MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA

Bakalářská práce

Brno 2006

-0-

Zdeněk Brabec

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA

KATEDRA DIDAKTICKÝCH TECHNOLOGIÍ

Návrh souboru výukových prací pro obor Mechanik elektrotechnických zařízení Bakalářská práce

Brno 2006

Vedoucí bakalářské práce:

Vypracoval:

Ing. Miroslav Čadílek

Zdeněk Brabec

-1-

Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Miroslavu Čadílkovi za pomoc a cenné rady při realizaci této práce a všem ostatním, kteří mě trpělivě podporovali.

-2-

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a použil jen prameny

uvedené v seznamu literatury.

Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně

Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům.

............. podpis

-3-

NÁVRH SOUBORU VÝUKOVÝCH PRACÍ PRO OBOR MECHANIK ELEKTROTECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ

OBSAH Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1. TEORETICKÁ ČÁST. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1. 1 Vyučování odborných předmětů. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. 2 Vyučovací proces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1. 2. 1 Pojem a podstata vyučovacího procesu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1. 2. 2 Didaktické funkce a etapy vyučovacího procesu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1. 3 Didaktické zásady. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1. 4 Vyučovací metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

1. 4. 1 Metody slovní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1. 4. 2 Metody názorně demonstrační . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

1. 5 Didaktická technika a učební pomůcky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1. 5. 1 Didaktická technika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1. 5. 2 Učební pomůcky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

1. 6 Polovodičové součástky používané v elektronice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

1. 6. 1 Polovodičové materiály . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1. 6. 2 Polovodiče bez přechodu PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

1. 6. 3 Diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1. 6. 4 Tranzistory bipolární . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1. 6. 5 Tyristory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

1. 6. 6 Triak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

1. 6. 7 Diak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1. 6. 8 Integrované obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2. PRAKTICKÁ ČÁST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2. 1 Vyučování odborného výcviku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 2. 2 Cíle, obsah a prostředky odborného výcviku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

2. 2. 1 Pedagogické cíle odborného výcviku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 -4-

2. 2. 2 Obsah odborného výcviku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2. 2. 3 Prostředky odborného výcviku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

2. 2. 3. 1 Materiální prostředky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 2. 2. 3. 2 Nemateriální prostředky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2. 3 Soubor výukových prací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 2. 3. 1 Úlohy s diodou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 2. 3. 2 Úlohy s tranzistorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2. 3. 3 Úlohy s fotoodporem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2. 3. 4 Úlohy s tyristorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2. 3. 5 Úlohy s diakem a triakem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

2. 3. 6 Úlohy s integrovaným obvodem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2. 3. 7 Kontrolní práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

Závěr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 Seznam použité literatury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

-5-

Úvod Elektrotechnika má velký význam ve všech odvětvích národního hospodářství. V současné době neexistuje oblast lidské činnosti, ve které by se nepoužívaly

elektronické součástky, obvody nebo celá zařízení. Běžně se setkáváme především

s výrobky spotřební elektroniky. Velký význam má ale elektronika hlavně pro průmysl, výpočetní a automatizační techniku, lékařství, školství, armádu, kosmonautiku a další

obory. S výukou elektroniky se proto setkáváme ve všech elektrotechnických studijních oborech.

Ze svých zkušeností s výukou mladých elektromontérů a elektromechaniků vím, jaký mají k elektronice vztah. Někdy lze hovořit až o panickém strachu ze všeho co jen trochu připomíná tzv. slaboproud. Doba, kdy se elektromontér při své práci

z elektronickými součástkami nesetkal, je nenávratně pryč. Pokud zmíním třeba jen velmi úzký okruh elektrotechnických prací jakými jsou provedení elektroinstalace v rodinném domě, setkáme se s elektronickými součástkami prakticky na každém

kroku. Elektronické obvody jsou součástí různých spínačů, regulátorů jasu osvětlení, časových spínačů, řídících obvodů vytápění, dálkových ovladačů, jistících prvků,

elektronická zařízení hlídají výšku hladiny ve zdroji pitné vody atd. Příkladů by bylo jistě ještě mnoho.

Cílem mé práce je zbavit podvědomého strachu tzv. silnoproudaře z elektroniky. Zbavit je předsudků, že tato zařízení jsou vlastně hrozně složitá a tudíž jim přece nikdy nemohou rozumět. Chci jim přístupnou formou přiblížit princip funkce a užití

polovodičových součástek používaných v elektrotechnice. Vytvořit ucelený soubor informací k dané problematice tak, aby si žáci vědomosti získané v teoretickém

odborném předmětu mohli ihned ověřit v praxi na konkrétním popsaném zapojení. Teoretická část mé práce má sloužit jako návod pro přípravy učitele na vyučovací

hodinu odborného předmětu. V praktické části jsou pak popsána jednotlivá zapojení pro ověření teoretických znalostí žáků.

-6-

1. TEORETICKÁ ČÁST 1. 1 Vyučování odborných předmětů V současné době se naše střední odborné školství potýká s problémem, kterým je nedostatek učitelů odborných předmětů. Situace většinou vypadá tak, že odborné

předměty, a zvláště pak ty technické, učí ne zcela kvalifikovaní učitelé. Mladí inženýři se do školství zrovna nehrnou. Nutnost doplnit si ještě pedagogické vzdělání a realita výšky nástupního platu tyto lidi žene spíše do jiného sektoru. Ředitelé středních škol jsou potom vděčni i za inženýra, který již před několika lety překročil hranici

důchodového věku. K řešení situace by měla přispět myšlenka, která se mně osobně

velmi zamlouvá, a s kterou přišli před několika lety kompetentní lidé připravující naše budoucí pedagogy. Na středních odborných učilištích jsou přece pedagogičtí

pracovníci, kteří jsou vyučení v oboru a tudíž své práci rozumí a mají bohaté praktické zkušenosti. Po doplnění vzdělání na vysoké škole bude moci „mistr odborného

výcviku“ učit odborný předmět, který přímo souvisí s jeho výukou. Na teoretické

znalosti žáků bude pak přímo navazovat praktická činnost v odborných dílnách. Tímto se vyřeší i problémy vnitropředmětových a mezipředmětových vztahů.

Než se začnu věnovat problematice polovodičových součástek, chtěl bych se zmínit o vlastním teoretickém vyučování.

1. 2 Vyučovací proces 1. 2. 1 Pojem a podstata vyučovacího procesu Vyučovací proces lze charakterizovat jako záměrné, cílevědomé, soustavné a racionální řízení učebních aktivit žáků, směřující k dosažení stanovených výchovně vzdělávacích cílů, tj. k osvojení soustavy vědomostí a dovedností, k rozvoji duševních a tělesných

schopností a utváření osobnosti žáka (Nelešovská, Spáčilová, Didaktika II., 1995,s.34). Nejedná se jen o prosté předávání vědomostí a dovedností, ale jde o složitý sociální proces podmíněný mnoha faktory.

-7-

Vyučovací proces je procesem vzájemného působení mezi učitelem a žákem. Tyto

vztahy jsou závislé na osobnosti každého jednotlivce a mohou průběh poznávacího procesu značně ovlivňovat.

Činnost učitele odborných předmětů, zejména jeho řídící činnost spočívá především

v navozování a usměrňování učebních aktivit žáků, které realizuje v průběhu přípravné, realizační, kontrolní a hodnotící fáze vyučovacího procesu. Učitel vychází ze zjištěné vědomostní úrovně žáků, provádí tzv. činnost diagnostickou a na základě tohoto

zjištění volí vhodné metody, organizační formy a prostředky výuky, kterými dosáhne stanoveného vzdělávacího cíle.

Činnost žáků spočívá v aktivním osvojování vědomostí a dovedností a formování

jejich schopností, vlastností, zájmů, citů, motivů, vůle, chování, jednání apod. Žáci ve vyučovacím procesu nepřijímají jen pasivně předkládané učivo, ale stávají se

subjektem, který aktivně reaguje ne předkládané poznatky a činnosti, postupně si je

osvojuje a rozvíjí. Z tohoto aspektu je činnost žáků ve vyučovacím procesu chápána

jako systém jejich aktivních a cílevědomých úkonů, během nichž prostřednictvím učiva tvůrčím způsobem poznávají předměty a jevy objektivní skutečnosti (Nelešovská, Spáčilová, Didaktika II.,1995,s.35).

1. 2. 2 Didaktické funkce a etapy vyučovacího procesu Vyučovací proces je charakterizován jako dialektický vztah mezi učitelem, žákem a

učivem, přičemž činnost učitele a žáka ve vyučování podléhá určitým zákonitostem a prochází životními vyučovacími etapami. To znamená, že v jednotlivých momentech

vyučování vstupují do popředí základní úkoly, které jsou v daném okamžiku stěžejní. Hovoříme pak o tzv. didaktických funkcích vyučovacího procesu. Každá z těchto

funkcí má své těžiště v příslušné etapě, když ve vzájemné jednotě z dalšími funkcemi určují průběh celého vyučování. Základními funkcemi vyučovacího procesu jsou: •

informativní funkce – zprostředkovává informace žákům

•

instrumentální funkce – osvojené vědomosti a dovednosti se stávají nástroji

•

formativní funkce – formuje osobnost žáka (instrumenty) dalších učebních činností

-8-

•

integrující funkce – organicky spojuje všechny uvedené funkce (Nelešovská, Spáčilová, Didaktika II., 1995, s.43)

Etapy vyučovacího procesu •

• •

•

motivační etapa – zabývá se přípravou žáků k osvojení učiva

expoziční etapa – je zaměřena k vytváření a osvojování vědomostí a dovedností

fixační etapa – k upevňování a prohlubování osvojeného učiva verifikační etapa – k ověřování vědomostí a dovedností žáků

O správnost a užitečnosti osvojeného učiva se žáci přesvědčí při využívání osvojených vědomostí a dovedností v praxi, při řešení konkrétních technických úkolů.

1. 3 Didaktické zásady V průběhu historického vývoje byla formulována určitá pravidla, normy či požadavky, jejichž dodržování ovlivňuje úspěšnost výchovně vzdělávacího procesu. Pro vyjádření těchto obecných požadavků se v didaktické teorii ustálil pojem didaktické zásady

(principy). Jsou to nejen výsledky pedagogického zkoumání, ale zobecněné poznatky a zkušenosti mnohých pedagogů. Specifickou zvláštností didaktických zásad je, že se týkají všech etap vyučovacího procesu, všech metod a forem výchovně vzdělávací

činnosti. Mají v podstatě univerzální platnost v rámci celého didaktického procesu. Ve své podstatě představují systém vědecky zdůvodněných požadavků, pravidel procesů výuky a vymezují jeho obsah. Tradiční soustava didaktických zásad, která je

v současné didaktice uváděna nejčastěji a má úzkou spojitost s výukou odborných předmětů je tato: •

zásada názornosti

•

zásada soustavnosti

•

•

•

zásada uvědomělosti a aktivity přiměřenosti

zásada trvalosti -9-

Vedle těchto tradičních didaktických zásad bývají dále uváděny zásady např.: •

zásada vědeckosti

•

zásada zpětné vazby

•

•

zásada spojení teorie s praxí zásada komplexního rozvoje osobnosti žáka

Zásada názornosti Vede k tomu, aby si žáci vytvářeli technické představy na základě smyslového poznání skutečných předmětů, procesů a jevů, pokud možno bezprostředně, přímo nebo

alespoň v jejich názorném zobrazení. Názorné vyučování umožňuje využívat již osvojené poznatky žáků, vede je k aktivitě, vzbuzuje u nich pozornost a dokonalé zapamatování si předkládaného učiva. Zásada uvědomělosti a aktivity Tato zásada je příznačná pro osvojování vědomostí nebo dovedností a předpokládá

vytvoření aktivního a kladného vztahu k učení. Vědomosti a dovednosti žáků musí být

výsledkem jejich samostatného myšlení, za přímé řídící účasti učitele. Uplatnění zásady uvědomělosti předpokládá aktivitu celé žákovy osobnosti, tj. nejen stránky rozumové, ale i citové a volní. Aktivitu nejlépe učitel zajistí tím, když do vyučování zapojí

samotného žáka například zadáním samostatné práce učně. Tím učitel docílí toho, že se žák naučí samostatně pracovat s technickou literaturou, využívat vědomostí z jiných vyučovacích předmětů a aplikovat je k řešení daného odborného úkolu. Kritérium

aktivity a uvědomělého osvojení poznatků je tedy jejich praktická aplikace a uplatnění v praxi.

Zásada soustavnosti Zásada soustavnosti vyjadřuje požadavek podávat základy věd v pevném a logickém

uspořádání a postupně řídit učení žáků ták, aby si osvojovali vědomosti a dovednosti v ucelené soustavě (Pešek Z.a kol.,Didaktika, 1964,s.16). Žák si postupně vytváří

představy, pojmy, poznává zákonitosti, pravidla a nakonec získává ucelenou soustavu - 10 -

poznatků. Tato zásada vyžaduje, aby se nové poznatky opíraly o vědomosti již dříve

osvojené, aby tvořily určitou základnu pro pomyslnou „nadstavbu“ rozšiřujícího učiva.

V odborných předmětech vzniká požadavek přizpůsobit obsah i rozsah učiva s ohledem na schopnost a vyspělost žákům. Z toho důvodu je nutné rozlišovat učivo základní tj.

nejpodstatnější, které by měli zvládnout všichni žáci a učivo rozšiřující, nadstavbové, doplňkové, které může být požadováno okrajově jen u nejlepších žáků. Zásada přiměřenosti Přiměřenost učiva vyjadřuje požadavek, aby obsah a rozsah učiva, jeho obtížnost a způsob vyučování odpovídaly duševní a tělesné vyspělosti a předběžným znalostem žáků. Při uplatňování zásady přiměřenosti je nutné dodržet osvědčený postup.

Postupovat od lehčího k těžšímu, od jednoduchého ke složitějšímu a od blízkého ke vzdálenému. Didaktická zásada přiměřenosti dále vyžaduje, aby obsah a rozsah učiva

v odborných předmětech, jeho obtížnost, použité vyučovací metody a formy

odpovídaly věkovým zvláštnostem a stupni rozumového vývoje žáků a navazovaly na jejich odborné poznatky, které si již dříve osvojili. Hlavním požadavkem je, aby žáci odborné učivo pochopili a zvládli na požadované úrovni a dovednosti dostatečně procvičili.

Zásada trvalosti Tato didaktická zásada zdůrazňuje takové působení na žáky, aby osvojené vědomosti a dovednosti byly trvale zapamatovány. Trvalými vědomostmi jsou ty, které si žáci

uchovávají v paměti a na jejich základě pak vytváří poznatky nové. Předpokladem této zásady je názorné předkládání učiva žákům, jeho aktivní vnímání a důsledné

opakování a procvičování. Spojení teoretických poznatků s praktickými výrazně

přispívá k jejich upevnění. Je-li učivo zvládnuté logicky, tedy naučené s porozuměním,

pamatuje se lépe než učivo mechanicky osvojené. Nejvýznamnějším předpokladem zásady trvalosti je zájem a snaha se učit. Zásada vědeckosti Zásada vědeckosti znamená použití vědy jako zdroje systému faktů, pojmů a - 11 -

zákonitostí, které jsou předkládány žákům ve vyučování v rámci odborných předmětů. Rozvoj technických věd klade na učitele značné požadavky zejména na sledování

vývoje techniky i na jeho soustavné vzdělávání. Tím může žákům předávat skutečně

vědecké poznatky a vytvářet u nich základy správného technického myšlení. Neméně

důležité je naučit žáky pracovat s odbornou literaturou a časopisy, které jim napomáhají sledovat vývoj techniky zvoleného oboru. Zásada spojení teorie s praxí Jedná se o zásadu, která především vyžaduje, aby žáci získané nové vědomosti a

dovednosti v odborných předmětech mohli včas a na odpovídající úrovni uplatnit v praxi.

Zásada zpětné vazby Tato zásada platí pro každou lidskou činnost, tedy i pro práci učitele a žáka. Při

vyučovacím procesu má učitel neustálý kontakt se žáky a vhodnými způsoby se

informuje o tom, zda žáci rozumí jeho výkladu, zda konají požadované činnosti a

jakých výsledků dosahují. Učitel, který má tyto informace k dispozici, může změnit tempo výkladu, vyučovací metodu, popřípadě se vrátit k nepochopené nebo obtížné části učiva. Obdobně žáci by měli být průběžně informováni o tom, zda postupují a

pracují správně a efektivně. Jedná se o neustálou výměnu informací mezi učitelem a žákem.

Zásada komplexního rozvoje osobnosti žáka Jedná se o rozvoj tří základních složek osobnosti žáka tj. poznávací, postojové a

psychomotorické. Učitel při didaktické analýze učiva musí dokázat vystihnout jeho

hodnotu a stanovit si odpovídající výukové cíle vzhledem ke komplexnímu rozvoji osobnosti žáka.

- 12 -

1. 4 Vyučovací metody Vyučovací metodou rozumíme cílevědomý, promyšlený postup, kterého učitel při výuce používá za účelem dosažení stanoveného výchovně vzdělávacího cíle.

Vyučovací metody používané v odborných předmětech lze chápat z hlediska forem nebo z hlediska prostředků. Máme – li na mysli průběh vyučování, jsou metody

formou, v niž se podává obsah vzdělání a výchovy, máme – li na mysli vzdělávací cíl, po tom příslušné metody slouží jako prostředek práce učitele se žáky za účelem jeho splnění.

Vyučovací metody v odborných předmětech učitel volí tak, aby respektoval zákonitosti vyučovacího procesu a současně, aby vyučování bylo vedeno v tom smyslu, že žáci nepřijímají jen hotové vědomosti, ale naopak aby pracovali samostatně a pokud to

obsah učiva umožňuje, sami poznávali a objevovali nové souvislosti a možnosti využití vlastních získaných poznatků.

Protože vyučovacích metod je celá řada a navzájem se prolínají, uvedu zde jen základní rozdělení. Jsou to: •

Metody z hlediska pramene poznání

•

Metody z hlediska myšlenkových operací

Metody z hlediska aktivity

•

Metody z hlediska fází (etap) vyučovacího procesu

•

Metody z hlediska vyučovacích forem a prostředků

•

Metody programovaného učení

•

Blíže bych se věnoval pouze metodám z hlediska pramene poznání a to jen těm, které je

vhodné využít pro náš případ osvojení si učiva o polovodičových součástkách. Metody z hlediska pramene poznání dělíme na: •

Metody slovní - monologické metody (přednáška, vyprávění, vysvětlování, instruktáž)

- dialogické metody (rozhovor, diskuze, dramatizace)

- metody písemných prací

- metody práce s učebnicí a knihou - 13 -

•

Metody názorně demonstrační - pozorování

•

Metody praktické - nácvik pohybových a praktických dovedností

- předvádění

- žákovské pokusy a jiné laboratorní pokusy - grafické a výtvarné práce

Metody z hlediska pramene poznání 1. 4. 1 Metody slovní Metody slovní se v odborných předmětech často používají, jsou ze všech vyučovacích metod nejdůležitější, protože mluvené slovo v určité formě ostatní metody doplňuje. Mluvené slovo má svůj obsah, se kterým učitel seznamuje žáky z oblasti

společenských, přírodních nebo technických věd a formu směřující k zapamatování

nových informací a k upevnění již osvojených vědomostí.

Je třeba si uvědomit, že mluvené slovo při jeho rozhodující úloze v poznávacím

procesu, je nutno spojovat se smyslovým vnímáním a praktickou činností, aby nedošlo k pouhému verbalismu a formalismu. Monologické metody Vysvětlování

Vysvětlováni je takové zprostředkování a objasňování učiva, předmětů a jevů, které

vede k pochopení příčin, souvislostí a podstaty zkoumaného jevu. Při vysvětlování se

učitel soustřeďuje na výklad pojmů, pravidel, zákonů, vede žáky k tomu, aby správně používali úsudků a důkazů. Musí být se žáky v neustálém kontaktu, reaguje na jejich dotazy a připomínky, obrací se na ně s otázkami, aby kontroloval do jaké hloubky a v jakém rozsahu žáci nové učivo pochopili.

Součástí vysvětlování bývá často popis. Další součástí této metody je dokazování, které má své opodstatnění nejen v matematice, fyzice, ale také v odborných předmětech.

- 14 -

Vysvětlování, popis a důkaz patří k velmi používaným vyučovacím metodám

v odborných, přírodovědných i společensko – vědných předmětech, neboť žákům s porozuměním umožňuje osvojit si požadované vědomosti a dovednosti a ve své

podstatě důsledně přispívá k rozvoji jejich myšlení. Metodické zvládnutí techniky

vysvětlování patří k základním učitelským dovednostem, jimiž se v podstatě a zřetelně odlišuje pedagogické interpretace od vědecké. Dialogické metody Rozhovor

Charakteristickým znakem metody rozhovoru je souvislé a tématicky návazné střídání otázek a odpovědí mezi učitelem a žákem. Na rozdíl od monologických metod, při

nichž hovoří jedinec, podílí se aktivně na rozhovoru nejméně dva účastníci. Účinnost

této metody v odborných předmětech spočívá v dokonalém řízení rozhovoru učitelem a v aktivní účasti všech žáků.

V odborných předmětech se zpravidla používají čtyři základní druhy rozhovoru: •

rozhovor jako vyučovací metoda při němž jsou žákům sdělovány nové

•

rozhovor zaměřený na upevňování získaných vědomostí

•

•

poznatky

rozhovor zaměřený k hodnocení žáků

rozhovor zaměřený k opakování a upevňování nového učiva

Rozhovor, při němž jsou sledovány nové poznatky se uplatňuje tehdy, může-li se

učitel opřít o znalosti žáků, popř. o jejich praktické zkušenosti, což se velmi často používá v odborných předmětech.

Rozhovor, při něm učitel sděluje žákům nové poznatky může být buď: •

•

induktivní – od známých poznatků k obecným závěrům

deduktivní – od obecné poučky k jednotlivým příkladům

Rozhovor zaměřený k upevňování vědomostí se uplatňuje ihned po výkladu nového učiva, popřípadě v hodině následující, kdy si žáci učivo upevnili formou samostudia

nebo vypracováním domácího úkolu.

- 15 -

Rozhovor zaměřený k hodnocení žáků se provádí za účelem prověření a upevnění

vědomostí žáků. V případě, že učitel zjistí v určité fázi učiva neznalosti, musí tuto část znovu žákům zopakovat a objasnit.

Při kontrolním rozhovoru je vhodné klást krátké, přesné a jasné otázky, které nemusí být v logickém sledu jak bylo učivo vysvětlováno, ale naopak musí žáka nutit

k přemýšlení. Doporučuje se, aby při použití metody rozhovoru měl učitel předem přichystány otázky a při opakování učiva se nezdržoval s jejich vymýšlením. Metody písemných prací Metody písemných prací představují písemné projevy žáků, zaměřené na osvojování nových vědomostí, opakování, procvičování učiva a na prověřování získaných vědomostí a dovedností.

V odborných předmětech mají metody písemných prací mimořádný význam, protože mluvené slovo učitele je doplňováno zápisem nebo nákresem na tabuli.

Zvláště výhodné jsou domácí práce, kde mohou žáci samostatně nebo v menších

skupinkách řešit úkoly technického charakteru, které doplňují a rozšiřují probrané učivo. Jedná se zejména o výkresovou dokumentaci doplněnou výpočtem,

v elektrotechnických předmětech o zpracování a vyhodnocení naměřených hodnot apod. Velmi důležitá je jejich důsledná kontrola a hodnocení, přičemž je nutné upozornit žáky na chyby, kterých se při samostatné práci dopustili.

Písemných prací se úspěšně využívá k prověřování a klasifikaci žákovských

vědomostí. Jejich výhodou je, že všichni žáci mají stejně náročné otázky, takže učitel získá přehled, jak žáci prověřované učivo zvládli. Metody práce s učebnicí a knihou V odborných předmětech se musí žák naučit využívat především učebnic, odborných příruček, tabulek, norem a zvládnout orientaci v uvedené odborné literatuře.

Při práci s učebnicí a odbornou literaturou je nutné dodržovat určité metodické pokyny: •

vyhledat v textu hlavní myšlenky, které vyjadřují podstatu učiva, jeho jádro a zvýraznit je,

- 16 -

•

samostatně pronikat do smyslu studovaného textu a vytvářet si vzájemnou

•

studovat uvědoměle s porozuměním a se soustředěnou pozorností,

• •

souvislost již s osvojenými znalostmi z jiných předmětů,

obrazové přílohy, diagramy, schémata nebo výkresy studovat společně s učebním textem,

je-li učivo příliš rozsáhlé, je vhodné vypracovat si přehledné výpisky.

Při výkladu nového učiva sledují žáci učební text v učebnici, vyznačují si důležité

poznatky, popřípadě si do učebnice nebo učebního textu zapisují poznámky, které tam nejsou uvedeny. Je vhodné si při studiu vypsat do poznámkového sešitu stručné a

přehledné výpisky, popřípadě schématické nákresy. V odborných předmětech žáci

velmi často pracují s časopisy, které mnohdy doplňují chybějící moderní poznatky,

které v učebnici nejsou uvedeny.

1. 4. 2 Metody názorně demonstrační Názorně demonstračními metodami označujeme ty vyučovací metody, které umožňují na základě přímého pozorování předváděného předmětu nebo jevu, bezprostředně

poznávat jeho vlastnosti, skutečnosti či zákonitosti. Tyto metody zabezpečují, aby žáci získali pravdivé poznatky, které se opírají o přímé poznání skutečnosti. V procesu

osvojování nových poznatků se používá názorně demonstračních metod zejména u skutečných předmětů, různých modelů, obrazů nebo symbolického zobrazení (technický nákres, schéma aj.). Pozorování Pozorování můžeme definovat jako záměrné, účelné a cílevědomé vnímání konkrétních věcí nebo jevů žáky,za účelem fixace vědomostí a dovedností, které si pozorováním

osvojují. Pozorování se stává vyučovací metodou tehdy, je-li cílevědomě a promyšleně řízeno učitelem a uvědoměle prováděno žáky při smyslovém poznávání skutečností.

Metoda pozorování plní ve vyučování dvojí funkci. Předně umožňuje žákům seznámit se s fakty a tím si vytvořit dostatečnou zásobu konkrétních představ jako předpoklad - 17 -

pro jejich další poznávací činnost. Druhá funkce je zaměřena na ověřování platnosti

závěrů a pouček k nimž žáci docházejí prostřednictvím výkladu učitele, nebo při práci s učebnicí a literaturou. Předvádění Převažující aktivita učitele při metodě předvádění spočívá v tom, že demonstruje

žákům pomocí názorných pomůcek, a to přímo v učebně, nové poznatky. Přestože s metodou pozorování se značně překrývá a doplňuje, odlišují se zejména svým

funkčním zaměřením. Zatímco při pozorování se většinou jedná o vytváření celkových představ a pojmů, u předvádění je pozornost žáků plánovitě a cílevědomě vedena k detailní analýze předváděného předmětu nebo jevu.

V technických předmětech se učitel většinou zaměřuje na předvádění skutečných

předmětů, obrazů nebo používá symbolického zobrazení v podobě technického nebo schematického nákresu kresleného na tabuli.

Velmi důležitou roli při použití metody předvádění hrají materiální didaktické

prostředky jako jsou diapozitivy, zvukové nahrávky apod., které vhodnou formou doplňují mluvené slovo učitele.

Při předvádění musí učitel dodržovat správný didaktický postup: •

• •

• •

•

předkládat předměty co největšímu počtu smyslů,

na předvádění se musí učitel co nejlépe připravit a zajistit funkčnost všech přístrojů,

celkové předvádění je třeba rozložit na jednodušší prvky,

předváděný předmět musí být dostatečně veliký, ve třídě vhodně umístěný nebo učitelem správně předváděný,

do předvádění je vhodné zapojit žáky, čímž zvýší jejich aktivitu,

bezcenné je předvádění předmětů na začátku výkladu, protože žáci pak výkladu nevěnují dostatečnou pozornost.

- 18 -

1. 5 Didaktická technika a učební pomůcky K efektivně řízenému výchovně-vzdělávacímu procesu v odborných předmětech

významně přispívá i materiálně technická základna, kterou chápeme jako soubor

materiálních prostředků určených k výuce a která slouží jako doplňující prostředek

k dosažení stanovených výukových cílů. Můžeme ji chápat jako soubor materiálních

prostředků určených k výuce. Jsou to zejména učební pomůcky, didaktická technika, výukové prostory a speciální zařízení školy apod.

Funkce didaktické techniky a učebních pomůcek vyplívá ze skutečnosti, že člověk

získává 80% informací zrakem, 12% informací sluchem, 5% informací hmatem a 3% ostatními smysly.

Tvůrčím způsobem aplikovaná názornost ve výuce odborných předmětů zvyšuje zájem žáků o odbornou výuku, rozvíjí pozornost a aktivitu a přispívá k trvalému osvojení

učiva. Nedodržením této zásady vede k formálním vědomostem projevující se u žáků v nedostatečné schopnosti aplikovat teoretické vědomosti v praxi. 1. 5. 1 Didaktická technika

Didaktickou technikou rozumíme např. školní tabuli, magnetofon, zpětný projektor, dataprojektor apod.

1. 5. 2 Učební pomůcky

Učební pomůckou je např. obraz na filmovém plátně, nákres na tabuli, film apod.

Učební pomůcka je vlastně nosičem didaktických informací, kterých se bezprostředně

používá ve vyučovacím procesu a které znázorňují vyučovací jev nebo činnost. Učební pomůcky tvoří součást vyučovacího procesu, neboť se bezprostředně vztahují k učivu. Učební pomůcky : •

působí na rozvoj žákovi osobnosti, formují jeho myšlení, utváří dovednosti,

•

realizují didaktickou jednotu mezi konkrétním a abstraktním – funkce

• •

zájmy, postoje – funkce výchovná gnozeologická (poznávací)

rozvíjí vnímání, pozornost, paměť, fantazii, úsudek a myšlení – funkce intelektuální

rozvíjí žákovu aktivitu a samostatnost – funkce samovzdělávací

- 19 -

•

rozvíjí zájem žáků, nutí je experimentovat, objevovat a bádat – funkce

pozorování a objevu

Učební pomůcky výrazně přispívají k racionalizaci vyučovacího procesu. Při práci

s učebními pomůckami musí mít učitel na paměti, že učební pomůcky jsou pouze prostředkem, nikoliv cílem výuky!

1. 6 Polovodičové součástky používané v elektronice 1. 6. 1 Polovodičové materiály Tyto materiály se nazývají polovodiče, protože jejich měrný odpor je mezi odporem

vodičů (kovů) a nevodičů (izolantů).Vodivost polovodičů lze velmi ovlivnit příměsemi

ve složení materiálu, nebo jinými vlivy, např. světlem, teplem, elektrickým polem nebo magnetickým polem.

Jako polovodičové matriály jsou téměř výhradně používány buď prvky a to křemík

nebo germanium, a chemické sloučeniny galiumarsenid nebo indiumantimonit, které krystalizují v krychlové soustavě. Zde je každý atom spojen čtyřmi vazbami se sousedními atomy.

Polovodičové materiály jsou potřebné v mimořádné čistotě. Pomocí zvláštní

technologie tažení monokrystalu a zónové tavby je možno docílit čistoty, při které na 1010 atomů krystalu polovodiče, jako je křemík nebo germanium, připadne jen jeden

atom jiné látky. Tato čistota odpovídá znečištění bazénu s 500 m3 vody jedinou kapkou

jiné látky (0,05 ml).

Křemík jako základní materiál je dnes v polovodičové technice nejdůležitější prvek. Více než 90% polovodičových součástek je na bázi křemíku. Upřednostňování křemíku má tyto tři důvody:

- křemíkové součástky vydrží teploty až do 150 °C oproti 75 °C u germania, - 20 -

- čištění i tažení monokrystalu křemíku je technologicky dobře zvládnuté a usnadněné tím, že se jedná o čistý prvek a ne sloučeninu,

- při vysoké teplotě se křemík pokryje vrstvičkou oxidu SiO2 , který dobře izoluje. Jiné polovodiče se uplatňují jen v případech, kdy jsou vlastnosti křemíku v něčem

nevyhovující. Například germanium má při vysokých kmitočtech proudu výhodnější vlastnosti a dvouprvkový polovodič galiumarsenid má velkou pohyblivost nosičů elementárních nábojů.

Stavba atomů. Jádro atomu křemíku obsahuje 14 protonů a 14 neutronů. Elektronový

obal má ve vnitřní vrstvě 2 elektrony, ve druhé vrstvě 8 elektronů a ve vnější valenční

vrstvě 4 elektrony (obr. 1). Elektrony ve valenční vrstvě se mohou účastnit chemických vazeb a nazývají se valenční elektrony.

Atomy stejného typu jsou spojeny kovalentní (chemickou) vazbou tvořenou

elektronovými páry. Atomy jsou tak blízko, že se jejich obaly prolínají . Přitom se přitáhnou elektrony, vždy po jednom z obou atomů a vytvářejí elektronové páry.

Touto vazbou mohou 4 elektrony valenční vrstvy atomu křemíku vázat 4 další atomy křemíku (obr. 2).

Obr.1 Stavba atomu křemíku

Obr.2 Chemické vazby mezi atomy křemíku

Vlastní vodivost polovodičů Při velmi nízkých teplotách nejsou v krystalech křemíku žádné volné nosiče nábojů. Při pokojové teplotě kmitají atomy křemíku neuspořádaně kolem svých rovnovážných

poloh. Mluvíme o tzv. tepelném pohybu. Tím se některé kovalentní vazby zpřetrhají,

rozpadnou. Jednotlivé valenční elektrony se vzdálí od svých atomů a volně se pohybují - 21 -

uvnitř krystalu. Nazýváme je vodivostní elektrony (obr. 3). Napětí připojené na

polovodičový krystal vytvoří elektrické pole, které pak unáší elektrony od minus pólu k plus pólu.

Obr.3 Krystalová mříž křemíku

Jakmile se nějaký valenční elektron vzdálí ze své pozice jako volný elektron, vznikne

po něm mezera, zvaná díra. Díry tedy rovněž přispívají k vlastní elektrické vodivosti.

Valenční elektron sousední vazby totiž může tuto díru zaplnit, pokud je přítomno

elektrické pole. Na místě, ze kterého se přesunul, vznikne pak opět díra. Tento průběh se průběžně opakuje. Díra se pohybuje celým krystalem v opačném směru než elektrony.

Elektrické napětí připojené na krystal polovodiče způsobí pohyb vodivostních elektronů od záporného pólu ke kladnému a pohyb děr v opačném směru.

Nevlastní vodivost polovodičů Přidáním nepatrného množství příměsi do taveniny čistého polovodičového materiálu stoupne enormně vodivost polovodičového krystalu, např. jediný atom trojvazného

bóru na 100 000 atomů křemíku zvětší tisíckrát vodivost. Cizí atomy, také např. hliníku nebo fosforu, naruší krystalovou mřížku. Přidání cizích atomů do čistého polovodičového materiálu nazýváme dotování.

Nepatrné dotování čistého krystalu polovodiče cizími atomy, např. hliníku nebo fosforu, zvýší velmi silně jeho vodivost.

- 22 -

Dotované polovodiče nazýváme nevlastními polovodiči. Při dotování krystalu křemíku umělými nečistotami, způsobí atomy fosforu s 5

valenčními elektrony převahu vodivostních elektronů, a atomy hliníku se 3 valenčními elektrony nadbytek děr. Polovodič typu N Jeden atom fosforu má 5 valenčních elektronů. Při jeho umístění do krystalu křemíku

využije 4 valenční elektrony k chemickým vazbám a 5. elektron je volně vázán ke

svému jádru (obr. 4). Stačí i malá teplota, aby se stal volně pohyblivým vodivostním elektronem. Fosforem dotovaný krystal křemíku se stane polovodičem typu N s volnými elektrony. Tyto příměsi s volnými elektrony nazýváme donory.

Obr.4 Vznik polovodiče typu N

Polovodiče typu N (negativní) obsahují volné elektrony (vodivostní elektrony) jako nosiče nábojů.

Vodivost dotovaného polovodiče se nazývá nevlastní vodivost.

Při průtoku proudu dotovaným polovodičem se pohybují vodivostní elektrony od mínus-pólu k plus-pólu. Polovodiče typu P Do krystalové mřížky polovodiče, např. křemíku, jsou přidány atomy trojvazného prvku, např. bóru, hliníku nebo india, se třemi valenčními elektrony. Tyto příměsi - 23 -

nazýváme akceptory. Při dotování trojvazným prvkem chybí v chemických

(kovalentních) vazbách elektrony (obr. 5). Stačí i malá teplota, aby do volných vazeb

přeskakovaly při tepelném pohybu elektrony z vazeb sousedních. Přesunuté elektrony zanechají opět díry. Trojvazné atomy tedy působí vznik děr v krystalové mřížce křemíku. Krystal křemíku se stává polovodičem typu P .

Obr.5 Vznik polovodiče typu P

Polovodiče typu P (pozitivní) obsahují volné díry (chybějící elektrony) jako nosiče nábojů.

Nevlastní elektrická vodivost polovodiče dotovaného příměsí donoru nebo akceptoru je na teplotě jen velmi málo závislá. Přechod PN Spojíme nyní polovodič typu P s polovodičem typu N. Po spojení obou polovodičů

opačné polarity P a N nastane v místě jejich styku difúze obou druhů částic. Po chvíli difúzní proud skončí, rekombinace v místě styku ustane a vznikne zde úzké neutrální pásmo.

Spojení mezi oběma typy polovodičů se nazývá přechod (obr. 6).

Obr.6 Přechod PN

- 24 -

V praxi získáme přechod PN tak, že v téže krystalové mříži polovodiče, nejčastěji křemíku, vytvoříme jak vrstvu typu P to jest s děrovou vodivostí, tak vrstvu

typu N, s elektronovou vodivostí. V místech, v nichž materiál jednoho typu vodivosti přechází do materiálu s opačným typem vodivosti, dostaneme přechod PN.

Rozdělení polovodičových prvků Podle počtu přechodů, které mají polovodičové prvky, je rozdělujeme na:

prvky bez přechodu PN (termistory, fotorezistory, varistory, Hallovy články. . . ) prvky s jedním přechodem PN (diody)

prvky se dvěma přechody PN (tranzistory) prvky se třemi přechody PN (tyristory) prvky se čtyřmi přechody PN (triaky)

prvky s více přechody PN (integrované obvody) 1. 6. 2 Polovodiče bez přechodu PN Jsou to polovodičové součástky, jejichž vlastnosti, jako je například odpor, se mění s teplotou, osvětlením, přiloženým napětím, magnetickým polem a podobně. Nejčastěji používané jsou:

Termistory- jsou teplotně závislé odpory, u nichž se vzrůstající teplotou odpor klesá (obr.7, 8).

Obr.7 Grafická značka termistoru

Obr.8 Tepelná závislost termistoru

- 25 -

Použití termistorů •

přesné a rychlé měření teploty. Rozměr perličkového termistoru je velmi malý –

•

měření rychlosti kapalin a plynů. Měří se ochlazení termistoru v potrubí.

• •

velikost špendlíkové hlavičky.

ochrana žhavení elektronek nebo žárovek. Termistor v sérii se žhavícími vlákny má při zapnutí velký odpor.

stabilizace pracovního bodu tranzistoru.

Fotorezistory – jsou polovodičové součástky, které mění svůj odpor s osvětlením.

Využívají tak zvaný fotoefekt, což je vlastnost některých látek například selenu. Tyto

látky při osvětlení uvolňují elektrony, ty ale neemitují, ale zůstávají uvnitř hmoty. Čím

více světla, tím více uvolněných elektronů a tím menší odpor součástky. Přibližně platí, že pokud je ve tmě odpor fotorezistoru asi 1 MΩ, pak při světle asi 1 kΩ (οbr. 9). Fotočlánek- dáme-li pod fotorezistor destičku z mědi, budou uvolněné elektrony

přecházet přes vytvořenou hradlovou vrstvu mezi mědí a polovodičem do mědi. Toto je princip fotočlánku, který přeměňuje světelnou energii přímo na energii elektrickou (obr.10).

Obr.9 Grafická značka fotorezistoru

Obr.10 Princip fotočlánku

Využití fotorezistorů •

měření a regulace

•

sluneční pohony

•

sluneční zdroje

Varistory – jsou polovodičové součástky, u kterých je odpor závislý na přiloženém napětí. Vyrábí se z karbidu křemíku (obr.11).

- 26 -

Využití varistorů •

•

stabilizace napětí

ochrana proti přepětí (ventilová bleskojistka) Obr.11 Grafická značka varistoru

Hallovy články – jsou polovodičové součástky, jejichž odpor (napětí) závisí na intenzitě magnetického pole. Princip Hallova jevu Plochý kovový vodič napájený stejnosměrným proudem je umístěn v magnetickém

poli. Kolmo na směr proudu a kolmo na směr magnetického pole vzniká ve vodiči malé napětí jako výsledek působení magnetického pole na pohybující se nosiče elektrického proudu. Tomuto napětí říkáme Hallovo napětí. Nahradíme-li plochý kovový vodič tenkou vrstvou polovodiče, bude jev podstatně výraznější (obr.12).

Využití Hallova článku •

měření magnetických veličin

•

bezkontaktní spínače

•

měření velkých stejnosměrných proudů

Obr.12 Princip Hallova článku

1. 6. 3 Diody Polovodičové diody jsou součástky s jedním přechodem PN a se dvěma vývody. - 27 -

Princip diody

Zapojíme krystal PN dle obr. 13, nosiče (elektrony a díry) se budou chovat následovně: •

kladné díry jsou odpuzovány od + k přechodu

•

přechod PN je zaplaven pohyblivými nosiči, takže jeho odpor se značně

•

•

•

elektrony jsou odpuzovány od – k přechodu zmenšuje

díry budou rekombinovat s elektrony

všude jsou nosiče, takže krystal bude elektricky vodivý

Obrátíme polaritu zdroje u krystalu PN dle obr. 14, nosiče (elektrony a díry) se budou

chovat následovně •

díry přilnou k -, elektrony k +

•

proto bude krystal elektricky nevodivý

•

na přechodu vznikne tak pásmo bez volných nosičů

Obr.13 Dioda ve vodivém (propustném) směru

Obr.14 Dioda v nevodivém (nepropustném) směru

Polovodič s jedním přechodem PN, neboli dioda, elektrický proud v jednom směru propouští a v druhém nepropouští. Proto lze polovodičovou diodu využít k usměrňování střídavého proudu na proud stejnosměrný.

Polovodičová dioda se nazývá také elektrický ventil a ve schématech se zakresluje značkou znázorněnou na obr. 15.

U diody se polovodič typu P jmenuje anoda A a polovodič typu N katoda K.

- 28 -

Obr.15 Značka polovodičové diody

Voltampérová charakteristika diody VA – charakteristika diody je závislost proudu diodou na přiloženém napětí. Získáme ji proměřením diody. Měříme nejprve v propustném směru, potom otočíme polaritu napájecího zdroje a změříme charakteristiku v závěrném směru. Jak taková charakteristika diody vypadá je zřejmé z obr. 16.

Na charakteristice diody jsou vyznačeny

dva nejdůležitější parametry diody: I dMAX maximální dovolený proud v propustném směru

U dMAX maximální závěrné napětí

Obr.16 VA - charakteristika diody

1. 6. 4 Tranzistory bipolární Tranzistory jsou polovodičové prvky se dvěma přechody PN. Jsou schopny zesilovat a generovat elektrické signály, pracovat jako spínače, realizovat logické funkce atd.

Tranzistory bipolární využívají oba druhy nosičů elektrického náboje tj. elektronů a děr, kdežto tranzistory unipolární využívají buďto jen elektronů, nebo jen děr.

Tranzistor se skládá ze tří vrstev, které mají různé typy vodivosti. V našem případě má střední vrstva vodivost typu P, a nazývá se báze (B). Krajní vrstvy mají vodivost typu N, přičemž jedna vrstva se nazývá emitor (E) a druhá kolektor (K). - 29 -

V tranzistoru tedy vznikají dva přechody PN, a to jednak emitorový přechod mezi emitorem a bází, jednak kolektorový přechod mezi kolektorem a bází (obr. 17).

Obr.18 Náhradní zapojení

Obr.17 Tranzistor NPN

tranzistoru

Tranzistor si tedy můžeme představit jako spojení dvou polovodičových diod, z nichž jednu tvoří kolektor – báze a druhou emitor – báze (obr. 18). Připojme k tranzistoru zdroj stejnosměrného napětí UKE. Emitorový přechod mezi bází a emitorem je zapojen sice v propustném směru, ale

kolektorový přechod mezi bází a kolektorem je zapojen v nepropustném směru, a tak proud obvodem emitor – korektor nemůže protékat (obr. 19).

Připojme mezi bázi a emitor další zdroj stejnosměrného napětí UBE (obr. 20). Protože je emitorový přechod zapojen v propustném směru, pak účinkem napětí UBE

začnou volné elektrony proudit z emitoru do báze. Ve skutečnosti je ovšem vrstva báze velmi tenká (přibližně 0,01 mm), a tak většina elektronů (přibližně 97%) pronikne setrvačností až ke kolektorovému přechodu. Kolektorový přechod je sice zapojen

v nepropustném směru, ale pouze pro díry a nikoli pro elektrony, které jsou naopak kladným pólem kolektoru přitahovány a odtud proudí až ke kladnému pólu zdroje napětí UKE.

- 30 -

Obr.19 Tranzistor bez napětí báze

Obr.20 Princip činnosti tranzistoru

Volné elektrony protékají tranzistorem z emitoru do kolektoru a obvodem protéká

kolektorový proud IK. Menší část proudu (přibližně 3%) protéká rovněž z emitoru přes bázi ke kladnému pólu zdroje napětí UBE a obvodem protéká proud báze IB.

Platí proto:

IE = I B + I K

, ale přibližně lze psát

IK ≈ IE

Druhy tranzistorů

Známe dva druhy tranzistorů a to tranzistory NPN a tranzistory PNP, jejichž princip

je stejný. Liší se uspořádáním vodivostních oblastí a zapojením napájecího napětí.

Tranzistor NPN musí mít na kolektoru vždy kladné napětí, tranzistor PNP vždy záporné napětí. Není-li tato podmínka dodržena, tranzistor se zničí. Malá odlišnost je ve

schematických značkách. Tranzistor NPN má emitorovou značku (šipku) ven, kdežto PNP dovnitř (obr. 21, 22). Vlastnosti tranzistorů NPN a PNP jsou jinak stejné.

Obr.21 Tranzistor NPN

Obr.22 Tranzistor PNP

- 31 -

Základní zapojení tranzistorů V elektronických obvodech může být tranzistor zapojen třemi základními způsoby.

Podle elektrody, která je společná pro vstupní i výstupní signál se rozlišuje zapojení se společnou bází SB, se společným emitorem SE a se společným kolektorem SC (obr. 23). Každé toto zapojení má svoje specifické vlastnosti.

Obr.23 Základní zapojení tranzistorů

1. 6. 5 Tyristory Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek se třemi přechody PN, NP, PN a třemi

elektrodami anodou (A), katodou (K) a řídící elektrodou (G). Tyristory se používají

jako spínače a především jako tzv. řízené usměrňovače. Řídí usměrněný výkon téměř beze ztrát energie. Protože tyristor má řídící elektrodu je nazýván triodovým tyristorem (obr.24).

A – anoda

K – katoda

G – řídící elektroda

Obr.24 Struktura a grafická značka tyristoru

Činnost tyristoru

Není-li na elektrodě G napětí, pak tyristorem proud neprotéká. Připojíme-li totiž na

anodu A záporné napětí a na katodu K kladné napětí, pak průtok proudu je přerušen - 32 -

oběma přechody PN. Připojíme-li naopak na anodu A kladné napětí a na katodu

K záporné napětí, pak průtok proudu je přerušen přechodem NP. Připojíme-li na tzv.

řídicí elektrodu G kladné napětí, stane se přechod NP vodivý a tyristorem bude protékat proud. Co je zejména důležité, bude jím protékat i tehdy, jestliže napětí na řídící

elektrodě G přerušíme. To znamená, že pro zapnutí tyristoru stačí přivést na řídící

elektrodu G jen časově krátký impuls. Při zapnutém tyristoru je příslušná část VA charakteristiky podobná charakteristice diody v propustném směru.

V sepnutém stavu tyristor setrvává, dokud propustný proud neklesne pod hodnotu tzv.

vratného proudu IH (obr. 25) a to přerušením hlavního obvodu anoda – katoda, nebo

komutací anodového napětí do zpětného směru. Potom nastane vypnutí tyristoru – přechod z propustného stavu do stavu blokovacího. Vše je patrné z VA – charakteristiky tyristoru .

Obr.25 VA – charakteristika tyristoru

1. 6. 6 Triak Triak je obousměrný triodový tyristor s pětivrstvou strukturou PNPNP a s čtyřmi přechody. Vznikne vnitřním uspořádáním antiparalelního zapojení dvou tyristorů

(obr.26). Triak je polovodičová součástka umožňující řízení obou půlvln střídavého

proudu jednou řídící elektrodou.Od tyristorů se tedy liší tím, že jej signálem na řídící elektrodě lze uvést do vodivého stavu při obou půlvlnách střídavého napětí, tedy při obou polaritách.Používá se k řízení střídavého výkonu.

Propustnost triaku v obou směrech vyjadřuje VA – charakteristika (obr.27). Triaky se

vyrábějí na napětí až 1 000 V a pro proudy řádově jednotky až 100 A.

- 33 -

Obr.26 Triak - antiparalelní zapojení dvou tyristorů

Obr.27 VA – charakteristika triaku

struktura triaku, grafická značka

1. 6. 7 Diak Diak je dvou elektrodová polovodičová součástka se třemi vrstvami různého typu

vodivosti, u které mohou oba přechody PN pracovat v lavinovém průrazu (obr. 28). Diak nemá řídící elektrodu a je spínaný přiloženým napětím. Je-li napětí na svorkách

diaku menší než spínací napětí UBO je jeden z přechodů zavřen a diakem prochází jen

malý závěrný proud. Diak je vypnutý, a to v blokovacím stavu.

Dosáhne-li napětí na diaku spínacího napětí UBO, nastane nedestruktivní průraz závěrně

polarizovaného přechodu a diak sepne do vodivého (propustného) stavu (obr.29).

Diak se používá v zapínacích a řídících obvodech triaků.

Obr.28 Diak struktura a grafická značka

Obr.29 VA – charakteristika diaku

1. 6. 8 Integrované obvody Integrovaný obvod (IO) je mikroelektronický celek s pasivními i aktivními prvky, který tvoří určitý funkční obvod a je umístěný v jedné křemíkové destičce – čipu. - 34 -

Integrované obvody vznikaly kolem roku 1960 a jejich význam se přirovnává k objevu

tranzistoru. Podstatné vlastnosti jsou spolehlivost, malé rozměry a váha, nízká spotřeba. Integrovaných obvodů se vyrábí spousty druhů. Základní rozdělení podle jejich funkce je: IO analogové – zpracovávají signál spojitě se měnící IO číslicové – signál může mít jen dvě úrovně 0 a 1.

Podle počtu polovodičových prvků v jednom integrovaném obvodu (podle tzv. stupně integrace) dělíme IO na tyto druhy: •

SSI – s malou integrací – na jedné destičce je až 50 prvků

•

LSI – s velkou integrací – s počtem nad 500 prvků

•

•

MSI – se střední integrací – s počtem až 500 prvků

VLSI – s zvláště velkou integrací – v jednom prvku obsahují celá zařízení např. procesor počítače.

Podle technologie výroby dělíme integrované obvody na tři skupiny: •

Monolitické – vyrábějí se na jedné destičce monokrystalu. Technologie jejich přípravy je levnější než u ostatních druhů. Na jednom výbrusu křemíkového krystalu se připraví diody, tranzistory a rezistory a

•

navzájem se propojí do uceleného obvodu.

Vrstvové – vyrábějí se nanesením polovodičových, vodivých a izolačních vrstev na izolační destičku ze skla nebo s keramiky. Poměrně

jednoduchou technologií se na těchto vrstvách připraví pasivní prvky (rezistory, kondenzátory) a z tranzistorů pouze tranzistory řízené •

elektrickým polem (MOS).

Hybridní – je to kombinace obou uvedených druhů. Na izolační destičku se nanesou vrstvy a v nich se vytvoří rezistory, kondenzátory a vodivé

spoje. Na takto upravenou destičku se vsadí jednotlivé diody a tranzistory nebo celé monolitické integrované struktury.

Nejrozšířenější výrobní technologií je tzv. planární technologie.

Základní surovinou je křemík, ze kterého se po složitém zpracování a čistění získá tzv. monokrystal křemíku. Ten se nařeže na tenké destičky, dále vybrousí, naleští a na

povrchu uměle zoxiduje. Oxid křemíku je dielektrikum čili izolant. Na jednu takovou destičku se umístí asi sto čipů IO, které se najednou dále zpracovávají fotografickou - 35 -

cestou. Hotová destička se po proměření funkčnosti rozřeže na jednotlivé čipy a ty se

nalepí na nosné podložky. Vývody čipu se propojí zlatými drátky ke kolíkům pouzdra

(obr. 30). Celek se hermeticky umístí do ochranného pouzdra. Pouzdra mohou být buď kovová nebo umělohmotná typu DIL (obr. 31).

Obr.30 Připojení čipu

Obr.31 Pouzdro typu DIL

2. PRAKTICKÁ ČÁST 2. 1 Vyučování odborného výcviku V praktické části se chci věnovat, jak již bylo řečeno, ověření teoretických vědomostí na konkrétních příkladech zapojení polovodičových součástek v elektronických

obvodech. Než přistoupím k samotným schématům, něco o odborném výcviku obecně. Teorii vzdělávání a vyučování označujeme termínem didaktika. Didaktika odborného

výcviku zkoumá jevy specifické pro tento učební předmět a patří k didaktice oborové. Obecná didaktika pak zkoumá zákonitosti, podstatu a obsah vzdělávání.

Odborný výcvik na středním odborném učilišti navazuje na vědomosti a dovednosti

získané na základní škole a vhodně využívá předchozí průpravu v předmětu pracovní vyučování. V pracovním vyučování na základní škole se pěstuje pozitivní vztah k manuální práci a jsou vytvářeny základy odborných vědomostí a dovedností v nejčastěji se vyskytujících povoláních, jako je strojírenství, elektrotechnika,

zpracování dřeva a umělých hmot, zemědělství apod. Všechno to, co bylo získáno - 36 -

v pracovním vyučování , se dostává v odborném výcviku do nových souvislostí a slouží jako základ pro rozvíjení znalostí a dovedností v nových podmínkách.

Hlavním cílem odborného výcviku je osvojení takových pracovních činností, pomocí kterých může absolvent vykonávat kvalifikovaně svoje povolání. Pracovní činnosti

potřebné pro kvalifikovaný výkon povolání jsou stanoveny učební osnovou odborného výcviku. Žáci si je osvojují postupně. Stupeň osvojení určité pracovní činnosti lze

sledovat jen nepřímo, a to prostřednictvím kvality a rychlosti jejího provedení. Průběh učení senzomotorických dovedností rozdělujeme do tří fází:

První fáze učení, ve které se žák seznamuje s učebním úkolem, přijímá informace, které jsou mu podávány, orientuje se v nich a vytváří si konkrétní představu o cíli, k němuž má dospět. Sleduje postup, kterým stanoveného cíle dosáhne, a snaží se

zapamatovat algoritmus tohoto postupu a sám se pokouší o jeho splnění. Výsledkem

této fáze je vytvoření jasné představy o pracovní činnosti, kterou si má žák osvojit.

Druhá fáze učení bezprostředně navazuje na fázi první. Žák zkouší a ověřuje si správnost svého výkonu, přičemž postupuje podle stanoveného algoritmu.

Opakovaným cvičením se jeho pohyby stávají diferencovanější a koordinovanější, až si je osvojí a vytvoří tak základní dovednosti.

Třetí fáze učení následuje po druhé fázi s určitým časovým odstupem. Žák si dalším

cvičením zdokonaluje a upevňuje základní dovednosti.

První fáze zabírá kolem 10%, druhá přibližně 50% a třetí fáze 40% času potřebného k plnému osvojení dané pracovní činnosti.

O uplatnění didaktických zásad při osvojování a dovedností jsem se již zmínil

v teoretické části. Protože se se zásadami uplatňovanými v odborném výcviku

překrývají, nebudu se k nim již vracet. Pouze bych rád zmínil ještě dva pedagogické principy, které uvádí Jůva v Úvodu do pedagogiky a které mají velkou důležitost. Princip emocionálnosti, kterým rozumíme požadavek probouzet ve výchovně

vzdělávacím procesu adekvátní citové prožitky vychovávaného jedince, opírat se o ně a udržovat trvale radostnou tvůrčí atmosféru. Radostná nálada při jakékoliv činnosti

zvyšuje výkon, optimalizuje průběh poznávacích i motorických procesů, usnadňuje překonávání překážek a snižuje pocit únavy.

- 37 -

Princip jednotnosti výchovného působení, který je nutno zvláště zdůraznit při

výchově žáků v zařízeních SOU, kde působí výchovní pracovníci na třech úsecích.

Předpokladem úspěšné výchovy je jednota v požadavcích i v přístupech všech učitelů

odborného výcviku, učitelů teoretických předmětů i vychovatelů. Pokud tomu tak není stává se výchova na takových zařízeních velice obtížnou a málo účinnou.

2. 2 Cíle, obsah a prostředky odborného výcviku Při výchovně vzdělávací práci se žáky je nejdříve třeba stanovit cíle uvažovaného

předmětu (v našem případě odborného výcviku), jehož chceme dosáhnout. Na základě

jasně a konkrétně stanovených cílů je nutno sestavovat obsah učiva (co budeme učit a

v jakém rozsahu). Realizaci obsahu pak uskutečňujeme volbou vhodných vyučovacích

prostředků. Obsah i prostředky vycházejí ze stanoveného cíle. 2. 2. 1 Pedagogické cíle odborného výcviku

Pedagogickým cílem je to, čeho se má dosáhnout výchovně vzdělávací činností. Při

stanovení cílů odborného výcviku musíme vycházet z obecných cílů příslušného typu střední školy, učebního nebo studijního oboru a předmětu. K tomu musíme znát především profil absolventa a učební osnovy.

Obecným cílem, který máme při výchově žáků dosáhnout, je vychovat vzdělaného

kvalifikovaného dělníka. Tento obecný cíl můžeme konkretizovat do několika relativně samostatných cílů: •

Rozvoj mravních hodnot

•

Rozvoj poznávacích schopností a dovedností

•

•

•

Rozvoj tvořivého logického myšlení Rozvoj manuálních dovedností

Přípravy pro přechod od vzdělání k sebevzdělávání

2. 2. 2 Obsah odborného výcviku Obsahem odborného výcviku se rozumí didaktická soustava učiva – soustava

poznatků a činností, které si má žák v průběhu učební doby pod vedením učitele - 38 -

vlastní prací osvojit. Rozhodujícím faktorem při sestavování obsahu učiva odborného výcviku jsou požadavky kladené na kvalifikaci dělníků příslušného povolání. To je relativně jednotný společenský požadavek na úroveň absolventů.

Vedle toho je nutno přihlédnout k tomu, že schopnosti žáků, kteří se pro dané povolání připravují, jsou značně rozdílné.

Tato východiska vedou nutně k požadavku na diferenciaci učiva. Základem pro takovou diferenciaci je rozdělení učiva na učivo základní a učivo rozšiřující.

Bezprostředním požadavkem na přípravu k povolání je, aby absolventi byli schopni ihned po ukončení přípravy vykonávat základní práce v normované kvalitě i čase.

Tímto požadavkem je stanoveno minimum učiva, které je základním učivem pro

daný obor.

Do obsahu odborného výcviku je třeba zařadit 50 – 60% učiva základního a 50 až 40% učiva rozšiřujícího.

2. 2. 3 Prostředky odborného výcviku Zabezpečení odpovídajících podmínek a prostředků pro uskutečňování cílů a

naplňování obsahu odborného výcviku v souladu s didaktickými principy a zásadami je didakticky, technicky a ekonomicky náročný a dlouhodobý proces. Je však nezbytně nutný ke splnění vytčeného cíle. Obecně za prostředky považujeme ty skutečnosti,

předměty a jevy, které slouží a pomáhají k dosažení vytčených cílů. Lze je rozdělit na materiální a nemateriální.

2. 2. 3. 1 Materiální prostředky

Do materiálních prostředků odborného výcviku patří zařízení a předměty, které jsou

jednak nezbytné pro odborný výcvik, a dále ty, které svojí didaktickou funkcí pomáhají efektivně osvojovat učivo. Materiální prostředky odborného výcviku lze rozdělit na výrobní prostředky (příslušného oboru) a didaktické prostředky (vyučovací pomůcky, didaktická technika).

2. 2. 3. 2 Nemateriální prostředky

Do nemateriálních prostředků odborného výcviku patří organizace a metody užívané ve výuce odborného výcviku.

- 39 -

Organizace odborného výcviku Pod pojmem organizace odborného výcviku rozumíme účelné uspořádání všech prvků vyučovacího procesu. Účelná organizace odborného výcviku se zajišťuje organizačním opatřením a vhodnými organizačními formami. Organizační opatření

Organizační opatření stanovuje formální časové uspořádání výuky odborného výcviku.

K nejvýznamnějším organizačním opatření patří v odborném výcviku rozdělení výuky na učební období , postupy výuky a koordinace výuky. Organizační formy

Organizační formou je určitý vnější rámec uspořádaných podmínek a prostředků ve

které výuka probíhá. Hlavními organizačními formami odborného výcviku jsou místo výuky, způsob výuky a učební den.

Vyučovací metody v odborném výcviku S pojmem vyučovací metody jsme se již seznámili v první teoretické části. Zmíním se tedy již jen o metodách, které se nejvíce uplatňují při praktickém vyučování. Práce s technickou a účetní dokumentací

V odborném výcviku používáme takovou technickou a účetní dokumentaci, která je

obvyklá v provozních podmínkách, pro které se žáci připravují a kterou žáci budou po

vyučení při práci používat. Do technické dokumentace patří výkresy, schémata, grafy, dílenské tabulky, normy a technologické výrobní nebo i pracovní postupy. Do

účetní dokumentace, kterou žáky naučíme v jejich oboru používat patří i materiálové listy, mzdové listy, účetní kniha. Instruktáž

V odborném výcviku je to nejčastěji používaná kombinovaná vyučovací metoda při

výuce senzomotorických dovedností. Tato metoda je často označována jako komplexní metoda. Výuka odborného výcviku předpokládá použití instruktáže ve všech jejich

rozmanitých obměnách. Instruktáž je základní prostředek učitele odborného výcviku, - 40 -

při které používá z hlediska zdroje poznání metody slovní, metody pozorování a

metody pracovní. Učitel působí při instruktáži vždy na několik smyslů žáků současně a vyžaduje od nich soustředěnou pozornost. Proto by měla být instruktáž obsahově

přiměřená vyspělosti žáků a časově maximálně 30 minut, aby ji žáci mohli bez větší únavy účinně sledovat. Simulační metody

Simulační metody v odborném výcviku jsou takové metody osvojování

senzomotorických dovedností, při kterých jsou některé technické prvky

technologického nebo pracovního procesu nahrazeny prvky, které imitují skutečné

pracovní prostředí, předmět, pracovní prostředek nebo jeho část. Charakteristickým

znakem je, že se k nácviku nových dovedností používá zvláštních vyučovacích

technických prostředků, jako simulátorů, trenažérů nebo simulované prostředí – cvičné pracoviště. Dále je pro tyto metody charakteristické, že výsledkem pracovní činnosti žáků není užitná hodnota, nevzniká výrobek a neuskutečňuje se služba. Problémové metody

Učení pracovním činnostem v odborném výcviku, které zpravidla navazuje na probrané učivo v odborných předmětech umožňuje využít řešení různých

problémových situací. Problémové učení v odborném výcviku vede k rozvoji aktivní tvořivé práce, soustředění při pozorování, zvyšuje zájem o obor a vede žáky

k samostatnosti. Předností problémové metody učení je, že umožňuje na základě již osvojených vědomostí a dovedností samostatně a aktivně získávat další poznatky o práci v oboru.

Inscenační metody

Podstatou inscenačních metod je řízený slovní dialog. Uplatňuje se především při

přípravě žáků v obchodě, pohostinství, službách a železničářů, ale lze jich použít také v oborech charakteru opravářského a údržbářského. Exkurze

Význam exkurze v odborném výcviku spočívá v názorném seznámení žáků

s technologickým procesem, způsoby práce a organizací práce, s výrobním zařízením, - 41 -

nářadím, popř. výrobky přímo v provozech podniků a organizací. Exkurzi organizujeme k motivaci žáků nebo k upevnění učiva a rozšíření znalostí.

2. 3 Soubor výukových prací Tento soubor prací by měl sloužit učiteli odborného výcviku jako podklad pro přípravu na učební den.

Co se organizace odborného výcviku týče, předpokládá se, že místem výuky bude

učňovská dílna. Způsob výuky bude skupinový a bude probíhat v rámci učebního dne. Postup výuky bych zvolil následný a systém předmětný.

Materiál a nářadí na jednotlivých pracovištích musí odpovídat zadané práci. Je třeba, aby všechna pracoviště byla vybavena stejně. Jen tak mohou žáci pracovat zcela

samostatně. Oblečení a ustrojení žáků musí odpovídat daným předpisům o bezpečnosti a ochraně zdraví při práci.

Jako při každé pracovní činnosti, tak i při zapojování elektronických obvodů je nutné

zvolit a dodržet určitý správný pracovní postup. Jiný způsob zapojování patrně zvolíme při sestavování obvodu, který má posloužit pro krátkodobé zkušební odzkoušení

činnosti, jiný způsob i postup zvolíme pro konečné a definitivní zapojení. V našem případě je vhodné použít zkušební pájecí desku nebo nepájivé kontaktní pole.

Velmi dobré zkušenosti mám s izolačními destičkami, které jsou opatřeny pájecími očky. Na jedné straně oček jsou trvale připájeny vývody jednotlivých součástek.

K druhé straně očka se pájí izolované vodiče, kterými se vzájemně součástky propojují. Vývody součástek nejsou tepelně ani jinak namáhány, což vede k jejich dlouhé

životnosti. Izolační destičky jsou vyrobeny z pertinaxu a mají normalizované rozměry

50 x 50, 50 x 100 nebo 100 x 100 mm a to podle velikosti součástky. Velkou výhodou

je, že tyto destičky můžeme volně pokládat na pracovní stůl a uspořádat si je tak, jak to odpovídá jejich umístění v daném schématu. Tím docílíme přehledného zapojení ve

kterém se snadněji nalézají případné chyby a učiteli OV se lépe kontroluje správnost zapojení. Napájecí napětí jednotlivých zapojení je 3 V, 9 V a 12 V, což je napětí

bezpečné. Pro napájení 230 V v zapojení s triakem použijeme bezpečnostní oddělovací transformátor.

- 42 -

Doporučený postup práce

Žáci jsou seznámeni se zadáním úkolu, jehož součástí je schéma zapojení se stručným popisem funkce. Po té dostanou časový prostor, úměrný složitosti zapojení, na

samostudium. Během samostudia si žáci pozorně přečtou popis zapojení, ujasní si

funkce jednotlivých součástek a v případě nějakých nejasností si připraví otázky na

učitele OV. Po samostudiu a zodpovězení všech otázek vydá učitel pokyn k zahájení práce. Žáci si schéma zapojení překreslí, aby si do něj mohli dělat poznámky,

vyznačit propojení která mají již hotova apod. Následuje sestavení rozpisky materiálu. Před vlastním zapojováním je nutno pasivní součástky vybrat, přeměřit a označit si hodnoty. Dále pak roztřídit polovodičové součástky a označit jejich vývody podle katalogu. Na součástkách, které mají žáci k dispozici, nejsou hodnoty ani vývody

označeny. Následuje příprava nářadí, vlastní zapojení, kontrola, odzkoušení, hodnocení, opravy, poučení z chyb.

2. 3. 1 Úlohy s diodou Cvičné práce

Úloha č. 1 – Pokusy s diodou (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že dioda propouští stejnosměrný proud pouze v jednom směru .

Obr. A

Obr. B

Popis zapojení: Dioda je polovodičový prvek se dvěma elektrodami, jehož základní

vlastností je vodivost proudu pouze v jednom směru dle polarity zdroje. Směr průtoku proudu od kladného pólu směrem k zápornému ukazuje šipka na schématické značce. - 43 -

Zapojením obvodu podle obrázku A se přesvědčte, že dioda je v propustném směru a žárovka svítí. Při otočení polarity diody v zapojení podle obrázku B je dioda v nepropustném směru a žárovka nesvítí.

Postup: 1. Překresli schéma do cvičného sešitu 2. Sestav rozpisku materiálu

3. Přeměř a označ si hodnoty pasivních součástek

4. Označ si vývody polovodičových součástek podle katalogu 5. Proveď zapojení, kontrolu a odzkoušení úlohy

Úloha č. 2 – Jednocestný jednopulzní usměrňovač (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že dioda pracuje jako usměrňovač a propouští pouze jednu půlvlnu střídavého proudu.

Popis zapojení: Diodou prochází proud ve směru šipky od anody ke katodě při

propustně pólovaném napětí na diodě. Při opačné polaritě napětí je dioda v závěrném směru. Tato vlastnost diod je využívána k usměrňování střídavého proudu. Střídavý

proud neustále mění směr svého toku. Jelikož dioda umožňuje tok proudu pouze jedním směrem , propouští pouze část proudu ve směru vlastní polarity a tudíž střídavý proud usměrňuje. Usměrněné napětí je pulzní, tepavé. Napětí U na zatěžovacím odporu je

přibližně poloviční než napájecí napětí. Pokud místo zatěžovacího odporu zapojíme žárovku na 12 V, můžeme na ni pozorovat pulzovitý průběh napětí a žárovka bude svítit na menší výkon.


3. Přeměř a označ si hodnoty pasivních součástek - 44 -


6. Změř napětí střídavého napájecího zdroje a potom napětí stejnosměrné na zatěžovacím odporu.

Úloha č. 3 – Dvojcestný dvoupulzní usměrňovač (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že diodový můstek usměrňuje a

propouští obě půlvlny střídavého proudu.

Popis zapojení: Usměrnění obou půlvln střídavého proudu umožňuje můstkový

usměrňovač. V první půlperiodě střídavého napětí je na horní svorce usměrňovacího můstku kladné napětí. Diody D1 a D3 jsou otevřené, tak že může procházet proud. Polarita napětí na výstupních svorkách je patrná z obrázku. Diody D2 a D4 jsou

zavřené. Při následující půlperiodě střídavého proudu je na horní svorce usměrňovacího můstku záporné napětí, na dolní svorce je však napětí kladné. Nyní jsou otevřeny diody D2 a D4, které na horní výstupní svorku přivádějí kladné napětí a dolní svorku záporné napětí. Na horní svorce je tedy trvale kladné napětí, na dolní svorce záporné napětí.

Jeho průběh odpovídá průběhu napětí při dvoupulzním usměrnění. Usměrněné napětí U

je přibližně rovno střídavému napětí zdroje. Pokud místo zatěžovacího odporu zapojíme žárovku na 12 V, bude svítit na plný výkon a nebude pozorovatelný pulzní charakter napětí.




6. Změř napětí zdroje a potom napětí stejnosměrné na zatěžovacím odporu. - 45 -

Úloha č. 4 – Celovlnný zdvojovač napětí (rozšiřující učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že hodnota napětí na zatěžovacím odporu je dvojnásobná, jak napětí zdroje.

Popis zapojení: V jedné půlvlně střídavého napětí se nabíjí kondenzátor C1 na napětí U. Během půlvlny opačné polarity se nabíjí na napětí U kondenzátor C2. Protože jako

výstupní svorky slouží kladný pól kondenzátoru C1 a záporný pól kondenzátoru C2, je na výstupu napětí 2U.




6. Porovnej napětí na zatěžovacím odporu s napětím zdroje 2. 3. 2 Úlohy s tranzistorem Cvičné práce

Úloha č. 5 – Pokusy s tranzistorem (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci tranzistoru typu PNP a NPN jako zesilovače.

- 46 -

Popis zapojení: Přiložíme-li napětí mezi kolektor a emitor tranzistoru, proud v obvodu zpočátku neteče. Teprve po přiložení malého napětí mezi emitor a bázi tranzistoru je toto budicí napětí příčinou proudu mezi kolektorem a emitorem.

Tohoto jevu využíváme při zesilování malých střídavých napětí a proudů. Přivedeme-li na bázi tranzistoru slabý střídavý signál, objeví se jako mnohokrát zesílený na

kolektoru a tak tranzistor pracuje jako zesilovač. Průtok proudu mezi kolektorem a emitorem tranzistoru indikujeme měřidlem zapojeným v sérii s kolektorem. Postup: 1. Překresli schéma do cvičného sešitu 2. Sestav rozpisku materiálu



Úloha č. 6 – Nízkofrekvenční oscilátor (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci tranzistoru v oscilátoru.

- 47 -

Popis zapojení: Často používaným typem oscilátoru je oscilátor s fázovacím článkem. Využívá se principu, podle nějž při průchodu střídavého proudu kondenzátorem je

fázový posuv proudu na výstupu oproti vstupnímu proudu 90°. Zapojením fázovacího článku složeného z odporů a kondenzátorů ve zpětné vazbě mezi kolektorem a bází

vznikají v obvodu kmity, které mají sinusový průběh .Tón signálu takovéhoto průběhu je mnohem jemnější a méně ostrý, než u jiných typů a oscilátor má značnou stabilitu frekvence. Proto se obdobné obvody využívají ke stavbě elektronických hudebních nástrojů. Tón generátoru je slyšet v telefonním sluchátku. Postup: 1. Překresli schéma do cvičného sešitu 2. Sestav rozpisku materiálu



Úloha č. 7 – Časovač (rozšiřující učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci tranzistoru jako spínacího prvku.

Popis zapojení: Spínač podle obrázku pracuje s intervaly až do několika minut. Po

zmáčknutí tlačítka je na bázi tranzistoru přivedeno kladné napětí, tranzistor se otevře a relé sepne. Zároveň se stisknutím tlačítka blokuje kondenzátor. Na horním konci

potenciometru je plné napájecí napětí. Po rozepnutí tlačítka se začne kondenzátor

nabíjet přes potenciometr a odpor 10 k Ω a napětí na bázi tranzistoru začne klesat - 48 -

s časovou konstantou danou velikostí odporů a kondenzátoru. Jakmile toto napětí

klesne pod určitou mez, tranzistor se uzavře a relé odpadne. Dobu časového intervalu sepnutí relé lze nastavit potenciometrem (jemně) a změnou kapacity kondenzátoru (hrubě).



4. Označ si vývody polovodičových součástek podle katalogu 5. Proveď zapojení, kontrolu a odzkoušení úlohy 2. 3. 3 Úlohy s fotoodporem Cvičné práce

Úloha č. 8 – Spínač s fotoodporem (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že hodnota fotoodporu se mění s intenzitou osvětlení.

Popis zapojení: Jsou případy, kdy je třeba vyhodnotit intenzitu osvětlení, které přesáhne určitou mez nebo ji naopak nedosáhne.

Fotoodpor má tu vlastnost, že jeho odpor je vysoký , když není vystaven osvětlení a se vzrůstajícím osvětlením jeho odpor klesá. Obvod na obrázku využívá této vlastnosti fotoodporu k sepnutí relé. Jestliže světlo dopadá na fotoodpor, začne jím protékat proud, tranzistor se otevře a následkem proudu protékajícího mezi kolektorem a - 49 -

emitorem dojde k sepnutí relé. Podle zapojení kontaktů relé získáme obvod, který reaguje na osvětlení nebo naopak na zatmění.

Stejného výsledku dosáhneme přehozením fotoodporu a potenciometru. Potenciometr slouží k nastavení citlivosti obvodu.




Úloha č. 9 – Rozsvícení žárovky po setmění (rozšiřující učivo)

Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že hodnota fotoodporu se mění s intenzitou osvětlení.

Popis zapojení: Zapojení na obrázku realizuje tzv. soumrakový spínač. Umožňuje

automatické rozsvícení žárovky při snížení intenzity světla. Zatemníme-li fotoodpor

neprůsvitným předmětem nebo umístíme-li stavebnici se zapnutým obvodem do tmy, vzroste odpor fotoodporu, otevírají se tranzistory T4 a T5 a žárovka se rozsvítí.

Potenciometrem nastavujeme intenzitu světla, při níž se žárovka začíná rozsvěcovat. Podobné zařízení lze použít pro noční osvětlení schodiště, pro samočinné osvětlení hodin po setmění apod.



4. Označ si vývody polovodičových součástek podle katalogu 5. Proveď zapojení, kontrolu a odzkoušení úlohy - 50 -

2. 3. 4 Úlohy s tyristorem Cvičné práce

Úloha č. 10 – Zkoušeč tyristorů (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci tyristoru.

Popis zapojení: Stejně jako tranzistor má i tyristor tři elektrody: anodu, katodu a řídící elektrodu (G). Po připojení napájecího napětí k tyristoru proud tyristorem neteče.

Sepnutím spínače přivedeme napětí na řídicí elektrodu, tyristor spíná, začíná téct proud mezi anodou a katodou a světelná dioda v obvodu se rozsvítí. Vypnout tyristor lze tak,

že přepínačem odpojíme napájecí zdroj. Pracuje-li zkoušený tyristor podle toho popisu, je v pořádku.




Úloha č. 11 – Vypínání tyristoru pomocí kondenzátoru (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se, že tyristor lze vypnout i pomocí kondenzátoru nabitého s opačnou polaritou než je napětí na tyristoru.

- 51 -

Popis zapojení: Vypínat tyristor lze nejen zkratováním elektrod nebo odpojením napájecího zdroje. Jeden ze způsobů vypínání tyristoru je vypínání pomocí

kondenzátoru nabitého s opačnou polaritou než je napětí na tyristoru. Zapínání

tyristorového spínače se děje nám již známým způsobem. Po zmáčknutí tlačítka

START poteče řídicí elektrodou proud, který tyristor otevře a žárovka se rozsvítí.

Přes odpor se zároveň nabije i kondenzátor na napětí nakreslené polarity. Po zmáčknutí tlačítka STOP se přivede na tyristor napětí z kondenzátoru v opačné polaritě než je

napětí na anodě a katodě tyristoru. Tím poklesne na krátkou dobu proud tyristorem, ten se uvede do nevodivého stavu a žárovka zhasne.




Úloha č. 12 – Univerzální poplašné zařízení (rozšiřující učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci tranzistorů a tyristoru.

- 52 -

Popis zapojení: Základní požadavky, které klademe na kvalitní poplašné zařízení jsou: minimální odběr ze zdroje v pohotovostním stavu, možnost vyvolání poplachu jak spojením, tak i rozpojením kontaktu a nemožnost zrušit poplachový stav jinak než vypnutím hlavního spínače. Uvedené zapojení všechny tyto požadavky splňuje.

Z obvodového hlediska se popisované zapojení skládá z bzučáku, který je tvořen tranzistorem T4 a součástkami kolem něj a ze spínače tvořeného tyristorem,

tranzistorem T5 a odpory 1k, M1 a 470. Poplach nastane v okamžiku, kdy se T5 stane vodivým a tudíž otevře tyristor, který připojí napájení bzučáku. Tranzistor T5 lze

otevřít dvěma způsoby. Buď sepnutím kontaktů A a B (C a D jsou trvale rozpojeny) nebo rozepnutím kontaktů C a D (A a B jsou trvale sepnuty). Kondenzátor 100 nF

zajišťuje, aby nebyl poplach vyvolán náhodným brumovým napětím na bázi T5. Odpor 470 Ω zajišťuje spolehlivé sepnutí tyristoru i když se mezitím T5 uzavře. Postup: 1. Překresli schéma do cvičného sešitu 2. Sestav rozpisku materiálu


4. Označ si vývody polovodičových součástek podle katalogu 5. Proveď zapojení, kontrolu a odzkoušení úlohy 2. 3. 5 Úlohy s diakem a triakem Cvičná práce

Úloha č. 13 – Řídící obvod s diakem (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci diaku a triaku.

- 53 -

Popis zapojení: Je-li na potenciometru R1 nastaven malý odpor, nabíjí se kondenzátor C1 velmi rychle na začátku každé půlperiody napájecího napětí. V okamžiku, kdy

napětí na kondenzátoru vzroste na hodnotu spínacího napětí diaku, tento zapne a vybije kondenzátor C1 do obvodu řídící elektrody triaku. Vybíjecí proud zapne triak na

začátku půlperiody napájecího napětí a zůstane v zapnutém stavu do následujícího průchodu proudu nulou. Zvětšením odporu nastaveném na potenciometru R1 se okamžik zapnutí triaku posune a napětí na zátěži klesne. Postup: 1. Překresli schéma do cvičného sešitu 2. Sestav rozpisku materiálu


4. Označ si vývody polovodičových součástek podle katalogu 5. Proveď zapojení, kontrolu a odzkoušení úlohy 2. 3. 6 Úlohy s integrovaným obvodem Cvičná práce

Úloha č. 14 – Stmívač pro žárovky 12V (základní učivo) Zadání: Zapoj úlohu dle schématu a přesvědč se o správné funkci integrovaného obvodu.

Popis zapojení: Mezi odpory R1 a R2 je zapojen potenciometr P1. Dolní část

potenciometru je přemostěna diodou D1. Je-li běžec potenciometru u horního konce - 54 -

dráhy, je kondenzátor C1 nabíjen rychle přes oba odpory 1 kΩ a diodu D1. Výstupem obvodu NE555 je pouze krátký signál vysoké úrovně a dlouhý signál nízké úrovně.

Tím je tranzistor T1 většinu času v nevodivém stavu a napětí na zátěži je minimální. Při otočení potenciometru P1 do dolní polohy je kondenzátor C1 nabíjen pomalu přes oba odpory 1 kΩ a potenciometr 50 kΩ a vybíjen rychle přes odpor R2. Výstup obvodu

NE555 je většinu času na vysoké úrovni, tranzistor T1 je v sepnutém stavu a na zátěži je téměř plné napájecí napětí.

Regulátor je sice velmi jednoduchý, umožňuje však plynulou regulaci výkonu v rozmezí 5 až 95% maxima.




2. 3. 7 Kontrolní práce Úloha č. 15 – Siréna

Popis zapojení: Uvedené zapojení umožňuje generování tónů s plynule nastavitelným

kmitočtem. Zařízení se skládá ze dvou částí. Multivibrátor s tranzistory T4 a T5 vyrábí obdélníkové impulzy zvukového kmitočtu. Frekvence je nastavitelná potenciometrem.

Signál získaný z multivibrátoru je slabý, proto ho zesilujeme v zesilovači s tranzistorem - 55 -

T1. Jestliže budeme pomalu otáčet knoflíkem potenciometru, bude nám generovaný zvuk připomínat zvuk sirény. Akustický signál je slyšet v telefonním sluchátku. Zadání: 1) Sestav soupisku materiálu

2) Proveď zapojení úlohy podle schématu

3) Zkontroluj, zda je obvod funkční a siréna vydává tón

4) Otáčením potenciometru zkontroluj, zda se mění frekvence tónu Pracovní čas: 180 minut Hodnocení:

Závěr V současné době je velké množství různých schémat uváděno jak v odborné literatuře tak v odborných časopisech. Záleží tedy na učiteli odborného výcviku, zda uváděná schémata nahradí, či doplní jinými, vhodnými k aktuálně probírané látce.

Já jsem volil záměrně jednoduchá, přehledná zapojení, aby je žáci snáze pochopili a

přílišná složitost je neodradila od další práce. Jednotlivá schémata jsou odzkoušená a

při správném zapojení pracují napoprvé. Toto by žáky mělo motivovat a vzbudit v nich zájem o další práci s elektronickými součástkami. Stejnou měrou by k tomu mělo přispět poměrně jednoduché a stručné vysvětlení principu funkce jednotlivých polovodičových součástek v teoretickém odborném předmětu. - 56 -

Seznam použité literatury ČADÍLEK, M. Didaktika odborného výcviku technických oborů. Brno: MU PdF, 1995. 134 s. ČADÍLEK, M. Didaktika praktického vyučování I. 1. vyd. Brno: CERM, s. r. o., 2003.

LOVEČEK, A., ČADÍLEK, M. Didaktika odborných předmětů. Brno: MU PdF, 2005. 175 s. MAŇÁK, J. Vyučovací metody. Praha: SPN, 1967.

NELEŠOVSKÁ, A., SPÁČILOVÁ, H. Didaktika II. Olomouc: Vydavatelství UP, 1995.

PRŮCHA, J. Moderní pedagogika. 1. vyd. Praha: Portál s. r. o.,1997. 495 s. ISBN 80-7178-170-3.

STEJSKALOVÁ, P., ČADÍLEK, M. Didaktika praktického vyučování II. 1. vyd. Brno: CERM s. r. o., 2003. HOLUB, P., ZÍKA, J. Praktická zapojení polovodičových diod a tyristorů. 2. vyd. Praha: SNTL, 1977. 275 s.

CHLUP, J., KESZEGH, L. Elektronika pro silnoproudé obory. 1. vyd. Praha: SNTL, 1989. 219 s. IŽO, M.,TÖKÖLY, F. Elektrotechnické materiály pro SOU. 1. vyd. Praha: SNTL, 1986. 294 s. KESL, J. Elektronika – učebnice. 1. vyd. Praha: FRANGMENT, 1998. 86 s. ISBN 80-7200-261-9. TKOTZ, K. a kol. Příručka pro elektrotechnika. 1. vyd. Praha: EUROPASOBOTÁLES cz., 2002. 561 s. ISBN 80-86706-00-1.

UHLÍŘ, J., KŘEČAN, Z. Elektronika pro 2. a 3. ročník SOU. 1. vyd. Praha: SNTL, 1985. 296 s. Amatérské radio. 11/ 2001, Praha: AMARO spol. s. r. o. ISSN 0322-9572.

- 57 -

Resumé

Práce pojednává o problematice připojování polovodičových součástek

v elektrotechnice. Snaží se zjednodušeně a přístupnou formou vysvětlit princip činnosti a užití jednotlivých polovodičových prvků. Na ucelený soubor informací k této

problematice navazují praktické úlohy, na kterých je možno si ověřit správnou funkci jednotlivých součástek.

Součástí této práce je i teorie zabývající se vyučováním odborných předmětů a vyučováním odborného výcviku.

The work discusses the issue of connecting semiconductor parts in electrical

engineering. It seeks an easy and open way how to explain the operation principles and use of individual semiconductor components. The comprehensive set of information of this topic is followed by the field tests. These tests may prove right function of individual parts.

The work also includes a section on the theory that deals with teaching of the special technical subjects and teaching of vocational training.

- 58 -

Anotace Brabec, Zdeněk. Návrh souboru výukových prací pro obor Mechanik

elektrotechnických zařízení, bakalářská práce. Brno, MU 2006, 58 s.

Práce pojednává o problematice zapojování polovodičových součástek

v elektrotechnice. Zabývá se i teorií vyučování odborných předmětů a vyučování odborného výcviku. Klíčová slova:

Polovodičové součástky, praktická zapojení, vyučovací proces, odborný výcvik, didaktické zásady, vyučovací metody, didaktická technika, učební pomůcky.

The work discusses the question of connecting semiconductor parts in electrical engineering. It also deals with the theory of teaching of the special technical subjects and teaching of vocational training. Key words:

Semiconductor parts, practical wiring, teaching process, vocational training, didactic principles, teaching methods, didactic technique, teaching aids.

- 59 -

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA

Recommend Documents