1E - Elektronický obvod

Vhodným spojením elektronických součástek tak, aby po připojení zdroje elektrické energie mohl součástkami procházet elektrický proud, vzniká elektronický obvod. Ten může být sestaven ze samostatných (diskrétních) součástek, nebo může být vyroben vhodnou technologií jako jeden celek (integrovaný obvod /IO/).

Uzavřený elektrický obvod musí obsahovat tři základní prvky:

• Zdroj
• Spotřebič
• Vodiče

Obvodové veličiny

Jsou to veličiny, které se vyskytují v jednotlivých částech obvodu. Můžeme jejich velikost určit pomocí výpočtu, nebo měřením, můžeme určit i jejich smysl (směr průchodu proudu nebo polaritu napětí).

Do schématu můžeme zaznamenat námi předpokládaný směr šipkou. 

Napětí

Napětí v obvodu značíme otevřenou šipkou směřující od místa s vyšším potenciálem do místa s nižším potenciálem (od plusu k mínusu).  Napětí značíme U a má jednotku volt [V].

Napětí měříme pomocí voltmetrů (V-metr). Ty se do obvodu připojují paralelně k měřené součástce. 

Proud

Proud v obvodu značíme uzavřenou šipkou směřující od místa s vyšším potenciálem do místa s potenciálem nižším (od plusu k mínusu). Proud značíme I a jeho jednotka je ampér [A].

Proud měříme pomocí ampérmetrů (A-metr). Ty se zapojují do série s měřenou součástkou.

Elektrický odpor (popř. impedance)

Elektrickým odporem chápeme poměr mezi napětím a proudem. V obvodu se stejnosměrným zdrojem, rozlišujeme pouze jeden druh elektrického odporu, ten označujeme R a jeho jednotkou je ohm [Ω]. V obvodu se střídavým zdrojem, rozlišujeme tři druhy odporu: činný R, jalový (reaktance) X_C/X_L a zdánlivý (impedance) Z, všechny mají jednotku ohm [Ω].

Elektrický odpor měříme pomocí tzv. ohmmetru (Ω-metr/R-metr). Ten se připojuje k měřené součástce, která není připojena do uzavřeného obvodu, protože R-metr obsahuje vlastní zdroj (nejčastěji baterka), popř. se používají měřící můstky (viz článek měření imitanci)

 

Základní fyzikální zákony

Ohmův zákon

Základní zákon, který by měl znát každý, kdo se elektronikou zabývá. Tento zákon pojednává o vztazích mezi základními elektrickými veličinami (napětí, proud a odpor). Říká, že elektrický proud je přímo úměrný napětí a nepřímo úměrný elektrickému odporu (viz článek impedance).

Kirchhoffovy zákony

I. K. Z. (zákon o proudech)

"Součet proudů vstupujících do uzlu je roven proudu z uzlu vystupujících." Tedy proud v uzlu je roven nule.

II. K. Z. (zákon o smyčkách)

Součet napětí všech prvků obvodu (spotřebiče, zdroje) ve smyčce je roven nule. Malá rada, jestli šipka napětí souhlasí se směrem smyčky, je napětí "kladné", jestli šipky nesouhlasí "záporné". Tedy si představíme velmi jednoduchá obvod, na levé straně je zdroj, na pravé spotřebič. Teď zvolíme smyčku jdoucí stejně jako hodiny (pravotočivou) a jdeme postupně. Na spotřebiči mají šipky souhlasný směr, tedy toto napětí bude kladné, na zdroji nesouhlasí ⇒ záporné, jejich velikosti jsou stejné, protože tam není žádný jiný prvek. A při matematickém vyjádření zjistíme, že U+(-U) je opravdu roven nule.  

Tyto tři zákony jsou nejdůležitější v elektru. Pomoci K.Z. můžeme zjednodušovat složité obvody (s více zdroji, smyčkami). Vždy se snažíme zjednodušit na nejmenší počet prvků (většinou na  reálný zdroj a spotřebič). Možností zjednodušení je víc, krom K.Z., ještě existují tzv. věty: Théveninova a Nortonova, nebo metoda lineární superpozice.

 

Teď bychom si mohli jen nastínit druhy zdrojů, spotřebičů a jejich pracovních bodů.

Zdroje

Rozlišuje dva základní typy, a to ideální a reálné. Ideální neobsahují vnitřní odpor, tedy jsou bezztrátové, bohužel takové zdroje neexistují. Máme zdroje reálné, ty se skládají z ideálních a vnitřního odporu R_i.

Dále můžeme zdroje rozdělit na proudové a napěťové. Ideální proudové dodávají (konst.) proud nezávislý na zátěži, napěťové zas (konst.) napětí nezávislé na zátěži. V reálných zdrojích je k proudovému ideálnímu zdroji paralelně připojen vnitřní odpor s vodivostí G_i, u napěťových je zas sériový vnitřní odpor R_i.

Většinou pracujeme se zdroji napěťovými. Podle R_i lze zdroje rozdělit na tvrdé a měkké. Tedy, když je R_i velké, je zdroj měkký, je-li R_i malé (blíži se k nule), je zdroj tvrdý.   

Krom stejnosměrných zdrojů mohou existovat i zdroje střídavé, platí pro ne podobná pravidla.

Spotřebiče

Většinou mají odporový charakter, většinou se jedná o tělesa, která přeměňují elektrickou energii na jinou (většinou tepelnou, světelnou). Ve střídavém proudu rozlišujeme ještě dva další charaktery, a to kapacitní a induktivní. Tedy většinou se jedná o různé rezistory, vinutí, žárovky, ale třeba i celé celky můžeme chápat jako spotřebič (zesilovač, televize).

Pracovní bod(y)

Pracovní bod je bod na charakteristice, ve kterém daná součástka pracuje. Jeho zjištění je možno provést matematicky, graficky, nebo měřením.  Jeho hodnotu volíme buď sami (tranzistory), nebo podle katalogu (LED diody).

Třeba máme LED diodu, která má tyto parametry: U_f 2,2 V a I_f 20 mA. Zdroj má tyto parametry: U₀ 12 V a R_i 4 Ω (tedy vnitřní odpor můžeme zanedbat, zdroj je značně tvrdý). Když bychom LED diodu připojili přímo, došlo by k jejímu zničení! Tedy zdroj musíme upravit tak, aby nedošlo k poškození LED diody. Mezi zdroj a diodu zařadíme rezistor s adekvátní hodnotou. Jeho hodnotu zjistíme velmi jednoduše, prvně zjistíme, jak velký musí být úbytek, tedy U-U_f což je 9,8 V, teď zjistíme odpor, který je pro 20 mA 490 Ω (volíme nejbližší vyšší odpor E24 k51).

\(R = \frac{U_0-U_f}{I_f}=\frac{12-2,2}{0,02}=490 \Omega\)

Graficky

Mějme následující charakteristiku:

Obr. 1 - VA charakteristika diody

 K diodě připojíme ideální zdroj napětí, jejich charakteristiky zobrazuje obrázek 2. Z obrázku je patrné, že se jednotlivé charakteristiky neprotnou. Proto si vyznačíme dva důležité body:

• Napětí naprázdno -  [U₀; 0] - v tomto případě bod [10 V; 0 A] (oranžový bod),
• Pracovní bod - [U_P; I_P] - v tomto případě je to bod [2 V, 2 mA] (černý bod).

Obr 2. - VA charakteristiky diody a ideálního zdroje napětí

Obr. 3 - Vyznačené body

Nyní těmito body povedeme přímku, která protne osu proudu (obrázek 4).

Obr. 4 - Charakteristika se zatěžovací přímkou

Obr. 5 - Vyznačený průsečík přímky a osy - proud nakrátko

Průsečík označujeme jako proud nakrátko. V tomto případě má hodnotu 2,5 mA. Hodnota odporu, který je nutné připojit je směrnicí přímky.

\(R = \frac{U_0}{I_K}=\frac{10}{0,0025}=4000 \Omega\)

Je zřejmé, že grafická metoda v tomto přípdě není přiliš vhodná. Její uplatnění nalezneme především v případě výpočtů u tranzistorů. 

Zdroje

Maťátko, Jan: Elektronika. 6. vydání. Praha: IDEA SERVIS, 2008. 362 s. ISBN 978-80-85970-64-7.

---

Přidal Vojtěch Šotola. Naposledy upravil Vojtěch Šotola dne 2020-01-05 09:58:02.