Druhý díl oblíbené fyziky.
- Elektrostatické a elektrické proudové pole
9. Elektrický proud
10. Elektrický zdroj
11. Elektronický obvod
12. Obvodové veličiny
13. Obvodové součástky
a) Dvojpóly a vícepóly
b) Jednobrany, dvojbrany a vícebrany
d) Součástky lineární a nelineární
e) Součástky odporové a reaktanční
14. Pracovní bod jednobranu
a) Statický odpor
b) Dynamický (diferenciální) odpor - Elektrostatické a elektrické proudové pole
Elektrostatické pole je vyvoláno el. nábojem v klidu
Elektrické pole proudové je vyvoláno el. nábojem v pohybu
Je-li těleso nabité el. nábojem a jsou-li tyto náboje v klidu, pak kolem tohoto tělesa vzniká elektrostatické pole. Máme-li dvě tělesa nabitá nestejným nábojem, vzniká mezi nimi elektrické napětí. Jedno těleso má kladný náboj a druhé záporný. Těleso s kladným nábojem je kladná elektroda, těleso se záporným nábojem je záporná elektroda.
| el. napětí | el. proud | ||||||
| + | −−−−> | – | + | −−−> | – | ||
| + | −−−−> | – | + | vodič | – | ||
| + | −−−−> | – | + | – | |||
| + | −−−−> | – | + | – | |||
| + | −−−−> | – | + | – | |||
| kladná
elektroda |
záporná
elektroda |
kladná
elektroda |
záporná
elektroda |
Spojíme-li rozdílně nabitá tělesa vodičem, vznikne v tomto vodiči tok elektronů neboli elektrický proud. Elektrony ze záporně nabitého tělesa (záporné elektrody) se přemísťují do kladně nabitého tělesa (kladné elektrody). Ve vodiči vzniká elektrické proudové pole.
Elektrické pole proudové i pole elektrostatické mají stejné charakteristické veličiny.
El. proud může procházet vodičem trvale pouze tehdy, je-li na něm el. napětí. Na zápornou elektrodu musí být elektrony dodávány a z kladné elektrody musí být odebírány. K tomuto slouží zařízení, jež se nazývá elektrický zdroj.
Elektrické napětí je příčina elektrického proudu
Elektrický proud je důsledek elektrického napětí
- Elektrický proud
Je to uspořádaný tok el. nábojů určitým směrem (v kovech je to pohyb elektronů). Velikost proudu I je dána velikostí náboje, který projde průřezem vodiče za jednotku času.
[A]=[C·s-1]
Směr el. proudu je určen dohodou jako směr pohybu kladných el. nábojů, tedy od + k – .
- Elektrický zdroj
Je to zařízení, které trvale udržuje mezi dvěma místy rozdíl nábojů neboli el. napětí.
El. napětí vzniká působením vnějších neelektrických sil (chemické reakce, mechanické síly). El. zdroj trvale odčerpává elektrony z kladné svorky a přemísťuje je na svorku zápornou.
Elektronický obvod je vzájemné propojení elektronických součástek. Po připojení zdroje el. energie prochází součástkami el. proud a mezi jednotlivými částmi obvodu působí el. napětí. Obvod může být složen ze samostatných neboli diskrétních součástek nebo může být vytvořen (vhodnou technologií) jako jeden celek – integrovaný elektronický obvod.
Zapojení elektronických obvodů zaznamenáváme pomocí schéma zapojení.
Schéma zapojení: přehledné grafické znázornění celé soustavy součástek včetně zdroje pomocí normou stanovených elektronických značek.
Příklad schéma zapojení elektronického obvodu:
Jsou to elektrické veličiny, které se vyskytují v obvodech. Především el. napětí a proud.
Obvodová veličina je určena svou velikostí a směrem (orientací). Při řešení elektronických obvodů provádíme nejprve orientaci obvodových veličin. Orientace veličin je zaznamenávání předpokládaného průchodu proudů a předpokládané polarity napětí pomocí šipek.
El. napětí se značí otevřenou šipkou
El. proud se značí uzavřenou šipkou
Velikost veličiny je vyjádřena číselným údajem a příslušnou jednotkou.
Hodnota veličiny je udána velikostí veličiny včetně znaménka (+-).
Souhlasí-li skutečný směr proudu nebo polarita napětí s předznačenou orientací, považujeme proud či napětí za kladné. V opačném případě za záporné.
Časový průběh obvodových veličin je graf znázornění, při kterém na osu x vynášíme čas a na osu y vynášíme pro každý čas hodnotu obvodové veličiny, kterou nazýváme okamžitá hodnota veličiny. Označujeme ji malým písmenem. Propojením jednotlivých hodnot veličiny získáme časový průběh veličiny.
Jsou to části obvodu, které jsou dále nedělitelné svými vlastnostmi a vhodným vzájemným propojením zajišťují požadovanou hodnotu.
Obvodové součástky dělíme podle:
počtu vývodů na:
dvojpóly
vícepóly
počtu dvojic svorek:
jednobrany
dvojbrany
vícebrany
dodávání či odebírání energie z/do obvodu na:
zdroje (aktivní součástky)
spotřebiče (pasivní součástky)
vzájemné závislosti obvodových veličin na:
lineární
nelineární
závislost elektrických vlastností na frekvenci:
odporové
reaktanční
komplexní
a) Dvojpóly a vícepóly
Dvojpóly jsou součástky, které do obvodu zapojujeme dvěma svorkami (např. rezistor, kondenzátor, cívka).
Průchodem proudu součástkou vzniká mezi jejími svorkami svorkové napětí. Závislost proudu na svorkovém napětí je dána charakteristickou rovnicí I=f(U) . Grafické znázornění závislosti proudu na napětí je tzv. Voltampérová charakteristika (dále jen V-A charakteristika).
Příklad V-a charakteristiky lineárního rezistoru:
Vícepóly jsou součástky, které do obvodu zapojujeme více jak dvěma póly (např. tranzistor).
Činnost charakterizujeme více charakteristickými rovnicemi a zakreslujeme více V-A charakteristik.
b) Jednobrany, dvojbrany a vícebrany
Jednobrany jsou součástky, které mají jednu dvojici svorek (jednu bránu). Platí: dvojpól = jednobran.
Dvojbrany jsou součástky, které mají dvě dvojice svorek (dvě brány). Obě dvojice svorek mají jednu svorku společnou.
První dvojice svorek (1 a 1′) se nazývá vstupní brána a slouží k přivádění vstupního signálu.
Druhá dvojice svorek (2 a 2′) se nazývá výstupní brána a slouží k odvádění vstupního signálu.
Svorky jedné brány označujeme stejnými čísly a společnou svorku značíme s čárkou. Svorky s čárkou jsou navzájem spojené.
Příklad dvojbranu (tranzistor):
Za kladný proud považujeme ten, který vstupuje do obvodu. Za kladné napětí považujeme takové napětí, které má kladnou hodnotu na nespolečné svorce.
Vícebrany jsou součástky s více branami.
Pro všechny brany platí:
Při řešení obvodů s branami označujeme směry proudu šipkami směřujícími z vnějších obvodů do samostatných svorek a dále do vlastního obvodu (dvojbranu). Směry proudu považujeme v tomto případě za kladné. Šipky napětí směřují vždy od samostatné svorky ke svorce společné.
c) Zdroje a spotřebiče (aktivní a pasivní součástky)
V elektrickém obvodě složeném ze zdroje a rezistorů je napětí na rezistoru kladné a má stejný směr jako směr proudu procházejícího rezistorem.
Součin proudu procházejícího rezistorem a napětí na rezistoru je kladný výkon, který se mění v teplo. Rezistor je spotřebičem (pasivní součástkou), protože spotřebovává kladný výkon. Pro tento zdroj platí, že proud, který v něm prochází má opačný směr, než působící napětí. Ze zdroje do obvodu je tedy dodáván záporný výkon. Zdroj je aktivní součástkou, protože do obvodu dodává energii.
Tento způsob označování a určování veličin se nazývá orientace obvodových veličin (spotřebičová).
O tom, zda je součástka pasivní či aktivní rozhoduje její V-A charakteristika:
I.Q – I>0 III.Q – I<0
U>0 U<0
P=U·I>0 => SPOTŘEBIČ P=U·I>0 => SPOTŘEBIČ
II.Q – I>0 IV.Q – I<0
U<0 U>0
P=U·I<0 => ZDROJ P=U·I<0 => ZDROJ
Součástka je zdrojem tehdy, probíhá-li její V-A charakteristika úplně či částečně II. respektive IV. kvadrantem
Součástka je spotřebičem tehdy, probíhá-li její V-A charakteristika I. nebo III. kvadrantem
Vlastnosti aktivních součástek mohou mít i součástky zesilovací, i když nejsou zdrojem el. energie v pravém slova smyslu. Zesilovací součástky však umožňují přívod energie do obvodu ze zdroje.
- d) Součástky lineární a nelineární
Součástky lineární jsou součástky, jejíchž charakteristická rovnice I=f(U) je lineární. V-A charakteristika je tedy přímka.
Součástky nelineární jsou součástky, jejíchž charakteristická rovnice I=f(U) je nelineární. V-A charakteristika je tedy křivka.
Poznámka: Přivedeme-li na svorky lineární součástky harmonické napětí,
bude i proud procházející součástkou harmonický.
Přivedeme-li na svorky nelineární součástky harmonické napětí,
bude proud procházející součástkou nelineárně (tvarově) zkreslený.
e) Součástky odporové a reaktanční
Vlastnosti odporových součástek jsou nezávislé na frekvenci procházejícího proudu.
Odporové součástky mají stejný průběh V-A charakteristiky pro všechny frekvence.
Vlastnosti reaktančních součástek jsou závislé na frekvenci procházejícího proudu.
U lineárních reaktančních součástek má V-A charakteristika pro každou frekvenci jiný průběh, vždy je však přímková.
U nelineárních reaktančních součástek má V-A charakteristika pro každou frekvenci jiný průběh a vždy je nelineární.
V-A charakteristiky:
V-A charakteristika je závislost proudu součástkou na působícím svorkovém napětí na součástce. Každý z bodů V-A charakteristiky odpovídá určitým pracovním podmínkám, které mohou nastat. Jednotlivé body V-A charakteristiky jsou nebo mohou být pracovními body součástky. Zvolíme-li na V-A charakteristice pracovní bod, zvolili jsme i podmínky, ve kterých bude pracovat.
Statický (klidový) bod je bod V-A charakteristiky, při němž má svorkové napětí součástky a proud konstantní stejnosměrné hodnoty (UP a IP), kterým říkáme parametry.
a)Statický odpor součástky RSS
Statický stejnosměrný odpor je odpor takového rezistoru, kterým by při stejném napětí UP procházel stejný proud IP, jaký prochází danou součástkou. Vypočítáme ho tak, že podělíme hodnotu napětí UP hodnotou proudu IP, které odpovídají statickému pracovnímu bodu součástky.
U lineárních součástek bude statický odpor RSS nahrazovat součástku ve všech bodech charakteristiky a to proto, protože V-A charakteristika součástky a V-A charakteristika rezistoru s odporem RSS jsou totožné.
Platí: RSS1 = RSS2 = RSS3 = …
U nelineárních součástek bude statický odpor RSS nahrazovat součástku pouze v jednom pracovním bodě. V-A charakteristika rezistoru s odporem RSS a V-A charakteristika náhradního rezistoru mají pouze jeden společný bod. Z toho vyplývá, že pro každý jiný pracovní bod je i jiný statický odpor RSS.
Platí: RSS1 RSS2 RSS3 … nejsou shodné
b)Dynamický (diferenciální) odpor součástky
Změní-li se napětí na součástce z hodnoty UP1 na hodnotu UP2, změní se poloha pracovního bodu z P1 na P2. Přitom dojde i ke změně proudu z IP1 na IP2. Změna napětí je ∆UP a změna proudu je ∆IP. Součástka se v této oblasti chová jako rezistor s odporem RD.
RD= ∆UP/∆IP
U lineární součástky V-A charakteristika náhradního rezistoru je přímka, která protíná body P1 a P2 a tato přímka nahrazuje i skutečnou charakteristiku lineární součástky.
Platí: RD=RSS
U nelineární součástky přímka P1-P2 nahrazuje skutečnou charakteristiku velmi nepřesně. Bude-li však změna napětí ∆UP (i ∆IP) malá a body P1 a P2 splynou v jeden bod (např. v bod P1), z přímky spojující body P1 a P2, která byla sečna se stane tečna k charakteristice nelineární součástky. Tečna je v bodě P1 a její směrnice udává dynamický odpor součástky v bodě P1.
(pro ∆UP->0 a ∆IP->0)
Dynamický odpor je odpor, jímž můžeme nahradit v pracovním bodě a v jeho nejbližším okolí nelineární součástku.
Dynamický odpor zjišťujeme:
1. V pracovním bodě uděláme tečnu
2. Na tečnu zvolíme libovolně dva body (z důvodů přesnosti co nejdále od sebe)
3. Odečteme příslušné rozdíly napětí a proudu ∆U a ∆I
Dynamický odpor RD u lineární součástky nezávisí na poloze pracovního bodu a rovná se statickému odporu RSS
Dynamický odpor RD u nelineární součástky závisí na poloze pracovního bodu a může nabývat různých hodnot (kladný, záporný, nulový, nekonečný)