oba krystaly mají stejný měrný odpor. 45. Přiřaďte poruchám a) akceptoru, b) donoru, c) rekombinačnímu centru následující nosiče nábojů: a) Volný elektron. b) Volný elektron a díra. c) Díra. 46. Jestliže zvýšení teploty o 10°C přivodí zdvojnásobení počtu generovaných párů elektro-díra a rychlosti rekombinace, kolikrát se zvětší tyto veličiny, jestliže se teplota zvýší o 50°C. a) Desetkrát. b) Třicetdvakrát. c) Padesátkrát. 47. Existují za normálních okolností v krystalu, vykazujícím vodivost P, také volné elektrony? a) ano b) ne (K odpovědi připojte i krátké zdůvodnění vašeho názoru) 48. Proč při malém propustném napětí prochází přechodem PN pouze nepatrný proud? 49. Udejte kromě závěrného napětí ještě jednu příčinu vzniku závěrného proudu přechodu PN. 50. Čím je určena šířka oblasti prostorového náboje závěrně polarizovaného přechodu PN? a) Stupně dotace obou oblastí, sousedících přechodem PN. b) Počtem rekombinačních center obou oblastí, sousedících s přechodem PN. c) Závěrným napětím. 51. Kterou z následujících kombinací vlastností lze uskutečnit u běžné diody. a) Velký úbytek v propustném směru a vysoké zvěrné napětí. b) Velký úbytek v propustném směru a nízké závěrné napětí. c) Malý úbytek v propustném směru a nízké závěrné napětí. d) Malý úbytek v propustném směru a vysoké závěrné napětí. 52. Které kombinace, uvedené v předchozí otázce 8 lze uskutečnit u diody PνN či PπN? 53. Odpor diody v propustném směru lze definovat poměrem úbytku na diodě v propustném směru k propustnému proudu. Mění se tento poměr, tj. odpor diody, při vzrůstajícím propustném proudu? a) Ano, zvyšuje se. b) Ne. c) Ano, zmenšuje se. 69

70 54. Závisí závěrný proud diody PνN (počet rekombinačních center je stálý) na stupni dotace střední oblasti? a) ano b) ne (Připojte zdůvodnění vašeho názoru) 55. Kterému ze dvou dále uvedených pojmů lze přiřadit výraz řetězová reakce? a) Lavinový průraz. b) Zenerův průraz. 52. Závěrné a difusní napětí působí na přechodu a) stejným směrem b) opačným směrem 53. Pokud se oblast prostorového náboje zvětší dvakrát, změní se také závěrný proud? a) ano, závěrný proud klesne na polovinu původní hodnoty b) ne c) ano, závěrný proud se zdvojnásobí 54. Jaké závěrné napětí bychom mohli připojit na přechod PN, jestliže má oblast prostorového náboje šířku průměru lidského vlasu (0,05 mm). 55. Kmity krystalové mříže se s teplotou zvětšují a v důsledku toho volné elektrony a díry na při vyšší teplotě naráží častěji na atomovou mřížku křemíkového, nebo germaniového krystalu. Pokud teplota krystalu vzrostla, nastává lavinový průraz a) při vyšším závěrném napětí na přechodu PN b) při nižším závěrném napětí na přechodu PN 56. Může vzniknout v čistém izolantu lavinový průraz a) ano? b) ne? 57. Může vzniknout v čistém izolantu Zenerův průraz a) ano? b) ne? 58. k čemu slouží rezistor? 59. Jak členíme rezistory? 60. Vyjmenujte nejvýznamnější výrobce rezistorů a napište internetové adresy jejich obchodních katalogů. 61. Popište hlavní parametry rezistoru. 62. Na kterých parametrech závisí cena rezistoru? 63. Kdy používáme jmenovitou řadu odporů E6, E12 aE24. 64. Kolik členů má řada E6, E12, E24. Vyjmenujte je. 65. Pro které účely používáme řady jednotlivých tolerančních řad? 66. Popište číselné i barevné značení rezistoru. 67. Napište vzájemný vztah mezi U, I a R. 68. Napište vztah pro hodnotu odporu rezistoru při dané teplotě. 69. Napište vztah pro hodnotu výkonu, který se v rezistoru přemění na teplo. 70. Nakreslete konstrukci pevného vrstvového rezistoru. 71. K čemu slouží rezistory SMD konstrukce? 72. Nakreslete konstrukci drátového rezistoru? 73. Napište vztah pro výpočet odporu drátového rezistoru. 74. Nakreslete schéma rezistoru s odbočkou a potenciometrem a napište vztahy mezi napětími. 75. Kde používáme lineární, logaritmické a exponenciální potenciometry? 76. Napište vztahy pro sériové řazení odporů. 77. Napište vztahy pro paralelní řazení odporů. 78. Nakreslete schéma pro určení odporů. 79. Co je hlavní vlastností kondenzátoru. 80. Nakreslete značku kondenzátoru. 81. Napište vztah mezi Q, C, U u kondenzátoru. 82. Napište vztah pro nabíjecí proud kondenzátoru. 70

71 83. Napište vztah pro výpočet kapacity deskového kondenzátoru. 84. Popište konstrukci deskového kondenzátoru. 85. Nakreslete grafy chování kondenzátoru v obvodu stejnosměrného zdroje. 86. Vysvětlete technický význam vztahu τ = R.C Nakreslete obvod. 87. Napište vztahy pro sériové a paralelní zapojení kondenzátoru. 88. Jakou energii obsahuje kondenzátor o C=1µF při U=10V. 89. Jakou energii obsahuje kondenzátor o Q=1µC při U=10V. 90. Jak členíme kondenzátory? 91. Kde používáme elektrolytické kondenzátory? 92. Nakreslete kondenzátor s proměnnou kapacitou? 93. Popište použití kondenzátoru s proměnnou kapacitou? 94. Jak měříme kondenzátory? 95. Co je hlavní vlastností cívky? 96. Nakreslete graf pro elektrické veličiny cívky připojené na ss zdroj. 97. Jaké vzorce používáme při výpočtu indukčnosti vodiče, cívky, trafa. 98. Pro jaké funkce používáme vzduchové cívky a pro které cívky s jádrem. 99. Kde užíváme tlumivky. 100. Nakreslete C jádra. 101. Jak určíme indukčnost cívky. 102. Napište vztah pro indukované napětí. 103. Napište vztah pro sériové a paralelní řazení cívek. 104. Jakou energii obsahuje cívka o L-1mH a I=1mA. 105. K čemu slouží transformátor? 106. Nakreslete konstrukci trafa. 107. Napište vzorec pro převod transformátoru. 108. Napište vzorec pro M, u1, u2 v transformátoru. 109. Popište ztráty v transformátoru. 110. Napište vzorec pro účinnost transformátoru. 111. Napište vztahy pro sériové a paralelní řazení cívky. 112. Kde používáme jádrový transformátor? 113. Kde používáme autotransformátor? 114. Nakreslete V-A charakteristiky diody a popište hodnoty. 115. Co to je UTO. 116. Definujte statický i dynamický odpor diody. 117. Definujte ztráty výkonu diody. 118. Popište chování diody v propustném a závěrečném směru. 119. Popište chování diody v závislosti na teplotě. 120. Definujte charakteristické hodnoty diod. 121. Definujte mezní hodnoty diod. 122. Popište měření diody a nakreslete obvodové schéma. 123. Jak vzniká komutace diody? 124. Popište jednotlivé druhy diod. 125. Nakreslete technické řešení sériového a paralelného řazení diod. 126. Co to je diodový omezovač? 127. Nakreslete obvodové schéma omezovače v sériové a paralelní větvi. 128. Nakreslete elektrický obvod a vysvětlete obvodové veličiny. 129. Jak se liší propustná charakteristika germaniové a křemíkové diody? a) Křemíková dioda má vyšší prahové napětí. b) Křemíková dioda má větší diferenciální odpor. c) Neliší se, obě charakteristiky probíhají téměř stejně. 130. Jak se liší závěrná charakteristika křemíkové a germaniové diody přibližně stejného jmenovitého propustného proudu a stejného závěrného napětí? a) Křemíková dioda má větší závěrný proud. b) Křemíková dioda má menší závěrný proud. c) Neliší se, obě charakteristiky probíhají téměř stejně. 71

72 131. Jestliže se dvě diody vzájemně liší pouze plochou přechodu PN, je diferenciální odpor diody s větší plochou přechodu a) větší, b) stejně velký, c) menší? 132. Dosáhne-li dioda vyšší teploty, než kterou připouští údaj katalogového listu, hrozí nebezpečí a) lavinového průrazu, b) tepelné nestability, c) komutace diody? 133. Proč lze u křemíkových diod připustit maximální teplotu přechodu νj = 150 až 200 °C, kdežto u germaniových pouze 80 až 100 °C? a) Křemík má vyšší bod tání než germanium. b) Křemíkové diody mají vyšší prahové napětí než germaniové. c) Křemíkové diody mají menší závěrný proud než germaniové. 134. Odhadněte ztráty vznikající v křemíkové diodě, pracující s proudem 50 A. a) 15 W. b) 50 W. c) 150 W. 135. Dioda má závěrnou zotavovací dobu 10 µs a chceme ji použít pro usměrnění napětí kmitočtu 500 Hz. Musíme se obávat vlivu vypínací doby na účinnost usměrněni? a) Ano. b) Ne. (Připojte krátké zdůvodnění vašeho názoru.) 136. Komutace diod ohrožuje tyto diody zvláště tehdy, jestliže elektrický obvod, v' němž diody pracují, obsahuje a) činné odpory, b) indukčnosti, c) kapacity. 137. Které z následujících typů diod se vzájemně liší pouze stupněm dotace oblastí PaN přechodu PN? a) Lavinová dioda. b) Germaniová dioda. c) Dioda PνN. d) Inverzní dioda (tunelový usměrňovač). e) Rychlá dioda. f) Křemíková dioda. g) Tunelová dioda. h) Zenerova dioda. 138. Proč musíme zapojit do přívodů usměrňovače odpor, jestliže použijeme vyhlazovací kondenzátor na výstupu usměrňovače? a) Abychom omezili vliv komutačních přepětí diod. b) Abychom zmenšili zapínací proud. c) Abychom omezili hodnotu opakovatelného špičkového proudu. 139. Kolik diod musíme použít u jednofázového můstku? a) Jednu. b) Dvě. c) Čtyři. 140. Kdy je u můstkového zapojení větší špičkový opakovatelný proud? a) Při zapojení vyhlazovacího kondenzátoru. b) Při činném zatížení usměrňovače. c) V obou případech je opakovatelný špičkový proud stejně velký. 141. Kolik diod musíme použít v trojfázovém můstku? a) Dvě. b) Tři. 72

73 c) Čtyři. d) Šest. 142. Kolika diodami prochází v každém okamžiku proud v trojfázovém můstku? a) Jednou. b) Dvěma. c) Třemi. d) Šesti. 143. Na co musíme dbát při paralelním chodu diod? a) Jednotlivé diody smíme namáhat závěrným napětím, rovným 80 % jmenovitého závěrného napětí. b) Jednotlivé diody smíme nejvýše zatěžovat propustným proudem rovným 80 % jmenovité hodnoty tohoto proudu. c) Zapojením děliče musíme zajistit rovnoměrné rozdělení závěrného napětí na jednotlivé diody. 144. Na co musíme dbát při sériovém chodu diod? a) Jednotlivé diody smíme namáhat závěrným napětím, určeným 80 % jeho jmenovité hodnoty. b) Jednotlivé diody smíme zatížit propustným proudem, rovným 80 % jeho hodnoty. c) Zapojením děliče musíme zajistit rovnoměrné rozdělení závěrného napětí na jednotlivé diody.

73

74

1.8

Konstrukční úlohy

Konstrukční úloha č. 1 Nakreslete obvodové schéma a nakreslete průběhy napětí v úsecích A, B, C, včetně zapojení voltmetru pro toto měření.

220V 50 Hz C

B

A

Konstrukční úloha č. 2 Nakreslete průběh napětí v úseku A, B, C pro N1 = 500 z, N2 = 250 z, u~ = 220V / 50 Hz N1

A

N2

B

C

uA

uB

uC

t

t

t

Konstrukční úloha č. 3 Nakreslete obvodové schéma pro dané blokové schéma, doplňte vypínač a pojistku před transformátor.

Popište činnost transformátoru. Jakou funkci má v obvodu kondenzátor?

74

75 Konstrukční úloha č. 4 K čemu slouží pojistka P0 v následujících obvodech?

b)

a)

……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………

Navrhněte prvky pro řešení úlohy b), bude-li zařízení zapojeno do sítě 220V/50Hz. Doplňte zvonek tak, aby tento obvod sloužil jako domácí „zvonek“ u vstupních dveří a vypočítejte cenu bez vodičů a lišt. Konstrukční úloha č. 5 Popište činnost obvodu:

Konstrukční úloha č. 6

D

Tl

C

Po

Tr

C

R

Zvonek

75

C

R

Žárovka

76 a)

Na panelu realizujte následující obvod, doplňte měřicí přístroje. Propojení vyznačte červenou barvou

b)

Na panelu realizujte následující obvod, doplňte měřicí přístroje. Propojení vyznačte červenou barvou

c)

Na panelu realizujte následující obvod, doplňte měřicí přístroje. Propojení vyznačte červenou barvou R0

IA A

+

ID

IV

URo

UA

V

U

UD

UV

-

Konstrukční úloha č. 7 Doplňte grafické znázornění napětí a proudů v obvodu: A + R1 Ri

R2

R3 V

v

Jaké jsou požadavky na vnitřní odpor ampérmetru A a proč? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Jaké jsou požadavky na vnitřní odpor voltmetru V a proč? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

76

77 K čemu slouží trimr R3. …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Konstrukční úloha č. 8 Doplňte šipky napětí a proudu, vypracujte grafy a popište v symbolickém tvaru pro RA = 0 a RV = ∞. 1

EMN

v rozepnut

A

+

2

EMN

t

URi

t

UR1

t

R

R1

r

Ri

1 1´

v sepnut

V

C

v

UA

Zadání: EMN = 4,5 V Ri = 0,5 Ω R1 = 10 Ω r = 0 ÷ 10 Ω C1 = 1 µF RA = 0,05 Ω RV = 100 kΩ

UR

Ur1

Ur2

Vypočítejte pro v↓ (sepnuto) a pozici trimru (1): UC1 IA = ……… Trimr v poloze 1 UR = ………. Ur = ………. UC1 UV = ……….

t

t

t

t

t

t

Trimr v poloze 2

Vypočítejte pro v↓ (sepnuto) a pozici trimru (2): IA = ……… UR = ………. Ur = ………. UV = ………. Popište činnost obvodu symbolicky pro: v↓: v↑:

77

UV

t

t

78 konstrukční úloha č. 9 Zvonkovým tlačítkem chceme ovládat zvonek s parametrem 5V/200 mA. Má být napájen ze sítě 220V. a) Proč je u transformátoru příkon větší než výkon? b) Nakreslete zásuvku a v ní polohu – fáze (L1), nulového vodiče (N), ochranného vodiče (PE). c) Kde je u trafa připojen ochranný vodič? d) Popište typy polovodičových diod. e) Navrhněte protokol na měření charakteristiky polovodičové diody. f) Nakreslete blokové i obvodové schéma g) Vypočítejte cenu zařízení. h) Vypočítejte náklady na provoz tohoto zařízení za měsíc. i) Vypište výhody a nevýhody tlačítka zapojeného v bodě A, B, C viz. obvod č. 9.3 j) Popište funkci kondenzátoru C1 na obr.9.1 k) Popište funkci diody D1, kondenzátoru C1, tlumivky L1, kondenzátoru C3 na obr.9.2 l) Do obvodu 9.2 dokreslete vypínač m) Popište funkci PO na obr.9.3 n) Popište, jak funguje zvonek na obr.9.2 o) Do obvodu 9.3 dokreslete vypínač Anglicky: 1. Jak převést napětí a) Co je to rezistor 220V na 5V~ ? b) Co je to kondenzátor c) Co je to cívka d) Co je to dioda e) Co je to transformátor? U= f) Jaké máte napětí ve spotřebitelské síti? g) K čemu slouží dioda?Jaké typy diod máme? g) Co je to osciloskop? h) Jak měříme napětí a jak měříme proud? i) Popište funkci kondenzátoru C1 na obr.9.1 j) Popis obvodu 9.2, 9.3 2. Jak převést 5V~ na 5V= ? Práce s katalogem: a) Na Internetu najděte výrobce transformátorů v ČR. b) Na Internetu najděte výrobce rezistorů v ČR. c) Na Internetu najděte výrobce kondenzátorů v ČR. d) Na Internetu najděte výrobce cívek v ČR. e) V katalogu najděte údaje o výrobcích polovodičových diod a konstrukční údaje polovodičových diod. f) Nalezněte výrobce zvonků, vypište typy, včetně cen. g) Nalezněte výrobce tlumivek h) Nalezněte výrobce kondenzátorů i) pro body 1,2,3, také typy, technické parametry a ceny j) Nalezněte výrobce vodičů, vypište si typy, cenu, parametry atd. k) Sestavte obvod na obr 9.3 : j) z nejlevnějších součástek m) z nejvhodnějších součástek n) Vypište cenu o) Napište objednávku na tyto součástky

78

79

obr.9.2

obr.9.1

obr.9.3

A

B

79

C

2 Zdroje stejnosměrné elektrické energie 2.1 Co to je elektrický zdroj a jeho funkce v elektrickém obvodu Každý elektrický obvod aby mohl pracovat, potřebuje dostávat elektrickou energii, kterou potom mění na žádoucí výstupy. Např.: Rádiový přijímač přijímá elektromagnetické vlny (signál), vybere požadovanou stanici, zesiluje signál a rozeznívá reproduktor. Všechny tyto části využívají zdroj elektrické energie.

Výběr stanice

Zesilovač

Zátěž zdroje

Zdroj el. energie

Blokové schéma přijímače se zdrojem el. energie

Zdroj tedy obsahuje (akumuluje) elektrickou energii, kterou je schopen dodávat do zátěže zdroje, která tuto elektrickou energii zpracovává. Ri = 1 Ω v I RZ = 10 Ω 1 v rozepnut v sepnut U0 = 3 V + I = 0,27 A U0 t URi URi = 0,27 V URz RZ URz = 2,7 V t URi Ri

URz

1´

t

Uv

t

Úkol: Nakreslete obdobný graf, jestliže bude RZ = 0 (zkrat) a nebude-li RZ připojen (RZ = ∞).

80

Otázka: 1. Co to je elektrický zdroj?

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… 2. Co je to zátěž zdroje?

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… 3. Co to je blokové schéma?

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

2.2 Stejnosměrné, střídavé, pulsní a ostatní zdroje Dělení zdrojů

Stejnosměrné

Střídavé

Pulsní U

u

U

t

Ostatní U

t Výstupní napětí je stejnosměrné, ale využívá se pulsního principu stabilizace

t

t

Stejnosměrné zdroje Mezi stejnosměrné zdroje patří například monočlánky, baterie a síťové napájecí zdroje se stejnosměrným výstupním napětím. Síťové napájecí zdroje jsou tvořeny transformátorem, usměrňovačem, filtrem a stabilizátorem, které mohou mít pevnou nebo nastavitelnou hodnotu výstupního napětí. Tyto zdroje slouží k napájení stejnosměrných elektronických zařízení. Zdroje střídavého napětí Jsou to tzv. generátory napětí různého tvaru, u kterých lze většinou měnit frekvenci a amplitudu výstupního signálu. Jako referenční zdroj konstantního kmitočtu se v těchto generátorech může použít krystal. Jsou to zdroje harmonického periodického signálu. Tyto zdroje se většinou používají při zjišťování vlastností zařízení, které se tímto signálem na jejich vstupu budí.

81

Pulsní zdroje Tyto zdroje mají taktéž stejnosměrné výstupní napětí, ale využívá se jiného principu stabilizace. Ze vstupního signálu se s pomocí elektronických spínacích prvků převede signál na signál pulsující s konstantní maximální hodnotou. Tento signál se dále přivádí na vstup filtru, který má na výstupu střední hodnotu vstupujícího signálu. Hodnotu výstupního signálu lze měnit dobami sepnutí a rozepnutí elektronických spínačů, tedy střídou pulsujícího signálu. Výhodou těchto zdrojů je, že umožňují podstatně větší proudový odběr zátěží při menším ztrátovém výkonu, než u klasických stejnosměrných napájecích zdrojů. Nevýhodou jsou podstatně vyšší finanční náklady na jejich realizaci a jsou složitější na výrobu. Ostatní zdroje Jsou to v podstatě rovněž zdroje střídavého signálu, ale neharmonického. Průběh výstupního napětí může být například obdélníkový, trojúhelníkový nebo pilovitý. Zdroje mají obdobné využití jako již popsané zdroje střídavého signálu. Otázky: 1. Popište členění zdrojů elektrické energie. 2. Popište funkci a aplikaci: Baterie

……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… V následující části čtvrtého dílu budeme popisovat stejnosměrné zdroje.

2.3 Monočlánky a ploché baterie 2.3.1 Monočlánky Monočlánky jsou stejnosměrné zdroje napětí. Konstrukce monočlánků Monočlánků je celá řada dělená podle velikosti, kapacity článků a mechanického provedení kontaktů. Při nabíjení monočlánků, které k tomu nejsou určeny dochází uvnitř ke vzniku plynu, a tím dojde k jeho explozi. Zinkouhlíkový monočlánek: - starší provedení, malá kapacita, jednoduchý na výrobu

salmiak vodivý obal

82

2

Alkalický monočlánek

Zinko-chloridový monočlánek

Lithiový monočlánek

2

Lithiový knoflíkový monočlánek Přehled monočlánků

Zdroj: www.sony.cz

Monočlánky slouží k napájení nízkonapěťových elektronických zařízení (spotřební elektronika, dálková ovládání, hodinky atd.). Životnost monočlánku je ovlivněna velikostí vybíjecího proudu. Čím je vybíjecí proud vyšší, tím je životnost článku nižší. Nevýhodou je, že články podléhají tzv. samovybíjení, to znamená, že se po určité době článek zcela vybije. Jeden monočlánek má napětí o velikosti Um = 1,5 V. Sériovým řazením monočlánků docílíme vyššího napájecího napětí, tedy U = n.1,5 V (n … počet použitých monočlánků).

U = 1,5 V U = 4,5 V -

+

Takové zapojení zdroje má i n-krát vyšší vnitřní odpor.

83

Parametry monočlánků Klasický monočlánek má napětí 1,5 V. Vyrábí se i nabíjecí monočlánky, které mají ovšem napětí 1,2 V. Monočlánky, které nejsou určeny k opakovanému nabíjení se nesmí nabíjet, protože může dojít vlivem zahřívání a vzrůstu tlaku uvnitř pouzdra k jejich explozi. Označení AAA AA C D F AAAA N

Napětí [V] 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

D

C

Kapacita [mAh] 1250 2850 8350 18 000 26 000 625 1 000

Nabíječka monočlánků

AA AAA N

Výrobce: Panasonic, Sony, Philips, Varta, Wonder, Energizer, Kodak, Duracell Porovnání vlastností monočlánků:

Zdroj: www.emos.cz

84

2.3.2 Spojování monočlánků – baterie Baterie vznikne zapouzdřením několika monočlánků. Napětí baterie je závislé na počtu obsažených monočlánků v pouzdře baterie. Slouží většinou k napájení přenosných elektronických zařízení napájených malým napětím s nízkým proudovým odběrem. Konstrukce:

Kladný pól Záporný pól Připojovací pásek

2

Kovový kryt

1

3

Voskový nátěr

4 1

Plastový obal Katodový substrakt (Carbo, elektrolyt, oxid manganičitý)

6

Konstrukce ploché baterie 4,5 V: 1- zinkový obal, 2 – uhlíkový roubík, 3 – směs burelu a tuhy, 4 – roztok salmiaku, 5 – plátěný obal, 6 - podložka

Oddělovač Anoda - zinek Vodivý uhlíkový povlak

Konstrukce 9V baterie

Parametry: Nejčastěji se vyrábí baterie o napětí 4,5 V (plochá baterie) a 9 V.

Baterie 4,5 V

5

Baterie 9 V

Výrobce: Panasonic, Sony, Philips, Varta, Wonder, Energizer, Kodak, Duracell

85

Akumulátor Je to elektrolytická baterie následujícího složení: Víčko článku Pól baterie

Otvor pro doplnění elektrolytu

Spojnice elektrod stejné polarity Přepážka

Záporná elektroda

Dno baterie Přepážka jednotlivých článků

Přepážka mezi kladnou a zápornou elektrodou

Kladná elektroda

Tyto baterie lze dobíjet. Vyrábí se bezúdržbové baterie (nemusí doplňovat elektrolyt do baterie) a baterie u kterých dochází k odpařování elektrolytu (musí se dolévat destilovaná voda a měří se hustota elektrolytu). Tyto baterie se používají do automobilů (12 V, 24 V), motocyklů (6 V, 12 V), nebo jako záložní baterie elektronických zařízení. Nevýhodou je jejich vyšší hmotnost. Tyto baterie musí být používány a uskladněny v poloze předepsané výrobcem. Parametry: Napětí 6V 6V 6V 6V 6V 6V 12V 12V 12V 12V 12V 12V 12V

Kapacita 4Ah 4Ah 6Ah 8Ah 12Ah 16Ah 36Ah 44Ah 55Ah 62Ah 63Ah 66Ah 88Ah

Vybavovací proud 10A 10A 30A 40A 80A 80A 390A 450A 540A 600A 640A 640A 850A

Výrobce: Bosch (www.bosch.cz), Varta (www.varta.cz), Akuma (www.akuma.cz)… Cena těchto akumulátorů se liší podle výrobce, napětí baterie a její kapacity (stovky až tisíce Kč)

86

Přehled cen akumulátorů AKUMA. Zdroj: www.luke.cz

Nabíjení akumulátorů Vybitý akumulátor se připojí na nabíječku a začne jím procházet nabíjecí proud a začíná se zvyšovat napětí na jednotlivých článcích akumulátoru. Nabíjením se elektrolyt v akumulátoru zahřívá. Praktické zapojení nabíječky akumulátorů:

Zdroj: www.hw.cz

87

Sériové a paralelní řazení zdrojů: U2

U1 Ri1

Ri2

U = U1 + U2 + U3

Ri1

Ri2

Ri = Ri1 + Ri2 + Ri3

Ri3

U2

U1

Sériovým řazením napájecích zdrojů lze dosáhnout vyššího celkového výstupního napětí. Při tomto spojení se celkový vnitřní odpor zvýší na hodnotu součtu všech vnitřních odporů použitých zdrojů.

U3 Ri3

U = U1 = U2 = U3 Ri = Ri1 || Ri2 || Ri3

U3

Paralelním řazením napájecích zdrojů získáme výsledný zdroj, který umožňuje odběr většího proudu do zátěže. Při tomto spojení musíme zajistit aby jednotlivé zdroje měly stejné svorkové napětí. Výsledný vnitřní odpor je dán paralelním řazením jednotlivých vnitřních odporů použitých zdrojů.

2.4 Základní parametry stejnosměrných zdrojů Náhradní schéma zdroje: Ri

U0

EMN

U0 … napětí naprázdno Ik … proud nakrátko Ri … vnitřní odpor

Zdroj nakrátko RZ = 0 (svorky zdroje jsou zkratovány) 1 Zdroj

V

U0 = 0

1´

Zdroj

EMN

U0 = EMN

A

V

EMN = Ri . Ik Ri

IZ = 0

V

IK

Ik

Zdroj naprázdno RZ = ∞ (svorky zdroje jsou rozpojeny) 1

Ri

EMN

1´

Postup měření základních parametrů zdroje: 1. Měření naprázdno ⇒ EMN Úkol: Změřte EMN ploché baterie EMN = …………..

88

V

U0 = EMN

2. Měření nakrátko ⇒ Ik Úkol: Změřte Ik ploché baterie (Pozor: IZ je kolem 4 A ⇒ volte správný rozsah měřidla) Ik = …………….. 3. Výpočet Ri ze vztahu Ri =

EMN Ik

Úkol: Vypočítejte Ri ploché baterie Ri = …………..

2.5 Měření zatěžovací charakteristiky stejnosměrného zdroje Zatěžovací charakteristika zdroje vyjadřuje závislost svorkového napětí zdroje na velikosti zátěže: 1 Zdroj

V

RZ

1´

UZ

proměnná zátěž v mezích RZ = 0 ÷ ∞

Vliv Ri na svorkové napětí zdroje při zatížení zdroje Nezatížený zdroj má na svorkách EMN a Ri se neuplatní. Zatěžujeme-li zdroj, napětí na jeho svorkách klesá a úbytek napětí na Ri je roven UZ = IZ . Ri Ri

Zatěžovací charakteristika zdroje IZ

UZ EMN

EMN

UZ

Úbytek na Ri

RZ

0

UZ = EMN – Ri . IZ

Úbytek na RZ

EMN IZ = Ri

IZ

Závěr: Jakmile zdroj zatížíme, poklesne mu napětí na svorkách. To je pro vnější zátěž zdroje nepříznivé. Úkol: Nakreslete obvodové schéma, vypracujte tabulku na evidenci výsledků jednotlivých měření charakteristiky ploché baterie, změřte, doplňte tabulku a vykreslete do grafu. Vše zpracujte ve Wordu.

89

Sestavte protokol o měření: a) obvodové schéma měření charakteristiky zdroje b) tabulka na evidenci výsledků měření c) popis postupu měření d) výsledky měření (doplnění tabulky) e) graf f) evidence přístrojů použitých při měření g) vyhodnocení výsledku

2.6 Tvrdost stejnosměrného zdroje Zjistili jsme, že svorkové napětí zdroje po zatížení klesá vlivem úbytku napětí na vnitřním odporu zdroje. Ideální zdroj napětí: Vnitřní odpor tohoto zdroje je roven nule. I U

EMN Ri = 0

Ri = 0

Hodnota napětí na zátěži není závislá na velikosti protékajícího proudu zátěží. O tvrdosti zdroje rozhoduje velikost vnitřního odporu Ri. Ideální zdroj proudu: Vnitřní odpor tohoto zdroje je roven nekonečnu. I EMN

Ri = ∞

Ri = ∞

Hodnota proudu tekoucího zátěží není závislá na úbytku napětí na této zátěži. Úkol: Baterie o EMN = 12V má Ri = 5 Ω, akumulátor o EMN = 12V má Ri = 0,05 Ω. Který z těchto zdrojů lze považovat za tvrdý a proč? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Viděli jsme, že o tvrdosti zdroje hovoří i zatěžovací charakteristika zdroje.

90

Úkol: Nakreslete zatěžovací charakteristiku baterie a akumulátoru z předešlého úkolu. I

I

Zatěžovací charakteristika baterie

U Zatěžovací charakteristika akumulátoru

U

Otázka: Jestliže potřebujeme elektrické zařízení napájet proudem 1A při napětí 12V, lze použít: a) baterie, a proč

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… b) akumulátoru, a proč

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

2.7 Síťové napájecí zdroje pro elektronická zařízení Síťový napájecí zdroj dodává do elektronických zařízení elektrickou energii. Blokové schéma síťového napájecího zdroje: 1

3

220V ~ 50Hz

3´ A

1´ U

U t

STABILIZÁTOR

EL. POJISTKA

D

P

C

B

U t

FILTR

U

U t

t

t

A … síťový transformátor (transformuje síťové napětí a galvanicky odděluje obvody od síťového elektrického rozvodu) B … usměrňovač C … filtr D … stabilizátor Rz… zatěžovací rezistor (napájené zařízení) P … elektronická pojistka

91

RZ

Většina elektrických zařízení je napájena z veřejné sítě 220 V/ 50 Hz. Napětí v této síti má sinusový průběh a lze jej popsat funkcí: u = Umaxsinωt u

Kladná půlvlna

kde

Umax

V době kladné půlvlny se na svorkách transformátoru připojeného k této síti (1, 1´) objeví kladná půlvlna. To znamená, že na svorce 1 je + a na svorce 1´ je -. V době záporné půlvlny se polarita obrátí a na 1 je – a 1´ +.

t T

ω = 2πf a f = 1/T

Záporná půlvlna

Vinutí transformátoru: Začátky vinutí

u1 t

u1

Obě vinutí transformátoru jsou navinuty stejným směrem.

u2 u2 t

Vinutí transformátoru jsou navinuty opačnými směry.

u1 t u1

u2 u2 t

Otázka: Co je to bifilární vinutí v transformátoru? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Elektrická zařízení však vyžadují, aby byla napájena ze zdroje, který zaručuje: a) trvalou polaritu svorek 1 +

1´

b) pokud možno co nejstabilnější hodnotu napětí

I

U

92

Abychom nahradily baterie nebo akumulátory v elektronickém zařízení, musíme navrhnout síťový napájecí zdroj. K tomu potřebujeme: 1. Zápornou půlvlnu buď odstranit (jednocestné usměrňovače) nebo ji vzhledem k zátěži obrátit tak, aby polarita svorek zátěže 3 – 3´zůstala neměnná (dvojcestné usměrnění) U33´

U33´

t

t

Úkol: K bodu 1. nakreslete blokové schéma.

2. Takto pulsující napětí potřebujeme převést na stejnosměrné o stabilní hodnotě. Docílíme toho tak, že kladná půlvlna nabije kondenzátor a ten v době, kdy ze sítě proud neprochází, dodává do zátěže energii viz. kapitola 4.8. U33´

U33´

t

t

Úkol: Popište uvedené grafy. …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Zvlnění můžeme potlačit připojením tzv. filtru: 1

3

1

3

220V~ 50Hz 1´

3´

220V~ 50Hz 1´

3´

A

B Sběrací kondenzátor

U33´

A

FILTR

B

Uvýst

t

t

Průběh napětí před filtrem

Průběh napětí za RC,LC filtrem

93

Napětí Uvýst však vlivem kolísání sítě má určitý posuv kolem střední hodnoty (např.: 9V ± 1 V) Abychom toto kolísání výstupního napětí odstranili, připojíme za filtr tzv. stabilizátor. Uvýst Ten zajistí, že hodnota výstupního napětí je stabilnější (např.: 9V ± 0,1 V). t

Chceme-li zdroj chránit proti zkratům a přetížení, lze připojit elektronickou pojistku, která zdroj od zátěže v případě přetížení nebo zkratu výstupních svorek zdroje od zátěže odpojí.

2.7.1 Jednocestný usměrňovač odporové zatížený Obvodové schéma: D

2

1 ~ u1

u2 1´

2´

Napětí u3: u 3 = u2 - uD

UD

u1 u2

if

u1 u2

3 u3

RZ

t

3´ u3

t

Popište činnost obvodu (česky i anglicky):

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Dříve se používaly selenové a kuprexové usměrňovače, ty se ale již v dnešní době nepoužívají.

Selenové usměrňovače

Úkol: 1. Nakreslete blokové schéma tohoto obvodu. 2. Nakreslete průběhy napětí na špičkách 1-1´, 2-2´, 3-3´ a proudu if.

94

2.7.2 Dvojcestný Graetzův usměrňovač s odporovou zátěží (můstkové zapojení) Obvodové schéma: 1

Napětí u3: u3 = u2 – 2UD

~ u1

UD … úbytek napětí na diodě

2

if

u2 1´

D1

D4

3

D2 D3

2´

RZ

u3

3´

u1 u2

u1 u2

t

u3

t

if

t

Popište činnost obvodu i angllicky: ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………….…….. ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… …………………………………………

Kladná půlvlna vstupního napětí prochází do zátěže přes diody D1 a D2, záporná půlvlna prochází D3 a D4. Tím získáme možnost využití v zátěži obou polarit vstupního napětí. Úkol: 1. Nakreslete obvodové schéma jednocestného a dvoucestného usměrňovače rukou. 2. Nakreslete obvodové schéma jednocestného a dvoucestného usměrňovače pomocí WorkBanch.

95

2.7.3 Zapojení se zdvojeným sekundárním vinutím síťového transformátoru Obvodové schéma: UD 1 ~ u1

D1

a

if

3

u2

b

u2´ 1´

c

RZ

u3

D2

Napětí u3: u3 = u2 – UD

3´ u1 u2

u1 u2

t

u3

Popište činnost obvodu: …………………………………………... …………………………………………... …………………………………………... …………………………………………... …………………………………………... …………………………………………... …………………………………………...

t

if

t

V jedné půlperiodě je D1 polarizovaná v propustném směru D2 v závěrném směru. V druhé půlperiodě je dioda D1 polarizovaná v závěrném směru a dioda D2 je polarizovaná v propustném směru. Vývod středu transformátoru musí být vytvořen tak, aby obě poloviny měly stejné výstupní napětí. Střed vinutí se obvykle uzemňuje. Odpovězte na otázky: 1. Napětí u1, u2, u3 jsou: a) ve fázi b) vzájemně posunuty o kolik 2. Diody D1 a D2 propouští proud: a) ve všech půlvlnách u1 b) v záporných půlvlnách u1 3. u3 a i3 jsou: a) ve fázi b) mají fázový posun, jaký

96

Úkol: 1. Nakreslete blokové schéma tohoto zapojení. 2. Nakreslete průběhy napětí na špičkách 1-1´, 3-3á proudu if. 3. Popište činnost tohoto obvodu. Řešení: 1.

2. Průběhy napětí na špičkách1-1´, 3-3´ a proud if: u11´

t u33´

t if

t

3. Činnost obvodu:

97

2.8 Usměrňovače se sběracím kondenzátorem 2.8.1 Jednocestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem Obvodové schéma:

~ u1

I +

u2

diodou teče proud

I

C0

RZ

uBrpp ≈ 3,5 uBr

D

2 I2

1

UZ

2´

1´

Kondenzátor se nabíjí (ukládá energii)

Napětí na zátěži:

Kondenzátor se vybíjí do zátěže

t

U Z = (U 2 U D ). 2 Závěrné napětí (s C0) ≈ 0,9 UZ ≈ 2,0 I ≥ 0,05 UZ > 2,7 UZ >I

Odporová zátěž ≈ 2,3 UZ ≈ 1,6 I ≈ 1,2 UZ > 3,5 UZ >I

u2 I2 uBr URM IF

C0 [µF ]

≈

-

I [mA] u Br [V ]

uBr … napětí brumu (efektivní hodnota) [V] URM … špičkové závěrné napětí [V] IF … proud diody [A] C0 … nabíjecí kondenzátor [F] RZ … zatěžovací odpor [Ω] V průběhu kladné půlperiody dochází k nabíjení tohoto kondenzátoru. V době, kdy dioda nepropouští zápornou půlperiodu dodává do obvodu energii kondenzátor, který se pozvolna vybíjí. Popište činnost obvodu (česky a anglicky):

u22´ 1 ~ u1

t

2

+ u2

1´

2´

D

+

C0

RZ

……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ………………………………………………

98

Popište činnost obvodu (česky a anglicky):

……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ………………………………………………

t u22´

~ u1

Dioda nevede

D

2

1

C0

u2

+

RZ

2´

1´

Úkol: Nakreslete blokové schéma obvodu.

Úkol: Vypočítejte napětí na zátěži UZ, jestliže je vstupní napětí transformátoru 220 V a transformátor má převod p = 10. Úbytek napětí na diodě v propustném směru je 0,7 V.

2.8.2 Dvojcestný můstkový usměrňovač se sběracím kondenzátorem Obvodové schéma: 1 ~ u1

2 u2

1´

D1

D4

2´

Napětí U3: 3

U 3 = ( U 2 2U D ) . 2

D2 D3

+

C0

RZ

3´ u3

t

99

u3

Úkol: Vypočítejte napětí na zátěži U3, jestliže je vstupní napětí transformátoru 220 V a transformátor má převod p = 10. Úbytek napětí na diodě v propustném směru je 0,7 V.

Úkol: 1. Dokreslete sběrací kondenzátor do následujících schémat. -

+

D1

D4

+ D2 D3

+

-

RZ

u0

-

-

+

D1

D4

+ D2 +

-

D3

RZ

u0

-

2. Popište činnost obou obvodů.

........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................

100

2.8.3 Dvoucestný usměrňovač se zdvojeným vinutím síťového transformátoru a sběracím kondenzátorem Obvodové schéma: a I2

1 ~ u1

D1

I

u2

b

u2´ 1´

Popište činnost obvodu:

3

c

u3

RZ

C0 D2 3´

u3 uBrpp

…………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… ……………………………………. .………………………………….. ……………………………………

t

Napětí U3: uBrpp ≈ 3,5 uBr u2 I2 uBr URM IF

C0 [µF ]

U 3 = (U 2 U D ). 2 Odporová zátěž ≈ 2,3 U3 ≈ 0,8 I ≈ 0,5 U3 > 3,5 U3 > 0,5 I -

Závěrné napětí (s C0) ≈ 1,8 U3 ≈I ≥ 0,05 U3 > 2,5 U3 > 0,5 I ≈ 2.

I [mA] u Br [V ]

Popište činnost obvodu v jazyce anglickém:

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Nakreslete obvod ve WorkBanch. Úkol: 1. Dokreslete polaritu kondenzátoru C0. 2. Popište činnost obvodu.

........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................

101

Nevýhodou všech výše uvedených zdrojů je, že na zátěži se objevuje výrazná střídavá složka, transponovaná na složce stejnosměrné. Další nevýhodou je, že se kolísání sítě (u1) přenáší na zátěž.

2.8.4 Zdroje souměrného napětí Zdroj souměrného napětí vykazuje vůči nulové hodnotě kladné i záporné napětí stejné velikosti. Výstupní napětí vůči zemi se vytvoří na kondenzátorech C1, C2. Užití: napájení zesilovače, atd. a) s použitím transformátoru bez vyvedeného středu D1

1 220V

16V


+

C1

+

C2

+

U1

1´

0V

D2

-U2

-

…………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… .…………………………………..

b) s použitím transformátoru s vyvedeným středem 1


16 V

+

220 V

1´

+

U1

C1

16 V

OV

+ C 2 -

U2

U1 = U2

u2 I2 S2 uBr URM IF

Odporová zátěž ≈ 1,2 UZ ≈I > 1,2 P ≈ 0,5 UZ > 1,7 UZ > 0,5 I

C0 [µF ]

-

Závěrné napětí (s C0) ≈ 0,9 UZ ≈ 1,5 I > 1,4 P ≥ 0,05 UZ > 1,3 UZ > 0,5 I ≈ 2.

I [mA] u Br [V ]

Úkol: Určete napětí U1 a U2.

102

…………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… .…………………………………..

2.8.5 Násobiče (kaskádní, podle Villarda) Zdvojovače napětí Vilardův zdvojovač napětí: 2

1

D2

C1

uZ

uC1

1

+

2

D1

u~

3

u

3

C2

uZ

R t

-

Na výstupu zdvojovače bude napětí přibližně rovno dvojnásobku amplitudy napájecího napětí zdroje: U Z = 2U 2 Popište princip činnosti: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Kaskádní zapojení zdvojovačů Zapojením zdvojovačů do série získáváme trojnásobné, čtyřnásobné i vícenásobné napětí. Uvedená zapojení představují: a) jednopulsní usměrňovač s kapacitní zátěží b) zdvojovač napětí c) kaskádu s trojnásobkem výstupního napětí d) kaskádu se čtyřnásobkem napětí ~

~

~

-

-

+ a)

~

-

+

c)

b)

-

+

d)

+


Kaskádní násobič napětí Ua4

-

+

Ua2 C4

C2 u2

u1

D1

D2

C1

D4

D3 C3

Uan ... výstupní stejnostměrné napětí n-stupňové kaskády [V] Ua1 … výstupní stejnosměrné napětí prvního stupně [V]

Ua1 -

Ua3

Uan ≈ n . 1,1 .U2 uBr ≥ 0,05 Ua URM > 3,5 Ua1 uBr1 ≈ uBr2 ≈ 5I/C [mA/µF] uBr3 ≈ uBr4 ≈ 3,5 . uBr1 uBr5 ≈ uBr6 ≈ 7. uBr1 C = C1 = C2 = ... Cn

+

Zdroj: DIETMEIER, U. Vzorce pro elektroniku. Praha : BEN, 1999.

103

2.9 Filtry Zvlnění napájecího napětí se často přenáší do užitečného signálu a projevuje se jako síťové bručení. Pro potlačení tohoto jevu užíváme filtry. a) LC filtr – dolní propust - poločlánek L

2

1 C0

+

C

Popište činnost obvodu: …………………………………………. …………………………………………. …………………………………………. …………………………………………. …………………………………………. ………………………………………….

RZ

1´

2´

b) Pásmová zádrž LC - poločlánek L1

C1

u1

L2

Popište činnost obvodu: …………………………………………. …………………………………………. …………………………………………. …………………………………………. ………………………………………….

u2

C2

π článek – úplný:

T článek – úplný:

C1

u1

L1

L3

L1

C3

L2

u2

u1

L2

C1

L3

C2

C2

u2

C3

e) RC filtr – dolní propust - poločlánek R

1 C0

+

C

fg

0 -3

2

RZ

log f

-20 -45°

1´

2´

-40

ϕ

-90° A [dB]

ϕ

Popište činnost obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

104

Úkol: 1. Nakreslete ručně všechna předešlá zapojení usměrňovačů s a) LC filtrem b) RC filtrem 2. Nakreslete uvedená schémata pomocí WorkBanch.

2.10 Stabilizace napětí Vliv kolísání napájecího napětí eliminují stabilizátory napětí.

2.10.1 Stabilizátor napětí se Zenerovou diodou (parametrický stabilizátor) +

Na výstup usměrňovače potřebujeme připojit elektronický prvek, který se při překročení žádané hodnoty výstupního napětí otevře a tím udrží výstupní napětí na žádané hodnotě Ustab. Takovým prvkem je např. Zenerova dioda. Zenerova dioda se připojuje do obvodu přes srážecí odpor RS, vždy v závěrném směru.

RS U1

+ Ustab

RZ

I

-

Popište činnost obvodu (česky i anglicky):

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… IF

IF Ustab = UZ UZ 0

UR

UF

IR Charakteristika usměrňovací diody. V závěrném směru proud neteče.

0

UR

UF

IR Charakteristika stabilizační-Zenerovy diody. V závěrném směru při napětí UR teče proud IR.

105

Příklad: Vyznačte na AV charakteristice pracovní bod pro různé zadání pro předchozí obvod Ustab = 12 V: a) U1 = 20 V, RS = 160 Ω ⇒ I = 50 mA b) U1 = 15 V, RS = 160 Ω ⇒ I = 18,8 mA c) U1 = 25 V, RS = 160 Ω ⇒ I = 81 mA d) U1 = 9 V, RS = 160 Ω 12 V

9V

UZ

0

P4 P2

18 mA

P1

50 mA

P3

81 mA I

Značka Zenerovy diody: K

KZ 260/16 A

K červená

A

modrá černá


Úkol: 1. Nakreslete obvodové schéma celého usměrňovacího řetězce s Graetzem. 2. Nakreslete obvodové schéma celého usměrňovacího řetězce s transformátorem s vyvedeným středem. 3. Nakreslete obvodové schéma celého usměrňovacího řetězce s pojistkou. Příklad: Vypočítejte hodnotu RS, jestliže U = 20V a závěrné napětí Zenerovy diody je UZ = 12V (BZX83V012). U RS = U - U Z = 20 - 12 = 8 V z katalogu použijeme IR = 50 mA

RS =

U RS 8 = = 160 Ω IZ 0 ,05

106

2.10.2 Stabilizátor napětí s tranzistorem Použitím tranzistoru získáme možnost většího odebíraného stabilizovaného proudu. BC 337 (KFY 34) 6,7 V

18 V +

Popište činnost obvodu: +

120

R1

U

Ustab = 11,3 V 12V

+

D1

100 µF

KZ 260/12

………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… ………………………………………… …………………………………………

2.10.3 Integrované stabilizátory Tyto stabilizátory porovnávají velikost nastaveného napětí se skutečným napětím na výstupu. Využíváme tzv. referenční napětí, které vytváří Zenerova dioda uvnitř integrovaného obvodu. Odchylka se zesílí a následně se pokles (přírůstek) napětí vyrovná. Stabilizátor napětí U stabilizátoru napětí je požadavek, aby jeho vnitřní odpor byl co nejmenší, a to z toho důvodu, aby změna zatěžovacího odporu způsobila co možná jen nejmenší změnu napětí na této zátěži. MA 78xx 8 ÷15 V + Uvst

1 + M1

MA 7805

Uvstmax = 35 V

3

+5V +

2

M1

Musí se počítat s minimálním úbytkem na stabilizátoru 3 V.

Ustab

V tomto zapojení je výstupní napětí neměnné (nelze jej regulovat). Parametry: Tyto stabilizátory se vyrábí pro výstupní napětí: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24 V. Výstupní proudový odběr je závislý na pouzdru stabilizátoru a na použitém chladiči. Regulace výstupního napětí: Výstupní napětí lze u tohoto obvodu regulovat následující modifikací. 35 V +

1

MA 78xx 2

Uvst

+

3

+ 5 ÷ 25 V 470

R1 +

2µ

2 µ Ustab

P1

107


MA 79xx Jedná se o stabilizátor umístěný v záporné větvi (stabilizátor záporného napětí). Vyrábí se pro stejné hodnoty výstupního napětí jako MA 78xx, ale pro zápornou hodnotu. Pro tento obvod platí stejná zapojení jako u MA78xx, pouze se musí brát zřetel na polaritu napětí. 8 – 15 V Uvst

+

1 2µ

MA 79xx

3

-5V

2 +

2µ

+

Ustab +

Parametry: Tyto stabilizátory se vyrábí pro výstupní napětí: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24 V. Výstupní proudový odběr je závislý na pouzdru stabilizátoru a na použitém chladiči.


108

Příklad praktického využití těchto stabilizátorů:

Zdroj: www.hw.cz

MAA 723 Je to stabilizátor pro získání stabilizovaného napětí 2 ÷ 37 V. Musí se použít dva typy zapojení tohoto obvodu: 1. Pro získání výstupního napětí 2 ÷ 7 V MA 723 + 4 6k8 ÷ 10k

3 8

Uvst R1

3

4

5

R0

7 6 10 1 2 9

+2÷ 7V

Ustab

R3

R2 C1

-

-

-

Modifikace pro plynulou regulaci výstupního napětí

2. Pro získání výstupního napětí 7 – 37 V MA 723 + 3 8 Uvst

R1 4

5

R0

7 6 10 1 2 9

+ 7 ÷ 37 V 1

R1

C1

Ustab

2

R2

-

-

-

Modifikace pro plynulou regulaci výstupního napětí

Parametry: Vstupní napětí U1max = 40 V Výstupní proud I2max = 150 mA Uref = 7,15 V (napětí na vývodu (4) vzhledem k zemi) Ztrátový výkon Pmax = 800 mW 109

1

10 9

2

8

3

7 4

5

6

MAA 723

Katalogový list LM 723 Zdroj: cs.ouc.bc.ca/ve7ouc/eng/ datasheets/LM723/.

110

LM 317 Je to obvod pro nastavení požadované hodnoty výstupního napětí s možností jeho plynulé regulace. Výstupní napětí lze získat v rozsahu od 1,3 V až po 60 V (u speciálních obvodů). 1

+

LM 317 2

Uvst

+ C1 100 µF

3

+ R1 C2

+

10 µ

Ustab

R2

Parametry: Minimální výstupní napětí Uvýstmin = 1,25 V Minimální výstupní proud I2min = 5 mA Rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem min 3 V Ztrátový výkon Pmax = 15 W LM 317

Katalogový list LM 723 Zdroj: www.hw.cz/english/docs/ stabil79/stabil79.html.

111

Stabilizátor proudu U stabilizátoru proudu je požadavek, aby jeho vnitřní odpor byl co největší, a to z toho důvodu, aby změna zatěžovacího odporu způsobila možná jen co nejmenší změnu proudu procházejícího do zátěže. MA 78xx 8 ÷ 15 V Uvst

+

1

R

3

MA 78xx 2

2µ

+ 2µ

+

Ustab

+

MAA 723 MA 723 + 4 8 R1 U1

3

5

IZ

7 6 10 1 2 9

RZ

US

R2

R3

C1 -

Velikost stabilizovaného proudu lze nastavit velikostí referenčního napětí, přiváděného na vstup (3), pomocí děliče R1, R2.

2.10.4 Elektronická pojistka Vyznačuje se rychlou činností. Reaguje na zvýšení odebíraného proudu v napájeném obvodu. Pracuje nezávisle na konstrukci zdroje a proto ji lze doplnit již k postavenému zdroji. Tato pojistka bude chránit zdroj i napájený obvod. Uvedená pojistka se připojuje pouze kladnou větví, záporná větev je propojena přímo.

sp R1

+ P1

T4 +

T3

R2

R4

R3 T2

R5 T1 P2

C

-

-

112

2.11 Použité výrazy s překladem a jejich stručný popis Česky

Anglicky

Popis

Baterie

Battery

Akumulátor

Acumulator

kondenzátor

Capacitor

cívka

Inductor

Elektrická síť Transformátor

Electrical network Transformer

EMN

Elektromotive voltage

Napětí naprázdno

No-load voltage

Napětí nakrátko

Short-circuit voltage

Proud nakrátko

Short-circuit current

Odpor

Rezistor

Vnitřní odpor

Internal resistance

Paralelní zapojení zdrojů

Parallel connection supply

Sériové zapojení zdrojů

Series connection supply

Zásuvka

Mains outlet

Měření napětí Měření proudu Žárovka Jednocestný usměrňovač

Tension measurement Current measurement Lamp Single-way rectifier

Dvoucestný usměrňovač Stabilizátor napětí s tranzistorem Integrovaný stabilizátor

Zdroj elektrické energie složený z několika monočlánků. Je to elektrolytický zdroj elektrické energie. Kondenzátor je prvek akumulující elektrickou energii ve formě elekrostatického pole Cívka je prvek akumulující elektrickou energii ve formě elektromagnetického pole. Je to kabelový rozvod elektrické energie. Transformátor je zařízení, které přeměňuje úroveň vstupního harmonického signálu na nižší nebo vyšší úroveň výstupního signálu. Elektromotorické napětí je vnitřní napětí zdroje. Je to napětí na výstupu zdroje při odpojené zátěži. Je to napětí na výstupu zdroje při zkratovaných výstupních svorkách (je rovno nule). Je to proud tekoucí ze zdroje při zkratovaných výstupních svorkách zdroje. Je to prvek, na kterém se vlivem protékajícího proudu vytváří úbytek napětí. Je to vnitřní odpor zdroje. Omezuje výstupní zkratový proud zdroje. Je to vzájemné paralelní propojení výstupních svorek zdrojů. Je to vzájemné sériové propojení výstupních svorek zdrojů. Je to zařízení definovaných mechanických vlastností sloužící k propojení např. elektrického zařízení s elektrickou sítí.

Je to prvek, který vytváří světlo. Usměrňuje (propouští) pouze jednu půlvlnu vstupního sinusového signálu. Two-way rectifier Usměrňuje (propouští obě) půlvlny vstupního sinusového signálu. Obě půlvlny nabývají kladných hodnot. Voltage regulator with transistor Je to zařízení, pomocí kterého se udržuje hodnota výstupního napětí na požadované hodnotě. Toto zařízení využívá ke stabilizaci tranzistor. Integrated regulator Je to elektronická součástka, která již v sobě obsahuje kompletní stabilizátor a pro svoji funkci potřebuje pouze minimální počet vnějších pasivních

113

Elektronická pojistka

Electronic fuse

Tepelná pojistka

Thermal fuse

Stabilizace napětí

Voltage stabilization

Stabilizace proudu

Current stabilization

součástek. Je to elektronické zařízení, které omezuje hodnotu výstupního proudu zdroje. Je to zařízení, které při překročení dané teploty hlídaného prvku odpojí tento prvek od elektrického signálu (napájení). Snažíme se jí dosáhnout co možná nejmenšího zvlnění výstupního napětí. Snažíme se jí dosáhnout co nejmenšího zvlnění odebíraného proudu.

114

Otázky: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Co to je elektrický zdroj a jaká je jeho funkce v elektrickém obvodu? Co to je zátěž zdroje? Jak dělíme zdroje podle tvaru výstupního napětí? Popište monočlánek. Popište baterii. Vysvětlete základní parametry zdrojů a jejich rozdíly pro tvrdé a měkké zdroje. Nakreslete obvodové schéma pro určení charakteristiky zdroje, popište vlastní měření zatěžovací charakteristiky zdroje. 8. Uveďte příklad tvrdého a měkkého zdroje. 9. Nakreslete blokové schéma síťového napájecího zdroje a popište funkci jednotlivých bloků. 10. Nakreslete a popište funkci a průběhy napětí a proudů u : a) jednocestného usměrňovače b) dvojcestného usměrňovače, včetně zapojení se zdvojeným sekundárním vinutím síťového transformátoru c) usměrňovače se sběracím kondenzátorem d) zdroje souměrného napětí 11. Nakreslete a vysvětlete funkci a význam LC a RC filtrů. 12. Nakreslete stabilizační obvod se Zenerovou diodou a popište činnost tohoto obvodu. 13. Nakreslete stabilizační obvod s tranzistorem. 14. Nakreslete stabilizační obvod s integrovaným stabilizátorem. 15. Jakou funkci má elektronická pojistka? 16. Kdo je výrobce a jakou má www. a) monočlánků b) baterií c) transformátorů d) usměrňovacích diod e) Zenerových diod f) integrovaných stabilizátorů g) tranzistorů 17. Na které studijní celky v ZAE má tato kapitola návaznost? 18. Nalezněte parametry prvků použitých v této kapitole v katalozích uvedených na internetu. 19. Popište funkci obvodů uvedených v této kapitole v anglickém jazyce. 20. Bateriový rádiový přijímač, napájený šesti monočlánky s odběrem 50 mA chceme připojit na síť 220V/ 50Hz. Navrhněte: a) blokové schéma napájecího zdroje b) obvodové schéma napájecího zdroje c) vypočítejte orientační cenu navrženého napájecího zdroje 21. Navrhněte blokové a obvodové schéma na měření zatěžovací charakteristiky zdroje bez stabilizátoru. 22. Navrhněte blokové a obvodové schéma na měření zatěžovací charakteristiky zdroje se stabilizátorem. 23. Navrhněte blokové a obvodové schéma na měření zatěžovací charakteristiky zdroje se stabilizátorem a pojistkou.

115

3 Tranzistor 3.1 Základní pojmy Definice: Tranzistor je elektronický prvek, obvykle se třemi elektrodami, který můžeme využít jako: spínače zesilovače a další audiovizuální obvody automatizační obvody TRANZISTOR = TRANsfer reSISTOR (Bardeen, Brattain, Shockley, 1947) (viz. VOBECKÝ, J.; ZÁHLAVA, V. Elektronika. Praha : Grada Publishing, 2000.) Rozdělení tranzistorů: Tranzistory

Bipolární BJT (Bipolar Junction Tranzistor)

PNP

Unipolární FET (Field Effect tranzistor)

NPN

MESFET

MOSFET

Kanál P

Kanál N

Kanál P

JFET

Kanál N

Kanál P

Kanál N

3.2 Bipolární tranzistor jako spínač 3.2.1 PNP a NPN tranzistor Bipolární tranzistory obsahují dva polovodičové přechody a tři oblasti uspořádané jako P-N-P nebo N-P-N. Do vnějšího obvodu se připojuje třemi elektrodami: bází (B), emitorem (E) a kolektorem (C). Emitorový přechod Kolektorový přechod Emitor

N

++

N

+

P

Kolektor

Emitor

C

E Báze

B

B IB

C

P

+ P++ N

Kolektor

C

E

Ic

Báze

B

B IB

E

a)

C Ic E

b)

Schématické značky a zjednodušená struktura bipolárního tranzistoru NPN a PNP. Emitor je znázorněn šipkou ukazující kladný směr proudu emitoru tvořeného proudem báze a kolektoru Zdroj: VOBECKÝ, J,; ZÁHLAVA, V. Elektronika. Praha: GRADA Publishing, 2000.

116

Symbolicky lze PNP a NPN tranzistory nahradit dvěma diodami: PNP:

E ... emitor B ... báze C ... kolektor

NPN:

B

E

C

B

E

C

Oba přechody PN lze ověřit měřením: a)

NPN

b)

+

+

V

+

A

T

-

V T

+

UB

-

+

+

+

UB

A P1 50k

R1 33k

c)

+

d)

PNP T +

P1 50k

R1 33k

V A

V

+

+

+ T

UB

+

-

+ A

P1 50k

R1 33k

UB

-

d) R1 33k

P1 50k

Vysvětlení principu tranzistoru na vodovodním kohoutku: Kolektor představuje vstupní potrubí do vodovodního kohoutku, emitor je představován vytékající vodou a báze je ovládací páčka kohoutku. Chceme-li aby protékala voda (tekl proud) musíme na bázi přivést určitou energii abychom otočili páčkou (přivedeme do báze proud). Podle velikosti zdvižení páčky (velikosti proudu), více či méně protéká kohoutkem voda (prochází proud mezi kolektorem a emitorem.

B

C

E

Úkol: Vypracujte protokol o měření uvedený v příloze č.1.

117

Ověření funkčnosti tranzistoru NPN R1 100

R U 3V

+

T

B A

UBE

LED

V poloze B spínače dioda LED svítí. V poloze A spínače dioda LED zhasne. Zdůvodněte: ……………………………………………………… ……………………………………………………… ……………………………………………………… ……………………………………………………… ……………………………………………………… ………………………………………………………

Pomůcka: NPN šipka ven Poznámka: Popis LED diody a její parametry naleznete v příloze č. 2.

Pouzdra tranzistorů Polovodičová destička, na které je vytvořen systém tranzistoru má nepatrné rozměry. Tato destička je umístěna v pouzdře z kovu nebo plastu. Kovová pouzdra tranzistorů lépe odvádějí ztrátové teplo než plastové pouzdra. Proto se v těchto pouzdrech vyrábějí výkonové tranzistory (obr a). Často se lze setkat s tranzistory, které mají plastové pouzdro, ale na jedné straně je kovová ploška. Touto kovovou destičkou se tranzistor připevňuje k chladiči, čímž se dosáhne lepšího odvodu tepla (obr. b ). Aby se tranzistor nezničil, nesmí vnitřní teplota tranzistoru překročit maximální přípustnou hodnotu υjmax: Ge tranzistory: υjmax = 75 ÷ 100 °C Si tranzistory: υjmax = 150 ÷ 200 °C a) Výkonový tranzistor s chladičem

b)

118

Chladiče CHL41A

D01, D02, D03

Typ

D01-BLK D02-BLK D03-BLK V5618B BLK V5619A BLK D99

vnější rozměr [mm] 13 x 19 x 6 13 x 19 x 9 13 x 19 x 13 6.3 x 19 x 5 6.3 x 19 x 5 36 x 26 x 26

D99

Rth [K/W]

25 22 20 46 48 13

typ

vnější Rth rozměr [K/W] [mm] 216 x 40 x 70 1.1 CHL40C/70 BLK 115 x 40 x 80 2.4 CHL41A/80 90 x 25 x 60 3.6 CHL255A/60 90 x 25 x 60 3.2 CHL255B/60 BLK 90 x 25 x 250 1.8 CHL255E/250 90 x 25 x 250 1.6 CHL255F/250 BLK 90 x 25 x 40 5.0 CHL255X/40 90 x 25 x 40 4.4 CHL255Y/40 BLK 70 x 20 x 30 6.5 CHL205A/30 70 x 20 x 30 5.5 CHL205B/30 BLK 70 x 20 x 45 5.2 CHL205C/45 70 x 20 x 45 4.7 CHL205D/45 BLK 70 x 20 x 60 5 CHL205E/60 70 x 20 x 60 4.5 CHL205F/60 BLK 70 x 20 x 250 2.3 CHL205H/250 70 x 20 x 250 2.1 CHL205K/250 BLK 100 x 28 x 60 2.5 CHL28A/60 100 x 28 x 120 1.5 CHL28B/120 120 x 28 x 250 0.9 CHL28C/250

119

Cena [Kč] 279.00 93.00 59.00 79.00 239.00 299.00 39.00 54.00 18.90 26.50 29.50 39.50 38.00 53.00 149.00 199.00 69.00 139.00 279.00

V7144

Tranzistory pro napěťové zesilovače Jsou to nejčasteji používané tranzistory. Mají většinou drátové vývody se standardním rozložením(E-B-C). Tyto tranzistory dovolují nízké zatížení. Spínací tranzistory Používají se pro spínání (vede – nevede). Vyrábí se v kovovém nebo plastovém pouzdře. Mají jiné vlastnosti než klasické tranzistory.

Vysokofrekvenční tranzistory Mají někdy nezvyklý tvar a většinou jsou čtyř vývodové. Čtvrtý vývod se používá pro připojení pouzdra.

Výkonové tranzistory Jejich pouzdro je kovové a má dva vývody. Třetí vývod představuje právě kovové pouzdro. U kombinovaných pouzder plast – kov mají tranzistory tři vývody, ale jeden vývod (kolektor) je spojen s kovovou ploškou.

2

silikonová vazelína

klobouček

vnitřní přívody

3 1 4

5 patice vývody B

6

E

Řez Si-tranzistorem v kovovém pouzdře (kulatý tvar), (přívod C je zakrytý jinou přívodní elektrodou). 1/ kovové pouzdro, 2/ přívodní vodiče, 3/vlastní systém Si tranzistoru, 4/kovová patka pouzdra, 5/skleněná průchodka, 6/drátové elektrody

U tranzistorů s malou výkonovou ztrátou je lehký systém zavěšen jen na přívody. Pro účinnější odvod tepla může být pouzdro naplněno silikonovou vazelínou. Zdroj: ČERMÁK, J. Kurz polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976.

Zdroj: MALINA, V. Poznáváme elektroniku I. České Budějovice : KOOP, 2001.

120

Hrotový tranzistor

P

N

O základní destičku (bázi) s vodivostí N se opírají dva pružné hroty. Tlakem hrotů, popř. formováním několika elektrickými impulsy, se pod hroty vytvořil emitor a kolektor opačné vodivosti P. Nevýhody: malé zesílení, mechanická nestálost a citlivost na otřesy.

C

B

E

Zdroj: ČERMÁK, J. Kurz polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976.

Slitinový tranzistor N P

P

C

N

Na základní destičku typu P se položí úlomek příměsi typu N a celý systém se zahřeje na teplotu několika set °C. Úlomek se roztaví, rozpustí v sobě část základní destičky a vytvoří se v ní oblast opačné vodivosti N. Na druhé straně základní destičky se stejným způsobem vytvoří další oblast s vodivostí N, čímž získáme systém slitinového tranzistoru. Touto metodou se vyráběly především germániové tranzistory.

B N

E

Zdroj: ČERMÁK, J. Kurz polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976.

Tepelné zatížení tranzistoru IC

PT = PE + PC = UBE . IE + UCE . IC ≅ UCE . IC ≅ PC

UCB IB

UCE

kde

PE … tepelná ztráta na emitorovém přechodu PC … tepelná ztráta na kolektorovém přechodu

UBE IE

Na výsledné teplotě přechodu υj se podílí i teplota okolí υa: υj = υa + Rυ . PC Rυ … je tzv. tepelný odpor. Ten udává, o kolik se zvýší teplota přechodu nad teplotu okolí při kolektorové ztrátě 1 mW, nebo 1W. Rυ = 0,1 ÷ 1 °C/mW Odtud vyplývá přípustná kolektorová ztráta:

PC max =

υ j max υa max Rυ

121

3.2.2 Základní zapojení bipolárního tranzistoru jako spínače Elektronický prvek tranzistor lze využívat jako spínač. Tuto funkci lze zjednodušeně popsat následujícím způsobem: +15 V +5 V

IC IB

5V 0V

U1

RC 0 ÷ 1V při sepnutém tranzistoru

RB UBE

U2

Zdroj: VOBECKÝ, J.; ZÁHLAVA, V. Elektronika součástky a obvody, principy a příklady. Praha : Grada Publishing, 2000.

Malý ovládací výkon na vstupu spíná a rozepíná mnohem větší výkony na výstupu. IC = 100 mA IB = 10 µA

R

ž U = 9V

U = 3V

Pvst =U.IB = 3.10.10-6 = 30.10-6 W

Pvýst = U.IC = 9.100.10-3 = 9.10-1 W

Tranzistor můžeme k tomuto účelu do vnějšího obvodu zapojit: SE (zapojení se společným emitorem)

SB (zapojení se společnou bází

SC (zapojení se společným kolektorem E

C B vstup

E E

výstup

vstup

B

C výstup

B

výstup vstup

C

Vlastnosti jednotlivých zapojení: Úkol: Popište: Rvst ……………………………………………………………………………………………………... Rvýst ……………………………………………………………………………………………………… AU ……………………………………………………………………………………………………….. AI ……………………………………………………………………………………………………….. AP ……………………………………………………………………………………………………….. Veličina SE SB Vstupní odpor Rvst malý až střední značně malý Výstupní odpor Rvýst velký velmi velký Napěťové zesílení AU velké značně velké Proudové zesílení AI velké menší než 1 Výkonové zesílení AP značně velké malé až střední Zdroj: MALINA, V. Poznáváme elektroniku I. České Budějovice: Kopp, 2001.

122

SC velmi velký velmi malý menší než 1 velké malé až střední

Potřebujeme tedy vysvětlit činnost vstupního (řídícího) obvodu buď: a) napájením samostatným zdrojem (výstupní zdroj bude mít svůj zdroj) b) přivedením energie pro ovládání vstupního obvodu ze společného zdroje pro vstupní i výstupní obvod Zdroj

V tomto režimu může tedy tranzistor nabývat dvou stavů: a) sepnutý (tranzistor se otevře a na přechodu C-E zůstává jen velmi malé napětí 0,2 ÷ 1 V) b) rozepnutý (tranzistor se uzavře a zůstane celé napětí zdroje mezi C-E a) Napájení báze a kolektoru v zapojení SE ze dvou samostatných zdrojů a1) Samostatný zdroj pro bázi: (Tranzistor jako spínač) Ic ž Rb

B

v UBE

Nevodivý stav: +

6 V/0,1 A C

+ ž

6 V/0,1 A

≡

+ 6V RC 6V

v

E

U -

-

v sepnutý – tranzistor je ve vodivém stavu

Zdroj: www.gme.cz

123

(na bázi není napětí – buď uzemněním báze nebo rozpojením vstupního obvodu)

Vypínačem v chceme ovládat žárovku ž. Pokud není „v“ sepnutý, je přechod C-E uzavřený, proud IC neteče a žárovka ž nesvítí. Sepne-li „v“, vytvoří se UBE > 0,7 V a přechod B-E je zapojen v propustném směru. Proteče proud IB a otevře se cesta pro proud C-E (II.) žárovka se rozsvítí. IC

v rozepnut

v sepnut

+

Rb

t

6 V/0,1 A

ž

žárovka nesvítí

C

IB B

v

teče

I.

II.

E

t

neteče

I.

U

svítí

teče

II.

-

t

neteče t

Úkol: ↑ … „v“ je rozepnutý ↓ … „v“ je sepnutý

IC

Doplňte:

+

V vypnut

V zapnut

UZ V U1

IB

UBE

C B

U2

UCE

UBE

t

IB

t

IC

t

E IE -

Doplňte: v↑: UBE = 0; IBE = 0; ICE = 0; UZ = 0 v↓: ……………………………………..

UZ

t

UCE

t

Popis činnosti obvodu: t a) „v“ rozepnutý …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… b) „v“ sepnutý …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… UBE bývá u sepnutého tranzistoru: - Ge tranzistorů 0,2 ÷ 0,4 V - Si tranzistorů 0,7 ÷ 0,9 V

124

b) Napájení báze a kolektoru ze společného zdroje UCC Ovládanou zátěž lze připojit: do kolektoru do emitoru b1) Zátěž zapojena v kolektoru (NPN) NPN (BFY, KFY, KF, KC, 2SC): Rp … 25k R1 … 4k7 (ochranný odpor)

2

Rp 1

6V/0,1A ILED

ž

+ -

Ic

R1 I b

Popis obvodu: Proud do báze tranzistoru je přiváděn pomocí rezistorů RP a R1. LED dioda bude svítit v případě, že bude tranzistor uzavřen, tzn. že bude nulový bázový proud a na přechodu C-E se vytvoří úbytek napětí téměř totožný s napětím napájecím. Jakmile se začne tranzistor otevírat, začne klesat napětí UCE a LED dioda zhasne (rozsvítí se žárovka).

UCC

430 UBE

IE

LED

○

IB

RP(1) Neteče

Teče

Popište funkci obvodu v anglickém jazyku:

RP(2)

IC

t

IE

t

ILED

t

UCE

t

ž

t

LED

…………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… ……………………………………………………

t t

125

PNP: 2

Rp … 25 k R1 … 4k7 (ochranný odpor)

Rp 1

6V/0,1A

ž

+ R1

IB

IC

Popis obvodu Princip obvodu je stejný, jen je použit jiný typ vodivosti tranzistoru (PNP). Musíme zde tedy změnit polaritu napájení a proto i přepólovat LED diodu.

UCC

430 LED

1, 2 … poloha jezdce potenciometru Rp

IE

○

BCY 78 - 79 KFY 16,18 KF 517 Doplňte: RP(1) IB

Neteče

RP(2)

RP(1)

Teče

IE

t

IC

t

ž

t

LED

t

Popište obvod v anglickém jazyce: ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… …………………………………………………

t

Úkol: Nakreslete toto zapojení ve Wordu včetně grafů.

126

b2) Zapojení zátěže do emitoru Doplňte průběhy: IB

2 1 UR1

R1

+

UCE IB

RP(2)

IC

URp

Rp

RP(1)

-

IE

t

IC

t

ž

t

UCC

UBE

6V/0,1A

ž

430

LED

t

UBE

t

UCE

t

LED

IE

t

c) Polarita zdroje, napětí a proudu u obvodů s PNP a NPN transistory Typ tranzistoru určuje polaritu zdroje. Obecně platí, že musíme zajistit: 1. kladné napětí na bázi u NPN tranzistoru 2. záporné napětí na bázi u PNP tranzistoru 3. přechod UBE musí být polarizován napájecím zdrojem v propustném směru 4. přechod UCE musí být polarizován napájecím zdrojem v závěrném směru Odtud vyplývá: c1) NPN tranzistor -

U1 = URB + UEB U2 = UR2 + UR1 + UCE

IC

IB

RB M47

Tl.

UCB

R2

R1 UR1 UR2 1k

V + + 100

UCE U1 + 3V

URB

IB… proud tekoucí do báze IE… proud emitorem IC… proud kolektorem

UBE

+

-

IE

U2 9V

UCB… napětí mezi kolektorem a bází UBE… napětí mezi bází a emitorem UCE… napětí mezi kolektorem a emitorem

UCE = UCB + UBE IB << IC IB << IE => IC ≅ IE

127

Nastavení proudu do báze: RB… ochranný odpor přechodu B-E. Nastavuje velikost IB při otevřeném tranzistoru: IBAE =

IB A

IBE

UBE RB

=> UBE = RB . IB = 0,4 ÷ 0,7 V z katalogu, nebo z měření charakteristiky tranzistoru

0,7 0,4

UBE [V]

Umístění pracovního bodu přechodu B-E při rozpojeném tlačítku Tl (bod A1) (uzavřený tranzistor): IB

⇒ Pracovní bod P se pohybuje po křivce (AV charakteristice přechodu PN) od bodu A1 po A.

A

UBn RB P

RBn

UBE

A1

UBn

UBE

c2) PNP tranzistor

+

V R2 100 UR1 RB M22 U1 3V

-

+

Tl.

UBC IB

R1 1k

-

UR2

IC UCE

-

UEB

+

IE

U2 3V

Doplňte: U1 = U2 = UEC = UEB + UBC Samostatná práce studenta: Doplňte obě obvodové schémata o obvodové schéma zdroje.

128

Samostatná práce studenta: Dokreslete průběhy napětí do grafů a popište rozdíly v činnostech obvodu. IC

R1

RC

IC

R1 Uvýst

v

+ -

Rb IB

R2

UB

v

Ri R2

IE

+

Rb

UB

IB

Uvýst IE

Ri

RE

Doplňte průběhy: v rozepnut

v sepnut

v rozepnut

v rozepnut

v sepnut

v sepnut

v rozepnut

v sepnut

Uvýst

t

Uvýst

t

IB

t

IB

t

IC

t

IC

t

IE

t

IE

t

t

t

Popište rozdíly v činnosti obou obvodů: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… d) Darlingtonovo zapojení T1 Ib1

T2

IE1 = IB2

Ic2

Popište činnost obvodu: ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………….. K čemu je toto zapojení vhodné? ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………….. …………………………………………………………………..

129

Ukázka použití Darlingtonova zapojení: R1 j5

R3 2k7 P1

R2

D1

680

10k

D21

P2 2k2

KA501

4 x KY708

KY708

Nabíječka Zdroj: http://panda.unas.cz/elektronika/akum_nab.htm

Poznámka: V příloze č. 3 jsou uvedeny praktické aplikace, úkoly a konstrukční úlohy.

3.2.3 Zbytkové proudy bipolárního tranzistoru, proudový zesilovací činitel, stejnosměrné charakteristiky a) Zbytkové proudy bipolárního tranzistoru K základním stejnosměrným parametrům tranzistoru patří tzv. zbytkové proudy. Nejdůležitější jsou: 1. zbytkový proud v zapojení se společnou bází … ICB0 2. zbytkový proud v zapojení se společným emitorem … ICE0 IE = 0

ICB0

IC UCB ICE0 ICB0 IB = 0 ICB0 UCB; UCE

ICB0 udává jakost kolektorového přechodu v závěrném směru. Je žádoucí, aby ICB0 byl v co největším rozsahu napětí nezávislý na UCB. ICE0 >> ICB0 ICE0 závisí na stavu přechodů na zesílení tranzistoru a na teplotě:

ICB0 ICE0

GC 515 UCB = UCE = 6 V 25 °C 75 °C 10 µA 250 µA 4 mA 200 µA

KC 507 UCB = UCE = 15 V 25 °C 75 °C 15 µA 15 µA 200 µA 100 µA

Této teplotní závislosti se dá využívat při měření teploty.

130

IC (mA)

b) Stejnosměrný proudový zesilovací činitel nakrátko v zapojení SB … αB Stejnosměrné výstupní charakteristiky (germaniový tranzistor, společná báze) 7

7

6

6

P

5

IE

IC UCB

I C = I CB 0 + α B . I E

5 4

4

α b IE

3

αB =

3

I C I CB 0 IE

≈

IC IE

2

2

IE = 1mA

1 0 -2

při UBC = konst.

IE = 0;ICBO 0

2

4

6

8

10 12 14 UCB (V)

Příklad: αB = 0,9; ICB0 = 0,1 mA; IE = 3 mA Řešení: IC = ICB0 + αB . IE = 0,1 + 0,9 . 3 = 2,8 mA Diferenciální proudový zesilovací činitel nakrátko v zapojení SB:

∆I C ∆I E

αB =

při UCB = konst.

c) Soustava stejnosměrných charakteristik v zapojení SE U tranzistoru sledujeme nejčastěji následující charakteristiky: IB = f(UBE) IC = f(UBE) IC = f(UCE) IC = f(IB) h21E = f(IC) Výstupní charakteristiky tranzistoru Máme-li zachytit souvislost mezi třemi proměnnými, volíme jednu proměnnou jako parametr. IC [mA] P1

10

RZ

RZ A IB

8 6

V

P2

4

IC

RB

2 0

2

4

6

8

10

UCE [V]

Tato charakteristika obsahuje zatěžovací přímku pro: U = 6 V, RZ = 0,4 kΩ

131

+

6V

Polohu zatěžovací přímky určujeme ze dvou bodů: a) U CE = U ; I C = 0 b) U CE = 0 ; I C = I C max =

U RZ

Úkol: Určete UCE a IC pro IB = 30 µA, RZ = 1 kΩ, U = 6 V.

Nepřivádíme-li žádný vstupní signál, je IB = 0 a IC = f(UCE) má tvar charakteristiky diody v závěrném směru. IB = 0,45 mA IB = 0,4 mA IB = 0,35 mA

IC [mA] 100

IB = 0,3 mA

80 60

IB = 0,2 mA IB = 0,1 mA

40

IB = 0,05 mA

20 0

15

30

45

UCE [V]

Přivádíme-li proud do báze, prochází proud kolektorem h21E krát větší, něž proud IB. Získáme tak síť charakteristik, pro kterou platí, že strmost S charakteristiky určuje výstupní odpor tranzistoru. Výstupní odpor tranzistoru je tím větší, čím je stoupání charakteristiky tranzistoru menší. IC [mA] 80 60

IC U BE ∆I C S= ∆U BE

2

IC = f(UBE) UCE = konst.

40

S´ =

P

20

1 0

0,2

0,6

0,4

0,8

UBE [V]


V oblasti větších IC jsou charakteristiky „hustější“. Znamená to, že činitel h21E v oblasti vyšších kolektorových proudů klesá. Tato závislost je nežádoucí a výrobci se snaží o h21E = konst.

h21E 300 250 200 150 0

20

40

60

80

IC [mA]


132

Vstupní charakteristika tranzistoru (při UCE = 0 V) IB = f(UBE) IB Propustný směr

A

průraz

V - UBE

UBE - IB

Vstupní odpor tranzistoru Stejnosměrný vstupní odpor:

U BE RB = IB

IB [mA] 0,4

rvst ∆IB

0,3

Dynamický vstupní odpor:

rvst

∆U BE = ∆I B

0,2

rvst

∆UBE

0,1 Rvst 0

0,2

0,4

0,6

0,8

UBE [V]


Úkol: Napište definice Rvst: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Definujte dynamický vstupní odpor tranzistoru: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Převodní charakteristika IC = f(IB) Odvozujeme ji ze dvou charakteristik: IB = f(UBE) IC = f(UBE) Získáme stejnosměrné dynamické proudové zesílení v zapojení SE. a) Stejnosměrný proudový zesilovací činitel h21E je dán směrníící přímky vedené z očátku souřadnic do pracovního bodu P.

IC [mA]

P

80 60

h21e

h21E

40 20 0

133

0,1

0,2

0,3

0,4

IB [mA]

b)

Dynamické proudové zesílení

h21e =

∆I C ∆I B

je dáno směrnicí tečny funkce IC = f(IB) v pracovním bodě P.

Postup sestavení převodní charakteristiky IC [mA]

IB [mA] 0,4

80

IB = f(UBE)

0,2

40

0,1

20 0

0,2

UCE = konst.

60

UCE = konst.

0,3

IC = f(IB)

0,6

0,4

0,8

0 UBE [V]

0,1

0,3

0,2

0,4 IB [mA]


Zvolíme IB, odečteme UBE a IC a tuto dvojici zaneseme do grafu. Kontrolní test: 1. Jaký je vstupní odpor tranzistoru v zapojení se společným emitorem? a) Menší než výstupní odpor. b) Stejně velký jako výstupní odpor. c) Větší než výstupní odpor. 2. Jaký je charakter průběhu závislosti stejnosměrného proudového zesilovacího činitele h21E na kolektorovém proudu IC? a) Zesílení vzrůstá při větších hodnotách kolektorového proudu. b) Zesílení zůstává stejné. c) Zesílení se změnšuje, jestliže se kolektorový proud zvětšuje.

Soustava charakteristik: IC[mA]

30 25

10 P

∆IC

20

8

P

6

∆IB 30

20

10

∆IB P

15

αE.IB

4 IB[µA]

IB[µA]

2

10 ICE0

ICE0 100 200 300 400 500 600 700

20

10

P

UBE [mV]

134

UCE [V]

I C = I CE 0 + α E . I B αE =

I C I CE 0 IB

IC = β při UCE = konst. IB

≈

αE je absolutní hodnota stejnosměrného proudového zesilovacího činitele nakrátko v zapojení SE.

∆I C = α E . ∆I B

αE =

∆I C ∆I B

při UCE = konst.

Úkol: 1. Dokažte, že v zapojení SE proud kolektoru závisí mnohem více na napětí UCE a αE. 2. Proudové zesílení je ve středu charakteristiky největší, pro menší i větší proudy klesá.

3.2.4 Měření vstupní a výstupní charakteristiky v zapojení SE A

C B

A 0÷1V

0 ÷ 30 V

V V

E

Regulovatelný zdroj Měření vstupní charakteristiky pro UCE = konst.

Regulovatelný zdroj Měření výstupní charakteristiky pro IB = konst.

mezní přímka IC[mA] Převodová charakteristika

Pmax

200 180

Výstupní charakteristiky

160 140 120

50

100

40

80 P

30

IB[µA] 300

IBE

200

100

UBE 0V UCE 0,5 ÷ 30V

IB[µA]

70

20

60

10 0

40 20 100 200 300 400 500 600 700 UBE [mV]

Vstupní charakteristika

135

10

30

40 UCE [V]

Úkol: 1. Navrhněte obvodové řešení obou zdrojů a nakreslete celé obvodové schéma 2. Navrhněte zapojení pro PNP i NPN tranzistor.

3.2.5 Nastavení pracovního bodu tranzistoru Klidový stav bipolárního tranzistoru je definován polohou pracovního bodu v soustavě stejnosměrných charakteristik. Pracovní bod nastaví: a) emitorový přechod v propustném směru b) kolektorový přechod v závěrném směru

UB

+

+

+

UC UB

Pracovní bod P je určen: 1. kolektorovým proudem IC 2. napětím UCE 3. napětím UBE

UC

+

P [UCE; IC]

Tyto dva parametry určují všechny ostatní. Příklad: Určete pracovní bod tranzistoru v uvedeném zapojení ve výstupních charakteristikách pro případ IB = 0 µA a IB = 30 µA, je-li UCC = 5 V a RC = 500 Ω. + UCC iC

RC uRC

iB uCE

uvst

uBE UCE = 0

IB [µA] IC [mA] IK

10

60

45

8 6 4 2 0

2

P1 4 U0 6

IB [µA]

P2

30

P2

UCE > 0

30 15

8

10

UCE [V]

P1 0

0,2

0,4

0,6

0,8

UBE [V]

Řešení: Poloha pracovního bodu ve výstupních charakteristikách je dána průsečíkem zatěžovací přímky a výstupní charakteristiky pro daný proud IB. Napětí naprázdno je U0 = UCC = 5V a proud nakrátko je IK = U0/RC = 5/500 = 10 mA. Pro případ IB = 0 µA dostáváme pracovní bod 136

P1 [UCE = 5 V; IC = 0 mA], který odpovídá nevodivému režimu. Pro případ IB = 30 µA odečteme souřadnice pracovního bodu P2 [UCE = 2,25 V; IC = 5,5 mA], který odpovídá normálnímu aktivnímu režimu. S ohledem na počet vývodů tranzistoru je jeho pracovní bod dán čtyřmi hodnotami. V uvedeném zapojení se pak jedná o IC, UCE, IB a UBE. Pro kompletní znalost pracovního bodu pak zbývá určit hodnotu napětí UBE. Pro případ IB = 0 µA bude UBE = 0 V. Pro případ IB = 30 µA potřebujeme vstupní charakteristiku IB = f(UBE), což není nic jiného než voltampérová charakteristika diody báze-emitor ovlivněná přechodem B-C. Je-li tato k dispozici, určíme z ní graficky pro IB = 30 µA napětí na bázi UBE = 0,7 V. Není-li tato k dipozici, budeme pro křemíkové tranzistory uvažovat hodnotu UBE = 0,65 ÷ 0,7 V. Pracovní body tranzistoru jsou pak P1 [UCE = 5 V; IC = 0 mA; IB = 0 µA; UBE 0 V], P2 [UCE = 2,25 V; IC = 5,5 mA; IB = 30 µA; UBE = 0,7 V]. Příklad: Určete hodnotu odporu RB v zapojení tranzistoru NPN aby došlo k nastavení pracovního bodu P [IC; UCC/2] ve výstupních charakteristikách. + UCC = 5V iC RB

10

RC 1k

iB uCE uBE

IC [mA] 45

8 6 IK 4

IB [µA] 30

P [IC; 2,5V]

15

2 0

2

4

U0 6

8

UCE [V]

Řešení: Zatěžovací přímka ve výstupních charakteristikách prochází body [0 mA; UO = UCC = 5 V] a [Ik = 5 mA; 0 V]. Pracovní bod pro UCC/2 = 2,5 V vyžaduje podle výstupních charakteristik nastavení proudu do báze IB = 15 µA. To lze provést například rezistorem RB o hodnotě RB = (UCC – UBE)/IB = (5 – 0,7)/15.10-6 = 286 kΩ. Poznámka: 1. Uvedené zapojení lze využít pro nastavení pracovního bodu zesilovače s tranzistorem ve třídě A. Zde je požadován pracovní bod P [IC; UCC/2] uprostřed výstupních charakteristik, aby bylo možné zesilovat obě půlvlny vstupního sinusového napětí přiváděného mezi bází a emitor jedním tranzistorem. 2. Protože UCC > UBE a RB má velikou hodnotu odporu, odpovídá napájení báze napájení ze zdroje proudu. 3. Výhodou zapojení je nízká spotřeba pro nastavení pracovního bodu. Nevýhodou je špatná teplotní stabilita polohy pracovního bodu. Nepříjemná může být také závislost polohy pracovního bodu na hodnotě h21E = IC/IB.

137

Příklad: Určete hodnotu odporu rezistoru RB v zapojení ve třídě A. Uvažujte proudový zesilovací činitel h21E = IC/IB = 200. + UCC = 9V IC Řešení: Nastavení pracovního bodu je požadováno do středu výstupních RB charakteristik, kdy UCE = UCC/2 = 4,5 V. Odtud vyplývá při zanedbání IB IB proti IC.

IC =

U CC U CE RC + RE

=

9 4 ,5 1000 + 150

RC 1k

UCE

UBE

= 3,9 mA

URE

RE 150

Potřebná hodnota rezistoru RB pak vyplývá z rovnice pro obvod UCC – RB – přechod báze – emitor - RE

RB =

U RB ( U CC U BE U RE ) . h21 E ( 9 0 ,7 0 ,59 ) . 200 = = = 395 384 Ω = 390 kΩ IB IC 0 ,0039

Přitom jsme brali v úvahu, že URE = RE.IE ≈ RE.IC = 150 . 0,0039 = 0,59 V. Poznámka: Rezistor RE funguje jako záporná zpětná vazba a zlepšuje teplotní stabilitu polohy pracovního bodu. Vzrůst teploty tranzistoru jako důsledek Jouleových ztrát vznikajících průtokem kolektorového proudu IC má totiž za následek pokles napětí UBE a současně vzrůst zbytkového proudu kolektoru. Obojí se pak projeví nárůstem proudu IC a tudíž i IE. To vyvolá vzrůst napětí u URE a za předpokladu UCC = konst., pak pokles napětí UBE + URB. Vyvolaná změna napětí na rezistoru RE tedy působí proti její příčině a rezistor RE působí jako záporná zpětná vazba. Čím větší je hodnota RE, tím silněji je tato vazba. Tím ale zároveň stoupá úbytek napětí na RE. Pokud bychom tedy hodnotu RE neznali, volili bychom ji jako kompromis mezi úbytkem napětí URE (malý RE) a schopností teplotní stabilizace pracovního bodu (velký RE), například RE = 0,1 RC. Příklad: Určete hodnotu odporu rezistorů RB1 a RB2 v zapojení ve třídě A. Uvažujte h21E = IC / IB = 200. + UCC = 9V Řešení: Pracovní bod bude nastaven do středu výstupních charakteristik, IC RC proto bude UCE = 4,5 V. Odtud vyplývá IC = (UCC – UCE) / (RC + RE) = RB1 1k 4,5/1150 = 3,9 mA. IB Báze je tentokrát napájena děličem napětí RB1 – RB2. Aby se poloha UCE I1 pracovního bodu neměnila s hodnotou proudu IB, je nutné navrhnout UBE tvrdý dělič, pro který platí I1 >> IB. Praktické splnění této podmínky RB2 RE URE znamená alespoň o řád větší proud I1 oproti IB. Jelikož je proud báze 150 IB = IC / h21E = 0,0039/200 = 19,5 µA, zvolíme např. I1 = 200µA. Potřebná hodnota rezistoru RB2 pak vyplývá z rovnosti URB2 = UBE + URE:

RB 2 =

U RB 2 (U BE + U RE ) (0 ,7 + 0 ,59 ) = = = 6450[Ω ] ≈ 6 k 8 I1 I1 200.10 - 6

Přitom jsme brali v úvahu, že URE = RE.IE ≈RE.IC = 150.0,0039 = 0,59V. Hodnota odporu rezistoru RB1 je

RB1 =

(U - U BE - U RE ) (9 - 0,7 - 0,59) U RB1 = 35125[Ω ] ≈ 33k = = CC I1 + I B I1 + I B 200.10 - 6 + 19 ,6 10 - 6 138

Poznámka: Báze je tentokrát napájená ze zdroje napětí, což zjistíme, pokud pomocí Théveninovy věty převedeme zdroj UCC a rezistory RB1 a RB2 na ekvivalentní se zdrojem napětí UCC.RB2 /(RB1 + RB2) a rezistorem RB1//RB2 v sérii. Nastavení pracovního bodu je na h21E téměř nezávislé. S nárůstem proudu I1 oproti IB roste teplotní stabilita pracovního bodu. To je ale za cenu vyšší spotřeby pro nastavení pracovního bodu a snížení vstupního odporu díky nízké hodnotě RB1//RB2. Nastavení pracovního bodu tranzistoru KF 508 pro spínací režim odporové zátěže IC RB Cv1

1. Zvolíme pracovní bod IB = 100 µA UCE = 18 V IC = 30 mA

RZ Cv2 výstup

IB

+

1

UCE

UBE

Ucc = 30 V

1´ mezní přímka IC[mA]

200 180

IB[µA]

160 140 120

50

100

40

80

P

70

30 20 IB[µA]

200

300

100

SEPNUTÍ

100 200 300 400 500 600 700

UCE

10

2. Výpočet RZ:

U cc U CE IC

=

30 [ V ] 18 [ V ]

= 400 Ω

30 [ mA ]

3. Ze vstupní charakteristiky určíme RB: pro IB = 140 µA je UBE = 0,6 V

RB =

U cc U BE IB

=

30 [V] 0 ,6 [V] 100 . 10

6

18

30 A

40 UCE [V]

Statická zatěžovací charakteristika pro RZ = 400 Ω

UBE [mV]

0,5-30V

60 40 20

10 0

0V

RZ =

VYPNUTÍ

= 294 kΩ

[ mA ]

139

4. Statická zatěžovací charakteristika a) tranzistor se uzavře: UCE = 30 V; ICE = 0 … bod A b) tranzistor se plně otevře: UCE = 0; ICE = 75 mA

3.2.6 Řešení saturace (nasycení) Řešení saturace (nasycení) nastává, je-li proud do báze (UBE) tak veliký, že přijde k zaplavení přechodu B-C a dojde ke změně polarizace přechodu B-C (ten se otevře). Na přechodu C-E se sníží napětí na cca 0,2V. Tranzistor se Schottkyho diodou C 0,25 V 0,45 V B 0,7 V

E

V saturaci tranzistoru proudové zesílení h21E výrazně klesá!

3.2.7 Mezní parametry bipolárních tranzistorů a) Napájecí napětí UCC nesmí překročit prahové napětí UBRCEO, UBRCBO b) Nesmí být překročen maximální proud kolektoru ICMAX Mezní parametry ve výstupních charakteristikách 140 120 100

IC (mA)

80

PCMAX

60

iC = R

40

1 u CE

20 0 0

10

20

30 UCE(V)

40

50 UBRCE0


140

3.2.8 Ochrana přechodu B-E Proti vysokému zápornému napětí chráníme přechod B-E antiparalelně zapojenou diodou: C

B E

Úkol: Vypočítejte hodnoty rezistorů RZ a RB, rezistory zařaďte do řady E12. 1. Nakreslete skutečné obvodové schéma.

2. Do hybridních charakteristik nyní vyznačte skutečný pracovní bod: Pmax IC[mA]

200 180

160

140 120

50

100

40

80 70

30

IB[µA] 300

200

0V UCE 0,5-30V

100

IB[µA]

20

60

10 0

40 20 100 200 300 400 500 600 700

10

UBE [mV]

141

30

40 UCE [V]

3.2.9 Časové postupy vypínání spínače s odporovou zátěží Časový průběh napětí a proudu z obvodu tranzistorového spínače: 16

IC

14 12 10 8

BUDICÍ NAPĚTÍ

6 4

UCE

2 0

td 0,50

tr 0,52

20,0

ts

tf


Spínač s odporovou zátěží tvořenou rezistorem RC: +UCC RC IC IB

RB

UCE UBE

U

Pracovní bod tranzistoru v roli spínače se pohybuje mezi stavy sepnuto (P2) a vypnuto (P1): IB (mA)

P2 16

800

IC (mA)

14 10 10

6 4

600

Vypnutí

8

400

Zapnutí

2

200

0

P1 2

4

6

8

10 12 14 UCE (V)


142

Příklad: Ve spínacím obvodu s tranzistorem NPN (h21E = 20) určete hodnoty RB a RC, je-li pro U1 = 5V maximální zatížitelnost I1max = 1 mA. Vstupní kapacitu obvodu zanedbejte a jeho vstupní odpor uvažujte nekonečně veliký. +15 V +5 V 5V 0V

RC

IC IB U1

0 ÷ 1V při sepnutém tranzistoru

RB U2

UBE

Řešení: Rezistor RB volíme tak, aby nedošlo k překročení hodnoty I1max. Zvolíme-li

RB ≥

U 1 U BE IB

=

5 0 ,7 10

3

= 4 ,3 kΩ

Např. RB = 4,7 kΩ, pak pro U1 = 5 V spínáme tranzistor proudem IB = 0,91 mA, což vyvolá proud kolektoru IC = h21E.IB = 18,2 mA. Má-li být v sepnutém stavu U2 < 1 V, pak musí být

RC >

15 1 U Rc U CC U 2 = = IC IC 18 ,2 .10

3

= 770 Ω

Poznámka: Čím větší zvolíme odpor RC, tím nižší bude napětí U2 = UCE. Od určité hodnoty RC se tranzistor dostane do saturace a bude pomaleji vypínat. Rychlost spínání a vypínání tranzistoru bude také omezena Millerovou kapacitou na vstupu tranzistoru. Zrychlení lze dosáhnout paralelním připojením kapacitoru k rezistoru RB, který zajistí rychlejší nabíjení a vybíjení této kapacity při spínání a vypínání tranzistoru.

143

3.2.10 Spínač s induktivní a kapacitní vazbou Spínač s induktivní a kapacitní zátěží : +15V +15V 1Ω

10µH

1Ω IC

IC

UCE

UCE

1µF

u

u

t t

b)

a)

Spínaní induktivní zátěže je vlivem časové konstanty τ = L/R je méně zatěžovaný po spínání, než u odporové zátěže. Jde o tzv. měkké spínání. Při vypínání ale vzniká překmit napětí na cívce. Jde o tzv. tvrdé vypínání.

UCE

t

Spínání kapacitní zátěže: C se rychle vybíjí přs CE. Tento překmit proudu je pro tranzistor zatěžující – tzv. tvrdé spínání. Vypínání kapacitní zátěže – nárůst UCE je pomalý, vlivem τ = R.C Příklad: Je dáno zapojení polovodičového spínače, řídícího spínání relátka podle schématu. Jaké napětí nakmitne na svorkách spínacího tranzistoru při vypnutí proudu, je-li doba poklesu proudu spínače 5 µs. Relé má vinutí s odporem RRe = 220 Ω a indukčnost LRe = 20 mH. Napájecí napětí UCC je 12 V. Re

R1

Re URe

D1

T1

UCC

UCE

T1

UCE

IRe

UCC

G

Řešení: Při vypínání induktivní zátěže dochází k indukci napětí na zátěži. Napětí UCE můžeme vyjádřit vztahem:

U CE = U CC U Re = U CC + LRe

dI Re dt

Změna proudu je rovna velikosti proudu, protékajícímu relátkem v sepnutém stavu, doba změny tohoto proudu je zadána t = 5 µs. Do vztahu budeme dosazovat úbytek napětí UCesat sepnutého tranzistoru, který bývá kolem 0,2 V.

144

I Re =

U CC U CEsat RRe

=

12 0 ,2 220

= 53 ,6 mA

Překmit napětí UCE tedy bude:

U CE = U CC + LRe

I Re = 12 + 20.10 t

3

53,6.10 5.10

3

= 226 ,4 V

6

To je ovšem příliš velký překmit, který by zničil běžný nízkonapěťový spínací tranzistor dimenzovaný na UCC = 12 V. Proto se v zapojeních pro spínání relátek používají ochranné diody ve funkci omezovače napětí, zapojené paralelně k relátku (dioda D1 na obrázku). Dioda převezme po rozepnutí tranzistoru proud IRe, který postupně vlivem zrát v obvodu ReD1 klesne na nulu.

3.3 Využití bipolárního tranzistoru jako zesilovače Časté využití tranzistoru je jako zesilovače akustických signálů. K tomu potřebujeme: převést zvuk na elektrický signál (mikrofony) a tento signál zesílit převést elektrický signál na zvuk (reproduktory) Mikrofonní zesilovač Je to lineární zesilovač zesilující výstupní napětí z mikrofonu (jednotky mV) na signál o velikosti 100 mV až 1 V. Blokové schéma mikrofonního zesilovače:

> u1

u2

Zesilovač vloží do přenosového řetězce šum. Proto je zapotřebí aby šum zesilovače byl co nejmenší, protože pracuje s velmi malými signály. Zesílení zesilovače v dB jφ ( f )

U 2 U 2 ( f )e u 2 U 2 ( f ) j ( φ2 AU = A = = e jφu1 ( f ) = U 1 U 1 ( f )e U 1( f ) AdB = 20 .log A U1, U2 A(f) ϕA(f) AdB

φ1 )

[dB]

… jsou komplexní amplitudy … modulová charakteristika … fázová (argumentová) charakteristika …zesílení v dB

145

= A( f )e jφA ( f )

Blokové schéma zesilovače: výkonový zesilovač

napěťový zesilovač budící zesilovač

◦ UB1

UB2 ◦

Směšovač

Mi

PI

Předzesilovač A= 1-2000 lineární nebo korekční

ca. 100 mV

magnetofon (záznam) Tb

dozvuk omezovač ekvalizer

◦

mezilehlý zesilovač, případně budič

UB3

LS

výkonový zesilovač

1V

PW

expander Σ nastavení: • hlasitosti • tónových korekcí UB1 ◦ UB2 ◦ UB3 ◦ • vyvážení kanálů • šířky stereofonní báze • ekvalizeru

Ant Tu

napájecí zdroj

□□ □□

◦

220 V ~ ◦

jiné zdroje

Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000. ISBN: 80896056-26-0. str. 49

chybné

správné

=

=

Obr. Propojení zemí Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000. ISBN: 80-896056-26-0. str. 64

146

3.3.1 Přeměna akustického signálu na elektrický a opačně a) Přeměna akustického signálu na elektrický Akustický signál (zvuk) se šíří prostřednictvím změny akustického tlaku. Úkolem mikrofonu je převést tento proměnlivý akustický tlak na elektrický signál. K tomu slouží mikrofony. Princip uhlíkového mikrofonu Uhlíkové mikrofony pracují na principu změny přechodového odporu uhlíkových zrnek, jimiž prochází stejnosměrný napájecí proud. Podstatné části dnešních mikrofonů jsou: Plstěný kroužek s pevnou uhlíkovou elektrodou tvoří tzv. uhlíkovou komoru vyplněnou z 85% uhlíkovými zrnky. Stejnosměrný proud se přivádí jedním pólem k pevné elektrodě a druhým k membráně. Zvukové vlny, dopadající na plochu membrány ji rozkmitají tak, že stlačuje uhlíkový prach, jehož přechodový odpor se mění v rytmu kmitání membrány. Tak se moduluje klidový stejnosměrný napájecí proud. Střídavá složka napájecího proudu je vlastní hovorový proud. Plstěný kroužek

Schématická značka mikrofonu

Nevýhodou uhlíkového mikrofonu je jeho velké Uhlíková zkreslení a nestabilní přenosové vlastnosti. zrnka (prach) Výhodný je tím, že umožňuje přenášet velký výkon (až 1 mW) na poměrně velké vzdálenosti bez zařazení zesilovačů, má jednoduchou Membrána konstrukci a tím i nízkou cenu. Používají se především v telefonní technice. Výrobce: Western Electric, Tesla,

147

Elektroda vodivě spojena s membránou Pevná uhlíková elektroda

T-17 PTT

Western Electric Type 387 Carbon Microphone

Audiosears 1583CVR Principy elektrodynamického mikrofonu materiál zvyšující akustickou impedanci

Kmitací cívka Membrána

S N

Zadní akustický vstup

Pólové nádstavce

přední akustický vstup permanentní magnet

S membrána

N a)

b)

Obr: a) principiální uspořádání elektrodynamického mikrofonu s membránou; b) Konstrukce gradientního elektrodynamického mikrofonu Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 1998.

Akustický tlak působí na přední stranu membrány, ta pohybuje cívkou v magnetickém poli, tvořeného permanentními magnety, v níž se indukuje napětí. Citlivost mikrofonu: poměr výstupního napětí mikrofonu a velikosti akustického tlaku, který toto napětí vyvolá: V/Pa mV/Pa

148

Citlivost mikrofonu je frekvenčně závislá.

Impedance mikrofonu se udává pro 1 kHz, protože je frekvenčně závislá. Pozor: Vstupní impedance zesilovače by měla být 5 ÷ 10x větší, než impedance mikrofonu, jinak dojde ke U zkreslení kmitočtové charakteristiky, zvýšení zkreslení a k vyššímu šumu. Kmitočtová charakteristika je závislost výstupního napětí mikrofonu při konstantním vstupním tlaku na kmitočtu. Měla by mít v rozmezí 16 Hz až 20 kHz 16 Hz malé zvlnění.

20 kHz f

Šum – vyjadřuje se odstupem šumového napětí. Je dáno poměrem mezi výstupním napětím mikrofonu při referenční hladině zvuku o akustickém tlaku 1 Pa a napětím na výstupu (šumovém), když je mikrofon umístěn v dokonale tichém prostředí.

Výrobci: Schure (USA), AKO, AKG, Hylex, Sekaku, Takstar ... DM-300A

Frekvenční rozsah:

80Hz-14kHz

Citlivost:

-72 dBV

Impedance: 600 Ohmů

PRO-14L


80Hz-16kHz

Citlivost:

-74 dBV


AK-3300


60Hz-16kHz

Citlivost:

-76 dBV


SN-9600


40Hz-16kHz

Citlivost:

-76 dBV


BT-588S


40Hz-15kHz

Citlivost:

-77 dBV

Impedance:

250

Ohmů

Těleso mikrofonu je z hrubostěného plastu s pogumovaným povrchem. Mikrofon má XLR vidlici pro připojení kabelu. Dodává se s kabelem XLR-Jack6,3 o délce 5,5 m. Cena 390,- Kč Těleso mikrofonu je z duralu. Mikrofon má XLR vidlici pro připojení kabelu. Dodává se s kabelem XLR-Jack 6,3 o délce 5,5 m. Cena 890,- Kč Těleso mikrofonu je z hrubostěného plastu s pogumovaným povrchem. Mikrofon má XLR vidlici pro připojení kabelu. Dodává se s kabelem XLR-Jack 6,3 o délce 5,5 m. Cena 690,- Kč Těleso mikrofonu je z hrubostěného plastu s pogumovaným povrchem. Mikrofon má XLR vidlici pro připojení kabelu. Dodává se s kabelem XLR-Jack 6,3 o délce 5,5 m. Cena 1290,- Kč Těleso mikrofonu je z hrubostěného plastu s pogumovaným povrchem. Mikrofon má XLR vidlici pro připojení kabelu. Dodává se s kabelem XLR-Jack6,3 o délce 5,5 m. Cena 1290,- Kč

149

Páskový elektrodynamický mikrofon V tomto případě se indukuje napětí přímo v pásku a není zde cívka (je nahrazena zvlněnou hliníkovou fólií). Pásek se vlivem působení akustického tlaku pohybuje v magnetickém poli a indukuje se v něm nízkofrekvenční signál.

pólové nástavce

UEMK 200Ω 0,05 0,3Ω

trvalý magnet

Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 1998.

Výrobce: BeyerDynamic (Modely M 130, M160,M 260.), RCA (Už tyto typy nevyrábí) RCA 77-DX - Výstupní impedance je 250 ohmů (150 a 30 ohmů), užitečná výstupní úroveň /osmička (B) -50 dBm /kardioda (U) -53 dBm / koule (N: 56 dBm. Úroveň přenosu síťového brumu -128 dBm (10 ÷ 3 gaussů). Cena: okolo 1500,- USD. U těchto mikrofonů dochází k výrobní stagnaci vzhledem k nízkému indukčnímu napětí. Dochází tak k většímu šumu při zesílení.

membrána Přenosový můstek

piezo krystal

výstup

· Citlivost: 47mV/Pa · Napětí : 200V · Frekvenční rozsah 40Hz to 8kHz ± 1dB · Dynamický rozsah: 10 to 146dB with Preamplifier BayerDynamic M160 cena 600,- USD,

Základní parametry elektrodynamických mikrofonů: a) jsou nízkoimpedanční se jmenovitou impedancí 200Ω b) citlivost 1,5mV/Pa c) jmenovité frekvenční pásmo 30 Hz až 15 kHz při zkreslení menším než 0,5 %

150

Principy elektromagetického mikrofon Snímací cívka je pevná a není spojena s membránou. Membrána mění magnetický tok v cívce i indukované napětí. Jsou jednoduché a levné. Frekvenční rozsah: 300 až 3500 Hz (jen mluvené slovo) Elektrostatické mikrofony:

proměnná kapacita

Princip: Tento mikrofon pracuje na principu změny kapacity vlivem působení akustického tlaku na membránu. Vlivem tlaku se mění vzdálenost mezi membránami.

C=

ε .S

izolant pevná elektroda

vodivá membrána

C

d

Vyznačují se vysokou citlivostí, velmi malým zkreslením a vysokou stabilitou svých vlastností. Využívají se převážně v měřící technice.

UEMK ca. 470p-1n

vzduchová mezera vzdálenost elektrod

R ca. 1000MΩ


Výrobce: Sennheiser Frekvenční rozsah

E865

40 - 18,000 Hz

Směrová charakteristika

Hypercardioid

Odstup signál šum

> 25 dB na 110°

Impedance

200 Ohmů

Indukované napětí naprázdno při 1 1.0 mV/Pa = -60 dBV kHz (0dB = 1V/Pa) Konektor 3-pin XLR male

Elektretové mikrofony

vodivá membrána

+ -+ + ++ ++ ++ -

pevná elektretová elektroda

U těchto mikrofonů není zapotřebí zdroj polarizační energie, protože je jedna membrána opatřena vrstvou elektretu. Elektret je dielektrický materiál s permanentním elektrickým nábojem. MCE 2B, MCE 2S

MCE 2B, MCE 2S

+ -+ + -

typ MCE 2B MCE 2S

kmitočt. rozsah [Hz] elektretový 50 až 12000 elektretový 50 až 12000 druh

impe- rozměry dance [mm]

vývody

600 Ω Ø 10 x 8 pájecí plošky 600Ω Ø 10 x 8 stíněný kabel

obr. 4 5


151

MC s DPH 11.30 28.00

10ks bez DPH 8.80 22.26

Piezoelektrické mikrofony (krystalické) Využívají piezoelektrického jevu, při němž mechanické namáhání krystalu, keramického materiálu, nebo některých plastických hmot (ohybem) způsobí na povrchu materiálu elektrický náboj, který lze snímat. Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 1998. TYP 4160

TYP 4179 Frekvenční rozsah

40 – 20,000 Hz

Směrová charakteristika

Hypercardioid

Odstup signál šum

> 25 dB

Impedance

200 Ohmů

Citlivost

3 mV/Pa=-50dB(odB=1V/Pa)

Konektor

3-pin XLR male

Speciální mikrofony

pro zcela určité použití. modulové mikrofonní systémy klopové mikrofony mk. se zvukovodem (pušky) mk. s parabolickým zrcadlem soupravy poslech – řeč mikrofony s měřící sondou bezdrátové mikrofony

Bezdrátové mikrofony Rychlá instalace, šíření rádiovými vlnami popř. infra.

152

Směrové charakteristiky mikrofonů 0°

270°

0°

270°

90°

0°

90° 270°

180°

90°

180°

180°

0°

270°

0°

270°

90°

90°

180°

Směrové charakteristiky superledvinová)

mikrofonů

180°

(kulová,

ledvinová,

kuželová,

osmičková


Kulovou charakteristiku má všesměrový mikrofon, ostatní charakteristiky jsou směrové. Připojení mikrofonu k zesilovači Závisí na: výstupní impedanci mikrofonů napětí vstupní impedanci citlivosti Platí zásada, že:

ZZvst>>ZM (5-10x) JACK 3,5

ZZvst – Vstupní Impedance zesilovače ZM – Impedance mikrofonu Napájení mikrofonů napájení přímo pomocí vodičů, po nichž jde signál - stejnosměrné - s umělou nulou využití samostatného vodiče speciálně pro napájení

153

a

Zapojení konektoru DIN (DIN 45594) nf používán ve spotřební elektrotechnice XLR - celokovový, profesionální, vybavený tlačítkovou pojistkou proti tahu, robustní, vysoce spolehlivý JACK 3,5 mm –používán ve spotřební elektrotechnice, levný, jednoduchý DIN 41624 Kabely a příslušenství Délka kabelu nevhodně ovlivňuje XLR Kabel kmitočtovou charakteristiku. (tlumý výšky) Stínění zamezuje rušení Žádaná je mechanická odolnost a ohybnost Barevné odlišení snižuje nebezpečí záměny

DIN 41624

Kabely stíněné typ

popis, barva

SMV

kulatý, bílý symetrický mikrofonní, společné stínění, různé barvy černá dvoulinka, každý vodič stíněný samostatně černá dvoulinka, každý vodič stíněný samostatně kulatý, společné stínění kulatý, každý vodič stíněný samostatně kulatý, společné stínění kulatý, společné stínění kulatý, každý vodič stíněný samostatně kulatý, společné stínění kulatý, společné stínění kulatý, každý vodič stíněný samostatně

MK2066S SROM 2-XX SROM 2-22 SRO 3-22 SROS 4-22 SRO 4-22 SRO 5-22 SROS 6-22 SRO 7-22 SRO 8-22 SROS 8-22

vnější průřez MC [m] 100m počet rozměry vodičů žil s DPH bez DPH [mm] [mm2] Ø3 1 1 x 0.15 6.70 4.67 Ø 6.5

2

2 x 0.15 20.90

14.56

2x4

2

2 x 0.08

5.20

3.11

2 x 5.5

2

2 x 0.08

5.30

3.43

Ø5 Ø6 Ø6 Ø6 Ø7 Ø7 Ø7 Ø7

3 4 4 5 6 7 8 8

3 x 0.15 4 x 0.15 4 x 0.15 5 x 0.15 6 x 0.15 7 x 0.15 8 x 0.15 8 x 0.15

15.40 29.90 17.90 21.90 42.90 24.60 29.90 49.90

10.73 21.57 12.47 15.26 30.94 17.74 21.57 37.22

a) zapojení mikrofonu Napájení při mikrofonním kabelu pr.

sek.

◦

stínění 1◦ 2◦◦ 3

•

•

C

•

NF (Mi)

•

R1 R2 +

•

USP

◦ pr.

sek.

Popis činnosti obvodu: Napájecí napětí je k mikrofonu připojeno k výstupům mikrofonu přes rezistory R1, R2 (jinak by se zdroj choval jako zkrat pro střídavé signály). Kondenzátor brání průchodu napájecího napětí do transformátoru, propouští pouze střídavý signál.

Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000, ISBN: 80896056-26-0. str. 39

154

Fantomové napájení: ◦

• stínění R1

1◦ 2 3 ◦◦

•

NF (Mi)

•

•

R2

•

◦

+ USP

Popis: Oba signálové vodiče jsou na stejném potenciálu a každým z nich teče polovina napájecího napětí. To zajistí, že transformátorem neprochází stejnosměrné proud. Pro zpětné vedení je použito stínění kabelu.

Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000, ISBN: 80896056-26-0. str. 39

b) zapojení konektorů Nejčastější příčina nefunkčnosti mikrofonů připojených k zesilovači je ta, že jsou špatně zapojené kontakty v konektoru. Nejběžnější konektor je konektor DIN 45594. Následující obrázky ukazují nejčastější varianty zapojení DIN konektorů. • •

• 1 2

3 1

°2 ° •°

zem zapojení M

•

°3 ° ° •

3 1

3 1

I

•

3 1 °2 °

•°

•°

II 3 1 52 4

•

3 1 ° 2°

° 2° •°

°2 ° •°

zem

M ° H ° ° •

I

II

zem

•

zapojení M

3 1 52 4

•

R

54 2 3 1

• L

31 12 3

DIN konektory L

Zdroj: WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000, ISBN: 80-896056-26-0

155

R

c) zapojení elektrostatických mikrofonů 3 2

E-

E-

E+

3 2 1

1

6K8

E+

6K8

asym

sym

6K8

6K8

asym

sym

Popis: Tyto mikrofony potřebují polarizační napětí. K napájení těchto mikrofonů se používá fantomové zapojení. Po přepnutí na fantomové napájení nesmí být na vstupu připojen jiný zdroj signálu, jen elektrostatický mikrofon.

48V K předzesilovači

K předzesilovači


B) přeměna elektrického signálu na akustické vlnění (reproduktory) Základní funkcí reproduktoru je přeměna elektrického signálu na akustické vlnění. membrána

Schematická značka reproduktoru:

protiprachová ochranná manžeta kmitačka reproduktoru

Na reproduktoru definujeme základních parametrů: impedance výkon frekvenční pásmo reprodukce dynamiky.

několik odpružení koš

magnet středící membrána

Impedance je určena z parametrů cívky, používají se 4 nebo 8 ohmové reproduktory. Směr namotání cívek má praktický význam u větších reprodukčních soustav nebo u kvadrofonní reprodukce. Výkon reproduktorů je velmi problematický. Katalogově se udává výkon určený z elektrických hodnot, ale ten přirozeně nedefinuje výkon akustický. Akustický výkon se neudává protože je při každé frekvenci jiný. Můžeme se ale setkat v katalogu, kdy je uveden elektrický výkon při definované frekvenci sinus signálu. U akustického výkonu je důležitý parametr intenzity vlnění. Intenzita vlnění je u reproduktoru závislá na obsahové ploše membrány. Konstrukce membrány ovlivňuje i reprodukci dynamiky. U velmi výkonových reprosoustav zvuk dostává správnou dynamiku až při určité hlasitosti. Důvodem je slabý elektrický signál, který nedovede impulzivně hýbat s membránou. Správná reprodukce dynamiky je závislá i na okolním terénu, který může vytvářet rezonanci, ozvěnu a podobně.

156

Základní parametry reproduktoru: jmenovitá impedance a charakteristická citlivost příkon kmitočtová a směrová charakteristika Druhy reproduktorů: elektrodynamické elektromagnetické piezoelektrické elektrostatické speciální (tepelné, pneumatické)

cena s DPH [Kč] cena s DPH [Kč]

výška [mm] 138

419

cena s DPH [Kč]

4, 8 Ω

251

výška [mm]

Ø 104

250 kHz

55

výška [mm]

rozměry [mm] rozměry [mm] rozměry [mm]

citlivost [dB] 91 dB

rezonanční kmitočet

2000 120 1150 – 20 W kHz kHz

150 W


Ø 150

maximální příkon

90 dB

4, 8 Ω


500 –5 kHz

jmenovítá Impedance

citlivost [dB]

Ø 130

citlivost [dB]

86 dB

kmitočtový rozsah

50 – 15 kHz

kmitočtový rozsah

kmitočtový rozsah




4, 8 105 75 W kHz Ω


Použití širokopásmový Použití Použití vysokotónový

ARV10446/4,8

TYP

středotónový

TYP

ARP15005/4,8

TYP

ARX13046/4,8

Výrobci: Tesla, Technics, Sony, Pioneer, DeXon, KOSS

32

379

Tlakový reproduktor Tlakový reproduktor se zabudovaným 100 V transformátorem, 15 W / 10 W / 7,5 W / 5 W. Provedení z ABS materiálů. Kovový držák. Citlivost: 107 dB/1W/1m, frekv. rozsah: 300 - 7000Hz, rozměry: 200 x 130 x 270 mm, hmotnost : 1,8kg.

157

Jmenovitá impedance Je to nejmenší absolutní hodnota elektrické impedance reproduktoru v kmitočtovém pásmu, pro které je určen. Např.: 4 Ω, 8 Ω … Charakteristická citlivost Je to průměrná velikost efektivního akustického tlaku v daném kmitočtovém pásmu, v ose reproduktoru, ve vzdálenosti 1 m při standardním příkonu 1 VA. Účinnost Udává poměr vyzářeného akustického výkonu k elektrickému příkonu. Účinnost reproduktorů se pohybuje kolem 1 ÷ 6%. Kmitočtová a směrová charakteristika dB

16 Hz

20 kHz f

Kmitočtová charakteristika je závislost hladiny akustického tlaku před reproduktorem (v určitém místě, v ose reproduktoru) na kmitočtu, při konstantním napětí na jeho svorkách. Kvalitní reprodukce je v pásmu 30 Hz až 15 kHz. Pro různé frekvenční pásma se vyrábí jiné reproduktory (hlubokotónové, středotónové a vysokotónové). Směrová charakteristika je závislost akustického tlaku před reproduktorem na úhlu, který svírá osa reproduktoru a spojnice reproduktoru a měřicího mikrofonu.

Impedance reproduktoru Impedance reproduktoru je závislá na frekvenci vstupního signálu. Zjm se nazývá jmenovitá impedance při jmenovité frekvenci fjm. Uvádí se na reproduktoru zjednodušeně pod označením Z.

Z

Zjm fr

fjm

f

158

Výkonové přizpůsobení Má-li reproduktor správně fungovat, musí být přizpůsoben výkonovému stupni koncového zesilovače. Mluvíme o tzv. výkonovém přizpůsobení. RL = 8Ω Rvýst = 8Ω

Toho dosáhneme, když se výstupní impedance zesilovače rovná impedanci reproduktoru nebo soustavy.

+ RL = 4Ω

Rvýst = 8Ω +

RL = 4Ω

-

+ RL = 8Ω + RL = 8Ω -

-

+ RL = 8Ω + -

+

RL = 8Ω

-

RL = 8Ω

-

Pokud je impedance připojených reproduktorů menší než výstupní impedance zesilovače, dochází k přetížení zesilovače, zvýší se zkreslení. Pokud je impedance připojených reproduktorů větší, než výstupní impedance, poklesne výstupní výkon. Výstupní výkon zesilovače lze převést: a) přímým, galvanickým připojením reproduktoru nebo vazebním kondenzátorem b) nepřímým propojením reproduktoru s transformátorem Ü

+ UB

+ UB

sek.

Ü

100V 16Ω R1

pr.

R

A

A R2

8Ω

4Ω

C

-

UB

-

UB

Obr. Použití výstupního autotransformátoru

Obr. Použití výstupního transformátoru

159

U velkých sálů a při ozvučení velkých prostranství se používají zesilovače s normovaným výstupním napětím 100V (100V rozvod).

100V 500Ω (500Ω)

20W

4Ω

16Ω

16Ω

5W

5W

16Ω 5W

16Ω 5W

100 V – reproduktorová soustava

100V (200Ω)

50W

400Ω

400Ω L2 25W

L1 25W

100V (200Ω)

50W

L1 50W

1000Ω

400Ω

200Ω L2 25W

L3 10W

2000Ω

L4 5W

2000Ω

2000Ω

L6 5W

L5 5W

Obr. Příklady zapojení reproduktoru na zesilovač s výstupním napětím 100V

Zdroj: S. WIRSUM: Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000. ISBN: 80-896056-26-0.

Při spojování více reproduktorů do reproduktorové soustavy je třeba, aby všechny membrány reproduktorů kmitaly ve stejném smyslu. Kladná polarita vývodu reproduktoru se označuje tečkou. Často potřebujeme zkontrolovat polaritu reproduktorů: Dva reproduktory vzdálené asi 1 m vybudíme nízkým kmitočtem. Pokud jsou reproduktory opačné polarity, potom ve stejné vzdálenosti od obou reproduktorů nastává potlačení zvuku, dobře sluchem postřehnutelné (opačné fáze se ruší). 1m

+ 4Ω 50W

-

+

4Ω

L2

L1

10W

8Ω 25W

L2 5W

8Ω +

8Ω 25W

4Ω -

Obr. Příklady zapojení reproduktorů se správnou polaritou Zdroj: S. WIRSUM: Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000. ISBN: 80-896056-26-0.

160

L1 5W

Skupiny reproduktorů Vhodným sestavením stejných reproduktorů do skupiny můžeme docílit směrové vyzařovací charakteristiky (např. kuželové, laločnaté, atd. ) Reproduktorové soustavy Používají se pro věrnější reprodukci zvuku, kdy jednotlivé reproduktory v soustavě si pomocí reproduktorových výhybek rozdělí frekvenční pásma. Například výškový reproduktor dokáže vzhledem ke svým parametrům daleko lépe produkovat vyšší frekvence, ale v přítomností nižších frekvencí by se poškodil. Výrobci: Mission, Amati, Technics, Yamaha, ... Reproduktorové výhybky Součástí konstrukce reproduktorů jsou i výhybky. Jejich úkolem je rozdělit signál dle frekvenční oblasti k jednotlivým typům reproduktorů. Nejčastěji se používají třípásmové reproduktorové soustavy. V poslední době se dostal k oblibě i superbas. Dle frekvečního pásma jsou reproduktory výškové, střední a basové. Superbasové reproduktory pracují na jednom kmitočtu velmi nízko. Střední a basové reproduktory mají podobnou stavbu membrány a liší se jen několika konstrukčními detaily. Výškové reproduktory jsou schopny kvalitně reprodukovat jen vysoké kmitočty, ostatní reprodukují celé frekvenční pásmo s určitým nelineárním frekvenčním charakterem. Proto se zapojují výhybky, které zajistí to, že každý typ reproduktoru bude pracovat ve svém frekvenčním pracovním pásmu. Výhybka je dle účelu jako frekvenční propust nebo zádrž. Rozdělení - aktivní – obsahují operační zesilovač - pasivní - RC článek - Podle řádu: - určující je velikost útlumu. Píšeme X. řád, kde X = velikost útlumu/6 - 1. řádu – 6 dB/oktáva - 2. řádu – 12 dB/oktáva - 3. řádu – 18 dB/oktáva - atd. 1. Dvoupásmová reproduktorová soustava:

výkonový zesilovač

C

V

L

H

Rozdělení úplného signálu z výkonového zesilovače pro dvoupásmovou reproduktorovou soustavu.

výhybky

161

2. Výhybka pro hloubkový reproduktor: Zapojení výhybky 1.řádu pro hloubkový reproduktor. Na obrázku je vyznačen průběh kmitočtové charakteristiky výhybky se sklonem –6dB/okt. pro výšky. L

dB 0 -10 -20

-6 dB/okt H fd 2x 4x 8x

f

Dělicí kmitočet: f = 2,5 kHz ZR = 4 Ω L = 0,25 mH Zapojení výhybky 2.řádu pro hloubkový reproduktor. Na obrázku je vyznačen průběh kmitočtové charakteristiky výhybky se sklonem –12 dB/okt. pro hloubky. L

dB 0 C

-12 dB/okt

-10 -20

H fd 2x 4x 8x

f

3. Výhybka pro výšky reproduktoru: Výhybka 1.řádu pro výškový reproduktor. Na obrázku je vyznačen průběh kmitočtové charakteristiky výhybky se sklonem –6 dB/okt. pro hloubky. C

dB 0 -10 -20

V - 6 dB/okt f

1/8 1/4 1/2 fd

Výhybka 2.řádu pro výškový reproduktor. Na obrázku je vyznačen průběh kmitočtové charakteristiky výhybky se sklonem – 12 dB/okt. pro hloubky. C

- 12 dB/okt.

dB 0 L

-10

V

-20 1/8 1/4 1/2 fd

162

f

Výhybka pro dvoupásmové reproduktorové soustavy Dvoupásmová reproduktorová soustava s výhybkami 1.řádu a kmitočtový průběh výhybek se sklonem – 6 dB/okt. C dB

8 µF

0 -10

L

-6 dB/okt

-20

0,25 mH

1/8 1/4 1/2 fd 2x 4x 8x

f

Dvoupásmová reproduktorová soustava s výhybkami 2.řádu a kmitočtový průběh výhybek se sklonem – 12 dB/okt. C 4 µF

0,5 mH L

- 12 dB/okt.

dB 0

L

0,5 mH

-10 -20

C 4 µF

-12 dB/okt 1/8 1/4 1/2 fd 2x 4x 8x

f

Zdroj: MALINA, V. Poznáváme elektroniku II. České Budějovice : KOOP, 2003.

3.3.2 Základní zapojení tranzistoru jako zesilovače malých střídavých signálů K zesilování malých střídavých signálů jsou použitelná všechna následující zapojení tranzistoru: SE … se společným emitorem SB … se společnou bází SC … se společným kolektorem Zapojení tranzistoru určuje parametry zesilovače (Rvst, Rvýst, zesílení atd.) a) Zapojení se společným emitorem SE Vnější obvody tranzistoru ovlivňují vstupní a výstupní impedanci, velikost zesílení napětí, proudu a výkonu. Poznámka: KC 507 Jednostupňový zesilovač v zapojení SE otáčí fázi signálu, RK R1 odebíráme-li jej z kolektoru. + 1µ 390k Napěťové zesílení je > 1. - U 1µ

163

IC (mA)

Výstupní charakteristiky v zapojení SE. V zapojení SC jsou charakteristiky prakticky totožné s příkladem SE. IB (µA) 12

60

10 45

8

IC

IB

UCE

6 30

4

15

2

0

0 2

4

6

8

10 12 14 UCE (V)


Výkonové zesílení zesilovače SE je ze všech zapojení největší (1000 ÷ 5000). Tranzistorový zesilovač v zapojení SE obrací fázi signálu na výstupu o 180°. To se vyjadřuje záporným znaménkem ve výrazech pro zesílení AU. Vstupní impedance: 2 000 Ω Výstupní impedance: 5 ÷ 50 kΩ Proudový zesilovací činitel: 20 ÷ 200 Napěťové zesílení: 30 ÷ 100 Výkonové zesílení: 1 000 ÷ 5 000 b) Zapojení se společnou bází

R1

R2 2

1

C

C

+ -

8V

C u1

Re

1

Vstupní impedance: Výstupní impedance: Proudový zesilovací činitel: Napěťové zesílení: Výkonové zesílení:

2´

100 Ω 1 MΩ 0,95 ÷ 0,99 100 100

164

Vstupní impedance je malá ⇒ vstupní signál musí mít dostatečný výkon. Výstupní impedance je veliká, proudové zesílení α < 1, napěťové zesílení je přímoúměrné zatěžovacímu odporu. Zesílení výkonu je malé (20 ÷ 30 dB)

Popište činnost tohoto obvodu: a) Nastavení pracovního bodu …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… b) Zpracování vstupního střídavého signálu …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………

IC (mA)

Výstupní charakteristiky v zapojení SB: -IE (mA) 12 10

10

8

8

IC

IE

6

6

4

4

UCB

2

2

0

0 0

2

4

6

8

10 12 14 UCB (V)


c) Zapojení se společným kolektorem (emitorový sledovač) R1 39K 10M

Uvst

2 R2 2K2

RE 200

+ U výst.

8V

Zapojení má největší vstupní impedanci, cca 250 kΩ. Nejmenší výstupní impedanci, cca 5 ÷ 100 Ω. Napěťové zesílení < 1 (0,9). Velké proudové zesílení. Výkonové zesílení 20 ÷ 200.

2´

Popište činnost tohoto obvodu: a) Nastavení pracovního bodu …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… b) Zpracování vstupního střídavého signálu …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 165

3.3.3 Stabilizace pracovního bodu tranzistoru a) Princip stabilizace pracovního bodu tranzistoru Parametry tranzistoru se s teplotou mění, zvláště u germaniových tranzistorů. IC

při 60 °C při 20 °C při 0 °C

ib

UKE

Proto se i pracovní bod tranzistoru mění s teplotou okolí, ale též vlivem generace tepla z vlastní činnosti. Mluvíme o tzv. teplotní nestabilitě. Tento nepříznivý jev lze kompenzovat obvody pro teplotní stabilizaci: 1. Stabilizace zpětnovazebním odporem 2. Můstková stabilizace 3. Stabilizace pracovního bodu s termistorem b) Tranzistorový zesilovací stupeň bez teplotní stabilizace pracovního bodu:

R C 1

RZ=100Ω C

I2 2

IK

8V

u2

Ucc=18V

ICE=

10 Ucc − Uce 18 − 8 = = =0,01A =10mA 1000 1000 Rz

1´ 2´

Tato konstrukce zesilovače je velmi závislá na teplotě vnitřního systému tranzistoru i okolí. Změna teploty vyvolává značnou změnu ∆ICB0, zvláště u germaniových tranzistorů. Uce=6V 25° C 75° C ⇒ ∆t= 50° C ICB0= 10 µA 250µA ∆ ICB0= 240µA

∆I CB 0

6

240 .10 [ A] 6 I CB 0 = = = 4 800 .10 = 4 ,8 mA 0 ,05 1 0 ,95 ∆I CB 0 ∆I CB 0 = 1 αb

166

c) Princip stabilizace pracovního bodu tranzistoru v zapojení SE ∆ICB0 IC RC

∆UBE

IB

UCC

∆ICB0 … nežádoucí zdroj proudu vlivem změn zbytkového proudu - je významný pro Ge tranzistory - je pro Si tranzistory o několik řádů menší a lze jej zanedbat

UBE

RB

RE

UB

IE

Obvody pro stabilizaci pracovního bodu: a) záporná zpětná vazba (koriguje i změny vyvolané zbytkovým proudem tranzistoru, stárnutí součástek atd.) b) teplotně závislý prvek (termistor, žárovka, dioda) c) kombinace a), b) Činitel stabilizace

S=

∆I C ∆I CB0

Činitel stabilizace je dán poměrem změny ∆IC vyvolané změnou ∆ICB0. Čím je stabilizace lepší, tím je S menší.

UB = RE . IE + RB . IB + UBE UCC = RC . IC + UCE + RE . IE Lze odvodit, že:

S=

pro

∆I C ∆I CB0

RE RB = RE 1 αB + RB 1+

RE > 0,1 RB

S ≈ 1+

RB RE

167

Několikastupňová stabilizace Kvalitní stabilizaci pracovního bodu získáme rozvedením stejnosměrné záporné vazby přes několik stupňů. 1

U

2

IC

IC

3k3 R4

U

U 1k R7 2,5V 2

1V

UCE

1

UCE

1V 2

27k

0,5V 1

UBE

1

2

IE ≈ IC

R1

IB

470 R6

470 R2

UR2

0

a)

0

b)

c)

0

Zdroj: ČERMÁK, J. Kurs polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976.

Na obrázku a) má být dosaženo těchto hodnot: 1

I C = 1 mA

2

U CE = 0 ,5 V

2

1 1

I C = 2 mA

U R 2 = 0 ,5 V

U CE = 1,5 V

1

2

α e = 50

I CE 0 = 0 ,1 mA

U = 4 ,5 V

α e = 70

S pomocí hodnot proudů a napětí vypočítáme:

R2 =

0 ,5 1 .10

3

= 0 ,5 kΩ

Předpokládáme-li, že

R4 =

3 ,5 1 .10

3

1

2

U BE

2

= 1 kΩ 3 2 .10 2 .10 ≈ 0 , má kolektor T1 stejné napětí jako emitor T2, takže

R6 =

3

= 0 ,5 kΩ

R7 =

= 3,5 kΩ . Báze tranzistoru T1 je buzena přes odpor R1 z rozdílu napětí na R6 a

R2, potom potřebný proud 1 I B =

1 0 ,1

= 18 µA . 50 1 0 ,5 Protože 1 I B << 2 I E je R1 = = 27 ,6 kΩ . 6 18 .10

(

)

Vypočítané hodnoty rezistorů se musí ještě zaokrouhlit do řady.

168

Stabilizace termistorem Provádí se termistorem se záporným součinitelem (NTC), jehož odpor se vzrůstající teplotou klesá:

Rt = Rto e

(

B B ) Θa Θa 0

Rt … odpor při teplotě Θa [°K] Rt0 … odpor při teplotě Θa0 [°K] B … konstanta materiálu termistoru Schémata pro stabilizaci termistory:

R3

R3

R3

R3

R´2S

R´2S R2

R´2 R2

Rt

R2

Rt

Rt

b)

a)

R2

R´2P

R´2P Rt

c)

d)


d) Příklady zapojení tranzistoru se stabilizačními obvody 1. Se zpětnovazebním odporem S=

RZ I2

R2

C

S≈

R1

CV1

1´

2

IK

u2

UKE

1 u1

CV2

RZ + R (1-α)R + RZ RZ + R RZ

U

UBE

2´

Popis činnosti obvodu: Vzroste-li ohřevem tranzistoru IK, zvýší se URz a klesne UKE. Pokles se přenese přes R1 a R2 na bázi tranzistoru, UBE se sníží a proud IK se zmenší.

169

C představuje pro střídavý signál zkrat. Pokud by se šířil zpětnou vazbou vracel do báze také střídavý signál, zesílení tranzistoru by se snížilo viz. následující obvod.

RZ I2

I1

C

2

R

C

U u2

1 UBE 1´

2´

2. Můstková stabilizace Popis činnosti obvodu: Napětí báze je určeno poměrem R1, R2. Zvětšením proudu IK a IE se sníží napětí UBE a tranzistor se přivírá.

RZ

R2

IK

2 U

I1 1 R1

UBE UB

RE

1´ 2´

3. Kompenzace teplotních změn tranzistoru termistorem R i1

RK

C

2

C

1

U υ RE

1´ 2´

Popište funkci obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

170

4. Kompenzace teplotních změn tranzistoru dvěma diodami R

RK

2

i1 U

1 R1 u1

D1 RE

D2 1´

2´

Popište funkci obvodu: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

3.3.4 Volba pracovního bodu zesilovače střídavých signálů a) Základní vztahy mezi proudy elektrod tranzistoru: Hledaný proud

IC IC

IC

IE ICB0 + αB . IE

IB

IE(1 - αB) – ICB0

IB(1 + αe) + ICE0

IE

I C I CE 0

IB

αe I C I CB 0

IE

αB

Vyjádřené pomocí

Hledané

αB

αB

αe

αC

αB

αe 1 + αe

αC 1

αe

αC - 1

αe + 1

αC

αB

αe

1 αB 1

αC

I CE 0 =

Vyjádřený pomocí IB ICE0 + αe . IB

1 αB I CB 0 1 αB

(

αC

)

≈ α e . I CB 0 ; I CB 0 = 1 α B . I CE 0 ≈

I CE 0 αe


171

b) Nastavení pracovního bodu tranzistoru při zapojení se SB: pro zesílení střídavých signálů. C1

T

C2

1

2 R1

R2

UBE

UE 3V

UC 12V 2´

1´

I E = IB + IC UCE = UCB + UBE UE + UB = RE . IE + UBE + RB . IB T: ICB0 = 10 µA αB = 0,95 Pracovní bod: UCB = 6 V; IC = 1 mA Řešení:

Ueb=0,2÷0,4V pro Ge 0,7÷0,9V pro Si

U C = R2 . I C + U CB R2 =

U C U CB IC

=

12 6

= 6 kΩ

1

Ic = Icb +αb . IE I C I CB 0 1 0 ,01 IE = = = 1,04 mA αb 0 ,95

R1 =

U E U EB

IE E12: R = 5 k7

=

3 0 ,3

= 2 ,6 kΩ 1,04 R1 = 2 k7

c) Nastavení pracovního bodu tranzistoru při zapojení SE pro zesílení střídavých signálů

R3

R U

Pracovní bod: UCE = 6 V IC = 1 mA IeB0=10µA αb=0,95

R=

I CE 0 =

I CB0

=

10

1 α B 1 0 ,95 α α e = B = 19 1 αB

U U CE IC

=

12 6 0 ,001

= 200 µA

172

= 6 kΩ

IB = R3 =

I C I CE 0 αe U U BE IB

1 0 ,2

= =

19

= 0 ,042 mA

12 0 ,3

= 279 kΩ

0 ,042

R=5k7; R3=M27

3.3.5 Statická a dynamická zatěžovací přímka Rz 820

Rb 560k CV1

CV2

1

2

+

UCC = 12V

UCE RE 180

CE 2’

1’

RC . IC + UCE + RE . IE – UCC = 0 I C ≅ IE IC . (RC + RE) + UCE = UCC a) Konstrukce statické zatěžovací přímky: Statická zatěžovací přímka

1. IC = 0

Dynamická zatěžovací přímka

IC[mA]

30

B

25

10

20

8

15

6

P

∆IC

P

4

10

2

IB[µA]

IB[µA]

5 A

30

20

10

∆IB P ∆U BE

100 200 300 400 500 600 700

10

∆UCE

UBE [mV]

UCE = UCC = 12 V … bod A 2. UCE = 0 (RC + RE).IC = UCC

IC =

U CC 12 [V ] = = 12 mA … bod B RC + R E 820 [Ω ] + 18 [Ω ]

173

20

UCE [V]

Zvolili jsme pracovní bod P: UCE = 6 V IC = 5 mA IB = 17 µA b) Konstrukce dynamické zatěžovací přímky Připojíme-li k zesilovači zdroj signálu a zatěžovací odpor: Pozn: Cv1,Cv2,CE je stanoven po střídavý signál. RC 820Ω

RB Cv1

1

Cv2

560kΩ IB

RV 3kΩ

UBE

Rig

io

+ -

RE 180Ω

UCC

CE

1´

RC . RV 820 . 3 000 = = 644 Ω RC + RV 3 820 1 jejíž směrnice je RZ kde RZ =

určoval tzv. dynamickou zatěžovací přímku

3.3.6 Střídavé parametry tranzistoru Střídavé parametry tranzistoru popisují parametry tranzistoru při průchodu střídavého signálu, jehož rozkmit je velmi malý ve srovnání se stejnosměrnými proudy a napětími ve zvoleném pracovním bodě. Parametry tranzistoru jsou rozdílné pro zapojení SE, SB a SC a označujeme je e, b, c, např. h11e. Charakteristiky tranzstoru: IC[mA]

h21e

h22e

30 25

10 P

∆IC

∆IB 30

20

10

∆IB P

h11e

20

8

P

6

IB[µA]

IB[µA]

15

4

10

2

ICE0 100 200 300 400 500 600 700

20

10

P

h12e

UBE [mV]

174

UCE [V]

Zdroj signálu:

Zátěž:

Tranzistor: 1

Rg

i1

i2 2 u2

u1

RZ

2´

1´ ug

R

Př.: mikrofon

reproduktor

R4

2

1 u2 u1 1´

U 2´

A) Náhradní schéma tranzistoru: Ze zdroje signálu (vnitřní odpor Rg a vnitřní napětí ug) se přivádí na vstupní svorky 1 – 1´ napětí u1, které vybudí proud i1. Výstup tranzistoru je zatížen RZ, na němž proud i2 vybudí napětí u2. 1

i1

i2

2

Rg u2

RZ

ug 1´

2´

V tomto schématu lze nakreslit tranzistor: a) odporovými rovnicemi i1

i2

1 r11 r12 i2 1´

2

u1 = r11 .i1 + r12 .i2

r22

u 2 = r21 .i1 + r22 .i2

r21 i1 2´

Odporové rovnice obecného náhradního schématu tranzistoru s odporovými parametry r11, r12, r21, r22.

175

Popíšeme si jednotlivé parametry: 1. i2 = 0 … RZ = ∞ tranzistor nezatížený zátěží R R1

⇒ u 1 = r11 .i1 i2 = 0 2

⇒

1

r11 =

u2 u1

U

u1 i1

Parametr r11 je vstupní odpor naprázdno.

2´

1´

2. i1 = 0

u 1 = r12 .i2 ⇒

r12 =

u1 i2

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 3. i2 = 0

u 2 = r21 .i1 ⇒ r21 =

u2 i1

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 4. i1 = 0

u 2 = r22 .i2 ⇒ r22 =

u2 i2

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………...

176

b) vodivostními rovnicemi i2

i1

u1

2 y22

y11 y12 u2

u2

y21 u1

Vodivostní rovnice s vodivostními parametry y11, y12, y21, y22. i1 = y1(u1, u2) i2 = y2(u1, u2)

i1 = y11 .u 1 + y12 .u 2

2´

i2 = y 21 .u1 + y 22 .u 2

1. u2 = 0 (1)

i1 = y11 .u 1

⇒

y11 =

(1) (2)

i1 u1

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 2. u1 = 0 (1)

i1 = y12 .u 2

⇒

y12 =

i1 u2

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 3. u2 = 0 (2)

i2 = y 21 .u 1

⇒

y 21 =

i2 u1

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 4. u2 = 0 (2)

i2 = y 22 .u 2

⇒

y 22 =

i2 u2

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………...

177

c) charakteristické rovnice (hybridní rovnice) i1

i2

h11

2 u2

h22

u1 h21 i1

h12 u2

2´

Soubor smíšených (hybridních rovnic) se smíšenými (hybridními parametry) h11, h12, h21, h22: (1) u1 = h1(i1, u2) u1 = h11 .i1 + h12 .u 2 i2 = h2(i1, u2) ( )

i2 = h21 .i1 + h22 .u 2

2

1. u2 = 0 (1) vstupní diferenciální odpor

u 1 = h11 .i1

⇒

h11 =

u1 i1

h11 = (

[V / A]

∆u 1 ∆ u 2 = 0 ) ∆i1 P0

[Ω ]

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 2. i1 = 0 (1) výstupní diferenciální přenos napětí

u 1 = h12 .u 2

⇒

h12 =

u1 u2

[-]

h12 = (

∆u1 ∆i1 =0 ) ∆u 2 P0

[]

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 3. u2 = 0 (2) proudový diferenciální přenos

i2 = h21 .i1

⇒

h21 =

i2 => i1

[-]

αb= h21b αe= h21e αc= h21c

h21 = (

∆i2 ∆i1 =0 ) ∆i1 P0

[]

h21E proudový zesilovací činitel označuje se často β Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... 4. i1 = 0 (2) výstupní diferenciální vodivost

i2 = h22 .u 2

⇒

h22 =

i2 u2

[ A/V ]

h22 = (

∆i2 ∆i1 =0 ) ∆u 2 P0

[S ]

Definice: ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………...

178

Příklad: Určete he v následujícím obvodu, když: P0 [IC = 5 mA; UCE = 2,5 V; IB = 27 µA] Vyznačte pracovní bod v charakteristikách: IC[mA]

40 35

10 8

27

6

IB[µA] 30

20

10

IB[µA]

4

10

2

ICE0 100 200 300 400 500 600 700

1

2

UBE [mV]

Řešení:

179

3

4

UCE [V]

Tabulka vzájemného převodu parametrů r, y, h R r

y

r11

r12

r21

r22

Dr = r11r22 – r12r21

h

y 22 Dy

Dh h22 h21 h22

y12 Dy

y 21 Dy

y11 Dy

r22 Dr r21 Dr

r12 Dr r11 Dr

y11

y12

y21

y22

h12 h11 Dh h11

1 h11 h21 h11

Dy = y11y22 – y12y21

1 Dr h

1 h22 h11 h22

1 Dy y

h12 h22

h22 h11

Dr r22 r21 r22

r12 r22

1 y11

1 r22

y 21 y11

r11 r22

y12 y11 Dy

h11

h12

h21

h22

y11

Dy = h11h22 – h12h21

y 22 y11


Tabulka vzájemného převodu parametrů h pro různá zapojení tranzistoru Zapojení SE

SB SB

SE

SC

h11b

h12b

h21b

h22b h11b h22 b h 1 + h21b 12 b h22 b 1 + h21b

h11b 1 + h21b h21b 1 + h21b h11b 1 + h21b

1 1 + h21b

1

SC

h11e h22 e h11c h12 e 1 + h21e h21c h22 e h21c + 1 1 + h21e h21c h12e h11c

h11e 1 + h21e h21e 1 + h21e h11e

h21e

h22e

h11e h11b h22 b h12 b 1 + h21b h22 b - (1 + h21e) 1 + h21b

- (1 + h21c)

h11c h22 c 1 h21c h22 c h21c 1 - h12c

h22c

1 - h12e

h11c

h12c

h22e

h21c

h22c


180

h12 c

Čtyřpólové parametry se v katalogu uvádí pro doporučený pracovní bod, protože jsou na poloze pracovního bodu závislé. Při vyšších kmitočtech (104 ÷ 106 Hz) jsou čtyřpólové parametry komplexní. Závislost proudového zesilovacího činitele h21b na kmitočtu.

h21b =

h21b0 1+ j

kde

f f h21b

h21b … je hodnota při vysokém kmitočtu f h21b0… je hodnota při kmitočtu 1 kHz fh21b0… mezní kmitočet

Rozptyl parametrů tranzistoru Čtyřpólové parametry tranzistoru mají vysoký rozptyl (někdy až o řád). Parametr

1 min

2 stř

3 max

105 NU 70; OC 70 (UCE = 2 V; IC ´0,5 mA) 1200 2200 3600 h11e (Ω) 10-4 9.10-4 27.10-4 h12e 20 30 40 h21e -3 -3 -3 7,6.10 23,6.10 83.10 h22e (S) KF 506; KFY 34 0,3 10 ICBO [nA] (UCB = 60 V; 9a = 25°C) 35 80 125 h21E (UCB = 10 V; IC = 10mA) 60 100 fr [MHz] (UCB = 10 V; IE = 10 mA) 18 25 CCBO [pF] (UCB = 10 V; IE = 0) GF 515 (UCE = 10 V; IC = 5 mA; f = 10,7 MHz) g11e [mS] 1,3 c11e [pF] 65 0,08 ⏐y12e⏐ [mS] -100 ϕ12e [°] 34 ⏐y21e⏐ [mS] -25 ϕ21e [°] 0,025 g22e [mS] 3 c22e [pF] Zdroj: ČERMÁK, J. Kurs polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976.

181

B) Fyzikální náhradní schéma tranzistoru s napěťovým zdrojem CC

1 e

re

uc

Rg i1 ug

Uc = rm . ie = rm . i1

2

1´

re

rc Rz

i2

b

u2

2´

re – střídavý (dynamický) odpor emitorového přechodu IE

UBE

P

rc – střídavý (dynamický) odpor emitorového přechodu IC

P

UCE

re- střídavý odpor materiálu báze uc a re – je vnitřní zdroj, který prezentuje zesilovací účinek tranzistoru CC – prezentuje kmitočtovou závislost zesílení tranzistoru Fyzikální náhradní schéma tranzistoru s proudovým zdrojem Cc

1

ie

re

2

αb . i e

e

c re rc b

182

Giacoletovo náhradní zapojení tranzistoru Používá se při konstrukci vysokofrekvenčních zesilovačů Cbć

1

ib

rbb´

b´

2

b ube

c

gbć Cbé

gbé

gCE

gm . ubé

e 1´

2´

3.3.7 Mezní kmitočty, šum a mezní hodnoty tranzistoru Nosiče elektrického proudu v polovodiči se pohybují podstatně menší konečnou rychlostí než ve vodiči. Důsledkem je pokles zesílení tranzistoru při vyšších kmitočtech. Šum tranzistoru Tranzistor je zdrojem následujících šumů: a) tepelný šum činného odporu báze b) výstřelový šum emitorového přechodu c) výstřelový šum kolektorového přechodu d) blikavý šum polovodiče e) šum z náhodného rozdělení proudu do báze a kolektoru Mezní hodnoty Obvykle sledujeme kmitočtovou závislost proudového zesilovacího činitele tranzistoru nakrátko h21e =

│h21e│

100

i2 často se označuje jako (β), h21e = f (f) i1

h21e0 = 30 h21e0 * 0,707 fh21e ≈

│h21b│

10

f = 10MHz │h21e│= 7,5 fT = 75MHz

fh21b h21e0

f1 = 75MHz 1 h21b0 = 0,968 h21b0 * 0,707 fh21e = 3MHz

fh21b = 100MHz

0,1 1kHz

1

10

100 f (MHz)

1000


183

Platí: SB: h21b =

h21b0 f

1+ j

f h21b

f h21b … mezní kmitočet proudového zesilovacího činitele v zapojení SB a při poklesu své hodnoty o 3 dB SE: h21e =

h21e0 1+ j

f h21e

3.4 Zesilovače elektrických signálů 3.4.1 Zesilovače napětí, proudu a výkonu Zesilovač napětí (napěťový zesilovač) dodává na výstupu co největší napětí signálu bez ohledu na výstupní výkon.

AU =

U2 U1

I1

I2

1 U1 1´

Zesilovač napětí

2 U2 2´

Zdroj: UHLÍŘ, J.; KŘČAN, Z. Elektronika. Praha : SNTL, 1985.

Poměr mezi efektivními hodnotami napětí signálu na výstupu a vstupu (kolikrát zesilovač zesílí vstupní signál) se označuje AU:

AU =

U2 U1

U1 … komplexní hodnota vstupního napětí U2 … komplexní hodnota vstupního napětí

Zesilovač výkonu Tento zesilovač má poskytovat na výstupu požadovaný výkon. I1 1 U1 1´

I2 Zesilovač výkonu

zesílení: AP =

Pvýst Pvst

2 U2 2´

1 Pvýst = U 2 I 2 2 R

kde U2, I2 jsou amplitudy harmonické veličiny

účinnost: η =

Pvst … vstupní výkon

184

Pvýst Pn

<1

Pn … napájecí výkon

Proudový zesilovač Jeho úkolem je zesilovat proud. I1

I2

1 U1 1´

Zesilovač proudu

2 U2 2´


Proudové zesílení:

AI =

I 2 ∆i 2 = I1 ∆i1

∆i1 … změna proudu na vstupu ∆i2 … změna proudu na výstupu

3.4.2 Impedanční transformátor Zesilovač se chová jako zdroj výstupního signálu s velmi malou impedancí. I1

I2

1 U1 1´

Impedanční transformace

2 U2 2´

malý R


3.4.3 Nejvýznamnější parametry zesilovačů Nejvýznamnější čtyřpólové parametry bipolárního tranzistoru ve funkci zesilovače v zapojení SE:

y11E = (

∆i B ) ∆u B u K = konst .

y 21 E = (

∆i K ) ∆u B u K = konst .

strmost, je to převodní diferenciální admitance (vodivost) při výstupu nakrátko (kolektor ve zkratu)

h21 E = (

∆i K ) ∆i B u K = konst .

je proudový zesilovací činitel při výstupu nakrátko (kolektor ve zkratu) (označuje se β)

h22 E = (

∆i K ) ∆u K i B = konst .

výstupní diferenciální admitance (vodivost) při vstupu naprázdno (při odpojené bázi)

vstupní diferenciální admitance (vodivost) při výstupu nakrátko (kolektor ve zkratu)

3.4.4 Linearita a zkreslení zesilovače Vstupní signál zesilovače: Velmi malé změny stejnosměrného napětí Signál se střídavým periodickým průběhem Signál s neperiodickým průběhem 185

Obecný požadavek je, aby výstupní signál byl přesným lineárním zvětšením vstupního signálu. Zesilovač však lineárně nezesiluje a proto vzniká zkreslení na výstupu. Toto zkreslení je způsobeno nelinearitami součástek. Nelineárním zkreslením střídavého signálu vznikají tzv. vyšší harmonické složky, které se připočítají k základnímu střídavému signálu. Velikost nelineárního signálu vyjadřuje tzv. činitel harmonického zkreslení k. Udává, kolik procent vyšších harmonických kmitočtů se po zesílení objevilo ve výstupním signálu.

k=

a 22 + a 32 + ... + a n2 a1

a1 … amplituda první harmonické složky na výstupu a2, a3, … an … amplituda (napětí, proud) vyšších harmonických složek ve výstupním signálu

3.4.5 Zesilovač a zesilovací stupně

500 mV


Koncový (výkonový) stupeň

5V 2. zesilovací stupeň

směšovač

5 mV/20Ω 1. zesilovací stupeň

10 mV

zesilovač

Impedanční transformace

0,1 mV

předzesilovač

mikrofonní zesilovač

10 V 30 W

Podle pracovního provozu členíme zesilovače na: předzesilovače výkonové zesilovače Předzesilovače – pracují s malým signálem. Jeho amplituda je velmi malá oproti hodnotám nastavení stejnosměrného pracovního bodu. Předzesilovač je budicí obvod a lze jej řešit početně. Požadavky : maximální výkonové zesílení, malý šum. Výkonové zesilovače – rozkmit amplitudy signálu zcela využívá stejnosměrných charakteristik. Řešíme jej graficky. Požadavky: velký výstupní výkon, malé nelineární skreslení, co největší účinnost, velký vstupní odpor.

186

Postup projektování předzesilovače 1. Volba zapojení (podle literatury, doporučení výrobce, vlastní návrh atd.). 2. Návrh napájení. 3. Stanovení pracovního bodu a výpočet hodnot součástek, včetně obvodů pro stabilizaci. 4. Kontrola vlastností předzesilovače při přenosu signálu. 5. Sestavení vzorku. 6. Doladění parametrů vzorku na žádané. a) Výpočet jednostupňového zesilovače bez zpětné záporné vazby Pokud by zesilovač obsahoval jen zdroj signálu, tranzistor a zátěž, lze takový zesilovač popsat následujícími vztahy: i2 2

1

Parametr zesilovače

R9

u1

u2

Rz

u9

P2

P1 1´

2´

u1 i1

h11 + Dh R z 1 + h22 R z

1 + y 22 R z y11 + D y R z

Rvýst =

u2 i2

h11 + R g

1 + y11 R g

Dh + h22 R g

y 22 + D y R z

Čtyřpólová zesílení

Rvst =

Ai =

i2 i1

h21 1 + h22 R z

y 21 y11 + D y R z

Au =

u2 u1

h21 R z h11 + Dh R z

y 21 R z 1 + y 22 R z

h212 R z ( 1 + h22 R z )( h11 + Dh R z )

2 y 21 Rz ( 1 + y 22 R z )( y11 + D y R z )

P2 AP = P1

Parametry v přizpůsobeném stavu

P2 P1 = Rvst

APopt =

Agopt

Azopt = Rvýst Determinant

R gopt =

h11 Dh h22 (

R zopt =

h21 Dh + h11 h22

h11 h22 Dh

)2

Dh = h11 h22 - h12 h21


187

y 22 y11 D y

R gopt = (

y11 y 22 D y

R zopt = y 21

D y + y11 y 22

)2

D y = y11 y 22 - y12 y 21

Ukázka jak lze odvodit proudové zesílení Ai:

Ai =

i2 i1

u 1 = h11i1 + h12 u 2 = h11i1 - h12 • R z • i2

(1)

i2 = h21i1 + h22 u 2 = h21i1 - h22 • R z • i2 i2 h21 z( 1 ) : Ai = = i1 1 + h22 R z h21 z (2) : i2 = 1 + h22 R z • i1

(2)

h21 .i 1 + h22 R z 1 u1 h 12 R z .h21 h11 + Dh .R z = = h11 = i1 1 + h22 R z 1 + h22 R z

u 1 = h11i1 - h12 .R z . ⇒

Rvst

Optimalizace Rg a Rz Obecně maximálního přenosu dosáhneme, když se vnitřní odpor generátoru rovná vnitřnímu odporu zátěže. V našem případě to je když:

R gopt = Rvst R zopt = Rvýst

AP = APopt a výkonové zesílení je největší

potom

1 h11e

Rg

Čtyřpólové parametry jsou udávány pro konkrétní tranzistor výrobcem.

2 h12e RS

signál 1´

h21e

h22e

zátěž

2´

Nyní chceme vypočítat Rgopt a Rzopt, aby se Ap = APopt Do série a paralelně k elektrodám tranzistoru jsou připojeny odpory potřebné k nastavení a stabilizaci pracovního bodu. Ty způsobí, že se: 1) sníží napětí procházejícího signálu 2) sníží zesílení

188

Tyto odpory musíme při výpočtu Rgopt a Rzopt počítat. Vypočítejte Rgopt a Rzopt pro následující zesilovač: C1 je pro střídavý signál zkratem.

5M +

1 Rg

R3 39k

R 3k9 + 5M

2

P1

P1*

P2* 50M R1 + C1 1k

R2 5k6

1´

Spotřebič

+ -

U

RS 1k

2´

A2* ; A*p

Ai ; A p

2

1 Rg

P1*

R3 39k

R2 5k6

P1

R 3,9k

P2

P2*

RS 1k

2´

1´

Z pohledu svorek 1-1´ a 2-2´ musíme původní parametry tranzistoru T přepočítat na T*: T*

1

2 h*11e

Rg

h*12e RS

1´

h*21e

h*22e

2´

Hledáme náhradní tranzistor T* s parametry h*11e, h*21e, h*12e, h*22e tak, že postupně připočítáváme parametry tranzistoru T na T* pro jednotlivé vnější odpory tak dlouho, až nám zůstane jen Rg, RS a T*.

189

K přepočítávání slouží následující tabulka: Původní zapojení r1

Náhradní parametry h*ij

T

h11* = h11* + r1

hij

* * h21 = h21

h12* = h12 * h22 = h22

a)

h11* = h11 −

T r2 hij

h21 1 + h22 r2

* h21 =

b)

h11* = h11 +

T

h12 h21 r2 1 + h22 r2

(1 + h21 )r3 1 + h22 r3

h12* =

h12 1 + h22 r2

* h22 =

h12 1 + h22 r2

h12* =

h12 + h22 r3 1 + h22 r3

hij r3

* = h21

h21 + h22 r3 1 + h22 r3

* h22 =

h22 1 + h22 r3

h11* =

h11 r4 h11 + r4

h12* =

h12 r4 h11 + r4

* h21 =

h21 r4 h11 + r4

c) T r4 hij d)

T

* h22 = h22 −

h12 h21 h11 + r4

h11* = h11

h12* = h12

* h21 = h21

* = h22 + h22

r5 hij e) 1

2

1

2

T

T

h11* =1h11 −

hij

hij

* h21 =−

f)

h12 1h21 2 h11 1+ 1h22 2 h11 1

h12* =

h21 2 h21 1+ 1h22 2 h11 1

Řešení příkladu: 39k

R

R3

1 +5M

3k9 5M +

2

RS 1k

Rg 5k6 1´

R2

1k R1

+

50M C1 2´

190

h12 2 h12 1+ 1h22 2 h11 1

* h22 = 2 h22 −


+

UCC = 4,5V

1 r5

h12 2 h21 1 h22 1+ 1h22 2 h11 2

1. Řešení R2 || R3 T

R4 = RZ || R 3 ≡

R2 5k6

R4 4,9kΩ

R3 39k

⇒

T*

* h11 =

h11 h11 + r4

* h21 =

h21 .r4 h11 + r4

* h12 =

h12 . r4 h11 + r4

hij*

* h22 = h22

Nyní potřebujeme vyřešit rezistor R: 2

T* 1 R

Rg

RS 1k 2´

1´

T* r5

r5 = 3,9kΩ

h*ij

Přepočteme TR* na TR**:

h11** = h11* ** * = h21 h21

h12** = h12* ** 1 = h22 + h22

1 r5

191

h12 . h21 h11 + r4

T

T=

h11 E h21 E

h12 E h22 E

Výsledkem je: T**

2

1 RS

Rg

2´ 1´

Konečně lze tedy vypočítat výsledné zesílení A*p b) Výpočet zesílení zesilovače, který je sestaven z kaskády dvou tranzistorů (dvoustupňový zesilovač): 1

2

A1

A2

1

2

T

Postup: 1. Vypočítáme 1hij a 2hij 2. Vypočítáme výsledné

T

hij

hij

T*

Výsledné zesílení: A = A1 . A2 … An

h*ij

c) Výpočet vazebních kapacit R3 1

C1 + -

5M + C2

2 + -

R1 1k

UCC 4,5V

+ Ce - 50M

1´

Střídavá proudová zpětná vazba vznikající na R je potlačena kondenzátorem Ce

Ce ≥

2h21e ω d .h11e

ωd – dolní hraniční úhlový kmitočet, při menším zesílení v zapojení SE s C1 a Ce klesne o 3dB.

C1 ≥

2 ω d .h11e

Máme-li N stupňový zesilovač, popř. zesilovač, kde působí N součástek (tlumivky, transformátory) pokles zesílení na nízkých kmitočtech, zvyšujeme kapacity Nx.

192

d) Výpočet zesilovače se stejnosměrnou (odporovou) zpětnou vazbou Zvýšení vstupního odporu zesilovače dosáhneme zavedením proudové zpětné vazby (Re není blokovaný)

1

R3 T

C1

Rvst ≈ h11e + h21e .Re

R1

Au ≈

C2

R1 Re

RE

Au může být i větší než 1. Kolektorový odpor nemá vliv na vstupní odpor a proto jej lze začlenit do Re: Příklad: Navrhněte zapojení zdroje kladného proudu 10 mA pro libovolné napětí v rozsahu 0 ÷ 10 V s bipolárním tranzistorem (h21e = 200).

+UCC

Řešení: Požadavek kladného proudu znamená, že proud bude ze RB1 zdroje vytékat a zátěž bude připojena proti zemi. Proto zvolíme I1 zapojení s PNP tranzistorem v zapojení SB. I2 Jelikož platí UEB = 0,7 V, URB2 = konst. a tedy

I Z = IC ≈ I E =

U CC U EB U RB 2 RE

URE UEB

UEC IB

RB2

= konst .

RE

IZ RZ

Jedná se o zdroj konstantního proudu IZ nezávisle na napětí UEC. Napájecí napětí vyplývá z požadavku až 10 V na zátěži.

U CC = U RE + U EC + U Rz = 1 + 1 + 10 = 12 V Z důvodu dobré teplotní stability pracovního bodu jsme zapojili RE a zvolili URE = 1 V. Aby se tranzistor nedostal do saturace, kde klesá h21E a roste IB, požadujeme UCE > 0 V, tj. volíme s rezervou UEC = 1 V. Potom při platnosti IE = IC = IZ = 10 mA dostaneme:

RE =

U RE 1 = = 100 Ω IZ 0 ,01

Pro návrh RB1 vyjdeme z požadavku tvrdého děliče napětí (IRB1 >> IB) a volíme

IC 0 ,01 = 10 = 0 ,5 mA 200 h21 U + U EB 1 + 0 ,7 = RE = = 3400 Ω 3 IB 0 ,5.10

I RE 1 = 10.I B = 10

RB1 =

RB 2 =

U RB 1 IB

U CC U RE U EB U RB 2 10 ,3 = = 6 IC I B + I RB1 25.10 + 5.10 + I RB 1 h21 E

4

= 19619 Ω

Největší hodnota rezistoru RZ, kterou bude možné připojit na výstup zdroje bude

193

RZ >

U Rz 10 = = 1000 Ω 0 ,01 I Rz

Poznámka: 1. Pokud bychom požadovali zdroj proudu 0 až 10 mA, nahradili +UCC bychom rezistory RB1 a RB2 potenciometrem s jezdcem zapojeným na bázi. 2. V analogových integrovaných obvodech je možné napětí UEB emitor-báze tranzistoru T2 (na obrázku) nastavit paralelním T2 T1 připojením přechodu emitor-báze shodného tranzistoru T1 ICT2 v diodovém zapojení, tj. se zkratovaným přechodem B-C. Pro ICT1 správnou funkci je nutné, aby byly oba tranzistory na RZ RP společném čipu, a měly proto shodnou teplotu. Pro velké hodnoty h21E (IC >>IB) je pak proud zátěže IZ v rozsahu několika řádů proudu a v širokém rozsahu teploty čipu prakticky roven referenčnímu proudu ICT1. Proto se tento princip zapojení označuje proudové zrcadlo. Potřebná velikost proudu IZ se pak nastaví hodnotou „programovacího“ rezistoru RP nebo poměrem ploch emitorů. Výpočet napěťového zesílení zesilovače malých signálů v zapojení SE Vlastní zapojení zesilovače: Rb

Náhradní schéma pro střídavý signál:

RC ∆uvýst

Cv1 Cv2

UCC

RC

∆uvst Rb

∆uvst RE

∆uvýst

RE

Cb

Náhradní lineární obvod s vyznačením h parametrů: B ∆uvst

C h21E . ∆iC

h11E

Rb E

1/h22C E

∆iB

RE

RC

∆uvýst

∆iC + ∆iB

∆u výst = h21 . ∆i B . RC ∆u vst = h11e . ∆i1 + h12 e . ∆u 2 = h11e . ∆i B + RE ( ∆i B + h21e . ∆i B ) = [h11e + RE ( 1 + h21e )]. ∆i B Napěťové zesílení:

∆u výst

h21e . RC ∆u vst h11 + RE ( 1 + h21e ) ∆u výst RC = h11 << R e ( h21e + 1 ) ⇒ AU = ∆u vst RE AU =

=

194

Pro velmi malé RE:

AU =

∆u výst

=

∆u vst

h21e . RC h11e

⇒ záporná zpětná vazba rezistoru RE zmenšuje zesílení. Toto zmenšení lze snížit zapojením CE paralelně k RE. Příklad: Určete napěťové zesílení ve středním kmitočtovém pásmu zesilovačů, je-li h21e = 200 a h11e = 600 Ω.

M39

RC 1k

Rb

M39

∆uvýst

47M ∆uvst RE

RC 1k

∆uvýst

47M

9V

47M

Rb

9V

47M ∆uvst RE 150

150

47M

a) b) Řešení: V zapojení a) se uplatní záporná zpětná vazba (RE) a zesílení bude:

AU =

RC 1000 = = 6 RE 150

V zapojení b) se záporná zpětná vazba (RE) díky blokovacímu kondenzátoru neuplatní a zesílení bude:

AU =

h21e . RC 200 .1000 = = 333 h11e 600

NLO pro zapojení SE se zapojeným kapacitorem Cb: ∆iC = ∆ivýst

∆iB B

∆uvst

h21e∆iB

C

h11e

RB

1/h22e

E

Rvst = RB || (

RC E

∆u vst ∆uvýst =0 ) = RB || [h11e + RE (h12 e + 1)] ∆i B

Je-li aktivní CE, platí:

Rvst = R B || h11e ∆ivýst h21e = Ai = ≈ h21e ∆ivst 1 + h22 e RC ∆u výst ∆uvýst =0 1 Rvýst = ( ) = || RC ∆ivýst h22 e

195

∆ivýst

∆uvýst

e) Emitorový sledovač (zapojení se společným kolektorem): R3 1

Rvst = h11e + h21e R z

C1 C2 Re

+ 2

Rz =

-

Re .RS Re + R S

RS

1´

2´

AU = 1 h11e ≈ desítky kΩ Tato zapojení je vhodné pro Si tranzistory: 1 2

R3

Re

RS

1´

2´

Zapojení SC a jeho NLO: +UCC

∆iB

h12e∆uCE

h11e

∆iE E

B

RB

∆uvst

CV1

RB

1/h22e

h21e∆iB

E

RE C

CV2 b)

∆uvst

∆uvýst

RE

a)


f) Zapojení pro Ge tranzistory: R1

1

C1 C2 R2

Re

2

R1

U

R2 Re

1´

RS

Rvst závisí na R1 a R2 .

196

Rs

∆uvýst

g) Zapojení se společnou bází s rozpojeným emitorem:

Rvst = h11e +

1 1 ≈ h22 e h22b

h11e

h21e

i

h22e

Vstupní odpor může být nejvýše rovný výstupnímu odporu tranzistoru se společnou bází, tj. asi 1MΩ. h) Dvoustupňový tranzistorový předzesilovač s velkým vstupním odporem: R1

T1 1

+ C1

Ucc

T2 1

h21e 2

h21e

+ C2

2

Re 2´

Popište činnost obvodu: ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. ……………………………………. …………………………………….

1´

Emitorový sledovač umožňuje získat výstupní napětí v obou fázích: u1 R1

R3 Cv2

1

+ Cv3

u1

R2 R4

1´

2

Cv1

3

-

u2

t UCC

u2

u3 3´

2´

v

Zdůvodněte průběhy grafů: ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………….. …………………………………………………………………..

197

t

u3

t

Pro CV1 = 10M, R1 = 39k, R2 = 2k2, R4 = 200R, R3 = 0 je Rvst = 250 kΩ Rvýst = 5 ÷ 100 Ω AU = 0,9 Ai = 20 ÷ 100 i) Zesilovač malých signálů v zapojení SB Zapojení SB a jeho NLO: +UCC

CV1

∆uvýst

RE

∆uvst

RC CV2

RB

CB

a) h11b

∆iE

∆iC C

C

∆uvst

1/h22e

RE B h12b∆uCE

RE

∆uvýst

B

h21b∆uiE b)


j) Přehled vlastností zesilovače velkých signálů pro SE, SB, SC Vlastnosti zesilovače malého signálu v jednotlivých konfiguracích ( │he│≈ │hC│): Parametr

SE

(

SC

(h21e .RE ) / (h21e .RE + h11e )

)

SB

(h21b / h11b ).(RC

Au

- (h21e / h11e ). RC 1 / h22e

velké

menší než 1

Ai

h21e >> 1

h21e >> 1

[h21b / (1 + h22b .RC )] > 1

Ap = Ai .Au

velké

malé

malé

Rvst

R

B

RB

h11e

RC

velké

RE h11b

velký

střední Rvýst

[h11e + (h21e + 1).RE ]

(1 / h22e )

RE

střední

[(h11e + RB ) / h21e ] malý

1 / h22b

malý RC

(1 / h22b ) velký


198

)

|Au| (-)

Dolní a horní mezní kmitočet zesilovače s tranzistorem:

fd

106 fh f (Hz)

103


Tranformace kapacity CBC na vstup: +UCC RC

iCBC

u2

Rj u1 u1

~

CBC


Ve výše uvedené tabulce jsou parametry pro střední pásmo kmitočtů. Dolní mezní kmitočet fd je určen RC článkem, který tvoří CV a Rvst. Horní mezní kmitočet fh je určen RC článkem, který je tvořen vstupní (parazitní) kapacitou tranzistoru C a vnitřním odporem R zdroje signálu.

3.4.6 Mikrofonní zesilovač Je to lineární zesilovač, který zesiluje signál z mikrofonu o úrovni kolem 1 mV na úroveň 100 mV ÷ 1 V. Jednoduchý přímo vázaný zesilovač Jako náhrady mikrofonu je zde použit reproduktor. Regulace hlasitosti se ovládá potenciometrem P1. Úkol: VT A 1. Popište činnost obvodu: …………………………………………… …………………………………………… - 9V …………………………………………… C1 + T1 T2 470µ …………………………………………… VT 10µF …………………………………………… C3 B …………………………………………… P1 22k C2 …………………………………………… 1k R4

R3

100µ

2. Jaká vazba je mezi zesilovacími stupni?

199

Úkol: 1. Popište činnost tohoto obvodu. 2. Popište funkci každého elektronického prvku. Dvoustupňový mikrofonní předzesilovač: 0,2 mA R3 100K R2 C1 UE

1,3V

C2 UA 22µ

BC414B

T1

0,78V

220µ

11,7V T2

57K

170K

10µ

C3

R6 R5 2,4K

BC414B R1 1M

0,18V R4 430

R7 100 0


Zapojení miniaturního předzesilovače:

R2 100k

R1 1M

E

+ T1,T2 BC847

C1 4,1µF

C3 22µF +

R4 2,2k

+ UB

A

Tr 100K

C2 22µF + R3 330

R6 200 0


Mikrofonní zesilovač s operačním zesilovačem: TL071, TL081 C2 1µF

R4 47k

R6 100k 3 2

UE

C4 + 22µF

R7 R5 1k 47k C5 + 47µF

7 +

C6 22µF 6 +

4 R8 1k

+ UB

A

P 100k RG

0


200

3.4.7 Směšovací stupně Směšovací stupně umožňují směšování signálů z různých zdrojů. Každý vstup má vlastní regulátor hlasitosti. Na výstupu dostáváme součtový signál k dalšímu zpracování. Důležitým požadavkem těchto zapojení je nezávislost jednotlivých kanálů (nesmí se vzájemně ovlivňovat). Jednoduchý směšovací pult s nesymetrickým napájením: U1 P1 47k U2 P2 47k U3 P3 47k U4 P4 47k

R1 +

47k

R5 470k

R2

C1

47kUs

1µ

7

+UB 9...24V

C4 220µ

3 6

TL081CP

C3

+

22µ

UA

2

R3

4

47k

R8 1k

R6

P

R4470k

100k

R7 1k

47k +

C1 100µ

0

Zdroj: S. WIRSUM: Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000, ISBN: 80-896056-26-0

201

Jednoduchý směšovací pult se symetrickým napájením: U1 P1 47k

+UB +

47k

C6 220µ

7

U2 P2 47k

R2 47k

U3 P3 47k

R3

U4 P4 47k

R4

3

R5 470k

6

TL081CP

C5

+

UA

22µ

2 4

47k

47k

R7 1k

P 100k

R6 1k

UB

4,5...9V 0V +

C7 100µ - UB

Zdroj: S. WIRSUM: Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000, ISBN: 80-896056-26-0

Ukázka mixážního pultu

202

3.4.8 Budicí zesilovač Budiče jsou napěťové zesilovače, které svým signálem budí koncový výstupní stupeň. Mají více stupňů, mezi nimiž je vazba: a) přímá b) kapacitní c) transformátorová Základní zapojení dvoustupňového zesilovače s přímou vazbou +

CF

+ Ucc

RF Rc1

RC2

C

výstup

CV2 T2

CV1 vstup

+

T1

RZP1 + CE2

RE2

RE1

RZP2


Dvoustupňový zesilovač s kapacitně vázanými stupni BC KC

BC KC

+

R5 R1

Rb 2k2

R4 22k

150k

100k R6

Cv3

R2

+

5µ/15 +

T1

+

Cv2

T2

-

10µ/15

10µ/15 Cv1 R3 10k

R7 5k6

R9 470

+ -

Ce 47µ/6

PRVNÍ STUPEŇ

DRUHÝ STUPEŇ

203

UCC

3.4.9 Korekce hloubek a výšek (korekční předzesilovač) Výstupní signál napěťového zesilovače má již dostatečnou úroveň, aby mohl budit výkonový zesilovače. V tomto bodě potřebujeme korigovat jeho kmitočtovou charakteristiku. Důvody: 1. Při tiché reprodukci bude zřetelný úbytek hloubek i výšek, protože lidské ucho je různě citlivé pro různé kmitočty. 2. Okrajové kmitočty přenáší některé reproduktorové soustavy hůř. Korekční zesilovač stavíme z RC článků. Různé kmitočty prochází zesilovačem s různým útlumem, který má uživatel možnost nastavovat, protože: Malá kapacita klade velký odpor nízkým a středním kmitočtům, vysoké kmitočty prochází dobře. Korektory členíme na: a) pasivní b) aktivní Aktivní korektor zajistí, že se úroveň signálu nezmenšuje. Obvod pro korekci hloubek a výšek: R1, R2 … nemají vzájemné ovlivňování

R3 1k 2n2

vstup

zpětná vazba

P1 R1

výšky

4k7

R2 4k7

hloubky

výstup

P2 68n

68n 22k R4


Zapojení tranzistoru T3 jako korekčního zesilovače. V korekčním obvodu, mezi rozděleným kolektorovým odporem a bázi, vzniká záporná zpětná vazba.

+ M56 Opačná fáze signálu

82

2k7 680 +

20µ

z korektoru T3 47k


100 -

204

Schéma pasivního korektoru hloubek a výšek: C1 IN

1u

R1 10k

OUT C2

R3 R5

33n

P1 100k/G

10k

100k/G

10k

C3

P2

R4

330n

R2 1k

15n

C4

1k

150n

C5

GND

GND

Zdroj: KOTISA, Z. NF zesilovače I. Praha : Technická literatura BEN, 2001.

Zapojení korekčního předzesilovače s aktivními prvky 120 22k

1

+

10M +

+

G2

G2

M1

20M +

C4 68k

C2 M47 R4 1k

20M R2 2k2 22k

10k basy

R1

120

1´

C1 4M

20M +

T2

R3 10k

výšky

C3 M1

6k8

T1, T2 : KF508

+10- R1:+ 0-

5k6 10M 2 +

T1

Rvst=10kΩ

Změna zisku [dB]

U=22V

390 470

+ G2

0

2´

R3:+ střed

střed

-1010 fd=30Hz

100

f[Hz]

1000

10 000

100 000

fh=15000Hz


205

Selektivní předzesilovač s dvojím článkem T ve větví zpětné vazby U = 9V 3k3

M*566

1k

M*22

1M

10M

+ T1

1 M1 M1

2

T2

3

4k7

4k7

1M

4 3k3

33,9nF

33,9nF

68k

1k 2,35kΩ 0


Zapojení a pasivního a aktivního regulátoru hloubek a výšek C3 0,22 µF R2 C1 1µF E

C4

C12

47 µF

33pF

820 kΩ T1 R4

R1 3,5 kΩ

R3

+

+

C2 22 µF

120Ω R5 3,5 kΩ

500 kΩ

C10 47 µF

R13 5 kΩ R14 7,5 kΩ

+ T3

R8 1,2 kΩ

R6 12 kΩ B P1 100kΩ lin R7

C5 68 nF

6,2 kΩ

68 nF

+

R9 330 Ω

C6

+UB 20...27V

H C8

8,2 nF

C7 8,2 nF 100 kΩ lin P2

T2 R11 270 kΩ

R15 330 kΩ

100 µF C9

R12

R10 680 Ω

2,8 kΩ

C13

+

R18 1kΩ

C11 22 µF R16 920Ω R17 470 Ω -

2,2 µF

Zdroj: S. WIRSUM: Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000.

Zapojení korekčního zesilovače s operačním zesilovačem: 100k

10k

47n

10k

47n

+

1k

4n7 10k

Zdroj: S. WIRSUM: Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000. ISBN: 80896056-26-0.

206

3.4.10 Regulátor vyvážení s využitím změny zesílení kanálů

C1 +

pravý kanál

100µF

R1 1k

B 4,7k

R2 1k levý kanál

+

C2

100µF


3.4.11 Ekvalizér Princip ekvalizéru je v rozdělení celého pásma akustických frekvencí na větší počet částí, ve kterých je možno nezávisle na ostatních nastavit úroveň signálu. Hlavní použití: vyrovnání kmitočtové charakteristiky přenosového řetězce nebo ozvučovaného prostoru redukce akustických zpětných vazeb zvýšení srozumitelnosti řeči úprava zvuků nástrojů Schéma jednoho kanálu tranzistorového třípásmového ekvalizéru:

R7

C4

D1 R1 IN

C5 C2

R6

T2

T1

P1

R4

+

R2 C1

D2

C + 3

R8

R9

C7

R10

C17 R5

C6

+

C18 R22 T4

C9 C8

R11

R12 středy C11 R13

R23

R3

+UCC

výšky P2

C10

C15

R18

C14 R19

R15 P3 basy C12 R16


207

OUT R21

C12 R14

T3

R17

Schéma třípásmového ekvalizéru s operačním zesilovačem: R2

IN

C1

C3

R1 R4

OZ1

GND

P1

R5 R13

C2

R3

C4 R5

R5

P2

R9

R10

C5

R11

R12

P3 C6

OZ2


Čelní ovládací panel ekvalizéru

208

3.4.12 Nastavení hlasitosti Jde o napěťový dělič. Fyziologický regulátor hlasitosti a jeho kmitočtová charakteristika (rovná pro hladinu hlasitosti 90 fonů [Ph] ): [dB]

C1 C2 4,7n

-50

90 80 70 60 50 40 30

-60

20

0

UA

C3 0,33µ

100 Ph

-10

P 47k log.

-20 -30

680

-40 0

-70 50

100 200 500 1k

2

5

10 f[Hz]


Přehled zapojení regulátoru hlasitosti a integrované zesilovače: C3 5

C1 10µ

+

1 2003 2 3

4 +C4 1mF R1 220

C2 1

3

P 5

R2 2j2

470µ

2 4

a

+ Ucc

100n

R3 1Ω C5

Z=4Ω

100n

b


209

Zapojení nf zesilovače gramofonu GE 070 R7

R11 C8

R5 R16

R2

C3

C12 T1

R15 C13

R9

Výstup

C11

P3

P1

T3

R13

C5

R17 Vstup

R12

C7

T4

R8

P2

T2

Tr M ~

Po

D1

C1

C15 C14

220V 50 Hz

Po

Hlavní technické údaje: Vstupní napětí: 600 mV (vstupní impedance 470 kΩ). Kmitočtový průběh: 200 až 20 000 Hz v pásmu 3 dB. Výstupní výkon: 2 W Výstupní impedance: 4 Ω Výstupní napětí: 2,83 V Úkol: 1. Popište připojení gramofonu k zesilovači. 2. Popište obvody regulace hlasitosti. 3. Popište obvody regulace frekvenční charakteristiky. 4. Popište obvody budicího zesilovače. 5. Popište obvody koncového zesilovače. 6. Popište síťový napáječ. 7. Proč jsou C14 a C15 paralelně zapojeny? 8. K čemu slouží obě Po. 9. Jak jsou regulovány otáčky gramofonového talíře. 10. Popište stabilizaci tranzistoru T1, T2, T3, T4. 11. Které rezistory nastavují AB pracovní bod zesilovače?

210

D2

Zapojení nf zesilovače gramofonu GE 071, GE 101 R7 R5 C4 R2

C16

P1

T1

T3

R13 C12

R15

R9

R14

C13 Výstup

C11

P3

R6 P2

R12

C7

C5

C3

Vstup

R11 C8

P4

T4

R8

C6

T2

C1

Tr M ~

Po

D1

C1

C15 C14

220V 50 Hz

Po

Hlavní technické údaje: Vstupní napětí: 350 mV (vstupní impedance 0,1 MΩ). Kmitočtový průběh: 150 až 15 000 Hz v pásmu ±3 dB. Výstupní výkon: 2 W Výstupní impedance: 4 Ω Výstupní napětí: 2,83 V Úkol: 1. Popište obvody korekce frekvenční charakteristiky zesilovače. 2. K čemu slouží R6, C6. 3. K čemu slouží R15.

211

D2

3.4.13 Výkonový zesilovač, tzv. koncový stupeň Úkolem koncového stupně je dodávání velkého výkonu, s minimálním zkreslením signálu dodávaného do zátěže o nízké impedanci. a) Provoz zesilovače ve třídě A, B, AB Polohu pracovního bodu volíme podle toho, v jaké pracovní třídě zesilovač bude pracovat. Pracovní třídu zesilovače určuje jeho klidový pracovní bod v lineární oblasti charakteristiky. Dělení: Zesilovač třídy A Tranzistorem prochází proud po celou dobu periody vstupního střídavého signálu. Využívá se u zesilovačů s malým výkonem, kde účinnost není důležitá. ic [mA]

P uBE = 0,35 V uBE = 0 V 10 V

20 V

Uk [V]

Koncový stupeň se sledovačem napětí ve třídě A +UCC RC

IB T2

IZ

IE T1

RE

zátěž

-UEE


212

Budič zesiluje obě polarity vstupního napětí. Budič koncového stupně (T1) pracuje jako invertor do zátěže RC. T2

IB

Budič T1

IZ IE RZ zátěž

RE

RC

T2 je v zapojení SC (vstup do báze, výstup v emitoru). S klesající hodnotou RE roste trvalá spotřeba T2 i v případě, že na vstupu T1 není signál. Zesilovač třídy B Elektrický proud již prochází pouze po dobu jedné poloviny periody. Užívá se pro zesílení akustických signálů. ic [mA]

uBE = 0,35 V

10 V

uBE = 0 V

P 16 V

Uk [V]

Takový stav není vhodný pro akustické zesilovače. Dvojčinný koncový stupeň se sledovači napětí ve třídě B :

+UCC RC T2

T1

IZ

zátěž

Kladnou půlvlnu ze vstupu T1 zesiluje T2, zápornou T3. Tranzistory se střídají v zesilování. Proto mluvíme o dvojčinném zapojení. Na výstupu se objeví UCET1 snížené o UBET2, nebo UBET3. Tak vzniká tzv. mrtvá zóna o velikosti 2UBE.

T3 -UEE

213

Přenosová napěťová charakteristika dvojčinného koncového stupně ve třídě B a AB: Uzátěž

UBET3

UBET2

B AB


Zesilovač třídy AB Pracovní bod tranzistoru volíme v oblasti, kde jím prochází malý proud již v klidu. ic [mA]

uBE = 0,35 V P 10 V

16 V

Uk [V]

Tento nedostatek lze z části odstranit zapojením dvou diod: Dvojčinný koncový stupeň se sledovači napětí ve třídě AB: +UCC RC D1

T2

IZ

zátěž

D2 T1

T3 -UEE

Diody zajistí IBT2 ≠ 0; IBT3 ≠0 v klidovém stavu a omezí přechodové zkreslení.

214

Zesilovač třídy C Tento typ zesilovače se nevyužívá pro nf výkonové zesilování signálů, ale jako selektivní vf zesilovače. Pracovní bod tranzistoru je umístěn za bodem zániku kolektorového proudu. Pomocí vhodného předpětí je tranzistor uzavřen po většinu periody vstupního signálu, proto tranzistor propouští a zesiluje méně, než jednu polovinu vstupního sinusového signálu. Pouze v okamžiku, kdy součet vstupního napětí a záporného předpětí přesáhne nulovou hodnotu, se tranzistor otevře a propouští proudový impuls. Zesilovač má značné zkreslení, ale účinnost 90 i více procent. ic [mA]

C u1 RN

-UN

Uk [V]

Využití: Vf výkonové zesilovače, koncové stupně vysílačů.

215

b) Jednočinné výkonové zesilovače 2 RZ

NI ; RTR

R3

RS

N II 2´

T1 1

UCC C2

R2

Rvst C1

R1

UR1

1´

U R 1 = ( 0 ,1 ÷ 0 ,2 ) U CC U TR = (0 ,01 ÷ 0 ,1) U CC Přípustná kolektorová ztráta PCMAX nesmí být překročena, ani když: a) teplota okolí dosáhne υMAX b) napájecí napětí dosáhne maxima UCCMAX Proud v pracovním bodě volíme:

IC =

PCMAX U CCMAX - U R1 - U RTR m IBY

y

ICy

y

IB

IC

UCE= konst

m

p

p IC

Rz Rs

IBy

x

IB

IBx

IB

p UCE= konst

y

ICX

x ICE0

IBx UCEy UCE U

UBEx x UBE U BE UBEy

UCEx UCE


216

U CE = U CC - U R1 - U RTR ICX a UCy omezuje rozkmit na 80% až 70% celého možného rozsahu.

RZ =

U CE - U CEY I C - I CX

Určíme ICY a UCEX a vypočítáme výstupní výkon signálu:

P2 =

(U

CEX

- U CEY )(I CY - I CX ) 8

Přesun bodů p, x, y do převodové charakteristiky určíme žádoucí vstupní výkon budicího signálu:

P1 =

(U

BEy

)(

- U BEX I By - I BX

)

8

Výkonové zesílení

Ap = Rvst =

P2 P1 U BEy - U BEX I By - I BX

Tento zesilovač odebírá v klidu i za provozu stále stejný výkon PSS = UCE . IC. Tímto výkonem je zatížen tranzistor PC = PSS. Po vybuzení se odebírá výstupní výkon P2, o který se kolektorová ztráta zmenší.

Pc = PSS P2 Při plném vybuzení je

Pc =

PSS 2

Teoreticky je maximální účinnost.

η=

P2 = 0 ,5 PSS

Skutečná účinnost dosahuje hodnot 0,2 až 0,3. Transformátor přizpůsobuje odpor spotřebiče RS optimálnímu zatěžovacímu odporu RZ. Převod transformátoru:

pN =

NI = N II

RZ RS

217

Jednočinné zesilovače mají nejmenší nelineární zkreslení (za předpokladu, že nejsou přebuzeny velkou hodnotou amplitudy vstupního signálu) a zatěžují napáječ stálým proudem. c) Dvojčinné výkonové zesilovače s transformátorovou vazbou U

c

R3 1

Tr1

T1

Ia

b IIa

Rvst

Tr2

2

NI

II

I

RS IIb Rz b

1´ R2

R1

T2

Ib

NII

NI

2´ c

0


R1, R2, R3 určuje, zda bude výkonový zesilovač pracovat ve třídě A, AB nebo B.

IC

1) Ve třídě A je výstupní výkon dvojnásobný, ale účinnost je stejná jako v jednočinném zesilovači. Pracovní bod volíme stejně jak v předešlém, Rvstbb = 2Rvst, RZcc = 2RZ 2) Ve třídě B (AB) s potlačeným klidovým proudem. To dovolí velký výkon s větší účinností. y

RZ

ICM

U = UCEx UceM = mU 0

x UCE


V bodě x je ICX = 0 a UCEX = U V době půlvlny se pracovní bod pohybuje po zatěžovací přímce RZ.

218

m y

IB ICy y

UCE= konst

m IIBB

IC Rz

IBy

x

ICX=1 až

IBx

UCEy

IB

x ICE0 UCE

UCE= konstx y

UBx

UBE

UBEy


Stupeň buzení m:

m=

U CEM ⇒ U CEM = m.U U

I CM =

U CEM mU = RZ RZ

Pro každý tranzistor platí:

střídavý kolektorový proud

IC =

mU π .Rz

Příkon dodaný zdrojem

PSS =

m.U 2 πRZ

Výstupní výkon signálu

P2 m 2 .U 2 = 2 4 Rz

219

Kolektorová ztráta

P2 U 2 m m2 PC = PSS .(- ) = ( ) 2 Rz π 4 2 π

se mění s vybuzením a největší je při m =

PCMAX

U2 U2 = 2 = 0 ,1. Rz π .R z

⇒ Při plném vybuzení je celkový maximální výkon

P2 MAX =

U2 2Rz

a příkon

PSS =

2U 2 π .R z

Teoretická účinnost η =

π = 0 ,785 4

Celkový maximální výkon

P2 MAX

π2 = = 5 PCMAX .P 2 CMAX

Celkový maximální výkon je tedy pětkrát větší než maximální kolektorová ztráta jednoho tranzistoru. d) Návrh dvojčinného zesilovače třídy AB

m y

IB ICy y

UCE= konst

m IB

IC Rz

IBy

x

ICX=1 až

IBx

UCEy

IB

x ICE0 UCE

UCE= konstx y

UBx

UBE

UBEy

220

m y

IB y

UCE= konst

m

ICy IB

IC Rz

IBy

x

ICX=1 až

IBx

UCEy

IB

x ICE0 UCE

UCE= konstx y

UBx

UBE UBEy


Kolektorový proud ICX se nastavuje na několik mA (třída AB) PCMAX nesmíme překročit při maximálním napájecím napětí UMAX, ani při teplotě νaMAX. Proto volíme:

R z ≥ 0 ,1

2 U MAX PCMAX

Maximální výstupní výkon:

P2 =

( U - U CEy )( I Cy - I CX ) 2

Takto získáme účinnost η = 0 ,4 ÷ 0 ,5 Vstupní budicí výkon:

P1 =

( U BEy - U BEX )( I BEy - I BEX ) 2

Výkonové zesílení:

Ap =

P2 P1

Oba tranzistory se střídají ve funkci. Proto se Rvst =

U BEy - U BEX I BEy - I X

uplatní na polovině

sekundárního vinutí Tr1. Stejně je připojen RZ na polovině primárního vinutí Tr.

221

Závitový proud:

pN =

N II = NI

RS RZ

Odpor děliče RZ + R3 volíme tak, aby jím procházel proud I D ≥ (1až 2) I By R3 nastavuje klidový pracovní bod při uvádění do chodu. Poznámka: Dvojice tranzistorů pro dvojčinné stupně se párují podle proudového zesílení ve dvou pracovních bodech: a) v malém vybuzení - bod č.1 b) ve velkém vybuzení - bod č.2 Př: GC 508 se páruje při: a) UCE = 6V; IE = 10mA b) UCB = 0V; IE = 80mA Proudové zesilovací činitele se neliší o více, než 15%. e) Beztransformátorové dvojčinné výkonové zesilovače Transformátor se snažíme odstranit z důvodu: pracností výroby rozměrů útlumového a fázového zkreslení e1) beztransformátorový výkonový zesilovač se dvěma napáječi: 1 +

RZ

+

1´

-

U 2 U 2


RZ je zapojen mezi společný bod 2 obou tranzistorů a střed dvou napájecích zdrojů 2´. Oba tranzistory jsou buzeny s opačnou fází. Výkon P2 MAX

U2 = 8

222

e2) beztransformátorový výkonový zesilovač v můstkovém zapojení. (P2 řádově stovky wattů). Ucc 1

1´ RZ

1´

1 0


e3) zapojení s jedním napájecím zdrojem a kapacitní vazbou zátěže: 1

1 + C

1 +C

U

+C

U RZ

RZ

U RZ

1´

Beztransformátorové výkonové zesilovače s jedním napájením Zdroj: ČERMÁK, J. Kurs polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976.

Maximální výstupní výkon

P2 MAX

( U - 2U CEy ) 2 π 2 .PCMAX 2U CEy 2 1 = ( U - 2U CEy )I Cy = = (1) 4 8 Rz 2 U mp y

ICy = IcM

IBy

IC

IB

RZ

x 0

UCEy

UCE

UCex = U/2


U MIN = ( 8 P2 MAX R z ) + 2U CEy Rz ≥

( U - 2U CEy ) 2 8 PCMAX

=

U - 2U CE 2 I CEy

223

Úkol: Praktická zapojení jsou uvedena v příloze číslo 5.

3.5 Výkonové zesilovače s integrovanými obvody Výkonové zesilovače Výkonový zesilovač není schopen vybudit reproduktor. Má malý výstupní proud. Tranzistory pro výkonové zesilovače:

Zdroj: www.gme.cz

Integrované zesilovače malých výkonů LM 386 LM 380 TDA 7231 TDA 7233 TDA 2002 TDA 2003 TDA 2050

0,7W 2,5W 1,6W 1,6W 5W 6W 28W

Charakteristické vlastnosti a vnitřní zapojení zesilovacích integrovaných obvodů jsou uvedeny v příloze číslo 6.

224

Ukázka některých integrovaných zesilovačů: LM386 Nízkovýkonový zesilovač s nízkou spotřebou. Pouzdro DIL 8

LM380 Výkonový zesilovač. Pouzdro DIL 14,DIL 8

TDA7231A Jednokanálový zesilovač. Pouzdro Minidip

TDA7233D Jednokanálový zesilovač. Pouzdro Minidip

225

Napájení koncového napěťového zesilovače v MBA 810

Cv4 + T3

P3

Připojení vstupu integrovaného zesilovače k výstupu napěťového (korekčního) zesilovače.

8 MBA 810 M1/G

12

9


226

4 Tyristor Definice A (anoda) G (gate) K (katoda)

Tyristor je elektronický prvek se třemi elektrodami. Součástka je tvořena čtyřmi polovodičovými vrstvami P-N-P-N a tím tedy třemi přechody P-N. Je charakteristický tím, že je mezi A-K neteče žádný proud až do chvíle, kdy se na řídící elektrodu G přivede stejnosměrné napětí odpovídající úrovně.

Aby došlo k sepnutí tyristoru při nižším napětí UG, musíme přivést proud IG do řídicí elektrody G. Čím vyšší bude proud IG, tím nižší bude prahové napětí tyristoru. Po dobu sepnutí je napětí na tyristoru velmi malé, řádově jeden až několik voltů podle velikosti procházejícího proudu. Tyristor se chová jako malý odpor. Tyristor se rozepne, jakmile poklesne proud, který jím prochází, pod hodnotu přídržného proudu IH. AV charakteristika tyristoru: I Stav sepnuto

Tyristor IG Přídržný proud IH

IG1

0

+ UCC

IG = 0

UG4 UG3 UG2 UG1 Stav rozepnuto

I1

U

IG

s rozepnut

ž A UG K

s sepnut

s rozepnut

s RG

žárovka

G

t nesvítí

svítí t

-

Spínačem S se ovládá přes tyristor rozsvícení žárovky (spínání vyššího proudu než zvládne sepnout spínač S). Úkol: Popište princip výše uvedeného obvodu. Co se stane, když se změní polarita UCC. …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………

227

Ukázka katalogového listu Zdroj: www.gme.cz

Tyristoru se užívá jako řízeného spínače ve stejnosměrných obvodech, řízeného usměrňovače v obvodech střídavého proudu atd. Úkol: Nakreslete obvodové schéma řešení tyristorového spínání tepelné spirály bojleru včetně síťového napájecího zdroje. Vypočítejte cenu tohoto zařízení.

228

5 Triak Definice Triak je složen ze dvou antiparalelně zapojených tyristorů se společnou řídící elektrodou. A2 Napětí přivedené na elektrodu G se polarizuje vždy vzhledem k elektrodě A1. Triak umožňuje spínání obou polarit napětí mezi A1 – A2. G A1

Aby došlo k sepnutí triaku při nižším napětí UG, musíme přivést proud IG do řídicí elektrody G. Čím vyšší bude proud IG, tím nižší bude prahové napětí triaku. Po dobu sepnutí je napětí na triaku velmi malé, řádově jeden až několik voltů podle velikosti procházejícího proudu. Triak se chová jako malý odpor. Triak se rozepne, jakmile poklesne proud, který jím prochází, pod hodnotu přídržného proudu IH. AV charakteristika triaku: I Stav sepnuto

Triak

IG -U

Stav rozepnuto - UG1 - UG2 - UG4 IG = 0

IG1

IG1

IH 0 IH

IG = 0

UG4 UG3 UG2 UG1 Stav rozepnuto

U

IG

Stav sepnuto

I

Úkol: Popište princip výše uvedeného obvodu. ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ………………………………………………………………

229

I1

IG ž

U

~

s

A1 UG A2

RG G

Ukázka katalogového listu Zdroj: www. gme.cz

Praktická aplikace: Zapojení umožňuje plynulou regulaci intenzity osvětlení (stmívač). Pomocí rezistoru R1 se zvyšuje popřípadě snižuje osvětlení.

Zdroj: www.aaroncake.net/circuits/ dimmer.htm.

230

6 Diak Diak je tvořen třemi vrstvami různého typu vodivosti. Jeho vlastnosti nezávisí na polaritě I přiloženého napětí a jeho charakteristika je souměrná podle počátku. Po dosažení určité hodnoty napětí na diaku dojde k jeho sepnutí a začne jím procházet proud.

-U

Použití: přepěťová ochrana, spínač pro buzení triaků.

-U0 0

U0

+U

R

U ~

Diak

Ukázka katalogového listu Zdroj: www.gme.cz

231

ž

pomocný

Použité výrazy s překladem a jejich stručný popis Tranzistor Vf. tranzistor Výkonový tranzistor Pouzdro tranzistoru Chladič

Zapojení SE Zapojení SB Zapojení SC Proud v bázi Proud v emitoru Proud v kolektoru Napětí BE Napětí CE Napětí CB Dioda LED Žárovka Darlingtonovo zapojení Tranzistor jako spínač Tranzistor jako zesilovač Mikrofon Směrová charakteristika mikrofonu Elektrodynamický mikrofon Elektromagnetický mikrofon

Transistor

Elektronická součástka se zesilovací schopností High frequency transistor Tranzistor určený pro zpracování vysokofrekvenčních signálů Power transistor Tranzistor umožňující velké výkonové zatížení Box (case) of transistor Ochranný kryt tranzistorového čipu s definovaným rozložením pracovních vývodů. Cooler Je vyroben nejčastěji ze slitiny hliníku (duralu) a je určen k odvodu tepla z elektronických součástek (tranzistor, diody, integrované obvody atd.). Conection with common emitter Způsob zapojení tranzistoru při kterém má charakteristické vlastnosti. Conection with common base Způsob zapojení tranzistoru při kterém má charakteristické vlastnosti. Conection with common Způsob zapojení tranzistoru při collector kterém má charakteristické vlastnosti. Base current Je to budicí proud tekoucí do báze tranzistoru. Emitter current Je to proud, který prochází emitorem tranzistoru. Collector current Je to proud procházející kolektorem tranzistoru. BE voltage Je to úbytek napětí na vývodech báze-emitor tranzistoru. CE voltage Je to úbytek napětí na vývodech kolektor-emitor tranzistoru. CB voltage Je to úbytek napětí na vývodech kolektor-báze tranzistoru. LED Je to polovodičová dioda vyzařující světelné záření určité vlnové délky (barvy) Lamp, bulb Je to jednoduchý prvek vyzařující světlo. Darlington conection Je to způsob zapojení dvou tranzistorů pro zvýšení zesilovaného proudu. Transistor as a switch Je to obvodové zapojení tranzistoru, který se chová jako elektronický spínač. Transistor as an amplifier Je to obvodové zapojení tranzistoru umožňující zesilovat vstupní signály. Microphone Je to zařízení určené k přeměně akustického vlnění na elektrický signál. Directional characteristics of Je to zobrazení šíření akustického microphone vlnění. Electrodynamic microphone Je to speciální konstrukce mikrofonu využívající elektrického pole. Electromagnetic microphone Je to speciální konstrukce mikrofonu využívající elektromagnetického pole.

232

Elektrostatický mikrofon Kabel Zesilovač Jednostupňový zesilovač Dvoustupňový zesilovač Zpětná vazba Korekce hloubek Korekce výšek Výkonový zesilovač Integrované zesilovače

Napájení zesilovače Tyristor Triak Diak Usměrňovač s tranzistorem Mikrofonní zesilovač Nastavení pracovního bodu Stabilizace nastavení pracovního bodu Tranzistor FET

Electrostatic microphone

Je to speciální konstrukce mikrofonu využívající elektrostatického pole. Cable Je to souhrn několika samostatných vodičů, zpravidla barevně odlišným značením izolace. Amplifier Je to zařízení umožňující zesílení signálu přicházejícího na jeho vstupní svorky. One-stage amplifier Je to zesilovač, který má pouze jeden zesilovací stupeň. Two-stage amplifier Je to zesilovač, který má dva za sebou jdoucí zesilovací stupně. Feedback Slouží k přenosu určité části výstupního signálu zpět na vstup. Bass correction Je to zesilování nebo zeslabování akustického signálu o nízkých kmitočtech. High frequency correction Je to zesilování nebo zeslabování akustického signálu o vysokých kmitočtech. Power amplifier Je to zesilovač s velkým výstupním výkonem zesíleného signálu. Integrated amplifiers Jsou to kompletní zesilovače vyžadující nepatrný počet vnějších elektronických prvků pro svou správnou funkci. Power supply of amplifier Je to zdroj elektrické energie pro zesilovač. Thyristor Je to spínací elektronická součástka s charakteristickými vlastnostmi. Triac Je to spínací elektronická součástka s charakteristickými vlastnostmi. Diac Je to spínací elektronická součástka s charakteristickými vlastnostmi. Rectifier with transistor Je to obvod pro usměrňování signálu využívající pro svou funkci vlastností tranzistoru. Microphon amplifier Je to zesilovač určený k zesilování výstupního signálu z mikrofonu. Set of operating point Jedná se o nastavení klidových proudů a napětí na tranzistoru. Stabilization setting of operating Je to zajištění neměnnosti point pracovního bodu v závislosti na teplotě. Field – effect - transistor (FET) Je to unipolární tranzistor řízený elektrickým polem.

233

Otázky: 1. Definujte tranzistor. 2. Nakreslete PNP a NPN tranzistor. 3. Nakreslete náhradní schéma tranzistoru pomocí diod. 4. K čemu slouží chladič? 5. Popište tepelné zatížení tranzistoru. 6. Nakreslete zapojení SE, SC, SB. 7. Nakreslete způsoby napájení báze v zapojení SE. 8. Jakou polaritu mají zdroje u PNP a NPN tranzistorů. 9. Nakreslete Darlingtonovo zapojení a popište využití. 10. Popište zbytkové proudy tranzistoru, jejich měření a využití. 11. Nakreslete obvod pro měření výstupní charakteristiky tranzistoru. 12. Co to je strmost tranzistoru. 13. Nakreslete obvod a proudy tranzistorem, jejich měření a využití vstupní charakteristiky tranzistoru. 14. Nakreslete obvod pro měření vstupního odporu tranzistoru. 15. Jak získáme převodní charakteristiku a k čemu slouží? 16. Nakreslete statické charakteristiky pro obvod v zapojení se SE. 17. Napište vzorec pro αE. 18. Nakreslete obvody pro měření vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru. 19. Nakreslete obvod pro nastavení pracovního bodu tranzistoru. 20. Kdy vzniká saturace a co způsobuje? 21. Popište mezní parametry tranzistorů. 22. Nakreslete obvod ochrany přechodu B-E. 23. Nakreslete obvodové schéma tranzistoru ve spínacím režimu s odporovou, kapacitní a induktivní zátěží. 24. Co vyžadujeme od mikrofonního zesilovače? 25. Napište vzorec a definici pro zesílení zesilovače v dB. 26. Nakreslete blokové schéma zesilovače. 27. Jak se propojují (vážou) jednotlivé stupně zesilovače? 28. Popište konstrukci a parametry mikrofonů. 29. Popište konstrukci a parametry reproduktorů. 30. Nakreslete a popište zapojení tranzistoru jako zesilovače malých střídavých signálů v zapojení SE. 31. Nakreslete a popište zapojení tranzistoru jako zesilovače malých střídavých signálů v zapojení SC. 32. Nakreslete a popište zapojení tranzistoru jako zesilovače malých střídavých signálů v zapojení SB. 33. Nakreslete obvody pro stabilizaci pracovního bodu v zapojení SE a určete, které vzorce při konstrukci potřebujete. 34. Nakreslete a popište stabilizaci přes několik stupňů. 35. Jak lze pro stabilizaci pracovního bodu využít termistor? 36. Popište střídavé parametry tranzistoru. 37. Popište tranzistor odporovými rovnicemi a nakreslete náhradní schéma, definujte r11, r12, r21, r22. 38. Popište tranzistor admitančními rovnicemi a nakreslete náhradní schéma, definujte y11, y12, y21, y22. 39. Popište tranzistor hybridními rovnicemi a nakreslete náhradní schéma, definujte h11, h12, h21, h22. 40. K čemu slouží tabulky jednotlivých převodů r, y, h. 41. K čemu slouží tabulky vzájemného převodu parametrů h pro různá zapojení tranzistoru. 42. Napište vzorec pro frekvenční závislost h21. 43. Nakreslete fyzikální náhradní schéma tranzistoru s napěťovým zdrojem. 44. Co omezuje mezní kmitočet tranzistoru. 45. Definujte napěťové, proudové a výkonové zesílení zesilovače napětí. 234

46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56.

Jak vzniká zkreslení zesilovače? Popište výpočet jednostupňového zesilovače pomocí tabulky T. Jak stanovíte Rgopt. a Rzopt. Jak počítáme kapacity jednostupňového zesilovače. Nakreslete schéma směšovače a popište jeho činnost. Nakreslete schéma budicího zesilovače. Nakreslete schéma korekce hloubek a výšek. Nakreslete schéma ekvalizéru. Nakreslete schéma nastavení hlasitosti. Nakreslete obvodové schéma a popište využití zesilovače ve třídě A, AB, B. Nakreslete a popište výkonové zesilovače s integrovanými obvody.

Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]

DIETMEIER, U. Vzorce pro elektroniku. Praha : BEN, 1999. Kolektiv autorů Dioda, tranzistor a tyristor názorně. Praha : SNTL, 1987. VOBECKÝ, J.; ZÁHLAVA, V. Elektronika součástky a obvody, principy a příklady. Praha : Grada Publishing, 2000. MALINA, V. Poznáváme elektroniku I. České Budějovice : KOOP, 2001. MALINA, V. Poznáváme elektroniku II. České Budějovice : KOOP, 1999. ČERMÁK, J. Kurs polovodičové techniky. Praha : SNTL, 1976. WIRSUM, S. Abeceda NF techniky. Praha : BEN – technická literatura, 2000. UHLÍŘ, J.; KŘČAN, Z. Elektronika. Praha : SNTL, 1985. KOTISA, Z. NF zesilovače I. Praha : Technická literatura BEN, 2001. http://panda.unas.cz/elektronika/akum_nab.htm www.hw.cz www.gme.cz www.sony.cz www.emos.cz www.luke.cz cs.ouc.bc.ca/ve7ouc/eng/ datasheets/LM723/.

235

236

Název: Elektronika I. Autor: Ing. Oldřich Kratochvíl Vydavatel, nositel autorských práv, vyrobil: Evropský polytechnický institut, s.r.o., Osvobození 699, 686 04 Kunovice Náklad: 30 ks Počet stran: 236 Rok vydání: 2007

ISBN 978-80-7314-114-1

ISBN 978-80-7314-114-1

9 788073 141141

Elektronika I ISBN Vydavatel, nositel autorských práv, vyrobil: (C) Evropský polytechnický institut, Ing. Oldřich Kratochvíl

Recommend Documents