VOSIS/VO1P/2. semestr - LO/ZEO/1. Zápočtový test.md

ZEO - 1. Zápočtový test

Základní součástky a přechodové jevy

Dělení součástek

• dle chování:
  • pasivní (spotřebič - R, L, C, dioda, termistor, ...)
  • aktivní (zdroj - baterie, fotodioda, tranzistor, ...)
• dle kmitočtové závislosti:
  • nezávislé (rezistory, diody, tranzistory)
  • závislé
    • mění impedanci se změnou kmitočtu (C, L)
• dle závilosti proudu na napětí
  • lineární (rezistory, cívky a kondenzátory)
  • nelineární (diody, tranzistory, tyristory, ...)

Rezistor

• pasivní elektronická součástka projevující se v el. obvodu, v ideálním případě jedinou vlastností - elektrickým odporem [R]

• rezistor řadíme do obvodu z důvodu:

  • snížení velikosti elektrického proudu
  • k získání úbytku elektrického napětí

• elektrický odpor je fyzikální veličina, která charakterizuje schopnost el. vodičů vést elektrický proud

• Elektrický odpor značíme R a jednotkou je Ω (ohm)

Rezistivita

• měrný odpor vodiče
• R = Q * \frac{1}{S} [Ω;Ω*m, m, $m^2$]

Výpočet odporu a charakteristika

• R = \frac{U}{I}

Značky odporu

• neproměnný rezistor
• proměnný rezistor (potenciometr, reostat)
• nastavitelný rezistor (trimmr)
• nelineární proměnný rezistor (termistor, varistor, ...)
• fotorezistor
• topný rezistor

Dělení rezistorů

• pevné - velikost odporu se nemění
• proměnné - plynulá změna odporu v určitém rozsahu

Konstrukce pevných rezistorů

• drátové
• vrstvové
• válcové / ploché - pro povrchovou montáž (SMD)

Konstrukce proměnných rezistorů

• rotační
• posuvné

Vlastnosti rezistorů

• Jmenovitý odpor rezistoru – předpokládaný odpor součástky v ohmech
• Tolerance jmenovitého odporu rezistorů – označuje se jí dovolená odchylka od jmenovitých hodnot
• Jmenovité zatížení rezistorů neboli ztrátový výkon - výkon, který se smí za určitých podmínek přeměnit v teplo, aniž by teplota jeho povrchu překročila přípustnou velikost
• Provozní zatížení rezistorů – největší přípustné provozní zatížení rezistoru, které je určeno pro nejvyšší teplotu součástky, při které ještě nenastávají trvalé změny jejího odporu ani podstatné zkracování doby životnosti
• Největší dovolené napětí – největší dovolené napětí mezi vývody součástky, při jehož překročení by mohlo dojít k jejímu poškození
• Teplotní součinitel odporu rezistoru – určuje změnu odporu rezistoru způsobenou změnou jeho teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky odpovídající vzrůstu teploty o 1°C v rozsahu teplot, ve kterých je změna teplot vratná

Řazení rezistorů

• seriové - R = R_1 + R_2
• paralelní - \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}

Řady rezistorů

• řady jmenovitých hodnot
• typické jsou řady E – s exponenciálním rozdělením
• každá vyšší řada obsahuje vždy dvojnásobný počet hodnot

Značení proužky

• Běžně 3- 4 proužky (až 6)

1. pruh A – první platná číslice hodnoty odporu
2. pruh B – druhá platná číslice hodnoty odporu
3. pruh C – desítkový násobitel
4. pruh D – tolerance

Kondenzátory

• pasivní elektronické součástky, jejichž charakteristickou vlastností je kapacita [F]
• Kondenzátor je schopen akumulovat energii ukládáním elektrického náboje na svých elektrodách

Kapacita

• Jednotkou kapacity je farad, značí se F a je to kapacita takového uspořádání, na němž by se při napětí jeden volt nahromadil náboj jedencoulomb
• C = \frac{Q}{U} [F;C,V]

Značky kondenzátorů

• pevné
• elektrolytické
• ladící
• dolaďovací

Dělení kondenzátorů

• pevné
  • keramické
    • 1pF-100nF
    • 16-4000V
  • svitkové
    • 1nF-1µF
    • 0-1000V
  • fóliové
    • 1nF-1µF
    • 30-1000V
  • elektrolytické
    • 1µF-10mF
    • 5-400V
• proměnné
  • ladící
    • 50 pF až 500 pF
  • Dolaďovací trimry
    • 1,5 pF až 15 pF

Vlastnosti kondenzátorů

• Jmenovitá kapacita [F]
• Maximální napětí [V]
• Izolační odpor [Ω] (109 Ω)
• Ztrátový činitel tgδ (charakterizuje ztráty kondenzátoru)

Řazení kondenzátorů

• Výpočty obráceně oproti rezistoru
• Seriově – kapacita se snižuje
  • \frac{1}{C} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}
• Paralelně – kapacita se zvyšuje
  • C = C_1 + C_2

Kapacitance (reaktance)

• zapojíme-li kondenzátor do obvodu se stejnosměrným zdrojem napětí, kondenzátor se nabije a proud jím neprochází
• V obvodu střídavého proudu kondenzátorem prochází proud (kondenzátor se nabíjí a vybíjí), který je dán vzorcem: X_C = \frac{1}{2*\omega*C}

Nabíjení kondenzátoru

• Kde τ je časová konstanta τ = R*C

Energie kondenzátoru

W = \frac{1}{2}*C*U^2

Cívky

• jsou pasivní elektronické součástky, jejichž charakteristickou vlastností je indukčnost
• jednotkou je H
• Cívky působením elektrického proudu vytvářejí magnetické pole. To v nich indukuje elektrické napětí působící proti proudu, který je vytváří

Indukčnost

• Cívka má indukčnost 1 H, jestliže změnou proudu 1 A za 1 s se v ní indukuje napětí 1 V
• koeficient úměrnosti mezi magnetickým indukčním tokem vytvářeným v tenké uzavřené vodivé smyčce a velikostí stacionárního elektrického proudu, kterým je protékána
• L=[H]

Značení cívek

• bez jádra
• s jádrem
• transformátor

Cívky rozdělení

• podle tvaru:
  • obyčejná
  • selenoid
  • toroid
• podle frekvence střídavého proudu:
  • nízkofrekvenční
  • vysokofrekvenční
• podle konstrukce:
  • s jádrem
  • bez jádra

Transformátor

• převod transformátoru: P=\frac{N_2}{N_1}=\frac{U_2}{U_1}=\frac{I_1}{I_2}
• p > 1 výstupní napětí je větší než vstupní napětí
• p < 1 vstupní napětí je menší než vstupní napětí

Cívky

• Elektromagnet - využívá se magnetické síly magnetické pole kolem cívky – např. relé
• Induktor - využívá se elektrické napětí indukované proměnným magnetickým polemkolem cívky – např. transformátor, čtecí hlavičky v pevných discích, v elektromagnetických oscilačních obvodech, tlumivka (cívka určená k blokování signálů nějaké frekvence v elektrickémobvodu, zatímco signály daleko nižších frekvencí astejnosměrný proud propouští s malým odporem)

Induktance

• Správněji induktivní reaktance
• Induktance je důsledkem přeměny energie proudového pole na energii magnetického pole
• V RL obvodech induktance způsobuje fázový posuv mezi proudem a napětím. Proud procházející obvodem se zpožďuje za napětím
• X_L = L*\omega

Diody

• dioda má dvě elektrody, anodu a katodu
• je-li anoda kladnější než katoda, dioda vede proud
• obráceně proud nevede

Spínací dioda

• Schotkyho dioda
• Tam kde se rychle mění polarita

Fotodioda

• Upravena tak aby k PN přechodu mohlo světlo
• Bez osvětlení funguje jako běžná dioda
• Reakce 10-6 až 10-9 s
• Princip fotoelektrického jevu
• Odporový režim – zapojím v závěrném směru a mám světlo-citlivý odpor

LED (Svítivá) dioda

• Charakteristika analogická k normálním diodám
• Podstatně vyšší úbytek napětí
• Na přechodu se emituje světlo
• Projde proud -> rekombinují se elektrony -> uvolňuje se energie - > energie se vyzáří v podobě elektronu
• Malé proudy
• Předřadné rezisory

Usměrňovače

• „Jednoduchý“ obvod pro převod AC na DC
• Většina obvodů potřebuje DC napětí
• Dnes už téměř zcela vyřadil motorgenerátory
• i vícefázové

Usměrňovač - Jednocestný

Usměrňovač - Dvoucestný můstkový

Zenerova dioda

• Speciální dioda s úzkým PN převodem
• Používá se v závěrném směru – omezí napětí
• Zenerův jev
• Lavinový efekt

Baterie

Rozdělení

• Primární články – nenabíjecí chemické baterie

• Sekundární články / Akumulátory – lze je nabít

  • Chemická energie se mění na elektrickou a naopak

• Monočlánek

• Baterie

Primární články

• liší se dle své konstrukce (tvaru) a použité chemie
• Tužková AA, mikrotužková AAA
• C a D články
• 9V
• Karbon-Zinek
• Lithium
• Alkalické
• výhody:
  • malé samovybíjení (roky)
  • dostupné všude
• nevýhody:
  • jen jedno použití
  • vyšší vnitřní odpor (malé proudy)
  • vytékání
  • nerecyklují se

Karbon-zinkové

• Původní typ
• Pro málo náročné aplikace (ovladače, hračky,…)
• Levné
• Poměrně malá kapacita

Alkalické

• výhody:
  • Velmi rozšířené
  • Vyšší kapacita
  • Velmi nízké samovybíjení
• nevýhody:
  • Vyšší vnitřní odpor – malé zátěže
  • Dražší
  • Špatně snáší chlad
  • Vyšší náchylnost k vytékání

Lithiové

• NEZAMĚNIT s Li-ion – ty jsou nabíjecí!
• Různé typy a rozměry ale nejčastěji knoflíky CR20xx - Velmi lehké
• Téměř nulové samovybíjení (až 20 let)
• Malý vnitřní odpor (velké proudy)
• Vyšší kapacita
• Vyšší cena
• Pozor na stejný rozměr (AA) ale vyšší napětí (3,6V)

Akumulátory

• Akumulátorem rozumíme takovou baterii nebo článek, který lze nabít elektrickou energií a následně vybít do zátěže s tím, že tento proces lze provádět opakovaně
• Potkáme asi více než primární články (ty jsou vytlačovány NiMH)
• Aku-pack/baterie

Dělení

• Různé druhy, ale hlavně:
  • „Chemie“
  • Hustota energie
  • Napětí článku
  • Stabilita (životnost)

Hustota energie

• Udává nám kolik energie jsme schopni uložit do jednotkového objemu
• Olověný: 60-110 Wh/L
• NiCd: 150–200 Wh/L
• NiMH: 140-300 Wh/L
• NiZn: 280 Wh/L
• Li-ion: 250-676 Wh/L
• Pro srovnání: Alkalický článek (primární): 250-434 Wh/L

Napětí článku

• NiMH: 1.20V/článek
• NiCd: 1.20V/článek
• NiZn: 1.65V/článek
• Olověný: 2.10V/článek
• Li-ion: 3.60V/článek
• Pro celou baterii (akupack) se sčítají jednotlivé články

Olověné baterie

• Akumulátor s elektrodami na bázi olova, jehož elektrolytem je kyselina sírová H2SO4
• Dneska klasicky tzv. gelové bezúdržbové akumulátory
• Poskytuje vysoké rázové proudy
• Spolehlivost (5 a více let, 500-800 cyklů)
• Snese mírné přebíjení
• Nesnese podbití (rychle nabíjet jinak klesá kapacita)
• Velká hmotnost
• 2,1-1,95V

NiMH,NiCd,NiZn

• Snaha nahradit primární články
• Nejprve NiCd – zastaralé a nahrazené NiMHa jsou velmi citlivé na přebíjení
• NiZn – fajn na proudy ale malá životnost (200- 300 ale po 50 silné samovybíjení)
• Dále se budeme věnovat NiMH

NiMH

• Ideálně s napětím 1,2 V nahrazují primární články
• Nickel Methal Hybride
• Samovybíjení – první den 5-20%, potom 1-4%denně
• Proto technologie NiMH LSD (Low Self- Discharge) – sice o 20-30% nižší kapacita ale udrží 90% více než rok
• Životnost cca 1000 cyklů (spec. i 2000) ale zásadní vliv hraje správné nabíjení

Li-Ion

• Lithium iontové články se díky svým vlastnostem používají hojně ve spotřební elektronice
• Díky vyššímu nominálnímu napětí článku (3,6V) může zařízení vyžadující vyšší napětí pracovat s méně články místo např. baterie složené z více NiMH článků
• Monočlánek velikosti 18650
• Velká hustota energie
• 4,2-2,6V
• Malé samovybíjení
• 500-1000 Cyklů
• Pozor na podbití (2V a následné nabití může znamenat výbuch článku!)
• Stárnutí (po 2-3 letech KO i když se nepoužívají)
• Specifické je i nabíjení – nesmí se ani přebíjet

Li-pol (Lithium-polymer)

• Li-pol akumulátor používá místo tekutého elektrolytu (Li-ion) elektrolyt pevný
• Velmi lehké (15%) ale objemnější (20%)
• Libovolné tvary
• Tenké tvary
• Pro RC, PDA, Mobily,…
• Ostatní vlastnosti dost podobné jako Li-ion

Spínané zdroje a DC-DC měniče

• výhody:
  • Malá hmotnost
  • Vysoká účinnost
  • Menší rozměry
• nevýhody:
  • Rušení od spínání
  • Omezená životnost (Namáhané kondenzátory)

DC-DC měniče

• Nábojová pumpa – topologie pro velmi nízké výkony (proud řádu jednotek miliampérů.)
  • Výhodou je konstrukce bez cívek – jako zásobník energie využívá kondenzátory
• Snižovač napětí – (angl. step-down nebo buck-converter)
• Zvyšovač napětí – (angl. step-up nebo boost-converter)
• Invertor (angl. buck-boost – umožňuje zvyšování i snižování napětí, obrací polaritu napětí. (Nemá nic společného se svářecím invertorem)
• Bezrozptylový měnič – výstupní napětí může být vyšší nebo nižší než vstupní, polarita zůstává stejná
• Obousměrný měnič – umožňuje přenos napětí oběma směry
  • tj. výstup může fungovat jako vstup a naopak
  • použití např. při řízení motorů s možností rekuperačního brždění.
  • Bezrozptylový invertor (Ćuk) – obrací polaritu vstupního napětí

Zvyšovač napětí

• Vypínač sepnut nebo rozepnut
• Pokud sepnut – ze zdroje teče proud a levý konec je +
• Pokud rozepnut – cívka začne ztrácet mag. pole a změní se její polarita
• Sčítá se napětí cívky a napětí zdroje a hlavně se nabíjí kondenzátor na vyšší napětí od cívky

Snižovač napětí

• Spínač má dva stavy – vypnuto zapnuto
• Když zapnuto – teče proud který je nějak omezen cívkou a levá strana +
• Když rozepnuto – přepólování pravá strana + cívka se chová jako zdroj a maximální napětí omezí ZD

Operační zesilovače

• Jeden z nejčastěji používaných prvků
• Operační – „umí“ matematické operace =>
  • Základní prvek pro zracování analogového signálu (součet, rozdíl, negace, integrace, derivace, generování signálu, …)
  • V zásadě ekvivalent mikroprocesoru pro analog
• Původně určen (nejen) pro analogové počítače

Blokové schéma operačního zesilovače

Rozdělení operačního zesilovače

• Univerzální
  • Pro běžné použití
• Přístrojové
  • Pro měření malých napětí (velké zesílení malé zb. nap.)
• Širokopásmové a rychlé
  • Pro vysoké frekvence 20 – 700 MHz
• Pro velká výstupní napětí – Stovky voltů
• Speciální
  • Speciální aplikace většinou s malou spotřebou
• Podle technologie – Bipolární – Unipolární
• Podle napájení – Symetrické – Nesymetrické (zřídka)

Zpětná vazba

• OZ bez zpětné vazby => plné zesílení
• OZ se zápornou zpětnou vazbou => vede z výstupu do invertujícího vstupu
• OZ s kladnou zpětnou vazbou => vede z výstupu do neinvertujícího vstupu
• OZ se zápornou a kladnou zpětnou vazbou => vede z výstupu do obou vstupů

Tranzistory

Typy

• bipolární
• unipolární

Bipolární tranzistor

• je elektronická součástka se třemi elektrodami
• zesilují I, U nebo obojí - záleží na způsobu zapojení
• využívají ke své činnosti elektrony i díry.
• Bipolární tranzistor se skládá ze tří různě dotovaných oblastí tvořících dva přechody PN v těsném uspořádání.
• Názvy emitoru a kolektoru respektují skutečnost, že silně dotovaný emitor "emituje" díry do úzké báze, kterou většina z nich projde a je "sbírána" kolektorem
• Počet prošlých částic z emitoru do kolektoru lze ovládat velikostí proudu do báze
• Název báze vznikl historicky, když u prvního tranzistoru byla báze tvořena základní destičkou (base), do níž byly shora přitlačeny přívody emitoru a kolektoru.
• Šipka ve schematické značce vyznačuje kladný směr proudu emitorem

Podmínky funkce

• Tenká vrstva báze
• Emitor dotovaný více než báze
• Báze dotovaná více než kolektor

Unipolární tranzistory

• Polovodičový prvek, který se používá pro:
  • Zesilování signálů
  • Spínání signálů
  • Regulaci logických funkcí
• Je tvořen základní polovodičovou destičkou slabě dotovanou příměsí, tj. o velkém odporu
• Na destičce např. typu N jsou zhotoveny dvě oblasti s opačným druhem vodivosti P, ze kterých jsou vyvedeny C a E
• Hradlo G je od základní destičky odděleno vrstvou SiO2. • Izolační vrstvička tvoří dielektrikum kondenzátoru, jehož elektrodami jsou hradlo a polovodičová destička, která je obvykle svorkou S připojena na E
• Po připojení napětí UGE zápornou svorkou na hradlo a kladnou na E, indukuje se pod vrstvou oxidu na základní destičce kladný náboj, který mění její vodivost z typu N na P
• Od tzv. prahového napětí UGE=UT vzniká mezi C a E indukovaný kanál, který vodivě spojuje obě elektrody
• Po připojení napětí UCE mezi C a E uzavírá se kanálem proud IC, jehož velikost závisí na napětí UCE i UGE

Typy unipolárních tranzistorů

• JFET (unipolární tranzistor s přechodovým hradlem) Regulace proudu probíhá přivedením napětí mezi svorky G a S
• Přivedeme-li na řídící elektrodu závěrné napětí, dojde k rozšíření PN přechodu. Pokud je dostatečně vysoké řídící napětí, dojde k zahrazení nebo omezení proudu protékajícího mezi elektrodami S a D.
• MSFET (unipolární tranzistor s přechodovým hradlem)
• TFT
• IGFET
• MOFSET
  • S vodivým kanálem
  • S indukovaným kanálem
• MNFSET
• MESFET(unipolární tranzistor s izolovaným hradlem)

Unipolární tranzistor jako spínací prvek

• Použití tranzistorů řízených polem ve funkci spínacího prvku má řadu výhod:

  • izolované hradlo umožňuje téměř dokonalé oddělení řídicího a spínaného obvodu
  • tranzistory řízené polem umožňují spínat signály mající kladnou i zápornou polaritu napětí,
  • protože neobsahují přechod PN jako bipolární tranzistory, neprojevuje se u nich nutnost zotavení přechodu PN při otevírání nebo zavírání tranzistoru
  • protože mezi kolektorem a emitorem není žádný přechod PN, neprojevuje se napěťový posuv způsobený napětím na tomto přechodu jako u bipolárních tranzistorů
  • protože má FET při sepnutí odpor rDS(on) řádově jednotky až stovky ohmů a v rozepnutém stavu řádově MΩ, je vhodný pro použití ve funkci spínače (poměr odporů v sepnutém a rozepnutém stavu je velký)

• Nevýhoda použití tranzistorů řízených polem ve funkci spínacího prvku:

  • při vyšších kmitočtech se projevuje vliv vnitřních kapacit, což má za následek pokles impedance uzavřeného FETu
  • rychlost spínání je omezena vnitřními kapacitami tranzistoru

Řízený odpor

• Možnost této aplikace vyplývá z toho, že kolektorový odpor mezi kolektorem a emitorem je možné v odporové oblasti lineárně měřit řídicímnapětím na hradle tranzistoru
• Při uvedeném použití je tranzistor provozován v lineární odporové oblasti s napětím mezi kolektorem a emitorem menším než asi 100 až 200 mV
• Přibližně do uvedených hodnot napětí mezi kolektorem a emitorem jsou výstupní charakteristiky tranzistoru JFET lineární a souměrné kolem počátku souřadnic. Kolektorový proud je lineárně závislý na kolektorovémnapětí, napětí na kolektoru může být kladné nebo záporné
• Voltampérové charakteristiky jsou charakteristikami odporů. Lineární závislost proudu na přiloženém napětí charakterizuje lineární rezistor
• Parametrem výstupních charakteristik je napětí UGS, takže změnou tohoto napětí je možné měnit hodnotu odporu. Se zvětšováním záporné hodnoty napětí UGS (pro NJFET) dochází ke zmenšování šířky kanálu a zároveň i velikosti jeho odporu