I N V E S T I C E
D O
R O Z V O J E
V Z D Ě L Á V Á N Í
PODPORA ELEKTRONICKÝCH FOREM VÝUKY CZ.1.07/1.1.06/01.0043
Tento projekt je financován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.
SOŠ informatiky a spojů a SOU, Jaselská 826, Kolín
I N V E S T I C E
D O
R O Z V O J E
V Z D Ě L Á V Á N Í
ELEKTRONIKA I ZÁKLADNÍ OBVODY, ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY USMĚRŇOVAČE A STABILIZÁTORY Autorem tohoto výukového materiálu je Ing. Milan Škvrna
SOŠ informatiky a spojů a SOU, Jaselská 826, Kolín
Elektronika - úvod Elektronika je oblast vědy a techniky zabývající se jevy elektrické vodivosti ve vakuu, plynech a polovodičích. Pod pojmem elektronika rozumíme různé druhy obvodů, které se třídí podle druhu signálu (analogová,impulsová a číslicová elektronika) podle oblasti použití ( spotřební, průmyslová, lékařská), podle funkčního hlediska (informační – měřící,řídící, sdělovací či výkonovou, sloužící pro přeměnu a přenos elektrické energie)
Základní pojmy elektroniky • Elektronické obvody – konstrukční útvary vzniklé spojením elektronických součástek se zdrojem elektrické energie • Elektronická zařízení – zpracovávají signály analogové a číslicové, nebo tyto signály vytvářejí • Obvodová součástka – elektronický prvek, který má přesně dané elektrické vlastnosti – parametry, např. odpor rezistoru, kapacita kondenzátoru, prahové napětí diody, proudové zesílení tranzistoru apod. • Obvodová veličina – napětí a proud v obvodu
Základní pojmy Elektronický obvod
Součástky • 1.podle voltampérové charakteristiky - lineární prvky – základní parametr (kapacita, indukčnost) nezávisí na procházejícím proudu či napětí, mají lineární charakteristiku, platí Ohmův zákon - nelineární prvky – existuje závislost základního parametru na proudu či napětí, mají nelineární V-A charakteristiku
Součástky Lineární a nelineární závislost proudu i na napětí u
Poměry, za kterých je prvek v elektrickém obvodu provozován, označujeme jako pracovní bod. Ten je určen napětím a proudem na prvku při jeho činnosti v obvodu. Statický odpor Dynamický odpor
Součástky 2. podle množství vývodů, kterými je prvek připojen k obvodu • dvoupóly – rezistory, diody • čtyřpóly – transformátory • vícepóly – integrované obvody
3. podle energetického hlediska - pasivní – mají elektrické vlastnosti stálé, nezávislé na přiváděném proudu a napětí – v obvodu se chovají jako spotřebiče (odpor, kondenzátor) - aktivní – elektrické vlastnosti jsou proměnlivé a řiditelné změnou napětí a proudu – v obvodu se chovají jako zdroje (tranzistory, některé diody)
Součástky
Součástky • Rezistory parametry rezistorů - jmenovitý odpor rezistoru –předpokládaný odpor součástky v ohmech - tolerance jmenovitého odporu - dovolená odchylka od jmenovité hodnoty - jmenovité zatížení – výkon, který se smí přeměnit v teplo, aniž by teplota povrchu překročila přípustnou velikost - největší dovolené napětí – maximální dovolené napětí mezi vývody. Při jeho překročení může dojít k poškození součástky. - teplotní součinitel odporu – určuje změnu odporu rezistoru způsobenou změnou teploty
Součástky Náhradní schéma skutečného rezistoru
Rezistor má v obvodu střídavého proudu kromě činného odporu R ještě odpor Rf vlivem povrchového jevu . Povrchový jev (skinefekt) způsobuje vlivem vlastní indukce uvnitř vodiče nerovnoměrné rozložení hustoty elektrického proudu ve vodiči. Největší hustota proudu je pod povrchem vodiče, což způsobuje, že při průchodu střídavého proudu vodičem klade tento vodič mnohem větší odpor než při průchodu stejnosměrného proudu. Dále má rezistor indukční reaktanci vyvolanou indukčností L a kapacitní reaktanci tvořenou kapacitou C mezi závity u rezistorů vinutých drátem a mezi vývody.
Součástky
Součástky • Kódy pro značení rezistorů
Součástky
Součástky - rezistory
Kondenzátory Kondenzátory mají tu vlastnost, že v sobě hromadí elektrický náboj. Množství náboje Q = C × U . kondenzátory podle druhu dielektrika. – Vzduchové nejčastěji se vyrábí proměnné. Mají vysokou jakost a jsou použitelné pro vysoké kmitočty. –
Kapalinové v těchto kondenzátorech je dielektrikem olej s dobrými izolačními vlastnostmi. Používají se v obvodech s vysokým napětím.
–
Papírové elektrody jsou tvořeny fóliemy a jsou odděleny speciálním papírem, který zajišťuje vysokou kvalitu kondenzátoru při vysokých kmitočtech.
–
Slídové elektrody jsou tvořeny vrstvami stříbra napařené na slídové destičky. Mají vysokou jakost.
–
Keramické elektrody jsou tvořeny kovovou vrstvou vypálenou do keramického tělíska.
–
Vakuové jsou podobné jako vzduchové, mají vysokou jakost. Používají se ve vysokofrekvenčních obvodech a v obvodech s vysokým napětím.
–
Elektrolytické jedna elektroda je hliníkový plech a druhá elektroda je tvořena vhodným elektrolytem. Dielektrikum je tvořeno zoxidovaným hliníkem působením elektrolytu. Mají velmi vysokou kapacitu při malých rozměrech. Nesmí se přepólovat.
Kondenzátory Vlastnosti kondenzátorů Jmenovitá kapacita hodnota kapacity, kterou má kondenzátor. Bývá uvedena přímo na kondenzátoru.
Skutečná kapacita – hodnota kapacity, kterou změříme pomocí měřícího přístroje.
Provozní napětí – maximální napětí, které můžeme trvale připojit na kondenzátor aniž bychom ho zničili.
Izolační odpor – stejnosměrný odpor dielektrika
Ztrátový úhel – úhel o který je fázový posun menší než 90°.
Součástky- kondenzátory
Součástky - kondenzátor C…vlastní hodnota kapacity Ls…parazitní sériová indukčnost – je dána tvarem elektrod a přívodů
Rp..parazitní paralelní odpor – je dán materiálem dielektrika, způsobuje svod kondenzátoru
Rs.. Parazitní sériový odpor – je určen jak elektrodami, tak dielektrikem
Součástky - kondenzátory
Součástky - kondenzátory
Součástky - kondenzátory Použití kondenzátorů - uchovávají energii na krátkou dobu - jelikož se napětí na kondenzátoru nemůže změnit okamžitě, používají se na vyhlazení napětí - jsou užívány na oddělení střídavých a stejnosměrných signálů - Kondenzátory spolu s cívkami se používají na vytvoření rezonančních obvodů, které jsou základem radiotechniky
Součástky - cívky • jsou součástky, jejichž podstatou je vodič navinutý do tvaru šroubovice nebo spirály. Základní vlastností je vlastní indukčnost. Indukčnost závisí na počtu závitů, jejich geometrickém uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají i které cívka obklopuje.
Cívky Charakteristické vlastnosti cívek U cívek je napětí fázově posunuto oproti proudu o 90°. To však platí pro ideální cívku. U skutečných cívek podobně jako u kondenzátorů dochází ke ztrátám. Ty opět představuje ztrátový odpor, který přiřazujeme buď paralelně nebo sériově k ideální cívce. To znamená, že u skutečné cívky je fázový posun mezi celkovým napětím a proudem o něco menší než 90°. Ztrátový tg d = UR / UL = R / wL Činitel kvality – je to převrácená hodnota tg d. Q = 1 / tg d
d - ztrátový úhel
Součástky - cívky použití cívek - cívky slouží k udržování konstantního proudu, brání náhlým změnám proudu, které by jinak mohly poškodit ostatní součástky. Používají se u filtrů a stabilizátorů napětí a proudů - cívky vytvářejí magnetické pole,které přitahuje železo a tím vyvolává pohyb. Z toho důvodu je cívka součástí relé, motorů, reproduktorů, ……
Součástky - cívky - cívky jako součást transformátorů se používají na změnu napětí a proudu - společně s kondenzátory vytvářejí rezonanční obvody
Děliče napětí Frekvenčně nezávislý dělič napětí -tvoří ho sériově spojené rezistory R1 a R2 -může pracovat naprázdno nebo být zatížen odporem Rz -pracuje-li dělič napětí naprázdno (nezatížený dělič napětí), je zatěžovací proud Iz = 0, tzn., že I1 = I2 -výstupní napětí U20
Děliče napětí - U zatíženého děliče napětí není zatěžovací proud nulový a tím bude U2 menší než u nezatíženého děliče. Pro výpočet použijeme těchto vztahů:
Děliče napětí Frekvenčně závislý dělič napětí a) Integrační článek RC přenosová charakteristika
Děliče napětí b) Integrační článek RL
Děliče napětí c) Derivační článek RC Z charakteristiky vyplývá, že nejmenší přenos napětí je při nízkých frekvencích, se zvyšující frekvencí přenos stoupá.
U2 R Au = = U1 R2 + X2c
Děliče napětí d) derivační článek RL
U2 XL A= = 2 2 U1 XL + R
Děliče napětí Kapacitní dělič napětí
Čistě kapacitní dělič napětí je frekvenčně nezávislý. U2 X C2 AU = = = U 1 X C1 + X C2
1 2πfC 2
1 1 + 2πfC 1 2πfC 2
C1 = C1 + C 2
Reaktanční čtyřpóly Při přenosu signálů se často požaduje oddělení signálů rozložených v jedné frekvenční oblasti od signálů rozložených v jiné frekvenční oblasti. K tomu se používají elektrické filtry. Podle rozložení frekvenční oblasti dělíme filtry na:
-
dolnopropustní hornopropustní pásmové propusti, které v určité oblasti frekvenční signály propouštějí, mimo tuto oblast signály tlumí pásmové zádrže, které v určité oblasti frekvencí signály tlumí
V těchto zapojeních se používají RC a RL filtry.
Reaktanční čtyřpóly Dolnopropustní filtry RC a RL
frekvenční charakteristika
Reaktanční čtyřpóly Hornopropustní filtry RC a RL
frekvenční charakteristika
Nelineární obvody Nelineárním obvodem je každý obvod, který obsahuje alespoň jeden nelineární prvek. Při řešení se takový obvod zjednoduší pomocí Théveninovy poučky tak, že právě tento prvek se vynechá pro výpočty U0 a Ri. (napětí zdroje U = 5 V)
Nelineární obvody Pro další řešení použijeme graficko-početní metodu. Nejprve zobrazíme VA charakteristiku nelineárního prvku. Do stejného obrázku zakreslíme zatěžovací charakteristiku skutečného zdroje. Pracovní bod je v průsečíku obou charakteristik. Pro I = 0 je U = U0 Pro U = 0 je Ik = U/R
Polovodiče Struktura křemíku Při teplotě 0 K
Při zvýšení teploty se některé vazby poruší. Po elektronech, které opustily vazbu, zůstane nenasycená vazba - díra d
Polovodiče Elektron je částice se záporným nábojem, díra vlastně představuje částici s kladným nábojem. Může se totiž rovněž přesouvat. Elektron ze sousední vazby přeskočí do vedlejší díry a ta se tak "posune" o místo vedle (ve skutečnosti se jedna díra zaplní a jiná vznikne, ala efekt je stejný, jakoby nic nezanikalo ani nevznikalo a díra se jen přesunula. Mluví se proto o pohybu díry)
Polovodiče Pohyb elektronu a díry se musí dít najednou (elektron uvolní vazbu, zaplní díru a ta se tak pohybuje). Vypadá to tedy tak, že na jednu stranu se vždy pohybuje záporný elektron, na druhou stranu kladná díra. Toto je princip vlastního polovodiče. Má stejný počet elektronů a děr. Připojíme –li polovodič ke zdroji napětí, pohybují se elektrony směrem ke kladné zdířce zdroje a díry směrem k záporné zdířce. Polovodičem protéká elektrický proud I. Odpor polovodiče bude ale silně záviset na tom, jakou mu dodáme energii. To znamená například na světle a na teplotě. Ale třeba i na tlaku. Pro použití v elektrotechnice je proto zcela nevhodný. Elektrické vlastnosti vlastních polovodičů lze upravit pomocí elektricky aktivních příměsí. K tomuto účelu jsou nejvhodnější prvky, které s křemíkem Si nebo germániem Ge sousedí v periodické soustavě prvků.
Polovodiče příměsový polovodič s pětimocnou příměsí
polovodič typu N uvolní se pátý elektron od atomu arsenu
Polovodiče Atom arsenu má pět valenčních elektronů, ale poslední z nich je velmi slabě vázán. Proto se již při nízkých teplotách uvolní a stane se volným. Na jeho místo k atomu arsenu se však nemůže navázat žádný jiný elektron, protože vazba je na to příliš slabá (arsen ho "nechce"). Atomy arsenu se stanou nepohyblivými kladnými ionty. Díky každému atomu arsenu tak vznikne jeden elektron, ale žádná díra.Takovýto polovodič má tedy více elektronů než děr (páry elektron – díra samozřejmě vznikají z atomů křemíku stejně jako u vlastního polovodiče) a nazývá se polovodič s elektronovou vodivostí neboli polovodič typu N. Elektrony se nazývají majoritní (většinové) nosiče náboje, díry minoritní (menšinové) nosiče. Atomy příměsy (zde As) se nazývají donory („darují“ elektron).
Polovodiče Indium má jen tři valenční elektrony, ale velmi snadno naváže ještě jeden další elektron. Potom ho již "nepustí", takže se z atomu india stane nepohyblivý záporný iont . Nazývá se proto akceptor (příjemce). Díky každému atomu india vznikne jedna volná díra, ale žádný elektron.V takovémto polovodiči je tedy více děr než elektronů. Je to polovodič s děrovou vodivostí neboli polovodič typu P. Díry se nazývají majoritní (většinové) nosiče náboje, elektrony minoritní (menšinové) nosiče. Příměsový polovodič s třímocnou příměsí
Polovodič typu P – atom příměsy přijme elektron a vytvoří se tak volná díra d
Polovodiče - dioda Polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P a s částí typu N (přechod je vytvořen v jednom materiálu - nejsou to dva kousky přitisknuté k sobě!!!). V okamžiku vytvoření diody (PN přechodu) vypadá situace takto:
Polovodiče -dioda V blízkosti přechodu je velká koncentrace děr i elektronů => elektrony pronikají do části P a díry do části N a vzájemně rekombinují => volné částice s nábojem mizí z oblasti přechodu a začíná se projevovat difuzní elektrické pole Ed vytvářené nepohyblivými ionty příměsí. Další elektrony a díry se nemohou dostávat k přechodu (elektrické pole na ně působí silami směrem od přehodu)
Polovodiče - dioda Na PN přechod připojíme vnější napětí s plus na P a mínus na N => intenzita vnějšího el. pole E má směr proti intenzitě Ed. Celková intenzita elektrického pole na přechodu je dána vektorovým součtem intenzit E a Ed. Bude-li tedy E větší než Ed (přiložené napětí bude dostatečně velké), bude mít celková intenzita směr od P k N, kladně nabité díry a záporně nabité elektrony se budou pohybovat směrem k přechodu a přes přechod bude procházet elektrický proud. PN přechod je zapojen v propustném směru.
Polovodiče - dioda Na přechod dáme vnější napětí s opačnou polaritou, tj. plus na N. Intenzita vnějšího pole E a intenzita Ed mají stejný směr a "odtlačují" volné elektrony a díry ještě dále od přechodu. Na přechodu nejsou volné majoritní částice s nábojem. Přechod je zapojen v závěrném směru. Dioda je tedy součástka, kterou může procházet elektrický proud jen jedním směrem (propustným).
Polovodiče - dioda Provedení diod: Hrotová dioda – použití pro malé proudy a vysoké frekvence (např. detekce radiových signálů) Plošná dioda – použití pro velké proudy a nízké frekvence .
Polovodiče I při nenulovém napětí na diodě menším než cca. 0,6 V je proud diodou stále nulový. Proud diodou začne procházet teprve tehdy, když intenzita vnějšího elektrického pole E převýší intenzitu difuzního elektrického pole Ed .Difuzní napětí vytvářené difuzním elektrickým polem na přechodu má typicky hodnotu právě kolem 0,6 V. Aby diodou začal procházet proud, musí být vnější napětí větší než difuzní napětí. Charakteristika diody není exponenciální. Materiál, ze kterého je dioda vyrobena, má nenulový elektrický odpor a tudíž se chová částečně jako rezistor. Náhradní schéma diody: Při malém proudu (do asi 1 mA) se ještě neprojevuje ohmický úbytek napětí na diodě a její charakteristika je exponenciální. Při vyšších proudech již ohmický úbytek (úbytek na „rezistoru“) převáží a charakteristika se stává lineární jako u běžného rezistoru.
Polovodiče - diody Usměrňovací diody – pro usměrňování střídavého proudu. U těchto diod se požaduje malý úbytek napětí v propustném směru, velký propustný proud a velké závěrné napětí.
Polovodiče - diody Svítivá dioda – LED – dioda vyzařující světlo. Je to výbojový zdroj, který na polovodičovém přechodu přetváří elektrický proud na světlo. Přibližný úbytek napětí na LED diodách: červená 1,7 V, zelená 1,85 V, žlutá 2 V, modrá 3,5 V
Polovodiče - diody Zenerova dioda Používá se ke stabilizaci napětí. Je určena k zapojení v závěrném směru.
Polovodiče - diody
Polovodiče - diody
Usměrňovače Používá se jako napájecí zdroj pro zařízení s malým odběrem elektrické energie.
Usměrňovače U tohoto typu je nutný síťový transformátor s vyvedeným středem sekundárního vynutí.
Usměrňovače Výhodou je jednodušší síťový transformátor, jsou zde však nutné čtyři usměrňovací diody.
Usměrňovače Usměrňovač, který na výstupu dává napětí jak kladné,tak záporné vůči nule.
Usměrňovače
Usměrňovače Vysokonapěťový usměrňovač Aby se diody nepoškodily, řadí se do série, aby se na nich vn rozložilo. Ke zlepšení tohoto rozložení se použijí přídavné odpory.
Usměrňovače Schéma představuje usměrňovač střídavého proudu, použitý na lokomotivách např. řady 240 (S499.0) Českých drah. Slouží pro usměrňování střídavého proudu, který je odebírán z troleje (jednofázové napětí 25 kV) a usměrňován pro trakční elektromotory.
Usměrňovače • Princip: • V usměrňovači jsou použity křemíkové diody. V každé větvi můstku jsou diody zapojeny po sedmi paralelně a čtyřech v sérii. Kondenzátory C1-C16 chrání diody před přepětím vznikajícím při přechodu z vodivého do závěrného stavu. Rezistory R1-R87, které jsou připojeny mezi diodami, zlepšují paralelní rozdělení proudu. Ke stejnému účelu slouží tlumivky T1-T14. • Ochranu pro případ průrazu usměrňovače tvoří soustava rezistorů R85-R92 a relé B1-B4. Při průrazu některé diody projde proud cívkou relé a relé zapůsobí. Přes jeho pomocné kontakty se porucha hlásí na stanovišti strojvedoucího. • Střídavý proud vstupuje do usměrňovače kontakty A, B, stejnosměrný proud se odebírá na svorkách +e, -e, usměrnění je dvoucestné.
Zdvojovač napětí Když je potřeba, aby výstupní napětí bylo vyšší, než napětí sekundárního vinutí, používají se zdvojovače napětí. Výstupní napětí U2 = 2 . U1
Zdvojovač napětí Sepneme-li spínač, začne se v první záporné půlperiodě nabíjet přes diodu D1 kondenzátor C1 a nabije se na amplitudu napětí zdroje Následuje kladná půlperioda napětí. Dioda D1 je v závěrném směru, napětí zdroje a napětí na kondenzátoru C1 jsou vůči kondenzátoru C2 v sérii. Kondenzátor C2 se tedy nabije na napětí na kondenzátoru C1 (což je amplituda napětí zdroje) plus amplituda napětí zdroje, tedy na dvojnásobek amplitudy zdroje
Zdvojovač napětí Princip činnosti zdvojovače napětí
Násobič napětí Je-li třeba zvýšit napětí více, použije se násobič napětí. Příkladem je násobič , který se používá např. ve zdrojích VN v televizorech, kde napájejí vysokým napětím (10 – 25 kV) obrazovku.
Násobič napětí Násobič napětí třemi - postupné nabíjení
Stabilizátory Stabilizátor se stabilizační (Zenerovou) diodou
Stabilizátory Popis činnosti
Stabilizátory Stabilizátor s tranzistorem Stabilizátor s diodou dosahuje malé účinnosti a je použitelný pouze pro malé proudy. Proto se stabilizační dioda doplňuje vhodným zapojením tranzistoru. Celé zapojení pracuje takto:
Polovodiče - tyristor Tyristor je polovodičová součástka se třemi PN přechody, která se používá jako spínač k regulaci výkonu - tzv. bezeztrátové regulaci
.
Polovodiče - triak Triak je pětivrstvá polovodičová součástka
Polovodiče - triak Triak nahrazuje dva antiparalelně řazené tyristory. Řídícím napětím lze triak sepnout při obou polaritách. Má pouze blokovací a propustný stav. Používá se k řízení výkonů ve střídavých obvodech.
Polovodiče - diak Diak – Diac – Diode Alternating Curent Switch = diodový spínač střídavého proudu Třívrstvá součástka, kterou lze sepnout v obou směrech překročením blokovacího napětí UBO
Polovodiče – tunelová dioda Při závěrné polarizaci se tunelová dioda chová jako lineární rezistor s malým odporem (tzn. propouští proud). Při propustné polarizaci její proud nejprve vzrůstá, dosahuje maxima Ip v bodě P při napětí U asi 0,1 V. Při dalším růstu napětí proud klesá až do bodu V. Při napětí 0,3 až 0,4 V se VA charakteristika podobá běžné diodě. Mezi P a V je oblast záporného diferenciálního odporu. Této vlastnosti se dá využít např. u oscilátorů bez zpětné vazby.
Polovodiče- kapacitní dioda • VARIKAP – využívá kapacity na PN přechodu. Zapojuje se v závěrném směru. Se zvětšujícím se napětím se zvětšuje vzdálenost mezi oběma vodivostmi a tím dochází ke snižování kapacity. Napětí pro ovládání se pohybuje 0 – 30 V. Pro své malé rozměry a snadné ovládání se používá v laděných rezonančních obvodech jako náhrada za proměnné kondenzátory
Použité prameny • • • • • •
Miloslav BEZDĚK – Elektronika I – 2005 Klaus TKOTZ a kolektiv – Příručka pro elektrotechnika – 2002 www.vossost.cz www.ackoo.estranky.cz www.elektronika.ezin.cz abcdimenze. wz.cz/elektronika/usmernovace.html
