Ohmova metoda, vyhodnocení výsledků
Elektrický odpor je jedna ze základních vlastností všech pasivních i aktivních prvků, elektrických spotřebičů, obvodů, izolace či jiných elektrických zařízení.
Pokud chceme měření stanovit pouze elektrický odpor daného obvodu, musíme k napájení obvodu použít stejnosměrný proud. U libovolné zátěže se připojením do ob¬vodu střídavého proudu projeví i další její vlastnosti - indukčnost a kapacita. Měřením při střídavém napájení bychom tedy nezjistili velikost elektrického odporu ale hodnotu impedance celého obvodu.
Při měření elektrického odporu působí na měřicí obvod různé rušivé vlivy, které mo¬hou ovlivňovat zejména měření velmi malých nebo velmi velkých odporů. Protože při jednotlivých měření vstupují do hry jiní činitelé, zmíníme se o rušivých vlivech při řešení problematiky měření odporu příslušné velikosti.
Pro odpory všech velikostí je charakteristická jejich závislost na teplotě. Proto je nej¬vhodnější měřit odpor při té teplotě, při níž ho potřebujeme znát. Měříme-li odpor při jiné teplotě, je nutno naměřenou hodnotu na příslušnou teplotu přepočítat.
Pro měření ohmických odporů můžeme použít tří způsobů - výchylkové metody (me¬tody měření pomocí klasických přístrojů), nulové metody (měření odporu pomocí můstků) a ohmmetry (přístroje přímo ukazující hodnotu odporu).
Ohmova metoda měření elektrického odporu je klasický způsob měření, při němž vypočítáváme velikost odporu měřené zátěže pomocí Ohmova zákona.
Pro velikost odporu tedy platí:
RX = [Ω ; V, A]
Kde UX - úbytek napětí na měřeném odporu,
IX - proud protékající měřeným odporem.
Zapojení pro malé odpory
Pro velikost odporu RX platí: RX =
Ampérmetr však neměří pouze proud zátěže IX, ale proud I, který je dán součtem proudu zátěže a proudu tekoucího voltmetrem: I = IX + IV.
Voltmetr měří přímo napětí na zátěži UX
Po dosazení za proud IX tedy dostaneme: RX =
Pro proud voltmetrem platí: IV = , kde IV je vnitřní odpor voltmetru pro daný napěťový rozsah.
Absolutní chyba měření je definována jako rozdíl naměřené a skutečné hodnoty dané veličiny: ΔI = I - IX = IV,
ΔU = UX - UX = 0.
Relativní chyba je dána podílem absolutní chyby a skutečné hodnoty:
δI = . 100 = . 100,
δU = . 100 = 0.
Celková relativní chyba metody je dána součtem relativních chyb měření napětí a proudu. Pro celkovou relativní chybu platí:
δR = │δU│+│δI│= . 100,
Po dosazení:
δR = . 100 = . 100.
Čím bude mít měřený odpor RX menší hodnotu, tím bude chyba při jeho měření menší a měření bude tedy přesnější. Budeme-li chtít dosáhnout chyby metody 0,1 %, bude muset platit RV > 103 RX.
Zapojení pro velké odpory
Pro velikost odporu RX platí: RX =
Ampérmetr měří v tomto zapojení přímo proud tekoucí zátěží IX, voltmetr však neměří pouze úbytek napětí na měřeném rezistoru, ale součet úbytků napětí na ampérmetru a na zátěži: U = UX + UA
Tedy RX =
Pro úbytek napětí na ampérmetru platí: UA = RA.IX, kde RA je vnitřní odpor ampérmetru pro zvolený rozsah.
Pro velikost měřeného odporu tedy můžeme napsat výsledný vztah:
RX = = - RA
Absolutní chyba měření je definována jako rozdíl naměřené a skutečné hodnoty dané veličiny: ΔU = U - UX = UA,
ΔI = IX - IX = 0.
Relativní chyba je dána podílem absolutní chyby a skutečné hodnoty:
δU = . 100 = . 100,
δI = . 100 = 0.
Celková relativní chyba metody je dána součtem relativních chyb měření napětí a proudu. Pro celkovou relativní chybu platí:
δR = │δU│+│δI│= . 100,
Po dosazení:
δR = . 100 = . 100.
Čím větší bude hodnota odporu RX, tím menší bude výsledná chyba metody. Pro dosažení metodické chyby 0,1 % musí platit RX > 1000 RA. Je-li RX značně větší než vnitřní odpor ampérmetru RA, můžeme chybu metody zane¬dbat a velikost odporu počítat přímo z naměřených hodnot napětí a proudu.
Můstková metoda, podmínka vyvážení můstku, indikátor nuly
U výchylkových metod měření odporu (kromě metody substituční) je výsledek měření ovlivněn přesností použitých měřicích přístrojů. U můstkových (nulových) metod se obvykle měřicí přístroj (galvanometr) používá pouze k indikaci stavu můstku, takže jeho chyba neovlivňuje přesnost měření.
Měření činného odporu pomocí můstků jsou nejpřesnější metody měření odporu, lze dosáhnout přesnosti měření až 0,01 %. Zapojení můstků a měření s nimi je však mnohem náročnější než u výchylkových metod, proto jsou hlavní oblastí jejich použití především přesná laboratorní měření.
Pro měření činného odporu se používají dva typy můstků:
- Wheatstoneův,
- Thomsonův.
Obr. 3. Wheatstoneův můstek
Wheatstoneův můstek se skládá ze čtyř větví a nulového indikátoru.
Mezi uzly A a B se přivede stejnosměrné napájecí napětí z baterie či stabilizovaného zdroje, neznámý rezistor se zapojí do první větve. V ostatních větvích jsou umístěny proměnné odporové normály. V druhé diagonále můstku je zapojen nulový indikátor (zpravidla galvanometr), který ukazuje, zda je můstek vyvážen či nikoliv.
Vyvažování Wheatstoneova můstku spočívá ve změně velikosti odporu rezistorů R2, R3 a R4 tak dlouho, až má nulový indikátor nulovou výchylku.
Je-li můstek vyvážen, tj. je-li IG = 0, platí, že potenciál bodů C a D je stejný (UC = UD) a podle II.Kirchhoffova zákona pro naznačené smyčky platí:
Smyčka I
RXI1-R3I2 = 0 → RXI1-R3I2
smyčka II
R2I1-R4I2 = 0 → R2I1-R4I2
po dosazení dostaneme
= → RXR4 = R2R3
Můstek je tedy vyvážen, rovnají-li se součiny odporů v ležících v protilehlých větvích.
Pro velikost neznámého odporu RX platí
RX = R2
Wheatstoneův můstek nelze použít pro měření malých a velmi malých odporů, proto¬že u něho nelze vyloučit vliv přechodových odporů přívodních svorek a spojovacích vodičů. Pro měření malých odporů se používá dvojitý (Thomsonův) můstek.
U tohoto můstku se odstraní vliv parazitních odporů použitím dvojitých přívodů.
01
Pro velikost odporu měřeného Thomsonovým můstkem platí:
RX = RN
Ohmetry
Ohmmetry jsou měřicí přístroje, které udávají velikost měřeného odporu přímo v ohmech. Měření s nimi je snadné a rychlé, přesnost je však nižší (třída přesnosti ohm¬-metrů bývá nejvýše 0,5).
Podle principu měření rozeznáváme dva typy ohmmetrů:
1) ohmmetry s magnetoelektrickým voltmetrem,
2) ohmmetry poměrové.
Ohmmetry s magnetoelektrickým voltmetrem.
Stupnice ohmmetru s magnetoelektrickým voltmetrem není rovnoměrná. Pro snadnější měření jsou tyto přístroje vybaveny regulačním obvodem, pomocí něhož lze nastavit plnou výchylku pří¬stroje (nulový odpor) při zkratovaných přívodech i v případě částečně vybitých baterií. Tomuto nastavení říkáme elektrická nula. Ohmmetr má největší přesnost uprostřed stup¬nice (pří měření odporu odpovídajícího vnitřnímu odporu voltmetru), na obě strany výchylky potom přesnost rychle klesá.
Ohmmetry s magnetoelektrickým měřicím ústrojím se zpravidla staví jako vícerozsa¬hové.
Přesnost měření těchto ohmmetrů je poměrně nízká (je nutno počítat s chybou měře¬ní 5 až 10 %) a proto se používají převážně pouze v univerzálních přístrojích pro informativní měření odporu.
Ohmmetry s poměrovým měřicím ústrojím.
Cívka C je zapojena jako proudová protéká jí proud jehož velikost závisí na odpo¬ru RX a napětí UN. Pohybový moment této cívky natáčí ručku doleva, směrem k nižším hodnotám odporu. Cívka C2 je zapojena jako napěťová, v jejím obvodu je zapojen předřadník s odporem RN, velikost proudu touto cívkou IN je závislá pouze na napětí zdroje. Její pohybový moment natáčí ručku doprava, směrem k vyšším hodnotám odporu. Ručka se ustálí v okamžiku rovnováhy pohybových momentů (poměrové přístroje nemají direktivní pružiny). Výchylka ručky je závislá na poměru obou proudů.
Tyto ohmmetry se vyrábějí pro měření odporu v širokém rozsahu, od 1 mΩ do ∞ a mívají třídu přesnosti 0,5. Zpravidla bývají vícerozsahové.
4. Systémy ručkových měřících přístrojů
Magnetoelektrické měřící přístroje
Základním prvkem magnetického obvodu magnetoelektrických MP je permanentní magnet. Na něj dosedají dva pólové nástavce, jejichž konce jsou vhodně vytvarovány. Ve válcové dutině pólových nástavců je uložen váleček z magneticky měkkého materiálu (ze železa). Ve vzduchové mezeře mezi válečkem a pólovými nástavci je otočně uložena cívka s mnoha závity tenkého měděného drátu.
Funkce je založena na využití sil působících v magnetickém poli na vodiče cívky, jimiž protéká proud. Cívka je umístěna ve vzduchové mezeře mezi pólovými nástavci a válcovým feromagnetickým jádrem.
Prochází-li cívkou, která je v magnetickém poli permanentního magnetu, stejnosměrný proud, budí v něm magnetické pole. Tak vzniká síla, které vytváří moment soustavy a pootáčí cívkou, tomuto pootáčení cívky odporuje řídící moment přívodních pružin. Úhel pootočení cívky a tedy i výchylka ručky na stupnici závisejí vždy na velikosti proudu, který prochází cívkou.
Magnetoelektrické přístroje rozlišují polaritu proudu a napětí – při změně polarity proudu bude mít přístroj zápornou výchylku.
Pro měření střídavých proudů bývá přístroj doplněn usměrňovačem (přístroj měří střední hodnotu usměrněného proudu). Protože jsme zvyklí používat efektivní hodnoty,
jsou magnetoelektrické přístroje s usměrňovačem kalibrovány v efektivních hodnotách
sinusového proudu..
Tlumení magnetoelektrických přístrojů je magnetické.
Vlastnosti:- používají se pro měření stejnosměrného proudu a napětí ve velmi širokých rozsazích (μA až kA, μV až kV)
- při malé hmotnosti otočného ústrojí mají velký pohybový moment což dovoluje přístroje vyrábět v třídě přesnosti 0,1
- mají malou vlastní spotřebu
- vnitřní odpor bývá 5kΩ/V (až 100kΩ/V)
- v praxi nejčastěji používaná soustava
- rušivým elementem je vliv teploty na přesnost měření
- poměrně dobře snášejí přetížení
Elektromagnetické měřící přístroje
Měřící ústrojí této soustavy je založeno na působení dvou feromagnetických plíšků nacházejících se v magnetickém poli cívky.
Skládají se z pevné válcové cívky, na jejíž vnitřní straně je umístěn plíšek. Druhý, pohyblivý plíšek je umístěn na hřídelce otočného ústrojí, které má zpravidla hrotové uložení. Protéká-li cívkou proud, dojde k tomu, že oba plíšky se vlivem magnetického pole zmagnetují souhlasně a začnou se odpuzovat. Pohyblivý plíšek se začne pevnému vzdalovat a tím natáčí ručku. Direktivní moment ústrojí je vyvozován spirálovou pružinou. Dojde-li k vyrovnání pohybového momentu vyvozeného odpudivou silou plíšků a direktivního momentu pružiny, ručka se ustálí.
Tlumení se používá vzduchové pomocí křidélka pohybujícího se v uzavřené vzduchové komůrce.
Výchylka je úměrná druhé mocnině proudu protékajícího cívkou, stupnice je tedy nerovnoměrná.
Vlastnosti:
- měří efektivní hodnotu proudu a napětí
- používají se téměř výhradně pro měření střídavých veličin
- vyrábějí se pro proudy 0,1 – 100A, napětí 600V
- mají vyšší spotřebu a nižší přesnost než feromagnetické (0,5-1)
- stupnice je na počátku zhuštěná
- používají se pro kmitočty do několika set Hz
Elektrostatické měřící přístroje
Elektrostatické měřící přístroje využívají pro měření napětí silových účinků elektrostatického pole, na rozdíl od všech dosud probraných soustav, které využívají účinku elektrického proudu, tedy pole elektromagnetické.
Měřící ústrojí je tvořenou soustavou pevných a pohyblivých elektrod. Připojíme-li na tyto elektrody napětí, začnou na sebe působit přitažlivou silou a pohyblivé elektrody se začnou natáčet, aby co největší svou plochou zapadaly mezi elektrody pevné. V okamžiku, kdy dojde k vyrovnání pohybového a direktivního momentu (bývá vyvozen závěsem či pružinou, která zároveň slouží k přivedení napětí na pohyblivé elektrody) se výchylka přístroje ustálí.
Vlastnosti:
- pouze k měření napětí
- dosahují třídu přesnosti 1
- jsou choulostivé na zacházení
Rezonanční měřící přístroje
Využívají rezonance některé části své soustavy s kmity měřené střídavé veličiny.
Průchodem proudu cívkou začne na jazýčky působit síla, která má střídavou složku s kmitočtem rovným dvojnásobku kmitočtu měřeného proudu. Tato síla rozkmitá jazýčky, jejichž kmitočet je blízký dvojnásobku kmitočtu měřeného proudu. S největší amplitudou kmitá ten jazýček, který je v elektro-mechanické rezonanci s kmity proudu.
Vlastnosti:
- pouze k měření kmitočtu
- třída přesnosti bývá 0,5 (vynímečně 0,2)
Základním prvkem magnetického obvodu magnetoelektrických MP je permanentní magnet. Na něj dosedají dva pólové nástavce, jejichž konce jsou vhodně vytvarovány. Ve válcové dutině pólových nástavců je uložen váleček z magneticky měkkého materiálu (ze železa). Ve vzduchové mezeře mezi válečkem a pólovými nástavci je otočně uložena cívka s mnoha závity tenkého měděného drátu.
Funkce je založena na využití sil působících v magnetickém poli na vodiče cívky, jimiž protéká proud. Cívka je umístěna ve vzduchové mezeře mezi pólovými nástavci a válcovým feromagnetickým jádrem.
Prochází-li cívkou, která je v magnetickém poli permanentního magnetu, stejnosměrný proud, budí v něm magnetické pole. Tak vzniká síla, které vytváří moment soustavy a pootáčí cívkou, tomuto pootáčení cívky odporuje řídící moment přívodních pružin. Úhel pootočení cívky a tedy i výchylka ručky na stupnici závisejí vždy na velikosti proudu, který prochází cívkou.
Magnetoelektrické přístroje rozlišují polaritu proudu a napětí – při změně polarity proudu bude mít přístroj zápornou výchylku.
Pro měření střídavých proudů bývá přístroj doplněn usměrňovačem (přístroj měří střední hodnotu usměrněného proudu). Protože jsme zvyklí používat efektivní hodnoty,
jsou magnetoelektrické přístroje s usměrňovačem kalibrovány v efektivních hodnotách
sinusového proudu..
Tlumení magnetoelektrických přístrojů je magnetické.
Vlastnosti:- používají se pro měření stejnosměrného proudu a napětí ve velmi širokých rozsazích (μA až kA, μV až kV)
- při malé hmotnosti otočného ústrojí mají velký pohybový moment což dovoluje přístroje vyrábět v třídě přesnosti 0,1
- mají malou vlastní spotřebu
- vnitřní odpor bývá 5kΩ/V (až 100kΩ/V)
- v praxi nejčastěji používaná soustava
- rušivým elementem je vliv teploty na přesnost měření
- poměrně dobře snášejí přetížení
Elektromagnetické měřící přístroje
Měřící ústrojí této soustavy je založeno na působení dvou feromagnetických plíšků nacházejících se v magnetickém poli cívky.
Skládají se z pevné válcové cívky, na jejíž vnitřní straně je umístěn plíšek. Druhý, pohyblivý plíšek je umístěn na hřídelce otočného ústrojí, které má zpravidla hrotové uložení. Protéká-li cívkou proud, dojde k tomu, že oba plíšky se vlivem magnetického pole zmagnetují souhlasně a začnou se odpuzovat. Pohyblivý plíšek se začne pevnému vzdalovat a tím natáčí ručku. Direktivní moment ústrojí je vyvozován spirálovou pružinou. Dojde-li k vyrovnání pohybového momentu vyvozeného odpudivou silou plíšků a direktivního momentu pružiny, ručka se ustálí.
Tlumení se používá vzduchové pomocí křidélka pohybujícího se v uzavřené vzduchové komůrce.
Výchylka je úměrná druhé mocnině proudu protékajícího cívkou, stupnice je tedy nerovnoměrná.
Vlastnosti:
- měří efektivní hodnotu proudu a napětí
- používají se téměř výhradně pro měření střídavých veličin
- vyrábějí se pro proudy 0,1 – 100A, napětí 600V
- mají vyšší spotřebu a nižší přesnost než feromagnetické (0,5-1)
- stupnice je na počátku zhuštěná
- používají se pro kmitočty do několika set Hz
Elektrostatické měřící přístroje
Elektrostatické měřící přístroje využívají pro měření napětí silových účinků elektrostatického pole, na rozdíl od všech dosud probraných soustav, které využívají účinku elektrického proudu, tedy pole elektromagnetické.
Měřící ústrojí je tvořenou soustavou pevných a pohyblivých elektrod. Připojíme-li na tyto elektrody napětí, začnou na sebe působit přitažlivou silou a pohyblivé elektrody se začnou natáčet, aby co největší svou plochou zapadaly mezi elektrody pevné. V okamžiku, kdy dojde k vyrovnání pohybového a direktivního momentu (bývá vyvozen závěsem či pružinou, která zároveň slouží k přivedení napětí na pohyblivé elektrody) se výchylka přístroje ustálí.
Vlastnosti:
- pouze k měření napětí
- dosahují třídu přesnosti 1
- jsou choulostivé na zacházení
Rezonanční měřící přístroje
Využívají rezonance některé části své soustavy s kmity měřené střídavé veličiny.
Průchodem proudu cívkou začne na jazýčky působit síla, která má střídavou složku s kmitočtem rovným dvojnásobku kmitočtu měřeného proudu. Tato síla rozkmitá jazýčky, jejichž kmitočet je blízký dvojnásobku kmitočtu měřeného proudu. S největší amplitudou kmitá ten jazýček, který je v elektro-mechanické rezonanci s kmity proudu.
Vlastnosti:
- pouze k měření kmitočtu
- třída přesnosti bývá 0,5 (vynímečně 0,2)
3. Ručkové měřící přístroje
Voltmetr, zapojení v obvodu, vliv na měřenou veličinu
Přístroje, které slouží k měření elektrického napětí se nazývají voltmetry. Připojujeme je vždy paralelně k prvku obvodu, na němž chceme velikost napětí zjistit. Chceme-li např. zjistit napětí na rezistoru R, v obvodu na, zapojíme voltmetr mezi body A a B. Zajímá-li nás napětí na paralelní kombinaci rezistorů RZ a R3, připojíme přístroj mezi body B a C.
Paralelní připojení voltmetru do měřeného obvodu.
Voltmetr zapojený do měřicího obvodu má mít co nejmenší vliv na velikost proudu, který obvodem protéká, musí tedy mít co největší vnitřní odpor.
Přetížení voltmetru nastává, připojíme-li přístroj na vyšší napětí, než je jeho zvolený měřicí rozsah. Na přetížení jsou velmi citlivé zejména magnetoelektrické a elektrodyna¬mické přístroje, protože jejich měřicí cívky jsou vinuté z tenkého vodiče a přetížením by mohlo dojít vlivem velkého proudu k tepelnému přetížení (poškození či úplnému spálení izolace) cívek nebo přívodních pružin. Feromagnetické přístroje jsou vůči přetížení odol¬nější, protože jejich měřicí cívka je pevná a proto může být bohatěji dimenzovaná.
Neznáme-li napětí v měřeném obvodu a ani ho nelze přibližně odhadnout, musíme na voltmetru nastavit jeho nejvyšší rozsah a teprve po připojení přístroje do obvodu zvolit případně rozsah nižší. Tím se vyhneme přetížení přístroje.
Pro měření stejnosměrného napětí používáme nejčastěji magnetoelektrické voltmet¬ry, které lze použít pro měření stejnosměrného napětí v rozmezí od několika set mV do přibližně 1000 V. U běžných magnetoelektrických voltmetrů bývá vnitřní odpor
r = 5000 Ω/V.
Pro měření velmi malých napětí (řádově nV až pV) slouží přístroje zvané galvanome¬try.
Velikost střídavých periodických napětí se s časem mění a proto tato napětí charakte¬rizujeme pomocí jejich efektivní, střední nebo maximální hodnoty, které jsou u ustáleného střídavého napětí konstantní. Z praktických důvodů je pro nás nejzajímavější efektivní hodnota napětí. Z analogových měřicích přístrojů ukazují velikost efektivní hodnoty napětí feromagnetické přístroje, které se však vyznačují velkou spotřebou a kmitočtovou závislostí. Lze pro měření střídavých napětí použít i magnetoelektri¬cké voltmetry s usměrňovačem. Hlavní výhodou voltmetrů této soustavy je malá spotřeba, použitelnost do 20 kHz a možnost měření i střídavých napětí malých hodnot. Hlavní a zásadní nevýhodou těchto voltmetrů to, že neměří efektivní, ale střední hodnotu napětí. Stupnice je sice přepočítána a cejchována v efektivních hodnotách, platí ovšem pouze pro sinusový průběh napětí.
Ampérmetr, zapojení v obvodu, vliv na měřenou veličinu
K měření elektrického proudu se používají přístroje nazývané ampérmetry. Ampérmetr zapojujeme vždy do série s prvkem obvodu, jehož proud chceme změřit.
Sériové připojení ampérmetru do měřeného obvodu.
Ampérmetr by neměl mít na obvod žádný vliv, úbytek napětí, který na něm při průcho¬du proudu vzniká by měl být pokud možno malý. Proto musí mít ampérmetr co nejmenší vnitřní odpor. Z tohoto důvodu se ampérmetr nikdy nesmí zapojovat do obvodu paraleln¬ě. Spleteme-li si způsob zapojení ampérmetru a voltmetru, jako se stalo u ampérmetru A4, může se stát, že ampérmetr velice rychle zničíme, protože v tomto případě měříme zkratový proud zdroje, který většinu ampérmetrů spolehlivě „spálí".
Přetížení je u ampérmetrů magnetoelektrické soustavy stejně nebezpečné jako u voltmetrů, protože velkým proudem může dojít ke spálení vinutí měřicí cívky nebo k poškození direktivních pružin (pokud se pružiny přehřejí, ztratí snadno pružnost, direktivní moment se pak sníží a přístroj ukazuje vyšší proud, než ve skutečnosti ampérmetrem protéká). Ampérmetry feromagnetické soustavy jsou na přetížení poměrně málo náchylné, proto ¬se proud protéká pouze dobře dimenzovanou pevnou cívkou.
Chceme-li zapojit ampérmetr do obvodu, o němž nevíme, jak velký proud by jím mohl protékat, navolíme na přístroji jeho nejvyšší rozsah a teprve až po připojení na zdroj zvolíme rozsah nižší.
Pro měření stejnosměrného proudu se používají měřicí přístroje stejných soustav jako pro měření stejnosměrného napětí, tedy v dnešní době především soustava magneto¬elektrická.
Pro měření střídavého proudu jsou vhodné především přístroje feromagnetické. Je¬jich výhodou je to, že udávají přímo efektivní hodnotu měřeného proudu, bez ohledu na to, zda je průběh proudu sinusový či nikoliv.
Magnetoelektrické přístroje s usměrňovačem měří střední hodnotu, ale stupnici mají cejchovanou v efektivních hodnotách proudu, avšak pouze sinusového průběhu. Pokud měříme proud nesinusový, dopouštíme se tím větší chyby, čím více se průběh proudu od sinusového odchyluje. Pro jejich používání pak hovoří velmi malá spotřeba
Základní vlastnosti měřících přístrojů
Měřící přístroj pro změření určité veličiny volíme podle jeho vlastnosti, daných především soustavou jeho měřícího ústrojí, popř. dalším vybavení. Nejdůležitější vlastnosti měřících přístrojů jsou měřící rozsah, citlivost, konstanta přístroje, přesnost měření, přetížitelnost, vlastní spotřeba rychlost ustálení výchylky.
Měřící rozsah vyjadřuje rozmezí hodnot veličiny v němž přístroj měří s přesností, která odpovídá ustanovením příslušné normy. Obvykle se měřící rozsah shoduje s rozsahem stupnice a udává hodnotu plné výchylky ručky.
Citlivost přístroje udává, jakou výchylkou ručky MP reaguje na jednotku měřené veličiny. Čím je tato výchylka větší, tím menší hodnoty veličiny je přístroj schopen měřit. Je-li třeba naopak větší hodnoty veličin velmi citlivým měřícím přístrojem, umožní se to snížením jeho citlivosti, zvětšením měřícího rozsahu.
Konstanta přístroje (u měřících přístrojů s několika rozsahy = konstanta rozsahu). Je to převrácená hodnota citlivosti – vyjadřuje velikost měřené veličiny na jeden dílek stupnice. U přístrojů s rovnoměrně dělenou stupnici zjistíme konstantu ze vztahu:
měřící rozsah
k = -------------------------
počet dílků stupnice
U nerovnoměrně dělených nebo neúplných stupnic můžeme konstantu zjistit z rozdílu velikosti mezi sousedními číslovanými dílky stupnice – rozdíl dělíme počtem nečíslovaných dílků mezi dílky číslovanými.
Přesnost měření měřících přístrojů a jejich příslušenství se vyjadřuje třídou přesnosti. Třída přesnosti udává u naměřené hodnoty veličiny dovolenou maximální odchylku od skutečné velikosti a to v procentech měřícího rozsahu při dodržení vztažných podmínek (teplota atd.). Odchylka může být na kterémkoliv místě stupnice. To znamená, ze měřící přístroj s třídou přesnosti 1,5 na rozsahu 300 V může mít v kterémkoli místě stupnice odchylku nejvýše 1,5 % z rozsahu 300 V tj. 4,5 V.
Přetížitelnost. Téměř každý přístroj lze přetížit, tj. připustit větší hodnoty měřené veličiny, než je jeho měřící rozsah. Předpokladem je, že se přístroj nesmí poškodit. K přetížení většinou dochází z omylu nebo za nepředvídaných okolností. Velikost a doba přetížení jsou v nepřímé závislosti, čím větší je přetížení, tím kratší musí být doba jeho trvání.Přetížitelnost rozumíme násobek jmenovitého proudu nebo napětí, který měřící přístroj vydrží po určitou dobu bez poškození. Trvale lze voltmetry a ampérmetry zatížit 1,2 násobkem jmenovitého napěti nebo proudu.
Vlastní spotřeba. Měřícími přístroji při měření prochází elektrický proud a vlivem vnitřního odporu přístroje dochází k poklesu napětí. Tím měřící přístroj při měření odebírá elektrický výkon a zatěžuje proudový obvod, do něhož byl zapojen. Výkon potřebný k dosažení plné výchylky ručky se nazývá vlastní spotřebou, vyjadřuje se ve wattech nebo ve voltampérech a má být co nejmenší.
Rychlost ustálení výchylky ručky. Uzavřením proudového obvodu s připojeným přístrojem vnikne nárazový moment soustavy, který za součinnosti řídícího momentu rozkývá otočnou část ústrojí s ručkou. Čtení naměřené hodnoty by bylo možné až po ustálení polohy ručky a tím by se doba měření prodlužovala. Tomuto nežádoucímu jevu se zabraňuje tlumením kývání otočné části ústrojí. Nejlepší tlumení je magnetické. Používá se ho např. v soustavě magetoelektrické.
Přístroje, které slouží k měření elektrického napětí se nazývají voltmetry. Připojujeme je vždy paralelně k prvku obvodu, na němž chceme velikost napětí zjistit. Chceme-li např. zjistit napětí na rezistoru R, v obvodu na, zapojíme voltmetr mezi body A a B. Zajímá-li nás napětí na paralelní kombinaci rezistorů RZ a R3, připojíme přístroj mezi body B a C.
Paralelní připojení voltmetru do měřeného obvodu.
Voltmetr zapojený do měřicího obvodu má mít co nejmenší vliv na velikost proudu, který obvodem protéká, musí tedy mít co největší vnitřní odpor.
Přetížení voltmetru nastává, připojíme-li přístroj na vyšší napětí, než je jeho zvolený měřicí rozsah. Na přetížení jsou velmi citlivé zejména magnetoelektrické a elektrodyna¬mické přístroje, protože jejich měřicí cívky jsou vinuté z tenkého vodiče a přetížením by mohlo dojít vlivem velkého proudu k tepelnému přetížení (poškození či úplnému spálení izolace) cívek nebo přívodních pružin. Feromagnetické přístroje jsou vůči přetížení odol¬nější, protože jejich měřicí cívka je pevná a proto může být bohatěji dimenzovaná.
Neznáme-li napětí v měřeném obvodu a ani ho nelze přibližně odhadnout, musíme na voltmetru nastavit jeho nejvyšší rozsah a teprve po připojení přístroje do obvodu zvolit případně rozsah nižší. Tím se vyhneme přetížení přístroje.
Pro měření stejnosměrného napětí používáme nejčastěji magnetoelektrické voltmet¬ry, které lze použít pro měření stejnosměrného napětí v rozmezí od několika set mV do přibližně 1000 V. U běžných magnetoelektrických voltmetrů bývá vnitřní odpor
r = 5000 Ω/V.
Pro měření velmi malých napětí (řádově nV až pV) slouží přístroje zvané galvanome¬try.
Velikost střídavých periodických napětí se s časem mění a proto tato napětí charakte¬rizujeme pomocí jejich efektivní, střední nebo maximální hodnoty, které jsou u ustáleného střídavého napětí konstantní. Z praktických důvodů je pro nás nejzajímavější efektivní hodnota napětí. Z analogových měřicích přístrojů ukazují velikost efektivní hodnoty napětí feromagnetické přístroje, které se však vyznačují velkou spotřebou a kmitočtovou závislostí. Lze pro měření střídavých napětí použít i magnetoelektri¬cké voltmetry s usměrňovačem. Hlavní výhodou voltmetrů této soustavy je malá spotřeba, použitelnost do 20 kHz a možnost měření i střídavých napětí malých hodnot. Hlavní a zásadní nevýhodou těchto voltmetrů to, že neměří efektivní, ale střední hodnotu napětí. Stupnice je sice přepočítána a cejchována v efektivních hodnotách, platí ovšem pouze pro sinusový průběh napětí.
Ampérmetr, zapojení v obvodu, vliv na měřenou veličinu
K měření elektrického proudu se používají přístroje nazývané ampérmetry. Ampérmetr zapojujeme vždy do série s prvkem obvodu, jehož proud chceme změřit.
Sériové připojení ampérmetru do měřeného obvodu.
Ampérmetr by neměl mít na obvod žádný vliv, úbytek napětí, který na něm při průcho¬du proudu vzniká by měl být pokud možno malý. Proto musí mít ampérmetr co nejmenší vnitřní odpor. Z tohoto důvodu se ampérmetr nikdy nesmí zapojovat do obvodu paraleln¬ě. Spleteme-li si způsob zapojení ampérmetru a voltmetru, jako se stalo u ampérmetru A4, může se stát, že ampérmetr velice rychle zničíme, protože v tomto případě měříme zkratový proud zdroje, který většinu ampérmetrů spolehlivě „spálí".
Přetížení je u ampérmetrů magnetoelektrické soustavy stejně nebezpečné jako u voltmetrů, protože velkým proudem může dojít ke spálení vinutí měřicí cívky nebo k poškození direktivních pružin (pokud se pružiny přehřejí, ztratí snadno pružnost, direktivní moment se pak sníží a přístroj ukazuje vyšší proud, než ve skutečnosti ampérmetrem protéká). Ampérmetry feromagnetické soustavy jsou na přetížení poměrně málo náchylné, proto ¬se proud protéká pouze dobře dimenzovanou pevnou cívkou.
Chceme-li zapojit ampérmetr do obvodu, o němž nevíme, jak velký proud by jím mohl protékat, navolíme na přístroji jeho nejvyšší rozsah a teprve až po připojení na zdroj zvolíme rozsah nižší.
Pro měření stejnosměrného proudu se používají měřicí přístroje stejných soustav jako pro měření stejnosměrného napětí, tedy v dnešní době především soustava magneto¬elektrická.
Pro měření střídavého proudu jsou vhodné především přístroje feromagnetické. Je¬jich výhodou je to, že udávají přímo efektivní hodnotu měřeného proudu, bez ohledu na to, zda je průběh proudu sinusový či nikoliv.
Magnetoelektrické přístroje s usměrňovačem měří střední hodnotu, ale stupnici mají cejchovanou v efektivních hodnotách proudu, avšak pouze sinusového průběhu. Pokud měříme proud nesinusový, dopouštíme se tím větší chyby, čím více se průběh proudu od sinusového odchyluje. Pro jejich používání pak hovoří velmi malá spotřeba
Základní vlastnosti měřících přístrojů
Měřící přístroj pro změření určité veličiny volíme podle jeho vlastnosti, daných především soustavou jeho měřícího ústrojí, popř. dalším vybavení. Nejdůležitější vlastnosti měřících přístrojů jsou měřící rozsah, citlivost, konstanta přístroje, přesnost měření, přetížitelnost, vlastní spotřeba rychlost ustálení výchylky.
Měřící rozsah vyjadřuje rozmezí hodnot veličiny v němž přístroj měří s přesností, která odpovídá ustanovením příslušné normy. Obvykle se měřící rozsah shoduje s rozsahem stupnice a udává hodnotu plné výchylky ručky.
Citlivost přístroje udává, jakou výchylkou ručky MP reaguje na jednotku měřené veličiny. Čím je tato výchylka větší, tím menší hodnoty veličiny je přístroj schopen měřit. Je-li třeba naopak větší hodnoty veličin velmi citlivým měřícím přístrojem, umožní se to snížením jeho citlivosti, zvětšením měřícího rozsahu.
Konstanta přístroje (u měřících přístrojů s několika rozsahy = konstanta rozsahu). Je to převrácená hodnota citlivosti – vyjadřuje velikost měřené veličiny na jeden dílek stupnice. U přístrojů s rovnoměrně dělenou stupnici zjistíme konstantu ze vztahu:
měřící rozsah
k = -------------------------
počet dílků stupnice
U nerovnoměrně dělených nebo neúplných stupnic můžeme konstantu zjistit z rozdílu velikosti mezi sousedními číslovanými dílky stupnice – rozdíl dělíme počtem nečíslovaných dílků mezi dílky číslovanými.
Přesnost měření měřících přístrojů a jejich příslušenství se vyjadřuje třídou přesnosti. Třída přesnosti udává u naměřené hodnoty veličiny dovolenou maximální odchylku od skutečné velikosti a to v procentech měřícího rozsahu při dodržení vztažných podmínek (teplota atd.). Odchylka může být na kterémkoliv místě stupnice. To znamená, ze měřící přístroj s třídou přesnosti 1,5 na rozsahu 300 V může mít v kterémkoli místě stupnice odchylku nejvýše 1,5 % z rozsahu 300 V tj. 4,5 V.
Přetížitelnost. Téměř každý přístroj lze přetížit, tj. připustit větší hodnoty měřené veličiny, než je jeho měřící rozsah. Předpokladem je, že se přístroj nesmí poškodit. K přetížení většinou dochází z omylu nebo za nepředvídaných okolností. Velikost a doba přetížení jsou v nepřímé závislosti, čím větší je přetížení, tím kratší musí být doba jeho trvání.Přetížitelnost rozumíme násobek jmenovitého proudu nebo napětí, který měřící přístroj vydrží po určitou dobu bez poškození. Trvale lze voltmetry a ampérmetry zatížit 1,2 násobkem jmenovitého napěti nebo proudu.
Vlastní spotřeba. Měřícími přístroji při měření prochází elektrický proud a vlivem vnitřního odporu přístroje dochází k poklesu napětí. Tím měřící přístroj při měření odebírá elektrický výkon a zatěžuje proudový obvod, do něhož byl zapojen. Výkon potřebný k dosažení plné výchylky ručky se nazývá vlastní spotřebou, vyjadřuje se ve wattech nebo ve voltampérech a má být co nejmenší.
Rychlost ustálení výchylky ručky. Uzavřením proudového obvodu s připojeným přístrojem vnikne nárazový moment soustavy, který za součinnosti řídícího momentu rozkývá otočnou část ústrojí s ručkou. Čtení naměřené hodnoty by bylo možné až po ustálení polohy ručky a tím by se doba měření prodlužovala. Tomuto nežádoucímu jevu se zabraňuje tlumením kývání otočné části ústrojí. Nejlepší tlumení je magnetické. Používá se ho např. v soustavě magetoelektrické.
2. Konstrukce ručkových měřících přístrojů
Základní konstrukce měřících přístrojů
Analogové měřící přístroje s elektromechanickým ústrojím jsou zařízení, která využívají magnetických, tepelných a dynamických účinků elektrického proudu případně silového působení elektrostatického pole ke stanovení velikosti některé veličiny. Jejich hlavní částí je elektromechanické měřící ústrojí, které převádí příslušnou elektrickou veličinu na výchylku ukazatele.
Základem analogových MP je měřící ústrojí, které se skládá z pevné a pohyblivé části, ukazatele a číselníku. Pohyblivá část měřícího ústrojí je obvykle otočná a ukazatel je s ní pevně spojen.
Ukazatelé analogových MP:
Ručky - je pevně uchycena na hřídelce pohyblivé (otočné) části přístroje. Aby nedocházelo k vychýlení otočného ústrojí z kolmé polohy, vyvažuje se hmotnost ručky a nesymetrie otočného ústrojí pomocí dvou malých protizávažíček.
Mechanická sestava měřícího ústrojí – uložení ručky.
Světelná stopa - světelný paprsek vysílaný žárovkou se promítne na zrcátko umístěné na
ose otočného ústrojí, od něho se odrazí a na stupnici se ukáže jeho obraz.
Tlumení otočného ústrojí:
Hmotnost otočného ústrojí spolu s direktivním momentem řídících pružin vytvářejí kmitavou soustavu, která by způsobovala dlouhé kmitání ručky kolem správné výchylky, než by došlo k jejímu ustálení. Pro co nejrychlejší ustálení ručky musí být otočné ústrojí vybaveno tlumením. Používá se dvou druhů tlumení - vzduchového nebo magnetického.
Základní vlastnosti měřících přístrojů
Měřící přístroj pro změření určité veličiny volíme podle jeho vlastnosti, daných především soustavou jeho měřícího ústrojí, popř. dalším vybavení. Nejdůležitější vlastnosti měřících přístrojů jsou měřící rozsah, citlivost, konstanta přístroje, přesnost měření, přetížitelnost, vlastní spotřeba rychlost ustálení výchylky.
Měřící rozsah. Měřící rozsah vyjadřuje rozmezí hodnot veličiny v němž přístroj měří s přesností, která odpovídá ustanovením příslušné normy. Obvykle se měřící rozsah shoduje s rozsahem stupnice a udává hodnotu plné výchylky ručky.
Někdy měřící rozsah vyjadřuje jen část rozsahu stupnice (např. od 10 do 15 A).
Měřící přístroje mívají dosti často několik rozsahů, které můžeme měnit přepínáním.
Citlivost přístroje. Citlivost přístroje udává, jakou výchylkou ručky MP reaguje na jednotku měřené veličiny. Čím je tato výchylka větší, tím menší hodnoty veličiny je přístroj schopen měřit. Je-li třeba naopak větší hodnoty veličin velmi citlivým měřícím přístrojem, umožní se to snížením jeho citlivosti, zvětšením měřícího rozsahu.
Konstanta přístroje. (u měřících přístrojů s několika rozsahy = konstanta rozsahu). Je to převrácená hodnota citlivosti – vyjadřuje velikost měřené veličiny na jeden dílek stupnice.
U přístrojů s rovnoměrně dělenou stupnici zjistíme konstantu ze vztahu:
měřící rozsah
k = ------------------------
počet dílků stupnice
U nerovnoměrně dělených nebo neúplných stupnic můžeme konstantu zjistit z rozdílu velikosti mezi sousedními číslovanými dílky stupnice – rozdíl dělíme počtem nečíslovaných dílků mezi dílky číslovanými.
Přesnost měření. Přesnost měření měřících přístrojů a jejich příslušenství se vyjadřuje třídou přesnosti. Třída přesnosti udává u naměřené hodnoty veličiny dovolenou maximální odchylku od skutečné velikosti a to v procentech měřícího rozsahu při dodržení vztažných podmínek (teplota atd.).
Přetížitelnost. Téměř každý přístroj lze přetížit, tj. připustit větší hodnoty měřené veličiny, než je jeho měřící rozsah. Předpokladem je, že se přístroj nesmí poškodit. K přetížení většinou dochází z omylu nebo za nepředvídaných okolností. Velikost a doba přetížení jsou v nepřímé závislosti, čím větší je přetížení, tím kratší musí být doba jeho trvání.
Přetížitelnost rozumíme násobek jmenovitého proudu nebo napětí, který měřící přístroj vydrží po určitou dobu bez poškození. Trvale lze voltmetry a ampérmetry zatížit 1,2 násobkem jmenovitého napěti nebo proudu.
Krátkodobě můžeme tyto přístroje do tříd přesnosti 0,2, a 0,5 zatížit dvojnásobkem jmenovitého napětí nebo proudu, kromě přístrojů s ústrojím tepelné soustavy nebo přístrojů s termoelektrickým článkem.
Přístroje do tříd 1, 1,5 a 2,5 můžeme krátkodobě přetížit takto: voltmetry dvojnásobně, ampérmetry desetinásobně, opět kromě tepelných přístrojů, nebo přístrojů s termoelektrickým článkem.
Vlastní spotřeba. Měřícími přístroji při měření prochází elektrický proud a vlivem vnitřního odporu přístroje dochází k poklesu napětí. Tím měřící přístroj při měření odebírá elektrický výkon a zatěžuje proudový obvod, do něhož byl zapojen. Výkon potřebný k dosažení plné výchylky ručky se nazývá vlastní spotřebou, vyjadřuje se ve wattech nebo ve voltampérech. Má být co nejmenší, aby se poměry v proudových obvodech s měřícími přístroji co nejméně lišily od stavu před připojením přístrojů. Při větších změnách těchto poměrů je vlivem větší spotřeby přístrojů měření méně přesné.
Pro nejrozšířenější soustavy měřících přístrojů (magnetoelektrické soustavy) se vlastní spotřeba pohybuje od 40 do 100 mW.
Rychlost ustálení výchylky ručky. Uzavřením proudového obvodu s připojeným přístrojem vnikne nárazový moment soustavy, který za součinnosti řídícího momentu rozkývá otočnou část ústrojí s ručkou. Čtení naměřené hodnoty by bylo možné až po ustálení polohy ručky a tím by se doba měření prodlužovala. Tomuto nežádoucímu jevu se zabraňuje tlumením kývání otočné části ústrojí.
Nejlepší tlumení je magnetické. Používá se ho např. v soustavě magetoelektrické. Cívka soustavy je navinuta na uzavřeném hliníkovém rámečku a tvoří v podstatě otočnou část měřícího ústrojí. Při pohybu cívky protíná rámeček indukční křivky magnetického pole ve vzduchové mezeře, vzniká v něm proud, který brzdí pohyb rámečku a zabraňuje kývání ručky.
Další způsob jak zabránit kývání ručky je tlumení vzduchové.
Přesnost přístroje, rozbor.
Přesnost měření měřících přístrojů a jejich příslušenství se vyjadřuje třídou přesnosti. Třída přesnosti udává u naměřené hodnoty veličiny dovolenou maximální odchylku od skutečné velikosti a to v procentech měřícího rozsahu při dodržení vztažných podmínek (teplota atd.).
Odchylka může být na kterémkoliv místě stupnice. To znamená, ze měřící přístroj s třídou přesnosti 1,5 na rozsahu 300 V může mít v kterémkoli místě stupnice odchylku nejvýše 1,5 % z rozsahu 300 V tj. 4,5 V.
Třída přesnosti je tedy plně využita jen při plné výchylce ručky měřidla. Ukazuje-li ručka poloviční výchylku, přístroj měří na rozsahu 300 V napětí 150 V a odchylka
4,5 V již představuje tříprocentní nepřesnost. Kdyby ručka ukazovala jen 1/10 celé výchylky, tj. 30 V, a byla tam největší dovolená odchylka 4,5 V, nepřesnost měření by byla 15 %. Z toho vyplývá , chceme-li měřit přesně, ze výchylka ručky při měření musí být v poslední třetině stupnice. Neni-li tomu tak (při měření přístrojem s několika rozsahy), výchylku ručky můžeme zvětšit přepnutím přístroje na nižší měřící rozsah. Jinak je třeba výsledek měření opravit podle korekční křivky.
Analogové měřící přístroje s elektromechanickým ústrojím jsou zařízení, která využívají magnetických, tepelných a dynamických účinků elektrického proudu případně silového působení elektrostatického pole ke stanovení velikosti některé veličiny. Jejich hlavní částí je elektromechanické měřící ústrojí, které převádí příslušnou elektrickou veličinu na výchylku ukazatele.
Základem analogových MP je měřící ústrojí, které se skládá z pevné a pohyblivé části, ukazatele a číselníku. Pohyblivá část měřícího ústrojí je obvykle otočná a ukazatel je s ní pevně spojen.
Ukazatelé analogových MP:
Ručky - je pevně uchycena na hřídelce pohyblivé (otočné) části přístroje. Aby nedocházelo k vychýlení otočného ústrojí z kolmé polohy, vyvažuje se hmotnost ručky a nesymetrie otočného ústrojí pomocí dvou malých protizávažíček.
Mechanická sestava měřícího ústrojí – uložení ručky.
Světelná stopa - světelný paprsek vysílaný žárovkou se promítne na zrcátko umístěné na
ose otočného ústrojí, od něho se odrazí a na stupnici se ukáže jeho obraz.
Tlumení otočného ústrojí:
Hmotnost otočného ústrojí spolu s direktivním momentem řídících pružin vytvářejí kmitavou soustavu, která by způsobovala dlouhé kmitání ručky kolem správné výchylky, než by došlo k jejímu ustálení. Pro co nejrychlejší ustálení ručky musí být otočné ústrojí vybaveno tlumením. Používá se dvou druhů tlumení - vzduchového nebo magnetického.
Základní vlastnosti měřících přístrojů
Měřící přístroj pro změření určité veličiny volíme podle jeho vlastnosti, daných především soustavou jeho měřícího ústrojí, popř. dalším vybavení. Nejdůležitější vlastnosti měřících přístrojů jsou měřící rozsah, citlivost, konstanta přístroje, přesnost měření, přetížitelnost, vlastní spotřeba rychlost ustálení výchylky.
Měřící rozsah. Měřící rozsah vyjadřuje rozmezí hodnot veličiny v němž přístroj měří s přesností, která odpovídá ustanovením příslušné normy. Obvykle se měřící rozsah shoduje s rozsahem stupnice a udává hodnotu plné výchylky ručky.
Někdy měřící rozsah vyjadřuje jen část rozsahu stupnice (např. od 10 do 15 A).
Měřící přístroje mívají dosti často několik rozsahů, které můžeme měnit přepínáním.
Citlivost přístroje. Citlivost přístroje udává, jakou výchylkou ručky MP reaguje na jednotku měřené veličiny. Čím je tato výchylka větší, tím menší hodnoty veličiny je přístroj schopen měřit. Je-li třeba naopak větší hodnoty veličin velmi citlivým měřícím přístrojem, umožní se to snížením jeho citlivosti, zvětšením měřícího rozsahu.
Konstanta přístroje. (u měřících přístrojů s několika rozsahy = konstanta rozsahu). Je to převrácená hodnota citlivosti – vyjadřuje velikost měřené veličiny na jeden dílek stupnice.
U přístrojů s rovnoměrně dělenou stupnici zjistíme konstantu ze vztahu:
měřící rozsah
k = ------------------------
počet dílků stupnice
U nerovnoměrně dělených nebo neúplných stupnic můžeme konstantu zjistit z rozdílu velikosti mezi sousedními číslovanými dílky stupnice – rozdíl dělíme počtem nečíslovaných dílků mezi dílky číslovanými.
Přesnost měření. Přesnost měření měřících přístrojů a jejich příslušenství se vyjadřuje třídou přesnosti. Třída přesnosti udává u naměřené hodnoty veličiny dovolenou maximální odchylku od skutečné velikosti a to v procentech měřícího rozsahu při dodržení vztažných podmínek (teplota atd.).
Přetížitelnost. Téměř každý přístroj lze přetížit, tj. připustit větší hodnoty měřené veličiny, než je jeho měřící rozsah. Předpokladem je, že se přístroj nesmí poškodit. K přetížení většinou dochází z omylu nebo za nepředvídaných okolností. Velikost a doba přetížení jsou v nepřímé závislosti, čím větší je přetížení, tím kratší musí být doba jeho trvání.
Přetížitelnost rozumíme násobek jmenovitého proudu nebo napětí, který měřící přístroj vydrží po určitou dobu bez poškození. Trvale lze voltmetry a ampérmetry zatížit 1,2 násobkem jmenovitého napěti nebo proudu.
Krátkodobě můžeme tyto přístroje do tříd přesnosti 0,2, a 0,5 zatížit dvojnásobkem jmenovitého napětí nebo proudu, kromě přístrojů s ústrojím tepelné soustavy nebo přístrojů s termoelektrickým článkem.
Přístroje do tříd 1, 1,5 a 2,5 můžeme krátkodobě přetížit takto: voltmetry dvojnásobně, ampérmetry desetinásobně, opět kromě tepelných přístrojů, nebo přístrojů s termoelektrickým článkem.
Vlastní spotřeba. Měřícími přístroji při měření prochází elektrický proud a vlivem vnitřního odporu přístroje dochází k poklesu napětí. Tím měřící přístroj při měření odebírá elektrický výkon a zatěžuje proudový obvod, do něhož byl zapojen. Výkon potřebný k dosažení plné výchylky ručky se nazývá vlastní spotřebou, vyjadřuje se ve wattech nebo ve voltampérech. Má být co nejmenší, aby se poměry v proudových obvodech s měřícími přístroji co nejméně lišily od stavu před připojením přístrojů. Při větších změnách těchto poměrů je vlivem větší spotřeby přístrojů měření méně přesné.
Pro nejrozšířenější soustavy měřících přístrojů (magnetoelektrické soustavy) se vlastní spotřeba pohybuje od 40 do 100 mW.
Rychlost ustálení výchylky ručky. Uzavřením proudového obvodu s připojeným přístrojem vnikne nárazový moment soustavy, který za součinnosti řídícího momentu rozkývá otočnou část ústrojí s ručkou. Čtení naměřené hodnoty by bylo možné až po ustálení polohy ručky a tím by se doba měření prodlužovala. Tomuto nežádoucímu jevu se zabraňuje tlumením kývání otočné části ústrojí.
Nejlepší tlumení je magnetické. Používá se ho např. v soustavě magetoelektrické. Cívka soustavy je navinuta na uzavřeném hliníkovém rámečku a tvoří v podstatě otočnou část měřícího ústrojí. Při pohybu cívky protíná rámeček indukční křivky magnetického pole ve vzduchové mezeře, vzniká v něm proud, který brzdí pohyb rámečku a zabraňuje kývání ručky.
Další způsob jak zabránit kývání ručky je tlumení vzduchové.
Přesnost přístroje, rozbor.
Přesnost měření měřících přístrojů a jejich příslušenství se vyjadřuje třídou přesnosti. Třída přesnosti udává u naměřené hodnoty veličiny dovolenou maximální odchylku od skutečné velikosti a to v procentech měřícího rozsahu při dodržení vztažných podmínek (teplota atd.).
Odchylka může být na kterémkoliv místě stupnice. To znamená, ze měřící přístroj s třídou přesnosti 1,5 na rozsahu 300 V může mít v kterémkoli místě stupnice odchylku nejvýše 1,5 % z rozsahu 300 V tj. 4,5 V.
Třída přesnosti je tedy plně využita jen při plné výchylce ručky měřidla. Ukazuje-li ručka poloviční výchylku, přístroj měří na rozsahu 300 V napětí 150 V a odchylka
4,5 V již představuje tříprocentní nepřesnost. Kdyby ručka ukazovala jen 1/10 celé výchylky, tj. 30 V, a byla tam největší dovolená odchylka 4,5 V, nepřesnost měření by byla 15 %. Z toho vyplývá , chceme-li měřit přesně, ze výchylka ručky při měření musí být v poslední třetině stupnice. Neni-li tomu tak (při měření přístrojem s několika rozsahy), výchylku ručky můžeme zvětšit přepnutím přístroje na nižší měřící rozsah. Jinak je třeba výsledek měření opravit podle korekční křivky.
1. Chyby měření
Elektrotechnické veličiny měříme většinou jednoduchými přímo ukazujícími přístroji nebo složitějšími (např. můstky). Volbou měřícího přístroje, nebo určitého způsobu pro měření veličiny, volíme měřící metodu.
Žádným měřením nelze přesně zjistit skutečnou hodnotu měřené veličiny.Vlivů, které ovlivňují měření je celá řada.
Patří k nim:
- nedokonalost MP
- změny vnějších podmínek (teplota, vliv magnetického pole)
- ne vždy dostatečné znalosti a praktické zkušenosti experimentátora
V praxi hodnotíme přesnost měření podle velikosti chyb, které při měření vznikají. Čím je chyba měření menši, tím je měřící přístroj či výsledek měření přesnější.
Druhy měřících metod:
Přímá metoda – přečteme velikost veličiny přímo na MP.
Nepřímá metoda – ze změřených veličin vypočítáme velikost zadané veličiny.
Podle funkce MP: - výchylkové – velikost měřené veličiny se určujeme z velikosti
výchylky ručky MP
- nulové – změření veličiny je podmíněno vyrovnáním (elektrickým
vyvážením (např. měřícího můstku)
Podle způsobu určení měřené veličiny:
- přímé – výsledek měření se získá odečtením údaje jediného měřícího
přístroje
- nepřímé – výsledek se získá výpočtem hodnoty funkce několika
proměnných. Hodnoty těchto proměnných se získají
pomocí měřících metod
Podle podstaty: - substituční - nahrazování neznámého členu známým členem
- porovnávací - porovnávání neznámého a známého členu
- rezonanční – změření velikosti je podmíněno dosažením rezonance
- kompenzační – hrazením spotřeby MP z pomocného zdroje
zpřesňujeme měření
Chyby měření
Chyby měření dělíme podle místa vzniku:
chyby metody - jejich příčinou jsou různá zjednodušení vztahu pro výpočet měřené
veličiny, zjednodušení zapojení, vliv spotřeby MP na jeho údaj atd.
chyby přístrojů - jsou způsobeny vlastnostmi MP. Chyba MP je dovolenou chybou
MP, která je dána jeho třídou přesnosti.
chyby pozorovatele - chyby způsobené nesprávnou volbou metody měření, chybné
zapojení přístrojů do obvodu, nevhodná volba měřícího rozsahu,
chybné čtení údajů.
Absolutní a relativní chyba
a) Absolutní chyba
Absolutní chyba měření analogovými přístroji je definována jako rozdíl naměřené a skutečné hodnoty měřené veličiny
ΔX = XN - XS
kde XN - naměřená hodnota veličiny
XS - skutečná hodnota veličiny
Skutečnou hodnotu měřené veličiny nelze nikdy přesně zjistit, proto se pro výpočet nahrazuje tzv. konvenční pravou hodnotou, což je hodnota zjištěná podstatně přesněj¬ším měřením.
Jednotkou absolutní chyby je jednotka příslušné měřené veličiny. Absolutní chyba může nabývat kladných i záporných hodnot.
b) Relativní chyba
Relativní chyba je rovna velikosti absolutní chyby vztažené ke skutečné hodnotě mě¬řené veličiny a nejčastěji se udává v procentech.
δX = .100 [%]
Při posuzování měření se obvykle dává přesnost relativní chybě.
Příklad:
Pomocí dílenského ručkového voltmetru jsme změřili napětí tužkového monočlánku jako 1,5V. Pomocí přesného číslicového voltmetru jsme zjistili napětí článku 1,506V. Zjistěte velikost absolutní a relativní chyby měření, předpokládáme-li, že číslicový volt¬metr udává přesnou hodnotu napětí.
UN = 1,5V.US =1,506V
ΔU = UN - US = 1,5 - 1,506 = -0,006V
δU = .100 = = -0,4%
Absolutní chyba měření je -0,006 V, relativní -0,4%.
Podle charakteru dělíme chyby na:
systematické chyby – vyskytují se pravidelně, opakovaně. Známe jejich hodnotu a znaménko, takže můžeme provést opravu výsledku (korekci).
nahodilé chyby – vyskytují se nepravidelně, náhodně. Jejich vliv lze omezit opakováním měření.
hrubé chyby – dopouštíme se jich omylem. Nápadně se liší od ostatních výsledků měření, nebo leží mimo předpokládaný průběh charakteristiky. Hrubé chyby vyloučíme z dalšího zpracování hodnot a nepočítáme s nimi.
Rozbor chyby systematické
Systematická chyba je složka chyby měření, která při opakovaných měřeních téže veličiny zůstává stálá, nebo se předvídatelným způsobem mění. Její příčiny mohou být známé nebo neznámé. V případě, že lze tuto chybu zjistit pomocí jiného (přesnějšího) měření, nebo že je příčina jejího vzniku známá, lze tuto složku chyby odstranit korekcí.
Příklady systematických chyb.¬:
- chyby metody: chyby způsobené záměrným zjednodušením vztahu pro výpočet měřené veličiny (např. zanedbání vlivu odporu voltmetru na měřené napětí zdroje s nenulovým vnitřním odporem). Tuto chybu lze korigovat respektováním její hodnoty včetně znaménka
- chyba nuly: hodnota výstupní veličiny převodníku nebo údaj přístroje, který je v činnosti (čili připojen k napájecím zdrojům), při nulové hodnotě měřené veličiny; jde o aditivní chybu, která se (včetně znaménka) přičítá ke všem měřením
- chyba zesílení: chyba způsobená např. nesprávnou hodnotou odporu ve vstupním děliči nebo v předřadném rezistoru voltmetru; absolutní chyba tohoto typu je úměrná měřené veličině.
Rozbor chyby náhodné
Náhodná chyba je složka chyby měření, která se při opakovaných měřeních téže veličiny (za realizovatelně stejných podmínek) nepředvídatelně mění. Náhodnou chybu není možno odstranit korekcí.
Jediný způsob zpracování těchto chyb je zvýšit počet měření (alespoň na 20) a výsledky zpracovat statistickými metodami. Tak lze získat střední hodnotu opakovaných měření a jejich rozptyl (dispersi, varianci). Rozptyl se většinou charakterizuje tzv. směrodatnou odchylkou.
Příklady příčin náhodných chyb:
- šumy
- neznámé změny podmínek měření: teplota, vlhkost, rušivá elektromagnetická pole (pokud ale měříme teplotu okolí a známe teplotní koeficienty měřicího zařízení, je chyba vlivem změn teploty chybou systematickou a tedy korigovatelnou.)
- zaokrouhlování výsledku měření: v případě analogového měřicího přístroje zaokrouhlování provádí pozorovatel (na nejbližší dílek nebo jeho část), číslicové měřicí přístroje zaokrouhlují výsledek samočinně (u nich se tento druh chyby nazývá kvantizační šum). S výjimkou zaokrouhlovacích chyb, které jsou rovnoměrně rozloženy, se u náhodných chyb předpokládá tzv. normální (Gaussovo) rozložení. Toto rozložení mají veličiny působené mnoha nezávislými náhodnými veličinami, nezávisle na jejich rozložení pravděpodobnosti.
Žádným měřením nelze přesně zjistit skutečnou hodnotu měřené veličiny.Vlivů, které ovlivňují měření je celá řada.
Patří k nim:
- nedokonalost MP
- změny vnějších podmínek (teplota, vliv magnetického pole)
- ne vždy dostatečné znalosti a praktické zkušenosti experimentátora
V praxi hodnotíme přesnost měření podle velikosti chyb, které při měření vznikají. Čím je chyba měření menši, tím je měřící přístroj či výsledek měření přesnější.
Druhy měřících metod:
Přímá metoda – přečteme velikost veličiny přímo na MP.
Nepřímá metoda – ze změřených veličin vypočítáme velikost zadané veličiny.
Podle funkce MP: - výchylkové – velikost měřené veličiny se určujeme z velikosti
výchylky ručky MP
- nulové – změření veličiny je podmíněno vyrovnáním (elektrickým
vyvážením (např. měřícího můstku)
Podle způsobu určení měřené veličiny:
- přímé – výsledek měření se získá odečtením údaje jediného měřícího
přístroje
- nepřímé – výsledek se získá výpočtem hodnoty funkce několika
proměnných. Hodnoty těchto proměnných se získají
pomocí měřících metod
Podle podstaty: - substituční - nahrazování neznámého členu známým členem
- porovnávací - porovnávání neznámého a známého členu
- rezonanční – změření velikosti je podmíněno dosažením rezonance
- kompenzační – hrazením spotřeby MP z pomocného zdroje
zpřesňujeme měření
Chyby měření
Chyby měření dělíme podle místa vzniku:
chyby metody - jejich příčinou jsou různá zjednodušení vztahu pro výpočet měřené
veličiny, zjednodušení zapojení, vliv spotřeby MP na jeho údaj atd.
chyby přístrojů - jsou způsobeny vlastnostmi MP. Chyba MP je dovolenou chybou
MP, která je dána jeho třídou přesnosti.
chyby pozorovatele - chyby způsobené nesprávnou volbou metody měření, chybné
zapojení přístrojů do obvodu, nevhodná volba měřícího rozsahu,
chybné čtení údajů.
Absolutní a relativní chyba
a) Absolutní chyba
Absolutní chyba měření analogovými přístroji je definována jako rozdíl naměřené a skutečné hodnoty měřené veličiny
ΔX = XN - XS
kde XN - naměřená hodnota veličiny
XS - skutečná hodnota veličiny
Skutečnou hodnotu měřené veličiny nelze nikdy přesně zjistit, proto se pro výpočet nahrazuje tzv. konvenční pravou hodnotou, což je hodnota zjištěná podstatně přesněj¬ším měřením.
Jednotkou absolutní chyby je jednotka příslušné měřené veličiny. Absolutní chyba může nabývat kladných i záporných hodnot.
b) Relativní chyba
Relativní chyba je rovna velikosti absolutní chyby vztažené ke skutečné hodnotě mě¬řené veličiny a nejčastěji se udává v procentech.
δX = .100 [%]
Při posuzování měření se obvykle dává přesnost relativní chybě.
Příklad:
Pomocí dílenského ručkového voltmetru jsme změřili napětí tužkového monočlánku jako 1,5V. Pomocí přesného číslicového voltmetru jsme zjistili napětí článku 1,506V. Zjistěte velikost absolutní a relativní chyby měření, předpokládáme-li, že číslicový volt¬metr udává přesnou hodnotu napětí.
UN = 1,5V.US =1,506V
ΔU = UN - US = 1,5 - 1,506 = -0,006V
δU = .100 = = -0,4%
Absolutní chyba měření je -0,006 V, relativní -0,4%.
Podle charakteru dělíme chyby na:
systematické chyby – vyskytují se pravidelně, opakovaně. Známe jejich hodnotu a znaménko, takže můžeme provést opravu výsledku (korekci).
nahodilé chyby – vyskytují se nepravidelně, náhodně. Jejich vliv lze omezit opakováním měření.
hrubé chyby – dopouštíme se jich omylem. Nápadně se liší od ostatních výsledků měření, nebo leží mimo předpokládaný průběh charakteristiky. Hrubé chyby vyloučíme z dalšího zpracování hodnot a nepočítáme s nimi.
Rozbor chyby systematické
Systematická chyba je složka chyby měření, která při opakovaných měřeních téže veličiny zůstává stálá, nebo se předvídatelným způsobem mění. Její příčiny mohou být známé nebo neznámé. V případě, že lze tuto chybu zjistit pomocí jiného (přesnějšího) měření, nebo že je příčina jejího vzniku známá, lze tuto složku chyby odstranit korekcí.
Příklady systematických chyb.¬:
- chyby metody: chyby způsobené záměrným zjednodušením vztahu pro výpočet měřené veličiny (např. zanedbání vlivu odporu voltmetru na měřené napětí zdroje s nenulovým vnitřním odporem). Tuto chybu lze korigovat respektováním její hodnoty včetně znaménka
- chyba nuly: hodnota výstupní veličiny převodníku nebo údaj přístroje, který je v činnosti (čili připojen k napájecím zdrojům), při nulové hodnotě měřené veličiny; jde o aditivní chybu, která se (včetně znaménka) přičítá ke všem měřením
- chyba zesílení: chyba způsobená např. nesprávnou hodnotou odporu ve vstupním děliči nebo v předřadném rezistoru voltmetru; absolutní chyba tohoto typu je úměrná měřené veličině.
Rozbor chyby náhodné
Náhodná chyba je složka chyby měření, která se při opakovaných měřeních téže veličiny (za realizovatelně stejných podmínek) nepředvídatelně mění. Náhodnou chybu není možno odstranit korekcí.
Jediný způsob zpracování těchto chyb je zvýšit počet měření (alespoň na 20) a výsledky zpracovat statistickými metodami. Tak lze získat střední hodnotu opakovaných měření a jejich rozptyl (dispersi, varianci). Rozptyl se většinou charakterizuje tzv. směrodatnou odchylkou.
Příklady příčin náhodných chyb:
- šumy
- neznámé změny podmínek měření: teplota, vlhkost, rušivá elektromagnetická pole (pokud ale měříme teplotu okolí a známe teplotní koeficienty měřicího zařízení, je chyba vlivem změn teploty chybou systematickou a tedy korigovatelnou.)
- zaokrouhlování výsledku měření: v případě analogového měřicího přístroje zaokrouhlování provádí pozorovatel (na nejbližší dílek nebo jeho část), číslicové měřicí přístroje zaokrouhlují výsledek samočinně (u nich se tento druh chyby nazývá kvantizační šum). S výjimkou zaokrouhlovacích chyb, které jsou rovnoměrně rozloženy, se u náhodných chyb předpokládá tzv. normální (Gaussovo) rozložení. Toto rozložení mají veličiny působené mnoha nezávislými náhodnými veličinami, nezávisle na jejich rozložení pravděpodobnosti.
Polovodičové součástky
Polovodičové součástky – dioda, bipolární a unipolární tranzistor, diak, triak, tyristor. Základní zapojení a činnost.
Diody
- diody jsou polovodičové součástky s jedním, vývody opatřeným, přechodem PN
- celek je chráněn před vlivy prostředí skleněným, keramickým, kovovým a jiným pouzdrem
- ke své činnosti využívají diody jednosměrné elektrické vodivosti přechodu PN
- pro lepší orientaci můžeme diody rozdělit na hrotové, plošné a diody pro zvláštní použití
Hrotové diody
- nejvíce se používají germániové hrotové diody s wolframovým nebo zlatým hrotem
- základem diody s wolframovým hrotem je destička germania typu N, na kterou je pružně přitlačován hrot wolframového drátku
- elektrickým impulsem ( formováním ) vznikne pod hrotem vysoká teplota, tou se pozmění krystalová struktura, která se chová jako malá oblast s vodivostí P
- hrotové diody se používají v měřící, rozhlasové a televizní technice
Plošné diody
- základem plošných diod je destička z křemíku typu N, ve které se difúzní technologií vytvoří vrstva typu P
- křemíková destička je připájena na kovovou podložku, která pomáhá odvádět teplo
- plošné diody se používají především v různých druzích usměrňovačů
Stabilizační diody
- tyto diody jsou plošné křemíkové diody s velmi tenkým přechodem PN
- v přímém směru je charakteristika stejná jako u běžné křemíkové diody, ve zpětném směru se charakteristika vyznačuje ostrým zlomem při dosažení tzv. Zenerova napětí
- při tomto napětí je v oblasti přechodu PN tak silné elektrostatické pole, že elektrony jsou vytrhávány ze svých vazeb a to vede k prudkému nárůstu zpětného proudu při téměř stálém napětí
- této části charakteristiky se využívá při udržován stálého stejnosměrného napětí ( stabilizaci ) v elektronických obvodech
Kapacitní diody
- kapacitní diody jsou plošné křemíkové nebo z arzenidu galia vyrobené diody, u kterých se využívá závislosti kapacity přechodu PN na přiloženém napětí ve zpětném směru
- 18 -
- nejmenší dosažitelná kapacita je omezena napětím, které kapacitní dioda snese ve zpětném směru
- největší dosažitelná kapacita je omezena požadavkem, aby dioda pracovala v nepropustné oblasti své voltampérové charakteristiky
- kapacitní diody určené k elektronickému ladění rezonančních obvodů se také nazývají varikapy
Fotodiody
- fotodiody jsou plošné křemíkové diody, jejichž pouzdro je opatřeno okénkem, aby bylo možno jejich přechod PN vystavit světelnému záření
- fotodiody mohou pracovat ve dvou režimech – hradlovém nebo odporovém režimu
- v hradlovém režimu je fotodioda sama zdrojem fotoelektrického napětí ( několik desetin voltu ), které vzniká osvětlením jejího přechodu PN
- taková fotodioda je schopna dodávat do zátěže proud bez vnějšího napájecího zdroje
- v odporovém režimu je na fotodiodu přiloženo vnější napětí ve zpětném směru
- proud, který fotodiodou prochází je závislý na osvětlení přechodu – za tmy je nejmenší, s osvětlením vzrůstá
- fotodiody reagují na změny osvětlení velmi rychle
- používají se v měřící technice, jako přijímače v optických spojích apod.
Tranzistory
- tranzistory jsou polovodičové součástky, nejčastěji se dvěma přechody PN, které jsou schopny zesilovat a generovat elektrické signály, pracovat jako spínače, realizovat logické funkce apod.
- rozlišují se dva druhy tranzistorů: bipolární a unipolární
- bipolární tranzistory ke své činnosti využívají oba druhy nosičů elektrického proudu v polovodivých materiálech
- u unipolárních tranzistorů zajišťují vedení elektrického proudu buď jen elektrony, nebo jen díry
Bipolární tranzistory
- jsou to polovodičové součástky se dvěma přechody PN mezi třemi oblastmi různého typu vodivosti
- potřebné dva přechody PN lze vytvořit dvojím způsobem – buď se střídají oblasti P-N-P, nebo N-P-N
- podle toho rozeznáváme dva typy bipolárních tranzistorů: tranzistor PNP a tranzistor NPN
- jednotlivé oblasti – elektrody se nazývají emitor E, báze B a kolektor C
- 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 kolektorem SC a se společným emitorem SE - 19 -
- nejčastěji se používá zapojení se společným emitorem SE
- vzhledem k tomu, že h21 běžně bývá desítky až stovky, vykazuje tranzistor v zapojení SE velké proudové a následně velké napěťové zesílení
Unipolární tranzistor
- u unipolárních tranzistorů se na vedení elektrického proudu podílí pouze jeden druh polovodičových nosičů proudu
- k řízení velikosti proudu, který těmito tranzistory prochází, se využívá elektrostatické pole, proto se také označují jako tranzistory řízené elektrickým polem FET
- rozlišují se dva druhy tranzistorů řízených elektrickým polem
- první druh má hradlo od kanálu oddělené přechodem PN a označuje se JFET
- druhý druh má hradlo od kanálu odděleno tenkou vrstvou dielektrika a označuje se MOSFET
- oba druhy tranzistorů řízených elektrickým polem jsou obzvláště vhodné pro použití v obvodech, kde se vyžaduje veliký vstupní odpor
- 20 -
Tyristory
- tyristor je polovodičová součástka se čtyřvrstvou strukturou tzn. se třemi na sebe navazujícími přechody PN ( NPNP nebo PNPN )
- tyristory mají tu vlastnost, že jsou v nevodivém stavu až do určitého okamžiku, kdy se skokem otvírají a plně vedou proud
- za určitých podmínek se opět uzavírají
- tyristory můžeme rozdělit podle počtu vývodů na tyristory diodové a triodové
- Diodové tyristory ( diaky ) mají dva vývody, zapínají se ( nastane přeskok do vodivého stavu ) zvýšením přiloženého napětí
- Triodové tyristory mají kromě dvou hlavních vývodů ( katody K a anody A, kterými prochází hlavní proud tyristoru ) ještě pomocný vývod, nazývaný řídící elektroda G
- k němu se přivádí elektrický signál ( impuls ), kterým se tyristor skokem uvádí do vodivého stavu
- triodové tyristory se v praxi velmi rozšířily
- uplatňují se v zařízeních pracujících s malými proudy i v zařízeních k řízení výkonu velikosti řádově megawattů
- tyristory se používají jako spínače a především jako tzv. řízené usměrňovače; řídí usměrněný výkon téměř beze ztrát energie
Triaky
- triak patří k novějším výkonovým polovodičovým součástkám
- uspořádáním vodivostních vrstev v křemíkovém krystalu navazuje na tyristor
- má pětivrstvou strukturu, která tvoří symetrickou soustavu přechodů PN
- od tyristoru se liší tím, že jej signálem na řídící elektrodě lze uvést do vodivého stavu při obou půlvlnách střídavého napětí, tedy při obou polaritách
- triak si můžeme představit jako antiparalelně zapojené tyristory
- triak tedy může sloužit jako řízený ventil střídavého proudu
- příkladem symetrické vícevrstvé polovodičové součástky je diak, který nemá řídící elektrodu a do vodivého stavu se uvádí zvýšením přiloženého napětí
Diody
- diody jsou polovodičové součástky s jedním, vývody opatřeným, přechodem PN
- celek je chráněn před vlivy prostředí skleněným, keramickým, kovovým a jiným pouzdrem
- ke své činnosti využívají diody jednosměrné elektrické vodivosti přechodu PN
- pro lepší orientaci můžeme diody rozdělit na hrotové, plošné a diody pro zvláštní použití
Hrotové diody
- nejvíce se používají germániové hrotové diody s wolframovým nebo zlatým hrotem
- základem diody s wolframovým hrotem je destička germania typu N, na kterou je pružně přitlačován hrot wolframového drátku
- elektrickým impulsem ( formováním ) vznikne pod hrotem vysoká teplota, tou se pozmění krystalová struktura, která se chová jako malá oblast s vodivostí P
- hrotové diody se používají v měřící, rozhlasové a televizní technice
Plošné diody
- základem plošných diod je destička z křemíku typu N, ve které se difúzní technologií vytvoří vrstva typu P
- křemíková destička je připájena na kovovou podložku, která pomáhá odvádět teplo
- plošné diody se používají především v různých druzích usměrňovačů
Stabilizační diody
- tyto diody jsou plošné křemíkové diody s velmi tenkým přechodem PN
- v přímém směru je charakteristika stejná jako u běžné křemíkové diody, ve zpětném směru se charakteristika vyznačuje ostrým zlomem při dosažení tzv. Zenerova napětí
- při tomto napětí je v oblasti přechodu PN tak silné elektrostatické pole, že elektrony jsou vytrhávány ze svých vazeb a to vede k prudkému nárůstu zpětného proudu při téměř stálém napětí
- této části charakteristiky se využívá při udržován stálého stejnosměrného napětí ( stabilizaci ) v elektronických obvodech
Kapacitní diody
- kapacitní diody jsou plošné křemíkové nebo z arzenidu galia vyrobené diody, u kterých se využívá závislosti kapacity přechodu PN na přiloženém napětí ve zpětném směru
- 18 -
- nejmenší dosažitelná kapacita je omezena napětím, které kapacitní dioda snese ve zpětném směru
- největší dosažitelná kapacita je omezena požadavkem, aby dioda pracovala v nepropustné oblasti své voltampérové charakteristiky
- kapacitní diody určené k elektronickému ladění rezonančních obvodů se také nazývají varikapy
Fotodiody
- fotodiody jsou plošné křemíkové diody, jejichž pouzdro je opatřeno okénkem, aby bylo možno jejich přechod PN vystavit světelnému záření
- fotodiody mohou pracovat ve dvou režimech – hradlovém nebo odporovém režimu
- v hradlovém režimu je fotodioda sama zdrojem fotoelektrického napětí ( několik desetin voltu ), které vzniká osvětlením jejího přechodu PN
- taková fotodioda je schopna dodávat do zátěže proud bez vnějšího napájecího zdroje
- v odporovém režimu je na fotodiodu přiloženo vnější napětí ve zpětném směru
- proud, který fotodiodou prochází je závislý na osvětlení přechodu – za tmy je nejmenší, s osvětlením vzrůstá
- fotodiody reagují na změny osvětlení velmi rychle
- používají se v měřící technice, jako přijímače v optických spojích apod.
Tranzistory
- tranzistory jsou polovodičové součástky, nejčastěji se dvěma přechody PN, které jsou schopny zesilovat a generovat elektrické signály, pracovat jako spínače, realizovat logické funkce apod.
- rozlišují se dva druhy tranzistorů: bipolární a unipolární
- bipolární tranzistory ke své činnosti využívají oba druhy nosičů elektrického proudu v polovodivých materiálech
- u unipolárních tranzistorů zajišťují vedení elektrického proudu buď jen elektrony, nebo jen díry
Bipolární tranzistory
- jsou to polovodičové součástky se dvěma přechody PN mezi třemi oblastmi různého typu vodivosti
- potřebné dva přechody PN lze vytvořit dvojím způsobem – buď se střídají oblasti P-N-P, nebo N-P-N
- podle toho rozeznáváme dva typy bipolárních tranzistorů: tranzistor PNP a tranzistor NPN
- jednotlivé oblasti – elektrody se nazývají emitor E, báze B a kolektor C
- 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 kolektorem SC a se společným emitorem SE - 19 -
- nejčastěji se používá zapojení se společným emitorem SE
- vzhledem k tomu, že h21 běžně bývá desítky až stovky, vykazuje tranzistor v zapojení SE velké proudové a následně velké napěťové zesílení
Unipolární tranzistor
- u unipolárních tranzistorů se na vedení elektrického proudu podílí pouze jeden druh polovodičových nosičů proudu
- k řízení velikosti proudu, který těmito tranzistory prochází, se využívá elektrostatické pole, proto se také označují jako tranzistory řízené elektrickým polem FET
- rozlišují se dva druhy tranzistorů řízených elektrickým polem
- první druh má hradlo od kanálu oddělené přechodem PN a označuje se JFET
- druhý druh má hradlo od kanálu odděleno tenkou vrstvou dielektrika a označuje se MOSFET
- oba druhy tranzistorů řízených elektrickým polem jsou obzvláště vhodné pro použití v obvodech, kde se vyžaduje veliký vstupní odpor
- 20 -
Tyristory
- tyristor je polovodičová součástka se čtyřvrstvou strukturou tzn. se třemi na sebe navazujícími přechody PN ( NPNP nebo PNPN )
- tyristory mají tu vlastnost, že jsou v nevodivém stavu až do určitého okamžiku, kdy se skokem otvírají a plně vedou proud
- za určitých podmínek se opět uzavírají
- tyristory můžeme rozdělit podle počtu vývodů na tyristory diodové a triodové
- Diodové tyristory ( diaky ) mají dva vývody, zapínají se ( nastane přeskok do vodivého stavu ) zvýšením přiloženého napětí
- Triodové tyristory mají kromě dvou hlavních vývodů ( katody K a anody A, kterými prochází hlavní proud tyristoru ) ještě pomocný vývod, nazývaný řídící elektroda G
- k němu se přivádí elektrický signál ( impuls ), kterým se tyristor skokem uvádí do vodivého stavu
- triodové tyristory se v praxi velmi rozšířily
- uplatňují se v zařízeních pracujících s malými proudy i v zařízeních k řízení výkonu velikosti řádově megawattů
- tyristory se používají jako spínače a především jako tzv. řízené usměrňovače; řídí usměrněný výkon téměř beze ztrát energie
Triaky
- triak patří k novějším výkonovým polovodičovým součástkám
- uspořádáním vodivostních vrstev v křemíkovém krystalu navazuje na tyristor
- má pětivrstvou strukturu, která tvoří symetrickou soustavu přechodů PN
- od tyristoru se liší tím, že jej signálem na řídící elektrodě lze uvést do vodivého stavu při obou půlvlnách střídavého napětí, tedy při obou polaritách
- triak si můžeme představit jako antiparalelně zapojené tyristory
- triak tedy může sloužit jako řízený ventil střídavého proudu
- příkladem symetrické vícevrstvé polovodičové součástky je diak, který nemá řídící elektrodu a do vodivého stavu se uvádí zvýšením přiloženého napětí
12. Integrované obvody
Potřeba zmenšit rozměry, hmotnost elektronických zařízení a zlepšit jejich parametry podnítila rozvoj nového technologického směru – mikroelektronika. Základní mikroelektronickou součástkou je integrovaný obvod.
Rozdělení integrovaných obvodů
Z funkčního hlediska dělíme integrované obvody na analogové a digitální.
Z konstrukčního hlediska rozdělujeme integrované obvody na monolitické a hybridní.
Podle hustoty integrace (počet aktivních i pasivních součástek umístněných na základní destičce polovodiče) dělíme integrované obvody na obvody:
1) S malou hustotou integrace: Obsahují méně než 100 obvodových prvků. SSI
2) Se střední hustotou integrace: Obsahují víc jak 100 obvodových prvků. MSI
3) S velkou hustotou integrace: Obsahují několik 1000 obvodových prvků. LSI
4) S velmi vysokou hustotou integrace: Obsahují několik desítek tisíc až sto tisíc obvodových prvků. VLSI
Dělení integrovaných obvodů z konstrukčního hlediska
Z konstrukčního hlediska je rozdělujeme na monolitické a hybridní.
Monolitické integrované obvody (MIO)
Mají dvě podskupiny:
a) Bipolární
b) Unipolární
Monolitický integrovaný obvod je vytvořen na jediném kusu polovodičového materiálu (podložce), na níž jsou realizovány jednotlivé funkční prvky.
Hybridní integrované obvody (HIO)
Mají čtyři podskupiny:
a) Mnoho čipové
b) Tenkovrstvé
c) Tlustovrstvé
d) Kombinované
Hybridní obvod je vytvořen na nosné nevodivé podložce (keramika, sklo) a jednotlivé funkční prvky jsou vytvářeny různými způsoby.
Analogové integrované obvody (AIO)
Základními analogovými funkcemi jsou zesílení, porovnávání, násobení a dělení, frekvenční filtrace. Většina těchto obvodů se vyrábí monolitickými technikami, převážně bipolární a epitaxně planární technologií. Pro správnou činnost obvodů pracujících se spojitými signály je nutné dodržovat pracovní body s velkou přesností, takže nároky na přesné dodržení parametrů aktivních součástek a parametrů pasivních součástek jsou podstatně vyšší než u číslicových obvodů. Dále se nepříznivě projevuje to, že některé pasivní součástky nelze realizovat monolitickými technologiemi (všechny cívky a kapacity vyšší než několik desítek pF). Tato nevýhoda se obvykle řeší připojení diskrétních součástek k příslušným bodům integrovaného obvodu prostřednictvím vnějších vývodů.
Číslicové integrované obvody (ČIO)
Číslicové integrované obvody jsou určené pro zpracování číselného signálu. Obvykle je tento signál dvouhodnotový (logický). Zpracovává se pomocí logických funkcí realizovaných jednotlivými členy integrovaného obvodu.
Základní logické funkce tvoří soubor matematických operací realizovaných množinou vstupních poměrových signálů.
1) Negace NOT
2) Součet OR
3) Součin AND
4) Negovaný součet NOR
5) Negovaný součin NAND
A, B = Vstupní nezávislé proměnné.
Y = Výstupní závislá proměnná.
Značení logických proměnných signálů:
Logická 0 = značí se „L“
Logická 1 = značí se „H“
(To platí pro pozitivní logiku, pro negativní logiku je to obráceně). Tyto logické proměnné, respektive logické úrovně, jsou u číslicových integrovaných obvodů definovány hodnotami napětí.
Monolitické integrované obvody MIO
Bipolární integrované obvody
Používají jako stavební prvek bipolární tranzistor (elektronickou aktivní součástku řízenou elektrickým proudem, u které se využívá pohybu majoritních i minoritních nosičů náboje). Bipolární součástky se vyznačují poměrně velkou rychlostí činnosti a velkým výkonem. Potřebují jedno napájecí napětí. U bipolárních obvodů LSI se dosahuje menší hustoty integrace vzhledem k poměrně velkému ztrátovému výkonu, který se musí zmenšit chlazením.
V bipolární technologii se postupně vyrobilo více technik používaných u obvodů typu SSI nebo MSI:
RTL Odporově vázaná logika
DTL Diodově vázaná logika
ECL Editorově vázaná logika
TTL Tranzistorově tranzistorová logika
TTL-S Tranzistorově tranzistorová Schottkyho logika (rychlá verze TTL)
Unipolární integrované obvody
Základním stavebním prvkem je unipolární tranzistor (elektronický aktivní prvek řízený elektrickým napětím, u kterého se využívá pohybu pouze majoritních nosičů náboje). Tyto obvody mají některé negativní vlastnosti, především menší rychlost a možnost poškozením statickým nábojem, poměrně vysoké napájecí napětí a napěťovou neslučitelnost s logikou TTL.
Při výrobě unipolárních integrovaných obvodů se uplatňují tyto technologie:
PMOS: Využívá kanálu P, vyznačuje se malou rychlostí.
NMOS: Využívá kanálu N, proti technice PMOS má asi třikrát větší rychlost (elektrony jsou pohyblivější než díry), tato technologie je výhodná a proto se zdokonaluje:
CMOS: Využívá tranzistor s kanálem P tak i tranzistor s kanálem N, v komplementárním zapojení je vždy jeden tranzistor otevřený a druhý zavřený. Výhody: jedno napájecí napětí (1,5 až 9 V), malý ztrátový výkon. Nevýhody: vysoké náklady a menší hustota (kalkulátory a hodinky).
VMOS: Využívá trojrozměrného uspořádání tranzistoru, které podstatně zvětšuje integraci a zlepšuje elektrické parametry obvodu. Modifikace NMOS.
HMOS: Zdokonalená technologie NMOS.
Rozdělení integrovaných obvodů
Z funkčního hlediska dělíme integrované obvody na analogové a digitální.
Z konstrukčního hlediska rozdělujeme integrované obvody na monolitické a hybridní.
Podle hustoty integrace (počet aktivních i pasivních součástek umístněných na základní destičce polovodiče) dělíme integrované obvody na obvody:
1) S malou hustotou integrace: Obsahují méně než 100 obvodových prvků. SSI
2) Se střední hustotou integrace: Obsahují víc jak 100 obvodových prvků. MSI
3) S velkou hustotou integrace: Obsahují několik 1000 obvodových prvků. LSI
4) S velmi vysokou hustotou integrace: Obsahují několik desítek tisíc až sto tisíc obvodových prvků. VLSI
Dělení integrovaných obvodů z konstrukčního hlediska
Z konstrukčního hlediska je rozdělujeme na monolitické a hybridní.
Monolitické integrované obvody (MIO)
Mají dvě podskupiny:
a) Bipolární
b) Unipolární
Monolitický integrovaný obvod je vytvořen na jediném kusu polovodičového materiálu (podložce), na níž jsou realizovány jednotlivé funkční prvky.
Hybridní integrované obvody (HIO)
Mají čtyři podskupiny:
a) Mnoho čipové
b) Tenkovrstvé
c) Tlustovrstvé
d) Kombinované
Hybridní obvod je vytvořen na nosné nevodivé podložce (keramika, sklo) a jednotlivé funkční prvky jsou vytvářeny různými způsoby.
Analogové integrované obvody (AIO)
Základními analogovými funkcemi jsou zesílení, porovnávání, násobení a dělení, frekvenční filtrace. Většina těchto obvodů se vyrábí monolitickými technikami, převážně bipolární a epitaxně planární technologií. Pro správnou činnost obvodů pracujících se spojitými signály je nutné dodržovat pracovní body s velkou přesností, takže nároky na přesné dodržení parametrů aktivních součástek a parametrů pasivních součástek jsou podstatně vyšší než u číslicových obvodů. Dále se nepříznivě projevuje to, že některé pasivní součástky nelze realizovat monolitickými technologiemi (všechny cívky a kapacity vyšší než několik desítek pF). Tato nevýhoda se obvykle řeší připojení diskrétních součástek k příslušným bodům integrovaného obvodu prostřednictvím vnějších vývodů.
Číslicové integrované obvody (ČIO)
Číslicové integrované obvody jsou určené pro zpracování číselného signálu. Obvykle je tento signál dvouhodnotový (logický). Zpracovává se pomocí logických funkcí realizovaných jednotlivými členy integrovaného obvodu.
Základní logické funkce tvoří soubor matematických operací realizovaných množinou vstupních poměrových signálů.
1) Negace NOT
2) Součet OR
3) Součin AND
4) Negovaný součet NOR
5) Negovaný součin NAND
A, B = Vstupní nezávislé proměnné.
Y = Výstupní závislá proměnná.
Značení logických proměnných signálů:
Logická 0 = značí se „L“
Logická 1 = značí se „H“
(To platí pro pozitivní logiku, pro negativní logiku je to obráceně). Tyto logické proměnné, respektive logické úrovně, jsou u číslicových integrovaných obvodů definovány hodnotami napětí.
Monolitické integrované obvody MIO
Bipolární integrované obvody
Používají jako stavební prvek bipolární tranzistor (elektronickou aktivní součástku řízenou elektrickým proudem, u které se využívá pohybu majoritních i minoritních nosičů náboje). Bipolární součástky se vyznačují poměrně velkou rychlostí činnosti a velkým výkonem. Potřebují jedno napájecí napětí. U bipolárních obvodů LSI se dosahuje menší hustoty integrace vzhledem k poměrně velkému ztrátovému výkonu, který se musí zmenšit chlazením.
V bipolární technologii se postupně vyrobilo více technik používaných u obvodů typu SSI nebo MSI:
RTL Odporově vázaná logika
DTL Diodově vázaná logika
ECL Editorově vázaná logika
TTL Tranzistorově tranzistorová logika
TTL-S Tranzistorově tranzistorová Schottkyho logika (rychlá verze TTL)
Unipolární integrované obvody
Základním stavebním prvkem je unipolární tranzistor (elektronický aktivní prvek řízený elektrickým napětím, u kterého se využívá pohybu pouze majoritních nosičů náboje). Tyto obvody mají některé negativní vlastnosti, především menší rychlost a možnost poškozením statickým nábojem, poměrně vysoké napájecí napětí a napěťovou neslučitelnost s logikou TTL.
Při výrobě unipolárních integrovaných obvodů se uplatňují tyto technologie:
PMOS: Využívá kanálu P, vyznačuje se malou rychlostí.
NMOS: Využívá kanálu N, proti technice PMOS má asi třikrát větší rychlost (elektrony jsou pohyblivější než díry), tato technologie je výhodná a proto se zdokonaluje:
CMOS: Využívá tranzistor s kanálem P tak i tranzistor s kanálem N, v komplementárním zapojení je vždy jeden tranzistor otevřený a druhý zavřený. Výhody: jedno napájecí napětí (1,5 až 9 V), malý ztrátový výkon. Nevýhody: vysoké náklady a menší hustota (kalkulátory a hodinky).
VMOS: Využívá trojrozměrného uspořádání tranzistoru, které podstatně zvětšuje integraci a zlepšuje elektrické parametry obvodu. Modifikace NMOS.
HMOS: Zdokonalená technologie NMOS.
11.Triaky a diaky
Je to jakoby obousměrný tyristor s pětivrstvou strukturou PNPNP, má čtyři přechody. Vznikne uspořádáním tzv. antiparalelního zapojení dvou tranzistorů.
Funguje jako tyristor, ale v obou směrech => nemá závěrnou část
UAA
_____________________________ |________________________________
UAA
DIAK
Má 3 vrstvy a !!nemá Gate!!, nemá řídící elektronu a spíná přiloženým napětím
Diak je vypnutý v blokovacím stavu a sepne překročením blokovacího napětí.
_____________________________ |________________________________
U
Používá se v souvislosti se spínáním triaků
Praktické použití např. Ovládání jasu žárovky
Funguje jako tyristor, ale v obou směrech => nemá závěrnou část
UAA
_____________________________ |________________________________
UAA
DIAK
Má 3 vrstvy a !!nemá Gate!!, nemá řídící elektronu a spíná přiloženým napětím
Diak je vypnutý v blokovacím stavu a sepne překročením blokovacího napětí.
_____________________________ |________________________________
U
Používá se v souvislosti se spínáním triaků
Praktické použití např. Ovládání jasu žárovky
10. Tyristory
Polovodičová součástka, má 4vrstvy P, N a 3 přechody.
A – anoda
K – katoda
G – řídící elektroda ( Gate )
Tyristor neboli řízený usměrňovač je někdy nazýván triodinovým tyristorem není-li na G napětí tyristorem proud neteče, přivedeme-li napětí sepne a drží napětí
Náhradní schéma tranzistoru
princip sepnutí tranzistoru:
1) V okamžiku přivedení řídícího impulsu musí být tyristor v blokovacím stavu
2) Proud IG musí být dostatečnou amplitudou
3) Proud IG musí mít dostatečnou šířku, aby propustný proud IA dosáhl alespoň IL (přídržný proud) hodnotu
Propustná
| část
| blokovací
_____________________________ |________________________________
Závěrná část
Podmínky rozepnutí: ve stejnosměrném proudu pokud držíme musíme rozpojit obvod
Ve střídavých proudech
1) Propustný proud musí změnit směr a projít do závěrného směru, sám se vypne
2) Na tyristoru musí být po určitou dobu záporné napětí
Používá se ke spínání spotřebičů, jak ve střídavých, tak ve stejnosměrných.
TYPY: Klasický
Vypínací tyristor ( záporným impulsem se vypíná )
Zpětně propustný tyristor
Fototyristor ( ke spínání silových tyristorů světlem )
Parametry tyristoru:
• URRM – maximální opakovaný napětí v závěrném směru
• IT ( RMS ) – max proud v předním směru
• P – ztrátový výkon
PODMÍNKY SEPNUTÍ TYRISTORU
1) v okamžiku přivedení řídícího impulsu musí být tyristor v blokovacím stavu
2) IG musí mít dostatečnou amplitudu
3) IG musí mít dostatečnou šířku, aby propustný prou dosáhl alespoň úroveň IL (přídržný)
4) I bez přivedeného IG, překročením UBO
PODMÍNKY VYPNUTÍ TYRISTORU
1) Propustný proud musí změnit směr a projít nulou do závěrného směru
2) na tyristoru musí být po určitou dobu závěrné napětí
SPECIÁLNÍ TYPY TYRISTORŮ
• zpětně propustný tyristor
• fototyristor - slouží ke spínání silových tyristorů světlem
• vypínací tyristor – záporným proudem je vypnut
A – anoda
K – katoda
G – řídící elektroda ( Gate )
Tyristor neboli řízený usměrňovač je někdy nazýván triodinovým tyristorem není-li na G napětí tyristorem proud neteče, přivedeme-li napětí sepne a drží napětí
Náhradní schéma tranzistoru
princip sepnutí tranzistoru:
1) V okamžiku přivedení řídícího impulsu musí být tyristor v blokovacím stavu
2) Proud IG musí být dostatečnou amplitudou
3) Proud IG musí mít dostatečnou šířku, aby propustný proud IA dosáhl alespoň IL (přídržný proud) hodnotu
Propustná
| část
| blokovací
_____________________________ |________________________________
Závěrná část
Podmínky rozepnutí: ve stejnosměrném proudu pokud držíme musíme rozpojit obvod
Ve střídavých proudech
1) Propustný proud musí změnit směr a projít do závěrného směru, sám se vypne
2) Na tyristoru musí být po určitou dobu záporné napětí
Používá se ke spínání spotřebičů, jak ve střídavých, tak ve stejnosměrných.
TYPY: Klasický
Vypínací tyristor ( záporným impulsem se vypíná )
Zpětně propustný tyristor
Fototyristor ( ke spínání silových tyristorů světlem )
Parametry tyristoru:
• URRM – maximální opakovaný napětí v závěrném směru
• IT ( RMS ) – max proud v předním směru
• P – ztrátový výkon
PODMÍNKY SEPNUTÍ TYRISTORU
1) v okamžiku přivedení řídícího impulsu musí být tyristor v blokovacím stavu
2) IG musí mít dostatečnou amplitudu
3) IG musí mít dostatečnou šířku, aby propustný prou dosáhl alespoň úroveň IL (přídržný)
4) I bez přivedeného IG, překročením UBO
PODMÍNKY VYPNUTÍ TYRISTORU
1) Propustný proud musí změnit směr a projít nulou do závěrného směru
2) na tyristoru musí být po určitou dobu závěrné napětí
SPECIÁLNÍ TYPY TYRISTORŮ
• zpětně propustný tyristor
• fototyristor - slouží ke spínání silových tyristorů světlem
• vypínací tyristor – záporným proudem je vypnut
9. Tranzistory
Dělíme je na :
• Bipolární tranzistory – využívají oba druhy nosičů elektrického náboje tj. elektronů i děr
• Unipolární tranzistory – využívají buďto jen elektronů, nebo jen děr
Tranzistor si můžeme představit asi takto
Dvě diody k sobě náhradní schéma tranzistoru = > nefunkční
Tranzistor je téměř zavřený tranzistor se otevírá
Malými změnami napětí mezi bází a Editorem lze podstatně měnit průtok elektronů mezi editorem a kolektorem a tím řídit mnohem větší tzv. kolektorový proud jehož zdrojem je napětí UKE
Tranzistor pracuje jako zesilovač
Proudové zesílení tranzistoru
Dvojice stejných tranzistorů opačné polarity PNP a NPN nazýváme komplementární neboli doplňkové tranzistory.
Základní zapojení tranzistorů
Tranzistor má tři druhy zapojení
SE(se společným emitorem) SB SK
Tranzistor jako zesilovač
Oba napájecí zdroje v zapojení dle obr. Tj. UBE a UKE lze v praktickém zapojení nahradit zdrojem UKK z něhož jsou kolektor a báze napojeny pomocí vypočítaných rezistorů RK a RB
VA Charakteristika
Tranzistor jako čtyřpól má charakteristiku ve 4 kvadrantech
Výstupní
Převodní char | IB=max char.
| IB=4mA
| IB=3mA
| IB=2mA
| IB=1mA
| IB=0mA
_____________________________ |__________________________
Vstupní |
char. | zpětně převodní char.
|
Nejdůležitější je výstupní proměřuje se při různých proudech do báze.
Tranzistor jako spínač
Uzavřený tranzistor Malým kladným napětím Malým záporným napětím
Se tranzistor NPN otevře se tranzistor PNP otevře
Značení tranzistorů
• Evropské BC168A
• Mimoevropské 2N2218IA (nulový srovnávací katalog)
První písmeno
A, G – germaniové
B, K – křemík
Druhé písmeno
C – nízkofrekvenční (až 20kHz)
D –nízkofrekvenční, výkonový
F – vysokofrekvenční (nad 20kHz)
L – vysokofrekvenční, výkonový
S, U – spínací
Mimoevropské:
2N2218/A
2CA…., 2SB….apod.
Nutný je srovnávací katalog
Parametry tranzistorů:
UCE = max napětí C, E
IC = kolektorový max. proud kolektorem
PTOT = výkonová ztráta ( UCE * IC [W] )
Výkonová ztráta musí být nižší než katalogová hodnota, jinak se tranzistor přehřeje a zničí teplem.
Výhody tranzistoru:
nepotřebují žhavení
čím dál menší rozměry
větší životnost
velká otřesuvzdornost
Nevýhody tranzistoru:
tepelná závislost
náchylné na přepětí
mají zbytkový proud
choulostivé na rad. Záření
• Bipolární tranzistory – využívají oba druhy nosičů elektrického náboje tj. elektronů i děr
• Unipolární tranzistory – využívají buďto jen elektronů, nebo jen děr
Tranzistor si můžeme představit asi takto
Dvě diody k sobě náhradní schéma tranzistoru = > nefunkční
Tranzistor je téměř zavřený tranzistor se otevírá
Malými změnami napětí mezi bází a Editorem lze podstatně měnit průtok elektronů mezi editorem a kolektorem a tím řídit mnohem větší tzv. kolektorový proud jehož zdrojem je napětí UKE
Tranzistor pracuje jako zesilovač
Proudové zesílení tranzistoru
Dvojice stejných tranzistorů opačné polarity PNP a NPN nazýváme komplementární neboli doplňkové tranzistory.
Základní zapojení tranzistorů
Tranzistor má tři druhy zapojení
SE(se společným emitorem) SB SK
Tranzistor jako zesilovač
Oba napájecí zdroje v zapojení dle obr. Tj. UBE a UKE lze v praktickém zapojení nahradit zdrojem UKK z něhož jsou kolektor a báze napojeny pomocí vypočítaných rezistorů RK a RB
VA Charakteristika
Tranzistor jako čtyřpól má charakteristiku ve 4 kvadrantech
Výstupní
Převodní char | IB=max char.
| IB=4mA
| IB=3mA
| IB=2mA
| IB=1mA
| IB=0mA
_____________________________ |__________________________
Vstupní |
char. | zpětně převodní char.
|
Nejdůležitější je výstupní proměřuje se při různých proudech do báze.
Tranzistor jako spínač
Uzavřený tranzistor Malým kladným napětím Malým záporným napětím
Se tranzistor NPN otevře se tranzistor PNP otevře
Značení tranzistorů
• Evropské BC168A
• Mimoevropské 2N2218IA (nulový srovnávací katalog)
První písmeno
A, G – germaniové
B, K – křemík
Druhé písmeno
C – nízkofrekvenční (až 20kHz)
D –nízkofrekvenční, výkonový
F – vysokofrekvenční (nad 20kHz)
L – vysokofrekvenční, výkonový
S, U – spínací
Mimoevropské:
2N2218/A
2CA…., 2SB….apod.
Nutný je srovnávací katalog
Parametry tranzistorů:
UCE = max napětí C, E
IC = kolektorový max. proud kolektorem
PTOT = výkonová ztráta ( UCE * IC [W] )
Výkonová ztráta musí být nižší než katalogová hodnota, jinak se tranzistor přehřeje a zničí teplem.
Výhody tranzistoru:
nepotřebují žhavení
čím dál menší rozměry
větší životnost
velká otřesuvzdornost
Nevýhody tranzistoru:
tepelná závislost
náchylné na přepětí
mají zbytkový proud
choulostivé na rad. Záření
8. Diody
Princip:ve vodivostním pásmu se elektrony a díry nekombinují
Přechod je vodivý a propouští proud. Dioda je v propustném stavu přední směr.
Pásmo bez nosičů =>přechod je nevodivý
=>dioda je v závěrném směru
V jednom směru propouští v jednom ne proto ji lze použít k usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný proud.
Příklad napětí: např. Schottkyho dioda 0,3V, křemíková dioda 0,7V. A ve směru opačném, tedy od katody k anodě, proud teče od vyššího napětí, Schottkyho dioda 70V.
V-A charakteristika diody
VA – charakteristika diody je závislost proudu diodou na přiloženém napětí. Získáme ji proměřením diody dle obr.
Měříme nejprve v propustném směru potom otočíme polaritu napájecího zdroje a měříme charakteristiku v závěrném směru.
3nejdůležitější parametry diody:
IdMAX maximální dovolený proud v propustném směru (v katalogu IF)
UdMAX maximální závěrné napětí (v katalogu se značí URM)
UTO prahové napětí – úbytek napětí v propustném směru
Druhy diod
1) Dle materiálu
a) Křemíkové - usměrňovače
b) Germaniové – vysokofrekvenční technika
c) Selenové – dříve v rádiích dnes ve svářečkách
2) Hrotové a plošné
Hrotová dioda - wolframový nebo zlatý hrot je přitlačen pružinou k polovodivému Typu N
použití: ve vysokofrekvenční technice jako rychlá dioda
tam kde se nepřenášejí velké proudy
Plošná dioda – Kapka India se vtaví při vysoké teplotě do křemíkové destičky, přechod není bodový , ale plošný
použití: usměrňovače pro přenos velkých proudů a dokáží odvádět teplo do okolí
Zenerova dioda
Jsou to plošné křemíkové diody s velmi tenkým přechodem a typickou charakteristickou. Využívá závěrné části charakteristiky.
V pracovní oblasti dochází k Zeyerovu průrazu, který není lavinovitý a Z dioda se nepoškodí prudký nárust závěrného proudu vyvolá pouze napetrnou změnu Z napětí, takže se používá pro stabilizaci napětí.
Varikap
Speciální plošná křemíková dioda
pracuje v závěrném směru
mění kapacitu v závislosti na napětí
Fotodioda
Účinkem světelných paprsků bude diodou protékat větší proud
Letdioda
Pracuje jen v předním směru
Při průchodu proudu polovodičovým přechodem se dopadem elektronů uvolňují ze základního materiálu fotony a vzniká slabé záření různé vlnové délky.
Dělíme je na rozptylové a bodové.
Rozptylové – méně intenzivní než bodové
Přechod je vodivý a propouští proud. Dioda je v propustném stavu přední směr.
Pásmo bez nosičů =>přechod je nevodivý
=>dioda je v závěrném směru
V jednom směru propouští v jednom ne proto ji lze použít k usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný proud.
Příklad napětí: např. Schottkyho dioda 0,3V, křemíková dioda 0,7V. A ve směru opačném, tedy od katody k anodě, proud teče od vyššího napětí, Schottkyho dioda 70V.
V-A charakteristika diody
VA – charakteristika diody je závislost proudu diodou na přiloženém napětí. Získáme ji proměřením diody dle obr.
Měříme nejprve v propustném směru potom otočíme polaritu napájecího zdroje a měříme charakteristiku v závěrném směru.
3nejdůležitější parametry diody:
IdMAX maximální dovolený proud v propustném směru (v katalogu IF)
UdMAX maximální závěrné napětí (v katalogu se značí URM)
UTO prahové napětí – úbytek napětí v propustném směru
Druhy diod
1) Dle materiálu
a) Křemíkové - usměrňovače
b) Germaniové – vysokofrekvenční technika
c) Selenové – dříve v rádiích dnes ve svářečkách
2) Hrotové a plošné
Hrotová dioda - wolframový nebo zlatý hrot je přitlačen pružinou k polovodivému Typu N
použití: ve vysokofrekvenční technice jako rychlá dioda
tam kde se nepřenášejí velké proudy
Plošná dioda – Kapka India se vtaví při vysoké teplotě do křemíkové destičky, přechod není bodový , ale plošný
použití: usměrňovače pro přenos velkých proudů a dokáží odvádět teplo do okolí
Zenerova dioda
Jsou to plošné křemíkové diody s velmi tenkým přechodem a typickou charakteristickou. Využívá závěrné části charakteristiky.
V pracovní oblasti dochází k Zeyerovu průrazu, který není lavinovitý a Z dioda se nepoškodí prudký nárust závěrného proudu vyvolá pouze napetrnou změnu Z napětí, takže se používá pro stabilizaci napětí.
Varikap
Speciální plošná křemíková dioda
pracuje v závěrném směru
mění kapacitu v závislosti na napětí
Fotodioda
Účinkem světelných paprsků bude diodou protékat větší proud
Letdioda
Pracuje jen v předním směru
Při průchodu proudu polovodičovým přechodem se dopadem elektronů uvolňují ze základního materiálu fotony a vzniká slabé záření různé vlnové délky.
Dělíme je na rozptylové a bodové.
Rozptylové – méně intenzivní než bodové
7. Termistory, fotočlánek, fotoodpor, variátor, Hallův článek
Stačí zahřát, posvítit, elektrické pole, magnetické pole.
Termistor
Je to součástka s vlastní vodivostí a bez přechodu. Odpor závislý na teplotě.
!!POZOR!! na tepelnou zatížitelnost např. 450mW
Pozitivní – pozistory PT
POUŽITÍ: požární hlásiče, teplotní čidla, teplotní snímače
Fotoodpor (fotorezistor)
Mění svůj odpor působením světla. Od fotodiod se liší tím že pracují nezávisle na směru proudu. Pči rychlém přechodu do tmy se odpor mění se zpožděním.
Fotočlánek
Přeměňuje světelnou energii přímo na elektrickou.
Varistor
Odpor závislý na přiloženém napětí. Vzhledem podobný keramickým kondenzátorům. Určen k ochraně elektronických součástek v obvodech kde může dojít k přepětí. Zenerova dioda reaguje pomaleji než varistor, protože má parazitní indukčnost.
Výhody:reaguje rychleji než Zeyerova dioda
Malý zbytkový proud
VA-charakteristika varistoru
Hallův článek
Pokud je umístěn jednou osou kolmo k magnetickému poli B a na delší kolmou osu přivádíme ss proud I, pak na poslední kolmé ose se objeví Hallovo napětí, které je úměrné magnetickému poli B a ss proudu I.
RH - Hallova materiálová konstanta [m3*C-1]
Termistor
Je to součástka s vlastní vodivostí a bez přechodu. Odpor závislý na teplotě.
!!POZOR!! na tepelnou zatížitelnost např. 450mW
Pozitivní – pozistory PT
POUŽITÍ: požární hlásiče, teplotní čidla, teplotní snímače
Fotoodpor (fotorezistor)
Mění svůj odpor působením světla. Od fotodiod se liší tím že pracují nezávisle na směru proudu. Pči rychlém přechodu do tmy se odpor mění se zpožděním.
Fotočlánek
Přeměňuje světelnou energii přímo na elektrickou.
Varistor
Odpor závislý na přiloženém napětí. Vzhledem podobný keramickým kondenzátorům. Určen k ochraně elektronických součástek v obvodech kde může dojít k přepětí. Zenerova dioda reaguje pomaleji než varistor, protože má parazitní indukčnost.
Výhody:reaguje rychleji než Zeyerova dioda
Malý zbytkový proud
VA-charakteristika varistoru
Hallův článek
Pokud je umístěn jednou osou kolmo k magnetickému poli B a na delší kolmou osu přivádíme ss proud I, pak na poslední kolmé ose se objeví Hallovo napětí, které je úměrné magnetickému poli B a ss proudu I.
RH - Hallova materiálová konstanta [m3*C-1]
6. Princip polovodičů
Rozdělení látek:
• Vodiče – dobře vodí el. proud
• Nevodiče – dielektrikum, izolanty, nevodí el. proud
• Polovodiče – vodí el. Proud za určitých podmínek (působením teploty, světla, elektrického nebo magnetického pole)
Si, Ge, Se – jsou 4mocné látky => 4valenční elektrony
Vodivost polovodičů:
• Vlastní vodivost
• Nevlastní vodivost
Vnitřní struktura atomu
Kolem kladného jádra obíhají 4 valenční elektrony, které mají dvě funkce
1) Mohou působit jako, jakési lepidlo, které udržují atomy v krystalu
2) Valenční el. mohou opustit vazbu s jádrem a svým pohybem vyvolat el. proud
Vlastní vodivost polovodiče
Teplota, tlak, světlo, nebo elektromagnetické pole vytrhne elektron a způsobí elektrický proud. Po vytržení elektronu vzniká kladná díra. Vede-li elektrický proud elektron, mluvíme o elektronové vodivosti. Do vzniklé díry může spadnout další elektron, který způsobil vznik jiné díry. Takovýto pohyb děr nazýváme děrová vodivost. Spadnutí elektronu do díry nazýváme rekombinace a naopak vytrhnutí elektronu nazýváme generace páru.
Nevlastní vodivost polovodičů
Vložíme-li do krystalu germania(Ge) atom arsenu (As), který má 5 valenčních elektronů, vznikne po zavazbení do krystalové mříže jeden volný elektron, neboť se nemá s kým sloučit, je pro vazbu přebytečný a proto volný.
• Vodiče – dobře vodí el. proud
• Nevodiče – dielektrikum, izolanty, nevodí el. proud
• Polovodiče – vodí el. Proud za určitých podmínek (působením teploty, světla, elektrického nebo magnetického pole)
Si, Ge, Se – jsou 4mocné látky => 4valenční elektrony
Vodivost polovodičů:
• Vlastní vodivost
• Nevlastní vodivost
Vnitřní struktura atomu
Kolem kladného jádra obíhají 4 valenční elektrony, které mají dvě funkce
1) Mohou působit jako, jakési lepidlo, které udržují atomy v krystalu
2) Valenční el. mohou opustit vazbu s jádrem a svým pohybem vyvolat el. proud
Vlastní vodivost polovodiče
Teplota, tlak, světlo, nebo elektromagnetické pole vytrhne elektron a způsobí elektrický proud. Po vytržení elektronu vzniká kladná díra. Vede-li elektrický proud elektron, mluvíme o elektronové vodivosti. Do vzniklé díry může spadnout další elektron, který způsobil vznik jiné díry. Takovýto pohyb děr nazýváme děrová vodivost. Spadnutí elektronu do díry nazýváme rekombinace a naopak vytrhnutí elektronu nazýváme generace páru.
Nevlastní vodivost polovodičů
Vložíme-li do krystalu germania(Ge) atom arsenu (As), který má 5 valenčních elektronů, vznikne po zavazbení do krystalové mříže jeden volný elektron, neboť se nemá s kým sloučit, je pro vazbu přebytečný a proto volný.
5. Princip elektronek ( dioda, trioda, pentoda )
Je to nelineární elektronická součástka.
Elektronky jsou elektronické součástky, ve kterých se vedení elektrického proudu uskutečňuje ve vakuu prostřednictvím elektronů mezi nejméně dvěma elektrodami.
Skleněná baňka která obsahuje: elektrody, vakuum, kontakty
Princip elektronky
Princip elektronky: tepelná emise elektronů. Z rozžhavené elektrody – katody se záporným potenciálem vystupují (emitují) z povrchu
elektrony. Umístíme-li tuto elektrodu do vakua bude emise výraznější a pokud zde bude další elektroda s kladným potenciálem anoda, budou elektrony k ní přitahovány. Vznikne tak nejjednodušší elektronka- dioda.
Katodou je zde niklová trubička, která má uvnitř žhavící vlákno od katody izolované (= tzv. nepřímo žhavená katoda).
Dioda
Nejjednodušší elektronka se dvěma elektrodami: anodou A a katodou K.
Trioda
Trioda je elektronka se třemi elektrodami. Jako třetí elektroda je mezi katodu a anodu vložena drátěná síťka, která bez napětí netvoří žádnou překážku pro elektrony emitující do anody.
Tato elektroda se jmenuje řídící mřížka. Bude-li na mřížce záporné napětí vůči katodě bude však elektrony odpuzovat a anodový proud bude klesat tím víc, čím bude záporné napětí větší. Může-li takto malé napětí na mřížce řídit velký anodový proud pracuje trioda jako zesilovač.
Použití: v moderních přístrojích se místo ní začali používat již tranzistory, ale můžeme jí použít s kytarou, když ji zapojíme před zesilovač, kvůli zjemnění hudby.
Pentoda
Zavedením třech mřížek se změnila charakteristika triody, značně se zlinearizovala, má menší zkreslení a připomíná char. tranzistoru
Použití: v koncových zesilovačích pro hudebníky
Obrazovka
Je to nejpoužívanější elektronka
1) Osciloskopická
2) Televizní
a. Černobílá
b. Barevná televize
Obrazovka je elektronka, kde se emitované elektrony soustředí do úzkého paprsku, který po dopadu na stínítko vyvolá světélkování v luminoforu.
Luminofor - látka která po dopadu elektronů uvolňuje fotony
Soustava elektrod, katod a řídící mřížky se nazývá elektronová tryska a někdy se jí říká elektronové dělo.
Televizní obrazovka
Barevná obrazovka
Liší se od černobílé tím, že má masku, tři elektronové trysky a tři luminofora pro každou barvu(RGB).
Použití:
• Televizory, monitory počítačů
• Osciloskop
• Radiolokátor
Elektronky jsou elektronické součástky, ve kterých se vedení elektrického proudu uskutečňuje ve vakuu prostřednictvím elektronů mezi nejméně dvěma elektrodami.
Skleněná baňka která obsahuje: elektrody, vakuum, kontakty
Princip elektronky
Princip elektronky: tepelná emise elektronů. Z rozžhavené elektrody – katody se záporným potenciálem vystupují (emitují) z povrchu
elektrony. Umístíme-li tuto elektrodu do vakua bude emise výraznější a pokud zde bude další elektroda s kladným potenciálem anoda, budou elektrony k ní přitahovány. Vznikne tak nejjednodušší elektronka- dioda.
Katodou je zde niklová trubička, která má uvnitř žhavící vlákno od katody izolované (= tzv. nepřímo žhavená katoda).
Dioda
Nejjednodušší elektronka se dvěma elektrodami: anodou A a katodou K.
Trioda
Trioda je elektronka se třemi elektrodami. Jako třetí elektroda je mezi katodu a anodu vložena drátěná síťka, která bez napětí netvoří žádnou překážku pro elektrony emitující do anody.
Tato elektroda se jmenuje řídící mřížka. Bude-li na mřížce záporné napětí vůči katodě bude však elektrony odpuzovat a anodový proud bude klesat tím víc, čím bude záporné napětí větší. Může-li takto malé napětí na mřížce řídit velký anodový proud pracuje trioda jako zesilovač.
Použití: v moderních přístrojích se místo ní začali používat již tranzistory, ale můžeme jí použít s kytarou, když ji zapojíme před zesilovač, kvůli zjemnění hudby.
Pentoda
Zavedením třech mřížek se změnila charakteristika triody, značně se zlinearizovala, má menší zkreslení a připomíná char. tranzistoru
Použití: v koncových zesilovačích pro hudebníky
Obrazovka
Je to nejpoužívanější elektronka
1) Osciloskopická
2) Televizní
a. Černobílá
b. Barevná televize
Obrazovka je elektronka, kde se emitované elektrony soustředí do úzkého paprsku, který po dopadu na stínítko vyvolá světélkování v luminoforu.
Luminofor - látka která po dopadu elektronů uvolňuje fotony
Soustava elektrod, katod a řídící mřížky se nazývá elektronová tryska a někdy se jí říká elektronové dělo.
Televizní obrazovka
Barevná obrazovka
Liší se od černobílé tím, že má masku, tři elektronové trysky a tři luminofora pro každou barvu(RGB).
Použití:
• Televizory, monitory počítačů
• Osciloskop
• Radiolokátor
4. Elektrický dvojpól a čtyřpól
Dvojpól ( = jednobran )
Dvojpólem lze nahradit tu část el. obvodu, která je s okolím spojena dvěma svorkami. Je to vlastně jakási černá skříňka u které zkoumáme její elektrické vlastnosti a zapisujeme je do tabulek, grafů a charakteristik. Na této části se posuzují vlastnosti obvodu na základě vztahů mezi tzv. obvodovými veličinami dvojpólu: napětí a proud. Podle jejich orientace se může dvojpól chovat jako zdroj (baterie, fotočlánek) , nebo jako zátěž (odpor, impedance)
Dvojpól se může chovat buď jako spotřebič elektrické energie, nebo jako zdroj. To poznáme podle vzájemné orientace proudu a napětí a z voltampérové charakteristiky. Je výhodné si pamatovat: Směřují-li obě šipky označující orientaci napětí U a proudu I z jedné svorky nebo do jedné svorky, jde o orientaci spotřebičovou. To, zda je součástka zdrojem nebo spotřebičem, rozhodneme podle znaménka příkonu, tj. součinu proudu a napětí. Je-li příkon kladný, chová se dvojpól jako spotřebič elektrické energie (dvojpól A a B na obr. 6). Je-li součin napětí a proudu záporný, součástka dodává záporný „výkon“, tj. výkon odebírá (,‚záporný spotřebič“), a je tedy z fyzikálního hlediska zdrojem elektrické energie (dvojpól C).
Jsou-li obě šipky označující orientaci napětí u a proudu i jakoby
v sérii (jedna do svorky a druhá z ní), jde o zdrojovou orientaci (dvojpól
D a E). Je-li přitom součin napětí a proudu kladný, chová se dvojpól
jako zdroj elektrické energie (dvojpól D). Je-li příkon záporný, součástka
odebírá výkon, je to tedy „záporný“ zdroj neboli spotřebič (dvojpól E).
Dva dvojpóly na obr. 7 jsou spojeny a tvoří uzavřený systém. Prochází-li obvodem proud I, vždy se jeden dvojpól musí chovat jako zdroj a druhý jako spotřebič. Za určitých podmínek může dojít k výměně funkcí obou dvojpólů. Vlastnosti dvojpólu zůstávají zachovány. Tato výměna funkcí (zdroje za spotřebič a spotřebiče za zdroj) může nastat např. při spojení dvou fotodiod, které budou střídavě různě osvětlovány, a v dalších případech
Abychom mohli zcela jednoznačně popsat elektrické chování dvojpólu, musíme znát závislost proudu na napětí na svorkách 1 — 1‘.
Závislost napětí U na proudu I dvojpólu graficky vyjadřujeme pomocí voltampérové charakteristiky.
Na obr. 8 jsou různé typy voltampérové charakteristiky. Charakteristika dvojpólu A je přímka. Jde tedy o lineární spotřebič. Takovou charakteristiku má např. rezistor. Protože kreslení charakteristiky pro lineární rezistory by bylo zbytečné, vyjadřuje se závislost napětí na proudu konstantou. V našem případě je poměr [V,A; Ω] jak plyne z obrázku.
Elektrický Čtyřpól ( = dvojbran )
Část elektrického obvodu, která je s okolím připojena čtyřmi svorkami, se dá nahradit čtyřpólem.Vzájemný vztah mezi čtyřmi obvodovými veličinami čtyřpólu je vyjádřena dvěma charakteristickými rovnicemi, které mohou být zapsány ve tvaru impedančním, admitančním nebo hybridním. Volba některého z uvedených tvarů závisí na zapojení, použitých prvcích čtyřpólu, kmitočtu a dalších parametrech obvodu.
Některé elektronické součástky (např. tranzistory) mají více než dva vývody, nazývají se vícepóly. Vývody vícepólu tvoří spolu dvojice. Dvojice svorek, které slouží k přivádění signálu, se nazývají vstupní svorky, svorky, kterými se signál odebírá, se nazývají výstupní svorky. Tranzistor má tři svorky pro emitor, bázi a kolektor, je to tedy trojpól. Také elektronka je trojpól: za svorky z hlediska signálu považujeme katodu, anodu a řídicí mřížku. Příkladem vícepólu se čtyřmi svorkami — tedy čtyřpólu — je transformátor.
Trojpól je pro sledování funkce málo názorný, změníme proto jednoduchým způsobem trojpól na čtyřpól: jednu svorku původního trojpólu použijeme pro dvě svorky společně (obr. 10). Vznikne tím čtyřpól neboli dvojbran. My se přidržíme staršího, vžitého označení čtyřpól. Svorky (bránu) 1 — 1‘ považujeme za vstupní, svorky 2—2‘ (druhá brána) jsou výstupní.
Vstupními svorkami prochází proud I1 při napětí U, výstupními svorkami prochází proud I2 při napětí U2. Nesmíme zapomenout na orientaci proudu a napětí. Obvyklá (spotřebičová) orientace je vyznačena na obr. 10.
Na obě strany čtyřpólu, vstup a výstup, nemůžeme pohlížet jako na dva samostatné dvojpóly. Čtyřpóly jsou oproti dvojpólům složitější — na výstup působí vstup a naopak vstup je více či méně ovlivňován výstupem.
Podobně jako dvojpól je i čtyřpól buď lineární, nebo nelineární. Elektrické poměry lineárního dvojpólu můžeme poměrně snadno popsat číselnými hodnotami a obvod řešit matematicky.
Dvojpólem lze nahradit tu část el. obvodu, která je s okolím spojena dvěma svorkami. Je to vlastně jakási černá skříňka u které zkoumáme její elektrické vlastnosti a zapisujeme je do tabulek, grafů a charakteristik. Na této části se posuzují vlastnosti obvodu na základě vztahů mezi tzv. obvodovými veličinami dvojpólu: napětí a proud. Podle jejich orientace se může dvojpól chovat jako zdroj (baterie, fotočlánek) , nebo jako zátěž (odpor, impedance)
Dvojpól se může chovat buď jako spotřebič elektrické energie, nebo jako zdroj. To poznáme podle vzájemné orientace proudu a napětí a z voltampérové charakteristiky. Je výhodné si pamatovat: Směřují-li obě šipky označující orientaci napětí U a proudu I z jedné svorky nebo do jedné svorky, jde o orientaci spotřebičovou. To, zda je součástka zdrojem nebo spotřebičem, rozhodneme podle znaménka příkonu, tj. součinu proudu a napětí. Je-li příkon kladný, chová se dvojpól jako spotřebič elektrické energie (dvojpól A a B na obr. 6). Je-li součin napětí a proudu záporný, součástka dodává záporný „výkon“, tj. výkon odebírá (,‚záporný spotřebič“), a je tedy z fyzikálního hlediska zdrojem elektrické energie (dvojpól C).
Jsou-li obě šipky označující orientaci napětí u a proudu i jakoby
v sérii (jedna do svorky a druhá z ní), jde o zdrojovou orientaci (dvojpól
D a E). Je-li přitom součin napětí a proudu kladný, chová se dvojpól
jako zdroj elektrické energie (dvojpól D). Je-li příkon záporný, součástka
odebírá výkon, je to tedy „záporný“ zdroj neboli spotřebič (dvojpól E).
Dva dvojpóly na obr. 7 jsou spojeny a tvoří uzavřený systém. Prochází-li obvodem proud I, vždy se jeden dvojpól musí chovat jako zdroj a druhý jako spotřebič. Za určitých podmínek může dojít k výměně funkcí obou dvojpólů. Vlastnosti dvojpólu zůstávají zachovány. Tato výměna funkcí (zdroje za spotřebič a spotřebiče za zdroj) může nastat např. při spojení dvou fotodiod, které budou střídavě různě osvětlovány, a v dalších případech
Abychom mohli zcela jednoznačně popsat elektrické chování dvojpólu, musíme znát závislost proudu na napětí na svorkách 1 — 1‘.
Závislost napětí U na proudu I dvojpólu graficky vyjadřujeme pomocí voltampérové charakteristiky.
Na obr. 8 jsou různé typy voltampérové charakteristiky. Charakteristika dvojpólu A je přímka. Jde tedy o lineární spotřebič. Takovou charakteristiku má např. rezistor. Protože kreslení charakteristiky pro lineární rezistory by bylo zbytečné, vyjadřuje se závislost napětí na proudu konstantou. V našem případě je poměr [V,A; Ω] jak plyne z obrázku.
Elektrický Čtyřpól ( = dvojbran )
Část elektrického obvodu, která je s okolím připojena čtyřmi svorkami, se dá nahradit čtyřpólem.Vzájemný vztah mezi čtyřmi obvodovými veličinami čtyřpólu je vyjádřena dvěma charakteristickými rovnicemi, které mohou být zapsány ve tvaru impedančním, admitančním nebo hybridním. Volba některého z uvedených tvarů závisí na zapojení, použitých prvcích čtyřpólu, kmitočtu a dalších parametrech obvodu.
Některé elektronické součástky (např. tranzistory) mají více než dva vývody, nazývají se vícepóly. Vývody vícepólu tvoří spolu dvojice. Dvojice svorek, které slouží k přivádění signálu, se nazývají vstupní svorky, svorky, kterými se signál odebírá, se nazývají výstupní svorky. Tranzistor má tři svorky pro emitor, bázi a kolektor, je to tedy trojpól. Také elektronka je trojpól: za svorky z hlediska signálu považujeme katodu, anodu a řídicí mřížku. Příkladem vícepólu se čtyřmi svorkami — tedy čtyřpólu — je transformátor.
Trojpól je pro sledování funkce málo názorný, změníme proto jednoduchým způsobem trojpól na čtyřpól: jednu svorku původního trojpólu použijeme pro dvě svorky společně (obr. 10). Vznikne tím čtyřpól neboli dvojbran. My se přidržíme staršího, vžitého označení čtyřpól. Svorky (bránu) 1 — 1‘ považujeme za vstupní, svorky 2—2‘ (druhá brána) jsou výstupní.
Vstupními svorkami prochází proud I1 při napětí U, výstupními svorkami prochází proud I2 při napětí U2. Nesmíme zapomenout na orientaci proudu a napětí. Obvyklá (spotřebičová) orientace je vyznačena na obr. 10.
Na obě strany čtyřpólu, vstup a výstup, nemůžeme pohlížet jako na dva samostatné dvojpóly. Čtyřpóly jsou oproti dvojpólům složitější — na výstup působí vstup a naopak vstup je více či méně ovlivňován výstupem.
Podobně jako dvojpól je i čtyřpól buď lineární, nebo nelineární. Elektrické poměry lineárního dvojpólu můžeme poměrně snadno popsat číselnými hodnotami a obvod řešit matematicky.
3. Cívky
Základní jednotka: henry, značka jednotky: H (prochází-li cívkou s indukčností 1 H elektrický proud 1 A, vznikne kolem cívky magnetický indukční tok 1 Wb)
Cívka je dvoupólová součástka, zhotovená vinutím závitů vodiče v jedné, či více vrstvách. Je to součástka lineární a frekvenčně závislá.
Cívkami získáváme potřebnou indukčnost – L, jednotka indukčnosti je 1H (Henry), čím více závitů cívka obsahuje, tím má větší indukčnost.
Odpor kladený cívkou střídavému proudu se nazývá impedance Z.
[Ω] kde induktivní reactance [Ω]
Druhy cívek
Bez jádra
1) Samonosné
2) Vinuté na kostře
a. Závit vedle závitu
b. Křížové
c. „Na divoko“
3) Vysokofrekvenční cívky vinuté z vf
S jádrem
1)
2) EI plechy,M
3) C plechy
4) Toroidní
5) Hrníčková feritová jádra
a. Se vzduchovou mezerou AL=200
b. Bez vzduch.mezery AL=2000
Cívky s jádrem mají vetší indukčnost, vysouváním jádra lze L měnit asi o 5-10%
Použití cívek
• Transformátory
• Tlumivky
• Filtry
• Rezonanční obvody, atd.
Hrníčková feritová jádra
- na feritovém hrníčku je uvedená konstanta AL potřebná k výpočtu indukčnosti nebo počtu závitů
- k upevnění na tištěný spoj nepoužívejte nikdy železný šroub
[mH]
konst [ ]
Náhradní schéma cívky
Jakost cívky:
Fázorový diagram
Cívka je dvoupólová součástka, zhotovená vinutím závitů vodiče v jedné, či více vrstvách. Je to součástka lineární a frekvenčně závislá.
Cívkami získáváme potřebnou indukčnost – L, jednotka indukčnosti je 1H (Henry), čím více závitů cívka obsahuje, tím má větší indukčnost.
Odpor kladený cívkou střídavému proudu se nazývá impedance Z.
[Ω] kde induktivní reactance [Ω]
Druhy cívek
Bez jádra
1) Samonosné
2) Vinuté na kostře
a. Závit vedle závitu
b. Křížové
c. „Na divoko“
3) Vysokofrekvenční cívky vinuté z vf
S jádrem
1)
2) EI plechy,M
3) C plechy
4) Toroidní
5) Hrníčková feritová jádra
a. Se vzduchovou mezerou AL=200
b. Bez vzduch.mezery AL=2000
Cívky s jádrem mají vetší indukčnost, vysouváním jádra lze L měnit asi o 5-10%
Použití cívek
• Transformátory
• Tlumivky
• Filtry
• Rezonanční obvody, atd.
Hrníčková feritová jádra
- na feritovém hrníčku je uvedená konstanta AL potřebná k výpočtu indukčnosti nebo počtu závitů
- k upevnění na tištěný spoj nepoužívejte nikdy železný šroub
[mH]
konst [ ]
Náhradní schéma cívky
Jakost cívky:
Fázorový diagram
2. Kondenzátory
Je to pasivní frekvenčně závislá součástka. Základní vlastností pro hodnocení kondenzátoru je jeho elektrická kapacita, technicky je kondenzátor určen maximálním povoleným napětím, druhem dielektrika a provedením vývodů (axiální, radiální, bezvývodový).
Jsou většinou složené ze dvou elektrodových desek.
[F; Fm-1, m2, m] kde ε = εo * εr
ε - permitivita, εo – permitivita vakua 8,85*10-12 F/m,
εr – poměrná permitivita je bezrozměrná
S – plocha elektrod [m2], d – vzdálenost mezi elektrodami [m]
Princip činnosti:
elektrolytický
kondenzátor
Nepracuje ve stejnosměrném proudu pracuje jen ve střídavém.
Nezanedbatelný je také jeho vzoreček pro kapacitní reaktanci.
[Ω]
Druhy kondenzátorů
1) S papírovým dielektrikem (svitkové)
2) Z metalizovaného papíru (MP) odolný proti průrazu při zkratu se odpaří hliníková fólie odejme teplo uhlík nevznikne
3) S plastovou fólií (polystyren)
4) Slídové – pro obvody s vysokou frekvencí => mají malé ztráty
5) Elektrolytické kondenzátory
Ztráty kondenzátoru
Jsou způsobeny:
• Dielektrickou histerézí tj. odporem dielektrika při polarizaci
• Svodem dielektrika (jsou jen u elektrolyt. kondenzátorů)
• Činným odporem elektrod (zanedbatelné)
Způsobují zahřátí dielektrika, u hodně namáhaných napětím=>chlazení
Fázorový diagram
tgδ =ωCSRS= Jakost
Ztrátový úhel
Graf nabíjení kondenzátoru
Značení kondenzátorů
1) Číslem 22(pF)
3,3(nF-nano)
320μF
270pF
1mF
2) M1= 0,1MpF 106*10-12=10-6F=10ηF(mikro)
1G=1GpF 109*10-12F=10-3F=10mF
10K=10KpF 103*10-12F=10-9F=10nF
3) Kódem 332 => 3300pF = 3n3 = 3,3nF
∟počet nul
Jsou většinou složené ze dvou elektrodových desek.
[F; Fm-1, m2, m] kde ε = εo * εr
ε - permitivita, εo – permitivita vakua 8,85*10-12 F/m,
εr – poměrná permitivita je bezrozměrná
S – plocha elektrod [m2], d – vzdálenost mezi elektrodami [m]
Princip činnosti:
elektrolytický
kondenzátor
Nepracuje ve stejnosměrném proudu pracuje jen ve střídavém.
Nezanedbatelný je také jeho vzoreček pro kapacitní reaktanci.
[Ω]
Druhy kondenzátorů
1) S papírovým dielektrikem (svitkové)
2) Z metalizovaného papíru (MP) odolný proti průrazu při zkratu se odpaří hliníková fólie odejme teplo uhlík nevznikne
3) S plastovou fólií (polystyren)
4) Slídové – pro obvody s vysokou frekvencí => mají malé ztráty
5) Elektrolytické kondenzátory
Ztráty kondenzátoru
Jsou způsobeny:
• Dielektrickou histerézí tj. odporem dielektrika při polarizaci
• Svodem dielektrika (jsou jen u elektrolyt. kondenzátorů)
• Činným odporem elektrod (zanedbatelné)
Způsobují zahřátí dielektrika, u hodně namáhaných napětím=>chlazení
Fázorový diagram
tgδ =ωCSRS= Jakost
Ztrátový úhel
Graf nabíjení kondenzátoru
Značení kondenzátorů
1) Číslem 22(pF)
3,3(nF-nano)
320μF
270pF
1mF
2) M1= 0,1MpF 106*10-12=10-6F=10ηF(mikro)
1G=1GpF 109*10-12F=10-3F=10mF
10K=10KpF 103*10-12F=10-9F=10nF
3) Kódem 332 => 3300pF = 3n3 = 3,3nF
∟počet nul
1. Rezistory
Rezistor,odpor-pasivní elektronická součástka. Občas se zahřívá Pj=U . I
Je to lineární součástka frekvenčně nezávislá.
El. odpor materiálu je dán délkou, průřezem a druhem materiálu.
[; Ωm, m, m2 ]
ρ [Ωm]…měrný odpor, např. Cu má ρ = 1,7*10-8 Ωm,
Al má ρ = 3*10-8 Ωm, Fe má ρ = 13*10-8 Ωm
l[m]… délka materiálu (vodiče)
S[m2]… kolmý průřez vodiče
Druhy rezistorů-------Drátové
-------Vrstvové-------Uhlíkové
-------Metalizované
Parametry odporů:
1) Ohmická hodnota – jmenovitá hodnota
2) Tolerance – procenta ±20%, ±10%, ±5%, ±2%, ±1%, ±0,5%
3) Zatížitelnost [W] PJ=R*I2 1,2,6,10 M, K, J, G, D, E
Tolerance souvisí s výrobní řadou
Jak se mění odpor s teplotou závisí na vzorci RS=R20*(1+αΔt)
Značení odporů
Číselné označení 2K2 3M3 1J2=1,2
1R2=1,2
Číselný kód; U SMD 332 dvojka je násobitel-počet nul
Barevné proužky ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν
Barva 1.pruh 2.pruh 3.pruh Násobitel Tolerance Tepl.koeficient Spolehlivost
Černá 0 0 0 x10^0 ±1%(F) 1%
Hnědá 1 1 1 x10^1 ±2%(G) 100ppm 0,10%
Červená 2 2 2 x10^2 50ppm 0,01%
Oranžová 3 3 3 x10^3 15ppm 0,001%
Žlutá 4 4 4 x10^4 25ppm
Zelená 5 5 5 x10^5 ±0,5%(D)
Modrá 6 6 6 x10^6 ±0,25%(C) 10ppm
Fialová 7 7 7 x10^7 ±0,1%(B) 5ppm
Šedá 8 8 8 x10^8 ±0,05%(A)
Bílá 9 9 9 x10^9 1ppm
Zlatá x0,1 ±5%(J)
Stříbrná x0,01 ±10%(K)
Žádná ±20%(M)
Hodnota 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0
Znak A B C D E F G H J K L M
Hodnota 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Znak N P Q R S T U V W X Y Z
pruh A je první platná číslice hodnoty odporu v ohmech
pruh B je druhá platná číslice hodnoty odporu
pruh C desítkový násobitel
pruh D pokud je uvedena, znamená toleranci (pokud chybí je tolerance 20%)
Přesné odpory mají pět proužků, první tři proužky určují hodnotu, čtvrtý pruh se používá pro násobitel a pátý pro toleranci. U některých odporů může být zcela vpravo ještě šestý pruh definující tepelný koeficient odporu, tento pruh je výrazně širší.
Je to lineární součástka frekvenčně nezávislá.
El. odpor materiálu je dán délkou, průřezem a druhem materiálu.
[; Ωm, m, m2 ]
ρ [Ωm]…měrný odpor, např. Cu má ρ = 1,7*10-8 Ωm,
Al má ρ = 3*10-8 Ωm, Fe má ρ = 13*10-8 Ωm
l[m]… délka materiálu (vodiče)
S[m2]… kolmý průřez vodiče
Druhy rezistorů-------Drátové
-------Vrstvové-------Uhlíkové
-------Metalizované
Parametry odporů:
1) Ohmická hodnota – jmenovitá hodnota
2) Tolerance – procenta ±20%, ±10%, ±5%, ±2%, ±1%, ±0,5%
3) Zatížitelnost [W] PJ=R*I2 1,2,6,10 M, K, J, G, D, E
Tolerance souvisí s výrobní řadou
Jak se mění odpor s teplotou závisí na vzorci RS=R20*(1+αΔt)
Značení odporů
Číselné označení 2K2 3M3 1J2=1,2
1R2=1,2
Číselný kód; U SMD 332 dvojka je násobitel-počet nul
Barevné proužky ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν
Barva 1.pruh 2.pruh 3.pruh Násobitel Tolerance Tepl.koeficient Spolehlivost
Černá 0 0 0 x10^0 ±1%(F) 1%
Hnědá 1 1 1 x10^1 ±2%(G) 100ppm 0,10%
Červená 2 2 2 x10^2 50ppm 0,01%
Oranžová 3 3 3 x10^3 15ppm 0,001%
Žlutá 4 4 4 x10^4 25ppm
Zelená 5 5 5 x10^5 ±0,5%(D)
Modrá 6 6 6 x10^6 ±0,25%(C) 10ppm
Fialová 7 7 7 x10^7 ±0,1%(B) 5ppm
Šedá 8 8 8 x10^8 ±0,05%(A)
Bílá 9 9 9 x10^9 1ppm
Zlatá x0,1 ±5%(J)
Stříbrná x0,01 ±10%(K)
Žádná ±20%(M)
Hodnota 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0
Znak A B C D E F G H J K L M
Hodnota 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Znak N P Q R S T U V W X Y Z
pruh A je první platná číslice hodnoty odporu v ohmech
pruh B je druhá platná číslice hodnoty odporu
pruh C desítkový násobitel
pruh D pokud je uvedena, znamená toleranci (pokud chybí je tolerance 20%)
Přesné odpory mají pět proužků, první tři proužky určují hodnotu, čtvrtý pruh se používá pro násobitel a pátý pro toleranci. U některých odporů může být zcela vpravo ještě šestý pruh definující tepelný koeficient odporu, tento pruh je výrazně širší.
ELEKTRONIKA - ELEKTROTECHNIKA - KOMPLETNÍ OBSAH:
- ELEKTRONIKA - ELEKTROTECHNIKA - OBSAH:
- 5. Měření odporu rezistoru s lineární charakterist...
- 4. Systémy ručkových měřících přístrojů
- 3. Ručkové měřící přístroje
- 2. Konstrukce ručkových měřících přístrojů
- 1. Chyby měření
- Polovodičové součástky
- 12. Integrované obvody
- 11.Triaky a diaky
- 10. Tyristory
- 9. Tranzistory
- 8. Diody
- 7. Termistory, fotočlánek, fotoodpor, variátor, Ha...
- 6. Princip polovodičů
- 5. Princip elektronek ( dioda, trioda, pentoda )
- 4. Elektrický dvojpól a čtyřpól
- 3. Cívky
- 2. Kondenzátory
- 1. Rezistory
Přihlásit se k odběru:
Příspěvky (Atom)