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
Přihlásit se k odběru:
Příspěvky (Atom)