Jaroslav Doleèek Moderní uèebnice elektroniky 1. díl Lektor Ing. Jiøí Hozman Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást

Jaroslav Doleèek

MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY

1. díl

Základy elektroniky, ideální a reálné prvky rezistor • kondenzátor • cívka

Praha 2005

Jaroslav Doleèek

Moderní uèebnice elektroniky 1. díl Lektor Ing. Jiøí Hozman

Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Veškerá práva vyhrazena. © Ing. Jaroslav Doleèek, 2005 © Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Jaroslav Doleèek, MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY BEN – technická literatura, Praha 2005

ISBN 80-7300-146-2

STRUÈNÝ OBSAH obsah 1. dílu – Základní pojmy, R, L, C 1

ZÁKLADNÍ ELEKTRICKÉ VELIÈINY A POJMY

2

IDEÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ AKTIVNÍ A PASIVNÍ LINEÁRNÍ PRVKY

3

ODPOROVÉ OBVODY A VÝKONOVÉ PØIZPÙSOBENÍ

4

EKVIVALENCE PASIVNÍCH JEDNOBRANÙ

5

ANALÝZA LINEÁRNÍCH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ

6

SLOŽENÉ JEDNOBRANY OBSAHUJÍCÍ IDEÁLNÍ OBVODOVÉ PRVKY

7

PØENOSOVÉ VLASTNOSTI DVOJBRANÙ

8

REÁLNÉ LINEÁRNÍ SOUÈÁSTKY ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ

9

PØÍLOHA MATICE A DETERMINANT

obsah 2. dílu – Polovodièe a elektronky 1

POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY S JEDNÍM PØECHODEM PN

2

TRANZISTORY A POLOVODIÈOVÉ VÝKONOVÉ A SPÍNACÍ PRVKY

3

ELEKTRONKY

4

POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY BEZ PØECHODU PN

obsah 3. dílu – Optoelektronika 1

O SVÌTLE

2

DIODY LED

3

LASEROVÉ DIODY

4

DETEKTORY SVÌTELNÉHO ZÁØENÍ

5

OPTOELEKTRONICKÉ VAZEBNÍ ÈLENY – OPTRONY

6

ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY – DISPLEJE

7

OBRAZOVÉ SENZORY

8

OPTICKÁ VLÁKNA

PODROBNÝ OBSAH O KNIZE ................................................................ 11 NÌKTERÁ DATA Z HISTORIE ELEKTROTECHNIKY ............................................ 12 1

ZÁKLADNÍ ELEKTRICKÉ VELIÈINY A POJMY .............................................. 15

1.1

Základní velièiny .............................................................................. 16

1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5

Elektrický náboj ............................................................................................. 16 Elektrické pole ............................................................................................... 19 Elektrický proud ............................................................................................ 20 Elektrické napìtí ........................................................................................... 23 Úèinky elektrického proudu ........................................................................... 25

1.2

Elektronický obvod ......................................................................... 29

1.2.1 1.2.1.1 1.2.1.2 1.2.1.3 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2

Elektrický signál ............................................................................................ 30 Charakteristické hodnoty signálù .................................................................. 37 Pravidla znaèení elektrických signálù ........................................................... 38 Vstupní a výstupní signály elektronického obvodu ....................................... 38 Základní pojmy elektronického obvodu ......................................................... 39 Schematické znaèky ..................................................................................... 39 Schéma zapojení .......................................................................................... 39

1.3

Klasifikace elektronických obvodù a jejich prvkù ....................... 42

1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2 1.3.4 1.3.4.1 1.3.4.2 1.3.5

Klasifikace elektronických obvodù z hlediska poètu svorek .......................... 42 Pasivní a aktivní obvody ............................................................................... 43 Pasivní prvky elektronických obvodù, pasivní obvod .................................... 43 Aktivní prvky elektronických obvodù, aktivní obvod ...................................... 43 Ideální prvek elektronického obvodu ............................................................ 44 Charakteristiky jednobranù (dvojpólù) .......................................................... 45 Charakteristiky n-branù ................................................................................. 46 Vliv charakteristik obvodových prvkù na elektrický signál ............................. 46 Lineární S-X charakteristika .......................................................................... 46 Nelineární S-X charakteristika ...................................................................... 47 Parametrické obvodové prvky ....................................................................... 47

2

IDEÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ AKTIVNÍ A PASIVNÍ PRVKY ................................................ 49

2.1

Ideální zdroj napìtí a proudu ......................................................... 50

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4

Ideální nezávislý zdroj napìtí ........................................................................ 50 Ideální nezávislý zdroj proudu ...................................................................... 50 Ideální øízený zdroj napìtí ............................................................................. 51 Ideální øízený zdroj proudu ........................................................................... 52

4

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 1. DÍL

A

2.2

Ideální rezistor ................................................................................. 53

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.3.4

Ideální lineární rezistor .................................................................................. 53 Ideální nelineární rezistor .............................................................................. 56 Statický a dynamický (diferenciální) odpor ................................................... 58 Pracovní bod ................................................................................................. 58 Statický odpor ............................................................................................... 59 Dynamický (diferenciální) odpor ................................................................... 60 Výkon pøemìnìný na odporu o velikosti R na teplo ...................................... 63

2.3

Ideální kondenzátor (kapacitor) ..................................................... 65

2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.6.1 2.3.6.2

Elektrická indukce ......................................................................................... 65 Princip a hlavní vlastnosti ideálního kondenzátoru ....................................... 65 Lineární kondenzátory .................................................................................. 68 Nelineární kondenzátory ............................................................................... 70 Øízený kondenzátor ...................................................................................... 71 Energie akumulovaná v kondenzátoru .......................................................... 72 Silové pùsobení mezi deskami kondenzátoru ............................................... 72 Nabíjení kondenzátoru .................................................................................. 73

2.4

Ideální cívky (induktory) ................................................................. 75

2.4.1 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.2 2.4.3 2.4.3.1 2.4.3.2 2.4.3.3 2.4.4 2.4.4.1 2.4.4.2 2.4.5 2.4.5.1 2.4.5.2 2.4.6 2.4.7 2.4.7.1 2.4.7.2 2.4.7.3 2.4.7.4 2.4.7.5

Magnetické pole ............................................................................................ 75 Intenzita magnetického pole válcové cívky ................................................... 76 Intenzita pole toroidní cívky .......................................................................... 77 Magnetické napìtí ......................................................................................... 77 Charakteristická rovnice cívky ...................................................................... 78 Základní zákony a pravidla vztahující se k cívce v magnetickém poli .......... 79 Faradayùv zákon .......................................................................................... 79 Lencovo pravidlo ........................................................................................... 80 Hopkinsonùv zákon ....................................................................................... 82 Lineární cívka ................................................................................................ 82 Magnetická vodivost (permeance) ................................................................ 83 Vlastní indukènost cívky ................................................................................ 83 Nelineární cívka ............................................................................................ 84 Cívky s jednoduchou nelinearitou ................................................................. 84 Cívky s jádry z feromagnetických látek ......................................................... 85 Parametrické induktory ................................................................................. 87 Vázané cívky ................................................................................................. 88 Vzájemná indukènost .................................................................................... 88 Vzájemná indukènost dvou cívek .................................................................. 88 Energie akumulovaná v cívce ....................................................................... 92 Nabíjení cívky ............................................................................................... 93 Napìtí na vývodech cívky pøi odpojení zdroje .............................................. 94

3

ODPOROVÉ OBVODY A VÝKONOVÉ PØIZPÙSOBENÍ .................................................... 97

3.1

Odporové obvody ............................................................................ 98

3.1.1 3.1.2 3.1.2.1

Základní vlastnosti odporových obvodù ........................................................ 98 Reálné stejnosmìrné zdroje ......................................................................... 98 Model zdroje stejnosmìrného napìtí a zdroje stejnosmìrného proudu ....... 99

3.2

Výkonové pøizpùsobení ................................................................ 101

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 1. DÍL

5

4

EKVIVALENCE PASIVNÍCH JEDNOBRANÙ ........ 105

4.1

Ekvivalence pasivních jednobranù ............................................. 106

4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3 4.1.3 4.1.4

Sériové spojení jednobranù ........................................................................ 106 Sériové spojení rezistorù ............................................................................ 107 Sériové spojení cívek .................................................................................. 107 Sériové spojení kondenzátorù .................................................................... 109 Paralelní spojení jednobranù ...................................................................... 110 Paralelní spojení rezistorù .......................................................................... 110 Paralelní spojení cívek ................................................................................ 111 Paralelní spojení kondenzátorù .................................................................. 113 Sériové spojení nelineárních jednobranù .................................................... 113 Paralelní spojení nelineárních rezistorù ...................................................... 115

4.2

Ekvivalence aktivních jednobranù .............................................. 117

4.2.1 4.2.2

Ekvivalence zdrojù napìtí ........................................................................... 117 Ekvivalence zdrojù proudu .......................................................................... 117

4.3

Ekvivalentní trojpóly ..................................................................... 119

4.3.1 4.3.2

Transfigurace trojúhelník–hvìzda ............................................................... 119 Transfigurace hvìzda–trojúhelník ............................................................... 119

4.4

Vìty o náhradních zdrojích .......................................................... 121

4.4.1 4.4.2

Náhrada zdroje napìtí zdrojem proudu ...................................................... 121 Pøemístìní zdrojù ........................................................................................ 122

5

ANALÝZA LINEÁRNÍCH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ ............................................................. 125

5.1

Théveninova a Nortonova vìta .................................................... 126

5.2

Analýza obvodù metodou Kirchhoffových rovnic ..................... 128

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.3.1 5.2.4 5.2.4.1 5.2.4.2 5.2.4.3

Použité názvosloví ...................................................................................... 129 Výpoèet metodou Kirchhoffových rovnic ..................................................... 130 Metoda smyèkových proudù ....................................................................... 132 Výpoèet smyèkových proudù pomocí odporových matic ............................ 136 Metoda uzlových napìtí .............................................................................. 137 Postup sestavení rovnic pro metodu uzlových napìtí ................................. 137 Použití maticového poètu pro konstrukci rovnic metodou uzlových napìtí ............................................................................ 139 Výpoèet uzlových napìtí pomocí vodivostních matic .................................. 141

5.3

Metoda úmìrných velièin ............................................................. 144

5.4

Metoda superpozice ...................................................................... 146

6

SLOŽENÉ JEDNOBRANY OBSAHUJÍCÍ IDEÁLNÍ OBVODOVÉ PRVKY .............................. 149

6.1

Ideální obvodové prvky v prostøedí støídavého proudu ............ 150

6.1.1 6.1.2 6.1.3

Èinný odpor v prostøedí støídavého proudu ................................................. 150 Ideální kondenzátor v prostøedí støídavého proudu .................................... 151 Ideální cívka v prostøedí støídavého proudu ................................................ 153

6

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 1. DÍL

A

6.2

Impedance a admitance ................................................................ 155

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.4.1 6.2.4.2 6.2.4.3 6.2.4.4

Impedance .................................................................................................. 155 Impedance cívky a kondenzátoru ............................................................... 156 Admitance ................................................................................................... 157 Impedance spojených ideálních pasivních jednobranù .............................. 158 Sériové spojení ideálních pasivních jednobranù ......................................... 158 Paralelní spojení ideálních pasivních jednobranù ....................................... 163 Paralelní spojení cívky, kondenzátoru a rezistoru ....................................... 165 Kombinované spojení obvodových prvkù rozdílného typu .......................... 168

6.3

Duální obvody ................................................................................ 169

7

PØENOSOVÉ VLASTNOSTI DVOJBRANÙ ........... 171

7.1

Nejdùležitìjší vlastnost dvojbranù .............................................. 172

7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.4.1 7.1.4.2 7.1.4.3 7.1.4.4 7.1.4.5 7.1.5 7.1.5.1 7.1.5.2 7.1.5.3 7.1.5.4

Hlavní funkce dvojbranù ............................................................................. 172 Charakteristické rovnice dvojbranu ............................................................. 175 Charakteristiky dvojbranu ........................................................................... 175 Ètyøpólové parametry dvojbranu ................................................................. 176 Statické a dynamické parametry dvojbranu ................................................ 177 Model vstupu a výstupu dvojbranu ............................................................. 178 Impedanèní parametry dvojbranu (Z parametry) ........................................ 179 Admitanèní parametry dvojbranu ................................................................ 181 Hybridní (smíšené) parametry dvojbranu .................................................... 183 Ètyøpólové parametry øízených zdrojù napìtí a proudù .............................. 185 Ideální proudem øízený zdroj napìtí ........................................................... 185 Ideální proudem øízený zdroj proudu .......................................................... 186 Ideální zdroj napìtí øízený napìtím ............................................................. 186 Ideální napìtím øízený zdroj proudu ........................................................... 187

7.2

Rozdìlení dvojbranu na více èástí .............................................. 187

7.2.1

Vzájemné ovlivòování propojených dvojbranù ............................................ 188

8

REÁLNÉ LINEÁRNÍ SOUÈÁSTKY ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ ............................. 191

8.1

Úvod ................................................................................................ 192

8.1.1 8.1.2

Normalizované øady pasivních souèástek ................................................... 192 Parametry a charakteristiky pasivních souèástek ....................................... 193

8.2

Reálné rezistory ............................................................................. 194

8.2.1 8.2.1.1 8.2.1.2 8.2.1.3 8.2.1.4 8.2.1.5 8.2.1.6 8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3

Dùležité vlastnosti reálných rezistorù .......................................................... 194 Model reálného rezistoru ............................................................................ 194 Rezistivita a teplotní souèinitel odporu ........................................................ 195 Kmitoètová závislost rezistorù ..................................................................... 195 Povrchový jev (skin efekt) ........................................................................... 197 Tepelné úèinky proudu ................................................................................ 198 Tepelný šum rezistorù ................................................................................. 198 Dùležité parametry rezistorù ....................................................................... 199 Mezní parametry rezistorù .......................................................................... 199 Charakteristické (provozní) parametry rezistorù ......................................... 200 Nìkteré další uvádìné parametry rezistorù ................................................ 200

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 1. DÍL

7

8.2.3 8.2.4 8.2.4.1 8.2.4.2 8.2.4.3

Rozdìlení a druhy rezistorù ........................................................................ 201 Konstrukce rezistorù, odporové materiály ................................................... 202 Rezistory pro klasickou montហ.................................................................. 203 Rezistory pro povrchovou montហ(rezistory SMD) .................................... 210 Speciální typy rezistorù ............................................................................... 215

8.3

Kondenzátory ................................................................................. 220

8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.1.3 8.3.1.4 8.3.1.5 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.2.4 8.3.2.5 8.3.2.6 8.3.2.7 8.3.2.8

Vlastnosti reálných kondenzátorù ............................................................... 220 Model reálného kondenzátoru .................................................................... 220 Èinitel jakosti kondenzátoru Q a ztrátový èinitel tgd ................................... 222 Impedance kondenzátoru ........................................................................... 224 Mezní parametry kondenzátorù .................................................................. 225 Provozní parametry kondenzátorù .............................................................. 226 Hlavní typy kondenzátorù z hlediska použitého dielektrika ......................... 226 Kondenzátory vzduchové ............................................................................ 227 Kondenzátory s papírovým dielektrikem ..................................................... 228 Kondenzátory s dielektrikem z plastù ......................................................... 229 Keramické kondenzátory ............................................................................ 236 Slídové kondenzátory ................................................................................. 241 Kondenzátory se sklenìným dielektrikem ................................................... 242 Elektrolytické kondenzátory ........................................................................ 243 Køemíkové kondenzátory ............................................................................ 254

8.4

Promìnné lineární rezistory a kondenzátory ............................. 258

8.4.1 8.4.1.1 8.4.1.2 8.4.1.3 8.4.2 8.4.2.1 8.4.2.2 8.4.2.3 8.4.2.4

Promìnné lineární rezistory ........................................................................ 258 Dùležité elektrické parametry potenciometrù a odporových trimrù ............. 261 Typy odporových drah promìnných rezistorù ............................................. 263 Provedení potenciometrù a odporových trimrù ........................................... 265 Promìnné lineární kondenzátory ................................................................ 270 Ladicí kondenzátory .................................................................................... 270 Kapacitní trimry ........................................................................................... 271 Hlavní parametry promìnných kondenzátorù ............................................. 273 Nové smìry ve vývoji kapacitních trimrù ..................................................... 273

8.5

Induktory (indukèní cívky) ............................................................ 276

8.5.1 8.5.1.1 8.5.1.2 8.5.1.3 8.5.1.4 8.5.1.5 8.5.1.6 8.5.1.7 8.5.1.8 8.5.1.9 8.5.2 8.5.3 8.5.3.1 8.5.3.2 8.5.3.3

Vlastnosti reálných cívek ............................................................................ 276 Náhradní zapojení (model) cívky ................................................................ 276 Výpoèet indukènosti cívky ........................................................................... 277 Reálná cívka v obvodu stejnosmìrného proudu ......................................... 278 Reálná cívka v obvodu støídavého proudu, impedance cívky ..................... 278 Èinitel jakosti cívky ...................................................................................... 279 Teplotní závislost indukènosti cívky ............................................................ 280 Další faktory, které ovlivòují vlastnosti cívky ............................................... 281 Ztráty v cívce ............................................................................................... 283 Nejdùležitìjší parametry cívek .................................................................... 284 Materiály používané pro jádra cívek ........................................................... 285 Konstrukce indukèních cívek ...................................................................... 290 Cívky pro klasickou montហ........................................................................ 290 Cívky pro povrchovou montហ.................................................................... 293 Návrh cívky s feritovým jádrem ................................................................... 295

8

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 1. DÍL

A

8.6

Transformátory .............................................................................. 299

8.6.1 8.6.2 8.6.2.1 8.6.3 8.6.3.1 8.6.3.2 8.6.3.3 8.6.3.4 8.6.4 8.6.4.1 8.6.4.2

Co to je a k èemu slouží transformátor ....................................................... 299 Ideální transformátor ................................................................................... 299 Pøevod transformátoru p ............................................................................. 300 Reálný transformátor .................................................................................. 304 Hlavní parametry transformátoru ................................................................ 304 Ztráty v reálném transformátoru .................................................................. 305 Volba materiálu jádra pro nìkteré typy transformátorù ............................... 309 Vodièe pro vinutí cívek transformátorù ........................................................ 310 Návrh síového transformátoru ................................................................... 311 Postup návrhu transformátoru .................................................................... 311 Pøíklad zjednodušeného návrhu síového transformátoru s EI jádrem ....... 312

8.7

Cívky s feromagnetickým jádrem ................................................ 318

8.7.1 8.7.2

Magnetický obvod ....................................................................................... 318 Použití cívek s feromagnetickým jádrem .................................................... 319

DODATEK MATICE A DETERMINANT ................. 323 INFORMAÈNÍ ZDROJE ........................................ 330 ODBORNÉ KNIHY A LITERATURA, ÈLÁNKY ...... 332 REJSTØÍK ........................................................... 333 KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN – TECHNICKÁ LITERATURA ...................................................... 339 KONTAKTY NA PRODEJNY TECHNICKÉ LITERATURY .................................. 343

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 1. DÍL

9