Základy elektrotechniky

1. Základy elektrotechniky

2. Základní elektrické veličinyPROUD Francouzský fyzik, po kterém je veličina pojmenována: André-Maria Ampère. • Značka: I • Jednotka: ampér [A] • Měří se: ampérmetrem • Vysvětlení: • Elektrický proud je uspořádaný pohyb volných částic s elektrickým nábojem.

3. Základní elektrické veličinyNAPĚTÍ Italský fyzik Alessandro Volta, po kterém je pojmenována tato veličina. • Značka: U • Jednotka: volt [V] • Měří se: voltmetrem • Vysvětlení: • Elektrické napětí je určeno jako práce vykonaná elektrickými silami při přemísťování kladného jednotkového náboje mezi dvěma body v prostoru nebo jako rozdíl elektrických potenciálů ve dvou bodech prostoru.

4. Základní elektrické veličinyNÁBOJ Francouzský fyzik, po kterém je veličina pojmenována: Charles-Augustin de Coulomb. • Značka: Q • Jednotka: coulomb [C] • Měří se: elektrometrem • Vysvětlení: • Elektrický náboj je fyzikální veličina charakterizující elektricky nabitá tělesa, popřípadě částice vytvářející ve svém okolí elektrické pole (dva druhy: kladný – proton + záporný – elektron - ).

5. Elektrické proudové pole • je silové pole, v němž na tělesa nebo částice s elektrickým nábojem působí elektrické síla • elektrické pole existuje kolem každého elektricky nabitého tělesa nebo částice s elektrickým nábojem

6. Elektrické statické pole • vzniká mezi kladně a záporně nabitými elektrodami

7. Poměrové veličiny elektrického poleINTENZITA EL. POLE • Značka: E • Jednotka: volt na metr [V/m] • Vysvětlení: • Intenzita elektrického pole je rovna elektrické síle působící na kladný jednotkový elektrický náboj Q = 1C. • Vzorec: E = U/l • E = intenzita elektrického pole • U = napětí • l = vzdálenost mezi elektrodami • Vektorová veličina, charakterizuje el. pole v daném bodě.

8. Poměrové veličiny elektrického poleINTENZITA EL. POLE Podle dohody je směr siločar od kladně nabitého tělesa k záporně nabitému tělesu. Směr intenzity elektrického pole je určen směrem elektrické síly, která působí na kladný elektrický náboj vložený do elektrické pole -> k názorné představě se používají siločáry (určují směr intenzity)

9. Poměrové veličiny elektrického polePROUDOVÁ HUSTOTA • Značka: σ (J) • Jednotka: ampér na (mili)metr čtverečný [A/(m)m2] • Vysvětlení: • Proudová hustota je poměr proudu a průřezu vodiče. • Vzorec: σ = I/S • σ = sigma = proudová hustota • I = proud • S = průřez vodiče

10. Poměrové veličiny elektrického poleELEKTRICKÝ ODPOR Rezistory Německý fyzik Georg Simon Ohm, po kterém je veličina pojmenována • Značka: R • Jednotka: ohm [Ω] • Měří se: ohmmetrem • Vysvětlení: • Elektrický odpor vodiče R při dané teplotě závisí na jeho délce I, kolmém průřezu S a na použitém materiálu, ze kterého je vodič vyroben.

11. Poměrové veličiny elektrického pole MĚRNÝ ELEKTRICKÝ ODPOR • Měrný elektrický odpor ρ neboli rezistivita je veličina charakterizující materiál vodiče. Závislost elektrického odporu vodiče na jeho délce l, průřezu S a rezistivitě materiálu vodiče vyjadřuje: • vzorec: R = ρ*l/S • R = elektrický odpor • ρ = ró = měrný el. odpor (závisí na materiálu vodiče) • l = délka vodiče • S = průřez vodiče

12. Poměrové veličiny elektrického pole ELEKTRICKÝ ODPOR • Elektrický odpor kovových vodičů závisí také na teplotě, s rostoucí teplotou roste. • Tato závislost je lineární a je dána: • vzorcem: RT = R0 + R0 . α . ΔT • RT = odpor při teplotě T • R0 = odpor při výchozí teplotě • α – teplotní koeficient odporu • ΔT ( T - T0 ) teplotní rozdíl

13. Rezistivita a teplotní koeficient odporu u některých kovů

14. Elektrický odpor polovodičů • Elektrický odpor polovodičů se vzrůstající teplotou nelineárně klesá

15. Poměrové veličiny elektrického pole ELEKTRICKÁ VODIVOST Značka: G Jednotka: siemens [S] Popisuje schopnost dobře vést elektrický proud. Udává velikost proudu procházejícího vodičem při jednotkovém napětí na jeho koncích. Vzorec: G = 1 / R (převrácená hodnota R) Další vztahy: G = G1 + G2 + G3 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 Čím větší je vodivost, tím silnější elektrický proud prochází vodičem při stejném napětí. Dobrý vodič má vysokou hodnotu vodivosti, špatný vodič má nízkou hodnotu vodivosti.

16. SUPRAVODIVOST Supravodivost je jev, při kterém klesá měrný elektrický odpor látky prakticky na nulovou hodnotu. Objevuje se při velmi nízkých teplotách asi 10 K (zhruba -263 °C) a při hustotách elektrického proudu menších, než je tzv. kritická hustota proudu supravodiče. Supravodič je látka, u které byly pozorovány supravodivé vlastnosti. Pokud vytvoříme v supravodivém prstenci proud, bude jím procházet beze změny stále, aniž by jej bylo potřeba udržovat elektrickým zdrojem.

17. Vlastnosti proudového pole – OHMŮV ZÁKON Vysvětlení: „Proud procházející elektrickým vodičem je při stálém odporu přímo úměrný napětí mezi konci vodiče. Je-li napětí na koncích vodiče stálé, je proud nepřímo úměrný odporu vodiče.“ Vzorec: I = U/R U = R . I

18. VA charakteristika rezistoru

19. Vlastnosti proudového pole – KIRCHHOFFOVY ZÁKONY Kirchhoffovy zákony vznikly jako zobecnění výsledků, ke kterým došel Georg Ohm. Byly pojmenovány podle svého objevitele GUSTAVA ROBERTA KIRCHHOFFA. Poprvé je popsal v roce 1845. První se týká proudů a uzlů, druhý napětí a smyček.

20. Vlastnosti proudového pole – 1. KIRCHHOFFŮV ZÁKON Algebraický součet proudů v uzlu je roven nule (n = počet větví v uzlu).

21. Vlastnosti proudového pole – 1. KIRCHHOFFŮV ZÁKON • Neboli: „Součet proudů vstupujících do uzlu se rovná součtu proudů z uzlu vystupujících.“ • První Kirchhoffův zákon je důsledkem zákona zachování elektrického náboje: v uzlu náboj nevzniká, nehromadí se, ani se neztrácí. • Proudy do uzlu vstupující označujeme kladně, z uzlu vystupující záporně.

22. Vlastnosti proudového pole – 2. KIRCHHOFFŮV ZÁKON Součet úbytků napětí na rezistorech (součinů I.R) je v uzavřené smyčce roven součtu elektromotorických napětí zdrojů.

23. Vlastnosti proudového pole – 2. KIRCHHOFFŮV ZÁKON • Neboli: Algebraický součet napětí ve smyčce je roven nule. U1 – UR2 + U2 – UR1 – UR3 = 0

24. Aplikace Kirchhoffových zákonů- typy zapojení elektrotechnických součástek v elektrickém obvodu • Sériové • tzn. za sebou • V celém obvodu je stejný proud

25. Aplikace Kirchhoffových zákonů- typy zapojení ODPORŮ v el. obvodu Pro dva rezistory: R1 * R2 R1 + R2 R = Paralelní • tzn. vedle sebe • V celém obvodu je stejné napětí

26. VÝKON elektrického proudu Skotský inženýr James Watt Značka: P Jednotka: watt (W) Měří se: wattmetrem Vysvětlení: Vyjadřuje vykonanou elektrickou práci za jednotku času. Vzorec: P = U * I Další vztahy: P = U2 / R P = R*I2

27. VÝKON elektrického proudu 5V logika U2 = 25 3,5 V U2 = 12,25 P3,5V = ½ P5V V dnešní době čím dál výkonnější procesory: PZ> 100W Hodně ztrátového výkonu, což je výkon, který se jen přemění na teplo a nevykoná práci, je potřeba procesor chladit Možné řešení: snižování napájecího napětí

28. Elektrická ENERGIE (práce) • Značka W • Jednotka joule [J, Ws], watthodina [Wh] (častější kWh – 3 600 000Ws) • Je to schopnost elektromagnetického pole konat elektrickou práci. • Čím větší energii má elektromagnetické pole, tím více elektrické práce může vykonat. • Vzorec: W = U*I*t [Ws] • Často se využívají zejména u přenosných zařízení úsporné režimy pro delší výdrž. Anglický fyzik James Prescott Joule

29. STAVEBNÍ PRVKY ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ • dělení na pasivní a aktivní prvky: • pasivní • spotřebovává proud – potřebují zdroj napájení • př. v el. obvodech rezistor, kondenzátor, cívka (R,C,L) • aktivní • vydává signál / dává proud, ne jen spotřebovává • př. v el. obvodech dioda, tranzistor

30. KONDENZÁTOR • Deskový kondenzátor je tvořen dvěma rovnoběžnými deskami o obsahu plochy S ve vzájemné vzdálenosti d, oddělené dielektriekem o permitivitě ε. • Kapacitu lze zvětšovat použitím dielektrika s vysokou permitivitou mezi deskami kondenzátoru, zvětšováním účinné plochy desek nebo jejich přibližováním. • Kondenzátor akumuluje elektrický náboj, přičemž se uplatňují pouze ty části desek, které se překrývají. • Nevede stejnosměrný proud • Střídavý proud vede v závislosti na kmitočtu • Čím vyšší kmitočet, tím lépe vede • Nelineární závislost

31. KAPACITA kondenzátoru Anglický chemik a fyzik Michael Faraday. • Značka: C • Jednotka farad [F] • Vzorec: C = ε*S/l • ε – permitivita • l – vzdálenost desek • Vysvětlivky: • Permitivita = měrná dielektrická vodivost, dána prostředím/materiálem • Dielektrikum (jinak izolant, nevodič) = látka, která nemá volné elektrony ani jiné volné částice s nábojem, jež by mohly zprostředkovat vedení proudu.

32. Elektrická ENERGIE kondenzátoru • Má schopnost akumulovat energii v podobě elektrostatického pole • Energie akumulovaná v kondenzátoru: W = C*U2/2 [Ws] • U = konečné napětí mezi deskami • C = kapacita kondenzátoru • W = elektrické energii kondenzátoru • Lze ji spočítat tím, že postupně přenášíme nepatrný náboj dQ z jedné desky na druhou, přičemž práce potřebná na přenesení náboje dQ z jedné desky na druhou bude dW = u.dQ, kde u je okamžité napětí mezi deskami. Přenesený náboj se postupně zvyšuje, a tím narůstá i napětí u mezi deskami. Protože Q = C.u, platí pak dQ = C.du a po dosazení obdržíme dW = C.u.du. Celkovou práci pak vypočteme pod výše uvedeného vzorce.

33. Typy zapojení KONDENZÁTORŮ • Sériové • tzn. za sebou • Paralelní • tzn. vedle sebe • Je to naopak než při řazení rezistorů

34. CÍVKA k vytvoření magnetického pole elektrickýmproudem, k indukci vodič navinutý na izolační kostru, samonosný bez kostry zvýšení indukčnosti zapojením do série využití: např. jako elektromagnet (zvonek, reproduktor, jeřáb, elektromotor), transformátor značky:

35. CÍVKA solenoid toroid detail toroid • Druhy (podle vzhledu) • solenoid - velmi dlouhá cívka,  • toroid - cívka stočená do kruhu. • (podle frekvence střídavého proudu) • nízkofrekvenční cívky • vysokofrekvenční cívky

36. CÍVKA - VÝPOČTY • Velmi často empirické výpočty • Indukčnost cívky: L=N2*d*k • L = indukčnost • N = počet závitů cívky • d = průměr vinutí v cm • k = činitel

37. Polovodičová dioda Symbol pro diodu • používáme polovodičové součástky typu P (anoda) a N (katoda) • chování jako hradlo – umožňují průchod proudu jen jedním směrem • nejjednodušší příklad P-N přechodu dioda

38. VA charakteristika polovodičové diody

39. TRANZISTOR unipolární • řízen napětím • druhy JFET a MOSFET a další • malé rozměry • malá výkonová spotřeba • Integrované obvody velkého stupně integrace

40. bipolární • dvojpólový – 3 elektrody: emitor, báze, kolektor • řízen proudem • PNP xNPN • Analogové IO, číslicové IO nízké integrace Když má báze větší napětí než emitor, proud teče C → E Když má báze nižší napětí než emitor, proud teče E → C

41. TRANZISTOR - bipolární Ucc Ik U2 Ik = β * Ib U1 Ib 0 U2 = K * U1

42. TRANZISTOR – STAVY TRANZISTORU • ve spínacích obvodech jen ve dvou stavech: • rozepnut (nevodivý) • sepnut (proud teče) • toto řešení se používá kvůli jednoduché technické realizaci • stav vysoké impedance • Obvod se tváří se jako odpojený proudový zesilovací činitel je to aktivní prvek z hlediska signálu, jinak je pasivní Spojitý nebo spínací režim činnosti V počítači dvoustavový – rozepnut x sepnut

43. KLOPNÝ OBVOD Uc Q Q RES SET Ik= 1mA, P= 5V * 1mA = 5mW

44. KLOPNÉ OBVODY • druhy: • astabilní • monostabilní • bistabilní • paměťový prvek 1 bitu (stavu) • základní stavební prvek pro registry

45. NAND TTL Ucc Q X1 X2 X3 X1 or X2 or X3 = 0 pak Q=1

46. OTEVŘENÝ KOLEKTOR Ucc X1 X2 X3 • pro realizaci sběrnice

47. FYZICKÉ PARAMETRY LOGICKÝCH OBVODŮ vstup • zpoždění členu • deformace hran signálu výstup tp C1 C2

48. KLOPNÉ OBVODY A & A • nepoužité vstupy spojit se sousedem F=A * B & B B & = A + B • výstupy logických obvodů nesmíme vzájemně spojit uzlem, musí tam být nějaký logický prvek • př. na VÝS1 1 • na VÝS2 0 } co bude na výstupu dohromady? → proto musíme použít prvek

49. INTEGROVANÉ OBVODY spojení (integrace) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci Tranzistory, rezistory, diody, (kondenzátory)

50. SHRNUTÍ Obsah přednášky: • elektrické proudové pole • elektrické veličiny • fyzikální zákony pro proudové pole • prvky elektrických obvodů KONEC