1,Blokové schéma napájecího zdroje

- Transformátor, mění síťové napětí (230V) na potřebné malé napětí a galvanicky odděluje zařízení od rozvodné sítě.

- Usměrňovač, usměrní protékající proud. Na výstupu usměrňovače je stejnosměrné pulzující napětí.

- Vyhlazovací filtr (v dnešní době je většinou tvořený jedním elektrolytickým kondenzátorem), vyhlazuje pulzující stejnosměrné napětí za usměrňovačem. Hromadí náboj a dodává ho do obvodu v okamžiku poklesu pulzujícího vstupního napětí. Lze si představit, že odpor trafa a diody tvoří s kondenzátorem dolní propust (integrační článek)

- Stabilizátor napětí, je to elektronický obvod, který se snaží udržet výstupní napětí konstantní při kolísání vstupního napětí a při změně proudového odběru do spotřebiče.

2,1 cestný usměrňovač Jednocestný usměrňovač

Proud Iz prochází do zátěže jen když je na anodě A větší napětí než na katodě K. Proud Iz je usměrněný, ale pulzující. Dioda propouští jen kladné půlvlny sinusového napětí. Do zátěže prochází proud pouze jednou cestou, proto jednocestný usměrňovač. Iz … proud do zátěže U2 … střídavé napětí na sekundáru trafa Ud … usměrněné napětí za diodou

Jednocestný usměrňovač s kondenzátorem

Čím je větší kapacita použitého C, tím je zvlnění stejnosměrného napětí menší. Zároveň však platí, že čím je větší kapacita, tím proteče diodou při zapnutí větší proud. Aby se zabránilo zničení diody při zapnutí, udává maximálně možnou hodnotu kapacity C přímo výrobce diody.

Průchodem proudu diodou se nabíjí kondenzátor C a to jen v úseku periody, kdy napětí na anodě diody je větší než napětí na kondenzátoru (katodě diody). Tento časový úsek se nazývá úhel vedení ψ (psí). V době, kdy dioda nevede, se kondenzátor vybíjí přes zátěž Rz. Napětí Ud na zátěži Rz kolísá při nabíjení a vybíjení kondenzátoru C okolo střední hodnoty Uss. Toto tzv. zvlnění má amplitudu Uzv,

kmitočet má stejný jako elektrická síť a je tím menší, čím menší je zatěžovací proud Iz . Bude-li usměrňovač pracovat naprázdno, tzn. bez zátěže (platí Rz = ∞), dosáhne výstupní

napětí Ud maximálního napětí sinusového průběhu, tj. 2.2 UU d = = U2m, protože kondenzátor se nabije a nemůže se přes zátěž vybíjet. U2m je maximální hodnota napětí U2.Maximální napětí URm ,

kterým je dioda namáhána v závěrném (zpětném) směru, je dáno součtem napětí U2m v závěrném

měru a napětí U2m na kondenzátoru, tj. 2 U2m .

3,2 cestný usměrňovač se 2 diodama Dvoucestný usměrňovač

Sekundární vinutí transformátoru má vyvedený střed, který se obvykle uzemní. Sekundární napětí U2 a U´2 jsou vůči sobě fázově posunuta o 180°. Proud prochází střídavě diodami D1 a D2. Diodou D1 prochází kladná půlvlna napětí U2 a ve stejné době je dioda D2 zavřená.

Diodou D2 prochází proud ve druhé polovině periody a dioda D1 je přitom zavřená. Proto prochází zátěží proud v obou půlperiodách. Pulzování proudu má dvojnásobný síťový kmitočet a zvlnění je přibližně poloviční než u jednocestného usměrňovače.

Vzhledem k tomu, že se napětí na kondenzátoru sčítá s napětím na diodě v závěrném směru, jsou diody při chodu naprázdno namáhány napětím (sejně jako u jednocestného) 2U2m .

průběhy napětí na výstupu dvojcestného usměrňovače U2 napětí před diodami Ud usměrněné napětí za diodami (pulzující), zapojení bez kondenzátoru Ud+C usměrněné napětí za diodami, zapojení s kondenzátorem

4,2cestný usměrňovač se 4 diodama (můstek) Můstkový usměrňovač (Graetzův můstek)

Průběhy napětí jsou shodné jako u dvoucestného usměrňovače. Výhodou je, že trafo má pouze jednoduché vinutí a diody jsou zde dvakrát méně namáhány, protože jsou vždy po dvou v sérii. Diod je ovšem dvakrát více. Toto zapojení se vzhledem k výše uvedeným výhodám používá nejvíce.

5,RC filtr

• Má podobné vlastnosti jako C filtr • Odpor R snižuje nabití kondenzátoru a tak omezuje proudovou špičku

Schéma zapojení:

Princip činnosti: Stejný jako u C filtru. Pomocí odporu R jsou omezeny proudové špičky. Jinak má stejné vlastnosti.

Průběhy:

MM ffj

mj

mj

m

CjRCj

Cjm

CjR

Cjmu

um

mu

uuu

A+

=

ωω

+=

ωτ+=

ωω+

ω=

ω+

ω=′=′==

1

1

1

11

11

1

1

1

1

2

1

2

1

2

Využitím znalostí o absolutní hodnotě podílu a absolutní hodnotě komplexního čísla zjistíme absolutní hodnotu přenosu

2

1

1

+

=

Mff

mA

Vyjádříme absolutní hodnotu přenosu v poměrných jednotkách – decibelech

+−=

2

11020Mfflogmlog.a

Fázový posuv

( )( ) M

M

M

M

M

ffarctg

mffm

arctg

ff

m

ff

ff

m

arctgAReAImarctg −=

−=

+

+

−

==ϕ

2

2

1

1

1

6,RL filtr

R

C

L

R

C

R

R

Lu1 u1 u1 u1u2 u2 u2 u2

RLjLjR

Ruu

Aω+

=ω+

==1

1

1

2

RC

f MM

M π=

ω=τ⇒

τ=ω

2111

MM ffjj

A+

=

ωω

+=

1

1

1

1 a tedy 2

1

1

1

1

1

1

+

−=

−

−

+=

M

M

M

M

M ff

ffj

ffj

ffj

.

ffj

A

Nyní vyjádříme absolutní hodnotu přenosu

2

1

1

+

=

Mff

A

A samozřejmě absolutní hodnotu přenosu v poměrných jednotkách – dB

+−=

+−=

+=

− 2221

2

11012021120

MMM fflog.

fflog.

fflog.a

Fázový posuv ϕ

( )( ) MM

M

M

M

ffarctg

ffarctg

ff

ff

ff

arctgAReAImarctg −=−=

+

+

−

==ϕ

2

2

1

1

1

7,Vlastnosti filtru Horní propust

Nejjednodušší zapojení pasivního RC filtru

Horní propust je frekvenční lineární filtr, který nepropouští signál o nízkých frekvencích.

Nejjednoduššího zapojení dosáhneme pomocí rezistoru a kondenzátoru. Vznikne nám tedy RC člen,

kde kondenzátor je zapojen se zdrojem signálu sériově a za ním paralelně rezistor. Kondenzátor

jeelektrolytický. Pokud budeme zvyšovat frekvenci na vstupu propusti, zjistíme že impedance

kondenzátoru bude klesat. Impedanci můžeme zjistit podle:

Nejdůležitějším parametrem je mezní frekvence f0, při které poklesne zisk obvodu o 3dB (zhruba o 29%).

Vypočteme ji pomocí vztahu:

Pro vytvoření filtru s mezním frekvencí 300 Hz, tedy můžeme použít kondenzátor o kapacitě 1 uF a rezistor

o odporu 560 Ω. Od mezní frekvence je pokles zisku zhruba o -20dB na dekádu. Pro přesný výpočet

odečteme od zisku v desetinásobku mezní frekvence f0 3 dB (v místě f0).

Graf závislosti zisku na frekvenci. Vidíme že mezní frekvence je 1023 Hz. Vyšší frekvence jsou přeneseny s minimální

ztrátou.

Tento filtr se využívá v audio technice, jako výhybka pro vysoké frekvence (vysoké tóny), pokud používáme

vícepásmové reproduktory. Nebo jen například pro odrušenínízkofrekvenčího brumu ve vysokofrekvenčních

obvodech.

Dolní propust

Schéma zapojení

Jako dolní propust se označuje lineární filtr, který nepropouští signál vyšších frekvencí.

Základní dvojbranné zapojení (pasivní), kde ke vstupu je sériově zapojen rezistor a

poté paralelněkondenzátor. Tento RC člen totiž se zvyšující se frekvencí vstupního signálu zvyšuje

svouimpedanci. Nejdůležitějším parametrem je mezní frekvence (také značený fm, fc, nebo fd), který

označuje hodnotu frekvence, při které zisk poklesne o 3dB, tedy zhruba o 29%.

Mezní frekvence se vypočte vztahem:

Často používaný filtr s mezní frekvencí 300 Hz tedy můžeme sestavit pomocí rezistoru s odporem56

kΩ a kondenzátorem s kapacitou 0,01 uF. Od klesá zisk strmostí okolo -20 dB na dekádu. Právě

strmost je dalším důležitým parametrem. Vypočte se rozdílem míst v křivce poklesu, kde je křivka

protnuta mezní frekvencí a místem, kde je frekvence právě o dekádu vyšší (10*f0).

Použití

Průběh závislosti zisku na frekvenci

Filtr se používá především v audio technice, kde propustí jen basové tóny s nízkou frekvencí, které

mohou být vyvedeny do samostatného velkoprůměrového basovéhoreproduktoru. Dále se tento filtr

využívá ve stejnosměrných a nízkofrekvenčních elektronických obvodech pro zpracování signálu pro

eliminaci nežádoucího šumu na vyšších frekvencích.

Pásmová propust

Tato propust propustí signály pouze mezi 100Hz a 10000Hz

Pásmová propust je označuje lineární filtr, který propouští signál jen určitých frekvencí.

Použití nalezne zejména v audio technice, kde se používá pro rozdělení signálu tak, abychom mohli

jednotlivé frekvenční úseky ovlivňovat samostatně.

Typy:

• Pasivní (čtyř-póly) - složené z RC (integrační článek neboli dolní propust, propouští dolní frekvence) a

CR (derivační článek neboli horní propust propouští horní frekvence) článků

• Aktivní s OZ (operační zesilovač)

Na rozdíl od horní a dolní propusti, které mají mezní frekvenci (tj. pokles přenosu o 3dB), tzn. až po tuto

frekvenci článek propouští všechny nižší (dolní propust) resp. vyšší (horní propust), pásmová propust

propouští pouze pásmo určené dvěma mezními frekvencemi. Pasivní pásmové propusti (filtry) mají

nevýhodu, že nedosahují příliš vysokého přenosu (účinnosti), nikdy není vyšší než 1. Tento nedostatek

odstraňuje OZ, který dokáže vytvořit virtuální nulu mezi vstupy zesilovače, tím dosahuje mnohem

vyšší účinnosti. Tyto propusti neboli filtry se dají skládat jak pasivně tak aktivně, tím zvyšujeme řád filtru.

Pásmová propust je vždy filtr minimálně 2. řádu, protože obsahuje alespoň 2 články, a to dolní a horní

propust, ať už jsou realizovány pasivně nebo aktivně s OZ.

Pásmová zádrž

Průběh závislosti útlumu na frekvenci. K největšímu útlumu dochází při frekvenci 1000Hz. Frekvence mezi 100Hz a

10000Hz budou utlumené.

Pásmová zádrž je lineární filtr, který nepropouští signál určitých frekvencí. Utlumené frekvencemůžeme

libovolně nastavit pomocí konstrukce. Existují pasivní a aktivní zapojení. Pasivní je složeno pouze

z rezistorů a kondenzátorů (popř. cívek), jeho nevýhodou je, že přenos je vždy ztrátový. Aktivní zapojení má

v sobě zahrnut operační zesilovač, který zajišťuje přenos s kladným ziskem.

Použití

Zapojení pásmové zádrže

Používá se v audio technice, proti nechtěné zpětné vazbě. Lze využít i k jinému blokování nežádoucích

frekvencí.

8,Vlastnosti stabilizátoru Stabilizátor je elektrické zapojení diskrétních součástek nebo elektrotechnická součástka na principu integrovaného obvodu, která umožňuje stabilizovat výstupní napětí nebo proud při změnách výstupního proudu, vstupního napětí a teploty okolí.

Na jiných veličinách není obvykle hodnota výstupního napětí závislá, pokud ano, je třeba sledovat i takovéto vlivy (např. stárnutí součástek, vliv elektromagnetického rušení apod.). Kromě stabilizačních účinků (kterými je míněna regulace na konstantní hodnotu) každý typ stabilizátoru více či méně snižuje střídavou složku výstupního napětí (zvlnění) a pracuje tedy jako filtr.

Stabilizátory napětí udržují stálé napětí na zátěži při kolísajícím napětí zdroje nebo při změnách zatěžovacího proudu. Vlastnosti stabilizátoru charakterizuje činitel stabilizace K,

který vyjadřuje, kolikrát zmenší stabilizátor poměrné kolísání napětí na svém výstupu při konstantní zátěži ve srovnání s poměrným kolísáním vstupního napětí.

Podle provedení dělíme stabilizátory na: parametrické zpětnovazební.

9,Paramatrický stabilizátor ZD • Funkce stabilizátorů je založena na principu možného rozdílu mezi stejnosměrným a dynamickým

odporem stabilizačního prvku v pracovním bodě. Pokud je dynamický odpor v pracovním bodě mnohem menší, než stejnosměrný, jedná se o parametrický stabilizátor napětí (Zenerova dioda, dioda v propustném směru atp.), pokud naopak je dynamický odpor v pracovním bodě stabilizačního prvku mnohem větší, než stejnosměrný, jedná se o parametrický stabilizátor proudu (klasickým případem jsou výstupní charakteristiky tranzistorů za kolenem, dříve např. variátor pod.).

• Varistor : proudově závislý odpor, průchodem proudu zmenšuje svůj odpor. Při teplotách <100oC jsou stabilní – hodnota jejich odporu je vratná, základní surovina pro výrobu je karbid křemíku.

• Př. Jednoduchého parametrického stabilizátoru : Odporový dělič s varistorem.

10,Zpětnovazební stabilizátor

Blokové schéma zpětnovazebního stabilizátoru

napětí (RZ je rozdílový zesilovač)

• Blokové schéma zpětnovazebního stabilizátoru napětí je na obr. 3. Regulační součástka je ovládána odchylkou výstupního napětí od napětí referenčního. Dnes se zpětnovazebními stabilizátory setkáme téměř výhradně v podobě integrovaných obvodů. Dříve rozšířený a preferovaný obvod 723 je dnes střídán stabilizátory 78Lxx pro kladná napětí proti zemi a odběrem do 100 mA, 78xx s kladným výstupním napětím proti zemi a odběrem do 1 A, 78Sxx s kladným výstupním napětím proti zemi a odběrem do 2 A a 79Lxx, 79xx, 79Sxx pro záporná napětí proti zemi. Údaj xx označuje pevné výstupní napětí stabilizátoru. Dále se můžeme setkat se stabilizátory s regulovatelným výstupním napětí, jakými jsou obvody LM 317L, LM 317, LM 317K (s nastavitelným kladným napětím od 1,25 V do 37 V a odběrem 100 mA, 1,5 A, 2,2 A), LM 337 (pro záporná napětí) nebo obvod L 200 umožňující regulovat jak výstupní stabilizované napětí, tak i výstupní proud. Všechny tyto obvody mají zabudovanou tepelnou a zkratovou pojistku, jejich zapojení vyžadují žádné nebo minimum externích součástek. Jedinou jejich nevýhodou je velký úbytek na nich. Proto jsou vyvíjeny nové tzv. LOW DROP stabilizátory s nízkým úbytkem napětí (LM 2930A, L 4812CV, L 4921, atd.).

11,Stabilizátor proudu

12,Integrovaný stabilizátor celá řada nejrůznějších typů lineárních integrovaných stabilizátorů s více vývody, než je jenom vstup, výstup a společná (zemní) elektroda. Všechny další elektrody lze podle jejich funkce rozdělit do několika základních skupin:

a) elektrody, umožňující nastavení nebo dostavení hodnoty výstupního napětí a jsou obvykle značené jako nastavovací (SET),

b) elektrody, umožňující nastavit omezení výstupního proudu, označované jako SENSE nebo CURRENT LIMIT - obvykle mezi touto elektrodou a výstupem se umísťuje odpor, na kterém průchodem proudu vzniká úbytek, aktivující limitaci výstupního proudu,

c) elektrody pomocných výstupních napětí, buď spojených s hlavním výstupním napětím, nebo i samostatné,

d) elektroda, umožňující pomocí signálu (obvykle v úrovních T'TL) výstup zdroje zapnout či vypnout, je označována jako SHDN (shutdown) nebo EN (enable),

e) elektrody, na které je vyvedeno vnitřní referenční napětí a elektrody pro vstup vnějšího referenčního napětí.

Vypínatelné stabilizátory

Nejjednodušší z integrovaných lineárních stabilizátorů mají pouze jednu elektrodu navíc a tou bývá elektroda, umožňující zapínání a vypínání výstupního napětí, případně i jeho pomalý náběh, pokud není žádoucí skoková změna.

Vzhledem k tomu, že tato ovládací elektroda je spojena uvnitř integrované struktury s bází tranzistoru T2, který při svém sepnutí uzemňuje bázi hlavního sériového regulačního tranzistoru T1, vyplývá z toho, že způsob ovládání elektrody ENABLE může být dvojí:

13,Tyristor

14,Triak

14,Tranzistor Tranzistory

Tranzistory jsou aktivní polovodičové elektronické součástky (nejčastěji) se třemi elektrodami. Mohou zesilovat napětí nebo proud nebo obojí současně.

Rozdělení tranzistorů podle konstrukce

- bipolární, využívají ke své činnosti jak elektrony, tak díry - unipolární, využívají ke své činnosti buď pouze elektrony, nebo pouze díry - kombinované

C E

Bipolární tranzistory

Mají tři vrstvy (emitor E, báze B, kolektor K) a dva PN přechody. Mohou být typu NPN nebo PNP.

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Polarita napájecích zdrojů zajišťuje, že přechod emitor – báze je zapojený v propustném směru a přechod kolektor – báze v závěrném směru.

Přechodem zapojeným v propustném směru procházejí většinové nosiče a přechodem zapojeným v závěrném směru

procházejí nosiče menšinové.

B

Nejdříve sepneme spínač Vc, přechod C-B je polarizovaný v závěrném směru a prochází jím pouze velmi malý závěrný proud.

Potom sepneme spínač Ve, přechod E-B bude polarizovaný v propustném směru a bude jím procházet proud většinových děr z E do B.

Díry, které byly v E většinové, jsou však v B menšinové a jako menšinové budou procházet přechodem C-B (protože je zapojený v závěrném směru) z B do C. Takto projde většina děr z oblasti emitoru přes bázi do oblasti kolektoru, kde vytvoří kolektorový proud.

Malá část děr v bázi rekombinuje nebo se odvede z báze jako proud báze.

Pro proudy v tranzistoru tedy platí : IE = IC + IB

Velikost proudu báze IB můžeme oproti velikosti proudů editoru IE a kolektoru IC zanedbat a proto můžeme psát, že přibližně platí : IE = IC

Výše popsaný jev je tzv. tranzistorový jev

U tranzistorů NPN je funkce obdobná. Je pouze potřebné zaměnit polaritu zdrojů a vyměnit úlohy děr a elektronů.

Při funkci bipolárních tranzistorů se uplatňují jak menšinové nosiče proudu, tak většinové nosiče proudu.

Tranzistor se v podstatě skládá ze dvou diod zapojených proti sobě. Toto je třeba chápat pouze jako náhradní zapojení, ve skutečnosti samozřejmě nemohu tranzistor nahradit dvěma diodami.

Základní zapojení bipolárních tranzistorů

základní zapojení

Unipolární tranzistory

Jsou to moderní tranzistory, používané nejvíce v integrovaných obvodech. Unipolární znamená, že na vedení proudu se podílí jen jeden druh nosičů náboje a to buď elektrony nebo díry. K řízení velikosti proudu mezi emitorem (používá se také označení source-S) a kolektorem C (také drain-D) se využívá elektrostatické pole, kterým se mění vodivost kanálu mezi E a C. Proud nosičů kanálem lze řídit pomocí elektrody G (Gate-hradlo).

Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodovým hradlem JFET

Stručný popis činnosti pro JFET s kanálem N:

V kanálu jsou vytvořeny dvě značně dotované oblasti typu P, jejichž vývody jsou spojeny a tvoří hradlo (řídicí elektrodu G). Přechod mezi hradlem a kanálem musí být napětí mezi hradlem a emitorem (source) polarizován v závěrném směru. Tranzistor pracuje v tzv. ochuzeném režimu.

Mezi D a S se připojí kladné napětí. Rovná-li se napětí na hradle nule, prochází kanálem proud Ic, který závisí na koncentraci nosičů v kanálu a na průřezu kanálu. Připojí-li se mezi hradlo a emitor

záporné napětí, vytvoří se příčné elektrické pole a zmenší se průřez kanálu, neboť elektrony jsou odpuzovány z blízkosti přechodu. Se zvyšováním zápornějšího napětí se zmenšuje průřez kanálu i jeho vodivost, až dojde k úplnému přerušení vodivého kanálu.

Tranzistor MOSFET

Je to polem řízený tranzistor, kde je vodivost kanálu mezi elektrodami S a D ovládána elektrickým polem vytvářeným ve struktuře kov(M) – oxid(O) – polovodič(S) napětím přiloženým mezi hradlo(G) a emitor(S). Oxid nejčastěji tvoří SiO2 .

Existuje-li vodivý kanál i při UGS = 0, jedná se o MOSFET se zabudovaným kanálem. Je-li pro vytvoření kanálu vodivosti N (P) nutné přivést napětí UGS větší jak nula (menší jak nula), jedná se o MOSFET s indukovaným kanálem.

Stručný popis činnosti (pro indukovaný kanál N) : Připojíme-li na G kladné napětí, budou se v oblasti pod oxidem odpuzovat díry a přitahovat elektrony. Elektrony se stanou volnými nosiči a v tzv. indukovaném kanálu N se vytvoří vodivé spojení mezi emitorem a kolektorem. Tranzistor s indukovaným kanálem může pracovat pouze v tzv. obohaceném režimu (zvětšuji proud kanálem).

Tranzistor se zabudovaným kanálem může pracovat jak v tzv. ochuzeném režimu (zmenšuji proud kanálem), tak i v obohaceném.

Použití a výhody tranzistorů FET

- ovládání kolektorového proudu se uskutečňuje pouze napětím bez proudu, čili prakticky s nulovým výkonem vstupního řídicího obvodu

- velký vstupní odpor Používají se zejména všude tam, kde je požadována nízká spotřeba proudu.

Mají minimální rozměr – využití v integrovaných obvodech.

Integrované obvody s tranzistory MOS – využití v počítačích, hodinkách, NC strojích apod.

16,Řízený usměrňovač a střídač

Střídač Invertor, též měnič nebo střídač je elektrický přístroj, který převádí stejnosměrné

napětí resp. stejnosměrný proud na střídavé napětí resp. střídavý proud. Používá se hlavně tam, kde je k

dispozici zdroj stejnosměrného napětí, ale pro další účely je výhodnější střídavé napětí. Moderní oblastí

použití je připojení fotovoltaických článků, tedy typických stejnosměrných zdrojů, do elektrorozvodné sítě.

Klasickým použitím je napájení běžných spotřebičů (230 V/50 Hz) z běžných akumulátorů a to jak jako

zdroje v podmínkách mimo dosah sítě (např. chata), tak jako nouzového záložního zdroje (např. UPS).

Řízené usměrňovače K řízeným usměrňovačům patří především tyristorové jednocestné i dvoucestné. Tyristor je schopen propouštět kladné půlvlny střídavého napětí a to od okamžiku, kdy řídicí elektroda dostane impuls pro uvedení tyristoru do propustného stavu. Vypínání tyristoru nastává snížením napětí na tyristoru (průchod nulou). Řídí se množství přenesené energie a tím výkon připojeného zařízení (například topného tělesa nebo žárovky).

Výhodou jsou minimální energetické ztráty, neboť na tyristoru téměř nevzniká ztrátové teplo.

Tyristorový jednocestný řízený usměrňovač

Průběhy napětí na zátěži pro dvě různé hodnoty nastaveného výkonu

Simulace obvodu řízeného jednocestného usměrňovače

Simulace obvodu řízeného usměrňovače s přesnějším řízením a dvoucestným usměrněním

Tyristorový můstkový řízený usměrňovač

Průběhy napětí na zátěži pro dvě různé hodnoty nastaveného výkonu

Triakový regulátor

Triakový regulátor se využívá pro řízení výkonu u střídavých spotřebičů, jako jsou vrtačky, vysavače a podobně.

Průběhy napětí na zátěži pro dvě různé hodnoty nastaveného výkonu

17,RLC obvod Sériový RLC obvod

Prvky obvodu (viz obr. 126) prochází stejný proud, ale napětí na jednotlivých prvcích se liší jak hodnotou tak vzájemnou fází: napětí mástejnou fázi jakou proud, napětí proud předbíhá a napětí se za proudem zpožďuje.

Tyto skutečnosti lze vyjádřit graficky jedním fázovým diagramem (viz obr. 127), který vznikl z fázových diagramů na obr. 123, obr. 124 a obr. 125.

Díky fázovým rozdílům není možné získat výslednou hodnotu napětí u v celém obvodu aritmetickým součtem. Pro efektivní hodnotu U výsledného napětí dostáváme

(viz obr. 127): , kde , a jsou efektivní hodnoty

napětí na jednotlivých prvcích obvodu. Dále můžeme

psát: .

Obr. 126 Obr. 127

Obvod jako celek je pak charakterizován jediným parametrem, který se nazývá impedance Z. Z Ohmova zákona pro impedanci

dostáváme: ; . Impedance je „celkový odpor“ střídavého obvodu nebo součástky

(sluchátka, zesilovač, vstupní nebo výstupní konektor, …). Pro fázový rozdíl napětí a proudu v obvodu pak můžeme psát (podle obr.

127): , přičemž . Dále je možné zavést pojem reaktance , která charakterizuje vlastnosti

té části obvodu střídavého proudu, v níž se elektromagnetická energie nemění v teplo, ale jen v energii elektrického a magnetického pole.

Jediný prvek, na kterém se může měnit energie elektromagnetického pole na teplo nebo mechanickou práci, je rezistor. Energie cívky a kondenzátoru se „přelévá“ mezi cívkou a kondenzátorem bez schopnosti konat práci.

Zvláštní případ nastává v RLC obvodu v sérii, je-li při dané frekvenci induktance obvodu stejně veliká jako jeho kapacitance, tj. . Z toho vyplývá, že . Fázový rozdíl proudu a napětí je nulový a obvod má vlastnost rezistance.

Složený střídavý obvod se chová jako kdyby v něm byl zapojen pouze rezistor. Změny fáze, … způsobené cívkou a kondenzátorem se vzájemně vykompenzují.

V tomto případě dosahuje proud v obvodu maximální hodnot a tento stav obvodu označujeme jako rezonance střídavého obvodu a příslušnourezonanční frekvenci určíme z podmínky . Po dosazení

dostaneme a tedy . Tento vztah bývá označován jako Thompsonův vztah.

Obr. 128 Obr. 129

Skutečnost, že při rezonanci je impedance obvodu minimální, dokumentuje i obr. 128, na kterém jsou zobrazeny grafy závislosti odporu, induktance, kapacitance a impedance na frekvenci proudu (resp. napětí). Odpor rezistoru na frekvenci proudu nezávisí, induktance cívky se s rostoucí frekvencí proudu zvětšuje a kapacitance kondenzátoru s rostoucí frekvencí proudu klesá. Impedance dosahuje svého minima právě v případě rezonance obvodu, kdy je její hodnota totožná s odporem rezistoru a kapacitance a induktance jsou stejné.

Na obr. 129 je zobrazen průběh fázového posunu proudu a napětí. 18, Wienův článek – oscilátor Oscilátor s Wienovým článkem Trocha teorie:

Wienův článek je dvojbran sestavený z dvojice stejných rezistorů a dvojice stejných kondenzátorů:

Můžeme tedy pro něj odvodit komplexní napěťový přenos:

Uvažujeme-li nezatížený stav, lze napětí u1 a u2 vyjádřit následovně:

Nejprve napětí u2 jako úbytek na paralelní kombinaci R a C:

Napětí u1 je součtem napětí u2 a úbytku na sériové kombinaci R a C:

Z napětí je možno vyjádřit přenos:

Provedeme dvě úpravy, nejprve čitatel i jmenovatel vydělíme R a poté vynásobíme členem 1+jωRC:

Odtud dostáváme výsledný tvar přenosu:

Oscilátor s Wienovým článkem je zpětnovazební oscilátor, jehož zpětná vazba je tvořená Wienovým článkem (viz. Schéma). Oscilátor bude kmitat, pokud budou splněny obě podmínky vzniku oscilací, tj. Aβ = 1 a φ = 2kπ, kde k je celé číslo. Přitom víme, že platí:

A tedy fázová podmínka vzniku oscilací bude splněna tehdy, když Im{F(jω)} = 0. Z tvaru přenosu je zřejmé, že tato rovnost bude splněna, pokud:

Úpravou dojdeme ke tvaru:

Fázová podmínka vzniku oscilací tedy bude splněna na kmitočtu:

Je-li fázová podmínka splněna, tj. na kmitočtu fOSC kdy platí Im{F(jω)} = 0, vychází napěťový přenos Wienova článku:

Jelikož je tato hodnota hodnotou β, je pro splnění amplitudové podmínky nutno, aby měl operační zasilovač nastaveno zesílení A = 3.

19,Oscilátory LC LC oscilátory

• jejich základem je paralelní rezonanční obvod jenž je schopen produkovat tlumené kmity

• přivedeme-l i do tohoto obvodu impuls nabije se kondenzátor C, ten se však po odpojení začne vybije přes cívku L tím se v cívce indukuje proud tento proud nabijí kondenzátor.... takto by to v ideálním případě kmitalo pořád (v praxi jsou však ztráty) – vznikají tlumené kmity (viz obr. vpravo)

• tato vzniklý kmitočet se nazývá – Rezonanční kmitočet (tzv. Thomsonův vzorec)

LCf

π21

0 =

• protože ideální součástky neexistují musíme pro vznik netlumených kmitů nahradit ztracenou energii vnějším zdrojem (zpravidla zesilovač) => zpětovazební oscilátor

• proto, aby došlo k vzniku kmitů je potřeba splnit dvě podmínky jenž vycházejí ze zesílení zesilovače s kladnou zpětnou vazbou jehož zesílení je dáno vztahem:

1. Amplitudová podmínka - pro rezonanční frekvenci musí platit: 1-βΑ=0 => βΑ=1

- oscilátor může kmitat pouze tehdy, jestl iže pokles zesílení vyrovná zpětnovazební článek.

a) jestliže β . Au < 1 – tlumené kmitání, amplituda klesá (nebude pracovat) b) jestliže β . Au = 1 – pro držení, amplituda je stejná c) jestliže β . Au > 1 – pro start oscilátoru, amplituda roste

V praxi se nastavuje nad kriticky ( 1>⋅ Aβ , o něco více než 1) tím zaručíme rozkmitání oscilátoru. Amplituda

kmitů tak vzrůstá až do chvíle, kdy nastane její omezení což bývá u LC oscilátorů zajištěno nelinearitou tranzistoru a usměrňovací funkcí B-E přechodu. S rostoucí amplitudou kmitů na LC obvodu se tranzistor v důsledku toho přivírá, a tím klesá jeho strmost, amplituda kmitů na LC obvodu se tak stabil izuje.

2. Fázová podmínka - kmitání se udrží tehdy, je-li výstupní napětí ve fázi se vstupním napětím. ϕ + β = 2kπ, k = Z(0,1,2…)

• Pokud budou splněny obě podmínky pro jedinou frekvenci, budou mít generované kmity harmonický průběh. jsou-li splněny pro spektrum frekvencí, bude neharmonické.

• U sinusových oscilátorů může někdy nelinearita obvodu způsobit nežádoucí jevy (kmity na více frekvencích, změny oscilační frekvence). Z tohoto důvodu a pro větší stabilitu se zapojují se dvěmi zpětnými vazbami. Frekvenčně závislá zpětná vazba je podpořena frekvenčně nezávislou nelineární zpětnou vazbou, která závisí na amplitudě Uvýst. Toto zapojení se používá u oscilátorů, které mají pracovat jako frekvenční a v laboratorních generátorech.

Stabilita kmitočtu oscilátoru: (nejdůležitější schopnost oscilátoru)

• je dána: Kvalitou součástek (mezní frekvence), zapojením (vhodnější bývá zapojení se společnou bází a kolektorem, u VF oscilátorů požadavek na kvalitu cívek – nesmí se teplem roztahovat, kvalita kondenzátorů), Kolísání napájecího napětí (změnu pracovního bodu), Změna teploty (teplotní stabil izace – termostat), Vliv zátěže (oddělovací stupeň) (Běžné oscilátory mají ε = 10-3)

• tyto oscilátor se využívají pro vyšší kmitočty (MHz) Zapojení základních typů:

zapojení dělíme na dva typy: - s indukční (transformátorovou) vazbou

-v tříbodovém zapojení

20,Krystalové oscilátory Oscilátory řízené krystalem se vyznačují především svou vysokou stabilitou. Řídící člen je tvořen piezoelektrickým rezonátorem, což je destička vhodně vyříznutá z křemene, nebo jiného piezoelektrického krystalu. Tato destička je volně uložena mezi dvěma kovovými elektrodami. Střídavé napětí přivedené na elektrody rezonátoru způsobí mechanické kmity krystalového výbrusu. Amplituda mechanických kmitů dosáhne maxima, jestliže kmitočet ladícího elektrického napětí bude roven vlastnímu mechanickému rezonančnímu kmitotu destičky oscilátoru. Změna amplitudy mechanických kmitů se projevuje jako změna elektrické impedance. na obr. 6c vykazuje impedance dva lokální extrémy. Při kmitočtu fs je nejmenší, při kmitočtu fp, který je o málo větší než fs je největší. Při

AAAβ−

=′1

kmitočtech vyšších než fp je dochází ke zmenšení impedance. Je tedy zřejmé, že na kmitočtu fs a v jeho okolí má rezonátor analogické vlastnosti se sériovým rezonačním obvodem a na kmitočtu fp a v jeho okolí analogické vlastnosti s obvodem paralelním. Na obr. 6b vidíme náhradní schéma rezonátoru. Významný je zde fakt, že činitel jakosti rezonátoru se pohybuje v řádech 104 až 105. Krystalové rezonátory (v komerční sféře nazývané pouze „krystaly“) se vyrábějí v širokém rozsahu kmitočtů. Výjimkou nejsou ani krystaly s relativně nízkým kmitočtem 32768 Hz, používané v obvodech digitálních hodin. 21, Tranzistor ve spínaném režimu Pokud je spínač do báze rozepnut, tranzistor je zavřený a žárovkou neprotéká proud. Pokud sepneme spínač v bázi, přechod báze emitor se otevře, čímž způsobí i otevření přechodu kolektor báze a žárovka se rozsvítí. Odpor RBomezuje proud aby nedošlo ke zničení přechodu báze emitor překročením maximálního proudu.

22, Klopné obvody Monostabilní klopný obvod - má pouze jeden ustálený stav, tzn. že po aktivaci je výstup po určitou dobu v opačném, než ustáleném stavu. Lze jej využít např. pro časovače. Bistabilní klopný obvod - má dva možné ustálené stavy, tzn. že v libovolném z nich může zůstat libovolnou dobu. Lze jej proto využít např. jako paměť, tvoří i základ složitých sekvenčních obvodů - čítače ap. Nejčastěji se setkáme s typy RS, D, JK, ať již v podobě integrovaného obvodu či bloku v programovacím schématu automatu PLC. Úkolem bisiabilního klopného obvodu je zaznamenat přítomnost přechodné informace a uchovat tento stav, i když informace již ze vstupu zmizí. Lze ho využití jako paměti. Astabilní klopný obvod - nemá ustálený stav, jeho výstup se stále přepíná mezi logickou jedničkou a nulou. Lze jej proto využít jako generátor obdélníkového signálu, např. jako zdroj hodinového kmitočtu. Klopný obvod RS má v asynchronním provedení dva vstupy - R, S a obvykle i dva výstupy - Q, Q negované. Vstup R (reset, nulování) slouží k uvedení výstupu Q do stavu logické nuly. Vstup S (set,nastavení) uvede výstup Q do stavu logické jedničky.Tento obvod reaguje na přítomnost logické nuly na vstupech R, S tak, že vstup R nastaví výstup Q do nuly, vstup S nastaví výstup Q do jedničky. Při obou vstupech na nule dojde k nežádoucímu stavu - oba výstupy mají hodnotu 1 a tedy nemůžeme tvrdit, že jsou navzájem inverzní. Je-li na obou vstupech logická jednička, výstup zachová předchozí stav - nezmění se.

PRAVDIVOSTNÍ TABULKA

Rn Sn Qn+1 neg Qn+1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0

1 1 0 neg Qn Klopný obvod D vznikne ze synchronního klopného obvodu, zařazením invertoru mezi vstupy R a S. Tím vyloučíme první a poslední řádek tabulky, tzn. stavy RS=00 a RS=11. Obvod má dva vstupy -D, T a obvykle i dva výstupy - Q, Q . Lze jej jednoduše použít jako jednobitovou paměť. Vstup D (data) slouží k přivedení hodnoty, která se má uchovat. Vstup C (clock, hodiny) uvede výstup Q do stavu odpovídajícímu vstupu D. Výstup Q může během impulzu na C kopírovat stav na vstupu D. pak takový obvod nazýváme obvodem se statickým řízením zápisu. Obvod s dynamickým řízením zápisu reaguje jen na změnu úrovně na vstupu C, tzn. na vzestupnou nebo sestupnou hranu irnpulzu

PRAVDIVOSTNÍ TABULKA Dn Qn+1 neg Qn+1

0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1

Klopný obvod JK je složen ze dvou obvodů RS, označených jako master a slave. Je využíván např. v čítačích.

PRAVDIVOSTNÍ TABULKA Jn Kn Qn+1 0 0 Qn -zachování předchozího stavu 0 1 0 - provede reset výstup 1 0 1 - provede set výstup 1 1 neg Qn -zneguje předchozího stavu výstupu

23,Spínaný zdroj pro VT Druhy spínaných zdrojů:

o s kmitočtem sítě bez transformátoru s transformátorem

o pulsní regulace v primární části o pulsní regulace v sekundární části

o s kmitočtem vyšším než síťovým jednočinný b lokující měnič

o měnič s jedním spínačem o měnič se dvěma spínači

jednočinný propustný měnič o měnič s jedním spínačem o měnič se dvěma spínači

dvoučinné měniče o protitaktní o dvojčinný se čtyřmi spínači o dvojčinný s kapacitními děliči

dvojitý propustný měnič

Rozdíly (spínané x lineární zdroje): Rozdíl mezi spínaným a lineárním zdrojem (se spojitou regulací) je hlavně ve způsobu používání výkonového regulačního členu. Ve spínaných zdrojích je výkonový člen zatěžován impulsně. Je střídavě spínán a rozpínán. Využívají se výhody impulsního režimu daného prvku. V impulsním režimu může být odebíraný impulsní výkon podstatně větší, než jaký je možné odebírat v lineárním režimu s použitím stejného výkonového prvku.

Výhody a nevýhody (spínané x lineární zdroje): Výhody:

o mají vyšší účinnost o jsou výhodnější tam, kde je velký rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím o malé rozměry o i přes větší obvodovou složitost jsou ekonomicky výhodnější

Nevýhody:

o pomalejší reakce výstupního napětí na rychlé změny zatěžovacího proudu o při požadavku malého zvlnění se musí uvažovat vliv impulsního charakteru zdroje o jsou zdrojem rušivých signálů, které generují spínací prvky

Stručný popis: Stabilizátory s pracovním kmitočtem sítě jsou starší. Jejich konstrukci umožnily tyristory a triaky. S těmito zdroji nelze dosáhnout velké přesnosti stabilizace. Jsou těžší a objemnější, ale podstatně levnější. Jejich použití není omezeno přenášeným výkonem. Vyhovují pro méně náročné aplikace, kde nepotřebujeme extrémní stabilitu, přesnost a kde nejsou kladeny požadavky na zvlnění výstupního napětí.

Konstrukci stabilizátorů s vyšším pracovním kmitočtem umožnila výroba rychlých, polovodičových, výkonových, spínacích součástek, feritových jader a malých kondenzátorů s velkou kapacitou. Tyto zdroje jsou menší, mají podstatně lepší a přesnější regulaci výstupního napětí. Jsou ale dražší. Mají podstatně složitější obvodové řešení a součástky, které jsou pro tuto konstrukci přímo navržené. Výrobci dodávají velmi často řídící obvody v integrované verzi, což podstatně usnadňuje návrh zdroje. Také dodávají kompletní impulsní zdroje jako jediný integrovaný obvod. K takovéto součástce se připojí minimum externích součástek. Zpravidla stačí připojit cívku a kondenzátor a impulsní zdroj je hotov. Dodávají se na různá napětí a výstupní proudy.

24,Regulace spínání

Spínané zdroje s transformátorem s pracovním kmitočtem sítě:

Regulace v primárním obvodu transformátoru: S tímto regulátorem zlepšíme využití transformátoru. Ovlivníme tím jeho rozměry, hmotnost a také zlepšíme účinnost oproti klasickému zdroji.

Blokové schéma:

Jako spínač je zde použit triak, který je fázově řízený. Spotřebič je transformátor, který má na sekundární straně usměrňovač pracující do filtru LC. Výstupní napětí je přes dělič přivedeno na diodu optočlenu, která ovládá fototranzistor. Ten ovládá vstup obvodu pro fázové řízení triaku.

Pokud je výstupní napětí menší než požadované, prochází diodou menší proud a fototranzistor se přivře. Na vstupu obvodu pro řízení je nižší napětí. To má za následek, že spouštěcí impulsy pro triak se přenesou do oblasti vyšší střední hodnoty napětí přiváděného do transformátoru a napětí na výstupním filtračním kondenzátoru se zvýší. Pokud je výstupní napětí vyšší, děj je opačný.

Regulace v sekundárním obvodu transformátoru: Často se nepožadují velké regulační schopnosti. Při regulaci výstupního napětí na sekundární straně transformátoru se používá stejné zapojení jako v případě bez transformátoru. Transformátor je použit hlavně pro galvanické oddělení od sítě a případnou úpravu vstupního napětí – snížení, zvýšení.

25,Blokující měnič Blokující měnič s impulsním transformátorem: V intervalu Ta teče proud pouze primárním vinutím. V intervalu Tb teče sekundárním vinutím. Blokující měniče jsou relativně jednoduché. Dobrých výsledků dosahují při regulaci větších výstupních napětí a malých výstupních proudů.

26, Propustný měnič