1

1. Atómová štruktúra látok, stavba atómu. Elektrické a magnetické pole v elektrotechnike.

Atóm – základná častica všetkých látok. Skladá sa z atómového jadra obsahujúceho protóny a neutróny a obalu obsahujúceho elektróny. Atómové jadro – je vnútorná kladne nabitá časť atómu a tvorí jeho hmotové a priestorové centrum. Protón – častice s kladným nábojom p+, počet udáva protónové číslo = elektrónové číslo. Neutrón – častice bez náboja n0, ich počet v jadre udáva tzv. neutrónové číslo N. Elektrónový obal – tvorený iba elektrónmi a preto má záporný elektrický náboj, ktorý je v atóme neutralizovaný kladným nábojom jadra atómu. Preto je atóm ako celok elektricky neutrálny. Neutrálne atómy obsahujú v elektrónovom obale rovnaký počet elektrónov, aký je v jadre počet protónov. Elektrón – voľný náboj, ktorý je pohyblivý a vedie energiu. Vodič – vedie elektrický prúd, obsahuje voľné častice s elektrickým nábojom. Izolant – nevedie elektrický prúd, neobsahuje voľné častice s elektrickým nábojom, alebo ich obsahuje v zanedbateľnom množstve. Polovodič – elektrická vodivosť závisí na vonkajších alebo vnútorných podmienkach, zmenou týchto podmienok znamená dodanie niektorého z druhov energie – najčastejšie tepelné, elektrické alebo svetelné, zmenu vnútorných podmienok predstavuje prímes (prísadu) iného prvku v polovodiči. Polovodič vlastný – je polovodič neobsahujúci žiadne prímesi. Polovodič nevlastný – je polovodič obsahujúci prímesi. ELEKTRICKÉ POLE - elektrický náboj vytvára v prostredí pole, ktoré nazývame elektrické pole, - elektrostatické pole – elektrické pole, ktoré vytvárajú statické (nepohybujúce sa náboje), - elektrické prúdové pole – elektrické pole, ktoré vytvárajú pohybujúce sa náboje. Vzniká, napr. vo vodiči, keď ním prechádza elektrický prúd. Elektricky prúdové pole budí magnetické pole a naopak meniace sa magnetické pole budí elektrické pole. Obidve polia navzájom súvisia a označujú sa spoločným názvom – elektromagnetické pole. - elektrické a magnetické polia považujeme za formy elektromagnetického poľa. - elektromagnetické pole môžeme vzhľadom na jeho premennosť s časom rozdeliť na: 1) stacionárne pole – je v čase konštantné, čo znamená, že fyzikálne veličiny, ktoré charakterizujú pole nezávisia od času. Môže to byť elektrostatické pole, elektrické a magnetické pole vodiča s konštantným prúdom, 2) nestacionárne pole – pole, ktoré je v čase premenné, čo znamená, že hodnoty fyzikálnych veličín, ktoré charakterizujú pole závisí od času. Môže to byť pole vo vodiči so striedavým prúdom, nižších frekvencií, ale aj elektromagnetické vlnenie vysokých frekvencií. MAGNETICKÉ POLE Vznik magnetického poľa – príčinou každého magnetického poľa je pohybujúci sa náboj, – elektrické a magnetické javy spolu úzko súvisia, lebo sa viažu na rovnaké vlastnosti látok, – elektrický prúd vyvoláva magnetické pole, – v pohybujúcom sa vodiči sa indukuje v magnetickom poli elektrické napätie, – vodič, cez ktorý preteká prúd môže sa pohybovať v magnetickom poli (pôsobí naňho určitá sila) Vlastnosti magnetického poľa

- magnetické póly – miesta s najsilnejšími magnetickými účinkami. - neutrálna os magnetu – miesto, kde sa magnetické účinky neprejavujú

– dva nesúhlasné póly magnetov sa navzájom priťahujú a súhlasné póly magnetov sa navzájom odpudzujú (N – N; S – S) – príťažlivou silou pôsobí hociktorý magnetický pól aj na nezmagnetovanú feromagnetickú látku,

2

– magnetické pole pôsobí na feromagnetickú látku tak, e zostane v magnetickom stave aj po zániku vonkajšieho magnetického poľa. Tento zvyškový mechanizmus je – remanentným magnetizmom. , – mäkké, chemicky čisté železo sa vyznačuje malým remanetovým magnetizmom – … oceľ nadobudnutý magnetizmus nestráca a stane sa permanentným magnetom.

3

2. Podstata vedenia elektrického prúdu v kovoch, kvapalinách a plynoch. Elektrický prúd je tvorený usmerneným pohybom voľných častíc s elektrickým nábojom. Veľkosť elektrického prúdu je daná množstvom elektrického náboja, ktorý prejde vodičom za 1 sekundu. I – elektrický prúd – A (ampér) Prúd v elektrickom obvode môže byť rovnosmerný alebo striedavý (vzniká zo zdroja striedavého napätie a mení svoj smer a veľkosť). Schopnosť materiálu prenášať elektrický prúd sa nazýva konduktivita (merná elektrická vodivosť). Vedenie elektrického prúdu v pevných látkach

- Vodiče - Polovodiče – prúd možný za určitých podmienok - Izolanty

Smer prúdu bol stanovený od kladného pólu zdroja k zápornému pólu. V kovoch sú kladené ionty pravidelne usporiadané v kryštálovej mriežke ( kmitajú okolo svojej rovnovážnej polohy) a uvoľnené elektróny konajú pohyb neustály neusporiadaný. Ak vytvoríme v kove elektrické pole (napr. použitím elektrického článku), začnú voľné elektróny konať pohyb usmernený (od záporného pólu ku kladnému pólu). Vedenie elektrického prúdu v plynoch (vzduchu) Elektrický prúd v plynoch sa za bežných podmienok nevyskytuje, ale je možné vyvolať ionizáciu: Plyny (vzduch) sú za normálnych podmienok izolanty. Vodičmi sa stanú, pokiaľ dôjde k ich ionizácii – to znamená, že si musia zväčšiť rýchlosť neusporiadaného pohybu častíc tak, aby došlo k vzájomným zrážkam častíc a pritom sa odtrhnú elektróny z atómu – tak vzniknú voľné častice s elektrickým nábojom – elektróny a ionty. Ionizáciu môže spôsobiť napríklad zahriatie plynu alebo silné elektrické pole. Ionizované plyny sa nazývajú plazma – svojimi vlastnosťami sa líši od ostatných skupenstiev látok, preto niekedy hovoríme o štvrtom skupenstve látok. Príklady a využitie vedenia elektrického prúdu v plynoch Ionizácie elektrickým poľom Tlejúci výboj – vzniká okolo vodičov s veľmi vysokým napätím, tzv. koróna (svetielkovanie hrotov), na vrcholkoch stožiarov, tzv. Eliášovo svetlo. Iskrový výboj – blesk, zapaľovacie sviečky. Elektrický výboj – žiarovky (zriedený vzduch). Ionizácia teplotou = Oblúkový výboj: zváranie, taviace pece. Vedenie elektrického prúdu v kvapalinách je možné v rôznych prípadoch:

- Vodivé kvapaliny - Možný za určitých podmienok, napríklad elektrolyticky, po disociácii (rozpad) molekúl pri

rozpustení inej látky. Destilovaná voda je číra, bezfarebná, bez chuti a zápachu. Používa sa v laboratóriách, do chladičov a akumulátorov v automobiloch. Destilovaná voda je elektrický izolant. Vodný roztok kuchynskej soli je elektrický vodič.

- Kvapaliny, ktoré obsahujú voľné ionty, vedú elektrický prúd a nazývajú sa elektrolyty. - Sú to predovšetkým vodné roztoky solí, kyselín a zásad (iontová väzba). - Elektrický prúd v elektrolytoch je tvorený usmerneným pohybom katiónov a aniónov. - Pri prechode elektrického prúdu v kvapalinách dochádza k prenosu látky a v okolí elektród

prebiehajú chemické reakcie. Pri zaobchádzaní s elektrickými zariadeniami je nebezpečné používať vlhké izolanty, mať vlhké alebo spotené ruky a podobne, pretože sú vodičmi prúdu. Elektrolyty majú usmernený pohyb iontov. Kovy majú usmernený pohyb voľných elektrónov.

4

3. Základné veličiny, jednotky a zákony v elektrotechnike. Základné Elektrický náboj (elektrické množstvo) – Coulomb – Q - Ampérsekundy či Ampérhodiny [C] Elektrický prúd – I – Ampér [ A ] alebo [C / s] Elektrické napätie – U – Volt [ V ] Odvodené Elektrický odpor – R – Ohm [ Ω ] Elektrická práca – A – Joule [ J ] Elektrický výkon /príkon (vydaná spotrebovaná elektrická energia) – P/N – Watt [ W ] DEFINÍCIA Náboj (elektrické množstvo) = je množstvo prebytočných (na zápornej elektróde) a chýbajúcich (na kladnej elektróde) elektrónov. Elektrické náboje opačnej polarity sa priťahujú. Elektrické náboje zhodnej polarity sa dajú spočítať. Jednotkou je 1 coulomb. Značka Q. Hodnota 1 coulombu je daná nahromadeným (chýbajúcim) množstvom = 6,25 * 1018 elektrónov.

Odtiaľ sa dá určiť náboj jediného elektrónu zo vzťahu: qe= - 1,062 * 10-19 C Prúd = tok elektrónov medzi miestom s nadbytkom a miestom s nedostatkom elektrónov. Pohyb voľných elektrónov je od mínusového pólu k plusovému. Graficky sa v schémach elektrických obvodov smer prúdu označuje práve opačne!!! Určujúci vzťah je daný rovnicou Ohmovho zákona. Jednotkou je 1 ampér. Značka I – fyzikálny rozmer [A ] nebo [C / s]. Hodnota 1 ampéru je definovaná ako stály prúd, ktorý vylúči za 1 sekundu 1,118 mg striebra = iná definícia znie: vodičom prechádza prúd veľkosti 1 ampéra, ak nim prechádza (každým jeho prierezom) každú sekundu elektrický náboj o veľkosti 1 coulombu. Menšia jednotka je miliampér a mikroampér, prípadne menšími používanými sú pikoampér a nanoampér. Väčšími sú kiloampér a prípadne megaampér. Napätie = rozdiel potenciálov – je to teda rozdiel hodnôt elektrických nábojov dvoch rôznych miest (kdekoľvek – vo vodiči, vo vzduchu, v kvapalinách, atď). Určujúci vzťah je daný rovnicou Ohmovho zákona. Jednotkou je 1 volt. Značka U – fyzikálny rozmer [ V ]. Napätie 1 volt má zdroj, ktorý v spotrebiči vykoná prácu 1 jaula, pokiaľ spotrebičom prejde elektrické množstvo 1 coulombu = iná definícia znie: hodnota 1 votlu je hodnota úbytku napätia, ktorý vznikne na odpore o hodnote 1 Ohm, pokiaľ im prechádza prúd 1 Ampéra. Menšie jednotky sú miliohmy alebo mikroohmy a meria sa nimi odpor vodičov – najmä v krátkych/rádovo metroch alebo stovkách metrov. Väčšími jednotkami sú kiloohmy, megaohmy a gigaohmy – poslednými jednotkami sa merajú najmä odpory izolantov a izolačné stavy. Elektrický výkon/príkon Výkon je údaj o odovzdanej práci (energii) a príkon o spotrebovanej (do spotrebiča dodanej). Určujúci vzťah je daný rovnicou P = U * I Príkon je vždy väčší než výkon: P = N + ∆P a teda straty sú dané týmto rozdielom (! Do strát je zahrnutá aj energia, ktorú zariadenie potrebuje na svoj vlastný prevoz, na svoju funkciu – nakoľko energia je predávaná „ďalej“):

∆P = P - N Jednotkou je 1 watt. Značka N/P – fyzikálny rozmer [ VA ] (Voltampér). Väčšou jednotkou je kilowatt, megawatt a najväčší gigawatt a terawat (hodí sa napríklad pre merania výkonu či príkonu mikroelektronických prvkov). Elektrická práca Práca vykonaná elektrickým prúdom (elektrickou energiou). Určujúci vzťah hodnotiaci výkon odovzdaný za časovou jednotkou je daný rovnicou: A = P * t nebo A = U * I * t alebo A = U * Q V elektrotechnike nebola pre prácu zvolená špeciálna jednotka. Preto sa používa bežná jednotka pre mechaniku.

5

Jednotkou je 1 Joule. Značka A – fyzikálny rozmer [ Ws ] (wattsekunda), [ VAs ] (voltampérsekunda), [ VC ] (voltcoulomb) – prípadne môže mať aj rozmer z iných fyzikálnych veličín. Väčšími jednotkami sú watthodina, kilowatthodina alebo megawatthodina. Účinnosť (elektrická účinnosť) Pre porovnanie alebo posudzovanie kvality (akosti) elektrického zariadenia – tak ako konečne u každého všeobecného zariadenia – slúži určeniu pomeru dodanej (spotrebovanej) a využitej (odovzdanej) energie. Určujúci vzťah je daný rovnicou: η = P / N nebo η = ( P / N )* 100[%] Elektrický ú činník Existuje iba u striedavého elektrického napätia a prúdu. Vyjadruje hodnotu fázového posunu medzi zhodnou sínusovkou napätia a prúdu a to podľa charakteru pripojeného spotrebiča (čisto ohmická záťaž, indukčná záťaž, kapacitná záťaž a ich vzájomné kombinácie). Odpor vodičov – mierny (špecifický) odpor Elektrický prúd vo vodičoch je navonok usporiadaný pohyb voľných elektrónov, ktoré vo svojom pohybe v medziatómovom priestore narážajú na ionty (na ich kovovú mriežku), od nich sa nepružným rázom odrážajú. Pritom stráca časť svojej energie a musia byť znovu urýchľované, aby bol zachovaný ich pohyb. To sa prejavuje ako odpor vodiča pôsobiaci proti prechodu elektrického prúdu. Elektrický odpor vodiča závisí na druhu materiálu z ktorého je vodič vyrobený. Závisí aj na tvare vodiča. Odpor vodiča sa meria rovnako ako akýkoľvek iný odpor a má tú istú jednotku = 1 Ohm. Vlastnosť vodiča kladie odpor pretekajúcemu prúdu – vlastnosť závislú na druhu (zložení) materiálu vodiča nazývame merným odporom (špecifickým odporom). Základné tepelné účinky J.P. Joule (Angličan) + A. Lenc (rus) – zákon o tepelnom pôsobení = množstvo vyvinutého tepla elektrickým prúdom I (tzv. Jouleovo teplo): Q = R * I2 * t [ J , Ohm , A , sec ] Po dosadení z Ohmovho zákona: Q = ( U2 / R ) * t = U * I * t [ J , V , Ohm , sec , V , A , sec ] Podľa sústavy SI je hlavnou jednotkou tepla Joule, čo je teplo, ktoré sa vyvinie za 1 sekundu vo vodiči, ktorým prejde stály prúd 1 A pri napätí na vodiči V. Je tiež definované, že množstvo tepla potrebné k ohriatiu 1 litra vody o 1°C je práve 4186,8 J. Ohmov zákon Všetky tri základné veličiny * napätie – prúd – odpor * sú na sebe priamo závislé – závislosť vystihuje Ohmov zákon. Ten stanoví ich pomer voči sebe. Preto keď poznáme dve z týchto veličín, môžeme bezchybne vypočítať hodnotu tretej. Ohmov zákon vyjadruje vzťah medzi elektrickým odporom, napätím a prúdom. Zákon hovorí, že elektrický prúd v elektricky vodivom predmete je priamo úmerný elektrickému napätiu priloženému na tento predmet, konštantou úmernosti je vodivosť:

U --------------

R * I Vzťah Ohmovho zákona sa dá vyjadriť funkčným trojuholníkom: z ktorého plynú tri rovnice: U = R * I I = U / R R = U / I (případně G = I / U ) Úbytok napätia na vodiči spájajúcom zdroj a spotrebič

6

Vzhľadom k tomu, že každé vedenie má svoj vlastný odpor (daný použitým materiálom,

z ktorého je vodič vyrobený), na jeho dĺžke vzniká pri prechode prúdu určitý úbytok napätie. Tento úbytok Uz (alebo ∆U) je daný vzťahom: Uz = Up - Uk Kde: Up ... je napätie na začiatku vedenia (a teda je zhodné s napätím na svorkách zdroja) Uk ... je napätie na konci vodiča (t.j. u spotrebiča – záťažného odporu) Pri sériovom spojení prvkov platí, že všetkými prvkami tečie zhodný prúd (má rovnakú hodnotu) – prúd sa teda nevetví. Napätie na jednotlivých prvkoch je rôzne – II. Kirchhoffov zákon o súčte napätí – dané podľa Ohmovho zákona v závislosti na odpore každého z prvkov – celkový súčet napätí v uzavretej slučke sa rovná nule. V paralelnom spojení prvkov dochádza k rozdeleniu prichádzajúceho (a teda aj odchádzajúceho) prúdu podľa Ohmovho zákona v závislosti na hodnote odporu každú z prvkov – I. Kirchhoffov zákon o súčte prúdov = súčet prúdov do uzla prichádzajúcich a odchádzajúcich je nulový (súčty hodnoty prichádzajúcich a odchádzajúcich prúdov sú rovnaké). Napätie na všetkých prvkoch je zhodné. Vzťahy medzi napätím a prúdom v jednotlivých častiach obvodu popisujú Kirchhoffove zákony. I. Kirchhoffov zákon (skratka 1. KZ, tzv. prúdový) hovorí, že algebrický súčet prúdu v uzle je rovný nule. Vychádza zo skutočnosti, že v uzle sa nemôžu elektrické náboje ani strácať ani generovať, je teda dôsledkom platnosti zákona o zachovanie náboja. Pri formulácii rovníc dodržujeme pravidlo, že prúdy, ktoré z uzla vytekajú, berieme s kladným znamienkom, prúdy vtekajúce so záporným znamienkom. II. Kirchhoffov zákon (skratka 2.KZ, tzv. napäťový) hovorí, že algebrický súčet nepätí pozdĺž uzavretej slučky je rovný nule. Vo svojej podstate je tento zákon o zachovaní energie v elektrickom obvode, čo je zrejmé z definície napätí. Ako uzatvorené slučku v tejto súvislosti chápeme cestu začínajúcu v niektorom uzle, pokračujúcu ďalšími uzlami a končiacu v uzle, v ktorom začala. Žiadnym uzlom pritom neprechádza dvakrát. Kirchhoffove zákony Prvý Kirchhoffov zákon: súčet všetkých prúdov tečúcich do uzlov siete sa v každom okamihu rovná nule (prúdy tečúce do uzlov berieme so záporným znamienkom, prúdy tečúce z uzla s kladným znamienkom). Zákon je obvodovým vyjadrením rovnice kontinuity, t.j. zákona zachovania náboja. Druhý Kirchhoffov zákon: súčet všetkých napätí na prvkoch (aktívnych a pasívnych) pozdĺž uzavretého obvodu (slučky) je v každom okamihu rovný nule. Zákon je obvodovým vyjadrením faktu, že elektrické pole je konzervatívne, t.j., že práce pozdĺž uzavretej dráhy sa rovná nule. Théveninova veta (veta o ekvivalentnom generátore) Lineárny dvojpól sa dá vždy nahradiť jedným zdrojom napätia a jedným rezistorom v sérii. Napätie ekvivalentného zdroja je rovné napätiu na nezaťažených svorkách dvojpólu, odpor ekvivalentného rezistora je rovný odporu medzi svorkami dvojpólu, keď všetky zdroje vo vnútri dvojpólu nahradíme ich vnútornými odpormi. Théveninovu vetu môžeme s výhodou použiť, keď sa v študovanej sieti zaujímame len o stav jednej alebo niekoľko málo vetiev, potom postupným zjednodušovaním siete podľa Théveninovej vety dôjdeme k výsledku väčšinou rýchlejšie a elegantnejšie než použitím Kirchhoffových zákonov. Duálna analógia Théveninova veta je Nortonova veta, ktorá hovorí o ekvivalencii lineárneho dvojpólu paralelnej kombinácii zdroja prúdu a rezistora (vodivosť). Z týchto viet potom vyplýva:

A

+

-

R

I

I

U

skutečný tok

elektronů ve

zdroji

V

skutečný tok

elektronů ve

vodiči

změřený

směr

proudu

7

Veta o ekvivalencii reálneho zdroja napätia a reálneho zdroja prúdu Zdroj napätie E s vnútorným odporom Ri je na svojich svorkách ekvivalentný zdroj prúdu s veľkosťou E/Ri s pararelne zapojenou vodivosťou o veľkosti 1/Ri.

8

4. Rozdelenie elektrických prvkov. Ideálne a reálne prvky v elektrotechnike. V teoretickej elektrotechnike delíme prvky v elektrických obvodoch na: Pasívne prvky – sú spotrebičom elektrickej energie, teda premieňajú elektrickú energiu na inú formu energie, napr. tepelnou. V schéme majú vždy šípky napätia a prúdu u pasívneho prvku zhodný smer. Základné pasívne prvky: rezistor, induktor, kapacitor, viazané induktory. Aktívne prvky – sú zdrojom elektrickej energie, teda premieňajú iný druh energie na energiu elektrickú. Môžu byť dvojaké – napäťové a prúdové. Základné aktívne prvky: nezávislý zdroj napätia, nezávislý zdroj prúdu, riadené zdroje. Ďalej prvky elektrických obvodov delíme na ideálne a reálne. Ideálne prvky – každý prvok má iba jednu požadovanú vlastnosť (parameter), napr. rezistor má odpor, cievka má indukčnosť, kondenzátor kapacitu atď. Reálne prvky – okrem základnej požadovanej vlastnosti má prvok navyše aj parazitné vlastnosti, napr. reálna cievka má okrem indukčnosti aj odpor, kondenzátor má zvodový odpor (ideálny prvok sa nedá vyrobiť). V skutočnosti sú všetky prvky elektrických obvodov reálne. Ale v niektorých prípadoch sú parazitné vlastnosti tak malé, že ich môžeme zanedbať. Napr. odpor u cievky väčšinou zanedbať nemôžeme, ale zvodový odpor je u kvalitného kondenzátora väčšinou tak malý, že ho zanedbať môžeme. Aktívne prvky elektrických obvodov – zdroje Zdroje elektrickej energie premieňajú iný druh energie na elektrickú. Z hľadiska teoretickej elektrotechniky rozoznávame napäťový a prúdový zdroj. Prúdový zdroj – napája obvod konštantným prúdom. Výstupné napätie sa mení podľa toho, akú záťaž (spotrebič) k nemu pripojíme. Prúdové zdroje nie sú v praxi príliš časté, príkladom je zváračka. Napäťový zdroj – napája obvod konštantným napätím. Výstupný prúd sa mení podľa toho, akú záťaž (spotrebič) k nemu pripojíme. Napäťové zdroje sú v praxi častejšie. Ideálny napäťový zdroj U ideálneho napäťového zdroja je výstupné napätie konštantné, bez ohľadu na veľkosť odoberaného prúdu. Vnútorné napätie Ui (pomyselné napätie, ktoré má zdroj vo vnútri) je za všetkých okolností rovno napätie na svorkách zdroja U. Reálny napäťový zdroj U tohto zdroja dochádza pri odbere prúdu k poklesu napätí na svorkách. (praktickým príkladom je napr. keď pri štartovaní auta vplyvom veľkého odberu z batérie poklesne napätie a trochu pohasnú svetlá). Pasívne prvky elektrických obvodov – spotrebiče Rezistor Rezistor ( hovorovo nazývaný odpor) premieňa elektrickú energiu na teplo. Jeho vlastnosťou je odpor, ktorý má jednotku Ohm (Ω). Medzi napätím a prúdom na rezistore platí Ohmov zákon. Rezistory bývajú vyrobené z odporového vodiča (väčšinou navinutého na keramickom jadre), alebo z malého valčeka odporovej hmoty. Ideálny rezistor sa správa rovnako v obvode rovnosmerného aj striedavého napätia. U väčšiny bežne vyrábaných rezistorov môžeme zanedbať parazitné vlastnosti (považovať ich za ideálne). Iba u niektorých drôtových rezistoroch vyrábaných z odporového drôtu navinutého na jadre (podobne ako cievka) musíme pri vyšších kmitočtoch počítať s parazitnou indukčnosťou. V praxi sa niekedy používajú aj premenné rezistory – potenciometer (3 vývody) alebo reostat (2 vývody). Každý potenciometer sa dá zapojiť ako reostat. Cievka (induktor – ideálna cievka) Je to súčiastka, v ktorej sa elektrická energia premieňa na magnetické pole. Ideálna cievka má iba jednu vlastnosť a tou je indukčnosť L, jednotkou indukčnosti je Henry (H). Elektrická energia sa v cievke v podobe magnetického poľa akumuluje a cievka je schopná ju premeniť späť na elektrickú energiu – naindukovať napätie. Cievka sa správa ako zotrvačnosť voči prúdu – nekladie odpor prúdu ako takému, ale jeho zmene. Pokiaľ dochádza v obvode k zmene prúdu, cievka indukuje také napätie, ktoré pôsobí proti tejto zmene – snaží sa zachovať prúd konštantný. (V prípade náhleho prerušenia prúdu môže cievka naindukovať tak veľké napätie, ktoré môže vyvolať iskru, poškodiť obvod, alebo spôsobiť úraz – stovky až tisíce voltov. Toho sa využíva napr. v zapaľovaní v benzínových motoroch). Cievky bývajú vyrobené z izolovaného vodiča navinutého na jadre. Ako izolácia často slúži iba tenká vrstva laku, tzv. smalt – smaltové vodiče. Jadro môže byť z neferomagnetického materiálu, alebo feromagnetického materiálu (oceľ, oceľové plechy alebo ferit) – takej cievke sa potom hovorí tlmivka.

9

Reálna cievka Skutočne existujúce cievky majú vždy okrem indukčnosti aj odporu, pretože sú navinuté z vodiča, ktorý má odpor. Kondenzátor (kapacitor – ideálny kondenzátor) Kondenzátor je prvok, v ktorom sa akumuluje energia elektrického poľa. Jeho parametrom je kapacita C, jednotkou kapacity je Farad (F). V ideálnom kondenzátore nevznikajú žiadne straty. Správanie kondenzátora je v podstate opakom správania cievky. Kondenzátor sa správa ako zotrvačnosť voči napätiu. Po pripojení na zdroj konštantného napätia sa nabije (počiatočný nabíjací prúd môže byť i veľmi veľký, takmer ako skrat), po nabití ním už prakticky žiadny prúd neprechádza. Ak začneme kondenzátor vybíjať, je schopný po obmedzenú dobu dodávať do obvodu prúd – správa sa ako zdroj. Reálny kondenzátor Reálny (skutočný) kondenzátor má okrem kapacity navyše ešte zvodový odpor. Ten je daný nedokonalosťou dielektrika a prejavuje sa samovybíjaním kondenzátora. Väčšina vyrábaných kondenzátorov je tak kvalitných, že zvodový odpor môžeme pri bežných výpočtoch zanedbať – považovať ich za ideálne. Pokiaľ nabijeme kvalitný kondenzátor na napätí, je schopný si ho udržať niekoľko hodín až dní, z toho plynie nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom U. Elektrické spotrebiče Medzi najbežnejšie elektrické spotrebiče patria tepelné elektrické spotrebiče (žiarovka, infražiarič, elektrická trúba), žiarivka, elektromotor a rôzne elektronické spotrebiče (rádiový prijímač, televízny prijímač, rôzne druhy prehrávačov a rekordérov, telefón, počítač atď.). V súčasnej dobe sa dbá na úspory energií a preto sú využívané predovšetkým úsporné spotrebiče.

10

5. Ideálne a reálne zdroje napätia a prúdu. Prevádzkovo neprípustné stavy reálnych zdrojov napätia.

Ideálny zdroj Ideálny zdroj Emn je taký, ktorý nekladie žiadny odpor pohybu nosičov náboja vo vnútri zdroja (od pólu k pólu), a teda nemá žiadny vnútorný odpor. Medzi týmito pólmi je jeho kapacita εεεε, teda jeho Emn. Napr. ideálna batéria má vždy medzi svojimi pólmi napätie 12V, a to bez ohľadu na záťaž. Reálny zdroj Reálny zdroj Emn je napr. reálna batéria, ktorá kladie určitý odpor nosičom náboja pohybujúcim sa vo vnútri zdroja, a teda má určitý vnútorný odpor. Pokiaľ reálny zdroj Emn nie je zapojený do obvodu, nepreteká ním prúd a jeho vnútorný odpor sa neprejaví. Napätie medzi svorkami, tzv. svorkové napätie Usv je rovné jeho Emn. Ak však zdrojom prechádza prúd, jeho hodnota svorkového napätie a Emn.rozdielna. Ideálny zdroj napätia udržuje na svojich svorkách elektrické napätie, ktorého veľkosť nezávisí od výkonu odovzdávaného zdrojom do záťaže. Parametrom ideálneho zdroja napätia je napätie zdroja (elektromotorické napätie). Ideálny zdroj prúdu dodáva prúd, ktorého veľkosť nezávisí od výkonu odovzdávaného do záťaže. Parametrom ideálneho zdroja prúdu je prúd zdroja. V teórii obvodov sa zdroje ešte delia na nezávislé (autonómne) a riadené (neautonómne). Parametre riadených zdrojov sú funkciami napätí alebo prúdov v inej časti obvodu (elektricky riadené zdroje) alebo sú funkciami nejakej všeobecnej riadiacej veličiny. Riadené zdroje sú teda parametrické aktívne prvky. Pasívne prvky energiu buď spotrebovávajú, alebo ju v sebe hromadia a vydávajú. Sú to tieto tri prvky: Ideálny odpor (rezistor) spotrebováva elektrickú energiu nenávratnou premenou na tepelnú. Parametrom je elektrický odpor R = u/i alebo vodivosť G = i/u = 1/R. Ideálny kondenzátor (kapacitor) je zásobníkom energie elektrického poľa, ktoré je sústredené v jeho objeme. Túto energiu môže ideálny kondenzátor bez strát prijímať a vydávať. Parametrom je kapacita C = qlu. Vzťah medzi prúdom a napätím dostaneme derivovaním dq/dt = i = d(Cu)/dt. Ideálna cievka (induktor) je zásobníkom energie elektrického poľa, ktoré je sústredené v jej objeme. Túto energiu môže ideálna cievka bez strát prijímať a odovzdávať. Parametrom je indukčnosť L = Φ/i. Vzťah medzi prúdom a napätím získame derivovaním dΦ/dt = u = d(Li)/dt. Parametre ideálnych pasívnych prvkov môžu závisieť od nejakého ďalšieho parametra, najčastejšie od času. V takom prípade hovoríme o riadených ideálnych prvkoch alebo tiež o parametrických prvkoch. Ideálne prvky sa dajú analyticky ľahko popísať, ak ich parametre nie sú funkciami prúdov a napätí. Pretože charakteristiky týchto prvkov sú dané lineárnymi funkciami, hovoríme o lineárnych ideálnych prvkoch. Modely takých prvkov a obvodov budú závisieť od rýchlosti zmien prúdov a napätí. Ideálny nelineárny parametrický prvok je popísaný charakteristikou, ktorej funkčná závislosť je y = ƒ(x, p), kde x a y sú napätia a prúdy, p je riadiaca veličina. Takýto prvok možno opísať viacerými parametrami: Statický parameter P je pomer závislej a nezávislej veličiny pri konštantnej riadiacej veličine P = ylx = ƒ(x, p)lx; p = konštanta Hodnota statického parametra je premenlivá a závisí od okamžitej hodnoty nezávislej veličiny. Preto sa uvádzajú ešte:

- Diferenciálny parameter Pd = ∂f(x, p)/ ∂x , - Prenosový diferenciálny parameter Kd = ∂f(x, p)/ ∂p.

11

6. Základné metódy analýzy jednosmerných obvodov v ustálenom stave. Úlohou teórie obvodov je: Analýza – zo známej fyzikálnej a topologickej štruktúry obvodu sa v ňom určujú napätia a prúdy, t.j. zisťuje sa stav obvodu. Zo známych napätí a prúdov sa dajú určiť vzájomné vzťahy niektorých vybraných dvojíc veličín. Tieto vzťahy spravidla postačujú na stanovenie obvodových funkcií, ktoré v praxi dostatočné opisujú stav obvodu. Najčastejšie sú to: Prenosová funkcia, ktorá udáva súvis medzi odozvou obvodu – výstupným signálom a na obvod pôsobiacim vstupným signálom. Imitančná funkcia, ktorá opisuje vzťah medzi napätím a prúdom vo vybranom mieste v obvode. Slovo imitančná vzniklo spojením impedancia a admitancia. Metódy a analýzy sú dobre rozpracované pre lineárne odvody s konštantnými parametrami po teoretickej, aj po numerickej stránke, čo umožňuje rýchlu analýzu zložitých obvodov pomocou počítačov. Otvorené problémy zostávajú pre parametrické a nelineárne obvody. Zvláštnym prípadom analýzy je tolerančná analýza, ktorá skúma vlastnosti a správanie sa obvodu pri zmene niektorých jeho parametrov. Tieto zmeny môžu byť spôsobené teplotnou závislosťou, časovou závislosťou (starnutím materiálov). Tolerančná analýza skúma aj vlastnosti obvodu ovplyvneného tým, že hodnoty parametrov môže technológia výroby zaručiť iba s istými toleranciami. Ide o skúmanie citlivosti obvodu na zmenu hodnôt parametrov jeho prvkov. Syntéza – navrhovanie štruktúry obvodu tak, aby mal požadované vlastnosti. Príkladom môže byť návrh modelu diódy. Syntéza nadväzuje na metódy analýzy, ale všeobecne je obtiažnejšia a riešenie nemusí mať vôbec alebo nie je jednoznačné. Metódy syntézy sú zatiaľ rozvinuté najmä pre elektrické filtre, zatiaľ čo pre ostatné obvody málo alebo vôbec nie. Ohraničená syntéza a identifikácia obvodu – o obvode a jeho funkciách jestvujú neúplné údaje. Experimentálne a analyticky treba určiť chýbajúce informácie tak, aby bola známa úplná štruktúra obvodu a jeho vlastnosti. Pretože sa vlastnosti obvodu môžu s časom meniť, či už želateľným alebo neželateľným spôsobom, analyzujeme obvody obvykle v dvoch režimoch: Ustálený stav – všetky napätia a prúdy v obvode sú periodickými funkciami času. Špeciálnym prípadom je jednosmerný ustálený stav; vtedy sa hodnoty prúdov a napätí nemenia. Prechodový stav – nastáva pri prechode z jedného do iného ustáleného stavu. Napätia a prúdy v obvode nie sú periodickými funkciami času.

12

7. Časovo premenné veličiny. Charakteristické hodnoty periodických priebehov. Determinované priebehy – dajú sa vyjadriť matematickou funkciou, v čase majú jednoznačnú hodnotu. Môžu byť:

1. Spojité 2. Nespojité

Stochastické priebehy – procesy sú náhodné (napr. šum) Stacionárne a periodické veličiny Determinované priebehy je vhodné deliť na:

- Stacionárne – nemenia veľkosť ani smer (napätie akumulátora, teplota termostatu,... Periodické – hodnoty sa opakujú po perióde T, i (t+kT) = i(t)

- Neperiodické Periodický priebeh

Periodické priebehy Periodické priebehy môžeme deliť na:

1. Kmitavé – kladná a záporná plocha sa líši 2. Pulzujúce – objavuje sa len 1 polarita

Usmernený Pulzujúci 3. Striedavé - Nesúmerné – tvar polovĺn sa líši - Súmerné – tvar oboch polovĺn sa zhoduje, platí: i(t+T/2) = - i(t)

Charakteristické hodnoty periodických priebehov Okamžitá hodnota – u(t), i(t) malé písmená!!! Maximálna hodnota – Um, Im veľké písmená!!!

13

Stredná hodnota periódy – U0, I0 jednosmerná zložka Pre symetrický priebeh je nulová!!!

Stredná hodnota polperiódy – Us, Is berie sa kladná polvlna Aritmetická stredná hodnota – usmernenie celej periódy, napr. Usa, Isa. Pre striedavé priebehy sa číselne zhoduje s Us, Is. Efektívna hodnota – napr. U,I Definícia: Efektívna hodnota (prúdu) vyvolá rovnaký tepelný účinok ako zhodná jednosmerná hodnota (prúdu).

Činiteľ tvaru k t – podiel efektívnej hodnoty veličiny a usmernenej strednej hodnoty veličiny. Pre sínusový priebeh kt = 1,1107 (cca 1,111) Poznámka: bežné digitálne meracie prístroje sú ciachované pomocou činiteľa tvaru pre sínusový priebeh a efektívnu hodnotu neharmonického priebehu merajú nesprávne. Správne merajú len prístroje s označením TRMS (true rms). Činiteľ výkyvu kv – podiel maximálne hodnoty a efektívne hodnoty veličiny. Pre sínusový priebeh kv = 1,414 (odmocnina z 2) Harmonické priebehy Striedavé harmonické priebehy možno vyjadriť buď funkciou sínus alebo kosínus. i(t)=I msin(ωt+ψi) Im je amplitúda (maximálna hodnota) ω je uhlová (kruhová) frekvencia Harmonický priebeh – konštrukcia

i(t)=Imsin(ωt+ψi)

14

8. Impedancia a jej zložky. Výpočet impedancie v skalárnom a komplexnom tvare. Impedancia je zdanlivý odpor elektrotechnickej súčiastky a fázový posun napätia oproti prúdu pri prechode harmonického striedavého elektrického prúdu danej frekvencie. Podobne ako elektrický odpor charakterizuje vlastnosti prvku pre jednosmerný prúd, impedancia charakterizuje vlastnosti prvku pre striedavý prúd. Impedancia je základná vlastnosť, ktorú potrebujeme vedieť pre analýzu striedavých elektrických obvodov. Impedancia sa zapisuje pomocou komplexných čísiel. Impedancia je jednobran obsahujúci rezistory a akumulačné prvky. Značka: Základná jednotka: ohm, značka Ω Ďalšie jednotky: rovnaké ako pre elektrický odpor Výpočet: , kde R je rezistancia (el. odpor) X je reaktancia prvku, a j je komplexná jednotka.

Polárny zápis: , kde |Z| je veľkosť a φ je fáza. S impedanciou sa formálne počíta rovnako ako s odporom, platia tu rovnaké pravidlá pre sériové a paralelné radenie, len namiesto okamžitých hodnôt napätí a prúdov pracujeme s fázormi:

, kde U je fázor napätia a I je fázor prúdu. Impedancia základných prvkov striedavých elektrických obvodov

Impedancia (Z) sa v schémach obvodov môže znázorňovať ako prázdny obdĺžnik, alebo "zubatý" drôt. Impedancia odporu: , kde R je rezistancia tzv. ideálneho odporu (rezistora) Impedancia cievky: , kde L je indukčnosť tzv. ideálnej cievky (induktora) a ω je uhlová rýchlosť

Impedancia kondenzátora: , kde C je kapacita tzv. ideálneho kondenzátora (kapacitora) a ω je uhlová rýchlosť Impedancia závisí od frekvencie, pretože , kde f je frekvencia.

15

9. Sériový RLC obvod. Rezonancia RLC obvodu. Pasívne filtre 1. a 2. rádu. Rezonančný obvod Rezonančný obvod alebo RLC obvod, LC obvod je komplexný jednobran. Vznikne paralelným alebo sériovým spojením kondenzátora a cievky. Pri jednej, tzv. rezonančnej frekvencii sa v tomto obvode vyrovnáva kapacitná a induktívna reaktancia a rezonančný obvod sa pri tejto frekvencii chová ako činný odpor. Stav obvodu, ktorý nastane pri rezonančnej frekvencii, sa nazýva rezonancia. Prúd pretekajúci obvodom je v tomto stave maximálny a odpor minimálny. Keď sú cievka a kondenzátor spolu zapojené, elektrický prúd medzi nimi kmitá pri frekvencii

kde L je indukčnosť cievky vyjadrená v jednotkách henry a C je elektrická kapacita kondenzátora vyjadrená vo faradoch. Sériový RLC obvod Sériový rezonančný obvod má pri rezonančnej frekvencii najmenšiu impedanciu a najväčší prúd, pričom tento je v obvode konštantný.

Sériový rezonančný obvod

Sériový rezonančný obvod sa využíva tam kde potrebujeme dosiahnuť maximálny prúd. Pri rezonančnej frekvencii sa indukčná reaktancia (induktancia) XL rovná kapacitnej reaktancii XC. Po dosadení môžeme

odvodiť Thomsonov vzorec, ktorý je fO rezonančné = < [Hz] Vzťahy pre rezonančnú frekvenciu Pri rezonancii sa reaktancie rovnajú

16

10. Základné prechodové javy v elektrických obvodoch – princíp, význam, spôsoby riešenia.

Pod pojmom prechodné javy v elektrickom obvode rozumieme javy (procesy), ktoré prebiehajú medzi dvoma ustálenými stavmi (či už stacionárnymi, alebo periodickými). Presnejšie povedané, prechodný jav je proces, pri ktorom sústava (elektrický obvod) neperiodicky mení veľkosť akumulovanej energie. K prechodnému javu dochádza spravidla pri zmene štruktúry (topológie) elektrického obvodu (pripojenie/odpojenie zdroja, skrat/prerušenie úseku obvodu, pripojenie/odpojenie časti elektrického obvodu atď.). V elektrických obvodoch budeme vznik prechodného javu vyznačovať spínaním ideálneho spínača, pričom zopnutie/vypnutie budeme (väčšinou) uvažovať v okamžiku t = 0. Do oblasti riešenia prechodných javov však môžeme zahrnúť aj javy v elektrických obvodoch so zdrojmi s neperiodickými časovými priebehmi (signálmi). Je potrebné si uvedomiť, že analýza elektrických obvodov je v princípe riešenie istého matematického modelu obvodu – sústavy diferenciálnych rovníc (v obvodoch so sústredenými parametrami sú to časové diferenciálne rovnice) pri určitých počiatočných podmienkach. Metódy riešenia obvodov v ustálenom stave sú len limitným prípadom pre čas t → ∞. Riešenie matematického modelu elektrického obvodu (sústavy diferenciálnych rovníc) vedie k nekonečenému trvaniu prechodného javu. Neskôr uvidíme, že pre lineárne obvody výsledné riešenie obsahuje členy typu e-t/τ , kde τ je časová konštanta, daná parametrami obvodu. V takomto prípade však považujeme prechodný jav za prakticky ukončený pre časy rádovo ~ 5⋅τ, kedy poklesne funkcia e-t/τ pod 1% svojej hodnoty v čase t = 0. Fyzikálnou podstatou vzniku prechodných javov je nevyhnutnosť spojitej zmeny energie v danej sústave (v prípade obvodov so sústredenými parametrami energie v prvkoch elektrického obvodu). Pre nespojitú zmenu energie by bol potrebný nekonečný okamžitý výkon v bode nespojitosti. Prechodné javy môžu vzniknúť len v elektrických obvodoch, ktoré obsahujú aspoň jeden akumulačný prvok1. Pre lineárne obvody to znamená, že obvod musí obsahovať aspoň jeden induktor alebo kapacitor. Len v takomto prípade dochádza k vyrovnávaniu energetických pomerov v nenulovom čase. V prípade čisto rezistívneho obvodu (obsahujúceho zdroje a ideálne rezistory) k prechodnému javu nemôže dôjsť. Vieme, že pre energiu akumulovanú na lineárnom kapacitore C, resp. na lineárnom induktore L v čase t platí: WC(t) = ½ C. u

2c(t) WL(t) = ½ L. i2L(t)

Z týchto vzťahov a predchádzajúceho textu vyplýva, že aj prúdy tečúce induktormi iL(t) a napätia na svorkách kapacitorov uC(t) musia byť spojitými veličinami (spojité časové funkcie). Metódy riešenia prechodných javov Stručne povedané, riešenie prechodných javov v elektrickom obvode je riešením sústavy diferenciálnych rovníc (DR) pre stavové veličiny obvodu pri známych počiatočných podmienkach. V prípade lineárnych elektrických obvodov (ktoré môžeme modelovať zapojením lineárnych rezistorov R, induktorov L, kapacitorov C a zdrojov napätia a prúdu) sú stavovými veličinami prúdy induktormi iL(t) a napätia na kapacitoroch uC(t). iL(0) a uC(0). Po zostavení sústavy diferenciálnych rovníc pre príslušný obvod, túto sústavu môžeme riešiť • analyticky – analytické riešenie je možné jednoducho nájsť v prípade sústavy DR 1. a 2. rádu; pre vyššie rády je to však pomerne prácna metóda; • numericky – v súčasnosti čoraz používanejší spôsob, keďže numerické algoritmy na riešenie sústav DR sú podrobne rozpracované a implementované prakticky v každom matematickom softvérovom produkte (napr. MathCad, MatLab, Mathematica atď.). Sústavu DR môžeme zostaviť napr. pomocou metódy stavových premenných. Numericky je možné v princípe riešiť aj nelineárne DR, pre ktoré vo väčšine prípadov nepoznáme analytické riešenie; • použitím integrálnych transformácií (Fourierovej, Laplaceovej, Laplace-Carsonovej) – využívame tu istú analógiu s riešením obvodov v ustálenom harmonickom stave zavedením tzv. operátorových impedancií. Ako uvidíme neskôr, problémom pri tomto spôsobe riešenia je predovšetkým spätná transformácia výsledku v operátorovom tvare do časovej oblasti.

17

11. Bipolárny tranzistor – princíp činnosti, VA charakteristiky, vlastnosti, použitie. Bipolárny tranzistor je základná polovodičová súčiastka, dve varianty: NPN a PNP. Sú funkčne podobné, líšia sa ale opačnou polaritou: tam, kde u NPN (na kolektory musia mať vždy kladné napätie) tečie prúd jedným smerom, u PNP (na kolektory musia mať vždy záporné napätie) tečie prúd opačným smerom. Princíp Bipolárne tranzistory využívajú oba druhy nosičov elektrického náboja, teda elektróny a diery. Tranzistor sa skladá z troch vrstiev ktoré majú rôzne typy vodivosti. Stredná vrstva má vodivosť typu P a nazýva sa báza. Krajné vrstvy majú vodivosť typu N, pričom jedna vrstva sa nazýva emitor a druhá kolektor. V tranzistore teda vznikajú dva PN prechody: emitorový prechod medzi emitorom a bázou a potom kolektorový prechod medzi kolektorom a bázou. Tieto prechody sú od seba oddelené tenkou vrstvou polovodiča. Výsledná štruktúra tranzistora vyzerá takto:

Tranzistor nepripojený do obvodu

Tranzistor zapojený do obvodu

VA charakteristika Znázorňuje závislosť kolektorového prúdu na napätí kolektor-emitor pri konštantnom prúde do báze. Pre každú veľkosť prúdu do báze IB platí jedna charakteristika. Pri nulovom prúde do báze (IB = 0) prechádza tranzistorom zbytkový prúd IK ohm.

Vlastnosti Tranzistor má schopnosť zosiľovať – umožňuje malým prúdom riadiť väčší prúd (malé zmeny napätí alebo prúdu na vstupe môžu vyvolať veľké zmeny napätia alebo prúdu na výstupe). Použitie Ako zosiľovač signálu, ako spínač, v logických obvodoch a niektorých pamätiach.

18

12. Nastavenie a stabilizácia pracovného bodu bipolárneho tranzistora. Bipolárny tranzistor je základná polovodičová súčiastka, ktorá obsahuje dva PN prechody. Tieto prechody sú od seba oddelené tenkou vrstvou polovodiča.

Vonkajšiu elektródu tranzistora priliehajúcu k prechodu pólovanému v priepustnom smere nazývame emitorom (v tomto prípade je to ľavá časť), strednú časť báza a ostávajúcu elektródu kolektor.

Nastavenie pracovného bodu tranzistora: (pri jednotlivých tranzistoroch sa prúdový zosiľovací činiteľ významne odlišuje a ďalej pracovný bod tranzistora je veľmi závislý na zmenách napájacieho napätia a teploty – riešením je zavedenie zápornej spätnej väzby). Nastavenie pracovného bodu tranzistora sa prejaví určitou veľkosťou kolektorového prúdu a omnoho zreteľnejšou veľkosťou napätia na kolektore. Pracovný bod sa pritom pohybuje v určitom rozmedzí. Nastavenie pracovného bodu tranzistora sa týka režimu prechodu báze – emitor, postačí teda veľmi málo napätia k otvoreniu a prechodom báze – emitor tečie prúd a súčasne s kolektorovým prúdom i v obvode kolektor – emitor. Veľkosť otvorenia odpovedá funkcii, ktorú má tranzistor vykonávať. Polarita napätia na báze závisí na type vodivosti tranzistora (NPN či PNP). Stabilizácia pracovného bodu tranzistora: (prispôsobiť na pomalé tepelné zmeny a neovplyvňovať zosiľovaný signál). Stabilizácia je nevyhnutná, ak môže dôjsť k zmenám kolektorového prúdu v závislosti na okolnej alebo vnútornej teplote tranzistora. Týka sa to aj možných zmien napájacieho napätia. Aby sa zachovali normálne pracovné podmienky v širšom rozmedzí teplôt, používa sa pri nastavovaní pracovného bodu stabilné zapojenie.

19

13. Zosilňovač – zapojenie so spoločným emitorom, princíp činnosti, vlastnosti, použitie.

Zosilňovač je elektronické zariadenie, ktoré je schopné transformácie elektrickej energie z vonkajšieho napájacieho zdroja meniť parametre vstupného signálu. Z hľadiska elektroniky býva považovaný za aktívny dvojbran (nelineárny), ktorý je tvorený zosiľovacím prvkom a pomocnými obvodmi zaisťujúcimi nastavenie a stabilizáciu pracovného bodu. Zapojenie zosilňovača so spoločným emitorom (zapojenie SE): (zapojenie tranzistora v zosilňovači). Pri zapojení tranzistora so spoločným editorom sa zosiľuje ako napätie, tak aj prúd = zosilnenie výkonu, preto často používané. Princíp činnosti: Obracia fázy, prúdové a napäťové zosilnene je omnoho väčšie než 1 (pretože výstupný signál odoberáme sa odporom, je prevrátený oproti vstupu)

Zapojenie tranzistorového zosilňovača so spoločným editorom

So spoločným editorom preto, že emitor tranzistora je spojený cez rezistor RE so zemou, ktorá je spoločná pre vstup aj výstup. Pokiaľ na vstup tohto jednoduchého zapojenia ( ) privedieme signál (prúd), ten bude meniť bázový prúd IB a tým zatvárať a otvárať bipolárny tranzistor. To spôsobí, že sa bude meniť pracovný bod tranzistora na V-A výstupnej charakteristike a tým aj úbytok napätia medzi kolektorom a emitorom UCE. Čím väčšiu úroveň signálu teda privedieme na vstup, tým viac sa tranzistor otvorí, zmenší sa UCE a tým pádom aj vstupné napätie . Hovoríme, že tento druh zosilňovača je invertujúci, alebo tiež že otáča fázy o 180°. Vlastnosti: Veľké prúdové i napäťové zosilnenie najčastejšie používané. Použitie: Obvykle zosilňovače slúžia predovšetkým na zosilnenie amplitúdy signálu, alebo jeho úrovne (pri rovnosmerných zosilňovačoch), na požadovanú hodnotu. Používa sa ale aj v zapojeniach, kde je potrebné zmeniť tvar signálu a iné.

20

14. Spätná väzba v zosilňovačoch - zapojenie, princíp činnosti, význam, použitie. Spätnou väzbou nazývame také spojenie medzi súčiastkami zosilňovača, ktoré umožní privedenie časti energie výstupu zosilňovača späť na jeho vstup. Pokiaľ je spätná väzba kladná, zvýši mieru zosilnenia a to vedie obvykle k nestabilite obvodu, ktorý sa potom prepne do hornej alebo dolnej krajnej polohy a ostáva v nej. Pokiaľ je kladná väzba oneskorená, môže to spôsobiť rozkmitanie obvodu. Ak má spätnoväzobná veličina opačnú fázu než vstupná veličina a ak dôjde k zmenšeniu zosilnenia, potom ide o zápornú spätnú väzbu. Zapojenie

Najjednoduchší zapojený obvod spätnej väzby Rezistory R1 a R2 tvoria napäťový delič. Povedzme, že R1 má rezistenciu 10 kΩ a R2 = 90 kΩ. Potom bude na - vstupe napätia rovné jednej desatine výstupu. Keď na + vstup privedieme napätie povedzme 0,5 V, operačný zosilňovač bude zvyšovať napätie na výstupe tak dlho, dokiaľ napätie na - vstupe nedosiahne rovnakú úroveň. To ale vyžaduje, aby na výstupe bol desaťnásobok napätia na + vstupe! Takto sme zosilňovač „donútili“ 10x zosilniť napätie. Princíp činnosti: Obvodom spätnej väzby sa časť výstupného napätia zosilňovača privedie späť na vstup. Obvod spätnej väzby tak ovplyvnil celkové napäťové zosilnenie zosilňovača.

Bloková schéma zapojenia spätnej väzby Obvod spätnej väzby je k výstupu zosilňovača pripojený paralelne, ale výstup obvodu spätnej väzby je ku vstupu zosilňovača pripojený sériovo. Tým sa výstupné napätie spätnoväzbového obvodu ku vstupnému napätiu zosilňovača pripočíta. Význam: Napäťové zosilnenie, tlmenie a oneskorenie zosilňovača, stabilita zosilňovača, potlačenie vplyvu zmeny teploty – zabezpečenie pracovnej spoľahlivosti pri zmenách parametrov jeho prvkov. Použitie: Obvykle zosilňovače slúžia predovšetkým k zosilneniu amplitúdy signálu, alebo jeho úrovne (pri rovnosmerných zosilňovačoch), na požadovanú hodnotu. Používa sa ale aj v zapojených, kde je potrebné zmeniť tvar signálu a iných.

- Obvody s operačnými zosilňovačmi, oscilátory, generátory, stabilizátory.

21

15. Operačný zosilňovač - zapojenie, princíp činnosti, vlastnosti, použitie. Operačný zosilňovač (OZ) je súčiastka s dvoma vstupmi a jedným výstupom. Značí sa ako trojuholník s výstupom na hrote a vstupmi na protiľahlej strane, s tým, že napájanie nožičky sa väčšinou ani nekreslia, pretože je to samozrejmosť. Pri výpočtoch sa pracuje s ideálnym operačným zosilňovačom.

schematická značka OZ Zapojenie:

Vnútorné zapojenie – každý OZ má dva vstupy invertujúce (-) a neinvertujúce (+), jeden výstup, vývody pre kladné (+Ucc) a záporné (Ucc) napájacie napätie a prípadne ďalšie pomocné vývody pre nastavenie symetrie alebo kmitočtovú kompenzáciu. Zapojenie OZ umožňuje z nich jednoducho zostaviť: invertujúci zosilňovač,

neinvertujúci zosilňnovač napätia, komparátor, generátory pilového alebo obdĺžnikového signálu, filtre niektorých frekvencií, usmerňovač, oscilátor a pod. Princíp činnosti: Jedná sa o signály, ktoré sa s časom menia spojite – napr. zvukový signál, signál nesúci informáciu o okamžitej hodnote fyzikálnej veličiny (teplota, napätie,...) Vlastnosti: Vstupná napäťová nesymetria – obvody nie sú nikdy rovnaké, pretože dochádza k zmenám vstupného napätia nesymetrie aj v závislosti na teplote, preto je treba nesymetriu kompenzovať až po zahriatie OZ na prevádzkovú teplotu. Vstupný kľudový prúd – spôsobený nerovnako veľkými vstupnými prúdmi, na výstupe sa prejavuje nenulovým napätím a je teplotne závislý (v praxi zaradiť do obvodu oboch vstupov zhodné rezistory). Kmitočtová kompenzácia – pri zosilňovaní striedavého napätia sa smerom k vyšším kmitočtom znižuje zosilnenie a mení sa fáza signálu. Rýchlosť priebehu – rýchlosť zmeny výstupného napätia akou dokáže OZ reagovať na skokovú zmenu vstupného napätia (udáva sa vo voltoch za mikrosekundu V/µs). Použitie: Slúži nielen k zosilňovaniu striedavých a rovnosmerných napätí, ale tiež umožňuje matematické operácie – sčítanie, integráciu a konštrukciu analógovo číslicových prevodníkov, ktorými sa signál analógový prevádza na číslicový a naopak. OZ využijeme najmä tam, kde je potrebné dosiahnuť veľké zosilnenie pre signál, ktorý je rovnosmerný alebo má nízku frekvenciu. OZ väčšinou skresľujú signál o vyšších frekvenciách, než sú akustické. Dobre poslúži ako jednoduchý, lineárny a pritom silný zosilňovač k termočlánku, k mikrofónu,...

22

16. Základné zapojenia operačných zosilňovačov a ich použitie (invertujúce, neinvertujúce, diferenčné).

Invertujúci zosilňovač je jedno z najpoužívanejších zapojení. Na výstupe sa objaví vstupné napätie vynásobené zápornou konštantou (teda zinvertované). Veľkosť zosilnenia je daná pomerom odporu Rf a Rin. Ale pozor – tento vzorec platí iba vtedy, ak je zdrojom signálu obvod s nulovým vnútorným odporom (teda obvod, správajúci sa ako ideálny zdroj napätia).

(pretože zosilňovač sa vždy snaží medzi vstupmi udržať nulové napätie, teda sa – vstupe je tzv. plávajúca zem)

Neinvertujúci zosilňovač zosilňuje (násobí konštantou vždy väčšou než 1) vstupné napätie. Oproti invertujúcemu zosilňovaču, ktorý má vstupnú impedanciu danú veľkosťou odporu R1, sa u tohto zapojenia vstupná impedancia blíži nekonečnu a nezávisí na hodnotách odporov R1 a R2.

(reálne odpovedá vstupnej impedancii samotného OZ, ktorá je typicky veľmi vysoká 1M Ω až 10 T Ω)

Diferenčný zosilňovač sa používa pre sledovanie dvoch signálov s veľmi málo odlišnými hodnotami napätia, výstupné napätie úmerné rozdielu napätí na vstupoch. Invertujúci zosilňovač zosilňuje napätie U1 a neinvertujúci zosilňovač zosilňuje U2, takže U2 musí byť zmenšené odporovým deličom R3/R2, tak aby zosilnenie oboch vetiev bolo rovnaké.

Musí presne platiť R3 = R1, R2 = Rzp Ak má diferenčný zosilňovač skutočne zosilňovať iba rozdielové napätie, musí sa dodržať nasledujúca podmienka:

Použitie: Pre potlačenie rušivých napätí, ktoré by sa mohli indukovať v ďalšom elektrickom zariadení (do prívodného kábla u mikrofónneho predzosilňovača).

23

17. Oscilátory a generátory signálov– princíp činnosti, vlastnosti, použitie, príklad zapojenia.

Oscilátory – sú obvody, vytvárajúce periodické priebehy signálov. Pracujú na princípe kladnej spätnej väzby, kedy je časť energie z výstupu zavádzaná späť do vstupu. Pri prekročení určitej hranice dôjde ku vzniku kmitov. Dve podmienky oscilácie: Fázová podmienka – na pracovnom kmitočte je celkový fázový posun obvodu rovný nule. Amplitúdová podmienka – zisk zosilňovača musí vyrovnať straty v obvode. Podľa tvaru signálu môžeme oscilátory rozdeliť na harmonické (vytvárajú signál so sínusovým priebehom) a neharmonické (vytvárajú pravouhlý signál, alebo jeho deformácie). Elektromagnetický oscilátor Najjednoduchší je obvod tvorený cievkou a kondenzátorom – obvod LC (oscilačný obvod). Jeho parametre sú indukčnosť L a kapacita C. Kondenzátor nabijeme zo zdroja rovnosmerného napätia a potom ho pripojíme k cievke. V oscilačnom obvode vznikne elektromagnetické kmitanie, ktorého časový priebeh je možné sledovať na obrazovke osciloskopu.

Generátory signálu – sú obvody, vytvárajúce periodické priebehy signálu a sú z najzákladnejších elektronických obvodov. Pracujú na princípe generovania vstupného signálu na požadovanú moduláciu signálu pri výstupe. Dva typy generátorov signálu:

- Pilového priebehu (vrátane výstupu napäťových impulzov) - Sínusového a kosínusového priebehu (čo sú dva sínusové signály, vzájomne posunuté o 90°).

Princíp činnosti: Perióda generovaného signálu, t.j. spôsob generovania napäťového signálu na iné parametre výstupných signálov (amplitúdová modulácia, frekvenčná modulácia, fázové kľúčovanie, spínanie výstupného signálu). Vlastnosti: Pomocou generátorov sa dá teoreticky vytvoriť akýkoľvek periodický priebeh signálov. Sú ovládateľné. Generátory sú zložené z elektronických obvodov – funkčného meniča, ktorý umožňuje generovať napr. pilové, trojuholníkové, pravouhlé a harmonické kmity, amplitúdovo a frekvenčne modulované signály. Frekvenčný rozsah generovaných periodických signálov je v rozmedzí od desatín Hz až do desiatok MHz. Použitie: Elektrotechnika a laboratória – vývoj, meranie, servis alebo testovanie elektronických zariadení. Lekárstvo – priame budenie laserov, ultrazvukových vložiek.

24

18. Výroba a rozvod elektrickej energie. Konvenčné a alternatívne zdroje energie. Výroba elektrickej energie je vo všeobecnom vyjadrení premenou iného druhu energie na energiu elektrickú – výrobou sa zaoberá energetika. Na začiatku stál objav Voltovho článku v roku 1800, celé 19. storočie objavovalo elektrické zákony, dovŕšením bolo objavenie elektrónu v roku 1897. Výhody EE – elektrina „čistá“ energia, univerzálne použitie, jednoduchý rozvod a prenos napätí na diaľku. Nevýhody EE – viazanosť výroby a spotreby, neskladovateľnosť, výroba prevažne z neobnoviteľných zdrojov, premeny počas výroby znižujú celkovú účinnosť (el. topenie) Prvé elektrárne vznikli na prelome 19.a 20.storočia a šlo o jednoduché generátory napojené buď na parný stroj, alebo na vodné koleso, následne nahradené parnou turbínou a vodnou turbínou. Výroba EE premenou mechanickej energie prostredníctvom generátorov poháňaných turbínami z:

1. Prírodných zdrojov: Tepelné elektrárne – fungujú na princípe ohrevu pary, zaisťuje sa spaľovaním fosílnych palív, prípadne plynu alebo biomasy. Para poháňa pomocou parných turbín rýchlobežné synchrónne generátory, tie dodávajú el. výkon do trojfázovej striedavej sústavy. Jadrové elektrárne – potrebné teplo pre ohrev vody a jej premenu na paru sa ale získava štiepnou reakciou v jadrovom reaktore, a to buď štiepením uránu 235 alebo plutónia 239. Para poháňa pomocou parných turbín rýchlobežné synchrónne generátory, tie dodávajú el. výkon do trojfázovej striedavej sústavy. Geotermálne elektrárne – potrebná energia sa získava z energie zemského jadra – horúca tlaková voda z veľkej hĺbky. Solárne elektrárne – získavajú energiu zo slnečného žiarenia, ktoré premieňajú za využitím fotoelektrického javu vo fotoelektrických článkoch.

2. Kinetické energie: Veterné a vodné elektrárne Vodné (prietokové – preteká voda, akumulačné – priehrady, prečerpávacie – dve nádrže) – premieňajú potenciálnu energiu vody (resp. kinetickú) na mechanický výkon vodnej turbíny a pomocou pomalobežných generátorov (hydrogenerátor) vytvárajú elektrický výkon. Vodné turbíny: Francisova – pretlaková = vstupný tlak je vyšší ako výstupný (malé zmeny prítoku, spádu) Peltonova – rovnotlaková = veľký spád, malý prietok Kaplanova – pretlaková = obežné koleso tvaru lodnej šrúby (premenený tlak) Bánkiho = voda okolo preteká 2x (vysoká účinnosť, regulovateľná, ľahká konštrukcia) U nás hlavný podiel vo výrobe EE: tepelné elektrárne (66%), jadrové elektrárne (30%), vodné elektrárne (3,7%), veterné a ostatné elektrárne (menej ako 1%). Veterné – vietor roztočí veternú turbínu (vrtule), kinetická energia vetra sa mení na rotačnú mechanickú energiu rotora a tá je prostredníctvom generátora prevedená na EE. Nestálosť príkonu, hlučnosť. Rozvod EE – z miest jej výroby do miest jej spotreby (vedenie, rozvodne, rozvádzače, transformačné a meniace stanice, ochranné zariadenia). Rozvod EE je po celom území štátu (aj za hranice) uskutočňovaný zložitou prenosovou sústavou, v ktorej je striedavé napätie transformované na rôznu hodnotu. Hlavným článkom prenosovej sústavy sú elektrárne, z ktorých je elektrická energia ďalej rozvádzaná prostredníctvom elektrorozvodnej siete. Pre tento účel musí byť primárne napätie vhodne transformované transformátormi na rôzne vysoké napätia. Pre diaľkové rozvody väčších objemov EE sa používajú vedenia veľmi vysokého či vysokého napätia o napätí až stoviek kilovoltov. Miestne rozvody potom používajú napätie desiatok kilovoltov. Domáce rozvody potom používajú prevádzkové napätie rádovo stoviek voltov. Nevýhody – nákladné, zvod vedenia G – straty na vedení, korónne vedenie – výboj v okolí vodiča, skinefekt – prúd je vytlačovaný zo stredu na povrch vodiča. Jednosmerné vedenie: prepojenie sústav s rôznymi frekvenciami, regulácia prenášaného výkonu, nákladné. Konvenčné – obnoviteľné zdroje energie – je zdroj, v ktorého čerpaní sa dá pokračovať ďalšie tisícky rokov. Ľudstvo ich čerpá vo formách napr. slnečné žiarenie, veterné energie, vodné energie, energie prílivu, geotermálne energie, biomasy a ďalšie. Alternatívne zdroje energie – je zdroj, kde použitím dochádza k vyčerpávaniu energie. Jedná sa o zdroje energetických surovín, napr. ropa, uhlie, zemný plyn,...

25

19. Vznik indukovaného sínusového napätia – princíp, veličiny, využitie. Vznik indukovaného sínusového napätie:

Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie: Indukované napätie sa rovná časovej zmene indukčného toku, ktorý prechádza plochou, vymedzenou vodičom.

grafické znázornenie prúdu sínusového priebehu

Princíp priebehu striedavého napätia sínusového priebehu kde u je okamžitá hodnota napätí, U je amplitúda napätí, Ω je uhlová frekvencia daného napätia a φ je začiatočná fáza daného napätia. Veličiny Funkciou y = sin α alebo tiež i = Imax sin α alebo u = Umax sin α vytvoríme časovým rozvojom kruhového pohybu. Predstavte si bod, ktorý obieha po kružnici, Sínusový priebeh získame, ak znázorníme graficky hodnotu jeho ypsilonovej súradnice v závislosti na čase. Táto y súradnica je okamžitá hodnota napätia (prúdu), ktorá sa označuje u (i). Polomer kružnice alebo maximálna hodnota napätia (prúdu) – amplitúda sa značí Umax, Imax (alebo tiež Um, Im). Argument funkcie sínus, uhol α sa mení v závislosti na čase. Doba jedného obehu perióda T zodpovedá uhlu 2π rad. Zavedieme pojem uhlová frekvencia ω, ktorej jednotkou je radián. Radián je uhol, ktorého ramená vytínajú na jednotkovej kružnici opísanej z vrcholu uhlu oblúk dĺžky rovnajúci sa jednej. Uhol 360°= 2π (rad), 180° = π (rad), 90° = π/2 rad. 1rad. = 360/2π = 57° Platí ω = 2π/ T uhol α zodpovedá ωτ

vznik sínusového priebehu (w = w) Pôvodnú rovnicu i = Imax sin a upravíme na tvar i = Imax wt (u = Umax wt), kde wt je uhol v radiánoch. V prípade, že je začiatok sínusového kmitu posunutý o uhol j pred časovým začiatkom, bude mať vyššie uvedená rovnica tvar i(u) = Imax (Umax) . sin(wt + J), kde j je fázový posun. Využitie V kondenzátore – regulácia – ovládanie napätí V cievke – zdroj striedavých prúdov s rôznymi frekvenciami

26

20. Trojfázová sústava – charakteristika, veličiny, vznik točivého magnetického poľa. Systém prenosu elektrickej energie v silnoprúdových aplikáciách a premene elektrického výkonu na mechanický (elektrické pohony) a opačne (elektrárne) Charakteristika – tri rovnako veľké sínusové napätia s rovnakou frekvenciou, ktoré majú voči sebe vzájomný fázový posun 120°

Veličiny: Fázory veličín jednotlivých fáz a, b, c sú rovnako veľké a uhol medzi nimi je 120°a 240°. Časový priebeh napätí: ua (t) = Usin (ωt + a) ub (t) = Usin (ωt + a - 120°) uc (t) = Usin (ωt + a +120°)

priebeh napätí v troch fázach Vznik točivého magnetického poľa Točivé magnetické pole vzniká pri fázovom napätí kruhovo usporiadaného trojfázového vinutia. Každé vinutie vytvára striedavé magnetické pole, ktoré sa skladá do výsledného točivého magnetického poľa. V praxi sa často vytvára točivé magnetické pole pomocou troch cievok vzájomne natočených o 120°, ktoré sú napájané trojfázovým napätím, kedy je pri každej fáze fázor oneskorený o 120°, čo platí pre bežné domáce rozvody. Ak pripojíme stator s troma cievkami ku zdroju trojfázového napätia, vznikne v priestore medzi cievkami točivé magnetické pole. Jeho vznik je znázornený na animácii, fázy sa striedajú po 1/3 periódy:

a) Prvou cievkou prechádza najväčší prúd, ostatnými dvoma cievkami prechádzajú menšie prúdy. Preto je výsledné magnetické pole najsilnejšie v bezprostrednej blízkosti prvej cievky.

b) O 1/3 periódy neskôr prechádza najväčší prúd druhou cievkou a preto je najsilnejšie magnetické pole v jej blízkosti.

c) Po ďalšej 1/3 periódy prechádza najväčší prúd treťou cievkou a magnetické pole sa „presunie“ do jej blízkosti

Celý dej sa periodicky opakuje, magnetické pole sa vplyvom prúdov prechádzajúcich cievkami „posúva“ od jednej cievky statora k druhej – otáča sa o 360°. Točivé magnetické pole sa využíva v elektrárňach a hlavne v asynchrónnych trojfázových elektromotoroch.

27

21. Transformátory – konštrukcia, princíp činnosti, vlastnosti, využitie. Transformátor Transformátor sa skladá z dvoch (prípadne viacerých) cievok (nazývaných vinutie) umiestnených tak, aby bola medzi nimi čo najväčšia vzájomná magnetická väzba. Kvôli zvýšeniu magnetickej väzby sa takmer vždy používa feromagnetické jadro, a často sú cievky navinuté jedna na druhej na spoločnej kostričke (vtedy sa podľa potreby rieši aj ich vzájomná elektrická izolácia dodatočnou izolačnou vrstvou). Transformátory pripájané na elektrickú rozvodnú sieť majú kvôli bezpečnosti vinutia ešte dodatočne prekryté ďalšou izolačnou vrstvou, prípadne sú zaliate do vhodnej zalievacej hmoty. Cievka, ktorá je pripojená na zdroj napätia je nazývaná primárne vinutie, ostatné cievky sú nazývané sekundárne vinutie (vinutia). Vinutia majú niekedy vyvedené aj niektoré nekoncové body, ktoré sa nazývajú odbočky. Analogicky k cievkam, napätie na primárnom/sekundárnom vinutí sa nazýva primárne/sekundárne napätie. Ak primárne napätie je väčšie ako sekundárne, hovorí sa o transformácii nadol, inak o transformácii nahor; pomer medzi primárnym a sekundárnym napätím sa nazýva transformačný pomer - tento závisí najmä od pomeru počtu závitov jednotlivých vinutí.

p = U1/U2 = N1/N2 = I2/I1

Schéma zapojenia Vinutie transformátora sa zahrieva prechodom elektrického prúdu (pasívny odpor), vírivými magnetickými prúdmi sa zahrieva aj jadro transformátora. Výkonné transformátory sa preto musia chladiť. Chladenie je alebo priame, kedy chladiace médium cirkuluje okolo cievky transformátora, alebo nepriame, keď je cievka od média oddelená. Obeh chladiva môže byť prirodzený, alebo nútený. Druhy používaných chladív:

• vzduch pasívne, alebo ventilátorom • olej • voda • iná nehorľavá kvapalina • inertný plyn

Impregnácia Transformátor sa impregnuje buď ako celok, alebo jeho jednotlivé časti - cievka a jadro. Dôvodom impregnácie je:

• Cievka o zvýšenie napäťovej odolnosti (odolnosť proti prierazu vo vinutí cievky) o zlepšenie odvodu tepla z vnútrajšku cievky o zlepšená mechanická a chemická odolnosť vinutia

• Jadro o zníženie „zvukových“ efektov (známe vrčanie transformátora z neónového osvetlenia) o zlepšenie chemickej a mechanickej odolnosti jadra o zvýšenie kompaktnosti

28

Transformátory sa napúšťajú olejom, voskami, niekedy tiež syntetickými farbami, špeciálnou zalievacou hmotou resp. sa ako celok zalievajú do plastu. Špeciálne transformátory Autotransformátor

Ide vlastne len o jedinú cievku s odbočkou. Autotransformátor nezabezpečuje galvanické (a tým ani bezpečnostné) oddelenie! Autotransformátory sa využívajú napr. v regulovaných zdrojoch striedavého napätia, v zapaľovacích cievkach automobilov, ako transformátory trakčného napätia v elektrických lokomotívach, pretože majú pri rovnakom prenášanom výkone nižšiu hmotnosť ako transformátory s oddelenými vinutiami. Merací transformátor Transformátor s viacerými odbočkami zo sekundárneho vinutia, medzi ktorými sa prepína, aby sa získalo rôzne výstupné napätie. Často býva konštruovaný na toroidnom jadre, sekundárne vinutie má potom jednu stranu odizolovanú a pohybuje sa po ňom bežec, plynulo prepínajúci „odbočky“ vinutia po jednom závite. Regulačný transformátor sa často konštruuje ako autotransformátor. Regulačné autotransformátory sa často využívajú v laboratórnych zdrojoch regulovaného napätia.

Oddeľovací (izolačný) transformátor Izolačný transformátor je sieťový transformátor s transformačným pomerom 1:1. Používa sa na:

• ochranu proti elektrickému úrazu dotykom živej časti (ako bezpečnostný prvok, napr. v laboratóriách, kde sa pracuje s odkrytovanými elektrickými spotrebičmi)

• obmedzenie unikajúcich prúdov Signálový transformátor Transformátor na prenos analógových alebo digitálnych signálov. Typickým príkladom sú mikrofónne transformátory na impedančné prispôsobenie signálu z mikrofónu k vstupu zosilňovača, alebo výstupné transformátory nízkofrekvenčných zosilňovačov . Používajú sa aj v prípade potreby galvanického oddelenia signálových obvodov. Vysokofrekvenčný transformátor Signálový transformátor na prenos vysokofrekvenčného (vf) signálu. Využíva sa napr. vo vstupných obvodoch rozhlasových a TV prijímačov na oddelenie a impedančné prispôsobenie jednotlivých zosilňovacích stupňov. Vinutia vf transformátora sú zvyčajne tvorené len niekoľko málo závitmi, navinutými na feritovom jadierku. Primárne aj sekundárne vinutie zvyčajne tvorí indukčnosť rezonančného obvodu LC, naladeného na stred prenášaného pásma.

29

22. Asynchrónne elektromotory - konštrukcia, princíp činnosti, vlastnosti, využitie. Asynchrónny stroj je druh točivého elektrického stroja na striedavý prúd bez komutátora, pri ktorom je ustálená otáčavá rýchlosť rotora odlišná od rýchlosti otáčania otáčavého magnetického poľa statora, teda asynchrónna. Patrí medzi tzv. indukčné stroje. Konštrukcia Stator je konštrukčne rovnaký ako stator synchrónneho stroja, rovnaké je aj vinutie statora. Rotor (kotva) je zložený z izolovaných plechov. Je drážkovaný po celom obvode, pričom v drážkach je vložené trojfázové rotorové vinutie, ktoré je v prevádzke spojené nakrátko (skratované). Ďalšou možnosťou konštrukcie rotora je klietka (obrázok), ide o viacfázové prevedenie rotorového vinutia, trvalo spojeného nakrátko:

Ilustrácia kotvy nakrátko 1. Hriadeľ 2. Klietka 3. Výstuha (zobrazená len časť) 4. Fixovacie drážky Paralelne k hriadelu (1) je klietka (2). Táto a z medi alebo hliníka, ktorá sama o sebe je príliš poddajná nato, aby preniesla krútiaci moment stroja. Preto sa ešte vystužuje lamelami (3) z ocele legovanej kremíkom, ktorá má menšiu vodivosť a oveľa menšie vírivé prúdy. Okrem toho homogenizuje indukované magnetické pole a legovaná oceľ má navyše vhodné mechanické vlastnosti. Tyče majú na prvom obrázku axiálnu odchýlku 0° (axiálne), ale pre lepšiu šumovú charakteristiku točivého pola sa v súčasnosti mierne stáčajú (cca 5°, zhruba ako na vrtáku), pozri druhý obrázok. Toto tiež uľahčuje výrobu, pretože tyče netreba nalisovať kvôli tomu, že výstuže majú väčšie diery a tyče stačí voľne nasunúť a skrútením sa zafixujú. Potom sa skrútená vystužená klietka za pomoci lisu navlečie na hriadeľ. Princíp činnosti Statorové vinutie, napájané z trojfázovej siete, vytvorí vo vŕtaní stroja otáčavé magnetické pole so synchrónnou frekvenciou otáčania. Vo vinutí rotora, ktorý sa nachádza v tomto poli, sa indukuje elektrické napätie. Keďže je obvod rotora uzatvorený, preteká vodičmi vinutia rotora prúd. Magnetické pole statora pôsobí na tyče rotora (klietky) silou, ktorá vytvorí mechanický krútiaci moment na hriadeli stroja. Silové pôsobenie poľa na vinutie rotora s indukovaným prúdom závisí na veľkosti zmeny magnetického toku viazaného vinutím. Táto zmena magnetického toku je nenulová len pri rozdielnych otáčkach poľa statora a rotora. Preto asynchrónny motor nedosahuje synchrónne otáčky, teda pracuje v podsynchrónnej oblasti. Asynchrónny generátor generuje elektrický výkon až v nadsynchrónnej oblasti otáčok. Osobitosti vyhotovenia Stroje s vinutým rotorom (trojfázové) majú toto vinutie pripojené na tri krúžky a pomocou kief vyvedené na svorkovnicu stroja. Tu je pripojený rotorový spúšťač, ktorý sa využíva pri nábehu na zvýšenie záberového momentu stroja a obmedzenie záberového prúdu. Takto sú konštruované prevažne stroje s vyšším výkonom. Niektoré klietkové stroje majú klietku odliatu z hliníka a na oboch koncoch rotora spojené hliníkovými kruhmi. Keďže rotorový obvod nie je zvonku prístupný, funkciu rotorového spúšťača spĺňa špeciálne tvarovaná klietka (využíva sa jav nazývaný skinefekt). Ide o stroje s nižším výkonom. Jednofázové stroje majú namiesto trojfázového statorového vinutia len jednofázové. Takéto vinutie nevytvára otáčavé magnetické pole, nedokáže stroj rozbehnúť, ale pri behu vytvára krútiaci moment a

30

dokáže udržať stroj v chode. Preto sa na rozbeh požíva pomocné statorové vinutie v sérií zapojené s rozbehovým kondenzátorom. Po nábehu stroja je toto vinutie odpojené. Používajú sa len jednofázové motory. Ich rotor je výhradne klietkový. Takto sú konštruované všetky asynchrónne motory určené pre pripojenie na jednofázový rozvod elektrickej energie. Regulácia Hlavný regulačný parameter je frekvencia napájacej siete, pomocou ktorej je možné regulovať otáčky stroja v širokom rozmedzí, pričom sa negatívne neovplyvňuje účinnosť motora (tvrdá bezstratová regulácia). Regulátorom frekvencie je napr. frekvenčný menič. Ďalší spôsob regulácie otáčok stroja je zaradenie prídavných rezistorov do rotorového obvodu. Ide o stratovú reguláciu, pretože sa zníži výkon stroja, navyše je realizovateľná len u strojov s vinutým rotorom. Výhodné je tzv. vektorové riadenie točivého magnetického poľa. Spolu s použitím vhodnej prevodovky (zosadenia) sa dá takto realizovať servomotor pre extrémne podmienky. S meraním uhla natočenia dokonca vysokovýkonný emulovaný krokový motor (EMUSTEP). Základná a veľmi dobrá vlastnosť je, že asynchrónny stroj môže byť zaťažovaný pre veľký rozptyl momentu pri malom rozdieli otáčok. Použitie Asynchrónne stroje sa využívajú hlavne ako pohonné motory v priemyselnej výrobe. Ďalej sú to takmer všetky motory pre jednofázovú sieť, teda elektrické pohony domácich spotrebičov (chladnička, práčka…). Indukčné stroje v generátorickej prevádzke sa používajú ako generátory vo veterných elektrárňach.

31

23. Synchrónne stroje - konštrukcia, princíp činnosti, vlastnosti, využitie. U týchto točivých strojov má rotor aj stator rovnaké synchrónne otáčky. Statorové vinutie je podobné ako u ASM. Rotorové vinutie je však napájané jednosmerným budiacim prúdom. Rozdelenie synchrónnych strojov podľa účelu: a) Alternátory (turbo, hydro) – sú to synchrónne generátory, ktoré slúžia na výrobu striedavého napätia a prúdu. b) synchrónne motory – slúžia na premenu el. energie na mechanickú pri stálych synchrónnych otáčkach. c) synchrónne kompenzátory – pracujú ako synchrónne motory v stave naprázdno a podľa nastavenej hodnoty budiaceho prúdu, sú schopné do siete dodávať jalový výkon, čím kompenzujú účinník - cos φ. BUDENIE SYNCHRÓNNEHO STROJA Každý synchrónny stroj potrebuje budenie a preto je rotor napájaný budiacim prúdom. Tento prúd sa privádza z budiča, čo môže byť malé dynamo z ktorého sa následne napája rotorové vinutie. Ďalším riešením je získanie budiaceho prúdu z výkonových usmerňovačov, pričom prúd do rotora privádza cez krúžky, kartáče. Najlacnejšia varianta je však taká, že najskôr sa motor rozbehne ako asynchrónny a následne sa prepínačom prepne do synchrónneho stavu.

ČINNOSŤ SYNCHRÓNNEHO ALTERNÁTORA:

Budiace vinutie je napájané cez krúžky budiacim prúdom, ktoré vytvorí magnetické pole. Rotor roztočíme (hydro, turbo, spaľovací motor), čím sa roztočí i magnetické pole statora, ktoré naindukuje v jeho závitoch napätie. Toto výstupné napätie je úmerné otáčkam a magnetickému toku. Medzi frekvenciou otáčok a počtom pólov platí: n = 60.f/p Pokiaľ sa zaoberáme hydro, turbo alternátormi, tak je nutné dodržať frekvenciu vyrábaného prúdu a otáčok turbíny – konštantné. ČINNOSŤ SYNCHRÓNNEHO MOTORA: Statorové trojfázové vinutie je pripojené na trojfázovú sieť, pričom trojfázový prúd vyvolá točivé magnetické pole podobne ako u asynchrónneho motora ( ns = 60 . f / P ).

Synchrónny motor sa však nerozbehne sám od seba. Rotor sa najskôr musí cudzím pričinením roztočiť až na synchrónne otáčky a až potom je možné, aby sa uviedol do synchronyzmu – zachytil sa magnetického poľa statora. Následne sa motor točí synchrónnymi otáčkami, pretože je neustále budený. Keď takýto motor zaťažíme, tak nastáva mierne zaostávanie magnetického poľa rotora za magnetickým poľom statora (zhruba ¼ otáčok, max 90º ). Rozbeh synchrónneho motora sa v praxi najčastejšie realizuje pomocou špeciálnych častí rotora, ktorá v čase rozbehu plní funkciu ASM s kotvou nakrátko. Ako náhle sa motor rozbehne na asynchrónne otáčky, tak sa vplyvom budiaceho prúdu dostane do synchronyzmu. Ak sa synchrónny motor nadmerne zaťaží, tak ´v́ypadne zo synchronyzmu“ zastaví sa. V takom prípade je motor treba odpojiť od siete, aby nedošlo k poškodeniu vinutia a pokiaľ ho chceme opätovne zapnúť, zapneme spínač. Tieto motory sa konštruujú pre rôzne výkony, ale hospodárnosť sa prejaví až pri 100 KW a vyšších. Používajú sa všade tam, kde treba zabezpečiť stále otáčky pri zmene zaťaženia – napr. ako pohony kompresorov, ako generátory striedavého U a I, taktiež ako pohony jednosmerných valcových stolíc atď.

32

24. Jednosmerné elektromotory - konštrukcia, princíp činnosti, vlastnosti, využitie. Rozdelenie: – dynamá – generátory ( = I , = U ) – jednosmerné motory ( opak dynám ) Každý stroj môže pracovať ako dynamo aj motor, medzi motorom a dynamom niet základného konštantného rozdielu. Konštrukcia jednosmerného stroja 1. Stator – skladá sa z kostry, pólov a pólových nadstavcov a budiacich cievok. 2. Kostra – u menších strojov býva zo zliatiny, u väčších z valcovej ocele je súčasťou magnetického obvodu. 3. Póly – väčšinou oceľové, u menších strojov nedelené, u väčších zložených z plechov s pólovými nadstavcami. Polarita pólov sa po obvode strieda. Sú napájané → I, obyčajne z vlastného komutátora, spojené sú do série a to tak, aby sa nimi vytvorené magnetické pole striedalo. 4. Rotor – Skladá sa z magnetického obvodu, z medeného vinutia a komutátora so zberacím mechanizmom Magnetický obvod – dynamové plechy hrúbky 0,35 ; 0,5 mm, ktoré sú zlisované do rotorového zväzku. V týchto plechoch sú vyfrézované drážky pre uloženie vinutia. Vinutie – najčastejšie býva uložené v dvoch vrstvách, pričom podľa spôsobu pripojenia koncov vinutia na lamelu rozlišujeme slučkové a vlnové. Komutátor – je to vlastne mechanický usmerňovač. Tvorí ho sústava medených lamiel oddelených od seba sľudovou izoláciou. Ku komutátoru patrí aj zberací mechanizmus a uhlíky. Jednosmerné motory Ich výhodou je, že majú jednoduchú reguláciu otáčok v širokom rozsahu. Ďalšou výhodou je záberový moment umožňujúci ich spúšťanie pri záťaži. Pre tieto motory platí, že otáčky je možné meniť zmenou budiaceho prúdu – Ib, alebo zmenou napájacieho napätia. N ~ U / Ib Činnosť jednosmerného motora je založená na silovom pôsobení magnetického poľa na prúdovodič. Magnetické pole je vytvorené pomocou budiacich cievok, ktoré sú napájané z jednosmerného napäťového zdroja. Pretože závity vinutia rotora sa nachádzajú v poli budiacich cievok, preto budú z neho vytláčané, čím sa začne rotor otáčať – vzniká točivý moment. Podľa zapojenia budiacich cievok k rotoru rozoznávame: a, derivačné motory – paralelné zapojenie budiacich cievok (pohony obrábacích strojov, výťahy, čerpadlá) b, sériový motor – v automobiloch sa využíva – štartéry Pri malom zaťažení otáčky stúpajú, pri veľkom klesajú. Tento motor nesmie pracovať v stave naprázdno, lebo jeho otáčky by nebezpečne stúpli a v dôsledku veľkých odstredivých síl mohol rozletieť, preto má vždy pripojenú záťaž na kotvu ( napr. spúšťač - štartér má ako záťaž zotrvačník ).

33

25. Jednofázové usmerňovače - zapojenie, princíp činnosti, vlastnosti, využitie. - sú to meniče striedavej zložky U a I na jednosmerné zložky U a I. K usmerneniu sa využívajú usmerňovacie diódy ( napr. KY 130/80, KY 708 …), ktoré sú zapojené tak, aby sa dosiahla požadovaná výstupná kvalita jednosmerných zložiek tzn. „vyhľadenosť “ priebehu. Usmerňovače môžeme rozdeliť podľa nasledovných kritérií: a1) jednocestné – usmerňujú iba jednu polovlnu vstupného priebehu b1) dvojcestné – usmerňujú obidve polovlny vstupného priebehu a2) riadené – pri usmernení sú použité i tyristory b2) neriadené – pri usmernení sú použité iba diódy a3) jednofázové – ide napr. o klasické sieťové napájacie zdroje ( dobíjacie zdroje do mobilov, walkman, TV..) b3) viacfázové – využitie najmä v pohonoch, resp. generátoroch ( napr. alternátorové hlavné - usmerňovacie diódy ) Usmerňovač je elektrické zariadenie, ktoré sa používa na premenu striedavého napätia (striedavého elektrického prúdu) na jednosmerné napätie (jednosmerný elektrický prúd). Opakom usmerňovača je menič (striedač). Väčšina elektronických zariadení potrebuje pre svoju činnosť jednosmerné napätie, pre distribúciu elektrickej energie je zasa výhodnejšie používať striedavé napätie (hlavne pre jednoduché zvyšovanie / znižovanie napätia transformáciou). Usmerňovače sa tiež používajú v napájacích sústavách (trakciách) elektrických trakčných vozidiel (lokomotíva, električka, trolejbus, metro ...), z dôvodu jednoduchšieho riešenia pohonu na jednosmerné napätie. V súčasnosti sa takmer výhradne používajú polovodičové usmerňovače na báze kremíka, ktorými boli ostatné zariadenia prakticky vytlačené, i keď nie je vylúčené že vzniknú nové usmerňovacie technológie napr. na báze prechodu silikón-karbid. podľa princípu

• polovodičový (kremíkový, germániový, galenitový a pod.) • elektrónkový • stykový: selénový, kuproxidový (oxid meďný) • ortuťový • motorgenerátor (spojenie elektromotora a dynama (tiež Ward-Leonardov stroj).

podľa spôsobu usmernenia • jednocestný usmerňovač • dvojcestný usmerňovač • mostíkový (Graetzov) usmerňovač

podľa princípu činnosti • neriadený usmerňovač (diódový) • riadený usmerňovač (tyristorový, poloriadený, resp. plne riadený) • aktívny usmerňovač (na báze IGBT tranzistorov)

Nevýhodou klasických diódových (tyristorových) usmerňovačov je skreslený nesínusový priebeh prúdu. Túto nevýhodu rieši aktívny usmerňovač. Aktívne usmerňovače sú elektronické zariadenia využívajúce pulznú šírkovú moduláciu, majú však v porovnaní s klasickými usmerňovačmi vyššie straty a vyššie hodnoty usmerneného napätia. Výhodou je, že umožňujú rekuperáciu. z hľadiska napájacej siete

• jednofázové (jednocestný, dvojcestný) • dvojfázové • trojfázové (šesťpulzné alebo dvanásťpulzné) • štvorfázové